SU1291173A1 - Ультрафильтр - Google Patents

Description

I12

Изобретение касаетс  ультрафильтра дл  мембранной фильтрации истинных или коллоидных растворов. Ультрафильтр может быть ислользован лре- имущественно дл  разделени , фракцио- нировани  и концентрировани  таких высокомолекул рных веществ как молоко , молочна  сыворотка и белки в пищевой промьшшенности.

Методы мембранной фильтрации слу- жат дл  разделени  жидкостей на растворенные или взвешенные вещества и растворитель. Дп  проведени  мембранной фильтрации разработано большое количество устройств, имеющих различ- ную структуру: трубчатую, половолок- нистую, навивочную и пластинчатую. Все ультрафильтры предназначены дл  исключени  концентрационной пол ризации и осаждени  вещества на мембра- не в процессе фильтрации.

В случае трубчатых модулей раствор прокачиваетс  через трубки. Мембранный слой наноситс  на внутреннюю поверхность пористой трубки. Защитный пористый слой одновременно служит дл  отвода фильтрата.

Недостатком таких устройств  вл етс  прежде всего их незначительна  плотность упаковки и необходимость поддерживани  очень-высокой скорости перетекани  жидкости через мембрану , что влечет за собой значительный объем устройств и большой расход энергии.

В половолокнистых модул х хот  и достигаетс  высока  плотность упаковки , ввиду быстрого засорени  мембран могут быть использованы только подвергнутые тщательному предвари- тельному фильтрованию по возможности ультрафильтрованные растворы. Поэтому дл  растворов, имеющих склонность к образованию отложений, например, растворов белка, молока и молочной сыворотки установки такого типа непригодны .

С помощью навивочных модулей также удаетс  достигнуть сравнительно вы- сокой плотности упаковки, однако и в этом случае существует проблема образовани  на мембранах отложений высокомолекул рных веществ, что делает и эти модули непригодными дл  мембранной фильтрации растворов,содержащих такие наход щиес  в коллоидном состо нии и склонные к осаждению частицы как белки.

732

Многочисленные фильтры имеют пластинчатую конструкцию, предусматривающую поочередное расположение пластин дл  поддержки мембраны, дл  отвода фильтрата, а также дл  создани  усиленной турбулент}юсти потока жидкости над мембраной.

Известно разделительное приспособление мембранного типа (пате«т ГДР N 130449, кл. В 01 D 13/00, 1978), состо щее из одного или нескольких фильтровальных пакетов, распределительной шш коллекторной пластины. Фильтровальный пакет состоит из пластины , направл ющей поток, пластины, отвод щей фильтрат, и мембраны. На обеих сторонах пластины, направл ющей поток, расположены направл ющие каналы, имеющие соотношение щирины к длине 1:20, оканчивающиес  с одной стороны переливными отв ерсти ми к обратной стороне пластины, а с другой - переливными каналами. Последние закрыты уплотнительной планкой, преп тствующей подтеканию раствора под мембрану. Пластины, отвод щие фильтрат, с обеих сторон снабжены выложенным отвод щим материалом углублением дл  отвода «фильтрата. Посредством отверстий эти углублени  соединены с тр-убочкой, котора  служит дл  отведени  фильтрата. Фильтровальные пакеты зат г иваютс  с помощью болтов ме ддУ распреде:лительной и собирающей пластинами. В распределительной и собирающей пластинах просверлены отверсти  дл  фильтруемой жидкости и дл  концентрата.

Недостатком такого устройства  вл етс  использование двух различных типов пластин, а также уплотнительно планки. Такое расположение служит причиной отложени  в определенных местах пластины белка, а также нежелательного развити  микроорганизмов. Несмотр  на наличие уплотнительной планки, изол ци  мембраны от пространства , содержащего фильтрат,  вл етс  недостаточной, вследствие чего концентрат может проникать в отсек с фильтратом. Кроме того, существует опасность разрушени  мембраны уплотнительной планкой.

Известен ультрафильтр дл  разделени  жидкостей (неакцептованна  за вка ФРГ № 2304702, кл„ В 01 D 13/00, 1973), состо щий из пакета различных попеременно расположенных плас312

т н, направл ющих поток, пластин с мембранами, двух крайних пластин и центрального болта. На обеих сторонах пластин с мембранным фильтром с помощью ст жного кольца закреплено по одному бумажному фильтру с мембраноГ; В центре пластин просверлено отверстие дл  центрального болта, вокруг этого отверсти  проведена канавка дл  отфильтрованной жидкости . Друга  канав.ка образуетс  благодар  кольцеобразной щели в пластинах, направл ющих поток. Крайние пластины снабжен отверсти ми дл  подвода жидкости и отвода концентрата. Фильтрат отводит СИ через трубочки, прикрепленные к каждой пластине с мембранами.

Одни из каналов над мембраной, по которьпу подаетс  жидкость, св зан с помощью отверстий, просверленных в отдельных направл ющих поток пластинах , с кольцеобразной канавкой дл  жидкости, предназначенной дл  фильтрации , а другие - с кольцеобразной канавкой дл  отфильтрованной жидкое- ти. Такой пор док да ет возможность последовательного и/или параллельного включени  проточных камер над мембранами.

Недостатком такого расположени   вл етс  то, что дл  последовательного или параллельного подключени  проточных; камер требуютс  по крайней мере три различные пластины, направл ющие поток. Дополнительно используютс  пластина с мембранш-ш зажимное кольцо и фильтровальна  бумага. Герметизаци  отдельных каналов один от другого требует точности при изготовлении отдельных плас- тин. Недостатком помимо этого  вл етс  сложный пор док замены отдельных мембран, поскольку дл  этого необходимо разобрать все устройство.

Известно устройство дл  разделени  жидкостей (неакцептованна  за вка ФРГ № 2426262, кл. В 01 D 31/00, 1975), состо щее из пакета фильтрующих злементов и -мембран, крайних впускной и вьшускной пластин и болтов . Опорные пластины состо т из двух глубокот нутых основных пластин, изготовленных из тонкого материала и расположенных между ними уплотн ю- щих элементов. Основным пластинам придана така  форма, благодар  которой между ними образуетс  полое пространство дл  получаемого фильтрата.

734

кроме того, в fu-ix имеютс  два удаленных одно от другого отверсти , служащие дл  пропуска фильтруемой жидкости. На каждой из основных пластин между обоими отверсти ми имеетс  пологое уг лублсние, вьшожеиное пористым ,, имеющим систему мелких каналов , материалом, с помощью отверстий св занное с полым пространством.Уплон ющие элементы, расположенные между основными пластинами, служат дл  изол ции полого пространства от внешней среды, а также от отверстий.Мембраны -наклеиваютс  с обеих сторон опорной пластины на основную пластину . Между отдельными опорными пластинами расположены уплотнени  рамного типа, на которые возложены задача разделени  двух опорных пластин дл  обеспечени  свободного протока жидкости, а также изол ции одной от другой двух расположенных р дом мембран.

Недостатком такого устройства  вл етс  то, что фильтровальный элемент состоит из большого числа различных деталей - как минимум трех различных уплотнительных элементов и двух основных пластин. При монтаже установки используютс  специальные клеи, с помощью которых мембраны наклеиваютс  на опорный слой. Наклеивание использованных влажных мембран невозможно. По сравнению с влажными мембранами сухие мембраны обладают значительно меньшей производительностью , так что дл  достижени  в этих установках той же производительности необходимы более значительные материальные затраты. Установка не приспособлена дл  фильтрации растворов , содержащих белок, так как вследствие применени  различных уплотн ющих элементов возникают мертвые пространства, в которых может откладыватьс  белок, что может привести к нежелательному развитию микроорганизмов .

Все устройства пластинчатого типа обладают тем недостатком, что несмотр  на все усили  по предотвращению возникающих в процессе ультрафильтрации пол ризации, концентрации и отложений на мембране, растворы таких высокомолекул рных веществ, как, например , белки, содержат частиту. со- лей.кальци , молекул белка и жира, не только выпадающих в осадок, на

512

поверхности мембран, но и частично проникающих в их поры.

При этом с помощью соответствута- щих методов очистки могут быть удалены только частицы, отложившиес  на поверхности мембраны, тогда как частицы , проникшие в поры, необратимо ухудшают пропускную способность мембран .

Ультрафильтры; состо т из многих различных элементов, например пластин , направл ющих поток, пластин с мембранами и опорных пластин. Ввиду использовани  большого количества уплотн ющих элементов образуютс  мертвые пространства, способствующие в случае мембранной фильтрации белковы растворов нежелательному размножению микроорганизмов.

Цель изобретени  - повышение фильтрационной способности пластинчатых ультрафильтров при разделении растворов высокомолекул рных веществ и предотвращение нежелательного размножени  микроорганизмов в ультрафильтре .

Задачей данного изобретени   вл етс  путем изменени  фильтровальных элементов создание такого фильтра,, чтобы сократить материальные и трудовые затраты на его изготовление,, уменьвшть концентрационную пол ризацию , устранить засорение мембран, сократить объем мертвого пространства , а также исключить необходимость в дополнительных уплотн ющих прокладках .

Ультрафильтр собираетс  из нескольких располагаемых поочередно цельных фильтровальных элементов и мембран, которые устанавливаютс  между впускной и выпускной пластинами с помощью зажимного приспособени . Последнее может состо ть либо из нескольких ст жных болтов, расположенных вдоль внешней кромки впускной и выпускной пластин, либо из ст жных болтов, расположенных на каждой узкой стороне впускной и выпускной пластин.

Впускна  и выпускна  пластины снабжены круглыми отверсти ми дл  подвода продукта, предназначенного дл  ультрафильтрации, и промывочной жидкости в пакет пластин, а также дл  отвода концентрата и ультрафильтрата . Цельный фильтрующий элемент представл ет собой пр моуг ольную

6

или квадратную компактную пластину, снабженную по крайней мере трем  круглыми отверсти ми и имеющую на одной стороне пространство дл  пос-

туплени  потока, а на другой - пространство дл  отвода фильтрата. По крайней мере одно из отверстий св зано посредством расположенных внутри сборных каналов с пространством

дл  отвода фильтрата и по крайней мере два других отверсти  посредством расположенных внутри каналов дл  впрыскивани  и сбора св заны с пространством дл  поступлени  потока.

Камера дл  отвода фильтрата заполнена материалом, имеющим систему сквозных мелких каналов, заканчивающихс  сборными каналами. Пространство дл  поступлени  потока снабжено структурированным материалом,имеющим систему мелких каналов, св занную с впрыск- ными и сборными каналами.

Така  система преследует цель ус- та.новлени  хорошего контакта межд,у

продуктом, подвергающимс  ультрафнльт- рованию, и активной сторон ой мембраны , а также подачи продукта в пространство дл  поступающего потока с малой скоростью, но с ысокой степенью

турбулентности.

е помощью заполненных структуркро- ванным материалом или пронизанных каналами камер дл  поступлер.и  потока и отвода ф1-шьтрата мембрана крепко зажимаетс  с обеих сторон, так что даже при высоком давлении жидкость может с обеих сторон воздействовать на мембрану, не вызыва  ее .;

разрыва. Этим создаетс  возможность подавать из камеры дл  фильтрата сквозь мембрану, промывающую жидкость с целью удалени  частиц, проникающих в поры в процессе ультрафильтрации,

чего невозможно достигнуть путем обычной рчистки. Возможность такого промывани  обратным потоком способствую ет повьщ1ению производительности ультрафильтра особенно при работе с продуктами , вызывающими быстрое засорение мембраны. ИзгоФовление фильтрующих элементов из полимерных, материалов , типа полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида, обеспечивающих при

соответствующем нанесении иод давлением необходимую дл  уплотнени  прочность и в зкость, позвол ет герметизировать ультрафильтр без применени  дополнительных прокладок. Не требу71

ютс  также дополнительные уплотнител ные фланцы и планки.

Необходимость в используемых известных , установках уплотнительных прокладках и планках дл  изол ции мембраны от камеры дл  отвода фильтрата отпадает благодар  тому, что вьтускной канал расположен внутри. Использование в пространстве дл  поступлени  потока структурированного материала или каналов вызывает высокую турбу- лентность потока над мембраной, и в значительной мере преп тствует концентрационной пол ризации и образованию отложений белка на мембранах.

По мере необходимости вместо работы с турбулектньп ) потоком, вызываемым структурированным материалом, можно без этого материала работать с ламинарным потоком над мембраной.

Ультрафильтр работает следующим образом..

Предназначенный дл  ультрафильт-- рации продукт, например молоко, с помощью насоса подаетс  из циркул - ционного резервуара в канал дл  распределени  продукта и попадает отсюда через впрыскные каналы в пространство дл  потока над компактной пластиной. Благодар  наход щемус  в этом пространстве структурированному материалу достигаетс  высока  степен турбулентности потока над мембраной, что обеспечивает незначительную концентрационную пол ризацию. Вода и низкомолекул рные вещества типа лактозы и солей проникают через мембрану в камеру дл  фильтрата. В продукте растет концентраци  высокомолекул рных веществ, например, белков,Ра- створ с повьшенной концентрацией бел ков подаетс  из пространства дл  поступающего потока через сборные каналы в канал сбора концентрата и отсюда перекачиваетс  в циркул цион- ный резервуар, затем в ультрафильтр до тех пор, пока .не достигаетс  желаема  концентраци  высокомолекул рных веществ. Фильтрат перекачиваетс  из камеры фильтрата через сборные кана- лы в сборный канал дл  фильтрата.и отсюда в резервуар дл  хранени .Расположение компактных пластин дает возможность пропускать через них продукт , предназначенный дл  ультрафиль- трации, по выбору параллельными либо последовательными потоками. Дц  последовательного включени  распределительный канал или канал дл  сбора

1738

концентрата в нужном месте перекрываютс .

Очистка ультрафильтра может проводитьс  двум  способами. Помимо метод очистки, используемого дл  всех пластинчатых фштьтров, в соответствии с которым вместо продукта, предназначенного дл  ультрафильтрации, через ультрафильтр прокачиваетс  специальна  промывочна  жидкость, в данном случае имеетс  возможность очистки обратным потоком. Промывочный раство вода или фильтрат накачиваютс  через канал, обратной очистки или канал сбора.фильтрата и проникают через мембрану с обратной стороны в направлении активной стороны, в результате чего происходит прополаскивание забитых пор. После прохождени  через мембрану промывочный раствор выводитс  из ультрафильтра через канал дл  сбора концентрата.

На фиг. 1 изображен ультрафильтр вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид спереди; на фиг.З - разрез А-А на ,фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.З - узел I на фиг.З.

Ультрафильтр состоит из двух ст гивающих пластин 4 - впускной и выпускной , двух ст жных болтов 3, опоры 5 дл  болта, а также компактных пластин 1 и мембраны 2. Впускна  и вьтускна  пластины 4 снабжены отверсти ми 8 дл  подачи продукта н 9 промывочной жидкости в фильтровальный злемент, а также отверсти ми 7 дл  отвода концентрата и 6 ультра- фильтрата. Впускна  и вьптускна  ст гивающие пластины 4 с помощью двух ст жных болтов 3, расположенных на торцах ст гивающих пластин 4, сжимают пакет компактных пластин 1 и мембран 2 так, что камеры дл  фильтрата и приема потока, а также все каналы герметично изолированы. В качестве материала дл  компактных пластин используетс  полипропилен. Компактные пластины имеют пр моугольную форму с соотнощением сторон 1:3,4. Толщина пластин . По углам пластин расположены круглые отверсти  8, 7, 6и9, служащие каналами соответственно дл  распределени  продукта, сбора концентрата,сбора фильтрата и обратного промывани . Расположенные с обеих сторон полые пространства - углублени  служат трем  каналами дл  потока 10 и фильтрата 1 1 и имеют пр моугольное сече-- ние 1,5x65 мм. Расположенные внутри канала 12 впрыскивани  и сбора св зывают эти пространства с каналами 6-9. Пространства дл  потока 10 и дл  отвода фильтрата 11 имеют одинаковую форму, но расположены зеркально по отношению одно к другому и выложены сетчатообразно структурированным материалом 13 и 14.

Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной Ведомством по изобретательству ГДР,

г

5

Фиг./

А- f2

--9 13

D

D D

фиг 5

Редактор И. Горна  Заказ 63/7

Техред Л.Сердюкова

Корр Подп

Тираж 657 ВНИИПН Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб.,д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

Корректор А. Т ско Подписное

Claims (1)

1. УЛЬТРАФИЛЬТР для мембранной фильтрации истинных и коллоидных растворов, состоящий из пакета прочно зажатых с помощью зажимных элементов между одной впускной и одной выпускной пластинами чередующихся фильтрующих элементов и мембран,между которыми образовано пространство для отвода фильтрата, заполненное материалом, имеющим систему мелких каналов, отличающийся тем, что, фильтрующие элементы выполнены цельными с углублениями на верхней и нижней поверхностях, образующими с одной стороны пространство для протока разделяемой среды, а с другой - пространство для отвода фильтрата, в пластинах выполнены по крайней мере по три сквозных круглых отверстия, сборные каналы, соединяющие по крайней мере одно отверстие с пространством для отвода фильтрата, и впрыскные и сборные каналы, соединяющие по крайней мере два дру гих отверстия с пространством для протока разделяемой среды, пространство для протока разделяемой среды заполнено материалом, имеющим систему сквозных мелких каналов, во впускной и выпускной пластинах выполнены круглые отверстия для ввода разделяемой среды, вывода фильтрата и концентрата.

   1291173 А1