Ультрафильтр

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

1173 А 1 (19} (11) (51) 4 В 01 D 13 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АSTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (89) 157953 DD (21) 7772265/23-26

{22) 02.02 ° 82 (31) VP В 01 9/229461 (32) 24 ° 04.81 (33) DD (46) 23.02.87. Бюл. И 7 (71) Институт фюр Иилхвиртшафт (DD) (72) Боргварт Йерг и Бенке Йюрген (oo) (53) 66.067.38(088.8) (54)(57) 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, обраэующи" ми с одной стороны пространство для протока разделяемой среды, а с другой — пространство для отвода фильтрата, в пластинах вь)полнены 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 других 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 разделя- С емой среды, вывода фильтрата и концентрата.

С помощью навивочных модулей также удается достигнуть сравнительно высокой плотности упаковки, однако и в этом случае существует проблема образования на мембранах отложений высокомолекулярных веществ, что делает и эти модули непригодными для мембранной фильтрации растворов,с.одержащих такие находящиеся в коллоидном состоянии и склонные к осаждению частицы как белки.

l 12911

Изобретение касается ультрафильтра для мембранной фильтрации истинных или коллоидных растворов. Ультрафильтр может быть использован преимущественно для разделения. фракционирования и концентрирования таких высокомолекулярных веществ как молоко, молочная сыворотка и белки в пищевой промышленности.

Методы мембранной фильтрации слу — 10 жат для разделения жидкостей на растворенные или взвешенные вещества и растворитель. Для проведения мембранной фильтрации разработано большое количество устройств, имеющих различ- 15 ную структуру; трубчатую, половолокнистую, навивочную и пластинчатую.

Все ультрафильтры предназначены для исключения концентрационной поляризации и осаждения вещества на мембра- 20 не в процессе фильтрации.

В случае трубчатых модулей раствор прокачивается через трубки. Мембранный слой наносится на внутреннюю поверхность пористой трубки. Защитный пористый слой одновременно служит для отвода фильтрата.

Недостатком таких устройств является прежде всего их незначительная плотность упаковки и необходимость поддерживания очень высокой скорости перетекания жидкости через мембрану, что влечет за собой значительный объем устройств и большой расход энер. ии. 35

В половолокнистых модулях хотя и достигается высокая плотность упаковки, ввиду быстрого засорения мембран могут быть использованы только подвергнутые тщательному предвари- 40 тельному фильтрованию по возможности ультрафильтрованные растворы. Поэто— му для растворов, имеющих склонность к образованию отложений, например, растворов белка, молока и молочной 45 сыворотки установки такого типа непригодны.

73 2

Многочисленные фильтры имеют пластинчатую конструкцию, предусматривающую поочередное расположение пластин для поддержки мембраны, для отвода фильтрата, а также для создания усиленной турбулентности потока жидкости над мембраной.

Известно разделительное приспособление мембранного типа (патент ГДР

t 130449, кл. В 01 D 13/00, 1978), состоящее из одного или нескольких фильтровальных пакетов, распределительной или коллекторной пластины.

Фильтровальный пакет состоит из пластины, направляющей поток, пластины, отводящей фильтрат, и мембраны. На обеих сторонах пластины, направляющей поток, расположены направляющие каналы, имеющие соотношение ширины к длине 1:20, оканчиваюшиеся с одной стороны переливными отверстиями к обратной стороне пластины, а с другой — переливными каналами. Последние закрыты уплотнительной планкой, препятствующей подтеканию раствора под мембрану. Пластины, отводящие фильтрат, с обеих сторон снабжены выложенным отводящим материалом углублением,цля отвода:фильтрата. Посредством отверстий эти углубления соединены с трубочкой, которая слу— жит для отведения фильтрата. Фипьтровальные пакеты затягvBBNTcH BQ мощью болтов между распределительной и собирающей пластинами. В распределительной и собирающей пластинах просверлены отверстия для фильтруемой жидкости и для концентрата.

Недостатком такого устройства является использование двух различных " типов пластин, а также уплотнительной планки. Такое расположение служит причиной отложения в определенных местах пластины белка, а также нежелательного развития микроорганизмов.

Несмотря на наличие уплотнительной планки, изоляция мембраны от пространства, содержащего фильтрат, является недостаточной, вследствие чего концентрат может проникать в отсек с фильтратом. Кроме того, существует опасность разрушения мембраны уплотнительной планкой.

Известен ультрафильтр для разделения жидкостей (неакцептаванная заявка ФРГ Р 2304702, кл. Б 01 D 13/00, 1973), состоящий и» пакета различ— ных попеременно расположенных плас— тин, Hàïравляюших поток, пластин с мембранами, двух крайних пластин и центрального балта. На обеих сторонах пластин с мембранным фильтрам с помощью стяжнаго кольца закреплено по

-> одному бумажному фильтру с мембрана:. :..

В центре пластин просверлено отверстие для центрального болта, вокруг этого отверстия проведена канавка для отфильтрованной жидкости; Другая f0 канавка образуется благодаря кольцеобразной щели в пластинах, направляющих поток. Крайние пластины снабжены отверстиями для подвода жидкости и отвода концентрата. Фильтрат отводит- 15 ся через трубочки, прикрепленные к каждой пластине с мембранами.

Одни из каналов над мембраной, по которым подается жидкость, связаны с помощью отверстий, просверленных 20 в отдельных направляющих поток пластинах, с кальцеабразной канавкой для жидкости, предназначенной для фильтрации, а другие — с кольцеобразнай канавкой для отфильтрованной жидкости. Такой порядок дает возможность последовательного и/или параллельного включения проточных камер над мембранами

Недостатком такого расположения З0 является то, что для последовательного или параллельного подключения проточных камер требуются по крайней мере три различные пластины, направляющие поток. Дополнительно используются пластина с мембранами зажимное кольцо и фильтровальная бумага. Герметизация отдельных каналов один от другого требует точности при изготовлении отдельных плас- 40 тин. Недостатком помимо этого является сложный порядок замены отдельных мембран, поскольку для этого необходимо разобрать все устройство.

Известно устройство для разделения жидкостей (неакцептованная заявка

ФРГ Ф 2426262, кл. В 01 D 3 1/00, 1975), состоящее из пакета фильтрующих элементов и мембран, крайних 50 впускной и выпускной пластин и болтов. Опорные пластины состоят из двух глубакатянутых основных пластин, изготовленных из тонкого материала и распола>кенных между ними уплотняющих элементов. Основным пластинам придана такая форма, благодаря которой между ними образуется полое пространство для получаемого фильтрата, кроме того, в них имеются два удаленных одна ат другога отверстия, служащие для пропуска фильтруемой жидкости. На каждой из основных пластин между обоими отверстиями имеется пологое углубле. ие, выложенное пористым, имеющим систему мелких каналов, материалам, с помощью отверстий связанное с полым пространством.уплотняющне элементы, расположенные между основными пластинами, служат для изоляции полого пространства от внешней среды, а также от отверстий.Мембраны -наклеиваются с обеих сторон опорной пластины на основную пластину. Между отдельными опорными пластинами расположены уплотнения рамного типа, на которые возложены задача разделения двух опорных пластин для обеспечения свободного протока жидкости, а также изоляции одной от другой двух расположенньж рядом мембран.

Недостатком такого устройства является то, что фильтровальный элемент состоит из большого числа различных деталей — как минимум трех различных уплатнительных элементов и двух основных пластин. При монтаже установки используются специальные клен, с помощью которых мембраны наклеиваются на опорный слой. Наклеивание использованных влажных мембран невозможна, По сравнению с влажными мембранами сухие мембраны обладают значительно меньшей производительностью, так что для достижения в этих установках той же производительности необходимы более значительные материальные затраты. Установка не приспособлена для фильтрации растворов, содержащих белок, так как вследствие применения различных уплотняющих элементов возникают мертвые пространства, в которых может откладываться белок, что может привести к нежелательному развитию микроорганизмов

Все устройства пластинчатого типа обладают тем недостатком, что несмотря на все усилия по предотвращению возникающих в процессе ультрафильтрации поляризации, концентрации и отложений на мембране, растворы таких высокомолекулярных веществ, как, например, белки, содержат частицы солей.кальция, молекул белк" и жира, не только выпадающих в осадок, на

5 229 поверхности мембран, но и частично проникающих в их поры.

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

Ультрафильтры; состоят из многих различных элементов„ например пластин, направляющих поток, пластин с мембранами и опорных пластин. Ввиду использования большого количества уплотняющих элементов образуются мертвые пространства, способствующие в случае мембранной фильтрации белковых растворов нежелательному размножению микроорганизмов.

Цель изобретения — повышение фильтрационной способности пластинчатых ультрафильтров при разделении растворов высокомолекулярных веществ и предотвращение нежелательного размножения микроорганизмов в ультрафильтре.

Задачей данного изобретения является путем изменения фильтровальных элементов создание такого фильтра,, чтобы сократить материальные и трудовые затраты на его изготовление„ уменьшить концентрационную поляризацию, устранить засорение мембран, сократить объем мертвого пространства, з также исключить необходимость в дополнительных уплотняющих прокладках.

Ультрафильтр собирается из нескольких располагаемых поочередно цельных фильтровальных элементов и мембран, которые устанавливаются между впускной и выпускной пластинами с помощью зажимного приспособения.

Последнее может состоять либо из нескольких стяжных болтов, расположенных вдоль внешней кромки впускной и выпУсKHoH IIJIGctHH JIH60 Hз cTHKHhlx болтов, расположенных на каждой узкой стороне впускной и выпускной пластин.

Впускная и выпускная пластины снабжены круглыми отверстиями для подвода продукта, предназначенного для ультрафильтрации, и промывочной жидкости в пакет пластин, а также для отвода концентрата и ультрафильтрата. Цельный фильтрующий элемент представляет собой прямоугольную

2173

?5

55 или квадратную компактную пластину, снабженную по крайней мере тремя круглыми отверстиями и имеющую на одной стороне пространство для пос2тупления потока, а на другой — пространство для отвода фильтрата. По крайней мере одно из отверстий связано посредством расположенных внутри сборных каналов с пространством для отвода фильтрата и по крайней мере два других отверстия посредством расположенных внутри каналов для впрыскивания и сбора связаны с пространством для поступления потока.

Камера для отвода фильтрата заполне»а материалом, имеющим систему сквозных мелких каналов, заканчивающихся сборными каналами. Пространство для поступления потока снабжено структурированным материалом, имеющим систему мелких каналов, связанную с в рыскными и сборными каналами.

Такая система преследует цель установления хорошего контакта между продуктом„ подвергающимся ультрафильтрованию„ и активной стороной мембраны, а также подачи продукта в пространство для поступающего потока с. малой скоростью, но с высокой степенью турбулентности.

С помощью заполненных структуриро-! ванным материалом или пронизаннь-,х каналами камер для поступления пстока и отвода фильтрата мембрана крепко зажимается с обеих сторон, так что даже при высоком давлении жидкость может с обеих сторон воздействовать на мембрану, не вызывая ее разрыва. Этим создается возможность подавать из камеры для фильтрата сквозь мембрану, промывающую жидкость с целью удаления частиц, проникающих в поры в процессе ультрафильтрации, чего невозможно достигнуть путем обычной рчистки. Возможность такого промывания обратным потоком способствует повышению производительности ультрафильтра особенно при работе с про дуктами, вызывающими быстрое засорение мембраны. Изготовление фильтрующих элементов из полимерных материалов, типа полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида, обеспечивающих при соответствующем нанесении под давлением необходимую для уплотнения прочность и вязкость, позволяет герметизировать ультрафильтр бсз применения дополнительных прокладок. Не требу1291173 ются также дополнительные уплотнительные фланцы и планки.

Необходимость в используемых известных установках уплотнительных прокладках и планках для изоляции мембраны от камеры для отвода фильтрата отпадает благодаря тому, что выпускной канал расположен внутри. Использовав ние в пространстве для поступления потока структурированного материала 10 или каналов вызывает высокую турбулентность потока над мембраной и в значительнои мере препятствует концентрационной поляризации и образованию отложений белка на мембранах. 5

По мере необходимости вместо работы с турбулентным потоком, вызыва- емым структурированным материалом, можно без этого материала работать с ламинарным потоком над мембраной. 20

Ультрафильтр работает следующим образом., Предназначенный для ультрафильтрации продукт, например молоко, с помощью насоса подается из циркуля- 25 ционного резервуара в канал для распределения продукта и попадает отсюда через впрыскные каналы в пространство для потока над компактной пластиной. Благодаря находящемуся в 30 этом пространстве структурированному материалу достигается высокая степень турбулентности потока над мембраной, что обеспечивает незначительную концентрационную поляризацию. Вода и низкомолекулярные вещества типа лактозы и солей проникают через мембрану в камеру для фильтрата. В продукте растет концентрация высокомолекулярных веществ, например, белков.Ра- .щ створ с повышенной концентрацией белков подается из пространства для поступающего потока через сборные каналы в канал сбора концентрата и отсюда перекачивается в циркуляционный резервуар, затем в ультрафильтр до тех пор, пока .не достигается желаемая концентрация высокомолекулярных веществ. Фильтрат перекачивается из камеры фильтрата через сборные кана- 0 лы в сборный канал для фильтрата.и отсюда в резервуар для хранения.Расположение компактных пластин дает возможность пропускать через них продукт, предназначенный для ультрафиль- 55 трации, по выбору параллельными либо последовательными потоками. Дця последовательного включения распределительный канал или канал для сбора концентрата в нужном месте перекрываются, Очистка ультрафильтра может проводиться двумя способами. Помимо метода очистки, используемого для всех пластинчатых фильтров, в соответствии с которым вместо продукта, предназначенного для льтрафильтрации, через ультрафильтр прокачивается специальная промывочная жидкость, в данном случае имеется возможность очистки обратным потоком. Промывочный раствор, воца или фильтрат накачиваются 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 прохождения через мембрану промывочный раствор выводит" ся из ультрафильтра через канал для сбора концентрата.

На фиг. 1 изображен ультрафильтр, вид сбоку; на фиг. 2 — то же, вид впереди; на фиг.3 — разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 — разрез В-В на фиг.2; на фиг.5 — узел I на фиг.3.

Ультрафильтр состоит из двух стягивающих пластин 4 — впускной и выпускной, двух стяжных болтов 3, onàры 5 для болта, а также компактных пластин 1 и мембраны 2. Впускная и выпускная пластины 4 снабжены отверстиями 8 для подачи продукта и 9 промывочной жидкости в фильтровальный элемент, а также отверстиями 7 для отвода концентрата и 6 ультрафильтрата. Впускная и выпускная стягивающие пластины 4 с помощью двух стяжных болтов 3, расположенных на торцах стягивающих пластин 4, сжимают пакет компактных пластин 1 и мембран 2 так, что камеры для фильтрата и приема потока, а также все каналы герметично изолированы. В качестве материала для компактных пластин используется полипропилен.

Компактные пластины имеют прямоугольную форму с соотношением сторон

1:3,4. Толщина пластин 5 мм. По углам пластин расположены круглые отверстия 8, 7, 6 и 9, служащие каналами соответственно для распределения продукта, сбора концентрата,сбора фильтрата и обратного промывания.

Расположенные с обеих сторон полые пространства — углубления служат тремя каналами для потока 10 и фильт9 12911 рата 11 и имеют прямоугольное сечение 1,5х65 мм. Расположенные внутри канала 12 впрыскивания и сбора связывают эти пространства с каналами

6-9. Пространства для потока 10 и для отвода фильтрата 11 имеют одинаковую Ьорму, но расположены зеркаль1О

73 но по отнощению одно к другому и выложены сетчатообразно структурированным материалом 13 и 14.

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

129! l73

1 79l l 73

Фиг

Редактор И. Горная

Техред Л.Сердюкова

Корректор А. Тяско

Тираж 657 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д. 4/5

Заказ 63/7

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4