МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 1996 года по МПК B01D61/28 B01D63/00 

Изобретение относится к мембранной технике, а именно к спиральному мембранному модулю с использованием ионнообменных мембран.

Предлагаемый модуль предназначен для обессоливания водных растворов неэлектролитов и полиэлектролитов, в частности белков, методом нейтрализационного диализа. Изобретение может быть использовано для обессоливания водных растворов углеводов (глюкозы, сахарозы, лактозы, лактулозы и т. д.), водных растворов природных и синтетических полимеров (декстрана, B-винилпирролидона, различных водорастворимых белков).

В описании используются следующие термины и сокращения:
А мембрана анионообменная мембрана, например, Neoseрta АМ-2 [1] производства Японии (толщина 0,13 мм, ионнообменная емкость 1,8 мг-экв/г, содержание воды в сухой мембране 0,25 г/г);
Ralex VA-2 [2 и 3] производства Чехословакии (0,57 мм, 1,8 мг-экв/г), 0,51 г/г);
МАК-2 [4] производства России (0,6 мм, 0,8 мг-экв/г, 0,60 г/г);
К-мембрана катионообменная мембрана, например, Neosepta СМ-2 [1] производства Японии (толщина 0,13 мм, ионнообменная емкость 1,90 мг-экв/г, содержание воды в сухой мембране 0,30 г/г);
Ralex КS-1 [2 и 3] производства Чехословакии (0,52 мм, 2,20 мг-экв/г, 0,55 г/г);
МКК-1 [4] производства России (0,62 мм, 2,0 мг-экв/г, 0,7 г/г).

Непроницаемая пленка полиэтиленовая толщиной 0,5 мм.

Сетка-сепаратор из полиэтилена или пропилена толщиной 1 мм.

Известен мембранный модуль, используемый для обессоливания водных растворов неэлектролитов, в частности метанола, методом нейтрализационного диализа [5] Этот метод основан на способности ионообменных мембран пропускать противоионы и служить барьером для коионов.

Известный плоский модуль представляет собой корпус, включающий три камеры: средняя камера обессоливания образована катионо- и анионообменной мембранами, две наружных камеры образованы стенкой корпуса и катионообменной мембраной (кислотная камера), стенкой корпуса и анионообменной мембраной (щелочная камера), соответственно. Модуль имеет также патрубки для ввода, соответственно, растворов кислоты, щелочи и обессоливаемого раствора и патрубки для вывода растворов.

Модуль работает следующим образом.

В камере обессоливания циркулирует водный обессоливаемый раствор, в наружных камерах водный раствор кислоты и щелочи, соответственно. При этом происходит обмен катионов солей на ионы водорода через катионообменную мембрану и анионов солей на ионы гидроксила через анионообменную мембрану. Реакция нейтрализации, протекающая в камере обессоливания, непрерывно сдвигает равновесие, что позволяет достичь высокой степени обессоливания.

Для решения таких задач, как обессоливание морской воды [6] используют мембранный модуль, содержащий плоские пакеты чередующихся пар А- и К-мембран марки Neosepta. Такие пакеты фиксируются в аппарате типа фильтр-пресса фирмы Тokuyma Soda Co. Ltd.

Основным недостатком известного мембранного модуля является невозможность обессоливания небольших количеств растворов, что необходимо в лабораторной и препаративной биотехнологической практике.

Задача изобретения создание мембранного модуля, позволяющего проводить масштабирование процесса обессоливания в широком диапазоне объемов обессоливаемых растворов.

Это достигается с помощью мембранного модуля, включающим центральный цилиндрический элемент 1, в пазах которого фиксируются края катионообменной 2, анионообменной 3 мембран и непроницаемой инертной пленки 4. Обе мембраны и непроницаемая пленка отделены друг от друга сетками-сепараторами 5 с образованием камеры обессоливания между катионо- и анионообменной мембранами, кислотной камеры между катионообменной мембраной и непроницаемой пленкой и щелочной камеры между анионообменной мембраной и непроницаемой пленкой. Каждая сетка-сепаратор имеет по периметру слой герметика. Все перечисленные камеры образованы навивкой в рулон мембран 2 и 3, пленки 4 и сеток-сепараторов 5 на цилиндрический элемент 1. Свернутый многослойный рулон фиксируется и герметизируется цилиндрическим корпусом 6, имеющим выходные патрубки 10, 11, 12 для обессоливаемого, кислотного и щелочного растворов, соответственно. Вход этих растворов в модуль осуществляется через входные патрубки 7, 8, 9, расположенные на цилиндрическом элементе.

На фиг. 1 изображена конструкция известного единичного мембранного плоского модуля, где: 1 элементы корпуса; 2 сетки-сепараторы; А анионообменная мембрана; К катионообменная мембрана; 3, 4, 5 входные патрубки для обессоливаемого, щелочного и кислотного растворов, соответственно; 6, 7, 8 выходные патрубки для этих растворов.

На фиг. 2 конструкция известного многокамерного мембранного плоского модуля, где: 1 элементы корпуса; 2 сетки-сепараторы; А анионообменная мембрана; К катионообменная мембрана; 3, 4, 5 входные патрубки для обессоливаемого, щелочного и кислотного растворов соответственно; 6, 7, 8 выходные патрубки для этих растворов.

На фиг. 3 конструкция предлагаемого спирального мембранного модуля, где: 1 цилиндрический элемент; 2 катионообменная мембрана; 3 анионообменная мембрана; 4 непроницаемая инертная пленка; 5 сетки-сепараторы; 6 цилиндрический корпус; 7, 8, 9 входные патрубки для обессоливаемого, кислотного и щелочного растворов, соответственно; 10, 11, 12 выходные патрубки для этих растворов.

Отличительными признаками предлагаемой конструкции является наличие центрального цилиндрического элемента и проницаемой инертной пленки. Только при наличии непроницаемой инертной пленки удается создать трехкамерную спиральную конструкцию в отличие от многочисленных двухкамерных спиральных конструкций, используемых для ультрафильтрации и обратного осмоса [7]
П р и м е р 1. Обессоливание водного раствора глюкозы (100 мл) с концентрацией 150 г/л, содержащего 0,1 н NaCl, проводят в спиральном модуле с длиной центрального цилиндрического элемента 10 см и его диаметром 2,5 см. Активная площадь каждой мембраны 0,02 м². Для изготовления модуля использованы гетерогенные К мембрана МКК-1 и А мембрана МАК-2 размером 10 x 25 см. В качестве непроницаемой пленки используют полиэтиленовую пленку толщиной 0,5 мм. В качестве сеток-сепараторов используют полиэтиленовые сетки толщиной 1 мм. Диаметр модуля в рабочем состоянии 5,5 см. Камеры модуля при этом имеют емкость 20 см³. Циркуляция растворов соляной кислоты и едкого натрия (концентрация 0,08 н.) и обессоливаемого раствора осуществляется с помощью многоканального перистальтического насоса со скоростью 75 ± 5 мл/мин. Через 6 мин достигается 90% обессоливание, через 90 мин 99% Получают 98 мл глюкозы с концентрацией 129 г/л. Выход: 84%
П р и м е р 2. На модуле, конструкция которого описана в примере 1, проводят обессоливание водного раствора лактозы (100 мл) с концентрацией 150 г/л, содержащего 0,1 н. NaCl. Через 60 мин достигается 93% обессоливание, через 90 мин 99% Получают 98 мл лактозы с концентрацией 141 г/л. Выход: 92%
П р и м е р 3. Обессоливание молочной сыворотки (200 мл) с концентрацией белка 5,12 мг/мл проводят в спиральном мембранном модуле с длиной центрального цилиндрического элемента 10 см и его диаметром 2,5 см. Активная площадь каждой мембраны 0,04 м². Для изготовления модуля используют гетерогенные мембраны Ralex: катионообменная КS-1 и анионообменная VA-2 размером 10 x 50 см. Диаметр модуля в рабочем состоянии 10 см, емкость камер 40 см³.

Процесс обессоливания молочной сыворотки ведут в условиях примера 1. Через 90 мин достигается 94% обессоливание. Получают 197 мл обессоленной сыворотки с концентрацией молочных белков 4,78 мг/мл, что соответствует 91% выходу.

Изобретение относится к мембранной технике, а именно к спиральному мембранному модулю, содержащему ионообменные мембраны и может быть использован для обессоливания водных растворов углеводов, природных и синтетических полимеров. Сущность изобретения: мембранный модуль представляет собой корпус с тремя смежными рабочими катионо-и анионообменными мембранами. Боковые стенки двух других камер образованы, соответственно, катионообменной мембраной и непроницаемой инертной поверхностью и анионообменной мембраной и непроницаемой поверхностью. Каждая камера модуля снабжена патрубками для ввода и вывода рабочих растворов. Непроницаемая инертная поверхность выполнена в виде пленки, модуль содержит центральный цилиндрический элемент, в пазах которого зафиксированы мембраны и непроницаемая инертная пленка, мембраны и пленка отделены друг от друга сетками-сепараторами. Рабочие камеры выполнены навивкой мембран, пленки и сеток-сепараторов на центральный цилиндрический элемент, при этом свернутый многослойный рулон герметизирован в цилиндрическом корпусе. 3 ил.

Мембранный модуль для обессоливания нейтрализационным диализом, содержащий корпус, включающий три смежные рабочие камеры, при этом боковые стенки камеры обессоливания образованы катионо- и анионообменными мембранами, боковые стенки двух других камер образованы соответственно катионообменной мембраной и непроницаемой инертной поверхностью и анионообменной мембраной и непроницаемой инертной поверхностью, а каждая камера снабжена патрубками ввода и вывода растворов, отличающийся тем, что он снабжен центральным цилиндрическим элементом с тремя продольными пазами, в которых зафиксированы стенки камер, и сетками-сепараторами, расположенными внутри камер, корпус выполнен цилиндрическим, непроницаемая инертная поверхность выполнена в виде пленки, а рабочие камеры выполнены навивкой мембран, непроницаемых пленок и сеток-сепараторов на центральный цилиндрический элемент, при этом образованный многослойный рулон зафиксирован в цилиндрическом корпусе.