СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК B01D61/02 C02F1/44 

Группа изобретений относится к области сгущения водных растворов в химической и медицинской промышленности, в частности путем обратного осмоса, и может быть использовано, например, для концентрации аминокислот.

Мембраны и мембранная технология играют существенную роль при решении глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Безреагентность, исключение фазовых переходов и применения растворителей, энергосбережение, экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность и широкое применение мембранных процессов практически во всех сферах деятельности человека.

Известен способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, предусматривающий концентрирование водного раствора, при котором исходный 15%-ный раствор концентрируют с помощью метода мембранной дистилляции до содержания сухих веществ 65-70% и охлаждают фильтрат, причем процесс проводят при температуре фильтрата 13-20°С и линейкой скорости их потоков 0,05-0,055 м/с. Также известна установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая емкость и мембранный модуль плоскорамного типа с вертикально расположенными мембранами МФФК 3 из сополимера тетрафторэтилена на полипропиленовой подложке (RU №2071818, 1997).

Недостатками этих способа и установки является низкая эффективность одноступенчатого разделения фильтрата и концентрата, не позволяющая проводить концентрацию низко концентрированных исходных растворов и получать высококонцентрированные концентраты, сложность обеспечения и поддержания параметров процесса.

Известен также способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, предусматривающий разделение фильтрата и концентрата методом обратного осмоса при давлении 3,0-5,0 МПа с помощью полупроницаемых композиционных мембран. Также известна установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая емкость, плунжерный насос, манометр, ресивер, игольчатый дроссель мембранный блок (RU №2165934, 2001).

Недостатками этих способа и установки являются узость функциональных возможностей, ограничивающая концентрацию, достигаемую при одноразовом прохождении раствора через мембранный блок, длительность процесса, сложность ведения процесса под избыточным давлением ресивера и задания нужного расхода через мембранный блок, необходимость выравнивания расхода плунжерного насоса.

Технической задачей группы изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является создание эффективных способа и установки концентрирования водных растворов биологически активных веществ, а также расширение арсенала способов и установок концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в повышении возможной концентрации раствора в емкости благодаря многократной циркуляции раствора по замкнутому контуру через мембранный блок, увеличении ресурса установки благодаря оптимизации условий работы мембранного блока по скорости потока и входной концентрации раствора, расширении функциональных возможностей для концентрирования разнообразных растворов, сокращение длительности процесса, упрощение конструкции, повышение технологичности за счет автоматизации контроля параметров процесса.

Сущность изобретения в части способа состоит в том, что способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ предусматривает, что насосом подают первичный раствор из накопительной емкости в мембранный блок, где на полупроницаемых мембранах происходит разделение исходного раствора на очищенный от растворенных веществ фильтрат и обогащенный растворенными веществами концентрат, который в качестве целевого продукта возвращают в накопительную емкость, причем вначале устанавливают с помощью соответствующего регулируемого дросселя расход фильтрата, а с помощью другого дросселя - перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар между давлением исходного раствора, подаваемого насосом, и давлением концентрата, фиксируют указанный перепад и первоначальный расход фильтрата, а затем осуществляют циркуляцию объема этой емкости через мембранный блок, контролируя при этом расход сбрасываемого фильтрата и указанный перепад, а при снижении расхода фильтрата более чем на 15% от первоначального, или увеличении указанного перепада более чем на 20% от первоначального, прекращают циркуляцию раствора и опорожняют накопительную емкость, после чего промывают мембранный блок.

Предпочтительно мембранный блок промывают, по меньшей мере, одной жидкостью из группы: щелочной раствор, кислотный раствор, раствор перекиси водорода, вода, очищенная от солей жесткости, хлора и коллоидного железа, консервирующий раствор.

Сущность изобретения в части устройства состоит в том, что установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ содержит накопительную емкость, соединенный с ней насос с реле давления на выходе, подключенный к входу мембранного блока, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью и выходом отвода фильтрата, расходомер на выходе отвода фильтрата мембранного блока, манометры на входе и на выходе концентрата мембранного блока, блок автоматического управления и запорно-регулирующую аппаратуру, причем мембранный блок содержит, по меньшей мере, один рулонный обратноосмотический элемент в пластиковом корпусе, а запорно-регулирующая аппаратура выполнена в виде вентиля на выходе накопительной емкости к насосу и регулируемых дросселей на выходах мембранного блока.

Предпочтительно рулонные обратноосмотические элементы выполнены из гидрофильного материала, например ацетилцеллюлозы или полиамида, с селективностью не менее 97% по 2% раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С, блок автоматического управления выполнен в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором с возможностью отключения насоса при отсутствии жидкости в накопительной емкости или низком давлении на входе мембранного блока, мембранный блок содержит четыре параллельно установленных рулонных обратноосмотических элемента в пластиковых корпусах, манометры выполнены с диапазоном измерений, по меньшей мере, до 20 бар, причем, по меньшей мере, один манометр заполнен глицерином, накопительная емкость снабжена дополнительным вентилем для ее опорожнения, а насос выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар, а выходы концентрата и фильтрата мембранного блока выполнены с соотношением диаметров проходных сечений, как 8:6.

На чертеже изображена принципиальная схема установки для концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

Установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ содержит накопительную емкость 1, соединенный с ней насос 2 с реле 3 давления на выходе, подключенном к входу мембранного блока 4, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью 1 с образованием замкнутого контура для циркуляции концентрата, и выходом отвода фильтрата, расходомер 5 на выходе отвода фильтрата мембранного блока 4, манометры 6, 7 на входе и выходе концентрата мембранного блока 4, блок автоматического управления (не изображен). Мембранный блок 4 содержит, например, четыре рулонных обратноосмотических элемента (не обозначены) в пластиковом корпусе. Запорно-регулирующая аппаратура установки выполнена в виде вентиля 8 на выходе накопительной емкости 1 к насосу 2 и регулируемых дросселей 9, 10 на выходах мембранного блока 4. Выход концентрата блока 4 соединен с емкостью 1 трубопроводом рециркуляции.

Рулонные обратноосмотические элементы выполнены, предпочтительно, из гидрофильного материала, например ацетилцеллюлозы или полиамида, с селективностью не менее 97% по 2% раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С.

Селективность S мембранного элемента определяется соотношением:

S=100%·(q_вх-q_вых)/q_вх, где q_вх и q_вых - солесодержание растворенных в воде солей (в частности NaCl) на входе и выходе мембраны.

Блок автоматического управления выполнен, предпочтительно, в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором (не изображены) с возможностью отключения насоса 2 при отсутствии жидкости в накопительной емкости 1 или низком давлении на входе мембранного блока 4.

Манометры выполнены, предпочтительно, с диапазоном измерений по меньшей мере, до 20 бар и заполнены глицерином.

Накопительная емкость 1 снабжена дополнительным вентилем 11 для ее опорожнения, а насос 2 выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар.

Выходы концентрата и фильтрата мембранного блока 4 выполнены с соотношением диаметров проходных сечений как 8:6, например диаметр выхода фильтрата с диаметром 3/8′′, а диаметр выхода концентрата с диаметром ¹/₂′′.

Установка размещается таким образом, чтобы обеспечить, при необходимости, возможность подключения накопительной емкости 1 к источнику раствора биологически-активных веществ или к специальной емкости с этим раствором, а шланг вывода фильтрата - опустить в канализацию (с разрывом струи) или в дополнительную емкость (не изображено).

Способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ и работа установки для концентрирования водных растворов биологически активных веществ осуществляются следующим образом.

Так как на время простоя (в исходном состоянии) установка заполнена консервантом (1,5% раствор NaHSO₃), перед вводом в эксплуатацию установку промывают от консервантов. Для этого накопительную емкость 1 заполняют обессоленной или умягченной водой без содержания соединений железа, свободного хлора и бактерий. С помощью технологических трубок соединяют выход фильтрата мембранного блока 4 с емкостью 1. Открывают вентиль 8 и дроссель 10 полностью, а дроссель 9 примерно на половину. Подают электропитание на блок управления, после чего включается насос 2 и установка обеспечивает циркуляцию воды через мембранный блок 4 по замкнутому контуру в автоматическом режиме. С помощью дросселя 9 устанавливают по показаниям манометра 6 давление около 3 бар.

Циркуляцию воды продолжают в течение 30 часов, после чего оборудование выключают, а промывочную воду сливают через вентиль 11.

Эту процедуру проводят, как правило, еще два раза. По завершении промывки вентиль 8 закрывают.

После слива промывочной воды емкость 1 заполняют раствором биологически активного вещества, подлежащим концентрированию.

Блок автоматического управления при неработающей установке позволяет задавать параметры программы - время промывки и отстаивания раствора, например 40 и 1 мин, соответственно, а также число циклов промывки (предпочтительно - 3 циклов) и длительность задержки срабатывания защиты по давлению насоса.

Для проведения концентрирования раствора открывают вентиль 8. Фильтрат отводят в дополнительную емкость или в дренаж (канализацию).

Открывают дроссель 10 полностью, дроссель 9 примерно на половину. Подают электропитание на блок управления, после чего включается насос 2 и установка обеспечивает циркуляцию раствора через мембранный блок 4 по замкнутому контуру в автоматическом режиме. С помощью дросселя 9 устанавливают по показаниям манометров 6, 7 перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар. Дроссели 9 и 10 фиксируют от изменения их гидравлической проводимости.

Раствор из емкости 1 поступает под давлением насоса 2 на вход мембранного блока 4, где на полупроницаемых мембранах происходит процесс обратного осмоса. Обратный осмос - процесс мембранного разделения, состоящий в преимущественном проникновении через полупроницаемую мембрану растворителя и некоторых низкомолекулярных компонентов раствора под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора.

Так как раствор с большей концентрацией находится с одной стороны мембраны под воздействием давления насоса 2, превышающего осмотическое, молекулы воды двигаются через полупроницаемую мембрану в «обратном» направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом". При проведении обратного осмоса получают два раствора: концентрат (ретант), обогащенный растворенными веществами, и фильтрат (пермеат), обедненный ими.

Концентрат в качестве целевого продукта направляется обратно в емкость 1 по трубопроводу 12 рециркуляции через дроссель 9. Таким образом, концентрация раствора в емкости 1 непрерывно нарастает. Концентрацию раствора в емкости 1 контролируют, например, по его электропроводности.

Блок автоматического управления в случае отсутствия жидкости в емкости 1 или аварийного падения давления насоса 2 (по сухому ходу) останавливает двигатель насоса 2 с задержкой пять секунд с момента срабатывания реле 3, а на экране контроллера появляется соответствующая надпись.

Обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень разделения, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ, например, с помощью активированного угля. Разделение обратным осмосом осуществляется при температуре окружающей среды без фазовых превращений, поэтому затраты энергии значительно меньше, чем в большинстве других методах разделения (таких как ректификация, кристаллизация, выпаривание и др.). Малая энергоемкость и сравнительная простота аппаратурного оформления обеспечивают высокую экономическую эффективность процесса.

Диапазон допустимых значений давления настройки дросселя 9 выбран из условия недопущения телескопирования мембранных элементов (которое может произойти при повышении расхода жидкости при давлении менее 3 бар) и недопущения их быстрого засорения (которое может произойти при резком увеличении съема фильтрата, по сравнению с расходом концентрата, при давлении более 4, 5 бар). Заполнение манометров 6, 7 глицерином обеспечивает точность измерений по манометрам 6, 7, т.к. устраняет вибрацию стрелки.

В процессе эксплуатации мембранный блок 4 «забивается» наслоениями солей жесткости, коагулировавшими коллоидными эмульсиями, органическими отложениями. Если мембранный блок 4 своевременно не очищать от загрязнений, это может привести к «оштукатуриванию» поверхности мембран и даже к необратимым разрушениям мембран. Признаками недопустимого загрязнения мембран являются снижение производительности мембран по фильтрату более, чем на 15% от первоначальной, или увеличение перепада давления по манометрам 9 и 10 более чем на 20%.

В этом случае производится регенерация мембранного блока 4 путем обработки моющим средством, растворенным в дистиллированной воде, удаляющим с поверхности мембран накопившиеся отложения. Регенерация производится в несколько этапов. На первом этапе мойка осуществляется щелочным раствором (NaOH), на втором этапе - кислотным раствором (лимонная кислота). При необходимости далее проводится мойка дезинфицирующим и/или консервирующим растворами.

Процесс промывки при регенерации аналогичен процессу, изложенному выше при вводе в эксплуатацию. Количество циклов устанавливается равным 4, время работы насоса 15 мин, пауза между циклами - 45 мин.

После завершения регенерации установку промывают от моечных растворов и консервантов обессоленной или умягченной водой, как при вводе в эксплуатацию.

Периодически (один раз в три месяца) должна производиться санация мембранного блока 4 раствором перекиси водорода 0,2% (Н₂O₂) в течение 20-25 мин, после чего мембранный блок 4 промывается чистой водой.

Для хранения установка вновь заполняется консервантом.

Таким образом, созданы эффективный способ и установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, а также расширен арсенал способов и установок концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

При этом повышена возможная концентрация раствора в емкости благодаря многократной циркуляции раствора по замкнутому контуру через мембранный блок, увеличен ресурс установки благодаря оптимизации условий работы мембранного блока по скорости потока и входной концентрации раствора, расширены функциональные возможности для концентрирования разнообразных растворов, сокращена длительность процесса, упрощена конструкция, повышена технологичности за счет автоматизации контроля параметров процесса.

Изобретение относится к разделению растворов путем обратного осмоса и может найти применение в медицине и химической промышленности, преимущественно для концентрирования водных растворов биологически активных веществ. Способ включает подачу первичного раствора в мембранный блок для разделения на очищенный фильтрат и обогащенный растворенными веществами концентрат, который в качестве целевого продукта возвращают в накопительную емкость. Предварительно с помощью регулируемых дросселей устанавливают расход фильтрата и перепад давления, затем осуществляют циркуляцию раствора через мембранный блок, контролируя при этом расход фильтрата. При снижении расхода фильтрата более чем на 15% или увеличении указанного перепада более чем на 20% циркуляцию раствора прекращают, опорожняют накопительную емкость и промывают мембранный блок. Установка содержит накопительную емкость, насос с реле давления на выходе, подключенный к входу мембранного блока, расходомер на выходе отвода фильтрата мембранного блока, манометры на входе и на выходе концентрата мембранного блока, блок автоматического управления и запорно-регулирующую аппаратуру. Технический результат - повышение производительности процесса, увеличение ресурса установки и расширение функциональных возможностей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, при котором насосом подают первичный раствор из накопительной емкости в мембранный блок, где на полупроницаемых мембранах происходит разделение исходного раствора на очищенный от растворенных веществ фильтрат и обогащенный растворенными веществами концентрат, который в качестве целевого продукта возвращают в накопительную емкость, причем вначале устанавливают с помощью соответствующего регулируемого дросселя расход фильтрата, а с помощью другого дросселя - перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар между давлением исходного раствора, подаваемого насосом, и давлением концентрата, фиксируют указанный перепад и первоначальный расход фильтрата, а затем осуществляют циркуляцию объема этой емкости через мембранный блок, контролируя при этом расход сбрасываемого фильтрата и указанный перепад, а при снижении расхода фильтрата более чем на 15% от первоначального или увеличении указанного перепада более чем на 20% от первоначального прекращают циркуляцию раствора и опорожняют накопительную емкость, после чего промывают мембранный блок по меньшей мере, одной жидкостью из группы: вода, щелочной раствор, кислотный раствор, раствор перекиси водорода, консервирующий раствор.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мембранный блок промывают водой, очищенной от солей жесткости, хлора и коллоидного железа.3. Установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая накопительную емкость, соединенный с ней насос с реле давления на выходе, подключенный к входу мембранного блока, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью и выходом отвода фильтрата, расходомер на выходе отвода фильтрата мембранного блока, манометры на входе и на выходе концентрата мембранного блока, блок автоматического управления, выполненный с возможностью отключения насоса при отсутствии жидкости в накопительной емкости или низком давлении на входе мембранного блока, и запорно-регулирующую аппаратуру, причем мембранный блок содержит, по меньшей мере, один рулонный обратноосмотический элемент из гидрофильного материала, размещенный в пластиковом корпусе, а запорно-регулирующая аппаратура выполнена в виде вентиля на выходе накопительной емкости к насосу и регулируемых дросселей на выходах мембранного блока.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что рулонные обратноосмотические элементы из гидрофильного материала выполнены, например, из ацетилцеллюлозы или полиамида с селективностью не менее 97% по 2%-ному раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С.5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что блок автоматического управления выполнен в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором с возможностью временной задержки срабатывания защиты по давлению насоса.6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что мембранный блок содержит четыре параллельно установленных рулонных обратноосмотических элемента в пластиковых корпусах.7. Установка по п.3, отличающаяся тем, что манометры выполнены с диапазоном измерений, по меньшей мере, до 20 бар, причем, по меньшей мере, один манометр заполнен глицерином.8. Установка по п.3, отличающаяся тем, что накопительная емкость снабжена дополнительным вентилем для ее опорожнения, а насос выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар.9. Установка по п.3, отличающаяся тем, что выходы концентрата и фильтрата мембранного блока выполнены с соотношением диаметров проходных сечений, как 8:6.