I12
Изобретение касается ультрафильтра для мембранной фильтрации истинных или коллоидных растворов. Ультрафильтр может быть ислользован лре- имущественно для разделения, фракцио- нирования и концентрирования таких высокомолекулярных веществ как молоко, молочная сыворотка и белки в пищевой промьшшенности.
Методы мембранной фильтрации слу- жат для разделения жидкостей на растворенные или взвешенные вещества и растворитель. Дпя проведения мембранной фильтрации разработано большое количество устройств, имеющих различ- ную структуру: трубчатую, половолок- нистую, навивочную и пластинчатую. Все ультрафильтры предназначены для исключения концентрационной поляризации и осаждения вещества на мембра- 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 энергии.
В половолокнистых модулях хотя и достигается высокая плотность упаковки, ввиду быстрого засорения мембран могут быть использованы только подвергнутые тщательному предвари- тельному фильтрованию по возможности ультрафильтрованные растворы. Поэтому для растворов, имеющих склонность к образованию отложений, например, растворов белка, молока и молочной сыворотки установки такого типа непригодны.
С помощью навивочных модулей также удается достигнуть сравнительно вы- сокой 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,содержащих такие находящиеся в коллоидном состоянии и склонные к осаждению частицы как белки.
732
Многочисленные фильтры имеют пластинчатую конструкцию, предусматривающую поочередное расположение пластин для поддержки мембраны, для отвода фильтрата, а также для создания усиленной турбулент}юсти потока жидкости над мембраной.
Известно разделительное приспособление мембранного типа (пате«т ГДР N 130449, кл. В 01 D 13/00, 1978), состоящее из одного или нескольких фильтровальных пакетов, распределительной шш 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 щирины к длине 1:20, оканчивающиеся с одной стороны переливными отв ерстиями 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 для отвода «фильтрата. Посредством отверстий эти углубления соединены с тр-убочкой, которая служит для отведения фильтрата. Фильтровальные пакеты затяг иваются с помощью болтов меяддУ распреде:лительной 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 уплотнительно 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 (неакцептованная заявка ФРГ № 2304702, кл„ В 01 D 13/00, 1973), состоящий из пакета различных попеременно расположенных плас312
тян, направляющих поток, пластин с мембранами, двух крайних пластин и центрального болта. На обеих сторонах пластин с мембранным фильтром с помощью стяжного кольца закреплено по одному бумажному фильтру с мембраноГ; В центре пластин просверлено отверстие для центрального болта, вокруг этого отверстия проведена канавка для отфильтрованной жидкости . Другая канав.ка образуется благодаря кольцеобразной щели в пластинах, направляющих поток. Крайние пластины снабжен отверстиями для подвода жидкости и отвода концентрата. Фильтрат отводит СИ через трубочки, прикрепленные к каждой пластине с мембранами.
Одни из каналов над мембраной, по которьпу подается жидкость, связан с помощью отверстий, просверленных в отдельных направляющих поток пластинах, с кольцеобразной канавкой для жидкости, предназначенной для фильтрации, а другие - с кольцеобразной канавкой для отфильтрованной жидкое- ти. Такой порядок да ет возможность последовательного и/или параллельного включения проточных камер над мембранами.
Недостатком такого расположения является то, что для последовательного или параллельного подключения проточных; камер требуются по крайней мере три различные пластины, направляющие поток. Дополнительно используются пластина с мембранш-ш зажимное кольцо и фильтровальная бумага. Герметизация отдельных каналов один от другого требует точности при изготовлении отдельных плас- 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 № 2426262, кл. В 01 D 31/00, 1975), состоящее из пакета фильтрующих злементов и -мембран, крайних впускной и вьшускной пластин и болтов. Опорные пластины состоят из двух глубокотянутых основных пластин, изготовленных из тонкого материала и расположенных между ними уплотняю- щих элементов. Основным пластинам придана такая форма, благодаря которой между ними образуется полое пространство для получаемого фильтрата.
734
кроме того, в fu-ix имеются два удаленных одно от другого отверстия, служащие для пропуска фильтруемой жидкости. На каждой из основных пластин между обоими отверстиями имеется пологое уг лублсние, вьшожеиное пористым,, имеющим систему мелких каналов, материалом, с помощью отверстий связанное с полым пространством.Уплоняющие 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 расположенных рядом мембран.
Недостатком такого устройства является то, что фильтровальный элемент состоит из большого числа различных деталей - как минимум трех различных уплотнительных элементов и двух основных пластин. При монтаже установки используются специальные клеи, с помощью которых мембраны наклеиваются на опорный слой. Наклеивание использованных влажных мембран невозможно. 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 частиту. со- лей.кальция, 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, 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 белковы 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,, уменьвшть концентрационную поляризацию, устранить засорение мембран, сократить объем мертвого пространства, а 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 выпускной пластин, либо из стяжных 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 прямоуг ольную
6
или квадратную компактную пластину, снабженную по крайней мере тремя круглыми отверстиями и имеющую на одной стороне пространство для пос-
тупления 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 заполнена материалом, имеющим систему сквозных мелких каналов, заканчивающихся сборными каналами. Пространство для поступления потока снабжено структурированным материалом,имеющим систему мелких каналов, связанную с впрыск- ными и сборными каналами.
Такая система преследует цель ус- та.новления хорошего контакта межд,у
продуктом, подвергающимся ультрафнльт- рованию, и активной сторон ой мембраны, а также подачи продукта в пространство для поступающего потока с малой скоростью, но с ысокой степенью
турбулентности.
е помощью заполненных структуркро- ванным материалом или пронизанных каналами камер для поступлер.ия потока и отвода ф1-шьтрата 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 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 для уплотнения прочность и вязкость, позволяет герметизировать ультрафильтр без применения дополнительных прокладок. Не требу71
ются также дополнительные уплотнител ные фланцы и планки.
Необходимость в используемых известных, установках уплотнительных прокладках и планках для изоляции мембраны от камеры для отвода фильтрата отпадает благодаря тому, что вьтускной канал расположен внутри. Использование в пространстве для поступления потока структурированного материала или каналов вызывает высокую турбу- лентность потока над мембраной, и в значительной мере препятствует концентрационной поляризации 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 для ультрафильт-- рации продукт, например молоко, с помощью насоса подается из циркуля- ционного резервуара в канал для распределения продукта и попадает отсюда через впрыскные каналы в пространство для потока над компактной пластиной. Благодаря находящемуся в этом пространстве структурированному материалу достигается высокая степен 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- створ с повьшенной концентрацией бел ков подается из пространства для поступающего потока через сборные каналы в канал сбора концентрата и отсюда перекачивается в циркуляцион- ный резервуар, затем в ультрафильтр до тех пор, пока .не достигается желаемая концентрация высокомолекулярных веществ. Фильтрат перекачивается из камеры фильтрата через сборные кана- лы в сборный канал для фильтрата.и отсюда в резервуар для хранения.Расположение компактных пластин дает возможность пропускать через них продукт, предназначенный для ультрафиль- трации, по выбору параллельными либо последовательными потоками. Дця последовательного включения распределительный канал или канал для сбора
1738
концентрата в нужном месте перекрываются.
Очистка ультрафильтра может проводиться двумя способами. Помимо метод очистки, используемого для всех пластинчатых фштьтров, в соответствии с которым вместо продукта, предназначенного для ультрафильтрации, через ультрафильтр прокачивается специальная промывочная жидкость, в данном случае имеется возможность очистки обратным потоком. Промывочный раство вода 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 выводится из ультрафильтра через канал для 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 стягивающих пластин 4 - впускной и выпускной, двух стяжных болтов 3, опоры 5 для болта, а также компактных пластин 1 и мембраны 2. Впускная и вьтускная пластины 4 снабжены отверстиями 8 для подачи продукта н 9 промывочной жидкости в фильтровальный злемент, а также отверстиями 7 для отвода концентрата и 6 ультра- фильтрата. Впускная и вьптускная 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 соотнощением сторон 1:3,4. Толщина пластин . По углам пластин расположены круглые отверстия 8, 7, 6и9, 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 фильтрата 1 1 и имеют прямоугольное сече-- ние 1,5x65 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 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. Горная Заказ 63/7
Техред Л.Сердюкова
Корр Подп
Тираж 657 ВНИИПН Государственного комитета СССР
по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Корректор А. Тяско Подписное
