CN101180114A - 产品的薄膜过滤 - Google Patents

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Abstract

这项发明涉及在薄膜设备(1)中用于产品的薄膜过滤的方法,该方法包含几个阶段:A)用薄膜设备(1)的第一薄膜系统(2)过滤该产品;B)借助多步骤清洁程序清洁该第一薄膜系统(2),其中所述多步骤清洁程序包括至少一个水冲洗步骤和至少一个清洁溶液清洁步骤,从而导致至少一种被污染的清洁溶液;C)用第二薄膜系统(9)过滤那至少一种被污染的清洁溶液,从而导致回收的清洁溶液;以及D)将回收的清洁溶液用于阶段B的清洁步骤。

Description

产品的薄膜过滤
技术领域
本发明涉及在薄膜设备中用于产品的薄膜过滤的方法和用于产品的薄膜过滤的薄膜设备。
背景技术
薄膜过滤是一种有利的技术,该技术被,举例来说,乳品加工业、食品和饮料业、金属工业、制药业或水业以工业规模应用于薄膜设备。
举例来说,US 2005/0053707 A1涉及使用包括过滤薄膜的横向流动过滤组件完成牛奶的各种不同的营养成份的连续分离(具体地说完成包含在牛奶,初乳,乳浆或其它乳制品中的各种不同的奶蛋白质、碳水化合物、酶和矿物质的连续分离)的方法和装置。依照一个实施方案,来自牛奶来源的牛奶通过第一横向过滤组件流动除去包含在其中的细菌然后通过六个进一步的横向过滤组件捕获和过滤规定分数的牛奶。
微孔过滤、超滤、纳米过滤和反渗透的薄膜分离技术拥有使它们作为分离、灭菌消毒、再循环和回收程序变得吸引人的特性,包括:
●导致自动化和不间断操作的连续处理;
●不涉及相变和温度变化的低能量利用;
●没有重大尺寸限制的模块设计;
●活动部件最少,维护需求低;
●对被分离成份的形式或化学没有影响;
●产生分离,没有必需的化学添加剂。
在薄膜程序的操作中主要的问题之一是薄膜污垢。薄膜污垢指的是在薄膜表面上或在薄膜矩阵中由被过滤产品的特定成份的积聚引起的薄膜过滤器的通量下降。某些污垢材料能用水力方法(例如,过滤器逆流或擦洗)除去;大部分能用化学方法(例如,原地清洁(CIP)或化学清洁)除去。
在目前的工艺水平中用于薄膜设备的化学清洁的清洁溶液是在清洁程序之后处理的。因为考虑到环境和经济,至少回收一部分清洁溶液和/或清洁溶液里面的水供重复使用是令人想要的。
发明内容
本发明以提供用于薄膜设备的产品薄膜过滤方法的目的为基础,包括清洁用过的薄膜过滤系统的程序,这将降低薄膜过滤的总成本和减少被污染的清洁溶液排放到环境中。
这个目的是借助产品在薄膜设备中的薄膜过滤方法实现的,该方法包含几个阶段:
A)用薄膜设备的第一薄膜系统过滤该产品;
B)用多步骤清洁程序清洁第一薄膜系统,该多步骤清洁程序包括至少一个用水冲洗的步骤和至少一个用清洁溶液清洁的步骤,从而导致至少一种被污染的清洁溶液;
C)用第二薄膜系统过滤那至少一种被污染的清洁溶液,从而导致回收的清洁溶液;
D)在阶段B)的清洁步骤中使用那回收的清洁溶液。
在这个意义上薄膜设备是一种安排,该安排包括至少一个用于工业产品的薄膜过滤的薄膜系统,优选薄膜通量高于3 00升/(小时*平方米)。
依照本发明在阶段A)用薄膜设备的薄膜系统过滤的产品优选是乳制品、药品、食品或酿造产品或废水。
清洁阶段B)是薄膜系统操作的一个整体部份,该部分对薄膜过滤程序的性能和经济学有深刻的影响。薄膜污垢通常被分成四个类别:无机污垢、颗粒/胶体污垢、生物污垢和有机污垢。不管污垢究竟是无机污垢、颗粒/胶体污垢、生物污垢还是有机污垢,它们出现在薄膜上都导致渗透流减少或维持同样的流量所必需的进料压力增加。依照本发明,该方法的清洁阶段B)应该按预定的规则的时间间隔或依据由于污垢造成的薄膜系统性能下降开始。清洁阶段B)优选使用标准的原地清洁(CIP)设备和流动路径来实现,从化学添加到循环、浸泡、排出和冲洗的所有步骤完全是自动化。CIP的概念指的是在不拆开待清洁的装置的情况下应用清洁程序。
清洁阶段B)包括一个多步骤清洁程序,该程序的个别步骤取决于现有污垢的类型和数量。举例来说,预冲洗步骤、清洁步骤和后冲洗步骤的适当组合在多步骤清洁程序中是重要的。
一旦识别了薄膜污垢的起因,就能将各种不同的清洁溶液用于那至少一个清洁步骤从薄膜上除去污垢材料和恢复第一薄膜系统的薄膜通量。薄膜的化学相容性和薄膜设备的其它零部件的化学相容性限制依照本发明在该方法的阶段B)使用的清洁溶液的类型和最大容许浓度。此外,诸如温度、清洁周期的长度和流体力学条件之类的因素都影响多步骤清洁程序的清洁效率。
在依照本发明的方法的阶段B)中那至少一个用水冲洗的步骤和那至少一个用清洁溶液清洁的步骤能通过用水或清洁溶液浸泡、向前冲洗或向后冲洗该薄膜或借助它们的组合来完成。在浸泡程序期间,第一薄膜系统的薄膜将用水或用清洁溶液浸泡预定的时间周期。在进行向前冲洗的时候,第一薄膜系统的薄膜是用水或清洁溶液向前冲洗的,水或清洁溶液比在过滤阶段A)期间更迅速地流过该系统。因为快速流动和由此产生的紊流,吸附的颗粒被释放并且从薄膜上脱落。向后冲洗是一个颠倒的过滤程序。液体(例如,水、渗透或清洁溶液)在压力作用下通过薄膜向后冲洗,薄膜的毛孔被彻底地冲洗。
阶段B)的多步骤清洁程序的每个步骤、多数步骤或所有步骤(都)导致被污染的清洁溶液包含清洁溶液、水和污染物。在依照本发明的方法的阶段C)中,这至少一种被污染的清洁溶液流是用第二薄膜系统过滤的,从而导致回收的清洁溶液流。借助这个过滤步骤至少被污染的清洁溶液流中的一部分清洁溶液和/或水被回收重复使用,不需要添加化学药品,使用相对低的能量和安排好的程序条件。在依照本发明的方法的阶段D)中重复使用回收的清洁溶液有助于避免排放化学药品或损耗水对环境的损害。此外,这种产品在薄膜设备中完成薄膜过滤的方法由于节约清洁溶液和/或水变得更有成本效益。
依照本发明的优选实施方案,第一薄膜系统和第二薄膜系统都包含至少一个选自微孔过滤(MF)薄膜、超滤(UF)薄膜、纳米过滤(NF)薄膜或反渗透(RO)薄膜的薄膜。这些薄膜优选是基于纤维素的、基于聚合物的或基于陶瓷的薄膜。
微孔过滤是一种用来分离范围从0.05微米到10微米的胶体或悬浮颗粒、细菌或脂肪球的低压薄膜程序。微孔过滤能用于,举例来说,发酵、肉汤澄清和生物量澄清和废物利用。
超滤是一个使用高达10巴的压力的选择性分离程序。超滤被广泛地用于牛奶和乳清的分离和蛋白质分离。它浓缩分子量大于1000的悬浮固体和溶质。渗透物包含低分子量的有机溶质和盐。
纳米过滤能完成诸如去除矿物质、脱色和脱盐之类的分离应用。纳米过滤允许小的离子通过薄膜而把较大的离子和大多数有机成份排除在外。它能被视为宽松的反渗透。
反渗透是一种用于脱水程序流、浓缩/分离溶液中的低分子量物质或清洁废水的非常效率的技术。某些用于反渗透的聚合物薄膜拒绝超过99%的各种离子固体。
这四种分离技术通常是根据毛孔大小或它们的排除功能定义的。依照本发明的优选实施方案,至少第一和第二薄膜系统之一是管状的薄膜系统。管状薄膜系统能被分为有管状薄膜、毛细管薄膜或空心纤维薄膜的系统。管状薄膜系统包含众多这样的管状薄膜、毛细管薄膜或空心纤维薄膜。
管状薄膜是直径大约为5到15毫米的管子。众多这样的管状薄膜通常被放在圆筒形的支撑壳中,因为这些薄膜是不能自持的。在管状薄膜中的流动通常是从里向外的。
毛细管薄膜有比管状薄膜小(即0.5到5毫米)的直径。众多毛细管薄膜被扎成捆应用。毛细管薄膜有足以耐受过滤压力的强度。通过毛细管薄膜的流动可能是从里向外或从外向里的。
空心纤维薄膜是直径在0.1微米以下的薄膜。在采用空心纤维薄膜的薄膜系统中数千根吸管状的空心纤维集结成捆。在操作期间,滤液(例如,水)在压力作用下或在真空中通过纤维壁,而渗析滞留物被纤维壁留住。空心纤维薄膜只能用来处理悬浮固体含量低的水。
依照本发明的优选实施方案中,阶段B)的那至少一个清洁步骤是用总体积范围在3000升和10000升之间,更优选在4000升和9000升之间的清洁溶液完成的。这个体积的清洁溶液能在可与第一薄膜系统连接的储罐中提供。
在本发明的优选实施方案中,阶段B)的那至少一个清洁步骤是用包含腐蚀剂、螯合剂和表面活性剂或酸和表面活性剂的清洁溶液完成的。
腐蚀剂通常用来清洁被有机污垢或微生物污垢淤塞的薄膜。腐蚀剂的功能是双重的:水解和增溶。包括多糖和蛋白质的有机物被腐蚀剂水解。螯合剂能约束清洁溶液中的游离钙,避免钙化作用和脂肪酸皂化。
各种酸主要是用于除去污垢层中的水垢和金属二氧化物。作为例子,柠檬酸对于清洁被氧化铁淤塞的薄膜是有效的,因为它不仅溶解氧化铁沉淀物而且与铁形成络合物。
表面活性剂有亲水和憎水两种结构。表面活性剂能在水中与脂肪,油和蛋白质形成胶束。它们能帮助清洁被这些物质淤塞的薄膜。一些表面活性剂能破坏细菌细胞壁的功能,而且一些能干扰细菌和薄膜之间憎水的相互作用。因此,表面活性剂产生受生物膜的形成支配的污垢。在本发明的阶段B)中用于清洁溶液的表面活性剂可以是阴离子型的和/或两性的。
此外,该清洁溶液可以包含次氯酸钠或过氧化氢之类的氧化剂,以使有机沉积物氧化和溶解,该清洁溶液优选有高于60℃的温度。
优选,阶段B)中的那至少一个清洁步骤是用包含至少一种从氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸钠、磷酸、硝酸、像三醋酸乙二胺或其衍生物那样的络合剂、次氮基三乙酸或其衍生物、三磷酸钾和像膦酸酯或丙烯酸酯那样的螯合剂中选定的成份的清洁溶液完成的。
用于本发明的薄膜系统能按尽头流动、横向流动或交替地按尽头流动和横向流动管理。
尽头过滤发生在所有进入薄膜系统待过滤的液体受压通过薄膜的情况下。一些固体和液体成份将被留在薄膜后面,取决于薄膜的毛孔尺寸。
当发生横向流动过滤的时候,待过滤的液体以切向流动的方式在薄膜的表面上流动。一部份有选定成份的液体渗过薄膜,形成渗透物。其余的液体及其成份被薄膜保留,形成渗析滞留物。
依照本发明的优选实施方案,在薄膜过滤方法的阶段C)期间,第二薄膜系统在累积的污物将系统性能降低5%到30%之前是按尽头流动管理的,然后按横向流动管理以便将累积的污物从第二薄膜系统中冲洗掉。这种有偶然的横向流动特征周期的迫使100%的水通过薄膜的与期数的尽头过滤允许减少薄膜表面上的污染物浓度。在这个意义上性能下降5%到30%意味着在不变的压力下渗透流量减少5%到30%或者为维持同样的流量进料压力需增加5%到30%。
在本发明的优选实施方案中,第三薄膜系统在阶段C)替代第二薄膜系统或与第二薄膜系统交替地过滤那被污染的清洁溶液。这个第三薄膜系统能充当备用或后备系统,该系统只在第二薄膜系统出现故障(例如,因为其薄膜堵塞)的情况下才被使用。第三薄膜系统也能充当替代薄膜系统,继续过滤被污染的清洁溶液,例如,在清洁或冲洗第二薄膜系统的时候。一种可能性是:在阶段C)在按横向流动管理第二薄膜系统将累积的污物从第二薄膜系统中冲洗掉的同时按尽头流动管理第三薄膜系统过滤那被污染的清洁溶液和在按尽头流动管理第二薄膜系统的同时按横向流动管理第三薄膜系统将累积的污物从第三薄膜系统中冲洗掉。
离开第二和/或第三薄膜系统回收的清洁溶液在它被再一次用于阶段B)的清洁步骤之前优选先与清洁溶液和/或水混合。通过往回收的清洁溶液中添加清洁溶液和/或水,用来清洁第一薄膜系统的清洁溶液的初始浓度在它被重复使用之前被设定。
依照本发明的一个实施方案,阶段B)的多步骤清洁程序包含下述步骤:
i)用水冲洗第一薄膜系统,
ii)用包含腐蚀剂的第一清洁溶液清洁第一薄膜系统,
iii)用水冲洗第一薄膜系统,
iv)用包含酸的第二清洁溶液清洁第一薄膜系统,
v)用水冲洗第一薄膜系统,
vi)用包含腐蚀剂的第三清洁溶液清洁第一薄膜系统,和
vii)用水冲洗第一薄膜系统。
在步骤vi)中腐蚀剂使薄膜的毛孔打开供其接下来的过滤使用,这些毛孔是被步骤iv)的酸关闭的。用于步骤vi)的第三清洁溶液可能与在步骤ii)中使用的清洁溶液是不同的或相同的。
本发明进一步涉及用于产品的薄膜过滤的薄膜设备,该薄膜设备包括用来过滤该产品的第一薄膜系统;至少一个装满清洁溶液的储罐,所述储罐可经由清洁溶液管线与第一薄膜系统连接;至少一个用来收集经由收集管线退出第一薄膜系统的被污染的清洁溶液的收集罐,所述收集罐可与至少一个用来过滤那被污染的清洁溶液的进一步的薄膜系统连接,那至少一个进一步的薄膜系统与返回管线连接,所述返回管线与储罐连接以使回收的清洁溶液从那至少一个进一步的薄膜系统返回到储罐。依照本发明的方法能在这样的薄膜设备中实现。
下面将参照附图进一步详细地解释本发明。
附图说明
图1展示概要地呈现在依照本发明的薄膜设备中实现的依照本发明的方法的动作序列的行动的流程图。
薄膜设备1包括用来在依照本发明的方法的阶段A)中过滤产品(例如,乳制品)的第一薄膜系统2。储罐3装有几千升清洁溶液。这个储罐3可经由清洁溶液管线4与第一薄膜系统2连接,以便完成依照本发明的方法的清洁阶段B)。当储罐3如图1所示经由清洁溶液管线4与第一薄膜系统2连接的时候,停止过滤产品,并且借助多步骤清洁程序清洁第一薄膜系统2,该多步骤清洁程序的一个清洁步骤包括让来自储罐3的清洁溶液通过第一薄膜系统2流动。当为交叉流过滤安排第一薄膜系统的时候呈现两条来自第一薄膜系统2的水流,渗透物流5和渗析滞留物流6。这两条水流5、6在依照本发明的方法的清洁阶段B)期间包含被污染的清洁溶液。水流5、6被合并到一条公用的收集管线7,该收集管线将那被污染的清洁溶液引向收集该溶液的收集罐8。不排放这个被污染的清洁溶液,而是用两个进一步的薄膜系统9、10过滤。收集罐8经由分成两条平行管线12、13分别与两个薄膜系统9、10连接的传送管线11与这些薄膜系统9、10连接。这两个薄膜系统9、10装有微孔过滤薄膜、超滤薄膜、纳米过滤薄膜或反渗透薄膜16、17。经由两条平行管线12、13之一进入两个薄膜系统9、10之一的液体能经由渗透物管线14、15或渗析滞留物管线18、19退出薄膜系统9、10。那二行,薄膜系统9、10的那两条渗透物管线14、15合并成一条与储罐3连接的公用返回管线20用来使回收的清洁溶液和/或水从薄膜系统9、10回到储罐3,在那里被储存起来供第一薄膜系统2的下一个清洁步骤使用。因为并非整个体积的清洁溶液都将在那两个薄膜系统9、10中用过滤步骤再循环,所以回收的清洁溶液将与清洁溶液和/或水混合以便加满储罐3。
第二和第三薄膜系统9、10被用来替代地或交替地过滤来自收集罐8的被污染的清洁溶液。它们可能是按尽头流动、横向流动、或交替地按尽头流动和横向流动管理的。就这种流动管理而言,第二薄膜系统9的第一入口阀21和第一出口阀22和第三薄膜系统10的第二入口阀23和第二出口阀24能被打开或关闭。
依照本发明,第二和第三薄膜系统9、10的一种可能的应用如下。第一个入口阀21打开,第二入口阀23和第一和第二出口阀22、24关闭。因此,第二薄膜系统9完成从收集罐8通过传送管线11进来的被污染的清洁溶液的尽头过滤。滤过的液体(回收的清洁溶液/水)通过第一渗透物管线14到返回管线20,留下许多污物。当特定量的污物已经聚积在第一薄膜16上的时候,第二薄膜系统9需要冲洗以恢复它由于污物堵塞它的薄膜16而下降的系统性能。所以,打开第一出口阀门22,从而导致第二薄膜系统9的横向流动,把污物从它的薄膜16冲进第一渗析滞留物管线18,从那里排放或向收集罐8回流。同时,尽头过滤能由入口阀23已被打开而出口阀24仍然关闭的第三薄膜系统10完成。然后,滤过的液体(回收的清洁溶液/水)经由第二渗透物管线15和返回管线20退出第三薄膜系统10。当特定量的污物已经聚积在第二薄膜17上的时候,第三薄膜系统10被冲洗,而第二薄膜系统9再一次接管尽头过滤。
依照本发明的薄膜设备1优选包含众多的储罐3,每个储罐3装有不同的清洁溶液和/或水。每个储罐3装有足够在至少一个清洁步骤中清洁至少一个第一薄膜系统2的清洁溶液和/或水。薄膜设备1进一步包含至少一个收集罐8。如果只提供一个收集罐8,它必须在它能收集来自第一薄膜系统2的下一个(不同类型的)被污染的清洁溶液之前借助传送管线11被完全倒空。依照图1的薄膜设备1包括两个用来过滤那被污染的清洁溶液的进一步的薄膜系统9、10。在本发明的另一个实施方案中,该薄膜设备为这个过滤步骤只准备了一个进一步的薄膜系统或准备了三个以上进一步的薄膜系统。
参考代号
1  薄膜设备
2  第一薄膜系统
3  储罐
4  清洁溶液管线
5  渗透物流
6  渗析滞留物流
7  收集管线
8  收集罐
9  第二薄膜系统
10 第三薄膜系统
11 传送管线11
12 第一管线
13 第二管线
14 第一渗透物管线
15 第二渗透物管线
16 第一薄膜
17 第二薄膜
18 第一渗析滞留物管线
19 第二渗析滞留物管线
20 返回管线
21 第一入口阀
22 第一出口阀
23 第二入口阀
24 第二出口阀

Claims (14)

1.一种在薄膜设备(1)中用于产品的薄膜过滤的方法,该方法包含以下阶段:
A)用薄膜设备(1)的第一薄膜系统(2)过滤产品;
B)借助多步骤清洁程序清洁第一薄膜系统(2),其中所述多步骤清洁程序包括至少一个用水冲洗的步骤和至少一个用清洁溶液清洁的步骤,从而导致至少一种被污染的清洁溶液;
C)用第二薄膜系统(9)过滤那至少一种被污染的清洁溶液,从而导致回收的清洁溶液;以及
D)将那回收的清洁溶液用于阶段B)的清洁步骤。
2.根据权利要求1的方法,其中所述第一薄膜系统(2)和第二薄膜系统(9)每个都包含至少一个选自微孔过滤(MF)薄膜、超滤(UF)薄膜、纳米过滤(NF)薄膜或反渗透(RO)薄膜的薄膜。
3.根据权利要求1或2的方法,其中所述至少第一和第二薄膜系统(2、9)之一是管状的薄膜系统。
4.根据权利要求1到3之中任何一项的方法,其中所述阶段B)中的那至少一个清洁步骤是用总体积范围在3000升和10000升之间的清洁溶液完成的。
5.根据权利要求1到4之中任何一项的方法,其中所述阶段B)中的那至少一个清洁步骤是用包含腐蚀剂、螯合剂和表面活性剂或酸和表面活性剂的清洁溶液完成的。
6.根据权利要求1到5之中任何一项的方法,其中所述阶段B)中的那至少一个清洁步骤是用包含至少一种选自氢氧化钠、氢氧化钾、次氯酸钠、磷酸、硝酸、乙二胺三醋酸或其衍生物之类的络合剂、次氮基三乙酸或其衍生物、三磷酸钾、膦酸酯或丙烯酸酯之类的螯合剂的成份的清洁溶液完成的。
7.根据权利要求1到6之中任何一项的方法,其中所述阶段A)的过滤是用选自乳制品、药品、食物或酿造产品和废水的产品完成的。
8.根据权利要求1到7之中任何一项的方法,其中所述第一和第二薄膜系统(2、9)是按尽头流动、横向流动、或交替地按尽头流动和横向流动管理的。
9.根据权利要求1到8之中任何一项的方法,其中在所述阶段C)期间第二薄膜系统在累积的污物将系统性能降低5到30%之前是按尽头流动管理的,然后是按横向流动管理的以便将累积的污物从第二薄膜系统中冲洗掉。
10.根据权利要求1到9之中任何一项的方法,其中第三薄膜系统(10)在阶段C)作为第二薄膜系统(9)的替代品或与第二薄膜系统(9)交替地过滤那被污染的清洁溶液。
11.根据权利要求1到10之中任何一项的方法,其中在阶段C),当按横向流动管理第二薄膜系统(9),把累积的污物从第二薄膜系统(9)中冲洗掉的时候,第三薄膜系统(10)是按尽头流动管理的,过滤那被污染的清洁溶液;当按尽头流动管理第二薄膜系统(9)的时候,第三薄膜系统(10)是按横向流动管理的,以便把累积的污物从第三薄膜系统(10)中冲洗掉。
12.根据权利要求1到11之中任何一项的方法,其中所述回收的清洁溶液在它在阶段B)的清洁步骤中被重复使用之前先与清洁溶液和/或水混合。
13.根据权利要求1到1 2之中任何一项的方法,其中所述阶段B)的多步骤清洁程序包含下述步骤:
i)用水冲洗第一薄膜系统(2),
ii)用包含腐蚀剂的第一清洁溶液清洁第一薄膜系统(2),
iii)用水冲洗第一薄膜系统(2),
iv)用包含酸的第二清洁溶液清洁第一薄膜系统(2),
v)用水冲洗第一清洁系统(2),
vi)用包含腐蚀剂的第三清洁溶液清洁第一薄膜系统(2),以及
vii)用水冲洗第一薄膜系统(2)。
14.一种用于产品的薄膜过滤的薄膜设备(1),该薄膜设备包括用来过滤该产品的第一薄膜系统(2);至少一个装满清洁溶液的储罐(3),该储罐(3)可经由清洁溶液管线(4)与第一薄膜系统(2)连接;至少一个用来收集经由收集管线(7)退出第一薄膜系统
(2)的被污染的清洁溶液的收集罐(8),该收集罐(8)与至少一个用来过滤被污染的清洁溶液的进一步的薄膜系统(9、10)连接,那至少一个进一步的薄膜系统(9、10)与返回管线(20)连接,所述返回管线(20)与储罐(3)连接以使回收的清洁溶液从那至少一个进一步的薄膜系统(9、10)返回储罐(3)。
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