CN103648619A - 电膜分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位于叠堆中的多个流动隔片之间设置有膜的膜分离系统。这些流动隔片形成有孔（27-A、29-B、30-B），这些孔形成入口管和出口管，并且借助流动隔片的设计，可在该叠堆的相邻的隔室之间获得增强的密封，并且能够预期减少污染的可能性。

Description

电膜分离系统

技术领域

本发明涉及一种膜分离系统，其包括多个隔室，每个隔室形成在隔片的对应的凸缘中。这些隔室借助膜而彼此分隔，这些膜被沿厚度方向并排地设置在这些隔片之间。

该系统包括至少一个歧管，用以分配隔室中的工艺流体，该歧管经由设置在对应的凸缘中的连接结构而与每个隔室连通。

本发明还涉及一种用于系统的隔片以及该系统的应用。

背景技术

膜分离（membrane separation）覆盖了诸如电膜过滤（如电渗析（ED）或具有两极膜的电渗析（EDBM））以及渗析（如Donnan渗析）等多种过程。

在多隔室分离过程中，通常由借助多个合适地构造的衬垫彼此分离的膜片来构建叠堆（stack），使得每个膜之间的空间被衬垫密封。

为了有效的实现分离，膜片之间的距离（即，间隙）较小，并且为了实用性的原因，衬垫典型地由插设在各个膜片之间的隔片（spacer）构成。这些隔片支撑膜并控制处于膜之间的隔室中的液流分布。

这些叠堆通常组装在被彼此挤压的相对的端板之间，由此使隔片和膜彼此压紧。该叠堆包括多个流动通道，用于将待处理的液体分配到处于膜之间的每个空间，例如参见专利文献US6,537,436。

用于电膜过程的、功能类似的典型的隔片采用围绕的膜作为相对的隔片凸缘之间的密封元件，并且其在大多数情况下还围绕隔片的歧管孔的周部（专利文献US3,761,386；US4,172,779；US5,185,048）。将歧管系统与内部滤网连接的分配通道通常为具有或者不具有支撑基体的开放的通道，该支撑基体通常呈聚合物网结构的形式，以在两侧上都支撑密封膜。

公知的系统的典型的弱点为，当在板-框架系统中挤压在一起时，在隔片凸缘中的分配通道处，密封膜的支撑情况较差，并且公知地具有在被膜分隔的两个隔室之间内部地渗漏的趋势。此外，使用设有多个合适的孔的膜来密封处于隔片之间的歧管孔的周部，在大多数情况下提供较差的卫生密封，因为实际上不可能将膜与理想地用于卫生设计的隔片孔对齐。

专利文献US4,786,393；US4,999,107提出了通过制造多层隔片结构、结合用于机械支撑的硬质材料和用于有效密封的软材料来减少或限制渗漏问题的方案。微观不规则性、裂缝或者多层隔片结构的单独的层之间的剥离显示清洁和消毒可能很难进行，这使得这种用于系统的无菌使用的设计存在着问题。

发明内容

本发明的实施例的一个目的在于改善电膜过滤系统中的渗析流体与工艺流体之间的分离，并且提供容易进行装配、拆解、清洁和操作，并且能够用于卫生和无菌操作的叠堆。

根据第一个方案，本发明提供一种在引言部分中提到的那种系统，其中每个连接结构包括至少一个管道，这些管道形成在对应的凸缘中，并且被封装在凸缘的相对的外表面之间。

这样，这些凸缘可形成密封的和/或平坦的外表面，由此提供了每个室中的流体与相邻的室中的流体的良好的分离。

因此，根据本发明的系统改善了无菌性，并且方便了例如在药物生产、食品工业以及其他的期望多种工艺流体之间完全分离的领域中的分离系统的使用。

该系统可包括：第一类型的隔片，形成用于第一工艺流体的第一隔室，以及第二类型的隔片，形成用于第二工艺流体的第二隔室。在这种情况下：

-第一歧管可经由设置在第一类型的隔片的凸缘中的第一连接结构与第一隔室连通；

-第二歧管可经由设置在第一类型的隔片的凸缘中的第二连接结构与第一隔室连通；

-第三歧管可经由设置在第二类型的隔片的凸缘中的第三连接结构与第二隔室连通；

-第四歧管可经由设置在第二类型的隔片的凸缘中的第四连接结构与第二隔室连通。

每个歧管可由形成在每个隔片的凸缘中的协同操作的多个孔构成。

弹性可压缩密封元件可设置在每个凸缘中的至少一个孔中。

每个隔片可包括绕开放的滤网延伸的凸缘，该滤网有助于对应的隔室中的工艺流体的分配。就这一点而言，开放的意思是，该滤网使得工艺流体能够穿过该滤网流动，即其对于工艺流体是可透过的。

在本发明的一个实施例中，在工作期间，开放的滤网除了该工艺流体之外可以是空的。

在本发明的另一个实施例中，该开放的滤网能够保持一支撑基体，该支撑基体的功能是支撑横跨该开放的滤网的相对两侧的膜以避免这些膜彼此接触，或者影响流过内部的、开放的滤网的工艺流体的流动条件，或者同时具有这两个功能。支撑基体例如可以呈聚合物网的形式，其支撑这些膜并且促进在开放的滤网中形成紊流。

确保沿着膜的特定流路可能是有益的。特别是，确保流体传播到膜的大部分表面是有益的。促进形成紊流也可能是有益的。为了这些目的其中之一，滤网可包括能够干扰流动的元件。这样的元件通常可包括多个肋，这些肋例如成形为使得在隔室中形成多个互连的单元（cell，小室）。

这些肋或单元可特别地形成曲折的路径，这样为工艺流体提供相似的流动、良好地限定的保留时间并且没有盲区。

通常，这些单元可被设置成一组、两组或者更多的组，其中允许液体在每个单元之间从进入隔室的入口流动到离开隔室的出口，从而迫使流体在每个单元之间改变其流动方向。

肋与相邻的膜之间的接触可被设置为至少形成基本上液体密封的单元，其中液体能够在从之前的单元接纳液体的端部与将液体传送到后续的单元的端部之间流动。为此目的，凸缘沿厚度方向可以比肋大。

通过为凸缘、肋以及膜选择特定的尺寸（例如，通过使肋的尺寸沿厚度方向与凸缘的尺寸一致或者可小于凸缘的尺寸），能够获得所提到的肋与膜之间的接触。

如果肋沿厚度方向比凸缘小，该系统的膜能够在两个相邻的凸缘之间被压紧，直到隔片的肋与相邻的膜产生接触，并且所提到的单元结构能够在相邻的凸缘与膜之间、以及在滤网中形成单元的膜与肋之间都能够形成良好的密封。

该格栅尤其可包括沿横向或者垂直于端口之间的流动方向的那个流动方向延伸的肋，使得每个单元中的液体沿横向乃至垂直于这些端口之间的方向的方向流动。

每个流动隔片的外表面或者至少凸缘的外表面可形成朝向相邻的流动隔片的基本上平坦的表面。该凸缘还可形成从表面向相邻的流动隔片突出并且围绕滤网延伸的边缘。该边缘可具有介于0.01mm到1mm范围内的表面上方的高度，以及介于0.01mm到2mm范围内的宽度。该边缘例如可具有弯曲或拱形的横截面。

当凸缘在膜的相对侧上被压紧时，借助突出的边缘，相邻的膜与隔片之间的间隙能够通过该突出的边缘与膜之间产生的增大的表面压力而被有效地密封。依据边缘和膜的特征，膜和/或边缘甚至可通过隔片抵靠膜的压紧（例如，通过将边缘压入到膜的表面中）而发生变形。

在一个实施例中，相邻的隔片的入口孔具有不同的尺寸，使得衬垫能够被设置在两个相邻的孔的边缘之间的径向间隙中。这样，通过使用标准的隔片（如氯丁橡胶或橡胶隔片），可以在相邻的隔片之间提供密封件，并且可防止从入口或出口管道进入到相邻的隔片与膜之间的空间中的液体发生非期望的污染。为此目的，这些孔例如可以是圆形、具有圆角的四边形、椭圆形或者任何类似的形状（优选地具有不尖锐的边缘），并且相邻的隔片的配合孔可以是对齐的，使得孔的中心沿一条直线排列。尺寸的差异例如可构成对用于密封相同类型的隔片之间的歧管孔的密封元件的支撑，其厚度比两个膜和一个隔片组合的厚度大30-50%的范围。

为了提供凸缘的坚硬的外表面，使凸缘能够在膜的相对侧上几乎不朝向彼此压紧，并且可选择地，为了确保突出的边缘压入到膜的表面中，凸缘可具有相对较高的表面硬度。为了同时确保膜与滤网中的肋紧密接触，肋可具有可相对低的表面硬度，并且可选择地，这些肋可由与凸缘不同的材料制造。

凸缘由耐高温（例如，100摄氏度以上的温度或者甚至130摄氏度以上的温度）的材料制造。这样，可通过使用蒸汽或热的液体来执行清洁或灭菌。隔片的材料例如可以从聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSU）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）等所构成的群组中选取。

隔片还可由不同的材料制造，例如被连结的材料（例如包括不同材料的层的叠层），或者涂覆有一种材料的另一种材料层（例如，涂覆有金属的塑料）。

隔片例如可通过注塑成型而被制造成单一件，使得凸缘的相对的、平行的外表面抵靠模子的内表面而形成。这样，可获得平行的外部凸缘表面，以及优选为光滑的表面。

如果隔片以坚硬的材料作为单个元件铸造，并具有形成连接结构的封装的管道，可提供用于完全不泄漏的流动隔片的充分的密封支撑。

连接结构可形成有用于最优的卫生清洁的圆孔，并且在歧管孔中使用密封元件确保了统一和卫生的歧管系统。

由于在隔片凸缘的另外的光滑表面上具有前述的薄的突出边缘，因此不必在坚硬的隔片凸缘与膜之间设置软性的包装材料。

在第二个方案中，本发明提供了一种用于电膜分离系统的流动隔片。该隔片包括凸缘，该凸缘围绕开放的滤网形成内边缘，并且在该凸缘中形成有四个孔。这些孔中的两个孔借助封装在凸缘的相对的外表面之间的管道与该内边缘连接。

在第三个方案中，本发明提供如之前描述的并请求保护的系统的应用，该系统用于将渗析流体与电膜过滤过程中的工艺流体相分离。

附图说明

通过以下参照附图的详细的描述和具体的示例，本发明适用的其他范围将变得显而易见，其中：

图1示出了根据本发明的系统的分解图；

图2示出了当隔片和膜彼此压紧时的该系统；

图3示出了根据本发明的隔片；以及

图4和图5示出了该系统的两种不同的隔片的放大的视图；以及

图6示出了隔片的剖视图。

具体实施方式

应理解的是，由于从该详细的描述中，处于本发明的精神和范围内的多种更改和改型对于本领域技术人员而言将是显而易见的，因此当指代本发明的实施例时，详细的描述和具体的示例仅以例证方式给出。

图1示出了包括膜2-10的膜分离系统1，膜2-10沿箭头17指示的厚度方向并排地设置在流动隔片11、12之间。

在膜2-10之间形成有多个隔室。由于每两个流动隔片之间的差异，这些隔室成为用于第一工艺流体的第一隔室类型，或者成为用于第二工艺流体的第二隔室类型。两种不同类型的流动隔片之间的差异将参照图4和图5进行描述。

膜2-10可以是相同的膜，成对相同的膜或者具有不同特性的单独的膜。

隔室被膜2-10分隔。这些膜可以是相同的膜、成对相同的膜，或者这些膜可以被单独地制造并且不同于其他的膜。

图2示出了当隔片和膜在两个端板18、19之间被彼此压紧时的系统。这些端板形成用于第一工艺流体和第二工艺流体的、连接到入口管道和出口管道的连接部。这些流体例如可以是普通的工艺流体和渗析流体，在此，我们指的是两种流体，它们均为工艺流体。

图3示出了隔片20，而图4和图5示出两种不同类型的隔片的顶部的放大的视图。

该系统中的每个流动隔片形成围绕有渗透性的滤网22延伸的不渗透的凸缘21。滤网用于在膜之间的隔室中分配工艺流体。该滤网是可选择的，并且隔片可简单地具有凸缘21中的开放的中心部，或者隔片可具有适合于将该系统中的两个相邻的膜分隔开的任何结构，例如基体结构，其将这些膜分隔开并且还允许流体沿着这些膜流动。

现在参照图2，该系统包括：第一歧管23，形成用于第一工艺流体的至少一个入口；第二歧管24，形成用于第一工艺流体的至少一个出口；第三歧管25，形成用于第二工艺流体的至少一个入口；以及第四歧管26，形成用于第二工艺流体的至少一个出口。

这些歧管由形成在每个隔片的凸缘中的配合孔构成。

图3示出了第一类型的隔片，在此，孔27-A、28参与形成第一和第二歧管，而孔29-32参与形成第三和第四歧管。

图4示出了图3中的隔片（即第一类型的隔片，在此称为第一隔片11，参见图1）的顶部的放大视图。在这种类型的隔片中，第一歧管经由设置在隔片的凸缘21中的第一连接结构36与第一类型的隔室（即，第一隔室35）连通。第一连接结构36在孔27-A与隔室35之间延伸。

沿孔29-B、30-B的边缘部可设置多个密封元件33。这些密封元件有助于密封第二类型的两个相邻的隔片之间的第二液体歧管25。

设置在第一类型的隔片的凸缘的相对端中的第二连接结构（未示出）提供第二歧管与第一隔室之间的连通。第二连接结构（本质上可与第一连接结构相同，也参见图3）在孔28与隔室35之间延伸。沿孔31、32的边缘部可设置多个密封元件。这些密封元件有助于密封第二类型的两个相邻的隔片之间的第二液体歧管26。

图5示出第二类型的隔片（以下称为第二隔片12，参见图1）的顶部的放大视图。

在这种类型的隔片中，第三歧管经由设置在该隔片的凸缘21中的第三连接结构38与第二类型的隔室（即，第二隔室37）连通。第三连接结构38在孔29、30与隔室37之间延伸。

密封元件34可被设置为有助于第一类型的两个相邻的隔片之间的第一液体歧管23的密封，并且能够固定在孔27-B的内部。

设置在第二类型的隔片的凸缘的相对端中的第四连接结构（未示出）提供第四歧管与第二隔室之间的连通。第四连接结构在孔31、21与隔室37之间延伸。有助于密封围绕第二类型的该隔片的第一类型的两个相邻的隔片之间的第一液体歧管24的密封元件可被固定在孔28的内侧。

每个连接结构形成为在凸缘21的相对的外表面之间延伸的数个通道。这样，该连接结构在歧管与隔室之间提供完全流体密封的连通，并且多个管道因此与相邻的流动隔片的管道分离。

如图4中清晰可见，滤网包括肋，这些肋与两个相邻的膜结合，形成一排顺次连接的单元39-43。这些单元形成为迫使流体每次在两个相邻的单元之间流动时改变方向。由肋限定的预定的流动方向由箭头52示出（参见图5）。

图6部分地示出了具有歧管系统和突出的边缘的两种类型的隔片11和12的剖视图。第一类型的隔片11中的歧管孔27-A被相对于第二类型的隔片12的歧管孔27-B中心对齐。安设在孔27-B中的密封元件34确保连接的完全密封并重复歧管孔27-A和28-B，孔27-A和27-B与端板中的外部连接歧管一起形成歧管23。

在通常平坦的、平面形的外表面44、45上，每个流动隔片的凸缘形成边缘46、47，这些边缘46、47从表面朝向相邻的流动隔片突出，并且位于内部滤网35、37与歧管孔27-32之间的表面上。边缘46、47自始至终绕滤网延伸，并且提高了隔片压缩相邻的膜48-51的能力，由此紧密地密封内部滤网。

Claims (18)

1.一种膜分离系统（1），包括多个隔室（35、37），每个所述隔室形成在隔片（11、12）的对应的凸缘（21）中，并且借助膜（2、3、4、5、6、7、8、9、10）而彼此分隔，所述膜被沿厚度方向（17）并排地设置在所述隔片（11、12）之间，所述系统包括至少一个歧管（23、24、25、26），用以在所述隔室（35、37）中分配工艺流体，所述歧管（23、24、25、26）经由设置在所述对应的凸缘中的连接结构（36、38）与每个隔室（35、37）连通，其中每个连接结构包括至少一个管道，所述至少一个管道形成在所述对应的凸缘中，并且被封装在所述凸缘的相对的外表面之间。

2.根据权利要求1所述的系统，包括：第一类型的隔片（11），形成用于第一工艺流体的第一隔室（35）；以及第二类型的隔片（12），形成用于第二工艺流体的第二隔室（37），其中

-第一歧管（23）经由设置在所述第一类型的隔片的凸缘中的第一连接结构（36）与所述第一隔室（35）连通；

-第二歧管（24）经由设置在所述第一类型的隔片的凸缘中的第二连接结构与所述第一隔室（35）连通；

-第三歧管（25）经由设置在所述第二类型的隔片的凸缘中的第三连接结构（38）与所述第二隔室（37）连通；

-第四歧管（26）经由设置在所述第二类型的隔片的凸缘中的第四连接结构与所述第二隔室（37）连通。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个歧管（23、24、25、26）由形成在每个隔片的所述凸缘（21）中的协同操作的多个孔（27-A、27-B、28、29-A、29-B、30-A、30-B、31、32）构成。

4.根据权利要求3所述的系统，包括设置在每个凸缘中的至少一个所述孔中的可弹性压缩的密封元件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个隔片包括绕开放的滤网（22）延伸的凸缘（21），所述开放的滤网（22）有助于所述对应的隔室中的工艺流体的分配。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述开放的滤网保持一支撑结构，用以将多个膜物理上分离地保持在所述开放的滤网的相对两侧上，但是允许液体在入口与出口之间流动。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其中所述滤网包括多个肋，所述肋与所述两个相邻的膜结合，形成横跨所述对应的隔室的预定的流路。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述凸缘的表面硬度大于所述肋的表面硬度。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述肋形成一排顺次连接的单元，所述单元被设置为使得在所述单元之间流动的液体在每个单元之间改变流动方向。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中每个流动隔片的凸缘的厚度等于或大于所述流动隔片的肋的厚度，所述厚度被限定为沿所述厚度方向的尺寸。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述膜包括处于两个相邻的隔片的肋之间的未压缩部分以及在所述相邻的隔片的凸缘之间被压缩的部分，所述膜被压缩到使得所述相邻的隔片的肋之间沿所述厚度方向的距离对应于所述膜的未压缩部分的厚度的程度。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的系统，其中所述肋被多个主梁接合，所述主梁沿所述厚度方向比所述肋小，由此所述主梁在所述室的每个单元之间形成多个通道。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个隔片形成用于工艺流体的入口的至少一个连通开口以及用于所述工艺流体的出口的至少一个连通开口，用于入口和出口的所述开口设置在所述凸缘的相对两端中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个流动隔片的所述凸缘形成朝向相邻的流动隔片的大体平面形表面，所述凸缘还形成从所述表面向所述相邻的流动隔片突出的边缘。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述边缘压缩相邻的膜。

16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个隔片通过注塑成型被制造为单一件，使所述凸缘的相对的、平行的外表面抵靠模具的内表面而形成。

17.一种用于电膜分离系统的流动隔片，所述隔片包括凸缘，该凸缘围绕开放的滤网形成内边缘，并且在所述凸缘中形成有四个孔，其中两个所述孔借助在所述凸缘的相对的外表面之间延伸的管道而与所述内边缘连接。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的用于在电膜分离过程中将渗析流体与工艺流体相分离的系统的应用。

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