DK167854B1 - Arrangement ved et membranfilter med en eller flere roerformede stroemningskanaler - Google Patents

Description

i DK 167854 B1

Opfindelsen angår et arrangement ved et membranfilter med en eller flere rørformede strømningskanaler for væske, som skal behandles i filteret. Strømningskana-lernes vægge består på indersiden af membraner og på 5 ydersiden af en støttekonstruktion, gennem hvilke den filtrerede væske (permeat) skal passere. Strømningskanalerne er omgivet af et ydre hus, som mellem sig og strømningskanalerne afgrænser et opsamlingsrum for per-meatet.

10 Membranfiltre kan f.eks. anvendes til forskellige for mål i forbindelse med levnedsmidler, såsom proteinseparering af øl, vin og forskellige frugtjuicer, såsom f.eks. æblejuice. Mejeriprodukter inklusive mælk og valle kan renses for bakterier i membranfiltre med en 15 passende valgt porestørrelse, og ligeledes kan mælke fedt udskilles.

Ued mikrofiltrering af mælk, som er et komplekst medium, der er vanskeligt at behandle, kan filtret meget hurtigt blive tilstoppet. Dette skyldes, at små partik-20 ler i mælken trænger ind i filtret og hurtigt blokerer porerne. Ued hjælp af såkaldt tværstrømsfiltrering kan tilstopningshastigheden reduceres, men store strømningshastigheder i filterkanalerne medfører store trykfald og dermed forskellige tryk langs disse. Hvis trykfor-25 skellen mellem membranens to sider (drivtrykket) stiger, stiger kapaciteten, men tilstopningshastigheden stiger endnu hurtigere, og en stor del af den tilgængelige filterflade bliver hurtigt blokeret. Resultatet bliver altså en utilstrækkelig strømning. Et højt drivtryk 30 kan under en første periode også presse ikke ønskede partikler igennem til permeatet. Hvis man øger pore-størrelsen, vil en større mængde væske ganske vist strømme gennem membranen, men retentionen, d.v.s. udskillelsen, af partikler bliver dårligere.

DK 167854 Bl 2 I SE 396 017 er der beskrevet en metode til at udligne trykforskellen mellem membranens to sider langs filter-kanalerne. I dette skrift er der beskrevet en filtreringsfremgangsmåde, hvor et medium bringes til at strøm-5 me gennem en filterkanal, som strækker sig langs den ene side af en membran. Til opnåelse af samme drivtryk over hele membranen afpasses trykket i permeatkanalen, som strækker sig langs membranens anden side, til trykket i filterkanalen, f.eks. ved recirkulation af perme-10 atet. Til opnåelse af et højt tryk for det recirkulere- de permeat kræves der imidlertid en stor pumpekapacitet, specielt hvis permeatmængden, som skal cirkulere i kredsløbet, er stor. Af disse grunde har man ved membranfiltre af den indledningsvis angivne art hidtil anset re-15 cirkulation af permeat for at være driftsøkonomisk ufor svarlig.

Ifølge opfindelsen foreslås nu et nyt arrangement ved et membranfilter af den angivne art. Dette arrangement er kendetegnet ved, at strømningskanalerne og det nævn-20 te opsamlingsrum er forbundet med separate ydre kreds løb indbefattende pumper for at bringe både væske, som skal filtreres (retentat), og permeat til at cirkulere i medstrøm forbi membranfiltret, og at opsamlingsrummet er fyldt med fyldlegemer, som udgør en væsentlig meka-25 nisk forhindring for strømmen af cirkulerende permeat.

I det mindste ved indløbet til strømningskanalerne findes der et organ, som har form af en hullet skive, der ligger an mod det ydre hus og dels tilbageholder fyld-legemerne i opsamlingsrummet og dels fordeler permeat-30 strømmen over dette.

Ued et sådant arrangement kan trykket på permeatsiden tilpasses trykket på retentatsiden, så at drivtrykket holdes konstant over hele membranfladen fra indløb til udløb med en begrænset indsats af pumpeenergi. Ifølge DK 167854 Bl 3 kendt teknik opnåedes derimod samme permeatmodtryk over hele filterfladen, og drivtrykket varierede derfor med trykket i cirkulationskredsen for retentat. Ved membran-filtrering med cirkulerende strømme stiger mængden af 5 permeat under filtreringens forløb, medens retentatstrøm- men mindskes. For at opnå gode driftsforhold i filteret er det vigtigt, at permeatstrømmen fordeles over hele opsamlingsrummets tværsnit ved indløbet til filteret.

Ved anbringelse af en hullet skive også ved udløbet 10 fra membranfilteret opnås en yderligere styring af strøm ningsforholdene i filteret.

Membranfiltre med rørformede strømningskanaler er tilgængelige i mange forskellige udførelser og materialer.

Ifølge opfindelsen kan strømningskanalerne med fordel 15 være anbragt i et langstrakt porøst legeme, f.eks. af keramisk materiale, som udgør støtte for de tynde membraner, der omgiver strømningskanalerne.

Sådanne filtre kan fremstilles med forskellige porestørrelser for membranerne. Ved mikrofiltrering udnyttes 20 sædvanligvis porer af størrelsesordenen 0,2-5 yum, mens porestørrelsen ved ultrafiltrering er 40-1.000 Å.

For at opnå en stor kapacitet for filteret kan et antal langstrakte porøse legemer være anbragt parallelt med hinanden, omgivet af det ydre hus.

25 Ved fremstillingen af filtrerne udsættes de for opvarm ning til høj temperatur (brænding), hvilket medfører, at det porøse legemes ydre form kan forandres. Filter-elementerne har f.eks. en aflang form med et 6-kantet tværsnit. Under brændingen kan et filterelement vride 30 sig noget i forhold til sin længdeakse, hvilket senere skal tages i betragtning, når det skal omgives af et ydre hus.

Ul\ 10/09^ D I

4

Fyldlegemerne kan f.eks. bestå af ståluld eller et hvilket som helst andet inert materiale, men udgøres fortrinsvis af perler af et eller andet inert materiale.

Ved levnedsmiddelanvendelser skal materialet være god-5 kendt hertil. Det har vist sig særlig hensigtsmæssigt at anvende fyldlegemer i form af perler af polypropen.

Da membranfilteret skal anvendes til mikrofiltrering, har membranen passende en porestørrelse på 0,2-5 .

Ved mikrofiltrering af mælk eller skummetmælk anvendes 10 der med fordel perler af polypropen med en diameter på 3-4 mm.

Ved filtrering af væsker med en anden sammensætning tilpasses fyldlegemernes størrelse membranernes ønskede kapacitet og porestørrelse. Fordelingsåbningerne 15 afpasses naturligvis til fyldlegemernes dimensioner.

Membranfilteret udformes ifølge opfindelsen med fordel således, at de porøse legemer strækker sig ud gennem hullerne i det mindste i den skive, som er monteret ved indløbet til membranfilteret. Herved opnås åbnin-20 gerne til fordeling af permeatstrømmen mellem huller nes kanter og de porøse legemer.

Ved opfindelsen er det blevet muligt på økonomisk måde at tilvejebringe recirkulation af permeat i et membran-filter af den omhandlede art. Recirkulationen har igen 25 muliggjort en stigning af den strømning, som kan opnås gennem membranen, samt en betragtelig forlængelse af filterets effektive driftstid. Ved mikrofiltrering af mælk eller skummetmælk, hvilket er en anvendelse af filteret, som er forbundet med store problemer blandt 30 andet på grund af mælkens komplekse sammensætning, kan filterets effektive driftstid forlænges 3-8 gange ved opfindelsen.

DK 167854 B1 5

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er en skematisk afbildning af et arrangement ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 er et tværsnit af et keramisk filter, fig. 3 viser en del af et hullet skiveorgan samt filterenheder ifølge fig. 2, og fig. 4 viser i større målestok indløbsdelen til det i fig. 1 viste filter.

10 Som det fremgår af fig. 1, omfatter arrangementet ifølge opfindelsen et antal rørformede strømningskanaler 1, gennem hvilke den væske som skal behandles i filteret bringes til at strømme. Strømningskanalerne begrænses af membraner, som på ydersiden omgives af en bæren-15 de støttekonstruktion. Væsken passerer altså først mem branen og derpå støttekonstruktionen, idet membranens porøsitet bestemmer udskillelsesgraden. Strømningskanalerne er omgivet af et ydre hus 2. Membranfilteret har endvidere et indløb 3 og et udløb 4 for den væske, 20 som skal behandles i filteret. Væsken som bringes til at cirkulere i et ikke vist kredsløb inddeles i del-strømninger gennem de forskellige strømningskanaler.

Under strømningen gennem kanalerne passerer en del af væsken gennem membranerne i væggene på strømningskana-25 lerne, gennem støttekonstruktionen og ud til mellemrum met 5 mellem støttekonstruktionen og huset 2. Dette opsamlingsrum er fyldt af fyldlegemer. Udover den mængde væske, som passerer membranen, er der i dette rum en strøm af permeat, som bringes til at cirkulere i 30 et ikke vist kredsløb. Membranfilteret har et indløb 6 og et udløb 7 for denne cirkulerende strøm. Ved ind-

UIV. ΙΟ/ΟϋΗ D I

6 løbet 6 for cirkulerende permeatstrøm findes en hullet skive, som dels tilbageholder fyldlegemerne i opsamlingsrummet og dels fordeler permeatstrømmen over dette- Udformningen af skiven fremgår af fig. 3 og 4. Ued 5 membranfilterets udløb findes et sigteorgan 9, som hin drer, at fyldlegemer følger med strømmen af cirkulerende permeat ud fra membranfilteret. Anbringelsen af en sigte ved udløbet udgør den enkleste løsning på problemet med at tilbageholde fyldlegemerne i opsamlingsrum-10 met. Hvis man i stedet monterer en hullet skive også ved udløbet opnås mere fordelagtige trykforhold over hele membranfilteret.

I fig. 2 er der vist et tværsnit af et porøst legeme 10 indeholdende et antal parallelle strømningskanaler 15 1. Strømningskanalerne begrænses af tynde membraner 11. I dette tilfælde har det porøse legeme en sekskantet form, hvilket skyldes fremstillingsårsager. En anden ydre form kan naturligvis også anvendes.

I fig. 3 er der vist en fordelingsskive 8 for et filter 20 indeholdende et antal porøse legemer 10. I skiven fin des huller 12, gennem hvilke de porøse legemer 10 strækker sig. Åbninger 13, gennem hvilke permeat strømmer ind i rummet 5, findes mellem hullernes kanter og de porøse legemer.

25 Hvis de porøse legemer har en anden form, kan hullerne udformes på anden vis, f.eks. så at åbningerne for permeat befinder sig mellem de huller, som udnyttes for de porøse legemer. Denne udformning tilpasses fyldlegemernes størrelse og den maksimale mængde permeat, 30 som skal cirkulere gennem opsamlingsrummet.

Fig. 4 viser en større afbildning af indløbet til membranfilteret. De separate strømningskanaler er ikke DK 167854 B1 7 vist i denne figur, som blot antyder begrænsningerne for de porøse legemer. Permeat pumpes altså ind til filteret gennem indløbet 6 og passerer ind i opsamlingsrummet 5 gennem åbningerne 13 mellem hullerne 12 og 3 de porøse legemer. Ved indløbet 6 findes en skive 14, som dækker åbningen, gennem hvilken fyldlegemer føres ind til opsamlingsrummet 5, når filtrene fremstilles.

For de ovenfor beskrevne støttelegemer kan der i stedet for keramisk materiale anvendes andre porøse mate-10 rialer, såsom sintret kul eller sintrede metaller.

Som nævnt ovenfor kan et membranfilterelement have form af et cylindrisk eller sekskantet legeme med en længde på 850 mm. I et sædvanligvis anvendt filterelement findes nitten kanaler med en diameter på 4 mm. Disse kana-15 ler omgives af membranmateriale med passende porestør relse for den aktuelle anvendelse. Det porøse legeme iøvrigt har en sådan porestørrelse, at permeatet uhindret kan passere derigennem. Til forøgelse af den aktive filterflade anbringes der ofte et antal porøse le- 20 gemer eller elementer ved siden af hinanden i et fæl- 2 les hus. Til opnåelse af et filterareal på 3,8 m anvendes nitten porøse legemer med hver nitten kanaler og en længde på 850 mm.

Med en sådan enhed med en for mikrofiltrering passen-25 de porestørrelse for membranen, f.eks. 1,4 ^u, kan der behandles 2500 liter mælk pr. time i filteret. Afhængigt af ønsket kapacitet kan flere filtre kobles sammen i et anlæg. 1 et anlæg med to filterenheder med tilhørende cirku-30 lationskredse behandles 5400 liter skummet mælk pr.

time. Fra anlægget opnås 540 liter retentat pr. time og 4860 liter permeat pr. time. I cirkulationskredsene

UI\ ΙΟ/ΰΟΗ- D I

8 cirkulerer retentat og permeat i en mængde, som er henholdsvis 20 gange og to til tre gange større end mængden af skummetmælk, som tilføres anlægget. Under filtreringen tiltager mængden af permeat, og mængden af 5 retentat aftager. I et anlæg af denne art udgør tryk faldet fra indløb til udløb ved en vis kapacitet 1,8 bar på retentatsiden og 1,6 bar på permeatsiden ved den tidligere angivne retentatcirkulation.

Som tidligere omtalt er drivtrykket over membranen yderst 10 vigtig for filterets funktion. Trykket på retentatsiden falder med 1,8 bar fra indløb til udløb. Hvis trykket på permeatsiden var konstant og lig med retentatets tryk ved udløbet, skulle drivtrykket falde fra 1,8 bar til 0 bar mellem indløb og udløb. Drivtrykket bør være 15 ensartet både over hele membranfladen og under filtre ringens forløb, for at den størst mulige kapacitet kan opretholdes i lang tid. Med et arrangement ifølge opfindelsen er det muligt, at drivtrykket successivt kan øges for at kompensere for tilstopning af filteret.

20 Filtre, som arbejder med stor tværstrømningshastighed, er yderst følsomme for drivtryksændringer. Ved den pore-størrelse, som er angivet ovenfor, indebærer en stigning på 0,15 bar en fordobling af kapaciteten. Dette får den konsekvens, at filtre, som udsættes for stort 25 drivtryk ( > 0,7 bar) tilstoppes yderst hurtigt, medens filtre, som udsættes for lavt drivtryk ( < 0,3 bar) har dårlig kapacitet.

For at kunne opretholde størst mulig kapacitet i lang tid er det yderst vigtigt, at alle filterfladerne i 30 filteret udsættes for samme drivtryk.

Claims (6)

1. Arrangement ved et membranfilter med en eller flere rørformede strømningskanaler (1) for væske, som skal behandles i filteret, hvor strømningskanalernes vægge på indersiden består af membraner og på ydersiden af 5 en støttekonstruktion, gennem hvilke den filtrerede væske (permeatet) skal passere, og hvor strømningskanalerne er omgivet af et ydre hus (2), som afgrænser et opsamlingsrum (5) for permeat mellem huset og strømningskanalerne, kendetegnet ved, at strøm-10 ningskanalerne (1) og det nævnte opsamlingsrum (5) er forbundet med separate ydre kredsløb indbefattende pumper for at bringe både væske, som skal filtreres (re-tentat), og permeat til at cirkulere i medstrøm forbi membranfilteret, at opsamlingsrummet er fyldt af fyld-15 legemer, som udgør en væsentlig mekanisk forhindring for strømmen af cirkulerende permeat, og at der i det mindste ved indløbet til strømningskanalerne findes organer, som har form som en hullet skive (8), som ligger an mod det ydre hus og dels tilbageholder fyldle-20 gemerne i opsamlingsrummet og dels fordeler strømmen af cirkulerende permeat over dette.

2. Arrangement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de rørformede strømningskanaler er anbragt i et langstrakt porøst legeme (10), fortrinsvis af et 25 keramisk materiale, som støtter de tynde membraner, der omgiver strømningskanalerne. 1 Arrangement ifølge krav 1 til 2, kendetegnet ved, at et antal langstrakte porøse legemer (10) er anbragt parallelt med hinanden og omgivet af det 30 ydre hus. DK Ί67854 bl ίο

4. Arrangement ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at fyldlegemerne udgøres af perler af inert materiale.

5. Arrangement ifølge krav 1 til 4, kendeteg- 5 net ved, at membranen har en porestørrelse på 0,2 til 5yU.

6. Arrangement ifølge krav 1 til 5, kendetegnet ved, at perlerne har en diameter på 3 til 4 mm og består af polypropen, når den væske, som skal be- 10 handles i filteret, er mælk.

7. Arrangement ifølge krav 1 til 2, kendetegnet ved, at de porøse legemer (10) strækker sig ud gennem hullerne i det mindste i den skive (8), som er anbragt ved membranfilterets indløb, og at åbningerne 15 til fordeling af permeatstrømmen findes mellem hullernes kanter og de porøse legemer.