NL1018907C2 - Werkwijze en inrichting voor het bewerken van een vloeistof. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze en inrichting voor het bewerken van een vloeistof.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het bewerken van een vloeistof en tevens op een vloeistoffilter voor gebruik in een dergelijke werkwijze en inrichting. In het kader van deze octrooiaanvrage wordt onder "filter" elk voorwerp begrepen waar een 5 vloeistof doorheen kan stromen, los van de vraag of dit voorwerp ertoe gebruikt wordt om deeltjes uit de vloeistof tegen te houden, dan wel alle deeltjes doorlaat.

Uit een artikel in Food Research International 29(2) pagina's 117-121 getiteld "Inactivation of Escherichia Coli by combining pH, 10 ionic strength and pulsed electric field hurdles" van H. Vega-Mercado, U.R. Pothakamurt, G.V. Chang, G.V. Barbarossa-Canovas en B.G. Swanson is een werkwijze bekend voor het pasteuriseren van melk met behulp van een electrisch veld. Een dergelijke techniek is ook bekend uit de IEEE transactions on Industry applications 34 pagina's 43-50 1998.

15 Door de melk bloot te stellen aan een electrisch veld met een sterkte van 2-4 MV/m breken de celmembranen van in de melk aanwezige micro-organismen open door toedoen van de ladingsdragers die erop aanwezig zijn. Dit leidt tot deactivatie van de micro-organismen.

Het genoemde artikel beschrijft ook een inrichting waarin de melk 20 aan het veld wordt blootgesteld. Deze inrichting is voorzien van een pijp waar de melk doorheen wordt geleid. De pijpwand bestaat over het grootste deel van de lengte uit een geleidend materiaal, dat locaal is onderbroken door een ring van isolerend materiaal. De ring scheidt het geleidend materiaal in twee delen. Tussen de delen wordt een electrische spanning 25 aangebracht, om het electrisch veld in de melk op te wekken.

De gebruikte electrische spanning ligt in het bereik van 20-40kV. Het energiegebruik als gevolg van deze spanning ligt vrij hoog. Voor het uitschakelen van de micro-organismen kan echter worden volstaan met 1018307 2 korte spanningspulsen, van de orde van een microseconde. Deze moeten telkens worden herhaald als de behandelde vloeistof uit de ruimte binnen de isolerende ring is gestroomd. Zodoende kan het energiegebruik beperkt worden.

5 Het gebruik van een dergelijke hoge spanning en korte pulsen maakt de inrichting echter duur een onpraktisch voor gebruik op grote schaal.

Het is onder meer een doel van de uitvinding om te voorzien in een werkwijze en inrichting waarin vloeistoffen aan hoge electnsche velden 10 kunnen worden blootgesteld zonder dat hoge spanningen noodzakelijk zijn.

De uitvinding voorziet in een werkwijze voor het bewerken van een vloeistof, omvattend het geleiden van de vloeistof door ponen in een membraan met door de poriën verbonden oppervlakken waarop geleidende lagen zijn aangebracht, die ter plaatse van de poriën onderbroken zijn, 15 waarbij het membraan een materiaal bevat dat de geleidende lagen electrisch nagenoeg van elkaar isoleert, waarbij in de werkwijze tussen de beide lagen een electrische spanning wordt aangebracht. Volgens de uitvinding wordt de vloeistof, bijvoorbeeld melk, in de ponen van een isolerend membraan aan een electrisch veld blootgesteld.

2o Het electrisch veld wordt opgewekt door middel van spanning op geleidende lagen aan tegenoverliggende oppervlakken van het membraan. Het membraan is bijvoorkeur van isolerend materiaal, maar elk materiaal dat een spanningsval tussen de geleidende lagen toelaat is bruikbaar. De poriën verbinden de beide oppervlakken en de lagen zijn doorbroken ter 25 plaatse van de poriën, zodat de vloeistof door de poriën heen kan stromen. Het is mogelijk om een hoge electrische veldsterkte op te wekken met een relatief lage electrische spanning tussen de lagen, doordat een dun membraan met een groot aantal kleine poriën mogelijk is die samen voldoende vloeistofstroom doorlaten.

1018907 3

Hoewel de werkwijze met name gebruikt kan worden voor het pasteuriseren van melk, is de werkwijze toepasbaar op behandeling van allerlei bulk vloeistoffen, bijvoorbeeld voor het ontsmetten van vloeibare voedingsmiddelen, waterzuivering of voor de extractie van de celinhoud van 5 biomassa, bijvoorbeeld voor de extractie van sap uit plantencellen enzovoort, waarbij de celwand van biologische cellen geperforeerd moet worden.

Als electrische spanning wordt bijvoorkeur een wisselspanning gebruikt. Zodoende gaat men ontledingsverschijnselen in de vloeistof tegen en wordt verkomen dat het membraan verstopt raakt als gevolg van 10 ladingsverschijnselen. In principe is gelijkstroom spanning echter ook bruikbaar.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting met twee kamers en daartussen een dergelijk membraan. In een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een pakket 15 van dergelijke membranen waar de vloeistof achtereenvolgens doorheen geleid wordt. Na passage door elk membraan zal de fractie van niet opengebroken cellen een factor dalen. Zodoende kan een zeer hoge effectiviteit worden bereikt. Bijvoorkeur wordt over elk membraan dezelfde spanning gezet. Zodoende kan met één spanningsbron worden volstaan. De 20 polariteit waarmee de spanningen tussen de verschillende lagen gezet wordt maakt niet uit voor de effectiviteit. Bijvoorkeur wordt de polariteit zo gekozen dat de lagen aan de buitenkant van het pakket dezelfde potentiaal hebben, overeenkomend met die van de rest van de inrichting (aarde).

In een verdere uitvoeringsvorm wordt een dergelijke reeks 25 membranen bereikt door middel van een sandwich constructie van afwisselend niet isolerende membranen en geleidende lagen. Zodoende dient elke geleidende laag tussen een paar membranen als pool voor het aanbrengen van spanning over twee membranen, aan beide kanten van de laag. In deze uitvoeringsvorm wisselt de polariteit van de spanning in 1018907 4 opeenvolgende lagen om. Zodoende kan met één spanningsbron voor de sandwich worden volstaan.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een vloeistoffilter met een membraan voor gebruik in de werkwijze of inrichting volgens de uitvinding.

5

Deze andere doelstellingen en voordelige aspecten van de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding zullen nader worden beschreven aan de hand van de volgende figuren.

10 Figuur 1 toont een vloeistofbewerkingsinrichting

Figuur 2 toont een membraan element

Figuur 3 toont een bovenaanzicht van een membraan element Figuur 4 toont doorsnede van een detail van een membraan element 15 Figuur 5 toont een pakket van membranen

Figuur 1 toont schematisch een uitvoeringsvorm van een vloeistof bewerkingsinrichting. De inrichting is voorzien van een aanvoer 16 en een afvoer 18 voor vloeistof, eerste kamers 12a-e, tweede kamers 14a-e en 20 membraan elementen lOa-e. Fütereenheden, die elk één van de eerste kamers 12a-e en één van de tweede kamers 14a-e gescheiden door een van de membraan elementen lOa-e bevatten, zijn parallel aan elkaar opgenomen tussen de aanvoer 16 en de afvoer 18. Het aantal kamers 12a-e hangt af van de gewenste verwerkingscapaciteit. Desnoods kan met één kamer worden 25 volstaan. Eventueel zijn de membraan element 12a-e op dragers (met getoond) aangebracht om hun stevigheid te vergroten. In bedrijf stroomt een te bewerken vloeistof van de aanvoer 16 naar de afvoer 18 via achtereenvolgens één van de eerste kamers 12a-e, een membraan element lOa-e en één van de tweede kamers 14a-e.

lOlSt.

5

Figuur 1 toont slechts een illustratieve uitvoeringsvorm van de uitvinding. Elk arrangement van vloeistofkanalen met daarin membraaneenheden van willekeurige vorm (niet noodzakelijk vlak en niet noodszakelijk van een vast tijdsonafhankelijke vorm) kan gebruikt worden.

5 Figuur 2 toont zijaanzicht van een membraan element (niet op schaal). Het element bevat een membraan 20, met daarop electrisch geleidende lagen 22a-b en aan de lagen aansluitingen 24a-b naar een spanningsbron 26. De spanningsbron wordt gebruikt om een spanning in het bereik van 10-20 Volt aan te zetten tussen de lagen 22a,b. Het 10 membraan is bijvoorbeeld ongeveer 20 micrometer dik en heeft een diameter van een aantal centimeters. De omtrek van het membraan kan elke gewenste vorm hebben, bijvoorbeeld rond, vierkant enzovoort. Het membraan bevat kleine poriën (niet getoond in figuur 2) met een diameter van de orde van 10-20 micrometer. Hoewel in figuur 2 de metaal lagen 22a 15 dunner zijn weergegeven dan het membraan 20 kunnen in praktijk dikkere metaal lagen gebruikt worden.

De uitvinding uiteraard niet beperkt tot platte membraan elementen, zoals getoond in figuur 1. In het algemeen kan het oppervlak van het membraan elke vorm drie dimensionale gegeven worden die voor 20 opname in een vloeistofstroom gewenst is. Zelfs tijdsafhankelijke vormen zijn mogelijk. De membraanelementen kunnen bijvoorbeeld ook cilindervormig zijn, zodat een membraan een scheiding vormt tussen een cilindervormige binnenruimte en een buitenruimte, met de lagen 22a,b aan respectievelijk de binnen en buitenkant van de cilinder. Door de vloeistof in 25 de cilinder te persen wordt deze gedwongen door de poriën de cilinder uit te stromen.

Figuur 3 toont een bovenaanzicht van een detail van de het membraan 20. In het membraan 20 is een porie 32 zichtbaar. De diameter D van de porie 32 is aangegeven. De diameter van het membraan 30 is veel 30 groter, vele malen groter dan de diameter van de porie 32, typisch minstens 1018907 6 in de orde van centimeters. Het membraan omvat een groot aantal poriën zoals porie 32.

Figuur 4 toont een doorsnede van het membraan 20 en de geleidende lagen 22a,b in zijaanzicht langs de lijn I-I van figuur 3. De 5 doorsnede loopt door een porie 32. Ter plaatse van de porie zijn het membraan 20 en de lagen 22a doorbroken zijn zodat een vloeistofstroom mogelijk is door het membraan (van boven naar beneden in figuur 3). De electrische spanning die in gebruik tussen de lagen 22a,b staat zorgt voor een electrisch veld in het membraan 20 en de porie 32.

10 Enige veldlijnen 30a-d van dit electrische veld zijn in figuur 4 aangegeven. De veldlijnen lopen in het membraan 20 nagenoeg recht van de eerste laag 22a naar de tweede laag 22b. In de porie lopen veldlijnen 20a-d gekromd van de rand van de eerste laag naar de rand van de tweede laag. Over het algemeen zal de veldsterkte afnemen naarmate de afstand tot de 15 rand tussen de porie en de geleidende lagen 22a,b toeneemt, maar zolang de straal van de porie van de zelfde orde van grootte of kleiner is als de dikte van het membraan 20 is deze afname niet sterk en zal dus in de porie ongeveer dezelfde veldsterkte heersen als in het membraan 20 dat wil zeggen een veldsterkte van ongeveer de spanning tussen de geleidende 20 lagen 22a-b gedeeld door de dikte van het membraan. Bij een spanning van 20 Volt en een membraan van 10 micrometer dik dus een spanning van ongeveer 2 MV/m.

Zodoende is het mogelijk om met een betrekkelijk lage spanning voldoende veldsterkte op te wekken in de vloeistof die door de poriën 32 m 25 het membraan heen stroomt om celwanden van cellen in de vloeistof te perforeren. Dit vereenvoudigt de vloeistof behandelingsinrichting aanzienlijk in vergelijking met een hoogspanningsinstallatie. Door de geringe dikte van het membraan is het mogelijk de vloeistof in het membraan vrijwel onmiddellijk te verversen. Zodoende treedt ook met een 30 continu aanwezige spanning nauwelijks energie dissipatie terwijl de porie 1018907 7 gevuld is met "behandelde" vloeistof op die niet gepaard gaat met perforatie van celwanden. Dit maakt een efficiënte behandeling mogelijk zonder complicerende pulstechnieken.

De diameter van de poriën is gekozen op basis van de grootste 5 deeltjes die in de te behandelen vloeistoffen voorkomen. Zodoende kunnen deze deeltjes door deze poriën. De doorsnee van de poriën hoeft niet noodzakelijk cirkelvormig te zijn. Elke vorm is bruikbaar.De dikte van het membraan 20 is bijvoorkeur niet kleiner dan de straal van de poriën (of, meer bijzonder voor niet cirkelvormige poriën, dan de afstand van een van 10 de geleider 22a,b tot enig punt in de porie in het vlak van de betreffende geleider) of althans een kleine factor van bijvoorbeeld ten hoogste 5 maal die straal of afstand. Zodoende blijft er voldoende veldsterkte over de gehele porie.

Hoewel de porie in figuur 2 als rechtdoor lopend getoond is zal het 15 duidelijk zijn dat ook poriën die meer kronkelend van de ene kant van het membraan naar de andere lopen bruikbaar zijn. Het volstaat immers dat de veldlijnen door de poriën heenlopen.

Bijvoorkeur wordt gebruik gemaakt van een wisselspanning tussen de geleiders 22a,b, met een frequentie die bijvoorkeur minimaal zo hoog is 20 dat, bij de gebruikte stroomsnelheid van de vloeistof door de poriën, vloeistofdeeltjes niet binnen een klein deel van de periode van de wisselspanning (bijvoorbeeld minder dan een kwart periode) van de ene kant van het membraan naar de andere door de porie kunnen stromen. Bijvoorkeur is de frequentie zo hoog dat de vloeistof deeltjes er minstens een 25 hele periode over doen om door de porie te stromen. Zodoende wordt ontleding van de vloeistof tegengegaan en wordt verstopping als gevolg van ladingsverschijnselen voorkomen.

De wijze waarop het element met de geleidende lagen 22a,b en het membraan 20 met daarin de poriën gemaakt wordt is niet wezenlijk voor de 30 uitvinding. In een uitvoeringsvorm wordt uitgegaan van een membraan van 1018907 8 kunststof folie, maar men zou ook een keramisch materiaal enzovoort kunnen gebruiken. Vervolgens worden de geleiders op het membraan aangebracht (bijvoorbeeld door er metaalfolie op te plakken, of door opdampen, sputteren aanbrengen van een metaalhoudende verf enzovoort).

5 Ook de techniek waarmee de metaal laag wordt aangebracht is niet essentieel. Bijvoörkeur wordt gebruik gemaakt van een vrij dunne metaallaag, maar ook met dikkere metaal lagen kan het gewenste veld worden opgewekt.

Met lasertechnologie worden gaatjes gebrand door het pakket van 10 de geleiders 22a,b en het membraan 20. Door de metaaallagen en het membraan plaatselijk te verhitten met een gefocusseerde laserbunbel kunnen zodoende poriën gemaakt worden die door de metaallagen en het membraan heenlopen en een tot op de micron instelbare diameter hebben. Uiteraard kan zonder van de uitvinding af te wijken een ander membraan, 15 een andere wijze van aanbrengen van de geleidende lagen en/of een andere manier van het aanbrengen van poriën gebruikt worden. Zo kan bijvoorbeeld ook gebruik gemaakt worden van etsen door openmgen in een fotolithografische laag om de poriën te maken.

Voor de keuze van het materiaal van het membraan 20 is het 20 alleen wezenlijk dat dit het bestaan van een electrisch veld tussen de geleiders 22a,b toelaat. Bijvoorkeur wordt een isolerend materiaal gebruikt, maar ook een weinig geleidend materiaal voldoet, mits bij de gebruikte spanningen een significant deel van de spanningsval tussen de beide geleidende lagen aanwezig blijft. Minder isolatie betekent m dit geval hoger 25 vermogensgebruik, maar niet dat de celwand perforerende werking verloren gaat.Desnoods kan gebruik gemaakt worden van halfgeleidend materiaal. Verder kan ook een combinatie van materiaal lagen gebruikt worden in het membraan 20.

Figuur 5 toont een pakket van membraanelementen 50, 51, 52, 53 30 van het type van figuur 2. Elk membraanelement 50, 51, 52, 53 omvat een 101S ö o '7 9 isolerende membraan 500, 510, 520, 530 en een paar geleidende lagen 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b. De membraanelementen 50, 51, 52, 53 worden gescheiden door isolerende lagen 56a-c. Aansluitingen 58a,b aan de geleidende lagen 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b maken het mogelijk 5 spanning te zetten tussen paren van lagen 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b rond elk van de membranen 500, 510, 520, 530. Een eerste en tweede electrode 55a,b van de spanningsbron 54 zijn aan de lagen 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b aangesloten.

In een uitvoeringsvorm kunnen de isolerende lagen 56a-c worden 10 weggelaten, mits op direct opeenvolgende geleidende lagen 502b-512a, 512b-522a, 522b-532a dezelfde potentiaal gezet wordt. In dat geval kan zelfs gebruikt gemaakt worden van een geïntegreerd lagenpakket, waarin ertussen elk paar membranen slechts één geleidende laag is, die met beide membranen verbonden is.

15 Het pakket wordt als membraan element lOa-e tussen een eerste en tweede kamer 12a-e, 14a-e van de inrichting van figuur 2 opgenomen. Zodoende zal de vloeistof bij het doorstromen van het pakket een aantal malen aan een hoog electrisch veld worden onderworpen in poriën van achtereenvolgende membranen. Zodoende kan de fractie van de cellen die 20 ongeperforeerd blijft in de vloeistof beperkt worden. Om de doorstroming te bevorderen kunnen de poriën desgewenst aangebracht worden nadat de membranen en de lagen op elkaar zijn aangebracht, zodat de poriën in verschillende lagen automatisch met elkaar uitgelijnd worden. Dit is echter niet noodzakelijk, zeker niet als er stroomruimte tussen opeenvolgende 25 lagen wordt gelaten.

Zoals getoond worden de spanningen over de achtereenvolgende membranen 500, 510, 520, 530 telkens met tegenovergestelde polariteit aangebracht. Er ontstaan zodoende geen problemen met velden tussen opeenvolgende paren membranen 500, 510, 520, 530. Bijvoorkeur wordt een 30 even aantal membranen gebruikt. Zodoende is er geen potentiaalverschil 1018907 10 tussen buitenste geleidende lagen 500a, 530b van het pakket, waarmee het pakket met zijn omgeving in verbinding kan komen.

Hoewel de membranen en lagen in figuur 5 apart getekend zijn kan natuurlijk ook gebruik gemaakt worden van een enkel buigbaar membraan, 5 met bijbehorende lagen, dat een aantal malen over zichzelf heen gevouwen is, of met een aantal omwikkelingen om een koker is gewikkeld, waarna doorlopende poriën zijn aangebracht.

Hoewel de aansluitingen 58a,b zijn weergegeven als pennen die de lagen 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b waarmee ze contact maken doorsnijden 10 wordt in praktijk bijvoorkeur één of meer electrodes in contact gebracht met het oppervlak van de relevante lagen, bijvoorbeeld door een deel van de verschillende lagen van boven of onder gezien in figuur 5 toegankelijk te maken voor de electroden, of door de lagen naar de electrode te vouwen.

lOiSÖtVV

Claims (12)

1. Werkwijze voor het bewerken van een vloeistof, omvattend het geleiden van de vloeistof door poriën in een membraan dat door de poriën verbonden oppervlakken heeft waarop geleidende lagen zijn aangebracht die ter plaatse van de poriën onderbroken zijn, waarbij het membraan een 5 materiaal bevat dat de geleidende lagen electrisch nagenoeg van elkaar isoleert, waarbij in de werkwijze tussen de beide lagen een electrische spanning wordt aangebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de vloeistof micro-organismen bevat en waarin de electrische spanning minstens zo hoog is dat 10 deactivering van een celwand van de micro-organismen optreedt als gevolg van een door de electrische spanning in de poriën opgewekt veld.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de spanning een wisselspanning is.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de vloeistof melk is.

5. Inrichting voor het verwerken van een vloeistof, voorzien van - een eerste en tweede vloeistof kamer; - een membraan tussen de kamers, met poriën in het membraan die vloeistofstroming van de eerste en tweede kamer toelaten, welk membraan is voorzien van electrisch geleidende lagen op oppervlakken van het 20 membraan die respectievelijk naar de eerste en tweede kamer gekeerd zijn, welke lagen onderbroken zijn ter plaatse van de poriën, en waarbij het membraan een materiaal bevat dat de lagen electrisch nagenoeg van elkaar isoleert; - aansluitingen voor het aanbrengen van een electrische spanning tussen te 25 lagen. 1018907

6. Inrichting volgens conclusie 5, waarin een afstand een wand van de poriën tot enig punt binnen de betrokken porie niet groter is dan een dikte van het membraan.

7. Inrichting volgens conclusie 5, waarin de afstand kleiner is dan 20 5 micrometer.

8. Inrichting volgens conclusie 5, voorzien van een wisselspanningsbron gekoppeld aan de aansluitingen.

9. Inrichting volgens conclusie 5, voorzien van een pakket van tenminste twee membranen, waaronder het genoemde membraan, elk 10 voorzien is van poriën zodat een vloeistofstroom van de eerste naar de tweede kamer door de poriën van achtereenvolgende membranen van het pakket toegelaten wordt, met op elk membraan verdere respectievelijk op oppervlakken in de richting van de eerste en tweede kamer aangebrachte electrisch geleidende lagen, met onderbrekingen ter plaatse van de ponen, 15 waarbij elk van de membranen een materiaal bevat dat de lagen op het betreffende membraan electrisch nagenoeg van elkaar isoleert, waarbij de aansluitingen ingericht zijn voor het aanbrengen van een electrisch spanningsverschil tussen de lagen van elk membraan.

10. Inrichting volgens conclusie 5, voorzien van een 20 - sandwich van geleidende lagen en tenminste twee membranen, waaronder de genoemde lagen en het genoemde membraan, in welke sandwich de membranen en de geleidende lagen elkaar afwisselen en waarin elke van de membranen poriën bevatten en elk van de geleidende lagen onderbroken zijn ter plaatse van de poriën zodat de sandwich vloeistofstroom van de 25 eerste naar de tweede kamer door de poriën van achtereenvolgende membranen toelaat, waarbij elk van de membranen een materiaal bevat dat de lagen om het betreffende membraan nagenoeg van elkaar isoleert en waarbij de aansluitingen aan de lagen van de sandwich gekoppeld zijn voor het aanbrengen van een electrisch spanningsverschil elk opeenvolgend paar 30 lagen in de sandwich. 1018907

11. Vloeistoffilter dat een membraan bevat met poriën tussen een eerste en tweede oppervlak van het membraan, en electrisch geleidende lagen op respectievelijk het eerste en tweede oppervlak, welke lagen onderbroken zijn ter plaatse van de poriën en waarbij het membraan een 5 materiaal bevat dat de lagen electrisch nagenoeg van elkaar isoleert.

12. Vloeistoffilter volgens conclusie 11, dat een sandwich geleidende lagen en tenminste twee membranen, waaronder de genoemde lagen en het genoemde membraan, in welke sandwich de membranen en de geleidende lagen elkaar afwisselen en waarin elke van de membranen poriën bevatten 10 en elk van de geleidende lagen onderbroken zijn ter plaatse van de poriën zodat de sandwich vloeistofstroom door de poriën van achtereenvolgende membranen toelaat, en waarbij elk membraan een materiaal bevat dat de lagen om het betreffende membraan electrisch nagenoeg van elkaar isoleert. 1018S07