PL179868B1

PL179868B1 - Sposób zwiekszania natezenia przeplywu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym PL

Info

Publication number: PL179868B1
Application number: PL95310662A
Authority: PL
Inventors: Viktor Denk; Ulrich Gans
Original assignee: Wissenschaftsfoerderung Der; Wissenschaftsfoerderung Der Deutschen Brauwirtschaft Ev
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 2000-11-30
Also published as: AU1535995A; PL310662A1; AU685905B2; WO1995020038A1; EP0689585B1; DE59507024D1; JPH08512244A; US6692786B1; EP0689585A1; MX9500542A; ATE185595T1; CZ271695A3; ZA95384B; HUT72368A; CA2158071A1; HU9502988D0; BR9505827A; CZ290513B6; DE4401456A1

Abstract

1. Sposób zwiekszania natezenia przeplywu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprze- cznym przy filtracji napojów, zawierajacych rozpuszczone substancje koloidalne, zwlaszcza piwa, pole- gajacy na powtarzalnym usuwaniu podczas procesu filtracyjnego w przerwach okresowych warstw powierzchniowych gromadzacych sie na membranie przy uzyciu cieczy czyszczacej w postaci lugu sodowego oraz cieczy pluczacej, przy czym wielkosc porów w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym wynosi 0,1 do 2,0 µm, korzystnie 0,2 do 1,0 µm, znamienny tym, ze w przerwach nastepujacych po kazdej fazie filtracji plucze sie membrane w czasie 45 sekund do 2 minut, korzystnie 1 minute ciecza czyszczaca w postaci lugu sodowego o stezeniu 0,2 do 5% wag., a nastepnie wstepnie rozpuszczone warstwy powierz- chniowe plucze sie przez 2-20 min., korzystnie 3-6 min. woda, przeplywajaca zwrotnie ze strony filtratu na strone niefiltratu. P L 1798S8 B 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania natężenia przepływu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym przy filtracji napojów, zawierających rozpuszczone substancje koloidalne, zwłaszcza piwa.

Za pomocą filtracji piwa usuwa się drożdże i inne substancje osadu fermentacyjnego oraz koloidalne roztwory substancji, zwłaszcza białek, aby nadać piwu czysty i pełen połysku wygląd, a także zwiększyć trwałość chemiczno-fizyczną oraz biologiczną..

Poza stosowanymi dotychczas najczęściej filtracjami przy użyciu ziem okrzemkowych, ze względu zwłaszcza na znaczne koszty usuwania osadów ziem okrzemkowych jako odpadów, próbowano stosowania innych sposobów filtracji. Takim sposobem jest mikrofiltracja ze strumieniem poprzecznym, przy której niesklarowane lub wstępnie sklarowane piwo przepływa nad porowatąmembranąwjednostce filtracyjnej tak, że wmembranie pomiędzy stronąnapływającej cieczy, czyli tak zwanego niefiltratu, i przeciwległą stroną filtratu ustala się ciśnienie śródmembranowe, wskutek czego część przepływającego przy membranie piwa przepływa przez nią i jako oczyszczony filtrat zbiera się po stronie filtratu.

Podczas filtracji na powierzchni membrany, po stronie niefiltratu, osadzają się odfiltrowane materiały, częściowo w postaci warstwy powierzchniowej. Jeżeli ma być zapewniony dobry przepływ przez membranę podczas całego procesu filtracji warstwa ta nie może być zbyt zwarta.

Z europejskiego opisu 351 363 A1, znana jest mikrofiltracja ze strumieniem poprzecznym (mikrofiltracja typu „crossflow”), przy czym piwo podczas filtracji stabilizowane jestjednocześnie

179 868 za pomocą środka stabilizującego, korzystnie PVPP. Aby uniknąć przedwczesnego zatykania się porów membrany, do filtrowanego piwa dodaje się ziarnisty lub włóknisty środek wspomagający filtrację, który osadza się na membranie i zapobiega zatykaniu się porów membrany przez osady drożdżowe lub tym podobne. Środek taki może stanowić na przykład ziemia okrzemkowa lub perlit.

W ten sposób możliwe jest wprawdzie zapobieganie zatykaniu się porów membrany przez cząsteczki substancji zawartych w piwie, nie ma jednak możliwości, ażeby tym sposobem wychwytywać substancje stanowiące roztwory koloidalne, zwłaszcza białka, za pomocą środków wspomagaj ących filtracj ę. Te substancj e stanowiące roztwór koloidalny, przy niskich temperaturach wymaganych przy filtracji piwa, wynoszących około 0°C, tworzążelowatąlub galaretowatą masę, która przenika przez warstwę powierzchniową i zatyka pory membrany. Wskutek tego, skuteczność filtracji szybko obniża się. Z tego powodu, według w/w opisu patentu europejskiego, przewiduje się czyszczenie membrany po zakończeniu procesu filtracji. Można to uzyskać przez płukanie lub przez zwiększenie lub odwrócenie prędkości przepływu lub przez płukanie wsteczne, przy którym pewna ilość filtratu ze strony filtratu przetłaczanajest przez membranę na stronę przeciwną, niefiltratu. Okresowe czyszczenie membrany przeprowadza się zwłaszcza za pomocą płukania, przy którym warstwa powierzchniowa usuwana jest początkowo z grubsza częściowo, a następnie przez płukanie gorącym ługiem i sterylizację jest czyszczona i sterylizowana, przy czym w instalacji jednocześnie czyści się i regeneruje PVPP stosowany jako środek stabilizujący. Czyszczenie takie wymaga stosunkowo dużych nakładów i jest czasochłonne, tak więc zmniejsza efektywność filtracji.

Z europejskiego opisu 0 427 376 A2 znane jest urządzenie do mikrofiltracji z przepływem poprzecznym, w którym przez otwieranie i zamykanie odpowiednich zaworów, można odwrócić kierunek przepływu cieczy nad membraną. Poza tym, przez odpowiednio inny układ zaworów, w urządzeniu tym możliwe jest odsysanie cieczy od strony filtratu poprzez membranę, aby usunąć wten sposób warstwę powierzchniowąw mniejszym lub większym stopniu. Nie udaje się to jednak w pełni, gdyż przy filtracji piwa pory membrany zatykane sąprzez żelowane względnie zbliżone do żelu roztwory koloidalne, które w przeciwieństwie do innych cząsteczek warstwy powierzchniowej, nie dają się łatwo usunąć przez płukanie wsteczne. Ciecz zasysana poprzez membranę wybiera raczej drogę najmniejszego oporu, to znaczy przepływa przez membranę tylko tam, gdzie membrana jest przepuszczalna. Całkowite oczyszczenie membrany za pomocą takiego sposobu, jest więc niemożliwe.

Znane jest również tak zwane zintegrowane płukanie zwrotne membran, przy którym ciśnienie środmembranowe wzdłuż membrany ustala się tak, że w części membrany, na przykład w tylnej połowie, patrząc w kierunku przepływu, zachodzi przepływ filtratu ze strony po której znajduje się filtrat, na stronę niefiltratu, przy czym część istniejącej tam warstwy powierzchniowej zostaje usunięta. Opisane to zostało w „Mikrofiltration mit Membranen” S. Ripperger'a, Verlag Chemie, Wein.heim, 1992 r. str. 133.

Proponowano także stosowanie wielu środków do kontroli warstwy powierzchniowej, na przykład wymienione wyżej zintegrowane płukanie zwrotne i dodatkowo, podczas krótkiej przerwy w filtracji, płukanie zwrotne i regenerację membrany gorącą wodą, oraz odwrócenie kierunku przepływu, co opisano w Branindustrie 7/89 przez G.W. Steinhoff a, str. 748 do 750, zwłaszcza 750, prawa kolumna, fragment „Verschiedene Gerategrossen”.

Przetłaczanie wsteczne filtratu przez membranę stwarza jednak trudności, zwłaszcza z tego powodu, że warstwa powierzchniowa nie zostaje przy tym usunięta w pełni z powierzchni membrany. Warstwa powierzchniowa zostaje usunięta zwłaszcza tam, gdzie stawia ona tylko niewielki opór przepływu przy przebiegu płukania zwrotnego, dlatego też te części powierzchni membrany, na których znajduje się gruba warstwa powierzchniowa „sąprzy płukaniu zwrotnym upośledzone”, jak wyjaśnia to szczegółowo T. Faust i inni, w Chem.-Ing.-Techn. 61 1989 r., nr 6, str. 459 do 468, zwłaszcza str. 466.

W nieopublikowanym niemieckim zgłoszeniu patentowym P4227 225.4 proponuje się wiele środków dla zapobieżenia względnie zredukowania zatykania się membrany substancjami

179 868 zawartymi w filtrowanym piwie. Proponuje się tam między innymi, aby ciśnienie śródmembranowe i prędkość przepływu piwa wzdłuż powierzchni membrany, regulować w fUnkcji czasu, przy czym na początku filtracji ustala się niskie ciśnienie i dużą prędkość przepływu, i w miarę upływu czasu trwania filtracji, wartości te zmienia się tak, że ciśnienie transmembranowe wzrasta, a prędkość przepływu maleje. Poza tym w pewnych odstępach czasowych filtrację przerywa się na krótko i podczas tej przerwy płucze się przepływem wstecznym, korzystnie za pomocą wody.

Wprawdzie dzięki tym zabiegom wyniki filtracji ulegająpoprawie, jednakże również tutaj, w dłuższym okresie czasu efektywność filtracji spada.

Przy wszystkich wyżej przedstawionych sposobach efektywność filtracji z czasem maleje tak, że sposób mikrofiltracji typu „crossflow” nie mógł zostać dotychczas zastosowany ekonomicznie do klarowania piwa. Poza tym, wraz z obniżającą się skutecznością filtracji uwarunkowaną narastającą warstwą powierzchniową prędkość przepływu i ciśnienie śródmembranowe, musząbyć ustalonejako bardzo duże, jeżeli chce się uzyskać skutki filtracji możliwe do przyjęcia tak, że konieczny jest znaczny nakład energii. Ze względu na spadającą skuteczność filtracji krótsze są również czasy użytkowania stosowanych filtrów membranowych.

Zadaniem wynalazku jest więc opracowanie sposobu zwiększania natężenia przepływu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym przy filtracji napojów, zwłaszcza piwa, w którym również dla długich okresów trwania filtracji uzyskuje się wysokie przepływy jednostkowe przez membranę przy stosunkowo małych nakładach energii.

Sposób zwiększania natężenia przepływu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym przy filtracji napojów, zawierających rozpuszczone substancje koloidalne, zwłaszcza piwa, polegający na powtarzalnym usuwaniu podczas procesu filtracyjnego w przerwach okresowych warstw powierzchniowych gromadzących się na membranie przy użyciu cieczy czyszczącej w postaci ługu sodowego oraz cieczy płuczącej, przy czym wielkość porów w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym wynosi 0,1 do 2,0 pm, korzystnie 0,2 do 1,0 fam, według wynalazku charakteryzuj e się tym, że w przerwach następuj ących po każdej fazie filtracj i płucze się membranę w czasie 45 sekund do 2 minut, korzystnie 1 minutę cieczą czyszczącą w postaci ługu sodowego o stężeniu 0,2 do 5% wag., a następnie wstępnie rozpuszczone warstwy powierzchniowe płucze się przez 2-20 min., korzystnie 3-6 min. wodą, przepływającą zwrotnie ze strony filtratu na stronę niefiltratu.

Po zakończeniu procesu filtracyjnego instalację filtracyjną czyści się i płucze cieczą czyszczącą.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku po każdej fazie filtracji, napełnia się filtr, po stronie filtratu cieczączyszczącą w postaci ługu sodowego i tłoczy się ją przez membranę ze strony filtratu na stronę niefiltratu, korzystnie za pomocą cieczy płuczącej.

Skuteczność filtracji zwiększa się, jeśli w każdej fazie filtracji prowadzi się zintegrowane płukanie zwrotne membrany przez sterowanie ciśnieniem śródmembranowym (p) według funkcji czasu, posiadającej maksimum i minimum, przy czym czyszczenie membrany rozpoczyna się najwcześniej po drugim maksimum przebiegu ciśnienia śródmembranowego (p).

Szczególnie korzystnie, po zintegrowanym płukaniu zwrotnym membrany zmienia się kierunek przepływu piwa płynącego nad membraną na przeciwny.

W sposobie według wynalazku fazy filtracji trwają po 120 minut.

Istotną cechą wynalazku jest chemiczne wstępne rozpuszczanie warstwy powierzchniowej, zapomocą0,2 do 5% ługu sodowego. Potrzebnajest do tego tylko niewielka ilość ługu, gdyż warstwa powierzchniowa, a zwłaszcza substancje w roztworze koloidalnym, muszą zostać tylko wstępnie rozpuszczone i nie muszą być usuwane za pomocą ługu. Całkowite usunięcie rozpuszczonej warstwy dokonuje się czysto mechanicznie, za pomocą przeprowadzanego następnie zwrotnego płukania membrany wodą, wskutek czego warstwa powierzchniowa zostaje usunięta.

Ług sodowy użyty jako ciecz czyszcząca można stosować w niskiej temperaturze, na przykład w temperaturze pokojowej.

179 868

Korzystne okazało się, gdy oprócz sterowania ciśnieniem śródmembranowym, w sposobie według wynalazku steruje się również prędkościąprzepływu niefiltratu wzdłuż membrany, przy czym po rozpoczęciu filtracji prędkość przepływu stale się zwiększa. Tak więc proces filtracji rozpoczyna się przy stosunkowo niewielkiej prędkości przepływu, którą stopniowo się zwiększa. Takie postępowanie ma też swoje uzasadnienie energetyczne. Przy niewielkiej początkowo prędkości przepływu, ze względu na czystąjeszcze membranę, uzyskuje się wystarczająco wysoką wielkość przepływu jednostkowego przez membranę, przy czym później, na skutek wzrastającej prędkości przepływu, cząsteczki osadzające się na membranie porywane są przynajmniej częściowo przez szybko przepływający nad nimi niefiltrat tak, że unika się przez to tworzenia się zbyt grubej warstwy powierzchniowej.

Jeżeli pomiędzy rozpoczęciem filtracji i fazą czyszczenia i płukania zmienia się kierunek przepływu piwa, to korzystnejest, gdy wartość bezwzględnąprędkości przepływu w nowym kierunku, nastawi się zgodnie z wartością końcową poprzedzającej fazy przepływu tak, ażeby wartość bezwzględna prędkości przepływu pomiędzy rozpoczęciem filtracji i fazą czyszczenia i płukania stale była podnoszona.

Podnoszenie prędkości przepływu można dokonywać dla każdej fazy filtracji zawartej pomiędzy dwoma fazami czyszczenia i płukania. Możliwe jest również przeprowadzanie sterowania prędkości tylko w fazie początkowej filtracji, natomiast podczas pozostałego czasu trwania filtracji, prędkość przepływu pozostaje stała na tym zwiększonym poziomie.

Urządzenie realizujące sposób według wynalazkujest uwidocznione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym, fig. 1 przedstawia schemat instalacji do klarowania piwa za pomocą filtracji ze strumieniem poprzecznym, fig. 2 - schemat filtru ze strumieniem poprzecznym wraz z jego przyłączami, fig. 3 - wykres wyjaśniający sterowanie ciśnieniem śródmembranowym i prędkościąprzepływu piwa nad membraną modułu filtracyjnego, fig. 4 - wykres zmodyfikowanego sterowania ciśnieniem śródmembranowym i prędkościąprzepływu, fig. 5 - wykres jednostkowego przepływu przez membranę, w funkcji czasu, dla próbnej filtracji przeprowadzonej według wynalazku oraz dla filtracji porównawczej, fig. 6 - wykres jednostkowego zużycia energii w funkcji czasu, dla próbnej filtracji przeprowadzonej według wynalazku oraz dla odpowiedniej próby porównawczej według fig. 5, a fig. 7 przedstawia układ pomp i wielu modułów filtracyjnych dla zmodyfikowanej instalacji doświadczalnej.

Instalacja do filtracji przedstawiona na fig. 1, posiada zbiornik zasobnikowy 1 piwa przeznaczonego do klarowania, to znaczy niefiltratu, a także pompę tłoczącą2, wymiennik ciepła 3, moduł filtracyjny 4, oraz zbiornik odbiorczy 5 przeznaczony na przefiltrowane piwo. Wszystkie te elementy połączone są układem przewodów 6 umożliwiającym obieg piwa pomiędzy zbiornikiem zasobnikowym, pompą tłoczącą, wymiennikiem ciepła i modułem filtracyjnym. Ilość piwa płynącego w obiegu nastawia się za pomocą dwóch dławików 7 i 8, znajdujących się przy dopływie i odpływie zbiornika zasobnikowego. Przy każdym z dławików znajduje się ponadto zawór zamykający, przy czym przy dławiku 7 zawór zamykający 9 usytuowany jest po stronie napływającego strumienia, a przy dławiku 8, zawór zamykający 10 usytuowany jest po stronie odpływającego strumienia. W instalacji przedstawionej na fig. 1, piwo przeznaczone do klarowania płynie w układzie przewodów 6 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, tak jak to wskazuje strzałka P.

Pomiędzy oboma zaworami zamykającymi 9 i 10 znajduje się przewód poprzeczny 11 z zaworem zamykającym 12, który również służy do regulacji obiegu w układzie przewodów. Wspomniane dławiki i zawory zamykające można nastawiać tak, że piwo w swym obiegu przez układ przewodów 6 przepływa przez zbiornik zasobnikowy 1 całkowicie, lub tylko częściowo, albo też w niektórych odcinkach czasu, w ogóle przez zbiornik 1 nie przepływa.

W układzie przewodów znajdująsię jeszcze dwa dodatkowe przewody poprzeczne 13 i 14, które przebiegają pomiędzy wyjściem wymiennika ciepła 3 i wyjściem modułu filtracyjnego, przy czym w każdym z nich usytuowany jest zawór 15,16. Pomiędzy odgałęzieniem przewodu poprzecznego 13 i wejściem modułu filtracyjnego 4, oraz pomiędzy wyjściem modułu filtracyjnego 4 i punktem odgałęzienia przewodu poprzecznego 14 znajduje się odpowiednio zawór 17, 18.

179 868

Za pomocą przewodów poprzecznych 13, 14 i zaworów 15 do 18 można odwrócić kierunek przepływu w module filtracyjnym lub ogólnie biorąc oddziaływać na obieg piwa w układzie przewodów 6.

Wejście i wyjście modułu filtracyjnego 4 wyposażone sąrównież w zawór zamykający 19,20.

Od modułu filtracyjnego 4 odgałęzia się, zawierający zawór 21, przewód 22 prowadzący do zbiornika odbiorczego 5, z którego odprowadza się piwo przez przewód do pobierania 23 i zawór 24.

Ze zbiornikiem zasobnikowym 1 względnie ze zbiornikiem odbiorczym 5, poprzez dwa zawory 25,26 i odpowiednio 27,28 połączony jest zbiornik gazu 29 z odpowiednimi urządzeniami tłoczącymi i ssącymi, który służy do tworzenia poduszki gazowej G1 nad nieprzefiltrowanym piwem w zbiorniku zasobnikowym 1, względnie poduszki powietrznej G2 nad przefiltrowanym piwem, w zbiorniku odbiorczym 5.

Moduł filtracyjny 4 z fig. 1 przedstawiony jest na fig. 2 schematycznie w postaci blokowej z układem membrany M zaznaczonym przerywaną linią. Zwykle taki zespół filtracyjny posiada dużą liczbę na przykład rurowych modułów filtracyjnych z wewnętrzną, współosiową membraną, przez którą przepływa filtrowane piwo.

Po stronie filtratu do modułu filtracyjnego 4 dołączony jestjeszcze przewód 31, zamykany za pomocą zaworu 32.

Za zaworem 32 przewód rozgałęzia się, przy czymjedna gałąź, poprzez zawór 33 prowadzi do przyłącza 34 służącego do doprowadzania ługu sodowego, a druga gałąź, poprzez zawór 35, prowadzi do przyłącza wody 36.

Przed zaworem 21, z przewodu 22 odgałęzia się jeszcze jeden przewód 38 zamykany zaworem 37, prowadzący, poprzez odpływ 39 do nie uwidocznionego zbiornika służącego do przygotowywania ługu.

Pomiędzy modułem filtracyjnym 4 i zaworem 19 odgałęzia się jeszcze jeden przewód 40, który poprzez zawór 41 prowadzi do odpływu 42 względnie wspomnianego zbiornika do przygotowywania ługu.

Ponadto w instalacji znajdują się czujniki, za pomocą których mierzy się ciśnienie istniejące w układzie, temperaturę piwa, wielkość przepływu i tym podobne.

Opisywana instalacja sterowanajest za pomocąurządzenia 50 sterującego i regulacyjnego, przedstawionego na fig. 1, które składa się z jednostki programowej 51, jednostki wejściowej i jednostki opracowywania wyników 52 oraz z właściwej jednostki sterującej 53. Za pomocąjednostki wejściowej 52 można wprowadzać żądane parametry sposobu, przy czym do tej jednostki doprowadzane sąrównież sygnały z poszczególnych czujników tak, że ewentualnie można oddziaływać na program sterowania całej instalacji, ustalony w jednostce programowej 51. Z jednostki 53 wysyłane są sygnały sterujące Ci do poszczególnych elementów instalacji, zwłaszcza do koniecznych do sterowania zaworów, pompy 2 i wymiennika ciepła 3.

Na fig. 3 przedstawiony jest przebieg w funkcji czasu mierzonego w minutach dla ciśnienia śródmembranowego p, oraz wartości bezwzględnej prędkości przepływu v w procesie filtracji obejmującym wiele faz filtracji.

Przebieg czasowy sterowania ciśnieniem membrany, korzystnie jest funkcją okresową, na przykład sinusoidalną, trójkątną lub zbliżoną do piłokształtnej. Filtrację rozpoczyna się przy ciśnieniu śródmembranowym znajdującym się pomiędzy minimum i maksimum, które zapewnia przepływ przy membranie na całej jej powierzchni, bez strumienia zwrotnego ze strony filtratu na stronę niefiltratu. Po osiągnięciu ciśnienia maksymalnego obniża się go ponownie w kierunku wartości minimalnej, przy czym poczynając od ciśnienia o określonej wartości ustala się zintegrowane płukanie zwrotne membrany za pomocą filtratu, przebiegające ze strony filtratu na stronę niefiltratu, które to płukanie prowadzi się tak długo, aż ciśnienie śródmembranowe, po przejściu przez minimum, ponownie uzyska odpowiednią wartość, przy której przepływ przez membranę zachodzi tylko ze strony niefiltratu na stronę filtratu. Efekt filtracji poprawia się zmieniaj ąc po skończeniu płukania zwrotnego kierunek strumienia piwa płynącego nad membraną na odwrotny. Piwo przepływa wtedy najpierw przez obszar membrany przynajmniej częściowo

179 868 oczyszczony przez płukanie zwrotne tak, że ustala się tam wysoki przepływjednostkowy. Zmianę kierunku przepływu należy przeprowadzać po każdym zintegrowanym płukaniu zwrotnym.

Przebieg ciśnienia śródmembranowego p jest zbliżony do przebiegu funkcji sinusoidalnej o okresie wynoszącym około 30 min., przy czym podczas tej próby jedna faza filtracji trwała 120 min. Na początku pierwszej fazy ciśnienie śródmembranowe wzrasta szybko do wielkości 0,5 · 10⁵Pa tak, że niefiltrowane piwo przepływa nad membraną na całej je powierzchni. Następnie ciśnienie śródmembranowe zwiększa się i po osiągnięciu pierwszego maksimum wynoszącego około 2,5 · 105 Pa, opada ponownie, przy czym sterowanie ciśnieniem dokonuje się przez odpowiednie sterowanie poduszkami gazowymi G1 i G2.

W chwili t1 ciśnienie osiąga tak niską wartość, że rozpoczyna się zintegrowane płukanie zwrotne membrany M. Po osiągnięciu minimalnej wartości 0 Pa przez około połowę powierzchni membrany odbywa się przepływ ze strony filtratu na stronę niefiltratu. Po przejściu przez minimum ciśnienie ponownie wzrasta i w chwili t2 osiąga wartość odpowiadającą wartości początkowej tak, że płukanie zwrotne membrany M zostaje zakończone, a przepływ ponownie na całej jej powierzchni przebiega ze strony niefiltratu na stronę filtratu.

Przebieg taki powtarza się tak, że zawsze pomiędzy przerwami 43-t4 oraz t5-t6 powtarza się faza płukania zwrotnego.

Poza tym, po każdej fazie płukania, to znaczy w przerwach t2, t4, t6 odwraca się kierunek przepływu piwa wzdłuż membrany, przy czym możliwie szybko ustala się ponownie wartość bezwględną prędkości przepływu na wielkości osiągniętej przed zmianą kierunku przepływu, tak jak to przedstawione jest na fig. 3 linią ciągłą. Według innej możliwości, wartością bezwględną prędkości przepływu steruje się tak, że ma ona przebieg zgodny z przerywaną linią V', która po pierwszej zmianie kierunku przepływu, położona jest niżej. Ta niewielka prędkość z reguły jest wystarczająca, gdyż za pomocą wspomnianego płukania membrana została przynajmniej częściowo oczyszczona, ajednostkowy przepływ przez membranę, mimo trochę mniej szej prędkości, utrzymuje się wysoki.

Po przebiegu czwartego maksimum i obniżeniu ciśnienia śródmembranowego, filtracja zostaje przerwana i podczas krótkiej przerwy I warstwa powierzchniowa zostaje z powierzchni membrany usunięta. W tym celu moduł filtracyjny 4 opróżnia się i przez zamknięcie zaworów

19,20 i 21, odcina się od pozostałej instalacji. Piwo utrzymywane jest nadal w obiegu, w instalacji, na przykład przez zamknięcie zaworów 16 i 17 i otwarcie zaworów 15 i 18. Służy to zwłaszcza do utrzymania temperatury piwa w temperaturze filtracji wynoszącej około 0°C. Instalacja filtracyjna nie jest więc oczyszczana, lecz proces filtracji przerywany jest krótkotrwale w celu usunięcia warstwy powierzchniowej.

W tym celu moduł filtracyjny, przy zamkniętych zaworach 19,20 i zaworze 21, po stronie filtratu zostaje napełniony z przyłącza 34, poprzez zawory 33 i 32 oraz przewód 31, 0,2 do 5% ługiem sodowym. Następnie, przez przepływ wody z przyłącza 36, ług zostaje przetłoczony przez membranę. Wskutek tego warstwa powierzchniowa na membranie po stronie niefiltratu względnie jej przyczepność do membrany zostaje rozpuszczona chemicznie tak, że zwłaszcza substancje żelowate osadzone w porach membrany zostają rozpuszczone chemicznie. Odprowadzony ług można przetworzyć i przygotować do następnych operacji płukania. Za pomocą następującego teraz płukania zwrotnego membrany przy użyciu wody przetłaczanej ze strony filtratu na stronę niefiltratu, rozpuszczoną warstwę powierzchnio wąpraktycznie całkowicie usuwa się z membrany mechanicznie, a membrana jest teraz przepłukana.

Rozpuszczanie warstwy powierzchniowej przy użyciu ługu trwa około 45 sek. do 2 min., korzystnie prawie minutę. Płukanie zwrotne wodą trwa dwie do dwudziestu minut, a korzystnie trzy do sześciu minut, zależnie od wielkości filtru membranowego.

W każdym przypadku czasy te są znacznie mniejsze niż czas trwania fazy filtracji zawarty pomiędzy dwoma przerwami, a także czas trwania właściwej, konwencjonalnej fazy oczyszczania po zakończeniu fazy filtracji. W przerwach w procesie filtracj i można przeprowadzić jeszcze operację neutralizacji, przy której moduł filtracyjny przepłukuje się krótkotrwale kwasem, na przykład, kwasem azotowym o wartości pH wynoszącej 2 do 3. Jeżeli płucze się inne napoje,

179 868 na przykład sok owocowy to należy dobrać taką ciecz płuczącą, która rozpuszcza warstwę powierzchniowąmogącąsię składać z innych substancji. W przypadku soków owocowych ługi są skuteczne.

Po całkowitym lub znacznym usunięciu warstw powierzchniowych z membrany, moduł filtracyjny ponownie się opróżnia, na przykład za pomocą CO₂, po czym następują dalsze fazy filtracyjne. Tego rodzaju proces filtracyjny w opisanej instalacji trwa do 120 godz. Następnie instalację oczyszcza się i płucze całkowicie przy użyciu środków czyszczących, w opisany sposób.

Na fig. 4 przedstawiony jest schematycznie przebieg w funkcji czasu procesu filtracji sterowanego w zmodyfikowany sposób. Przebieg ciśnienia śródmembranowego jest zbliżony jak poprzednio, do sinusoidy, z maksimum wynoszącym około 4 · 10⁵ Pa, której amplituda przy wartości około 3 · 10⁵Pa zostaje ucięta, i na tym poziomie utrzymywanajest aż do punktu przecięcia z sinusoidą zaznaczoną linią przerywaną tak, że powstaje plateau przy stosunkowo wysokim poziomie ciśnienia.

Prędkość przepływu, zaznaczona tu równieżjako wartość bezwględna, w czasie fazy filtracji zostaje zwiększona z około 2 m/sek do 4 m/sek, przy czym, tak jak poprzednio, co 30 minut przy tx, kierunek przepływu zmienia się na przeciwny. Czyszczenie pośrednie membrany w przerwie I, przeprowadza się najwcześniej po drugim plateau ciśnienia. Można jednak przeprowadzić, tak jak poprzednio, wiele cykli filtracyjnych. Chociaż wiadomo, że przy wysokich ciśnieniach, wskutek tworzącego się przy tym wysokiego przepływu jednostkowego przez membranę, warstwa powierzchniowa bardzo narasta i ulega sprasowaniu przez co efektywność filtracji silnie spada z upływem czasu, to jednak zjawisko to, za pomocą środków proponowanych według wynalazku, zostało opanowane tak, że uzyskuje się duży średni przepływ jednostkowy przez membranę.

W omawianych i przedstawionych schematycznie na fig. 3 i 4 przebiegach filtracji, poszczególne przebiegi powtarzają się okresowo. Możliwa jest jednak zmiana amplitudy i okresu ciśnienia śródmembranowego w miarę upływu czasu, przy czym sterowanie amplitudą i ciśnieniem przebiega zgodnie z parametrami zmierzonymi przez czujniki. Okresowość może być utrzymywana z reguły przez długi czas taka sama, co jest korzystne przy programowaniu i automatyzacji procesu filtracji.

Rozstrzygającym przy opisanym sposobie filtracji jest to, że istnieje przy nim prawie stały średni przepływ jednostkowy przez membranę oraz prawie stałe średnie zapotrzebowanie energii (fig. 5 i 6).

Na fig. 5 i 6 przedstawione sąprzebiegi parametrów filtracji według wynalazku odpowiadające sterowaniu ciśnieniem i prędkością przepływu (sposób 1) wyjaśnionym w związku z fig. 3, i dla przebiegu porównawczego, przy którym prędkość przepływu wynosi 6 m/sek, a ciśnienie śródmembranowe wynosi 1,5 · 10⁵ Pa.

Widoczne jest, że według wynalazku po pewnym czasie narastania ustala się stały średni jednostkowy przepływ wynoszący około 80 litrów na metr kwadratowy powierzchni filtru i godzinę, który utrzymuje się przez wiele godzin. Próba ta została wprawdzie przerwana po 12 godzinach, jednakże filtracja mogłaby trwać znacznie dłużej, bez istotnych zmian w wynikach. W instalacji pokazowej prowadzono próbę bez problemów przez ponad 20 godzin.

W przeciwieństwie do tego, przy próbie porównawczej, już po dwóch godzinach przepływ jednostkowy spadł do 40 litrów na metr kwadratowy i godzinę, a po sześciu godzinach, spadł do mniej niż 20 litrów na metr kwadratowy i godzinę, po czym próbę przerwano.

Inną rozstrzygającą korzyścią filtracji według wynalazku jest niewielkie zapotrzebowanie energii. Według wynalazku do prowadzenia sposobu konieczne jest stałe średnie zapotrzebowanie energii wynoszące około 0,7 kWh na hektolitr, a dla próby porównawczej zapotrzebowanie energii stale rośnie aż do 7 kWh na hektolitr po sześciu godzinach. Wynika stąd jasno, że mikrofiltracj a prowadzona według wynalazku może być stosowana ekonomicznie do klarowania piwa.

W obu omawianych przykładach wykonania ciśnienie śródmembranowe było regulowane przez zmianę obu poduszek gazowych G1 i G2. Sterowanie ciśnieniem można jednak

179 868 prowadzić również w inny sposób, na przykład za pomocą pompy, jak przedstawiono to schematycznie na fig. 7.

Na fig. 7 pompa zasilająca P służy dla całej instalacji do filtracji membranowej. Odciąga ona przeznaczone do filtrowania piwo z nieuwidocznionego zbiornika zasobnikowego, i tłoczy je przez zawór V stabilizujący ciśnienie, z powrotem do zbiornika zasobnikowego (praca w trybie okresowym) lub do zbiornika zbiorczego dla stężonego piwa (praca ciągła). Zawór stabilizacji ciśnienia V otwierany względnie zamykany jest bezstopniowo tak, że ciśnienie w przewodzie zasilającym można nastawić na żądaną wartość, które to ciśnienie jest ciśnieniem wejściowym dla poszczególnych modułów filtracyjnych. Dla zmiany ciśnienia można dodatkowo zmieniać prędkość obrotową pompy zasilającej.

Od przewodu zasilającego odgałęzia się wiele przewodów, w tym przypadku dwa przewody L1 i L2, z których każdy prowadzi do pompy P1 względnie P2 i stamtąd z powrotem do przewodu zasilającego.

Pompy P1 i P2 tłocząpiwo przez moduły i ponownie do przewodu zasilającego. Instalacja może zawierać dalsze moduły filtracyjne.

Na fig. 7 nie przedstawiono wymienników ciepła, czujników i tym podobnych.

W instalacji pokazowej prędkość przepływu wynosiła od 9,2 do 15 m/sek., korzystnie od 0,5 do 8 m/sek., a ciśnienie śródmembranowe miało wartość do 6 · 10⁵ Pa. Membrany miały wielkość porów od 0,1 do 2,0 pm, korzystnie od 0,2 do 1,0 pm. Temperatura piwa podczas filtracji wynosiła ok. 0°C.

Przeprowadzono również filtrację według innego schematu sterowania niż omawiany powyżej, mianowicie według schematu obejmującego:

- okresowe rozpuszczanie warstwy powierzchniowej i mechaniczne usuwanie za pomocą prowadzonego następnie płukania wodą, przy utrzymywaniu stałego ciśnienia i stałej prędkości przepływu, z odwracaniem kierunku przepływu lub bez odwracania;

- okresowe rozpuszczanie warstwy powierzchniowej, a następnie płukanie wodą, przy stałym ciśnieniu śródmembranowym i wzrastającej prędkości przepływu, również z odwracaniem kierunku przepływu lub bez odwracania;

- okresowe rozpuszczanie warstwy powierzchniowej, a następnie płukanie wodą, przy zmienionym ciśnieniu śródmembranowym i stałej prędkości przepływu, również z odwracaniem kierunku przepływu lub bez odwracania.

Do sterowania ciśnieniem stosowano również inaczej zmieniające się w czasie przebiegi, ze zmieniającymi się wartościami maksymalnymi i minimalnymi, zwłaszcza przebiegi piłokształtne i trójkątne. Ponadto przy sterowaniu prędkością w pierwszej fazie filtracyjnej, prędkość przepływu w kolejnej fazie filtracji utrzymywano jako stałą, na stosunkowo wysokim poziomie.

Również te wyżej przedstawione odmiany, zwłaszcza druga i trzecia, dają dobre wyniki pod względem jednostkowego przepływu przez membranę i pod względem zapotrzebowania energii. Jednakże kombinacja operacji opisanych w związku z rozwiązaniem przedstawionym na fig. 3 i 4 okazała się najkorzystniejsza dla procesu filtracji, to znaczy,

- zmiana ciśnienia śródmembranowego według okresowej funkcji sinusoidalnej, ze zintegrowanym płukaniem zwrotnym,

- stałe zwiększenie prędkości przepływu przynajmniej podczas pierwszej fazy filtracji,

- rozpuszczanie warstwy powierzchniowej za pomocą ługu sodowego i płukanie zwrotne membrany wodą po każdej fazie filtracji.

179 868

ζ

1Ί /

οι , 21 A© zum Tank 5 / zbio/niR —- odbiorczy 5 J .38

Yx

179 868

Fig ·3

-/. Phase fozct i.

2. Phase

Rczcl-2 .

3. Phase. Fazo. 3.

179 868

r
t

V
V	Λ
\	**—·\	ν'—		V?	tc&v* fohrt	'ł

	Υ
				bf ν<	osęk ęJck>	port s*ers	iino Ch	jciy

0	1	2	3	4	5	6	7	8 9	0	i 12

ι / h

5

g

7

Vc

ęió<iKsv<rsi φ^ο^ροκ:

eh wnO-

jcłM

G

V

—r

5.

/

4 -

/

3 _

/

2 -

/

1 -

/

Vc

fohre

0-

Y

Ttoófe

1

5 7

Ο i

3« '0 Η 12

I / h

179 868

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zwiększania natężenia przepływu filtratu w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym przy filtracji napojów, zawierających rozpuszczone substancje koloidalne, zwłaszcza piwa, polegający na powtarzalnym usuwaniu podczas procesu filtracyjnego w przerwach okresowych warstw powierzchniowych gromadzących się na membranie przy użyciu cieczy czyszczącej w postaci ługu sodowego oraz cieczy płuczącej, przy czym wielkość porów w filtrze membranowym ze strumieniem poprzecznym wynosi 0,1 do 2,0 pm, korzystnie 0,2 do 1,0 pm, znamienny tym, że w przerwach następujących po każdej fazie filtracji płucze się membranę w czasie 45 sekund do 2 minut, korzystnie 1 minutę cieczączyszczącą w postaci ługu sodowego o stężeniu 0,2 do 5% wag., anastępnie wstępnie rozpuszczone warstwy powierzchniowe płucze się przez 2-20 min., korzystnie 3-6 min. wodą, przepływającą zwrotnie ze strony filtratu na stronę niefiltratu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po zakończeniu procesu filtracyjnego instalację filtracyjną czyści się i płucze cieczączyszczącą.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas przerw po każdej fazie filtracji, napełnia się filtr, po stronie filtratu cieczą czyszczącą w postaci ługu sodowego i tłoczy się ją przez membranę ze strony filtratu na stronę niefiltratu, korzystnie za pomocącieczy płuczącej.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w każdej fazie filtracji prowadzi się zintegrowane płukanie zwrotne membrany przez sterowanie ciśnieniem śródmembranowym (p) według funkcji czasu, posiadającej maksimum i minimum, przy czym czyszczenie membrany rozpoczyna się najwcześniej po drugim maksimum przebiegu ciśnienia środmembranowego (p).
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że po zintegrowanym płukaniu zwrotnym membrany zmienia się kierunek przepływu piwa płynącego nad membraną na przeciwny.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że fazy filtracji trwają po 120 minut.