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　　本发明所属技艺领域,有关将液体加压,通过半渗透膜,分离成为若干部分,即所谓的超滤法,具体是有关执行这种任务所用的装置。

　　超滤法是将液体加压,通过半渗透膜,分离成若干部分的方法的一般称谓。通过适当选择滤膜材料,便可能根据分子量分离液体,取得纯度极高的过滤物。这类方法在许多工业领域中应用广泛,例如用于干酪制造,将奶液分离成乳清及初步奶酪制品,又如用于将发酵培养基浓缩为抗生素。

　　识别本发明在技艺领域中的地位,有两个将点很重要。第一,在领域中将过滤方法分为微过滤,超过滤和反渗透。这些方法之间的区别,主要根据使用的滤膜的孔眼尺寸和装置的工作压力。微过滤用相对大孔眼(-)和低压力(30-150磅/英寸2)工作。反渗透的工作孔眼尺寸在5-15埃范围,到分子和离子尺寸范围(分子量在150以下),压力在200-1000磅/英寸2。超滤法在两种方法的数据之间工作,分子量的极限在200至350,000之间,滤孔直径在约10至1000埃之间。虽然本发明理想实施方案主要侧重于超滤法,但同样也适合于微滤法,在反渗透设备中也适用。

　　“过滤”法不相似,在“过滤”法中,液体从横放在流路中的过滤器中通过,过滤器将无用的固体阻拦,目的是取得澄清的液体输出。而超滤法是将液体放在半渗透膜的条件下,将基本液体分离为两个部分;一部分液体(称为过滤物)从膜中通过,另一部分留在基本液流内,称为滤余物。因此,超滤系统是将基本液在过滤装置上越过,而不从过滤装置中通过。并且,取决于具体应用,将其一部分或另一部分可作为过程的有用产品。例如,在干酪制造中,有用产品为滤余物(初步奶酪液),而在果汁制造中,成品是过滤物,即澄清果汁。

　　在技艺领域中曾有许多超滤方法提出。本发明主要涉及的是,属于“板框式”超滤类的方法,在这方法中,有一组板支持半渗透膜,将基本液在膜上流过而过滤。在其他的方法中有螺旋卷式装置,膜将一根多孔收集管包围,基本液沿管的纵向通过。膜也可以是管形,基本液在管内通过,过滤物从管壁通过,用膜的外壳收集。否则也可用中空纤维膜,在管形壳中有一束中空纤维膜。基本液从纤维芯中通过,过滤物从围绕纤维的通道中收集。这些方法的缺点,在和本发明比较时,凡熟悉本技艺领域者可以清楚看出。

　　板框法之是否理想,当然取决于是否能给基本液提供大过滤面积,使用滤膜支持件,将滤膜材料放在板的两侧,板叠放成垛在本领域中已属已知。这种叠垛一般设有基本液的输入通道和输出通道,设置在叠垛的相对两侧,使液体可以流到一块板的一侧,再到相邻板的膜之间,使基本液在加压下紧触滤膜表面,进行超滤。由于在系统中通过一次一般不足将需要的成分完全提尽,一般将滤余物通过超滤装置再循环若干次。此外,在已知的方法中有将叠垛分成若干组合件的,各组合件有输入通道及输出通道,从而液体在组合件的全部支

　　目前已有的设备显示了许多问题。对超滤设备的评价,以两个标准作基础-浓缩比-反映基本液加工所能达到的最大浓缩度(定义为基本液的初始体积和加工后体积的比例),和流率-定义为单位时间中过滤物从给定滤膜面积中通过的量,一般用GFD表示,即每平方英尺在每日中通过的过滤物加仑数。这两参数决定在某一应用中使用的超滤装置的规格。

　　中提出的典型装置是一种椭球体,如颁发麦德森(Madsen)的美国专利第3,872,015号所揭示。如所揭示,该装置和上述的相似,每一板形件有椭球体形状。每一板还有两个开口,在长轴的两端附近形成,因此,当用定位螺栓从对正的孔中穿过,形成一个叠垛,进口通道和出口通道便也形成。板表面上有一条弧形槽,从一个开口伸到另一开口。这些槽一般可说成是形成了一组同心椭圆,周缘逐个减小。有阻挡件放在有周期性间隔的元件一个开口中,把叠垛分成组合件,如上文所讨论。

　　基本液从组合件的进口通道中通过,流入相邻膜之间的间隙中。基本液的流体压力,把两个膜向相应的板表面压迫,从而液体在相当于表面槽的槽道中流动。假如全部槽道起点的液压都相同,外槽道的流程则比内槽道的流程大很多,从流体动力学的基本原理,可令人相到内槽道中的流速,比外槽道的流速大很多。这种想法在运转中得到证实。滤余物的粘滞性增高时,外槽道中的流速减低,最后减低为零,槽道便堵塞。相对短的内槽道实际上使流线谱“短路”,通过这系统的再循环次数增加后,基本液的浓度增高,“短路”便持续。

　　本专利的受授人为了把这问题减轻,把板的中部除去,剩下一个椭圆体的环,并增加外(长)槽道的深度。这设计并未改善堵塞问题,而付出的代价是输出减少(滤膜的面积减小)和成本增高(因为膜材料的生产率低-除去的中间部分无其他用途)。此外,从观察这设计可发现,流速不均匀导致无法肯定哪条通道先堵塞,因为有时内槽道堵塞,有时外槽道堵塞尊龙凯时ag旗舰厅官方网站。这设计中的问题直接来源于设置了长度不等的槽道,在这种结构形式中似乎是必然的。

　　另一种方法在颁发布来塞(Breysse)的美国专利第Re,30,632号(美国专利第3,831,763号的再颁)中有揭示。这设计的基本构造与上述相似,但板是矩形,有连接件放在相邻板之间,以提高密封,并确定基本液流入的板间空间的范围。每板有两个开口,形成进口和出口通道,中间板只有一个开口,中间板把板垛分成若干

　　分组合件。一块板的两侧表面上各形成一个凹陷,凹陷中放填充材料,以利收集过滤物,膜放在这材料上面。这设计的一种变化形式曾由本专利的受授人提出过,用突起的隆脊作取代,在凹陷的表面上形成,横过凹陷。

　　这设计用于粘滞性变化很大的领域中时,有两个问题出现。首先,因为在每一板的外边缘设置连接件(典型为垫片),便限制了引入进口通道中的基本液体的压力尊龙凯时ag旗舰厅官方网站超滤装置的制作方法docx。当然这种限制约束了总流速和最后的输出。

　　这种设计不能防止基本液中的固体沉积,尤其用于高粘滞性时。和前面的设计相似,问题发生于流体动力学的基本原理。槽道中流速不均匀是常见的,但槽道一侧和槽道另一侧有不同的流速分布。槽道边缘的流速最低(事实上在和槽壁接触的附面层中流速为零)。并且,横过槽道的流速差异与液体的粘滞性有关(粘滞性越高速差越大),也和槽道的尺寸有关(槽道越宽,流速降低很大的区域越明显)。这些理论上的预测又可在实践中看出。应用于抗生素时,基本液中含有高量的悬浮固体,在这器件边缘的培养基流速,不足以避免沉积,而向着每块板的中心,把流动逐渐向一个小面积约束。于是因过滤物的流量减少,并因增加了对滤膜的清理和更换的需要而使输出损失。

　　这几种设计的一个共同的缺点,是不能使每一板有均匀的流量,在对过滤物回收有经济吸引力的流速下,通过板的表面。本发明针对的就是这些问题。

　　本发明还有一个目的,是提出一种超滤装置,其改进的性能在于减少从一垛组合件向另一垛组合件过滤时引起的紊流。

　　本发明可达到上述的以及其他的目的。在一个理想的实施方案中,一个超滤装置中有若干支撑板,形成一个叠垛。每一支撑板大致扁平,矩形,其两平表面形状相同。每一支撑板的一个表面有隆突的边缘围绕,使基本液在一垛中的相邻两支撑板中流过。在每一支撑板的边缘附近形成两个孔,最好在相对的两边上。将支撑板叠放时这些孔眼对正,形成进口和出口的导槽。每一孔的周围有两种类型的环围绕,板的同一表面上有同一类型的环。配流环在边缘上有配流孔,按选定的方向引导液流,而密封环则有平上表面。支撑板叠放时,一块板的配流环靠紧相邻板的密封环,使通道内密封。每一板的每一表面上有一个膜,放在隆起的边缘上,因而相邻板的这种边缘上施出

　　在每一支撑板的两表面有纵向肋形成,肋从一个孔伸到另一孔各肋间最好有等间距,在肋的两边设有纵向槽道。这种槽道之间的区域中有若干横向肋,这些肋间有横向槽道。为了提供最佳化滤余物流,这些横肋的顶表面,低于纵肋的顶表面,并且,为了提供最佳化过滤物流,横槽道的底高于纵槽道的底。有一条连接槽道,其深度最好至少与纵槽道的深度相同,围绕支撑件表面上的形成纵肋和横肋的部分伸展。有一个过滤物抽取孔,最好位于支撑件的上侧,和连接槽道接通,进行过滤物的收集;这导槽的用途是将液体流通装置接通,例如用一种塑料管,向收集装置输送过滤物。横槽道将过滤物收集,流入纵槽道,转入连接槽道,通过过滤物抽取孔抽出。

　　将支撑板叠放成垛,通过端板在板垛上加压缩力,将支撑板定位,实现相应的密封。在一个理想的形式中,在叠垛中设置紊流衰减突缘,将板垛分成各组合件,每一组合件有若干支撑板尊龙凯时ag旗舰厅官方网站。这些单元从一个组合件的出口导槽接受液体,将这液体向板垛的另一侧引导,使之流入下一组合件的进口导槽。据发现液流从支撑板上经过是从下向上(相对于重力)流动时有最佳的性能,也就是将每一组合件的进口导槽设在板垛的底部,而出口导槽设在上方。

　　本发明不在每一导槽中设置装置阻挡液流,强使液体在前后组合件中向相反的方向流动,如现有技艺领域中所指导的那样,而是使用紊流衰减突缘,将板垛分成若干组合件。这些部件将液流从一个组合件的顶部,引导到下一个组合件的底部,形成整个设备里的从下向上的液流。这种液流因为基本液中的紊流降低而性能改进,并且因为保证过滤物抽取孔一定位于支撑板上的压力最低的区域中。并且,这个设计可以消除由于系统中有截留的空气造成不均匀的液流尊龙凯时ag旗舰厅官方网站。

　　本发明一般有若干叠放的支撑板,每一板上覆盖两个半渗透的膜。相邻支撑板上的滤膜之间有液流通道。板垛分成若干组合件,每一组合件有若干支撑板。将一种基本液体引入第一组合件,在该组合件中平行于支撑板流过,然后流入下一个组合件,仍按平行形式流过。液体在组合件之间通过一个将紊流消散的紊流衰减突缘,以提高过滤物的输送量。首先考虑各个支撑板的细节,然后考虑设备的整体,便有助于了解本发明。

　　图1示本发明的一个支撑板10。如所示,支撑板大致平坦,矩形,有两个面12,14。本文集中讨论图示的面,但应了解到除另有说明外,板的两面完全相同。支撑板用模压塑料材料制造,如可从现有技术领域:

　　了解。在抗生素工业中应用时,避免可能发生的污染很重要,所以最好使用聚砜塑料,形成一个整体的板。板的形状并非关键,但如影响流线谱则属例外,下文中将有讨论。在图示的实施方案中,支撑板的尺寸约为21英寸乘15英寸。有一道隆边13围绕板一面的边缘,这是两面的唯一不同点。这隆边最好有两条脊,各有圆形上表面。这些脊的作用下面解说。

　　在板边上形成两个孔16,最好中心都在支撑板的纵向轴线上。为了如下文所讨论,在预定的方向上保证有最佳的流量,最好将孔的形状作成扁椭圆形,平的边朝向板的中心。孔的尺寸和总设计的液压要求协调。

　　有两个环如图5(a)及5(b)所示,各放在每一孔中的一侧。配流环18(图5(a))上有一组配流孔26,由突起的齿25在环的边缘上形成,下文将较详细讨论。一个密封环19(图5(b))有基本平的上表面24。每一孔中放两类型的环各一,在孔在相对两端上放置,使一块板的一侧只有一种环。两种环都用相当软的材料制造,例如用聚丙烯塑料,两个环相加的厚度,约等于邻近孔两表面之间的距离,实现密封作用,如下文所讨论。任何适当的安装装置都可采用,但发现围绕孔的边缘作安装槽

　　凡从事本技艺的人可以了解,还可以用其他的环设计,提供与本文中的理想装置相同的作用。例如,两种环都可以有相同的齿,与齿25相同,而不是仅一种环有齿。据发现本文选用的设计有最好的性能,加以制造方便。

　　支撑板表面的构造,可从图1,2,3及4的各种视图中看到。有纵向肋28在两孔之间伸展,每一对肋形成液体槽道30。这些槽道互相平行,最好尺寸相同,槽道数目的选定,要求能提供越过支撑板表面的均匀流量,凡熟悉本技艺者可以体会。图1所示的实施方案,共有槽道18条,纵肋16条,最外侧的槽道少一条外边缘上肋,已经证明这个数目的槽道有取得均匀流量的作用。每一纵肋的两侧有两条纵槽道32。纵肋的顶部表面应相当平,略低于隆边13的上表面。

　　在纵向的肋和槽道之间有一组横向的肋34和槽道36,大致和纵向的肋及槽道垂直。图2所示更清晰,横肋的顶部略低于纵向肋的顶部,横槽道的底高于纵槽道的底。横槽道和纵槽道的相对深度并非关键,但发现所示的安排对取得要求的流线谱有效,下文将较详细讨论。

　　可用肋和槽道的其他组合形式代替上面讨论的形式。例如,可在每一对纵肋之间,放置一个纵向槽道。或者,可以取消横向肋和槽道,在上面讨论的纵肋之间,设置一组中间纵肋,这些中间肋的顶部低于主纵肋。否则,也可以用一个技艺领域中熟悉的过滤物内排放系统,代替上述的过滤物流动系统。但是这种系统有很大的缺点,如有泄漏倾向