專利名稱：用于液體過濾的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于液體過濾的系統(tǒng)和方法。更具體地，其涉及具有高固體含量 的液體過濾的系統(tǒng)和方法，例如啤酒、葡萄酒、水和果汁，或生物流體例如來自含多克隆、單 克隆或其它希望的蛋白質(zhì)或酶的生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
葡萄酒、啤酒、果汁、水和來自生物反應(yīng)器含蛋白質(zhì)的流體以及其它這樣的液體需 要過濾除去雜質(zhì)，例如從葡萄酒中除去糖結(jié)晶；或從生物反應(yīng)器流體中除去細(xì)胞碎片和其 它細(xì)胞成分，或從啤酒中除去酵母，或在原料和甚至部分凈化液體中發(fā)現(xiàn)的葡萄、其它果皮 和其它雜物。傳統(tǒng)地，這已經(jīng)通過向液體中加入松散的硅藻土并沉淀來完成。更先進(jìn)的技術(shù)已 經(jīng)成為各種扁豆?fàn)?lenticular)的或板和框架產(chǎn)品，其由纖維素纖維材料和各種填充料 例如硅藻土和多種帶電聚合物形成。這些過濾器是普通流動(dòng)設(shè)備，意思是液體被定向流向 它們?nèi)缓笠后w流動(dòng)通過它們到達(dá)出口同時(shí)雜質(zhì)截留在填充物中。這些過濾器被布置在外殼 中，其可以包括一個(gè)或多個(gè)，通常幾個(gè)過濾器，過濾器在板和框架設(shè)備中或者在中心桿上， 在扁豆?fàn)钐畛湮镌O(shè)備的桿內(nèi)有一系列通向出口的孔洞。液體通過大致在外殼底部的入口進(jìn) 入，圍繞并通過過濾器到達(dá)桿中的開口并通過外殼底部的出口流出。填充物過濾器容易被 雜質(zhì)堵塞從而限制了它們的生產(chǎn)流水作業(yè)。通常需要兩個(gè)或更多相同的過濾系統(tǒng)在過濾操 作期間順序地運(yùn)行從而確保足夠的能力。最近，用戶開始關(guān)注TFF(切向流動(dòng)過濾)設(shè)備用于這種過濾應(yīng)用。TFF系統(tǒng)利用 切向流動(dòng)掃越過膜表面從而連續(xù)地清除膜表面上阻礙或堵塞膜導(dǎo)致過濾效率和使用時(shí)間 下降的物質(zhì)。這些設(shè)備可以用平的或空心纖維陶瓷過濾器或者平的、空心纖維或卷繞式聚 合物過濾器來制造。在有助于提高過濾系統(tǒng)的壽命的同時(shí)，這種TFF系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，包括設(shè)備和運(yùn)行 費(fèi)用，以及由于通過系統(tǒng)泵的眾多再循環(huán)帶來的高截留量和液體的潛在的損失/降解。TFF過濾系統(tǒng)比填充物過濾器更花費(fèi)資金，需要大量專門的設(shè)備包括特殊的過濾 器、固定器、泵、截留管等昂貴的設(shè)備。另外，使用這種類型過濾器的方法也不同，需要特殊 培訓(xùn)和專用的固定設(shè)備來完成。此外，這種系統(tǒng)用10到20倍填充物系統(tǒng)的能量來泵送以 產(chǎn)生足夠的液體再循環(huán)來形成并保持TFF流動(dòng)。同樣，由于這種系統(tǒng)使用的大量的管道，系 統(tǒng)中過濾完成后還有很大的截留量。沒有被過濾的流體以及在箱、截留管、泵等中的流體在 過濾過程后被丟棄。通常測量到10幾加侖的液體損失，最高達(dá)10% (取決于系統(tǒng)的截留容 量和過濾重復(fù)循環(huán)的長度和數(shù)量)的開始容量，導(dǎo)致產(chǎn)品較低的總產(chǎn)量。最后，很多液體對TFF設(shè)備中施加于它們的剪切力和其它類似的力很敏感，會(huì)降級或損害產(chǎn)品特別是葡萄酒。陶瓷過濾器能工作但是有另外的缺點(diǎn)，容易受多種條件影響而損壞，其中大部分 條件不能確定或量化。一種能替代TFF陶瓷過濾器的是塑料或聚合物的空心纖維系統(tǒng)，其 具有很少或有限的交叉流動(dòng)從而減少液體再循環(huán)的循環(huán)次數(shù)。當(dāng)確定了減少再循環(huán)可以改 進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)還有費(fèi)用昂貴和高截留量的缺點(diǎn)。然而更重要的是，低交叉流動(dòng)通過提 高使用的膜的表面積來實(shí)現(xiàn)，通常至少是傳統(tǒng)TFF系統(tǒng)的2倍，這進(jìn)一步增加了成本和截留 量。另外，TFF聚合物膜強(qiáng)度相對較弱，如果施加太大壓力或剪切力容易受影響破裂。另外， 清洗這種過濾器很困難、昂貴和費(fèi)時(shí)間，導(dǎo)致這種過濾的成本更為高昂。此外，TFF—般很難用于低溫過濾，例如用于葡萄酒、啤酒、和果汁，因?yàn)榈蜏貢?huì)導(dǎo) 致液體更高的粘度從而導(dǎo)致低流速，因此需要更大的系統(tǒng)導(dǎo)致在經(jīng)濟(jì)上制造它們更為困 難。聚合物TFF過濾器用于通常包括過濾晶體的冷的葡萄酒或果汁的另外一個(gè)缺點(diǎn)是冷過 濾時(shí)聚合物膜與糖晶體“刮擦”的效果不相容，造成過濾器磨損和顆粒物進(jìn)入流體。我們需要的是一種過濾高固體份系統(tǒng)，其易于裝配、運(yùn)行，且購置和操作費(fèi)用比 TFF系統(tǒng)便宜，其增加了產(chǎn)出量，而使通過該系統(tǒng)的過濾最小化以使得退化最小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和運(yùn)行該系統(tǒng)的方法，其允許產(chǎn)品的長期過濾而不會(huì)由于堵 塞或污垢導(dǎo)致過濾能力的損失。系統(tǒng)是普通流動(dòng)過濾系統(tǒng)，有一個(gè)或多個(gè)濾筒，濾筒連接到 系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)外殼的出口。濾筒被容納在碗狀部中并優(yōu)選地從該出口豎直地懸垂。液 體進(jìn)入外殼的碗狀部并接觸一個(gè)或多個(gè)濾筒的外表面。雜質(zhì)被截留在過濾器的表面上或表 面中，并且過濾的液體流動(dòng)通過過濾器和通過出口。測量一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，例如流量、跨膜 壓降和/或時(shí)間，當(dāng)達(dá)到希望的參數(shù)時(shí)，過濾終止。運(yùn)行反向通過濾筒的反向沖洗，以便除 去在過濾表面上或過濾表面中截留的雜質(zhì)。該反向沖洗的物質(zhì)被導(dǎo)向到碗狀部的出口，其 被連接到排放道。然后系統(tǒng)在下游再循環(huán)，以重建平衡，過濾重新開始。任選的，可以還有通過一個(gè)或多個(gè)開口的在濾筒外面的橫向沖洗，該開口形成在 碗狀部鄰近一個(gè)或多個(gè)濾筒的外表面的側(cè)壁中。這可以代替，但優(yōu)選地附加到反向沖洗步 驟，可以發(fā)生在反向沖洗步驟之前或之后，但是在再循環(huán)步驟之前。未過濾的液體被導(dǎo)向成 撞擊濾筒的外表面從而移除任何截留的雜質(zhì)以及除去可能已經(jīng)殘留在碗狀部中的任何雜 質(zhì)。開口可以與濾筒的豎直表面相切；優(yōu)選地，開口垂直于濾筒的外豎直表面。另外，用水清洗過濾器和清洗系統(tǒng)的步驟可以使用現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，可以使用有兩個(gè)或更多外殼的系統(tǒng)，從而至少一個(gè)在線而其它的被再生或 清洗。系統(tǒng)可以被用于可手動(dòng)操作的(由系統(tǒng)操作員手動(dòng)地操作閥、泵等)或自動(dòng)操作 的(通過一系列PID、CPU、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或其它系統(tǒng)來控制硬件和/或軟件)過程中。系統(tǒng)還包括過程，該過程用于通過一個(gè)或多個(gè)濾筒的過濾、濾筒的反向沖洗、任選 的通過外殼側(cè)面中開口的濾筒的外部橫向沖洗以及再循環(huán)步驟。任選的，水洗或CIP也可 以在現(xiàn)有的系統(tǒng)中完成。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用于系統(tǒng)的外殼的橫截面視圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明圖1的外殼的一部分特寫的橫截面視圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的過濾流動(dòng)路徑的橫截面視圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的反向沖洗流動(dòng)路徑的橫截面視圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的再循環(huán)流動(dòng)路徑的橫截面視圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的橫向沖洗流動(dòng)路徑的橫截面視圖。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的用于反方向水沖洗和就地清洗(CIP)流動(dòng)路徑的 橫截面視圖。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明并行地或交替地使用兩個(gè)這樣的外殼的系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式這里“開口，，指的是一個(gè)或多個(gè)存在或能用的開口?！盀V筒”指的是一個(gè)或多個(gè)能 夠存在或能用的濾筒。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的過濾器外殼2。它由兩個(gè)主要部件組成，頭部4和碗狀部 6。頭部包括入口 8和出口 10。碗狀部6具有形成在其最低點(diǎn)14處或附近的排放道12。碗狀部6可以有如圖所示的截頭圓錐形底部16或者它可以有圓形、錐形或需要的 話甚至平的底部。優(yōu)選的，它是截頭圓錐形、圓形或錐形。通過具有鄰近和/或在其最低點(diǎn) 14處的這樣的形狀，排放道12可以更有效地工作從而從外殼2中除去碎片和雜質(zhì)，稍后會(huì)進(jìn) 一步描述。通常這些形狀能使雜質(zhì)濃縮，從而當(dāng)雜質(zhì)從外殼中除去時(shí)，有最少量的產(chǎn)品流失。如圖所示一個(gè)或多個(gè)濾筒18被連接到外殼2的出口 10。布置濾筒18從而濾筒 18從頭部4的出口 10豎直懸垂到碗狀部6中。這些濾筒18的設(shè)計(jì)是已知的，有在這個(gè)實(shí) 施例中離出口 10最遠(yuǎn)的封閉端19以及連接到外殼2的出口 10的開放出口端21。濾筒18 包括一個(gè)或多個(gè)過濾材料層，其可以是折疊多孔塑料膜、紡織或卷繞的纖維例如塑料、玻璃 等等和/或無紡材料。如果需要，可以包括多種支撐和保護(hù)層例如外部多孔保護(hù)籠，內(nèi)部多 孔核心和一個(gè)或多個(gè)過濾支撐材料層例如多孔無紡布等等。用于過濾材料的典型塑料包括但不限于聚烯烴例如聚乙烯和聚丙烯、聚偏二氟乙 烯(PVDF)、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚苯砜、PTFE樹脂、PFA樹脂、聚酯、 尼龍、聚酰胺、聚酰亞胺，和纖維素以及改良的纖維素材料例如纖維素乙酸酯。過濾器的孔尺寸會(huì)根據(jù)選擇的過濾器類型，待過濾的雜質(zhì)等等而改變。平均孔徑 可以從約0. 1微米變化到10微米。通常，2. 0、1. 0、0. 65、0. 45或0. 22微米孔徑用于膜型過 濾器，取決于實(shí)際應(yīng)用、待除去的雜質(zhì)，存在的雜質(zhì)的量等等。優(yōu)選地使用的過濾器的孔徑 在約0. 65到2. 0微米之間。無紡和深度過濾器例如卷繞過濾器等等不常用孔徑計(jì)算，但是 它們與可以使用的膜是相同的孔徑大小程度。外殼還可能在外殼2鄰近過濾器18的側(cè)面包括一個(gè)或多個(gè)附加的開口 20，其用于 下面詳細(xì)描述的清洗過程。開口與過濾筒實(shí)質(zhì)上豎直的表面相切，在筒的中心線(A-A)23 和開口 20的中心線(B-B) 25之間成一角度①，如圖2所示。優(yōu)選的角度①是從約15°到 約165°，更優(yōu)選從約30°到約150°或45°到135°，最優(yōu)選實(shí)質(zhì)上垂直或約90°。開口 20通過開口管道21與未過濾的流體源26流體連通，該開口管道21分支于管道28。開口管道21在常態(tài)下由開口閥(未示出)關(guān)閉，只在下面圖6描述的橫向沖洗步驟時(shí)打開。圖3示出了這樣的外殼2和結(jié)合有該外殼的系統(tǒng)。泵22在其入口 24處被連接到 待過濾的流體源26。管道28將泵22的出口 30連接到外殼2的入口 8。液體進(jìn)入碗狀部 6并且通過過濾器18和通過出口 10被抽出。排放道12被連接到廢料線32并用閥(未示 出)與廢料線封閉?？蛇x擇地，第一傳感器36設(shè)置在入口 8，第二傳感器38設(shè)置在出口 10。兩個(gè)傳感 器36、38的組合可以測量出一個(gè)或多個(gè)濾筒18的跨膜壓力或系統(tǒng)的流量，如下文描述的。 傳感器可以在測定跨膜壓力差時(shí)是壓力傳感器，在測定流量時(shí)是流量傳感器。可以使用任 何壓力傳感器，可以是刻度盤或模擬或數(shù)字讀數(shù)的。壓力傳感器可以是“不智能的”需要操 作者監(jiān)測儀表或讀數(shù)來判斷是否已達(dá)到期望的參數(shù)(下文會(huì)講解)，或者是智能的即當(dāng)達(dá) 到參數(shù)時(shí)向系統(tǒng)提供信號。同樣可以用任何流量傳感器，例如通過計(jì)算傳感器中輪或槳的 旋轉(zhuǎn)來測量流量的葉輪流量傳感器。它可以是刻度盤或模擬或數(shù)字讀數(shù)。傳感器可以是 “不智能的”需要操作者監(jiān)測儀表或讀數(shù)來判斷是否已達(dá)到(下文會(huì)講解)期望的參數(shù)(流 量)，或者其可以是智能的即當(dāng)達(dá)到參數(shù)時(shí)向系統(tǒng)提供信號。濾出液(已經(jīng)通過濾筒18的過濾層的液體)通過出口 10離開外殼2到管道40 并通過閥44到下一步驟或儲(chǔ)存箱42。同樣示出的管道48中的閥46有選擇地讓濾出液流 向反向沖洗箱50以儲(chǔ)存和如下面描述的使用。閥46是常閉式的使得濾出液流經(jīng)閥44。運(yùn)行時(shí)，待凈化或過濾的液體從例如桶、箱或槽的來源26被供應(yīng)到泵的入口 24。 泵22將液體經(jīng)管道28輸送到外殼2的入口 8。液體進(jìn)入濾筒18外的碗狀部6，并且通過 濾筒18的過濾層到達(dá)外殼2的出口 10。之后通過管道40和閥44到下游部件例如下一步 驟或儲(chǔ)箱42。雜質(zhì)留存在碗狀部6中或者截留在濾筒18的過濾層中。經(jīng)過一段時(shí)間，過濾速度 會(huì)降低和/或跨膜壓力差增加到可接受的參數(shù)以上，濾筒18就需要被反向沖洗。何時(shí)進(jìn)行 該反向沖洗可以由一些參數(shù)判斷，包括但不限于時(shí)間、跨膜壓力和流量。至于時(shí)間參數(shù)的使用，人們?nèi)绻枰脑捒梢院苋菀椎貞?yīng)用計(jì)時(shí)器，用于控制泵 22和/或進(jìn)入和離開外殼2的閥。在預(yù)定時(shí)間時(shí)，泵22關(guān)閉，濾出液從箱50抽出，通過泵 52和管道54和打開的閥56，反向通過過濾器18，以移除在過濾器18附近或嵌入到過濾器 18中的任何雜質(zhì)。然后雜質(zhì)朝著碗狀部6的最低部分14沉淀出來。在這期間閥58同樣關(guān) 閉。反向沖洗液隨后優(yōu)選地被送到排出道，從而所有的堵塞物質(zhì)被從系統(tǒng)中除去。該步驟 和其流動(dòng)路徑如圖4所示。反向沖洗的時(shí)間不需要很長。它僅僅需要提供回流脈沖和足夠的壓力把濾筒18 清洗到足夠進(jìn)行下一步過濾的程度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于反向沖洗的時(shí)間為約2到 20秒，更優(yōu)選地從約5到10秒。反向沖洗的壓力可以與過濾壓力差大致相同(通常在實(shí)際下游壓力以上約 lbar)。如果需要的話可以給該反向沖洗操作施加額外的壓力。隨后泵22重新打開，圖4中反向沖洗步驟剩余的液體通過管道28進(jìn)入外殼2，如 在圖3的過濾步驟中通過管道40排出。閥44和46關(guān)閉，閥60打開使液體再循環(huán)返回至 泵22的入口 24?？蛇x和優(yōu)選地，新的未過濾液體同時(shí)從源26進(jìn)入系統(tǒng)。該再循環(huán)只需要 進(jìn)行很短的時(shí)間，從而液體達(dá)到再平衡和/或形成過濾所需要的任何濾餅。閥60隨后關(guān)閉，閥44重新打開，過濾恢復(fù)。另外，在過濾過程的某一時(shí)間，閥46打開并且閥44關(guān)閉，讓箱 50重新裝滿以用于下個(gè)沖洗周期。再循環(huán)時(shí)間不需要很長。它僅僅需要提供如果需要的話用于過濾的濾餅和/或在 過濾可以再次開始前平衡系統(tǒng)內(nèi)所有的液體。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用于反向沖洗的時(shí)間 從約20秒到60秒，更優(yōu)選地從約20到40秒，最優(yōu)選地約30秒。再循環(huán)的壓力應(yīng)與過濾壓力差大致相同(通常在實(shí)際下游壓力以上約lbar)。如 果需要的話(例如產(chǎn)生濾餅)可以施加額外的壓力。優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)時(shí)間被用作參數(shù)時(shí)，人們基于液流中雜質(zhì)的 含量、選定的濾筒18和待過濾的物質(zhì)的量設(shè)置時(shí)間表。典型地，發(fā)現(xiàn)設(shè)置每隔10到每隔20 分鐘之間的時(shí)間表可以用于大多數(shù)應(yīng)用。對于大多數(shù)來說，優(yōu)選的時(shí)間參數(shù)是每隔10分 鐘。閥打開/關(guān)閉和泵活動(dòng)的過程與上面描述的相同，以產(chǎn)生反向沖洗和再循環(huán)步驟。反向沖洗時(shí)間和使用的壓力與上面描述的相同。至于跨膜壓力參數(shù)的使用，人們可以容易地選擇相應(yīng)于過濾器的一定堵塞水平的 跨膜壓力上限。人們可以用壓力傳感器作為傳感器36和38來測量過濾層的上游和下游壓 力并判斷何時(shí)跨膜壓力(上游或入口壓力與下游或出口壓力之差)太高。當(dāng)達(dá)到或超過該 參數(shù)時(shí)，進(jìn)行同樣的反向沖洗和再循環(huán)步驟。優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)用跨膜壓力作為參數(shù)的實(shí)施例中，人們根據(jù)液流中的雜 質(zhì)、選擇的過濾器18和待過濾物質(zhì)的量，設(shè)定為從約0. 2bar(20KPa)到約5. 0bar(500KPa)。 通常是在約0. 2bar (20KPa)到lbar (lOOKPa)的壓力差(但是同樣，選定的壓力差依 賴于雜質(zhì)的質(zhì)量，以及待過濾的流體)。對于大多數(shù)應(yīng)用，優(yōu)選的跨膜壓力差參數(shù)是 0. 2bar(20KPa)。至于流量參數(shù)的使用，人們可以容易地選擇傳感器來測量流量，例如優(yōu)選在系統(tǒng) 的下游或出口側(cè)的流量計(jì)。決定相當(dāng)于過濾器的一定堵塞程度的減少的流量，當(dāng)達(dá)到該減 少的流量時(shí)，使用上面關(guān)于跨膜壓力差或時(shí)間系統(tǒng)所描述的反向沖洗操作。優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)用流量作為參數(shù)的實(shí)施例中，人們根據(jù)液流中的雜質(zhì)、選 擇的過濾器18和待過濾物質(zhì)的量，將限定值設(shè)定為最初流量的約50%到約80%。通常發(fā) 現(xiàn)，相比最初流量減少20到40%之間的流量適用于大多數(shù)應(yīng)用。在該過程中的某個(gè)時(shí)間或替代該反向沖洗步驟(雖然優(yōu)選圖4中的反向沖洗步 驟，這個(gè)任選的步驟是附加步驟，可以根據(jù)需要用在反向沖洗步驟之前或之后)，人們可以 通過將液體引入通過外殼2側(cè)面的開口 20而不是通過入口 8進(jìn)行橫向沖洗步驟。雜質(zhì)從 濾筒18被推下并離開濾筒18，隨后以上面描述的方式通過排放道12被排出。這一任選步 驟在圖6中示出。來自源26的流體流入管道21通過一個(gè)或多個(gè)開口 20并且撞擊濾筒18 的外表面。在那里，流體和從濾筒除去的任何雜質(zhì)從系統(tǒng)流出到排放道12。橫向沖洗的時(shí)間不需要很長。它僅僅需要提供足夠壓力的液體脈沖，以把濾筒18 清洗到足夠進(jìn)行下一步過濾的程度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，橫向沖洗時(shí)間為從約2到20秒， 更優(yōu)選地從約5到10秒。圖7示出了在使用后清洗該系統(tǒng)或者在使用前沖洗該系統(tǒng)以除去在組裝期間可 能已經(jīng)進(jìn)入該系統(tǒng)的任何潛在污染物。冷水70或熱水72或任選的替代一種或另一種水 70,72的液流通過管道74經(jīng)箱50泵52和管道54供應(yīng)到管道40和外殼2的出口 10。不同的如76的閥被關(guān)閉，使水或液流流經(jīng)外殼2并且其可以經(jīng)管道80返回到箱50以進(jìn)行再 循環(huán)。在希望的時(shí)間后，水或和/或液流被關(guān)閉以及閥78被關(guān)閉，從而封閉水返回管道80 并且水/液流通過管道82被排出到水/液流排放道。任選地，在該步驟中使用的管道也可 以如同現(xiàn)有技術(shù)中已知的，受到增壓空氣以使得水/液流更有效地排出。圖8示出了有多于一個(gè)或兩個(gè)或更多外殼2A和B的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的操作與圖3-7 中描述的相似，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道只需要添加專用的水/液流箱100。這允許人們使 用一個(gè)外殼2A的同時(shí)，另一個(gè)用圖4和5和任選的6和/或7中所描述的過程進(jìn)行再生。 可替換地，如果需要的話，兩個(gè)或更多的外殼可以同時(shí)并行運(yùn)行。優(yōu)選地，任何實(shí)施例中過程的溫度被保持在約_60C到約20°C之間的范圍(零下溫 度可用于含有用來降低它們凝固點(diǎn)的酒精或鹽的液體，或由具有0°c以下凝固點(diǎn)的物質(zhì)形 成)。對于很多應(yīng)用，如葡萄酒過濾、果汁過濾、生物過濾，過程發(fā)生在溫度范圍在約4°c到 約10°C之間的低溫室或低溫系統(tǒng)。在過濾葡萄酒以除去酒石酸氫鹽晶體的情況中(葡萄酒 的冷穩(wěn)定性)，過濾的溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為負(fù)的酒精含量的一半(否則晶體會(huì)再溶解)。這意味 著對于11 %的酒精，可以以約_4°C或-5°C的溫度進(jìn)行過濾。液體可以在進(jìn)入系統(tǒng)前被預(yù)冷。如果希望的話系統(tǒng)可以隔熱，但通常并不需要，因 為在系統(tǒng)中花費(fèi)的時(shí)間相對較少?？蛇x擇地，系統(tǒng)可以運(yùn)行在涼的或“冷”室，以在處理時(shí) 使液體內(nèi)的溫度變化最小化。在某些特殊情況，系統(tǒng)可以用現(xiàn)有技術(shù)中已知的冷水循環(huán)系 統(tǒng)或冷卻毯來積極地冷卻。過濾器可以是正常流動(dòng)聚合物過濾器，例如Massachusetts州Bi 1 Ierica的 Millipore公司的Polygard CE過濾器，其包括玻璃纖維/硅藻土 /聚丙烯纖維的材料混 合物。然而，任何能在重復(fù)的周期經(jīng)受反向沖洗壓力的普通流動(dòng)過濾器都能用于本發(fā)明。系統(tǒng)可以被用于可手動(dòng)操作的(由系統(tǒng)操作員手動(dòng)地操作閥、泵等)或自動(dòng)操作 的(通過一系列PID、CPU、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或其它系統(tǒng)來控制硬件和/或軟件)過程中。實(shí)施例根據(jù)圖8的系統(tǒng)有可從Billerica的Millipore公司得到的成對的兩個(gè)3圓形 30”Polygard CE過濾筒(2-微米孔徑)，濾筒被并行使用并結(jié)合進(jìn)根據(jù)圖1所示的外殼， 使得濾筒的出口經(jīng)由本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的外殼圓形板被連接到每個(gè)外殼的出口，從而離 開外殼出口的液體首先通過濾筒。不銹鋼箱中500升未過濾的酒精含量12%的白葡萄酒，在_2°C溫度和外殼入 口上游壓力傳感器讀數(shù)0.2bar(20KPa)的上游壓力下被供應(yīng)到泵的入口。濾出液以 0. 2bar (20KPa)的壓力通過外殼的出口。時(shí)間是測量的參數(shù)并且這由秒表來完成。10分鐘后，手動(dòng)地關(guān)閉泵，并且以出口壓力傳感器讀數(shù)0. 7bar(70KPa)的壓力運(yùn) 行如圖4中所教導(dǎo)的反向沖洗步驟6秒。關(guān)于圖5所描述的再循環(huán)步驟在外殼入口上的上游傳感器處測量0. 7bar(70KPa) 下被運(yùn)行28秒， 從而再平衡該系統(tǒng)并在過濾器表面上形成所希望的濾餅。上述步驟依序運(yùn)行6次。在5次過濾和反向沖洗步驟完成后，通過外殼的側(cè)面開口的橫向沖洗步驟在約 0. 7bar(70KPa)的壓力下進(jìn)行6秒，接著是再循環(huán)步驟。
標(biāo)準(zhǔn)TFF空心纖維系統(tǒng)(Ronfil空心纖維系統(tǒng)，由Domnick HunterIberica銷售) 形成的控制系統(tǒng)用相同的酒運(yùn)行，兩個(gè)系統(tǒng)用流量、酒渾濁度和堵塞指數(shù)(過濾指數(shù))來測量。堵塞指數(shù)是歐洲釀酒廠廣泛使用的計(jì)算酒的過濾性的過濾指數(shù)。堵塞指數(shù)是在一 定壓力和膜的連續(xù)實(shí)驗(yàn)條件下，過濾從200ml到400ml需要的時(shí)間與過濾第一個(gè)200ml需 要的時(shí)間相比兩者的時(shí)間差。計(jì)算的方法如下TO = O秒的初始時(shí)間。T2=在2Bar入口壓力下通過0.65膜過濾第一個(gè)200ml (從Oml到200ml)酒的用
時(shí)秒數(shù)。T4=在相同過濾器和相同壓力下過濾第二個(gè)200ml (從200ml到400ml)酒的用時(shí)秒數(shù)。CI = (T4-T2)-(T2-T0) = Τ4_2*(Τ2)單位用秒計(jì)算，但通常作為不帶單位的指數(shù)來處理。根據(jù)該控制和本發(fā)明過濾的葡萄酒有下面表1中所列出的特性 本發(fā)明反向沖洗和橫向反向沖洗的截留和損失的量是5升或開始量的1%，并且 過濾進(jìn)行50分鐘。該控制的截留和損失的量是35升或開始量的7%，并且過濾需要66分鐘來完成。正如實(shí)施例中體現(xiàn)的，本發(fā)明顯著地減少了該系統(tǒng)的損失量并且保持了該系統(tǒng)的 量，更快地完成了過濾，而且在整個(gè)測試保持了高的、一致的流量。雖然上述實(shí)施例用的是白葡萄酒，該系統(tǒng)也可以同樣好地用于其它需要凈化的液 體，例如含有果漿或果皮、固體雜質(zhì)、凈化助劑例如卵蛋白質(zhì)或硅藻土等等雜質(zhì)的啤酒、水、 果汁、能量飲料。同樣它適用于生物流體例如生物反應(yīng)器的排出物，其包括需要的蛋白質(zhì)， 如單克隆抗體，以及其它雜質(zhì)包括但不限于凈化助劑如硅藻土或凝聚劑、細(xì)胞碎片、宿主蛋 白質(zhì)和其它不需要的細(xì)胞單元等等。
權(quán)利要求
一種過濾方法，包括a.提供待過濾的流體源，將該源連接至過濾設(shè)備入口的第一管道，該過濾設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)含一個(gè)或多個(gè)過濾器的外殼，該一個(gè)或多個(gè)過濾器與外殼出口流體連通，該外殼出口與通向下游部件的第二管道流體連通，該下游部件可由常開式的第一閥選擇性地關(guān)閉，可選擇性關(guān)閉的再循環(huán)回路用于從該第一閥經(jīng)由第三管道回到該外殼出口的過濾，其中該再循環(huán)回路在常態(tài)下由第二閥與該出口封閉，該入口和該出口設(shè)置在該外殼的最高部分處而排放道設(shè)置在該外殼的最低部分處，一個(gè)或多個(gè)開口形成在該外殼鄰近一個(gè)或多個(gè)濾筒的側(cè)面中，該一個(gè)或多個(gè)開口被連接到該外殼鄰近該一個(gè)或多個(gè)濾筒的側(cè)面，該開口通過由開口閥控制的開口管道被連接到該第一管道；b.通過該第一管道供應(yīng)該待過濾的流體并且該流體進(jìn)入該外殼的入口；c.該流體經(jīng)過該一個(gè)或多個(gè)濾筒并且進(jìn)入該出口和進(jìn)入該第二管道，并且經(jīng)過該第一閥到達(dá)該下游部件；d.從包括時(shí)間、跨膜壓力差和流量減少量的組中選擇參數(shù)；e.監(jiān)測該選擇的參數(shù)以判斷何時(shí)達(dá)到或超過該參數(shù)；f.當(dāng)達(dá)到或超過該選定的參數(shù)時(shí)，關(guān)閉該第一閥，打開該排放道和打開該第二閥，使濾出液反向通過該出口和該一個(gè)或多個(gè)濾筒進(jìn)入該外殼內(nèi)并從該排放道排出一段時(shí)間，該時(shí)間足夠反向沖洗該濾筒；g.關(guān)閉該第二閥和排放道，打開在該第一閥和第二管道之間的第三閥和第四管道、和該第一管道一段要求的時(shí)間從而再循環(huán)該流體，以及h.關(guān)閉第三閥和第四管道，重新打開該第一閥，重新開始該流體從該入口到該一個(gè)或多個(gè)濾筒的供應(yīng)，以重新開始該過濾過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟(i)，其中步驟(b)-(h)重復(fù)至少一次。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟(i)，其中步驟(b)-(h)重復(fù)N次，N是1到 100的整數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在該外殼的入口處的第一傳感器和在該外殼的出 口處的第二傳感器，來監(jiān)測跨膜壓力差和流量減少量的選定參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在該外殼的入口處的第一壓力監(jiān)測器和在該外殼 的出口處的第二壓力監(jiān)測器，用于監(jiān)測該跨膜壓力差參數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在該外殼的入口處的第一流量傳感器和在該外殼 的出口處的第二流量傳感器，用于監(jiān)測該流量減少量參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第一和第二壓力監(jiān)測器選自模擬和數(shù)字壓力計(jì)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該選擇的參數(shù)是時(shí)間，用計(jì)時(shí)器來測量。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該閥選自包括手動(dòng)閥、電磁閥、液壓致動(dòng)和氣動(dòng)閥的組。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該流體被冷供應(yīng)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以在-4°C到20°C之間的溫度供應(yīng)該流體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該過濾步驟(c)進(jìn)行約10到20分鐘。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反向沖洗步驟(f)進(jìn)行約2-20秒。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該再循環(huán)步驟(g)進(jìn)行約20到60秒。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括橫向沖洗步驟(j)代替該反向沖洗步驟或者在該 反向沖洗步驟⑴之前或之后，該步驟(j)進(jìn)行約2秒到20秒。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該一個(gè)或多個(gè)開口與該濾筒的外豎直表面相切。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該一個(gè)或多個(gè)開口以角度Φ與該濾筒的外豎直表 面相切，該角度Φ形成在該濾筒的豎直中心線和該開口的中心線之間。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該一個(gè)或多個(gè)開口以角度Φ與該濾筒的外豎直表 面相切，該角度Φ形成在該濾筒的豎直中心線和該開口的中心線之間，該角度Φ是從約 15°到約165°，更優(yōu)選從約30°到約150°或45°到135°，最優(yōu)選為約90°。
19.一種用于如權(quán)利要求1方法的系統(tǒng)，包括待過濾的流體源，將該源連接至過濾設(shè)備 入口的第一管道，該過濾設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)含一個(gè)或多個(gè)過濾器的外殼，該一個(gè)或多個(gè) 過濾器與外殼出口流體連通，該外殼出口與通向下游部件的第二管道流體連通，該下游部 件可由常開式的第一閥選擇性地關(guān)閉，可選擇性關(guān)閉的再循環(huán)回路用于從該第一閥經(jīng)由第 三管道回到該外殼出口的過濾，其中該再循環(huán)回路在常態(tài)下由第二閥與該出口封閉，該入 口和該出口設(shè)置在該外殼的最高部分處而排放道設(shè)置在該外殼的最低部分處，一個(gè)或多個(gè) 開口形成在該外殼鄰近一個(gè)或多個(gè)濾筒的側(cè)面中，該一個(gè)或多個(gè)開口被連接到該外殼鄰近 該一個(gè)或多個(gè)濾筒的側(cè)面，該開口通過由開口閥控制的開口管道被連接到該第一管道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和運(yùn)行該系統(tǒng)的方法，其可以進(jìn)行長期限的產(chǎn)品過濾，而不會(huì)由于堵塞和污垢而損失過濾性能。該系統(tǒng)是具有一個(gè)或多個(gè)連接到系統(tǒng)中外殼出口的濾筒的正常流動(dòng)過濾系統(tǒng)。濾筒被容納在碗狀部中，且優(yōu)選地從該出口豎直地垂下。液體進(jìn)入外殼的碗狀部并與一個(gè)或多個(gè)濾筒的外表面接觸。雜質(zhì)截留在濾筒表面上面或里面，濾出液體經(jīng)過過濾器到達(dá)出口。測量如流量、跨膜壓降和/或時(shí)間的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)，過濾停止。運(yùn)行反向通過濾筒的反向沖洗，從而除去過濾器表面上面或里面的雜質(zhì)。這些反向沖洗的物質(zhì)直接通到連接到排放道的碗狀部的出口。另外，鄰近濾筒外表面的外殼的側(cè)面中的開口可以用于進(jìn)行濾筒表面的橫向清洗。然后，系統(tǒng)在下游再循環(huán)從而重建平衡，過濾重新開始。
文檔編號B01D29/66GK101862561SQ20091100008
公開日2010年10月20日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者A·卡夫里亞, A·比森特, F·梅里諾, J·C·皮涅羅, L·佩納舒, M·伊里巴倫 申請人:米利波爾公司