[发明专利]具有内部污损控制的过滤

说明书

相关申请的交叉引用

这一申请主张2007年9月12日递交的美国临时申请No.60/971,769的权益，其在此通过整体引用作为参考。

介绍

本文使用的章节标题仅仅用于组织目的，而不应该被解释为以任何方式限制所描述的主题。

本发明涉及具有内部污损控制(internal fouling control)的过滤，并且尤其是使用对液/固分离提供均一跨膜压和内部污损控制的膜的过滤。

背景

微量过滤和超滤已被用于分离生物培养液(broth)或其它液体中的化合物。饮料工业已经使用微量过滤来净化啤酒和酒，而在乳品工业中，微量过滤和超滤可以被用于诸如干酪乳清或乳的加工。微量过滤近来也被应用到生物技术工业，虽然对于产品的分离和纯化略微更加谨慎。

微量过滤原则上是从高固体悬浮液(例如发酵悬浮液，乳或果浆)分离溶质的引人注意的方法。实践中已经使用了多种不同的微量过滤形式，包括板框式、陶瓷管、中空纤维和膜系统。不常使用板框式，但它们能够处理高固体浓度。然而这一形式相对昂贵并且在用于工业规模操作时需要大型仪器台面面积(footprint)。陶瓷管由于高通量、易于操作、易于灭菌/清洁、以及膜寿命长而广泛使用于乳品和食品工业中。然而，陶瓷管系统通常非常昂贵并且需要比其他微量过滤系统更大的力量以便维持使得污损最小所需的极高交叉流(cross flow)。中空纤维是陶瓷管的替代。它们不像陶瓷管那样操作稳健或易于运行和操作，但是成本更低并且比陶瓷管或板框式系统需要更少的设备台面面积。

螺旋形缠绕的膜也已用于某些微量过滤操作。螺旋形缠绕的膜构造通常包括绕渗透物管缠绕的片层膜包覆，其被穿孔以允许收集渗透物。参考图3，示例性的螺旋形缠绕的膜组件设计包括圆柱形外壳(outer housingshell)，和在壳内封装并在其中具有多个孔或缝用作渗透物收集工具的中心收集管。包括两个膜层和加在膜之间的渗透物管道层的片(leaf)绕管螺旋形缠绕，其中进料管道(feed channel)间隔物分开缠绕片的层。渗透物管道层通常是多孔材料，其将每一膜层的渗透物以螺旋路径导向收集管。在操作中，将待分离的进料溶液引入筒体(cylinder)的一端并沿进料管道和进料间隔物直接轴向流动，以及从壳的另一轴端除去渗余物流。膜的边缘和与收集管不相邻的渗透物管道层密封以在膜间的渗透物管道内保留渗透物流并使其导向收集管。流经膜层的渗透物通过渗透物收集工具朝向中心管径向流动，并且在渗透物出口从中心管除去。

螺旋物在商品化规模的应用极大地限于高度稀释(低固体)工艺流体的处理。螺旋形缠绕的膜组件通常单独使用或组合使用以通过高压反渗透(例如从盐水中生产纯水)；或通过低压超滤(例如在乳品领域，例如浓缩乳清蛋白质)来分离相对低的固体内容物物质。理论上，螺旋形缠绕的膜构造提供相比于过滤组件的台面面积相对大的膜表面面积用于分离处理。过滤器系统中膜面积越大，可能获得的渗透速率越大，而其他方面都相同。然而，螺旋形缠绕的膜趋于高速污损。污损导致流量下降(这决定系统通量)和通道(passage)下降(这决定产物产率)。遗憾的是，螺旋形缠绕的膜的入口处的跨膜压(TMP)比出口处的TMP高。这因为膜阻力在渗余物侧产生压力梯度，而渗透物跨过膜的压力均一较低而发生。因此，最佳TMP条件通常只可以在沿着膜的相对短的区域内实现。这一膜的最佳区域的上游过量增压并趋于污损，而这一区域的下游，低TMP导致亚最佳流量。螺旋形缠绕的膜通常连续运转，这加重了污损问题。