一种气升式膜过滤成套装置
技术领域
本发明涉及一种气升式膜过滤成套装置，该装置集膜过滤系统、供料系统、供气系统、尾气溶剂回收系统和能量回收系统于一体，特别适用于高压(0.3～2.5MPa)下生化制剂提取液的连续化过滤浓缩。
技术背景
在生化制药技术中，现代发酵技术处于中心地位，绝大多数生化制剂的生产通过发酵工程来实现，适用工业体系发酵的产品有抗生素、氨基酸、酶制剂、甾体激素、单细胞蛋白等。通过发酵获得的发酵液需经过滤、离子交换、吸附、洗脱、萃取、蒸馏等一系列后续处理工序才最终得到产品，往往存在工艺过程复杂、操作时间长、原料消耗大、产品收率低等问题，且产品在漫长的提取过程中可能会发生变性失活。在萃取-蒸馏过程中，溶媒采用蒸馏法回收，耗能大，是生产工艺中的主要耗能段，大量溶媒的使用同时还产生了溶媒损失量大、水洗过程产生大量有机废水、后续工艺负荷加重等问题。
膜分离技术作为一种新型高效的分离技术，具有设备简单、常温操作、无相变及化学变化、选择性高及能耗低等优点，特别适用于热敏性生化产品的分离纯化，被广泛应用到化工、食品、生物、医药等领域。采用膜分离技术浓缩生化制剂提取液可以克服上述传统工艺的诸多缺点，在近年来受到广泛关注。
在膜分离领域中，以泵提供动力带动料液循环的错流膜浓缩技术已经比较成熟，被广泛应用到乳制品、果蔬汁等产品的浓缩中。但是错流膜浓缩装置在进行过滤时，浓缩介质容易在膜面积累、堵塞膜孔，严重影响膜渗透通量，需要提高料液膜面流速来减轻膜污染，流速一般达到2～10m/s，所消耗的能量较高；同时叶轮产生的剪切力也比较大，这使得生化制剂的效价活性容易遭到破坏，甚至导致失活；同时泵也为膜过滤系统提供过膜渗透压，对超滤或纳滤膜系统而言，往往需要很高的压力，这就需要多级离心泵和单级泵组合，设备投资和设备能耗均较高。
将曝气引入到膜过滤过程中，可以增大膜面剪切力，减轻膜污染，提高膜通量。ZL01108189.9提出的一种陶瓷膜管生物反应分离系统通过反冲曝气及气升曝气有效解决膜污染问题，但该系统为敞口式，采用负压抽吸提供跨膜压力，跨膜压力小于0.1MPa，而生化制剂的分子量较小，介于200～70000Da，需要超滤或纳滤膜系统，这就需要较高的跨膜压力，因此该系统不适用于生化制剂提取液的过滤浓缩。ZL200610040552.0提出的一种气升式膜过滤装置同样为敞口式，采用负压抽吸提供跨膜压力，跨膜压力小于0.1MPa。
气升式膜反应器是将气升式反应器同膜分离集成于一体的新型膜反应器，由反应器釜体、升液管、降液管、膜元件等部件组成，依靠升液管与降液管不同气含率产生的流体密度差使反应器内流体循环流动，属于气力搅拌型反应器，按照结构的不同可以分为外环流气升式膜反应器与内置式气升式膜反应器，外环流气升式膜反应器由于具有较高的循环速率和更好的传质效果，在近几年受到广泛的研究。ZL200510094204.7首次报道了具有一体化结构的外环流气升式膜反应器，该反应器可实现涉及气液固三相反应的连续曝气和连续分离，具有较高的混合效率和传质效率，强化了反应过程，并能有效的降低膜污染。ZL200910026442.2在上述外环流气升式膜反应器的基础上，加入气体分布器取代气升回流管用于分布回流气体，经循环结束后的压缩气体又起到了气提的作用，使得易挥发产物的去除由膜分离与气提共同控制，增强了反应器的传质效果。尽管这些针对生化反应设计的反应器具有分离功能，但通常在较低的压力下操作或采用负压抽吸的方式实现，因而并没有考虑高压尾气的能量再利用、液体的夹带和溶剂回收等问题。
发明内容
本发明的目的是：为了解决错流膜浓缩装置中存在的上述问题，将气升式膜反应器引入到生化制剂提取液的过滤浓缩中，并提出一种改进的气升式膜过滤成套装置，将供料系统、尾气溶剂回收系统和能量回收系统耦合到气升式膜反应器中，有效回收气提溶剂，进一步降低浓缩过程的能耗，实现装置的连续化运行。
本发明的主要技术方案如下：一种气升式膜过滤成套装置，由膜过滤系统、供料泵A-1、供气系统、尾气溶剂回收系统和能量回收器E-1组成；其中膜过滤系统由釜体2、循环管9、膜组件10组成；供气系统由压缩气源C-1和气体流量计C-2组成；尾气溶剂回收系统由尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2、吸附柱D-3和干燥器D-4组成；其特征在于釜体2分为两部分，上部筒体为循环区，下部椎体为沉降区；循环管9装在釜体2侧臂位置，同釜体连通；釜体2上端开有进料口6、排气口7，下端开有卸料口1，进料口6通过阀门V-2同供料泵A-1相连，排气口7通过阀门V-3依次同尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2、吸附柱D-3、干燥器D-4、能量回收器E-1相连；循环管9下端装有曝气头14，曝气头14通过阀门V-4依次同气体流量计C-2、压缩气源C-1相连；膜元件12装填于膜组件10中，膜组件10封装在循环管9中，设有滤液出口11和反冲压缩气源进口13。
所述的釜体循环区高径比为2～20，釜体沉降区沉降坡度与水平面夹角为30～60°。循环管入流口开在釜体循环区最下边，循环管高度为釜体循环区高度的1/5～4/5，循环管内径为釜体循环区内径的1/5～1。
优选所述的供料泵A-1为柱塞泵、隔膜泵或气动液体增压泵；所述的能量回收器E-1为尾气透平、气动马达或气动泵。
所述的膜元件是孔径为0.9～50nm的单管或多通道陶瓷膜；其材质至少为TiO2、ZrO2、SiO2或Al2O3中的一种。
所述的釜体带有水浴夹套3，便于控制料液温度，釜体开有视窗4，及时观察釜内情况，并且安装有液位控制器5。
本发明还提供了利用上述装置过滤浓缩生化制剂提取液的方法，其具体步骤为：首先将原料液A从进料口6加入到釜体2中；随后将压缩气体C经曝气头14通入循环管9，依靠釜体2与循环管9不同气含率产生的流体密度差使釜体内流体循环流动，调节阀门V-3、V-4控制跨膜压力和膜面气速，关闭阀门V-6，打开阀门V-5，在压力驱动下，渗透液F从滤液出口11流出，浓缩介质被陶瓷膜截留，实现正压过滤浓缩，过滤浓缩时，通过供料泵A-1向釜体补加料液；循环结束后的气提高压尾气D流经尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2、吸附柱D-3、干燥器D-4，回收气提溶剂，干燥后的净化高压尾气E经能量回收器E-1将尾气压力能转换成电能或机械能；待浓缩完成，由卸料口1引出浓缩液B。
在过滤浓缩过程中，关闭阀门V-5，打开阀门V-6，从反冲压缩气源进口13间歇将反冲压缩气体G压过陶瓷膜实现反冲清洗，有助膜通量恢复。
本发明控制跨膜压力为0.3～2.5MPa；控制膜面气速为0.05～1m/s。
本发明所述的方法其特征在于供料泵的最高排压为0.5～5.0MPa，通过液位控制器控制供料泵的开关。
有益效果：
1、本装置釜体下部设有沉降区，使得料液中的悬浮颗粒及固体杂质易脱离循环区沉降下来，减轻膜污染，提高膜通量，从而提高装置的浓缩效率。
2、本装置排气口依次同尾气冷凝器、气液分离罐、吸附柱、干燥器、能量回收器相连，尾气冷凝器、气液分离罐能够将气提溶剂冷凝回收，吸附柱进一步脱除尾气中的溶剂，即节约了成本，又避免了溶剂对大气的污染；干燥的净化高压尾气经能量回收器将尾气压力能转换成电能或机械能，其中尾气透平回收功率可达压缩气源耗功30％～65％，大大节约了能耗成本，对装置进一步工业化起到巨大的推动作用。
3、本装置进料口同供料泵相连，过滤浓缩进行时，可通过供料泵向釜体补加料液，待浓缩完成，通过卸料口引出浓缩液，实现装置的连续化运行。
4、压缩气体经曝气头通入循环管，同料液接触形成气液两相流，增加了膜面剪切力，使得浓缩介质不容易在膜面发生累积，有效减轻了膜污染，提高了膜通量，可在较低的膜面流速下获得较高的膜通量；循环结束后的压缩气体经气体分布器进入釜体起到了气提的作用，使得浓缩过程最终由膜分离与气提共同控制，高效利用了压缩气体，提高了装置的浓缩效率。
5、本装置依靠釜体与循环管不同气含率产生的流体密度差使釜体内流体循环流动，属于气力搅拌型装置，产生的条件较温和，能够较好的保护浓缩介质的活性，适用于热敏性生化制剂的过滤浓缩；另外，通过调节釜体进出口气量，可实现在高压下的正压过滤浓缩，跨膜压力可达2.5MPa，适用于小孔径(0.9～50nm)超滤和纳滤膜系统；再次，本装置依靠压缩气体带动料液循环并提供跨膜压力，无需设动力泵，大大降低了设备投资和设备能耗。总体而言，本装置在高压下生化制剂提取液过滤浓缩中体现出较大的优势。
6、膜元件采用具有耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等优良性质的陶瓷膜，使得该装置既可用于水溶液体系的过滤浓缩，也可用于甲醇、乙醇、丁醇、正己烷、石油醚、乙酸乙酯等有机溶媒体系的过滤浓缩，应用范围非常广泛。
附图说明
图1是一种气升式膜过滤成套装置示意图；
其中A为原料液，B为浓缩液，C为压缩气体，D为气提高压尾气，E为净化高压尾气，F为渗透液，G为反冲压缩气体；1为卸料口，2为釜体，3为水浴夹套，4为视窗，5为液位控制器，6为进料口，7为排气口，8为气体分布器，9为循环管，10为膜组件，11为滤液出口，12为膜元件，13为反冲压缩气体进口，14为曝气头；A-1为供料泵，C-1为压缩气源，C-2为气体流量计，D-1为尾气冷凝器，D-2为气液分离罐，D-3为吸附柱，D-4为干燥器，E-1为能量回收器，V-1、V-2、V-3、V-4、V-5、V-6为阀门。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图具体说明本发明的实施方式。
本发明所提供的气升式膜过滤成套装置由膜过滤系统(釜体2、循环管9、膜组件10)、供料系统(供料泵A-1)、供气系统(压缩气源C-1、气体流量计C-2)、尾气溶剂回收系统(尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2、吸附柱D-3、干燥器D-4)和能量回收系统(能量回收器E-1)组成，如图1所示。釜体2分为两部分，上部筒体为循环区，下部椎体为沉降区；循环管9装在釜体2侧臂位置，同釜体连通；釜体2上端开有进料口6、排气口7，下端开有卸料口1，进料口6通过阀门V-2同供料泵A-1相连，排气口7通过阀门V-3依次同尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2、吸附柱D-3、干燥器D-4、能量回收器E-1相连；循环管9下端装有曝气头14，曝气头14通过阀门V-4依次同气体流量计C-2、压缩气源C-1相连；膜元件12装填于膜组件10中，膜组件10封装在循环管9中。
本发明所提供的气升式膜过滤成套装置所采用的膜元件是孔径为0.9～50nm TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3及其复合物的单管或多通道陶瓷膜；供料泵为柱塞泵、隔膜泵或气动液体增压泵；能量回收器为尾气透平、气动马达或气动泵。
本发明所提供的气升式膜过滤成套装置的操作方式如下：首先将原料液A从进料口6加入到釜体2中，随后将压缩气体C经气体流量计C-2测量经曝气头14通入循环管9，压缩气体由压缩气源C-1提供，依靠釜体2与循环管9不同气含率产生的流体密度差使釜体内流体循环流动。调节阀门V-3、V-4来控制跨膜压力和膜面气速，关闭阀门V-6，打开阀门V-5，在压力驱动下，渗透液F从滤液出口11流出，浓缩介质被陶瓷膜截留，实现正压过滤浓缩，过滤浓缩时，通过供料泵A-1向釜体补加料液，通过液位控制器5来控制供料泵的开关，维持液位平衡。循环结束后的压缩气体经气体分布器8同釜体上部料液接触，起到了气提的作用，气提高压尾气D流经尾气冷凝器D-1、气液分离罐D-2，冷凝回收气提溶剂，吸附柱D-3用来进一步脱除尾气溶剂，再经干燥器D-4的净化压缩气体E流经能量回收器E-1将尾气压力能转换成电能或机械能。在过滤浓缩过程中，关闭阀门V-5，打开阀门V-6，从反冲压缩气源进口13间歇将反冲压缩气体G压过陶瓷膜实现反冲清洗，有助膜通量恢复。待浓缩完成，通过卸料口1引出浓缩液B，实现装置连续化运行。
实施例2
本例气升式膜过滤成套装置釜体循环区高径比为5，釜体沉降区沉降坡度与水平面夹角为60°，循环管高度为釜体循环区高度的2/5，循环管内径为釜体循环区内径的1/2。以牛血清蛋白(分子量67000Da)溶液作为过滤浓缩体系，选用孔径为50nm的19通道ZrO2陶瓷膜作为膜元件。首先调节牛血清蛋白溶液pH为4.7，将浓度为2g/L的牛血清蛋白溶液加入到气升式膜过滤成套装置中，随后通入压缩气体，调节跨膜压力为0.3MPa、膜面气速0.15m/s，进行正压过滤浓缩，牛血清蛋白截留率为80％～90％，膜稳定通量达到88～140L/(m2h)。经干燥器净化的高压尾气作为气动液体增压泵的推动力，气动液体增压泵作为供料泵实现补料，通过液位控制器来控制气动液体增压泵的开关，维持液位平衡。气动液体增压泵合理利用了高压尾气压力能，实现了能量回收，又作为供料泵进行补料。连续浓缩24h，即可获得浓缩8倍的牛血清蛋白溶液。
实施例3
本例气升式膜过滤成套装置釜体循环区高径比为8，釜体沉降区沉降坡度与水平面夹角为60°，循环管高度为釜体循环区高度的3/5，循环管内径为釜体循环区内径的1/3。以鸡卵清蛋白(分子量43000Da)溶液作为过滤浓缩体系，选用孔径为10.0nm的Al2O3陶瓷膜单管作为膜元件。首先调节卵清蛋白溶液pH为10.0，将浓度为300mg/L的卵清蛋白溶液加入到气升式膜过滤成套装置中，随后通入压缩气体，调节跨膜压力为0.8MPa、膜面气速0.3m/s，进行正压过滤浓缩，卵清蛋白截留率为90％～96％，膜稳定通量达到98～132L/(m2h)。经干燥器净化的高压尾气作为气动气体增压泵的推动力，气动气体增压泵可作为压缩气源，实现了压缩气体的循环利用，从而降低了装置能耗。过滤浓缩进行时，选择最高排压为1.0MPa隔膜式计量泵向釜体补加料液，通过液位控制器来控制隔膜式计量泵的开关，维持液位平衡。连续浓缩24h，即可获得浓缩4倍的卵清蛋白溶液。
实施例4
本例气升式膜过滤成套装置釜体循环区高径比为8，釜体沉降区沉降坡度与水平面夹角为45°，循环管高度为釜体循环区高度的3/5，循环管内径为釜体循环区内径的1/3。以杆菌肽(分子量1422Da)丁醇萃取液作为过滤浓缩体系，选用孔径为2.3nm的钛-锆陶瓷复合膜单管作为膜元件。首先预热杆菌肽丁醇萃取液温度为50℃，将浓度为100mg/L的杆菌肽丁醇萃取液加入到气升式膜过滤成套装置中，随后通入压缩气体，调节跨膜压力为1.5MPa、膜面气速0.6m/s，进行正压过滤浓缩，杆菌肽截留率为89％～93％，膜稳定通量达到96～154L/(m2h)。尾气冷凝器、气液分离罐能够将气提丁醇冷凝回收，吸附柱进一步脱除尾气中的丁醇，尾气中丁醇的回收率达99％以上。经干燥器净化的高压尾气流入能量回收器将尾气压力能转换成电能或机械能，其中气动马达回收功率可达压缩气源耗功30％～50％。过滤浓缩进行时，选择最高排压为2.0MPa柱塞式计量泵向釜体补加料液，通过液位控制器来控制柱塞式计量泵的开关，维持液位平衡。连续浓缩36h，即可获得浓缩10倍的杆菌肽丁醇萃取液。
实施例5
本例气升式膜过滤成套装置釜体循环区高径比为3，釜体沉降区沉降坡度与水平面夹角为30°，循环管高度为釜体循环区高度的4/5，循环管内径为釜体循环区内径的1/5。以羊毛脂萃取液(60～90℃沸程石油醚为溶剂)作为过滤浓缩体系，选用孔径为0.9nm的19通道TiO2陶瓷膜作为膜元件。首先预热羊毛脂萃取液温度为50℃，将浓度为1g/L的羊毛脂萃取液加入到气升式膜过滤成套装置中，随后通入压缩气体，调节跨膜压力为2.5MPa、膜面气速0.45m/s，进行正压过滤浓缩，羊毛脂截留率为96％～99％，膜稳定通量达到46～105L/(m2h)。尾气冷凝器、气液分离罐能够将气提石油醚冷凝回收，吸附柱进一步脱除尾气中的石油醚，尾气中石油醚的回收率达98％以上。经干燥器净化的高压尾气流入能量回收器将尾气压力能转换成电能或机械能，其中尾气透平回收功率可达压缩气源耗功30％～65％。过滤浓缩进行时，选择最高排压为5.0MPa柱塞式计量泵向釜体补加料液，通过液位控制器来控制柱塞式计量泵的开关，维持液位平衡。连续浓缩30h，即可获得浓缩20倍的羊毛脂萃取液。