способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ и установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, при котором насосом подают первичный раствор из накопительной емкости в мембранный блок, где на полупроницаемых мембранах происходит разделение исходного раствора на очищенный от растворенных веществ фильтрат и обогащенный растворенными веществами концентрат, который в качестве целевого продукта возвращают в накопительную емкость, причем вначале устанавливают с помощью соответствующего регулируемого дросселя расход фильтрата, а с помощью другого дросселя - перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар между давлением исходного раствора, подаваемого насосом, и давлением концентрата, фиксируют указанный перепад и первоначальный расход фильтрата, а затем осуществляют циркуляцию объема этой емкости через мембранный блок, контролируя при этом расход сбрасываемого фильтрата и указанный перепад, а при снижении расхода фильтрата более чем на 15% от первоначального или увеличении указанного перепада более чем на 20% от первоначального прекращают циркуляцию раствора и опорожняют накопительную емкость, после чего промывают мембранный блок по меньшей мере, одной жидкостью из группы: вода, щелочной раствор, кислотный раствор, раствор перекиси водорода, консервирующий раствор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мембранный блок промывают водой, очищенной от солей жесткости, хлора и коллоидного железа.

3. Установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая накопительную емкость, соединенный с ней насос с реле давления на выходе, подключенный к входу мембранного блока, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью и выходом отвода фильтрата, расходомер на выходе отвода фильтрата мембранного блока, манометры на входе и на выходе концентрата мембранного блока, блок автоматического управления, выполненный с возможностью отключения насоса при отсутствии жидкости в накопительной емкости или низком давлении на входе мембранного блока, и запорно-регулирующую аппаратуру, причем мембранный блок содержит, по меньшей мере, один рулонный обратноосмотический элемент из гидрофильного материала, размещенный в пластиковом корпусе, а запорно-регулирующая аппаратура выполнена в виде вентиля на выходе накопительной емкости к насосу и регулируемых дросселей на выходах мембранного блока.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что рулонные обратноосмотические элементы из гидрофильного материала выполнены, например, из ацетилцеллюлозы или полиамида с селективностью не менее 97% по 2%-ному раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что блок автоматического управления выполнен в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором с возможностью временной задержки срабатывания защиты по давлению насоса.

6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что мембранный блок содержит четыре параллельно установленных рулонных обратноосмотических элемента в пластиковых корпусах.

7. Установка по п.3, отличающаяся тем, что манометры выполнены с диапазоном измерений, по меньшей мере, до 20 бар, причем, по меньшей мере, один манометр заполнен глицерином.

8. Установка по п.3, отличающаяся тем, что накопительная емкость снабжена дополнительным вентилем для ее опорожнения, а насос выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар.

9. Установка по п.3, отличающаяся тем, что выходы концентрата и фильтрата мембранного блока выполнены с соотношением диаметров проходных сечений, как 8:6.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области сгущения водных растворов в химической и медицинской промышленности, в частности путем обратного осмоса, и может быть использовано, например, для концентрации аминокислот.

Мембраны и мембранная технология играют существенную роль при решении глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Безреагентность, исключение фазовых переходов и применения растворителей, энергосбережение, экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность и широкое применение мембранных процессов практически во всех сферах деятельности человека.

Известен способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, предусматривающий концентрирование водного раствора, при котором исходный 15%-ный раствор концентрируют с помощью метода мембранной дистилляции до содержания сухих веществ 65-70% и охлаждают фильтрат, причем процесс проводят при температуре фильтрата 13-20°С и линейкой скорости их потоков 0,05-0,055 м/с. Также известна установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая емкость и мембранный модуль плоскорамного типа с вертикально расположенными мембранами МФФК 3 из сополимера тетрафторэтилена на полипропиленовой подложке (RU №2071818, 1997).

Недостатками этих способа и установки является низкая эффективность одноступенчатого разделения фильтрата и концентрата, не позволяющая проводить концентрацию низко концентрированных исходных растворов и получать высококонцентрированные концентраты, сложность обеспечения и поддержания параметров процесса.

Известен также способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ, предусматривающий разделение фильтрата и концентрата методом обратного осмоса при давлении 3,0-5,0 МПа с помощью полупроницаемых композиционных мембран. Также известна установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, содержащая емкость, плунжерный насос, манометр, ресивер, игольчатый дроссель мембранный блок (RU №2165934, 2001).

Недостатками этих способа и установки являются узость функциональных возможностей, ограничивающая концентрацию, достигаемую при одноразовом прохождении раствора через мембранный блок, длительность процесса, сложность ведения процесса под избыточным давлением ресивера и задания нужного расхода через мембранный блок, необходимость выравнивания расхода плунжерного насоса.

Технической задачей группы изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является создание эффективных способа и установки концентрирования водных растворов биологически активных веществ, а также расширение арсенала способов и установок концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в повышении возможной концентрации раствора в емкости благодаря многократной циркуляции раствора по замкнутому контуру через мембранный блок, увеличении ресурса установки благодаря оптимизации условий работы мембранного блока по скорости потока и входной концентрации раствора, расширении функциональных возможностей для концентрирования разнообразных растворов, сокращение длительности процесса, упрощение конструкции, повышение технологичности за счет автоматизации контроля параметров процесса.

Сущность изобретения в части способа состоит в том, что способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ предусматривает, что насосом подают первичный раствор из накопительной емкости в мембранный блок, где на полупроницаемых мембранах происходит разделение исходного раствора на очищенный от растворенных веществ фильтрат и обогащенный растворенными веществами концентрат, который в качестве целевого продукта возвращают в накопительную емкость, причем вначале устанавливают с помощью соответствующего регулируемого дросселя расход фильтрата, а с помощью другого дросселя - перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар между давлением исходного раствора, подаваемого насосом, и давлением концентрата, фиксируют указанный перепад и первоначальный расход фильтрата, а затем осуществляют циркуляцию объема этой емкости через мембранный блок, контролируя при этом расход сбрасываемого фильтрата и указанный перепад, а при снижении расхода фильтрата более чем на 15% от первоначального, или увеличении указанного перепада более чем на 20% от первоначального, прекращают циркуляцию раствора и опорожняют накопительную емкость, после чего промывают мембранный блок.

Предпочтительно мембранный блок промывают, по меньшей мере, одной жидкостью из группы: щелочной раствор, кислотный раствор, раствор перекиси водорода, вода, очищенная от солей жесткости, хлора и коллоидного железа, консервирующий раствор.

Сущность изобретения в части устройства состоит в том, что установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ содержит накопительную емкость, соединенный с ней насос с реле давления на выходе, подключенный к входу мембранного блока, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью и выходом отвода фильтрата, расходомер на выходе отвода фильтрата мембранного блока, манометры на входе и на выходе концентрата мембранного блока, блок автоматического управления и запорно-регулирующую аппаратуру, причем мембранный блок содержит, по меньшей мере, один рулонный обратноосмотический элемент в пластиковом корпусе, а запорно-регулирующая аппаратура выполнена в виде вентиля на выходе накопительной емкости к насосу и регулируемых дросселей на выходах мембранного блока.

Предпочтительно рулонные обратноосмотические элементы выполнены из гидрофильного материала, например ацетилцеллюлозы или полиамида, с селективностью не менее 97% по 2% раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С, блок автоматического управления выполнен в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором с возможностью отключения насоса при отсутствии жидкости в накопительной емкости или низком давлении на входе мембранного блока, мембранный блок содержит четыре параллельно установленных рулонных обратноосмотических элемента в пластиковых корпусах, манометры выполнены с диапазоном измерений, по меньшей мере, до 20 бар, причем, по меньшей мере, один манометр заполнен глицерином, накопительная емкость снабжена дополнительным вентилем для ее опорожнения, а насос выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар, а выходы концентрата и фильтрата мембранного блока выполнены с соотношением диаметров проходных сечений, как 8:6.

На чертеже изображена принципиальная схема установки для концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

Установка для концентрирования водных растворов биологически активных веществ содержит накопительную емкость 1, соединенный с ней насос 2 с реле 3 давления на выходе, подключенном к входу мембранного блока 4, выполненного с выходом концентрата, соединенным с накопительной емкостью 1 с образованием замкнутого контура для циркуляции концентрата, и выходом отвода фильтрата, расходомер 5 на выходе отвода фильтрата мембранного блока 4, манометры 6, 7 на входе и выходе концентрата мембранного блока 4, блок автоматического управления (не изображен). Мембранный блок 4 содержит, например, четыре рулонных обратноосмотических элемента (не обозначены) в пластиковом корпусе. Запорно-регулирующая аппаратура установки выполнена в виде вентиля 8 на выходе накопительной емкости 1 к насосу 2 и регулируемых дросселей 9, 10 на выходах мембранного блока 4. Выход концентрата блока 4 соединен с емкостью 1 трубопроводом рециркуляции.

Рулонные обратноосмотические элементы выполнены, предпочтительно, из гидрофильного материала, например ацетилцеллюлозы или полиамида, с селективностью не менее 97% по 2% раствору NaCl в дистиллированной воде при температуре 25°С.

Селективность S мембранного элемента определяется соотношением:

S=100%·(q_вх-q _вых)/q_вх, где q_вх и q_вых - солесодержание растворенных в воде солей (в частности NaCl) на входе и выходе мембраны.

Блок автоматического управления выполнен, предпочтительно, в виде программируемого контроллера с жидкокристаллической панелью, автоматическими выключателями и контактором (не изображены) с возможностью отключения насоса 2 при отсутствии жидкости в накопительной емкости 1 или низком давлении на входе мембранного блока 4.

Манометры выполнены, предпочтительно, с диапазоном измерений по меньшей мере, до 20 бар и заполнены глицерином.

Накопительная емкость 1 снабжена дополнительным вентилем 11 для ее опорожнения, а насос 2 выполнен с возможностью подачи раствора под давлением 3,2-19,5 бар.

Выходы концентрата и фильтрата мембранного блока 4 выполнены с соотношением диаметров проходных сечений как 8:6, например диаметр выхода фильтрата с диаметром 3/8 , а диаметр выхода концентрата с диаметром ¹/₂ .

Установка размещается таким образом, чтобы обеспечить, при необходимости, возможность подключения накопительной емкости 1 к источнику раствора биологически-активных веществ или к специальной емкости с этим раствором, а шланг вывода фильтрата - опустить в канализацию (с разрывом струи) или в дополнительную емкость (не изображено).

Способ концентрирования водных растворов биологически активных веществ и работа установки для концентрирования водных растворов биологически активных веществ осуществляются следующим образом.

Так как на время простоя (в исходном состоянии) установка заполнена консервантом (1,5% раствор NaHSO ₃), перед вводом в эксплуатацию установку промывают от консервантов. Для этого накопительную емкость 1 заполняют обессоленной или умягченной водой без содержания соединений железа, свободного хлора и бактерий. С помощью технологических трубок соединяют выход фильтрата мембранного блока 4 с емкостью 1. Открывают вентиль 8 и дроссель 10 полностью, а дроссель 9 примерно на половину. Подают электропитание на блок управления, после чего включается насос 2 и установка обеспечивает циркуляцию воды через мембранный блок 4 по замкнутому контуру в автоматическом режиме. С помощью дросселя 9 устанавливают по показаниям манометра 6 давление около 3 бар.

Циркуляцию воды продолжают в течение 30 часов, после чего оборудование выключают, а промывочную воду сливают через вентиль 11.

Эту процедуру проводят, как правило, еще два раза. По завершении промывки вентиль 8 закрывают.

После слива промывочной воды емкость 1 заполняют раствором биологически активного вещества, подлежащим концентрированию.

Блок автоматического управления при неработающей установке позволяет задавать параметры программы - время промывки и отстаивания раствора, например 40 и 1 мин, соответственно, а также число циклов промывки (предпочтительно - 3 циклов) и длительность задержки срабатывания защиты по давлению насоса.

Для проведения концентрирования раствора открывают вентиль 8. Фильтрат отводят в дополнительную емкость или в дренаж (канализацию).

Открывают дроссель 10 полностью, дроссель 9 примерно на половину. Подают электропитание на блок управления, после чего включается насос 2 и установка обеспечивает циркуляцию раствора через мембранный блок 4 по замкнутому контуру в автоматическом режиме. С помощью дросселя 9 устанавливают по показаниям манометров 6, 7 перепад давления в пределах 3,2-19,5 бар. Дроссели 9 и 10 фиксируют от изменения их гидравлической проводимости.

Раствор из емкости 1 поступает под давлением насоса 2 на вход мембранного блока 4, где на полупроницаемых мембранах происходит процесс обратного осмоса. Обратный осмос - процесс мембранного разделения, состоящий в преимущественном проникновении через полупроницаемую мембрану растворителя и некоторых низкомолекулярных компонентов раствора под действием давления, превышающего осмотическое давление раствора.

Так как раствор с большей концентрацией находится с одной стороны мембраны под воздействием давления насоса 2, превышающего осмотическое, молекулы воды двигаются через полупроницаемую мембрану в «обратном» направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом". При проведении обратного осмоса получают два раствора: концентрат (ретант), обогащенный растворенными веществами, и фильтрат (пермеат), обедненный ими.

Концентрат в качестве целевого продукта направляется обратно в емкость 1 по трубопроводу 12 рециркуляции через дроссель 9. Таким образом, концентрация раствора в емкости 1 непрерывно нарастает. Концентрацию раствора в емкости 1 контролируют, например, по его электропроводности.

Блок автоматического управления в случае отсутствия жидкости в емкости 1 или аварийного падения давления насоса 2 (по сухому ходу) останавливает двигатель насоса 2 с задержкой пять секунд с момента срабатывания реле 3, а на экране контроллера появляется соответствующая надпись.

Обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень разделения, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ, например, с помощью активированного угля. Разделение обратным осмосом осуществляется при температуре окружающей среды без фазовых превращений, поэтому затраты энергии значительно меньше, чем в большинстве других методах разделения (таких как ректификация, кристаллизация, выпаривание и др.). Малая энергоемкость и сравнительная простота аппаратурного оформления обеспечивают высокую экономическую эффективность процесса.

Диапазон допустимых значений давления настройки дросселя 9 выбран из условия недопущения телескопирования мембранных элементов (которое может произойти при повышении расхода жидкости при давлении менее 3 бар) и недопущения их быстрого засорения (которое может произойти при резком увеличении съема фильтрата, по сравнению с расходом концентрата, при давлении более 4, 5 бар). Заполнение манометров 6, 7 глицерином обеспечивает точность измерений по манометрам 6, 7, т.к. устраняет вибрацию стрелки.

В процессе эксплуатации мембранный блок 4 «забивается» наслоениями солей жесткости, коагулировавшими коллоидными эмульсиями, органическими отложениями. Если мембранный блок 4 своевременно не очищать от загрязнений, это может привести к «оштукатуриванию» поверхности мембран и даже к необратимым разрушениям мембран. Признаками недопустимого загрязнения мембран являются снижение производительности мембран по фильтрату более, чем на 15% от первоначальной, или увеличение перепада давления по манометрам 9 и 10 более чем на 20%.

В этом случае производится регенерация мембранного блока 4 путем обработки моющим средством, растворенным в дистиллированной воде, удаляющим с поверхности мембран накопившиеся отложения. Регенерация производится в несколько этапов. На первом этапе мойка осуществляется щелочным раствором (NaOH), на втором этапе - кислотным раствором (лимонная кислота). При необходимости далее проводится мойка дезинфицирующим и/или консервирующим растворами.

Процесс промывки при регенерации аналогичен процессу, изложенному выше при вводе в эксплуатацию. Количество циклов устанавливается равным 4, время работы насоса 15 мин, пауза между циклами - 45 мин.

После завершения регенерации установку промывают от моечных растворов и консервантов обессоленной или умягченной водой, как при вводе в эксплуатацию.

Периодически (один раз в три месяца) должна производиться санация мембранного блока 4 раствором перекиси водорода 0,2% (Н₂O ₂) в течение 20-25 мин, после чего мембранный блок 4 промывается чистой водой.

Для хранения установка вновь заполняется консервантом.

Таким образом, созданы эффективный способ и установка концентрирования водных растворов биологически активных веществ, а также расширен арсенал способов и установок концентрирования водных растворов биологически активных веществ.

При этом повышена возможная концентрация раствора в емкости благодаря многократной циркуляции раствора по замкнутому контуру через мембранный блок, увеличен ресурс установки благодаря оптимизации условий работы мембранного блока по скорости потока и входной концентрации раствора, расширены функциональные возможности для концентрирования разнообразных растворов, сокращена длительность процесса, упрощена конструкция, повышена технологичности за счет автоматизации контроля параметров процесса.