用於切向過濾的載體及其製備方法

2023-05-26 00:07:41 1

專利名稱：：用於切向過濾的載體及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於切向過濾(filtrationtangentielle)的多孔載體及其製備方法。本發明特別涉及由燒結的陶瓷材料、燒結玻璃、燒結金屬或碳製成的這種多孔載體，其被一個或多個縱向平行的通道穿過，所述通道的表面被燒結的陶瓷材料或有機材料製成的一個或多個過濾層覆蓋，待淨化或濃縮的液體，或總的說來待處理的流體在通道內循環。多孔載體和過濾層的組件在後文中被稱為隔膜。
背景技術：
：在這種裝置中，待處理的流體通過入口室而到達載體或(大)孔隙塊體的入口端，在通道中流動直至到達出口端，流向出口室；待處理的液體的一小部分或滲透物徑向穿過過濾層和大孔隙載體，之後收集在滲透物側的出口室中。根據切向過濾的原理，待處理的液體沿著一個或多個通道而循環，且此流動在所述通道的入口和出口之間造成壓力損失。此壓力損失取決於一組參lt，例如通道中4寺處理或淨化的液體的速度、所述液體的粘性以及通道的液壓直徑。待處理的液體沿著一個或多個通道的物的4黃向流動。接下來是沿著一個或多個通道中的液體循環的方向的橫向壓力損失(跨膜壓力)的減少，該壓力損失是在通道的某點處的壓力和滲透物室的壓力之間的差異。這種減少可能通過減少例如滲透物的流量，或通過改變例如保持閾值，並且還通過建立沿著一個或多個通道的不同過濾狀態而影響過濾裝置的性能。例如，在存在於4mm直徑的通道的標準隔膜中，通道中的入口壓力為3.8巴，通道的出口壓力為2巴，而滲透物出口室中的壓力是恆定的，例如1.5巴。因而，沿著隔膜的^f黃向壓力損失在2.3巴至0.5巴之間變4b。對於這種標準隔膜，與過濾元件的幾何形狀相關聯的尺寸參數組過濾操作，因為在隔膜的整個長度上不可能獲得最佳的橫向壓力損失。專利US-P-4105547描述了一種使用縱向壓力損失的輔助補償系統的切向過濾裝置。所述輔助系統其特徵在於，滲透物側的載體的外表面被滲透物掠過，滲透物在與待處理的液體相同的方向上循環，從而在滲透物室中產生縱向壓力損失，使得橫向壓力損失沿著過濾器保持大致恆定。專利EP-A-0333753描述了這種裝置的一個實施例，其可補償這種由於液體在一個或多個通道內循環而造成的橫向壓力損失的變化。和上述裝置中一樣，所述系統其特徵在於，在管狀隔膜、被通道穿過的多孔載體或多孔塊體的外表面上建立滲透物的循環，該多孔塊體也被一個或多個通道穿透。這種過濾介質可單獨或成束地組裝在外殼中，其中滲透物室用諸如圓球或細粒等的填充體進行填充，該填充體造成對滲透物的縱向流動的阻力，這自然抵消了由於待處理的液體在過濾層所覆蓋的一個或多個通道中的循環而造成的縱向壓力損失變化。根據現有技術的這兩個系統需要產生由循環泵促動的滲透物的再循環迴路，循環泵必須能夠提供所需的壓力損失。這種系統必須使用專用外殼或殼體，在該殼體中可在一種或多種過濾介質的外表面上沿與一個或多個通道內的待處理的液體相同的方向建立滲透物的循環。這些現有^t支術的裝置具有若干缺陷，例如-再循環迴路及其控制和調節系統的額外費用；-與此輔助迴路的運行相關聯的能量成本；-與一個或多個外殼的特殊性相關聯的額外費用。文獻EP-A-0870534描述了一種大孔隙載體，其具有沿待處理的流體的流動方向的滲透性梯度。這種大孔隙載體在沿待處理的流體的流動方向的帶狀區域上優選地具有平均孔隙率梯度，該平均孔隙率沿所述流動方向增力口。文獻FR-A-2846255描述了一種用於對待處理的流體進行切向過濾的隔膜，所述隔膜包括多孔載體，該多孔載體限定了用於使待處理的流體沿給定的方向在入口和出口之間循環的至少一個循環通道，多孔載體的內表面限定了被用於待處理流體的至少一個分離層所覆蓋的通道，一小部分所謂的滲透物穿過分離層和多孔載體。該載體呈現從載體的內表面延伸出來的可變局部阻塞，分離層沉積在載體的內表面上，所述阻塞沿待處理的流體的循環方向在載體區段上產生平均孔隙度，該載體區段具有給定的恆定厚度並從載體的內表面延伸，最小的平均孔隙率位於入口處，而最大的平均孔隙率位於出口處。文獻FR-A-2,797,198描述了一種用於對待處理的流體進行切向過濾的隔膜，所述隔膜包括無機的剛性多孔載體，該多孔載體限定了用於沿給定的方向循環的待處理的流體的至少一個循環通道，該通道的表面被待處理的流體的至少一個分離層所覆蓋，其中一小部分所謂的滲透物穿過該層和載體。該分離層沿待處理的流體的循環方向具有減少的厚度梯度。這些現有技術的裝置具有若干缺陷，例如-難以在多孔載體內製造滲透性梯度或難以產生分離層的厚度梯度；-沿載體長度的滲透物流量變化，滲透物優選地在更大孔隙率的區域中流出。
發明內容本發明的目的是提供一種更容易製備的過濾載體。出於此目的，本發明涉及一種用於切向過濾的多孔載體，帶有包圍載體的外表面的塗層，該塗層具有經由外表面排出流體的一個或多個孔。根據一個變型，該塗層具有沿著載體的若干個孔，兩個孔之間的間隙沿待處理的流體的流動方向減少。根據一個變型，這些孔有沿待處理的流體的流動方向增加的面積。根據一個變型，一個或多個孔的形狀選自包括與載體縱軸線同心的環形、圍繞縱軸線的螺旋形、具有確定或不確定的幾何形狀的孔口的組。根據一個變型，塗層材料選自包括多孔材料、聚合物、聚合物的混合物或塑料套管的組。本發明還涉及一種隔膜，其包括與過濾層結合的上面限定的載體。本發明還涉及一種模塊，其包括上面限定的一個或多個載體或隔膜。本發明還涉及一種用於製備上面限定的載體的方法，在製備期間，載體的外表面被塗層包圍，並且在製備期間使孔穿過塗層。根據一個變型，通過塗敷載體來包圍外表面。根據一個變型，載體的外表面在塗敷期間用掩模部分地掩蔽，之後除去掩模。根據一個變型，載體的一半長度浸漬在塗料溶液中。根據一個變型，外表面通過用上墨輥系統或通過噴塗而被包圍。才艮據一個變型，通過熱成型塗層來包圍外表面。根據一個變型，塗層被穿孔。本發明還涉及以上限定的隔膜用於切向過濾的用途。通過閱讀以下僅作為示例並參照附圖而給出的本發明的實施例的詳細說明將清楚本發明的其它特徵和優勢，附圖顯示了-圖l,是用於切向過濾的載體；-圖2是圖1的載體的側視圖；-圖3和圖4是參照示例1的圖表；-圖5至圖9是參照示例2的隔膜的結構和圖表。具體實施例方式本發明涉及一種用於切向過濾的多孔載體，其中塗層包圍載體的外表面；該塗層具有用於經由外表面排出流體的一個或多個孔。設有孔的該塗層容許產生載體中的流體向外流動的優先通過區域。這容許在載體中產生壓力，從而更容易產生跨膜壓力。圖1顯示了用於切向過濾的載體10。所顯示的載體10具有沿著軸線11伸長的形狀。作為示例，載體可為大約一米長。載體具有管狀形狀。載體可具有圓形橫截面；作為示例，載體的外徑可為10mm或25mm。載體10還可包括具有另一形狀(例如多邊形)的橫截面。載體10向外由外表面12限定。載體10被通過待處理流體的一個或多個通道14a,14b,14c.，.穿過。通道可具有相同的幾何形狀和相等的液壓直徑或可變的尺寸。一個或多個通道可選地被過濾層覆蓋，載體和過濾層形成隔膜。過濾層意圖與待處理的流體相接觸。過濾層其特徵在於滯留閾值或中斷閾值；此閾值與待處理的流體中的被過濾分子的尺寸相關聯。待處理的流體的流動方向由箭頭顯示，從而限定了載體IO的入口端16和出口端18。待處理的流體^皮分離成滲透物和滲餘物(r6tentat),滲透物沿橫向於縱軸線的方向流過載體，而滲餘物沿著通道繼續流動。在這些運行條件下，在載體的入口端16及其出口端18之間建立了縱向壓力損失，該壓力損失足以容許在一個或多個通道內循環的待處理的液體的一小部分穿過過濾層和載體。壓力損失被限定成以便獲得與待處理的液體的性質相適應的過濾狀態。因而提前對一個或多個通道中待處理的流體的循環速度、粘性特徵和所述流體的過濾流量而調整該壓力損失。載體10還包括包圍載體10的外表面12的塗層或護套20。塗層優選聯結在載體上，這容許將裝備有塗層的載體放置在標準才莫塊中，而無須調整模塊。然而，塗層只是局部地包圍外表面，因為不是整個外表面12都被塗層20包圍。外表面12的一些區域^皮保留空置。因而，在載體10中徑向流動的流體可通過這些區域而流出載體，特別是流向滲透物室。這容許藉助位於載體外部的元件在載體內產生壓力。因為塗層只是局部地包圍外表面，因而塗層具有用於通過外表面排出流體的一個或多個孔22。在存在塗層的情況下，在載體內引導滲透物流向孔；這允許在面向載體的過濾層一側產生壓力。因而避免了在過濾層兩側的過大的壓力差，此壓力差會對過濾質量不利。此壓力差還對保持滯留閾值(或中斷閾值)不利，並因此有損於過濾層的完整性。因而可獲得高流量，同時提供了合適的分離和在時間上的穩定性。孑L22沿著載體規則地或不規則地分布。孔22的形狀、數量和排列使得可獲得比沒有塗層的載體更高的過濾性能。孔的排列、形狀和數量還根據待處理的流體的分子尺寸和待處理的流體的阻塞能力(例如根據處理的是水還是奶)而進行選擇。孔22例如可以是位於載體圓周的一部分上的孔口，或者呈中心位於載體的軸線11上的環的形式。這些孔優選呈環形，這確保了載體的製備簡單。另外，呈環形的孔容許保持載體的對稱性；在環形附近，在載體的橫截面上，載體中的壓力是基本相同的。這容許更好地控制滲透物的流動。這些孔還可以是一個或多個圍繞載體的縱軸線的螺旋形；一個或多個螺旋形的節距可進行調整，以調節滲透物的通過。這些孔可以是具有確定的幾何形狀的孔口，例如圓形、方形或三角形的孔口，或具有不確定的形狀。這些孔口可沿著載體布置成環形或成螺旋形的形狀。孑L22可設想成沿著載體規則地分布，間隔開由塗層20構成的相同的距離。兩個孔之間的距離沿待處理的流體的流動方向優選地減少。在載體中兩個孔之間的距離可從載體一端到另一端連續地減小；備選地，兩個孔之間的距離可從載體的一端到另一端逐級地減小。這些級可以是規則的或不規則的。所考慮的距離在兩個相鄰的孔之間。相鄰的孔意味著沿著載體呈角度偏移或不偏移的兩個連續的孔。減小距離的優勢是更好地控制載體內的壓力。事實上，通過沿流體流動的方向減小孔之間的距離，可以達成減小載體中的壓力的目的，因為橫向流動的流體更容易排出到載體的外部。因而，既然通道中的壓力沿流動方向降^f氐，則可控制跨膜壓力，因為載體中的壓力也梯度，跨膜壓力甚至可沿著載體保持不變。因而可達成保持滲透物的流量並保持過濾層的中斷閾值的目的。通過沿著載體將孔之間距離保持恆定，但沿待處理的流體的流動方向增加孔的面積，可獲得相同的效果和優勢。通過結合孔的距離和面積的變化可進一步改善這些效果和優勢。塗層20可以是緊密的，因為塗層20不容許在載體中徑向流動的流體的一小部分通過；塗層20不容許滲透物穿過它。該塗層對於滲透物是不可滲透的。在圖1中，在載體10中徑向流動的流體不能穿過塗層20而到達滲透物室。選擇對塗層阻滯的材料以容許滯留滲透物。塗層20可以是聚合物或PTFE和二曱苯型的聚合物的混合物；其可以是來自SAPPI公司的聚合物參照溶液AS48。塗層20還可以是塑料套管。備選地，塗層20可以是多孔的。這樣該塗層具有比過濾層的中斷闞值更高的中斷閾值。雖然在載體中徑向流動的流體能夠穿過多孔塗層而排出，但是優選地流體朝向流體的排出孔流動。這使得能夠在載體內產生壓力。優勢在於塗層20可比之前更為牢固；具體地說，塗層20可對隔膜的清潔溶液更具耐受性。用於塗層20的材一十可以是例如用於通道的內表面上的過濾層的材料的類型。圖2顯示了載體10的一個實施例。載體10包括入口端16和出口端18。載體10具有例如0.1^im的孔隙率，並可包括19個通道。載體包括被塗層20包圍的外表面12。塗層20限定孔22。在圖2中，由孔22限定並分隔開了九段護套20。區段1至7具有相似的尺寸，例如15cm長，區段8具有較小的尺寸，例如llcm長，並且區段9具有甚至更小的尺寸，例如3cm長。孔22為例如lmm長。在這個示例中，這些孔具有相同的面積，但被沿流動方向逐級減小的距離分隔開。當然，這些尺寸是作為示例而給出的；此排列類型將根據隔膜和應用而進行調整。載體可通過一種製備方法進行準備，在此期間，載體12的外表面被塗層20包圍，並且在此期間產生穿過塗層的孔。該方法的優勢在於其簡單，並因而容易允許在載體內產生壓力。塗層的沉積比現有技術更為簡單，現有技術中必須改變載體的實際孔隙率。在目前情況下，在載體的外表面上沉積塗層就足夠了。塗層可通過熱成型而包圍外表面。然後將載體》文置在套管中，並且使套管在整個載體長度上熱成型，之後在套管中穿孔。還可通過塗敷以用塗層包圍載體10的外表面12而進行。塗敷對於熱成型是優選的，因為其更容易實施；而且塗敷避免了可能伴隨塗層的熱成型而意外發生的塗層剝落的問題。因而，在製備期間，可設置成不是整個外表面都被塗層覆蓋。例如通過用外部套管或藉助橡膠帶來掩蔽外表面12可獲得孔22,套管使獲得較大尺寸的孔成為可能。橡膠帶沿著載體進入孔的期望位置。這具有容易操縱的優勢。為了執行塗敷，例如將承載掩模的載體10浸漬在塗料溶液中。優選地可通過將載體的一半長度浸漬在塗料溶液中而進行。這種進行方式的優勢是更多浸漬的載體部分的浸漬時間更接近較少浸漬的載體部分的浸漬時間。這使尤其是對於手工操作獲得更均勻的載體塗層成為可能。ii浸漬時間例如是最大4秒，優選為2秒。為了確保由塗層20施加的塗層黏結力，^皮塗lt的載體最初可在環境溫度下乾燥幾小時，然後在34(TC下乾燥24小時。為了避免塗敷到載體的通道內部，可阻塞此載體的末端。之前所述的載體或隔膜可放置在模塊中。載體或隔膜與滲透物室保持連通，使得能夠收集由載體或隔膜排出的滲透物。該模塊包括容許待處理的流體在各種載體或隔膜中循環的裝置。3爭膜壓力在載體或隔膜自身這一級進行調整；因此其優勢是該^t塊具有簡單的結構。甚至可將載體或隔膜放置在現存的模塊中，而無須任何特別的調整。可通過任何噴塗類型的覆蓋方法(或塗敷方法)或通過上墨輥應用塗層。這些方法是自動化的，這容許獲得更均勻的塗層。示例1試驗是在KerasepBW0.1fi隔膜上實施的。所處理的產品是(用於產生圖3和圖4中的圖表的條件)-牛乳原泮+奶(grandm61ange)-去脂-巴氏滅菌-在50+A2。C下在隔膜上進行處理-濃縮係數3.4液壓條件是-隔膜環l:本專利主題的隔膜-隔膜環2:標準隔膜，但具有相同的幾何形狀注意在裝備了KBT隔膜(27個通道，相當於2.7mm的液壓直徑)的組件上還執行了某些(濁度)試驗。tableseeoriginaldocumentpage12環2KW1203.5193780.004.90獲得的結果如下。這些試驗的本質目的是-讓所謂的"血清(s6rique)"可溶性蛋白質傳送到濾液(或滲透物)中。-阻擋不想要的"酪素，，乾酪蛋白。圖3顯示了血清蛋白的通過並顯示了隔膜的比較。在圖3中，KB37WM1M2曲線是用配備塗層的載體所獲4尋的曲線。KWM2曲線是用標準載體所獲得的曲線。注意具有塗層的載體容許更好地回收"血清，，蛋白。圖4顯示了酪素的阻擋和隔膜的比較。在這個階段，通過測量濁度(滲透物的著色)執行比較測量。KBTM1、KBTM3曲線(27個通道)和KWM2(19個通道)的載體不具備塗層，而KB37WM1M2曲線是配備塗層的載體。明顯的是具備塗層的載體容許較少量的"酪素"乾酪蛋白進入到滲透物中。藉助於圖3和圖4可看出利用配備塗層的載體獲得了更好的選擇性。示例2試驗是在切向微過濾引導器(pilote)上執行的，其包括-用於並聯安裝3個KerasepK01模塊(每個模塊1個單塊)三個工位，並因而同時對相同的產品執行隔膜的比較試驗；-裝備了熱交換器的100公升浮動料鬥(bacdelancement),其用於在試驗期間保持溫度；-再循環泵，其使得在並聯安裝的2個K01^t塊上以高達6m/s的切向速度工作成為可能；-用於測量再循環的電^f茲流量計；-壓力計，其用於測量所產生的入口/出口壓力和滲透物搶的壓力；-位於滲餘物側和滲透物側的壓力調節閥。為了評估跨膜壓力對滲透物和滲餘物流量的影響而執行參數法研究。在這些試驗期間，將會逐步逐級增加跨膜壓力(在15分鐘期間穩定地增加+0.2巴)。通過每個模塊單獨地補償產品密度的稱重而執行流量測量。蛋白分析通過乳業的標準方式執行。原料是經巴氏方法滅菌的脫脂奶，其被冷藏(4。C)容納，並將被加熱至50。C以用於試驗。試驗開始於充滿水的滲透物艙，從而對跨膜壓力具有良好的控制。才艮據圖5,試驗了三種不同的隔膜結構。隔膜12被塗層20覆蓋。塗層20包括呈環形式的孔22,環沿長度設置並以軸線11為中心。孔22沿流動方向為lmm。孑L22限定並分隔開區4殳。結構2包括九個區段。前七個區段為147mm長，第八區段為109mm,並且最後區段為32mm長。結構3包括十七個區段。第一區段為147mm長，接下來十二個區段為73mm長，接下來的兩個區段為54mm長，並且最後的兩個區段分別為20mm和llmm長。結構4包括十三個區段。前五個區段為147mm長，接下來的四個區段為73mm，後面的兩個區段為54mm長，並且最後的兩個區段分別為20mm和llmm長。圖6和圖7顯示了具有中斷閾值的0.8p類型的隔膜上的結果。圖6顯示了觀測到的流量結果。圖6顯示了根據跨膜壓力的流量變化(隔膜的整體性能)。所處理的物質是具有體積濃縮係數為1的脫脂奶。圖7顯示了0.8p隔膜上根據跨膜壓力的蛋白剔除率的變化。觀測到的值低於5%的閾值。跨膜壓力的增加沒有表現蛋白保留率的增加，這對應用是恰當的。圖8和圖9顯示了具有中斷閾值的O.lp類型的隔膜上的結果。所試驗的隔膜是自然隔膜(沒有塗層20)、符合上述結構2的隔膜和符合上述結構3的隔膜。圖8顯示了根據跨膜壓力的流量變化(隔膜的整體性能)。所處理的物質是具有體積濃縮係數為1的脫脂奶。符合結構2的隔膜被試驗了兩次。圖9顯示了O.l)i隔膜上根據跨膜壓力的蛋白剔除率的結果。圖9以粗體線顯示了可接受的90%的閾值。雖然配備塗層的隔膜的流量小於沒有塗層的自然隔膜的流量，但是另一方面只有在具備塗層20的隔膜上，蛋白剔除率才是可接受的。權利要求1.一種用於切向過濾的多孔載體(10)，帶有包圍所述載體的外表面(12)的塗層(20)，所述塗層(20)具有通過所述外表面排出流體的一個或多個孔(22)。2.根據權利要求1所述的載體，其特徵在於，所述塗層沿著所述載體具有多個孔，兩個孔之間的距離沿待處理的流體的流動方向而減少。3.根據權利要求1或2所述的載體，其特徵在於，所述孔具有沿待處理的流體的流動方向增加的面積。4.根據權利要求1至3中任一項所述的載體，其特徵在於，所述一個或多個孔(22)的形狀選自包括與所述載體的縱軸線同心的環形、圍繞所述縱軸線的螺旋形、具有確定或不確定的幾何形狀的孔口的組，所述孔口能夠為環形或螺旋形。5.根據權利要求1至4中任一項所述的載體，其特徵在於，所述塗層(20)的材料選自包括多孔材料、聚合物、聚合物的混合物或塑料套管的組。6.—種隔膜，其特徵在於，所述隔膜包括與過濾層結合的根據權利要求1至5中任一項所述的載體。7.—種模塊，其特徵在於，所述模塊包括根據權利要求1至6中任一項所述的一個或多個載體或隔膜。8.—種用於製備根據權利要求1至5中任一項所述的載體的方法，其特徵在於，在所述方法期間，所述載體(10)的外表面(12)被塗層(22)包圍，並且在所述方法期間使孔穿過所述塗層(22)。9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述外表面通過塗敷所述載體(10)而被包圍。10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述載體的外表面在所述塗敷期間用掩模部分地掩蔽，之後除去所述掩模。11.根據權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，所述載體(IO)以一半長度浸漬在塗料溶液中。12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述外表面通過上墨輥系統或通過噴塗而被包圍。13.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述外表面通過塗層的熱成型而被包圍。14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述塗層被穿孔。15.根據權利要求6所述的隔膜用於切向過濾的用途。全文摘要本發明涉及一種用於切向過濾的多孔載體(10)，帶有包圍所述載體的外表面(12)的塗層(20)，該塗層(20)具有通過外表面排出流體的一個或多個孔(22)。本發明還涉及一種用於製備這種載體的方法。文檔編號B01D69/10GK101687146SQ200880017642公開日2010年3月31日申請日期2008年3月26日優先權日2007年3月26日發明者D·達勒,L·特雷格雷特,P·杜普伊,Y·伯利爾申請人:愛博勝公司