專利名稱：改進(jìn)的電滲析系統(tǒng)和工藝方法
背景技術(shù)：
和領(lǐng)域本發(fā)明涉及改進(jìn)的電滲析(ED)裝置，更具體地涉及利用這種裝置來處理較大體積液體的系統(tǒng)和工藝方法。一般如本文中和所附權(quán)利要求中所述，除非上下文中指出，否則用語“電滲析”或“ED”應(yīng)被理解為一般性的稱呼，并且應(yīng)該指用于脫礦質(zhì)的裝置，或用于從流體中除去成分的裝置，其中裝置的單元部件具有被限定在離子交換膜組之間的交替的稀釋物電解池(cell)和濃縮物電解池。這些裝置通過將其中的成分轉(zhuǎn)化成濃縮物電解池內(nèi)的另一流體，來處理經(jīng)過稀釋物電解池的流體。因此，該用語將包括各種形式的電滲析裝置，其具有處于膜片之間的未填充式間隔或電解池，即，應(yīng)包括傳統(tǒng)的電滲析(ED)、反向電滲析(EDR)裝置；并且還應(yīng)包括填充式電解池電滲析(現(xiàn)在一般稱為電去電離、EDI、連續(xù)的電去電離或CDI)，以及填充式電解池的反向電滲析(EDIR)。在這些裝置中，未填充的ED在較早歷史時期獲得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用，并且在多種大規(guī)模工業(yè)處理應(yīng)用、例如乳制品、果汁和植物糖漿的處理應(yīng)用中，ED和EDR的變型在基于電調(diào)節(jié)的膜離子交換工藝中都保持了主要的處理模式。依靠固有的水裂解來連續(xù)地使稀釋物電解池中的一組交換樹脂再生的EDI和EDIR具有更有限的應(yīng)用，最主要應(yīng)用于水凈化處理中，其中，通過任何幾種預(yù)定的原料預(yù)處理方案可控制其易于積垢或結(jié)垢的敏感性。
具有通過多個交替的陰離子選擇性膜和陽離子選擇性膜片所限定的未填充電解池的電滲析裝置在歷史上似乎首先由K.Meyer和W.Strauss于1940年作過介紹(Helv.Chim.Acta23(1940)，第795-800頁)。在這種早期ED裝置中使用的膜片是沒有離子選擇性的。已經(jīng)發(fā)明了離子交換(IX)膜片(例如如美國的Reissue專利RE 24,865中所述)，尤其是合成聚合物膜片，其具有高的離子滲透選擇性、低的電阻和優(yōu)良的穩(wěn)定性，這導(dǎo)致迅速出現(xiàn)了采用這種膜片的ED系統(tǒng)的發(fā)明(如美國專利No.2,636,852中所述)，并導(dǎo)致使用這種裝置的工業(yè)的快速成長，如使咸水脫鹽，濃縮海水，乳酪乳清脫灰分，以及濃縮或處理改性淀粉或糖漿，或者更普遍地用于處理水樣流以及提純、發(fā)酵或農(nóng)業(yè)流體。在過去四十年時間內(nèi)，大約有五千個ED工廠安裝在全世界范圍內(nèi)。
然而，由于技術(shù)因素、尤其是其較低的極限電流密度以及其去除低電離物質(zhì)的有限能力，電滲析裝置，包括填充和未填充兩種類型，都在一定程度上繼續(xù)受到限制。以下將更詳細(xì)地討論現(xiàn)有技術(shù)的ED系統(tǒng)的這些限制和不足。
A.極限電流密度ED中所使用的IX樹脂和膜片對于一種電性或另一種電性的離子是高度選擇性的。穿過膜片的離子的大部分必須通過從周圍溶液擴(kuò)散穿過薄的層流層而到達(dá)膜壁，層流層沿著膜片和相鄰的正在消耗離子的溶液(如本領(lǐng)域中所知的“稀釋”或“稀釋的”溶液或流體)之間的界面而發(fā)展形成。離子擴(kuò)散通過稀釋溶液的最大速率出現(xiàn)在這種膜片界面上的電解質(zhì)濃度基本上為零時。對應(yīng)于這種膜片界面上的零濃度的電流密度在本領(lǐng)域中稱為極限電流密度。為了提高極限電流密度，必須提高離子擴(kuò)散的速度。這可通過降低層流層的厚度來實(shí)現(xiàn)，例如，通過改變某些流體動力學(xué)參數(shù)，通過使周圍溶液更快速地通過膜片界面，和/或通過使用湍流促進(jìn)器，和/或通過提高流體溫度。后一方法對于植物(如藥材)糖漿特別有用，其粘性合層流層性能是與溫度高度相關(guān)的，但是它還是受到離子交換樹脂在不減弱其交換功能的條件下承受更高溫度的有限能力的限制。對于每立方米溶液每千克當(dāng)量的鹽溶液而言，實(shí)用的極限電流密度通常在5000到10000安培/平方米(例如對于每克當(dāng)量/升的鹽溶液而言，為0.5-1安培/平方厘米)。典型的鹽水具有大約0.05kg當(dāng)量/m3(如大約0.05當(dāng)量/升或每百萬分之(“ppm”)3000份)的鹽濃度，并因此具有大約250至500安培/m2(0.025至0.05安培/cm2)的極限電流密度。在許多食品工業(yè)應(yīng)用中，可改變鹽濃度以適合工藝要求，但是通常必須在后續(xù)步驟中去除所添加的鹽，這是因?yàn)樵谌魏吻闆r下，鹽濃度在產(chǎn)品處理的最后階段都應(yīng)該非常低。
在其它因素相同的條件下，為了最大限度地利用ED裝置，需要在可能最高的電流密度下進(jìn)行操作。然而，隨著接近極限電流，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在(傳統(tǒng))陰離子交換(“AX”)膜片和稀釋流之間的界面處，水被離解(即“分解”)成氫離子和氫氧根離子。氫離子穿過稀釋流，而氫氧根離子穿過AX膜片并進(jìn)入相鄰濃縮物槽中，濃縮物槽帶有單獨(dú)的溶液流(如本領(lǐng)域中已知的“濃縮物”、“濃縮溶液”或“濃縮流”、“濃縮性溶液”或“濃縮物流”、“鹽水溶液”或“鹽水流”)，從而富集了離子。因?yàn)辂}水總是包含例如在高pH值下沉淀的碳酸氫鈣等多價金屬化合物，所以碳酸氫鈣傾向于沉淀在與濃縮流體相接觸的那些AX膜片表面上。這樣，在高極限電流密度下的操作會導(dǎo)致膜片結(jié)垢的增加。
通過大量的技術(shù)已經(jīng)解決了這個問題，例如通過對供水或濃縮流進(jìn)行化學(xué)或離子交換(IX)式的軟化處理；通過除去碳酸鹽；通過向給水或濃縮流中添加酸或防垢劑(除去碳酸或不除去碳酸)；通過納米過濾(“NF”)；通過設(shè)置稀釋和濃縮路徑，以避免在同一位置同時存在結(jié)垢離子和結(jié)垢的條件；通過各種清潔循環(huán)；以及通過定期地將電流通過方向反向，以及將濃縮流改變?yōu)橄♂屃?以及將稀釋流改變?yōu)闈饪s流)，從而在發(fā)生不可逆的沉淀之前，去除結(jié)垢的物質(zhì)。其它的技術(shù)例如可美國專利No.2,863,813和No.4,381,232。
在以上技術(shù)中，一種具有普遍適用性的可用工藝是最近提及的工藝方法，即使電流反向，其在本領(lǐng)域中稱為“反向電滲析”(“EDR”)。
ED中的極限電流的理論表示，例如在氯化鈉溶液的情況下，陽離子交換(“CX”)膜片應(yīng)達(dá)到的極限電流密度值為陰離子交換(“AX”)膜片的大約2/3。小心測量的結(jié)果已經(jīng)顯示，的確是這種情況。然而，當(dāng)接近或超出(傳統(tǒng))CX膜片的極限電流密度時，發(fā)現(xiàn)在這種CX膜片和稀釋流之間的界面上，水并不分解成氫氧根離子和氫離子。這種AX和CX膜片在其相應(yīng)極限電流下與水分解現(xiàn)象相關(guān)的性能差異近年來被解釋為是由于AX膜片上的弱堿性胺所導(dǎo)致的水分解的催化。當(dāng)接近其極限電流視時，只有季銨陽離子交換基(沒有弱堿基)的AX膜片最初并不會使水顯著地分解。然而，這種良好的性能只能持續(xù)幾個小時，在這段時間之后，水開始分解并隨著時間而增強(qiáng)。之后會發(fā)現(xiàn)AX膜片包含一些由由季銨基水解引起的弱堿基。目前已經(jīng)得出結(jié)論，即在或接近其極限電流密度下，傳統(tǒng)AX膜片上的水分解對于實(shí)踐用途而言是不可避免的不幸現(xiàn)象。
ED中的極限電流的存在還意味著在稀釋溶液中，極限電流密度是非常低的。例如，在大約0.005kg當(dāng)量/m3的鹽濃度(即大約0.005g當(dāng)量/升或300ppm，飲用水的典型濃度)下，極限電流密度在大約25-50安培/m2(0.0025-0.005安培/cm2)的范圍內(nèi)，即每單位時間內(nèi)每單位面積上的鹽的傳輸非常低(如每小時每平方米大約50-100克鹽)。這個問題似乎首先由W.Walters等人于1955年(Ind.Eng.Chem.47(1955)61-67)通過在ED組(即，設(shè)置成由一系列AX和CX膜片限定的多個流式電解池)中的稀釋流隔室內(nèi)填充強(qiáng)堿和強(qiáng)酸性離子交換(IX)顆粒的混合物來解決。這些顆粒或“珠?！睒O大地提高了稀釋物電解池中的有效離子交換表面面積，提供了膜片之間的良好導(dǎo)電性，并提供了離子傳導(dǎo)路徑，從而在較短的流動時間和/或更高的流率下可以達(dá)到較高程度的脫礦質(zhì)作用。而且，在稀釋物電解池中可以采用這種串珠的許多變型以及其它具有傳導(dǎo)、吸收、交換或其它處理特性的材料。自從1955年以來，對于這種技術(shù)已經(jīng)授權(quán)了許多專利，其中包括美國專利No.3,149,061；3,291,713；4,632,745；5,026,465；5,066,375；5,120,416和5,203,976。這些專利通過引用而結(jié)合在本文中。
使用這種填充式電解池的ED(即，電去電離作用或EDI)的兩種操作模式已經(jīng)是已知的。在第一模式中，交換(IX)珠粒用作膜片表面積的延伸，從而極大地提高了極限電流密度。在第二模式中，所應(yīng)用的電流密度甚至比存在IX材料時的極限電流密度都要大得多。在這些情況下，在膜片稀釋流界面上的水分解速率非常高，這樣，IX顆粒將分別主要呈例如強(qiáng)堿和強(qiáng)酸的形式。因此，這種模式下的裝置最好被描述為一種一邊操作一邊繼續(xù)電解再生的(混合床)離子交換器。還已知有一種中間模式，其中一部分水發(fā)生分解，但是IX顆粒并不是主要呈其相應(yīng)的堿和酸的形式。
許多填充式電解池的ED(即EDI)系統(tǒng)可在兩種方式下操作。這些模式可發(fā)生在例如(1)同一ED電解池內(nèi)，在電解池入口附近以第一模式操作，而在出口附近以第二模式操作；(2)處于單對電極之間的流程中的不同電解池內(nèi)；或(3)流程中單獨(dú)組的電解池內(nèi)(但是每個組都擁有其自身的一對電極)。這種不同的操作模式可能是由于流體失去沿著流動路徑行進(jìn)的電解質(zhì)而改變了流體導(dǎo)電性而導(dǎo)致的，或者是通過對交換材料、電解池幾何形狀和實(shí)現(xiàn)這種效果的操作參數(shù)進(jìn)行有意識的設(shè)置而導(dǎo)致的。
EDI的經(jīng)濟(jì)性和遷移能力是非常好的，并且這些系統(tǒng)可用于取代反向滲透系統(tǒng)或傳統(tǒng)化學(xué)再生式IX系統(tǒng)，例如用于取代堿性AX柱，其跟隨有酸性CX柱、或至少部分跟隨有混合床IX柱。連續(xù)電再生的EDI單元可被填充少于一立方英尺的交換樹脂，多次更換離子交換床，其在尺寸上設(shè)置成并基本上消除了樹脂床的定期再生費(fèi)用。然而，離子交換床和EDI系統(tǒng)在其操作要求方面并不是等同的，而是各具有其自身的特性。當(dāng)使用離子交換床(或瓶)時，分別利用硫酸或鹽酸的酸性水溶液和氫氧化鈉的堿性水溶液，來使CX和AX顆粒相互獨(dú)立地周期性地進(jìn)行化學(xué)再生。因此不會發(fā)生碳酸鈣、硫酸鈣和氫氧化鎂的沉淀。當(dāng)使用離子交換珠粒時柱時，這些精細(xì)顆粒柱還是用于膠體的有效過濾器，并且在其周期性的化學(xué)再生過程中，可將捕集的物質(zhì)從顆粒上沖洗掉。
比較起來，在EDI的情況下，從稀釋流中去除的任何鈣或多價金屬、碳酸氫鹽和/或硫酸鹽可以更高的濃度出現(xiàn)在濃縮流中，尤其是當(dāng)系統(tǒng)操作以實(shí)現(xiàn)稀釋流的高度回收時(這通常在稀釋流為所需的產(chǎn)品，尤其在其屬于高價值產(chǎn)品時會出現(xiàn))。這些物質(zhì)的高濃度可導(dǎo)致在濃縮流中出現(xiàn)沉淀。此外，雖然在技術(shù)上可以在EDI裝置中回洗IX顆粒，但是由于填充了交換珠粒的流動電解池的有限尺寸，以及由于許多小孔口結(jié)構(gòu)，因此回洗技術(shù)上通常是比較困難的，或非常低效的，因此在這些裝置中通常設(shè)置有珠粒捕集器。所有這些因素使去除任何積累或被捕集在填充電解池中的膠體成為問題。
對于許多應(yīng)用，通過為供應(yīng)流體本身提供合適的預(yù)處理工藝，就可解決這些EDI問題，例如(1)為軟化而進(jìn)行可再生的陽離子交換，隨后為去除膠體和/或碳酸氫鹽而使用可再生的陰離子交換吸收劑；(2)為去除膠體進(jìn)行超過濾或微過濾，隨后是EDR，以用于軟化和部分脫礦質(zhì)；或者(3)為去除膠體進(jìn)行超過濾或微過濾，隨后為軟化進(jìn)行納米過濾，或者通過反向滲析來進(jìn)行軟化和局部脫礦質(zhì)。
然而，對于食品工業(yè)中的應(yīng)用而言，這些問題可能更加復(fù)雜。食物糖漿本質(zhì)上可能更易于積垢，并且ED及其變型的有效使用、例如流體的脫去苦味去酸味或蛋白質(zhì)固體的沉淀，可能需要被極好地控制的處理工藝條件。食物處理流體中的蛋白質(zhì)和其它成分對于EDI疊組中的主要電化學(xué)條件是敏感的，并且有可能結(jié)垢(尤其是對于陰離子交換樹脂)。另外，食物處理工藝的粘度和溫度要求會影響在EDI或EDI單元中的實(shí)際可達(dá)到的流動和處理?xiàng)l件。然而，樹脂和膜片工業(yè)已經(jīng)成功地為食品工業(yè)設(shè)計(jì)了好幾百或好幾十種相容的交換樹脂，其中普遍采用的離子交換床和ED仍然占據(jù)超過90％的處理市場。因此，對于強(qiáng)交換和弱交換樹脂、凝膠、大孔型或大孔隙珠?；w、高溫專用樹脂、吸收劑和其它流體處理用介質(zhì)中的每種產(chǎn)品而言，現(xiàn)有樹脂的范圍代表了用于應(yīng)用并改善填充電解池的EDI應(yīng)用的現(xiàn)成構(gòu)件范圍。
B.去除弱電離的物質(zhì)ED(包括EDR)可在許多食物應(yīng)用的食品加工廠中使用，并且這種應(yīng)用的范圍正在增大，主要從乳清加工應(yīng)用擴(kuò)充至果汁、改性淀粉或糖漿的加工以及顆粒狀漿、副產(chǎn)品和部分加工的食品流的分離或提純，以及發(fā)酵產(chǎn)品和特殊化學(xué)制品的加工(特殊化學(xué)制品的領(lǐng)域例如包括發(fā)酵工藝所產(chǎn)生的L-乳酸)。這些ED處理可以允許有意想不到的效果，例如濃縮鹽恢復(fù)到較早階段，以保持恒定的培養(yǎng)條件，經(jīng)過傳統(tǒng)過濾階段的“生物”產(chǎn)品的回收，從廢物流中去除調(diào)節(jié)成分，或者其它提高產(chǎn)量、降低廢物或處置成本的優(yōu)點(diǎn)，或者為ED分離工藝增值。
然而，食品工藝應(yīng)用存在一些特殊的問題。處理后的流體是粘性的并且是復(fù)合的，涉及蛋白質(zhì)或其它成分。當(dāng)人們考慮例如使用ED對干酪乳清進(jìn)行脫灰分(“加糖”或“脫苦味”)時，通常首先將天然乳清濃縮到固體的重量比為20-25％的范圍。在這種濃縮乳清的ED(或EDR)過程中，電流密度(也即，每單位時間內(nèi)膜片每單位面積上去除灰分的速率)保持相對較高，直到大約去除了50-60％的灰分時為止。剩余灰分的特性表現(xiàn)為仿佛是弱電離的，其在較低濃度或變化的pH值下與乳清中的蛋白質(zhì)相關(guān)聯(lián)或形成絡(luò)合物。脫灰分乳清的主要市場要求90％或更高的脫灰分處理。為了從大約40％的灰分進(jìn)行脫灰分處理而使其下降至10％的灰分水平，對ED的使用可能比從100％的灰分進(jìn)行脫灰處理至40％的灰分需要更多的裝置接觸時間?？赏ㄟ^在后續(xù)階段的從40％灰分脫灰處理至10％灰分的過程中，將酸或多或少地連續(xù)添加到乳清中，來解決這個問題，酸顯然可從蛋白質(zhì)中分離出灰分。然而，所添加的酸本身會通過電滲析而被快速去除，導(dǎo)致操作一定程度的低效，并要求提高酸的劑量。因此，為了完成這種工藝過程，需要過高量的酸。也可通過電滲析首先去除大約60％的乳清灰分，并應(yīng)用不同的工藝過程如離子交換來去除大部分剩余的40％灰分，來解決該問題。通常為此目的而采用強(qiáng)酸CX珠粒的柱，其后跟隨有弱堿AX珠粒的柱。然而，這樣會需要過大量的酸和堿來使交換珠粒再生，導(dǎo)致直接費(fèi)用和環(huán)境費(fèi)用。此外，還提出使用專門的ED或其它由可產(chǎn)生酸的雙極性膜片構(gòu)成的處理單元來解決該問題。然而，因?yàn)樯婕暗较鄬^大范圍的濃縮和相當(dāng)復(fù)雜的相互作用，所以仍需進(jìn)行冗長的摸索研究，以確定一組工藝和操作點(diǎn)，其可提高給定食物流體工藝的性能或經(jīng)濟(jì)性。
因此，需要減輕用于處理食品工藝流體或類似工藝流體的傳統(tǒng)電滲析系統(tǒng)的上述一種或多種局限性和不足。
尤其需要提供一種電滲析系統(tǒng)構(gòu)造，其可以可靠地處理復(fù)合的進(jìn)給流。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過一種用于食物或類似流體的處理或去電離系統(tǒng)、例如乳清或植物糖漿的脫礦質(zhì)系統(tǒng)，可以解決其中一個或多個以上的問題或局限性，其中，多個電操作式膜片的分離單元，包括電滲析(ED)、反向電滲析(EDR)，填充式電解池電滲析(EDI)和/或填充式電解池反向電滲析(EDIR)等單元可操作，用于使進(jìn)給流脫礦質(zhì)，以及將進(jìn)給流中的礦物質(zhì)或其它成分傳送到一個或多個濃縮流中。各自具有一個或多個入口及出口的處理單元以與待處理進(jìn)給流體的總體運(yùn)動方向大致相對應(yīng)的順序而設(shè)置成一個或多個單元組，并且這些單元組形成了處理線上的具有兩級或多級的與工藝相關(guān)的級，其設(shè)置成可使?jié)饪s流以基本上與進(jìn)給/產(chǎn)品流相反的方向或順序從一級前進(jìn)到下一級。這樣，在進(jìn)給流被脫礦質(zhì)時，進(jìn)給流就漸進(jìn)地利用濃縮流的較早的且較少礦物的部分而經(jīng)過單元。利用這種構(gòu)造，有利的是，在進(jìn)給流被處理時其導(dǎo)電率會下降，而濃縮物由于從進(jìn)給流中得到了雜質(zhì)，因此其導(dǎo)電率可能會上升，所以，當(dāng)進(jìn)給流和濃縮流沿著處理流水線而經(jīng)過各個單元時，進(jìn)給流和濃縮流的礦物質(zhì)含量和導(dǎo)電率將更緊密地相“匹配”。將這兩股流體流設(shè)置在相反的方向上，就可提高處理單元中的進(jìn)給流和濃縮流的導(dǎo)電率的匹配性，這就降低了在電滲析電解池中出現(xiàn)極限電壓不等的發(fā)生率，并還可導(dǎo)致礦物含量的匹配性更接近，其降低了處理單元的膜片上的濃度梯度，并因而降低了某些成分的反擴(kuò)散。導(dǎo)電率匹配可避免諸如極化和過多水分解等不利條件，因此，就可以更容易地實(shí)現(xiàn)在各級中將流體處理控制在預(yù)期的設(shè)定點(diǎn)上，并且消除了結(jié)垢或產(chǎn)生污垢的普遍成因。
在根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的具有多級的處理流水線中，不同的級可在不同的電操作參數(shù)下操作。作為備選或作為附加，不同的級可采用不同類型的ED單元。一種系統(tǒng)例如可包括處在某一級中的未填充式ED單元和處在后一級中的EDI單元。系統(tǒng)的另一實(shí)施例可完全由(未填充的)ED處理單元來實(shí)現(xiàn)，但其中一級具有可提供與另一級單元明顯不同的滲透特性或選擇性的膜片。對于特定的進(jìn)給液體，系統(tǒng)的操作可通過調(diào)節(jié)不同單元的操作來設(shè)定，例如，在各電氣級(electricalstage)中設(shè)定每個電解池對的電壓，以便根據(jù)該級中的單元類型和主要流體品質(zhì)/組分，或者根據(jù)沿著工藝流水線的負(fù)荷或?qū)щ娐?，來適應(yīng)離子去除和電流效率。這樣做是為了提高整個操作效率，例如提高工藝效率或處理能力，同時避免在處理過程中常常出現(xiàn)的問題。例如，人們基本上可能會在任何低于極化的場合進(jìn)行操作，并可在進(jìn)給管道的一個或多個較早級中漿電流控制在較高水平，但仍會受到通過流動歧管的少許功率損耗。另外，不同的級可在不同的但可變化的控制規(guī)則下操作。例如，第一ED級可控制成在ED級和EDI級之間的過渡處提供某一品質(zhì)的經(jīng)部分處理的進(jìn)給流，這樣，每一級都可避免在生物流體電去電離系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的蛋白質(zhì)結(jié)垢、變性或復(fù)雜化現(xiàn)象。工藝流水線還可以其它方式來控制，以優(yōu)化處理能力，例如最大限度地提高與達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)目標(biāo)水平相一致的處理流體的量，或者用于通過改變主要影響特定成分的品質(zhì)、分離或回收的某一級中的處理參數(shù)，來增強(qiáng)特定成分的去除或回收。
本發(fā)明的系統(tǒng)可設(shè)置進(jìn)給流，使其沿著形成處理流水線的管道或通道而總體流動，并可采用泵或閥將流體從該處理線轉(zhuǎn)向或循環(huán)到相鄰級的處理單元中，并返回到管道或通道中。影響某一級中的滯留或處理總體時間的壓力水平、流率或其它參數(shù)，或者通過某一級的再循環(huán)次數(shù)是可以改變的，并且系統(tǒng)可使用進(jìn)給和滲出控制技術(shù)來操作，以達(dá)到濃縮流和稀釋流的預(yù)期導(dǎo)電率。
在一個實(shí)施例中，待處理的流體在壓力下流入第一電氣級中的稀釋物容中池，并在該級的一個或多個液壓通道內(nèi)進(jìn)行部分脫礦質(zhì)。在這一級中去除的帶電化學(xué)物質(zhì)通過直流電場的作用而從進(jìn)給流中分離，并且通過界定稀釋物電解池邊界的離子滲透膜片而傳送到濃縮物電解池中，在這里通過濃縮物流將其去除。從稀釋物中經(jīng)過部分脫礦質(zhì)的流體流入下一級，在這里可單獨(dú)控制電參數(shù)以便進(jìn)一步脫礦質(zhì)。在各種特殊的食物應(yīng)用中，可進(jìn)行處理以使進(jìn)給流提純成預(yù)期產(chǎn)品，并提取出物質(zhì)到濃縮流中，該物質(zhì)作為預(yù)期產(chǎn)品或副產(chǎn)品或這兩者。這樣，離開第一電氣級的濃縮物可流入廢物槽，并且可構(gòu)成預(yù)期產(chǎn)品或副產(chǎn)品，或者可應(yīng)用于另一或相關(guān)工藝過程。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的主要方面，這種濃縮物的導(dǎo)電率由于在后一級中從進(jìn)給流中去除了礦物質(zhì)而得以提高，因此在第一級上可施加相對較低的電勢，同時獲得以下至少一種和優(yōu)選一種以上的操作性能i)實(shí)現(xiàn)高的離子電流，從而提高去礦物質(zhì)的速率；ii)避免過度極化；iii)避免通過濃縮流歧管而導(dǎo)致的功率損耗；和iv)保持該級電解池上的穩(wěn)定電勢，并且更普遍地說，改進(jìn)沿著處理流水線整體的操作控制。
控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)這些單元和進(jìn)給管道之間電驅(qū)動參數(shù)或進(jìn)給流，以維持該級中的預(yù)定條件或進(jìn)給品質(zhì)。每個電解池對所施加的電壓可進(jìn)行調(diào)整，以減少或最大限度地降低通過濃縮物歧管上的功率損耗。本發(fā)明系統(tǒng)可在不極化的條件下，使其電極電勢設(shè)置成能夠在該級可承受的最高電解池對的電壓下操作。該電勢可作為稀釋流的導(dǎo)電率、濃縮流的導(dǎo)電率和/或經(jīng)過該級的流率的函數(shù)，而在單元或級中進(jìn)行局部設(shè)定。
這樣，對于給定的進(jìn)給物質(zhì)而言，本發(fā)明的方法或系統(tǒng)可包括這些步驟將進(jìn)給管道設(shè)置在第一方向上操作，沿著進(jìn)給管道提供設(shè)置在連續(xù)級中的多個ED單元，使得不同級處理不同品質(zhì)的進(jìn)給流或部分處理后的進(jìn)給流，并限定多組ED操作條件，包括至少兩種不同的應(yīng)用于不同級中的操作條件，以便優(yōu)化某一級中或整個系統(tǒng)中的處理。濃縮物在通常與進(jìn)給流相反的方向上前進(jìn)，從而提供各級中的相匹配并非常穩(wěn)定的操作。
一個或多個級可包括EDR或EDIR單元，并且在此情況下，本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選按級實(shí)現(xiàn)反向操作。也就是說，并非如同以傳統(tǒng)方式產(chǎn)生于各單元中或同時遍及整個系統(tǒng)中的使?jié)饪s流和稀釋流以及直流電場反向那樣，而是以相位延遲變化的方式沿著處理流水線進(jìn)行反向操作，使得各個電氣級剛好在由前一級反向而成的新濃縮流和稀釋流將要進(jìn)入下一級時進(jìn)行反向操作。這種定相取決于沿著處理流水線的ED單元的固有容量或固有容積，并且生產(chǎn)出更持續(xù)地達(dá)到所有規(guī)格的產(chǎn)品，從而提高了產(chǎn)量并減少了浪費(fèi)。進(jìn)行切換換向可有利于避免稀釋流液體和濃縮流液體的混合，從而不會產(chǎn)生或不需要丟棄“不合規(guī)格”的產(chǎn)品或者需使其再循環(huán)。所需的操作包括閥的漸進(jìn)或“滾動”操作，以使流動方向反向并以相位的方式交換ED單元級中的流體流。
還可設(shè)置或操作本發(fā)明的系統(tǒng)，以達(dá)到若干個目標(biāo)；其中一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)濃縮流體積的整體減少。在濃縮流是預(yù)期產(chǎn)品的情況下，這就提供了更高濃度的產(chǎn)品。在濃縮流流入廢物槽的情況下，這最大程度地減小了所產(chǎn)生的廢物的體積。通過這種方式，可將幾種控制方案應(yīng)用于操作上。通過控制系統(tǒng)可設(shè)定濃縮流的濃度，該控制系統(tǒng)根據(jù)檢測器如導(dǎo)電率計(jì)的輸出來調(diào)節(jié)濃縮流中濃縮物的滲出，和/或改變低導(dǎo)電率流體的補(bǔ)充流進(jìn)入濃縮流中的量。
當(dāng)本發(fā)明的系統(tǒng)采用未填充的ED電解池或單元以及填充式ED電解池或單元時，可將這兩種單元類型分組到分開的級中，這樣處理流水線就可利用一個或多個ED級以及利用一個或多個EDI級來工作。這樣，就可以更靈活地進(jìn)行級的尺寸設(shè)置，流率設(shè)定和電參數(shù)的控制，從而可單獨(dú)地避免具體進(jìn)給物質(zhì)的易損性(例如生物成分的碳化或變性)，以及處理單元的易損性(例如結(jié)垢、產(chǎn)生水垢或在濃縮物歧管上的電流短路)。
本發(fā)明系統(tǒng)中的一種有用的設(shè)定點(diǎn)或級限定參數(shù)是使進(jìn)給流處理流水線在沿著處理流水線上的某一點(diǎn)處從未填充式ED單元流向填充式EDI單元，使得經(jīng)過部分處理后的進(jìn)給流的導(dǎo)電率處在允許有效電流流過但不會引起極化的水平下。在通過這種方式執(zhí)行整個去除工藝以控制導(dǎo)電率水平時，從未填充的池到填充電解池的串聯(lián)通道更有效地使易極化的生物物質(zhì)保留在進(jìn)給流中，并通過對不同級相關(guān)地且有效地設(shè)定單獨(dú)的電壓水平，從而在不降低品質(zhì)的條件下提高產(chǎn)量。本發(fā)明的這種系統(tǒng)可特別應(yīng)用于加工處理生物技術(shù)、制藥或食品工業(yè)中的進(jìn)給流體，其中進(jìn)給流含有蛋白質(zhì)、香味劑或其它易損成分、部分或功能。
系統(tǒng)的ED/EDI單元可構(gòu)造成具有適合于粘性流動的固有流動特性。也就是說，這些單元具有一定的電解池尺寸，或者在EDI單元的情況下具有適合于更好地容納預(yù)期進(jìn)給物質(zhì)的電解池尺寸、篩網(wǎng)隔離件(spacer)和珠粒填料。例如，單元的濃縮物和稀釋物隔離件可設(shè)置成當(dāng)濃縮流和稀釋流的粘性彼此不同時，可在稀釋物電解池和濃縮物電解池上產(chǎn)生相似的壓力降，或者尺寸上設(shè)置成或裝配成可防止內(nèi)部流動堵塞(由于珠粒結(jié)垢或膜片撓曲)，或者可用于保證不會發(fā)生內(nèi)部流動方向或引導(dǎo)方向的反向，或者可保證其它所需要的操作條件。然而，最好至少有一級(示例如EDI級)包括其中稀釋腔和濃縮腔具有基本相同尺寸的處理單元，并且這些單元可在反向模式下操作。
根據(jù)本發(fā)明的另一相關(guān)方面，所述系統(tǒng)可在一種新穎的清潔方案(regimen)下操作，其在較困難的食物應(yīng)用中有效，并可由符合工藝衛(wèi)生要求和法規(guī)要求的單元步驟來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的這個方面的一個優(yōu)選實(shí)施例，系統(tǒng)可設(shè)置成在一級或多個級中在周期性的、但可反向的、結(jié)垢或性能受損的模式下操作。所述級例如可在“存儲和釋放”模式下操作，以處理存在于進(jìn)給流中的不可提取的物質(zhì)或結(jié)垢成分。在操作過程中，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，存在于進(jìn)給流中的一種或多種成分、餾分或其它物質(zhì)可被聚集到稀釋物電解池中的珠粒、篩網(wǎng)或膜片的表面上，并且可在反向循環(huán)中將這種物質(zhì)釋放到濃縮流中。改良的清潔方案以及熱、化學(xué)或其它置換機(jī)構(gòu)可與這種反向操作一起使用，以改善這種工藝過程，并使個系統(tǒng)的處理單元長時間保持高性能水平。
附圖簡介結(jié)合權(quán)利要求和所示實(shí)施例的附圖以及對操作或構(gòu)造的代表性描述，從本文描述中可以理解本發(fā)明的這些和其它所需的特征及優(yōu)勢，其中

圖1顯示了一種不反向系統(tǒng)中的本發(fā)明的一個實(shí)施例。
圖2A，2B和2C顯示了一種“進(jìn)給和滲出”反向系統(tǒng)中的本發(fā)明的一個實(shí)施例。
圖3顯示了作為反向系統(tǒng)的本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中稀釋流和“進(jìn)給及滲出”濃縮物處于直通流動中。
圖4A和4B顯示了具有不同絞股線間隔的篩網(wǎng)的頂視圖。
圖5A和5B顯示了具有相同整體厚度、但帶有不同厚度的單根絞股線的篩網(wǎng)的邊視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實(shí)施例。
該系統(tǒng)包括許多脫礦質(zhì)單元3，9，10，11，12和13，例如電滲析或電去電離單元，它們各自從工藝進(jìn)給流水線1中的待處理例如待脫礦質(zhì)的流體流中接受進(jìn)給。這些單元將至少部分脫礦質(zhì)后的流返回到工藝進(jìn)給流水線上，如圖1中各單元的上端處的流體連接件所示。各單元需要濃縮流，通過如圖1中所示的管道和端口而在各單元的下端接受該濃縮流，以便帶走從進(jìn)給流體中去除的鹽、小分子或其它物質(zhì)。詞語“上”和“下”這里只是簡單地參照附圖來說的，并不意味著對單元本身、其端口或管道連接的幾何形狀或方位有任何限制，其是可以變化的。在各單元中，稀釋流和濃縮流電解池設(shè)置成可捕集進(jìn)給流中的離子，并將這樣去除的離子傳送到濃縮流中。總的說來，系統(tǒng)設(shè)置成一種分級系統(tǒng)。連續(xù)的單元接受沿著進(jìn)給流方向在下游漸進(jìn)的來自于管線1中的進(jìn)給流，因此所接受的各進(jìn)給流已經(jīng)由位于管線1上游的前面單元至少進(jìn)行了部分處理。濃縮物的運(yùn)動通常在其它方向上進(jìn)行。在下游端，沿著進(jìn)給流水線1設(shè)置的單元11-13接受作為濃縮物輸入的初始濃縮流，并將其更濃縮的輸出引導(dǎo)到相反方向上。結(jié)果，進(jìn)給方向上的上游單元接受到所謂的“下游”(因而通常更濃縮的)濃縮流體。在所示的實(shí)施例中，下游濃縮流包括已含有來自單元11-13的稀釋物電解池中的礦物質(zhì)的濃縮物，因而比進(jìn)給至那些單元中的濃縮物輸入更加濃縮。進(jìn)給流通常從單元3向單元13行進(jìn)，而濃縮流通常從單元13向單元3行進(jìn)。因此，濃縮流穿過系統(tǒng)行進(jìn)的整體方向(但不必是其在單個處理單元3，9-13中的方向)與進(jìn)給流沿著處理流水線通過那些單元的方向或順序是相反的。
各種處理單元，或公共處理單元組在本文中將稱之為“級”，用語“級”指一組一個或多個單元，那些單元受制于共同的一組參數(shù)，這組參數(shù)影響其操作的電氣、流體進(jìn)給或其它操作方面。用語“電氣級”將更具體地用于表示處理單元的集合，對于該組處理單元，這些單元的操作參數(shù)如電壓或操作電流的設(shè)定值對于該級中的所有單元是同樣有效的。在圖1中，例如，單元3，9和10可作為一個級進(jìn)行操作，而單元11-13形成另一級。如以下更全面地討論地那樣，各個級對應(yīng)于工藝流體或進(jìn)給流的略微不同的品質(zhì)和/或處理過程。最好這些級還對應(yīng)于操作因素的調(diào)整，其用于“調(diào)節(jié)”所述級中進(jìn)行的處理。根據(jù)本發(fā)明，這些級沿著流水線1，按照大致降低進(jìn)給流中的雜質(zhì)含量(和導(dǎo)電率)，以及大致降低濃縮流中的礦物質(zhì)含量(和導(dǎo)電率)的順序來設(shè)置。在這個意義上，這兩股流沿著處理流水線的長度是“匹配的”。雖然這種匹配并不是嚴(yán)格定量的，但是其對電解池上的電勢形成了清楚界定的分配，使得各單元的操作不會出現(xiàn)不穩(wěn)定，并且各單元3-13的操作可得以更精確地控制。
有利的是，系統(tǒng)中的脫礦質(zhì)單元的這種配置可提高操作效率，并可擴(kuò)展單個級或整個工藝的范圍或品質(zhì)。
如圖1中所示，在本發(fā)明的第一系統(tǒng)中，待處理的進(jìn)給流體作為進(jìn)給流而流過液體管道1，并且至少一部分流體在壓力下經(jīng)由泵2而不驅(qū)動到第一單元或電氣級3中的稀釋物電解池內(nèi)，在這里，流體在個單元中的一個或多個液壓通道內(nèi)至少進(jìn)行部分脫礦質(zhì)。在這一級中去除帶電的化學(xué)物質(zhì)，并在直流電場的影響下，通過可滲透的膜片所界定的稀釋物電解池，而進(jìn)入由單獨(dú)的濃縮流進(jìn)行沖洗的濃縮物電解池，同時經(jīng)過部分處理的進(jìn)給流則返回到工藝流水線1中，并繼續(xù)行進(jìn)。工藝流水線1可能非常大，并且/或者其內(nèi)容物可在低的流率下前進(jìn)，使得第一單元或級3可在任何給定的時間內(nèi)只吸取并處理一部分進(jìn)給流，從而可以使流體進(jìn)行數(shù)次再循環(huán)。類似地，其它級9-13中的每一級都接受取自進(jìn)給流1的流體，并對其進(jìn)行至少部分脫礦質(zhì)，這樣，通過這些連續(xù)單元的處理，可逐漸使進(jìn)給流變成較低礦質(zhì)的流體。
工藝流水線的單元3，9-13設(shè)置在若干個具有不同總體性能的級中。所示由泵14驅(qū)動的濃縮物進(jìn)給流穿過三個電氣級11，12，13的濃縮物電解池，這三個級定位在進(jìn)給管道處理流水線的下游端。這種濃縮流最初具有相對較低的導(dǎo)電率，其可相當(dāng)于工藝管道1的下游端處的最終處理產(chǎn)品的導(dǎo)電率，但在濃縮流離開最后三個單元或電氣級11，12，13之前，濃縮流將吸收礦物質(zhì)并達(dá)到更高的導(dǎo)電率。濃縮流接下來流過濃縮流體返回管道15，在此處，其作為濃縮物輸入而通過泵16而被抽吸到上游或前三個單元或電氣級3，9，10中。在電氣級3，9，10中，濃縮物吸取從進(jìn)給流的上游部分去除的離子。這樣，在作為最終濃縮物而經(jīng)由濃縮物出口管道17而離開電氣級3，9，10之前，其將變得更加濃縮。根據(jù)具體的進(jìn)給物、處理工藝和預(yù)期產(chǎn)品，這種最終的濃縮物可作為預(yù)期產(chǎn)品或有用的副產(chǎn)品而被收集起來，或者至少部分地再循環(huán)到另一工藝過程中(例如發(fā)酵工藝或生物物質(zhì)或成分回收工藝)，或者作為廢物而被丟棄掉。
處理或進(jìn)給流在與濃縮流的相反方向上行進(jìn)。流體從公共進(jìn)給管道1流入到單元3的稀釋物電解池中，在那里進(jìn)行處理并返回到管道1中，并繼續(xù)行進(jìn)(例如通過進(jìn)給泵4-8)到下游電氣級或單元9-13中，以便在沿著液體管道1作為處理后的產(chǎn)品流體而被收集或傳出處理流水線之前，進(jìn)行進(jìn)一步脫礦質(zhì)。進(jìn)給物流入稀釋物電解池的流率可通過控制系統(tǒng)(未示出)來控制，控制系統(tǒng)從一個或多個流體品質(zhì)傳感器如導(dǎo)電率計(jì)18中接收輸入信號，并根據(jù)輸入信號進(jìn)行各種控制，以實(shí)現(xiàn)所需程度的脫礦質(zhì)或物質(zhì)去除。
類似地，流體流入濃縮物電解池的流率也可通過控制系統(tǒng)(未示出)來控制，控制系統(tǒng)從一個或多個濃縮物傳感器如導(dǎo)電率計(jì)19中接收輸入信號，并控制一個或多個操作參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)所需程度的濃度。
單元3，9-13的電操作由控制器(未示出)來執(zhí)行，其可施加合適水平的電勢或驅(qū)動電流，以便對供應(yīng)至各單元的進(jìn)給物和濃縮物進(jìn)行操作。這種控制最好是對包含一組處理單元的級是通用的，而非基于一個單元接著一個單元的基礎(chǔ)上。
處理流水線可包括不同類型的脫礦質(zhì)單元。這樣，電氣級或單元3，9，10可具有未填充的稀釋物電解池，或者具有包含離子交換材料的稀釋物電解池。類似地，電氣級11，12和13可包含未填充的稀釋物電解池，或者包含離子交換材料填料的稀釋物電解池。一個單元或一個電氣級中的稀釋流和濃縮流可相互平行地在相同的方向(并流)、相反的方向(逆流)上流動，或者在某些設(shè)置中在相互橫向交叉(橫向流)的方向上流動。在單元采用比較具滲透性的異質(zhì)膜片的情況下，或者在某種物質(zhì)的濃縮或濃縮物的反擴(kuò)散的情況下，優(yōu)選采用逆流。在螺旋形ED單元中可形成單個單元中的橫向流，但其并不普遍存在于工業(yè)平板式ED組的主要商業(yè)生產(chǎn)流水線上。另外，電氣級可具有一個或多個串聯(lián)的液壓通道。例如，當(dāng)級是EDI級時，其可包括兩個串聯(lián)或并聯(lián)設(shè)置的EDI疊組。當(dāng)某一級屬于或包括EDI疊組時，該組還可設(shè)置成包含幾個電解池的子組，各子組在其末端具有電極，并用作完整的一個疊組。子組的合適端口可互聯(lián)，使得EDI疊組可作為兩級EDI單元而操作，流體從第一電解池子組或子疊組移動到第二電解池子組或子疊組中。另外，這種設(shè)備的端口可連接成使得子疊組并行操作。給定的“電氣級”可在級中單元的共用一組電氣條件下進(jìn)行操作，例如，一個或一組EDI單元根據(jù)基于其沿著進(jìn)給線結(jié)構(gòu)1的位置的控制數(shù)據(jù)，而都在共同的高電流密度下操作，或者都在共同的低電勢和較小電流密度下操作。
可以注意到，通過使用兩種明顯不同水平或級別的濃縮流體，即由泵14抽吸到單元11，12和13中的起始較低導(dǎo)電率的濃縮物，以及之前已經(jīng)更濃縮(在其滯留并穿過單元11，12和13的過程中)的并由泵16驅(qū)動以便借助于管線17為單元3，9和10提供最終濃縮物或產(chǎn)品濃縮物的流體，圖1中所示的實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)分級。位于多級處理流水線中的產(chǎn)品進(jìn)給流的上游端的更高導(dǎo)電率的濃縮物的這種配置可使單元3，9，...在進(jìn)給流1的上游部分中在盡可能更高的極限電流水平下更有效率地操作，而位于下游處理單元11，12，13處的產(chǎn)品和濃縮物的更高電阻導(dǎo)致在稀釋物電解池和濃縮物電解池上提供了更穩(wěn)定的電勢分配，從而可使這些單元對部分脫礦質(zhì)或提純的進(jìn)給流進(jìn)行有效操作。例如，這種電氣控制可使系統(tǒng)在沒有過度水分解(否則這種水分解有可能由于不匹配的流體導(dǎo)電率而發(fā)生，并且可能使進(jìn)給物的基本成分變性)的條件下操作，并且還可對存在于進(jìn)給流水線1沿途各級進(jìn)給物中的離子內(nèi)容物的脫礦質(zhì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。這種改進(jìn)的操作可適合于提高產(chǎn)品品質(zhì)中的一種或多種品質(zhì)，整體生產(chǎn)能力和系統(tǒng)的電效率。
圖2A，2B，2C中顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例。這個實(shí)施例可有利地體現(xiàn)在采用反向處理單元(EDR和/或EDIR)的多級進(jìn)給流的工藝流水線上，并在一種“進(jìn)給及滲出”的工藝過程中操作。在進(jìn)給及滲出的結(jié)構(gòu)中，進(jìn)給至系統(tǒng)的進(jìn)給速率控制成可在輸出端提供滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)如具有接近預(yù)定的導(dǎo)電率的產(chǎn)品滲出，而流過各級的流動可根據(jù)需要而發(fā)生變化，例如控制成一次或多次地和/或以變化的抽吸速率循環(huán)通過某一級，以便在沿著流水線1的給定點(diǎn)處達(dá)到預(yù)設(shè)品質(zhì)或目標(biāo)品質(zhì)水平。
在這個實(shí)施例中，稀釋物電解池的進(jìn)給物流過液體進(jìn)給管道30，并且通過第一進(jìn)給泵31將其至少一部分經(jīng)由閥51抽吸到第一電氣級32中。部分脫礦質(zhì)的流體離開級32的稀釋物電解池并經(jīng)由閥51而流回到流體管道30中。部分處理后的進(jìn)給流繼續(xù)沿著進(jìn)給流水線30行進(jìn)到下游處理級34，36，38，40中，并且通過泵33-39將進(jìn)給物的另外部分經(jīng)由相應(yīng)的閥52-59而抽吸到相應(yīng)的電氣級34，36，38，40中，以進(jìn)行進(jìn)一步脫礦質(zhì)。離開流體管道30的稀釋流至少有一部分流過品質(zhì)傳感器，例如導(dǎo)電率計(jì)43，并可作為產(chǎn)品而被收集起來，或再循環(huán)到其它工藝中，或者根據(jù)應(yīng)用要求而作為廢物丟棄掉。品質(zhì)傳感器43的輸出發(fā)送到控制系統(tǒng)(未示出)中，控制系統(tǒng)例如可調(diào)節(jié)稀釋物進(jìn)給流率，從而可使離開流體管道30的稀釋流的導(dǎo)電率保持在大致預(yù)定的水平。同時，濃縮物歧管或進(jìn)給管道44將濃縮物提供給處理單元32-40。在濃縮流的上游端，泵46將至少一部分濃縮物從濃縮物歧管44經(jīng)由閥59抽吸到后一電氣級40的濃縮物電解池中。這個部分就變成部分脫礦質(zhì)的流，其離開級40的濃縮物電解池，并流回到濃縮流體管道44中，泵47-50從管道44中將濃縮物連續(xù)地泵送到相應(yīng)的電氣級38-32中。在這些級的每一級中，濃縮物進(jìn)一步從進(jìn)給物中吸取雜質(zhì)，變成更具導(dǎo)電性，并通常也更富含非離子的但較小且易于擴(kuò)散的分子。最終的濃縮流離開第一電氣級32；濃縮物輸出可作為產(chǎn)品來收集，再循環(huán)到其它工藝過程中，或作為廢物丟棄掉。至少一部分濃縮物流過另一品質(zhì)傳感器，如導(dǎo)電率計(jì)45?？刂葡到y(tǒng)(未示出)調(diào)節(jié)濃縮物的進(jìn)給流率，使得最終的濃縮流在管道44的輸出端保持在設(shè)定的品質(zhì)或預(yù)定的濃度下。這種預(yù)定的濃度可以較高，例如，可將其設(shè)定成在濃縮物是預(yù)期產(chǎn)品的情況下可獲得的最大值，或者控制系統(tǒng)可執(zhí)行各種操作以將濃度限制為低于該最大值。例如，可以強(qiáng)加這種限制，以防止?jié)饪s物的導(dǎo)電性產(chǎn)生濃縮物歧管的短路現(xiàn)象，否則這種短路將限制效率，引起過熱，損壞單元的膜片或部件，或者有損于給定級中的稀釋物/濃縮物電解池對的預(yù)期操作性能。
然而，在任何情況下，濃縮流朝著處理流水線的進(jìn)給流入口端方向逐漸變得更加濃縮，而進(jìn)給流隨著其朝著位于管道1遠(yuǎn)端處的濃縮物管道的入口端移動時而逐漸變得被脫礦質(zhì)。
通過將主要的進(jìn)給流體流水線沿著ED級或處理單元而設(shè)置在接受流體流的相反方向上，那么整個產(chǎn)品處理流水線的布置就更加接近地與處理流水線各級單元中的進(jìn)給物和濃縮物流的導(dǎo)電性相匹配，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電氣控制，本申請人將這種處理流水線布置稱為逆流處理流水線布置。這使得級的傳遞函數(shù)(例如，進(jìn)給物的輸入品質(zhì)對進(jìn)給物輸出品質(zhì)，其為電壓和流量的函數(shù))是極其穩(wěn)定和清晰界定的，因此就可以快速確定整個處理工藝的控制順序，并且在操作過程中，只需要對稀釋和濃縮控制器進(jìn)行相對較小的調(diào)整，即可使其以最佳的性能運(yùn)行。應(yīng)該懂得，在給定級中的稀釋物電解池和濃縮物電解池內(nèi)的流體的流動可采用彼此并流、逆流或其它關(guān)系的形式(例如彼此交叉、或部分平行并流、在遍及各電解池的流路的不同工藝段中彼此反向平行或交叉)。
根據(jù)本發(fā)明的使稀釋物(或“進(jìn)給物”)和濃縮物流逆流運(yùn)動的工藝流水線可有利地操作，以減少進(jìn)給流體中不帶電的有機(jī)小分子的損耗。不帶電的有機(jī)小分子通過擴(kuò)散而穿過膜片，擴(kuò)散速度是膜片滲透性、電滲水傳遞速率以及稀釋流與濃縮流之間的濃度差的函數(shù)。電滲水傳遞速率是流經(jīng)膜片的離子所攜帶的電流量的函數(shù)。濃縮流只是在最后級(如圖1的級13或圖2的級40)中略微富含小有機(jī)分子，這是因?yàn)樵谶@級中所使用的電流是所有級中最低的。當(dāng)濃縮物沿著其流動路徑到達(dá)并經(jīng)過較后級時，其獲得了濃度逐漸提高的小有機(jī)分子。這種在濃縮物一側(cè)的小分子濃度水平的提高就降低了稀釋流和濃縮流之間的濃度差，從而阻礙了具有最大電流的初始進(jìn)給級(3，32)中的擴(kuò)散損耗。結(jié)果，減小了經(jīng)處理的(管線1或30中的)產(chǎn)品流中的不帶電有機(jī)小分子的損耗。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例采用帶超過一個電氣級的反向組形式，即EDR和/或EDIR處理單元，并可在級與級之間存在相位延遲的條件下操作，以執(zhí)行處理單元的反向操作。
在處理單元傳統(tǒng)的反向操作中，單元的電極性發(fā)生反向，并且操作合適的閥，以交換流入隔室的稀釋流和鹽水流；這改變了隔室的相應(yīng)功能。也就是說，原來的稀釋隔室用以接受濃縮流并用作濃縮物隔室，反之亦然。輸出連接可能在稍微不同的時間進(jìn)行切換，以允許(原來的)稀釋流通過切換鹽水而被推擠出去，并且整個地清洗電解池流的已經(jīng)處理過的流動部分，或者可進(jìn)行切換以防止原來的鹽水進(jìn)入產(chǎn)品輸出端或工藝流水線1。電極極性的切換相對于輸入流的切換還可存在相位差異。對于單獨(dú)的組而言，EDR和EDIR的操作工藝是眾所周知的，并構(gòu)成了既定的工藝。本發(fā)明在大的工藝管道中還提供了另一“緩沖墊”，其允許進(jìn)行切換操作，以便大大減少反向工藝過程必然引起的進(jìn)給物損耗，或來自濃縮物的污染。
本發(fā)明采用其它步驟來實(shí)現(xiàn)多單元工藝流水線中的反向操作，多單元工藝流水線具有設(shè)置在級中的處理單元。單元的反向操作以便會在反向過程中導(dǎo)致出現(xiàn)一些不合規(guī)格的產(chǎn)品，其不能滿足規(guī)格要求并且必須進(jìn)行循環(huán)，或者送到廢物槽中。對于采用許多液壓級序列的本發(fā)明的系統(tǒng)而言，這種在級反向時潛在的問題或局限性通過反向電極性來解決，并且流體以如圖2A，2B和2C中所示的相位延遲或順序方式流過稀釋隔室和濃縮隔室，與沿著進(jìn)給物和濃縮物管道而通過或經(jīng)過相應(yīng)級的經(jīng)處理流或濃縮流的切換過渡相協(xié)調(diào)。
圖2A-2C顯示了類似于圖1中所示的系統(tǒng)的分級反向操作的相位，該系統(tǒng)具有沿著處理流水線延伸的公共進(jìn)給管道30。在處理單元32，34的入口和出口設(shè)有多個閥，出于簡明起見，其顯示為四通閥51，52，53，54...。作為示例，閥51在一種“直通”模式下操作，將來自進(jìn)給泵和濃縮泵31，50的壓力管線分別連接到第一單元的稀釋物和濃縮物歧管的入口上(圖2A)，而閥52將這些歧管的出口互連回到進(jìn)給線或濃縮線30，44上。各閥還可設(shè)置在橫向流位置，以便將其兩個入口(閥51)或出口(閥52)與稀釋物及濃縮物歧管之間的連接進(jìn)行互換，使得“稀釋物”電解池接受并返回濃縮物，而“濃縮物”電解池接受進(jìn)給流并對其進(jìn)行脫礦質(zhì)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，參照EDR或EDIR單元所使用的用語“稀釋物”或“濃縮物”入口歧管和出口歧管是一種方便的速記形式，其簡單地指對一組電解池的管系或其它連接，這組電解池最初被分別稱為稀釋物電解池或濃縮物電解池。實(shí)際上，用于反向操作的電解池構(gòu)造，以及可選地用于反向操作單元的固定式歧管連接最好是對稱的，并且每組電解池都可在兩種功能模式的任一模式下工作。
現(xiàn)在返回到圖2A-2C，圖2A顯示了一種多級系統(tǒng)，其具有逆流進(jìn)給管線和濃縮管線30，44和換向閥51-60，換向閥51-60將管線30，44互連到相應(yīng)的ED或EDI級32，34，36，38和40上，以進(jìn)行反向操作。圖中顯示所有閥51-60都處于直通位置。各個閥都具有第二位置，稱為橫向位置，其中閥的兩個入口端口各自與另一出口端口相連；例如，閥51在直通位置時可將加壓的進(jìn)給物管線和濃縮物管線分別連接在疊組32的稀釋物電解池和濃縮物電解池上，而在橫向位置時則連接在濃縮物和稀釋物歧管上。類似地，出口閥52-60各自具有一種四端口、兩位置的操作模式，其能夠選擇性地將稀釋物和濃縮物出口連接在進(jìn)給物管線和濃縮物管線上，或者連接在濃縮物管線和進(jìn)給物管線上。因此，為了使流向第一級32的隔室中的稀釋流和濃縮流反向，可將一個閥反向，從而將濃縮流連接到(原先的)稀釋側(cè)；之后，控制器在改變其它閥如52的狀態(tài)之前，最好等待一段時間或等待一段流動延遲時間間隔，直到不合規(guī)格的產(chǎn)品即將離開第一級時為止，閥52可使稀釋物和濃縮物與隔室的連接互換。此時還可使電極性反向。
圖2B中顯示了用于單元或級36的切換點(diǎn)，在級36的兩個互換閥55，56設(shè)置在橫向交叉狀態(tài)之后，電極極性發(fā)生了反向。余下的下游級38，40仍將保持其初始的稀釋/濃縮閥的設(shè)置，并且靠近這些級的主進(jìn)給管道和濃縮管道以及在級36和級38之間行進(jìn)的進(jìn)給物和濃縮物段S包含與在下游單元32，34，36發(fā)生反向之前其所包含的流體相同品質(zhì)的流體。然而，當(dāng)反向處理后的進(jìn)給物前端移動通過段S并接近泵37和閥67時，級38進(jìn)行其反向順序。后續(xù)各級都以類似的方式連續(xù)發(fā)生反向。圖2C顯示了當(dāng)所有級全部反向時的閥狀態(tài)。
最好根據(jù)疊組內(nèi)容積以及級與級之間的管道容積，通過調(diào)整各級之間的反向時間間隔來實(shí)現(xiàn)相位反向，從而最大限度地減少不合規(guī)格的產(chǎn)品量。這種相位反向可手工或自動地實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上自動控制的手動調(diào)節(jié)是優(yōu)選的?？刂瓶稍谠O(shè)定點(diǎn)后進(jìn)行，設(shè)定值可以手工重設(shè)，之后通過適當(dāng)?shù)臋z測器進(jìn)行跟蹤，或者通過例如手工輸入測量數(shù)據(jù)來改變，測量數(shù)據(jù)例如為進(jìn)給流體的粘性，其可影響系統(tǒng)的切換過渡時間或者處理去除的水平。在其它實(shí)施例中，一個或多個包含定位在進(jìn)給管線1，30中的導(dǎo)電率探針可提供輸出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)為給定系統(tǒng)的尺寸和流量數(shù)據(jù)確定最佳的反向點(diǎn)，以達(dá)到一個或多個外在目標(biāo)，例如使級出口處的品質(zhì)變化保持在規(guī)定的閥值內(nèi)。
圖3中顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例。這個實(shí)施例類似于針對圖2A-2B所介紹的實(shí)施例，不同之處在于，反向的EDR和EDIR級處于針對稀釋流的直通流體的配置下，而濃縮流是一種“進(jìn)給和滲出”的配置。也就是說，進(jìn)給物直接流過串聯(lián)的各級，而并非在級與相鄰進(jìn)給管道之間循環(huán)，進(jìn)給管道經(jīng)過串聯(lián)的各級。在這種情況下，來自進(jìn)給管道30a的所有流都經(jīng)過閥51，流經(jīng)第一級32的稀釋物電解池，并由閥離開。在最終產(chǎn)品流穿過導(dǎo)電率計(jì)43而離開最后級40之前，進(jìn)給流繼續(xù)連續(xù)地穿過系統(tǒng)其余部分中的各個單元。因此，并非如同圖1或2中從較大的連續(xù)管道中吸取進(jìn)給物那樣，而是，進(jìn)給路徑沿著各單元的稀釋物出口和下一單元的稀釋物入口之間的不連續(xù)互連件而行。在這種并不完全對稱的結(jié)構(gòu)中，稀釋物或進(jìn)給物路徑沿著多個互連段而行，而濃縮物沿著系統(tǒng)的長濃縮管線行進(jìn)，這種并不完全對稱的結(jié)構(gòu)可用于采用了不對稱反向循環(huán)的系統(tǒng)，而非采用了之前在反向操作中常用的完全對稱的操作循環(huán)。已知優(yōu)選的不對稱反向操作模式是，在“儲存并釋放”的清洗循環(huán)過程中，稀釋物電解池周期性地作為濃縮物電解池而操作，從而將積累在ED裝置的膜片和/或填充樹脂上的某些成分沖洗或沖刷掉的一種模式。在這種操作中，通過進(jìn)一步提供合適的鹽或化學(xué)注入系統(tǒng)，可有選擇性地提高濃縮流的鹽水平，這種系統(tǒng)可將受控的另外量的鹽添加到反向流體中，以便有利地幫助分解并剝落積累的生物膜和其它物質(zhì)。通過現(xiàn)有濃縮物鹽度提供的所有或一部分較高濃度的鹽會引起任何通過表面保持住的生物膜折皺并裂開，使其更易于脫落，并且還導(dǎo)致下層樹脂收縮，形成更敞開的流動通道，使得反向后的電解池的回流清洗更加有效。進(jìn)給管線設(shè)置成小的單獨(dú)段的集合，這可保證在反向清洗操作模式過程中被反向沖洗的物質(zhì)不會停滯或保留在較大的流動緩慢的管道中，而是被適當(dāng)?shù)乜焖衮?qū)逐出該段，并從系統(tǒng)中沖洗掉。
在這方面，在這種清洗級反向過程中從表面去除或沖洗掉的物質(zhì)還可分流(例如通過額外的閥和管道連接)到反向沖洗/清洗槽中，或被分流到專用收集容器或系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)需要回收、濃縮和/或分離被洗去的成分時，后一方案尤其有利，這些成分例如為生物產(chǎn)品或其它產(chǎn)品，或者為返回到上游工藝過程如發(fā)酵工藝或中間工藝中的成分。當(dāng)裝置即將通過儲存和釋放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行這種濃縮或回收操作時，EDI裝置可構(gòu)造成帶有高達(dá)一英寸或更高的相對較厚的電解池，以增強(qiáng)其在不同次清洗之間的捕集能力。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一種用于在稀釋流粘性不同于濃縮流粘性的情形下來處理流體的優(yōu)選實(shí)施例中，采用了具有濃縮物和稀釋物隔離件的單元，這種隔離件具有特別適合于在從入口至出口產(chǎn)生壓力降的尺寸或流動阻力，在相應(yīng)電解池內(nèi)的預(yù)期有效流率下，該壓力降在稀釋物電解池和濃縮物電解池中基本上是相同的，這種壓力受到例如流體的粘性和/或流動的影響。在食品工業(yè)流的處理工藝中，普遍會遇到這種流體粘性的差異，并且在大多數(shù)ED應(yīng)用中都普遍存在不同的稀釋流和濃縮流。因此，當(dāng)濃縮流量只有稀釋流量的5-10％時，仍然可調(diào)整系統(tǒng)中的單元電解池的尺寸，使得相鄰電解池之間所引起的不同壓力差不會使膜片受到過分應(yīng)力，從而出現(xiàn)彎曲偏轉(zhuǎn)或橫向泄漏。通常說來，流率對于這兩種電解池是類似的或不同的，并可通過適當(dāng)?shù)拈y、加壓裝置或泵來進(jìn)行設(shè)置或調(diào)整。
在限制范圍內(nèi)可改變隔離件的幾種設(shè)計(jì)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)或促進(jìn)膜片上的壓力差最小化。為此目的而可以改變的一個合適的篩網(wǎng)參數(shù)是電解池隔離件的厚度。在存在篩網(wǎng)隔離件的情況下，提高篩網(wǎng)部件每單位長度上的絞股線數(shù)量也可用于增大通過電解池的流動路徑上的壓力降。圖4A和4B顯示了兩個用于此目的的具有不同絞股線間距的篩網(wǎng)，一個網(wǎng)眼為大約2mm，另一個為大約8mm。增加作為篩網(wǎng)厚度百分比的單根絞股線的總厚度也可增大壓力降。圖5A和5B顯示了具有相同整體厚度、但具有不同厚度的單根絞股線的篩網(wǎng)。圖5B中所示的篩網(wǎng)設(shè)置成阻塞電解池的大部分截面積，并將比圖5A中所示的篩網(wǎng)具有高得多的每單位長度上的壓力降。這樣，在本系統(tǒng)的一個級上采用的(ED或EDI)去電離單元可用其中一種前述變型來構(gòu)成，以優(yōu)化其在處理流水線的特定位置上的操作，或優(yōu)化對特定流體產(chǎn)品的處理。
根據(jù)本發(fā)明，通過在不同級之間按比例分配處理食品糖漿或生物學(xué)流體，可使工藝處理過程在穩(wěn)定且被很好控制的條件下進(jìn)行，使得處理單元能在不發(fā)生不可逆結(jié)垢或性能下降的條件下操作。另外，諸如EDI等單元雖然傳統(tǒng)上并不用于食品工業(yè)，但可快速去除某些成分如乳酸中的鈣和磷酸鹽離子或者將這些成分降低至較低點(diǎn)，從而可被有利地應(yīng)用于處理一種或多種影響進(jìn)給流體的味道或商業(yè)品質(zhì)的特定物質(zhì)或污染物。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，使用設(shè)置在級中的不同單元可規(guī)定適當(dāng)?shù)慕K點(diǎn)特性(例如導(dǎo)電率、成分濃度等)以及可靠地獲得規(guī)定的終點(diǎn)特性，而不需要大的固定交換床，或者產(chǎn)生與床再生相關(guān)的環(huán)境費(fèi)用。另外，在處理級的EDI/EDIR單元中，可裝填不同的專用樹脂，以使ED操作更適合于進(jìn)給物或用于改進(jìn)處理工藝。
這樣，雖然許多原本用于工業(yè)水處理的傳統(tǒng)混合樹脂EDI電解池填充物已經(jīng)證明對于某些食物處理應(yīng)用是有效的，但是這種填充物也是可以改變的，并使其適合于特定的工藝。在處理食物流體、尤其是相對較高粘性的流體如高果糖的谷物糖漿時，用于填充電去電離單元的珠?？蓮挠糜谔囟üI(yè)的已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年的與食品相容的交換珠粒中進(jìn)行選擇。這些珠粒包括許多陰離子和陽離子樹脂，例如凝膠、不同類型的大孔樹脂和大網(wǎng)孔樹脂以及吸收劑和專用樹脂，這些吸收劑和專用樹脂在工業(yè)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于執(zhí)行去色、捕集特定污染物、穩(wěn)定pH值等操作是有用的或必需的。在單獨(dú)的單元或級中，可將一種或多種樹脂分隔在整個裝置流動路徑的起始前端或后端部分中(例如用于調(diào)節(jié)pH值至或大或小的酸性水平)，或者以“斑馬線”或其它帶形圖樣的形式來設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對陰離子和陽離子的有效去除，同時保持大致穩(wěn)定的pH值，或使流動路徑上的電解池導(dǎo)電率保持穩(wěn)定。專用樹脂和樹脂類型的混合物與電去電離單元的相容性是易于確定的，或者可通過適當(dāng)調(diào)整工作電勢來保證，如上所述，由于本發(fā)明中的進(jìn)給流和濃縮流特性相匹配，因此就可以非常穩(wěn)定的方式來控制操作電勢。
另外，進(jìn)入各級的流體還可針對該級中的處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。因此，可沿著進(jìn)給線或濃縮線來設(shè)置堿性或酸性的注入單元或生產(chǎn)單元，以調(diào)整進(jìn)入某級中的流體的pH值，并添加或去除水或其它稀釋劑，以便稀釋或濃縮流體，并可與籠統(tǒng)的工藝流體分開地來添加調(diào)節(jié)劑或相互作用的離子，以便改變給定級中的處理效果。
這些系統(tǒng)的ED和EDI裝置中所采用的陽離子和陰離子交換膜最好是均質(zhì)的離子交換膜，例如那些由Ionics，Incorporated ofWatertownm Massachusetts公司生產(chǎn)的離子交換膜，其通常用于該公司的ED和EDI裝置中。這些離子交換膜由于其較高的強(qiáng)度、相對免受泄漏和擴(kuò)散移動的性能以及其通常較高的品質(zhì)而被優(yōu)選使用。然而，還可采用許多供應(yīng)商所生產(chǎn)的異質(zhì)膜片，其中存在適當(dāng)?shù)墓に嚥町惢蛟O(shè)備，以便適應(yīng)其不同的功能和物理特性。
除了調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以便在許多進(jìn)給物和濃縮物性能相匹配的級中實(shí)現(xiàn)有效的處理操作之外，還必須清洗這些處理單元。預(yù)期填充的(EDI)單元具有特別容易結(jié)垢的被約束的電解池和樹脂填料，因而特別難以清洗，這是因?yàn)椴幌缶哂懈ㄩ_流動路徑的空電解池(ED)單元或可在湍流、高流量且無約束(流化)狀態(tài)下進(jìn)行清洗的離子交換床那樣，而是，EDI裝置將其交換珠粒保持相對緊密地包裝在小的受約束的電解池中，流體流動通過該電解池或者經(jīng)由填料的限制性間隙空間而被引導(dǎo)流動。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用高鹽反向清洗操作，可在處理流水線的ED單元的受約束處理室中有效地執(zhí)行清洗操作。清洗方案最好采用提高的鹽濃度和pH極限值，以及流動循環(huán)。這可作為如上所述的反向過程中的原位清洗(CIP)操作來實(shí)行，并在各種實(shí)施例中可包括添加堿、酸和/或鹽的步驟。
在這樣一種清洗方案中，通過在鹽/酸步驟后應(yīng)用鹽/堿步驟，來進(jìn)行稀釋物電解池的CIP操作。首先應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CIP方案(例如用于定期去除水處理EDI疊組中的堅(jiān)硬物質(zhì))，但在單元性能方面幾乎沒有變化。例如，在EDI單元的制造商通常提供的操作手冊中，可找到傳統(tǒng)的清洗方案和處理程序的基本綱要，在這種情況下，EDI單元是Ionics的150電解池對型EDI疊組。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須改變該處理程序。
接下來采用新的方案，改變?nèi)齻€參數(shù)，即，清洗循環(huán)中所采用的低pH值、高pH值和鹽濃度。所采用的鹽量對于每個組而言從75磅提高到150磅。具體的清洗方案如下用于食物工藝流(谷物糖漿)的EDI稀釋物電解池的CIP在帶5微米袋式過濾器和清洗流體槽的回路中，為流經(jīng)該單元的循環(huán)而準(zhǔn)備160加侖的清洗溶液。該疊組和管道的內(nèi)部容積形成了循環(huán)回路中的另一40加侖的容量。150磅的鹽被用于產(chǎn)生1.55N當(dāng)量濃度的溶液。在大約30℃的溫度下開始再循環(huán)操作，并添加鹽，即，在40分鐘的時間內(nèi)添加35磅。鹽的添加最初非常緩慢，以防止對樹脂的滲透沖擊。一旦完成鹽添加，就開始添加HCL，以便將pH值降低到大約1左右，這由Myron-LModel 6型手持量計(jì)來測量。實(shí)際的pH值約為0.9。之后，溶液在20-25psi的進(jìn)給壓力下運(yùn)行30分鐘，之后傾倒到流體槽中，并將新的水分添加到160加侖的水平。
接下來，重新啟動再循環(huán)，并添加額外的150磅的鹽；由于樹脂和膜片現(xiàn)在已經(jīng)是處于鹽中的形式，因此就可更快速地執(zhí)行第二鹽添加的操作。一旦已經(jīng)添加了鹽，在中等速率下手工添加NaOH，以將pH值升高到接近13，從而形成堿性鹽溶液。pH值實(shí)際上穩(wěn)定在大約12.8的pH值下，這同樣由手持式量計(jì)來測量。之后在大約40℃溫度下將堿性鹽溶液再循環(huán)另一段30分鐘時間。在繼續(xù)再循環(huán)的同時，以進(jìn)給并滲出的方法添加新鮮水分，以便逐漸降低鹽濃度。次日早晨，將閥重新設(shè)定到正常位置，并且使該疊組首先在液壓下操作若干小時，而后將其通電以沖洗出鹽。清洗操作提高了產(chǎn)品流量，并降低了進(jìn)給壓力。如同疊組操作電流(安培)的增加所指示的那樣，該疊組的電阻也降低了。
這樣，通過采用相對較高的鹽濃度執(zhí)行CIP操作，該CIP操作就被認(rèn)為通過某些機(jī)理而改善了生物膜和蛋白膠的分解，這些機(jī)理例如為交換珠粒的收縮、表面生物膜上的皺縮、脆化或其它影響、以及其它機(jī)理，例如置換出留在樹脂中的堅(jiān)硬物質(zhì)等。膨脹交換樹脂的收縮在清洗循環(huán)過程中提供了更暢流的條件，以改善流動洗滌，并從而使置換出或排出的物質(zhì)可從稀釋物電解池中傳輸出來。該清洗條件還采用了位于譜(spectrum)兩端的相對極限的pH條件，其除了去結(jié)垢和清洗效果之外，還可用來清潔處理單元的內(nèi)部流動間隙。這對于處理制藥或食品工業(yè)的工藝流尤其有利，因?yàn)樵S多交換樹脂所能承受的相對有限的溫度范圍使得熱清潔只是在邊界處有效，太過緩慢或者不實(shí)用。當(dāng)ED級后跟隨有EDI級時，如上所述的級中的工藝流水線的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)更有效的清潔。
對于用高鹽濃度進(jìn)行的CIP處理而言，至少可部分通過濃縮流來提供鹽濃度，但是，最好采用外來的鹽來源(例如含更高的鈉含量)，以便在清洗過程中實(shí)現(xiàn)更有效地軟化和去除所積聚的硬離子。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高鹽處理對于清洗生物污垢是有效的，在清洗過程中包括有清洗方案中的長時間浸泡或再循環(huán)步驟，以及執(zhí)行酸性和堿性步驟，以及在電解池上施加合適電勢的步驟，各一步驟也都顯著地有助于清洗循環(huán)的有效性，并可避免長時間后的性能下降、結(jié)垢或產(chǎn)生水垢。
這種機(jī)理或反向清洗還可用作將進(jìn)給流的處理機(jī)理，以便特別鎖定進(jìn)給物中的某種不易去除或可能結(jié)垢的成分，并通過一種“儲存并釋放”的工藝方法來分離那些成分。在這種情況下，例如，通過將陰離子交換樹脂放置在處理電解池的上游以捕集蛋白質(zhì)成分，那么，一個或多個相關(guān)的處理單元或級、例如第一級或第一單元就可特別設(shè)置成改善捕集操作。這種特意的前端生物污垢可捕集并去除填滿的電解池的其余部分和任何下游單元或級前面的蛋白質(zhì)/污垢劑。之后，當(dāng)?shù)谝患壔騿卧苑聪蚰Ｊ讲僮鲿r，釋放所捕集的成分或可在CIP操作中去除該成分。除了將稀釋流和濃縮流互換供應(yīng)給稀釋物電解池和濃縮物電解池之外，換向閥還可用來使通過電解池的流動方向發(fā)生反向，因而結(jié)垢的生物物質(zhì)或其它所捕集的物質(zhì)(例如結(jié)垢物質(zhì))被直接地(反向)排出，而無需進(jìn)一步傳遞到填滿的電解池中。在這種反向清洗過程中，由濃縮流沖洗掉的物質(zhì)通過適當(dāng)閥而被引導(dǎo)至廢物槽或單獨(dú)的儲槽中，在那里，如果要保留濃縮流，就采用沉淀、過濾和/或其它步驟從濃縮流中去除分散的固體顆粒。如果需要回收時，還可執(zhí)行該部分的回收操作。在這種情況下，系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的電滲析工藝來去除第一組成分，并將其捕集、離子傳導(dǎo)和傳輸?shù)綕饪s流中，并在該級的反向過程中，第二組成分通過捕集而被除去，并且隨后進(jìn)行洗提，或直接物理式釋放到濃縮流中。如上所述，在改進(jìn)的包括酸和/堿浸泡及循環(huán)步驟的反向/清洗循環(huán)過程中，也可執(zhí)行第二組工藝過程，在這種情況下，將所有或一部分流體與處理系統(tǒng)的正常濃縮物供應(yīng)分離開，或者將其快速傳遞到廢物槽中。
這樣，本發(fā)明的分級系統(tǒng)為難以處理的進(jìn)給流提供了新的分離和處理的可能性，其中，可實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定的電操作。因此，進(jìn)給流本身可以品質(zhì)分級的順序來設(shè)置，而品質(zhì)可在工藝流水線的入口和出口之間的一個或多個工位上進(jìn)行調(diào)節(jié)或調(diào)整。不同的(ED或EDI)單元可用于優(yōu)化分離和提純操作，并且在流水線的EDI處理部分中，可采用不同類型的EDI單元，例如厚的電解池單元、薄的電解池單元、稀疏地填充的、分層填充的或帶狀填充的單元(參見如本申請人共有的國際申請PCT/US03？28815和其它公布的共有國際申請，這些專利的全部文件和公開通過引用而結(jié)合在本文中)。
因此，就公開了本發(fā)明并介紹了說明性的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以想到其它的變型和改型，所有這些變型和改型都被視為屬于本說明書所述并由所附權(quán)利要求來限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于對流體流的成分執(zhí)行連續(xù)處理、例如脫礦質(zhì)、脫苦味、脫鹽或進(jìn)行其它分離或處理的流體處理流水線，其中，所述處理流水線包括多個電滲析處理單元，所述處理單元設(shè)置成可進(jìn)行連接，以便接受待處理的進(jìn)給流體的進(jìn)給流，以及接受濃縮流體流，所述濃縮流體流可接受在所述處理單元的處理過程中從所述進(jìn)給流中去除的物質(zhì)，每個所述處理單元是可電連接的，以便將來自于所述進(jìn)給流體流的所述物質(zhì)離子式地傳送到濃縮流體流中；多個流體連接件，其將所述級中的處理單元沿著所述處理流水線互連起來，使得進(jìn)給流體按順序地從第一級前進(jìn)至一個或多個較后級，并且濃縮流在相反的方向上從所述處理流水線的后一級前進(jìn)到一個或多個較前級，有效地使所述級中的進(jìn)給物和濃縮物的特性相匹配，以便改進(jìn)所述進(jìn)給流體的處理，以用于生產(chǎn)經(jīng)處理的產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件允許所述所接受的流體流沿著與所述進(jìn)給流相反的方向而流動，以便用于改善在沿著處理流水線的處理單元中的所述進(jìn)給流和所述濃縮流的導(dǎo)電率的相匹配性，從而保證所述單元中的穩(wěn)定電操作條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件產(chǎn)生了接受流體的逆流，其可用于提高從所述進(jìn)給流體中去除成分的能力或用于提高使成分反擴(kuò)散到所述進(jìn)給流體中的能力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件產(chǎn)生了接受流體的逆流，其可有效地用于抑制所述進(jìn)給流體中的成分(例如小分子)通過所述處理單元的膜片的擴(kuò)散損耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理單元包括EDI單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理單元包括ED單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理單元包括一個或多個ED單元以及一個或多個EDI單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體處理流水線，其特征在于，所述ED單元中的至少一些ED單元處在與所述EDI單元中的至少一些EDI單元不同的級中，并且位于所述處理流水線中的所述EDI單元的上游。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理單元設(shè)置在多個電氣級中，所述電氣級被外加上不同的電勢，以便用于同時提高沿著所述處理流水線的所述進(jìn)給流體的品質(zhì)和流量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件包括一個或多個閥，其可操作以便控制流量，以便實(shí)現(xiàn)至少一部分單元的反向操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求1，9或10所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件包括公共進(jìn)給管道和至少一個泵，所述泵可操作，以便在所述進(jìn)給流體沿著所述處理流水線移動時，用于使所述進(jìn)給流體從所述公共進(jìn)給管道循環(huán)至某一級并返回到所述管道中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的流體處理流水線，其特征在于，所述互連件包括至少一個泵，所述泵可操作，以便在濃縮流在相反方向上沿著所述處理流水線行進(jìn)時，用于使所述濃縮流體從公共管道通過某一級的單元并循環(huán)返回到所述公共管道。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理流水線包括至少一個可操作以便檢測所述進(jìn)給流品質(zhì)的傳感器，以及可響應(yīng)于所述傳感器而操作以便控制閥或泵的控制器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或13所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理流水線還包括可操作以便檢測濃縮物特性的檢測器，以及可響應(yīng)于所述檢測器而用于控制所述處理流水線的操作的控制器。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理流水線還包括一種控制器，所述控制器可操作，以便在至少其中一些所述單元的反向操作過程中，用于實(shí)現(xiàn)所述單元和進(jìn)給管線之間的流體連接件的相位互換，從而增加產(chǎn)品回收，同時保持產(chǎn)品品質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1，10或15所述的流體處理流水線，其特征在于，所述控制器在相位反向的過程中進(jìn)行電解池的清洗，以便從所述單元上沖洗掉所積聚的物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體處理流水線，其特征在于，所述清洗包括用濃縮的鹽清洗，以便從所述單元中的樹脂表面上有效地除去生物污垢。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體處理流水線，其特征在于，所述處理流水線包括公共濃縮管線，并且至少其中一些所述單元是反向單元，所述互連件包括多個換向閥，其可操作以便將所述反向單元的稀釋流和濃縮流進(jìn)行互換，其中，一種控制器可操作，以便選擇性地進(jìn)行單元的反向操作，從而執(zhí)行一種清洗方案，其將所述單元的電解池中所積累的污垢反向沖洗到例如所述公共濃縮管線中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的流體處理流水線，其特征在于，所述清洗方案利用1.0N以上當(dāng)量濃度的鹽溶液來進(jìn)行操作，以便清洗表面并恢復(fù)通過所述單元電解池的流動。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的流體處理流水線，其特征在于，所述清洗方案包括，在液壓反向過程中使鹽溶液可選擇性地在一個或多個pH極限值下通過所述單元進(jìn)行再循環(huán)的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的流體處理流水線，其特征在于，所述清洗方案包括，在反向過程中使流體再循環(huán)的步驟，以便分裂并去除表面膜，并將所去除的表面膜沖洗到所述公共濃縮管線中或廢物槽中。
22.一種用于處理生物性進(jìn)給流的工藝方法，這種工藝方法包括以下步驟使所述進(jìn)給流體通過電滲析單元，從而對所述進(jìn)給流進(jìn)行處理以去除其成分，其中，所述電滲析單元包括填充式電解池電滲析(EDI)單元的級，并且執(zhí)行所述工藝方法，以便通過至少其中一個所述單元的正常操作來去除所述進(jìn)給流的第一成分，以便將所述第一成分傳送到濃縮流中，同時在交換樹脂之上或之中捕集第二成分，以及在所述至少一個單元的反向操作或清洗操作模式的過程中，釋放或反向沖洗所述第二成分。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝方法，其特征在于，EDI單元具有電解池，所述電解池帶有位于所述電解池上游端的第一交換樹脂填料和位于所述電解池下游部分的第二樹脂填料，所述第一和第二填料是不同的，并且所述第一填料通過去垢、酸化等處理來調(diào)節(jié)所述第二填料之前的流。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法利用一種厚的電解池儲存及釋放EDI反向單元來執(zhí)行。
25.一種處理系統(tǒng)，其包括設(shè)置在多個級中的多個電滲析單元，各電滲析單元接受待處理的進(jìn)給流和濃縮流，其中，至少一個級包括一個或多個填充電解池電滲析(EDI)單元，并且所述進(jìn)給流以與所述濃縮流相反的順序而流過所述多個級。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的處理系統(tǒng)，其特征在于，所述處理系統(tǒng)設(shè)置成可使所述單元中的進(jìn)給流和濃縮流的特性平衡。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的處理系統(tǒng)，其特征在于，所述特性包括導(dǎo)電率或電阻、流體壓力和流體成分濃度中的一個或多個特性。
全文摘要
一種用于對源自生物的進(jìn)給流進(jìn)行連續(xù)去電離的處理系統(tǒng)和方法，包括多個沿著處理流水線分多級設(shè)置的電滲析單元(3，9，10，11，12，13)，所述的這些級是受控制的，使得進(jìn)給流在進(jìn)入下一級之前可獲得一定的品質(zhì)。進(jìn)給流和濃縮流在通常相反的方向上沿著流水線移動，從而使稀釋物電解池和濃縮物電解池的流體特性相匹配。處理流水線具有兩個或多個級。系統(tǒng)可具有相位分級操作，并且電解池的構(gòu)造使得電滲析單元適于改善難以處理的流體的工藝方法?？刂破髟O(shè)定不同電氣級中的操作電勢，并且簡單的控制參數(shù)可優(yōu)化離子去除能力和電流效率，同時不會引起流體極化。本發(fā)明還包括反向操作的相位分級，并且電解池的構(gòu)造或填充物使得處理電解池適于改進(jìn)處理工藝。
文檔編號C02F1/469GK1871059SQ200480031563
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者B·巴徹爾德, L·張, W·W·卡森 申請人:Ge愛奧尼克斯公司