关于错流过滤及其应用

关于错流过滤及其应用

21.1传统的过滤方式简介。

用多孔隔膜进行固相物质和液相物质分离的操作称之为过滤。

过滤过程用多孔滤膜截住固体的悬浮微粒，让液体通过，把固体的微粒阻挡在滤膜的表面上，并逐渐汇聚形成了沉淀层。

过滤层有多孔，有渠道，孔和渠道的直径有大有小，渠道很弯曲，并且是交叉着的，液体必须经过它。

过滤作用是由两个过程组成：筛选作用和吸附作用。如果微粒比滤层的孔隙大，即产生筛选作用。混浊微粒被截留，不仅是筛选作用的结果，也是过滤层里面发生的吸附作用的结果。

在悬浮微粒过滤时，微粒的直径使它不可能通过缝隙的入口时，被截留在过滤层的表面上，微粒又形成了第二道过滤层，在入口孔隙的上方积累，随之堵塞了他们。

过滤层的加厚，液体通过各层的速度逐渐下降，一直到过滤作用完全停止时为止。

除了塞住了渠道的入口外，由于部分微粒钻入渠道内部，使渠道的直径变小，在渠道有弯曲的地方所产生的堵塞特别明显，有的微粒自由的通过了渠道，进入液体中，也有的微粒粘附在渠道壁上，这种吸附作用的积累，给液体通过造成的困难程度，取决于过滤层的材质和它的物理状态。

传统过滤的速度，取决于对悬浮体的压力、沉淀层的厚度、沉淀的结构和特征、悬浮体的组成和液体的温度。

葡萄酒密闭过滤时，泵送葡萄酒产生压力。在过滤层的一面与另一面压力的差，称之为压头，压头越大，过滤速度也越大。在沉淀压缩时，由于压力的增加，过滤速度也增加。当压力达到一定值时，虽然增加压力，过滤的速度不再增加，此时的压力称之为临界压力，超过这个压力，过滤层将被击穿。压力除了压缩过滤层以外，有些比较小的微粒，在强大压力作用下进入渠道的孔隙，并且堵塞了他们，在过滤过程中，压力应该缓慢地随着过滤层厚度的增加而增加，如果过滤开始时，压力越大，过滤机堵塞得越快。

根据过滤层的孔隙大小，可以将过滤分为粗过滤（≥1μm），精滤（≤0.6μm），无菌过滤（≤0.4μm）和超滤（≤0.2μm）。澄清晶亮的葡萄酒中没有超过1μm的微粒，葡萄酒中如果没有超过0.4μm的微粒，即认为是无菌的，因为在葡萄酒中存在的微生物（包括细菌），其体积＞0.4μm。

由于构成葡萄酒混浊的微粒的直径有大有小，如果一开始就用孔隙小的过滤层来过滤，过滤层将很快被堵塞。因此，应该遵循粗滤精滤无菌过滤的顺序进行过滤，并且为此而选用相应的过滤介质和设备。

葡萄酒过滤的速度与过滤面积、过滤压力成正比，而与过滤层的厚度、滤液的粘度成反比。由于酒的粘度与温度有关，温度较高、粘度较小，因此，夏天与冬天的过滤速度是有差别的，同时过滤的效率也与滤液的浓度有关，因为浓度与液体粘度有相关性。

在传统过滤中，筛选和吸附都在发挥作用。为了提高过滤能力，添加表面活性很强的物质，使过滤的沉淀层具有很大的多孔性，属于这类物质的有硅藻土、皂土、纤维素等等，有的纤维素带有正电荷，在硅藻土过滤前预涂这种纤维素，除了起架桥作用外，也有助于吸附带负电荷的微粒，提高过滤效率。

葡萄酒的胶体物质会使过滤造成困难，对于浑浊的葡萄酒，应该先进行下胶澄清后,再过滤，如果不经澄清处理，采用传统的方法强制过滤，不仅过滤机很快会堵塞，而且滤液中有部分微粒在强大的压力下进入滤液中，很难达到澄清晶亮的要求。

21.2错流过滤简介。

传统过滤时，过滤液体垂直于过滤介质，正如前述，沉淀物聚积于过滤介质的表面，当沉淀层的厚度增加到一定程度时，过滤介质的孔隙被堵塞，过滤过程被迫终止。

错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切，使得滤膜的孔隙不容易堵塞。被过滤的酒液在压力推动下，带着混浊的微粒，以高速在管状滤膜的内壁流动，而附着在滤膜上的残留物质很薄，其过滤阻力增加不大，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度。

错流过滤与传统过滤的原理见图21-1：

图21-1错流过滤与传统过滤的原理图

安装于不锈钢管中的毛细管（0.5～3mm），错流过滤时，待过滤的葡萄酒用泵输入毛细管中，部分滤液通过半渗透滤膜流到管外，部分带有混浊微粒的葡萄酒尚滞留于管中，在毛细管的滤膜里循环，并被不断地浓缩，见图21-2所示：

图21-2错流过滤运行示意图

在不断进行的过滤中，半渗透滤膜的孔隙也会缓慢地发生堵塞，从而使过滤速度降低，为了避免玷污滤膜，错流设备使用高速的小量的滤出液从滤膜管外进行反冲，把固体的堵塞物推入滤膜管内，随待过滤的葡萄酒快速地移走，使半渗透膜不容易被堵塞。反冲洗大约提高20～25%的过滤能力和延长20～25%过滤时间，这是错流过滤不同于传统过滤的又一重要特点，在传统过滤时，不能对过滤介质进行反冲洗，从而降低了过滤介质的过滤能力，并且使过滤速度不如错流过滤的平稳。

当然，仅仅依靠用滤出的葡萄酒进行反冲洗也难以解决半渗透膜的污染，在错流过滤设备中，可以进行清水、热水和碱水的冲洗。

云南香格里拉酒业股份有限公司从Podovan公司进口了一台错流过滤装置，型号为NITORCSA15，共计5组滤管，每组10㎡，约150㎡过滤面积，根据售方调试工程师的建议，过滤量应控制在13～15T/h。据售方介绍，过滤膜的寿命为17000h，如用清水洗涤，过滤膜寿命还可以延长，我们考虑到过滤膜的更换费用高，因此酒经硅藻土过滤机过滤后再进行错流过滤，此时酒已基本澄清，在过滤过程中，当过滤酒量低于13～15T/h时，用冷水泵往酒缓冲罐中注满清水，执行清洗程序，自动清洗完成后，打开底部排放阀门，将水排出，再用45～50℃热水清洗一次，即能保持规定的过滤速度，至今尚未用碱水清洗过。资料介绍，当流量降到10m3/h时，应用浓度为2.3%的氢氧化钠溶液清洗，保持温度在45～50℃。清洗完毕后，用热水、冷水清洗，然后用1%的柠檬酸液清洗，再用冷水洗至排出水为中性为止。化学试剂清洗较为麻烦，用清水、热水清洗比较简单，也减少了化学清洗剂的使用，看来先用硅藻土过滤后再用错流过滤有可取之处。

错流过滤设备装备见图21-3。