BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Klärung von Flüssigkeiten, insbesondere Rohsaft aus Obst, Trauben, Beeren oder anderen Früchten, Gemüsen und Saaten oder Wein mittels Querstromfiltration und einer Einrichtung zur Reduzierung des Trubes im Retentat.
Durch die Aufkonzentrierung im Retentatkreislauf einer im Batch- oder semikontinuierlichen Verfahren betriebenen Querstromfiltrationsanlage steigt der Trubanteil im Retentat mit zunehmender Filtrationszeit an. Die Folge davon ist eine sinkende Filtrationsleistung und verringerte Ausbeute. Ausserdem ist die Standzeit der Querstromfiltration bis zur Reinigung der Membran relativ kurz. Die Anzahl der Reinigungs-Zyklen, die für die Membran die Hauptbelastung darstellen, wirkt sich auf die Lebensdauer der Membran nachteilig aus.
Um diesen Schwierigkeiten entgegenzutreten, ist es bekannt, im Retentatkreislauf der Querstromfiltrationsanlage eine Seitenstrom-Zentrifuge anzuordnen, durch die ein grosser Teil des Trubes vom Retentat abgetrennt wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der abgetrennte Trubschlamm noch relativ feucht ist und dadurch noch keine optimale Verbesserung der Ausbeute erzielt wird. Hinzu kommen Entsorgungsprobleme bei der Beseitigung des Trubschlamms und die relativ hohen Anschaffungskosten für die Seitenstrom Zentrifuge, die ausserdem sehr lärmintensiv ist.
Ferner ist es bekannt, Querstromfiltrationseinrichtungen in mehreren Stufen hintereinander anzuordnen, um gegen über den Batch- oder semikontinuierlichen Anlagen mit nur einer Filtrationsstufe einen kontinuierlichen Betrieb zu erreichen. Dabei wird jeweils das Retentat der vorhergehenden Stufe in die Retentatseite der nächsten Stufe eingeleitet. Voraussetzung für die Herstellung eines einheitlich klaren Produktes ist, dass alle Membranen dieselbe Trenngrenze aufweisen. Dadurch nimmt aber die mittlere Filtrationsleistung bzw. der mittlere Flux ab, was gegenüber semikontinuierlichen Anlagen zu Anlagen mit viel Membranflächen führt und sehr teuer ist. Ausserdem sind für einen optimalen Betrieb mindestens drei Stufen nötig. Dies bedeutet besonders bei kleinen und mittleren Anlagegrössen höhere Anschaffungskosten und komplizierteres Betreiben der Anlage.
Hinzu kommt, dass die letzte Stufe ständig mit höchstem Konzentrationsfaktor fährt und dadurch einen problemlosen Betrieb der Anlage, hinsichtlich Verstopfung der Module, gefährdet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Reduzierung des Trubgehalts im Retentat und dadurch eine Verbesserung der Filtrationsleistung und der Ausbeute ermöglicht.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Retentat der Querstromfiltration mindestens einer zweiten, gröberen Querstromfiltration unterzogen wird und das Permeat aus der zweiten oder weiteren Querstromfiltrationen zur Retentatseite der ersten Querstromfiltration zurückgeführt wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die erste Querstromfiltration durch Ultra- oder Mikrofiltration und die zweite Querstromfiltration durch Mikro- oder Grobfiltration.
Dem Retentat können vor oder während der Filtration, in der zweiten Querstromfiltration Schönungsmittel zugeführt werden, um die Verstopfungstendenz der Membranen zu mindern.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer ersten Querstromfiltrationseinrichtung, deren Retentatseite über eine Leitung mit der Retentatseite einer zweiten Querstromfiltrationseinrichtung verbunden ist, wobei von der Permeatseite der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung eine Leitung zur Retentatseite der ersten Querstromfiltrationseinrichtung führt. Dabei ist gemäss der Erfindung die Porengrösse der Membran der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung grösser als die Porengrösse der Membran der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung.
Vorteilhafterweise ist die zweite Querstromfiltrationsein: richtung mit Mikro- oder Grobfiltrations-Membranen ausgerüstet. Dabei beträgt die Porengrösse ca. 0,1 bis 20 llm.
Um bei der Mikro- oder Grobfiltration der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung mit möglichst hohen Drükken arbeiten zu können, ist diese mit Metall- oder Keramik Modulen ausgerüstet, deren zulässiger Transmembrandruck grösser ist als bei den Filtrations-Modulen der ersten Querstromfiltrationseinrichtung.
Vorzugsweise beträgt der maximale Transmembrandruck der Metall- oder Keramik-Module mindestens 6 bar.
Zur Vermeidung von Verstopfungen ist der Kanalquerschnitt der Filtrations-Module der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung grösser als bei den Filtrations-Modulen der ersten Querstromfiltrationseinrichtung.
Vorteilhafterweise ist die zweite Querstromfiltrationseinrichtung mit Rohr-Modulen ausgerüstet, die einen Rohrdurchmesser von mindestens 6 mm aufweisen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Grobfiltration in der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung ein hoher Flux bei wenig Membranfläche erreicht wird, wobei weniger Membranfläche eine Verringerung der Investitionskosten bedeutet. Ausserdem können die für die höheren Drücke und gröbere Trenngrenze der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung verwendeten Metall-Membranen, die für kleine Trenngrenzen nicht oder nur aufwendig herstellbar sind, mit relativ billigen Kunststoff-Membranen für die erste Querstromfiltrationseinrichtung kombiniert werden. Hinzu kommt, dass mit dem Einsatz von Membranen anstelle der bekannten Seitenstrom-Zentrifuge zur Reduzierung des Trubgehalts eine bessere Trennschärfe erreicht wird.
Durch die Rückführung des Permeats der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung zur Retentatseite der ersten Querstromfiltrationseinrichtung wird der Trubgehalt im Retentat stark reduziert und die Ausbeute verbessert. Die Standzeit der ersten Querstromfiltrationseinrichtung bis zur Reinigung wird bei relativ bescheidenen Mehrinvestitionen verlängert und die Lebensdauer der Membran erhöht. Ein hoher Konzentrationsfaktor tritt erst gegen Ende des Verfahrenszyklus auf.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau der erfindungsgemässen Anlage.
Der zu klärende Rohsaft wird über eine Zuführleitung 1 einer ersten Querstromfiltrationseinrichtung 2, die aus einer Ultra- oder einer Mikrofiltrationseinrichtung besteht. zugeführt. An einer Membranfläche 3 der Querstromfiltrationseinrichtung 2 wird der Klarsaft vom Retentat abgetrennt und durch eine Permeatabflussleitung 4 zu einer Sammelstelle abgeführt. Für die Membranfläche 3 werden billige Kunststoff-Module für niedrige Drücke verwendet. Von der Retentatseite der Querstromfiltrationseinrichtung 2 führt eine Leitung 5 für Retentat zu einer zweiten Querstromfiltrationseinrichtung 6, die aus einer Mikro- oder Grobfiltrationseinrichtung besteht.
Die Membranfläche 7 der Querstromfiltrationseinrichtung 6 wird vorzugsweise durch Metall- oder Keramik-Module gebildet, die gegenüber den Kunststoff-Modulen der ersten Querstromfiltrationseinrich tung 2 eine grössere Porengrösse von ca. 0,1 bis 20 #m auf- weisen. Da bei der Grobfiltration mit höheren Drücken gearbeitet wird als bei der Ultrafiltration in der Querstromfiltrationseinrichtung 2, sind die Metall- oder Keramik-Module für einen maximalen Transmembrandruck von mehr als 6 bar ausgelegt. Auch die Kanalquerschnitte der Grobfiltrations-Module sind grösser gewählt als bei der ersten Querstromfiltrationseinrichtung 2. Vorzugsweise werden Rohr Module mit einem Rohrdurchmesser von mindestens 6 mm verwendet.
Das an der Membranfläche 7 der Querstromfiltrationseinrichtung 6 abgetrennte Permeat wird über eine Leitung 8 zur Retentatseite der ersten Querstromfiltrationseinrichtung 2 zurückgeführt. Von der Retentatseite der zweiten Querstromfiltrationseinrichtung 6 zweigt eine Leitung 9 ab, durch die das Restretentat abgeführt wird. Durch die Rückführung des Permeats zur ersten Querstromfiltrationseinrichtung 2 entsteht ein Kreislauf, in dem der Trub, der über die Leitung 9 ständig abgeführt wird, erheblich reduziert wird. Bei kontinuierlicher Zuführung von Rohsaft über die Zuführleitung 1 wird ein kontinuierlicher Betrieb mit einem konstanten Trubgehalt beim Retentat der Querstromfiltrationseinrichtung 2 erreicht.
Bei Batch- oder semikontinuierlichem Betrieb erhöht sich der Trubgehalt beim Retentat der Querstromfiltrationseinrichtung 6 erst gegen Ende des Verfahrenszyklus drastisch, sodass sich diese Produktionsphase mit wenig Aufwand überwachen lässt.
Um den Gehalt an makromolekularen Stoffen, z. B. Polyphenole, welche die Membranen der Membranfiltrationseinrichtung 2 mit zunehmender Konzentration stärker verstopfen, im Retentat zu reduzieren und damit die Standzeit bis zur nächsten Reinigung der Filtrationsanlage weiter zu verlängern, kann vor der Membranfiltrationsanlage 6 das Retentat mit Schönungsmitteln behandelt werden. Zu diesem Zwecke genügt eine Zudosierung von relativ geringen Mengen an Schönungsmitteln, vorzugsweise mittels einer Mischdüse 10, beispielsweise einer Injektionsdüse oder durch statisches Mischen, in die Retentatleitung 5. Die entstehenden Aglomerate zwischen Makromolekülen und Schönungsmitteln lassen sich mittels der zweiten Membranfiltrationseinrichtung 6 abtrennen.
DESCRIPTION
The invention relates to a method and a system for clarifying liquids, in particular raw juice from fruit, grapes, berries or other fruits, vegetables and seeds or wine by means of cross-flow filtration and a device for reducing the turbidity in the retentate.
Due to the concentration in the retentate circuit of a cross-flow filtration system operated in a batch or semi-continuous process, the amount of trub in the retentate increases with increasing filtration time. The result is a decrease in filtration performance and a reduced yield. In addition, the lifetime of cross-flow filtration until the membrane is cleaned is relatively short. The number of cleaning cycles, which are the main stress for the membrane, has an adverse effect on the life of the membrane.
In order to counter these difficulties, it is known to arrange a side-stream centrifuge in the retentate circuit of the cross-flow filtration system, through which a large part of the sludge is separated from the retentate. The disadvantage here, however, is that the separated sludge is still relatively moist and therefore no optimal improvement in the yield is achieved. In addition, there are disposal problems with the removal of the sludge and the relatively high purchase costs for the sidestream centrifuge, which is also very noisy.
Furthermore, it is known to arrange crossflow filtration devices in a number of stages one after the other in order to achieve continuous operation in comparison with batch or semi-continuous systems with only one filtration stage. The retentate of the previous stage is introduced into the retentate page of the next stage. A prerequisite for the production of a uniformly clear product is that all membranes have the same separation limit. As a result, however, the average filtration capacity or the average flux decreases, which leads to systems with a large amount of membrane areas compared to semi-continuous systems and is very expensive. In addition, at least three levels are required for optimal operation. This means higher acquisition costs and more complicated operation of the system, especially for small and medium-sized systems.
In addition, the last stage runs continuously with the highest concentration factor, thereby jeopardizing problem-free operation of the system with regard to blockage of the modules.
The invention is based on the object of avoiding the disadvantages mentioned and of creating a method of the type mentioned at the outset which, in a simple and inexpensive manner, enables a reduction in the turbidity content in the retentate and thereby an improvement in the filtration performance and the yield.
According to the invention, this object is achieved in that retentate is subjected to the cross-flow filtration at least one second, coarser cross-flow filtration and the permeate from the second or further cross-flow filtration is returned to the retentate side of the first cross-flow filtration.
According to a further feature of the invention, the first cross-flow filtration is carried out by ultra or microfiltration and the second cross-flow filtration by micro or coarse filtration.
Finishing agents can be added to the retentate before or during the filtration in the second cross-flow filtration in order to reduce the tendency of the membranes to clog.
The system for carrying out the method consists of a first cross-flow filtration device, the retentate side of which is connected via a line to the retentate side of a second cross-flow filtration device, a line leading from the permeate side of the second cross-flow filtration device to the retentate side of the first cross-flow filtration device. According to the invention, the pore size of the membrane of the second cross-flow filtration device is larger than the pore size of the membrane of the second cross-flow filtration device.
The second cross-flow filtration device is advantageously equipped with micro or coarse filtration membranes. The pore size is approximately 0.1 to 20 llm.
In order to be able to work with the highest possible pressures in the micro or coarse filtration of the second cross-flow filtration device, the latter is equipped with metal or ceramic modules, the permissible transmembrane pressure of which is greater than with the filtration modules of the first cross-flow filtration device.
The maximum transmembrane pressure of the metal or ceramic modules is preferably at least 6 bar.
In order to avoid blockages, the channel cross section of the filtration modules of the second crossflow filtration device is larger than that of the filtration modules of the first crossflow filtration device.
The second crossflow filtration device is advantageously equipped with tube modules which have a tube diameter of at least 6 mm.
The advantages achieved with the invention consist in particular in that a high flux with a small membrane area is achieved by the coarse filtration in the second cross-flow filtration device, with less membrane area meaning a reduction in investment costs. In addition, the metal membranes used for the higher pressures and coarser separation limit of the second cross-flow filtration device, which are not or only costly to produce for small separation limits, can be combined with relatively inexpensive plastic membranes for the first cross-flow filtration device. In addition, the use of membranes instead of the known side-flow centrifuge to reduce the sludge content results in better selectivity.
By recycling the permeate of the second cross-flow filtration device to the retentate side of the first cross-flow filtration device, the turbidity content in the retentate is greatly reduced and the yield is improved. The service life of the first cross-flow filtration device until cleaning is extended with relatively modest additional investments and the service life of the membrane is increased. A high concentration factor only occurs towards the end of the process cycle.
The invention is explained in more detail in the following description and the drawing, which represents an exemplary embodiment. The single figure of the drawing shows a schematic representation of the structure of the system according to the invention.
The raw juice to be clarified is fed via a feed line 1 to a first cross-flow filtration device 2, which consists of an ultra or a microfiltration device. fed. The clear juice is separated from the retentate on a membrane surface 3 of the crossflow filtration device 2 and discharged through a permeate discharge line 4 to a collection point. Cheap plastic modules for low pressures are used for the membrane surface 3. From the retentate side of the crossflow filtration device 2, a line 5 for retentate leads to a second crossflow filtration device 6, which consists of a micro or coarse filtration device.
The membrane surface 7 of the cross-flow filtration device 6 is preferably formed by metal or ceramic modules which have a larger pore size of approximately 0.1 to 20 # m compared to the plastic modules of the first cross-flow filtration device 2. Since higher pressures are used in coarse filtration than in ultrafiltration in cross-flow filtration device 2, the metal or ceramic modules are designed for a maximum transmembrane pressure of more than 6 bar. The channel cross sections of the coarse filtration modules are also larger than those of the first crossflow filtration device 2. Preferably tube modules with a tube diameter of at least 6 mm are used.
The permeate separated off on the membrane surface 7 of the crossflow filtration device 6 is returned via a line 8 to the retentate side of the first crossflow filtration device 2. A line 9 branches off from the retentate side of the second crossflow filtration device 6, through which the residual retentate is discharged. The return of the permeate to the first crossflow filtration device 2 creates a cycle in which the trub, which is constantly discharged via line 9, is considerably reduced. With continuous supply of raw juice via the supply line 1, continuous operation with a constant turbidity content is achieved in the retentate of the cross-flow filtration device 2.
In batch or semi-continuous operation, the trub content in the retentate of the crossflow filtration device 6 only increases drastically towards the end of the process cycle, so that this production phase can be monitored with little effort.
To the content of macromolecular substances, e.g. B. polyphenols, which clog the membranes of the membrane filtration device 2 with increasing concentration, to reduce the retentate and thus to further extend the service life until the next cleaning of the filtration system, the retentate can be treated with fining agents before the membrane filtration system 6. For this purpose, it is sufficient to add relatively small amounts of fining agents, preferably by means of a mixing nozzle 10, for example an injection nozzle or by static mixing, into the retentate line 5. The resulting agglomerates between macromolecules and fining agents can be separated off by means of the second membrane filtration device 6.