专利名称：改进的电渗析系统和工艺方法
背景技术：
和领域本发明涉及改进的电渗析(ED)装置，更具体地涉及利用这种装置来处理较大体积液体的系统和工艺方法。一般如本文中和所附权利要求中所述，除非上下文中指出，否则用语“电渗析”或“ED”应被理解为一般性的称呼，并且应该指用于脱矿质的装置，或用于从流体中除去成分的装置，其中装置的单元部件具有被限定在离子交换膜组之间的交替的稀释物电解池(cell)和浓缩物电解池。这些装置通过将其中的成分转化成浓缩物电解池内的另一流体，来处理经过稀释物电解池的流体。因此，该用语将包括各种形式的电渗析装置，其具有处于膜片之间的未填充式间隔或电解池，即，应包括传统的电渗析(ED)、反向电渗析(EDR)装置；并且还应包括填充式电解池电渗析(现在一般称为电去电离、EDI、连续的电去电离或CDI)，以及填充式电解池的反向电渗析(EDIR)。在这些装置中，未填充的ED在较早历史时期获得了广泛的商业应用，并且在多种大规模工业处理应用、例如乳制品、果汁和植物糖浆的处理应用中，ED和EDR的变型在基于电调节的膜离子交换工艺中都保持了主要的处理模式。依靠固有的水裂解来连续地使稀释物电解池中的一组交换树脂再生的EDI和EDIR具有更有限的应用，最主要应用于水净化处理中，其中，通过任何几种预定的原料预处理方案可控制其易于积垢或结垢的敏感性。
具有通过多个交替的阴离子选择性膜和阳离子选择性膜片所限定的未填充电解池的电渗析装置在历史上似乎首先由K.Meyer和W.Strauss于1940年作过介绍(Helv.Chim.Acta23(1940)，第795-800页)。在这种早期ED装置中使用的膜片是没有离子选择性的。已经发明了离子交换(IX)膜片(例如如美国的Reissue专利RE 24,865中所述)，尤其是合成聚合物膜片，其具有高的离子渗透选择性、低的电阻和优良的稳定性，这导致迅速出现了采用这种膜片的ED系统的发明(如美国专利No.2,636,852中所述)，并导致使用这种装置的工业的快速成长，如使咸水脱盐，浓缩海水，乳酪乳清脱灰分，以及浓缩或处理改性淀粉或糖浆，或者更普遍地用于处理水样流以及提纯、发酵或农业流体。在过去四十年时间内，大约有五千个ED工厂安装在全世界范围内。
然而，由于技术因素、尤其是其较低的极限电流密度以及其去除低电离物质的有限能力，电渗析装置，包括填充和未填充两种类型，都在一定程度上继续受到限制。以下将更详细地讨论现有技术的ED系统的这些限制和不足。
A.极限电流密度ED中所使用的IX树脂和膜片对于一种电性或另一种电性的离子是高度选择性的。穿过膜片的离子的大部分必须通过从周围溶液扩散穿过薄的层流层而到达膜壁，层流层沿着膜片和相邻的正在消耗离子的溶液(如本领域中所知的“稀释”或“稀释的”溶液或流体)之间的界面而发展形成。离子扩散通过稀释溶液的最大速率出现在这种膜片界面上的电解质浓度基本上为零时。对应于这种膜片界面上的零浓度的电流密度在本领域中称为极限电流密度。为了提高极限电流密度，必须提高离子扩散的速度。这可通过降低层流层的厚度来实现，例如，通过改变某些流体动力学参数，通过使周围溶液更快速地通过膜片界面，和/或通过使用湍流促进器，和/或通过提高流体温度。后一方法对于植物(如药材)糖浆特别有用，其粘性合层流层性能是与温度高度相关的，但是它还是受到离子交换树脂在不减弱其交换功能的条件下承受更高温度的有限能力的限制。对于每立方米溶液每千克当量的盐溶液而言，实用的极限电流密度通常在5000到10000安培/平方米(例如对于每克当量/升的盐溶液而言，为0.5-1安培/平方厘米)。典型的盐水具有大约0.05kg当量/m3(如大约0.05当量/升或每百万分之(“ppm”)3000份)的盐浓度，并因此具有大约250至500安培/m2(0.025至0.05安培/cm2)的极限电流密度。在许多食品工业应用中，可改变盐浓度以适合工艺要求，但是通常必须在后续步骤中去除所添加的盐，这是因为在任何情况下，盐浓度在产品处理的最后阶段都应该非常低。
在其它因素相同的条件下，为了最大限度地利用ED装置，需要在可能最高的电流密度下进行操作。然而，随着接近极限电流，已经发现，在(传统)阴离子交换(“AX”)膜片和稀释流之间的界面处，水被离解(即“分解”)成氢离子和氢氧根离子。氢离子穿过稀释流，而氢氧根离子穿过AX膜片并进入相邻浓缩物槽中，浓缩物槽带有单独的溶液流(如本领域中已知的“浓缩物”、“浓缩溶液”或“浓缩流”、“浓缩性溶液”或“浓缩物流”、“盐水溶液”或“盐水流”)，从而富集了离子。因为盐水总是包含例如在高pH值下沉淀的碳酸氢钙等多价金属化合物，所以碳酸氢钙倾向于沉淀在与浓缩流体相接触的那些AX膜片表面上。这样，在高极限电流密度下的操作会导致膜片结垢的增加。
通过大量的技术已经解决了这个问题，例如通过对供水或浓缩流进行化学或离子交换(IX)式的软化处理；通过除去碳酸盐；通过向给水或浓缩流中添加酸或防垢剂(除去碳酸或不除去碳酸)；通过纳米过滤(“NF”)；通过设置稀释和浓缩路径，以避免在同一位置同时存在结垢离子和结垢的条件；通过各种清洁循环；以及通过定期地将电流通过方向反向，以及将浓缩流改变为稀释流(以及将稀释流改变为浓缩流)，从而在发生不可逆的沉淀之前，去除结垢的物质。其它的技术例如可美国专利No.2,863,813和No.4,381,232。
在以上技术中，一种具有普遍适用性的可用工艺是最近提及的工艺方法，即使电流反向，其在本领域中称为“反向电渗析”(“EDR”)。
ED中的极限电流的理论表示，例如在氯化钠溶液的情况下，阳离子交换(“CX”)膜片应达到的极限电流密度值为阴离子交换(“AX”)膜片的大约2/3。小心测量的结果已经显示，的确是这种情况。然而，当接近或超出(传统)CX膜片的极限电流密度时，发现在这种CX膜片和稀释流之间的界面上，水并不分解成氢氧根离子和氢离子。这种AX和CX膜片在其相应极限电流下与水分解现象相关的性能差异近年来被解释为是由于AX膜片上的弱碱性胺所导致的水分解的催化。当接近其极限电流视时，只有季铵阳离子交换基(没有弱碱基)的AX膜片最初并不会使水显著地分解。然而，这种良好的性能只能持续几个小时，在这段时间之后，水开始分解并随着时间而增强。之后会发现AX膜片包含一些由由季铵基水解引起的弱碱基。目前已经得出结论，即在或接近其极限电流密度下，传统AX膜片上的水分解对于实践用途而言是不可避免的不幸现象。
ED中的极限电流的存在还意味着在稀释溶液中，极限电流密度是非常低的。例如，在大约0.005kg当量/m3的盐浓度(即大约0.005g当量/升或300ppm，饮用水的典型浓度)下，极限电流密度在大约25-50安培/m2(0.0025-0.005安培/cm2)的范围内，即每单位时间内每单位面积上的盐的传输非常低(如每小时每平方米大约50-100克盐)。这个问题似乎首先由W.Walters等人于1955年(Ind.Eng.Chem.47(1955)61-67)通过在ED组(即，设置成由一系列AX和CX膜片限定的多个流式电解池)中的稀释流隔室内填充强碱和强酸性离子交换(IX)颗粒的混合物来解决。这些颗粒或“珠粒”极大地提高了稀释物电解池中的有效离子交换表面面积，提供了膜片之间的良好导电性，并提供了离子传导路径，从而在较短的流动时间和/或更高的流率下可以达到较高程度的脱矿质作用。而且，在稀释物电解池中可以采用这种串珠的许多变型以及其它具有传导、吸收、交换或其它处理特性的材料。自从1955年以来，对于这种技术已经授权了许多专利，其中包括美国专利No.3,149,061；3,291,713；4,632,745；5,026,465；5,066,375；5,120,416和5,203,976。这些专利通过引用而结合在本文中。
使用这种填充式电解池的ED(即，电去电离作用或EDI)的两种操作模式已经是已知的。在第一模式中，交换(IX)珠粒用作膜片表面积的延伸，从而极大地提高了极限电流密度。在第二模式中，所应用的电流密度甚至比存在IX材料时的极限电流密度都要大得多。在这些情况下，在膜片稀释流界面上的水分解速率非常高，这样，IX颗粒将分别主要呈例如强碱和强酸的形式。因此，这种模式下的装置最好被描述为一种一边操作一边继续电解再生的(混合床)离子交换器。还已知有一种中间模式，其中一部分水发生分解，但是IX颗粒并不是主要呈其相应的碱和酸的形式。
许多填充式电解池的ED(即EDI)系统可在两种方式下操作。这些模式可发生在例如(1)同一ED电解池内，在电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)处于单对电极之间的流程中的不同电解池内；或(3)流程中单独组的电解池内(但是每个组都拥有其自身的一对电极)。这种不同的操作模式可能是由于流体失去沿着流动路径行进的电解质而改变了流体导电性而导致的，或者是通过对交换材料、电解池几何形状和实现这种效果的操作参数进行有意识的设置而导致的。
EDI的经济性和迁移能力是非常好的，并且这些系统可用于取代反向渗透系统或传统化学再生式IX系统，例如用于取代碱性AX柱，其跟随有酸性CX柱、或至少部分跟随有混合床IX柱。连续电再生的EDI单元可被填充少于一立方英尺的交换树脂，多次更换离子交换床，其在尺寸上设置成并基本上消除了树脂床的定期再生费用。然而，离子交换床和EDI系统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。当使用离子交换床(或瓶)时，分别利用硫酸或盐酸的酸性水溶液和氢氧化钠的碱性水溶液，来使CX和AX颗粒相互独立地周期性地进行化学再生。因此不会发生碳酸钙、硫酸钙和氢氧化镁的沉淀。当使用离子交换珠粒时柱时，这些精细颗粒柱还是用于胶体的有效过滤器，并且在其周期性的化学再生过程中，可将捕集的物质从颗粒上冲洗掉。
比较起来，在EDI的情况下，从稀释流中去除的任何钙或多价金属、碳酸氢盐和/或硫酸盐可以更高的浓度出现在浓缩流中，尤其是当系统操作以实现稀释流的高度回收时(这通常在稀释流为所需的产品，尤其在其属于高价值产品时会出现)。这些物质的高浓度可导致在浓缩流中出现沉淀。此外，虽然在技术上可以在EDI装置中回洗IX颗粒，但是由于填充了交换珠粒的流动电解池的有限尺寸，以及由于许多小孔口结构，因此回洗技术上通常是比较困难的，或非常低效的，因此在这些装置中通常设置有珠粒捕集器。所有这些因素使去除任何积累或被捕集在填充电解池中的胶体成为问题。
对于许多应用，通过为供应流体本身提供合适的预处理工艺，就可解决这些EDI问题，例如(1)为软化而进行可再生的阳离子交换，随后为去除胶体和/或碳酸氢盐而使用可再生的阴离子交换吸收剂；(2)为去除胶体进行超过滤或微过滤，随后是EDR，以用于软化和部分脱矿质；或者(3)为去除胶体进行超过滤或微过滤，随后为软化进行纳米过滤，或者通过反向渗析来进行软化和局部脱矿质。
然而，对于食品工业中的应用而言，这些问题可能更加复杂。食物糖浆本质上可能更易于积垢，并且ED及其变型的有效使用、例如流体的脱去苦味去酸味或蛋白质固体的沉淀，可能需要被极好地控制的处理工艺条件。食物处理流体中的蛋白质和其它成分对于EDI叠组中的主要电化学条件是敏感的，并且有可能结垢(尤其是对于阴离子交换树脂)。另外，食物处理工艺的粘度和温度要求会影响在EDI或EDI单元中的实际可达到的流动和处理条件。然而，树脂和膜片工业已经成功地为食品工业设计了好几百或好几十种相容的交换树脂，其中普遍采用的离子交换床和ED仍然占据超过90％的处理市场。因此，对于强交换和弱交换树脂、凝胶、大孔型或大孔隙珠粒基体、高温专用树脂、吸收剂和其它流体处理用介质中的每种产品而言，现有树脂的范围代表了用于应用并改善填充电解池的EDI应用的现成构件范围。
B.去除弱电离的物质ED(包括EDR)可在许多食物应用的食品加工厂中使用，并且这种应用的范围正在增大，主要从乳清加工应用扩充至果汁、改性淀粉或糖浆的加工以及颗粒状浆、副产品和部分加工的食品流的分离或提纯，以及发酵产品和特殊化学制品的加工(特殊化学制品的领域例如包括发酵工艺所产生的L-乳酸)。这些ED处理可以允许有意想不到的效果，例如浓缩盐恢复到较早阶段，以保持恒定的培养条件，经过传统过滤阶段的“生物”产品的回收，从废物流中去除调节成分，或者其它提高产量、降低废物或处置成本的优点，或者为ED分离工艺增值。
然而，食品工艺应用存在一些特殊的问题。处理后的流体是粘性的并且是复合的，涉及蛋白质或其它成分。当人们考虑例如使用ED对干酪乳清进行脱灰分(“加糖”或“脱苦味”)时，通常首先将天然乳清浓缩到固体的重量比为20-25％的范围。在这种浓缩乳清的ED(或EDR)过程中，电流密度(也即，每单位时间内膜片每单位面积上去除灰分的速率)保持相对较高，直到大约去除了50-60％的灰分时为止。剩余灰分的特性表现为仿佛是弱电离的，其在较低浓度或变化的pH值下与乳清中的蛋白质相关联或形成络合物。脱灰分乳清的主要市场要求90％或更高的脱灰分处理。为了从大约40％的灰分进行脱灰分处理而使其下降至10％的灰分水平，对ED的使用可能比从100％的灰分进行脱灰处理至40％的灰分需要更多的装置接触时间。可通过在后续阶段的从40％灰分脱灰处理至10％灰分的过程中，将酸或多或少地连续添加到乳清中，来解决这个问题，酸显然可从蛋白质中分离出灰分。然而，所添加的酸本身会通过电渗析而被快速去除，导致操作一定程度的低效，并要求提高酸的剂量。因此，为了完成这种工艺过程，需要过高量的酸。也可通过电渗析首先去除大约60％的乳清灰分，并应用不同的工艺过程如离子交换来去除大部分剩余的40％灰分，来解决该问题。通常为此目的而采用强酸CX珠粒的柱，其后跟随有弱碱AX珠粒的柱。然而，这样会需要过大量的酸和碱来使交换珠粒再生，导致直接费用和环境费用。此外，还提出使用专门的ED或其它由可产生酸的双极性膜片构成的处理单元来解决该问题。然而，因为涉及到相对较大范围的浓缩和相当复杂的相互作用，所以仍需进行冗长的摸索研究，以确定一组工艺和操作点，其可提高给定食物流体工艺的性能或经济性。
因此，需要减轻用于处理食品工艺流体或类似工艺流体的传统电渗析系统的上述一种或多种局限性和不足。
尤其需要提供一种电渗析系统构造，其可以可靠地处理复合的进给流。
发明概要根据本发明的一个方面，通过一种用于食物或类似流体的处理或去电离系统、例如乳清或植物糖浆的脱矿质系统，可以解决其中一个或多个以上的问题或局限性，其中，多个电操作式膜片的分离单元，包括电渗析(ED)、反向电渗析(EDR)，填充式电解池电渗析(EDI)和/或填充式电解池反向电渗析(EDIR)等单元可操作，用于使进给流脱矿质，以及将进给流中的矿物质或其它成分传送到一个或多个浓缩流中。各自具有一个或多个入口及出口的处理单元以与待处理进给流体的总体运动方向大致相对应的顺序而设置成一个或多个单元组，并且这些单元组形成了处理线上的具有两级或多级的与工艺相关的级，其设置成可使浓缩流以基本上与进给/产品流相反的方向或顺序从一级前进到下一级。这样，在进给流被脱矿质时，进给流就渐进地利用浓缩流的较早的且较少矿物的部分而经过单元。利用这种构造，有利的是，在进给流被处理时其导电率会下降，而浓缩物由于从进给流中得到了杂质，因此其导电率可能会上升，所以，当进给流和浓缩流沿着处理流水线而经过各个单元时，进给流和浓缩流的矿物质含量和导电率将更紧密地相“匹配”。将这两股流体流设置在相反的方向上，就可提高处理单元中的进给流和浓缩流的导电率的匹配性，这就降低了在电渗析电解池中出现极限电压不等的发生率，并还可导致矿物含量的匹配性更接近，其降低了处理单元的膜片上的浓度梯度，并因而降低了某些成分的反扩散。导电率匹配可避免诸如极化和过多水分解等不利条件，因此，就可以更容易地实现在各级中将流体处理控制在预期的设定点上，并且消除了结垢或产生污垢的普遍成因。
在根据本发明设置的具有多级的处理流水线中，不同的级可在不同的电操作参数下操作。作为备选或作为附加，不同的级可采用不同类型的ED单元。一种系统例如可包括处在某一级中的未填充式ED单元和处在后一级中的EDI单元。系统的另一实施例可完全由(未填充的)ED处理单元来实现，但其中一级具有可提供与另一级单元明显不同的渗透特性或选择性的膜片。对于特定的进给液体，系统的操作可通过调节不同单元的操作来设定，例如，在各电气级(electricalstage)中设定每个电解池对的电压，以便根据该级中的单元类型和主要流体品质/组分，或者根据沿着工艺流水线的负荷或导电率，来适应离子去除和电流效率。这样做是为了提高整个操作效率，例如提高工艺效率或处理能力，同时避免在处理过程中常常出现的问题。例如，人们基本上可能会在任何低于极化的场合进行操作，并可在进给管道的一个或多个较早级中浆电流控制在较高水平，但仍会受到通过流动歧管的少许功率损耗。另外，不同的级可在不同的但可变化的控制规则下操作。例如，第一ED级可控制成在ED级和EDI级之间的过渡处提供某一品质的经部分处理的进给流，这样，每一级都可避免在生物流体电去电离系统中可能出现的蛋白质结垢、变性或复杂化现象。工艺流水线还可以其它方式来控制，以优化处理能力，例如最大限度地提高与达到产品品质目标水平相一致的处理流体的量，或者用于通过改变主要影响特定成分的品质、分离或回收的某一级中的处理参数，来增强特定成分的去除或回收。
本发明的系统可设置进给流，使其沿着形成处理流水线的管道或通道而总体流动，并可采用泵或阀将流体从该处理线转向或循环到相邻级的处理单元中，并返回到管道或通道中。影响某一级中的滞留或处理总体时间的压力水平、流率或其它参数，或者通过某一级的再循环次数是可以改变的，并且系统可使用进给和渗出控制技术来操作，以达到浓缩流和稀释流的预期导电率。
在一个实施例中，待处理的流体在压力下流入第一电气级中的稀释物容中池，并在该级的一个或多个液压通道内进行部分脱矿质。在这一级中去除的带电化学物质通过直流电场的作用而从进给流中分离，并且通过界定稀释物电解池边界的离子渗透膜片而传送到浓缩物电解池中，在这里通过浓缩物流将其去除。从稀释物中经过部分脱矿质的流体流入下一级，在这里可单独控制电参数以便进一步脱矿质。在各种特殊的食物应用中，可进行处理以使进给流提纯成预期产品，并提取出物质到浓缩流中，该物质作为预期产品或副产品或这两者。这样，离开第一电气级的浓缩物可流入废物槽，并且可构成预期产品或副产品，或者可应用于另一或相关工艺过程。如上所述，根据本发明的主要方面，这种浓缩物的导电率由于在后一级中从进给流中去除了矿物质而得以提高，因此在第一级上可施加相对较低的电势，同时获得以下至少一种和优选一种以上的操作性能i)实现高的离子电流，从而提高去矿物质的速率；ii)避免过度极化；iii)避免通过浓缩流歧管而导致的功率损耗；和iv)保持该级电解池上的稳定电势，并且更普遍地说，改进沿着处理流水线整体的操作控制。
控制系统可调节这些单元和进给管道之间电驱动参数或进给流，以维持该级中的预定条件或进给品质。每个电解池对所施加的电压可进行调整，以减少或最大限度地降低通过浓缩物歧管上的功率损耗。本发明系统可在不极化的条件下，使其电极电势设置成能够在该级可承受的最高电解池对的电压下操作。该电势可作为稀释流的导电率、浓缩流的导电率和/或经过该级的流率的函数，而在单元或级中进行局部设定。
这样，对于给定的进给物质而言，本发明的方法或系统可包括这些步骤将进给管道设置在第一方向上操作，沿着进给管道提供设置在连续级中的多个ED单元，使得不同级处理不同品质的进给流或部分处理后的进给流，并限定多组ED操作条件，包括至少两种不同的应用于不同级中的操作条件，以便优化某一级中或整个系统中的处理。浓缩物在通常与进给流相反的方向上前进，从而提供各级中的相匹配并非常稳定的操作。
一个或多个级可包括EDR或EDIR单元，并且在此情况下，本发明的系统优选按级实现反向操作。也就是说，并非如同以传统方式产生于各单元中或同时遍及整个系统中的使浓缩流和稀释流以及直流电场反向那样，而是以相位延迟变化的方式沿着处理流水线进行反向操作，使得各个电气级刚好在由前一级反向而成的新浓缩流和稀释流将要进入下一级时进行反向操作。这种定相取决于沿着处理流水线的ED单元的固有容量或固有容积，并且生产出更持续地达到所有规格的产品，从而提高了产量并减少了浪费。进行切换换向可有利于避免稀释流液体和浓缩流液体的混合，从而不会产生或不需要丢弃“不合规格”的产品或者需使其再循环。所需的操作包括阀的渐进或“滚动”操作，以使流动方向反向并以相位的方式交换ED单元级中的流体流。
还可设置或操作本发明的系统，以达到若干个目标；其中一个目标是实现浓缩流体积的整体减少。在浓缩流是预期产品的情况下，这就提供了更高浓度的产品。在浓缩流流入废物槽的情况下，这最大程度地减小了所产生的废物的体积。通过这种方式，可将几种控制方案应用于操作上。通过控制系统可设定浓缩流的浓度，该控制系统根据检测器如导电率计的输出来调节浓缩流中浓缩物的渗出，和/或改变低导电率流体的补充流进入浓缩流中的量。
当本发明的系统采用未填充的ED电解池或单元以及填充式ED电解池或单元时，可将这两种单元类型分组到分开的级中，这样处理流水线就可利用一个或多个ED级以及利用一个或多个EDI级来工作。这样，就可以更灵活地进行级的尺寸设置，流率设定和电参数的控制，从而可单独地避免具体进给物质的易损性(例如生物成分的碳化或变性)，以及处理单元的易损性(例如结垢、产生水垢或在浓缩物歧管上的电流短路)。
本发明系统中的一种有用的设定点或级限定参数是使进给流处理流水线在沿着处理流水线上的某一点处从未填充式ED单元流向填充式EDI单元，使得经过部分处理后的进给流的导电率处在允许有效电流流过但不会引起极化的水平下。在通过这种方式执行整个去除工艺以控制导电率水平时，从未填充的池到填充电解池的串联通道更有效地使易极化的生物物质保留在进给流中，并通过对不同级相关地且有效地设定单独的电压水平，从而在不降低品质的条件下提高产量。本发明的这种系统可特别应用于加工处理生物技术、制药或食品工业中的进给流体，其中进给流含有蛋白质、香味剂或其它易损成分、部分或功能。
系统的ED/EDI单元可构造成具有适合于粘性流动的固有流动特性。也就是说，这些单元具有一定的电解池尺寸，或者在EDI单元的情况下具有适合于更好地容纳预期进给物质的电解池尺寸、筛网隔离件(spacer)和珠粒填料。例如，单元的浓缩物和稀释物隔离件可设置成当浓缩流和稀释流的粘性彼此不同时，可在稀释物电解池和浓缩物电解池上产生相似的压力降，或者尺寸上设置成或装配成可防止内部流动堵塞(由于珠粒结垢或膜片挠曲)，或者可用于保证不会发生内部流动方向或引导方向的反向，或者可保证其它所需要的操作条件。然而，最好至少有一级(示例如EDI级)包括其中稀释腔和浓缩腔具有基本相同尺寸的处理单元，并且这些单元可在反向模式下操作。
根据本发明的另一相关方面，所述系统可在一种新颖的清洁方案(regimen)下操作，其在较困难的食物应用中有效，并可由符合工艺卫生要求和法规要求的单元步骤来实现。根据本发明的这个方面的一个优选实施例，系统可设置成在一级或多个级中在周期性的、但可反向的、结垢或性能受损的模式下操作。所述级例如可在“存储和释放”模式下操作，以处理存在于进给流中的不可提取的物质或结垢成分。在操作过程中，根据本发明的这个方面，存在于进给流中的一种或多种成分、馏分或其它物质可被聚集到稀释物电解池中的珠粒、筛网或膜片的表面上，并且可在反向循环中将这种物质释放到浓缩流中。改良的清洁方案以及热、化学或其它置换机构可与这种反向操作一起使用，以改善这种工艺过程，并使个系统的处理单元长时间保持高性能水平。
附图简介结合权利要求和所示实施例的附图以及对操作或构造的代表性描述，从本文描述中可以理解本发明的这些和其它所需的特征及优势，其中
图1显示了一种不反向系统中的本发明的一个实施例。
图2A，2B和2C显示了一种“进给和渗出”反向系统中的本发明的一个实施例。
图3显示了作为反向系统的本发明的一个实施例，其中稀释流和“进给及渗出”浓缩物处于直通流动中。
图4A和4B显示了具有不同绞股线间隔的筛网的顶视图。
图5A和5B显示了具有相同整体厚度、但带有不同厚度的单根绞股线的筛网的边视图。
优选实施例的详细描述图1显示了根据本发明的系统的一个实施例。
该系统包括许多脱矿质单元3，9，10，11，12和13，例如电渗析或电去电离单元，它们各自从工艺进给流水线1中的待处理例如待脱矿质的流体流中接受进给。这些单元将至少部分脱矿质后的流返回到工艺进给流水线上，如图1中各单元的上端处的流体连接件所示。各单元需要浓缩流，通过如图1中所示的管道和端口而在各单元的下端接受该浓缩流，以便带走从进给流体中去除的盐、小分子或其它物质。词语“上”和“下”这里只是简单地参照附图来说的，并不意味着对单元本身、其端口或管道连接的几何形状或方位有任何限制，其是可以变化的。在各单元中，稀释流和浓缩流电解池设置成可捕集进给流中的离子，并将这样去除的离子传送到浓缩流中。总的说来，系统设置成一种分级系统。连续的单元接受沿着进给流方向在下游渐进的来自于管线1中的进给流，因此所接受的各进给流已经由位于管线1上游的前面单元至少进行了部分处理。浓缩物的运动通常在其它方向上进行。在下游端，沿着进给流水线1设置的单元11-13接受作为浓缩物输入的初始浓缩流，并将其更浓缩的输出引导到相反方向上。结果，进给方向上的上游单元接受到所谓的“下游”(因而通常更浓缩的)浓缩流体。在所示的实施例中，下游浓缩流包括已含有来自单元11-13的稀释物电解池中的矿物质的浓缩物，因而比进给至那些单元中的浓缩物输入更加浓缩。进给流通常从单元3向单元13行进，而浓缩流通常从单元13向单元3行进。因此，浓缩流穿过系统行进的整体方向(但不必是其在单个处理单元3，9-13中的方向)与进给流沿着处理流水线通过那些单元的方向或顺序是相反的。
各种处理单元，或公共处理单元组在本文中将称之为“级”，用语“级”指一组一个或多个单元，那些单元受制于共同的一组参数，这组参数影响其操作的电气、流体进给或其它操作方面。用语“电气级”将更具体地用于表示处理单元的集合，对于该组处理单元，这些单元的操作参数如电压或操作电流的设定值对于该级中的所有单元是同样有效的。在图1中，例如，单元3，9和10可作为一个级进行操作，而单元11-13形成另一级。如以下更全面地讨论地那样，各个级对应于工艺流体或进给流的略微不同的品质和/或处理过程。最好这些级还对应于操作因素的调整，其用于“调节”所述级中进行的处理。根据本发明，这些级沿着流水线1，按照大致降低进给流中的杂质含量(和导电率)，以及大致降低浓缩流中的矿物质含量(和导电率)的顺序来设置。在这个意义上，这两股流沿着处理流水线的长度是“匹配的”。虽然这种匹配并不是严格定量的，但是其对电解池上的电势形成了清楚界定的分配，使得各单元的操作不会出现不稳定，并且各单元3-13的操作可得以更精确地控制。
有利的是，系统中的脱矿质单元的这种配置可提高操作效率，并可扩展单个级或整个工艺的范围或品质。
如图1中所示，在本发明的第一系统中，待处理的进给流体作为进给流而流过液体管道1，并且至少一部分流体在压力下经由泵2而不驱动到第一单元或电气级3中的稀释物电解池内，在这里，流体在个单元中的一个或多个液压通道内至少进行部分脱矿质。在这一级中去除带电的化学物质，并在直流电场的影响下，通过可渗透的膜片所界定的稀释物电解池，而进入由单独的浓缩流进行冲洗的浓缩物电解池，同时经过部分处理的进给流则返回到工艺流水线1中，并继续行进。工艺流水线1可能非常大，并且/或者其内容物可在低的流率下前进，使得第一单元或级3可在任何给定的时间内只吸取并处理一部分进给流，从而可以使流体进行数次再循环。类似地，其它级9-13中的每一级都接受取自进给流1的流体，并对其进行至少部分脱矿质，这样，通过这些连续单元的处理，可逐渐使进给流变成较低矿质的流体。
工艺流水线的单元3，9-13设置在若干个具有不同总体性能的级中。所示由泵14驱动的浓缩物进给流穿过三个电气级11，12，13的浓缩物电解池，这三个级定位在进给管道处理流水线的下游端。这种浓缩流最初具有相对较低的导电率，其可相当于工艺管道1的下游端处的最终处理产品的导电率，但在浓缩流离开最后三个单元或电气级11，12，13之前，浓缩流将吸收矿物质并达到更高的导电率。浓缩流接下来流过浓缩流体返回管道15，在此处，其作为浓缩物输入而通过泵16而被抽吸到上游或前三个单元或电气级3，9，10中。在电气级3，9，10中，浓缩物吸取从进给流的上游部分去除的离子。这样，在作为最终浓缩物而经由浓缩物出口管道17而离开电气级3，9，10之前，其将变得更加浓缩。根据具体的进给物、处理工艺和预期产品，这种最终的浓缩物可作为预期产品或有用的副产品而被收集起来，或者至少部分地再循环到另一工艺过程中(例如发酵工艺或生物物质或成分回收工艺)，或者作为废物而被丢弃掉。
处理或进给流在与浓缩流的相反方向上行进。流体从公共进给管道1流入到单元3的稀释物电解池中，在那里进行处理并返回到管道1中，并继续行进(例如通过进给泵4-8)到下游电气级或单元9-13中，以便在沿着液体管道1作为处理后的产品流体而被收集或传出处理流水线之前，进行进一步脱矿质。进给物流入稀释物电解池的流率可通过控制系统(未示出)来控制，控制系统从一个或多个流体品质传感器如导电率计18中接收输入信号，并根据输入信号进行各种控制，以实现所需程度的脱矿质或物质去除。
类似地，流体流入浓缩物电解池的流率也可通过控制系统(未示出)来控制，控制系统从一个或多个浓缩物传感器如导电率计19中接收输入信号，并控制一个或多个操作参数，以实现所需程度的浓度。
单元3，9-13的电操作由控制器(未示出)来执行，其可施加合适水平的电势或驱动电流，以便对供应至各单元的进给物和浓缩物进行操作。这种控制最好是对包含一组处理单元的级是通用的，而非基于一个单元接着一个单元的基础上。
处理流水线可包括不同类型的脱矿质单元。这样，电气级或单元3，9，10可具有未填充的稀释物电解池，或者具有包含离子交换材料的稀释物电解池。类似地，电气级11，12和13可包含未填充的稀释物电解池，或者包含离子交换材料填料的稀释物电解池。一个单元或一个电气级中的稀释流和浓缩流可相互平行地在相同的方向(并流)、相反的方向(逆流)上流动，或者在某些设置中在相互横向交叉(横向流)的方向上流动。在单元采用比较具渗透性的异质膜片的情况下，或者在某种物质的浓缩或浓缩物的反扩散的情况下，优选采用逆流。在螺旋形ED单元中可形成单个单元中的横向流，但其并不普遍存在于工业平板式ED组的主要商业生产流水线上。另外，电气级可具有一个或多个串联的液压通道。例如，当级是EDI级时，其可包括两个串联或并联设置的EDI叠组。当某一级属于或包括EDI叠组时，该组还可设置成包含几个电解池的子组，各子组在其末端具有电极，并用作完整的一个叠组。子组的合适端口可互联，使得EDI叠组可作为两级EDI单元而操作，流体从第一电解池子组或子叠组移动到第二电解池子组或子叠组中。另外，这种设备的端口可连接成使得子叠组并行操作。给定的“电气级”可在级中单元的共用一组电气条件下进行操作，例如，一个或一组EDI单元根据基于其沿着进给线结构1的位置的控制数据，而都在共同的高电流密度下操作，或者都在共同的低电势和较小电流密度下操作。
可以注意到，通过使用两种明显不同水平或级别的浓缩流体，即由泵14抽吸到单元11，12和13中的起始较低导电率的浓缩物，以及之前已经更浓缩(在其滞留并穿过单元11，12和13的过程中)的并由泵16驱动以便借助于管线17为单元3，9和10提供最终浓缩物或产品浓缩物的流体，图1中所示的实施例可实现分级。位于多级处理流水线中的产品进给流的上游端的更高导电率的浓缩物的这种配置可使单元3，9，...在进给流1的上游部分中在尽可能更高的极限电流水平下更有效率地操作，而位于下游处理单元11，12，13处的产品和浓缩物的更高电阻导致在稀释物电解池和浓缩物电解池上提供了更稳定的电势分配，从而可使这些单元对部分脱矿质或提纯的进给流进行有效操作。例如，这种电气控制可使系统在没有过度水分解(否则这种水分解有可能由于不匹配的流体导电率而发生，并且可能使进给物的基本成分变性)的条件下操作，并且还可对存在于进给流水线1沿途各级进给物中的离子内容物的脱矿质工艺进行优化。这种改进的操作可适合于提高产品品质中的一种或多种品质，整体生产能力和系统的电效率。
图2A，2B，2C中显示了本发明的另一实施例。这个实施例可有利地体现在采用反向处理单元(EDR和/或EDIR)的多级进给流的工艺流水线上，并在一种“进给及渗出”的工艺过程中操作。在进给及渗出的结构中，进给至系统的进给速率控制成可在输出端提供满足规定标准如具有接近预定的导电率的产品渗出，而流过各级的流动可根据需要而发生变化，例如控制成一次或多次地和/或以变化的抽吸速率循环通过某一级，以便在沿着流水线1的给定点处达到预设品质或目标品质水平。
在这个实施例中，稀释物电解池的进给物流过液体进给管道30，并且通过第一进给泵31将其至少一部分经由阀51抽吸到第一电气级32中。部分脱矿质的流体离开级32的稀释物电解池并经由阀51而流回到流体管道30中。部分处理后的进给流继续沿着进给流水线30行进到下游处理级34，36，38，40中，并且通过泵33-39将进给物的另外部分经由相应的阀52-59而抽吸到相应的电气级34，36，38，40中，以进行进一步脱矿质。离开流体管道30的稀释流至少有一部分流过品质传感器，例如导电率计43，并可作为产品而被收集起来，或再循环到其它工艺中，或者根据应用要求而作为废物丢弃掉。品质传感器43的输出发送到控制系统(未示出)中，控制系统例如可调节稀释物进给流率，从而可使离开流体管道30的稀释流的导电率保持在大致预定的水平。同时，浓缩物歧管或进给管道44将浓缩物提供给处理单元32-40。在浓缩流的上游端，泵46将至少一部分浓缩物从浓缩物歧管44经由阀59抽吸到后一电气级40的浓缩物电解池中。这个部分就变成部分脱矿质的流，其离开级40的浓缩物电解池，并流回到浓缩流体管道44中，泵47-50从管道44中将浓缩物连续地泵送到相应的电气级38-32中。在这些级的每一级中，浓缩物进一步从进给物中吸取杂质，变成更具导电性，并通常也更富含非离子的但较小且易于扩散的分子。最终的浓缩流离开第一电气级32；浓缩物输出可作为产品来收集，再循环到其它工艺过程中，或作为废物丢弃掉。至少一部分浓缩物流过另一品质传感器，如导电率计45。控制系统(未示出)调节浓缩物的进给流率，使得最终的浓缩流在管道44的输出端保持在设定的品质或预定的浓度下。这种预定的浓度可以较高，例如，可将其设定成在浓缩物是预期产品的情况下可获得的最大值，或者控制系统可执行各种操作以将浓度限制为低于该最大值。例如，可以强加这种限制，以防止浓缩物的导电性产生浓缩物歧管的短路现象，否则这种短路将限制效率，引起过热，损坏单元的膜片或部件，或者有损于给定级中的稀释物/浓缩物电解池对的预期操作性能。
然而，在任何情况下，浓缩流朝着处理流水线的进给流入口端方向逐渐变得更加浓缩，而进给流随着其朝着位于管道1远端处的浓缩物管道的入口端移动时而逐渐变得被脱矿质。
通过将主要的进给流体流水线沿着ED级或处理单元而设置在接受流体流的相反方向上，那么整个产品处理流水线的布置就更加接近地与处理流水线各级单元中的进给物和浓缩物流的导电性相匹配，以实现稳定的电气控制，本申请人将这种处理流水线布置称为逆流处理流水线布置。这使得级的传递函数(例如，进给物的输入品质对进给物输出品质，其为电压和流量的函数)是极其稳定和清晰界定的，因此就可以快速确定整个处理工艺的控制顺序，并且在操作过程中，只需要对稀释和浓缩控制器进行相对较小的调整，即可使其以最佳的性能运行。应该懂得，在给定级中的稀释物电解池和浓缩物电解池内的流体的流动可采用彼此并流、逆流或其它关系的形式(例如彼此交叉、或部分平行并流、在遍及各电解池的流路的不同工艺段中彼此反向平行或交叉)。
根据本发明的使稀释物(或“进给物”)和浓缩物流逆流运动的工艺流水线可有利地操作，以减少进给流体中不带电的有机小分子的损耗。不带电的有机小分子通过扩散而穿过膜片，扩散速度是膜片渗透性、电渗水传递速率以及稀释流与浓缩流之间的浓度差的函数。电渗水传递速率是流经膜片的离子所携带的电流量的函数。浓缩流只是在最后级(如图1的级13或图2的级40)中略微富含小有机分子，这是因为在这级中所使用的电流是所有级中最低的。当浓缩物沿着其流动路径到达并经过较后级时，其获得了浓度逐渐提高的小有机分子。这种在浓缩物一侧的小分子浓度水平的提高就降低了稀释流和浓缩流之间的浓度差，从而阻碍了具有最大电流的初始进给级(3，32)中的扩散损耗。结果，减小了经处理的(管线1或30中的)产品流中的不带电有机小分子的损耗。
本发明的优选实施例采用带超过一个电气级的反向组形式，即EDR和/或EDIR处理单元，并可在级与级之间存在相位延迟的条件下操作，以执行处理单元的反向操作。
在处理单元传统的反向操作中，单元的电极性发生反向，并且操作合适的阀，以交换流入隔室的稀释流和盐水流；这改变了隔室的相应功能。也就是说，原来的稀释隔室用以接受浓缩流并用作浓缩物隔室，反之亦然。输出连接可能在稍微不同的时间进行切换，以允许(原来的)稀释流通过切换盐水而被推挤出去，并且整个地清洗电解池流的已经处理过的流动部分，或者可进行切换以防止原来的盐水进入产品输出端或工艺流水线1。电极极性的切换相对于输入流的切换还可存在相位差异。对于单独的组而言，EDR和EDIR的操作工艺是众所周知的，并构成了既定的工艺。本发明在大的工艺管道中还提供了另一“缓冲垫”，其允许进行切换操作，以便大大减少反向工艺过程必然引起的进给物损耗，或来自浓缩物的污染。
本发明采用其它步骤来实现多单元工艺流水线中的反向操作，多单元工艺流水线具有设置在级中的处理单元。单元的反向操作以便会在反向过程中导致出现一些不合规格的产品，其不能满足规格要求并且必须进行循环，或者送到废物槽中。对于采用许多液压级序列的本发明的系统而言，这种在级反向时潜在的问题或局限性通过反向电极性来解决，并且流体以如图2A，2B和2C中所示的相位延迟或顺序方式流过稀释隔室和浓缩隔室，与沿着进给物和浓缩物管道而通过或经过相应级的经处理流或浓缩流的切换过渡相协调。
图2A-2C显示了类似于图1中所示的系统的分级反向操作的相位，该系统具有沿着处理流水线延伸的公共进给管道30。在处理单元32，34的入口和出口设有多个阀，出于简明起见，其显示为四通阀51，52，53，54...。作为示例，阀51在一种“直通”模式下操作，将来自进给泵和浓缩泵31，50的压力管线分别连接到第一单元的稀释物和浓缩物歧管的入口上(图2A)，而阀52将这些歧管的出口互连回到进给线或浓缩线30，44上。各阀还可设置在横向流位置，以便将其两个入口(阀51)或出口(阀52)与稀释物及浓缩物歧管之间的连接进行互换，使得“稀释物”电解池接受并返回浓缩物，而“浓缩物”电解池接受进给流并对其进行脱矿质。本领域中的技术人员应该懂得，参照EDR或EDIR单元所使用的用语“稀释物”或“浓缩物”入口歧管和出口歧管是一种方便的速记形式，其简单地指对一组电解池的管系或其它连接，这组电解池最初被分别称为稀释物电解池或浓缩物电解池。实际上，用于反向操作的电解池构造，以及可选地用于反向操作单元的固定式歧管连接最好是对称的，并且每组电解池都可在两种功能模式的任一模式下工作。
现在返回到图2A-2C，图2A显示了一种多级系统，其具有逆流进给管线和浓缩管线30，44和换向阀51-60，换向阀51-60将管线30，44互连到相应的ED或EDI级32，34，36，38和40上，以进行反向操作。图中显示所有阀51-60都处于直通位置。各个阀都具有第二位置，称为横向位置，其中阀的两个入口端口各自与另一出口端口相连；例如，阀51在直通位置时可将加压的进给物管线和浓缩物管线分别连接在叠组32的稀释物电解池和浓缩物电解池上，而在横向位置时则连接在浓缩物和稀释物歧管上。类似地，出口阀52-60各自具有一种四端口、两位置的操作模式，其能够选择性地将稀释物和浓缩物出口连接在进给物管线和浓缩物管线上，或者连接在浓缩物管线和进给物管线上。因此，为了使流向第一级32的隔室中的稀释流和浓缩流反向，可将一个阀反向，从而将浓缩流连接到(原先的)稀释侧；之后，控制器在改变其它阀如52的状态之前，最好等待一段时间或等待一段流动延迟时间间隔，直到不合规格的产品即将离开第一级时为止，阀52可使稀释物和浓缩物与隔室的连接互换。此时还可使电极性反向。
图2B中显示了用于单元或级36的切换点，在级36的两个互换阀55，56设置在横向交叉状态之后，电极极性发生了反向。余下的下游级38，40仍将保持其初始的稀释/浓缩阀的设置，并且靠近这些级的主进给管道和浓缩管道以及在级36和级38之间行进的进给物和浓缩物段S包含与在下游单元32，34，36发生反向之前其所包含的流体相同品质的流体。然而，当反向处理后的进给物前端移动通过段S并接近泵37和阀67时，级38进行其反向顺序。后续各级都以类似的方式连续发生反向。图2C显示了当所有级全部反向时的阀状态。
最好根据叠组内容积以及级与级之间的管道容积，通过调整各级之间的反向时间间隔来实现相位反向，从而最大限度地减少不合规格的产品量。这种相位反向可手工或自动地实现，但实际上自动控制的手动调节是优选的。控制可在设定点后进行，设定值可以手工重设，之后通过适当的检测器进行跟踪，或者通过例如手工输入测量数据来改变，测量数据例如为进给流体的粘性，其可影响系统的切换过渡时间或者处理去除的水平。在其它实施例中，一个或多个包含定位在进给管线1，30中的导电率探针可提供输出信号给控制系统，控制系统为给定系统的尺寸和流量数据确定最佳的反向点，以达到一个或多个外在目标，例如使级出口处的品质变化保持在规定的阀值内。
图3中显示了本发明的另一实施例。这个实施例类似于针对图2A-2B所介绍的实施例，不同之处在于，反向的EDR和EDIR级处于针对稀释流的直通流体的配置下，而浓缩流是一种“进给和渗出”的配置。也就是说，进给物直接流过串联的各级，而并非在级与相邻进给管道之间循环，进给管道经过串联的各级。在这种情况下，来自进给管道30a的所有流都经过阀51，流经第一级32的稀释物电解池，并由阀离开。在最终产品流穿过导电率计43而离开最后级40之前，进给流继续连续地穿过系统其余部分中的各个单元。因此，并非如同图1或2中从较大的连续管道中吸取进给物那样，而是，进给路径沿着各单元的稀释物出口和下一单元的稀释物入口之间的不连续互连件而行。在这种并不完全对称的结构中，稀释物或进给物路径沿着多个互连段而行，而浓缩物沿着系统的长浓缩管线行进，这种并不完全对称的结构可用于采用了不对称反向循环的系统，而非采用了之前在反向操作中常用的完全对称的操作循环。已知优选的不对称反向操作模式是，在“储存并释放”的清洗循环过程中，稀释物电解池周期性地作为浓缩物电解池而操作，从而将积累在ED装置的膜片和/或填充树脂上的某些成分冲洗或冲刷掉的一种模式。在这种操作中，通过进一步提供合适的盐或化学注入系统，可有选择性地提高浓缩流的盐水平，这种系统可将受控的另外量的盐添加到反向流体中，以便有利地帮助分解并剥落积累的生物膜和其它物质。通过现有浓缩物盐度提供的所有或一部分较高浓度的盐会引起任何通过表面保持住的生物膜折皱并裂开，使其更易于脱落，并且还导致下层树脂收缩，形成更敞开的流动通道，使得反向后的电解池的回流清洗更加有效。进给管线设置成小的单独段的集合，这可保证在反向清洗操作模式过程中被反向冲洗的物质不会停滞或保留在较大的流动缓慢的管道中，而是被适当地快速驱逐出该段，并从系统中冲洗掉。
在这方面，在这种清洗级反向过程中从表面去除或冲洗掉的物质还可分流(例如通过额外的阀和管道连接)到反向冲洗/清洗槽中，或被分流到专用收集容器或系统中。当系统需要回收、浓缩和/或分离被洗去的成分时，后一方案尤其有利，这些成分例如为生物产品或其它产品，或者为返回到上游工艺过程如发酵工艺或中间工艺中的成分。当装置即将通过储存和释放机构来执行这种浓缩或回收操作时，EDI装置可构造成带有高达一英寸或更高的相对较厚的电解池，以增强其在不同次清洗之间的捕集能力。
根据本发明的另一方面，在一种用于在稀释流粘性不同于浓缩流粘性的情形下来处理流体的优选实施例中，采用了具有浓缩物和稀释物隔离件的单元，这种隔离件具有特别适合于在从入口至出口产生压力降的尺寸或流动阻力，在相应电解池内的预期有效流率下，该压力降在稀释物电解池和浓缩物电解池中基本上是相同的，这种压力受到例如流体的粘性和/或流动的影响。在食品工业流的处理工艺中，普遍会遇到这种流体粘性的差异，并且在大多数ED应用中都普遍存在不同的稀释流和浓缩流。因此，当浓缩流量只有稀释流量的5-10％时，仍然可调整系统中的单元电解池的尺寸，使得相邻电解池之间所引起的不同压力差不会使膜片受到过分应力，从而出现弯曲偏转或横向泄漏。通常说来，流率对于这两种电解池是类似的或不同的，并可通过适当的阀、加压装置或泵来进行设置或调整。
在限制范围内可改变隔离件的几种设计参数，以实现或促进膜片上的压力差最小化。为此目的而可以改变的一个合适的筛网参数是电解池隔离件的厚度。在存在筛网隔离件的情况下，提高筛网部件每单位长度上的绞股线数量也可用于增大通过电解池的流动路径上的压力降。图4A和4B显示了两个用于此目的的具有不同绞股线间距的筛网，一个网眼为大约2mm，另一个为大约8mm。增加作为筛网厚度百分比的单根绞股线的总厚度也可增大压力降。图5A和5B显示了具有相同整体厚度、但具有不同厚度的单根绞股线的筛网。图5B中所示的筛网设置成阻塞电解池的大部分截面积，并将比图5A中所示的筛网具有高得多的每单位长度上的压力降。这样，在本系统的一个级上采用的(ED或EDI)去电离单元可用其中一种前述变型来构成，以优化其在处理流水线的特定位置上的操作，或优化对特定流体产品的处理。
根据本发明，通过在不同级之间按比例分配处理食品糖浆或生物学流体，可使工艺处理过程在稳定且被很好控制的条件下进行，使得处理单元能在不发生不可逆结垢或性能下降的条件下操作。另外，诸如EDI等单元虽然传统上并不用于食品工业，但可快速去除某些成分如乳酸中的钙和磷酸盐离子或者将这些成分降低至较低点，从而可被有利地应用于处理一种或多种影响进给流体的味道或商业品质的特定物质或污染物。在本发明的系统中，使用设置在级中的不同单元可规定适当的终点特性(例如导电率、成分浓度等)以及可靠地获得规定的终点特性，而不需要大的固定交换床，或者产生与床再生相关的环境费用。另外，在处理级的EDI/EDIR单元中，可装填不同的专用树脂，以使ED操作更适合于进给物或用于改进处理工艺。
这样，虽然许多原本用于工业水处理的传统混合树脂EDI电解池填充物已经证明对于某些食物处理应用是有效的，但是这种填充物也是可以改变的，并使其适合于特定的工艺。在处理食物流体、尤其是相对较高粘性的流体如高果糖的谷物糖浆时，用于填充电去电离单元的珠粒可从用于特定工业的已经发展了数十年的与食品相容的交换珠粒中进行选择。这些珠粒包括许多阴离子和阳离子树脂，例如凝胶、不同类型的大孔树脂和大网孔树脂以及吸收剂和专用树脂，这些吸收剂和专用树脂在工业中已经发现对于执行去色、捕集特定污染物、稳定pH值等操作是有用的或必需的。在单独的单元或级中，可将一种或多种树脂分隔在整个装置流动路径的起始前端或后端部分中(例如用于调节pH值至或大或小的酸性水平)，或者以“斑马线”或其它带形图样的形式来设置，以实现对阴离子和阳离子的有效去除，同时保持大致稳定的pH值，或使流动路径上的电解池导电率保持稳定。专用树脂和树脂类型的混合物与电去电离单元的相容性是易于确定的，或者可通过适当调整工作电势来保证，如上所述，由于本发明中的进给流和浓缩流特性相匹配，因此就可以非常稳定的方式来控制操作电势。
另外，进入各级的流体还可针对该级中的处理工艺进行进一步的调节。因此，可沿着进给线或浓缩线来设置碱性或酸性的注入单元或生产单元，以调整进入某级中的流体的pH值，并添加或去除水或其它稀释剂，以便稀释或浓缩流体，并可与笼统的工艺流体分开地来添加调节剂或相互作用的离子，以便改变给定级中的处理效果。
这些系统的ED和EDI装置中所采用的阳离子和阴离子交换膜最好是均质的离子交换膜，例如那些由Ionics，Incorporated ofWatertownm Massachusetts公司生产的离子交换膜，其通常用于该公司的ED和EDI装置中。这些离子交换膜由于其较高的强度、相对免受泄漏和扩散移动的性能以及其通常较高的品质而被优选使用。然而，还可采用许多供应商所生产的异质膜片，其中存在适当的工艺差异或设备，以便适应其不同的功能和物理特性。
除了调节工艺参数以便在许多进给物和浓缩物性能相匹配的级中实现有效的处理操作之外，还必须清洗这些处理单元。预期填充的(EDI)单元具有特别容易结垢的被约束的电解池和树脂填料，因而特别难以清洗，这是因为不象具有更敞开流动路径的空电解池(ED)单元或可在湍流、高流量且无约束(流化)状态下进行清洗的离子交换床那样，而是，EDI装置将其交换珠粒保持相对紧密地包装在小的受约束的电解池中，流体流动通过该电解池或者经由填料的限制性间隙空间而被引导流动。
根据本发明的另一方面，本申请人已经发现，通过使用高盐反向清洗操作，可在处理流水线的ED单元的受约束处理室中有效地执行清洗操作。清洗方案最好采用提高的盐浓度和pH极限值，以及流动循环。这可作为如上所述的反向过程中的原位清洗(CIP)操作来实行，并在各种实施例中可包括添加碱、酸和/或盐的步骤。
在这样一种清洗方案中，通过在盐/酸步骤后应用盐/碱步骤，来进行稀释物电解池的CIP操作。首先应用标准的CIP方案(例如用于定期去除水处理EDI叠组中的坚硬物质)，但在单元性能方面几乎没有变化。例如，在EDI单元的制造商通常提供的操作手册中，可找到传统的清洗方案和处理程序的基本纲要，在这种情况下，EDI单元是Ionics的150电解池对型EDI叠组。已经发现，必须改变该处理程序。
接下来采用新的方案，改变三个参数，即，清洗循环中所采用的低pH值、高pH值和盐浓度。所采用的盐量对于每个组而言从75磅提高到150磅。具体的清洗方案如下用于食物工艺流(谷物糖浆)的EDI稀释物电解池的CIP在带5微米袋式过滤器和清洗流体槽的回路中，为流经该单元的循环而准备160加仑的清洗溶液。该叠组和管道的内部容积形成了循环回路中的另一40加仑的容量。150磅的盐被用于产生1.55N当量浓度的溶液。在大约30℃的温度下开始再循环操作，并添加盐，即，在40分钟的时间内添加35磅。盐的添加最初非常缓慢，以防止对树脂的渗透冲击。一旦完成盐添加，就开始添加HCL，以便将pH值降低到大约1左右，这由Myron-LModel 6型手持量计来测量。实际的pH值约为0.9。之后，溶液在20-25psi的进给压力下运行30分钟，之后倾倒到流体槽中，并将新的水分添加到160加仑的水平。
接下来，重新启动再循环，并添加额外的150磅的盐；由于树脂和膜片现在已经是处于盐中的形式，因此就可更快速地执行第二盐添加的操作。一旦已经添加了盐，在中等速率下手工添加NaOH，以将pH值升高到接近13，从而形成碱性盐溶液。pH值实际上稳定在大约12.8的pH值下，这同样由手持式量计来测量。之后在大约40℃温度下将碱性盐溶液再循环另一段30分钟时间。在继续再循环的同时，以进给并渗出的方法添加新鲜水分，以便逐渐降低盐浓度。次日早晨，将阀重新设定到正常位置，并且使该叠组首先在液压下操作若干小时，而后将其通电以冲洗出盐。清洗操作提高了产品流量，并降低了进给压力。如同叠组操作电流(安培)的增加所指示的那样，该叠组的电阻也降低了。
这样，通过采用相对较高的盐浓度执行CIP操作，该CIP操作就被认为通过某些机理而改善了生物膜和蛋白胶的分解，这些机理例如为交换珠粒的收缩、表面生物膜上的皱缩、脆化或其它影响、以及其它机理，例如置换出留在树脂中的坚硬物质等。膨胀交换树脂的收缩在清洗循环过程中提供了更畅流的条件，以改善流动洗涤，并从而使置换出或排出的物质可从稀释物电解池中传输出来。该清洗条件还采用了位于谱(spectrum)两端的相对极限的pH条件，其除了去结垢和清洗效果之外，还可用来清洁处理单元的内部流动间隙。这对于处理制药或食品工业的工艺流尤其有利，因为许多交换树脂所能承受的相对有限的温度范围使得热清洁只是在边界处有效，太过缓慢或者不实用。当ED级后跟随有EDI级时，如上所述的级中的工艺流水线的设置可实现更有效的清洁。
对于用高盐浓度进行的CIP处理而言，至少可部分通过浓缩流来提供盐浓度，但是，最好采用外来的盐来源(例如含更高的钠含量)，以便在清洗过程中实现更有效地软化和去除所积聚的硬离子。目前已经发现，高盐处理对于清洗生物污垢是有效的，在清洗过程中包括有清洗方案中的长时间浸泡或再循环步骤，以及执行酸性和碱性步骤，以及在电解池上施加合适电势的步骤，各一步骤也都显著地有助于清洗循环的有效性，并可避免长时间后的性能下降、结垢或产生水垢。
这种机理或反向清洗还可用作将进给流的处理机理，以便特别锁定进给物中的某种不易去除或可能结垢的成分，并通过一种“储存并释放”的工艺方法来分离那些成分。在这种情况下，例如，通过将阴离子交换树脂放置在处理电解池的上游以捕集蛋白质成分，那么，一个或多个相关的处理单元或级、例如第一级或第一单元就可特别设置成改善捕集操作。这种特意的前端生物污垢可捕集并去除填满的电解池的其余部分和任何下游单元或级前面的蛋白质/污垢剂。之后，当第一级或单元以反向模式操作时，释放所捕集的成分或可在CIP操作中去除该成分。除了将稀释流和浓缩流互换供应给稀释物电解池和浓缩物电解池之外，换向阀还可用来使通过电解池的流动方向发生反向，因而结垢的生物物质或其它所捕集的物质(例如结垢物质)被直接地(反向)排出，而无需进一步传递到填满的电解池中。在这种反向清洗过程中，由浓缩流冲洗掉的物质通过适当阀而被引导至废物槽或单独的储槽中，在那里，如果要保留浓缩流，就采用沉淀、过滤和/或其它步骤从浓缩流中去除分散的固体颗粒。如果需要回收时，还可执行该部分的回收操作。在这种情况下，系统通过传统的电渗析工艺来去除第一组成分，并将其捕集、离子传导和传输到浓缩流中，并在该级的反向过程中，第二组成分通过捕集而被除去，并且随后进行洗提，或直接物理式释放到浓缩流中。如上所述，在改进的包括酸和/碱浸泡及循环步骤的反向/清洗循环过程中，也可执行第二组工艺过程，在这种情况下，将所有或一部分流体与处理系统的正常浓缩物供应分离开，或者将其快速传递到废物槽中。
这样，本发明的分级系统为难以处理的进给流提供了新的分离和处理的可能性，其中，可实现高度稳定的电操作。因此，进给流本身可以品质分级的顺序来设置，而品质可在工艺流水线的入口和出口之间的一个或多个工位上进行调节或调整。不同的(ED或EDI)单元可用于优化分离和提纯操作，并且在流水线的EDI处理部分中，可采用不同类型的EDI单元，例如厚的电解池单元、薄的电解池单元、稀疏地填充的、分层填充的或带状填充的单元(参见如本申请人共有的国际申请PCT/US03？28815和其它公布的共有国际申请，这些专利的全部文件和公开通过引用而结合在本文中)。
因此，就公开了本发明并介绍了说明性的实施例，在不脱离本发明的范围和精神的条件下，本领域中的技术人员可以想到其它的变型和改型，所有这些变型和改型都被视为属于本说明书所述并由所附权利要求来限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于对流体流的成分执行连续处理、例如脱矿质、脱苦味、脱盐或进行其它分离或处理的流体处理流水线，其中，所述处理流水线包括多个电渗析处理单元，所述处理单元设置成可进行连接，以便接受待处理的进给流体的进给流，以及接受浓缩流体流，所述浓缩流体流可接受在所述处理单元的处理过程中从所述进给流中去除的物质，每个所述处理单元是可电连接的，以便将来自于所述进给流体流的所述物质离子式地传送到浓缩流体流中；多个流体连接件，其将所述级中的处理单元沿着所述处理流水线互连起来，使得进给流体按顺序地从第一级前进至一个或多个较后级，并且浓缩流在相反的方向上从所述处理流水线的后一级前进到一个或多个较前级，有效地使所述级中的进给物和浓缩物的特性相匹配，以便改进所述进给流体的处理，以用于生产经处理的产品。
2.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件允许所述所接受的流体流沿着与所述进给流相反的方向而流动，以便用于改善在沿着处理流水线的处理单元中的所述进给流和所述浓缩流的导电率的相匹配性，从而保证所述单元中的稳定电操作条件。
3.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件产生了接受流体的逆流，其可用于提高从所述进给流体中去除成分的能力或用于提高使成分反扩散到所述进给流体中的能力。
4.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件产生了接受流体的逆流，其可有效地用于抑制所述进给流体中的成分(例如小分子)通过所述处理单元的膜片的扩散损耗。
5.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理单元包括EDI单元。
6.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理单元包括ED单元。
7.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理单元包括一个或多个ED单元以及一个或多个EDI单元。
8.根据权利要求7所述的流体处理流水线，其特征在于，所述ED单元中的至少一些ED单元处在与所述EDI单元中的至少一些EDI单元不同的级中，并且位于所述处理流水线中的所述EDI单元的上游。
9.根据权利要求1或2所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理单元设置在多个电气级中，所述电气级被外加上不同的电势，以便用于同时提高沿着所述处理流水线的所述进给流体的品质和流量。
10.根据权利要求1或9所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件包括一个或多个阀，其可操作以便控制流量，以便实现至少一部分单元的反向操作。
11.根据权利要求1，9或10所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件包括公共进给管道和至少一个泵，所述泵可操作，以便在所述进给流体沿着所述处理流水线移动时，用于使所述进给流体从所述公共进给管道循环至某一级并返回到所述管道中。
12.根据权利要求1或9所述的流体处理流水线，其特征在于，所述互连件包括至少一个泵，所述泵可操作，以便在浓缩流在相反方向上沿着所述处理流水线行进时，用于使所述浓缩流体从公共管道通过某一级的单元并循环返回到所述公共管道。
13.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理流水线包括至少一个可操作以便检测所述进给流品质的传感器，以及可响应于所述传感器而操作以便控制阀或泵的控制器。
14.根据权利要求1或13所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理流水线还包括可操作以便检测浓缩物特性的检测器，以及可响应于所述检测器而用于控制所述处理流水线的操作的控制器。
15.根据权利要求10所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理流水线还包括一种控制器，所述控制器可操作，以便在至少其中一些所述单元的反向操作过程中，用于实现所述单元和进给管线之间的流体连接件的相位互换，从而增加产品回收，同时保持产品品质。
16.根据权利要求1，10或15所述的流体处理流水线，其特征在于，所述控制器在相位反向的过程中进行电解池的清洗，以便从所述单元上冲洗掉所积聚的物质。
17.根据权利要求16所述的流体处理流水线，其特征在于，所述清洗包括用浓缩的盐清洗，以便从所述单元中的树脂表面上有效地除去生物污垢。
18.根据权利要求1所述的流体处理流水线，其特征在于，所述处理流水线包括公共浓缩管线，并且至少其中一些所述单元是反向单元，所述互连件包括多个换向阀，其可操作以便将所述反向单元的稀释流和浓缩流进行互换，其中，一种控制器可操作，以便选择性地进行单元的反向操作，从而执行一种清洗方案，其将所述单元的电解池中所积累的污垢反向冲洗到例如所述公共浓缩管线中。
19.根据权利要求18所述的流体处理流水线，其特征在于，所述清洗方案利用1.0N以上当量浓度的盐溶液来进行操作，以便清洗表面并恢复通过所述单元电解池的流动。
20.根据权利要求18所述的流体处理流水线，其特征在于，所述清洗方案包括，在液压反向过程中使盐溶液可选择性地在一个或多个pH极限值下通过所述单元进行再循环的步骤。
21.根据权利要求18所述的流体处理流水线，其特征在于，所述清洗方案包括，在反向过程中使流体再循环的步骤，以便分裂并去除表面膜，并将所去除的表面膜冲洗到所述公共浓缩管线中或废物槽中。
22.一种用于处理生物性进给流的工艺方法，这种工艺方法包括以下步骤使所述进给流体通过电渗析单元，从而对所述进给流进行处理以去除其成分，其中，所述电渗析单元包括填充式电解池电渗析(EDI)单元的级，并且执行所述工艺方法，以便通过至少其中一个所述单元的正常操作来去除所述进给流的第一成分，以便将所述第一成分传送到浓缩流中，同时在交换树脂之上或之中捕集第二成分，以及在所述至少一个单元的反向操作或清洗操作模式的过程中，释放或反向冲洗所述第二成分。
23.根据权利要求22所述的工艺方法，其特征在于，EDI单元具有电解池，所述电解池带有位于所述电解池上游端的第一交换树脂填料和位于所述电解池下游部分的第二树脂填料，所述第一和第二填料是不同的，并且所述第一填料通过去垢、酸化等处理来调节所述第二填料之前的流。
24.根据权利要求22所述的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法利用一种厚的电解池储存及释放EDI反向单元来执行。
25.一种处理系统，其包括设置在多个级中的多个电渗析单元，各电渗析单元接受待处理的进给流和浓缩流，其中，至少一个级包括一个或多个填充电解池电渗析(EDI)单元，并且所述进给流以与所述浓缩流相反的顺序而流过所述多个级。
26.根据权利要求25所述的处理系统，其特征在于，所述处理系统设置成可使所述单元中的进给流和浓缩流的特性平衡。
27.根据权利要求26所述的处理系统，其特征在于，所述特性包括导电率或电阻、流体压力和流体成分浓度中的一个或多个特性。
全文摘要
一种用于对源自生物的进给流进行连续去电离的处理系统和方法，包括多个沿着处理流水线分多级设置的电渗析单元(3，9，10，11，12，13)，所述的这些级是受控制的，使得进给流在进入下一级之前可获得一定的品质。进给流和浓缩流在通常相反的方向上沿着流水线移动，从而使稀释物电解池和浓缩物电解池的流体特性相匹配。处理流水线具有两个或多个级。系统可具有相位分级操作，并且电解池的构造使得电渗析单元适于改善难以处理的流体的工艺方法。控制器设定不同电气级中的操作电势，并且简单的控制参数可优化离子去除能力和电流效率，同时不会引起流体极化。本发明还包括反向操作的相位分级，并且电解池的构造或填充物使得处理电解池适于改进处理工艺。
文档编号C02F1/469GK1871059SQ200480031563
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月27日 优先权日2003年10月27日
发明者B·巴彻尔德, L·张, W·W·卡森 申请人:Ge爱奥尼克斯公司