一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统及使用方法与流程

本发明属于膜清洗技术领域，尤其涉及一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统及使用方法。

背景技术：

无机陶瓷膜被验证可以应用到生物发酵工艺中，对发酵液起到过滤的作用，一方面截留发酵液中的菌体，起到提高菌体浓度的作用，另一方面滤出的清液参与到下一个工艺环节中。但是在中试试验中陶瓷膜的清洗方法不佳，这就势必会影响到商业化生产陶瓷膜工艺的设计。

无机陶瓷膜在生物发酵工艺中要求为恒流变压的方式运行，即在一定的入口压力和温度条件下，保持清液的采出量恒定。由于陶瓷膜不断的截留菌体滤出清液，膜内通道会慢慢污染堵塞，清液侧的压力会慢慢降低。当清液的流量无法达到目标值时，说明陶瓷膜污染严重，需要进行清洗。

陶瓷膜在其他领域有广泛的应用，而且陶瓷膜的清洗不是难题，有常规的清洗工艺和清洗剂。但是针对应用于发酵液物料的陶瓷膜，常规的清洗方法无法对陶瓷膜进行清洗，清洗效果很差，膜通量无法恢复，很难再重复进行高效的使用。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统及使用方法，可对生物发酵用陶瓷膜有效的清洗，使得膜通量恢复，实现陶瓷膜的再生与可重复性利用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统，至少包括：

清洗容器，用于容纳清洗剂，包括容纳软水清洗剂的至少一第一时间段、次氯酸钠清洗剂的至少一第二时间段及氢氧化钠清洗剂的至少一第三时间段；

清洗回路，分别与所述清洗容器和所述陶瓷膜连接，用于清洗剂在所述清洗容器和所述陶瓷膜之间流通；所述清洗回路包括软水反洗回路、次氯酸钠反洗回路、氢氧化钠反洗回路及氢氧化钠正洗回路；

清洗泵，与所述清洗容器连接，用于提供动力使得清洗剂在清洗回路中流动。

作为进一步的优选，所述清洗容器还连接有蒸汽管道，用于蒸汽通入所述清洗容器中加热清洗剂。

作为进一步的优选，所述清洗系统还包括排污管道，与所述陶瓷膜浓液侧的出口连通，用于将流经陶瓷膜后的清洗剂排出；所述清洗容器还设置有排污口。

作为进一步的优选，所述清洗回路为循环清洗回路。

作为进一步的优选，所述软水反洗回路包括清洗容器与陶瓷膜清液侧的进口之间的通路以及排污管道通路，所述排污管道通路与陶瓷膜浓液侧的出口连通。

作为进一步的优选，所述次氯酸钠反洗回路和氢氧化钠反洗回路包括清洗容器与陶瓷膜清液侧的进口之间的通路以及陶瓷膜浓液侧的出口与清洗容器之间的通路。

作为进一步的优选，所述氢氧化钠正洗回路包括清洗容器与陶瓷膜进料管口之间的通路以及陶瓷膜浓液侧的出口与清洗容器之间的通路。

作为进一步的优选，所述陶瓷膜应用于工业煤气利用生物发酵法制燃料乙醇的工艺中。

一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

作为进一步的优选，所述次氯酸钠溶液和氢氧化钠溶液反冲洗陶瓷膜后，得到的污染物从所述清洗容器的排污口排出。

作为进一步的优选，所述次氯酸钠溶液的浓度为0.5-1.0％(v/v)，有效氯含量为8-12％，所述氢氧化钠的浓度为2-3％(w/w)。

作为进一步的优选，所述次氯酸钠溶液反冲洗时，所述次氯酸钠溶液的温度为35-45℃；所述氢氧化钠溶液反冲洗时，所述氢氧化钠溶液的温度为50-70℃。

作为进一步的优选，所述软水的一次反冲洗时间为5-15min，所述次氯酸钠溶液的反冲洗时间为5-15min，所述氢氧化钠溶液的反冲洗时间为5-15min，所述氢氧化钠溶液的正冲洗时间为20-40min。

本发明的有益效果是：

(1)由菌体浓度较高的发酵液污染过的陶瓷膜，经过本发明软水反洗、次氯酸钠反洗、氢氧化钠反洗、氢氧化钠正洗以及软水反洗的步骤，能对生物发酵用陶瓷膜有效的清洗，可实现陶瓷膜通量的完全恢复，解决了陶瓷膜应用于生物发酵领域时难清洗的问题。

(2)本发明采用的清洗泵，较常规的陶瓷膜清洗工艺相比较，在循环清洗泵的选择上无需选择大功率、大流量的泵，可以降低成本。

(3)本发明清洗剂使用的是较常用的氢氧化钠、次氯酸钠两种化学品，且浓度要求低，可节约化学品的投入。

(4)排出的污染物可加装化学品回收的储罐，进行重复利用，进一步降低投入。

(5)本发明的陶瓷膜得到良好效果的清洗后，通量彻底恢复，可实现在生物发酵工艺中的重复使用，并保证固定的使用周期，不会衰减过快，从而影响发酵生产。

附图说明

图1为本发明实施例生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法的流程示意图。

图2为本发明实施例1生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明通过提供一种生物发酵用陶瓷膜的清洗系统及使用方法，采用软水反洗、次氯酸钠反洗、氢氧化钠反洗、氢氧化钠正洗以及软水反洗的步骤有效的清洗了由菌体浓度较高的发酵液污染过的陶瓷膜，实现了陶瓷膜通量的完全恢复，解决了陶瓷膜应用于生物发酵领域时难清洗的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例的主要思路如下：

本发明实施例生物发酵用陶瓷膜的清洗系统，至少包括：

清洗容器，用于容纳清洗剂，包括容纳软水清洗剂的至少一第一时间段、次氯酸钠清洗剂的至少一第二时间段及氢氧化钠清洗剂的至少一第三时间段；

清洗回路，分别与清洗容器和陶瓷膜连接，用于清洗剂流通；所述清洗回路包括软水反洗回路、次氯酸钠反洗回路、氢氧化钠反洗回路及氢氧化钠正洗回路；

清洗泵，与所述清洗容器连接，用于提供动力使得清洗剂流动。

如图1所示，本发明实施例生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

S01:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

S02:清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

S03:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

S04:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

S05:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

发酵液的主要特性如下：菌体浓度高，28g/L左右；气含量较高，10—17％；粘度约为1.3，另外含有乙醇、乙酸等物质。要求清液中不含有菌体。由于发酵液的特殊性质，生物发酵用陶瓷膜较制药、废水处理等其他领域使用的陶瓷膜更不易清洗。

常规的清洗工艺仅为正洗，即在清洗罐内注入相应的清洗剂，例如水、碱、酸等，开启清洗泵，经过管道进入陶瓷膜，再返回清洗罐，进行循环清洗。正洗是让清洗液从陶瓷膜进料管线进入，从浓液出口排出，即清洗膜通道，不穿过膜层。对于过滤了发酵液的陶瓷膜而言，这种方法只能将膜通道表面上的物质冲洗掉，无法清洗膜层内部的物质，所以清洗后膜的通量无法恢复，清洗效果差。

本发明实施例改变了常规的陶瓷膜清洗工艺，采用反洗与正洗步骤结合以及调整了清洗剂种类、浓度及温度等因素，清洗效果好；所谓反洗，即让清洗剂液体从清液侧管道进入膜，穿过膜层，排出陶瓷膜。本发明实施例选用的清洗剂为软水、次氯酸钠溶液以及氢氧化钠溶液，本发明实施例在清洗容器中通入蒸汽用于加热清洗剂，加热提高了清洗剂的清洗效果；所述次氯酸钠溶液在浓度为0.5-1.0％(v/v)，有效氯含量为8-12％，温度为35-45℃时，效果最佳；所述氢氧化钠在浓度为2-3％(w/w)以及温度为50-70℃时效果最佳。

本发明实施例与合适功率的循环清洗泵结合，可使清洗时间短，清洗效率高。可为工业化生产的设计提供有力依据，有效降低投资成本。

本发明实施例陶瓷膜正常使用时需关闭所有清洗回路上的阀门和清洗泵，使陶瓷膜处于在线状态，用于发酵液的过滤。发酵液经过陶瓷膜后产生的清液去下一工艺系统，浓液返回到发酵罐内。当陶瓷膜需要清洗时，要关闭与发酵系统相连管道上的阀门及清液侧的阀门，使陶瓷膜处于离线状态。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

实施例1

本发明实施例1生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

S101:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

如图1和图2所示，将无机陶瓷膜切换至离线状态，即关闭HV01、HV02、HV04。在清洗容器内注入软水后，打开HV03、HV10，形成软水反洗回路，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗。一直冲洗至经HV10排出的液体无发酵液的颜色，近乎透明为止，通常为10分钟，取决于清洗泵的大小。所谓反洗，就是让清洗剂容易起液从清液侧管道进入膜，穿过膜层，排出陶瓷膜。

S102:清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

配制0.5％(v/v)次氯酸钠(有效氯含量8％)和2％(w/w)氢氧化钠。打开HV03、HV06、HV07，关闭HV05、HV10；首先在清洗容器内加入次氯酸钠，用蒸汽慢慢升温至40℃，开启循环清洗泵，使液体经HV03、HV06、HV07管道进行循环清洗10分钟，形成次氯酸钠反洗回路。

S103:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

再在清洗容器内加入氢氧化钠，使得氢氧化钠浓度的为2％(w/w)，用蒸汽慢慢加热至60℃左右，开启循环清洗泵，循环清洗10分钟，形成氢氧化钠反洗回路。

S104:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

更改阀门状态，打开HV05，关闭HV03，其他阀门状态不变，使用上一步骤中60℃的氢氧化钠溶液，开启循环清洗泵，使液体经过HV05、HV06、HV07管道循环清洗进行正洗30分钟左右，形成氢氧化钠正洗回路。所谓正洗，就是让清洗剂溶液从陶瓷膜进料管线进入，从浓液出口排出，即清洗膜通道，不穿过膜层。

S105:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

在清洗罐内注入软水后，打开HV03、HV10，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗，形成软水反洗回路，冲洗至PH为中性即可。

实施例2

本发明实施例2生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

S201:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

如图1和图2所示，将无机陶瓷膜切换至离线状态，即关闭HV01、HV02、HV04。在清洗容器内注入软水后，打开HV03、HV10，形成软水反洗回路，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗。一直冲洗至经HV10排出的液体无发酵液的颜色，近乎透明为止，通常为5分钟，取决于清洗泵的大小。HV10处可加装排污管道，也可加装化学品回收的储罐。所谓反洗，就是让清洗剂容易起液从清液侧管道进入膜，穿过膜层，排出陶瓷膜。

S202:清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

配制1.0％(v/v)次氯酸钠(有效氯含量12％)和3％(w/w)氢氧化钠。打开HV03、HV06、HV07，关闭HV05、HV10；首先在清洗容器内加入次氯酸钠，用蒸汽慢慢升温至45℃，开启循环清洗泵，使液体经HV03、HV06、HV07管道进行循环清洗5分钟，从清洗容器的排污口排掉，形成次氯酸钠反洗回路。

S203:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

再在清洗容器内加入氢氧化钠，使得氢氧化钠浓度的为3％(w/w)，用蒸汽慢慢加热至70℃左右，开启循环清洗泵，循环清洗5分钟，形成氢氧化钠反洗回路。

S204:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

更改阀门状态，打开HV05，关闭HV03，其他阀门状态不变，使用上一步骤中70℃的氢氧化钠溶液，开启循环清洗泵，使液体经过HV05、HV06、HV07管道循环清洗进行正洗40分钟左右，形成氢氧化钠正洗回路。所谓正洗，就是让清洗剂溶液从陶瓷膜进料管线进入，从浓液出口排出，即清洗膜通道，不穿过膜层。

S205:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

在清洗罐内注入软水后，打开HV03、HV10，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗，形成软水反洗回路，冲洗至PH为中性即可。

实施例3

本发明实施例3生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

S301:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

如图1和图2所示，将无机陶瓷膜切换至离线状态，即关闭HV01、HV02、HV04。在清洗容器内注入软水后，打开HV03、HV10，形成软水反洗回路，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗。一直冲洗至经HV10排出的液体无发酵液的颜色，近乎透明为止，通常为15分钟，取决于清洗泵的大小。所谓反洗，就是让清洗剂容易起液从清液侧管道进入膜，穿过膜层，排出陶瓷膜。

S302:清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

配制0.8％(v/v)次氯酸钠(有效氯含量10％)和2.5％(w/w)氢氧化钠。打开HV03、HV06、HV07，关闭HV05、HV10；首先在清洗容器内加入次氯酸钠，用蒸汽慢慢升温至35℃，开启循环清洗泵，使液体经HV03、HV06、HV07管道进行循环清洗15分钟，从清洗容器的排污口排掉，形成次氯酸钠反洗回路。

S303:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

再在清洗容器内加入氢氧化钠，使得氢氧化钠浓度的为2.5％(w/w)，用蒸汽慢慢加热至50℃左右，开启循环清洗泵，循环清洗15分钟，形成氢氧化钠反洗回路。

S304:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

更改阀门状态，打开HV05，关闭HV03，其他阀门状态不变，使用上一步骤中50℃的氢氧化钠溶液，开启循环清洗泵，使液体经过HV05、HV06、HV07管道循环清洗进行正洗20分钟左右，形成氢氧化钠正洗回路。所谓正洗，就是让清洗剂溶液从陶瓷膜进料管线进入，从浓液出口排出，即清洗膜通道，不穿过膜层。

S305:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

在清洗罐内注入软水后，打开HV03、HV10，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗，形成软水反洗回路，冲洗至PH为中性即可。

实施例4

本发明实施例4生物发酵用陶瓷膜的清洗系统的使用方法，包括如下步骤：

S401:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

如图1和图2所示，将无机陶瓷膜切换至离线状态，即关闭HV01、HV02、HV04。在清洗容器内注入软水后，打开HV03、HV10，形成软水反洗回路，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗。一直冲洗至经HV10排出的液体无发酵液的颜色，近乎透明为止，通常为15分钟，取决于清洗泵的大小。所谓反洗，就是让清洗剂容易起液从清液侧管道进入膜，穿过膜层，排出陶瓷膜。

S402:清洗容器中的次氯酸钠溶液通过次氯酸钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

配制1.0％(v/v)次氯酸钠(有效氯含量12％)和3％(w/w)氢氧化钠。打开HV03、HV06、HV07，关闭HV05、HV10；首先在清洗容器内加入常温的次氯酸钠，开启循环清洗泵，使液体经HV03、HV06、HV07管道进行循环清洗15分钟，形成次氯酸钠反洗回路。

S403:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗；

再在清洗容器内加入氢氧化钠，使得氢氧化钠的浓度为3％(w/w)，开启循环清洗泵，循环清洗15分钟，形成氢氧化钠反洗回路。

S404:清洗容器中的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠正洗回路对陶瓷膜进行正冲洗；

更改阀门状态，打开HV05，关闭HV03，其他阀门状态不变，使用上一步骤中常温的氢氧化钠溶液，开启循环清洗泵，使液体经过HV05、HV06、HV07管道循环清洗进行正洗40分钟左右，形成氢氧化钠正洗回路。所谓正洗，就是让清洗剂溶液从陶瓷膜进料管线进入，从浓液出口排出，即清洗膜通道，不穿过膜层。

S405:清洗容器中的软水通过软水反洗回路对陶瓷膜进行反冲洗。

在清洗罐内注入软水后，打开HV03、HV10，关闭其他阀门，开启清洗泵，用软水对陶瓷膜进行反冲洗，形成软水反洗回路，冲洗至PH为中性即可。

对比例

采用正洗清洗工艺，在清洗容器内注入相应的清洗剂，所述清洗剂包括水、质量浓度为3-5％的硝酸及质量浓度为3-5％的氢氧化钠，开启清洗泵依次进行水洗、酸洗、碱洗、水洗，一次水洗的时间为30-60min，酸洗时间为60-90min，碱洗时间为60-90min，经过HV05管道进入陶瓷膜，从HV06和HV07管道返回清洗容器，进行循环清洗。

在工业煤气利用生物发酵法制燃料乙醇的工艺生产或中试中，应用本实施例1-4清洗方法来清洗发酵液用的无机陶瓷膜时，均达到较好的清洗效果，实施例4较实施例1-3效果稍微差点，但是在比较短的清洗时间内均可恢复膜通量，实现陶瓷膜的再生与可重复性利用。而对比例只能将膜通道表面上的物质冲洗掉，无法清洗膜层内部的物质，所以清洗后膜的通量无法恢复，清洗效果差。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

(1)由菌体浓度较高的发酵液污染过的陶瓷膜，经过本发明软水反洗、次氯酸钠反洗、氢氧化钠反洗、氢氧化钠正洗以及软水反洗的步骤，能对生物发酵用陶瓷膜有效的清洗，可实现陶瓷膜通量的完全恢复，解决了陶瓷膜应用于生物发酵领域时难清洗的问题。

(2)本发明采用的清洗泵，较常规的陶瓷膜清洗工艺相比较，在循环清洗泵的选择上无需选择大功率、大流量的泵，可以降低成本。

(3)本发明清洗剂使用的是较常用的氢氧化钠、次氯酸钠两种化学品，且浓度要求低，可节约化学品的投入。

(4)排出的污染物可加装化学品回收的储罐，进行重复利用，进一步降低投入。

(5)本发明的陶瓷膜得到良好效果的清洗后，通量彻底恢复，可实现在生物发酵工艺中的重复使用，并保证固定的使用周期，不会衰减过快，从而影响发酵生产。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。