本发明所属技艺领域，有关将液体加压，通过半渗透膜，分离成为若干部分，即所谓的超滤法，具体是有关执行这种任务所用的装置。

超滤法是将液体加压，通过半渗透膜，分离成若干部分的方法的一般称谓。通过适当选择滤膜材料，便可能根据分子量分离液体，取得纯度极高的过滤物。这类方法在许多工业领域中应用广泛，例如用于干酪制造，将奶液分离成乳清及初步奶酪制品，又如用于将发酵培养基浓缩为抗生素。

识别本发明在技艺领域中的地位，有两个将点很重要。第一，在领域中将过滤方法分为微过滤，超过滤和反渗透。这些方法之间的区别，主要根据使用的滤膜的孔眼尺寸和装置的工作压力。微过滤用相对大孔眼（0.02-2.0微米）和低压力（30-150磅/英寸2）工作。反渗透的工作孔眼尺寸在5-15埃范围，到分子和离子尺寸范围（分子量在150以下），压力在200-1000磅/英寸2。超滤法在两种方法的数据之间工作，分子量的极限在200至350，000之间，滤孔直径在约10至1000埃之间。虽然本发明理想实施方案主要侧重于超滤法，但同样也适合于微滤法，在反渗透设备中也适用。

其次，超滤技术领域包括若干将液体分离为若干部分的装置。首先应理解到超滤的运转方式和“过滤”法不相似，在“过滤”法中，液体从横放在流路中的过滤器中通过，过滤器将无用的固体阻拦，目的是取得澄清的液体输出。而超滤法是将液体放在半渗透膜的条件下，将基本液体分离为两个部分;一部分液体（称为过滤物）从膜中通过，另一部 分留在基本液流内，称为滤余物。因此，超滤系统是将基本液在过滤装置上越过，而不从过滤装置中通过。并且，取决于具体应用，将其一部分或另一部分可作为过程的有用产品。例如，在干酪制造中，有用产品为滤余物（初步奶酪液），而在果汁制造中，成品是过滤物，即澄清果汁。

在技艺领域中曾有许多超滤方法提出。本发明主要涉及的是，属于“板框式”超滤类的方法，在这方法中，有一组板支持半渗透膜，将基本液在膜上流过而过滤。在其他的方法中有螺旋卷式装置，膜将一根多孔收集管包围，基本液沿管的纵向通过。膜也可以是管形，基本液在管内通过，过滤物从管壁通过，用膜的外壳收集。否则也可用中空纤维膜，在管形壳中有一束中空纤维膜。基本液从纤维芯中通过，过滤物从围绕纤维的通道中收集。这些方法的缺点，在和本发明比较时，凡熟悉本技艺领域者可以清楚看出。

板框法之是否理想，当然取决于是否能给基本液提供大过滤面积，使用滤膜支持件，将滤膜材料放在板的两侧，板叠放成垛在本领域中已属已知。这种叠垛一般设有基本液的输入通道和输出通道，设置在叠垛的相对两侧，使液体可以流到一块板的一侧，再到相邻板的膜之间，使基本液在加压下紧触滤膜表面，进行超滤。由于在系统中通过一次一般不足将需要的成分完全提尽，一般将滤余物通过超滤装置再循环若干次。此外，在已知的方法中有将叠垛分成若干组合件的，各组合件有输入通道及输出通道，从而液体在组合件的全部支持件的滤膜上，平行流过，从一个组合件的输出通道，流到下一组合件的输入通道。

目前已有的设备显示了许多问题。对超滤设备的评价，以两个标准作基础-浓缩比-反映基本液加工所能达到的最大浓缩度（定义为基本液的初始体积和加工后体积的比例），和流率-定义为单位时间中过滤物从给定滤膜面积中通过的量，一般用GFD表示，即每平方英尺 在每日中通过的过滤物加仑数。这两参数决定在某一应用中使用的超滤装置的规格。

先有技术领域中提出的典型装置是一种椭球体，如颁发麦德森（Madsen）的美国专利第3，872，015号所揭示。如所揭示，该装置和上述的相似，每一板形件有椭球体形状。每一板还有两个开口，在长轴的两端附近形成，因此，当用定位螺栓从对正的孔中穿过，形成一个叠垛，进口通道和出口通道便也形成。板表面上有一条弧形槽，从一个开口伸到另一开口。这些槽一般可说成是形成了一组同心椭圆，周缘逐个减小。有阻挡件放在有周期性间隔的元件一个开口中，把叠垛分成组合件，如上文所讨论。

基本液从组合件的进口通道中通过，流入相邻膜之间的间隙中。基本液的流体压力，把两个膜向相应的板表面压迫，从而液体在相当于表面槽的槽道中流动。假如全部槽道起点的液压都相同，外槽道的流程则比内槽道的流程大很多，从流体动力学的基本原理，可令人相到内槽道中的流速，比外槽道的流速大很多。这种想法在运转中得到证实。滤余物的粘滞性增高时，外槽道中的流速减低，最后减低为零，槽道便堵塞。相对短的内槽道实际上使流线谱“短路”，通过这系统的再循环次数增加后，基本液的浓度增高，“短路”便持续。

本专利的受授人为了把这问题减轻，把板的中部除去，剩下一个椭圆体的环，并增加外（长）槽道的深度。这设计并未改善堵塞问题，而付出的代价是输出减少（滤膜的面积减小）和成本增高（因为膜材料的生产率低-除去的中间部分无其他用途）。此外，从观察这设计可发现，流速不均匀导致无法肯定哪条通道先堵塞，因为有时内槽道堵塞，有时外槽道堵塞。这设计中的问题直接来源于设置了长度不等的槽道，在这种结构形式中似乎是必然的。

另一种方法在颁发布来塞（Breysse）的美国专利第Re，30，632号 （美国专利第3，831，763号的再颁）中有揭示。这设计的基本构造与上述相似，但板是矩形，有连接件放在相邻板之间，以提高密封，并确定基本液流入的板间空间的范围。每板有两个开口，形成进口和出口通道，中间板只有一个开口，中间板把板垛分成若干分组合件。一块板的两侧表面上各形成一个凹陷，凹陷中放填充材料，以利收集过滤物，膜放在这材料上面。这设计的一种变化形式曾由本专利的受授人提出过，用突起的隆脊作取代，在凹陷的表面上形成，横过凹陷。

这设计用于粘滞性变化很大的领域中时，有两个问题出现。首先，因为在每一板的外边缘设置连接件（典型为垫片），便限制了引入进口通道中的基本液体的压力。当然这种限制约束了总流速和最后的输出。

这种设计不能防止基本液中的固体沉积，尤其用于高粘滞性时。和前面的设计相似，问题发生于流体动力学的基本原理。槽道中流速不均匀是常见的，但槽道一侧和槽道另一侧有不同的流速分布。槽道边缘的流速最低（事实上在和槽壁接触的附面层中流速为零）。并且，横过槽道的流速差异与液体的粘滞性有关（粘滞性越高速差越大），也和槽道的尺寸有关（槽道越宽，流速降低很大的区域越明显）。这些理论上的预测又可在实践中看出。应用于抗生素时，基本液中含有高量的悬浮固体，在这器件边缘的培养基流速，不足以避免沉积，而向着每块板的中心，把流动逐渐向一个小面积约束。于是因过滤物的流量减少，并因增加了对滤膜的清理和更换的需要而使输出损失。

这几种设计的一个共同的缺点，是不能使每一板有均匀的流量，在对过滤物回收有经济吸引力的流速下，通过板的表面。本发明针对的就是这些问题。

本发明的目的，是提出一种超滤装置，可在基本液体粘滞性差异很大的范围中，作改进的运转。

本发明的另一目的，是改进超滤装置的膜支撑件。

本发明的又一目的，是提出一种超滤装置的膜支撑件，使横过支撑件表面的流量均匀。

本发明还有一个目的，是提出一种超滤装置，其改进的性能在于减少从一垛组合件向另一垛组合件过滤时引起的紊流。

本发明可达到上述的以及其他的目的。在一个理想的实施方案中，一个超滤装置中有若干支撑板，形成一个叠垛。每一支撑板大致扁平，矩形，其两平表面形状相同。每一支撑板的一个表面有隆突的边缘围绕，使基本液在一垛中的相邻两支撑板中流过。在每一支撑板的边缘附近形成两个孔，最好在相对的两边上。将支撑板叠放时这些孔眼对正，形成进口和出口的导槽。每一孔的周围有两种类型的环围绕，板的同一表面上有同一类型的环。配流环在边缘上有配流孔，按选定的方向引导液流，而密封环则有平上表面。支撑板叠放时，一块板的配流环靠紧相邻板的密封环，使通道内密封。每一板的每一表面上有一个膜，放在隆起的边缘上，因而相邻板的这种边缘上施出夹持力，形成叠垛的总密封。

在每一支撑板的两表面有纵向肋形成，肋从一个孔伸到另一孔各肋间最好有等间距，在肋的两边设有纵向槽道。这种槽道之间的区域中有若干横向肋，这些肋间有横向槽道。为了提供最佳化滤余物流，这些横肋的顶表面，低于纵肋的顶表面，并且，为了提供最佳化过滤物流，横槽道的底高于纵槽道的底。有一条连接槽道，其深度最好至少与纵槽道的深度相同，围绕支撑件表面上的形成纵肋和横肋的部分伸展。有一个过滤物抽取孔，最好位于支撑件的上侧，和连接槽道接通，进行过滤物的收集;这导槽的用途是将液体流通装置接通，例如用一种塑料管，向收集装置输送过滤物。横槽道将过滤物收集，流入纵槽道，转入连接槽道，通过过滤物抽取孔抽出。

将支撑板叠放成垛，通过端板在板垛上加压缩力，将支撑板定位，实现相应的密封。在一个理想的形式中，在叠垛中设置紊流衰减突缘， 将板垛分成各组合件，每一组合件有若干支撑板。这些单元从一个组合件的出口导槽接受液体，将这液体向板垛的另一侧引导，使之流入下一组合件的进口导槽。据发现液流从支撑板上经过是从下向上（相对于重力）流动时有最佳的性能，也就是将每一组合件的进口导槽设在板垛的底部，而出口导槽设在上方。

本发明不在每一导槽中设置装置阻挡液流，强使液体在前后组合件中向相反的方向流动，如现有技艺领域中所指导的那样，而是使用紊流衰减突缘，将板垛分成若干组合件。这些部件将液流从一个组合件的顶部，引导到下一个组合件的底部，形成整个设备里的从下向上的液流。这种液流因为基本液中的紊流降低而性能改进，并且因为保证过滤物抽取孔一定位于支撑板上的压力最低的区域中。并且，这个设计可以消除由于系统中有截留的空气造成不均匀的液流。

图1示本发明一个实施方案中的滤膜支撑件的立体图;

图2为沿图1的Ⅱ-Ⅱ剖面的细节侧视;

图3为沿图1的切面Ⅲ-Ⅲ的侧面细节剖视;

图4为图2的区域Ⅳ的立体图;

图5（a）及（b）为图1实施方案之配流环和密封环的立体图;

图6为本发明的超滤装置侧向示意。

本发明一般有若干叠放的支撑板，每一板上覆盖两个半渗透的膜。相邻支撑板上的滤膜之间有液流通道。板垛分成若干组合件，每一组合件有若干支撑板。将一种基本液体引入第一组合件，在该组合件中平行于支撑板流过，然后流入下一个组合件，仍按平行形式流过。液体在组合件之间通过一个将紊流消散的紊流衰减突缘，以提高过滤物的输送量。首先考虑各个支撑板的细节，然后考虑设备的整体，便有助于了解本发明。

图1示本发明的一个支撑板10。如所示，支撑板大致平坦，矩形， 有两个面12，14。本文集中讨论图示的面，但应了解到除另有说明外，板的两面完全相同。支撑板用模压塑料材料制造，如可从现有技术领域了解。在抗生素工业中应用时，避免可能发生的污染很重要，所以最好使用聚砜塑料，形成一个整体的板。板的形状并非关键，但如影响流线谱则属例外，下文中将有讨论。在图示的实施方案中，支撑板的尺寸约为21英寸乘15英寸。有一道隆边13围绕板一面的边缘，这是两面的唯一不同点。这隆边最好有两条脊，各有圆形上表面。这些脊的作用下面解说。

在板边上形成两个孔16，最好中心都在支撑板的纵向轴线上。为了如下文所讨论，在预定的方向上保证有最佳的流量，最好将孔的形状作成扁椭圆形，平的边朝向板的中心。孔的尺寸和总设计的液压要求协调。

有两个环如图5（a）及5（b）所示，各放在每一孔中的一侧。配流环18（图5（a））上有一组配流孔26，由突起的齿25在环的边缘上形成，下文将较详细讨论。一个密封环19（图5（b））有基本平的上表面24。每一孔中放两类型的环各一，在孔在相对两端上放置，使一块板的一侧只有一种环。两种环都用相当软的材料制造，例如用聚丙烯塑料，两个环相加的厚度，约等于邻近孔两表面之间的距离，实现密封作用，如下文所讨论。任何适当的安装装置都可采用，但发现围绕孔的边缘作安装槽20的效果好，可将从环上伸出的突耳（未示）嵌入槽内。

凡从事本技艺的人可以了解，还可以用其他的环设计，提供与本文中的理想装置相同的作用。例如，两种环都可以有相同的齿，与齿25相同，而不是仅一种环有齿。据发现本文选用的设计有最好的性能，加以制造方便。

支撑板表面的构造，可从图1，2，3及4的各种视图中看到。有纵向肋28在两孔之间伸展，每一对肋形成液体槽道30。这些槽道互相平行，最好尺寸相同，槽道数目的选定，要求能提供越过支撑板表面的均 匀流量，凡熟悉本技艺者可以体会。图1所示的实施方案，共有槽道18条，纵肋16条，最外侧的槽道少一条外边缘上肋，已经证明这个数目的槽道有取得均匀流量的作用。每一纵肋的两侧有两条纵槽道32。纵肋的顶部表面应相当平，略低于隆边13的上表面。

在纵向的肋和槽道之间有一组横向的肋34和槽道36，大致和纵向的肋及槽道垂直。图2所示更清晰，横肋的顶部略低于纵向肋的顶部，横槽道的底高于纵槽道的底。横槽道和纵槽道的相对深度并非关键，但发现所示的安排对取得要求的流线谱有效，下文将较详细讨论。

可用肋和槽道的其他组合形式代替上面讨论的形式。例如，可在每一对纵肋之间，放置一个纵向槽道。或者，可以取消横向肋和槽道，在上面讨论的纵肋之间，设置一组中间纵肋，这些中间肋的顶部低于主纵肋。否则，也可以用一个技艺领域中熟悉的过滤物内排放系统，代替上述的过滤物流动系统。但是这种系统有很大的缺点，如有泄漏倾向（在食品和抗生素工业应用中最重要），并对过滤物的流速有限制。此外，这种板的制造较难，因而成本高于一体式的设计。

有一条连接槽道38围绕在上面作肋和槽道的表面部分。这槽道的深度，最好至少等于纵槽道的深度，并和每一纵槽道相交，以接受纵槽道的液流。过滤物抽取孔39，在适当的地点和连接槽道相交，形成通过支撑板表面的液流流路。如所示，这导槽从支撑板的面向外伸，和诸如塑料管之类的一个装置连接，收集过滤物。用其他的收集装置时需要改变导槽的结构，从事本技艺工作的人是可以了解的。

安装突耳40从支撑板的边向外伸，使支撑板可以安装在一个适当的支承件上，例如一个支架上。本技艺领域中的人会了解到支撑板的适应其他应用的其他安装方法。

图3示一块支撑板的运转。将一个半渗透膜37放在板面上，使之准备运转。适当的滤膜材料的选择取决于具体的应用，这在本领域中已为 熟知者。然后将环插入孔中，配流环18用于一个板表面，密封环19用于相对的表面。应注意图3所示的环，支撑板和膜之间稍有一点间隙;留这些间隙只是为了清晰，而事实上这些部件都相互靠紧。

膜和支撑板配合，将基本液分解为两部分。经过配流孔26进入板间间隙的液体，循箭头A的流路，和膜的表面接触。于是，过滤物渗过滤膜，被收集并排出。配流孔的设放与液流槽道30有关连，并将液体向放在这些槽道上面的滤膜部分引导。并且，相邻板的纵向肋28相互贴靠（如下文中结合设备的总运转进行的讨论）把滤余物流限制在基本液流槽道的范围内。由于这些槽道相当窄，所以横过每一槽道的流速相当均匀，因此，从整个板面上流过的流速也相当均匀。液压将滤膜压在横肋34上;横肋的顶部比纵肋的顶部低，于是膜被压在纵肋的相应顶表面和边侧上。

过滤物流从膜中通过，集中在横槽道36内。应注意到这些槽道（以及纵槽道32）低于由纵横肋支撑的膜。据发现，设置这些槽道可使过滤物在板和膜的底表面之间流过，而不与膜接触，便可使过滤物有相当自由的液流，提高过滤物的流量。过滤物从横槽道流入纵槽道32，然后流入从全部纵槽道接受过滤物的连接槽道38。过滤物抽取孔39和连接槽道相通，形成一个出口处，将过滤物导入适当的收集装置（未示）。

现将设备作为一个整体考虑，超滤设备是将支撑板叠放组装，孔16对正，如图6所示。孔眼对正便形成了板垛中的两条导槽。

板上安排隆边13（每板仅一个表面有隆边），均向相同的方向伸展，每一条这种隆边都和相邻板的另一面的相应平表面接触，将膜的外部夹紧，形状垛的外密封。并且，一个板的配流环18，和相邻板密封环19的顶表面24接触，密封在板垛内形成的导槽。此外，每一板两表面上的纵肋28接触，进一步将膜夹紧，使基本液流路30互相密封。端板41放在板垛的两端，如图6所示。这些板应有足够的耐久性，耐受实现垛密封所 必须的压缩力，并须有一定的尺寸，完全贴靠整块支撑板。

板垛可用领域中任何适当的已知方法支撑。最好有一个支架（未示）供安装突耳40插入，或选用任何安装装置。并且从事本领域工作者会理解，必须设置装置，向板垛加紧压力，例如设现有的液压装置。

如在相关领域中已属常见，最好将板垛分为若干组合件。为此，在板垛中按适当的间隔插入紊流衰减突缘46。如上文已讨论，技艺领域中曾指示要用阻挡装置达到这个目的，使前后组合件中的液体，有向相反方向流动的流线谱。但是已发现，将液流在向上的方向上流过滤膜，可以取得最佳性能（在本文中，术语“顶”，“底”，“上”，“下”所指，是相对于重力方向而言）。因此，本发明中的板垛，是将支撑板垂直放置，导槽放在板垛的顶部和底部。放在板垛底部的导槽为进口导槽48，而在顶部的则为出口导槽50。

导槽的相当粗糙的内表面（因将板叠放形成）本身即产生紊流，又因导槽端部的液流方向突然变化而加剧。此外，紊流从一个导槽向另一导槽逐步增强，因此，举例而言，板垛第四组合件中的液体，比第一组合件中的液流有大很多的紊流。据观察，紊流的增强导致支撑板槽道的早期堵塞，并导致滤膜材料的叠层分离，尤其在板垛末端附近的组合件中更是这样。因此，紊流衰减的措施有改进性能的作用。如图6所示，紊流衰减突缘中有通过间隔件形成的导管42，接受出口导槽50的输出，将液体引入下一组合件的进口导槽48。这导管有平滑的壁，形状和板孔的形状医配。根据液体动力学的一般理论，设置这种平滑的通道有助于装组合件之间的紊流消散。最好紊流衰减突缘形成一个两部件，内表面模压成导管。可将这部件作永久性的连接，或者（按理想），可在一个这种部件上设置隆边，和支撑板上的隆边相似，将部件的两个半部之间密封。突缘材料的选择，可由本领域的人决定;不锈钢或聚砜塑料最适用于食品或抗生素方面。

超滤设备的运转按下文进行。为作说明起见，图6示一个板垛有两个组合件A及B，每一组件中有三个板12。举例而言，液体可以是用于生产抗生素的发酵培养基，将其用适当的装置（未示），在约150磅/平方英寸的压力下，通过在图6所示的最左端板41中的进口导槽52，引入设备。这液体流入组合件A的进口导槽48，然后如上文所述从配流孔26中通过，被引入相邻板12之间的间隙44中，如箭头a所示。当然这液流在组合件中的每块板上平行流动。每一块上的流线谱已在上文讨论。

然后液体在组合件A的出口导槽50a中集中，通过紊流衰减突缘的导管42，流入组合件B的进口导槽48b，图中用箭头C表示。平行流线谱反覆实现，液体依循箭头d指的路线，在板间的间隙中前进。出口导槽50b接受这液流，液流通过图6中的最右端板中的导槽54，按箭头e所示，从设备中排出。

必须注意本设备中的流线谱，和先有技艺领域中的设备有很大的差前别，在于每一组合件中的液流，有相同的自下而上的方向。在这构形中，永远将过滤物抽取孔放在板的低压（即出口）端，促进系统中过滤物的增高的流量。在上面讨论的先有技艺领域设备中，当然，这种孔有半数处在低压区域中，半数处在高压区域中。本发明不仅提高流量，而且这安排可消灭因有空气在膜的过滤物侧截留而造成的“静区”。

此外，应注意还可将板垛分成两种类型的支撑板，一种的纵肋的高度为本文揭示的两倍，另一种中有过滤物排泄系统，这排泄系统如本文所揭示的横肋，横槽道，和纵槽道等。虽然这种装置也属于本发明的范围，但最好还是用统一型的板。

还应理解到图6所示的设备，其构形仅为举例说明而已。从事本领域工作者可以理解，根据不同的应用和应用中的要求，可将组合件的数目增减，或改变一个组合件中支撑板的数目。

在将按本发明制造的超滤设备作运转试验后，证实本文所概述的优 点，在实践中确实存在。曾用本发明的设备，和按上文所述的颁发麦德森的美国专利第3，872，015号制造的设备作比较。麦德森型的设备由丹麦的一家公司丹麦制糖厂（De    Danske    Sukkerfabriker）制造。所用的基本液为青霉素培养基，将输出的比较作了记录：每平方英尺滤膜材料每日的过滤物加仑数（GFD）流量，和滤余物的最大浓缩比（基本液初始量和加工后剩余液体的量的比较）。两设备的板数相同，结果如下：

流量（GFD）    最大浓缩比

本发明设备    52    2.8倍

丹麦制糖厂设备    40    2.0倍

%差别    30%    40%

显然本发明的优点比现有技艺领域大很多。

图6中的设备的构形仅作说明而已。凡从事本领域工作的人，可以了解增减组合件数目，和改变每一组合件支撑板数目的要求，因此可以按这些要求去适应具体的应用。

当然从事本领域工作的人，还能理解可对本文中的实施方案作修改和变化，而不超出本发明的精神。例如，支撑板的形状可以改变，或液流槽道的确切构形可以变化。在本发明的范围内可作这类或其他的变化，本发明的范围，仅以文后的权利要求书作界限。