CN106914137B - 一种膜浓缩系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜浓缩系统，包括N个浓缩膜组件，每个浓缩膜组件被构造用于浓缩被供应到该浓缩膜组件的液体，被供应到所述膜浓缩系统的待浓缩溶液在经由M级浓缩操作后生成具有预期浓度的最终浓缩液，其中，所述M级浓缩操作中的每一级通过所述N个浓缩膜组件中的一个或多个浓缩膜组件执行，并且，从第一级至第M级，至少使其中执行第i级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积小于执行第i‑1级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积；2＜i≤M。本发明还涉及利用上述膜浓缩系统进行多级浓缩的方法以及用于上述系统的控制组件。

Description

一种膜浓缩系统及方法

技术领域

本发明涉及膜技术领域，特别涉及一种包含多个浓缩膜组件、能够对待浓缩溶液进行多级浓缩的膜浓缩系统及浓缩方法，更具体涉及一种藻液膜浓缩系统和方法。

背景技术

过滤膜是一种高效、节能，过滤(或浓缩)过程简单的材料，广泛应用于食品、生物、化工和医药等领域的料液浓缩工艺中。原液中的细菌、微生物、胶体，大分子有机物等可以被膜截留，达到将较小粒径的可透过液与较大粒径的有机物分子、胶体、细菌或微生物分离的目的，实现分离提纯或浓缩。过滤膜系统由于耗能极少，在浓缩方面具有广阔的应用前景。

目前，使用膜系统进行料液浓缩或过滤提纯存在以下问题：

(1)工业中的膜浓缩工艺难以实现连续化，因此与其他流水化的作业流程耦合时存在一定困难。

(2)一方面，当需要的浓缩物料体积量较少时，因系统死处理面积(或称之为处理容量)较大而难以获得较高的浓缩倍数；另一方面，因膜的面积较大，造成膜上截留和残留的物质较多，使浓缩液中物质干重的得率被减少。因此，在对少量的料液进行浓缩处理时，还需要专门购置相应处理量的膜系统。现有系统不能适应处理量变化浓缩需求。

(3)常规的膜分离系统为多个相同规格膜组件(所谓规格，一般包含膜面积或膜孔隙等参数)并联，浓缩时所有膜组件同时进行浓缩过滤，随着料液浓缩循环的次数增加，浓度越来越高，浓缩液在每个膜组件内均会有部分残留难以排出，造成浓缩液中物质的损失，减少该物质得率。从另一个角度来说，若大面积的物质残留积累在膜组件内，也给膜组件的冲洗、再生(恢复)带来较高的成本。例如，在实际生产中，若初始原料液为20个单位体积，经过10个单位膜面积的膜组件进行浓缩脱水一定时间T后，料液被浓缩为4个单位体积，此时料液已达到一定高浓度，而众所周知的是高浓度非常容易引发堵塞膜表面的情况；此时若仍然以原10个单位的膜面积对高浓度的料液继续进行膜浓缩处理，则会造成大量固体颗粒被截留而广泛地铺在10个单位面积的膜组件上，这种情况在相当程度上减少了待浓缩物的得率。对于制备成本很高的待浓缩物而言，将会造成较大的浪费。

此外，现在的膜浓缩系统功能比较单一，不能在同一系统上实现膜组件串联连续浓缩和膜组件并联处理量变化过滤的任意切换。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题中的一个或多个。

为此，根据本发明的第一发明，提供了一种膜浓缩系统，包括N个浓缩膜组件，每个浓缩膜组件被构造用于浓缩被供应到该浓缩膜组件的液体，被供应到所述膜浓缩系统的待浓缩溶液在经由M级浓缩操作后生成具有预期浓度的最终浓缩液，其中，所述M级浓缩操作中的每一级通过所述N个浓缩膜组件中的一个或多个浓缩膜组件执行，并且，从第一级至第M级，至少使其中执行第i级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积小于执行第i-1级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积；2＜i≤M。

根据一个可行实施例，所述N个浓缩膜组件相互串联连接，每一个浓缩膜组件的出液口与下一个浓缩膜组件的进液口相连通，第一个浓缩膜组件的进液口被连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线，其中，各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积依次减小。

根据一个可行实施例，所述N个浓缩膜组件彼此并联连接，每一个浓缩膜组件的进液口被连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线，每一个浓缩膜组件的出液口被连接到所述膜浓缩系统的出液总线，其中，随着浓缩操作的级数增加，通过减少所使用的浓缩膜组件的个数或者通过改变所选择使用的浓缩膜组件或膜组件的组合，使得执行所述M级浓缩操作中的每一级的总有效浓缩膜表面积随着所述级数增加而逐级减小。

根据一个可行实施例，各浓缩膜组件通过第一串联阀使其出液口与下一个浓缩膜组件的出液口的出液侧相连通，通过第二串联阀使其出液口与下一个浓缩膜组件的进液口的进液侧相连通，所述第一串联阀和所述第二串联阀两者的进液侧与所述浓缩膜组件的出液口相连通，除第一浓缩膜组件之外，各浓缩膜组件设有使其进液口的进液侧连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线的总线进液阀，第一浓缩膜组件的进液阀用作第一浓缩膜组件的总线进液阀。

根据一个可行实施例，各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积相同或不同。

根据一个可行实施例，对于每一个浓缩膜组件，在其进液口和出液口之间设置具有旁路阀的旁路线，所述旁路阀打开而相应的进液口关闭时，液体绕过该浓缩膜组件从而使该浓缩膜组件失效。

根据一个可行实施例，各浓缩膜组件的第一串联阀和第二串联阀之一打开同时另一个关闭。

根据一个可行实施例，各阀是电磁控制阀。

根据一个可行实施例，各浓缩膜组件在其出液口处设有出液浓度检测元件，和/或，各浓缩膜组件在其进液口处设有进液浓度检测元件。

根据一个可行实施例，所述膜浓缩系统设有用于测量各级浓缩操作后浓液的浓度的各级浓度检测元件。

根据一个可行实施例，所述膜浓缩系统的出液总线上设有通向用于储存具有预期浓度的最终浓缩液的浓液罐的第一出液阀，和/或通向用于储存所述待浓缩溶液的原液罐的第二出液阀。

根据一个可行实施例，各浓缩膜组件具有通向产水总线的产水出口。

根据一个可行实施例，所述膜浓缩系统还包括控制组件，所述控制组件基于每一级浓缩操作后的液体浓度、基于所述预期浓度、以及基于各个浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积计算该级浓缩操作后还需要几级浓缩操作、或者确定为了使后续浓缩操作最优而将要使用的浓缩膜组件或膜组件的组合，并且控制相应浓缩膜组件的各个阀。

根据一个可行实施例，所述控制组件包括下述中的一个或多个：

控制各阀门并且与各浓度检测元件电连通的控制电路；

计算或显示浓缩操作级数的计数器；

最优化后续浓缩操作的优化计算器，用于确定后续使用的浓缩膜组件、需要打开或关闭的阀门；

用于根据优化计算器的结果打开相应阀门或关闭相应阀门的动作器；

为使用者显示提醒信息的指示器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于上述的膜浓缩系统的控制组件。

根据一个可行实施例，所述控制组件是电子控制单元或集成芯片的形式。

根据本发明的又一方面，提供了一种利用上述膜浓缩系统对待浓缩液体进行多级浓缩的方法，其中，所述待浓缩溶液被供应到所述膜浓缩系统进行M级浓缩操作，每级浓缩操作通过所述膜浓缩系统中的一个或多个浓缩膜组件进行，并且，从第一级至第M级，随着浓缩操作级数的增加，至少使其中执行第i级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积小于执行第i-1级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积；2＜i≤M。

根据一个可行实施例，所述方法包括测量各浓缩膜组件的进液浓度和出液浓度，进而得出该浓缩膜组件的堵塞系数。

根据一个可行实施例，所述方法包括在每一级浓缩操作后测量出液总线中溶液的浓度，并且根据所测得的浓度与预期浓度的差值、各浓缩膜组件的堵塞系数、各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积，来最优化后续的浓缩操作。

根据一个可行实施例，所述最优化后续的浓缩操作包括确定下一级浓缩操作需要的总有效浓缩膜表面积，下一级浓缩操作将要使用的浓缩膜组件。

根据一个可行实施例，所述最优化后续的浓缩操作由控制组件执行，所述控制组件还控制各浓缩膜组件的各阀的动作。

根据本发明的再一方面，提供了一种膜结构，用于上述膜浓缩系统的浓缩膜组件，所述膜结构包括膜壳体和包封于膜壳体内部的多根膜丝，

所述待浓缩溶液经由所述膜壳体上的进液端口进入各膜丝，经各膜丝浓缩后生成的浓液经由所述膜壳体上的出液端口排出膜结构而浓缩后生成的透过液经由所述膜壳体上的产水端口排出膜结构，其中，所述浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积由所述膜结构的结构参数确定。

根据一个可行实施例，所述结构参数包括下述中的至少一个：膜丝的数量、膜丝的横截面尺寸(直径)、膜丝的长度。

根据本发明的膜浓缩系统，能够对待浓缩溶液进行多级浓缩，具有更大的灵活性、成本低且实用性强。采用上述膜浓缩系统和方法对待浓缩溶液进行多级浓缩，随着级数的增加、溶液浓度的升高、体积的减小，可以根据需要改变、特别是减小浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积(或称为过水面积)，能够减少浓缩液体的残留，提高浓缩液中目标物质的得率，同时减少维护、冲洗及再生成本。简化膜浓缩系统、尤其是浓缩膜组件的清洁工作同时节省与此相关的成本。在膜浓缩系统的浓缩膜组件串联连接的情况下，还能够与工业生产链中的其它过程连续进行，例如与藻类接种过程、藻类培养过程、藻类干燥过程以及其它后续过程连续起来，实现连续性工业生产线。

附图说明

图1示出了根据本发明的膜浓缩系统的第一实施方式；

图2示出了根据本发明的膜浓缩系统的第二实施方式；

图3示出了根据本发明的膜浓缩系统的第三实施方式；以及

图4示出了能够在根据本发明的膜浓缩系统中使用的浓缩膜组件的一种示例性结构。

具体实施方式

根据本发明的原理的膜浓缩系统，包括以不同方式布置的多个膜浓缩组件。原料液(待浓缩溶液)被进行多级浓缩，对原料液进行不同级浓缩的膜浓缩组件的总有效膜浓缩表面积可以根据需要而不同，从而能够选择性地、更高效地利用膜浓缩组件，避免不必要地、冗余地利用膜浓缩组件。

优选地，对原料液进行浓缩的级数越高，液体浓度越高，体积越小，所需要的、以及因此所使用的总有效膜浓缩表面积越小，或者使用的膜浓缩组件越少，这样需要冲洗、或再生(恢复)的膜浓缩组件越少，清洁过程或操作被缩减或简化。

原料液仅需要进行一级浓缩也是可能的。在这种情况下，使用有效膜浓缩表面积可选择的膜浓缩系统尤其是具有优势的，通过调节膜浓缩系统的总有效膜浓缩表面积，原料液仅经过一级浓缩即能够达到预期浓度。

根据本发明的“原料液”可以是微藻溶液，经浓缩后生成微藻的浓缩液(在下文中有时也称为“浓液”)和透过液(在下文中以“水”为例进行说明)。

下面详细描述根据本发明的原理的膜浓缩系统的三种实施方式。首先指出，在不同的附图中，功能或结构相同或相似的元件用相同的参考标记表示。

图1示出了根据本发明的原理的膜浓缩系统的第一实施方式，其中多个浓缩膜组件被串联连接，各浓缩膜组件具有不同的有效膜浓缩表面积，并且分别对液体进行一级浓缩。如此，实现对原料液的不同级的浓缩采用不同的有效膜浓缩表面积。优选地，级别越低(小)，浓缩膜组件的有效膜浓缩表面积越大。

具体地，参考图1，根据本发明第一实施方式的膜浓缩系统主要包括用于储存初始待浓缩液体的原液罐10，用于将所述待浓缩液体进行逐级浓缩并且分别产生浓缩液和水的多个浓缩膜组件100(100-1，100-2…100-N)，用于储存最终浓缩液的浓液罐70；以及用于储存各级浓缩所产生的水的产水罐90。

在本第一实施方式中，多个浓缩膜组件100的N个浓缩膜组件100-1，100-2…100-N依次串联连接。每一个浓缩膜组件100都具有相应的进液口，例如各进液口分别用在该处设置的进液阀110(110-1，110-2…110-N)表示；浓缩液出口，例如各浓缩液出口分别用在该处设置的出液阀120(120-1，120-2…120-N)表示；和产水出口130(130-1，130-2…130-N)。

对于前面N-1个浓缩膜组件100来说，每一个浓缩膜组件100的浓缩液出口120都与后一个浓缩膜组件100的进液口110相连通，第N个浓缩膜组件100的浓缩液出口120与浓液罐70连通，每一个浓缩膜组件100的产水出口130都经由产水总线30连通至产水罐90，第1个浓缩膜组件100的进液口与原液罐10连通。

根据本发明的优选方面，对于本第一实施方式的N个浓缩膜组件100来说，每一个浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积S(S-1，S-2…S-N)都大于其后面一个浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积S。

根据本发明的膜浓缩系统还包括位于原液罐10和第一个浓缩膜组件100-1(具体为第一个浓缩膜组件100-1的进液口110-1)之间的总进液线路20，优选地，原液阀22和原液泵24设置于总进液线路20上，用于控制原液的供应和切断以及控制原液供应的相关参数。

如此，来自原液罐10的初始待浓缩液体被经由原液阀22和原液泵24、经由总进液线路20供应至第一个浓缩膜组件100-1的进液口110-1，通过第一个浓缩膜组件100-1浓缩后，经由第一个浓缩膜组件100-1的浓缩液出口120-1排出的第一级浓缩液被供应至第二个浓缩膜组件100-2的进液口110-2，经由第一个浓缩膜组件100-1的产水出口130-1排出的水被经由产水总线30排放到产水罐90；第一级浓缩液在被第二个浓缩膜组件100-2浓缩后生成的第二级浓缩液经由浓缩液出口120-2排出至第三个浓缩膜组件(未示出)的进液口(未示出)，生成的水经由产水出口130-2、经由产水总线30排放到产水罐90；以此类推；直到通过最后一个、第N个浓缩膜组件100-N浓缩，到达预期浓度的浓缩液被经由浓缩液出口120-N排出至浓液罐70，排出的水仍通过产水总线30排放到产水罐90。

根据本发明的有利特征，前一浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积大于后一浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积，越靠近浓液罐70，浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积越小，液体浓度越高。有效浓缩膜表面积越小，残留在浓缩膜组件中、即浪费的干物质越少，提高了干物质得率。

除此之外，利用有效浓缩膜表面积逐渐减小的此串联式膜浓缩系统，通过合理地设置浓缩膜组件100的数量(即浓缩的级数)以及合理地设置各浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积，此串联式膜浓缩系统可以工业生产链中的其它过程连续进行，例如与藻类接种过程、藻类培养过程、藻类干燥过程以及其它后续过程连续起来，实现连续性工业生产线。

优选地，可为每一个浓缩膜组件100-N设置旁路阀160-N。通常情况下，如果要使用各个浓缩膜组件100，则所有旁路阀160-N都关闭同时打开所有进液阀110，液体即通过各个浓缩膜组件100-N逐级地、进行N级浓缩。如果希望绕过某个浓缩膜组件100、不使用该浓缩膜组件100浓缩，则只需打开对应于该浓缩膜组件100的旁路阀160-N以及关掉对应于该浓缩膜组件100的进液阀110即可。例如，如果只需利用第一个和最后一个浓缩膜组件100-1和100-N浓缩即足够的话，则打开除旁路阀160-1和160-N之外的各旁路阀160同时关掉除进液阀110-1和110-N之外的各进液阀110，则液体只经过浓缩膜组件100-1和100-N而绕过所有其它浓缩膜组件100。同时，若在经过某膜组件处理后，希望浓缩得到的浓缩液再一次通过该膜组件100重复一次或多次处理，则也可以运用各对应的旁路阀160。

如此，实现了能够选择浓缩的级数、能够选择所需的浓缩膜组件100的目的。

另外优选地，可在各级浓缩操作后的出液阀120-N处设置用于检测液体中溶质(藻类)浓度的出液浓度检测元件170-N，同时设置控制各阀门的控制组件、例如电子控制单元。如若，液体在经过第j级浓缩后，经出液浓度检测元件170-j检测的浓度符合、例如等于或高于预期浓度，则控制组件自动关闭后续各个浓缩膜组件100的进液阀110、同时打开后续各个浓缩膜组件100的旁路阀160，失效后续各个浓缩膜组件100，使过第j级浓缩液直接进入浓液罐70。

进一步优选地，控制组件可以基于每一级浓缩操作后所测得的液体浓度、基于所述预期浓度、以及基于各个浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积进行计算，得出该级浓缩操作后还需要几级浓缩操作、或者确定后续利用哪个或那些浓缩膜组件100进行浓缩操作最优，并且控制相应浓缩膜组件100的进液阀110和旁路阀160的工作状态。

另外进一步优选地，根据本发明的原理的膜浓缩系统还设置有位于各个浓缩膜组件100的进液阀110处的进液浓度检测元件180-N，控制组件基于浓缩膜组件100的进液浓度检测元件180-N与出液浓度检测元件170-N测得的浓度差值、以及基于该浓缩膜组件100的有效浓缩膜表面积判断该浓缩膜组件100的堵塞情况、例如堵塞系数R，在堵塞系数R等于或高于预设堵塞系数R0的情况下，在后续的浓缩操作中，控制组件将不再考虑或使用本浓缩膜组件100，并且通过适当的方式提醒使用者本浓缩膜组件100需要进行清洗，例如通过视觉或听觉等方式提醒使用者。

如上述，根据本发明的原理的膜浓缩系统的控制组件可包括控制各阀门110、120、130、160等、与各浓度检测元件170和180等连通的控制电路；计算或显示浓缩操作级数的计数器；最优化后续浓缩操作的优化计算器，用于确定后续使用的浓缩膜组件100、哪些阀门需要关闭以及哪些阀门需要打开；用于根据优化计算器的结果打开相应阀门或关闭相应阀门的动作器；以及为使用者显示提醒信息的指示器，此提醒信息包括、但不限于哪些浓缩膜组件100需要清洗，此指示器可以是任何类型的显示器、蜂鸣器等。

在图1示出的第一实施方式中，在最后一个浓缩膜组件100-N的出液阀120-N与浓液罐之间、即出液总线40上设有第一出液阀75，在最后一个浓缩膜组件100-N的出液阀120-N与原液罐10之间、即出液总线40上设有第二出液阀85。如果，在液体经由浓缩膜组件100-N浓缩之后，由出液浓度检测元件170-N检测到的液体浓度符合(大于或大于)预期浓度，即打开第一出液阀75、关闭第二出液阀85，将液体导引至浓液罐70；如果，在液体经由浓缩膜组件100-N浓缩之后，由出液浓度检测元件170-N检测到的液体浓度不符合(低于)预期浓度，即打开第二出液阀85、关闭第一出液阀75，将液体导引至原液罐10，进行进一步浓缩。

本第一实施方式的膜浓缩系统可实现进行连续进样和连续浓缩的连续化作业过程，可与其他流水作业的步骤相互配合形成一个完整连续的流水线。其中，浓度最大且最小体积的浓缩液经过具有最小总有效浓缩膜表面积的膜组件处理后，避免大面积的膜组件内布满残留物质，因此减小膜组件的冲洗难度，提高浓缩液中物质干重的得率。

图2示出了根据本发明的原理的膜浓缩系统的第二实施方式，与图1中的第一实施方式不同，第二实施例中的多个浓缩膜组件100(100-1，100-2…100-N)被并联连接。

各浓缩膜组件100可具有相同或不同的有效浓缩膜表面积S(S-1，S-2…S-N)。通过在对液体的不同级浓缩操作中选择性地接通/关闭不同的浓缩膜组件100，可在不同级浓缩操作中获得不同的总有效浓缩膜表面积S0。

参考图2，各浓缩膜组件100的进液口都经由各自的进液阀110与膜浓缩系统的总进液线路20相连通，从各浓缩膜组件100离开的浓缩液出口都经由各自的出液阀120与膜浓缩系统的出液总线40相连通，并且各浓缩膜组件100的产水出口130都经由产水总线30与产水罐90相连通。

作为一个示例性方法，在进行第一级浓缩时，所有的浓缩膜组件100的进液阀110均打开，来自原液罐10的初始待浓缩液体被从原液罐10同时供应到各个浓缩膜组件100，此时总有效浓缩膜表面积S0等于N个浓缩膜组件100各自的有效浓缩膜表面积S1之和，即S0＝S1+S2+…+S-N。

由所有浓缩膜组件100同时对溶液进行第一级浓缩之后，经由各浓缩膜组件100的出液口120排出的浓缩液被汇集到出液总线40，从而收集到原液罐10。此时，原液罐10中的溶液浓度已经达到预期的浓度，则关闭原液泵24和原液阀22，结束浓缩程序。若原液罐10中的溶液浓度还未达到预期的浓度，则继续进行下一级、即第二级浓缩。

优选地，在出液总线40上设置总浓度测量元件190，如果由总浓度测量元件190测得的溶液浓度已经达到预期的浓度，则关闭原液泵24和原液阀22，结束浓缩程序。若由总浓度测量元件190测得的溶液浓度还未达到预期的浓度，则以如上关于第一实施方式所述相同的方式，控制组件确定下一级浓缩所需的总有效浓缩膜表面积S0，确定所需要的、优化的浓缩膜组件100的组合，以及相应地控制各浓缩膜组件100的进液阀110。打开浓缩膜组件100的进液阀110即启用该浓缩膜组件100，否则即失效该浓缩膜组件100。

另外优选地，还可以如第一实施方式那样设置用于各浓缩膜组件100的出液浓度检测元件170-N和进液浓度检测元件180-N，以得出各浓缩膜组件100的堵塞系数，以用于优化下一级浓缩操作。

在本实施方式，各浓缩膜组件100可具有相同的有效浓缩膜表面积S，通过调节浓缩膜组件100的使用个数来获得不同的总有效浓缩膜表面积S0。

然而，也可以设置为某一或某些浓缩膜组件100可具有与其它浓缩膜组件100不同的有效浓缩膜表面积S，此时在控制组件进行优化操作时需考虑不同浓缩膜组件100的各自不同的有效浓缩膜表面积S，而进行相应的膜组件100的组合和取舍。

在本第二实施方式中，原液罐10同时用作用于储存最终浓缩液的浓液罐，与第一实施方式相比，省略了浓液罐70，进一步简化膜浓缩系统的结构。但应了解，在必要的情况下，为了与工业产业链上其它过程相连、实现工业产业链的连续性，仍可以设置单独的浓液罐。

图3示出了根据本发明的原理的膜浓缩系统的第三实施方式，与图1和2中的第一和第二实施方式不同，第三实施例中的多个浓缩膜组件串并联混合的方式连接。

不同于第一和第二实施方式，在本实施方式中，第一浓缩膜组件100-1具有与进液总线20连通的(总线)进液阀110-1，其余各浓缩膜组件100分别具有使其进液阀110的入口与进液总线20连通的总线进液阀410-2，410-3…410-N。

第一浓缩膜组件100-1具有使其出液阀120-1的出口与第二出液阀120-2的出口连通的第一串联阀310-1以及使其出液阀120-1的出口与第二浓缩膜组件100-2的进液阀110-2的入口相连通的第二串联阀210-1，第二个浓缩膜组件100-1至第N-1个浓缩膜组件100-(N-1)与第一浓缩膜组件100-1相同。

浓缩膜组件100-j(j大于1)的总线进液阀410-j与其前一浓缩膜组件100-(j-1)的第二串联阀210-(j-1)并联，总线进液阀410-j的出口和第二串联阀210-(j-1)的出口都与浓缩膜组件100-j的进液阀110-j的入口连通。

总线进液阀410-j和第二串联阀210-(j-1)存在三种情况：1)第二串联阀210-(j-1)打开而总线进液阀410-j关闭，此时，浓缩膜组件100-j的处理液体由前一浓缩膜组件100-(j-1)供应，两者是串联关系；2)第二串联阀210-(j-1)关闭而总线进液阀410-j打开，此时，浓缩膜组件100-j的处理液体由进液总线20供应，在前一浓缩膜组件100-(j-1)的总线进液阀410-(j-1)或110-1也打开的情况下，浓缩膜组件100-j与前一浓缩膜组件100-(j-1)是并联关系，3)总线进液阀410-j与210-(j-1)两者都关闭或阀门100-j关闭，浓缩膜组件100-j被失效。

浓缩膜组件100-(j-1)的第一串联阀310-(j-1)只有第二串联阀210-(j-1)关闭的情况下才可被打开而发挥作用，此时来自浓缩膜组件100-(j-1)的出液阀120-(j-1)的浓液绕过浓缩膜组件100-j。在这种情况下，如果1)浓缩膜组件100-j的总线进液阀410-j打开，在浓缩膜组件100-j被进液总线20供应液体，与前面所有浓缩膜组件100-1至100-(j-1)的组合形成并联关系；2)若浓缩膜组件100-j的总线进液阀410-j关闭，则浓缩膜组件100-j失效。

以此类推，以这种方式，可以实现浓缩膜组件100中任何形式的串联和并联的组合式。

作为一个例子，浓缩膜组件100-1和浓缩膜组件100-2相串联，该串联组合与浓缩膜组件100-3并联，此结果同时如下实现：用于浓缩膜组件100-1的进液阀110-1和出液阀120-1打开，第一串联阀310-1关闭，第二串联阀210-1打开；用于浓缩膜组件100-2的进液阀410-2关闭，进液阀110-2打开，第一串联阀310-2打开，第二串联阀210-2关闭；用于浓缩膜组件100-3的进液阀410-3和110-3和出液阀120-3打开。

利用图3所示的第三实施方式，通过启用部分浓缩膜组件，该系统可解决工业浓缩过程中料液处理量少时膜组件利用率低的问题。与第二实施方式相同，在图3的第三实施方式中，各浓缩膜组件可具有彼此相同或不同的有效浓缩膜表面积。

利用图2或图3所示的第二或第三实施方式，可以将具有相同或不同有效浓缩膜表面积的N个浓缩膜组件并联起来，通过选择性地接通其中的一个或多个，使最开始的第一浓度的溶液经过具有较大总有效浓缩膜表面积的膜组件或膜组件的组合；在浓缩液达到第二浓度时，使溶液经过总有效浓缩膜表面积较小的膜组件或膜组件的组合。

根据不同的处理量，通过选择具有适当的总有效浓缩膜表面积的膜组件或膜组件的组合，可解决浓缩少量溶液时(如小试试验)因系统可处理死容量较大而不能获得较高浓缩倍数的问题。

通过选择性地接通N个浓缩膜组件中的一个或多个，可减少使用的浓缩膜组件数量，比如第一级浓缩时使用全部的膜组件，后续随着级数的增加使用部分膜组件，最后浓度最高的料液只集中使用具有最小总有效浓缩膜表面积的膜组件或组合，也可减少高浓度浓缩液中的物质干重损失率。增加膜系统的使用灵活性和待浓缩液中物质干重的收率。最后因高浓度的待浓缩液集中残留在某一个或几个膜组件上，因此可减小膜组件清洗及再生的难度。

利用图2或图3所示的第二或第三实施方式，在需要浓缩的原液体积量偏少时、例如进行小试试验时，可选择总有效浓缩膜表面积适合或较小的膜组件或膜组件的组合，增加膜浓缩系统的处理效率、提高浓缩倍数，提高浓缩液中物质干重的得率。

利用图2或图3所示的第二或第三实施方式，通过逐级减小浓缩操作所使用的总有效浓缩膜表面积，使最浓、最小体积的浓缩液最后集中在最少的浓缩膜组件上浓缩，这样只有最少的浓缩膜组件上残留的浓缩液最多，而不是每个浓缩膜组件上都残留许多因为浓度过高难以排出的浓缩液，避免所有膜内均有残留，提高了浓缩液的回收率，并且只有最少的浓缩膜组件污染情况最为严重，简化了浓缩膜组件的清洗工作。

虽然图中未示出，但本领域内的技术人员应理解，可以为每个浓缩膜组件100设置进液浓度检测元件180-N和出液浓度检测元件170-N以实时获得该浓缩膜组件100的状态，还可以在出液总线40上、最后一个浓缩膜组件100-N下游(或出液侧)设置总浓度测量元件以获得离开本系统的液体的浓度，并且由控制组件实时优化下一级浓缩操作的各参数。

本发明还设计一种利用上述膜浓缩系统对藻液进行浓缩的方法，在该方法中，待浓缩液体被进行N级浓缩后具有预期的藻液浓度，所述N级浓缩操作中的每一级浓缩操作都通过该膜浓缩系统的多个浓缩膜组件中的一个或多个进行，随着浓缩操作的级数的最大，执行该浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积被减小。

根据本发明的膜浓缩系统以及方法较佳地可应用于微藻培养液的浓缩处理，浓缩产生的透过液、即产水可被回收然后利用到下次的藻培养过程中。浓缩液可随后进入离心分离、喷雾干燥程序进一步处理得当干燥的藻粉。

在本说明书，各阀门可以是电磁阀的形式，以便由控制组件自动控制。

图4示出了能够在根据本发明的膜浓缩系统中使用的浓缩膜组件的一种示例性膜结构。

总体膜结构200包括气密性密封的膜壳体210和包封于膜壳体210内部的多根膜丝220。膜壳体210上具有用于使待浓缩液体进入膜结构200内部的进液端口212，使浓缩后的浓液离开膜结构200的出液端口214，以及使浓缩操作中产生的水离开膜结构200的产水出口216。从膜壳体210的进液端口212进入的待浓缩液体经由进液区域232被供应至各膜丝220的进液端口222，离开各膜丝220出液端口224的被浓缩后的浓液经由出液区域234而从膜壳体210的出液端口214离开膜结构200。膜丝220是具有中空管状结构，可由任何适当的水(透过液)可渗透性材料制成。

膜壳体210内还包括膜丝密封固定结构240，膜丝密封固定结构240分别用于固定各膜丝220的两端，并且与膜壳体210的内壁共同限定出所述进液区域232，出液区域234，以及产水区域236。从膜丝220内的液体经浓缩生成的水经由膜丝220的壁离开膜丝220，汇聚到产水区域236，进而经由产水出口216排放出膜结构200，再经由如图1至3中示出的各膜组件100的产水阀130排放到产水总线30。

如在上面关于图1至3的描述可知，各膜组件100具有各自预定的有效浓缩膜表面积S，该有效浓缩膜表面积S通过膜丝220的个数、横截面大小、长度等参数觉得，通过调节这些参数中的一个或多个可以获得不同的有效浓缩膜表面积S。

本发明已经关于附图中示出的优选实施方式进行描述，然而，本领域内的技术人员应了解，附图示出的以及在上面描述的内容仅仅用于说明和示意目的，而不意于限制本发明的保护范围。例如，不同实施方式中的特征可以根据需要重新组合成新的实施方式，单一实施方式中的一个或多个特征可以根据需要进行修改、变异或省略，或者以其它方式用于其它实施方式中。在不偏离本发明的实质的情况下，可以对各实施方式的特征、结构或体现形式等进行各种修改和变异，而这些修改和变异也被认为落在本发明的保护范围内。本发明的保护范围仅由权利要求限定。

Claims (18)

1.一种用于藻液浓缩的膜浓缩系统，包括被配置用于对藻液进行M级浓缩的N个浓缩膜组件，每个浓缩膜组件被构造用于浓缩被供应到该浓缩膜组件的藻液，被供应到所述膜浓缩系统的待浓缩溶液在经由M级浓缩操作后生成具有预期浓度的最终浓缩液，其中，所述M级浓缩操作中的每一级通过所述N个浓缩膜组件中的一个或多个浓缩膜组件执行，并且，从第一级至第M级，至少使其中执行第i级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积小于执行第i-1级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积；2＜i≤M≤N，

所述膜浓缩系统还包括控制组件，所述控制组件基于每一级浓缩操作后的藻液浓度、基于所述预期浓度、以及基于各个浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积计算该级浓缩操作后还需要几级浓缩操作、或者确定为了使后续浓缩操作最优而将要使用的浓缩膜组件或膜组件的组合，并且控制相应浓缩膜组件的各个阀。

2.根据权利要求1所述的膜浓缩系统，其中，所述N个浓缩膜组件相互串联连接，相邻的两个浓缩膜组件中前一个浓缩膜组件的出液口与后一个浓缩膜组件的进液口相连通，第一个浓缩膜组件的进液口被连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线，其中，各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积依次减小。

3.根据权利要求1所述的膜浓缩系统，其中，所述N个浓缩膜组件彼此并联连接，每一个浓缩膜组件的进液口被连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线，每一个浓缩膜组件的出液口被连接到所述膜浓缩系统的出液总线，其中，随着浓缩操作的级数增加，通过减少所使用的浓缩膜组件的个数或者通过改变所选择使用的浓缩膜组件或膜组件的组合，使得执行所述M级浓缩操作中的每一级的总有效浓缩膜表面积随着所述级数增加而逐级减小。

4.根据权利要求1所述的膜浓缩系统，其中，各浓缩膜组件通过第一串联阀使其出液口与下一个浓缩膜组件的出液口的出液侧相连通，通过第二串联阀使其出液口与下一个浓缩膜组件的进液口的进液侧相连通，所述第一串联阀和所述第二串联阀两者的进液侧与所述浓缩膜组件的出液口相连通，除第一浓缩膜组件之外，各浓缩膜组件设有使其进液口的进液侧连接到向膜浓缩系统供应所述待浓缩溶液的进液总线的总线进液阀，第一浓缩膜组件的进液阀用作第一浓缩膜组件的总线进液阀。

5.根据权利要求3所述的膜浓缩系统，其中，各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积相同或不同。

6.根据权利要求2所述的膜浓缩系统，其中，对于每一个浓缩膜组件，在其进液口和出液口之间设置具有旁路阀的旁路线，所述旁路阀打开而相应的进液口关闭时，藻液绕过该浓缩膜组件从而使该浓缩膜组件失效。

7.根据权利要求6所述的膜浓缩系统，其中，各浓缩膜组件的第一串联阀和第二串联阀之一打开同时另一个关闭。

8.根据权利要求4至7中任一所述的膜浓缩系统，其中，各阀是电磁控制阀。

9.根据权利要求1至7中任一所述的膜浓缩系统，其中，各浓缩膜组件在其出液口处设有出液浓度检测元件，和/或各浓缩膜组件在其进液口处设有进液浓度检测元件。

10.根据权利要求9所述的膜浓缩系统，其中，所述膜浓缩系统设有用于测量各级浓缩操作后浓液的浓度的各级浓度检测元件。

11.根据权利要求1至7中任一所述的膜浓缩系统，其中，所述膜浓缩系统的出液总线上设有通向用于储存具有预期浓度的最终浓缩液的浓液罐的第一出液阀，和/或通向用于储存所述待浓缩溶液的原液罐的第二出液阀。

12.根据权利要求1至7中任一所述的膜浓缩系统，其中，各浓缩膜组件具有通向产水总线的产水出口。

13.根据权利要求1所述的膜浓缩系统，其中，所述控制组件包括下述中的一个或多个：

控制各阀门并且与各浓度检测元件电连通的控制电路；

计算或显示浓缩操作级数的计数器；

最优化后续浓缩操作的优化计算器，用于确定后续使用的浓缩膜组件、需要打开或关闭的阀门；

用于根据优化计算器的结果打开相应阀门或关闭相应阀门的动作器；

为使用者显示提醒信息的指示器。

14.一种利用根据权利要求1或13中任一所述的膜浓缩系统对待浓缩藻液进行多级浓缩的方法，其中，所述待浓缩溶液被供应到所述膜浓缩系统进行M级浓缩操作，每级浓缩操作通过所述膜浓缩系统中的一个或多个浓缩膜组件进行，并且，从第一级至第M级，随着浓缩操作级数的增加，至少使其中执行第i级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积小于执行第i-1级浓缩操作的浓缩膜组件的总有效浓缩膜表面积；2＜i≤M。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括测量各浓缩膜组件的进液浓度和出液浓度，进而得出该浓缩膜组件的堵塞系数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括在每一级浓缩操作后测量出液总线中溶液的浓度，并且根据所测得的浓度与预期浓度的差值、各浓缩膜组件的堵塞系数、各浓缩膜组件的有效浓缩膜表面积，来最优化后续的浓缩操作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述最优化后续的浓缩操作包括确定下一级浓缩操作需要的总有效浓缩膜表面积，下一级浓缩操作将要使用的浓缩膜组件。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述最优化后续的浓缩操作由控制组件执行，所述控制组件还控制各浓缩膜组件的各阀的动作。