本论文针对复合场强化超滤浓缩分离系统的放大设计和过程优化展开研究,通过对系统关键部件——膜组件的流场及结构进行深入分析、对系统流程和单元设备进行科学优化,研制出了适用于功能活性物质分离纯化的具多级超滤回路的复合物理场强化全自动超滤系统,在此基础上解决了系统研制中的关键性科学问题和技术问题,获得了适宜产业化应用及大规模推广的关键技术。主要研究内容及成果如下:一、基于CFD模拟的超滤膜组件结构分析将化工过程模拟中的计算流体力学(CFD)方法引入膜组件的放大研究中,采用FLUENT模拟分析了中试放大前后膜组件的膜腔流场,通过分析不同性质物料在层流、湍流状态下的流场分布,论证了膜腔尺寸等比例放大的可行性,直观、形象地揭示了流场的变化规律。据此,确定了强化流体流动和提高流动均匀性的措施,包括增大入/出口直径、开设导流口、加装波纹板等,从而确保膜组件的超滤效能不因尺寸放大而降低。在此基础上,结合相似放大原理,并引入物理场强化技术,对中试超滤膜组件进行了结构分析及设计。二、复合场强化超滤中试系统的整机研究针对工业化超滤生产的客观要求,从工艺路线、操作流程的确定及优化,各操作单元的设计及集成,各单元设备的设计及选型3个方面进行了超滤浓缩分离中试系统的整机设计。该系统包括粗滤回路、一级和二级超滤回路、清洗回路和热交换回路,可同时或分别进行多级或单级过滤/超滤,具有较好的操作灵活性;通过采用三通阀进行管路切换,使系统结构得到了简化和优化。三、复合场强化超滤中试系统的自动控制针对超滤浓缩分离中试系统多参数输入和多参数输出的特点,构建了分层分布式的控制系统结构。基于对分层分布式控制结构的分析,研制了超滤中试设备的控制硬件系统,使用工业控制计算机、SIEMENS S7-200 PLC作为控制系统的硬件,并完成了硬件的安装和调试。基于昆仑MGCS组态环境,研究和开发了包括初始化模块、主循环控制模块、人机交互模块等在内的控制系统软件;研究了超滤过程流量、热交换温度等参数的增量数字PI控制方式,并开发了相关控制程序。增量数字PI控制技术的采用及程序编制,弥补了食品、轻工等领域常规采用的模拟PI控制的不足,提高了控制的速度和精度。所研制的控制系统克服了传统超滤生产简单控制方式的不足,实现了对过程参数和流程的全自动、高精度控制。四、复合场强化超滤浓缩南瓜多糖及其过程建模进行了不加和外加物理场作用下的南瓜多糖超滤浓缩实验,得到了过程参数对超滤膜通量影响的相关数据和规律,揭示了超声场和高压脉冲电场对超滤过程的强化作用。在此基础上,利用Matlab仿真技术,构建了一个耦合了各个工艺参数的超滤过程动力学模型,该模型的相对误差平均值为6.36%,具有较高的精度,可作为过程参数和超滤性能指标间作用关系定量分析的依据。五、超滤工艺参数的模糊评估及工艺方案的模糊优选基于所获得的实验结果,将分层模糊优选理论引入线性回归分析中,建立了超滤工艺参数的模糊线性回归分析模型,编写了工艺参数的模糊评估程序,得到了各工艺参数的模糊评估结果。在对超滤工艺参数进行优选的过程中,引入模糊关联度概念,建立了对超滤生产方案进行优选的模型,为大规模生产中工艺参数和方案的选择提供了切实的依据。