錯流式膜組件的製作方法

2023-06-28 09:11:51 1

專利名稱：錯流式膜組件的製作方法
錯流式膜組件
背景技術：
本公開涉及錯流式膜組件及用其將已溶解溶質從第一液體萃取到 第二液體的系統。
液-液萃取是一種將第一液體中的已溶解溶質轉移到與第一液體 基本不混溶的第二液體中的常用技術。第一液體中溶質的溶液通常被 稱為"進料溶液"，第二液體通常被稱為"萃取劑"或"液體萃取劑"。 當進料溶液與液體萃取劑接觸時，溶質會趨向於根據該溶質在兩種液 體中的相對溶解度在這兩種液體之間進行自我分配。
一種實現液-液萃取的傳統方法是直接混合進料溶液和液體萃取 劑。遺憾的是，該技術通常更引起混合物中形成永久的分散體或乳狀 液，致使萃取工藝在時間和最終結果方面的效率都極為低下。
已經開發出一種微孔膜萃取方法，以解決上述分散體等問題。具 體地講，微孔膜一面通常與進料溶液接觸，而其另一面與液體萃取劑 接觸。從而在微孔膜的微孔內形成進料溶液與液體萃取劑之間的液-液 界面，溶質通過該界面迸行轉移。
通過微孔膜在進料溶液與液體萃取劑之間形成粗略分離，這一想 法已被證明是可行的。但是，在工業環境中，微孔膜液-液萃取的可行 性通常取決於萃取速度(其又取決於微孔膜提供的液-液界面表面積) 和在膜被損壞或汙染的情況下替換膜的難易程度。傳統的微孔膜液-液 萃取裝置和方法使用具有有限液-液界面表面積的設計，這樣不利於膜 的替換。這些固有的低效性影響了微孔膜萃取的大規模商業應用。許多商業應用(例如，從發酵的進料液中獲取乙醇)使用微孔膜 液-液萃取技術可獲得有益效果。因此，需要採用可維持高性價比的微 孔膜的高生產率液-液萃取系統。

發明內容
本發明提供了錯流式膜組件以及用其將已溶解溶質從第一液體萃 取到第二液體的系統。在一些實施例中，這些膜組件可用於將已溶解 的溶質(諸如乙醇)從第一液體(諸如水)中優先萃取到第二液體。
本發明的一個方面涉及液-液萃取元件，該元件包括第一層對和第 二層對，該第二層對設置成與所述第一層對鄰近以形成層疊層。所述 第一層對包括第一聚合物微孔膜和以第一流動方向取向的第一流動通 道層，所述第一流動方向上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的 流體入口和流體出口。所述第二層對包括第二聚合物微孔膜和以第二
流動方向取向的第二流動通道層，所述第二流動方向不同於所述第一 流動方向並具有設置在所述萃取元件第二相對側上的流體入口和流體 出口 。所述第一微孔膜設置在所素第一流動通道與所述第二流動通道 之間。
本發明的另一方面涉及將已溶解溶質從第一液體萃取到第二液體 的方法。該方法包括提供液-液萃取元件，使具有已溶解溶質的第一 液體流過所述第一流動通道層，使第二液體流過所述第二流動通道層， 然後通過第一和第二微孔膜將所述溶質從所述第一液體轉移到所述第 二液體中。所述萃取元件包括多個第一層對和多個第二層對，每個第 二層對交替在第一層對之間交替，從而形成層疊件。所述第一層對包 括第一聚合物微孔膜和以第一流動方向取向的第一流動通道層，第一 流動方向上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的流體入口和流體 出口。所述第二層對包括第二聚合物微孔膜和以第二流動方向取向的 第二流動通道層，第二流動方向不同於所述第一流動方向並具有設置 在所述萃取元件第二相對側上的流體入口和流體出口 。所述第一微孔膜設置在所述第一流動通道與所述第二流動通道之間。
上述發明內容並非旨在描述本發明所公開的每個實施例或本公開 的每項具體實施。以下附圖具體實施方式
和實例更具體地舉例說明 了這些實施例。


結合附圖對本公開的各種實施例所做的以下詳細描述將有利於更
完整地理解本發明，其中
圖1為示例性錯流式膜組件的示意透視圖2為設置在框架內的示例性錯流式膜組件的示意透視圖3A為示例性錯流式膜組件殼體的示意性剖視圖3B為設置在組件殼體內的示例性錯流式膜組件的示意性剖視
圖；以及
圖4為示例性液-液萃取工藝的示意性流程圖。
雖然本發明可有各種修改和替代形式，但其具體特點將通過附圖 中實例的方式示出並詳盡敘述。然而應當理解，其目的不在於將本發 明限定為所述具體實施例。相反，其目的在於涵蓋本發明精神和範圍 內的所有修改形式、等同物及替代形式。
具體實施例方式
本發明提供錯流式膜組件以及用其將已溶解的溶質從第一液體萃 取到第二液體的系統。
對於以下己定義的術語，這些定義適用於本說明，除非在權利要 求書中或在本說明書中另外給出了不同的定義。
由端點表述的數值範圍包括包含在該範圍內的所有數值(例如， 1-5包括1、 1.5、 2、 2.75、 3、 3.80、 4和5)。本說明書和附加權利要求書中使用的單數形式"一"和"所述/該" 包括複數指示物，除非內容明顯指示其它。因此，例如，提及包含"一 層"的組合物時，可包括兩層或更多層。本說明書和附加權利要求書 中使用的術語"或"的含義通常包括"和/或"，除非內容明顯指示其 它。
除非另外指明，否則應當將本說明書和權利要求書中用來表達數 量、特性的量度等的所有數字理解為在所有實例中由術語"約"來修 飾。因此，除非有相反的指示，否則上述說明書和附加權利要求書中 列出的數值參數均為近似值，且根據本領域內的技術人員利用本發明 的教導內容獲得的所需特性而可以有所變化。在最低程度上且不試圖 限制等同原理在本權利要求書的範圍內的應用，應至少按照所報告有 效位的數字並應用普通四捨五入法來解釋每個數值參數。儘管列出本 發明廣義範圍的數值範圍和參數為近似值，但儘可能精確地報告在具 體實例中列出的數值。然而，任何數值均固有地包含各自測試量度中 存在的標準偏差必然導致的某些錯誤。
在許多實施例中，液-液萃取組件包括多孔膜薄片，這些薄片與波 紋形薄膜片交替分層設置，形成層疊件。隔離層中的波紋可作為流動 通道，供流體在多孔膜的任一面流過，並向層疊件的外部開放。在一 些實施例中，每個波紋層與緊靠其上或其下的波紋層成九十度方向。 在一層的多孔膜與其下(以波紋凹槽的方向並沿相對面)的波紋層之 間形成的側密封件引導流體沿凹槽方向流動，並阻止其橫向流動。在 一些實施例中，層之間的封邊可為粘合劑密封條或聲波密封條或熱密 封條。如此可形成雙向液-液萃取流組件，其中第一流體以第一流動方 向流過組件，並流過波紋間隔層和每隔一層的多孔膜，從而在一面均 勻地接觸多孔膜層；第二流體以第二流動方向(通常與第一流動方向 正交)流過液體萃取組件，並流過與第一流體流過的波紋間隔層交替 的波紋間隔層，從而在另一面均勻地接觸多孔膜層。在許多實施例中，液體萃取組件的設計和構造方式適合正方形框 架和/或殼體內，該框架和/或殼體在液體萃取組件的四個側面(邊緣) 上具有歧管。流體在兩個垂直側進入殼體時可在入口歧管處分流到所
有層，流過液體萃取組件，並在出口歧管處匯集。可以沿液體萃取組 件與殼體之間的角形成密封，以阻止兩種流體迂迴或直接相互接觸。 例如，密封可為注塑泡沫或軟橡膠。因此，兩種流體只有通過多孔膜 的孔才能相互接觸。
在許多實施例中，進料溶液和萃取劑的流體通道均勻地穿過液體 萃取組件的橫截面。在一些實施例中，殼體為剛性，且組件裝配在殼 體內以使得流體壓力施加到組件上時組件的伸展程度最小。可對每種 流體維持兩種不同的壓力。對於不混溶流體的膜萃取，要對不潤溼多 孔膜的流體維持較大的壓力。
利用以上述方式設計的萃取組件，可以用最低的成本獲得很大的 多孔膜表面積，從而能夠在進料相與萃取相之間轉移最多溶質。這些 萃取組件還可以方便地裝載到殼體或從殼體中卸載下來。可通過增加 或減少組件來調整工藝的生產能力。
萃取組件的結構有助於對其進行自動化組裝。可通過下述多種技 術來組裝層。在許多實施例中，在組裝過程中，只有對精密的多孔膜 進行層疊和封邊後才能對其進行處理，從而降低了損壞萃取組件內多 孔膜的可能性。
部分可用於本萃取組件的示例流體包括溶劑(諸如癸醇、2,6-二甲 基-4-庚醇、十二烷或其混合物)和水基流體(諸如乙醇/水、胺水溶液
或發酵液)。在一個實施例中，萃取膜優先將乙醇從水相轉移到溶劑 相中。錯流式膜組件的一個實施例在圖1中示出。該錯流式膜組件或液 -液萃取元件100包括第一層對110和第二層對120。第二層對120
設置成鄰近第一層對110，以形成層疊件150。層疊件150具有如圖 1所示的x軸、y軸和z軸。z軸為層疊件150的厚度方向。x軸 和y軸均為層疊件150的面內軸且相互正交。
第一層對110包括第一聚合物微孔膜112和以第一流動方向 F,(沿圖1中的x軸)取向的第一流動通道層114，第一流動方向 上具有設置在萃取元件100的第一相對側(沿圖1中的y軸)上 的流體入口 116和流體出口 118。因此，在圖1中示出的示例性實 施例中，第一流動方向F,與液-液萃取元件100的第一相對側正交。
第二層對120包括第二聚合物微孔膜122和以第二流動方向 F2 (沿圖1中的y軸)取向的第二流動通道層124，第二流動方向 F2不同於第一流動方向F,並具有設置在萃取元件100的第二相對 側(沿圖1中的x軸)的流體入口 126和流體出口 128。因此， 在圖1中示出的示例性實施例中，第二流動方向F2與液-液萃取元件 100的第二相對側正交。所示的第一微孔膜112設置在第一流動通道 層114與第二流動通道層124之間。在一個實施例中，第一流動方 向Ft與第二流動方向F2正交，但並非必須如此。
在許多實施例中，液-液萃取元件100包括多個(兩個或更多個) 交替的第一層對110和第二層對120。在一些實施例中，液-液萃取元 件100包括從10至2000個、25至1000個或50至500個垂 直配準(沿z軸)層疊的交替的第一層對110和第二層對120，其 中第一流動方向^ (沿x軸)與第二流動方向F2 (沿y軸)正交。
流動通道層114、 124和微孔膜層112、 122的層厚度(沿z軸) 為任何可用值。在許多實施例中，第一流動通道層114和第二流動通 道層124每一層的厚度範圍為10至250或25至150微米。在許多實施例中，第一聚合物微孔膜112和第二聚合物微孔膜122每一
層的厚度範圍為1至200或10至100微米。液-液萃取元件100 的總體厚度(沿z軸)為任何可用值。在一些實施例中，液-液萃取元 件100的整體厚度(沿z軸)範圍為5至100或10至50釐米。
液-液萃取元件100可具有任何可用的形狀。在許多實施例中， 液-液萃取元件100具有直線形狀。液-液萃取元件100的寬度(沿y 軸)和長度(沿x軸)為任何可用值。在一些實施例中，液-液萃取元 件100的整體寬度(沿y軸)範圍為10至300或50至250釐 米。在一些實施例中，液-液萃取元件100的整體長度(沿x軸)範 圍為10至300或50至250釐米。在一個實施例中，液-液萃取元 件100的長度等於或基本上等於其寬度。
第一和第二流動通道層114、 124可根據需要由相同或不同的材 料形成，並可採用相同或不同的形式。第一和第二流動通道層114、 124可使液體在第一與第二微孔膜112、 122之間流動。在許多實施 例中，第一和第二流動通道層114、 124的結構可使得第一和第二流 動通道層114、 124在微孔膜112、 122之間形成流動通道。在一些 實施例中，第一和第二流動通道層114、 124沒有孔，並由聚合材料 形成，例如聚烯烴。
在一些實施例中，第一和第二流動通道層114、 124為波紋形(具 有平行交替的峰和谷)，以形成微孔膜112、 122之間的流動通道。 在許多實施例中，波紋可提供與流動方向平行的流動通道。這些波紋 可具有任何可用的節距(即，相鄰的峰或谷之間的距離)。在一些實
施例中，波紋的節距範圍為0.05至1或0.1至0.7釐米。可通過 任何可用的方法形成波紋，例如壓印、模鑄等。
如圖1所示，液-液萃取元件100的示例性構造包括具有第一平 面聚合物微孔膜112的第一層對110和以第一流動方向F,(沿圖1中的X軸)取向的第一波紋形流動通道層114。因此，在圖1中示
出的示例性實施例中，第一流動方向F,與第一波紋形流動通道層114 的波紋平行。第二層對120包括第二平面聚合物微孔膜122和以第 二流動方向F2 (沿圖1中的y軸)取向的第二波紋形流動通道層 124，其中第二流動方向F2與第一流動方向F,正交，並與第二波紋 形流動通道層124的波紋平行。因此，如該示例性實施例所示，第一 流動方向F,與第二流動方向F2正交，並且第一波紋形流動通道層 114的波紋與第二波紋形流動通道層124的波紋正交。
液-液萃取元件100可以可選地包括沿液-液萃取元件100所選 邊緣設置的層密封130、 140。可在一層的多孔膜與位於該多孔膜下的 流動通道層之間(以該流動通道層的流動方向)、沿液-液萃取元件100 的相對側形成第一層密封130。可在一層的多孔膜與位於該多孔膜下 的流動通道層之間(以該流動通道層的流動方向)、沿液-液萃取元件 100的相對側形成第二層密封140。在許多實施例中，第一和第二層 密封130、 140在相對側交替，如圖1所示。
在一些實施例中，層之間的層密封130、 140可為粘合劑密封條 或聲波密封或熱密封。如此可形成雙向液-液萃取流動組件100，其中 第一流體以第一流動方向流過組件，流過波紋間隔層和每隔一層的多 孔膜，從而在一面均勻地接觸多孔膜層；第二流體以第二流動方向(通 常與第一流動方向正交)流過液體萃取組件，並流過與第一流體流過
的間隔層交替的波紋間隔層，從而在另一面均勻地接觸膜層。
在一些實施例中，第一多孔非織造層(未示出)設置在第一聚合 物微孔膜112與第一流動通道層114之間，第二多孔非織造層(未 示出)設置在第二聚合物微孔膜122與第二流動通道層124之間。 該多孔非織造層可幫助加強微孔膜層和/或流動通道層。該多孔非織造 層可為任何可用的材料，例如紡粘層。該多孔非織造層可以可選地附 連(粘合、超聲波密封、熱密封等)到聚合物微孔膜和/或流動通道層上。
用作微孔膜的材料可採用多種形式。微孔膜材料通常具有延伸於 膜的主表面之間的微米或亞微米級孔(即微孔)。例如，微孔可以是 分離的或互連的。微孔膜可以由其中具有微孔的任何材料形成，例如 微孔熱塑性聚合物。微孔膜材料可為柔性或剛性。
當作為液體萃取膜使用時，微孔的大小、厚度及微孔膜的成分可 確定萃取速度。微孔膜微孔的大小應足夠大，以便使微孔內的進料溶 液和液體萃取劑接觸，但又不能太大，以避免進料溶液的溢流經過微
孔膜進入萃取劑。
可用的微孔膜材料包括，例如親水材料或疏水材料。例如，可根
據美國專利No.3，801，404 (Druin等人)、No.3,839，516 (Williams等 人)、No.3，843,761 (Bierenbaum等人)、No.4,255，376 (Soehngen等 人)、No.4，257，997 (Soehngen等人)、No.4,276，179 (Soehngen)、 No.4，973,434 (Sirkar等人)中所述的方法製備微孔膜，和/或可從例如 Celgard Inc.(Charlotte ， North Carolina) 、 Tetratec Inc.(Ivyland ， Pennsylvania) 、 Nadir Filtration GmbH (Wiesbaden ， Germany) 或 MembranaGmbH(Wuppertal， Germany)等供應商處方便地商購獲得。 示例性親水膜包括多孔聚醯胺(如多孔尼龍)膜、多孔聚碳酸酯膜、 多孔乙烯-乙烯醇共聚物膜及多孔親水聚丙烯膜。示例性疏水膜包括多 孔聚乙烯膜、多孔聚丙烯(如熱誘導相分離多孔聚丙烯)膜及多孔聚 四氟乙烯膜。
儘管也可以使用具有更大或更小平均孔徑的微孔膜，但可用微孔 膜材料的平均孔徑(如根據ASTM E1294-89 (1999) "Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter"(用自動液體孔率計檢驗薄膜過濾器的 孔徑特性的標準測試方法)所測得的孔徑)可以大於約0.07微米(如大於約0.1微米或大於約0.25微米)，並且可以小於約1.4微米(如 小於約0.4微米或小於約0.3微米)。為了減少乳狀液形成和/或溢流 穿過膜，微孔膜可以基本上不含直徑超過約100微米的孔、縫或其它 洞。
在許多實施例中，基於微孔膜材料的體積，微孔膜材料的孔隙度 範圍為從至少約20%(如至少約30%或至少約40%)到最大約80%、 約87%或甚至約95%。
儘管如上所述，可以使用任何厚度的微孔膜材料，但在許多實施 例中，微孔膜的厚度至少約為10微米(如至少約25微米或至少約 35微米或至少約40微米)，和/或厚度為小於約120微米(如小於 約80微米或甚至小於約60微米)。微孔膜單獨使用或與可選的多 孔支撐構件組合時可具有足夠大的機械強度，以承受預期操作條件下 可能施加在微孔膜上的任何壓差。
在許多實施例中，微孔膜包括至少一種疏水材料(即不會自動被 水潤溼)。示例性疏水材料包括聚烯烴(如聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、 前述任何材料的共聚物，以及可選的烯鍵不飽和單體)及其組合。如 果微孔膜材料為疏水材料，可以對相對於液體萃取劑平靜的進料溶液 施加正壓，以幫助潤溼微孔膜。
在一些實施例中，微孔膜為親水材料，例如標稱平均孔徑範圍為 0.2至0.45微米的親水多孔聚丙烯膜(如可以商品名"GHPOLYPRO MEMBRANE"購自Pall Life Sciences Inc.(Ann Arbor， Michigan)的材 料)。如果微孔膜材料為疏水材料，可相對於所含的進料溶液對所含 的液體萃取劑施加正壓，以有利於微孔膜內液-液界面的穩定。在一些 實施例中，可用的微孔膜包括在美國專利No.3,801，404(Druin等人)、 No.3，839,516 (Williams等人)、No.3，843,761 (Bierenbaum等人)、 No.4，255,376 (Soehngen)、 No.4，257,997 (Soehngen等人)、No.4,276，179(Soehngen)、 No.4,726,989 (Mrozinski) 、 No.5，120，594 (Mrozinski)及 No.5,238,623 (Mrozinski)中所述的微孔膜，這些專利的公開內容均以 引用的方式併入本文。
圖2是設置在框架255內的示例性錯流式膜組件100的示意 透視圖。錯流式膜組件100如上所述。在許多實施例中，框架255為 液-液萃取組件100提供改善的處理和保護作用，同時仍允許未受阻礙 的液體流過液-液萃取組件100的側面。在一些實施例中，框架255與 殼體組件(如下所述)配合形成"鎖與鑰匙"的貼合型構造，以在錯 流式膜組件100運作中使液-液萃取相(F,和F2)相互分離。
框架255包括多個設置在液-液萃取組件100周圍的框架部件 260。如圖2所示，多個框架部件260可沿液-液萃取組件100的八 個側邊設置並彼此連接，以形成圍繞液-液萃取組件100的一體框架元 件255。在許多實施例中，第一側密封201設置在框架255與第一 流動方向Ft對應的第一相對側上，第一側密封有助於隔離第一流動方 向F,的流體流。在許多實施例中，第二側密封202設置在框架255 與第二流動方向F2對應的第二相對側上，第二側密封有助於隔離第二 流動方向F2的流體流。
第一側密封201可由任何可用材料形成，諸如剛性材料或適形材 料或此二者的組合。在一個實施例中，第一側密封201是高度和寬度 範圍為0.5至1.5cm的氯丁橡膠材料的隆起。在另一個實施例中，第 一側密封201是高度和寬度範圍為0.5至1.5cm的剛性塑料材料 (如ABS)的隆起。在又一個實施例中，第一側密封201是總高度 和寬度範圍為0.5至1.5cm的塑性隆起，該隆起具有由適形材料(如 氯丁橡膠)形成的外層。
第二側密封202可由任何可用材料形成，諸如剛性材料或適形材 料或剛性材料與適形材料的組合。在一個實施例中，第二側密封202是高度和寬度範圍為0.5至1.5cm的氯丁橡膠材料的隆起。在另一個 實施例中，第二側密封202是高度和寬度範圍為0.5至1.5cm的剛 性塑料材料(如ABS)的隆起。在又一個實施例中，第二側密封202 是總高度和寬度範圍為0.5至1.5cm的塑性隆起，該隆起具有由適形 材料(如氯丁橡膠)形成的外層。在一些實施例中，第二側密封202也 可作為導軌或軌道，以幫助放置和移除和/或對齊組件殼體(如下所述) 內的組件100。
框架255可由任何可用材料製成。在一些實施例中，框架255由 剛性聚合材料製成，例如ABS。每個框架部件260可獨立地具有任 何可用尺寸。在一些實施例中，每個框架部件260的厚度範圍為1至 15釐米，寬度範圍為1至15釐米，並且其長度足以沿液-液萃取組 件100的對應相鄰側邊拉伸。
圖3A是示例性錯流式膜組件殼體300的示意性剖視圖。組件 殼體300的大小和構造可使錯流式膜組件100安裝在組件殼體300 內。組件殼體300可由任何可用材料製成，例如聚合物或金屬材料。 在許多實施例中，組件殼體300有可移除的部分或門301，以便從組 件殼體300內移除液-液萃取組件100。組件殼體300包括與第一液 體流動出口 318流體連接的第一液體流動入口 316。組件殼體300 包括與第二液體流動出口 328流體連接的第二液體流動入口 326。在 許多實施例中，組件殼體300包括可移除的部分303，以便在組件殼 體300內插入、移除和/或替換液-液萃取組件100。
在許多實施例中，第一側密封301設置在組件殼體300與第一 流動方向F、對應的第一相對側上，第一側密封有助於隔離第一流動方 向的流體流。在許多實施例中，第二側密封302設置在組件殼體 300與第二流動方向F2對應的第二相對側上，第二側密封有助於隔離 第二流動方向F2的流體流。第一側密封301可由任何可用材料形成，例如剛性材料或適形材 料或此二者的組合。在一個實施例中，第一側密封301是高度和寬度
範圍為0.5至1.5cm的氯丁橡膠材料的隆起。在另一個實施例中，第 一側密封301是高度和寬度範圍為0.5至1.5cm的剛性塑料材料 (如ABS)的隆起。在又一個實施例中，第一側密封301是總高度 和寬度範圍為0.5至1.5cm的塑性隆起，該隆起具有由適形材料(如 氯丁橡膠)形成的外層。第一側密封301的大小和構造可使其與膜組 件200的第一側密封201配合(如像鎖和鑰匙一樣配合)。
第二側密封302可由任何可用材料形成，例如剛性材料或適形材 料或此二者的組合。在一個實施例中，第二側密封302是高度和寬度 範圍在0.5至1.5cm的氯丁橡膠材料的隆起。在另一個實施例中，第 二側密封302是高度和寬度範圍在0.5至1.5cm的剛性塑料材料 (如ABS)的隆起。在又一個實施例中，第二側密封302是總高度 和寬度範圍在0.5至1.5cm的塑性隆起，該隆起具有由適形材料(如 氯丁橡膠)形成的外層。在一些實施例中，第二側密封302也可作為 導軌或軌道，以幫助放置和移除和/或對齊組件殼體(如下所述)內的 組件100。第二側密封302的大小和構造可使其與膜組件200的第 二側密封202配合。
圖3B是設置在組件殼體300內的示例性錯流式膜組件100的 示意性剖視圖。當液-液萃取組件100設置在組件殼體300內時，第 一液體流動入口 316與第一流動通道層入口 116流體連接，第一流 動通道層入口 116與第一流動通道層出口 118流體連接，第一流動 通道層出口 118與第一液體流動出口 318流體連接。當液-液萃取組 件100設置在組件殼體300內時，第二液體流動入口 326與第二流 動通道層入口 126流體連接，第二流動通道層入口 126與第二流動 通道層出口 128流體連接，第二流動通道層出口 128與第二液體流 動出口 328流體連接。、在許多實施例中，膜組件200包括與上述組 件殼體300的內部配合的框架255。在應用中，上述液-液萃取組件100可裝載在組件殼體300內， 並用於將已溶解溶質從第一液體萃取到第二液體，方法是使具有已 溶解溶質的第一液體流過第一流動通道層，使第二液體流過第二流動 通道層，然後使溶質穿過第一和第二微孔膜從第一液體轉移到第二液 體中。該液-液萃取組件100可用另一個液-液萃取組件100替換，方 法是從外殼300上移除可移除部分303，用另一個液-液萃取組件 100替換液-液萃取組件100，並將可移除部分303放回到外殼300 上。
圖4為示例性液-液萃取工藝400的示意性流程圖。以下所述是 從發酵液中萃取乙醇的示例性萃取工藝，然而本文所述的液-液萃取組 件適用於任何液-液萃取工藝。
將給料410 (如水、微生物及可發酵材料)置於發酵桶420內以 形成發酵液422。發酵液422可包含例如水和溶質(諸如乙醇)。可 使用淨化裝置430可選地去除(如通過沉澱和/或過濾)發酵液中的不 溶解材料423，並將所得的進料溶液440傳送到液-液萃取組件450 中。在液-液萃取組件450中，進料溶液440和萃取劑(或溶劑)460 彼此緊密接觸，以使得乙醇在進料溶液440與萃取劑460之間分離。 適於該具體實施例的溶劑或萃取劑470在美國專利申請
2004/0181101中有所公開，該專利申請在不與本發明衝突的範圍內以 引用的方式併入本文。並將具有萃取劑460和乙醇的萃取物470傳 送到回收裝置480，在該裝置中從萃取物470去除(如通過真空蒸餾) 乙醇495 (可選地與水混合)，從而重新生成萃取劑460並在液-液萃 取組件450中循環利用。同樣，經萃取的進料溶液490將返回到發 酵桶420，在發酵桶內定期補充必要的附加給料410，以替代在此期 間被去除的組分。
該示例性實施例所用的進料溶液440可包含水和乙醇，並可以為溶液、懸浮液、分散體等形式。除乙醇和水之外，進料溶液還可以可 選地包含可溶解或不可溶解組分(如可發酵糖、糖類或多糖、微生物、 生物質)。適用於發酵工藝的生物質的實例包括糖基材料(如糖蜜、 甘蔗和甜菜)和澱粉基材料(如玉米、小麥、木薯、大麥、裸麥和燕 麥)。還可以使用主要含纖維素、半纖維素、木質素以及數量不同的 其它材料的纖維素生物質。與之類似，該示例性實施例中所採用的發 酵微生物可為發酵工藝中使用的任何已知微生物，包括多種產生醇的 真菌菌種，諸如酵母、嗜熱細菌及發酵單胞菌的各個菌種。
儘管可以使用更高或更低的乙醇濃度，但本示例性實施例中可用 的發酵液中可包含的乙醇量為基於發酵液的總重量，從按重量計至 少0.5。/。、按重量計至少2%或按重量計至少4%直到按重量計至少 10%。
製備發酵液的工藝已為人們所熟知。製備發酵液的方法是在容 器(如發酵桶、大桶)中混合水、可發酵糖(或其前體)及微生物(例 如啤酒酵母)，並使該混合物保持在可發酵溫度(如在約15攝氏度
至約45攝氏度的範圍內)。發酵桶可方便地商購獲得並在(例如) 美國專利No.4,298，693中有所描述。
本發明不應被認為局限於本文所述的具體實例，而應理解為涵蓋 隨附權利要求中清晰地闡述的本發明的各個方面。本領域的技術人員 在閱覽本發明的說明書之後將容易理解本發明可適用於各種修改，
等同處理以及許多結構。
實例 實例1
製備具有熱熔粘合劑密封層的膜層疊件
將標稱厚度為0.076毫米(0.003英寸)的聚丙烯薄膜壓印到 1.27毫米(0.05英寸)深的通道及3.56毫米(0.14英寸)的通道間距的波紋形薄膜中。將可得自Hanes Companies Inc.(Conover， NC)的 紡粘聚丙烯巻材(16.96克/平方米(0.5盎司/平方碼))用聲波密封 到波紋形薄膜一面的隆起處，隆起的間隔為1.59毫米(0.063英寸)。 使用熱熔巻材粘合劑(由Bostik Inc.(Wauwatosa ， WI)生產的 PE-85-20)將該聲波密封對的紡粘側層合到擁有平均孔徑約為0.35微 米微孔的微孔聚丙烯膜中(根據美國專利No.4,726,989和 No.5，120，594中所述方法製備)，以形成層對。用刀將該層對切割成 0.686米x 0.686米(27英寸x 27英寸)的正方形薄片。將一條熱 熔粘合劑(Polybutene-l DP 8910 PC,可得自Basell North America Inc.
(Elkton， MD))沿第一層對波紋層兩個相對邊的每一邊塗敷，距每 一邊約38毫米(1.5英寸)，方向是波紋形薄膜通道的方向。對層對 的第二個0.686米xO.686米(27英寸x 27英寸)正方形薄片取向， 使波紋形薄膜上的通道與第一層對上的通道正交，並將層對的第二個 薄片壓到層對的第一個薄片上，以形成兩層對層疊件。用另外的熱熔 粘合劑和另外的層對薄片重複此工藝，使另外的層對薄片的波紋形薄 膜上的通道與前述層對薄片上的通道正交，直到層疊件的厚度為約 149.4毫米(5.88英寸)。
將框架(由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)樹脂經機械加工製成)的 每個部分圍繞層疊件裝配，並使用SILASTIC 732 RTV粘合劑/密封劑 (可得自Dow Coming Corp. (Midland, MI))沿層疊件的每條邊粘 附到層疊件的每條邊上。框架具有兩個相對側，並鄰近每側具有兩個 相對末端。框架的兩個相對側經機械加工後具有凸起的導向，以貼合 殼體每側的對應軌道。框架的兩個相對末端經機械加工後具有連續凸 起的凸緣，以貼合框架每一末端與殼體每一末端之間的橡膠密封件。
實例2
製備帶熱密封層的膜層疊件
將一張尺寸為222.3毫米x 222.3毫米(8.75英寸x 8.75英寸) 並具有平均孔徑約為0.35微米微孔的微孔聚丙烯膜薄片(根據美國專利No.4,726,989和No.5,120,594中所述方法製備)放置到另一張具 有相同尺寸的膜薄片頂部，然後使用MP-16 Midwest Pacific型熱封機 (可得自Grainger Inc. (St.Paul, MN))，將兩張薄片熱密封到一起， 形成側密封，兩個相對邊的尺寸均在25毫米(1英寸)以內。對另 外十三對膜薄片重複此工藝形成十四對膜。將一對膜放置到另一對頂 部，使密封邊對齊，並將頂部膜對底片的每個未密封邊熱密封到底部 膜對頂片的每個未密封邊上。對其餘十二對薄片重複此工藝，形成十 四對膜(二十八張薄片)的層疊件，其中層疊件中連續的薄片之間具 有交替(即正交)的連續流動通道。切割層疊件的每個角形成25毫 米(1英寸)的正方形凹口，以便貼合如下所述的聚碳酸酯殼體。
將標稱厚度為0.075毫米(0.003英寸)的聚丙烯薄膜壓印到具 有1.27毫米(0.05英寸)深的通道及3.56毫米(0.14英寸)的通 道間距的波紋形薄膜中。將該壓印的薄膜切割成尺寸為222.3毫米 (8.75英寸)x約165毫米(6.5英寸)的條，並在壓印薄膜內的通 道與側密封平行的情況下，將這些條插入層疊件薄片之間的連續流動 通道內。通過在各層(包括波紋形聚乙烯層)之間注入雙組分環氧樹 脂粘合劑(DP-IOO，可得自3M Company (St.Paul， MN))，密封該 層疊件的每個角。
通過在殼體的拐角處塗敷雙組分環氧樹脂粘合劑，再將層疊件放 入殼體，然後使環氧樹脂粘合劑在四個拐角中每個拐角內固化，將微 孔膜和波紋形聚乙烯層疊件密封為矩形聚碳酸酯殼體的一部分。沿殼 體內固化的環氧樹脂粘合劑的每一邊塗敷SILASTIC 732 RTV粘合劑 /密封劑(可得自Dow Corning Corp. (Midland, MI))，進一步密封 這些拐角。使用氯丁橡膠墊圈將矩形聚碳酸酯殼體的第一部分與第二 部分密封，用螺栓將這兩部分保持在一起，以形成錯流式膜組件。殼 體每側具有一個直徑為約12.7毫米(0.5英寸)的螺紋埠，及每個
埠都裝配有閥門，相對側的闊門通過層疊件中薄片之間的連續流動 通道連接。經組件一側的閥門(入口閥)抽取重量百分比為10%的乙醇水 溶液，該溶液經導流通過該組件和相對側的閥門(出口閥)。經另一
側的閥門(入口閥)抽取癸醇(可得自Sigma-Aldrich Corp, (St.Louis，
MO))，該側與支承抽取乙醇溶液的閥門的那一側鄰近。癸醇經導流 通過組件和相對側的閥門(出口閥)。使用出口閥來控制壓力，在乙 醇水溶液的通道中維持約40釐米水柱的壓力，同時在癸醇通道中維 持約30釐米水柱的壓力。大約五分鐘後，使用氣相色譜法分析癸醇， 結果顯示癸醇含乙醇。
至此已參照數個實施例描述了本發明。提供上述具體實施方式
和 實例的目的只是為了清楚地理解本發明，而不應被理解為不必要的限 制。對於本領域的技術人員將顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍
的情況下，可對所描述的實施例作出許多改變。因此，本發明的範圍 不應被限定為本文所述的精確細節和結構，而是受權利要求書的語言 所限定。本文引用的專利公開說明書、專利文獻和出版物的全部內容 均以引用的方式全文併入本文，如每個都單獨引入一樣。如果有任何 沖突，應由本說明書(包括定義)所約束。
權利要求
1.一種液-液萃取元件，包括第一層對，其包括第一聚合物微孔膜；以及第一流動通道層，其以第一流動方向取向，在所述第一流動方向上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的流體入口和流體出口；第二層對，其設置成鄰近形成層疊件的所述第一層對，所述第二層對包括第二聚合物微孔膜；以及第二流動通道層，其以第二流動方向取向，所述第二流動方向不同於所述第一流動方向並具有設置在所述萃取元件第二相對側上的流體入口和流體出口；其中，所述第一微孔膜設置在所述第一流動通道與所述第二流動通道之間。
2. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流動方 向與所述第二流動方向正交。
3. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括多個交替的第 一層對和第二層對。
4. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括25至250個 交替的第一層對和第二層對。
5. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流動通 道層和所述第二流動通道層具有波紋形結構，並且所述第一聚合物微 孔膜和所述第二聚合物微孔膜具有平面結構。
6. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括在所述第一聚合物微孔膜與所述第一流動通道層之間設置的粘合劑。
7. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括在所述第一流 動通道層內鄰近並且沿所述第二相對側設置的粘合劑，以及在所述第 二流動通道層內鄰近並且沿所述第一相對側設置的粘合劑。
8. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流動通 道層鄰近並且沿所述第二相對側密封，並且所述第二流動通道層鄰近 並且沿所述第一相對側密封。
9. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流動通道層和所述第二流動通道層的厚度範圍為25至150微米，並且所述 第一聚合物微孔膜和所述第二聚合物微孔膜的厚度範圍為1至100 微米。
10. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括在所述第一聚 合物微孔膜與所述第一流動通道層之間設置的第一多孔非織造層，以 及在所述第二聚合物微孔膜與所述第二流動通道層之間設置的第二多 孔非織造層。
11. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括設置在所述層 疊件周圍的剛性框架。
12. 根據權利要求1所述的液-液萃取元件，還包括設置在所述層疊件周圍的剛性框架和設置在所述剛性框架周圍的剛性外殼，所述剛 性外殼具有可移除部分以便從所述外殼移除所述剛性框架和層疊件。
13. —種將已溶解的溶質從第一液體萃取到第二液體的方法，所 述方法包括提供液-液萃取元件，其包括多個第一層對，每個層對包括 第一聚合物微孔膜；以及第一流動通道層，其以第一流動方向取向，在所述第一流動方向 上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的流體入口和流體出口；多個第二層對，每個第二層對在所述第一層對之間交替，並形成 層疊件，所述第二層對包括第二聚合物微孔膜；以及第二流動通道層，其以第二流動方向取向，所述第二流動方向不同於所述第一流動方向並且具有設置在所述萃取元件第二相對側上的 流體入口和流體出口；其中，所述第一微孔膜設置在所述第一流動通道與所述第二流動 通道之間；使具有已溶解溶質的第一液體流過所述第一流動通道層； 使第二液體流過所述第二流動通道層；以及使所述溶質穿過所述第一和第二微孔膜從所述第一液體轉移到 所述第二液體。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述使第一液體流動的 步驟包括使具有已溶解溶質的第一液體流過所述第一流動通道層， 其流動方向與所述使第二液體流過所述第二流動通道層的方向正交。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述提供步驟包括提供液-液萃取元件，所述元件包括波紋形第一流動通道層和波紋形第二 流動通道層以及平面第一微孔膜和平面第二微孔膜。
16. 根據權利要求13所述的方法，其中所述提供步驟包括提供液-液萃取元件，所述元件包括鄰近並且沿所述第二相對側密封的所 述第一流動通道層和鄰近並且沿所述第一相對側密封的所述第二流動通道層。
17. 根據權利要求13所述的方法，其中所述提供步驟包括提 供液-液萃取元件，所述元件還包括設置在所述層疊件周圍的框架，將 所述框架和所述層疊件置於外殼內，所述外殼具有第一流體入口、第 一流體出口、第二流體入口和第二流體出口以及可移除部分，所述可 移除部分使得可從所述外殼移除所述剛性框架和層疊件。
18. 根據權利要求13所述的方法，還包括從所述外殼移除所述可移除部分，用第二層疊件替換所述層疊件，並將所述可移除部分放 回到所述外殼上。
19. 一種液-液萃取系統，包括進料溶液容器，其包含一定體積的進料溶液，所述進料溶液包括 具有已溶解溶質的第一液體；溶劑容器，其包含一定體積的溶劑；液-液萃取元件，其包括多個第一層對，其與所述進料溶液容器流體連接，每個層對包括 第一聚合物微孔膜；以及第一流動通道層，其以第一流動方向取向，在所述第一流動方向上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的流體入口和流體出口；多個第二層對，其與所述溶劑容器流體連接，每個所述第二層對在第一層對之間交替並形成層疊件，所述第二層對包括第二聚合物微孔膜；以及第二流動通道層，其以第二流動方向取向，所述第二流動方向不 同於所述第一流動方向並且具有設置在所述萃取元件第二相對側上的流體入口和流體出口；其中，所述第一微孔膜設置在所述第一流動通道與所述第二流動通道之間；以及其中，所述進料溶液中的所述溶質可穿過所述第一和第二微孔膜 轉移到所述溶劑中。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述第一流動方向與所 述第二流動方向正交。
全文摘要
本發明描述了液-液萃取元件。液-液萃取元件包括第一層對和設置成鄰近所述第一層對的第二層對，以形成層疊件。所述第一層對包括第一聚合物微孔膜和以第一流動方向取向的第一流動通道層，所述第一流動方向上具有設置在所述萃取元件第一相對側上的流體入口和流體出口。所述第二層對包括第二聚合物微孔膜和以第二流動方向取向的第二流動通道層，所述第二流動方向不同於所述第一流動方向並具有設置在所述萃取元件第二相對側上的流體入口和流體出口。所述第一微孔膜設置在所述第一流動通道與所述第二流動通道之間。本發明還描述了將已溶解的溶質從第一液體萃取到第二液體的方法。
文檔編號B01D61/00GK101321576SQ200680045067
公開日2008年12月10日 申請日期2006年11月21日 優先權日2005年11月30日
發明者丹·L·范澤洛, 加裡·W·斯庫卡, 尼古拉斯·J·埃斯德, 布拉德利·K·馮, 託德·W·詹森, 麥可·D·別吉切 申請人:3M創新有限公司