用於有機產物的生產線和處理的製作方法

2023-04-30 02:31:26 1

專利名稱：用於有機產物的生產線和處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業生產大宗化學品的方法，並且涉及含有機物質的含水物流、例如包括一種或多種復鹽或可電離組分如有機酸鹽作為其相應組分的產物物流的處理或加工。特別地，本發明涉及使用電滲析(ED)處理單元和/或雙極性膜型電滲析(BPED)處理單元的處理系統，並且涉及由其生成的產物。本發明相當一般地涉及用於分離、處理或純化以下物質的方法發酵產物物流、植物或動物提取物物流、含酶化生成的產物或中間產物的物流、獲自以上來源之一的化學改性物質的物流或其它含可電離的有機組分的大宗物流。為表述簡潔，這些在本文中應都稱為「發酵產物物流」。通常，這些物流將包括作為重要組分的目標有機物質，其典型地以與其它組分的混合物的形式出現，所述其它組分也可同時由該處理方法解決。
背景技術：
許多簡單的化學品以工業規模通過發酵方法、細菌或化學消化或其它機制由物質如植物漿或研磨副產物、乳品、玉米、大豆或其它可大量獲得的農產品獲得，有時來自其它收穫或提取方法的廢物。這種化學品的普通實例包括多種羧酸，如酒石酸、乙酸、馬來酸、抗壞血酸，和其它簡單有機物質，以及專用化學品或嵌合單變異體(像L-乳酸)，其可存在於大宗物質中或有效地從中產生，使用工業上有用的有機體的酶或特殊的菌株。終端化學品可直接在發酵方法中獲得，或者可獲自酮或其它的由這種發酵產物產生的前體的反應或加工。典型地，需要一種或多種發酵後加工工序來進行提取、改性、濃縮，或者所述發酵後加工工序可包括，過濾法如超濾以除去高分子量(例如，蛋白質)及其它潛在地幹擾物質，離子交換法以除去二價金屬、脫色、酸化或調節物流；加入酸、鹼或化學品來調節進料或者進行化學改性，及其它方法以改變pH，除去或替換無機物。一種方法還可包括如納濾的步驟以濃縮物流和/或分離不需要的物質或組分；使分子結構部分分解或增加的方法，和使產物沉澱或結晶並且使物流淨化或改性的方法。
典型地，相關有機化合物，例如，乳酸、抗壞血酸或簡單脂肪族酸的形式與一定剩餘量的原材料和營養素以及發酵方法的代謝產物一起存在，使得多種糖、醇、酮或酸及其它化合物可以存在於物流中。目標組分或者期望產物在加工的一個工序常常作為可電離的鹽或者主要轉變為可電離的鹽。從該鹽中回收產物可通過使用電滲析(用電分離並驅動相應的原料通過離子選擇膜而進入輸出通道)從溶液中分離可電離組分而進行。
一些這類的早期系統，如美國專利2,921,005(1960)和4,057,483(1977)所示，使用由多個陽離子交換膜構成的基本腔室結構，而不是更普通的通常用於電滲析「疊層(stacks)」的陽離子和陰離子交換膜的交替，並且有時使用多個三或四腔室基本單元以形成疊層，其提供用於有機物部分質子化作用或者無機離子羥基化作用的合適來源，同時有效地分離鹽的可溶解的離子部分。
在這些現有技術結構中，通過提供其中可以進行酸部分質子化作用的分離槽或料流腔室，使用離子選擇膜進行有機酸鹽至酸和鹼的轉變。然而，陽離子和陰離子組分的遷移數差異將通常妨礙使用標準電滲析槽結構的完全分離，並且提出了許多具有三或四腔室結構的構造，其中循環物流(增加離子濃度和離子傳遞)或稀釋物流(減少逆擴散)可以在各個腔室中流動而提高總效率。隨著工業雙極性(″水分解″)膜的發展，這種電滲析單元和處理方式可被改變以在其基本槽結構中加入至少一個雙極性(BP)膜。這種結構往往產生局部過量的各自陰離子和陽離子接收子腔室所需的水合氫離子和氫氧離子，並且更有效地阻攔不需要的物質的進入。使用BP膜的實際結構能夠在簡單的二或三腔室結構中獲得可觀的收率，在腔室邊界處有效分解BP膜中的水。由這種雙極性電滲析單元回收的酸或鹼的濃縮可以通過適當控制腔室中的物流的流速和再循環來實現。
例如，從相應鹽或物質的混合物回收有機酸在1988年的J.Falcone，Jr.美國專利4,781,809中進行了描述。數個分離/轉變方法和一些ED單元設計在該專利中以及在1989年的發明人Hodgdon和Alexander的雙極性膜專利4,851,100中進行了描述。那段時間的水分解膜電滲析技術的一篇有益綜述見於K.N.Mani的文章Electrodialysis water splittingtechnology中，發表於J.Membrane Sci.，58(1991)117-138。在文章中，該作者論述了有益的方法和效率因素，草擬了許多簡單多腔室的基本槽，其可用於使用不同的離子交換膜構造的雙極性電滲析疊層結構，並且指出了許多與將雙極性膜型電滲析處理方法整合到傳統的產物加工和處理生產線、如以前被用於處理廢物物流或加工發酵產物的那些生產線有關的特徵和優點。
在1990年代，當Mani文章出現時，許多因素，如希望減少化學品消耗或減少化學廢物物流(與包括強酸處理和/或交換床的加工步驟以及其伴隨著的化學再生要求相比)似乎傾向於將這樣的BPED處理單元加入到許多現有生產線或處理應用中。在該年代交接之時，然而，較少的大規模加工廠已經構建了雙極性電滲析處理單元。
許多因素似乎對緩慢採用BPED處理技術負有責任。市售可得的雙極性膜管路仍然相當貴，並且雖然這些膜的電分解效率和載流量表現很好，但是經濟利益限制了工業上接受BPED加工系統至一些更高價值的應用或者至小型試驗和/或環境小生境。具有競爭力的方法，如過濾、離子交換和沉澱是成熟和被證明了的技術，用於化學處理或離子交換再生的酸和苛性鹼的大宗成本仍然很低。
這也可能使大多數大宗化學品和分離工業(相反，BPED方法在技術上顯得十分適用於此)放緩採用雙極性電滲析技術。大宗發酵和相似化學品製造方法(其通常包括許多工廠的具體細節並且存在著潛在地使生物組分受汙或幹擾的可能)的共性也無疑是一種障礙，因為這些因素暗示了可能需要大量的研究、試驗和故障查找的投資以將任何特定的應用投入完全被控制的生產中。也許還因為，許多研磨廠或化學品生產者實際上組成了大的私人集團，其對所有與其產品和製造過程的情報保持了嚴格控制，具體的方法數據和必要的經驗與專業知識沒有廣泛地和設備與膜的提供者共享，或者使所述提供者可以得到這些信息。因此，為了顯而易見說明限制採用雙極性處理技術，可引述許多因素。
就此，仍然需要改進用於生成和處理大宗或專用化學品的方法。
特別地，仍然需要這樣的方法，其中BPED被整合入生產線以減少化學品或能量消耗，降低資本需求，提高產物或副產物的收率或品質，或者改善整體的生產和處理方法。

發明內容
在以下方法和系統中，其中如獲自發酵方法的有機物質在流體介質中作為含一種或多種有機組分的批料或物流來被處理，按照本發明完成這些及其它可期望的目標中的一個或多個。優選例如通過超濾等過濾的介質與鹽形式的有機物質一起通過雙極性膜電滲析單元或者循環來分離可電離的有機酸物流和共離子物流。該有機酸物流優選被濃縮(例如，通過再循環、脫水或兩者)，使期望的酸產物通過如結晶的方法從濃縮的物流中回收。有利地，ED處理可以生成數個物流，這些可以和整個處理系統整合起來。此外，整個處理可以包括一個或多個化學改性步驟，在不同工序具有不同有機鹽的濃縮產物料流，其中任何一個可以通過電滲析處理。在本發明的處理生產線的一個實施方案中，雙極性電滲析組件代替了傳統的生產線設計的陽離子交換介質床，並且運轉以生成有機酸物流和無機或弱有機鹼物流。鹼物流(例如，苛性鹼或氫氧化銨)優選被施加於處理系統中的其它地方，例如在發酵或產物改性工序中調節介質或改性組分。進料可以被再循環以取得目標物質的高收率，進料或產物的接收腔室可以包括離子交換顆粒的填料以保持通過疊層的高工作電流，即使在阻力否則隨著時間使循環流體逐步耗盡而上升的情況下。
在另一個或者其它的方法中，雙極性膜電滲析單元可以與多個三腔室重複單元裝配，以用來接收其第二腔室中的原料。第二腔室可以包括如上所述的離子交換顆粒，其可以是混合類型或其它類型，視計劃情況而定。在運轉中，該單元將期望組分傳遞到第一腔室並在第一腔室中使期望組分濃縮，提供富酸的輸出物流，同時使非期望的和非電離的組分作為被耗盡的物流(例如，耗盡了目標產物)直通過第二腔室。被耗盡的物流可以例如包含大分子、醇、糖及其它非電離的或弱電離的物質。金屬離子被傳遞到第三腔室中，其輸出物(如被回收的苛性鹼或微量營養素物質)可以在某些情況下被施加到生產線的其它工序，而提高整個處理的效率並且實現一定的成本節省。
產物可以從第一腔室的富酸輸出物流中回收，例如通過蒸發、結晶等。有利地，在該實施方案中的三腔室雙極性ED，除了分離和濃縮酸形式的目標產物以外，還從許多剩餘物和殘留在被耗盡的進料物流中的雜質組分中分離含產物的料流，因此同時作為預過濾工序運轉，其有利地提供了不同於傳統基於過濾器或基於交換床的處理系統的預處理工序(其中物理孔徑或結合親合性支配著處理)的特性。這是非常有用的，因為通過將通到後續產物處理步驟的料流轉換為大的和非離子的組分，被通到下遊產物處理步驟的目標物質是較純淨的物流或者含較少受汙產物的物流，因此下遊單元可以完成較高的回收或較純的回收或生成較少的廢物物流。因此，例如，有利地減少了來自下遊產物結晶或其它的回收步驟的剩餘廢物，並且全部或者部分直通的被耗盡的進料物流可以被回料到基礎的發酵或其它上遊方法以使所含營養素的消化或原料物流的其它處理最優化，因此增加了產物收率。當被耗盡的進料被返回到發酵或前一工序時，被返回的部分也可以被部分蒸餾或進行其它處理，如果必要的話，或者可以按一定實際比率設置流出物以減小累積組分(如回料物流或發酵池中的代謝物或毒素)的濃度或者將其除去直至低於一定的水平，否則可能會不利地影響發酵。
在又一個或其它實施方案中，ED或BPED工序或其兩者被設置以處理在回收步驟(如產物或中間產物的沉澱或結晶)後剩餘的廢物物流，電滲析處理運轉以將剩餘的可電離的酸組分傳遞到回收物流中，同時使非電離的或反電荷組分通入一個或多個其它物流如較小體積的廢物物流。根據本發明的這個方面，ED和/或BPED回收方法在下遊方法的末端施加，回收物流(其可以是或者可以包括被回收的有機酸、鹼、營養素和微量礦物組分)可以被返回到上遊方法工序以增加收率。


參考附圖，由本文中的描述和權利要求將會理解本發明的這些及其它特徵，附圖舉例說明了本發明的細節和典型的實施方案，其中圖1A舉例說明了現有技術通過純化發酵產物液體而生產大宗有機酸的處理方法；圖1B舉例說明根據本發明的處理或生產方法和加工生產線；圖2舉例說明根據本發明的在三腔室雙極性ED單元中對進料物流的作業；和圖3A和3B顯示了不同的雙腔室單元和本發明系統的相關處理方式。
具體實施例方式
通過以下對現有技術系統的簡要討論，本發明會被更好地理解，以下討論用來舉例說明有機工藝生產物流和相應處理形式的某些特徵以及工藝生產需要考慮的事項。圖1A顯示了現有技術的系統10，其對產物物流1a進行作業，該產物物流1a是通過上遊或初始生物生產方法，例如生物合成、培養、酶改性或發酵方法2(如圖所示)以及下遊方法4而產生的，所述下遊方法4進行作業而從其中改性、分離和/或濃縮和提純產物。初始或上遊方法2可以較為簡單或相對複雜，這取決於生物方法需要考慮的事項，起始的糖或其它原料和所涉及的發酵有機體的菌株，並且可能要求任何大宗處理或化學改性以使進料物質適應培養物或著使發酵產物物流適應期望的中間產物。通常，在一個或多個培養、調節和其它容器(未示)中，方法2要求受控的一系列步驟。本領域的技術人員將理解這些方法的範圍和其中所涉及的具體細節。對本公開內容來說，一般性地表示上遊發酵方法2就足夠了。
方法和作業(由2所指明的)可以包括多種直接化學處理或添加，例如通過簡單反應如酯化作用將生物材料轉變或轉化，轉變成相關的鹽等。由發酵2獲得的期望的有機物質以工藝/產物液體的物流1的形式出現，其以不同的方式，可以從發酵工序連續或者間歇地取出，並且經方法4處理。物流1具有適當濃度的、一種或多種被識別的發酵產物組分，使得進一步的處理從該物流中純化、生成或提取更濃和較純的產物。
方法4可以典型地包括過濾和/或離子交換法、化學改性方法或產物分離方法。例如，一種生產抗壞血酸的方法是將單糖或醇轉化和發酵以提供古洛糖酸或鹽中間產物，如2-氧代-L-古洛糖酸，其被酸化和進行酯化而形成抗壞血酸。抗壞血酸可能是期望的最終產品，或者它可能被進一步轉變為酸形式，視需要而定。許多其它的大宗或專用化學品通過經由葡萄糖酸鹽、乳酸鹽或者其它的中間產物或者其部分通過發酵獲得的產物的處理步驟而生成。
進一步如圖1A所示，一個典型的處理髮酵產物液體的現有技術下遊方法4包括第一過濾工序，如超濾工序12，其尤其用於保持(除去)某些存在於該液體中的物質，所述物質否則會汙染下遊處理介質。超濾除去大分子或蛋白質物質。這之後是陽離子交換床14和納濾系統16，陽離子交換床14除去陽離子、降低pH，而納濾系統16使得水和所溶解的(無機)鹽從該系統通過，從而將目標酸化發酵產物保持在被保留的液體物流1b中並使其濃縮。這樣濃縮後，該物流可以進行如化學處理或改性等方法，或者，如果在該工序已經存在目標產物，期望的產物可以直接從濃縮的液體1b中例如通過結晶、蒸發或這些工序的結合而被回收。在該附圖中，在結晶器18中使產物結晶，留下廢液20，其可包含多種礦物質、糖、醇或者酮和在前述步驟中未能結晶的殘留產物。
圖1A因此是用來廣泛地代表一類用於製備大宗化學品的工業方法。在實際情況中，在整個處理程序中，不同的子工序可以進行許多次，以純化、調節或增加特定中間產物的濃度，確保特定的改性反應主要形成特定的預定物質，或者實現期望的環境或其它特性或狀況。取決於所涉及的起始原料，在此一般性框架內的許多不同方法可以存在以生成特定的大宗化學品。例如，生產抗壞血酸可以從許多不同的原料開始；從葡萄糖開始的話，適當方法可以使用兩種發酵方法形成山梨糖醇，然後山梨糖，山梨糖至2-氧代-L-古洛糖酸的化學轉化，轉化(例如通過離子交換)為古洛糖酸，和酯化作用及在有機溶劑中進一步處理而形成期望的最終產物。
在如上一般性描述的處理方法的情況下，現將對本發明進行舉例說明。
圖1B例如舉例說明了系統100，其實現了根據本發明的一個方面的產物回收方法，配置有一個或多個雙極性膜電滲析處理單元。如圖1B所示，系統100包括生產線4′，其對來自上遊和初始生物生產方法(例如，生物合成、培養或發酵方法2，如圖所示)的物質作業，以從其中改性、回收和/或濃縮和提純產物。發酵方法可以是任何已知的方法，其運轉以生成預定起始產物，並且典型地包括受控生長構造，其中在營養素介質中在受控生長的條件下細菌或真菌培養生成了作為代謝最終產物的物質。相應的培養有機體可以被保持在發酵容器中，含期望產物的上層清液或被過濾的料流被連續或分批除去，而在待進一步處理的進料物流中提供產物料流。雖然本發明可以被施用於實現極高價值(藥品)產物的分離或處理，但是有利地使用大面積電滲析裝置來實施本發明以處理大宗化學品或專用化學品產物物流，並且將在這裡進行描述。
根據本發明的一個主要方面，使來自方法2的、優選通過超濾、離子交換或其它步驟而被過濾或調節過的介質1a與鹽形式的有機物質一起通過電滲析系統或者循環，所述電滲析系統包括雙極性膜電滲析單元，其運轉以將可電離的有機目標物分離成目標酸物流和共離子物流。有機酸物流優選被進一步濃縮(例如通過再循環、通過後續的脫水或兩者)，期望的酸產物從被濃縮的物流中回收，例如通過結晶、蒸發或其它的方法，這取決於所期望的純度和其它因素。濃度和回收方法的經濟性可能對整個處理具有重大影響。本發明處理的幾個方面提供了這種加工處理的益處。
有利地，ED單元可以生成數個物流，這些可以和整個處理整合起來。這樣從ED進料除去的無機離子可以返回(以鹽、酸或鹼的形式)到其它步驟，被耗盡的進料中的非離子物質可以返回到上遊方法或下遊方法。
在本發明的處理生產線的一個實施方案中，雙極性電滲析組件(其可以任選地置於傳統的ED單元之前)代替了傳統的生產線設計(如圖1A的那種)的陽離子交換介質床，並且運轉以生成有機酸物流和無機或弱有機鹼物流。鹼物流(例如，苛性鹼)優選被施加於處理系統中的其它地方，例如在一個發酵或產物改性工序中調節介質或改性組分。
圖2舉例說明了一個用於加工物流1a中的物質如氧代-L-古洛糖酸(KLG鹽)的雙極性膜電滲析(BPED)構造40。如所示，BPED疊層的一般結構40包括在一末端的陰極41、在另一末端的陽極42，以常規順序排列於其中以限定處理或離子接收料流的腔室的多個離子交換膜43a、43b、43c。該膜是三種交換類型，即陽離子交換膜C(43c)、陰離子交換膜A(43a)和雙極性(BP)膜43b。在此結構中，這裡雙極性膜還被標記為AC或CA以指出它們相對於電極的極性或方向。由序列BP-A-C-BP定義的基本構造形成了以疊層排列的三腔室Y、X和Z的重複單元，其中提供了合適的歧管以限定通過相應腔室的三股單獨的料流。如本領域已知的，一種或多種其它的膜、以及墊片或其它結構可與各個電極腔室在各末端連接，以防止各種結垢及其它發生在電極室中的電解條件和化學環境下的電化學效應。
使用這種三腔室雙極性電滲析組件的系統的一個實施方案將進料物流(物流1a)提供給中間腔室X，而將2KLG提取到腔室Y中，將其它鹽離子(例如，Na+或NH4+)提取到腔室Z中。在與腔室Y接壤的膜43b中分解水而產生水合氫離子，該水合氫離子使2KLG酸化，而金屬離子與由與腔室Z接壤的雙極性膜產生的氫氧離子結合。在這種構造中，來自腔室Y的流出物1Y是期望的產物物流，而腔室X的流出物1c，即產物-被耗盡部分的進料物流1a，將包含通過ED方法未電離的某些糖和物質。因此，單元40有利地從處理部分中「濾出」這樣的物質，物流1Y，而促進下遊提純步驟。例如，沒有將這種雜質通到結晶器(18，圖1A)並且其不必在結晶器廢物(20，圖1A)中處理。產物-被耗盡的物流1c可以多次通過腔室X以最大程度地除去期望的2KLG產物而使其進入物流1Y中，例如，可以通過分批再循環至所期望的終點，或者通過在反饋環路中將其一部分再循環。被耗盡的批料或者物流1c的未再循環部分可然後返回到上遊發酵方法以使其中剩餘的營養素的利用最大化。
在本發明的這個方面的另一個實施方案中，傳統的電滲析(ED或EDR)單元可以在雙極性ED單元前作為第一工序而提供，以進行初始處理步驟。在這種情況中，優選進行第一工序ED以將目標有機鹽的陽離子和陰離子部分除去而得到第一工序濃縮物物流，來自第一工序的濃縮物用作上述雙極性方法的輸入進料。
BPED單元也可使用其它的在兩個雙極性膜間具有單個單型交換膜(A或C)的槽結構以形成二腔室雙極性槽結構。兩個這樣的結構示於圖3A和3B中，其中(接著KLG鹽的實例)KLG或陽離子從通過物流中遷移出而進入相鄰的腔室中。
在各個末端，電極槽可能具有不同的或獨立的流體循環(未進行具體圖解)。在任何這些實施方案中，一個或兩個物流可以被再循環以達到期望的除去或濃度終點。此外，離子交換顆粒或織物的填料可被置於一個或多個腔室中以確保充分的電導率來使疊層中的電流總體上保持在期望的水平。
為了除去目標有機物部分，陰離子交換顆粒填料優選在中間腔室中，而陰離子或者混合型(的填料)可用於產物接收腔室中。當溶液電導率差時使用交換顆粒有助於保持電導率和有效的遷移，並且有助於進料再循環通過中間腔室來將最大量的目標物質提取到相鄰的產物酸接收腔室中。因此，一個或多個腔室可以包含離子交換樹脂。合適的樹脂可以包括大孔樹脂和相對於進料物流具有抗汙性的那些、專用脫色樹脂及其它。料流也可以被處理或維持在適當的pH以使汙染最小化和保證期望的有機產物在處理槽中是可電離的。
在運轉中，當三腔室單元在其第二腔室中接收進料並在第一腔室中傳遞期望組分時，為提供富酸的輸出物流，非期望的和非電離的組分可以作為被耗盡的物流直通過第二腔室。被耗盡的物流可以例如包含大分子、醇、糖及其它非電離的或弱電離的物質。金屬離子被傳遞到第三腔室中，其輸出物(如被回收的苛性鹼、弱鹼、某些營養素或微量元素)可以在某些情況下被施加到生產線的其它工序，而提高整個處理的效率並且實現一定的增強或效率。通過在合適的流量下使進料和產物物流再循環，可以增加第一腔室的富酸輸出物流中的目標產物的濃度，並且例如通過蒸發、結晶等，使用類似於上述現有技術實例的方法，進一步的濃縮提供了改進的回收或回收了更多的純產物。有利地，在這個實施方案中，除了分離和濃縮酸形式的目標產物外，雙極性ED還從大多數剩餘物和殘留在被耗盡的進料物流中的雜質組分中分離含產物的料流。在這種意義上講，BPED(以及上述的第一工序ED處理，當其使用時)作為預過濾工序運轉，其有利地提供了不同於傳統基於過濾器或基於交換床的預處理的特徵，其中物理孔徑或裝料特徵主要決定了最終的物流組成。通過將通到後續產物處理步驟的料流轉換為大的和非離子的組分，本發明為下遊產物處理方法提供了較純淨的物流或含較少受汙產物的物流，促進了較高的回收、或較純的回收、和/或生成較小量的下遊廢物。
因此，例如，來自下遊結晶或其它回收(步驟)的剩餘廢物將有利地被減少，並且結晶器液體可以進行第二結晶工序而無需大規模的預調節。如上所述，全部或部分直通的被耗盡的進料物流1c可以回料到基礎的發酵或上遊方法以使所含營養素的消化或原料物流的其它處理最優化。當被耗盡的進料被返回到發酵或前一工序時，被返回的部分也可以被部分蒸餾或進行其它處理，如果必要的話，或者可以按一定實際比率設置流出物以回收副產物，或限制回料物流或發酵池中的累積組分、代謝物或毒素的濃度或者將其除去直至低於一定的水平，否則可能會不利地影響發酵。
還可以將本發明BP處理系統的這種過濾/回收方面應用於上述系統中主要處理的下遊，或者通過在傳統生產裝置的結晶後或回收後的工序對流體施加這種ED來進行應用。根據本發明的這個方面，提供ED或BPED工序或者兩者來處理在產物或中間產物的回收步驟如沉澱或結晶後剩餘的廢液。例如，在圖1A中，這種電滲析可以作用於該方法的廢物輸出物20。
如已知的，這種結晶器廢液可以包含大量的未回收的產物(例如，2KLG)以及糖、醇等等。BPED處理可以將剩餘的可電離的酸組分傳遞到二次回收物流中，同時使非電離的或相反電荷組分通入一個或多個其它物流中，如較少體積的廢物物流、或待返回到方法的較潔淨的剩餘營養素物流、或二次副產物如進料添加劑或肥料。
廢物20的處理可以包括預調節，如稀釋、過濾和/或pH調整，並且可以分成數個工序，例如先ED隨後再BPED，如果廢物20的性質不允許單一工序或直接處理的話。根據本發明的這個方面，廢物，其例如可以包括大量的未回收的產物以及未消化的營養素、微量礦物質和共生產物，其通過ED/BPED單元而被處理以回收另外的可電離的產物。對於較高濃度的結晶器廢物物流的電作業可能是相當有效的，並且通過從結晶器廢物中清理產物或前體，可使總收率顯著增加，其可以改善整個生產方法的經濟性。
在由本發明所獲的其它優點中，還應注意到產物物流和可再用的共生物流的生成使得在解決處理經濟性方面有很大的柔性。在被回收的營養素、被再生的酸、弱鹼或苛性鹼物流的分離和被回收的產物廢物中的一個或多個的節約可以補償整個的投資或維修費用(例如，用於膜、設備和電)，雖然通過各種通過型或內腔室傳遞型BPED結構實現的實際過濾提供了有效的處理和有機酸生產，卻使用較少的資本投資，例如減少了對超濾或納濾層(圖1A的12、16)，或交換床和再生化學品的需求。本發明的方法可以產生較高價值的脫色產物，並因此可以消除對離子交換或其它澄清器的需求。
數個實施例將用來舉例說明所述發明的運轉參數和普遍效果。
實施例1從粗製抗壞血酸鈉提純回收抗壞血酸裝配雙極性電滲析9″×10″疊層，其具有8個三腔室單元和2個雙腔室單元，以及在疊層的各末端具有電極腔室。各膜的有效面積為約232cm2。該三腔室單元包括雙極性膜、陽離子膜(Ionics CR69EXMP)和陰離子膜，如圖2所述排列。雙腔室單元包括一個雙極性膜和一個陽離子膜(Ionics CR69EXMP)，如圖3A所述排列。用於三腔室單元的陰離子膜是Ionics防汙陰離子膜(Ionics AR204SZRA)，其使得有機離子通過。排列各孔，使得在三腔室單元中，使發酵液的進料溶液通過中間腔室(X)、使有機酸產物通過左腔室(Y)和使苛性鹼溶液通過右腔室(Z)。在雙腔室單元中，使有機酸通過左腔室而使苛性鹼物流通過右腔室。該三腔室單元用作有機酸的提純和回收。該雙腔室單元用於除去滲漏過雙極性膜的金屬離子(共離子洩漏)以減少有機酸產物中的金屬離子。
將大約1000克無水粗製抗壞血酸鈉(獲自發酵，純度88.1％)溶於5升純水中，獲得約20％的粗製抗壞血酸鈉的溶液。將溶液進料到ED系統的進料槽中，並且以大約0.8升/分鐘的流速在腔室X中循環，如圖2所示。在酸槽中，添加3升水並使其在該酸腔室中循環。在苛性鹼槽中，填滿3升水並使其循環進入苛性鹼腔室和陰極腔室。在陽極腔室中，使1％的H2SO4溶液作為電解液循環。進料溶液的電導率最初為24.7mS/cm。ED方法的電流密度為大約30mA/cm2，疊層兩端的總電壓大約為51-52伏，進行該處理直到該進料溶液的電導率下降到大約0.5mS/cm。該方法用時大約155分鐘。
與暗灰色進料溶液相比，所得抗壞血酸產物溶液為極淺的黃色溶液。以抗壞血酸離子計，收率為88.0％，電流效率為64％。當使產物溶液濃縮和結晶時，產物純度為97.6％，沒有鈉離子。據信，2.4％雜質可能主要是由於所用的乾燥方法而造成的抗壞血酸的氧化產物。功耗為大約1.1kwh/kg抗壞血酸。
實施例2從乳酸鈉提純和回收乳酸裝配雙極性電滲析9″×10″疊層，其包括5個三腔室單元，在疊層各末端具有電極腔室。各膜的有效面積為大約232cm2，該三腔室單元具有雙極性膜、陽離子膜(Ionics CR69EXMP)和陰離子膜(IonicsAR103QDP)，如圖2所述排列。在三腔室單元中，使模擬發酵液的進料溶液穿過中間腔室(X)、使有機酸產物穿過左腔室(Y)和使苛性鹼溶液穿過右腔室(Z)。
用於該方法實施例的進料溶液是類似於發酵液的含9.2％乳酸鈉以及糖和蛋白質的合成溶液。將3升進料溶液置於ED系統的進料槽中，並且以大約0.5升/分鐘的流速在腔室X中循環，如圖2所示。在酸槽中，添加3升水並使其在該酸腔室中循環。在苛性鹼/鹼槽中，提供3升的0.2N氫氧化鈉溶液，並使其通過苛性鹼腔室和陰極室循環。在陽極腔室中，使1％的H2SO4溶液作為電解質溶液循環。進料溶液的電導率最初為34.2mS/cm。ED方法的電流密度為大約8-30mA/cm2，疊層兩端的總電壓大約為15-32伏，進行該方法直到該進料溶液的電導率下降到大約0.7mS/cm。該方法用時大約190分鐘。
收率為大約94.3％，極少的糖和蛋白質進入產物中，電流效率為88.8％。功耗為大約1.76kwh/kg乳酸。
以上實施例證實了實際有效的有機酸分離、提純和轉變為具有理想產物特徵的酸形式。
如此公開的本發明和所述的例證性實施方案、其許多變形和改變以及對其它已知處理或生產方法的修改將會被本領域普通技術人員想到。所有這些變形、改變和修改被認為是在本發明的範圍內，並且被所附權利要求包含。
權利要求
1.在對包含期望產物或中間產物質以及大分子/蛋白質物質、可溶性礦物物質和非電離物質如糖、酮或醇組分的有機物質進料物流或液體進行作業的生產線中用於運轉的處理系統，並且其中該生產線包括三室電滲析單元，其中進料液體供給到第二室，使期望產物通入相鄰的第三室並且使至少一些可溶性礦物物質通入第一室，所述進料的剩餘物通過第二腔室並且所述單元運轉以使非電離物質和大分子/蛋白質物質保持在所述離開第二室的進料中，所述第三室向結晶器、蒸發器、回收或轉化過程提供了濃縮的和純化的有機酸產物輸出物流並且所述第二室提供了產物耗盡的廢物物流。
2.權利要求1的處理系統，其中所述產物耗盡的廢物物流包括由此從處理生產循環中除去的有毒物質。
3.權利要求1的處理系統，其中在發酵過程的下遊，所述三室電滲析單元位於上遊處理工序，並且運轉以提供所述含營養素的產物耗盡的廢物物流以及返回上遊或發酵過程的中間產物。
4.權利要求1的處理系統，其包括位於下遊處理工序的ED和/或BPED電滲析單元以處理來自回收或濃縮過程的廢液，並且其中位於下遊處理工序的電滲析單元運轉以提取另外的有機酸並且提供可返回到上遊發酵或處理工序的工業上有用的產物耗盡的廢物物流。
5.權利要求1的處理系統，其包括在所述腔室中的離子交換材料以保持電導率。
6.權利要求5的處理系統，其中電滲析單元淨化由所述過程產生的有機酸產物。
7.在對包含期望的目標有機產物或中間產物質以及大分子/蛋白質物質、可溶性礦物物質和非電離物質如糖、酮或醇組分的進料物流或液體進行作業的生產線中用於運轉的處理系統，並且其中該生產線包括三室電滲析單元，其中進料液體供給到第二室，使期望產物通入相鄰的第三室並且使至少一些可溶性礦物物質通入第一室，所述進料的剩餘物通過第二腔室並且所述單元運轉以使非電離物質和大分子/蛋白質物質保持在所述離開第二室的進料中，所述第三室向結晶器、蒸發器、回收或轉化過程提供了濃縮的和純化的有機酸產物輸出物流並且所述第二室提供了產物耗盡的廢物物流，並且所述進料物流是基本上沒有受汙有機物質的第一工序電滲析(ED)系統的濃縮物物流。
全文摘要
使來自發酵過程等的流體通過雙極性膜電滲析單元的腔室或者循環，來分離可電離的有機酸物流和至少一種共離子或者剩餘物流。該有機酸物流優選被濃縮(例如，通過再循環、脫水或兩者)，例如通過結晶從濃縮物物流回收產物，來自電滲析單元的其它輸出物可以和整個處理整合起來並且在處理系統中用於其它地方。被耗盡的進料可以返回上遊以提高收率、調節介質或者形成副產物。本發明的處理系統可代替陽離子交換床和/或許多過濾構造，進料的再循環和通過所述單元的產物料流提高了目標物質的回收、分離和質量。ED腔室可包括離子交換顆粒的填料以當進料被耗盡時保持所期望的運轉效率，直通作業有效地作為預過濾工序而運轉，提供具有提高處理、回收和產品質量的加工性能的含下遊產物的料流。當系統運轉以處理下遊廢物時，其使得以產物、未用的營養素、共生因子和/或存在於廢物中的其它組分的形式進行另外重要的回收。
文檔編號B01D61/44GK1960798SQ200580008741
公開日2007年5月9日 申請日期2005年3月17日 優先權日2004年3月17日
發明者張力, 鄭永昌, R·J·麥唐納, A.朱 申請人:Ge愛奧尼克斯公司