一種原位分離水相中低濃度有機物的方法
2023-05-27 04:46:36 2
一種原位分離水相中低濃度有機物的方法
【專利摘要】本發明屬於生物化工領域，具體涉及一種原位分離水相中低濃度有機物的方法。將膜組件浸沒在待分離料液中，待分離料液與膜組件中萃取劑於膜組件的膜孔內進行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進而實現低濃度有機物與水相的分離。本發明利用多孔膜作為支撐，結合了支撐液膜和膜蒸餾兩個過程，具有兩者的優點，同時避免了兩者的缺點。
【專利說明】一種原位分離水相中低濃度有機物的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於生物化工領域，具體涉及一種原位分離水相中低濃度有機物的方法。【背景技術】
[0002]很多化學或生物過程中，由於產物本身的毒性或反饋抑制，其終濃度比較低。生物發酵產品這一現象尤其明顯，終產物一般都在10wt%以下。如胺基酸為l-5wt%，抗生素為
0.l-3wt%，生物丁醇通常低於lwt%。若產品本身沸點較高，不易揮發，則低濃度會導致精餾成本偏高。高效低成本的分離純化工藝的開發是提高經濟效益的重要途徑。
[0003]原位分離技術是克服產物抑制的有效方法。原位分離是指同時完成反應和分離兩個過程，其優點包括:在反應過程中將有抑制作用的產物分離，可以提高總收率和處理能力，減少反應設備投資；放熱反應中可直接利用反應熱供分離過程使用；常用的原位分離技術包括萃取、吸附、氣提技術等以及膜技術包括膜蒸餾、滲透汽化、膜萃取以及液膜等。
[0004]專利201110039036提出了一種丙酮丁醇發酵分離耦合的工藝方法和裝置，該發明利用了萃取及精餾技術，能夠有效消除丙酮一丁醇發酵的產物抑制作用、提高產物產量和原料利用率，而且可以有效降低生產能耗和成本。液液萃取速度快，分離因子高，但通常要使用大量萃取劑，萃取劑與反應體系易乳化，萃取劑對催化劑(或菌體)常有抑制或毒害作用。這些問題阻礙萃取在原位分離中的大規模應用。
[0005]專利200710062809.7提出CO2循環氣提在線分離耦合製備乙醇的方法及設備。利用CO2循環氣提降低產物濃度，並設計多種在線分離裝置，強化單元操作，延長批次發酵時間和提高乙醇生產強度，有效降低了生產成本，提高了生產效率。氣提過程與膜蒸餾類似，操作簡單，易放大，適合於原位分離操作，但該過程受到待分離體系本身的汽液平衡限制，分離因子通常都比較低。
[0006]而對於使用緻密膜的膜過程，比如滲透汽化，膜萃取等，在脫除水中少量有機溶劑的研究領域，雖然也有相應的專利文獻，例如專利200710130936.6提高生物質發酵強度的乙醇原位分離方法；專利03105055.7，有機酸發酵過程中有機酸的在線提取和提濃方法等，但沒有相應成熟的商業化膜，發展緩慢。
[0007]液膜技術較固體膜而言，選擇性和通量都比較高，但穩定性有待於提高。研究者從膜材料和操作條件膜結構方面研製新型膜組件，提高穩定性。專利95201509提出了一種套管式中空纖維液膜組件，其特徵是支撐液膜組件中的中空纖維由套管式中空纖維組成，套管外的空隙，內外套管壁間的間隙和內套管空心分別對應反萃液，膜相載體溶液和料液流動通道。該發明膜相均勻穩定，傳質速率快，富集效果好。然而，結合了萃取和反萃取過程的上述液膜，設計比較複雜，流體流動情況複雜，需要多管路多輸送設備，而且需要多種有機溶劑。不僅如此，反萃後的產品仍然需要進一步分離。另外內外套管的中空纖維的製作難度較高。
【發明內容】
[0008]本
【發明內容】
在於提供一種原位分離水相中低濃度有機物的方法。
[0009]為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0010]一種原位分離水相中低濃度有機物的方法，將膜組件浸沒在待分離料液中，待分離料液與膜組件中萃取劑於膜組件的膜孔內進行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進而實現低濃度有機物與水相的分離。
[0011]所述膜組件由中空纖維膜和管式膜組成；中空纖維膜置於管式膜中，兩膜間隙填充有機萃取劑。
[0012]所述中空纖維膜置於管式膜中組成膜組件，膜組件浸沒在待分離料液中，分離過程中中空纖維內側可以用載氣吹掃或者保持真空狀態，待分離料液與膜組件中萃取劑於膜組件的膜孔內進行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；待分離組份在中空纖維內表面揮發，冷凝後作為濃縮產品，進而實現低濃度有機物與水相的分離。
[0013]所述所述中空纖維膜和管式膜孔徑在0.002至20微米之間。所述管式膜可為親水或疏水膜，中空纖維膜為親水膜。所述管式膜為親水膜。所述萃取劑為高於待分離組份沸點的較強疏水性的有機溶劑。
[0014]所述中空纖維內側通過載氣吹掃或使其處於真空度狀態，必須保證兩側壓差低於「液體浸入壓」，使有機溶劑不能滲透過膜孔。其值大小取決於中空纖維膜膜孔的大小形狀及材料的親疏水程度。
[0015]具體萃取劑如:油醇、正辛醇、苯、四氯化碳、酒精、煤油、己烷、環己烷和乙酸乙酯
坐寸ο
[0016]本發明的工藝分離原理:待分離料液與在管式膜的膜孔內與萃取劑發生萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；由於中空纖維內側具備載氣吹掃或一定真空度，待分離組份在中空纖維內表面揮發，冷凝後作為濃縮產品。
[0017]本發明所具有的優點:
[0018]本發明利用多孔膜作為支撐，結合了支撐液膜和膜蒸餾兩個過程，具有兩者的優點，同時避免了兩者的缺點。首先，由於有多孔膜的存在，會減少相間夾帶造成的萃取劑損失，另外使用親水膜材料與料液接觸，料液首先浸潤膜材料，傳質發生在內側膜孔，會減少萃取劑流失。其次，萃取劑的用量非常少，萃取劑僅存在於管式膜和中空纖維膜之間，用量會隨著填充密度的增加而減少；第三，由於萃取劑中待分離組份的富集，且萃取劑本身沸點較高，一定程度提高了膜蒸餾的分離效率；最後，從操作上看，本發明組件直接浸沒於待分離料液中，對外僅有一根管路，對料液影響很小，結構簡單，易於放大。本發明在支撐液膜穩定性研究基礎上，結合膜蒸餾過程，有機溶劑用量少，運行穩定，可為水相中低濃度有機物的分離提供新的解決方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例提供的萃取劑的分配係數圖。
[0020]圖2為本發明實施例提供的萃取劑的分離因子圖。
[0021]圖3為本發明實施例提供的膜蒸餾與氣提水汽揮發速度對比圖。
[0022]圖4為本發明實施例提供的原位分離效果圖。
[0023]圖5為為本發明實施例提供的原位分離示意圖。[0024]圖6為為本發明實施例提供的膜組件示意圖。
【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026]萃取劑選擇:
[0027]配置18g/L的丁醇溶液，以油水體積比為1:2添加萃取劑，攪拌後靜置於37度恆溫箱內24小時，分別測定水相和油相中丁醇與水的濃度。計算得丁醇在兩相中的分配係數及分離因子。分配係數及分離因子按照下式計算:
[0028]
【權利要求】
1.一種原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:將膜組件浸沒在待分離料液中，待分離料液與膜組件中萃取劑於膜組件的膜孔內進行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進而實現低濃度有機物與水相的分離。
2.按權利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述膜組件由中空纖維膜和管式膜組成；中空纖維膜置於管式膜中，兩膜間隙填充有機萃取劑。
3.按權利要求1或2所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述中空纖維膜置於管式膜中組成膜組件，膜組件浸沒在待分離料液中，分離過程中中空纖維內側可以用載氣吹掃或者保持真空狀態，待分離料液與膜組件中萃取劑於膜組件的膜孔內進行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；待分離組份在中空纖維內表面揮發，冷凝後作為濃縮產品，進而實現低濃度有機物與水相的分離。
4.按權利要求3所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述所述中空纖維膜和管式膜孔徑在0.002至20微米之間。
5.按權利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述管式膜可為親水或疏水膜，中空纖維膜為親水膜。
6.按權利要求5所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述管式膜為親水膜。
7.按權利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機物的方法，其特徵在於:所述萃取劑為高於待分離組份沸點的較強疏水性的有機溶劑。
【文檔編號】B01D11/04GK103816804SQ201210465823
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2012年11月16日
【發明者】侯同剛, 張躍東, 陳秀芳, 關靜, 牟新東 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所