一種原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，具體涉及一種原位分離水相中低濃度有機(jī)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于膜組件的膜孔內(nèi)進(jìn)行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)物與水相的分離。本發(fā)明利用多孔膜作為支撐，結(jié)合了支撐液膜和膜蒸餾兩個(gè)過程，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，具體涉及一種原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法。【背景技術(shù)】
[0002]很多化學(xué)或生物過程中，由于產(chǎn)物本身的毒性或反饋抑制，其終濃度比較低。生物發(fā)酵產(chǎn)品這一現(xiàn)象尤其明顯，終產(chǎn)物一般都在10wt%以下。如氨基酸為l-5wt%，抗生素為
0.l-3wt%，生物丁醇通常低于lwt%。若產(chǎn)品本身沸點(diǎn)較高，不易揮發(fā)，則低濃度會(huì)導(dǎo)致精餾成本偏高。高效低成本的分離純化工藝的開發(fā)是提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。
[0003]原位分離技術(shù)是克服產(chǎn)物抑制的有效方法。原位分離是指同時(shí)完成反應(yīng)和分離兩個(gè)過程，其優(yōu)點(diǎn)包括:在反應(yīng)過程中將有抑制作用的產(chǎn)物分離，可以提高總收率和處理能力，減少反應(yīng)設(shè)備投資；放熱反應(yīng)中可直接利用反應(yīng)熱供分離過程使用；常用的原位分離技術(shù)包括萃取、吸附、氣提技術(shù)等以及膜技術(shù)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(fā)酵分離耦合的工藝方法和裝置，該發(fā)明利用了萃取及精餾技術(shù)，能夠有效消除丙酮一丁醇發(fā)酵的產(chǎn)物抑制作用、提高產(chǎn)物產(chǎn)量和原料利用率，而且可以有效降低生產(chǎn)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(yīng)體系易乳化，萃取劑對(duì)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(guī)模應(yīng)用。
[0005]專利200710062809.7提出CO2循環(huán)氣提在線分離耦合制備乙醇的方法及設(shè)備。利用CO2循環(huán)氣提降低產(chǎn)物濃度，并設(shè)計(jì)多種在線分離裝置，強(qiáng)化單元操作，延長(zhǎng)批次發(fā)酵時(shí)間和提高乙醇生產(chǎn)強(qiáng)度，有效降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。氣提過程與膜蒸餾類似，操作簡(jiǎn)單，易放大，適合于原位分離操作，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(duì)于使用致密膜的膜過程，比如滲透汽化，膜萃取等，在脫除水中少量有機(jī)溶劑的研究領(lǐng)域，雖然也有相應(yīng)的專利文獻(xiàn)，例如專利200710130936.6提高生物質(zhì)發(fā)酵強(qiáng)度的乙醇原位分離方法；專利03105055.7，有機(jī)酸發(fā)酵過程中有機(jī)酸的在線提取和提濃方法等，但沒有相應(yīng)成熟的商業(yè)化膜，發(fā)展緩慢。
[0007]液膜技術(shù)較固體膜而言，選擇性和通量都比較高，但穩(wěn)定性有待于提高。研究者從膜材料和操作條件膜結(jié)構(gòu)方面研制新型膜組件，提高穩(wěn)定性。專利95201509提出了一種套管式中空纖維液膜組件，其特征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(nèi)外套管壁間的間隙和內(nèi)套管空心分別對(duì)應(yīng)反萃液，膜相載體溶液和料液流動(dòng)通道。該發(fā)明膜相均勻穩(wěn)定，傳質(zhì)速率快，富集效果好。然而，結(jié)合了萃取和反萃取過程的上述液膜，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，流體流動(dòng)情況復(fù)雜，需要多管路多輸送設(shè)備，而且需要多種有機(jī)溶劑。不僅如此，反萃后的產(chǎn)品仍然需要進(jìn)一步分離。另外內(nèi)外套管的中空纖維的制作難度較高。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本
【發(fā)明內(nèi)容】
在于提供一種原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0010]一種原位分離水相中低濃度有機(jī)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于膜組件的膜孔內(nèi)進(jìn)行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)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；中空纖維膜置于管式膜中，兩膜間隙填充有機(jī)萃取劑。
[0012]所述中空纖維膜置于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(nèi)側(cè)可以用載氣吹掃或者保持真空狀態(tài)，待分離料液與膜組件中萃取劑于膜組件的膜孔內(nèi)進(jìn)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(nèi)表面揮發(fā)，冷凝后作為濃縮產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)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。所述萃取劑為高于待分離組份沸點(diǎn)的較強(qiáng)疏水性的有機(jī)溶劑。
[0014]所述中空纖維內(nèi)側(cè)通過載氣吹掃或使其處于真空度狀態(tài)，必須保證兩側(cè)壓差低于“液體浸入壓”，使有機(jī)溶劑不能滲透過膜孔。其值大小取決于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(huán)己烷和乙酸乙酯
坐寸ο
[0016]本發(fā)明的工藝分離原理:待分離料液與在管式膜的膜孔內(nèi)與萃取劑發(fā)生萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；由于中空纖維內(nèi)側(cè)具備載氣吹掃或一定真空度，待分離組份在中空纖維內(nèi)表面揮發(fā)，冷凝后作為濃縮產(chǎn)品。
[0017]本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn):
[0018]本發(fā)明利用多孔膜作為支撐，結(jié)合了支撐液膜和膜蒸餾兩個(gè)過程，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。首先，由于有多孔膜的存在，會(huì)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(rùn)膜材料，傳質(zhì)發(fā)生在內(nèi)側(cè)膜孔，會(huì)減少萃取劑流失。其次，萃取劑的用量非常少，萃取劑僅存在于管式膜和中空纖維膜之間，用量會(huì)隨著填充密度的增加而減少；第三，由于萃取劑中待分離組份的富集，且萃取劑本身沸點(diǎn)較高，一定程度提高了膜蒸餾的分離效率；最后，從操作上看，本發(fā)明組件直接浸沒于待分離料液中，對(duì)外僅有一根管路，對(duì)料液影響很小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于放大。本發(fā)明在支撐液膜穩(wěn)定性研究基礎(chǔ)上，結(jié)合膜蒸餾過程，有機(jī)溶劑用量少，運(yùn)行穩(wěn)定，可為水相中低濃度有機(jī)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(fā)明實(shí)施例提供的萃取劑的分配系數(shù)圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的萃取劑的分離因子圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的膜蒸餾與氣提水汽揮發(fā)速度對(duì)比圖。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的原位分離效果圖。
[0023]圖5為為本發(fā)明實(shí)施例提供的原位分離示意圖。[0024]圖6為為本發(fā)明實(shí)施例提供的膜組件示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)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，攪拌后靜置于37度恒溫箱內(nèi)24小時(shí)，分別測(cè)定水相和油相中丁醇與水的濃度。計(jì)算得丁醇在兩相中的分配系數(shù)及分離因子。分配系數(shù)及分離因子按照下式計(jì)算:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于: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于膜組件的膜孔內(nèi)進(jìn)行萃取交換，待分離組份向萃取劑中富集；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)物與水相的分離。
2.按權(quán)利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于:所述膜組件由中空纖維膜和管式膜組成；中空纖維膜置于管式膜中，兩膜間隙填充有機(jī)萃取劑。
3.按權(quán)利要求1或2所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于:所述中空纖維膜置于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(nèi)側(cè)可以用載氣吹掃或者保持真空狀態(tài)，待分離料液與膜組件中萃取劑于膜組件的膜孔內(nèi)進(jìn)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(nèi)表面揮發(fā)，冷凝后作為濃縮產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)物與水相的分離。
4.按權(quán)利要求3所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于: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(quán)利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于: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(quán)利要求5所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于:所述管式膜為親水膜。
7.按權(quán)利要求1所述的原位分離水相中低濃度有機(jī)物的方法，其特征在于:所述萃取劑為高于待分離組份沸點(diǎn)的較強(qiáng)疏水性的有機(jī)溶劑。
【文檔編號(hào)】B01D11/04GK103816804SQ201210465823
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月16日
【發(fā)明者】侯同剛, 張躍東, 陳秀芳, 關(guān)靜, 牟新東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所