專利名稱：用于有機產(chǎn)物的生產(chǎn)線和處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)大宗化學品的方法，并且涉及含有機物質(zhì)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(chǎn)物物流的處理或加工。特別地，本發(fā)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(tǒng)，并且涉及由其生成的產(chǎn)物。本發(fā)明相當一般地涉及用于分離、處理或純化以下物質(zhì)的方法發(fā)酵產(chǎn)物物流、植物或動物提取物物流、含酶化生成的產(chǎn)物或中間產(chǎn)物的物流、獲自以上來源之一的化學改性物質(zhì)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(fā)酵產(chǎn)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(zhì)，其典型地以與其它組分的混合物的形式出現(xiàn)，所述其它組分也可同時由該處理方法解決。
背景技術(shù)：
許多簡單的化學品以工業(yè)規(guī)模通過發(fā)酵方法、細菌或化學消化或其它機制由物質(zhì)如植物漿或研磨副產(chǎn)物、乳品、玉米、大豆或其它可大量獲得的農(nóng)產(chǎn)品獲得，有時來自其它收獲或提取方法的廢物。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(zhì)，以及專用化學品或嵌合單變異體(像L-乳酸)，其可存在于大宗物質(zhì)中或有效地從中產(chǎn)生，使用工業(yè)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(fā)酵方法中獲得，或者可獲自酮或其它的由這種發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生的前體的反應或加工。典型地，需要一種或多種發(fā)酵后加工工序來進行提取、改性、濃縮，或者所述發(fā)酵后加工工序可包括，過濾法如超濾以除去高分子量(例如，蛋白質(zhì))及其它潛在地干擾物質(zhì)，離子交換法以除去二價金屬、脫色、酸化或調(diào)節(jié)物流；加入酸、堿或化學品來調(diào)節(jié)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(zhì)或組分；使分子結(jié)構(gòu)部分分解或增加的方法，和使產(chǎn)物沉淀或結(jié)晶并且使物流凈化或改性的方法。
典型地，相關(guān)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余量的原材料和營養(yǎng)素以及發(fā)酵方法的代謝產(chǎn)物一起存在，使得多種糖、醇、酮或酸及其它化合物可以存在于物流中。目標組分或者期望產(chǎn)物在加工的一個工序常常作為可電離的鹽或者主要轉(zhuǎn)變?yōu)榭呻婋x的鹽。從該鹽中回收產(chǎn)物可通過使用電滲析(用電分離并驅(qū)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(tǒng)，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(gòu)成的基本腔室結(jié)構(gòu)，而不是更普通的通常用于電滲析“疊層(stacks)”的陽離子和陰離子交換膜的交替，并且有時使用多個三或四腔室基本單元以形成疊層，其提供用于有機物部分質(zhì)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(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中，通過提供其中可以進行酸部分質(zhì)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堿的轉(zhuǎn)變。然而，陽離子和陰離子組分的遷移數(shù)差異將通常妨礙使用標準電滲析槽結(jié)構(gòu)的完全分離，并且提出了許多具有三或四腔室結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，其中循環(huán)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(yè)雙極性(″水分解″)膜的發(fā)展，這種電滲析單元和處理方式可被改變以在其基本槽結(jié)構(gòu)中加入至少一個雙極性(BP)膜。這種結(jié)構(gòu)往往產(chǎn)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，并且更有效地阻攔不需要的物質(zhì)的進入。使用BP膜的實際結(jié)構(gòu)能夠在簡單的二或三腔室結(jié)構(gòu)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堿的濃縮可以通過適當控制腔室中的物流的流速和再循環(huán)來實現(xiàn)。
例如，從相應鹽或物質(zhì)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(shù)個分離/轉(zhuǎn)變方法和一些ED單元設(shè)計在該專利中以及在1989年的發(fā)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(shù)的一篇有益綜述見于K.N.Mani的文章Electrodialysis water splittingtechnology中，發(fā)表于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，其可用于使用不同的離子交換膜構(gòu)造的雙極性電滲析疊層結(jié)構(gòu)，并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(tǒng)的產(chǎn)物加工和處理生產(chǎn)線、如以前被用于處理廢物物流或加工發(fā)酵產(chǎn)物的那些生產(chǎn)線有關(guān)的特征和優(yōu)點。
在1990年代，當Mani文章出現(xiàn)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)似乎傾向于將這樣的BPED處理單元加入到許多現(xiàn)有生產(chǎn)線或處理應用中。在該年代交接之時，然而，較少的大規(guī)模加工廠已經(jīng)構(gòu)建了雙極性電滲析處理單元。
許多因素似乎對緩慢采用BPED處理技術(shù)負有責任。市售可得的雙極性膜管路仍然相當貴，并且雖然這些膜的電分解效率和載流量表現(xiàn)很好，但是經(jīng)濟利益限制了工業(yè)上接受BPED加工系統(tǒng)至一些更高價值的應用或者至小型試驗和/或環(huán)境小生境。具有競爭力的方法，如過濾、離子交換和沉淀是成熟和被證明了的技術(shù)，用于化學處理或離子交換再生的酸和苛性堿的大宗成本仍然很低。
這也可能使大多數(shù)大宗化學品和分離工業(yè)(相反，BPED方法在技術(shù)上顯得十分適用于此)放緩采用雙極性電滲析技術(shù)。大宗發(fā)酵和相似化學品制造方法(其通常包括許多工廠的具體細節(jié)并且存在著潛在地使生物組分受污或干擾的可能)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(chǎn)中。也許還因為，許多研磨廠或化學品生產(chǎn)者實際上組成了大的私人集團，其對所有與其產(chǎn)品和制造過程的情報保持了嚴格控制，具體的方法數(shù)據(jù)和必要的經(jīng)驗與專業(yè)知識沒有廣泛地和設(shè)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采用雙極性處理技術(shù)，可引述許多因素。
就此，仍然需要改進用于生成和處理大宗或?qū)Ｓ没瘜W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(chǎn)線以減少化學品或能量消耗，降低資本需求，提高產(chǎn)物或副產(chǎn)物的收率或品質(zhì)，或者改善整體的生產(chǎn)和處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
在以下方法和系統(tǒng)中，其中如獲自發(fā)酵方法的有機物質(zhì)在流體介質(zhì)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(fā)明完成這些及其它可期望的目標中的一個或多個。優(yōu)選例如通過超濾等過濾的介質(zhì)與鹽形式的有機物質(zhì)一起通過雙極性膜電滲析單元或者循環(huán)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(yōu)選被濃縮(例如，通過再循環(huán)、脫水或兩者)，使期望的酸產(chǎn)物通過如結(jié)晶的方法從濃縮的物流中回收。有利地，ED處理可以生成數(shù)個物流，這些可以和整個處理系統(tǒng)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(chǎn)物料流，其中任何一個可以通過電滲析處理。在本發(fā)明的處理生產(chǎn)線的一個實施方案中，雙極性電滲析組件代替了傳統(tǒng)的生產(chǎn)線設(shè)計的陽離子交換介質(zhì)床，并且運轉(zhuǎn)以生成有機酸物流和無機或弱有機堿物流。堿物流(例如，苛性堿或氫氧化銨)優(yōu)選被施加于處理系統(tǒng)中的其它地方，例如在發(fā)酵或產(chǎn)物改性工序中調(diào)節(jié)介質(zhì)或改性組分。進料可以被再循環(huán)以取得目標物質(zhì)的高收率，進料或產(chǎn)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(huán)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復單元裝配，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(zhuǎn)中，該單元將期望組分傳遞到第一腔室并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(chǎn)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(zhì)。金屬離子被傳遞到第三腔室中，其輸出物(如被回收的苛性堿或微量營養(yǎng)素物質(zhì))可以在某些情況下被施加到生產(chǎn)線的其它工序，而提高整個處理的效率并且實現(xiàn)一定的成本節(jié)省。
產(chǎn)物可以從第一腔室的富酸輸出物流中回收，例如通過蒸發(fā)、結(jié)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(chǎn)物以外，還從許多剩余物和殘留在被耗盡的進料物流中的雜質(zhì)組分中分離含產(chǎn)物的料流，因此同時作為預過濾工序運轉(zhuǎn)，其有利地提供了不同于傳統(tǒng)基于過濾器或基于交換床的處理系統(tǒng)的預處理工序(其中物理孔徑或結(jié)合親合性支配著處理)的特性。這是非常有用的，因為通過將通到后續(xù)產(chǎn)物處理步驟的料流轉(zhuǎn)換為大的和非離子的組分，被通到下游產(chǎn)物處理步驟的目標物質(zhì)是較純凈的物流或者含較少受污產(chǎn)物的物流，因此下游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游產(chǎn)物結(jié)晶或其它的回收步驟的剩余廢物，并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(chǔ)的發(fā)酵或其它上游方法以使所含營養(yǎng)素的消化或原料物流的其它處理最優(yōu)化，因此增加了產(chǎn)物收率。當被耗盡的進料被返回到發(fā)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(shè)置流出物以減小累積組分(如回料物流或發(fā)酵池中的代謝物或毒素)的濃度或者將其除去直至低于一定的水平，否則可能會不利地影響發(fā)酵。
在又一個或其它實施方案中，ED或BPED工序或其兩者被設(shè)置以處理在回收步驟(如產(chǎn)物或中間產(chǎn)物的沉淀或結(jié)晶)后剩余的廢物物流，電滲析處理運轉(zhuǎn)以將剩余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(jù)本發(fā)明的這個方面，ED和/或BPED回收方法在下游方法的末端施加，回收物流(其可以是或者可以包括被回收的有機酸、堿、營養(yǎng)素和微量礦物組分)可以被返回到上游方法工序以增加收率。


參考附圖，由本文中的描述和權(quán)利要求將會理解本發(fā)明的這些及其它特征，附圖舉例說明了本發(fā)明的細節(jié)和典型的實施方案，其中圖1A舉例說明了現(xiàn)有技術(shù)通過純化發(fā)酵產(chǎn)物液體而生產(chǎn)大宗有機酸的處理方法；圖1B舉例說明根據(jù)本發(fā)明的處理或生產(chǎn)方法和加工生產(chǎn)線；圖2舉例說明根據(jù)本發(fā)明的在三腔室雙極性ED單元中對進料物流的作業(yè)；和圖3A和3B顯示了不同的雙腔室單元和本發(fā)明系統(tǒng)的相關(guān)處理方式。
具體實施例方式
通過以下對現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的簡要討論，本發(fā)明會被更好地理解，以下討論用來舉例說明有機工藝生產(chǎn)物流和相應處理形式的某些特征以及工藝生產(chǎn)需要考慮的事項。圖1A顯示了現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)10，其對產(chǎn)物物流1a進行作業(yè)，該產(chǎn)物物流1a是通過上游或初始生物生產(chǎn)方法，例如生物合成、培養(yǎng)、酶改性或發(fā)酵方法2(如圖所示)以及下游方法4而產(chǎn)生的，所述下游方法4進行作業(yè)而從其中改性、分離和/或濃縮和提純產(chǎn)物。初始或上游方法2可以較為簡單或相對復雜，這取決于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(fā)酵有機體的菌株，并且可能要求任何大宗處理或化學改性以使進料物質(zhì)適應培養(yǎng)物或著使發(fā)酵產(chǎn)物物流適應期望的中間產(chǎn)物。通常，在一個或多個培養(yǎng)、調(diào)節(jié)和其它容器(未示)中，方法2要求受控的一系列步驟。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解這些方法的范圍和其中所涉及的具體細節(jié)。對本公開內(nèi)容來說，一般性地表示上游發(fā)酵方法2就足夠了。
方法和作業(yè)(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(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變成相關(guān)的鹽等。由發(fā)酵2獲得的期望的有機物質(zhì)以工藝/產(chǎn)物液體的物流1的形式出現(xiàn)，其以不同的方式，可以從發(fā)酵工序連續(xù)或者間歇地取出，并且經(jīng)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(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物分離方法。例如，一種生產(chǎn)抗壞血酸的方法是將單糖或醇轉(zhuǎn)化和發(fā)酵以提供古洛糖酸或鹽中間產(chǎn)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?？箟难峥赡苁瞧谕淖罱K產(chǎn)品，或者它可能被進一步轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝问?，視需要而定。許多其它的大宗或?qū)Ｓ没瘜W品通過經(jīng)由葡萄糖酸鹽、乳酸鹽或者其它的中間產(chǎn)物或者其部分通過發(fā)酵獲得的產(chǎn)物的處理步驟而生成。
進一步如圖1A所示，一個典型的處理發(fā)酵產(chǎn)物液體的現(xiàn)有技術(shù)下游方法4包括第一過濾工序，如超濾工序12，其尤其用于保持(除去)某些存在于該液體中的物質(zhì)，所述物質(zhì)否則會污染下游處理介質(zhì)。超濾除去大分子或蛋白質(zhì)物質(zhì)。這之后是陽離子交換床14和納濾系統(tǒng)16，陽離子交換床14除去陽離子、降低pH，而納濾系統(tǒng)16使得水和所溶解的(無機)鹽從該系統(tǒng)通過，從而將目標酸化發(fā)酵產(chǎn)物保持在被保留的液體物流1b中并使其濃縮。這樣濃縮后，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(jīng)存在目標產(chǎn)物，期望的產(chǎn)物可以直接從濃縮的液體1b中例如通過結(jié)晶、蒸發(fā)或這些工序的結(jié)合而被回收。在該附圖中，在結(jié)晶器18中使產(chǎn)物結(jié)晶，留下廢液20，其可包含多種礦物質(zhì)、糖、醇或者酮和在前述步驟中未能結(jié)晶的殘留產(chǎn)物。
圖1A因此是用來廣泛地代表一類用于制備大宗化學品的工業(yè)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(diào)節(jié)或增加特定中間產(chǎn)物的濃度，確保特定的改性反應主要形成特定的預定物質(zhì)，或者實現(xiàn)期望的環(huán)境或其它特性或狀況。取決于所涉及的起始原料，在此一般性框架內(nèi)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(chǎn)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(fā)酵方法形成山梨糖醇，然后山梨糖，山梨糖至2-氧代-L-古洛糖酸的化學轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)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(chǎn)物。
在如上一般性描述的處理方法的情況下，現(xiàn)將對本發(fā)明進行舉例說明。
圖1B例如舉例說明了系統(tǒng)100，其實現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的產(chǎn)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(tǒng)100包括生產(chǎn)線4′，其對來自上游和初始生物生產(chǎn)方法(例如，生物合成、培養(yǎng)或發(fā)酵方法2，如圖所示)的物質(zhì)作業(yè)，以從其中改性、回收和/或濃縮和提純產(chǎn)物。發(fā)酵方法可以是任何已知的方法，其運轉(zhuǎn)以生成預定起始產(chǎn)物，并且典型地包括受控生長構(gòu)造，其中在營養(yǎng)素介質(zhì)中在受控生長的條件下細菌或真菌培養(yǎng)生成了作為代謝最終產(chǎn)物的物質(zhì)。相應的培養(yǎng)有機體可以被保持在發(fā)酵容器中，含期望產(chǎn)物的上層清液或被過濾的料流被連續(xù)或分批除去，而在待進一步處理的進料物流中提供產(chǎn)物料流。雖然本發(fā)明可以被施用于實現(xiàn)極高價值(藥品)產(chǎn)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(fā)明以處理大宗化學品或?qū)Ｓ没瘜W品產(chǎn)物物流，并且將在這里進行描述。
根據(jù)本發(fā)明的一個主要方面，使來自方法2的、優(yōu)選通過超濾、離子交換或其它步驟而被過濾或調(diào)節(jié)過的介質(zhì)1a與鹽形式的有機物質(zhì)一起通過電滲析系統(tǒng)或者循環(huán)，所述電滲析系統(tǒng)包括雙極性膜電滲析單元，其運轉(zhuǎn)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(yōu)選被進一步濃縮(例如通過再循環(huán)、通過后續(xù)的脫水或兩者)，期望的酸產(chǎn)物從被濃縮的物流中回收，例如通過結(jié)晶、蒸發(fā)或其它的方法，這取決于所期望的純度和其它因素。濃度和回收方法的經(jīng)濟性可能對整個處理具有重大影響。本發(fā)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(shù)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、酸或堿的形式)到其它步驟，被耗盡的進料中的非離子物質(zhì)可以返回到上游方法或下游方法。
在本發(fā)明的處理生產(chǎn)線的一個實施方案中，雙極性電滲析組件(其可以任選地置于傳統(tǒng)的ED單元之前)代替了傳統(tǒng)的生產(chǎn)線設(shè)計(如圖1A的那種)的陽離子交換介質(zhì)床，并且運轉(zhuǎn)以生成有機酸物流和無機或弱有機堿物流。堿物流(例如，苛性堿)優(yōu)選被施加于處理系統(tǒng)中的其它地方，例如在一個發(fā)酵或產(chǎn)物改性工序中調(diào)節(jié)介質(zhì)或改性組分。
圖2舉例說明了一個用于加工物流1a中的物質(zhì)如氧代-L-古洛糖酸(KLG鹽)的雙極性膜電滲析(BPED)構(gòu)造40。如所示，BPED疊層的一般結(jié)構(gòu)40包括在一末端的陰極41、在另一末端的陽極42，以常規(guī)順序排列于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(jié)構(gòu)中，這里雙極性膜還被標記為AC或CA以指出它們相對于電極的極性或方向。由序列BP-A-C-BP定義的基本構(gòu)造形成了以疊層排列的三腔室Y、X和Z的重復單元，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(lǐng)域已知的，一種或多種其它的膜、以及墊片或其它結(jié)構(gòu)可與各個電極腔室在各末端連接，以防止各種結(jié)垢及其它發(fā)生在電極室中的電解條件和化學環(huán)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)生的氫氧離子結(jié)合。在這種構(gòu)造中，來自腔室Y的流出物1Y是期望的產(chǎn)物物流，而腔室X的流出物1c，即產(chǎn)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(zhì)。因此，單元40有利地從處理部分中“濾出”這樣的物質(zhì)，物流1Y，而促進下游提純步驟。例如，沒有將這種雜質(zhì)通到結(jié)晶器(18，圖1A)并且其不必在結(jié)晶器廢物(20，圖1A)中處理。產(chǎn)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(chǎn)物而使其進入物流1Y中，例如，可以通過分批再循環(huán)至所期望的終點，或者通過在反饋環(huán)路中將其一部分再循環(huán)。被耗盡的批料或者物流1c的未再循環(huán)部分可然后返回到上游發(fā)酵方法以使其中剩余的營養(yǎng)素的利用最大化。
在本發(fā)明的這個方面的另一個實施方案中，傳統(tǒng)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(yōu)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(jié)構(gòu)以形成二腔室雙極性槽結(jié)構(gòu)。兩個這樣的結(jié)構(gòu)示于圖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(huán)(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(huán)以達到期望的除去或濃度終點。此外，離子交換顆?；蚩椢锏奶盍峡杀恢糜谝粋€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(yōu)選在中間腔室中，而陰離子或者混合型(的填料)可用于產(chǎn)物接收腔室中。當溶液電導率差時使用交換顆粒有助于保持電導率和有效的遷移，并且有助于進料再循環(huán)通過中間腔室來將最大量的目標物質(zhì)提取到相鄰的產(chǎn)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于進料物流具有抗污性的那些、專用脫色樹脂及其它。料流也可以被處理或維持在適當?shù)膒H以使污染最小化和保證期望的有機產(chǎn)物在處理槽中是可電離的。
在運轉(zhuǎn)中，當三腔室單元在其第二腔室中接收進料并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(zhì)。金屬離子被傳遞到第三腔室中，其輸出物(如被回收的苛性堿、弱堿、某些營養(yǎng)素或微量元素)可以在某些情況下被施加到生產(chǎn)線的其它工序，而提高整個處理的效率并且實現(xiàn)一定的增強或效率。通過在合適的流量下使進料和產(chǎn)物物流再循環(huán)，可以增加第一腔室的富酸輸出物流中的目標產(chǎn)物的濃度，并且例如通過蒸發(fā)、結(jié)晶等，使用類似于上述現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)物外，雙極性ED還從大多數(shù)剩余物和殘留在被耗盡的進料物流中的雜質(zhì)組分中分離含產(chǎn)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(zhuǎn)，其有利地提供了不同于傳統(tǒng)基于過濾器或基于交換床的預處理的特征，其中物理孔徑或裝料特征主要決定了最終的物流組成。通過將通到后續(xù)產(chǎn)物處理步驟的料流轉(zhuǎn)換為大的和非離子的組分，本發(fā)明為下游產(chǎn)物處理方法提供了較純凈的物流或含較少受污產(chǎn)物的物流，促進了較高的回收、或較純的回收、和/或生成較小量的下游廢物。
因此，例如，來自下游結(jié)晶或其它回收(步驟)的剩余廢物將有利地被減少，并且結(jié)晶器液體可以進行第二結(jié)晶工序而無需大規(guī)模的預調(diào)節(jié)。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(chǔ)的發(fā)酵或上游方法以使所含營養(yǎng)素的消化或原料物流的其它處理最優(yōu)化。當被耗盡的進料被返回到發(fā)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(shè)置流出物以回收副產(chǎn)物，或限制回料物流或發(fā)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于一定的水平，否則可能會不利地影響發(fā)酵。
還可以將本發(fā)明BP處理系統(tǒng)的這種過濾/回收方面應用于上述系統(tǒng)中主要處理的下游，或者通過在傳統(tǒng)生產(chǎn)裝置的結(jié)晶后或回收后的工序?qū)α黧w施加這種ED來進行應用。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，提供ED或BPED工序或者兩者來處理在產(chǎn)物或中間產(chǎn)物的回收步驟如沉淀或結(jié)晶后剩余的廢液。例如，在圖1A中，這種電滲析可以作用于該方法的廢物輸出物20。
如已知的，這種結(jié)晶器廢液可以包含大量的未回收的產(chǎn)物(例如，2KLG)以及糖、醇等等。BPED處理可以將剩余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凈的剩余營養(yǎng)素物流、或二次副產(chǎn)物如進料添加劑或肥料。
廢物20的處理可以包括預調(diào)節(jié)，如稀釋、過濾和/或pH調(diào)整，并且可以分成數(shù)個工序，例如先ED隨后再BPED，如果廢物20的性質(zhì)不允許單一工序或直接處理的話。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，廢物，其例如可以包括大量的未回收的產(chǎn)物以及未消化的營養(yǎng)素、微量礦物質(zhì)和共生產(chǎn)物，其通過ED/BPED單元而被處理以回收另外的可電離的產(chǎn)物。對于較高濃度的結(jié)晶器廢物物流的電作業(yè)可能是相當有效的，并且通過從結(jié)晶器廢物中清理產(chǎn)物或前體，可使總收率顯著增加，其可以改善整個生產(chǎn)方法的經(jīng)濟性。
在由本發(fā)明所獲的其它優(yōu)點中，還應注意到產(chǎn)物物流和可再用的共生物流的生成使得在解決處理經(jīng)濟性方面有很大的柔性。在被回收的營養(yǎng)素、被再生的酸、弱堿或苛性堿物流的分離和被回收的產(chǎn)物廢物中的一個或多個的節(jié)約可以補償整個的投資或維修費用(例如，用于膜、設(shè)備和電)，雖然通過各種通過型或內(nèi)腔室傳遞型BPED結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的實際過濾提供了有效的處理和有機酸生產(chǎn)，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(fā)明的方法可以產(chǎn)生較高價值的脫色產(chǎn)物，并因此可以消除對離子交換或其它澄清器的需求。
數(shù)個實施例將用來舉例說明所述發(fā)明的運轉(zhuǎn)參數(shù)和普遍效果。
實施例1從粗制抗壞血酸鈉提純&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。用于三腔室單元的陰離子膜是Ionics防污陰離子膜(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(fā)酵液的進料溶液通過中間腔室(X)、使有機酸產(chǎn)物通過左腔室(Y)和使苛性堿溶液通過右腔室(Z)。在雙腔室單元中，使有機酸通過左腔室而使苛性堿物流通過右腔室。該三腔室單元用作有機酸的提純和回收。該雙腔室單元用于除去滲漏過雙極性膜的金屬離子(共離子泄漏)以減少有機酸產(chǎn)物中的金屬離子。
將大約1000克無水粗制抗壞血酸鈉(獲自發(fā)酵，純度88.1％)溶于5升純水中，獲得約20％的粗制抗壞血酸鈉的溶液。將溶液進料到ED系統(tǒng)的進料槽中，并且以大約0.8升/分鐘的流速在腔室X中循環(huán)，如圖2所示。在酸槽中，添加3升水并使其在該酸腔室中循環(huán)。在苛性堿槽中，填滿3升水并使其循環(huán)進入苛性堿腔室和陰極腔室。在陽極腔室中，使1％的H2SO4溶液作為電解液循環(huán)。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(chǎn)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(chǎn)物溶液濃縮和結(jié)晶時，產(chǎn)物純度為97.6％，沒有鈉離子。據(jù)信，2.4％雜質(zhì)可能主要是由于所用的干燥方法而造成的抗壞血酸的氧化產(chǎn)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(fā)酵液的進料溶液穿過中間腔室(X)、使有機酸產(chǎn)物穿過左腔室(Y)和使苛性堿溶液穿過右腔室(Z)。
用于該方法實施例的進料溶液是類似于發(fā)酵液的含9.2％乳酸鈉以及糖和蛋白質(zhì)的合成溶液。將3升進料溶液置于ED系統(tǒng)的進料槽中，并且以大約0.5升/分鐘的流速在腔室X中循環(huán)，如圖2所示。在酸槽中，添加3升水并使其在該酸腔室中循環(huán)。在苛性堿/堿槽中，提供3升的0.2N氫氧化鈉溶液，并使其通過苛性堿腔室和陰極室循環(huán)。在陽極腔室中，使1％的H2SO4溶液作為電解質(zhì)溶液循環(huán)。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(zhì)進入產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榫哂欣硐氘a(chǎn)物特征的酸形式。
如此公開的本發(fā)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(chǎn)方法的修改將會被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員想到。所有這些變形、改變和修改被認為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且被所附權(quán)利要求包含。
權(quán)利要求
1.在對包含期望產(chǎn)物或中間產(chǎn)物質(zhì)以及大分子/蛋白質(zhì)物質(zhì)、可溶性礦物物質(zhì)和非電離物質(zhì)如糖、酮或醇組分的有機物質(zhì)進料物流或液體進行作業(yè)的生產(chǎn)線中用于運轉(zhuǎn)的處理系統(tǒng)，并且其中該生產(chǎn)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(chǎn)物通入相鄰的第三室并且使至少一些可溶性礦物物質(zhì)通入第一室，所述進料的剩余物通過第二腔室并且所述單元運轉(zhuǎn)以使非電離物質(zhì)和大分子/蛋白質(zhì)物質(zhì)保持在所述離開第二室的進料中，所述第三室向結(jié)晶器、蒸發(fā)器、回收或轉(zhuǎn)化過程提供了濃縮的和純化的有機酸產(chǎn)物輸出物流并且所述第二室提供了產(chǎn)物耗盡的廢物物流。
2.權(quán)利要求1的處理系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)物耗盡的廢物物流包括由此從處理生產(chǎn)循環(huán)中除去的有毒物質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的處理系統(tǒng)，其中在發(fā)酵過程的下游，所述三室電滲析單元位于上游處理工序，并且運轉(zhuǎn)以提供所述含營養(yǎng)素的產(chǎn)物耗盡的廢物物流以及返回上游或發(fā)酵過程的中間產(chǎn)物。
4.權(quán)利要求1的處理系統(tǒng)，其包括位于下游處理工序的ED和/或BPED電滲析單元以處理來自回收或濃縮過程的廢液，并且其中位于下游處理工序的電滲析單元運轉(zhuǎn)以提取另外的有機酸并且提供可返回到上游發(fā)酵或處理工序的工業(yè)上有用的產(chǎn)物耗盡的廢物物流。
5.權(quán)利要求1的處理系統(tǒng)，其包括在所述腔室中的離子交換材料以保持電導率。
6.權(quán)利要求5的處理系統(tǒng)，其中電滲析單元凈化由所述過程產(chǎn)生的有機酸產(chǎn)物。
7.在對包含期望的目標有機產(chǎn)物或中間產(chǎn)物質(zhì)以及大分子/蛋白質(zhì)物質(zhì)、可溶性礦物物質(zhì)和非電離物質(zhì)如糖、酮或醇組分的進料物流或液體進行作業(yè)的生產(chǎn)線中用于運轉(zhuǎn)的處理系統(tǒng)，并且其中該生產(chǎn)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(chǎn)物通入相鄰的第三室并且使至少一些可溶性礦物物質(zhì)通入第一室，所述進料的剩余物通過第二腔室并且所述單元運轉(zhuǎn)以使非電離物質(zhì)和大分子/蛋白質(zhì)物質(zhì)保持在所述離開第二室的進料中，所述第三室向結(jié)晶器、蒸發(fā)器、回收或轉(zhuǎn)化過程提供了濃縮的和純化的有機酸產(chǎn)物輸出物流并且所述第二室提供了產(chǎn)物耗盡的廢物物流，并且所述進料物流是基本上沒有受污有機物質(zhì)的第一工序電滲析(ED)系統(tǒng)的濃縮物物流。
全文摘要
使來自發(fā)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(huán)，來分離可電離的有機酸物流和至少一種共離子或者剩余物流。該有機酸物流優(yōu)選被濃縮(例如，通過再循環(huán)、脫水或兩者)，例如通過結(jié)晶從濃縮物物流回收產(chǎn)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并且在處理系統(tǒng)中用于其它地方。被耗盡的進料可以返回上游以提高收率、調(diào)節(jié)介質(zhì)或者形成副產(chǎn)物。本發(fā)明的處理系統(tǒng)可代替陽離子交換床和/或許多過濾構(gòu)造，進料的再循環(huán)和通過所述單元的產(chǎn)物料流提高了目標物質(zhì)的回收、分離和質(zhì)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(zhuǎn)效率，直通作業(yè)有效地作為預過濾工序而運轉(zhuǎn)，提供具有提高處理、回收和產(chǎn)品質(zhì)量的加工性能的含下游產(chǎn)物的料流。當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)以處理下游廢物時，其使得以產(chǎn)物、未用的營養(yǎng)素、共生因子和/或存在于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(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
發(fā)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