CN101321576A - 错流式膜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了液－液萃取元件。液－液萃取元件包括第一层对和设置成邻近所述第一层对的第二层对，以形成层叠件。所述第一层对包括第一聚合物微孔膜和以第一流动方向取向的第一流动通道层，所述第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口。所述第二层对包括第二聚合物微孔膜和以第二流动方向取向的第二流动通道层，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向并具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口。所述第一微孔膜设置在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间。本发明还描述了将已溶解的溶质从第一液体萃取到第二液体的方法。

Description

错流式膜组件
背景技术
本公开涉及错流式膜组件及用其将已溶解溶质从第一液体萃取到第二液体的系统。
液-液萃取是一种将第一液体中的已溶解溶质转移到与第一液体基本不混溶的第二液体中的常用技术。第一液体中溶质的溶液通常被称为“进料溶液”，第二液体通常被称为“萃取剂”或“液体萃取剂”。当进料溶液与液体萃取剂接触时，溶质会趋向于根据该溶质在两种液体中的相对溶解度在这两种液体之间进行自我分配。
一种实现液-液萃取的传统方法是直接混合进料溶液和液体萃取剂。遗憾的是，该技术通常更引起混合物中形成永久的分散体或乳状液，致使萃取工艺在时间和最终结果方面的效率都极为低下。
已经开发出一种微孔膜萃取方法，以解决上述分散体等问题。具体地讲，微孔膜一面通常与进料溶液接触，而其另一面与液体萃取剂接触。从而在微孔膜的微孔内形成进料溶液与液体萃取剂之间的液-液界面，溶质通过该界面进行转移。
通过微孔膜在进料溶液与液体萃取剂之间形成粗略分离，这一想法已被证明是可行的。但是，在工业环境中，微孔膜液-液萃取的可行性通常取决于萃取速度(其又取决于微孔膜提供的液-液界面表面积)和在膜被损坏或污染的情况下替换膜的难易程度。传统的微孔膜液-液萃取装置和方法使用具有有限液-液界面表面积的设计，这样不利于膜的替换。这些固有的低效性影响了微孔膜萃取的大规模商业应用。
许多商业应用(例如，从发酵的进料液中获取乙醇)使用微孔膜液-液萃取技术可获得有益效果。因此，需要采用可维持高性价比的微孔膜的高生产率液-液萃取系统。
发明内容
本发明提供了错流式膜组件以及用其将已溶解溶质从第一液体萃取到第二液体的系统。在一些实施例中，这些膜组件可用于将已溶解的溶质(诸如乙醇)从第一液体(诸如水)中优先萃取到第二液体。
本发明的一个方面涉及液-液萃取元件，该元件包括第一层对和第二层对，该第二层对设置成与所述第一层对邻近以形成层叠层。所述第一层对包括第一聚合物微孔膜和以第一流动方向取向的第一流动通道层，所述第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口。所述第二层对包括第二聚合物微孔膜和以第二流动方向取向的第二流动通道层，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向并具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口。所述第一微孔膜设置在所素第一流动通道与所述第二流动通道之间。
本发明的另一方面涉及将已溶解溶质从第一液体萃取到第二液体的方法。该方法包括：提供液-液萃取元件，使具有已溶解溶质的第一液体流过所述第一流动通道层，使第二液体流过所述第二流动通道层，然后通过第一和第二微孔膜将所述溶质从所述第一液体转移到所述第二液体中。所述萃取元件包括多个第一层对和多个第二层对，每个第二层对交替在第一层对之间交替，从而形成层叠件。所述第一层对包括第一聚合物微孔膜和以第一流动方向取向的第一流动通道层，第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口。所述第二层对包括第二聚合物微孔膜和以第二流动方向取向的第二流动通道层，第二流动方向不同于所述第一流动方向并具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口。所述第一微孔膜设置在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间。
上述发明内容并非旨在描述本发明所公开的每个实施例或本公开的每项具体实施。以下附图、具体实施方式和实例更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
结合附图对本公开的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解本发明，其中：
图1为示例性错流式膜组件的示意透视图；
图2为设置在框架内的示例性错流式膜组件的示意透视图；
图3A为示例性错流式膜组件壳体的示意性剖视图；
图3B为设置在组件壳体内的示例性错流式膜组件的示意性剖视图；以及
图4为示例性液-液萃取工艺的示意性流程图。
虽然本发明可有各种修改和替代形式，但其具体特点将通过附图中实例的方式示出并详尽叙述。然而应当理解，其目的不在于将本发明限定为所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖本发明精神和范围内的所有修改形式、等同物及替代形式。
具体实施方式
本发明提供错流式膜组件以及用其将已溶解的溶质从第一液体萃取到第二液体的系统。
对于以下已定义的术语，这些定义适用于本说明，除非在权利要求书中或在本说明书中另外给出了不同的定义。
由端点表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数值(例如，1-5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
本说明书和附加权利要求书中使用的单数形式“一”和“所述/该”包括复数指示物，除非内容明显指示其它。因此，例如，提及包含“一层”的组合物时，可包括两层或更多层。本说明书和附加权利要求书中使用的术语“或”的含义通常包括“和/或”，除非内容明显指示其它。
除非另外指明，否则应当将本说明书和权利要求书中用来表达数量、特性的量度等的所有数字理解为在所有实例中由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则上述说明书和附加权利要求书中列出的数值参数均为近似值，且根据本领域内的技术人员利用本发明的教导内容获得的所需特性而可以有所变化。在最低程度上且不试图限制等同原理在本权利要求书的范围内的应用，应至少按照所报告有效位的数字并应用普通四舍五入法来解释每个数值参数。尽管列出本发明广义范围的数值范围和参数为近似值，但尽可能精确地报告在具体实例中列出的数值。然而，任何数值均固有地包含各自测试量度中存在的标准偏差必然导致的某些错误。
在许多实施例中，液-液萃取组件包括多孔膜薄片，这些薄片与波纹形薄膜片交替分层设置，形成层叠件。隔离层中的波纹可作为流动通道，供流体在多孔膜的任一面流过，并向层叠件的外部开放。在一些实施例中，每个波纹层与紧靠其上或其下的波纹层成九十度方向。在一层的多孔膜与其下(以波纹凹槽的方向并沿相对面)的波纹层之间形成的侧密封件引导流体沿凹槽方向流动，并阻止其横向流动。在一些实施例中，层之间的封边可为粘合剂密封条或声波密封条或热密封条。如此可形成双向液-液萃取流组件，其中第一流体以第一流动方向流过组件，并流过波纹间隔层和每隔一层的多孔膜，从而在一面均匀地接触多孔膜层；第二流体以第二流动方向(通常与第一流动方向正交)流过液体萃取组件，并流过与第一流体流过的波纹间隔层交替的波纹间隔层，从而在另一面均匀地接触多孔膜层。
在许多实施例中，液体萃取组件的设计和构造方式适合正方形框架和/或壳体内，该框架和/或壳体在液体萃取组件的四个侧面(边缘)上具有歧管。流体在两个垂直侧进入壳体时可在入口歧管处分流到所有层，流过液体萃取组件，并在出口歧管处汇集。可以沿液体萃取组件与壳体之间的角形成密封，以阻止两种流体迂回或直接相互接触。例如，密封可为注塑泡沫或软橡胶。因此，两种流体只有通过多孔膜的孔才能相互接触。
在许多实施例中，进料溶液和萃取剂的流体通道均匀地穿过液体萃取组件的横截面。在一些实施例中，壳体为刚性，且组件装配在壳体内以使得流体压力施加到组件上时组件的伸展程度最小。可对每种流体维持两种不同的压力。对于不混溶流体的膜萃取，要对不润湿多孔膜的流体维持较大的压力。
利用以上述方式设计的萃取组件，可以用最低的成本获得很大的多孔膜表面积，从而能够在进料相与萃取相之间转移最多溶质。这些萃取组件还可以方便地装载到壳体或从壳体中卸载下来。可通过增加或减少组件来调整工艺的生产能力。
萃取组件的结构有助于对其进行自动化组装。可通过下述多种技术来组装层。在许多实施例中，在组装过程中，只有对精密的多孔膜进行层叠和封边后才能对其进行处理，从而降低了损坏萃取组件内多孔膜的可能性。
部分可用于本萃取组件的示例流体包括溶剂(诸如癸醇、2，6-二甲基-4-庚醇、十二烷或其混合物)和水基流体(诸如乙醇/水、胺水溶液或发酵液)。在一个实施例中，萃取膜优先将乙醇从水相转移到溶剂相中。
错流式膜组件的一个实施例在图1中示出。该错流式膜组件或液-液萃取元件100包括第一层对110和第二层对120。第二层对120设置成邻近第一层对110，以形成层叠件150。层叠件150具有如图1所示的x轴、y轴和z轴。z轴为层叠件150的厚度方向。x轴和y轴均为层叠件150的面内轴且相互正交。
第一层对110包括第一聚合物微孔膜112和以第一流动方向F1(沿图1中的x轴)取向的第一流动通道层114，第一流动方向上具有设置在萃取元件100的第一相对侧(沿图1中的y轴)上的流体入口116和流体出口118。因此，在图1中示出的示例性实施例中，第一流动方向F1与液-液萃取元件100的第一相对侧正交。
第二层对120包括第二聚合物微孔膜122和以第二流动方向F2(沿图1中的y轴)取向的第二流动通道层124，第二流动方向F2不同于第一流动方向F1并具有设置在萃取元件100的第二相对侧(沿图1中的x轴)的流体入口126和流体出口128。因此，在图1中示出的示例性实施例中，第二流动方向F2与液-液萃取元件100的第二相对侧正交。所示的第一微孔膜112设置在第一流动通道层114与第二流动通道层124之间。在一个实施例中，第一流动方向F1与第二流动方向F2正交，但并非必须如此。
在许多实施例中，液-液萃取元件100包括多个(两个或更多个)交替的第一层对110和第二层对120。在一些实施例中，液-液萃取元件100包括从10至2000个、25至1000个或50至500个垂直配准(沿z轴)层叠的交替的第一层对110和第二层对120，其中第一流动方向F1(沿x轴)与第二流动方向F2(沿y轴)正交。
流动通道层114、124和微孔膜层112、122的层厚度(沿z轴)为任何可用值。在许多实施例中，第一流动通道层114和第二流动通道层124每一层的厚度范围为10至250或25至150微米。在许多实施例中，第一聚合物微孔膜112和第二聚合物微孔膜122每一层的厚度范围为1至200或10至100微米。液-液萃取元件100的总体厚度(沿z轴)为任何可用值。在一些实施例中，液-液萃取元件100的整体厚度(沿z轴)范围为5至100或10至50厘米。
液-液萃取元件100可具有任何可用的形状。在许多实施例中，液-液萃取元件100具有直线形状。液-液萃取元件100的宽度(沿y轴)和长度(沿x轴)为任何可用值。在一些实施例中，液-液萃取元件100的整体宽度(沿y轴)范围为10至300或50至250厘米。在一些实施例中，液-液萃取元件100的整体长度(沿x轴)范围为10至300或50至250厘米。在一个实施例中，液-液萃取元件100的长度等于或基本上等于其宽度。
第一和第二流动通道层114、124可根据需要由相同或不同的材料形成，并可采用相同或不同的形式。第一和第二流动通道层114、124可使液体在第一与第二微孔膜112、122之间流动。在许多实施例中，第一和第二流动通道层114、124的结构可使得第一和第二流动通道层114、124在微孔膜112、122之间形成流动通道。在一些实施例中，第一和第二流动通道层114、124没有孔，并由聚合材料形成，例如聚烯烃。
在一些实施例中，第一和第二流动通道层114、124为波纹形(具有平行交替的峰和谷)，以形成微孔膜112、122之间的流动通道。在许多实施例中，波纹可提供与流动方向平行的流动通道。这些波纹可具有任何可用的节距(即，相邻的峰或谷之间的距离)。在一些实施例中，波纹的节距范围为0.05至1或0.1至0.7厘米。可通过任何可用的方法形成波纹，例如压印、模铸等。
如图1所示，液-液萃取元件100的示例性构造包括具有第一平面聚合物微孔膜112的第一层对110和以第一流动方向F1(沿图1中的x轴)取向的第一波纹形流动通道层114。因此，在图1中示出的示例性实施例中，第一流动方向F1与第一波纹形流动通道层114的波纹平行。第二层对120包括第二平面聚合物微孔膜122和以第二流动方向F2(沿图1中的y轴)取向的第二波纹形流动通道层124，其中第二流动方向F2与第一流动方向F1正交，并与第二波纹形流动通道层124的波纹平行。因此，如该示例性实施例所示，第一流动方向F1与第二流动方向F2正交，并且第一波纹形流动通道层114的波纹与第二波纹形流动通道层124的波纹正交。
液-液萃取元件100可以可选地包括沿液-液萃取元件100所选边缘设置的层密封130、140。可在一层的多孔膜与位于该多孔膜下的流动通道层之间(以该流动通道层的流动方向)、沿液-液萃取元件100的相对侧形成第一层密封130。可在一层的多孔膜与位于该多孔膜下的流动通道层之间(以该流动通道层的流动方向)、沿液-液萃取元件100的相对侧形成第二层密封140。在许多实施例中，第一和第二层密封130、140在相对侧交替，如图1所示。
在一些实施例中，层之间的层密封130、140可为粘合剂密封条或声波密封或热密封。如此可形成双向液-液萃取流动组件100，其中第一流体以第一流动方向流过组件，流过波纹间隔层和每隔一层的多孔膜，从而在一面均匀地接触多孔膜层；第二流体以第二流动方向(通常与第一流动方向正交)流过液体萃取组件，并流过与第一流体流过的间隔层交替的波纹间隔层，从而在另一面均匀地接触膜层。
在一些实施例中，第一多孔非织造层(未示出)设置在第一聚合物微孔膜112与第一流动通道层114之间，第二多孔非织造层(未示出)设置在第二聚合物微孔膜122与第二流动通道层124之间。该多孔非织造层可帮助加强微孔膜层和/或流动通道层。该多孔非织造层可为任何可用的材料，例如纺粘层。该多孔非织造层可以可选地附连(粘合、超声波密封、热密封等)到聚合物微孔膜和/或流动通道层上。
用作微孔膜的材料可采用多种形式。微孔膜材料通常具有延伸于膜的主表面之间的微米或亚微米级孔(即微孔)。例如，微孔可以是分离的或互连的。微孔膜可以由其中具有微孔的任何材料形成，例如微孔热塑性聚合物。微孔膜材料可为柔性或刚性。
当作为液体萃取膜使用时，微孔的大小、厚度及微孔膜的成分可确定萃取速度。微孔膜微孔的大小应足够大，以便使微孔内的进料溶液和液体萃取剂接触，但又不能太大，以避免进料溶液的溢流经过微孔膜进入萃取剂。
可用的微孔膜材料包括，例如亲水材料或疏水材料。例如，可根据美国专利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)中所述的方法制备微孔膜，和/或可从例如Celgard Inc.(Charlotte，North Carolina)、Tetratec Inc.(Ivyland，Pennsylvania)、Nadir Filtration GmbH(Wiesbaden，Germany)或Membrana GmbH(Wuppertal，Germany)等供应商处方便地商购获得。示例性亲水膜包括多孔聚酰胺(如多孔尼龙)膜、多孔聚碳酸酯膜、多孔乙烯-乙烯醇共聚物膜及多孔亲水聚丙烯膜。示例性疏水膜包括多孔聚乙烯膜、多孔聚丙烯(如热诱导相分离多孔聚丙烯)膜及多孔聚四氟乙烯膜。
尽管也可以使用具有更大或更小平均孔径的微孔膜，但可用微孔膜材料的平均孔径(如根据ASTM E1294-89(1999)“Standard TestMethod for Pore Size Characteristics of Membrane Filters UsingAutomated Liquid Porosimeter”(用自动液体孔率计检验薄膜过滤器的孔径特性的标准测试方法)所测得的孔径)可以大于约0.07微米(如大于约0.1微米或大于约0.25微米)，并且可以小于约1.4微米(如小于约0.4微米或小于约0.3微米)。为了减少乳状液形成和/或溢流穿过膜，微孔膜可以基本上不含直径超过约100微米的孔、缝或其它洞。
在许多实施例中，基于微孔膜材料的体积，微孔膜材料的孔隙度范围为从至少约20％(如至少约30％或至少约40％)到最大约80％、约87％或甚至约95％。
尽管如上所述，可以使用任何厚度的微孔膜材料，但在许多实施例中，微孔膜的厚度至少约为10微米(如至少约25微米或至少约3 5微米或至少约40微米)，和/或厚度为小于约120微米(如小于约80微米或甚至小于约60微米)。微孔膜单独使用或与可选的多孔支撑构件组合时可具有足够大的机械强度，以承受预期操作条件下可能施加在微孔膜上的任何压差。
在许多实施例中，微孔膜包括至少一种疏水材料(即不会自动被水润湿)。示例性疏水材料包括聚烯烃(如聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、前述任何材料的共聚物，以及可选的烯键不饱和单体)及其组合。如果微孔膜材料为疏水材料，可以对相对于液体萃取剂平静的进料溶液施加正压，以帮助润湿微孔膜。
在一些实施例中，微孔膜为亲水材料，例如标称平均孔径范围为0.2至0.45微米的亲水多孔聚丙烯膜(如可以商品名“GH POLYPROMEMBRANE”购自Pall Life Sciences Inc.(Ann Arbor，Michigan)的材料)。如果微孔膜材料为疏水材料，可相对于所含的进料溶液对所含的液体萃取剂施加正压，以有利于微孔膜内液-液界面的稳定。在一些实施例中，可用的微孔膜包括在美国专利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，这些专利的公开内容均以引用的方式并入本文。
图2是设置在框架255内的示例性错流式膜组件100的示意透视图。错流式膜组件100如上所述。在许多实施例中，框架255为液-液萃取组件100提供改善的处理和保护作用，同时仍允许未受阻碍的液体流过液-液萃取组件100的侧面。在一些实施例中，框架255与壳体组件(如下所述)配合形成“锁与钥匙”的贴合型构造，以在错流式膜组件100运作中使液-液萃取相(F1和F2)相互分离。
框架255包括多个设置在液-液萃取组件100周围的框架部件260。如图2所示，多个框架部件260可沿液-液萃取组件100的八个侧边设置并彼此连接，以形成围绕液-液萃取组件100的一体框架元件255。在许多实施例中，第一侧密封201设置在框架255与第一流动方向F1对应的第一相对侧上，第一侧密封有助于隔离第一流动方向F1的流体流。在许多实施例中，第二侧密封202设置在框架255与第二流动方向F2对应的第二相对侧上，第二侧密封有助于隔离第二流动方向F2的流体流。
第一侧密封201可由任何可用材料形成，诸如刚性材料或适形材料或此二者的组合。在一个实施例中，第一侧密封201是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的氯丁橡胶材料的隆起。在另一个实施例中，第一侧密封201是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的刚性塑料材料(如ABS)的隆起。在又一个实施例中，第一侧密封201是总高度和宽度范围为0.5至1.5cm的塑性隆起，该隆起具有由适形材料(如氯丁橡胶)形成的外层。
第二侧密封202可由任何可用材料形成，诸如刚性材料或适形材料或刚性材料与适形材料的组合。在一个实施例中，第二侧密封202是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的氯丁橡胶材料的隆起。在另一个实施例中，第二侧密封202是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的刚性塑料材料(如ABS)的隆起。在又一个实施例中，第二侧密封202是总高度和宽度范围为0.5至1.5cm的塑性隆起，该隆起具有由适形材料(如氯丁橡胶)形成的外层。在一些实施例中，第二侧密封202也可作为导轨或轨道，以帮助放置和移除和/或对齐组件壳体(如下所述)内的组件100。
框架255可由任何可用材料制成。在一些实施例中，框架255由刚性聚合材料制成，例如ABS。每个框架部件260可独立地具有任何可用尺寸。在一些实施例中，每个框架部件260的厚度范围为1至15厘米，宽度范围为1至15厘米，并且其长度足以沿液-液萃取组件100的对应相邻侧边拉伸。
图3A是示例性错流式膜组件壳体300的示意性剖视图。组件壳体300的大小和构造可使错流式膜组件100安装在组件壳体300内。组件壳体300可由任何可用材料制成，例如聚合物或金属材料。在许多实施例中，组件壳体300有可移除的部分或门301，以便从组件壳体300内移除液-液萃取组件100。组件壳体300包括与第一液体流动出口318流体连接的第一液体流动入口316。组件壳体300包括与第二液体流动出口328流体连接的第二液体流动入口326。在许多实施例中，组件壳体300包括可移除的部分303，以便在组件壳体300内插入、移除和/或替换液-液萃取组件100。
在许多实施例中，第一侧密封301设置在组件壳体300与第一流动方向F1对应的第一相对侧上，第一侧密封有助于隔离第一流动方向F1的流体流。在许多实施例中，第二侧密封302设置在组件壳体300与第二流动方向F2对应的第二相对侧上，第二侧密封有助于隔离第二流动方向F2的流体流。
第一侧密封301可由任何可用材料形成，例如刚性材料或适形材料或此二者的组合。在一个实施例中，第一侧密封301是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的氯丁橡胶材料的隆起。在另一个实施例中，第一侧密封301是高度和宽度范围为0.5至1.5cm的刚性塑料材料(如ABS)的隆起。在又一个实施例中，第一侧密封301是总高度和宽度范围为0.5至1.5cm的塑性隆起，该隆起具有由适形材料(如氯丁橡胶)形成的外层。第一侧密封301的大小和构造可使其与膜组件200的第一侧密封201配合(如像锁和钥匙一样配合)。
第二侧密封302可由任何可用材料形成，例如刚性材料或适形材料或此二者的组合。在一个实施例中，第二侧密封302是高度和宽度范围在0.5至1.5cm的氯丁橡胶材料的隆起。在另一个实施例中，第二侧密封302是高度和宽度范围在0.5至1.5cm的刚性塑料材料(如ABS)的隆起。在又一个实施例中，第二侧密封302是总高度和宽度范围在0.5至1.5cm的塑性隆起，该隆起具有由适形材料(如氯丁橡胶)形成的外层。在一些实施例中，第二侧密封302也可作为导轨或轨道，以帮助放置和移除和/或对齐组件壳体(如下所述)内的组件100。第二侧密封302的大小和构造可使其与膜组件200的第二侧密封202配合。
图3B是设置在组件壳体300内的示例性错流式膜组件100的示意性剖视图。当液-液萃取组件100设置在组件壳体300内时，第一液体流动入口316与第一流动通道层入口116流体连接，第一流动通道层入口116与第一流动通道层出口118流体连接，第一流动通道层出口118与第一液体流动出口318流体连接。当液-液萃取组件100设置在组件壳体300内时，第二液体流动入口326与第二流动通道层入口126流体连接，第二流动通道层入口126与第二流动通道层出口128流体连接，第二流动通道层出口128与第二液体流动出口328流体连接。在许多实施例中，膜组件200包括与上述组件壳体300的内部配合的框架255。
在应用中，上述液-液萃取组件100可装载在组件壳体300内，并用于将已溶解溶质从第一液体萃取到第二液体，方法是：使具有已溶解溶质的第一液体流过第一流动通道层，使第二液体流过第二流动通道层，然后使溶质穿过第一和第二微孔膜从第一液体转移到第二液体中。该液-液萃取组件100可用另一个液-液萃取组件100替换，方法是：从外壳300上移除可移除部分303，用另一个液-液萃取组件100替换液-液萃取组件100，并将可移除部分303放回到外壳300上。
图4为示例性液-液萃取工艺400的示意性流程图。以下所述是从发酵液中萃取乙醇的示例性萃取工艺，然而本文所述的液-液萃取组件适用于任何液-液萃取工艺。
将给料410(如水、微生物及可发酵材料)置于发酵桶420内以形成发酵液422。发酵液422可包含例如水和溶质(诸如乙醇)。可使用净化装置430可选地去除(如通过沉淀和/或过滤)发酵液中的不溶解材料423，并将所得的进料溶液440传送到液-液萃取组件450中。在液-液萃取组件450中，进料溶液440和萃取剂(或溶剂)460彼此紧密接触，以使得乙醇在进料溶液440与萃取剂460之间分离。适于该具体实施例的溶剂或萃取剂470在美国专利申请2004/0181101中有所公开，该专利申请在不与本发明冲突的范围内以引用的方式并入本文。并将具有萃取剂460和乙醇的萃取物470传送到回收装置480，在该装置中从萃取物470去除(如通过真空蒸馏)乙醇495(可选地与水混合)，从而重新生成萃取剂460并在液-液萃取组件450中循环利用。同样，经萃取的进料溶液490将返回到发酵桶420，在发酵桶内定期补充必要的附加给料410，以替代在此期间被去除的组分。
该示例性实施例所用的进料溶液440可包含水和乙醇，并可以为溶液、悬浮液、分散体等形式。除乙醇和水之外，进料溶液还可以可选地包含可溶解或不可溶解组分(如可发酵糖、糖类或多糖、微生物、生物质)。适用于发酵工艺的生物质的实例包括糖基材料(如糖蜜、甘蔗和甜菜)和淀粉基材料(如玉米、小麦、木薯、大麦、裸麦和燕麦)。还可以使用主要含纤维素、半纤维素、木质素以及数量不同的其它材料的纤维素生物质。与之类似，该示例性实施例中所采用的发酵微生物可为发酵工艺中使用的任何已知微生物，包括多种产生醇的真菌菌种，诸如酵母、嗜热细菌及发酵单胞菌的各个菌种。
尽管可以使用更高或更低的乙醇浓度，但本示例性实施例中可用的发酵液中可包含的乙醇量为：基于发酵液的总重量，从按重量计至少0.5％、按重量计至少2％或按重量计至少4％直到按重量计至少10％。
制备发酵液的工艺已为人们所熟知。制备发酵液的方法是：在容器(如发酵桶、大桶)中混合水、可发酵糖(或其前体)及微生物(例如啤酒酵母)，并使该混合物保持在可发酵温度(如在约15摄氏度至约45摄氏度的范围内)。发酵桶可方便地商购获得并在(例如)美国专利No.4,298,693中有所描述。
本发明不应被认为局限于本文所述的具体实例，而应理解为涵盖随附权利要求中清晰地阐述的本发明的各个方面。本领域的技术人员在阅览本发明的说明书之后将容易理解：本发明可适用于各种修改，等同处理以及许多结构。
实例
实例1
制备具有热熔粘合剂密封层的膜层叠件
将标称厚度为0.076毫米(0.003英寸)的聚丙烯薄膜压印到1.27毫米(0.05英寸)深的通道及3.56毫米(0.14英寸)的通道间距的波纹形薄膜中。将可得自Hanes Companies Inc.(Conover，NC)的纺粘聚丙烯卷材(16.96克/平方米(0.5盎司/平方码))用声波密封到波纹形薄膜一面的隆起处，隆起的间隔为1.59毫米(0.063英寸)。使用热熔卷材粘合剂(由Bostik Inc.(Wauwatosa，WI)生产的PE-85-20)将该声波密封对的纺粘侧层合到拥有平均孔径约为0.35微米微孔的微孔聚丙烯膜中(根据美国专利No.4,726,989和No.5,120,594中所述方法制备)，以形成层对。用刀将该层对切割成0.686米×0.686米(27英寸×27英寸)的正方形薄片。将一条热熔粘合剂(Polybutene-1 DP 8910 PC，可得自Basell North America Inc.(Elkton，MD))沿第一层对波纹层两个相对边的每一边涂敷，距每一边约3 8毫米(1.5英寸)，方向是波纹形薄膜通道的方向。对层对的第二个0.686米×0.686米(27英寸×27英寸)正方形薄片取向，使波纹形薄膜上的通道与第一层对上的通道正交，并将层对的第二个薄片压到层对的第一个薄片上，以形成两层对层叠件。用另外的热熔粘合剂和另外的层对薄片重复此工艺，使另外的层对薄片的波纹形薄膜上的通道与前述层对薄片上的通道正交，直到层叠件的厚度为约149.4毫米(5.88英寸)。
将框架(由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂经机械加工制成)的每个部分围绕层叠件装配，并使用SILASTIC 732 RTV粘合剂/密封剂(可得自Dow Corning Corp.(Midland，MI))沿层叠件的每条边粘附到层叠件的每条边上。框架具有两个相对侧，并邻近每侧具有两个相对末端。框架的两个相对侧经机械加工后具有凸起的导向，以贴合壳体每侧的对应轨道。框架的两个相对末端经机械加工后具有连续凸起的凸缘，以贴合框架每一末端与壳体每一末端之间的橡胶密封件。
实例2
制备带热密封层的膜层叠件
将一张尺寸为222.3毫米×222.3毫米(8.75英寸×8.75英寸)并具有平均孔径约为0.35微米微孔的微孔聚丙烯膜薄片(根据美国专利No.4,726,989和No.5,120,594中所述方法制备)放置到另一张具有相同尺寸的膜薄片顶部，然后使用MP-16 Midwest Pacific型热封机(可得自Grainger Inc.(St.Paul，MN))，将两张薄片热密封到一起，形成侧密封，两个相对边的尺寸均在25毫米(1英寸)以内。对另外十三对膜薄片重复此工艺形成十四对膜。将一对膜放置到另一对顶部，使密封边对齐，并将顶部膜对底片的每个未密封边热密封到底部膜对顶片的每个未密封边上。对其余十二对薄片重复此工艺，形成十四对膜(二十八张薄片)的层叠件，其中层叠件中连续的薄片之间具有交替(即正交)的连续流动通道。切割层叠件的每个角形成25毫米(1英寸)的正方形凹口，以便贴合如下所述的聚碳酸酯壳体。
将标称厚度为0.075毫米(0.003英寸)的聚丙烯薄膜压印到具有1.27毫米(0.05英寸)深的通道及3.56毫米(0.1 4英寸)的通道间距的波纹形薄膜中。将该压印的薄膜切割成尺寸为222.3毫米(8.75英寸)×约165毫米(6.5英寸)的条，并在压印薄膜内的通道与侧密封平行的情况下，将这些条插入层叠件薄片之间的连续流动通道内。通过在各层(包括波纹形聚乙烯层)之间注入双组分环氧树脂粘合剂(DP-100，可得自3M Company(St.Paul，MN))，密封该层叠件的每个角。
通过在壳体的拐角处涂敷双组分环氧树脂粘合剂，再将层叠件放入壳体，然后使环氧树脂粘合剂在四个拐角中每个拐角内固化，将微孔膜和波纹形聚乙烯层叠件密封为矩形聚碳酸酯壳体的一部分。沿壳体内固化的环氧树脂粘合剂的每一边涂敷SILASTIC 732 RTV粘合剂/密封剂(可得自Dow Corning Corp.(Midland，MI))，进一步密封这些拐角。使用氯丁橡胶垫圈将矩形聚碳酸酯壳体的第一部分与第二部分密封，用螺栓将这两部分保持在一起，以形成错流式膜组件。壳体每侧具有一个直径为约12.7毫米(0.5英寸)的螺纹端口，及每个端口都装配有阀门，相对侧的阀门通过层叠件中薄片之间的连续流动通道连接。
经组件一侧的阀门(入口阀)抽取重量百分比为10％的乙醇水溶液，该溶液经导流通过该组件和相对侧的阀门(出口阀)。经另一侧的阀门(入口阀)抽取癸醇(可得自Sigma-Aldrich Corp.(St.Louis，MO))，该侧与支承抽取乙醇溶液的阀门的那一侧邻近。癸醇经导流通过组件和相对侧的阀门(出口阀)。使用出口阀来控制压力，在乙醇水溶液的通道中维持约40厘米水柱的压力，同时在癸醇通道中维持约30厘米水柱的压力。大约五分钟后，使用气相色谱法分析癸醇，结果显示癸醇含乙醇。
至此已参照数个实施例描述了本发明。提供上述具体实施方式和实例的目的只是为了清楚地理解本发明，而不应被理解为不必要的限制。对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可对所描述的实施例作出许多改变。因此，本发明的范围不应被限定为本文所述的精确细节和结构，而是受权利要求书的语言所限定。本文引用的专利公开说明书、专利文献和出版物的全部内容均以引用的方式全文并入本文，如每个都单独引入一样。如果有任何冲突，应由本说明书(包括定义)所约束。

Claims (20)

1.一种液-液萃取元件，包括：
第一层对，其包括：
第一聚合物微孔膜；以及
第一流动通道层，其以第一流动方向取向，在所述第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口；
第二层对，其设置成邻近形成层叠件的所述第一层对，
所述第二层对包括：
第二聚合物微孔膜；以及
第二流动通道层，其以第二流动方向取向，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向并具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口；
其中，所述第一微孔膜设置在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间。
2.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流动方向与所述第二流动方向正交。
3.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括多个交替的第一层对和第二层对。
4.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括25至250个交替的第一层对和第二层对。
5.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流动通道层和所述第二流动通道层具有波纹形结构，并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结构。
6.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括在所述第一聚合物微孔膜与所述第一流动通道层之间设置的粘合剂。
7.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括在所述第一流动通道层内邻近并且沿所述第二相对侧设置的粘合剂，以及在所述第二流动通道层内邻近并且沿所述第一相对侧设置的粘合剂。
8.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流动通道层邻近并且沿所述第二相对侧密封，并且所述第二流动通道层邻近并且沿所述第一相对侧密封。
9.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，其中所述第一流动通道层和所述第二流动通道层的厚度范围为25至150微米，并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范围为1至100微米。
10.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括在所述第一聚合物微孔膜与所述第一流动通道层之间设置的第一多孔非织造层，以及在所述第二聚合物微孔膜与所述第二流动通道层之间设置的第二多孔非织造层。
11.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括设置在所述层叠件周围的刚性框架。
12.根据权利要求1所述的液-液萃取元件，还包括设置在所述层叠件周围的刚性框架和设置在所述刚性框架周围的刚性外壳，所述刚性外壳具有可移除部分以便从所述外壳移除所述刚性框架和层叠件。
13.一种将已溶解的溶质从第一液体萃取到第二液体的方法，所述方法包括：
提供液-液萃取元件，其包括：
多个第一层对，每个层对包括：
第一聚合物微孔膜；以及
第一流动通道层，其以第一流动方向取向，在所述第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口；
多个第二层对，每个第二层对在所述第一层对之间交替，并形成层叠件，所述第二层对包括：
第二聚合物微孔膜；以及
第二流动通道层，其以第二流动方向取向，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向并且具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口；
其中，所述第一微孔膜设置在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间；
使具有已溶解溶质的第一液体流过所述第一流动通道层；
使第二液体流过所述第二流动通道层；以及
使所述溶质穿过所述第一和第二微孔膜从所述第一液体转移到所述第二液体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述使第一液体流动的步骤包括：使具有已溶解溶质的第一液体流过所述第一流动通道层，其流动方向与所述使第二液体流过所述第二流动通道层的方向正交。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述提供步骤包括：提供液-液萃取元件，所述元件包括波纹形第一流动通道层和波纹形第二流动通道层以及平面第一微孔膜和平面第二微孔膜。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述提供步骤包括：提供液-液萃取元件，所述元件包括邻近并且沿所述第二相对侧密封的所述第一流动通道层和邻近并且沿所述第一相对侧密封的所述第二流动通道层。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述提供步骤包括：提供液-液萃取元件，所述元件还包括设置在所述层叠件周围的框架，将所述框架和所述层叠件置于外壳内，所述外壳具有第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口以及可移除部分，所述可移除部分使得可从所述外壳移除所述刚性框架和层叠件。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括从所述外壳移除所述可移除部分，用第二层叠件替换所述层叠件，并将所述可移除部分放回到所述外壳上。
19.一种液-液萃取系统，包括：
进料溶液容器，其包含一定体积的进料溶液，所述进料溶液包括具有已溶解溶质的第一液体；
溶剂容器，其包含一定体积的溶剂；
液-液萃取元件，其包括：
多个第一层对，其与所述进料溶液容器流体连接，每个层对包括：
第一聚合物微孔膜；以及
第一流动通道层，其以第一流动方向取向，在所述第一流动方向上具有设置在所述萃取元件第一相对侧上的流体入口和流体出口；
多个第二层对，其与所述溶剂容器流体连接，每个所述第二层对在第一层对之间交替并形成层叠件，所述第二层对包括：
第二聚合物微孔膜；以及
第二流动通道层，其以第二流动方向取向，所述第二流动方向不同于所述第一流动方向并且具有设置在所述萃取元件第二相对侧上的流体入口和流体出口；
其中，所述第一微孔膜设置在所述第一流动通道与所述第二流动通道之间；以及
其中，所述进料溶液中的所述溶质可穿过所述第一和第二微孔膜转移到所述溶剂中。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一流动方向与所述第二流动方向正交。
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