CN1960798A - 用于有机产物的生产线和处理 - Google Patents

用于有机产物的生产线和处理 Download PDF

Info

Publication number
CN1960798A
CN1960798A CNA2005800087413A CN200580008741A CN1960798A CN 1960798 A CN1960798 A CN 1960798A CN A2005800087413 A CNA2005800087413 A CN A2005800087413A CN 200580008741 A CN200580008741 A CN 200580008741A CN 1960798 A CN1960798 A CN 1960798A
Authority
CN
China
Prior art keywords
product
room
logistics
chamber
feed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005800087413A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100528304C (zh
Inventor
张力
郑永昌
R·J·麦唐纳
A.朱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez WTS Systems USA Inc
Original Assignee
Ionics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ionics Inc filed Critical Ionics Inc
Publication of CN1960798A publication Critical patent/CN1960798A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100528304C publication Critical patent/CN100528304C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/465—Apparatus therefor comprising the membrane sequence AB or BA, where B is a bipolar membrane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/445—Ion-selective electrodialysis with bipolar membranes; Water splitting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/461—Apparatus therefor comprising only a single cell, only one anion or cation exchange membrane or one pair of anion and cation membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07K—PEPTIDES
    • C07K1/00—General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
    • C07K1/14—Extraction; Separation; Purification
    • C07K1/24—Extraction; Separation; Purification by electrochemical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/12—Purification

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

使来自发酵过程等的流体通过双极性膜电渗析单元的腔室或者循环，来分离可电离的有机酸物流和至少一种共离子或者剩余物流。该有机酸物流优选被浓缩(例如，通过再循环、脱水或两者)，例如通过结晶从浓缩物物流回收产物，来自电渗析单元的其它输出物可以和整个处理整合起来并且在处理系统中用于其它地方。被耗尽的进料可以返回上游以提高收率、调节介质或者形成副产物。本发明的处理系统可代替阳离子交换床和/或许多过滤构造，进料的再循环和通过所述单元的产物料流提高了目标物质的回收、分离和质量。ED腔室可包括离子交换颗粒的填料以当进料被耗尽时保持所期望的运转效率，直通作业有效地作为预过滤工序而运转，提供具有提高处理、回收和产品质量的加工性能的含下游产物的料流。当系统运转以处理下游废物时，其使得以产物、未用的营养素、共生因子和/或存在于废物中的其它组分的形式进行另外重要的回收。

Description

用于有机产物的生产线和处理
技术领域
本发明涉及工业生产大宗化学品的方法，并且涉及含有机物质的含水物流、例如包括一种或多种复盐或可电离组分如有机酸盐作为其相应组分的产物物流的处理或加工。特别地，本发明涉及使用电渗析(ED)处理单元和/或双极性膜型电渗析(BPED)处理单元的处理系统，并且涉及由其生成的产物。本发明相当一般地涉及用于分离、处理或纯化以下物质的方法：发酵产物物流、植物或动物提取物物流、含酶化生成的产物或中间产物的物流、获自以上来源之一的化学改性物质的物流或其它含可电离的有机组分的大宗物流。为表述简洁，这些在本文中应都称为“发酵产物物流”。通常，这些物流将包括作为重要组分的目标有机物质，其典型地以与其它组分的混合物的形式出现，所述其它组分也可同时由该处理方法解决。
背景技术
许多简单的化学品以工业规模通过发酵方法、细菌或化学消化或其它机制由物质如植物浆或研磨副产物、乳品、玉米、大豆或其它可大量获得的农产品获得，有时来自其它收获或提取方法的废物。这种化学品的普通实例包括多种羧酸，如酒石酸、乙酸、马来酸、抗坏血酸，和其它简单有机物质，以及专用化学品或嵌合单变异体(像L-乳酸)，其可存在于大宗物质中或有效地从中产生，使用工业上有用的有机体的酶或特殊的菌株。终端化学品可直接在发酵方法中获得，或者可获自酮或其它的由这种发酵产物产生的前体的反应或加工。典型地，需要一种或多种发酵后加工工序来进行提取、改性、浓缩，或者所述发酵后加工工序可包括，过滤法如超滤以除去高分子量(例如，蛋白质)及其它潜在地干扰物质，离子交换法以除去二价金属、脱色、酸化或调节物流；加入酸、碱或化学品来调节进料或者进行化学改性，及其它方法以改变pH，除去或替换无机物。一种方法还可包括如纳滤的步骤以浓缩物流和/或分离不需要的物质或组分；使分子结构部分分解或增加的方法，和使产物沉淀或结晶并且使物流净化或改性的方法。
典型地，相关有机化合物，例如，乳酸、抗坏血酸或简单脂肪族酸的形式与一定剩余量的原材料和营养素以及发酵方法的代谢产物一起存在，使得多种糖、醇、酮或酸及其它化合物可以存在于物流中。目标组分或者期望产物在加工的一个工序常常作为可电离的盐或者主要转变为可电离的盐。从该盐中回收产物可通过使用电渗析(用电分离并驱动相应的原料通过离子选择膜而进入输出通道)从溶液中分离可电离组分而进行。
一些这类的早期系统，如美国专利2,921,005(1960)和4,057,483(1977)所示，使用由多个阳离子交换膜构成的基本腔室结构，而不是更普通的通常用于电渗析“叠层(stacks)”的阳离子和阴离子交换膜的交替，并且有时使用多个三或四腔室基本单元以形成叠层，其提供用于有机物部分质子化作用或者无机离子羟基化作用的合适来源，同时有效地分离盐的可溶解的离子部分。
在这些现有技术结构中，通过提供其中可以进行酸部分质子化作用的分离槽或料流腔室，使用离子选择膜进行有机酸盐至酸和碱的转变。然而，阳离子和阴离子组分的迁移数差异将通常妨碍使用标准电渗析槽结构的完全分离，并且提出了许多具有三或四腔室结构的构造，其中循环物流(增加离子浓度和离子传递)或稀释物流(减少逆扩散)可以在各个腔室中流动而提高总效率。随着工业双极性(″水分解″)膜的发展，这种电渗析单元和处理方式可被改变以在其基本槽结构中加入至少一个双极性(BP)膜。这种结构往往产生局部过量的各自阴离子和阳离子接收子腔室所需的水合氢离子和氢氧离子，并且更有效地阻拦不需要的物质的进入。使用BP膜的实际结构能够在简单的二或三腔室结构中获得可观的收率，在腔室边界处有效分解BP膜中的水。由这种双极性电渗析单元回收的酸或碱的浓缩可以通过适当控制腔室中的物流的流速和再循环来实现。
例如，从相应盐或物质的混合物回收有机酸在1988年的J.Falcone，Jr.美国专利4,781,809中进行了描述。数个分离/转变方法和一些ED单元设计在该专利中以及在1989年的发明人Hodgdon和Alexander的双极性膜专利4,851,100中进行了描述。那段时间的水分解膜电渗析技术的一篇有益综述见于K.N.Mani的文章Electrodialysis water splittingtechnology中，发表于J.Membrane Sci.，58(1991)117-138。在文章中，该作者论述了有益的方法和效率因素，草拟了许多简单多腔室的基本槽，其可用于使用不同的离子交换膜构造的双极性电渗析叠层结构，并且指出了许多与将双极性膜型电渗析处理方法整合到传统的产物加工和处理生产线、如以前被用于处理废物物流或加工发酵产物的那些生产线有关的特征和优点。
在1990年代，当Mani文章出现时，许多因素，如希望减少化学品消耗或减少化学废物物流(与包括强酸处理和/或交换床的加工步骤以及其伴随着的化学再生要求相比)似乎倾向于将这样的BPED处理单元加入到许多现有生产线或处理应用中。在该年代交接之时，然而，较少的大规模加工厂已经构建了双极性电渗析处理单元。
许多因素似乎对缓慢采用BPED处理技术负有责任。市售可得的双极性膜管路仍然相当贵，并且虽然这些膜的电分解效率和载流量表现很好，但是经济利益限制了工业上接受BPED加工系统至一些更高价值的应用或者至小型试验和/或环境小生境。具有竞争力的方法，如过滤、离子交换和沉淀是成熟和被证明了的技术，用于化学处理或离子交换再生的酸和苛性碱的大宗成本仍然很低。
这也可能使大多数大宗化学品和分离工业(相反，BPED方法在技术上显得十分适用于此)放缓采用双极性电渗析技术。大宗发酵和相似化学品制造方法(其通常包括许多工厂的具体细节并且存在着潜在地使生物组分受污或干扰的可能)的共性也无疑是一种障碍，因为这些因素暗示了可能需要大量的研究、试验和故障查找的投资以将任何特定的应用投入完全被控制的生产中。也许还因为，许多研磨厂或化学品生产者实际上组成了大的私人集团，其对所有与其产品和制造过程的情报保持了严格控制，具体的方法数据和必要的经验与专业知识没有广泛地和设备与膜的提供者共享，或者使所述提供者可以得到这些信息。因此，为了显而易见说明限制采用双极性处理技术，可引述许多因素。
就此，仍然需要改进用于生成和处理大宗或专用化学品的方法。
特别地，仍然需要这样的方法，其中BPED被整合入生产线以减少化学品或能量消耗，降低资本需求，提高产物或副产物的收率或品质，或者改善整体的生产和处理方法。
发明内容
在以下方法和系统中，其中如获自发酵方法的有机物质在流体介质中作为含一种或多种有机组分的批料或物流来被处理，按照本发明完成这些及其它可期望的目标中的一个或多个。优选例如通过超滤等过滤的介质与盐形式的有机物质一起通过双极性膜电渗析单元或者循环来分离可电离的有机酸物流和共离子物流。该有机酸物流优选被浓缩(例如，通过再循环、脱水或两者)，使期望的酸产物通过如结晶的方法从浓缩的物流中回收。有利地，ED处理可以生成数个物流，这些可以和整个处理系统整合起来。此外，整个处理可以包括一个或多个化学改性步骤，在不同工序具有不同有机盐的浓缩产物料流，其中任何一个可以通过电渗析处理。在本发明的处理生产线的一个实施方案中，双极性电渗析组件代替了传统的生产线设计的阳离子交换介质床，并且运转以生成有机酸物流和无机或弱有机碱物流。碱物流(例如，苛性碱或氢氧化铵)优选被施加于处理系统中的其它地方，例如在发酵或产物改性工序中调节介质或改性组分。进料可以被再循环以取得目标物质的高收率，进料或产物的接收腔室可以包括离子交换颗粒的填料以保持通过叠层的高工作电流，即使在阻力否则随着时间使循环流体逐步耗尽而上升的情况下。
在另一个或者其它的方法中，双极性膜电渗析单元可以与多个三腔室重复单元装配，以用来接收其第二腔室中的原料。第二腔室可以包括如上所述的离子交换颗粒，其可以是混合类型或其它类型，视计划情况而定。在运转中，该单元将期望组分传递到第一腔室并在第一腔室中使期望组分浓缩，提供富酸的输出物流，同时使非期望的和非电离的组分作为被耗尽的物流(例如，耗尽了目标产物)直通过第二腔室。被耗尽的物流可以例如包含大分子、醇、糖及其它非电离的或弱电离的物质。金属离子被传递到第三腔室中，其输出物(如被回收的苛性碱或微量营养素物质)可以在某些情况下被施加到生产线的其它工序，而提高整个处理的效率并且实现一定的成本节省。
产物可以从第一腔室的富酸输出物流中回收，例如通过蒸发、结晶等。有利地，在该实施方案中的三腔室双极性ED，除了分离和浓缩酸形式的目标产物以外，还从许多剩余物和残留在被耗尽的进料物流中的杂质组分中分离含产物的料流，因此同时作为预过滤工序运转，其有利地提供了不同于传统基于过滤器或基于交换床的处理系统的预处理工序(其中物理孔径或结合亲合性支配着处理)的特性。这是非常有用的，因为通过将通到后续产物处理步骤的料流转换为大的和非离子的组分，被通到下游产物处理步骤的目标物质是较纯净的物流或者含较少受污产物的物流，因此下游单元可以完成较高的回收或较纯的回收或生成较少的废物物流。因此，例如，有利地减少了来自下游产物结晶或其它的回收步骤的剩余废物，并且全部或者部分直通的被耗尽的进料物流可以被回料到基础的发酵或其它上游方法以使所含营养素的消化或原料物流的其它处理最优化，因此增加了产物收率。当被耗尽的进料被返回到发酵或前一工序时，被返回的部分也可以被部分蒸馏或进行其它处理，如果必要的话，或者可以按一定实际比率设置流出物以减小累积组分(如回料物流或发酵池中的代谢物或毒素)的浓度或者将其除去直至低于一定的水平，否则可能会不利地影响发酵。
在又一个或其它实施方案中，ED或BPED工序或其两者被设置以处理在回收步骤(如产物或中间产物的沉淀或结晶)后剩余的废物物流，电渗析处理运转以将剩余的可电离的酸组分传递到回收物流中，同时使非电离的或反电荷组分通入一个或多个其它物流如较小体积的废物物流。根据本发明的这个方面，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机酸、碱、营养素和微量矿物组分)可以被返回到上游方法工序以增加收率。
附图说明
参考附图，由本文中的描述和权利要求将会理解本发明的这些及其它特征，附图举例说明了本发明的细节和典型的实施方案，其中：
图1A举例说明了现有技术通过纯化发酵产物液体而生产大宗有机酸的处理方法；
图1B举例说明根据本发明的处理或生产方法和加工生产线；
图2举例说明根据本发明的在三腔室双极性ED单元中对进料物流的作业；和
图3A和3B显示了不同的双腔室单元和本发明系统的相关处理方式。
具体实施方式
通过以下对现有技术系统的简要讨论，本发明会被更好地理解，以下讨论用来举例说明有机工艺生产物流和相应处理形式的某些特征以及工艺生产需要考虑的事项。图1A显示了现有技术的系统10，其对产物物流1a进行作业，该产物物流1a是通过上游或初始生物生产方法，例如生物合成、培养、酶改性或发酵方法2(如图所示)以及下游方法4而产生的，所述下游方法4进行作业而从其中改性、分离和/或浓缩和提纯产物。初始或上游方法2可以较为简单或相对复杂，这取决于生物方法需要考虑的事项，起始的糖或其它原料和所涉及的发酵有机体的菌株，并且可能要求任何大宗处理或化学改性以使进料物质适应培养物或着使发酵产物物流适应期望的中间产物。通常，在一个或多个培养、调节和其它容器(未示)中，方法2要求受控的一系列步骤。本领域的技术人员将理解这些方法的范围和其中所涉及的具体细节。对本公开内容来说，一般性地表示上游发酵方法2就足够了。
方法和作业(由2所指明的)可以包括多种直接化学处理或添加，例如通过简单反应如酯化作用将生物材料转变或转化，转变成相关的盐等。由发酵2获得的期望的有机物质以工艺/产物液体的物流1的形式出现，其以不同的方式，可以从发酵工序连续或者间歇地取出，并且经方法4处理。物流1具有适当浓度的、一种或多种被识别的发酵产物组分，使得进一步的处理从该物流中纯化、生成或提取更浓和较纯的产物。
方法4可以典型地包括过滤和/或离子交换法、化学改性方法或产物分离方法。例如，一种生产抗坏血酸的方法是将单糖或醇转化和发酵以提供古洛糖酸或盐中间产物，如2-氧代-L-古洛糖酸，其被酸化和进行酯化而形成抗坏血酸。抗坏血酸可能是期望的最终产品，或者它可能被进一步转变为酸形式，视需要而定。许多其它的大宗或专用化学品通过经由葡萄糖酸盐、乳酸盐或者其它的中间产物或者其部分通过发酵获得的产物的处理步骤而生成。
进一步如图1A所示，一个典型的处理发酵产物液体的现有技术下游方法4包括第一过滤工序，如超滤工序12，其尤其用于保持(除去)某些存在于该液体中的物质，所述物质否则会污染下游处理介质。超滤除去大分子或蛋白质物质。这之后是阳离子交换床14和纳滤系统16，阳离子交换床14除去阳离子、降低pH，而纳滤系统16使得水和所溶解的(无机)盐从该系统通过，从而将目标酸化发酵产物保持在被保留的液体物流1b中并使其浓缩。这样浓缩后，该物流可以进行如化学处理或改性等方法，或者，如果在该工序已经存在目标产物，期望的产物可以直接从浓缩的液体1b中例如通过结晶、蒸发或这些工序的结合而被回收。在该附图中，在结晶器18中使产物结晶，留下废液20，其可包含多种矿物质、糖、醇或者酮和在前述步骤中未能结晶的残留产物。
图1A因此是用来广泛地代表一类用于制备大宗化学品的工业方法。在实际情况中，在整个处理程序中，不同的子工序可以进行许多次，以纯化、调节或增加特定中间产物的浓度，确保特定的改性反应主要形成特定的预定物质，或者实现期望的环境或其它特性或状况。取决于所涉及的起始原料，在此一般性框架内的许多不同方法可以存在以生成特定的大宗化学品。例如，生产抗坏血酸可以从许多不同的原料开始；从葡萄糖开始的话，适当方法可以使用两种发酵方法形成山梨糖醇，然后山梨糖，山梨糖至2-氧代-L-古洛糖酸的化学转化，转化(例如通过离子交换)为古洛糖酸，和酯化作用及在有机溶剂中进一步处理而形成期望的最终产物。
在如上一般性描述的处理方法的情况下，现将对本发明进行举例说明。
图1B例如举例说明了系统100，其实现了根据本发明的一个方面的产物回收方法，配置有一个或多个双极性膜电渗析处理单元。如图1B所示，系统100包括生产线4′，其对来自上游和初始生物生产方法(例如，生物合成、培养或发酵方法2，如图所示)的物质作业，以从其中改性、回收和/或浓缩和提纯产物。发酵方法可以是任何已知的方法，其运转以生成预定起始产物，并且典型地包括受控生长构造，其中在营养素介质中在受控生长的条件下细菌或真菌培养生成了作为代谢最终产物的物质。相应的培养有机体可以被保持在发酵容器中，含期望产物的上层清液或被过滤的料流被连续或分批除去，而在待进一步处理的进料物流中提供产物料流。虽然本发明可以被施用于实现极高价值(药品)产物的分离或处理，但是有利地使用大面积电渗析装置来实施本发明以处理大宗化学品或专用化学品产物物流，并且将在这里进行描述。
根据本发明的一个主要方面，使来自方法2的、优选通过超滤、离子交换或其它步骤而被过滤或调节过的介质1a与盐形式的有机物质一起通过电渗析系统或者循环，所述电渗析系统包括双极性膜电渗析单元，其运转以将可电离的有机目标物分离成目标酸物流和共离子物流。有机酸物流优选被进一步浓缩(例如通过再循环、通过后续的脱水或两者)，期望的酸产物从被浓缩的物流中回收，例如通过结晶、蒸发或其它的方法，这取决于所期望的纯度和其它因素。浓度和回收方法的经济性可能对整个处理具有重大影响。本发明处理的几个方面提供了这种加工处理的益处。
有利地，ED单元可以生成数个物流，这些可以和整个处理整合起来。这样从ED进料除去的无机离子可以返回(以盐、酸或碱的形式)到其它步骤，被耗尽的进料中的非离子物质可以返回到上游方法或下游方法。
在本发明的处理生产线的一个实施方案中，双极性电渗析组件(其可以任选地置于传统的ED单元之前)代替了传统的生产线设计(如图1A的那种)的阳离子交换介质床，并且运转以生成有机酸物流和无机或弱有机碱物流。碱物流(例如，苛性碱)优选被施加于处理系统中的其它地方，例如在一个发酵或产物改性工序中调节介质或改性组分。
图2举例说明了一个用于加工物流1a中的物质如氧代-L-古洛糖酸(KLG盐)的双极性膜电渗析(BPED)构造40。如所示，BPED叠层的一般结构40包括在一末端的阴极41、在另一末端的阳极42，以常规顺序排列于其中以限定处理或离子接收料流的腔室的多个离子交换膜43a、43b、43c。该膜是三种交换类型，即阳离子交换膜C(43c)、阴离子交换膜A(43a)和双极性(BP)膜43b。在此结构中，这里双极性膜还被标记为AC或CA以指出它们相对于电极的极性或方向。由序列BP-A-C-BP定义的基本构造形成了以叠层排列的三腔室Y、X和Z的重复单元，其中提供了合适的歧管以限定通过相应腔室的三股单独的料流。如本领域已知的，一种或多种其它的膜、以及垫片或其它结构可与各个电极腔室在各末端连接，以防止各种结垢及其它发生在电极室中的电解条件和化学环境下的电化学效应。
使用这种三腔室双极性电渗析组件的系统的一个实施方案将进料物流(物流1a)提供给中间腔室X，而将2KLG提取到腔室Y中，将其它盐离子(例如，Na+或NH4 +)提取到腔室Z中。在与腔室Y接壤的膜43b中分解水而产生水合氢离子，该水合氢离子使2KLG酸化，而金属离子与由与腔室Z接壤的双极性膜产生的氢氧离子结合。在这种构造中，来自腔室Y的流出物1Y是期望的产物物流，而腔室X的流出物1c，即产物-被耗尽部分的进料物流1a，将包含通过ED方法未电离的某些糖和物质。因此，单元40有利地从处理部分中“滤出”这样的物质，物流1Y，而促进下游提纯步骤。例如，没有将这种杂质通到结晶器(18，图1A)并且其不必在结晶器废物(20，图1A)中处理。产物-被耗尽的物流1c可以多次通过腔室X以最大程度地除去期望的2KLG产物而使其进入物流1Y中，例如，可以通过分批再循环至所期望的终点，或者通过在反馈环路中将其一部分再循环。被耗尽的批料或者物流1c的未再循环部分可然后返回到上游发酵方法以使其中剩余的营养素的利用最大化。
在本发明的这个方面的另一个实施方案中，传统的电渗析(ED或EDR)单元可以在双极性ED单元前作为第一工序而提供，以进行初始处理步骤。在这种情况中，优选进行第一工序ED以将目标有机盐的阳离子和阴离子部分除去而得到第一工序浓缩物物流，来自第一工序的浓缩物用作上述双极性方法的输入进料。
BPED单元也可使用其它的在两个双极性膜间具有单个单型交换膜(A或C)的槽结构以形成二腔室双极性槽结构。两个这样的结构示于图3A和3B中，其中(接着KLG盐的实例)KLG或阳离子从通过物流中迁移出而进入相邻的腔室中。
在各个末端，电极槽可能具有不同的或独立的流体循环(未进行具体图解)。在任何这些实施方案中，一个或两个物流可以被再循环以达到期望的除去或浓度终点。此外，离子交换颗粒或织物的填料可被置于一个或多个腔室中以确保充分的电导率来使叠层中的电流总体上保持在期望的水平。
为了除去目标有机物部分，阴离子交换颗粒填料优选在中间腔室中，而阴离子或者混合型(的填料)可用于产物接收腔室中。当溶液电导率差时使用交换颗粒有助于保持电导率和有效的迁移，并且有助于进料再循环通过中间腔室来将最大量的目标物质提取到相邻的产物酸接收腔室中。因此，一个或多个腔室可以包含离子交换树脂。合适的树脂可以包括大孔树脂和相对于进料物流具有抗污性的那些、专用脱色树脂及其它。料流也可以被处理或维持在适当的pH以使污染最小化和保证期望的有机产物在处理槽中是可电离的。
在运转中，当三腔室单元在其第二腔室中接收进料并在第一腔室中传递期望组分时，为提供富酸的输出物流，非期望的和非电离的组分可以作为被耗尽的物流直通过第二腔室。被耗尽的物流可以例如包含大分子、醇、糖及其它非电离的或弱电离的物质。金属离子被传递到第三腔室中，其输出物(如被回收的苛性碱、弱碱、某些营养素或微量元素)可以在某些情况下被施加到生产线的其它工序，而提高整个处理的效率并且实现一定的增强或效率。通过在合适的流量下使进料和产物物流再循环，可以增加第一腔室的富酸输出物流中的目标产物的浓度，并且例如通过蒸发、结晶等，使用类似于上述现有技术实例的方法，进一步的浓缩提供了改进的回收或回收了更多的纯产物。有利地，在这个实施方案中，除了分离和浓缩酸形式的目标产物外，双极性ED还从大多数剩余物和残留在被耗尽的进料物流中的杂质组分中分离含产物的料流。在这种意义上讲，BPED(以及上述的第一工序ED处理，当其使用时)作为预过滤工序运转，其有利地提供了不同于传统基于过滤器或基于交换床的预处理的特征，其中物理孔径或装料特征主要决定了最终的物流组成。通过将通到后续产物处理步骤的料流转换为大的和非离子的组分，本发明为下游产物处理方法提供了较纯净的物流或含较少受污产物的物流，促进了较高的回收、或较纯的回收、和/或生成较小量的下游废物。
因此，例如，来自下游结晶或其它回收(步骤)的剩余废物将有利地被减少，并且结晶器液体可以进行第二结晶工序而无需大规模的预调节。如上所述，全部或部分直通的被耗尽的进料物流1c可以回料到基础的发酵或上游方法以使所含营养素的消化或原料物流的其它处理最优化。当被耗尽的进料被返回到发酵或前一工序时，被返回的部分也可以被部分蒸馏或进行其它处理，如果必要的话，或者可以按一定实际比率设置流出物以回收副产物，或限制回料物流或发酵池中的累积组分、代谢物或毒素的浓度或者将其除去直至低于一定的水平，否则可能会不利地影响发酵。
还可以将本发明BP处理系统的这种过滤/回收方面应用于上述系统中主要处理的下游，或者通过在传统生产装置的结晶后或回收后的工序对流体施加这种ED来进行应用。根据本发明的这个方面，提供ED或BPED工序或者两者来处理在产物或中间产物的回收步骤如沉淀或结晶后剩余的废液。例如，在图1A中，这种电渗析可以作用于该方法的废物输出物20。
如已知的，这种结晶器废液可以包含大量的未回收的产物(例如，2KLG)以及糖、醇等等。BPED处理可以将剩余的可电离的酸组分传递到二次回收物流中，同时使非电离的或相反电荷组分通入一个或多个其它物流中，如较少体积的废物物流、或待返回到方法的较洁净的剩余营养素物流、或二次副产物如进料添加剂或肥料。
废物20的处理可以包括预调节，如稀释、过滤和/或pH调整，并且可以分成数个工序，例如先ED随后再BPED，如果废物20的性质不允许单一工序或直接处理的话。根据本发明的这个方面，废物，其例如可以包括大量的未回收的产物以及未消化的营养素、微量矿物质和共生产物，其通过ED/BPED单元而被处理以回收另外的可电离的产物。对于较高浓度的结晶器废物物流的电作业可能是相当有效的，并且通过从结晶器废物中清理产物或前体，可使总收率显著增加，其可以改善整个生产方法的经济性。
在由本发明所获的其它优点中，还应注意到产物物流和可再用的共生物流的生成使得在解决处理经济性方面有很大的柔性。在被回收的营养素、被再生的酸、弱碱或苛性碱物流的分离和被回收的产物废物中的一个或多个的节约可以补偿整个的投资或维修费用(例如，用于膜、设备和电)，虽然通过各种通过型或内腔室传递型BPED结构实现的实际过滤提供了有效的处理和有机酸生产，却使用较少的资本投资，例如减少了对超滤或纳滤层(图1A的12、16)，或交换床和再生化学品的需求。本发明的方法可以产生较高价值的脱色产物，并因此可以消除对离子交换或其它澄清器的需求。
数个实施例将用来举例说明所述发明的运转参数和普遍效果。
实施例1
从粗制抗坏血酸钠提纯&回收抗坏血酸
装配双极性电渗析9″×10″叠层，其具有8个三腔室单元和2个双腔室单元，以及在叠层的各末端具有电极腔室。各膜的有效面积为约232cm2。该三腔室单元包括双极性膜、阳离子膜(Ionics CR69EXMP)和阴离子膜，如图2所述排列。双腔室单元包括一个双极性膜和一个阳离子膜(Ionics CR69EXMP)，如图3A所述排列。用于三腔室单元的阴离子膜是Ionics防污阴离子膜(Ionics AR204SZRA)，其使得有机离子通过。排列各孔，使得在三腔室单元中，使发酵液的进料溶液通过中间腔室(X)、使有机酸产物通过左腔室(Y)和使苛性碱溶液通过右腔室(Z)。在双腔室单元中，使有机酸通过左腔室而使苛性碱物流通过右腔室。该三腔室单元用作有机酸的提纯和回收。该双腔室单元用于除去渗漏过双极性膜的金属离子(共离子泄漏)以减少有机酸产物中的金属离子。
将大约1000克无水粗制抗坏血酸钠(获自发酵，纯度88.1％)溶于5升纯水中，获得约20％的粗制抗坏血酸钠的溶液。将溶液进料到ED系统的进料槽中，并且以大约0.8升/分钟的流速在腔室X中循环，如图2所示。在酸槽中，添加3升水并使其在该酸腔室中循环。在苛性碱槽中，填满3升水并使其循环进入苛性碱腔室和阴极腔室。在阳极腔室中，使1％的H2SO4溶液作为电解液循环。进料溶液的电导率最初为24.7mS/cm。ED方法的电流密度为大约30mA/cm2，叠层两端的总电压大约为51-52伏，进行该处理直到该进料溶液的电导率下降到大约0.5mS/cm。该方法用时大约155分钟。
与暗灰色进料溶液相比，所得抗坏血酸产物溶液为极浅的黄色溶液。以抗坏血酸离子计，收率为88.0％，电流效率为64％。当使产物溶液浓缩和结晶时，产物纯度为97.6％，没有钠离子。据信，2.4％杂质可能主要是由于所用的干燥方法而造成的抗坏血酸的氧化产物。功耗为大约1.1kwh/kg抗坏血酸。
实施例2
从乳酸钠提纯和回收乳酸
装配双极性电渗析9″×10″叠层，其包括5个三腔室单元，在叠层各末端具有电极腔室。各膜的有效面积为大约232cm2，该三腔室单元具有双极性膜、阳离子膜(Ionics CR69EXMP)和阴离子膜(IonicsAR103QDP)，如图2所述排列。在三腔室单元中，使模拟发酵液的进料溶液穿过中间腔室(X)、使有机酸产物穿过左腔室(Y)和使苛性碱溶液穿过右腔室(Z)。
用于该方法实施例的进料溶液是类似于发酵液的含9.2％乳酸钠以及糖和蛋白质的合成溶液。将3升进料溶液置于ED系统的进料槽中，并且以大约0.5升/分钟的流速在腔室X中循环，如图2所示。在酸槽中，添加3升水并使其在该酸腔室中循环。在苛性碱/碱槽中，提供3升的0.2N氢氧化钠溶液，并使其通过苛性碱腔室和阴极室循环。在阳极腔室中，使1％的H2SO4溶液作为电解质溶液循环。进料溶液的电导率最初为34.2mS/cm。ED方法的电流密度为大约8-30mA/cm2，叠层两端的总电压大约为15-32伏，进行该方法直到该进料溶液的电导率下降到大约0.7mS/cm。该方法用时大约190分钟。
收率为大约94.3％，极少的糖和蛋白质进入产物中，电流效率为88.8％。功耗为大约1.76kwh/kg乳酸。
以上实施例证实了实际有效的有机酸分离、提纯和转变为具有理想产物特征的酸形式。
如此公开的本发明和所述的例证性实施方案、其许多变形和改变以及对其它已知处理或生产方法的修改将会被本领域普通技术人员想到。所有这些变形、改变和修改被认为是在本发明的范围内，并且被所附权利要求包含。

Claims (7)

1.在对包含期望产物或中间产物质以及大分子/蛋白质物质、可溶性矿物物质和非电离物质如糖、酮或醇组分的有机物质进料物流或液体进行作业的生产线中用于运转的处理系统，并且其中该生产线包括三室电渗析单元，其中进料液体供给到第二室，使期望产物通入相邻的第三室并且使至少一些可溶性矿物物质通入第一室，所述进料的剩余物通过第二腔室并且所述单元运转以使非电离物质和大分子/蛋白质物质保持在所述离开第二室的进料中，所述第三室向结晶器、蒸发器、回收或转化过程提供了浓缩的和纯化的有机酸产物输出物流并且所述第二室提供了产物耗尽的废物物流。
2.权利要求1的处理系统，其中所述产物耗尽的废物物流包括由此从处理生产循环中除去的有毒物质。
3.权利要求1的处理系统，其中在发酵过程的下游，所述三室电渗析单元位于上游处理工序，并且运转以提供所述含营养素的产物耗尽的废物物流以及返回上游或发酵过程的中间产物。
4.权利要求1的处理系统，其包括位于下游处理工序的ED和/或BPED电渗析单元以处理来自回收或浓缩过程的废液，并且其中位于下游处理工序的电渗析单元运转以提取另外的有机酸并且提供可返回到上游发酵或处理工序的工业上有用的产物耗尽的废物物流。
5.权利要求1的处理系统，其包括在所述腔室中的离子交换材料以保持电导率。
6.权利要求5的处理系统，其中电渗析单元净化由所述过程产生的有机酸产物。
7.在对包含期望的目标有机产物或中间产物质以及大分子/蛋白质物质、可溶性矿物物质和非电离物质如糖、酮或醇组分的进料物流或液体进行作业的生产线中用于运转的处理系统，并且其中该生产线包括三室电渗析单元，其中进料液体供给到第二室，使期望产物通入相邻的第三室并且使至少一些可溶性矿物物质通入第一室，所述进料的剩余物通过第二腔室并且所述单元运转以使非电离物质和大分子/蛋白质物质保持在所述离开第二室的进料中，所述第三室向结晶器、蒸发器、回收或转化过程提供了浓缩的和纯化的有机酸产物输出物流并且所述第二室提供了产物耗尽的废物物流，并且所述进料物流是基本上没有受污有机物质的第一工序电渗析(ED)系统的浓缩物物流。
CNB2005800087413A 2004-03-17 2005-03-17 用于有机产物的生产线和处理 Expired - Fee Related CN100528304C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US55375304P 2004-03-17 2004-03-17
US60/553,753 2004-03-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1960798A true CN1960798A (zh) 2007-05-09
CN100528304C CN100528304C (zh) 2009-08-19

Family

ID=34994401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005800087413A Expired - Fee Related CN100528304C (zh) 2004-03-17 2005-03-17 用于有机产物的生产线和处理

Country Status (3)

Country Link
US (2) US20060169586A1 (zh)
CN (1) CN100528304C (zh)
WO (1) WO2005089513A2 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105452474A (zh) * 2013-03-08 2016-03-30 希乐克公司 改质工艺物流

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005089513A2 (en) * 2004-03-17 2005-09-29 Ge Ionics, Inc. Production line and treatment for organic product
US7780833B2 (en) 2005-07-26 2010-08-24 John Hawkins Electrochemical ion exchange with textured membranes and cartridge
US8562803B2 (en) 2005-10-06 2013-10-22 Pionetics Corporation Electrochemical ion exchange treatment of fluids
ITMI20080080A1 (it) * 2008-01-18 2009-07-19 Eni Spa Processo per il trattamento della corrente acquosa proveniente dalla reazione fischer-tropsch
ITMI20081035A1 (it) * 2008-06-06 2009-12-07 Eni Spa Processo per il trattamento della corrente acquosa proveniente dalla reazione di fischer-tropsch mediante resine a scambio ionico
US8496797B2 (en) 2010-12-14 2013-07-30 General Electric Company Electrical deionization apparatus
WO2015026747A1 (en) * 2013-08-20 2015-02-26 Trish Choudhary Separating and demineralizing biomolecule solutions by electrodialysis
US9757695B2 (en) 2015-01-03 2017-09-12 Pionetics Corporation Anti-scale electrochemical apparatus with water-splitting ion exchange membrane
CN105540943B (zh) * 2015-10-30 2018-03-20 中国石油化工股份有限公司 含硅废水的处理方法和含硅废水的利用方法以及分子筛制备方法
CN106616409A (zh) * 2016-10-25 2017-05-10 湖南天劲制药有限责任公司 一种畜禽骨骼营养成分的提取方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5194130A (en) * 1990-12-21 1993-03-16 Allied-Signal Inc. Method to produce sodium citrate using electrodialysis
US5681728A (en) * 1995-06-07 1997-10-28 Chronopol, Inc. Method and apparatus for the recovery and purification of organic acids
US6294066B1 (en) * 1997-01-23 2001-09-25 Archer Daniels Midland Company Apparatus and process for electrodialysis of salts
US6187570B1 (en) * 1998-05-26 2001-02-13 The Electrosynthesis Company, Inc. Electrodialysis methods for purification and recovery of gluconic acid derivatives
US6110342A (en) * 1998-07-21 2000-08-29 Archer Daniels Midland Company Process for production of amino acid hydrochloride and caustic via electrodialysis water splitting
WO2005089513A2 (en) * 2004-03-17 2005-09-29 Ge Ionics, Inc. Production line and treatment for organic product

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105452474A (zh) * 2013-03-08 2016-03-30 希乐克公司 改质工艺物流
CN105452474B (zh) * 2013-03-08 2020-05-01 希乐克公司 改质工艺物流

Also Published As

Publication number Publication date
US20060169586A1 (en) 2006-08-03
US20080272001A1 (en) 2008-11-06
WO2005089513A3 (en) 2006-05-18
WO2005089513A2 (en) 2005-09-29
CN100528304C (zh) 2009-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100528304C (zh) 用于有机产物的生产线和处理
Bafana et al. New approaches for itaconic acid production: bottlenecks and possible remedies
CN100506972C (zh) 一种解脂假丝酵母菌及用其生产赤藓糖醇的方法
CN100445257C (zh) 一种从厌氧发酵液中分离提取丁二酸的方法
CN1258393C (zh) 多价金属盐的电渗析
CN101407350B (zh) 发酵法生产赖氨酸中离交废液的处理方法
CN101736042B (zh) 一种生产l-乳酸的方法
CN107055712B (zh) 一种利用两阶段双极膜电渗析回收畜禽粪便水解液中氨氮、磷和挥发性脂肪酸的方法
Lü et al. Anaerobic digestion of organic waste: Recovery of value-added and inhibitory compounds from liquid fraction of digestate
CN101638362B (zh) 综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法
CN101659681A (zh) 木糖制品的生产方法
JP2013507953A (ja) 電気透析および直接回収方法を用いた糖化液からのキシロースの製造のための経済的な工程
Du et al. Coupled electrochemical methods for nitrogen and phosphorus recovery from wastewater: a review
CN1258598C (zh) 用于纯化和回收葡萄糖酸衍生物的电渗析方法
CN108558126A (zh) 一种锂电池废水零排放的处理方法
EP0712381B1 (de) Verfahren zum reinigen von molkereiabwasser
CN101294169A (zh) 钠盐发酵电渗析提取乳酸新工艺
CN102070402A (zh) 一种1，3-丙二醇发酵液的脱盐方法
Rózsenberszki et al. Demonstration of bipolar membrane electrodialysis technique for itaconic acid recovery from real fermentation effluent of Aspergillus terreus
CN104556495B (zh) 1,3‑丙二醇发酵液脱盐树脂再生废液的处理方法
CN102100351B (zh) 味精生产中谷氨酸等电母液的资源化方法
CN109294882B (zh) 一种三腔室电渗析产氢发酵反应器及产氢方法
CN1048282C (zh) 生产2－酮－l－古洛糖酸的方法
CN104556496A (zh) 一种发酵液脱盐树脂再生废液的处理方法
CN111268841B (zh) 一种酵母转鼓废水脱盐方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090819

Termination date: 20130317