DE69727028T2

DE69727028T2 - Verfahren zum Abtrennen und Rückgewinnen einer bestimmten Komponente

Info

Publication number: DE69727028T2
Application number: DE69727028T
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kamakura-shi Shimoi; Hideo Tamura; Masaomi Kawasaki-shi Okazaki; Takao Kawasaki-shi Suganuma
Original assignee: Ajinomoto Co Inc; Nittetsu Chemical Engineering Co Ltd; Nittetsu Kakoki KK
Current assignee: Ajinomoto Co Inc; Tsukishima Kankyo Engineering Ltd; Nippon Steel Eco Tech Corp
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: SK140397A3; KR19980032908A; EP0838256A3; SK282079B6; TW343158B; DE69727028D1; CN1117606C; JP3694871B2; MY121689A; AU4102897A; US6039879A; JPH10211423A; EP0838256A2; EP0838256B1; SG65691A1; MX9708029A; KR100491783B1; AU725608B2; BR9705089A; CN1194178A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen einer Zielkomponente (wertvolle Substanz bzw. Wertstoff oder Verunreinigung, wie z. B. ein Salz), das in der Fermentationsindustrie, der pharmazeutischen Industrie, der Zucker erzeugenden Industrie, der Protein- und Aminosäureindustrie, der Nahrungsmittelindustrie, der Farbstoffindustrie, der Pigmentindustrie, der chemischen Industrie und dergleichen weit reichende Anwendung findet.
Sie bezieht sich genauer gesagt auf ein Verfahren zum effizienten Abtrennen und Gewinnen einer Zielkomponente aus einer die Zielkomponente enthaltenden rohen Flüssigkeit durch eine Kombination aus Waschen und Membranbehandlung.
Die Gebiete der Fermentationsindustrie, der Protein- und Aminosäureindustrie und der pharmazeutischen Industrie umfassen die Herstellung von Aminosäuren, das Brauen, die Herstellung von Antibiotika und dergleichen. Zum Beispiel wird eine Produktflüssigkeit, die einen Wertstoff wie etwa eine Aminosäure enthält, mittels einer Trennmembran, eines Zentrifugalabscheiders oder dergleichen aus einer Fermentationsbrühe abgetrennt, und es wird durch Eindampfen mittels Dampfdestillation oder dergleichen aus der Produktflüssigkeit eine Zielkomponente (Wertstoff) aufkonzentriert; andererseits bleiben noch Mikrobenzellen als abgetrennter Rückstand zurück.
Auf den Gebieten der Farbstoffindustrie, der Pigmentindustrie, der chemischen Industrie und dergleichen erfolgt im Produktionsprozess eine Aussalzung, gefolgt von der Entfernung eines Salzes als Verunreinigung.
Die Gewinnung eines Wertstoffs aus dem abgetrennten Rückstand wird oft durch Membranbehandlung anstelle herkömmlicher Filtration durchgeführt. Die Membranbehandlung wird auch zur Entfernung des Salzes nach dem Aussalzen angewandt.
Nimmt man beispielsweise die Fermentationsindustrie und die Protein- und Aminosäureindustrie, so wird nach Abtrennung einer Produktflüssigkeit (wertstoffhaltigen Flüssigkeit) aus der Fermentationsbrühe der Rückstand, der noch den Wertstoff zusammen mit konzentrierten Mikrobenzellen enthält, unter Druck mit einer Trennmembran behandelt, um den Wertstoff durch die Membran auf die andere Seite, d. h. die Seite der durchgelassenen Flüssigkeit, zu bringen. Die durchgelassene Flüssigkeit bzw. das Permeat wird mit der Produktflüssigkeit vereinigt und beispielsweise mittels Dampfdestillation weiter aufgearbeitet, um das Produkt (Wertstoff) zu gewinnen.
Der Begriff "wertvolle Substanz" bzw. "Wertstoff", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine in den obenerwähnten verschiedenen Industrien zu gewinnende, nützliche Substanz, wie z. B. eine Aminosäure, die aus einer Fermentationsflüssigkeit oder dergleichen abgetrennt wird, und schließt nicht nur Endprodukte, sondern auch Zwischenprodukte dafür ein. Im Folgenden wird eine Flüssigkeit, die einen Wertstoff enthält, mitunter als Produktflüssigkeit bezeichnet.
Da eine Mikrobenzellsuspension üblicherweise aufkonzentriert wird, so dass sie eine erhöhte Viskosität aufweist, wenn sie von einer Produktflüssigkeit (wertstoffhaltigen Flüssigkeit) abgetrennt wird, ist die Behandlung mit einer Trennmembran als solcher schwierig. Daher ist es eine allgemein verfolgte Praxis, der konzentrierten Zellsuspension Wasser zuzusetzen, um dadurch die Viskosität unter Berücksichtigung des Durchflusswertes (l/m²·h) einer schließlich gewonnenen Produktflüssigkeit auf eine bevorzugte Stufe herabzusetzen und auch um den restlichen Wertstoff in der gesamten Flüssigkeit zu verteilen und zu verdünnen, um die Membranbehandlung zu erleichtern. Herkömmliche Vorrichtungen, die zur Gewinnung eines in einer konzentrierten Zellsuspension verbliebenen Wertstoffs durch Membranbehandlung eingesetzt werden, umfassen ein diskontinuierliches System, dargestellt in 5(a), und ein kontinuierliches System, dargestellt in 6(a).
Beim diskontinuierlichen System aus 5(a) wird einem mit einem Rührmechanismus ausgestatteten Behälter 1 eine bestimmte Menge einer wertstoffhaltigen, konzentrierten Zellsuspension (rohe Flüssigkeit 2) zugespeist, und es wird diesem kontinuierlich Waschwasser 5 zugeführt.
Ein Teil der Flüssigkeit im Behälter 1 wird mittels einer Pumpe 3 in eine Membrantrenneinheit 4 geleitet, wo eine Produktflüssigkeit durch die Membran hindurch als Permeat 6 (gewonnene Produktflüssigkeit) gewonnen und abgetrennt wird, während die nicht gewonnene Flüssigkeit 7 zum Behälter 1 zurückgeführt wird. Da der Flüssigkeitsstand in dem Behälter 1 sinkt, wenn die gewonnene Produktflüssigkeit abgetrennt wird, wird er mit einem Flüssigkeitsstandanzeiger (nicht dargestellt) überwacht, und der Behälter 1 wird so mit Waschwasser 5 nachgefüllt, dass der Flüssigkeitsstand konstant bleibt. Somit diffundiert der meiste Wertstoff in der konzentrierten Zellsuspension in die Flüssigkeit und gelangt durch die Membrantrenneinheit auf die Permeatseite.
Beim System aus 5(a) wird das Waschwasser 5 kontinuierlich zugespeist, während die rohe Flüssigkeit chargenweise eingespeist wird. Am Ende des Prozesses werden die Mikrobenzellen am Auslass 8 aus dem Behälter 1 entfernt. Folglich fällt dieses System in engerem Sinne nicht unter die Kategorie eines diskontinuierlichen Systems, sondern eines halbkontinuierlichen Systems.
Die Verwendung mehrerer Membrantrenneinheiten in Serie zur Gewinnung eines Wertstoffs aus Flüssigkeiten ist seit langem bekannt, wie in JP-B-59-18088 offenbart (der hier verwendete Begriff "JP-B" bedeutet "geprüfte japanische Patentveröffentlichung").
6(a) zeigt ein Beispiel für solch ein mehrphasiges bzw. mehrstufiges kontinuierliches System, bei dem Einheiten jeder Stufe, welche einen mit einem Rührmechanismus ausgestatteten Behälter 1, eine Pumpe 3 zum Abführen eines Teils der Flüssigkeit aus dem Behälter 1 und zum Zurückführen des Rests der Flüssigkeit zum Behälter 1 und eine Membrantrenneinheit 4 umfassen, in Serie angeordnet sind und die Flüssigkeit in mehreren Stufen behandelt wird.
Verglichen mit einem halbkontinuierlichen Verfahren bei mehrmals wiederholter Anwendung weist das kontinuierliche System mit den gleichen Stufen eine geringere Ausbeute an Endprodukt (Wertstoff) auf und benötigt mehr Waschwasser 5, was zu einer geringeren Wertstoffkonzentration in der gewonnenen Produktflüssigkeit 6 führt. Daraus folgt, dass die gewonnene Produktflüssigkeit mehr Energie für das Aufarbeitungsverfahren, wie z. B. eine Aufkonzentration zum Erhalt des Endprodukts (Wertstoffs), benötigt. Am Ende des Prozesses werden die Mikrobenzellen am Auslass 8 aus dem System entfernt.
Andererseits erfolgt in der Farbstoffindustrie, der Pigmentindustrie, der chemischen Industrie und dergleichen beim Produktionsschritt eine Aussalzung. Nach dem Aussalzen wird das Salz auf theoretisch gleiche Weise wie bei der oben beschriebenen Gewinnung eines in einer konzentrierten Zellsuspension verbliebenen Wertstoffs als Verunreinigung entfernt. Das heißt, während einer farbstoffhaltigen rohen Flüssigkeit oder dergleichen Waschwasser zugesetzt wird, um das Salz in der Flüssigkeit zu verteilen und zu verdünnen, wird die so erhaltene Flüssigkeit einer Membranbehandlung unterzogen, um das Salz zu entfernen.
Der Unterschied zur Gewinnung eines in einer konzentrierten Zellsuspension verbliebenen Wertstoffs ist, dass die auf die Permeatseite zu übertragende Zielkomponente kein Wertstoff, sondern eine Verunreinigung ist (z. B. ein Salz), welche im Prinzip beseitigt werden sollte, und dass die Restflüssigkeit (Konzentratseite) einen Wertstoff 6 (z. B. Farbstoff) darstellt, wie in 5(b) und 6(b) abgebildet, wobei das in 5(b) dargestellte System dem in 5(a) dargestellten System entspricht und das in 6(b) dargestellte System dem in 6(a) dargestellten System entspricht.
Folglich kann die Membranbehandlung zur Entfernung von Verunreinigungen in einem halbkontinuierlichen System oder einem kontinuierlichen System ähnlich jenem zur Gewinnung eines Wertstoffs durchgeführt werden. Jedoch erfordern die herkömmlichen Systeme, ob halbkontinuierliche Systeme oder kontinuierliche Systeme, die Verwendung einer großen Menge an Waschwasser, was eine größere Abwassermenge zur Folge hat und großformatige Anlagen zur Abwasserableitung notwendig macht. Zudem migriert eine beträchtliche Menge des Wertstoffs (z. B. eines Farbstoffs) auf die Permeatseite, was zu einem Produktverlust führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Abtrennen und Gewinnen eines Wertstoffs in hoher Konzentration mit verbesserter Ausbeute aus einer den Wertstoff enthaltenden rohen Flüssigkeit, wie z. B. einer konzentrierten Mikrobenzellsuspension, welche nach Abtrennung einer Produktflüssigkeit (d. h. wertstoffhaltigen Flüssigkeit) aus einem Produktionssystem (z. B. einer Fermentationsbrühe) zurückbleibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Abtrennen und Gewinnen eines Wertstoffs und zur verbesserten Entfernung von Verunreinigungen, wie z. B. Salzen, in einer farbstoffhaltigen rohen Flüssigkeit oder dergleichen durch Aussalzen, um die Menge der in dem Wertstoff verbliebenen Verunreinigungen, wie z. B. Salze, zu verringern.
Weiters ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines effizienten und wirtschaftlichen Verfahrens zum Abtrennen und Gewinnen eines Wertstoffs, das eine Verringerung der erforderlichen Menge an Waschflüssigkeit wie etwa Wasser ermöglicht, um Abwässer zu verringern.
Überdies ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Ausbeute an Wertstoff, wodurch die Wirtschaftlichkeit verbessert wird, und außerdem die Erhöhung der Konzentration an Wertstoff in einer gewonnenen Produktflüssigkeit, wodurch die für anschließende Aufarbeitungsverfahren zur Gewinnung eines Endprodukts erforderliche Energie, z. B. die Energie, die für eine Aufkonzentration durch Dampfdestillation zum Eindampfen erforderlich ist, verringert wird. Was die Apparatur betrifft, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, den oben beschriebenen Trenn vorgang mittels einer kompakten und herkömmlichen Vorrichtung durchzuführen, welche keinen so großen Raum zum Aufstellen benötigt, wie er für ein kontinuierliches System erforderlich ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen einer Zielkomponente aus einer rohen Flüssigkeit durch eine Membran in einem halbkontinuierlichen System bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst:
zumindest zwei Phasen des Zusetzens einer Waschflüssigkeit zu der in einem Behälter aufbewahrten rohen Flüssigkeit und des Vermischens der Waschflüssigkeit mit der rohen Flüssigkeit, um ein Gemisch aus der rohen Flüssigkeit und der Waschflüssigkeit zu bilden,
worin aufeinander folgende der zumindest zwei Phasen durch einen zeitlichen Abstand voneinander getrennt sind,
worin die aufeinander Folgenden Waschflüssigkeiten mit unterschiedlichen, abnehmenden Konzentrationen der Zielkomponenten-Konzentration verwenden, und weiters
worin zumindest in einer der mehreren Phasen nur eine Waschflüssigkeit verwendet wird, die im Wesentlichen eine Null-Konzentration der Zielkomponente aufweist; und
die Durchführung eines Schritts der Membranbehandlung des Gemischs für jede der mehreren Phasen, um die Zielkomponente aus der rohen Flüssigkeit auf eine durchgelassene Flüssigkeit zu übertragen, wodurch zumindest ein Teil der durchgelassenen Flüssigkeit als Waschflüssigkeit wiederverwendet wird.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und zwar lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
1 schematisch ein Beispiel für die in der vorliegenden Erfindung verwendete Vorrichtung erläutert;
2 schematisch ein weiteres Beispiel für die in der vorliegenden Erfindung verwendete Vorrichtung erläutert;
3 eine grafische Darstellung des R-Werts über der Lysinausbeute ist;
4 eine grafische Darstellung des R-Werts über der Entfernung einer Verunreinigung ist;
die 5(a) und 5(b) schematisch ein herkömmliches halbkontinuierliches System erläutern; und
die 6(a) und 6(b) schematisch ein herkömmliches, mehrstufiges kontinuierliches Gegenstromsystem erläutern; worin die Bezugszeichen und Symbole wie folgt lauten:

1, 1' und 1'': Behälter;
2: rohe Flüssigkeit;
3, 3' und 3'': Pumpe;
4, 4' und 4'': Membrantrenneinheit;
5: Waschflüssigkeit;
6: gewonnene Produktflüssigkeit;
7: nicht gewonnene Flüssigkeit;
8: Auslass (Mikrobenzellen);
9: Auslass (Abwasser);
A, B, C, D und E: Behälter;
a, b, c, d, e, f, g, h, i, k, l, m und n: Ventile;
G: Membrantrenneinheit;
LC: Flüssigkeitsstand-Regelventil;
LIC: Flüssigkeitsstandanzeiger und -regler;
LS: Flüssigkeitsstandschalter;
P-1 und P-2: Pumpen;
T: Rückstandstank;
U: Tank für gewonnenes Produkt;
X: Abwassertank; und
Y: Tank für gewonnenes Produkt.

Als bevorzugtes Verfahren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das obige Verfahren, welches weiters den Schritt des Auftrennens der rohen Flüssigkeit in die durchgelassene Flüssigkeit und eine Restflüssigkeit umfasst,
worin die durchgelassene Flüssigkeit, die durch eine Erstphasen-Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen unter Einsatz einer Waschflüssigkeit mit der höchsten Zielkomponenten-Konzentration erhalten wird, aus dem halbkontinuierlichen System abgegeben wird,
wobei die Restflüssigkeit, die durch eine Endphasen-Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen unter Einsatz nur der Waschflüssigkeit, die im Wesentlichen eine Null-Konzentration der Zielkomponente aufweist, im halbkontinuierlichen System behalten wird, und
die durchgelassene Flüssigkeit, die durch die Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen mit Ausnahme der Erst- und der Endphase erhalten wird, als Waschflüssigkeit verwendet wird.
Das oben erwähnte Trennverfahren umfasst eine Ausführungsform, bei der die aus der rohen Flüssigkeit abzutrennende Zielkomponente eine wertvolle Substanz ist, und das Verfahren umfasst weiters den Schritt des Abführens der die wertvolle Substanz enthaltenden durchgelassenen Flüssigkeit aus dem System, sowie eine Ausführungsform, bei der die rohe Flüssigkeit sowohl die Zielkomponente als auch eine wertvolle Substanz enthält, die dem Verfahren unterzogene rohe Flüssigkeit eine Restflüssigkeit bildet, die eine hohe Konzentration der wertvollen Substanz enthält, und das Verfahren weiters den Schritt des Abtrennens der die wertvolle Substanz enthaltenden Restflüssigkeit umfasst.
Wasser wird häufig zum Waschen verschiedener Substanzen verwendet. Auch in der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise Wasser als Waschflüssigkeit verwendet.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, wählt die vorliegende Erfindung ein halbkontinu ierliches System, bei dem eine rohe Flüssigkeit chargenweise zugespeist wird, während eine Waschflüssigkeit kontinuierlich zugespeist wird, und zwar unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Abtrennung einer Zielkomponente, d. h. Gewinnung eines Produkts (Wertstoff) oder Entfernung einer Verunreinigung (z. B. Salz), und dem Waschschritt eine Verbesserung hinzugefügt wird. Im Unterschied zum Waschschritt in einem herkömmlichen halbkontinuierlichen System, der unter Einsatz einer großen Menge an Waschflüssigkeit wie etwa Wasser zu Beginn des Waschschritts durchgeführt wird, ist das in der vorliegenden Erfindung gewählte Waschsystem dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Waschflüssigkeiten, die sich in der Konzentration der abzutrennenden Zielkomponente unterscheiden, zubereitet und mit abnehmenden Konzentrationen eingesetzt werden und in der letzten Waschstufe eine Waschflüssigkeit ohne die Zielkomponente, wie z. B. Wasser, verwendet wird.
Gemäß dieser Vorgangsweise kann die erforderliche Menge an Waschflüssigkeit wie etwa Wasser verringert werden, und die Ausbeute an Produkt (Wertstoff) oder die Entfernung des Salzes und dergleichen kann gesteigert werden, was auch zu einer Verringerung der Abwassermenge führt.
Wie oben erwähnt umfasst die praktische Umsetzung der vorliegenden Erfindung jenen Fall, bei dem ein Wertstoff auf die Permeatseite übertritt, und jenen Fall, bei dem eine Verunreinigung wie etwa ein Salz auf die Permeatseite übertritt, wobei ein Wertstoff auf der Konzentratseite, d. h. der Restflüssigkeitsseite, zurückbleibt. Beide Fälle können als auf dem gleichen Prinzip beruhend angesehen werden.
Folglich soll der Begriff "Zielkomponente", wie er hier verwendet wird, eine Substanz bezeichnen, die durch Membrantrennung auf die Permeatseite zu übertragen ist, ganz gleich, ob es sich um eine gewünschte Komponente handelt oder nicht. Die Gewinnung eines Wertstoffs wie etwa einer Aminosäure aus einer Fermentationsbrühe fällt unter den erstgenannten Fall. In diesem Fall tritt eine Aminosäure oder dergleichen auf die Permeatseite über, so dass die "Zielkomponente" in einer rohen Flüssigkeit mit dem zu gewinnenden Wertstoff übereinstimmt. Andererseits ist die Entsalzung einer farbstoffhaltigen rohen Flüssigkeit im letzteren Fall umfasst, d. h., das Salz ist die auf die Permeatseite zu überführende "Zielkomponente", während der in der Restflüssigkeit verbleibende Farbstoff den Wertstoff darstellt.
Bei der Beschreibung der in der Erfindung durchgeführten Arbeitsgänge wird eine Ausführungsform der Gewinnung einer Zielkomponente wie etwa einer Aminosäure aus einer Fermentationsbrühe oder dergleichen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Beispiel für die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung, worin Waschungen in drei Stufen erfolgen.
In 1 ist ein Behälter A mit einem Rührmechanismus für einen Arbeitsgang des Waschens ausgestattet. Behälter A wird eine rohe Flüssigkeit zugeführt, bei der es sich um ein Konzentrat handelt, das zurückgeblieben ist, nachdem in einem vorangegangenen Schritt (nicht dargestellt) eine Produktflüssigkeit (wertstoffhaltige Flüssigkeit) aus einer Fermentationsbrühe gewonnen wurde. Eine Waschflüssigkeit wird ebenfalls Behälter A zugeführt und mit der rohen Flüssigkeit vermischt. Das Gemisch wird mittels einer Pumpe P-1 in die Membrantrenneinheit G eingeleitet, wo eine zu gewinnende Produktflüssigkeit auf die Permeatseite übertritt. Die Restflüssigkeit, welche nicht durch die Trennmembran hindurchtreten kann, wird zum Behälter A zurückgeführt.
Die in dieser speziellen Ausführungsform behandelte rohe Flüssigkeit enthält Mikrobenzellen, die in einem Fermentationsprozess verwendet wurden, einen zurückgebliebenen Wertstoff (Zielkomponente), und Wasser und liegt gewöhnlich in Form eines Schlamms mit Fließvermögen vor.
Die praktischen Arbeitsabläufe werden nachstehend, ausgehend von einem leeren Zustand des Behälters A, beschrieben.
Zu Beginn sind die Ventile i, k und l geöffnet, wobei alle anderen Ventile geschlossen sind. Die Pumpe P-1 wird im Prinzip kontinuierlich betrieben, ausgenommen, wenn die Membrantrenneinheit zur Reinigung außer Betrieb gesetzt wird oder wenn irgendein Teil der Vorrichtung eine technische Störung erfährt. Wenn die Pumpe P-1 einmal abgeschaltet ist, steigt die Viskosität der Flüssigkeit aufgrund von Thixotropie an, was zu Schwierigkeiten bei der Wiederaufnahme des Pumpens zur Membrantrenneinheit führen kann.
Während die Pumpe P-1 in kontinuierlichem Betrieb arbeitet, kann eine sehr geringe Menge der Flüssigkeit in Behälter A verbleiben bzw. kann das System kann so geregelt werden, dass wenig Flüssigkeit in Behälter A zurückbleibt.
Die rohe Flüssigkeit 2 wird in einem Behälter B aufbewahrt. Die Zufuhr der rohen Flüssigkeit 2 zum Behälter B kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Zunächst wird Ventil k bei offenem Ventil n langsam geschlossen, während Ventil a langsam geöffnet wird, wobei darauf geachtet wird, dass die Trennmembran der Einheit G nicht durch Stöße beschädigt wird. Die in Behälter B aufbewahrte rohe Flüssigkeit 2 wird somit über die Pumpe P-1 zugespeist, so dass die in der Einheit G verbliebene Flüssigkeit und die in der Rohrleitung zurückgehaltene Flüssigkeit, welche nahezu frei von der Zielkomponente sind und einen Feststoff sowie Wasser enthalten, in den Behälter A gedrückt werden können.
Durch diesen Arbeitsschritt fließt die Flüssigkeit aus Behälter A und gelangt in einer der Zufuhr der rohen Flüssigkeit entsprechenden Menge in einen Rückstandstank T, wodurch die zurückgehaltene Flüssigkeit durch die rohe Flüssigkeit verdrängt wird.
Diese Verdrängung soll verhindern, dass die rohe Flüssigkeit mit der zurückgehaltenen Flüssigkeit verdünnt wird, was die Wirkung der vorliegenden Erfindung verringert.
Die Verdrängung der zurückgehaltenen Flüssigkeit kann erreicht werden, indem die rohe Flüssigkeit 2 in einer Menge zugespeist wird, die der zuvor unter Flüssigkeitsstandsregelung oder Zeitgebersteuerung festgesetzten Menge der zurückgehaltenen Flüssigkeit entspricht.
Die rohe Flüssigkeit 2 wird bei offenem Ventil k und geschlossenem Ventil n weiterhin Behälter A zugespeist. Wenn die Flüssigkeit in Behälter A ein vorgeschriebenes Volumen erreicht, wird Ventil a geschlossen.
Dann wird Ventil l geschlossen und Ventil m geöffnet. Wenn die rohe Flüssigkeit 2 vorkonzentriert werden soll, wird die Flüssigkeit ohne Zugabe einer Waschflüssigkeit zur Membrantrenneinheit G geleitet, um die Zielkomponente auf die Permeatseite zu übertragen. Vorkonzentration der rohen Flüssigkeit bewirkt eine Verringerung der erforderlichen Menge an Waschflüssigkeit. Über eine Anwendung der Vorkonzentration ist unter Berücksichtigung der Gesamteffizienz zu entscheiden.
Ventil b wird geöffnet, um die Zufuhr einer Waschflüssigkeit mit einer mittleren Konzentration der Zielkomponente zu starten, und die vermischte Flüssigkeit wird durch die Pumpe P-1 zur Membrantrenneinheit G geleitet, wo eine Produktflüssigkeit, welche mit hoher Konzentration die Zielkomponente enthält, durch die Membran abgetrennt und an einen Tank U für gewonnenes Produkt geliefert wird. Bei Abtrennung der Produktflüssigkeit sinkt der Flüssigkeitsstand von Behälter A, worauf das Flüssigkeitsstand-Regelventil LC anspricht, um Behälter A die Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration aus Behälter C in einer Menge zuzuführen, die der Menge der Flüssigkeit entspricht, welche durch die Membran hindurchgetreten ist.
Somit ermöglicht die Verwendung einer Waschflüssigkeit, welche eine Zielkomponente in einer mittleren Konzentration enthält, eine Anhebung der Konzentration der Zielkomponente in der durch eine Membrantrenneinheit hindurchgetretenen Flüssigkeit, wodurch eine hohe Ausbeute an Zielkomponente (in diesem Fall Wertstoff) erzielt wird, obwohl die Menge an Waschflüssigkeit wie etwa Wasser verringert ist.
Während der in dieser Ausführungsform verwendete Behälter A mit einem Rührer (in 1 nicht dargestellt) ausgestattet ist, könnte ein Rührmechanismus nur weggelassen werden, wenn mittels der Pumpe eine ausreichende Vermischung einer rohen Flüssigkeit und einer Waschflüssigkeit gewährleistet ist. Oder es könnte selbstverständlich ein anderer Rührmechanismus verwendet werden.
Wenn Behälter C leer wird, werden die Ventile b und m geschlossen, und die Ventile g und c werden geöffnet, und es wird Behälter A aus einem Behälter D eine Waschflüssigkeit zugespeist, welche die Zielkomponente in einer niedrigen Konzentration enthält. Zugleich wird das Permeat, das die Zielkomponente in einer mittleren Konzentration aufweist, zum Behälter C geliefert und zur Verwendung als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration zurückgehalten.
Wenn das Volumen des Permeats das der zugespeisten Waschflüssigkeit niedriger Konzentration erreicht und Behälter D leer wird, werden die Ventile c und g geschlossen, und die Ventile d und f werden geöffnet. In der letzten Waschstufe wird dem Behälter A Waschwasser in einem Behälter E zugespeist. Das Permeat mit einer niedrigen Konzentration der Zielkomponente, das durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetreten ist, wird zum Behälter D geleitet und zur Verwendung als Waschflüssigkeit niedriger Konzentration zurückgehalten.
Wenn Behälter E leer wird, werden die Ventile d und f geschlossen. Ventil e wird geöffnet, und Behälter E wird mit frischem Waschwasser 5 aufgefüllt. Die dem Behälter E zuzuführende Menge an Waschwasser 5 wird entsprechend einem vorgeschriebe nen Volumenverhältnis (R) von Waschwasser 5, W (m³), zu roher Flüssigkeit, V (m³), R = W/V (nachstehend als "R-Wert" bezeichnet), festgesetzt. Nach der letzten Waschstufe wird ein Ventil h geöffnet, und die Restflüssigkeit, die überwiegend Mikrobenzellen enthält, wird zum Rückstandstank T geleitet. Ventil h wird geschlossen, wenn der Flüssigkeitsstand in Behälter A auf den Pegel des Flüssigkeitsstandsschalters LS sinkt, der in dem unteren Teil von Behälter A vorgesehen ist, so dass Behälter A eine geringe Menge der Flüssigkeit zurückbehalten kann, um zu verhindern, dass die Pumpe P-1 nichts ansaugt. Der R-Wert, auf den oben verwiesen wurde, kann unter Berücksichtigung der Eigenschaften der rohen Flüssigkeit, der physikalischen Eigenschaften der zu gewinnenden oder zu entfernenden Zielkomponente, der Arbeitsbedingungen, wie z. B. Behandlungsdauer, und der technischen Daten der Vorrichtung in passender Weise festgesetzt werden.
Die zu verwendende Membrantrenneinheit ist wünschenswerterweise eine, die eine solche Struktur aufweist, dass sie permeatseitig kaum einen Flüssigkeitsstau verursacht.
Statt die zurückgehaltene Flüssigkeit wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit einer rohen Flüssigkeit zu verdrängen, kann die zurückgehaltene Flüssigkeit einmal mit einer rohen Flüssigkeit vermischt werden, und das Gemisch wird vor Zugabe einer Waschflüssigkeit vorkonzentriert. In diesem Fall kann das Permeat zur Verwendung als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration zum Behälter C zurückgeführt werden. Falls gewünscht kann die Restflüssigkeit vor der Abgabe aufkonzentriert werden, um die Ausbeute zu erhöhen.
Ein Behandlungszyklus ist dann abgeschlossen, wenn Behälter A fast leer wird, und der Zyklus wird wiederholt.
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass Waschflüssigkeiten, die eine abzutrennende Zielkomponente mit unterschiedlichen Konzentrationen enthalten, nacheinander mit einem zeitlichen Abstand in Reihenfolge absteigender Konzentration zugespeist werden, und dass das im Verlauf mehrstufigen Waschens abgetrennte Permeat für die nächste Waschstufe genutzt wird. In der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Arbeitsgang mit dem Ausdruck "zeitversetzter mehrstufiger Waschgang" bezeichnet. Während in der vorstehenden Beschreibung das durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetretene Permeat direkt zwecks Wiederverwendung zu einem Behälter zurückgeführt wird, kann es aus praktischen Gründen hinsichtlich Systemauslegung oder nachfolgender Schritte auch einmal in einem Speichertank aufbewahrt werden, bevor es zum Waschflüssigkeitsbehälter weitergeleitet wird. Während der Zeit im Speichertank kann die Konzentration der Flüssigkeit eingestellt werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 umfasst der mehrstufige Waschgang drei Stufen unter Verwendung einer Waschflüssigkeit mit einer mittleren Konzentration (Behälter C), einer Waschflüssigkeit mit einer niedrigen Konzentration (Behälter D) und Wasser als Waschflüssigkeit (Behälter E). Es ist theoretisch möglich, die Waschflüssigkeit mit zunehmender Anzahl der Waschstufen zu reduzieren. Jedoch ist eine Erhöhung der Anzahl der Stufen in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden. Daher kann statt einer Erhöhung der Stufenanzahl die in dem Behälter aufbewahrte Flüssigkeit mit einem Konzentrationsgradienten versehen werden, um die Effizienz zu steigern.
Ein Konzentrationsgradient kann zum Beispiel durch (1) langsame Zufuhr der Waschflüssigkeit entlang der Innenwand des Waschflüssigkeitsbehälters, (2) langsame Zufuhr der Waschflüssigkeit zum Waschflüssigkeitsbehälter entlang einer Kette, (3) Unterteilung des Waschflüssigkeitsbehälters mit Platten oder (4) vertikale Streckung des Waschflüssigkeitsbehälters erzeugt werden.
Wie aus Vorstehendem ersichtlich ist, umfasst die rohe Flüssigkeit, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt werden kann, nach Abtrennung ei ner wertvollen Zielkomponente durch verschiedene Fest-Flüssig-Trennschritte zurückgebliebene Flüssigkeiten in der Fermentationsindustrie, der pharmazeutischen Industrie, der Zucker erzeugenden Industrie, der Protein- und Aminosäureindustrie, der Nahrungsmittelindustrie oder dergleichen, welche noch die Zielkomponente zusammen mit dem Trennrückstand enthalten; Flüssigkeiten in der Farbstoffindustrie, der Pigmentindustrie, der chemischen Industrie und dergleichen, die einer Aussalzung unterzogen wurden und einen Wertstoff zusammen mit einem Salz enthalten. Die auf die vorliegende Erfindung zutreffende rohe Flüssigkeit wird für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung leicht ersichtlich.
Die Membrantrenneinheit, die zum Abtrennen und Gewinnen einer Zielkomponente aus der rohen Flüssigkeit verwendet werden kann, schließt verschiedene bekannte Trennmembranen, wie z. B. Mikrofiltrationsmembranen, Ultrafiltrationsmembranen, lose UO-Membran (Nanofiltrationsmembran) und dergleichen ein.
Die zu verwendende Waschflüssigkeit wird in geeigneter Weise entsprechend den Merkmalen und physikalischen Eigenschaften der Zielkomponente und der rohen Flüssigkeit gewählt. Als Waschflüssigkeit sind verschiedene Arten organischer oder anorganischer Lösungen einsetzbar. Beispiele hierfür schließen Wasser, Alkohole, Säure- und Basenlösungen ein. In vielen Fällen ist die Verwendung von Wasser effektiv. Falls gewünscht, kann die Waschflüssigkeit Zusätze, wie z. B. Koagulantien, Dispergiermittel, grenzflächenaktive Stoffe, pH-Regler, Entschäumer und dergleichen, enthalten, sofern der zu gewinnende Wertstoff nicht beeinträchtigt wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verbessert die Gewinnung eines Wertstoffs aus einem Rückstand, der nach Abtrennung einer Produktflüssigkeit (wertstoffhaltigen Flüssigkeit) zurückbleibt, zum Beispiel einer konzentrierten, noch wertstoffhaltigen Mikrobenzellsuspension, welche nach Abtrennung einer Produktflüssigkeit aus einer Fermentationsbrühe zurückbleibt, um dadurch eine Produktflüssigkeit mit hoher Wertstoffkonzentration bereitzustellen. Desgleichen verbessert das Verfahren die Entfernung einer Verunreinigung, wie z. B. eines Salzes, das in einer farbstoffhaltigen rohen Flüssigkeit nach dem Aussalzen enthalten ist, um dadurch eine Produktflüssigkeit mit verringerter Konzentration der Verunreinigung bereitzustellen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist effizient und wirtschaftlich, da bei der Menge an Waschflüssigkeit wie Wasser gespart werden kann und die Abwassermenge reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist wegen der hohen Wertstoffkonzentration der gewonnenen Flüssigkeit ebenfalls wirksam hinsichtlich des Einsparens von Energie, die im anschließenden Aufreinigungsschritt, wie z. B. einer zur Aufkonzentration benutzten Dampfdestillation, aufgewendet wird. Verglichen mit einem einstufigen halbkontinuierlichen System, das eine Verbesserung gegenüber der gewöhnlichen kontinuierlichen Membranbehandlung darstellt und kürzlich weite Verbreitung gefunden hat, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung der Dampfdestillationskosten um die Hälfte.
Überdies erzielt das System der vorliegenden Erfindung eine zufrieden stellende Wertstoff-Gesamtausbeute, um dadurch organisches Material im Abwasser zu verringern. Dies trägt zur Verringerung der Last der Abwasserentsorgung bei, wie für einen Fachmann leicht verständlich ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist kompakter und praktischer als ein kontinuierliches System, da sie weniger Platz zur Aufstellung benötigt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen erläutert, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
BEISPIEL 1
Ein Mikroorganismus, der Lysin, eine Aminosäureart, produzieren kann, wurde kultiviert, um eine lysinhaltige Fermentationsbrühe zu erhalten. Die Fermentationsbrühe wurde durch Behandlung mit einer Präzisions-Filtrationsmembran 5fach aufkonzentriert, um eine klare lysinhaltige Lösung (Produktflüssigkeit) als Filtrat zu erhalten. Das nach der Membranbehandlung zurückgebliebene 5fach-Konzentrat, das 6,8 g/dl Lysin enthielt, wurde als rohe Flüssigkeit 2 der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die rohe Flüssigkeit 2 (50 l) wurde zur Lysingewinnung mittels der in 1 dargestellten Vorrichtung behandelt, bei welcher eine Ultrafiltrationsmembran (NTU-3250, hergestellt von Nitto Denko Corporation; Molekulargewichtstrenngrenze: 20.000) als Trennmembran Verwendung fand. Die Zielkomponente, die in der rohen Flüssigkeit 2 enthalten und abzutrennen war, war Lysin, d. h. ein Wertstoff. Als Waschflüssigkeit wurde Wasser verwendet.
Eine in Behälter B zurückgehaltene S-1-Portion der rohen Flüssigkeit 2 (Lysinkonzentration: 6,8 g/dl) wurde zu Behälter A (7-Liter-Volumen) weitergeleitet. Bei laufender Pumpe P-1 und arbeitendem Flüssigkeitsstand-Regelventil LC wurde dem Behälter A aus Behälter C langsam das 1,33fache (R = 1,33) der 5 l rohen Flüssigkeit an Wasser zugespeist, das Lysin mit einer mittleren Konzentration von 2,35 g/dl enthielt, und das Gemisch wurde durch die Pumpe P-1 aus Behälter A in die Membrantrenneinheit G eingeleitet. Die durch die Trennmembran auf die Permeatseite gelangte gewonnene Produktflüssigkeit wurde zu einem Tank U für gewonnene Produktflüssigkeit geleitet. Die gewonnene Produktflüssigkeit wies eine durchschnittliche Lysinkonzentration von 4,81 g/dl auf.
Die Zufuhr der Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration zum Behälter A wurde mittels des Flüssigkeitsstand-Regelventils LC so gesteuert, dass die zugespeiste Menge der durch die Membran hindurchtretenden Flüssigkeitsmenge entsprach, so dass das Volumen der Flüssigkeit in Behälter A konstant gehalten werden konnte (1. Stufe).
Als die Menge des Permeats 6,65 l erreichte, was der Menge der zugespeisten Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration entsprach, und Behälter C leer wurde, wurde dem Behälter A aus Behälter D langsam die gleiche Menge (6,65 l) einer Waschflüssigkeit mit einer niedrigen Lysinkonzentration von 0,88 g/dl zugespeist. Die durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetretene Flüssigkeit wies eine durchschnittliche Lysinkonzentration von 2,35 g/dl auf. Die Flüssigkeit wurde zu Behälter C geleitet, um als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration in dem anschließenden Waschzyklus verwendet zu werden (2. Stufe).
Als die Menge des Permeats 6,65 l erreichte, was der Menge der zugespeisten Waschflüssigkeit niedriger Konzentration entsprach, und Behälter D leer wurde, wurde dem Behälter A aus Behälter E langsam die gleiche Menge (6,65 l) an Waschwasser für einen abschließenden Waschgang zugespeist. Die durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetretene Flüssigkeit wies eine durchschnittliche Lysinkonzentration von 0,88 g/dl auf. Die Flüssigkeit wurde zu Behälter D geleitet, um als Waschflüssigkeit niedriger Konzentration in dem nächsten Waschzyklus verwendet zu werden (3. Stufe).
Nachdem 6,65 l Wasser zugespeist worden waren, wurde der die Mikrobenzellen enthaltende Rückstand zu einem Rückstandstank T weitergeleitet. Der Rückstand wies eine Lysinkonzentration von 0,42 g/dl auf.
Die Zufuhr der Waschflüssigkeit oder des Waschwassers zum Behälter A wurde so gesteuert, dass sie der durch die Membrantrenneinheit hindurchtretenden Flüssigkeitsmenge entsprach, so dass die Menge der Flüssigkeit in Behälter A während der obigen Stufen mittels eines Flüssigkeitsstandreglers konstant gehalten wurde.
Der obige Waschzyklus wurde für jede Charge 10mal wiederholt, und es wurden 50 l der rohen Flüssigkeit unter der Bedingung R = 1,33 behandelt. Das Ergebnis war, dass die Ausbeute an Lysin als Wertstoff aus der rohen Flüssigkeit 93,8% betrug.
Die gesamte in jeder 3. Stufe von 10 Zyklen verbrauchte Frischwassermenge betrug 66,5 l. Die Waschflüssigkeit niedriger Konzentration und das Frischwasser erhöhten bei Durchtritt durch die Membran ihren Lysingehalt und wurden als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration bzw. Waschflüssigkeit niedriger Konzentration wiederverwendet.
Die gleiche rohe Flüssigkeit wurde auf dieselbe Weise wie oben beschrieben behandelt, mit der Ausnahme, dass der R-Wert (Volumenverhältnis Waschwasser/rohe Flüssigkeit) verändert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind als ungefüllte Rauten (♢) in 3 aufgetragen, in welcher die Abszisse R = Waschwasser/rohe Flüssigkeit und die Ordinate den Prozentsatz der Lysinausbeute (%) angeben.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Zum Vergleich wurden 50 l der gleichen rohen Flüssigkeit, wie sie in Beispiel 1 verwendet wurde, mittels der in 5(a) dargestellten Vorrichtung in einem einstufigen halbkontinuierlichen System behandelt. Als Trennmembran wurde die gleiche Ultrafiltrationsmembran wie in Beispiel 1 verwendet.
Die rohe Flüssigkeit 2 (50 l; Lysinkonzentration: 6,8 g/dl) wurde in einen Behälter 1 eingebracht und unter der Bedingung R = 2 behandelt. Speziell wurde dem Behälter 1 langsam zweimal soviel Waschwasser wie die rohe Flüssigkeit (d. h. 100 l) zugespeist, um eine lysinhaltige Lösung mit einer Lysinkonzentration von 2,94 g/dl zu gewinnen. Der Rückstand, der die Mikrobenzellen enthielt, wies eine Lysinkonzentration von 0,92 g/dl auf; die Lysinausbeute aus der rohen Flüssigkeit betrug 86,4%.
Die gleiche rohe Flüssigkeit wurde auf dieselbe Weise behandelt, mit der Ausnahme, dass der R-Wert (Volumenverhältnis Waschwasser/rohe Flüssigkeit) verändert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind als ungefüllte Quadrate () in 3 aufgetragen.
Zum weiteren Vergleich wurden 50 l der gleichen rohen Flüssigkeit mittels der in 6(a) dargestellten Vorrichtung, die mit der gleichen Ultrafiltrationsmembran wie der in Beispiel 1 verwendeten ausgestattet war, in einem dreistufigen kontinuierlichen Gegenstromsystem behandelt. Die Lysinausbeute betrug 87,7% unter der Bedingung R = 1,5. Die mit einem unterschiedlichen R-Wert erhaltenen Ergebnisse sind in 3 als ungefüllte Dreiecke (Δ) dargestellt.
3 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1. Wie aus der Figur ersichtlich wird, erzielt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem einstufigen halbkontinuierlichen System und einem dreistufigen kontinuierlichen Gegenstromsystem, die typische herkömmliche Verfahren sind, eine höhere Ausbeute an Wertstoff.
Zudem weist die in der vorliegenden Erfindung erhaltene gewonnene Flüssigkeit eine höhere Wertstoffkonzentration auf, und die zu verwendende Menge an frischem Waschwasser kann reduziert werden.
Wenn der Wertstoff in der Nachbehandlung durch Entfernen von Wasser mittels Dampfdestillation oder dergleichen aus der resultierenden Produktflüssigkeit gewonnen wird, kann bei der Dampfdestillation oder dergleichen dank der hohen Wertstoffkonzentration der gewonnenen Produktflüssigkeit eingespart werden, was einen großen wirtschaftlichen Vorteil bewirken wird.
BEISPIEL 2
Eine gemischte wässrige Lösung von Dextran (Molekulargewicht: 2.000.000) und Natriumchlorid (NaCl) wurde behandelt, um Natriumchlorid als Verunreinigung zu entfernen und Dextran als Wertstoff zu gewinnen. In diesem Fall ist die Zielkomponente, die durch Trennmembranbehandlung auf die Permeatseite überführt werden sollte, Natriumchlorid, und es wird auf der Konzentratseite Dextran als Wertstoff gewonnen.
Mittels der Vorrichtung von 2, die grundsätzlich die gleiche wie die in Beispiel 1 verwendete ist, deren gleiche Bezugszeichen die gleiche Komponente bezeichnen, bei der die gleiche Ultrafiltrationsmembran wie in Beispiel 1 Verwendung fand, wurde eine gemischte wässrige Lösung, die 2 mg/dl Dextran und 2 g/dl NaCl enthielt, gemäß demselben Verfahren wie bei der Aminosäuregewinnung behandelt, um NaCl zu entfernen. Als Waschflüssigkeit wurde Wasser verwendet.
Eine in Behälter B zurückgehaltene S-1-Portion der rohen Flüssigkeit (NaCl-Konzentration: 2 g/dl) wurde zu Behälter A (7-Liter-Volumen) weitergeleitet. Bei laufender Pumpe P-1 und arbeitendem Flüssigkeitsstand-Regelventil LC von Behälter A wurden dem Behälter A aus Behälter C langsam 6,65 l (1,33mal (R = 1,33) soviel wie die 5 l der rohen Flüssigkeit) einer Waschflüssigkeit zugespeist, die NaCl mit einer mittleren Konzentration von 0,69 g/dl enthielt, und das Gemisch wurde durch die Pumpe P-1 aus Behälter A in die Membrantrenneinheit G eingeleitet. Die durch die Membranbehandlung auf die Permeatseite abgetrennte NaCl-haltige Flüssigkeit wurde zu einem Abwassertank X geleitet. Die durchschnittliche NaCl-Konzentration des NaCl-haltigen Permeats betrug 1,42 g/dl.
Die Zufuhr der Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration zum Behälter A wurde mittels des Flüssigkeitsstand-Regelventils LC so gesteuert, dass die zugespeiste Menge der durch die Membran hindurchtretenden Flüssigkeitsmenge entsprach, so dass das Volumen der Flüssigkeit in Behälter A konstant gehalten werden konnte (1. Stufe).
Als die Menge des Permeats 6,65 l erreichte, was der Menge der zugespeisten Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration entsprach, und Behälter C leer wurde, wurden dem Behälter A aus Behälter D langsam 6,65 l einer Waschflüssigkeit mit einer niedrigen NaCl-Konzentration von 0,26 g/dl zugespeist. Die durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetretene Flüssigkeit, die eine durchschnittliche NaCl-Konzentration von 0,69 g/dl aufwies, wurde zu Behälter C geleitet, um als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration in dem anschließenden Waschzyklus verwendet zu werden (2. Stufe).
Als die Menge des Permeats 6,65 l erreichte, was der Menge der zugespeisten Waschflüssigkeit niedriger Konzentration entsprach, und Behälter D leer wurde, wurden dem Behälter A aus Behälter E langsam 6,65 l Waschwasser für einen abschließenden Waschgang zugespeist. Die durch die Membrantrenneinheit G hindurchgetretene Flüssigkeit wies eine durchschnittliche NaCl-Konzentration von 0,26 g/dl auf. Die Flüssigkeit wurde zu Behälter D geleitet, um als Waschflüssigkeit niedriger Konzentration in dem nächsten Waschzyklus verwendet zu werden (3. Stufe).
Nachdem 6,65 l Wasser zugespeist worden waren, wurde der dextranhaltige Rückstand zu einem Tank Y für gewonnenes Produkt weitergeleitet. Die so gewonnene Produktflüssigkeit wies eine NaCl-Konzentration von 0,12 g/dl auf.
Die Zufuhr der Waschflüssigkeit oder des Waschwassers zum Behälter A wurde so gesteuert, dass sie der durch die Membrantrenneinheit hindurchtretenden Flüssigkeitsmenge entsprach, so dass die Menge der Flüssigkeit in Behälter A während der obigen Stufen mittels eines Flüssigkeitsstandreglers konstant gehalten wurde.
Der obige Waschzyklus wurde für jede Charge 10mal wiederholt, um die gesamte Menge der rohen Flüssigkeit (50 l) unter der Bedingung R = 1,33 zu behandeln. Das Ergebnis war, dass NaCl als Verunreinigung aus der rohen dextranhaltigen Flüssigkeit zu 93,2% entfernt wurde.
Die gesamte in jeder 3. Stufe von 10 Zyklen verbrauchte Frischwassermenge betrug 66,5 l. Die Waschflüssigkeit niedriger Konzentration und das Frischwasser erhöhten beim Durchtritt durch die Membran ihre NaCl-Konzentration und wurden als Waschflüssigkeit mittlerer Konzentration bzw. Waschflüssigkeit niedriger Konzentration wiederverwendet.
Die gleiche rohe Flüssigkeit wurde auf dieselbe Weise wie oben beschrieben behandelt, mit der Ausnahme, dass der R-Wert (Volumenverhältnis Waschwasser/rohe Flüssigkeit) verändert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind als ungefüllte Rauten (♢) in 4 aufgetragen, in welcher die Abszisse R = Waschwasser/rohe Flüssigkeit und die Ordinate den Prozentsatz der Entfernung der Verunreinigung (%) angeben.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Zum Vergleich wurden 50 l der gleichen rohen Flüssigkeit, wie sie in Beispiel 2 verwendet wurde (gemischte wässrige Dextran-NaCl-Lösung), mittels der in 5(b) dargestellten Vorrichtung in einem einstufigen halbkontinuierlichen System behandelt. Als Trennmembran wurde die gleiche Ultrafiltrationsmembran wie in Beispiel 1 verwendet.
Die rohe Flüssigkeit 2 (50 l; Dextrankonzentration: 2 mg/dl; NaCl-Konzentration: 2 g/dl) wurde in einen Behälter 1 eingebracht und unter der Bedingung R = 2 behandelt. Speziell wurde dem Behälter 1 langsam zweimal soviel Waschwasser 5 wie rohe Flüssigkeit 2 (d. h. 100 l) zugespeist, um eine dextranhaltige Lösung mit einem reduzierten Verunreinigungsgehalt zu gewinnen. Die gewonnene dextranhaltige Lösung wies eine NaCl-Konzentration von 0,27 g/dl auf, und die Entfernung der Verunreinigung aus der rohen Flüssigkeit betrug 85,5%.
Die gleiche rohe Flüssigkeit wurde auf dieselbe Weise behandelt, mit der Ausnahme, dass der R-Wert (Volumenverhältnis Waschwasser/rohe Flüssigkeit) verändert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind als ungefüllte Quadrate () in 4 aufgetragen.
Zum weiteren Vergleich wurden 50 l der gleichen rohen Flüssigkeit mittels der in 6(b) dargestellten Vorrichtung, die mit der gleichen Ultrafiltrationsmembran wie der in Beispiel 1 verwendeten ausgestattet war, in einem dreistufigen kontinuierlichen Gegenstromsystem behandelt. Die NaCl-Entfernung betrug 87,2% unter der Bedingung R = 1,5. Die mit einem unterschiedlichen R-Wert erhaltenen Ergebnisse sind in 4 als ungefüllte Dreiecke (Δ) dargestellt.
4 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2. Wie aus den Ergebnissen ersichtlich wird, erzielt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem einstufigen halbkontinuierlichen System und einem dreistufigen kontinuierlichen Gegenstromsystem, die typische herkömmliche Verfahren sind, eine höhere Entfernung der Verunreinigung.
Zudem weist die in der vorliegenden Erfindung erhaltene gewonnene Produktflüssigkeit eine höhere Wertstoffkonzentration auf, und die zu verwendende Menge an frischem Waschwasser kann reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Abtrennen und Gewinnen einer Zielkomponente aus einer rohen Flüssigkeit durch eine Membran in einem halbkontinuierlichen System, folgende Schritte umfassend: zumindest zwei Phasen des Zusetzens einer Waschflüssigkeit zur in einem Behälter aufbewahrten rohen Flüssigkeit und des Vermischens der Waschflüssigkeit mit der rohen Flüssigkeit, um ein Gemisch aus der rohen Flüssigkeit und der Waschflüssigkeit zu bilden, worin aufeinander Folgende der zumindest zwei Phasen durch einen zeitlichen Abstand voneinander getrennt sind, worin die aufeinander Folgenden Waschflüssigkeiten mit unterschiedlichen, abnehmenden Konzentrationen der Zielkomponenten-Konzentration verwenden, und weiters worin zumindest in einer der mehreren Phasen nur eine Waschflüssigkeit verwendet wird, die im Wesentlichen eine Null-Konzentration der Zielkomponente aufweist; und die Durchführung eines Schritts der Membranbehandlung des Gemischs für jede der mehreren Phasen, um die Zielkomponente von der rohen Flüssigkeit auf eine durchgelassene Flüssigkeit zu übertragen, wodurch zumindest ein Teil der durchgelassenen Flüssigkeit als Waschflüssigkeit wiederverwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiters umfassend den Schritt des Auftrennens der rohen Flüssigkeit in die durchgelassene Flüssigkeit und eine Restflüssigkeit, worin die durchgelassene Flüssigkeit, die durch eine Erstphasen-Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen unter Einsatz einer Waschflüssigkeit mit der höchsten Zielkomponenten-Konzentration erhalten wird, aus dem halbkontinuierlichen System abgegeben wird, wobei die Restflüssigkeit, die durch eine Endphasen-Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen unter Einsatz nur der Waschflüssigkeit, die im Wesentlichen eine Null-Konzentration der Zielkomponente aufweist, im halbkontinuierlichen System behalten wird, und die durchgelassene Flüssigkeit, die durch die Membranbehandlung der zumindest zwei Phasen mit Ausnahme der Erst- und der Endphase erhalten wird, als Waschflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Zielkomponente, die von der rohen Flüssigkeit abzutrennen ist, eine wertvolle Substanz ist, und das Verfahren weiters den Schritt des Abführens der die wertvolle Substanz enthaltenden durchgelassenen Flüssigkeit aus dem System umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die rohe Flüssigkeit sowohl die Zielkomponente als auch eine wertvolle Substanz enthält, die dem Verfahren unterzogene rohe Flüssigkeit eine Restflüssigkeit bildet, die eine hohe Konzentration der wertvollen Substanz enthält, und das Verfahren weiters den Schritt des Abtrennens der die wertvolle Substanz enthaltenden Restflüssigkeit umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Waschflüssigkeit der zumindest einen der mehreren Phasen Wasser ist.