KR20080071594A - 횡류 멤브레인 모듈 - Google Patents
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Abstract
액체-액체 추출 요소가 설명된다. 액체-액체 추출 요소는 제1 층 쌍과, 제1 층 쌍에 인접하게 배치되어 층 적층체를 형성하는 제2 층 쌍을 포함한다. 제1 층 쌍은 제1 중합체 미공성 멤브레인과, 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 포함한다. 제2 층 쌍은 제2 중합체 미공성 멤브레인과, 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함한다. 제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치된다. 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체로 추출하는 방법도 또한 설명된다.
추출 요소, 멤브레인, 유동 채널 층, 층 적층체, 프레임, 하우징
Description
본 발명은 횡류 멤브레인 모듈과, 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체 내로 추출하기 위해 상기 모듈을 사용하는 시스템에 관한 것이다.
액체-액체 추출은 제1 액체 내에 용해된 용질을 제1 액체와 본질적으로 혼합 불가능한 제2 액체 내로 전달하기 위해 일반적으로 채용되는 기술이다. 제1 액체 내의 용질의 용액은 일반적으로 "공급 용액"으로 불리고, 제2 액체는 일반적으로 "추출제"(extractant) 또는 "액체 추출제"로 불린다. 용질은 공급 용액이 액체 추출제와 접촉할 때, 2가지 액체 내에서의 용질의 상대 용해도에 따라 2가지 액체 사이에 분포되는 경향이 있다.
액체-액체 추출을 달성하기 위한 한 가지 종래의 접근 방법은 공급 용액과 액체 추출제를 직접 혼합하는 것이다. 불행하게도, 이러한 기술은 종종 혼합액 내에서 지속적인 분산액 또는 에멀전의 형성을 일으켜서, 시간 및 최종 결과의 측면에서 추출 공정을 매우 비효율적으로 만든다.
미공성 멤브레인 추출 방법이 전술한 분산 문제를 해결하기 위해 개발되었다. 특히, 미공성 멤브레인의 일 면은 전형적으로 공급 용액과 접촉되고, 미공성 멤브레인의 대향 면은 액체 추출제와 접촉된다. 따라서, 용질이 가로질러 전달되 는 액체-액체 계면이 미공성 멤브레인의 세공(micropore) 내에서 공급 용액과 액체 추출제 사이에 형성된다.
미공성 멤브레인에 의한 공급 용액과 액체 추출제 사이의 전체적인 분리를 제공하는 개념은 실행 가능한 것으로 입증되었다. 그러나, 산업 설비 내에서의 미공성 멤브레인 액체-액체 추출의 실행 가능성은 전형적으로 추출 속도(이는 결국 미공성 멤브레인에 의해 제공되는 액체-액체 계면 표면적의 함수임)와, 손상되거나 오염된 경우 멤브레인의 교체 용이성에 좌우된다. 종래의 미공성 멤브레인 액체-액체 추출 장치 및 방법은 제한된 액체-액체 계면 표면적을 구비하며 멤브레인 교체를 용이하게 하지 않는 설계를 이용한다. 이러한 고유한 비효율성은 미공성 멤브레인 추출의 대규모 상업적 구현을 방해하였다.
예를 들어 발효된 음식물 배양액으로부터 에탄올을 얻는 것과 같은 많은 상업적 적용은 미공성 멤브레인 액체-액체 추출 기술의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있다. 이와 같이, 비용 효율적으로 유지되도록 구성된 미공성 멤브레인을 포함하는 높은 생산성의 액체-액체 추출 시스템에 대한 필요가 존재한다.
본 발명은 횡류 멤브레인 모듈과, 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체 내로 추출하기 위해 상기 모듈을 사용하는 시스템을 제공한다. 몇몇 실시 형태에서, 이러한 멤브레인 모듈은 에탄올과 같은 용해된 용질을 물과 같은 제1 액체로부터 제2 액체 내로 우선적으로 추출하는 데 유용하다.
본 발명의 일 태양은 제1 층 쌍과, 제1 층 쌍에 인접하게 배치되어 층 적층체를 형성하는 제2 층 쌍을 포함하는 액체-액체 추출 요소에 관한 것이다. 제1 층 쌍은 제1 중합체 미공성 멤브레인과, 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 포함한다. 제2 층 쌍은 제2 중합체 미공성 멤브레인과, 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함한다. 제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치된다.
본 발명의 다른 태양은 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체 내로 추출하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 액체-액체 추출 요소를 제공하는 단계와, 용해된 용질을 갖는 제1 액체를 제1 유동 채널 층을 통해 유동시키는 단계와, 제2 액체를 제2 유동 채널 층을 통해 유동시키는 단계와, 용질을 제1 액체로부터 제1 및 제2 미공성 멤브레인을 가로질러 제2 액체 내로 전달하는 단계를 포함한다. 추출 요소는 복수의 제1 층 쌍 및 복수의 제2 층 쌍을 포함하고, 각각의 제2 층 쌍은 제1 층 쌍들 사이에서 교대하고 층 적층체를 형성한다. 제1 층 쌍은 제1 중합체 미공성 멤브레인과, 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 포함한다. 제2 층 쌍은 제2 중합체 미공성 멤브레인과, 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함한다. 제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치된다.
상기의 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시 형태 또는 모든 구현 형태를 설명하려는 것은 아니다. 하기한 도면들, 상세한 설명 및 실시예는 이들 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.
본 발명은 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 첨부 도면과 관련하여 고려하면 보다 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 예시적인 횡류 멤브레인 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 프레임 내에 배치된 예시적인 횡류 멤브레인 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 3A는 예시적인 횡류 멤브레인 모듈 하우징의 개략적인 단면도이다.
도 3B는 모듈 하우징 내에 배치된 예시적인 횡류 멤브레인 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 4는 예시적인 액체-액체 추출 공정의 개략적인 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변형과 대안적인 형태를 따르고 있지만, 그 특정 실시예는 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 발명을 설명된 특정 실시 형태들로 제한하는 것이 아님을 알아야 한다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범주 내에 포함되는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함하고자 한다.
본 발명은 횡류 멤브레인 모듈과, 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체 내로 추출하기 위해 상기 모듈을 사용하는 시스템을 제공한다.
하기의 정의된 용어에 있어서, 청구의 범위 또는 본 명세서의 다른 곳에서 상이한 정의가 주어지지 않는다면, 다음 정의가 적용될 것이다.
종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 설명은 그 범위 이내에 포함된 모든 수를 포함한다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함).
본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 사용될 때, 단수형은 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "층"을 포함하는 구조에 대한 언급은 2개 이상의 층을 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 사용될 때, "또는"이라는 용어는 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 일반적으로 이용된다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구의 범위에서 사용되는, 특성의 양, 측정치 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 기술된 수치적 파라미터는 근사치이며, 이 근사치는 본 발명의 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 최소한, 그리고 청구의 범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하려고 시도함이 없이, 각각의 수치적 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 넓은 범주의 본 발명을 설명하는 수치적 범위 및 파라미터는 근사치이지만, 구체예에 설명된 수치 값은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 그 개개의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필수적으로 생기는 특정 오차를 고유하게 포함한다.
많은 실시 형태에서, 액체-액체 추출 모듈은 주름진 필름의 시트와 교대로 층상화되어 적층체를 형성하는 다공성 멤브레인의 시트를 포함한다. 스페이서 층 내의 주름은 유체가 다공성 멤브레인의 각 면 상에서 통과하는 유동 채널로서 역할할 수 있고, 적층체의 외부로 개방된다. 몇몇 실시 형태에서, 각각의 주름진 층은 상기의 주름진 층 바로 위와 아래의 주름진 층에 대해 90도로 배향된다. 하나의 층의 다공성 멤브레인과 그 아래의 주름진 층 사이에 (주름진 홈의 방향으로 대향 측면들을 따라) 형성된 측면 시일은 유동을 홈 방향으로 유도하고, 횡방향으로의 유동을 방지한다. 몇몇 실시 형태에서, 층들 사이의 모서리 시일(edge seal)은 접착제의 비드이거나, 음파 또는 열 밀봉될 수 있다. 따라서, 2-방향성 액체-액체 추출 유동 모듈이 생성될 수 있고, 여기서 제1 유체는 제1 방향으로 모듈을 통해 유동하고 하나 거른 다른 층에서의 주름진 스페이서 및 다공성 멤브레인을 통과하고 일 면 상에서 다공성 멤브레인 층과 균일하게 접촉하며, 제2 유체는 제1 방향에 대해 (종종 직교하는) 제2 방향으로 액체 추출 모듈을 통해 유동하도록 유도되고 제1 층에 대해 하나 거른 층들의 주름진 스페이서를 통과하고 다른 면 상에서 멤브레인 층과 균일하게 접촉한다.
많은 실시 형태에서, 액체 추출 모듈은 액체 추출 모듈의 4개의 측면 (모서리면) 상에 매니폴드를 구비한 정사각형 프레임 및/또는 하우징 내로 끼워지도록 설계되고 구성된다. 2개의 직교하는 측면들 상에서 하우징으로 진입하는 유체는 진입 매니폴드에서 모든 층들에 걸쳐 분포되고, 액체 추출 모듈을 통과하고, 진출 매니폴드 내에서 수집될 수 있다. 시일이 액체 추출 모듈과 하우징 사이의 코너를 따라 형성되어, 2개의 유체가 바이패스하고 서로 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 시일은 예를 들어 사출 폼(foam) 또는 연성 고무일 수 있다. 따라서, 2개의 유체는 다공성 멤브레인의 기공을 통해서만 서로 접촉할 것이다.
많은 실시 형태에서, 공급 용액 및 추출제 유동 경로는 액체 추출 모듈 단면을 가로질러 균일하다. 몇몇 실시 형태에서, 하우징은 강성이고, 모듈은 유체 압력이 인가될 때 모듈의 최소의 팽창이 있도록 하우징 내에 끼워진다. 2개의 상이한 압력이 각각의 유체에 대해 유지될 수 있다. 혼합 불가능한 액체들에서의 멤브레인 추출의 경우, 더 높은 압력이 다공성 멤브레인을 습윤시키지 않는 유체 상에서 유지된다.
위에서 설명된 바와 같이 설계된 추출 모듈에서, 매우 큰 다공성 멤브레인 표면적이 최소의 비용으로 가능하여, 공급 상과 추출 상 사이에서의 용질의 최대 질량 전달을 가능케 한다. 이러한 추출 모듈은 또한 하우징에 대한 탈장착을 간편하게 한다. 공정에서의 생산 능력이 모듈을 추가 또는 제거함으로써 조정될 수 있다.
추출 모듈의 구조는 자동화된 조립에 적합하다. 층들은 하기에서 설명되는 다양한 기술에 의해 조립될 수 있다. 많은 실시 형태에서, 조립 중에 정교한 다공성 멤브레인은 적층 및 모서리 밀봉될 때에만 조작되어, 추출 모듈 내의 다공성 멤브레인에 대한 가능한 손상을 감소시킨다.
이러한 추출 모듈과 함께 사용될 수 있는 예시적인 유체의 부분적인 목록은 데실 알코올, 2,6-다이메틸-4-헵탄올, 도데케인, 또는 그 혼합물과 같은 용제와, 에탄올/물, 수용성 아민 또는 발효 배양액과 같은 수용성 유체를 포함한다. 일 실시 형태에서, 추출 멤브레인은 에탄올을 수용성 상으로부터 용제 상으로 우선적으로 전달한다.
횡류 멤브레인 모듈의 일 실시 형태가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 횡류 멤브레인 모듈 또는 액체-액체 추출 요소(100)는 제1 층 쌍(110) 및 제2 층 쌍(120)을 포함한다. 제2 층 쌍(120)은 제1 층 쌍(110)에 인접하게 배치되어 층 적층체(150)를 형성한다. 층 적층체(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, x, y, 및 z 축을 갖는다. z 축은 층 적층체(150)의 두께 방향이다. x 축 및 y 축은 층 적층체(150)의 평면내 축들이고, 서로에 대해 직교한다.
제1 층 쌍(110)은 제1 중합체 미공성 멤브레인(112)과, (도 1의 y 축을 따른) 추출 요소(100)의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구(116) 및 유체 출구(118)를 갖는 (도 1의 x 축을 따른) 제1 유동 F1 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층(114)을 포함한다. 따라서, 도 1에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 제1 유동 F1 방향은 액체-액체 추출 요소(100)의 제1 대향 측면들에 대해 직교한다.
제2 층 쌍(120)은 제2 중합체 미공성 멤브레인(122)과, 제1 유동 F1방향과 다른 (도 1의 y 축을 따른) 제2 유동 방향(F2)으로 배향되고 추출 요소(100)의 (도 1의 x 축을 따른) 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구(126) 및 유체 출구(128)를 갖는 제2 유동 채널 층(124)을 포함한다. 따라서, 도 1에 도시된 예시적인 실 시 형태에서, 제2 유동 F2방향은 액체-액체 추출 요소(100)의 제2 대향 측면들에 대해 직교한다. 제1 미공성 멤브레인(112)은 제1 유동 채널 층(114)과 제2 유동 채널 층(124) 사이에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 일 실시 형태에서, 제1 유동 방향(F1)은 제2 유동 방향(F2)에 대해 직교하지만, 이는 필수적이지는 않다.
많은 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 복수의 (2개 이상의) 교대하는 제1 층 쌍(110) 및 제2 층 쌍(120)을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 (z 축을 따라) 수직으로 정합되어 적층된, 10 내지 2000개, 또는 25 내지 1000개 또는 50 내지 500개의 교대하는 제1 층 쌍(110) 및 제2 층 쌍(120)을 포함하고, (x 축을 따른) 제1 유동 방향(F1)은 (y 축을 따른) 제2 유동 방향(F2)에 대해 직교한다.
유동 채널 층(114, 124) 및 미공성 멤브레인 층(112, 122)은 임의의 유용한 값의 (z 축을 따른) 층 두께를 갖는다. 많은 실시 형태에서, 제1 유동 채널 층(114) 및 제2 유동 채널 층(124)은 각각 10 내지 250 또는 25 내지 150 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는다. 많은 실시 형태에서, 제1 중합체 미공성 멤브레인(112) 및 제2 중합체 미공성 멤브레인(122)은 각각 1 내지 200 또는 10 내지 100 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는다. 액체-액체 추출 요소(100)는 임의의 유용한 값의 (z 축을 따른) 전체 두께를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 5 내지 100 또는 10 내지 50 센티미터 범위 내의 (z 축을 따른) 전체 두께를 갖는다.
액체-액체 추출 요소(100)는 임의의 유용한 형상을 가질 수 있다. 많은 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 직선 형상(rectilinear shape)을 갖는다. 액체-액체 추출 요소(100)는 임의의 유용한 값의 (y 축을 따른) 폭 및 (x 축을 따른) 길이를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 10 내지 300 또는 50 내지 250 센티미터 범위 내의 (y 축을 따른) 전체 폭을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100)는 10 내지 300 또는 50 내지 250 센티미터 범위 내의 (x 축을 따른) 전체 폭을 갖는다. 일 실시 형태에서, 액체-액체 추출 요소(100) 길이는 그의 폭과 동일하거나 실질적으로 동일하다.
제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)들은 동일하거나 상이한 재료로 형성되며, 필요하다면 동일하거나 상이한 형태를 취할 수 있다. 제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)들은 액체가 제1 및 제2 미공성 멤브레인(112, 122)들 사이에서 유동할 수 있게 한다. 많은 실시 형태에서, 제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)은 제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)이 미공성 멤브레인(112, 122)들 사이에서 유동 채널을 형성하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)은 비다공성이며, 예를 들어 폴리올레핀과 같은 중합체 재료로 형성된다.
몇몇 실시 형태에서, 제1 및 제2 유동 채널 층(114, 124)은 미공성 멤브레인(112, 122)들 사이에 유동 채널을 제공하기 위해 (평행하며 교대하는 산과 골을 가지고) 주름진다. 많은 실시 형태에서, 주름은 유동 방향에 대해 평행한 유동 채널을 제공한다. 이러한 주름은 임의의 유용한 피치(인접한 산들 또는 골들 사이의 거리)를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 주름은 0.05 내지 1 또는 0.1 내지 0.7 센티미터 범위 내의 피치를 갖는다. 주름은 예를 들어 엠보싱, 성형 등과 같은 임의의 유용한 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 액체-액체 추출 요소(100)의 예시적인 구성은 제1 평탄 중합체 미공성 멤브레인(112)과, (도 1의 x 축을 따른) 제1 유동 방향(F1)으로 배향된 제1 주름 유동 채널 층(114)을 갖는 제1 층 쌍(110)을 포함한다. 따라서, 도 1에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 제1 유동 방향(F1)은 제1 주름 유동 채널 층(114)의 주름에 대해 평행하다. 제2 층 쌍(120)은 제2 평탄 중합체 미공성 멤브레인(122)과, 제1 유동 방향(F1)에 대해 직교하며 제2 주름 유동 채널 층(124)의 주름에 대해 평행한 (도 1의 y 축을 따른) 제2 유동 방향(F2)으로 배향된 제2 주름 유동 채널 층(124)을 포함한다. 따라서, 도시된 예시적인 실시 형태에서, 제1 유동 방향(F1)은 제2 유동 방향(F2)에 대해 직교하고, 제1 주름 유동 채널 층(114)의 주름은 제2 주름 유동 채널 층(124)의 주름에 대해 직교한다.
액체-액체 추출 요소(100)는 액체-액체 추출 요소(100)의 선택된 모서리를 따라 배치된 층 시일(130, 140)을 선택적으로 포함할 수 있다. 제1 층 시일(130)은 하나의 층의 다공성 멤브레인과 그 아래의 유동 채널 층 사이에서, 액체-액체 추출 요소(100)의 대향 측면들을 따라 (그러한 유동 채널 층의 유동 방향으로) 형성될 수 있다. 제2 층 시일(140)은 하나의 층의 다공성 멤브레인과 그 아래의 유 동 채널 층 사이에서, 액체-액체 추출 요소(100)의 대향 측면들을 따라 (그러한 유동 채널 층의 유동 방향으로) 형성될 수 있다. 많은 실시 형태에서, 제1 및 제2 층 시일(130, 140)은 도 1에 도시된 바와 같이, 대향 측면들 상에서 교대한다.
몇몇 실시 형태에서, 층들 사이의 층 시일(130, 140)은 접착제의 비드이거나, 음파 밀봉 또는 열 밀봉될 수 있다. 따라서, 2-방향성 액체-액체 추출 유동 모듈(100)이 생성될 수 있고, 여기서 제1 유체는 제1 방향으로 모듈을 통해 유동하고 하나 거른 다른 층에서의 주름진 스페이서 및 다공성 멤브레인을 통과하고 일 면 상에서 다공성 멤브레인 층과 균일하게 접촉하며, 제2 유체는 제1 방향에 대해 (종종 직교하는) 제2 방향으로 액체 추출 모듈을 통해 유동하도록 유도되고 제1 층에 대해 하나 거른 층들의 주름진 스페이서를 통과하고 다른 면 상에서 멤브레인 층과 균일하게 접촉한다.
몇몇 실시 형태에서, (도시되지 않은) 제1 다공성 부직포 층이 제1 중합체 미공성 멤브레인(112)과 제1 유동 채널 층(114) 사이에 배치되고, (도시되지 않은) 제2 다공성 부직포 층이 제2 중합체 미공성 멤브레인(122)과 제2 유동 채널 층(124) 사이에 배치된다. 이러한 다공성 부직포 층은 미공성 멤브레인 층 및/또는 유동 채널 층의 보강을 보조할 수 있다. 다공성 부직포 층은 예를 들어 스펀본드 층과 같은 임의의 유용한 재료일 수 있다. 이러한 다공성 부직포 층은 중합체 미공성 멤브레인 및/또는 유동 채널 층에 선택적으로 부착될 수 있다 (접착제, 초음파 밀봉, 열 밀봉 등).
미공성 멤브레인에 대해 사용되는 재료는 매우 다양한 형태를 취할 수 있다. 미공성 멤브레인 재료는 전형적으로 멤브레인의 주 표면들 사이에서 연장하는 마이크로미터 또는 마이크로미터 미만 크기의 기공(즉, 세공)을 갖는다. 세공들은 예를 들어 격리되거나 상호 연결될 수 있다. 미공성 멤브레인 재료는 관통 세공을 갖는 임의의 재료, 예를 들어 미공성 열가소성 중합체로부터 형성될 수 있다. 미공성 멤브레인 재료는 가요성이거나 강성일 수 있다.
액체 추출 멤브레인으로서 이용될 때, 미공성 멤브레인의 세공 크기, 두께 및 조성이 추출 속도를 결정할 수 있다. 미공성 멤브레인의 세공의 크기는 세공 내에서 공급 용액과 액체 추출제 사이의 접촉을 허용할만큼 충분히 크지만, 공급 용액의 미공성 멤브레인을 통한 추출제 내로의 범람(flooding)이 발생할 정도로는 크지 않아야 한다.
유용한 미공성 멤브레인 재료는 예를 들어 친수성 또는 소수성 재료를 포함한다. 미공성 멤브레인은 예를 들어 미국 특허 제3,801,404호(드루인(Druin) 등), 제3,839,516호(윌리엄스(Williams) 등), 제3,843,761호(비어렌바움(Bierenbaum) 등), 제4,255,376호(쇤겐(Soehngen) 등.); 제4,257,997호(쇤겐 등), 제4,276,179호(쇤겐); 제4,973,434호(시르카(Sirkar) 등)에 설명된 방법에 의해 제조될 수 있고/있거나, 예를 들어 셀가드, 인크.(Celgard, Inc.; 미국 노쓰 캐롤라이나주 샬로트), 테트라텍, 인크.(Tetratec, Inc; 미국 펜실베니아주 아이비랜드), 나디어 필트레이션 게엠베하(Nadir Filtration GmbH; 독일 비스바덴), 또는 멤브라나, 게엠베하(Membrana, GmbH ; 독일 부퍼탈)와 같은 공급처로부터 광범위하게 구매 가능하다. 예시적인 친수성 멤브레인은 다공성 폴리아미드(예를 들어, 다공성 나일론), 다공성 폴리카르보네이트, 다공성 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 및 다공성 친수성 폴리프로필렌의 멤브레인을 포함한다. 예시적인 소수성 멤브레인은 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌(예를 들어, 열 유도식 상 분리 다공성 폴리프로필렌), 및 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌의 멤브레인을 포함한다.
(예를 들어, ASTM E1294-89 (1999) "자동화된 액체 기공 측정기를 사용한 멤브레인 필터의 기공 크기 특징에 대한 표준 시험 방법"에 따라 측정된) 유용한 미공성 멤브레인 재료의 평균 기공 크기는 약 0.07 마이크로미터 초과(예를 들어, 약 0.1 마이크로미터 초과 또는 약 0.25 마이크로미터 초과)일 수 있고, 약 1.4 마이크로미터 미만(예를 들어, 약 0.4 마이크로미터 미만 또는 약 0.3 마이크로미터 미만)일 수 있지만, 더 크거나 더 작은 평균 기공 크기를 갖는 미공성 멤브레인이 사용될 수도 있다. 에멀전 형성 및/또는 멤브레인을 가로지른 범람을 감소시키기 위해, 미공성 멤브레인은 직경이 약 100 마이크로미터를 초과하는 기공, 틈 또는 다른 구멍이 실질적으로 없을 수 있다.
많은 실시 형태에서, 미공성 멤브레인 재료는 미공성 멤브레인 재료의 부피를 기준으로 적어도 약 20%(예를 들어, 적어도 약 30% 또는 적어도 약 40%)로부터 약 80%, 약 87%, 또는 약 95%까지 범위 내의 다공도를 갖는다.
임의의 두께의 미공성 멤브레인 재료가 사용될 수 있지만, 위에서 설명된 바와 같이, 많은 실시 형태에서, 미공성 멤브레인은 적어도 약 10 마이크로미터(예를 들어, 적어도 약 25 마이크로미터 또는 적어도 약 35 마이크로미터 또는 적어도 약 40 마이크로미터)의 두께를 갖고/갖거나 약 120 마이크로미터 미만(예를 들어, 약 80 마이크로미터 미만 또는 약 60 마이크로미터 미만)의 두께를 갖는다. 미공성 멤브레인은 단독으로 또는 선택적인 다공성 지지 부재와 조합하여, 의도된 작동 조건 하에서 미공성 멤브레인을 가로질러 부여될 수 있는 임의의 압력차를 견딜 만큼 충분히 기계적으로 강할 수 있다.
많은 실시 형태에서, 미공성 멤브레인은 적어도 하나의 소수성(즉, 물에 의해 즉시 습윤되지 않는) 재료를 포함한다. 예시적인 소수성 재료는 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 이들의 임의의 공중합체, 및 선택적으로 에틸렌 불포화 단량체)과, 이들의 조합을 포함한다. 미공성 멤브레인 재료가 소수성이면, 미공성 멤브레인을 습윤시키는 것을 보조하기 위해 양의 압력이 액체 추출제에 비해 수용된 공급 용액에 인가될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 미공성 멤브레인은 친수성, 예를 들어 (예컨대, 미시건주 앤 아버의 팰 라이프 사이언시스, 인크(Pall Life Sciences, Inc.)에 의해 "지에이치 폴리프로 멤브레인(GH POLYPRO MEMBRANE)"이라는 상표명으로 시판되는) 0.2 내지 0.45 마이크로미터 범위 내의 공칭 평균 기공 크기를 갖는 친수성 다공성 폴리프로필렌 멤브레인 재료이다. 미공성 멤브레인 재료가 친수성이면, 미공성 멤브레인 내에서의 액체-액체 계면의 고정을 용이하게 하기 위해 양의 압력이 수용된 공급 용액에 비해 수용된 액체 추출제에 인가될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 유용한 미공성 멤브레인은 미국 특허 제3,801,404호(드루인 등), 제3,839,516호(윌리엄스 등), 제3,843,761호(비어렌바움 등), 제4,255,376호(쇤겐), 제4,257,997호(쇤겐 등), 및 제4,276,179호(쇤겐), 제4,726,989호(므로진스키(Mrozinski)), 제 5,120,594호(므로진스키), 및 제5,238,623호(므로진스키)에 설명된 바와 같은 미공성 멤브레인을 포함하고, 이들의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함되었다.
도 2는 프레임(255) 내에 배치된 예시적인 횡류 멤브레인 모듈(100)의 개략적인 사시도이다. 횡류 멤브레인 모듈(100)은 위에서 설명되었다. 많은 실시 형태에서, 프레임(255)은 액체-액체 추출 모듈(100)의 측면들을 통한 방해 받지 않는 액체 유동을 허용하면서, 액체-액체 추출 모듈(100)의 개선된 취급 및 보호를 제공한다. 몇몇 실시 형태에서, 프레임(255)은 (하기에서 설명되는) 하우징 모듈과 상호 작용하여, 횡류 멤브레인 모듈(100)의 작동 중에 액체-액체 추출 상(F1, F2)들을 서로로부터 격리시키기 위한 "자물쇠-열쇠" 끼움식 구성("lock and key" fit type of construction)을 형성한다.
프레임(255)은 액체-액체 추출 모듈(100) 둘레에 배치된 복수의 프레임 부재(260)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 프레임 부재(260)는 액체-액체 추출 모듈(100)의 8개의 측면 모서리를 따라 배치될 수 있고, 서로 부착되어 액체-액체 추출 모듈(100) 둘레에서 단일 프레임(255) 요소를 형성한다. 많은 실시 형태에서, 제1 유동 방향(F1)에 대응하며 제1 유동 방향(F1) 유체 유동을 격리시키는 것을 보조하는 제1 측면 시일(201)이 프레임(255)의 제1 대향 측면들 상에 배치된다. 많은 실시 형태에서, 제2 유동 방향(F2)에 대응하며 제2 유동 방향(F2) 유체 유동을 격리시키는 것을 보조하는 제2 측면 시일(202)이 프레임(255)의 제2 대향 측면들 상에 배치된다.
제1 측면 시일(201)은 강성 또는 순응성 재료, 또는 강성 및 순응성 재료의 조합과 같은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 측면 시일(201)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 네오프렌 재료 리지(ridge)이다. 다른 실시 형태에서, 제1 측면 시일(201)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 강성 플라스틱(예를 들어, ABS) 재료 리지이다. 추가의 실시 형태에서, 제1 측면 시일(201)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 총 높이 및 폭을 갖는 순응성 재료(예를 들어, 네오프렌)로 형성된 외층을 갖는 플라스틱 리지이다.
제2 측면 시일(202)은 강성 또는 순응성 재료, 또는 강성 및 순응성 재료의 조합과 같은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제2 측면 시일(202)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 네오프렌 재료 리지이다. 다른 실시 형태에서, 제2 측면 시일(202)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 강성 플라스틱(예를 들어, ABS) 재료 리지이다. 추가의 실시 형태에서, 제2 측면 시일(202)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 총 높이 및 폭을 갖는 순응성 재료(예를 들어, 네오프렌)로 형성된 외층을 갖는 플라스틱 리지이다. 몇몇 실시 형태에서, 제2 측면 시일(202)은 또한 (하기에서 설명되는) 모듈 하우징 내에서의 모듈(100)의 배치 및 제거 및/또는 정렬을 보조하기 위한 안내 레일 또는 트랙으로서 기능할 수 있다.
프레임(255)은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 프레임(255)은 예를 들어 ABS와 같은 강성 중합체 재료로 형성된다. 각각의 프레임 부재(260)는 독립적으로 임의의 유용한 치수를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태 에서, 각각의 프레임 부재(260)는 1 내지 15 센티미터 범위 내의 두께와, 1 내지 15 센티미터 범위 내의 폭과, 액체-액체 추출 모듈(100)의 대응하는 인접한 측면 모서리를 따라 연장하기에 충분한 길이를 갖는다.
도 3A는 예시적인 횡류 멤브레인 모듈 하우징(300)의 개략적인 단면도이다. 모듈 하우징(300)은 횡류 멤브레인 모듈(100)이 모듈 하우징(300) 내에 끼워질 수 있도록 크기가 결정되고 구성된다. 모듈 하우징(300)은 중합체 또는 금속 재료와 같은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 많은 실시 형태에서, 모듈 하우징(300)은 액체-액체 추출 모듈(100)이 모듈 하우징(300) 내로부터 제거될 수 있게 하는 제거 가능 부분 또는 도어(301)를 갖는다. 모듈 하우징(300)은 제1 액체 유동 출구(318)와 유체 연결된 제1 액체 유동 입구(316)를 포함한다. 모듈 하우징(300)은 제2 액체 유동 출구(328)와 유체 연결된 제2 액체 유동 입구(326)를 포함한다. 많은 실시 형태에서, 모듈 하우징(300)은 액체-액체 추출 모듈(100)이 모듈 하우징(300) 내에서 삽입, 제거 및/또는 교체될 수 있게 하는 제거 가능 부분(303)을 포함한다.
많은 실시 형태에서, 제1 유동 방향(F1)에 대응하며 제1 유동 방향(F1) 유체 유동을 격리시키는 것을 보조하는 제1 측면 시일(301)이 모듈 하우징(300)의 제1 대향 측면들 상에 배치된다. 많은 실시 형태에서, 제2 유동 방향(F2)에 대응하며 제2 유동 방향(F2) 유체 유동을 격리시키는 것을 보조하는 제2 측면 시일(302)이 모듈 하우징(300)의 제2 대향 측면들 상에 배치된다.
제1 측면 시일(301)은 강성 또는 순응성, 또는 조합된 강성 및 순응성 재료와 같은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 측면 시일(301)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 네오프렌 재료 리지이다. 다른 실시 형태에서, 제1 측면 시일(301)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 강성 플라스틱(예를 들어, ABS) 재료 리지이다. 추가의 실시 형태에서, 제1 측면 시일(301)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 총 높이 및 폭을 갖는 순응성 재료(예를 들어, 네오프렌)로 형성된 외층을 갖는 플라스틱 리지이다. 제1 측면 시일(301)은 멤브레인 모듈(200)의 제1 측면 시일(201)과 정합(예를 들어, 자물쇠-열쇠 끼움)하도록 크기가 결정되고 구성될 수 있다.
제2 측면 시일(302)은 강성 또는 순응성, 또는 조합된 강성 및 순응성 재료와 같은 임의의 유용한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제2 측면 시일(302)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 네오프렌 재료 리지이다. 다른 실시 형태에서, 제2 측면 시일(302)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 높이 및 폭을 갖는 강성 플라스틱(예를 들어, ABS) 재료 리지이다. 추가의 실시 형태에서, 제2 측면 시일(302)은 0.5 내지 1.5 ㎝ 범위 내의 총 높이 및 폭을 갖는 순응성 재료(예를 들어, 네오프렌)로 형성된 외층을 갖는 플라스틱 리지이다. 몇몇 실시 형태에서, 제2 측면 시일(302)은 또한 (하기에서 설명되는) 모듈 하우징 내에서의 모듈(100)의 배치 및 제거 및/또는 정렬을 보조하기 위한 안내 레일 또는 트랙으로서 기능할 수 있다. 제2 측면 시일(302)은 멤브레인 모듈(200)의 제2 측면 시일(202)과 정합하도록 크기가 결정되고 구성될 수 있다.
도 3B는 모듈 하우징(300) 내에 배치된 예시적인 횡류 멤브레인 모듈(100)의 개략적인 단면도이다. 액체-액체 추출 모듈(100)이 모듈 하우징(300) 내에 배치될 때, 제1 액체 유동 입구(316)는 제1 유동 채널 층 입구(116)와 유체 연결되고, 이 입구는 제1 유동 채널 층 출구(118)와 유체 연결되고, 이 출구는 제1 액체 유동 출구(318)와 유체 연결된다. 액체-액체 추출 모듈(100)이 모듈 하우징(300) 내에 배치될 때, 제2 액체 유동 입구(326)는 제2 유동 채널 층 입구(126)와 유체 연결되고, 이 입구는 제2 유동 채널 층 출구(128)와 유체 연결되고, 이 출구는 제2 액체 유동 출구(328)와 유체 연결된다. 많은 실시 형태에서, 멤브레인 모듈(200)은 상기에서 설명된 바와 같이, 모듈 하우징(300)의 내부와 정합하는 프레임(255)을 포함한다.
사용시, 위에서 설명된 액체-액체 추출 모듈(100)은 모듈 하우징(300) 내로 장착되며, 용해된 용질을 갖는 제1 액체를 제1 유동 채널 층을 통해 유동시키고, 제2 액체를 제2 유동 채널 층을 통해 유동시키고, 용질을 제1 및 제2 미공성 멤브레인을 가로질러 제1 액체로부터 제2 액체 내로 전달함으로써 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체로 추출하는 데 이용될 수 있다. 액체-액체 추출 모듈(100)은 외측 하우징(300)으로부터 제거 가능 부분(303)을 제거하고, 액체-액체 추출 모듈(100)을 제2 액체-액체 추출 모듈(100)로 교체하고, 외측 하우징(300) 상에 제거 가능 부분(303)을 재위치시킴으로써, 다른 액체-액체 추출 모듈(100)로 교체될 수 있다.
도 4는 예시적인 액체-액체 추출 공정(400)의 개략적인 흐름도이다. 예시적 인 발효 배양액으로부터의 에탄올 추출이 아래에서 설명되지만, 본 명세서에서 설명되는 액체-액체 추출 모듈은 임의의 액체-액체 추출 공정에 적용될 수 있다.
공급물(410)(feed stock; 예를 들어, 물, 미생물, 및 발효성 재료)이 발효기(420) 내로 넣어져, 발효 배양액(422)을 형성하게 된다. 발효 배양액(422)은 예를 들어 물과, 에탄올과 같은 용질을 함유할 수 있다. 발효 배양액 내의 불용성 재료(423)가 정제 유닛(430)에 의해 (예를 들어, 침전 및/또는 여과에 의해) 선택적으로 제거될 수 있고, 생성된 공급 용액(440)이 액체-액체 추출 모듈(450)로 이송된다. 액체-액체 추출 모듈(450) 내에서, 공급 용액(440) 및 추출제(또는 용제)(460)는 에탄올이 공급 용액(440)과 추출제(460) 사이를 분할하도록 서로 긴밀 접촉하게 된다. 이러한 특정 실시 형태에 대해 적합한 용제 또는 추출제(470)가 미국 특허 출원 공개 제2004/0181101호에 개시되어 있고, 본 발명과 상충하지 않는 범위까지 본 명세서에서 참고로 포함된다. 이어서, 추출제(460) 및 에탄올을 함유하는 추출물(470)이 회수 유닛(480)으로 이송되고, 여기서 선택적으로 물과 혼합된 에탄올(495)이 (예를 들어, 진공 증류에 의해) 추출물(470)로부터 제거되어 추출제(460)가 재생되고 액체-액체 추출 모듈(450) 내로 재순환된다. 유사하게는, 추출된 공급 용액(490)은 공정 중에 제거된 성분을 교체하기 위해 필요한 만큼 추가의 공급물(410)로 주기적으로 보충되는 발효기(420)로 복귀된다.
이러한 예시적인 실시 형태에 대한 공급 용액(440)은 물과 에탄올을 포함할 수 있고, 용액, 현탁액, 분산액 등의 형태일 수 있다. 에탄올과 물 이외에, 공급 용액은 가용성 또는 불용성 성분(예를 들어, 발효성 설탕, 당류, 또는 다당류, 미 생물, 바이오매스)을 선택적으로 함유할 수 있다. 발효 공정에 대해 적합한 바이오매스의 예는 설탕 기반 재료(예를 들어, 당밀, 사탕수수, 및 사탕무)와, 전분 기반 재료(예를 들어, 옥수수, 밀, 카사바, 보리, 호밀, 및 귀리)를 포함한다. 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌과 다양한 양의 다른 재료를 함유하는 셀룰로오스 바이오매스도 사용될 수 있다. 유사하게는, 예시적인 실시 형태와 관련하여 채용되는 발효 미생물은 효모로 공지된 다양한 종의 알코올 생성 진균류, 호열성 박테리아, 및 자이모모나스(Zymomonas) 박테리아의 다양한 균주(strain)를 포함하는, 발효 공정에서 사용되는 임의의 공지된 미생물일 수 있다.
이러한 예시적인 실시 형태의 목적에 대해, 유용한 발효 배양액은 발효 배양액의 총 중량을 기준으로 적어도 0.5 중량%, 2 중량%, 또는 4 중량%로부터 적어도 10 중량%까지의 양으로 에탄올을 함유할 수 있지만, 더 높고 더 낮은 에탄올 농도가 사용될 수도 있다.
발효 배양액을 제조하기 위한 공정이 공지되어 있다. 발효 배양액은 용기(예를 들어, 발효기, 배트(vat)) 내에서 물과, 발효성 설탕(또는 그의 전구체)과, 예를 들어 맥주 효모와 같은 미생물을 조합하고, 혼합물을 (예를 들어, 약 15도 내지 약 45도 범위 내의) 발효가 발생할 수 있는 온도로 유지함으로써 준비될 수 있다. 발효기는 광범위하게 구매 가능하고, 예를 들어 미국 특허 제4,298,693호에 설명되어 있다.
본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 제한되는 것으로 여겨져서는 안되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 분명하게 기재된 것과 같은 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다수의 구조뿐만 아니라 다양한 변형, 등가의 방법들이 본 명세서의 개관시 본 발명이 속한 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 명백해질 것이다.
실시예 1
고온 용융 접착제 밀봉 층을 구비한 멤브레인 적층체의 준비
0.076 밀리미터(0.003 인치)의 공칭 두께를 갖는 폴리프로필렌 필름을 3.56 밀리미터(0.14 인치)의 채널 간격으로 1.27 밀리미터(0.05 인치) 깊이의 채널을 갖는 주름진 필름으로 엠보싱하였다. 스펀본드 폴리프로필렌(미국 노쓰 캐롤라이나주 코노버 소재의 헤인즈 컴퍼니즈, 인크.(Hanes Companies, Inc.)로부터 구입 가능한 16.96 g/㎡(0.5 oz/yd2))의 웨브를 1.59 밀리미터(0.063 인치)의 간격으로 주름진 필름의 일 측면의 리지에 음파 밀봉하였다. 이러한 음파 밀봉된 쌍의 스펀본드 측면을 고온 용융 웨브 접착제(미국 위스콘신주 와우와토사 소재의 보스틱, 인크.(Bostik, Inc.)에 의해 제조되는 PE-85-20)를 사용하여 (미국 특허 제4,726,989호 및 제5,120,594호에 설명된 바와 같이 제조된) 대략 0.35 마이크로미터의 평균 기공 크기를 갖는 미공성 폴리프로필렌 멤브레인에 라미네이팅하여 층 쌍을 형성하였다. 이러한 층 쌍의 정사각형 0.686 미터 x 0.686 미터 (27 인치 x 27 인치) 시트를 나이프로 절단하였다. 고온 용융 접착제(미국 매릴랜드주 엘크톤 소재의 바셀 노쓰 아메리카, 인크.(Basell North America, Inc.)로부터 구입 가능한 폴리부텐-1 DP 8910 PC)의 단일 비드를 주름진 필름의 채널의 방향으로, 각각의 모서리로 부터 대략 38 밀리미터(1.5 인치)에서, 제1 층 쌍의 주름진 층의 2개의 대향 모서리들 각각을 따라 도포하였다. 층 쌍의 제2 정사각형 0.686 미터 x 0.686 미터(27 인치 x 27 인치) 시트를 주름진 필름 내의 채널이 제1 층 쌍의 채널에 대해 직교하도록 배향시키고, 층 쌍의 제2 시트를 층 쌍의 제1 시트 상으로 가압하여, 2층 쌍 적층체를 형성하였다. 공정을 적층체가 대략 149.4 밀리미터(5.88 인치) 두께가 될 때까지, 추가의 고온 용융 접착제 및 층 쌍의 추가의 시트로 반복하였고, 이 때 층 쌍의 추가의 시트의 주름진 필름 내의 채널은 층 쌍의 이전의 시트의 것에 대해 직교하였다.
아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지로부터 가공된 프레임의 각각의 부분을 적층체 둘레에 끼우고, 적층체의 각각의 모서리를 따라 (미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 코닝 코포레이션(Dow Corning Corp.)으로부터 구입 가능한) 실라스틱(SILASTIC) 732 RTV 접착제/밀봉제를 사용하여 적층체의 각각의 모서리에 접착하였다. 프레임은 2개의 대향 측면들과, 각각의 측면에 인접하게 2개의 대향 단부들을 가졌다. 프레임의 2개의 대향 측면들을 하우징의 각각의 측면 내의 대응하는 트랙을 끼우기 위한 돌출 안내부를 갖도록 가공하였다. 프레임의 2개의 대향 단부들을 프레임의 각각의 단부와 하우징의 각각의 단부 사이에 고무 시일을 끼우기 위한 연속적인 돌출 플랜지를 갖도록 가공하였다.
실시예 2
열 밀봉 층을 구비한 멤브레인 적층체의 제조
(미국 특허 제4,726,989호 및 제5,120,594호에 설명된 바와 같이 제조된) 대 략 0.35 마이크로미터의 평균 기공 크기를 갖는 미공성 폴리프로필렌 멤브레인의 하나의 222.3 밀리미터 x 222.3 밀리미터(8.75 인치 x 8.75 인치) 시트를 동일한 치수를 갖는 멤브레인의 다른 시트의 상부 상에 위치시키고, 2개의 시트를 2개의 대향 모서리들의 약 25 밀리미터(1 인치) 내에서, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 그레인저, 인크.(Grainger, Inc.)로부터 구입 가능한 모델 MP-16 미드웨스트 퍼시픽(Midwest Pacific) 열 밀봉제를 사용하여 함께 열 밀봉하여 측면 시일을 형성하였다. 이러한 공정을 멤브레인의 시트의 13개의 추가의 쌍으로 반복하여, 멤브레인의 14개의 쌍을 제공하였다. 멤브레인의 하나의 쌍을 밀봉된 모서리들이 정렬되도록 다른 쌍의 상부에 위치시키고, 그 다음 상부 쌍의 하부 시트의 각각의 밀봉되지 않은 모서리를 하부 쌍의 상부 시트의 밀봉되지 않은 모서리에 열 밀봉하였다. 이러한 공정을 나머지 12개의 시트 쌍으로 반복하여 14개의 쌍(28개의 시트)의 적층체를 제공했고, 적층체 내의 연속적인 시트들 사이에 교대하는 (즉, 직교하는) 연속적인 유동 채널들이 있다. 적층체의 각각의 코너를 후술하는 바와 같은 폴리카르보네이트 하우징 내로의 끼움을 제공하기 위해 25 밀리미터(1 인치) 정사각형 노치를 형성하도록 절단하였다.
0.075 밀리미터(0.003 인치)의 공칭 두께를 갖는 폴리에틸렌 필름을 3.56 밀리미터(0.14 인치)의 채널 간격으로 1.27 밀리미터(0.05 인치) 깊이의 채널을 갖는 주름진 필름으로 엠보싱하였다. 엠보싱된 필름을 222.3 밀리미터(8.75 인치) x 약 165 밀리미터(6.5 인치)의 치수를 갖는 스트립으로 절단하고, 이러한 스트립을 엠보싱된 필름 내의 채널이 측면 시일에 대해 평행하게, 적층체 내의 시트들 사이의 연속적인 유동 채널 내로 삽입하였다. 이러한 적층체의 각각의 코너를 주름진 폴리에틸렌 층을 포함한, 각각의 층 사이에 접착제를 주입함으로써 2액형 에폭시 접착제(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구입 가능한 DP-100)로 밀봉하였다.
하우징의 코너 내에 2액형 에폭시 접착제를 위치시키고, 하우징 내에 적층체를 위치시키고, 이어서 에폭시 접착제가 4개의 코너 각각에서 경화되게 함으로써, 미공성 멤브레인 및 주름진 폴리에틸렌 적층체를 직사각형 폴리카르보네이트 하우징의 일 부분 내로 밀봉하였다. 하우징 내의 경화된 에폭시 접착제의 각각의 모서리를 따라 (미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 코닝 코포레이션으로부터 구입 가능한) 실라스틱 732 RTV 접착제/밀봉제를 도포함으로써 이러한 코너를 추가로 밀봉하였다. 직사각형 폴리카르보네이트 하우징의 제2 부분을 제1 부분과 밀봉하기 위해 네오프렌 가스켓을 사용했고, 2개의 부분들을 볼트로 함께 유지하여 횡류 멤브레인 모듈을 형성하였다. 하우징의 각각의 측면은 대략 12.7 밀리미터(0.5 인치)의 직경을 갖는 나사식 포트(threaded port)를 가졌고, 밸브가 각각의 포트 내로 끼워졌고, 대향 측면들 상의 밸브들은 적층체 내의 시트들 사이에서 연속적인 유동 채널을 거쳐 연결된다.
10 중량% 에탄올 수용액을 모듈의 일 측면 상의 밸브(입구 밸브)를 통해 펌핑하여, 모듈을 통해 그리고 대향 측면 상의 밸브(출구 밸브)를 통해 유도하였다. 에탄올 용액을 펌핑하는 밸브, 즉 측면 베어링에 인접한 측면 상의 밸브(입구 밸브)를 통해 (미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치 코포레이 션(Sigma-Aldrich Corp.)으로부터 구입 가능한) 데실 알코올을 펌핑하였다. 데실 알코올을 모듈을 통해 그리고 대향 측면 상의 밸브(출구 밸브)를 통해 유도하였다. 대략 40 센티미터 물의 압력을 에탄올 수용액 채널 내에서 유지한 반면에 대략 30 센티미터 물의 압력을 데실 알코올 채널 내에서 유지했고, 이 압력은 출구 밸브를 사용하여 제어하였다. 대략 5분 후에, 기체 크로마토그래피에 의한 데실 알코올의 분석은 데실 알코올이 에탄올을 함유한다는 것을 나타냈다.
본 발명은 그 여러 실시 형태를 참조하여 설명되었다. 상기의 상세한 설명 및 실시 형태는 단지 이해를 명확하게 하기 위해 제공되었고, 그로부터 불필요한 제한이 이해되어서는 안 된다. 많은 변화가 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 설명된 실시 형태에 대해 이루어질 수 있다는 것이 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에서 설명된 구성 및 구조의 정확한 세부로 제한되어서는 안 되고, 다음의 청구의 범위의 언어에 의해 제한되어야 한다. 본 명세서에서 언급된 특허, 특허 문헌 및 간행물의 전체 개시 내용은 그들 각각이 개별적으로 포함된 것처럼 전체적으로 참고로 포함된다. 상충하는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서가 제어할 것이다.
Claims (20)
- 제1 중합체 미공성 멤브레인, 및 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 포함하는 제1 층 쌍과;제2 중합체 미공성 멤브레인, 및 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함하고, 제1 층 쌍에 인접하게 배치되어 층 적층체를 형성하는 제2 층 쌍을 포함하며,제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치되는, 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 유동 방향은 제2 유동 방향에 대해 직교하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 복수의 교대하는 제1 층 쌍 및 제2 층 쌍을 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 25 내지 250개의 교대하는 제1 층 쌍 및 제2 층 쌍을 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 유동 채널 층 및 제2 유동 채널 층은 주름진 구조를 갖고, 제1 중합체 미공성 멤브레인 및 제2 중합체 미공성 멤브레인은 평탄한 구조를 갖는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 중합체 미공성 멤브레인과 제1 유동 채널 층 사이에 배치된 접착제를 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제2 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 제1 유동 채널 층 내에 배치되고 그리고 제1 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 제2 유동 채널 층 내에 배치된 접착제를 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 유동 채널 층은 제2 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 밀봉되고, 제2 유동 채널 층은 제1 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 밀봉되는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 유동 채널 층 및 제2 유동 채널 층은 25 내지 150 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖고, 제1 중합체 미공성 멤브레인 및 제2 중합체 미공성 멤브레인은 1 내지 100 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 제1 중합체 미공성 멤브레인과 제1 유동 채널 층 사이에 배치된 제1 다공성 부직포 층과, 제2 중합체 미공성 멤브레인과 제2 유동 채널 층 사이에 배치된 제2 다공성 부직포 층을 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 층 적층체 둘레에 배치된 강성 프레임을 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소.
- 제1항에 있어서, 층 적층체 둘레에 배치된 강성 프레임과, 강성 프레임 둘레에 배치된 강성 외측 하우징을 추가로 포함하고, 강성 외측 하우징은 강성 프레임 및 층 적층체가 외측 하우징으로부터 제거될 수 있게 하는 제거 가능 부분을 갖는 액체-액체 추출 요소.
- 용해된 용질을 제1 액체로부터 제2 액체로 추출하는 방법으로서,제1 중합체 미공성 멤브레인, 및 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 각각 포함하는 복수의 제1 층 쌍과,제2 중합체 미공성 멤브레인, 및 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함하며, 제1 층 쌍들 사이에서 각각 교대하여 층 적층체 를 형성하는 복수의 제2 층 쌍 - 제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치됨 - 을 포함하는 액체-액체 추출 요소를 제공하는 단계와;용해된 용질을 갖는 제1 액체를 제1 유동 채널 층을 통해 유동시키는 단계와;제2 액체를 제2 유동 채널 층을 통해 유동시키는 단계와;용질을 제1 액체로부터 제1 및 제2 미공성 멤브레인을 가로질러 제2 액체 내로 전달하는 단계를 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 제1 액체 유동 단계는 제2 액체의 제2 유동 채널 층을 통한 유동 방향에 대해 직교하는 방향으로 용해된 용질을 갖는 제1 액체를 제1 유동 채널 층을 통해 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제공 단계는 주름진 제1 유동 채널 층 및 주름진 제2 유동 채널 층과, 평탄한 제1 미공성 멤브레인 및 평탄한 제2 미공성 멤브레인을 포함하는 액체-액체 추출 요소를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제공 단계는 제2 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 밀봉된 제1 유동 채널 층과, 제1 대향 측면들에 인접하여 그를 따라 밀봉된 제2 유동 채널 층을 포함하는 액체-액체 추출 요소를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제공 단계는 층 적층체 둘레에 배치된 프레임을 추가로 포함하는 액체-액체 추출 요소를 제공하는 단계와, 제1 액체 입구, 제1 액체 출구, 제2 액체 입구, 및 제2 액체 출구와, 강성 프레임 및 층 적층체가 외측 하우징으로부터 제거될 수 있게 하는 제거 가능 부분을 갖는 외측 하우징 내에 상기 프레임 및 층 적층체를 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제13항에 있어서, 외측 하우징으로부터 제거 가능 부분을 제거하는 단계와, 층 적층체를 제2 층 적층체로 교체하는 단계와, 외측 하우징 상에 제거 가능 부분을 재위치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 용해된 용질을 갖는 제1 액체를 포함하는 일정 체적의 공급 용액을 담는 공급 용액 용기와;일정 체적의 용제를 담는 용제 용기와;제1 중합체 미공성 멤브레인, 및 추출 요소의 제1 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖고 제1 유동 방향으로 배향된 제1 유동 채널 층을 각각 포함하며 공급 용액 용기와 유체 연결되는 복수의 제1 층 쌍과,제2 중합체 미공성 멤브레인, 및 제1 유동 방향과 다른 제2 유동 방향으로 배향되고 추출 요소의 제2 대향 측면들 상에 배치된 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 제2 유동 채널 층을 포함하며, 제1 층 쌍들 사이에서 각각 교대하여 층 적층체를 형성하며, 용제 용기와 유체 연결되는 복수의 제2 층 쌍을 포함하는 액체-액체 추출 요소를 포함하고,제1 미공성 멤브레인은 제1 유동 채널과 제2 유동 채널 사이에 배치되고,공급 용액으로부터의 용질은 제1 및 제2 미공성 멤브레인을 가로질러 용제 내로 전달될 수 있는, 액체-액체 추출 시스템.
- 제19항에 있어서, 제1 유동 방향은 제2 유동 방향에 대해 직교하는 액체-액체 추출 시스템.
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