PL214061B1 - Sposób wydzielania alkoholu etylowego z rozcienczonych roztworów - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wydzielania etanolu z rozcieńczonych roztworów, który umożliwia jednoczesne wstępne zatężenie etanolu. Sposób ten może być wykorzystywany do odzyskiwania etanolu z odpadowych roztworów rozcieńczonych oraz do selektywnego wydzielania z brzeczek fermentacyjnych w bioreaktorach membranowych.

Znane są metody wytwarzania alkoholu etylowego metodą fermentacji, prowadzące do powstania kilkuprocentowych roztworów etanolu. Po osiągnięciu w brzeczce od kilku do kilkunastu procent alkoholu etylowego masę fermentacyjną przesyła się do destylatora lub separatora celem wydzielenia produktów fermentacji. Wydzielony alkohol zbiera się w odbieralniku. W zależności od przeznaczenia otrzymany roztwór poddaje się dalszemu mniej lub bardziej rozwiniętemu procesowi zatężania i oczyszczania. Do tradycyjnie stosowanych należą metody destylacyjne, jak wykorzystane w patencie PL 182 075. W przypadku roztworów zawierających niewielkie ilości etanolu, np. 1% lub mniej, stosowanie tradycyjnych metod destylacyjnych jest nieopłacalne. W takich przypadkach można zastosować metody separacji selektywnej. Należy do nich proces membranowy, zwany perwaporacją(PV). Przykłady jego zastosowania przedstawiono w patentach: US 5 167 825 oraz US 4 960 519. W procesie PV stosuje się nieporowate membrany, których materiał wykazuje selektywną sorpcję etanolu, a w znikomym stopniu chłonie wodę. Zaadsorbowany w membranie alkohol odparowuje po jej drugiej stronie, gdzie jest wykraplany. Taki mechanizm pozwala uzyskać wysokie wartości współczynnika wzbogacenia. Wadą są trudności z utrzymaniem po drugiej stronie membrany próżni, która jest niezbędna do uzyskania efektu odparowania alkoholu. Ponadto trudno jest dobrać materiał membrany selektywnie rozdzielający (odmiennie sorbujący) różne rodzaje alkoholi i innych związków organicznych powstających przy produkcji etanolu. W przypadku wydzielania etanolu z roztworów biologicznie czynnych membrany PV ulegają szybkiemu zniszczeniu. Znany jest także sposób wydzielania alkoholu etylowego z bioreaktora polegający na destylacji membranowej fermentującego roztworu (Gryta M., The fermentation process integrated with membranę distillation, Sep. Purif. Technol., 24 (2001) 283 - 296). Z opisu patentowego PL 187 817 znany jest układ do fermentacji połączony z instalacją membranową, którą zastosowano do ciągłego wydzielania produkowanego alkoholu. W rozwiązaniu zastosowano membrany uformowane w kształcie cienkich porowatych rurek, tak zwane membrany kapilarne, wykonane z polipropylenu. Zadaniem zamontowanych membran jest utrzymywanie szczeliny gazowej pomiędzy fermentującym roztworem i skroplonym roztworem alkoholu. Membrany nie są zwilżane przez fermentujący roztwór jak i otrzymywany roztwór alkoholu. Membrany kapilarne zamontowane są w pozycji pionowej, a fermentująca brzeczka przepływa wewnątrz kapilar, natomiast roztwór chłodzący przepływa przestrzenią pomiędzy membranami kapilarnymi.

Nieoczekiwanie okazało się, że dobierając odpowiednią prędkości przepływu roztworów wzdłuż powierzchni membran, można wykorzystać tendencję gromadzenia się na powierzchni międzyfazowej związków posiadających hydrofobowy łańcuch alifatyczny do wysycenia stacjonarnej warstwy przyściennej przy wejściu do wypełnionych fazą gazową porów. Pomimo krótkiego łańcucha alifatycznego w etanolu (C₂H₅OH) odpowiednio ograniczając burzliwość przepływu możliwe okazało się zwiększenie zawartości alkoholu w warstwie przymembranowej i w efekcie korzystnie zwiększono wartość współczynnika wzbogacenia w procesie MD.

Sposób wydzielania alkoholu etylowego według wynalazku metodą destylacji membranowej charakteryzuje się tym, że roztwór alkoholu podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej 313 K, po czym tłoczy się go wzdłuż niezwilżonej, porowatej membrany z prędkością liniową nie większą jak 0,6 m/s, zaś z obiegu po drugiej stronie membrany odprowadza się otrzymywany roztwór alkoholu w ilości równoważnej strumieniowi pary przenikającej przez membrany. Pozostałą objętość ochładza się do temperatury minimum 303 K i przetłacza po drugiej stronie membrany z prędkością nie mniejszą od 0,25 m/s. Korzystnie stosuje się makroporowate membrany polipropylenowe, o grubości ścianki powyżej 0,4 mm.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania

P r z y k ł a d 1

Kapilarny moduł membranowy, wykonano z 10 membran polipropylenowych, o średnicy d_z/d_w = 2,6/1,8 mm, o porowatości 70% i średnicy porów 0,2 mikrometra. Membrany wklejono do pionowo ustawionej obudowy rurowej o średnicy wewnętrznej 12 mm i długości 26 cm. Do modułu podłączono dwa oddzielne, zamknięte obiegi termostatowanej cieczy. Roztwór alkoholu etylowego z wodą destylowaną o stężeniu początkowym 10 g Et/dm³ podgrzano do temperatury 313 K i skierowano do

PL 214 061 Β1 modułu membranowego. Przetłaczano go wzdłuż kapilar, od dołu do góry, z prędkością 0,6 m/s, natomiast zewnątrz kapilar współprądowo tłoczono wodę destylowaną (w chwili startowej) z prędkością 0,25 m/s i temperaturze wejściowej do modułu 293 K, w której kondensował odparowujący przez membrany alkohol. W wyniku kondensacji po drugiej stronie membran wzrastała objętość otrzymywanego roztworu alkoholu, który odbierano w ilości równoważącej jego przepływ przez membrany, a pozostałą część chłodzono (293 K) i zawracano do modułu MD. Współczynnik wzbogacenia obliczano z bilansu masowego, jako stosunek stężenia etanolu w parze przenoszonej przez membrany do aktualnego stężenia alkoholu w roztworze zasilającym. Stężenie etanolu obliczano na podstawie analizy ogólnego węgla organicznego - aparat do analizy TOC (ogólny węgiel organiczny).

W separacji uzyskano następujące współczynniki wzbogacenia, zapisane jako [stężenie nadawy (g Et/dm³)/współczynnik wzbogacenia]: [9,7/3,1]; [7,8/4,0] i [5,3/5,8].

Przykład 2

Zastosowano instalację i warunki realizacji sposobu jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że roztwór zasilający przetłaczano wzdłuż membran z prędkością 0,1 m/s.

Uzyskano następujące wyniki separacji: [9,7/4,1], [7,3/5,2] i [5,1/7,6].

Przykład 3

Zastosowano instalację i warunki realizacji sposobu jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że roztwór zasilający przetłaczano po zewnętrznej stronie kapilar z prędkością 0,23 m/s, a destylat przepływał wewnątrz kapilar z prędkością 0,6 m/s.

Uzyskano następujące wyniki separacji: [9,7/3,5], [7,3/4,7] i [5,1/6,2].

Przykład 4

Zastosowano instalację i warunki realizacji sposobu jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że roztwór zasilający przetłaczano po zewnętrznej stronie kapilar z prędkością 0,043 m/s i a destylat przepływał wewnątrz kapilar z prędkością 0,6 m/s.

Uzyskano następujące wyniki separacji: [9,7/4,5], [7,3/5,7] i [5,1/8,2].

Przykład 5

Zastosowano instalację i warunki realizacji sposobu jak w przykład 1, z tą różnicą, że w module zamontowano jedną membranę kapilarną o średnicy dz/dw = 8,6/5.5 mm, roztwór zasilający przetłaczano po zewnętrznej stronie kapilar z prędkością 0,05 m/s, a destylat przepływał wewnątrz kapilary z prędkością 0,3 m/s.

Claims (3)

1. Sposób wydzielania alkoholu etylowego z rozcieńczonych roztworów metodą destylacji membranowej, znamienny tym, że roztwór alkoholu podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej 313 K, po czym tłoczy się go wzdłuż niezwilżonej, porowatej membrany z prędkością liniową nie większą jak 0,6 m/s, zaś z obiegu po drugiej stronie membrany odprowadza się otrzymywany roztwór alkoholu w ilości równoważnej strumieniowi pary przenikającej przez membrany, a pozostałą objętość ochładza się do temperatury minimum 303 K i przetłacza po drugiej stronie membrany z prędkością nie mniejszą od 0,25 m/s.

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako membrany kapilarne stosuje się membrany polipropylenowe.

3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że stosuje się membrany o grubości ścianki od wartości 0,4 mm.