SK26597A3

SK26597A3 - Method and system for extracting a solute from a fluid using dense gas and a porous membrane

Info

Publication number: SK26597A3
Application number: SK265-97A
Authority: SK
Inventors: James R Robinson; Marc J Sims
Original assignee: Tastemaker; Separation Equip Tech Inc; Marc Sims S F E; James R Robinson; Marc J Sims
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 1997-09-10
Also published as: PL319077A1; CA2198872C; BR9508827A; DE69506566T2; EP0781162A1; WO1996007469A1; PL176944B1; CZ67397A3; EP0781162B1; NZ279633A; JPH10507681A; NO971031L; MXPA97001737A; FI970941A; ATE174232T1; US5490884A; AU685235B2; CA2198872A1; DE69506566D1; ES2129807T3

Description

Spôsob extrakcie rozpustenej látky z tekutiny a zariadenie na uskutočňovanie tejto extrakcie

Oblasť techniky

Vynález sa týka tekutinovej extrakcie a konkrétnejšie, extrakcie rozpustených látok s použitím membránového modulu s dutými vláknami, pričom najmenej jednou z tekutín je hustý plyn.

Doterajší stav techniky

Európska prihláška č.EP 0 547 575 sa týka membránového modulu na separáciu plynov, ktorý obsahuje zväzok dutých vláken.

Britská špecifikácia č. 2 268 096 opisuje spôsob a zariadenie na kontinuálnu extrakciu chemických látok tak, že tekutina s rozpustenými látkami prechádza po jednej strane polopriepustnej membrány a extrahujúca tekutina prechádza po jej druhej strane. Extrahujúcou tekutinou môže byť plyn alebo stlačený hustý plyn.

Iným spôsobom extrakcie rozpustených látok je tradičný spôsob extrakcie na báze rovnováhy systému tekutina-tekutina s použitím kontaktného zariadenia, ako je náplň extrakčnej kolóny. Jeden príklad tohto spôsobu extrakcie je opísaný v Schultzovom U.S. patente č. 3 477 856. Patent ’856 uvádza spôsob izolácie aromatických látok z materiálov, obsahujúcich aromatické látky, ktorý zahrnuje extrakciu aromatickej látky tekutým oxidom uhličitým s použitím extrakčnej kolóny. V tomto typickom systéme sa vodný roztok zavádza do hornej časti kolóny. Súčasne tekutý CO2 vstupuje z nižšieho bodu do kolóny. V dôsledku líšiacich sa hustôt sa vodný roztok pohybuje nadol, zatiaľ čo tekutý CO2 sa pohybuje v kolóne nahor, pričom tekutý CO2 vytvára roztok s organickými rozpustenými látkami. Táto tekutá fáza CX^-aromatická látka sa potom pohybuje von z hornej časti extrakčnej nádoby, kde sa organická rozpustená látka odseparuje odparovaním oxidu uhličitého.

Jedným z obmedzení tradičnej extrakcie na báze rovnováhy je to, že v dôsledku toho, že systém existuje na báze disperzie a závisí od tiaže, musia sa použiť rozpúšťadlá s rôznymi hustotami. Ďalším obmedzením tradičnej extrakcie tekutina-tekutina je schopnosť tvoriť stabilné emulzie, pričom v tomto prípade k extrakcii nedochádza. Naviac, styková povrchová oblasť v extraktore sa môže zmenšiť tvorbou kanálov. Keďže obe fázy sú dispergované jedna v druhej, budú mať tendenciu vytvoriť a sledovať dráhy najmenšieho odporu v kolóne. Ak náplne nie sú tesné, disperzia oboch fáz, a preto účinnosť prenosu hmoty, môžu byť ohrozené.

Iným nedávno vyvinutým riešením v extrakcii tekutinatekutina je použitie mikroporóznych membrán s dutými vláknami. V membránovom extraktore je spoločne uložených množstvo vláken, aby vytvorili zväzok vláken, ktorý je uzavretý vo vonkajšom plášti. Typicky jedna z tekutín prechádza cez prierez vláken a druhá tekutina prechádza pozdĺž obalovej strany vláken, pričom dochádza k prenosu rozpustenej látky cez membrány z pórovitých vláken. Pretože membránová extrakcia je operáciou bez disperzie, systém nevyžaduje rozdiel hustôt medzi fázami. Naviac, schopnosť tvoriť emulziu je znížená, lebo membrána stabilizuje rozhranie medzi oboma fázami. Seibert, A. F. a spol., Hydraulics and Mass Transfer Efficiency of a Commercial-Scale Membráne Extractor, Separation Science and Technology 28 (1-3), 343 až 359, 1993.

Avšak extrakcie, uskutočnené s použitím membránových modulov s dutými vláknami, sa stretli s obmedzeným úspechom. Účinnosť prenosu hmoty pri týchto moduloch bola menšia, než sa očakávalo, väčšinou v dôsledku značného obtekania vlákna po obalovej strane. Ibid. Obtekanie vlákna po obalovej strane je javom, pri ktorom značná časť vláken v module je obtekaná tekutinou po obalovej strane. V dôsledku toho sa využije len časť celkovej plochy povrchu vláken, čo robí modul menej efektívnym. Tento jav môže spôsobiť, že až 70 % až 90 % plochy povrchu membrány bude neúčinných. Ibid.

Niektoré moduly sa pokúšali zmenšiť tento problém obte kania vytvorením priehradky v module, ktorá núti tekutinu na strane obalu do styku s väčšou plochou povrchu membrány. Avšak táto metóda nerieši obtekanie obalovej strany vlákna a tiež prispieva k zvýšeniu výrobnej ceny modulu. Preto je žiaduce mať k dispozícii spôsob a zariadenie na extrakciu rozpustenej látky z tekutiny s použitím pórovitých membrán s dutými vláknami, pri ktorých sa obtekanie obalovej strany vlákna zmenší a účinnosť prenosu hmoty sa zlepší.

Vzhľadom na vyššie uvedený stručný opis a všeobecný doterajší stav techniky sú potrebné zlepšenia v spôsoboch a zariadeniach na extrakciu rozpustených látok.

Podstata vynálezu

Tento vynález sa zameriava na spôsob extrahovania rozpustenej látky z tekutiny alebo hustého plynu, ako aj na zariadenie na uskutočnenie spôsobu podľa tohto vynálezu. Tento spôsob používa pórovitú membránu, ktorá má opačné strany v module pod tlakom, pričom membrána je neselektívna pre rozpustenú látku a slúži ako bariérové rozhranie medzi tekutinou a hustým plynom. Hustý plyn sa zavedie do modulu na jednej strane membrány, s tekutinou na opačnej strane membrány. Prinajmenšom jedna zo zložiek tekutina a hustý plyn obsahuje rozpustenú látku, ktorá sa má extrahovať, a druhá slúži ako extrakčné médium. Hustý plyn má hustotu

H najmenej asi 0,5 g/cm^J a je v podstate nemiešateľný s tekutinou, aby sa vytvorili dve fázy. Proces sa uskutočňuje s tlakom, ktorý je na oboch stranách membrány v module v podstate rovnaký, a rozpustená látka sa extrahuje cez membránu, ako ju riadi koncentračný gradient rozpustenej látky medzi tekutinou a hustým plynom. Ak je to žiaduce, spôsob môže tiež zahrnovať krok vysušenia membrány hustým plynom pred krokom vpustenia tekutiny na opačnú stranu membrány.

Hustý plyn a tekutina s výhodou prechádzajú po opačných stranách membrány, a výhodnejšie, hustý plyn a tekutina prechádzajú v protiprúde po opačných stranách membrány. Zatiaľ čo statický systém dosiahne rovnováhu rýchlo, prechá dzanie tekutiny a hustého plynu udržuje koncentračný gradient v priebehu času a protiprúdový tok zvyšuje gradient.

Hustý plyn možno vybrať z viacerých rôznych plynov, pričom oxid uhličitý je výhodný. Okrem toho, že nie je drahý a je ľahko dostupný, oxid uhličitý je nejedovatý, nehorľavý, relatívne inertný a nezanecháva žiadne zvyšky v extrahovanom produkte. Príklady ďalších hustých plynov zahrnujú metán, etán, propán, bután, izobután, etén, propén, tetrafluórmetán, chlórdifluórmetán, oxid dusný, fluorid sírový, amoniak, metylchlorid a čiastočne fluórované uhľovodíky. Čiastočne fluórované uhľovodíky zahrnujú čiastočne fluórované metány, etány a propány, ako sú fluórmetán, trifluórmetán, tetrafluóretán (známy všeobecne ako HFC-134a), 1,1,1,2,3,3,3-heptafluórpropán (známy všeobecne ako P227), HFC-143a a HFC-125, a ich zmesi.

Tekutinou môže byť ľubovoľná z viacerých rôznych tekutín, napríklad ovocná šťava, ovocné pyré, zeleninová šťava, zeleninové pyré, emulzie olej-vo-vode, fermentorový bujón so živými bunkami a enzýmový bujón. Ak je to žiaduce, tekutinou môže byť druhý hustý plyn s hustotou najmenej asi 0,5 g/cm³. Rozpustenou látkou, ktorá sa má extrahovať, môže byť ľubovoľná rozpustená látka s nenulovou rozpustnosťou aj v tekutine, aj v hustom plyne, a typicky je to esencia, aromatická látka, farmaceutikum alebo chelátovaný kov.

Spôsob sa typicky uskutočňuje v teplotnom rozsahu od asi -10 C do asi 200 “C a v tlakovom rozsahu od asi 2xl0³Pa (2 bar) do asi 7xl0⁷ Pa (700 bar). Tento teplotný rozdiel zahrnuje v podstate všetky vodné biologické systémy a tlakový rozsah zahrnuje prevádzkové tlaky aj pre analytické systémy, aj pre systémy pre komerčnú výrobu.

Zariadenie na extrahovanie rozpustenej látky z tekutiny alebo hustého plynu podľa princípov tohto vynálezu zahrnuje zdroj na dodávanie hustého plynu, zdroj na dodávanie tekutiny a tlakovateľný modul, ako je opísané pri spôsobe vyššie, pričom modul je prevádzkovo spojený so zdrojmi na dodávanie hustého plynu a tekutiny. Zariadenie môže ďalej zahrnovať prostriedky na prepúšťanie hustého plynu a tekutiny po opáč ných stranách membrány, ako aj prostriedky na v podstate vyrovnanie tlaku hustého plynu a tekutiny predtým, než hustý plyn a tekutina vstúpia do modulu. Ak je to žiaduce, prostriedky na vyrovnanie tlaku môžu zahrnovať prostriedky na v podstate zabránenie extrakcii rozpustenej látky v prostriedkoch na vyrovnanie tlaku pred extrakciou v tlakovateľnom module. Naviac, systém môže zahrnovať prostriedky na monitorovanie hustého plynu, tekutiny a veľkosti prenosu rozpustenej látky, ako aj prostriedky na vracanie plynu a tekutiny do zdrojov na dodávanie hustého plynu a tekutiny po extrakcii rozpustenej látky.

Čo sa týka pórovitej membrány, membránou je s výhodou membrána z dutých vláken alebo zväzok membrán z dutých vláken. Použitie membrán z dutých vláken zabezpečuje veľkú stykovú plochu povrchu v danom module. Ak je to žiaduce, možno použiť iné typy membrán, ako je napríklad plochá membrána, usporiadaná v špirálovo vinutom membránovom module alebo v doskovom ráme. Membrána samotná môže byť vyrobená z ľubovoľného z viacerých rôznych materiálov, ktoré zahrnujú napríklad polypropylén, polyetylén, polytetrafluóretylén, difluorid polyvinylidénu, nylon, polysulfonát, polykarbonát, polyester, acetát celulózy, nitrát celulózy, celulózu a akrylový polymér.

Póry sú s výhodou v podstate symetrické, takže membrána bude minimálne ovplyvnená kráterovými defektami na povrchu membrány. Priemer pórov je s výhodou poriadku od asi 0,001 mikrometra až do asi 1 mikrometra, a výhodnejšie, od asi 0,1 mikrometra do asi 0,2 mikrometra. Rozsah od 0,1 mikrometra do 0,2 mikrometra typicky poskytuje najlepšie vyváženie medzi prietokovou, charakteristikou a symetrickou štruktúrou pórov. Hrúbka membrány je s výhodou poriadku od asi 0,005 mm do asi 3 mm, a výhodnejšie, od asi 0,2 mm do asi 0,6 mm. Tieto rozsahy poskytujú lepšie vyváženie medzi silou a integritou membrány a požadovanou prietokovou charakteristikou.

Jednou z výhod spôsobu a zariadenia podľa tohto vynálezu je zlepšená účinnosť prenosu hmoty v dôsledku zmenšenia ob tekania vlákna na obalovej strane. Na rozdiel od tradičných tekutín husté plyny majú vo všeobecnosti nižšie viskozity a vyššie difúzne koeficienty. Tieto vlastnosti zabezpečujú, aby sa hustý plyn rozdelil a prenikol cez oveľa väčší povrch vláken v module, čím sa zväčší účinnosť prenosu.

Ďalšou výhodou je neočakávaná schopnosť hustého plynu vysušiť pórovitú membránu pred zavedením tekutiny, čím sa zminimalizuje tendencia membrány k zmáčaniu, akonáhle sa tekutina zavedie, a zlepší sa účinnosť prenosu látky.

Ďalšou výhodou je schopnosť hustého plynu prechádzať cez modul väčšou rýchlosťou než tradičné tekuté rozpúšťadlá. Prietok je dôležitým faktorom v účinnosti prenosu, ale prietok tradičnej tekutiny je obmedzený v dôsledku nepriaznivých trecích síl a zvýšeného obtekania vláken po obalovej strane. Keďže hustý plyn spôsobuje menej trenia v module, môže prechádzať vyššou rýchlosťou, pričom sa zvyšuje účinnosť prenosu.

Ďalšou výhodou je schopnosť hustého plynu obsadzovať póry membrány v priebehu extrakcie, čím sa zmenšuje hrúbka vrstvy rozhrania tam, kde dochádza k extrakcii, a zlepšuje sa účinnosť prenosu látky.

Ešte ďalšou výhodou je, že hustý plyn nevyvoláva zmáčanie pórov membrány tekutinou, akonáhle tekutina vstúpi do modulu. Preto tekutina na strane membrán, opačnej k strane hustého plynu, môže prechádzať cez modul vyššou rýchlosťou bez vytlačenia hustého plynu z pórov, čím sa zlepší účinnosť prenosu látky.

Tieto a iné výhody a prospech sa ďalej objasnia s odkazom na nasledujúce obrázky a opis:

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 je schematický blokový diagram výhodného uskutočnenia zariadenia podľa tohto vynálezu na extrakciu rozpustenej látky z tekutiny; prúd hustého plynu je vyznačený čiernymi šípkami a prúd tekutiny je vyznačený bielymi šípkami ;

Obr. 2 je schematický perspektívny pohľad v čiastočnom priereze na membránový modul z pórovitých, dutých vláken zariadenia z obr. 1;

Obr. 3 je schematický blokový diagram iného výhodného uskutočnenia, pričom čierne šípky vyznačujú prúd hustého plynu a biele šípky vyznačujú prúd tekutiny; a

Obr. 4 je schematický blokový diagram zariadenia, použitého na vykonanie experimentov v príklade, pričom prúd hustého plynu je vyznačený čiernymi šípkami a prúd tekutiny je vyznačený bielymi šípkami.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Zariadenie na extrakciu rozpustenej látky z tekutiny podľa princípov tohto vynálezu je znázornené na obr. 1. Zariadenie 10 zahrnuje zdroj 12 hustého plynu a zdroj 14 tekutiny na dodávanie hustého plynu a tekutiny do tlakovateľného modulu 16., kde sa uskutočňuje extrakcia rozpustenej látky. Zariadenie 10 tiež zahrnuje separátor 18 tvaru U-rúry, prevádzkovo spojený s tlakovateľným modulom 16 na získanie extrahovanej rozpustenej látky z extrakčného média.

Zdroj 12 hustého plynu zahrnuje zásobník 20 plynu a ovládaciu jednotku 22 prietoku. Zásobníkom 20 plynu je štandardný zásobník plynu, ako je zásobník, naplnený CO2, stlačeným na 70 000 Pa (1000 psi). Ovládacou jednotkou 22 prietoku je integrovaný systém čerpadla s kontrolou tlaku, teploty a prietoku, prispôsobený na premenu plynu na hustý q plyn s hustotou najmenej asi 0,5 g/cm a na vytvorenie celkovej kontroly prietoku pre hustý plyn, vchádzajúci do zvyšku zariadenia 10.

Zdroj 14 tekutiny je uzavretý v tlakovateľnom rezervoári 24, ktorý má uzatvoriteľný otvor (neznázornený). Rezervoár 24 možno otvoriť, aby sa mohla pridať ďalšia tekutina a/alebo rozpustená látka. V tomto uskutočnení tlakovateľný rezervoár 24 tiež slúži ako prostriedok na v podstate vyrovnanie tlakov hustého plynu a tekutiny, a pretože rezervoár 24 je umiestnený pred modulom 16., hustý plyn a tekutina budú mať v podstate ten istý tlak, keď prechádzajú cez modul 16. Tlakovateľný rezervoár 24 ďalej obsahuje plávajúcu diafragmu

26. umiestnenú medzi tekutinou a hustým plynom. Diafragma 26 má priemer, približujúci sa vnútornému priemeru rezervoára 24, a v podstate zabraňuje extrakcii rozpustenej látky v tlakovateľnom rezervoári 24. Pretože rozpustená látka je rozpustná aj v tekutine, aj v hustom plyne, k určitej extrakcii môže dôjsť cez rozhranie oboch fáz v tlakovateľnom rezervoári 24 pred extrakciou v module 16.. Plávajúca diafragma 26 sa používa preto, aby sa v podstate vylúčilo, že k extrakcii bude dochádzať v rezervoári 24.

Tlakovateľný modul 16 je podrobnejšie znázornený na obr. 2. Modul 16., znázornený v zjednodušenej forme, zahrnuje zväzok 30 štyroch membrán 28 z pórovitých, dutých vláken, prebiehajúcich pozdĺžne vnútri modulu 16.. Avšak v komerčných uskutočneniach by zväzok 30 zahrnoval mnoho membrán 28. Každá membrána 28 z dutých vláken končí v zalievacom člene 31 na opačných koncoch modulu 16.. Zväzok 30 je obklopený plášťom 32, pričom každý zalievací člen 31 je pritmelený k príslušnému koncu plášťa 32. Tento plášť 32 je ďalej uzavretý v kryte 34 s použitím Buna N 0-krúžkov 56 na pripevnenie plášťa 32 v kryte 34.

Kryt 34 je typicky vyrobený z nehrdzavejúcej ocele a ak je to žiaduce, možno použiť iné kovy alebo materiály, schopné prevádzky pri tlakoch systému. Membrána 28., zalievacie členy 31 a plášť 32 sú typicky vyrobené z polypropylénu, ale možno ich vyrobiť z ľubovoľného z viacerých iných materiálov, ako napríklad z polyetylénu, polytetrafluóretylénu, difluoridu polyvinylidénu, nylonu, polysulfonátu, polykarbonátu, polyesteru, celulózového acetátu, celulózového nitrátu, celulózy a akrylového polyméru.

Membránový materiál možno vybrať na základe toho, či sa požadujú hydrofóbne alebo hydrofilné vlastnosti. Napríklad, ak cez modul 16 prechádza vodná tekutina, potom môže byť žiaduca hydrofóbna membrána 28.. Hydrofóbna membrána 28 bude odpudzovať vodnú tekutinu z pórov membrány, čím umožní, aby tekutina prechádzala cez modul 16 vyššou rýchlosťou bez vy tláčania hustého plynu z pórov. Alternatívne, ak sa použije olej alebo iná hydrofóbna tekutina, potom je žiaduca hydrofilná membrána 28 z tých istých dôvodov. V oboch prípadoch sa účinnosť prenosu hmoty zlepší.

Modul 16 má vstupný otvor 36 pre tekutinu a výtokový otvor 38 pre tekutinu, prevádzkovo spojené s modulom 16 tak, že tekutina prechádza cez modul 16 na prierezovej strane 44 membrán 28 z pórovitých, dutých vláken. Modul 16 tiež má vstupný otvor 40 pre hustý plyn a výtokový otvor 42 pre hustý plyn, prevádzkovo spojené s obalovou stranou 46 membrán 28. Týmto spôsobom dochádza k extrakcii cez membrány 28 z pórovitých, dutých vláken pozdĺž koncentračného gradientu, pričom rozpustená látka sa pohybuje z tekutiny na prierezovej strane 44 cez membrány 28 k hustému plynu na obalovej strane 46. Ak je to potrebné, prívodné vedenie 48 hustého plynu a prívodné vedenie 50 tekutiny, ako aj výtokové vedenia 52. 54 pre hustý plyn a tekutinu možno spojiť s modulom 16 tak, že tekutina preteká cez modul 16 na obalovej strane

46. zatiaľ čo hustý plyn preteká cez prierezovú stranu 44. Ak je to žiaduce, tlakovateľný modul môže byť zostrojený v súlade s konštrukčnou metódou a princípmi Robinsonovho

U.S. patentu č. 5 015 585.

Separátor 18 tvaru U-rúry je spojený s výtokovým otvorom 42 pre hustý plyn cez výtokové vedenie 52 pre hustý plyn. Keď hustý plyn, obsahujúci rozpustenú látku, prechádza cez separátor 18., plyn expanduje a extrahovaná rozpustená látka sa získava v separátore 18. Ak je to žiaduce, systém môže byť usporiadaný tak, aby sa rozpustená látka extrahovala z hustého plynu do tekutiny. V tomto prípade by jednotka na získanie produktu bola spojená s výtokovým otvorom 38 pre tekutinu cez výtokové vedenie 54 pre tekutinu, takže rozpustenú látku možno získať z tekutiny s použitím ľubovoľnej z viacerých známych separačných metód, ako je destilácia a podobne.

Extrakčné zariadenie, zobrazené na obr. 1, zahrnuje aj iné komponenty. Čerpadlo 70 tekutiny je umiestnené na prívodnom vedení 50 pre tekutinu a používa sa na aktívne pre10 tláčanie tekutiny cez tlakovateľný modul 16. Naviac možno čerpadlo 70 nastaviť na rôzne rýchlosti, čím sa užívateľovi umožní ovládať rýchlosť, s akou čerstvá tekutina prechádza cez modul 16. Zariadenie 10 zahrnuje niekoľko zariadení na ovládanie prietoku na ovládanie tekutiny a hustého plynu pred a po prechode cez modul 16. Vstupný ventil 72 pre hustý plyn ovláda vstup hustého plynu do prívodného vedenia 48 pre hustý plyn, a vstupný ventil 74 pre tekutinu, umiestnený pri základni tlakovateľného rezervoára 24, ovláda prietok tekutiny zo zdroja 14 tekutiny. Prietok hustého plynu cez zariadenie 10 je tiež riadený ovládacím ventilom 76 pre prúd hustého plynu, umiestneným spolu s výtokovým vedením 52 pre hustý plyn medzi výtokovým otvorom 42 pre hustý plyn a separátorom 18 tvaru U-rúry.

Zariadenie 10 zahrnuje niekoľko monitorovacích zariadení na monitorovanie prúdu tekutiny a hustého plynu. Vzorkovací ventil 78 pre tekutinu a vzorkovací ventil 80 pre hustý plyn umožňujú užívateľovi selektívne obísť modul 16., keď odošlú tekutinu a/alebo hustý plyn cez zvyšok zariadenia 10 bez extrakcie rozpustenej látky. Aby sa merala rýchlosť, ktorou tekutina alebo hustý plyn prechádzajú cez zariadenie

10. zariadenie 10 zahrnuje merač 82 prietoku tekutiny a merač 86 prietoku hustého plynu. Zariadenie 10 tiež zahrnuje totalizátor 84 tekutiny a totalizátor 88 hustého plynu na meranie celkových objemov tekutiny a hustého plynu, prechádzajúcich cez zariadenie 10.

Extrakcia rozpustenej látky sa meria s použitím detektora 90 absorpcie svetla. Detektor 90 je spojený s výtokovými vedeniami 52, 54 pre hustý plyn a tekutinu viacpolohovým ventilom 96, umožňujúcim užívateľovi selektívne prepúšťať vzorku hustého plynu alebo tekutiny cez detektor 90. Naviac, čerpadlo 94 nosnej tekutiny čerpá nosnú tekutinu cez vedenie 92 nosnej tekutiny a viacpolohový ventil 96 do detektora 90. Nosnú tekutinu možno použiť podľa potreby na zriedenie hustého plynu alebo tekutiny, ktoré sa merajú detektorom 90. a ak by to bola nosná tekutina, ktorá neabsorbuje ultrafialové žiarenie a je schopná rozpúšťať sa v rozpúšťadlách tekutiny a hustého plynu. Napríklad metanol je vhodnou nosnou tekutinou, ak sa použijú voda a hustý CO2.

Tekutina, neodobraná k detektoru 90 absorpcie svetla, sa pohybuje cez viacpolohový ventil 96 k spätnému vedeniu 98 pre tekutinu a prúdi späť do tlakovateľného rezervoára

24. Medzitým sa neodobraný hustý plyn odčerpá do atmosféry pri okolitom tlaku po prejdení cez objemovú expanznú jednotku 100. spojenú s výtokovým vedením 52 pre hustý plyn. Ak je to žiaduce, zariadenie 10 sa dá prispôsobiť na recyklovanie plynu z výtokového vedenia 52 pre hustý plyn späť do ovládacej jednotky 22 prietoku na opätovné natlakovanie a použitie cez spätné plynové vedenie (neznázornené).

Naviac, zariadenie 10 má vedenie 102 na udržovanie tlaku, spojené s prívodným vedením 48 pre hustý plyn a výtokovým vedením 54 pre tekutinu. Toto vedenie 102 má jednocestný kontrolný ventil 104 a poskytuje ďalšie prostriedky na udržovanie tlaku v zariadení 10,. Jednocestný kontrolný ventil 106 vo výtokovom vedení 54 pre tekutinu tiež pomáha stabilizovať tlak. Naviac sú zahrnuté snímač 112 toku hmoty a výmenník 110 tepla, spolu s prívodným vedením 50 pre tekutinu, vedúcim k modulu 16.

V prevádzke sa tekutina, obsahujúca rozpustenú látku, ktorá sa má extrahovať, umiestni do tlakovateľného rezervoára 24 a rezervoár sa potom uzatvorí. Membrány 28 z dutých vláken sa vysušia a zariadenie 10 sa natlakuje pomalým otváraním vstupného ventilu 72 pre hustý plyn, pričom počas tohto nábehu je ventil 76 na ovládanie prietoku hustého plynu uzavretý. Po tomto kroku tlakovania aj prierezová strana

44. aj obalová strana 46 modulu 16 z dutých vláken obsahujú hustý plyn pri zvolenom tlaku procesu. Hustý plyn tiež vyplňuje horný priestor tlakovateľného rezervoára 24, čím vyrovnáva tlaky hustého plynu a tekutiny v zariadení 10.

Potom sa tekutina načerpá do modulu 16 otvorením vstupného ventilu 74 pre tekutinu a zvolením požadovaného nastavenia zdvihu na čerpadle 70. Súčasne sa otvorí ovládací ventil 76 prietoku hustého plynu, aby vznikol požadovaný prietok hustého plynu, ako ho ukazuje prietokomer 86 hustého plynu.

V tejto chvíli tekutina prechádza cez modul 16 na jednej strane membrány 28 z pórovitých, dutých vláken a hustý plyn prechádza v protiprúde cez modul 16 na druhej strane membrány 28. Tekutina s výhodou prechádza po prierezovej strane 44, zatiaľ čo hustý plyn prechádza po obalovej strane 46. Avšak tieto možno obrátiť obrátením polôh rôznych zdrojov a výtokových vedení. Vnútri modulu 16 je extrakcia rozpustenej látky riadená koncentračným gradientom. Pretože tlakovateľný rezervoár 24 má v podstate vyrovnané tlaky medzi hustým plynom a tekutinou, rozdiel tlakov cez membrány 28 je minimálny.

Ako je zobrazené na obr. 1, hustý plyn, obsahujúci rozpustenú látku, prechádza cez výtokový otvor 42 pre hustý plyn a do výtokového vedenia 52 pre hustý plyn. Hustý plyn pokračuje cez viacpolohový ventil 96 a ovládací ventil 76 prietoku hustého plynu k separátoru 18 tvaru U-rúry, kde sa rozpustená látka získava z plynu a plyn sa odsáva do atmosféry. Medzitým tekutina, zbavená rozpustenej látky, prechádza cez výtokový otvor 38 pre tekutinu do výtokového vedenia 54 pre tekutinu a cez vzorkovací ventil 78 pre tekutinu a viacpolohový ventil 96. Tekutina potom prúdi späť do tlakovatelného rezervoára 24 cez spätné vedenie 98 pre tekutinu. Užívateľ tiež môže merať extrakciu rozpustenej látky tým, že nechá vzorku hustého plynu alebo tekutiny prechádzať cez detektor 90 absorpcie svetla. Ak je to žiaduce, zariadenie možno preusporiadať tak, aby sa rozpustená látka extrahovala z hustého plynu do tekutiny. V tom prípade sa jednotka na získanie produktu, ako je destilačná komora a podobne, umiestni pozdĺž výtokového vedenia 54 pre tekutinu, takže rozpustenú látku možno získať z tekutiny.

Ďalšie výhodné uskutočnenie podľa princípov tohto vynálezu je všeobecne znázornené na obr. 3. Týmto uskutočnením je kontinuálny systém, v ktorom sa hustý plyn recykluje späť do systému po prejdení modulom. Toto alternatívne uskutočnenie je v princípe podobné zariadeniu z obr. 1 s niekoľkými odchýlkami. Primárnym rozdielom je pridanie spätného vedenia

126 pre plyn, odvádzajúce plyn z jednotky 120 na získavanie rozpustenej látky späť do ovládacej jednotky 22 prietoku plynu, kde sa plyn opäť premení na hustý plyn na ďalšie použitie v zariadení. Naviac, zdroj 14 tekutiny je oddelený od prvku na vyrovnávanie tlaku. Zdroj 14 tekutiny má uzatvoriteľný plniaci otvor (neznázornený) a je spojený s ovládacou jednotkou 118 prietoku tekutiny, ktorá stláča tekutinu. Stlačená tekutina a hustý plyn prechádzajú zo svojich príslušných jednotiek 118. 22 na ovládanie prietoku do prívodného vedenia 50 pre tekutinu a prívodného vedenia 48 pre plyn, kde sa ich tlaky v podstate vyrovnajú komorou 122 na vyrovnávanie tlaku, spojenou s oboma prívodnými vedeniami. Komora 122 má plávajúcu diafragmu 26. podobnú diafragme z obr. 1. Avšak na rozdiel od zariadenia 10., znázorneného na obr. 1, toto uskutočnenie nemá čerpadlo 70 pre tekutinu. Naviac, ovládací ventil 124 prietoku tekutiny umožňuje užívateľovi ovládať rýchlosť, ktorou tekutina prechádza z výtokového vedenia 54 pre tekutinu do vedenia 98 pre extrahovanú tekutinu a do zberača 128 extrahovanej tekutiny. Ak je to žiaduce, toto uskutočnenie tiež môže zahrnovať viaceré vyššie uvedené ovládacie a monitorovacie zariadenia.

Príklad

Tento príklad ilustruje extrakciu kofeínu z vody s použitím hustého CO2 ako extrakčného média podľa princípov spôsobu a zariadenia podľa tohto vynálezu. Extrakčné zariadenie, použité pre tento príklad, je znázornené na obr. 4a je zjednodušenou verziou zariadenia, znázorneného na obr. 1, uvedeného vyššie.

Extrakcie sa uskutočnili s použitím štandardného zásobníka 20 plynu, obsahujúceho CO2 pod tlakom 70 000 Pa (1000 psi), a tlakovateľného rezervoára 24 s objemom 300 cm^. Čerpadlom 70 bolo LDC značkové objemové čerpadlo s meniteľným zdvihom, so zafírovým piestom, ktoré má prietok 7,5 cm^/min pri nastavení zdvihu na 100 %. Materiálom, použitým na rezervoár 24, bola nehrdzavejúca oceľ č. 316 a rúrky, spájajú14 ce rôzne prvky, boli z 3,2 mm (1/8) nehrdzavejúcej ocele.

Tlakovateľný modul 16., použitý v tomto príklade, bol zostrojený z polypropylénu a nehrdzavejúcej ocele. Na membrány 28 z pórovitých, dutých vláken, plášť 32 a zalievacie členy 31 sa použil polypropylén. Kryt, obklopujúci plášť, bol vyrobený z nehrdzavejúcej ocele č. 316, 25 mm (1) rúrky mali hrúbku steny 2,8 mm (0,109) a plášť bol pripevnený do krytu s použitím Buna N 0-krúžkov 56.

Polypropylénový plášť 32 má dĺžku 41 cm (16) a vonkajší priemer 18 až 20 mm (0,7/8). Modul obsahoval tri membrány 28 z pórovitých, dutých vláken, pričom každá membrána mala dĺžku 41 cm (16). Ďalej, každá membrána mala vnútorný priemer 0,6 mm, vonkajší priemer 1,0 mm a veľkosť pórov 0,2 gm a pórovitosť 75 %. Celková plocha povrchu, ktorú poskytli o tri membrány 28, bola 40 cm . Zádržový objem modulu bol 0,33 ml pre tekutinu a 5,1 ml pre hustý CC^. Prietokomerom 86 bol rotameter a totalizátorom 88 bol bežný prietokový totalizátor/vlhkomer.

Zariadenie, použité v tomto príklade, tiež zahrnuje niekoľko prídavných prvkov. Prívodné vedenie 48 hustého plynu malo zvlhčovač 134 na sýtenie privádzaného hustého plynu a vodou. Zvlhčovačom 134 bol valec s objemom 100 cm , naplnený a mm sklenými perličkami a 15 cm vody. Výtokové vedenie 52 pre hustý plyn zahrnovalo vyhrievaný expanzný ventil 130. ktorý zohrial hustý plyn predtým, než plyn prešiel do separátora 18 tvaru U-rúry. Výtokové vedenie 54 pre tekutinu zahrnovalo vzorkovacie vedenie 138 pre tekutinu, obsahujúce vzorkovací ventil 136 pre tekutinu, čo užívateľovi umožní odviesť vzorku tekutiny po jej prejdení modulom 16. Naviac, spätné vedenie 98 pre tekutinu zahrnovalo jednocestný kontrolný ventil 132.

Uskutočnilo sa desať experimentálnych cyklov s použitím zariadenia, znázorneného na obr. 4. Každý cyklus sa uskutočnil pri stanovenom tlaku a teplote po stanovenú dobu, s konkrétnym CO2 prietokom a prietokom vodného roztoku (kofeín vo vode), ako je uvedené v tabuľke 1. Pre každý cyklus sa 150 g jedného hmotnostného percenta kofeínu v destilovanej vode uzavrelo do tlakovateľného rezervoára 24. S expanzným ventilom 130 vo vypnutej polohe sa celý systém natlakoval pomalým otváraním vstupného ventilu 72 pre hustý plyn. Po natlakovaní systému aj prierezová, aj obalová strana 44, 46 modulu obsahovali hustý CO2 pri experimentálnom tlaku. Hustý CO2 tiež vyplnil horný priestor tlakovateľného rezervoára

24. čím sa v podstate vyrovnali tlaky hustého CO2 a vodného roztoku.

V čase nula sa čerpadlo 70 tekutiny spustilo s použitím nastavenia buď na 30 % alebo na 100 %, čo zodpovedá 2,25 alebo 7,5 cnr/min., ako je uvedené v tabuľke 1. Súčasne sa otvoril vyhrievaný expanzný ventil 130. aby vznikol zvolený prietok CO2. ako ho ukazuje prietokomer 86. Na konci zvolenej doby extrakcie (uvedenej v tabuľke 1) sa prietoky hustého plynu a tekutiny zastavili. Celkové množstvo použitého CO2 ukazoval totalizátor 88 v litroch pri jednej atmosfére a okolitej teplote. Tento objem sa premenil na gramy C0₂ na uvedenie v tabuľke 1.

Všetky experimentálne cykly sa uskutočnili pri teplote okolia, a preto CO2 bol podkritický. Avšak pri použitých tlakoch 98, 210 a 280 kPa (1400, 3000 a 4000 psi) CO2 mal

O hustotu asi 0,8, 0,9 a 0,95 g/cm . V experimentálnych cykloch 8,9 a 10 sa hustý CO2 nasýtil 0,1 až 0,2 % H2O, keď prechádzal cez zvlhčovač 134.

Materiálom, získaným v separátore 18 tvaru U-rúry, bol koncentrovaný roztok kofeínu vo vode. Separátor 18 sa vypláchol acetónom a jeho obsah sa spojil s acetónovým výplachom zvyšku vo vyhrievanom expanznom ventile 130. Po odparení v miske vážil kryštalický kofeín 0,1 mg a množstvo kofeínu, získané z každého experimentálneho cyklu, je uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka

	10	210	24	261*	28	2,25	27,3
				*
		o	’t	rH	m	m	τΗ
	Os	rH	N	SO	CM	CM	*
		n		CM		*
						(M	CM
				*
		o		tn	Os	O
	00	rH	OJ	00	r-<		*>
		N		rH			m
		O	cn	m	o	vn	m
	r*	1—H	N	Ό	m	CM	·>
		OJ		CM		·»	H
						CM	CM
D

ď
Ό
'3		o	cn	cn	o	v>	rH
	\O	00	CM	SO	m	*	·>
U		CM		CM		r-	Os
C
•H


P
c
u		oo	’ď	m	<Z1	m	SO
E	m	os	CM	SO	H	•	•
•H				CM
P							H
D
o

x
ω			>n
		00	CM	ΓΗ	00	<n	m
	't	os	1	so	CM	r	•1
			M-	CM		Γ	M^-
			N				CM
-		o		m	Os	m	m
	m	H	CM	Ό	CM	*	•
		CM		(M
							CM
			sľ
		O	CM	m	r4	>n	O
	CM	H	1	\O	m	CM	*
		CM	m	CM		*	o
			CM			CM	<n
		00	in	00	o	<n	CM
	rH	OS	CM	m	m	CM	·>
				CM		•	m
						CM	tn
							CM
				*		·>	O
				CM		o	O
				O		CM
		d		O	•	X	N
	•	CL.	*		d	•
	>0	44	d	44	•H	44 C	->s
			P	0	E	0 -rl	Č C
	(fl	«t	0	P		P E	ή d
	3	44	r—i	u	*	u \	U 44
	44	d	(X	•rl	v>	•rim	Ή W
	0	H	u o	p	d	M E	0 Ή M
	pl	H	F ·	P- 00	>o	cl υ	« N E

O

N

X

N

O >N d u p s* c/) d a

«

Claims

1. Spôsob extrakcie rozpustenej látky z tekutiny, zahrnujúci kroky vytvorenia membrány (28), ktorá má opačné strany v module (16) pod tlakom, pričom membrána slúži ako bariérové rozhranie medzi dvoma tekutinami, privedenia jednej z tekutín do modulu (16) na jednu stranu (44, 46) membrány (28) a druhej tekutiny na jej opačnú stranu (44, 46), pričom najmenej jedna z tekutín obsahuje rozpustenú látku, ktorá sa má extrahovať, a druhá tekutina slúži ako extrakčné médium, tlak na oboch stranách membrány (28) v module (16) je v podstate rovnaký, a extrakcia rozpustenej látky cez membránu je riadená koncentračným gradientom rozpustenej látky medzi tekutinami, vyz načujúci s a tým, že membrána (28) je pórovitá a neselektívna pre rozpustenú látku a že jednou z tekutín je hustý plyn, pričom tento hustý plyn má q

hustotu najmenej asi 0,5 g/cm a tekutina a hustý plyn sú v podstate navzájom nemiešateľné, aby vytvorili dve fázy.

2. Spôsob podľa nároku l.vyznačujúci sa tým, že zahrnuje krok vysušenia membrány (28) hustým plynom pred krokom vpustenia tekutiny na opačnú stranu (44, 46) membrány.

3. Spôsob podľa nároku 1 alebo nároku 2, vyznačujúci sa tým, že hustý plyn a tekutina prechádzajú protiprúdovo po opačných stranách (44, 46) membrány (28).

4. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v yzna čujú ci sa t ý m, že tekutina je vybraná zo skupiny, ktorá pozostáva z ovocnej šťavy, ovocného pyré, zeleninovej šťavy, zeleninového pyré, emulzií olej-vo-vode, fermentorového bujónu so živými bunkami a enzýmového buj ónu.

5. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že tekutinou je druhý hustý plyn, ktorý má hustotu najmenej asi 0,5 g/cm .

6. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v yzna čujú ci sa tý m, že rozpustenou látkou je esencia, aromatická látka, farmaceutikum alebo chelátovaný kov.

7. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že proces sa uskutočňuje pri teplote v rozsahu od asi -10 ^eC do asi 200 ’C.

8. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že proces sa uskutočňuje pri tlaku v rozsahu od asi 2 x 10^ Pa (2 bar) do asi 7 x 10*7 Pa (700 bar) .

9. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m, že rozpustenou látkou je esencia alebo aromatická látka, pričom membrána (28) je neselektívna pre uvedenú esenciu alebo aromatickú látku, a hustým plynom je CO2, pozostávajúci z prepúšťania tekutiny a hustého CO2 po opačných stranách (44, 46) membrány, pričom najmenej jedna zo zložiek tekutina a hustý CO2 obsahuje esenciu alebo aromatickú látku, ktorá sa má extrahovať, a druhá slúži ako extrakčné médium.

10. Zariadenie (10) na extrakciu rozpustenej látky z tekutiny, zahrnujúce dva zdroje (12, 14) na dodávanie tekutiny a tlakovateľný modul (16), obsahujúci membránu (28) , pričom modul je prevádzkovo spojený so zdrojmi (12, 14) na privedenie každej tekutiny na príslušnú stranu (44, 46) membrány, pričom membrána (28) slúži ako bariérové rozhranie medzi tekutinami, najmenej jedna z tekutín obsahuje rozpustenú látku, ktorá sa má extrahovať koncentračným gradientom rozpustenej látky medzi tekutinami, pričom druhá tekutina slúži ako extrakčné médium, a prostriedky (18) na získanie uvedenej extrahovanej rozpustenej látky, vyznačuj ú- ce sa t ý m, že membrána (28) je pórovitá a neselektívna pre rozpustenú látku, a že jeden zo zdrojov (12, 14) je zdroj (12) na dodávanie hustého plynu.

11. Zariadenie (10) podľa nároku 10, vyznačuj úce sa tým, že zahrnuje prostriedky (36, 38, 40, 42) na prepúšťanie hustého plynu a tekutiny po opačných stranách (44, 46) membrány (28).

12. Zariadenie (10) podľa nároku 11, vyznačuj úce sa tý m, že prostriedky (36, 38, 40, 42) na prepúšťanie sú prispôsobené na prepúšťanie hustého plynu a tekutiny v protiprúde po opačných stranách (44, 46) membrány (28).

13. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 12,vyznačujúce sa tým, že zahrnuje prostriedky (24) na v podstate vyrovnanie tlakov hustého plynu a tekutiny predtým, než vstúpia do modulu (16).

14. Zariadenie (10) podľa nároku 13, vyznačuj úce sa tým, že vyrovnávacie prostriedky (24) zahrnujú prostriedky (26) na v podstate zabránenie extrakcie rozpustenej látky v prostriedkoch na vyrovnávanie tlaku pred extrakciou v module (16).

15. Zariadenie (10) podľa nároku 14, vyznačuj úce sa t ý m, že prostriedkom na zabránenie extrakcie je plávajúca diafragma (26).

16. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

15, vyznačujúce sa tým, že zahrnuje prostriedky (22, 24, 70, 72, 74, 76) na ovládanie prietoku hustého plynu a tekutiny.

17. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

16, vyznačujúce sa tým, že zahrnuje pro- striedky (82, 86, 90) na monitorovanie hustého plynu a tekutiny a veľkosti prenosu rozpustenej látky.

18. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 17, vyznačujúce sa tým, že zahrnuje prostriedky (98) na vracanie hustého plynu a tekutiny do ich príslušných zdrojov (12, 14) po extrakcii rozpustenej látky.

19. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

18 alebo spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8, vyznačujúci sa tým, že hustý plyn je vybraný zo skupiny, ktorá pozostáva z metánu, etánu, propánu, butánu, izobutánu, eténu, propénu, čiastočnefluórovaného uhľovodíka, tetrafluórmetánu, chlórdifluórmetánu, oxidu uhličitého, oxidu dusného, fluoridu sírového, amoniaku a metylchloridu.

20. Zariadenie (10) alebo spôsob podľa nároku 19, vyznačujúci sa tým, že fluórovaný uhľovodík je vybraný zo skupiny, pozostávajúcej z čiastočne fluórovaných metánov, etámov a propánov.

21. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

20 alebo spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, 19 alebo 20, vyznačujúci sa tým, že pórovitou membránou (28) je membrána z dutých vláken.

22. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

21 alebo spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, alebo

19 až 21, vyznačujúci s a tým, že membrána (28) je vyrobená z materiálu, vybraného zo skupiny, pozostávajúcej z polypropylénu, polyetylénu, polytetrafluóretylénu, difluoridu polyvinylidénu, nylonu, polysulfonátu, polykarbonátu, polyesteru, celulózového acetátu, celulózového nitrátu, celulózy a akrylového polyméru.

23. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až

22 alebo spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, alebo

19 až 22, vyznačujúci sa tým, že priemer pórov membrány (28) je poriadku od asi 0,001 gm do asi 1 gm a hrúbka membrány (28) je poriadku od asi 0,005 mm do asi 3 mm.

24. Zariadenie (10) alebo spôsob podľa nároku 23, vyznačujúci sa tým, že priemer pórov membrány (28) je poriadku od asi 0,1 gm do asi 0,2 gm a hrúbka membrány (28) je poriadku od asi 0,2 mm do asi 0,6 mm.

25. Zariadenie (10) podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 24 alebo spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, alebo 19 až 24, vyznačujúci sa tým, že póry membrány (28) sú v podstate symetrické.