WO2024004742A1 - 膜分離システム、及び膜分離装置の運転方法 - Google Patents

膜分離システム、及び膜分離装置の運転方法 Download PDF

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WO2024004742A1
WO2024004742A1 PCT/JP2023/022666 JP2023022666W WO2024004742A1 WO 2024004742 A1 WO2024004742 A1 WO 2024004742A1 JP 2023022666 W JP2023022666 W JP 2023022666W WO 2024004742 A1 WO2024004742 A1 WO 2024004742A1
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WO
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membrane separation
membrane
separation device
temperature
permeate fluid
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/022666
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English (en)
French (fr)
Inventor
直道 木村
知哉 小川
武史 仲野
Original Assignee
日東電工株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/58—Multistep processes

Definitions

  • the present invention relates to a membrane separation system and a method of operating a membrane separation apparatus.
  • Methods have been developed to produce volatile organic compounds (fermented products) such as alcohol by fermenting carbon sources such as glucose using microorganisms. Fermentation of the carbon source is carried out, for example, in an aqueous solution. In this method, when the content of the fermented product in the aqueous solution increases, fermentation by microorganisms may stop. In order to continuously produce fermented products using microorganisms, it is necessary to separate the fermented products from the aqueous solution.
  • Patent Document 1 discloses a membrane separation system that combines a membrane separation device and a fermenter. Patent Document 1 discloses reusing the non-permeable fluid by returning the fermentation liquid (non-permeable fluid) that has not passed through the pervaporation membrane to the fermenter.
  • the permeate fluid When a pervaporation membrane is used to separate a feed liquid into a permeate fluid and a non-permeate fluid, the permeate fluid is usually obtained in a gaseous state. That is, in the pervaporation method, a gaseous permeate fluid is obtained by vaporizing the feed liquid that permeates through the pervaporation membrane. Vaporization of the feed liquid typically requires thermal energy, so large temperature changes can occur in the treated feed liquid (non-permeate fluid).
  • an object of the present invention is to provide a membrane separation system in which a non-permeated fluid sufficiently suitable for reuse can be obtained through treatment using a pervaporation membrane.
  • the present invention A membrane separation system equipped with a membrane separation device,
  • the membrane separation device has a pervaporation membrane,
  • the pervaporation membrane separates a fermentation liquid containing a volatile organic compound and a microorganism that produces the organic compound into a permeate fluid and a non-permeate fluid
  • the absolute value of the difference between the temperature T1 (°C) of the fermentation liquor supplied to the membrane separation device and the temperature T2 (°C) of the non-permeable fluid discharged from the membrane separation device is
  • a membrane separation system is provided in which the temperature of the membrane separation device is adjusted to be less than 10°C.
  • the driving method is a supply step of supplying a fermentation liquid containing a volatile organic compound and a microorganism that produces the organic compound to the membrane separation device; a membrane separation step of separating the fermentation liquor into a permeate fluid and a non-permeate fluid by the pervaporation membrane; including;
  • the absolute value of the difference between the temperature T1 (°C) of the fermentation liquor supplied in the supply step and the temperature T2 (°C) of the non-permeable fluid discharged from the membrane separation device is 10
  • a method for operating a membrane separator which is carried out in a state where the temperature of the membrane separator is adjusted so that the temperature is below .degree.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a membrane separation system of Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic sectional view showing an example of the heating part with which a membrane separation system is provided. It is a schematic sectional view showing an example of a membrane separation device. It is a schematic sectional view of the pervaporation membrane with which a membrane separation device is provided.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing another example of a membrane separation device. It is a schematic block diagram which shows the modification of a membrane separation system. It is a schematic block diagram which shows the modification of a membrane separation system.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a membrane separation system according to a second embodiment.
  • the membrane separation system includes: A membrane separation system equipped with a membrane separation device,
  • the membrane separation device has a pervaporation membrane,
  • the pervaporation membrane separates a fermentation liquid containing a volatile organic compound and a microorganism that produces the organic compound into a permeate fluid and a non-permeate fluid
  • the absolute value of the difference between the temperature T1 (°C) of the fermentation liquor supplied to the membrane separation device and the temperature T2 (°C) of the non-permeable fluid discharged from the membrane separation device is The temperature of the membrane separator is adjusted to below 10°C.
  • the temperature of the membrane separation device is adjusted so that the absolute value is less than 3°C.
  • the temperature T1 is 30°C to 75°C.
  • the membrane separation system according to any one of the first to third aspects further includes a heating section that heats the membrane separation device.
  • the content rate of the organic compound in the permeate fluid is the content rate of the organic compound in the fermentation liquid. higher than
  • the organic compound is alcohol
  • the membrane separation system according to any one of the first to sixth aspects further includes a tank that stores the fermentation liquid to be supplied to the membrane separation device.
  • the membrane separation system according to the seventh aspect further includes a non-permeable fluid discharge path connected to the membrane separator and for discharging the non-permeable fluid from the membrane separator.
  • the non-permeable fluid discharge path is connected to the tank.
  • the membrane separation system in any one of the first to eighth aspects includes a second pervaporation system that separates the permeate fluid into a second permeate fluid and a second non-permeate fluid.
  • the apparatus further includes a second membrane separation device having a membrane.
  • the temperature of the second non-permeable fluid discharged from the second membrane separation device is 30°C to 75°C.
  • the membrane separation system includes a tank for storing the fermentation liquid to be supplied to the membrane separation device; a second non-permeate fluid discharge path connected to the second membrane separator and for discharging the second non-permeate fluid from the second membrane separator; Furthermore, The second non-permeable fluid discharge path is connected to the tank.
  • the method for operating a membrane separator includes: A method of operating a membrane separation device having a pervaporation membrane, the method comprising: The driving method is a supply step of supplying a fermentation liquid containing a volatile organic compound and a microorganism that produces the organic compound to the membrane separation device; a membrane separation step of separating the fermentation liquor into a permeate fluid and a non-permeate fluid by the pervaporation membrane; including; In the membrane separation step, the absolute value of the difference between the temperature T1 (°C) of the fermentation liquor supplied in the supply step and the temperature T2 (°C) of the non-permeable fluid discharged from the membrane separation device is 10 The temperature of the membrane separator is controlled so that the temperature is below .degree.
  • the membrane separation system 100 of Embodiment 1 includes a membrane separation device 10.
  • the membrane separation device 10 includes a pervaporation membrane, and a supply space and a permeation space separated by the pervaporation membrane.
  • the pervaporation membrane can separate the fermentation liquid S containing a volatile organic compound C and a microorganism that produces the organic compound C into a permeate fluid and a non-permeate fluid.
  • the microorganism that produces the organic compound C is typically a fungus.
  • the membrane separation system 100 calculates the absolute value of the difference (
  • the membrane separation device 10 is a device that performs membrane separation on the fermentation liquid S using a pervaporation membrane.
  • the pervaporation membrane is typically a membrane that allows the organic compound C contained in the fermentation liquid S to permeate preferentially. Therefore, the permeate fluid separated by the pervaporation membrane has a higher content of organic compounds C than the fermentation liquid S.
  • the non-permeate fluid has a lower content of organic compounds C than the fermentation liquid S.
  • the membrane separation system 100 further includes a heating section 50 that heats the membrane separation device 10.
  • the heating unit 50 is located near the membrane separation device 10, and is in direct contact with the membrane separation device 10, for example.
  • the heating section 50 may surround the membrane separation device 10.
  • the membrane separation system 100 may include a heat pump, and a heat exchanger included in the heat pump may function as the heating unit 50.
  • the heating unit 50 is configured to utilize heat (waste heat) obtained from another heat exchanger included in the membrane separation system 100 (for example, a heat exchanger disposed in the permeated fluid discharge path 62 described below). You can leave it there.
  • the heating unit 50 may be a heater such as an electric heater.
  • the membrane separation system 100 further includes a tank 20 along with the membrane separation device 10.
  • the tank 20 stores the fermented liquid S to be supplied to the membrane separation device 10.
  • Tank 20 may be a fermenter for producing organic compound C by fermentation of a carbon source by microorganisms.
  • the membrane separation system 100 further includes a fermentation liquid supply path 60, a non-permeated fluid discharge path 61, and a permeated fluid discharge path 62.
  • the fermented liquid supply route 60 is a route for supplying the fermented liquid S from the tank 20 to the membrane separator 10 during operation, and is connected to the outlet 21 of the tank 20 and the supply space inlet 13a of the membrane separator 10. ing.
  • a pump 40 that controls the flow rate of the fermented liquid S is arranged in the fermented liquid supply path 60.
  • a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature T1 of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10 may be arranged in the fermented liquid supply path 60. The temperature sensor is located, for example, between the pump 40 and the membrane separator 10, preferably near the supply space inlet 13a of the membrane separator 10.
  • the non-permeable fluid discharge path 61 is a path for discharging non-permeable fluid from the membrane separator 10 during operation, and is connected to the supply space outlet 13b of the membrane separator 10.
  • a pump 41 that controls the flow rate of the non-permeable fluid is arranged in the non-permeable fluid discharge path 61.
  • the pump 41 may not be disposed in the non-permeable fluid discharge path 61.
  • a temperature sensor (not shown) may be disposed in the non-permeable fluid discharge path 61 to measure the temperature T2 of the non-permeable fluid discharged from the membrane separation device 10.
  • the temperature sensor is located, for example, between the membrane separator 10 and the pump 41, preferably near the supply space outlet 13b of the membrane separator 10.
  • the non-permeable fluid discharge path 61 is connected to the inlet 22 of the tank 20 and may be configured to send non-permeable fluid to the tank 20 during operation. That is, during operation, the non-permeable fluid may be mixed with the fermented liquid S in the tank 20 and circulated through the fermented liquid supply path 60 and the non-permeable fluid discharge path 61.
  • the non-permeable fluid is sent to the tank 20
  • the fermented liquid S and the non-permeated fluid are mixed in the tank 20, and the content of organic compounds C in the fermented liquid S is reduced.
  • the tank 20 is a fermenter, the content rate of organic compound C in the fermentation liquid S decreases, thereby suppressing the stoppage of fermentation by microorganisms, thereby making it possible to continuously produce fermented products. can.
  • the permeate fluid discharge path 62 is a path for discharging the permeate fluid from the membrane separator 10 during operation, and is connected to the permeate space outlet 14a of the membrane separator 10.
  • a pressure reducing device 42 is arranged in the permeated fluid discharge path 62.
  • the pressure reduction device 42 can reduce the pressure inside the permeation space of the membrane separation device 10.
  • the pressure reducing device 42 is a vacuum device such as a vacuum pump.
  • the vacuum pump is typically a gas transport type vacuum pump, such as a reciprocating type vacuum pump or a rotary type vacuum pump. Examples of reciprocating vacuum pumps include diaphragm type and swing piston type vacuum pumps.
  • rotary vacuum pumps examples include liquid ring pumps; oil rotary pumps (rotary pumps); mechanical booster pumps; and various dry pumps such as roots type, claw type, screw type, turbo type, and scroll type.
  • the pump serving as the pressure reducing device 42 may be equipped with a variable speed mechanism for changing the rotation speed and the like.
  • An example of a variable speed mechanism is an inverter that drives a pump motor. By controlling the rotation speed of the pump using a variable speed mechanism, the pressure in the permeation space of the membrane separator 10 can be adjusted appropriately.
  • a heat exchanger for cooling the permeate fluid may be further disposed in the permeate fluid discharge path 62.
  • the heat exchanger allows the gaseous permeate fluid to be condensed.
  • the heat exchanger is, for example, a gas-liquid heat exchanger that produces heat exchange between a cooling medium, such as an antifreeze liquid, and a gaseous permeate fluid.
  • the heat exchanger may be located between the membrane separation device 10 and the pressure reduction device 42 (upstream of the pressure reduction device 42), or between the pressure reduction device 42 and the recovery section 30 (described later) (the pressure reduction device 42). may be located downstream).
  • the membrane separation system 100 further includes a recovery section 30.
  • the recovery unit 30 can recover the permeate fluid sent from the membrane separation device 10 and, for example, store the permeate fluid.
  • the recovery unit 30 is, for example, a tank that stores the permeate fluid.
  • a permeate fluid discharge path 62 is connected to the inlet 31 of the recovery section 30 .
  • the membrane separation system 100 may further include a controller 45 that controls each member of the membrane separation system 100.
  • the controller 45 is, for example, a DSP (Digital Signal Processor) including an A/D conversion circuit, an input/output circuit, an arithmetic circuit, a storage device, and the like.
  • the controller 45 stores a program for appropriately operating the membrane separation system 100.
  • the controller 45 can control the operation of the heating unit 50 to adjust the temperature of the membrane separation device 10.
  • each path of the membrane separation system 100 is configured with, for example, metal or resin piping.
  • the heating unit 50 has a main body 51 in which a housing space 54 is formed, and a heat medium 55 for heating the membrane separation device 10 is introduced into the housing space 54.
  • the main body section 51 includes an inner wall 52 and an outer wall 53.
  • a housing space 54 is formed between the inner wall 52 and the outer wall 53.
  • the shape of each of the inner wall 52 and the outer wall 53 is, for example, cylindrical, or may be cylindrical.
  • the inner wall 52 for example, surrounds the membrane separation device 10 and is in direct contact with the membrane separation device 10 .
  • an opening 56a and an opening 56b located above the opening 56a are formed in the outer wall 53.
  • the opening 56a is connected to a heat medium supply path 57 for supplying the heat medium 55 to the housing space 54, and functions as a heat medium inlet.
  • the opening 56b is connected to a heat medium discharge path 58 for discharging the heat medium 55 from the accommodation space 54, and functions as a heat medium outlet.
  • the heat medium 55 is introduced into the accommodation space 54 through the opening 56a.
  • the heat medium 55 introduced into the accommodation space 54 exchanges heat with the membrane separation device 10 via the inner wall 52 and heats the membrane separation device 10 .
  • the heat medium 55 that has exchanged heat with the membrane separator 10 is discharged from the accommodation space 54 through the opening 56b.
  • the heat medium discharge path 58 is connected to the heat medium supply path 57, and the heat medium 55 is configured to circulate through the heat medium supply path 57, the accommodation space 54, and the heat medium discharge path 58. It's okay.
  • the heat medium 55 is typically hot water.
  • the heat medium 55 may be steam (for example, water vapor).
  • the steam may be utilized at a pressure greater than or equal to the atmospheric pressure of the surrounding environment, or may be utilized at a pressure less than the atmospheric pressure of the surrounding environment.
  • steam utilized under a pressure lower than the atmospheric pressure of the surrounding environment may be referred to as vacuum steam.
  • the temperature of the heat medium 55 is set so that the above absolute value
  • the temperature of the heat medium 55 may be approximately the same as the temperature T1 of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10.
  • the heating section 50 is not limited to that shown in FIG. 2.
  • the heating unit 50 may be a heater (especially an electric heater) arranged to cover the membrane separation device 10.
  • the membrane separation device 10 includes a pervaporation membrane 11 and a tank 12.
  • the tank 12 has a first chamber 13 and a second chamber 14.
  • the first chamber 13 functions as a supply space to which the fermented liquid S is supplied.
  • the second chamber 14 functions as a permeation space to which permeation fluid 80 is supplied.
  • the permeate fluid 80 is obtained by permeating the fermentation liquid S through the pervaporation membrane 11 .
  • the pervaporation membrane 11 is placed inside the tank 12. Inside the tank 12, the pervaporation membrane 11 separates a first chamber 13 and a second chamber 14. The pervaporation membrane 11 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 12 to the other.
  • the first chamber 13 has a supply space inlet 13a and a supply space outlet 13b.
  • the second chamber 14 has a permeation space outlet 14a.
  • the supply space inlet 13a is an opening for supplying the fermented liquid S to the supply space (first chamber 13).
  • the permeation space outlet 14a is an opening for discharging the permeation fluid 80 from the permeation space (second chamber 14).
  • the supply space outlet 13b is an opening for discharging the fermentation liquid S (non-permeable fluid 81) that has not passed through the pervaporation membrane 11 from the supply space (first chamber 13).
  • Each of the supply space inlet 13a, the supply space outlet 13b, and the permeation space outlet 14a is formed on the wall surface of the tank 12, for example.
  • the membrane separation device 10 is suitable for a flow type (continuous type) membrane separation method. However, the membrane separation device 10 may be used in a batch-type membrane separation method.
  • the pervaporation membrane 11 is typically a membrane (separation membrane) that allows the organic compound C contained in the fermentation liquid S to permeate preferentially.
  • the pervaporation membrane 11 generates a gaseous permeate fluid 80 containing the organic compound C by, for example, a pervaporation method.
  • the pervaporation membrane 11 includes, for example, a separation functional layer 1 and a porous support 2 that supports the separation functional layer 1.
  • the pervaporation membrane 11 may further include a protective layer (not shown) that protects the separation functional layer 1.
  • the separation functional layer 1 is in direct contact with the porous support 2, for example.
  • the pervaporation membrane 11 has a main surface 11a on the separation functional layer side exposed to the first chamber 13, and a main surface 11b on the porous support side exposed to the second chamber 14.
  • the separation functional layer 1 is typically a layer that allows the organic compound C contained in the fermentation liquid S to permeate preferentially.
  • the separation functional layer 1 includes, for example, a hydrophobic material.
  • a hydrophobic material means, for example, that when a 10 ⁇ L water droplet (temperature 25°C) is dropped on the surface of a test piece made of the material, the static contact angle of water exceeds 90°. means material. Note that the static contact angle of water can be measured using a commercially available contact angle meter.
  • hydrophobic material examples include compounds having siloxane bonds (Si-O-Si bonds), olefin polymers, oils, fluorine compounds, and the like. It is preferable that the separation functional layer 1 contains a compound having a siloxane bond as a hydrophobic material.
  • the compound having a siloxane bond is typically a silicone-based polymer.
  • the silicone polymer may be solid or liquid at 25°C.
  • Specific examples of silicone polymers include polydimethylsiloxane (PDMS).
  • olefin polymers include polyethylene and polypropylene.
  • oil examples include hydrocarbon oils such as liquid paraffin.
  • fluorine-based compound examples include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). Hydrophobic materials can be used alone or in combination of two or more.
  • the separation functional layer 1 may contain a hydrophobic material as a main component, or may be substantially composed only of a hydrophobic material.
  • "Main component” means the component contained in the separation functional layer 1 in the largest amount by weight.
  • the separation functional layer 1 may include a matrix containing a hydrophobic material and a filler dispersed in the matrix.
  • the filler is embedded within the matrix. Within the matrix, all fillers may be spaced apart from each other or may be partially aggregated.
  • the filler includes, for example, inorganic materials such as zeolite, silica, and bentonite.
  • the zeolite contained in the filler is preferably a high-silica zeolite with a high ratio of silica to alumina.
  • High silica zeolite has excellent hydrolysis resistance and is therefore suitable for use in separating fermentation liquid S.
  • HSZ registered trademark
  • HiSiv registered trademark
  • USKY manufactured by Union Showa Co., Ltd.
  • Zeoal registered trademark
  • the filler may include a metal-organic-framework (MOF).
  • the metal-organic framework is also called a porous coordination polymer (PCP).
  • PCP porous coordination polymer
  • the metal-organic framework is hydrophobic.
  • Metal-organic frameworks include, for example, metal ions and organic ligands. Examples of metal ions include Zn ions.
  • the organic ligand includes, for example, an aromatic ring. Examples of the aromatic ring contained in the organic ligand include an imidazole ring. Examples of the organic ligand include 2-methylimidazole. Specific examples of the metal-organic framework include ZIF-8 and the like.
  • the shape of the filler is, for example, particulate.
  • "particulate” includes spherical, ellipsoidal, scaly, and fibrous.
  • the average particle size of the filler is not particularly limited, and is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the average particle size of the filler is, for example, 0.01 ⁇ m.
  • the average particle size of the filler can be determined, for example, by the following method. First, a cross section of the separation functional layer 1 is observed using a transmission electron microscope. In the obtained electron microscope image, the area of a specific filler is calculated by image processing.
  • the diameter of a circle having the same area as the calculated area is regarded as the particle size (particle diameter) of that particular filler.
  • the particle diameters of an arbitrary number of fillers (at least 50) are calculated, and the average value of the calculated values is regarded as the average particle diameter of the fillers.
  • the filler content in the separation functional layer 1 is, for example, 10 wt% or more, preferably 30 wt% or more, and more preferably 40 wt% or more.
  • the upper limit of the filler content in the separation functional layer 1 is not particularly limited, and is, for example, 70 wt%.
  • the content of the matrix in the separation functional layer 1 is not particularly limited, and is, for example, 30 wt% to 90 wt%.
  • the thickness of the separation functional layer 1 is, for example, 200 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or less, and more preferably 80 ⁇ m or less.
  • the thickness of the separation functional layer 1 may be 1.0 ⁇ m or more, 10 ⁇ m or more, or 30 ⁇ m or more.
  • the separation functional layer 1 may have a microporous structure with an average pore diameter of less than 0.01 ⁇ m, but it may also be a dense layer with no pores on the surface.
  • porous support 2 examples include nonwoven fabric; porous polytetrafluoroethylene; aromatic polyamide fiber; porous metal; sintered metal; porous ceramic; porous polyester; porous nylon; activated carbon fiber; latex silicone; silicone rubber; permeable material containing at least one selected from the group consisting of polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyetheretherketone, polyacrylonitrile, polyimide, and polyphenylene oxide. (porous) polymers; metal foams with open or closed cells; polymer foams with open or closed cells; silica; porous glass; mesh screens, and the like.
  • the porous support 2 may be a combination of two or more of these.
  • the porous support 2 has an average pore diameter of, for example, 0.01 to 0.4 ⁇ m.
  • the thickness of the porous support 2 is not particularly limited, and is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 50 ⁇ m or more, and more preferably 100 ⁇ m or more.
  • the thickness of the porous support 2 is, for example, 300 ⁇ m or less, preferably 200 ⁇ m or less.
  • the protective layer covers the surface of the separation functional layer 1, for example.
  • the material for the protective layer is not particularly limited, and examples thereof include silicone resin.
  • the material of the protective layer may be the same as the material of the matrix of the separation functional layer 1.
  • the thickness of the protective layer is not particularly limited, and is, for example, 0.5 ⁇ m or more, preferably 1 ⁇ m or more, more preferably 5 ⁇ m or more, and still more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the thickness of the protective layer is, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less, and more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the pervaporation membrane 11 can be produced, for example, by forming the separation functional layer 1 on the porous support 2. Specifically, first, a coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is prepared. The coating liquid may contain a dispersant for dispersing the filler in the coating liquid together with the filler. When the coating liquid contains a compound having a siloxane bond, the coating liquid may further contain a catalyst for curing the compound. Next, the coating liquid is applied onto the porous support 2 to obtain a coating film. The separation functional layer 1 is formed by drying the coating film.
  • the operating method of the membrane separation system 100 includes, for example, a supply step in which the fermentation liquid S is supplied to the membrane separation device 10, and a pervaporation membrane 11 that separates the fermentation liquid S into a permeate fluid 80 and a non-permeate fluid. 81.
  • the supply step as shown in FIG. 3, the fermented liquid S is supplied to the first chamber 13 of the membrane separation device 10 through the supply space inlet 13a. Thereby, the fermentation liquid S can be brought into contact with one surface (for example, the main surface 11a) of the pervaporation membrane 11.
  • the fermentation liquid S contains a volatile organic compound C and a microorganism that produces the organic compound C.
  • the fermentation liquid S contains water in addition to the organic compound C and microorganisms, for example.
  • Fermentation liquid S is typically an aqueous solution containing organic compound C and microorganisms.
  • the organic compound C contained in the fermentation liquid S is not particularly limited as long as it has volatility.
  • a volatile organic compound means an organic compound having a boiling point of 20° C. to 260° C., preferably 50° C. to 260° C. at atmospheric pressure (101.325 kPa). Note that, for example, when the organic compound C has a high concentration in an aqueous solution, it produces an aqueous phase containing water as a main component and an organic phase having a higher content of organic compound C than the aqueous phase. be.
  • the number of carbon atoms in the organic compound C is not particularly limited, and may be, for example, 10 or less, 8 or less, 6 or less, or even 4 or less.
  • the lower limit of the number of carbon atoms in the organic compound C may be 1 or 2.
  • the organic compound C has a functional group containing an oxygen atom, such as a hydroxyl group, a carbonyl group, an ether group, or an ester group. In organic compound C, the number of functional groups containing an oxygen atom is typically one.
  • Examples of the organic compound C include alcohol, ketone, ester, etc., and alcohol is preferable.
  • the organic compound C is alcohol, the organic compound C is easily compatible with water, and the environment within the system is less likely to be biased.
  • the alcohol may be an alkyl alcohol composed only of an alkyl group and a hydroxyl group, or an aryl alcohol containing an aryl group and a hydroxyl group.
  • the alkyl alcohol may be linear, branched, or cyclic.
  • alkyl alcohol examples include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, 2-butanol, isobutanol, t-butanol, and n-pentanol, with n-butanol being preferred.
  • N-butanol is a compound that produces two phases (aqueous phase and organic phase) from an aqueous solution when its content in the aqueous solution is about 8 wt% or more.
  • the organic compound C is n-butanol
  • the content of the organic compound C in the permeate fluid is about 8 wt% or more
  • an aqueous phase and an organic phase are generated in the permeate fluid after liquefaction. be able to.
  • the permeate fluid can be easily purified by separating the aqueous and organic phases.
  • the aryl alcohol include phenol.
  • the ketone may be a dialkyl ketone composed only of an alkyl group and a carbonyl group.
  • dialkyl ketones include methyl ethyl ketone (MEK) and acetone.
  • the ester may be a fatty acid alkyl ester composed only of an alkyl group and an ester group.
  • fatty acid alkyl esters include ethyl acetate.
  • organic compound C is not limited to those mentioned above.
  • the organic compound C may be an aromatic hydrocarbon such as benzene, toluene, or xylene.
  • the fermentation liquid S may contain one type of organic compound C, or may contain two or more types of organic compound C.
  • the content of organic compound C in the fermentation liquid S is, for example, 50 wt% or less, and may be 30 wt% or less, 10 wt% or less, 5 wt% or less, 2 wt% or less, or even 1 wt% or less.
  • the lower limit of the content of organic compound C is not particularly limited, and is, for example, 0.01 wt%.
  • the organic compound C is a fermented product produced by fermenting a carbon source by a microorganism, and is preferably an alcohol (bioalcohol) produced by a microorganism.
  • fermentation liquid S may further contain other components such as a carbon source, a nitrogen source, and inorganic ions.
  • carbon sources include polysaccharides such as starch and monosaccharides such as glucose.
  • the amount of fermentation liquid S supplied to the membrane separation device 10 is not particularly limited, and is determined according to the processing capacity of the membrane separation device 10.
  • the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10 may or may not be heated in advance.
  • the temperature T1 of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10 is, for example, higher than the temperature T3 of the fermented liquid S in the tank 20.
  • the temperature T3 is set to a temperature (fermentation temperature) at which production of organic compound C by microorganisms is promoted.
  • Temperature T3 is, for example, 15°C to 40°C, preferably 30°C to 40°C.
  • the temperature T1 is, for example, lower than the temperature T4 at which microorganisms in the fermentation liquid S are killed. That is, the temperatures T1, T3, and T4 satisfy, for example, the relationship T4>T1 ⁇ T3.
  • the temperature T1 of the fermentation liquid S supplied to the membrane separation device 10 is, for example, 15°C to 75°C, may be 30°C to 75°C, or may be 30°C to 50°C.
  • the membrane separation step is performed by the following method. First, with the fermentation liquid S in contact with one surface of the pervaporation membrane 11, the pressure in the space adjacent to the other surface (for example, the main surface 11b) of the pervaporation membrane 11 is reduced. Specifically, the pressure inside the second chamber 14 is reduced through the permeation space outlet 14a. The pressure inside the second chamber 14 can be reduced, for example, by the pressure reduction device 42. The pressure in the second chamber 14 is, for example, 50 kPa or less, and may be 20 kPa or less, 10 kPa or less, 5 kPa or less, 3 kPa or less, or even 2 kPa or less. In this specification, unless otherwise specified, "pressure" means absolute pressure.
  • permeate fluid 80 By reducing the pressure inside the second chamber 14, a permeate fluid 80 with a high content of organic compounds C can be obtained on the other side of the pervaporation membrane 11.
  • permeate fluid 80 is supplied to second chamber 14 .
  • permeate fluid 80 is typically a gas.
  • the permeate fluid 80 is discharged to the outside of the membrane separation device 10 through the permeate space outlet 14a.
  • Non-permeable fluid 81 is typically a liquid.
  • the pervaporation membrane 11 of the membrane separation device 10 can preferentially permeate the organic compound C contained in the fermentation liquid S. Therefore, the permeate fluid 80 obtained by operating the membrane separator 10 has a higher content of organic compounds C than the fermentation liquid S supplied to the membrane separator 10.
  • the ratio of the content (wt%) of organic compound C in the permeate fluid 80 to the content (wt%) of organic compound C in fermentation liquid S is not particularly limited.
  • the membrane separation system 100 maintains the temperature T1 (° C.) of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10 and the temperature T2 (° C.) of the non-permeate fluid 81 discharged from the membrane separation device 10.
  • the temperature of the membrane separator 10 is adjusted so that the absolute value of the difference (
  • the membrane separation step is performed so that a large temperature change does not occur in the fermented liquid S (non-permeated fluid 81) treated by the pervaporation membrane 11.
  • the temperature of the membrane separator 10 can be adjusted, for example, by heating the membrane separator 10 with the heating section 50.
  • the membrane separation step if the above absolute value
  • the temperature T1 is about the fermentation temperature of microorganisms, even if the fermented liquid S (non-permeable fluid 81) whose temperature change is suppressed is supplied to the tank 20 serving as a fermenter, the fermented liquid S stored in the tank 20 Since the temperature hardly changes, the reduction of microorganisms in the fermentation liquid S can also be suppressed.
  • the non-permeable fluid 81 that is fully suitable for reuse can be obtained by the treatment (membrane separation step) using the pervaporation membrane 11.
  • a pretreatment device For example, it is not necessary to have a filtration device.
  • is preferably less than 8°C, and may be less than 5°C, less than 3°C, or even less than 2°C.
  • may be substantially 0°C.
  • the temperature T2 of the non-permeate fluid 81 discharged from the membrane separation device 10 may be higher than the temperature T1 of the fermentation liquid S supplied to the membrane separation device 10, or may be lower than the temperature T1.
  • Temperature T2 is, for example, 15°C to 75°C, may be 30°C to 75°C, or may be 30°C to 50°C.
  • the ratio T2/T1 of temperature T2 to temperature T1 is not particularly limited.
  • the above membrane separation process can be stopped by increasing the pressure in the permeation space of the membrane separation device 10.
  • the pervaporation membrane 11 of the membrane separation device 10 may be cleaned by a known method.
  • the pervaporation membrane 11 can be cleaned periodically or at any timing.
  • the permeate fluid 80 with a high content of organic compound C can be produced.
  • the organic compound C can be produced as the permeate fluid 80 by the operating method of this embodiment.
  • the absolute value of the difference between the temperature T1 (°C) of the fermented liquid S supplied in the supply step and the temperature T2 (°C) of the non-permeable fluid 81 discharged from the membrane separation device 10 is less than 10°C.
  • the temperature of the membrane separator 10 is adjusted so that The content of organic compound C in permeate fluid 80 is higher than the content of organic compound C in fermentation liquor S, providing a method for producing organic compound C.
  • the membrane separation device 10 may be a spiral type membrane element, a hollow fiber membrane element, a disk tube type membrane element in which a plurality of pervaporation membranes are stacked, a plate and frame type membrane element, or the like.
  • Figure 5 shows a spiral-shaped membrane element.
  • the membrane separation device 15 in FIG. 5 includes a central tube 16 and a stacked body 17.
  • the laminate 17 includes the pervaporation membrane 11.
  • the central tube 16 has a cylindrical shape. A plurality of holes or slits are formed on the surface of the center tube 16 to allow the permeate fluid 80 to flow into the center tube 16 .
  • Examples of materials for the center tube 16 include resins such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS resin), polyphenylene ether resin (PPE resin), and polysulfone resin (PSF resin); metals such as stainless steel and titanium. It will be done.
  • the inner diameter of the central tube 16 is, for example, in the range of 20 to 100 mm.
  • the laminate 17 further includes a supply side channel material 18 and a permeate side channel material 19.
  • the laminate 17 is wound around the central tube 16.
  • the membrane separation device 15 may further include an exterior material (not shown).
  • the supply side channel material 18 and the permeate side channel material 19 are made of resin made of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), or ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), for example. Nets, woven or knitted fabrics can be used.
  • the membrane separation device 15 can be operated, for example, in the following manner. First, the fermentation liquid S is supplied to one end of the wound stacked body 17. The space inside the central tube 16 is depressurized. As a result, the permeated fluid 80 that has passed through the pervaporation membrane 11 of the laminate 17 moves into the center tube 16 . Permeate fluid 80 is discharged to the outside through central tube 16 . The fermented liquor S (non-permeable fluid 81) treated by the membrane separator 15 is discharged to the outside from the other end of the wound stack 17.
  • the membrane separation system 100 may include a plurality of membrane separation devices 10, and the plurality of membrane separation devices 10 may be connected to each other in series or parallel.
  • a plurality of membrane separators 10 are connected in series means that the fermented liquid S discharged from the supply space of the membrane separator 10 in the previous stage (non-permeable during operation of the membrane separation system) This refers to a configuration in which a plurality of membrane separation devices 10 are connected to each other so that fluid (fluid) is supplied to the supply space of the subsequent membrane separation device 10.
  • a plurality of membrane separators 10 are connected in parallel means that a plurality of membrane separators 10 are connected in parallel so that the fermentation liquid S sent from the tank 20 is supplied to each supply space of the plurality of membrane separators 10. This refers to a configuration in which the separation devices 10 are connected to each other.
  • the number of membrane separation devices 10 in the membrane separation system 100 is not particularly limited, and is, for example, 2 to 5.
  • FIG. 6A is a schematic diagram of a membrane separation system 110 including two membrane separation devices 10A and 10B connected in series.
  • the membrane separation system 110 has the same configuration as the membrane separation system 100, except that it includes two membrane separation devices 10A and 10B. Therefore, common elements between the membrane separation system 100 described above and the modified membrane separation system 110 are given the same reference numerals, and their explanations may be omitted. That is, the description regarding each embodiment can be mutually applied unless there is a technical contradiction. Furthermore, the embodiments may be combined with each other unless technically inconsistent.
  • the membrane separation devices 10A and 10B are connected to each other in series.
  • the membrane separation system 110 further includes a connection path 63 that connects the membrane separation devices 10A and 10B to each other.
  • the connection path 63 is connected to the supply space outlet 13b of the membrane separation device 10A and the supply space inlet 13c of the membrane separation device 10B.
  • a fermented liquid supply path 60 is connected to the supply space inlet 13a of the membrane separation device 10A
  • a non-permeable fluid discharge path 61 is connected to the supply space outlet 13d of the membrane separation device 10B.
  • the permeate fluid discharge path 62 has a first portion 62a and a second portion 62b.
  • a first portion 62a of the permeate fluid discharge path 62 is connected to the permeate space outlet 14a of the membrane separator 10A, and a second portion 62b is connected to the permeate space outlet 14b of the membrane separator 10B.
  • the second portion 62b merges with the first portion 62a at a merge position 70.
  • two pressure reducing devices 42A and 42B are arranged in the permeated fluid discharge path 62.
  • the pressure reduction device 42A is located between the membrane separation device 10A and the confluence position 70, and can reduce the pressure in the permeation space of the membrane separation device 10A.
  • the pressure reduction device 42B is located between the membrane separation device 10B and the confluence position 70, and can reduce the pressure in the permeation space of the membrane separation device 10B.
  • one pressure reducing device may be disposed in the permeated fluid discharge path 62, and the pressure reducing device may be located between the merging position 70 and the recovery section 30. That is, one pressure reducing device may be shared by the membrane separation devices 10A and 10B.
  • the membrane separation system 110 includes a heating section 50A that heats the membrane separation device 10A, and a heating section 50B that heats the membrane separation device 10B.
  • the heating unit 50A is located near the membrane separation device 10A, and is in direct contact with the membrane separation device 10A, for example.
  • the heating unit 50B is located near the membrane separation device 10B, and is in direct contact with the membrane separation device 10B, for example.
  • the pervaporation membrane 11A of the membrane separation device 10A may be the same as or different from the pervaporation membrane 11B of the membrane separation device 10B, except for the membrane area.
  • the ratio of the membrane area (m 2 ) of the pervaporation membrane 11A to the total value (m 2 ) of the membrane area of the pervaporation membrane 11A and the membrane area of the pervaporation membrane 11B is not particularly limited.
  • the membrane separation system 110 can be operated by the following method. First, in the supply step, the pump 40 is operated to supply the fermented liquid S from the tank 20 to the membrane separator 10A, and further to supply the fermented liquid S from the membrane separator 10A to the membrane separator 10B. Thereby, the fermentation liquid S can be brought into contact with each of the pervaporation membrane 11A of the membrane separation device 10A and the pervaporation membrane 11B of the membrane separation device 10B.
  • the membrane separation process can be performed in both the membrane separation devices 10A and 10B, and the permeate fluid can be obtained from each of the membrane separation devices 10A and 10B.
  • the fermented liquid S (non-permeate fluid) processed by the membrane separator 10A is sent to the membrane separator 10B through the connection path 63, and further processed in the membrane separator 10B.
  • the membrane separation system 110 calculates the difference between the temperature T1A (°C) of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10A and the temperature T2A (°C) of the non-permeate fluid discharged from the membrane separation device 10A.
  • the temperature of the membrane separator 10A is adjusted so that the absolute value of
  • the membrane separation system 110 determines the temperature T1B (°C) of the fermentation liquid S (non-permeate fluid discharged from the membrane separator 10A) supplied to the membrane separator 10B and the non-permeate fluid discharged from the membrane separator 10B.
  • the temperature of the membrane separator 10B is adjusted so that the absolute value
  • the temperatures of the membrane separators 10A and 10B can be adjusted by heating in the heating sections 50A and 50B, respectively.
  • the membrane separation system 110 calculates the absolute value of the difference between the temperature T1A (°C) of the fermentation liquid S supplied to the membrane separation device 10A and the temperature T2B (°C) of the non-permeate fluid discharged from the membrane separation device 10B
  • the membrane separation process can be stopped by increasing the pressure in the permeation space in at least one of the membrane separation devices 10A and 10B.
  • FIG. 6B is a schematic configuration diagram of a membrane separation system 120 including two membrane separation devices 10A and 10B connected in parallel to each other.
  • the membrane separation system 120 has the same configuration as the membrane separation system 100, except that it includes two membrane separation devices 10A and 10B.
  • the membrane separation devices 10A and 10B are connected in parallel to each other.
  • the fermentation liquid supply path 60 has a first portion 60a and a second portion 60b.
  • a first portion 60a of the fermentation liquid supply path 60 is connected to the supply space inlet 13a of the membrane separation device 10A, and a second portion 60b is connected to the supply space inlet 13c of the membrane separation device 10B.
  • the second portion 60b branches from the first portion 60a at a branching position 71.
  • the branch position 71 is located, for example, between the pump 40 and the membrane separator 10A.
  • the non-permeable fluid discharge path 61 has a first portion 61a and a second portion 61b.
  • a first portion 61a of the non-permeable fluid discharge path 61 is connected to the feed space outlet 13b of the membrane separation device 10A, and a second portion 61b is connected to the feed space outlet 13d of the membrane separation device 10B.
  • the second portion 61b merges with the first portion 61a at a merge position 72.
  • the merging position 72 is located, for example, between the pump 41 and the membrane separator 10A.
  • the permeate discharge path 62 has a first portion 62a and a second portion 62b.
  • a first portion 62a of the permeate fluid discharge path 62 is connected to the permeate space outlet 14a of the membrane separator 10A, and a second portion 62b is connected to the permeate space outlet 14b of the membrane separator 10B.
  • the second portion 62b merges with the first portion 62a at a merge position 70.
  • two pressure reducing devices 42A and 42B are arranged in the permeated fluid discharge path 62.
  • the pressure reduction device 42A is located between the membrane separation device 10A and the confluence position 70, and can reduce the pressure in the permeation space of the membrane separation device 10A.
  • the pressure reduction device 42B is located between the membrane separation device 10B and the confluence position 70, and can reduce the pressure in the permeation space of the membrane separation device 10B.
  • one pressure reducing device may be disposed in the permeated fluid discharge path 62, and the pressure reducing device may be located between the merging position 70 and the recovery section 30. That is, one pressure reducing device may be shared by the membrane separation devices 10A and 10B.
  • the membrane separation system 120 includes a heating section 50A that heats the membrane separation device 10A, and a heating section 50B that heats the membrane separation device 10B.
  • the heating unit 50A is located near the membrane separation device 10A, and is in direct contact with the membrane separation device 10A, for example.
  • the heating unit 50B is located near the membrane separation device 10B, and is in direct contact with the membrane separation device 10B, for example.
  • the pervaporation membrane 11A of the membrane separation device 10A may be the same as or different from the pervaporation membrane 11B of the membrane separation device 10B.
  • the ratio of the membrane area (m 2 ) of the pervaporation membrane 11A to the total value (m 2 ) of the membrane area of the pervaporation membrane 11A and the membrane area of the pervaporation membrane 11B is not particularly limited.
  • the membrane separation system 120 can be operated by the following method. First, in the supply step, the pump 40 is operated to supply the fermented liquid S from the tank 20 to each of the membrane separators 10A and 10B. Thereby, the fermentation liquid S can be brought into contact with each of the pervaporation membrane 11A of the membrane separation device 10A and the pervaporation membrane 11B of the membrane separation device 10B.
  • the pressure in the permeation space of the membrane separator 10A is reduced through the permeation space outlet 14a, and the pressure in the permeation space of the membrane separation apparatus 10B is reduced through the permeation space outlet 14b.
  • the membrane separation process can be performed in both the membrane separation devices 10A and 10B, and the permeate fluid can be obtained from each of the membrane separation devices 10A and 10B.
  • the membrane separation system 120 calculates the difference between the temperature T1A (°C) of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10A and the temperature T2A (°C) of the non-permeate fluid discharged from the membrane separation device 10A.
  • the temperature of the membrane separator 10A is adjusted so that the absolute value of
  • the membrane separation system 120 determines the absolute difference between the temperature T1B (°C) of the fermented liquid S supplied to the membrane separation device 10B and the temperature T2B (°C) of the non-permeate fluid discharged from the membrane separation device 10B.
  • the temperature of the membrane separator 10B is adjusted so that the value
  • the temperatures of the membrane separators 10A and 10B can be adjusted by heating in the heating sections 50A and 50B, respectively.
  • the membrane separation process can be stopped by increasing the pressure in the permeation space in at least one of the membrane separation devices 10A and 10B.
  • the membrane separation system 130 of the second embodiment further includes a second membrane separation device 90, a heating section 59, a second non-permeable fluid discharge path 64, and a second permeated fluid discharge path 65. Except for the above, the configuration of the membrane separation system 130 is the same as the configuration of the membrane separation system 100 of the first embodiment.
  • the second membrane separator 90 is a second pervaporator that separates the permeate fluid (first permeate fluid) discharged from the membrane separator (first membrane separator) 10 into a second permeate fluid and a second non-permeate fluid. It has a membrane 91.
  • the second pervaporation membrane 91 is typically a membrane that allows organic compounds C contained in the fermentation liquid S to permeate preferentially. Therefore, the second permeate fluid separated by the second pervaporation membrane 91 has a higher content of organic compound C than the first permeate fluid.
  • the second non-permeable fluid has a lower content of organic compound C than the first permeable fluid.
  • the second pervaporation membrane 91 may be the same as or different from the pervaporation membrane (first pervaporation membrane) 11 that the first membrane separation device 10 has.
  • the ratio of the membrane area (m 2 ) of the first pervaporation membrane 11 to the total value (m 2 ) of the membrane area of the first pervaporation membrane 11 and the membrane area of the second pervaporation membrane 91 is not particularly limited.
  • the heating unit 59 can heat the second membrane separation device 90.
  • the heating unit 59 is located near the second membrane separation device 90, and is in direct contact with the second membrane separation device 90, for example.
  • the heating section 59 the one described above for the heating section 50 can be used.
  • the permeated fluid discharge path (first permeated fluid discharge path) 62 is connected to, for example, the supply space inlet 93a of the second membrane separation device 90, and during operation, the permeated fluid discharge path (first permeated fluid discharge path) 62 is connected to the supply space inlet 93a of the second membrane separation device 90.
  • the first permeate fluid is configured to be delivered to the first permeate fluid.
  • a temperature sensor (not shown) may be disposed in the first permeate fluid discharge path 62 to measure the temperature T5 of the first permeate fluid supplied to the second membrane separation device 90.
  • the temperature sensor is located, for example, between the second membrane separation device 90 and the pressure reduction device 42, and preferably near the supply space entrance 93a of the second membrane separation device 90.
  • the second non-permeate fluid discharge path 64 is a path for discharging the second non-permeate fluid from the second membrane separator 90 during operation, and is connected to the supply space outlet 93b of the second membrane separator 90.
  • a pump 43 that controls the flow rate of the second non-permeable fluid is arranged in the second non-permeable fluid discharge path 64 .
  • a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature T6 of the second non-permeable fluid discharged from the second membrane separation device 90 may be arranged in the second non-permeable fluid discharge path 64.
  • the temperature sensor is located, for example, between the second membrane separator 90 and the pump 43, preferably near the supply space outlet 93b of the second membrane separator 90.
  • the second non-permeate fluid discharge path 64 is connected to the inlet 23 of the tank 20 and may be configured to send the second non-permeate fluid to the tank 20 during operation. That is, during operation, the second non-permeable fluid may be mixed with the fermented liquid S in the tank 20.
  • the fermented liquid S and the second non-permeate fluid are mixed in the tank 20, and the content of organic compounds C in the fermented liquid S is reduced.
  • the tank 20 is a fermenter, the content rate of organic compound C in the fermentation liquid S decreases, thereby suppressing the stoppage of fermentation by microorganisms, thereby making it possible to continuously produce fermented products. can.
  • the second non-permeable fluid discharge route 64 may be connected to the non-permeable fluid discharge route (first non-permeable fluid discharge route) 61 instead of the inlet 23 of the tank 20.
  • the first non-permeable fluid and the second non-permeable fluid are mixed at the confluence position of the first non-permeable fluid discharge path 61 and the second non-permeable fluid discharge path 64.
  • the mixture of the first non-permeate fluid and the second non-permeate fluid is sent to the tank 20 through the first non-permeate fluid discharge path 61 .
  • the second permeate fluid discharge path 65 is a path for discharging the second permeate fluid from the second membrane separation device 90 during operation, and is connected to the permeation space outlet 94a of the second membrane separation device 90.
  • the second permeate fluid discharge path 65 is connected to the inlet 31 of the recovery unit 30 and may be configured to send the second permeate fluid to the recovery unit 30 during operation.
  • a pressure reducing device 44 is arranged in the second permeate fluid discharge path 65.
  • the pressure reduction device 44 can reduce the pressure inside the permeation space of the second membrane separation device 90.
  • the second permeate fluid discharge path 65 may further include a heat exchanger for cooling the second permeate fluid.
  • the heat exchanger allows the gaseous second permeate fluid to be condensed.
  • the heat exchanger is, for example, a gas-liquid heat exchanger that produces heat exchange between a cooling medium, such as an antifreeze liquid, and a gaseous permeate fluid.
  • the heat exchanger may be located between the second membrane separation device 90 and the pressure reduction device 44 (upstream of the pressure reduction device 44), or between the pressure reduction device 44 and the recovery section 30 (upstream of the pressure reduction device 44). may also be located on the downstream side).
  • the membrane separation system 130 can be operated by the following method. First, the above-described supply step and membrane separation step are performed using the first membrane separation device 10. As a result, the first permeate fluid is discharged from the first membrane separation device 10. The first permeate fluid is supplied to the second membrane separation device 90 through the first permeate discharge path 62 and contacts the second pervaporation membrane 91 .
  • the first permeate fluid supplied to the second membrane separation device 90 is preferably in a liquid state.
  • the liquid first permeate fluid can be obtained, for example, by condensing the gaseous first permeate fluid discharged from the first membrane separation device 10 in a heat exchanger.
  • the first permeate fluid supplied to the second membrane separation device 90 may or may not be heated in advance.
  • the temperature T5 of the first permeate fluid supplied to the second membrane separation device 90 is, for example, 15°C to 75°C, may be 30°C to 75°C, or may be 30°C to 50°C.
  • a membrane separation step is performed in the second membrane separation device 90.
  • the first permeate fluid can be separated into the second permeate fluid and the second non-permeate fluid.
  • Conditions for the membrane separation process in the second membrane separation device 90 include those described above as conditions for the membrane separation process in the first membrane separation device 10.
  • the temperature T5 is about the fermentation temperature of microorganisms
  • the first permeate fluid (second non-permeate fluid) whose temperature change is suppressed is supplied to the tank 20 serving as a fermenter, the fermentation liquid stored in the tank 20 Since the temperature of S hardly changes, the reduction of microorganisms in the fermentation liquid S can be suppressed.
  • is preferably less than 8°C, and may be less than 5°C, less than 3°C, or even less than 2°C.
  • may be substantially 0°C.
  • the temperature T6 of the second non-permeate fluid discharged from the second membrane separator 90 may be higher than the temperature T5 of the first permeate fluid supplied to the second membrane separator 90, or may be lower than the temperature T5. .
  • Temperature T6 is, for example, 15°C to 75°C, may be 30°C to 75°C, or may be 30°C to 50°C.
  • the ratio T6/T5 of temperature T6 to temperature T5 is not particularly limited.
  • a pervaporation membrane was prepared by the following method. Silicone resin (YSR3022 manufactured by Momentive Performance Materials Japan Co., Ltd.) 1.650 kg (solid content concentration 30 wt%), toluene 2.805 kg, high silica zeolite (HiSiv3000 manufactured by Union Showa Co., Ltd.) 0.495 kg, silicone curing catalyst A coating liquid was prepared by mixing 0.0495 kg of YC6831 (manufactured by Momentive Performance Materials Japan) and 0.0495 kg of acetylacetone as a curing retarder.
  • a coating film (thickness: 500 ⁇ m) was obtained by applying the coating liquid onto a porous support (RS-50, manufactured by Nitto Denko Corporation) with a thickness of 150 ⁇ m.
  • the coating film was heated at 90° C. for 4 minutes and dried to produce a separation functional layer with a thickness of 50 ⁇ m.
  • the weight ratio of silicone resin and high silica zeolite was 50:50. As a result, a pervaporation membrane was obtained.
  • membrane separation device Using the produced pervaporation membrane, a spiral membrane element (membrane separation device) as shown in FIG. 5 was produced.
  • the outer diameter of the membrane element was 4 inches (10.16 cm).
  • the membrane area of the pervaporation membrane in the membrane element was 6 m 2 .
  • a supply process and a membrane separation process were performed on the membrane separation apparatus while the membrane separation apparatus was heated using the heating section shown in FIG. 2 .
  • a mixed liquid consisting of isopropanol (IPA) and water was supplied to the supply space of the membrane separation device at a flow rate of 500 mL/min.
  • the content of IPA in the mixed liquid was 5 wt%.
  • the temperature T1 of the mixed liquid supplied to the membrane separator was 43.6°C.
  • the pressure in the space (permeation space) inside the central tube of the membrane separation device was reduced to 1.3 kPa, and a membrane separation step was performed. This separated the mixed liquid into a permeate fluid and a non-permeate fluid.
  • the membrane separation step was performed with the membrane separation apparatus heated using the heating section shown in FIG. 43.6° C. hot water was introduced as a heat medium into the housing space of the heating section.
  • the temperature T2 of the non-permeate fluid discharged from the membrane separation device by the membrane separation process was 42.0°C. Permeate fluid was obtained at a flow rate of 6-7 mL/min.
  • a non-permeate fluid that is fully suitable for reuse can be obtained by processing using a pervaporation membrane.

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Abstract

本発明は、浸透気化膜を用いた処理によって、再利用に十分に適した非透過流体が得られる膜分離システムを提供する。本発明の膜分離システム１００は、膜分離装置１０を備える。膜分離装置１０は、浸透気化膜１１を有する。浸透気化膜１１は、揮発性の有機化合物Ｃと、当該有機化合物Ｃを生成する微生物とを含む発酵液Ｓを透過流体と非透過流体とに分離する。膜分離システム１００は、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１（℃）と、膜分離装置１０から排出される非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、膜分離装置１０の温度を調節する。

Description

膜分離システム、及び膜分離装置の運転方法
　本発明は、膜分離システム、及び膜分離装置の運転方法に関する。
　微生物を利用してグルコースなどの炭素源を発酵させることによって、アルコールなどの揮発性の有機化合物（発酵物）を製造する方法が開発されている。炭素源の発酵は、例えば、水溶液中で行われる。この方法では、水溶液中の発酵物の含有率が上昇すると、微生物による発酵が停止する場合がある。微生物による発酵物の製造を連続して行うためには、水溶液から発酵物を分離する必要がある。
　揮発性の有機化合物を含む水溶液から当該有機化合物を分離する方法の一例として、浸透気化膜を用いた浸透気化法（パーベーパレーション法）が挙げられる。浸透気化法は、様々な物質を含む水溶液から揮発性の有機化合物を分離することに適している。浸透気化法は、蒸留法に比べて、エネルギーの消費量や、二酸化炭素の排出量を抑制できる傾向もある。浸透気化法を行う膜分離装置と、発酵物を製造する発酵槽とを組み合わせることによって、発酵物を連続して製造することができる。例えば、特許文献１は、膜分離装置と発酵槽とを組み合わせた膜分離システムを開示している。特許文献１は、浸透気化膜を透過しなかった発酵液（非透過流体）を発酵槽に戻すことによって、非透過流体を再利用することを開示している。
特許第４０４８２７９号公報
　浸透気化膜を用いて、供給液を透過流体と非透過流体とに分離する場合、透過流体は、通常、気体の状態で得られる。すなわち、浸透気化法では、浸透気化膜を透過する供給液が気化することによって、気体の透過流体が得られる。供給液の気化には、通常、熱エネルギーが必要であるため、処理後の供給液（非透過流体）では大きな温度変化が生じうる。
　供給液として、発酵物と、発酵物を生成する微生物とを含む発酵液を用いた場合、上記の温度変化によって、発酵液中の微生物にストレスが加わる傾向がある。これにより、発酵液において、発酵物を生成可能な微生物が減少し、場合によっては微生物が死滅する。大きな温度変化が生じた発酵液（非透過流体）を発酵槽に供給すると、発酵槽に貯蔵された発酵液でも温度変化が生じ、当該発酵液中の微生物が減少することもある。このように、従来では、浸透気化膜によって処理された発酵液（非透過流体）は、再利用に十分に適しているとは言えない。
　そこで本発明は、浸透気化膜を用いた処理によって、再利用に十分に適した非透過流体が得られる膜分離システムを提供することを目的とする。
　本発明は、
　膜分離装置を備えた膜分離システムであって、
　前記膜分離装置は、浸透気化膜を有し、
　前記浸透気化膜は、揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を透過流体と非透過流体とに分離し、
　前記膜分離システムは、前記膜分離装置に供給される前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節する、膜分離システムを提供する。
　さらに本発明は、
　浸透気化膜を有する膜分離装置の運転方法であって、
　前記運転方法は、
　揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を前記膜分離装置に供給する供給工程と、
　前記浸透気化膜によって、前記発酵液を透過流体と非透過流体とに分離する膜分離工程と、
を含み、
　前記膜分離工程は、前記供給工程で供給された前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節した状態で行う、膜分離装置の運転方法を提供する。
　本発明によれば、浸透気化膜を用いた処理によって、再利用に十分に適した非透過流体が得られる膜分離システムを提供できる。
実施形態１の膜分離システムの一例を示す概略構成図である。 膜分離システムが備える加熱部の一例を示す概略断面図である。 膜分離装置の一例を示す概略断面図である。 膜分離装置が備える浸透気化膜の概略断面図である。 膜分離装置の別の一例を模式的に示す展開斜視図である。 膜分離システムの変形例を示す概略構成図である。 膜分離システムの変形例を示す概略構成図である。 実施形態２の膜分離システムの一例を示す概略構成図である。
　本発明の第１態様にかかる膜分離システムは、
　膜分離装置を備えた膜分離システムであって、
　前記膜分離装置は、浸透気化膜を有し、
　前記浸透気化膜は、揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を透過流体と非透過流体とに分離し、
　前記膜分離システムは、前記膜分離装置に供給される前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節する。
　本発明の第２態様において、例えば、第１態様にかかる膜分離システムは、前記絶対値が３℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節する。
　本発明の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる膜分離システムでは、前記温度Ｔ１が３０℃～７５℃である。
　本発明の第４態様において、例えば、第１～第３態様のいずれか１つにかかる膜分離システムは、前記膜分離装置を加熱する加熱部をさらに備える。
　本発明の第５態様において、例えば、第１～第４態様のいずれか１つにかかる膜分離システムでは、前記透過流体における前記有機化合物の含有率は、前記発酵液における前記有機化合物の含有率よりも高い。
　本発明の第６態様において、例えば、第１～第５態様のいずれか１つにかかる膜分離システムでは、前記有機化合物がアルコールである。
　本発明の第７態様において、例えば、第１～第６態様のいずれか１つにかかる膜分離システムは、前記膜分離装置に供給されるべき前記発酵液を貯蔵するタンクをさらに備える。
　本発明の第８態様において、例えば、第７態様にかかる膜分離システムは、前記膜分離装置に接続され、前記膜分離装置から前記非透過流体を排出するための非透過流体排出経路をさらに備え、
　前記非透過流体排出経路が前記タンクに接続されている。
　本発明の第９態様において、例えば、第１～第８態様のいずれか１つにかかる膜分離システムは、前記透過流体を第２透過流体と第２非透過流体とに分離する第２浸透気化膜を有する第２膜分離装置をさらに備える。
　本発明の第１０態様において、例えば、第９態様にかかる膜分離システムでは、前記第２膜分離装置から排出される前記第２非透過流体の温度が３０℃～７５℃である。
　本発明の第１１態様において、例えば、第９又は第１０態様にかかる膜分離システムは、前記膜分離装置に供給されるべき前記発酵液を貯蔵するタンクと、
　前記第２膜分離装置に接続され、前記第２膜分離装置から前記第２非透過流体を排出するための第２非透過流体排出経路と、
をさらに備え、
　前記第２非透過流体排出経路が前記タンクに接続されている。
　本発明の第１２態様にかかる膜分離装置の運転方法は、
　浸透気化膜を有する膜分離装置の運転方法であって、
　前記運転方法は、
　揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を前記膜分離装置に供給する供給工程と、
　前記浸透気化膜によって、前記発酵液を透過流体と非透過流体とに分離する膜分離工程と、
を含み、
　前記膜分離工程は、前記供給工程で供給された前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節した状態で行う。
　以下、本発明の詳細を説明するが、以下の説明は、本発明を特定の実施形態に制限する趣旨ではない。
＜実施形態１＞
　図１に示すように、実施形態１の膜分離システム１００は、膜分離装置１０を備える。膜分離装置１０は、浸透気化膜と、当該浸透気化膜によって隔てられた供給空間及び透過空間とを有する。浸透気化膜は、揮発性の有機化合物Ｃと、当該有機化合物Ｃを生成する微生物とを含む発酵液Ｓを透過流体と非透過流体とに分離することができる。なお、有機化合物Ｃを生成する微生物は、典型的には菌である。
　膜分離システム１００は、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１（℃）と、膜分離装置１０から排出される非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値（｜Ｔ１－Ｔ２｜）が１０℃未満となるように、膜分離装置１０の温度を調節する。
　上述のとおり、膜分離装置１０は、浸透気化膜を用いて発酵液Ｓについて膜分離を行う装置である。浸透気化膜は、典型的には、発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃを優先的に透過させる膜である。そのため、浸透気化膜によって分離された透過流体は、発酵液Ｓよりも有機化合物Ｃの含有率が高い。一方、非透過流体は、発酵液Ｓよりも有機化合物Ｃの含有率が低い。
　膜分離システム１００は、膜分離装置１０を加熱する加熱部５０をさらに備える。加熱部５０は、膜分離装置１０の近傍に位置し、例えば、膜分離装置１０に直接接触している。加熱部５０は、膜分離装置１０を囲んでいてもよい。膜分離システム１００がヒートポンプを備えており、当該ヒートポンプが有する熱交換器が加熱部５０として機能してもよい。加熱部５０は、膜分離システム１００が備える他の熱交換器（例えば、後述する透過流体排出経路６２に配置された熱交換器）で得られた熱（廃熱）を利用するように構成されていてもよい。なお、加熱部５０は、電気ヒータなどのヒータであってもよい。
　膜分離システム１００は、膜分離装置１０とともに、タンク２０をさらに備える。タンク２０は、膜分離装置１０に供給されるべき発酵液Ｓを貯蔵している。タンク２０は、微生物による炭素源の発酵によって有機化合物Ｃを生成するための発酵槽であってもよい。
　膜分離システム１００は、発酵液供給経路６０、非透過流体排出経路６１、及び透過流体排出経路６２をさらに備える。発酵液供給経路６０は、運転時に、タンク２０から膜分離装置１０に発酵液Ｓを供給するための経路であり、タンク２０の出口２１と、膜分離装置１０の供給空間入口１３ａとに接続されている。発酵液供給経路６０には、例えば、発酵液Ｓの流量を制御するポンプ４０が配置されている。発酵液供給経路６０には、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１を測定するための温度センサ（図示せず）が配置されていてもよい。温度センサは、例えば、ポンプ４０と膜分離装置１０との間に位置し、好ましくは膜分離装置１０の供給空間入口１３ａ近傍に位置する。
　非透過流体排出経路６１は、運転時に、膜分離装置１０から非透過流体を排出するための経路であり、膜分離装置１０の供給空間出口１３ｂに接続されている。非透過流体排出経路６１には、例えば、非透過流体の流量を制御するポンプ４１が配置されている。なお、非透過流体排出経路６１には、ポンプ４１が配置されていなくてもよい。非透過流体排出経路６１には、膜分離装置１０から排出された非透過流体の温度Ｔ２を測定するための温度センサ（図示せず）が配置されていてもよい。温度センサは、例えば、膜分離装置１０とポンプ４１との間に位置し、好ましくは膜分離装置１０の供給空間出口１３ｂ近傍に位置する。
　非透過流体排出経路６１は、タンク２０の入口２２に接続されており、運転時に、非透過流体をタンク２０に送るように構成されていてもよい。すなわち、運転時に、非透過流体がタンク２０にて発酵液Ｓに混合され、発酵液供給経路６０及び非透過流体排出経路６１を循環する構成であってもよい。非透過流体をタンク２０に送る場合、タンク２０内では、発酵液Ｓ及び非透過流体が混合され、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率が低下する。タンク２０が発酵槽である場合、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率が低下することによって、微生物による発酵が停止することを抑制でき、これにより、発酵物の製造を連続して行うことができる。
　透過流体排出経路６２は、運転時に、膜分離装置１０から透過流体を排出するための経路であり、膜分離装置１０の透過空間出口１４ａに接続されている。透過流体排出経路６２には、例えば、減圧装置４２が配置されている。減圧装置４２は、膜分離装置１０の透過空間内を減圧することができる。減圧装置４２は、真空ポンプなどの真空装置であることが好ましい。真空ポンプは、典型的には気体輸送式の真空ポンプであり、往復運動式の真空ポンプや回転式の真空ポンプなどが挙げられる。往復運動式の真空ポンプとしては、ダイヤフラム型や揺動ピストン型の真空ポンプが挙げられる。回転式の真空ポンプとしては、液封ポンプ；油回転ポンプ（ロータリポンプ）；メカニカルブースターポンプ；ルーツ型、クロー型、スクリュー型、ターボ型、スクロール型などの各種ドライポンプなどが挙げられる。減圧装置４２としてのポンプは、回転数などを変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、ポンプのモータを駆動するインバータである。可変速機構でポンプの回転数などを制御することによって、膜分離装置１０の透過空間の圧力を適切に調整することができる。
　透過流体排出経路６２には、透過流体を冷却するための熱交換器がさらに配置されていてもよい。熱交換器によれば、気体の透過流体を凝縮させることができる。熱交換器は、例えば、不凍液などの冷却媒体と気体の透過流体との間で熱交換を生じさせる気－液熱交換器である。熱交換器は、膜分離装置１０と減圧装置４２との間（減圧装置４２よりも上流側）に位置していてもよく、減圧装置４２と、後述する回収部３０との間（減圧装置４２よりも下流側）に位置していてもよい。
　膜分離システム１００は、回収部３０をさらに備える。回収部３０は、膜分離装置１０から送られた透過流体を回収し、例えば、透過流体を貯蔵することができる。回収部３０は、例えば、透過流体を貯蔵するタンクである。回収部３０の入口３１には、透過流体排出経路６２が接続されている。
　膜分離システム１００は、膜分離システム１００の各部材を制御する制御器４５をさらに備えていてもよい。制御器４５は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御器４５には、膜分離システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。例えば、制御器４５は、加熱部５０の動作を制御して、膜分離装置１０の温度を調節することができる。
　膜分離システム１００の経路のそれぞれは、特に言及がない限り、例えば、金属製又は樹脂製の配管で構成されている。
［加熱部］
　図２に示すように、加熱部５０は、収容空間５４が形成された本体部５１を有し、当該収容空間５４に、膜分離装置１０を加熱するための熱媒体５５が導入されるように構成されていてもよい。詳細には、加熱部５０において、本体部５１は、内壁５２及び外壁５３を含む。内壁５２と外壁５３との間に収容空間５４が形成されている。内壁５２及び外壁５３のそれぞれの形状は、例えば筒状であり、円筒状であってもよい。内壁５２は、例えば、膜分離装置１０を囲み、かつ膜分離装置１０と直接接している。
　外壁５３には、例えば、開口部５６ａと、開口部５６ａよりも上方に位置する開口部５６ｂとが形成されている。開口部５６ａは、熱媒体５５を収容空間５４に供給するための熱媒体供給経路５７に接続されており、熱媒体入口として機能する。開口部５６ｂは、熱媒体５５を収容空間５４から排出するための熱媒体排出経路５８に接続されており、熱媒体出口として機能する。
　熱媒体５５は、開口部５６ａを通じて収容空間５４に導入される。収容空間５４に導入された熱媒体５５は、内壁５２を介して膜分離装置１０と熱交換し、膜分離装置１０を加熱する。膜分離装置１０と熱交換した熱媒体５５は、開口部５６ｂを通じて収容空間５４から排出される。加熱部５０では、熱媒体排出経路５８が熱媒体供給経路５７に接続されており、熱媒体５５が、熱媒体供給経路５７、収容空間５４及び熱媒体排出経路５８を循環するように構成されていてもよい。
　熱媒体５５は、典型的には温水である。ただし、熱媒体５５は、蒸気（例えば水蒸気）であってもよい。蒸気は、周囲環境の大気圧以上の圧力下で利用されてもよく、周囲環境の大気圧より低い圧力下で利用されてもよい。本明細書では、周囲環境の大気圧より低い圧力下で利用される蒸気を真空蒸気と呼ぶことがある。熱媒体５５の温度は、上記の絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜が１０℃未満となるように設定される。熱媒体５５の温度は、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１と同程度であってもよい。
　なお、加熱部５０は、図２で示したものに限定されない。加熱部５０は、膜分離装置１０を被覆するように配置されたヒータ（特に電気ヒータ）であってもよい。
［膜分離装置］
　図３に示すように、膜分離装置１０は、浸透気化膜１１及びタンク１２を備える。タンク１２は、第１室１３及び第２室１４を有する。第１室１３は、発酵液Ｓが供給される供給空間として機能する。第２室１４は、透過流体８０が供給される透過空間として機能する。透過流体８０は、発酵液Ｓが浸透気化膜１１を透過することによって得られる。
　浸透気化膜１１は、タンク１２の内部に配置されている。タンク１２の内部において、浸透気化膜１１は、第１室１３と第２室１４とを隔てている。浸透気化膜１１は、タンク１２の１対の壁面の一方から他方まで延びている。
　第１室１３は、供給空間入口１３ａ及び供給空間出口１３ｂを有する。第２室１４は、透過空間出口１４ａを有する。供給空間入口１３ａは、発酵液Ｓを供給空間（第１室１３）に供給するための開口である。透過空間出口１４ａは、透過流体８０を透過空間（第２室１４）から排出するための開口である。供給空間出口１３ｂは、浸透気化膜１１を透過しなかった発酵液Ｓ（非透過流体８１）を供給空間（第１室１３）から排出するための開口である。供給空間入口１３ａ、供給空間出口１３ｂ及び透過空間出口１４ａのそれぞれは、例えば、タンク１２の壁面に形成されている。
　膜分離装置１０は、流通式（連続式）の膜分離方法に適している。ただし、膜分離装置１０は、バッチ式の膜分離方法に用いられてもよい。
（浸透気化膜）
　上述のとおり、浸透気化膜１１は、典型的には、発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃを優先的に透過させる膜（分離膜）である。浸透気化膜１１は、例えば、浸透気化法によって、有機化合物Ｃを含む気体の透過流体８０を生じさせる。
　図４に示すとおり、浸透気化膜１１は、例えば、分離機能層１、及び、分離機能層１を支持する多孔性支持体２を備えている。浸透気化膜１１は、分離機能層１を保護する保護層（図示せず）をさらに備えていてもよい。分離機能層１は、例えば、多孔性支持体２と直接接している。浸透気化膜１１は、例えば、分離機能層側の主面１１ａが第１室１３に露出しており、多孔性支持体側の主面１１ｂが第２室１４に露出している。
（分離機能層）
　分離機能層１は、典型的には、発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃを優先的に透過させることができる層である。分離機能層１は、例えば、疎水性材料を含む。本明細書において、「疎水性材料」は、例えば、当該材料で構成された試験片の表面に１０μＬの水滴（温度２５℃）を滴下した場合に、水の静的接触角が９０°を上回る材料を意味する。なお、水の静的接触角は、市販の接触角計を用いて測定することができる。
　疎水性材料としては、例えば、シロキサン結合（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合）を有する化合物、オレフィン系ポリマー、オイル、フッ素系化合物などが挙げられる。分離機能層１は、疎水性材料として、シロキサン結合を有する化合物を含むことが好ましい。シロキサン結合を有する化合物は、典型的には、シリコーン系ポリマーである。シリコーン系ポリマーは、２５℃で固体であってもよく、液体であってもよい。シリコーン系ポリマーの具体例としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などが挙げられる。オレフィン系ポリマーの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。オイルとしては、例えば、流動パラフィンなどの炭化水素系オイルが挙げられる。フッ素系化合物としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などが挙げられる。疎水性材料は、単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。
　分離機能層１は、疎水性材料を主成分として含んでいてもよく、実質的に疎水性材料のみから構成されていてもよい。「主成分」は、分離機能層１に重量比で最も多く含まれる成分を意味する。
　分離機能層１は、疎水性材料を含むマトリクスと、マトリクスに分散したフィラーとを含んでいてもよい。フィラーは、マトリクス内に埋め込まれている。マトリクス内において、全てのフィラーが互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。
　フィラーは、例えば、ゼオライト、シリカ、ベントナイトなどの無機材料を含む。フィラーに含まれるゼオライトは、アルミナに対するシリカの比率が高いハイシリカゼオライトであることが好ましい。ハイシリカゼオライトは、耐加水分解性に優れているため、発酵液Ｓを分離する用途に適している。ハイシリカゼオライトとしては、東ソー社製のＨＳＺ（登録商標）、ユニオン昭和社製のＨｉＳｉｖ（登録商標）、ユニオン昭和社製のＵＳＫＹ及び中村超硬社製のＺｅｏａｌ（登録商標）などを用いることができる。
　フィラーは、金属有機構造体（Metal-Organic-Framework：ＭＯＦ）を含んでいてもよい。金属有機構造体は、多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer：ＰＣＰ）とも呼ばれている。金属有機構造体は、疎水性であることが好ましい。金属有機構造体は、例えば、金属イオン及び有機配位子を含んでいる。金属イオンとしては、Ｚｎイオンなどが挙げられる。有機配位子は、例えば、芳香環を含んでいる。有機配位子に含まれる芳香環としては、イミダゾール環などが挙げられる。有機配位子としては、２－メチルイミダゾールなどが挙げられる。金属有機構造体の具体例としては、ＺＩＦ－８などが挙げられる。
　フィラーの形状は、例えば、粒子状である。本明細書において、「粒子状」には、球状、楕円体状、鱗片状及び繊維状が含まれる。フィラーの平均粒径は、特に限定されず、例えば５０μｍ以下であり、好ましくは２０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以下である。フィラーの平均粒径の下限値は、例えば０．０１μｍである。フィラーの平均粒径は、例えば、次の方法によって特定することができる。まず、分離機能層１の断面を透過電子顕微鏡で観察する。得られた電子顕微鏡像において、特定のフィラーの面積を画像処理によって算出する。算出された面積と同じ面積を有する円の直径をその特定のフィラーの粒径（粒子の直径）とみなす。任意の個数（少なくとも５０個）のフィラーの粒径をそれぞれ算出し、算出値の平均値をフィラーの平均粒径とみなす。
　分離機能層１におけるフィラーの含有率は、例えば１０ｗｔ％以上であり、好ましくは３０ｗｔ％以上であり、より好ましくは４０ｗｔ％以上である。分離機能層１におけるフィラーの含有率の上限値は、特に限定されず、例えば７０ｗｔ％である。分離機能層１におけるマトリクスの含有率は、特に限定されず、例えば３０ｗｔ％～９０ｗｔ％である。
　分離機能層１の厚さは、例えば２００μｍ以下であり、好ましくは１００μｍ以下であり、より好ましくは８０μｍ以下である。分離機能層１の厚さは、１．０μｍ以上であってもよく、１０μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよい。
　分離機能層１は、平均孔径が０．０１μｍ未満の微孔構造を有していてもよいが、表面に孔を有さない緻密層であってもよい。
（多孔性支持体）
　多孔性支持体２としては、例えば、不織布；多孔質ポリテトラフルオロエチレン；芳香族ポリアミド繊維；多孔質金属；焼結金属；多孔質セラミック；多孔質ポリエステル；多孔質ナイロン；活性化炭素繊維；ラテックス；シリコーン；シリコーンゴム；ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド及びポリフェニレンオキシドからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む透過性（多孔質）ポリマー；連続気泡又は独立気泡を有する金属発泡体；連続気泡又は独立気泡を有するポリマー発泡体；シリカ；多孔質ガラス；メッシュスクリーンなどが挙げられる。多孔性支持体２は、これらのうちの２種以上を組み合わせたものであってもよい。
　多孔性支持体２は、例えば０．０１～０．４μｍの平均孔径を有する。多孔性支持体２の厚さは、特に限定されず、例えば１０μｍ以上であり、好ましくは５０μｍ以上であり、より好ましくは１００μｍ以上である。多孔性支持体２の厚さは、例えば３００μｍ以下であり、好ましくは２００μｍ以下である。
（保護層）
　保護層は、例えば、分離機能層１の表面を被覆している。保護層の材料としては、特に限定されず、例えばシリコーン樹脂が挙げられる。保護層の材料は、分離機能層１のマトリクスの材料と同じであってもよい。保護層の厚さは、特に限定されず、例えば０．５μｍ以上であり、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは５μｍ以上であり、さらに好ましくは１０μｍ以上である。保護層の厚さは、例えば１００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは３０μｍ以下ある。
（浸透気化膜の作製方法）
　浸透気化膜１１は、例えば、多孔性支持体２の上に分離機能層１を形成することによって作製することができる。詳細には、まず、分離機能層１の材料を含む塗布液を調製する。塗布液は、フィラーとともにフィラーを塗布液中に分散させるための分散剤を含んでいてもよい。塗布液がシロキサン結合を有する化合物を含む場合、塗布液は、当該化合物を硬化させるための触媒をさらに含んでいてもよい。次に、塗布液を多孔性支持体２の上に塗布することによって塗布膜を得る。塗布膜を乾燥させることによって、分離機能層１が形成される。
［膜分離システムの運転］
　膜分離システム１００（及び膜分離装置１０）の運転方法は、例えば、発酵液Ｓを膜分離装置１０に供給する供給工程と、浸透気化膜１１によって、発酵液Ｓを透過流体８０と非透過流体８１とに分離する膜分離工程と、を含む。供給工程では、図３に示すように、供給空間入口１３ａを通じて、発酵液Ｓを膜分離装置１０の第１室１３に供給する。これにより、浸透気化膜１１の一方の面（例えば、主面１１ａ）に発酵液Ｓを接触させることができる。
　上述のとおり、発酵液Ｓは、揮発性の有機化合物Ｃと、当該有機化合物Ｃを生成する微生物とを含む。発酵液Ｓは、例えば、有機化合物Ｃ及び微生物以外に水を含む。発酵液Ｓは、典型的には、有機化合物Ｃ及び微生物を含む水溶液である。
　発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃは、揮発性を有する限り、特に限定されない。本明細書において、「揮発性を有する有機化合物」とは、大気圧下（１０１．３２５ｋＰａ）での沸点が２０℃～２６０℃、好ましくは５０℃～２６０℃である有機化合物を意味する。なお、有機化合物Ｃは、例えば、水溶液中での濃度が高い場合に、水を主成分として含む水相と、当該水相よりも有機化合物Ｃの含有率が高い有機相とを生じさせるものである。
　有機化合物Ｃの炭素数は、特に限定されず、例えば１０以下であり、８以下、６以下、さらには４以下であってもよい。有機化合物Ｃの炭素数の下限値は、１であってもよく、２であってもよい。有機化合物Ｃは、例えば、ヒドロキシル基、カルボニル基、エーテル基、エステル基などの酸素原子を含む官能基を有している。有機化合物Ｃにおいて、酸素原子を含む官能基の数は、典型的には１つである。
　有機化合物Ｃとしては、例えば、アルコール、ケトン、エステルなどが挙げられ、アルコールであることが好ましい。有機化合物Ｃがアルコールである場合、有機化合物Ｃは、水と相溶しやすく、系内の環境に偏りが生じにくい。アルコールは、アルキル基及びヒドロキシル基のみから構成されたアルキルアルコールであってもよく、アリール基及びヒドロキシル基を含むアリールアルコールであってもよい。アルキルアルコールは、直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよい。アルキルアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ－プロパノール、イソプロパノール、ｎ－ブタノール、２－ブタノール、イソブタノール、ｔ－ブタノール、ｎ－ペンタノールなどが挙げられ、好ましくはｎ－ブタノールである。ｎ－ブタノールは、水溶液中での含有率が８ｗｔ％程度以上である場合に、水溶液から２つの相（水相及び有機相）を生じさせる化合物である。そのため、有機化合物Ｃがｎ－ブタノールである場合、例えば、透過流体における有機化合物Ｃの含有率を８ｗｔ％程度以上に調整することによって、液化後の透過流体において、水相及び有機相を生じさせることができる。この場合、水相及び有機相を分離することによって、透過流体を容易に精製することができる。アリールアルコールとしては、例えば、フェノールなどが挙げられる。
　ケトンは、アルキル基及びカルボニル基のみから構成されたジアルキルケトンであってもよい。ジアルキルケトンとしては、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、アセトンなどが挙げられる。
　エステルは、アルキル基及びエステル基のみから構成された脂肪酸アルキルエステルであってもよい。脂肪酸アルキルエステルとしては、酢酸エチルなどが挙げられる。
　なお、有機化合物Ｃは、上述したものに限定されない。有機化合物Ｃは、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素であってもよい。
　発酵液Ｓは、１種類の有機化合物Ｃを含んでいてもよく、２種類以上の有機化合物Ｃを含んでいてもよい。発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率は、例えば５０ｗｔ％以下であり、３０ｗｔ％以下、１０ｗｔ％以下、５ｗｔ％以下、２ｗｔ％以下、さらには１ｗｔ％以下であってもよい。有機化合物Ｃの含有率の下限値は、特に限定されず、例えば０．０１ｗｔ％である。
　有機化合物Ｃは、微生物が炭素源を発酵させることによって生成した発酵物であり、好ましくは、微生物が生成したアルコール（バイオアルコール）である。
　発酵液Ｓは、水、有機化合物Ｃ及び微生物以外に、炭素源、窒素源、無機イオンなどの他の成分をさらに含んでいてもよい。炭素源としては、デンプンなどの多糖類や、グルコースなどの単糖類が挙げられる。
　膜分離装置１０への発酵液Ｓの供給量は、特に限定されず、膜分離装置１０の処理能力に応じて定められる。
　膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓは、予め加熱されてもよく、加熱されていなくてもよい。膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１は、例えば、タンク２０での発酵液Ｓの温度Ｔ３以上である。タンク２０が発酵槽である場合、温度Ｔ３は、微生物による有機化合物Ｃの生成が促進される温度（発酵温度）に設定される。温度Ｔ３は、例えば１５℃～４０℃であり、好ましくは３０℃～４０℃である。温度Ｔ１は、例えば、発酵液Ｓ中の微生物が死滅する温度Ｔ４よりも低い。すなわち、温度Ｔ１、Ｔ３及びＴ４は、例えば、Ｔ４＞Ｔ１≧Ｔ３の関係を満たしている。膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１は、例えば１５℃～７５℃であり、３０℃～７５℃であってもよく、３０℃～５０℃であってもよい。
　膜分離工程は、次の方法によって行う。まず、浸透気化膜１１の一方の面に発酵液Ｓを接触させた状態で、浸透気化膜１１の他方の面（例えば、主面１１ｂ）に隣接する空間を減圧する。詳細には、透過空間出口１４ａを通じて、第２室１４内を減圧する。第２室１４内の減圧は、例えば、減圧装置４２によって行うことができる。第２室１４の圧力は、例えば５０ｋＰａ以下であり、２０ｋＰａ以下、１０ｋＰａ以下、５ｋＰａ以下、３ｋＰａ以下、さらには２ｋＰａ以下であってもよい。なお、本明細書において、特に言及のない限り、「圧力」は、絶対圧を意味する。
　第２室１４内を減圧することによって、浸透気化膜１１の他方の面側において、有機化合物Ｃの含有率が高い透過流体８０を得ることができる。言い換えると、透過流体８０が第２室１４に供給される。第２室１４内において、透過流体８０は、典型的には気体である。透過流体８０は、透過空間出口１４ａを通じて、膜分離装置１０の外部に排出される。
　一方、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率は、第１室１３の供給空間入口１３ａから供給空間出口１３ｂに向かって徐々に低下する。第１室１３で処理された発酵液Ｓ（非透過流体８１）は、供給空間出口１３ｂを通じて、膜分離装置１０の外部に排出される。非透過流体８１は、典型的には液体である。
　膜分離装置１０の浸透気化膜１１は、発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃを優先的に透過させることができる。そのため、膜分離装置１０の運転によって得られた透過流体８０は、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓに比べて、有機化合物Ｃの含有率が高い。発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率（ｗｔ％）に対する、透過流体８０における有機化合物Ｃの含有率（ｗｔ％）の比は、特に限定されない。
　上述のとおり、膜分離システム１００は、膜分離工程において、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１（℃）と、膜分離装置１０から排出される非透過流体８１の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値（｜Ｔ１－Ｔ２｜）が１０℃未満となるように、膜分離装置１０の温度を調節する。言い換えると、浸透気化膜１１によって処理された発酵液Ｓ（非透過流体８１）に大きな温度変化が生じないように膜分離工程が実施される。膜分離装置１０の温度は、例えば、加熱部５０で膜分離装置１０を加熱することによって調節できる。
　膜分離工程において、上記の絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜が１０℃未満であり、発酵液Ｓの温度変化が抑制されている場合、発酵液Ｓにおいて、発酵物を生成可能な微生物が減少することを抑制できる。温度Ｔ１が微生物の発酵温度程度である場合、温度変化が抑制された発酵液Ｓ（非透過流体８１）を発酵槽としてのタンク２０に供給しても、タンク２０に貯蔵された発酵液Ｓの温度はほとんど変化しないため、当該発酵液Ｓ中の微生物の減少も抑制できる。このように、本実施形態の膜分離システム１００では、浸透気化膜１１を用いた処理（膜分離工程）によって、再利用に十分に適した非透過流体８１を得ることができる。本実施形態の膜分離システム１００では、例えば、発酵液Ｓを膜分離装置１０に供給する前に、発酵液Ｓに含まれる微生物を予め取り除く必要がなく、微生物を予め取り除くための前処理装置（例えばろ過装置）を備えている必要がない。
　上記の絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜は、好ましくは８℃未満であり、５℃未満、３℃未満、さらには２℃未満であってもよい。絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜は、実質的に０℃であってもよい。膜分離装置１０から排出される非透過流体８１の温度Ｔ２は、膜分離装置１０に供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１より高くてもよく、温度Ｔ１より低くてもよい。温度Ｔ２は、例えば１５℃～７５℃であり、３０℃～７５℃であってもよく、３０℃～５０℃であってもよい。温度Ｔ１に対する温度Ｔ２の比率Ｔ２／Ｔ１は、特に限定されない。
　上記の膜分離工程は、膜分離装置１０について、透過空間の圧力を上昇させることによって停止することができる。膜分離工程を停止した後に、公知の方法で、膜分離装置１０の浸透気化膜１１を洗浄してもよい。浸透気化膜１１の洗浄は、定期的又は任意のタイミングで行うことができる。
　本実施形態の運転方法によれば、例えば、有機化合物Ｃの含有率が高い透過流体８０を製造することができる。言い換えると、本実施形態の運転方法によって、透過流体８０として、有機化合物Ｃを製造できる。
　本発明は、その別の側面から、
　揮発性の有機化合物Ｃと、当該有機化合物Ｃを生成する微生物とを含む発酵液Ｓを、浸透気化膜１１を有する膜分離装置１０に供給する供給工程と、
　浸透気化膜１１によって、発酵液Ｓを透過流体８０と非透過流体８１とに分離する膜分離工程と、
　透過流体８０を回収する回収工程と、
を含み、
　膜分離工程は、供給工程で供給された発酵液Ｓの温度Ｔ１（℃）と、膜分離装置１０から排出される非透過流体８１の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、膜分離装置１０の温度を調節した状態で行い、
　透過流体８０における有機化合物Ｃの含有率は、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率よりも高い、有機化合物Ｃの製造方法を提供する。
［膜分離装置の変形例］
　膜分離装置１０は、スパイラル型の膜エレメント、中空糸膜エレメント、複数の浸透気化膜が積層されたディスクチューブ型の膜エレメント、プレートアンドフレーム型の膜エレメントなどであってもよい。図５は、スパイラル型の膜エレメントを示している。図５の膜分離装置１５は、中心管１６及び積層体１７を備えている。積層体１７が浸透気化膜１１を含んでいる。
　中心管１６は、円筒形状を有している。中心管１６の表面には、中心管１６の内部に透過流体８０を流入させるための複数の孔又はスリットが形成されている。中心管１６の材料としては、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ樹脂）、ポリサルフォン樹脂（ＰＳＦ樹脂）などの樹脂；ステンレス鋼、チタンなどの金属が挙げられる。中心管１６の内径は、例えば２０～１００ｍｍの範囲にある。
　積層体１７は、浸透気化膜１１の他に、供給側流路材１８及び透過側流路材１９をさらに含む。積層体１７は、中心管１６の周囲に巻回されている。膜分離装置１５は、外装材（図示せず）をさらに備えていてもよい。
　供給側流路材１８及び透過側流路材１９としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はエチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）からなる樹脂製のネット、織物又は編物を用いることができる。
　膜分離装置１５では、例えば、次の方法で運転できる。まず、巻回された積層体１７の一端に発酵液Ｓを供給する。中心管１６の内部の空間を減圧する。これにより、積層体１７の浸透気化膜１１を透過した透過流体８０が中心管１６の内部に移動する。透過流体８０は、中心管１６を通じて外部に排出される。膜分離装置１５で処理された発酵液Ｓ（非透過流体８１）は、巻回された積層体１７の他端から外部に排出される。
［膜分離システムの変形例］
　膜分離システム１００は、複数の膜分離装置１０を備えていてもよく、複数の膜分離装置１０が互いに直列又は並列に接続されていてもよい。本明細書において、「複数の膜分離装置１０が互いに直列に接続されている」とは、前段の膜分離装置１０の供給空間から排出された発酵液Ｓ（膜分離システムの運転時は非透過流体）が後段の膜分離装置１０の供給空間に供給されるように、複数の膜分離装置１０が互いに接続されている構成を意味する。「複数の膜分離装置１０が互いに並列に接続されている」とは、タンク２０から送られた発酵液Ｓが複数の膜分離装置１０のそれぞれの供給空間に供給されるように、複数の膜分離装置１０が互いに接続されている構成を意味する。膜分離システム１００における膜分離装置１０の数は、特に限定されず、例えば２～５である。
　図６Ａは、互いに直列に接続されている２つの膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂを備えた膜分離システム１１０の概略構成図である。膜分離システム１１０は、２つの膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂを備えていることなどを除き、膜分離システム１００と同じ構成を有する。したがって、上述の膜分離システム１００と変形例の膜分離システム１１０とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
　上述のとおり、膜分離システム１１０において、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂは、互いに直列に接続されている。詳細には、膜分離システム１１０は、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂを互いに接続する接続経路６３をさらに備える。接続経路６３は、膜分離装置１０Ａの供給空間出口１３ｂと、膜分離装置１０Ｂの供給空間入口１３ｃとに接続されている。なお、膜分離装置１０Ａの供給空間入口１３ａには、発酵液供給経路６０が接続されており、膜分離装置１０Ｂの供給空間出口１３ｄには、非透過流体排出経路６１が接続されている。
　透過流体排出経路６２は、第１部分６２ａ及び第２部分６２ｂを有する。透過流体排出経路６２の第１部分６２ａが膜分離装置１０Ａの透過空間出口１４ａに接続されており、第２部分６２ｂが膜分離装置１０Ｂの透過空間出口１４ｂに接続されている。第２部分６２ｂは、合流位置７０において、第１部分６２ａに合流している。
　透過流体排出経路６２には、例えば、２つの減圧装置４２Ａ及び４２Ｂが配置されている。減圧装置４２Ａは、膜分離装置１０Ａと合流位置７０との間に位置し、膜分離装置１０Ａの透過空間内を減圧することができる。減圧装置４２Ｂは、膜分離装置１０Ｂと合流位置７０との間に位置し、膜分離装置１０Ｂの透過空間内を減圧することができる。ただし、透過流体排出経路６２には、１つの減圧装置が配置されており、当該減圧装置が合流位置７０と回収部３０との間に位置していてもよい。すなわち、１つの減圧装置が膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂに共用されていてもよい。
　膜分離システム１１０は、膜分離装置１０Ａを加熱する加熱部５０Ａと、膜分離装置１０Ｂを加熱する加熱部５０Ｂとを備える。加熱部５０Ａは、膜分離装置１０Ａの近傍に位置し、例えば、膜分離装置１０Ａに直接接触している。加熱部５０Ｂは、膜分離装置１０Ｂの近傍に位置し、例えば、膜分離装置１０Ｂに直接接触している。
　なお、膜分離システム１１０において、膜分離装置１０Ａの浸透気化膜１１Ａは、膜面積を除き、膜分離装置１０Ｂの浸透気化膜１１Ｂと同じであってもよく、異なっていてもよい。浸透気化膜１１Ａの膜面積と浸透気化膜１１Ｂの膜面積との合計値（ｍ2）に対する、浸透気化膜１１Ａの膜面積（ｍ2）の比率は、特に限定されない。
　膜分離システム１１０は、次の方法によって運転することができる。まず、供給工程では、ポンプ４０を稼働させて、タンク２０から膜分離装置１０Ａに発酵液Ｓを供給し、さらに、膜分離装置１０Ａから膜分離装置１０Ｂに発酵液Ｓを供給する。これにより、膜分離装置１０Ａの浸透気化膜１１Ａ及び膜分離装置１０Ｂの浸透気化膜１１Ｂのそれぞれに発酵液Ｓを接触させることができる。
　次に、透過空間出口１４ａを通じて、膜分離装置１０Ａの透過空間を減圧し、透過空間出口１４ｂを通じて、膜分離装置１０Ｂの透過空間を減圧する。これにより、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂの両方で膜分離工程を実行し、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれから透過流体を得ることができる。なお、膜分離装置１０Ａで処理された発酵液Ｓ（非透過流体）は、接続経路６３を通じて膜分離装置１０Ｂに送られ、膜分離装置１０Ｂでさらに処理される。
　膜分離工程において、膜分離システム１１０は、膜分離装置１０Ａに供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１Ａ（℃）と、膜分離装置１０Ａから排出される非透過流体の温度Ｔ２Ａ（℃）との差の絶対値｜Ｔ１Ａ－Ｔ２Ａ｜が１０℃未満となるように、膜分離装置１０Ａの温度を調節する。同様に、膜分離システム１１０は、膜分離装置１０Ｂに供給される発酵液Ｓ（膜分離装置１０Ａから排出された非透過流体）の温度Ｔ１Ｂ（℃）と、膜分離装置１０Ｂから排出される非透過流体の温度Ｔ２Ｂ（℃）との差の絶対値｜Ｔ１Ｂ－Ｔ２Ｂ｜が１０℃未満となるように、膜分離装置１０Ｂの温度を調節する。膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂの温度は、それぞれ、加熱部５０Ａ及び５０Ｂでの加熱によって調節できる。
　膜分離システム１１０は、膜分離装置１０Ａに供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１Ａ（℃）と、膜分離装置１０Ｂから排出される非透過流体の温度Ｔ２Ｂ（℃）との差の絶対値｜Ｔ１Ａ－Ｔ２Ｂ｜が１０℃未満となるように、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂの温度を調節することが特に好ましい。
　次に、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂのうちの少なくとも一方について、透過空間の圧力を上昇させることによって、膜分離工程を停止することができる。
　図６Ｂは、互いに並列に接続されている２つの膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂを備えた膜分離システム１２０の概略構成図である。膜分離システム１２０は、２つの膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂを備えていることなどを除き、膜分離システム１００と同じ構成を有する。
　上述のとおり、膜分離システム１２０において、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂは、互いに並列に接続されている。詳細には、発酵液供給経路６０は、第１部分６０ａ及び第２部分６０ｂを有する。発酵液供給経路６０の第１部分６０ａが膜分離装置１０Ａの供給空間入口１３ａに接続されており、第２部分６０ｂが膜分離装置１０Ｂの供給空間入口１３ｃに接続されている。第２部分６０ｂは、分岐位置７１において、第１部分６０ａから分岐している。分岐位置７１は、例えば、ポンプ４０と膜分離装置１０Ａとの間に位置する。
　さらに、非透過流体排出経路６１は、第１部分６１ａ及び第２部分６１ｂを有する。非透過流体排出経路６１の第１部分６１ａが膜分離装置１０Ａの供給空間出口１３ｂに接続されており、第２部分６１ｂが膜分離装置１０Ｂの供給空間出口１３ｄに接続されている。第２部分６１ｂは、合流位置７２において、第１部分６１ａに合流している。合流位置７２は、例えば、ポンプ４１と膜分離装置１０Ａとの間に位置する。
　上述の膜分離システム１１０と同様に、透過流体排出経路６２は、第１部分６２ａ及び第２部分６２ｂを有する。透過流体排出経路６２の第１部分６２ａが膜分離装置１０Ａの透過空間出口１４ａに接続されており、第２部分６２ｂが膜分離装置１０Ｂの透過空間出口１４ｂに接続されている。第２部分６２ｂは、合流位置７０において、第１部分６２ａに合流している。
　透過流体排出経路６２には、例えば、２つの減圧装置４２Ａ及び４２Ｂが配置されている。減圧装置４２Ａは、膜分離装置１０Ａと合流位置７０との間に位置し、膜分離装置１０Ａの透過空間内を減圧することができる。減圧装置４２Ｂは、膜分離装置１０Ｂと合流位置７０との間に位置し、膜分離装置１０Ｂの透過空間内を減圧することができる。ただし、透過流体排出経路６２には、１つの減圧装置が配置されており、当該減圧装置が合流位置７０と回収部３０との間に位置していてもよい。すなわち、１つの減圧装置が膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂに共用されていてもよい。
　膜分離システム１２０は、膜分離装置１０Ａを加熱する加熱部５０Ａと、膜分離装置１０Ｂを加熱する加熱部５０Ｂとを備える。加熱部５０Ａは、膜分離装置１０Ａの近傍に位置し、例えば、膜分離装置１０Ａに直接接触している。加熱部５０Ｂは、膜分離装置１０Ｂの近傍に位置し、例えば、膜分離装置１０Ｂに直接接触している。
　なお、膜分離システム１２０において、膜分離装置１０Ａの浸透気化膜１１Ａは、膜分離装置１０Ｂの浸透気化膜１１Ｂと同じであってもよく、異なっていてもよい。浸透気化膜１１Ａの膜面積と浸透気化膜１１Ｂの膜面積との合計値（ｍ2）に対する、浸透気化膜１１Ａの膜面積（ｍ2）の比率は、特に限定されない。
　膜分離システム１２０は、次の方法によって運転することができる。まず、供給工程では、ポンプ４０を稼働させて、タンク２０から膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれに発酵液Ｓを供給する。これにより、膜分離装置１０Ａの浸透気化膜１１Ａ及び膜分離装置１０Ｂの浸透気化膜１１Ｂのそれぞれに発酵液Ｓを接触させることができる。
　次に、透過空間出口１４ａを通じて、膜分離装置１０Ａの透過空間を減圧し、透過空間出口１４ｂを通じて、膜分離装置１０Ｂの透過空間を減圧する。これにより、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂの両方で膜分離工程を実行し、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれから透過流体を得ることができる。
　膜分離工程において、膜分離システム１２０は、膜分離装置１０Ａに供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１Ａ（℃）と、膜分離装置１０Ａから排出される非透過流体の温度Ｔ２Ａ（℃）との差の絶対値｜Ｔ１Ａ－Ｔ２Ａ｜が１０℃未満となるように、膜分離装置１０Ａの温度を調節する。同様に、膜分離システム１２０は、膜分離装置１０Ｂに供給される発酵液Ｓの温度Ｔ１Ｂ（℃）と、膜分離装置１０Ｂから排出される非透過流体の温度Ｔ２Ｂ（℃）との差の絶対値｜Ｔ１Ｂ－Ｔ２Ｂ｜が１０℃未満となるように、膜分離装置１０Ｂの温度を調節する。膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂの温度は、それぞれ、加熱部５０Ａ及び５０Ｂでの加熱によって調節できる。
　次に、膜分離装置１０Ａ及び１０Ｂのうちの少なくとも一方について、透過空間の圧力を上昇させることによって、膜分離工程を停止することができる。
＜実施形態２＞
　図７に示すとおり、実施形態２の膜分離システム１３０は、第２膜分離装置９０、加熱部５９、第２非透過流体排出経路６４及び第２透過流体排出経路６５をさらに備えている。以上を除き、膜分離システム１３０の構成は、実施形態１の膜分離システム１００の構成と同じである。
　第２膜分離装置９０は、膜分離装置（第１膜分離装置）１０から排出された透過流体（第１透過流体）を第２透過流体と第２非透過流体とに分離する第２浸透気化膜９１を有する。第２浸透気化膜９１は、典型的には、発酵液Ｓに含まれる有機化合物Ｃを優先的に透過させる膜である。そのため、第２浸透気化膜９１によって分離された第２透過流体は、第１透過流体よりも有機化合物Ｃの含有率が高い。一方、第２非透過流体は、第１透過流体よりも有機化合物Ｃの含有率が低い。
　第２浸透気化膜９１は、第１膜分離装置１０が有する浸透気化膜（第１浸透気化膜）１１と同じであってもよく、異なっていてもよい。第１浸透気化膜１１の膜面積と第２浸透気化膜９１の膜面積との合計値（ｍ2）に対する、第１浸透気化膜１１の膜面積（ｍ2）の比率は、特に限定されない。
　加熱部５９は、第２膜分離装置９０を加熱することができる。加熱部５９は、第２膜分離装置９０の近傍に位置し、例えば、第２膜分離装置９０に直接接触している。加熱部５９としては、加熱部５０について上述したものを用いることができる。
　透過流体排出経路（第１透過流体排出経路）６２は、例えば、第２膜分離装置９０の供給空間入口９３ａに接続されており、運転時に、第１膜分離装置１０から第２膜分離装置９０に第１透過流体を送るように構成されている。第１透過流体排出経路６２には、第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体の温度Ｔ５を測定するための温度センサ（図示せず）が配置されていてもよい。温度センサは、例えば、第２膜分離装置９０と減圧装置４２との間に位置し、好ましくは第２膜分離装置９０の供給空間入口９３ａ近傍に位置する。
　第２非透過流体排出経路６４は、運転時に、第２膜分離装置９０から第２非透過流体を排出するための経路であり、第２膜分離装置９０の供給空間出口９３ｂに接続されている。第２非透過流体排出経路６４には、例えば、第２非透過流体の流量を制御するポンプ４３が配置されている。第２非透過流体排出経路６４には、第２膜分離装置９０から排出された第２非透過流体の温度Ｔ６を測定するための温度センサ（図示せず）が配置されていてもよい。温度センサは、例えば、第２膜分離装置９０とポンプ４３との間に位置し、好ましくは第２膜分離装置９０の供給空間出口９３ｂ近傍に位置する。
　第２非透過流体排出経路６４は、タンク２０の入口２３に接続されており、運転時に、第２非透過流体をタンク２０に送るように構成されていてもよい。すなわち、運転時に、第２非透過流体がタンク２０にて発酵液Ｓに混合されてもよい。第２非透過流体をタンク２０に送る場合、タンク２０内では、発酵液Ｓ及び第２非透過流体が混合され、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率が低下する。タンク２０が発酵槽である場合、発酵液Ｓにおける有機化合物Ｃの含有率が低下することによって、微生物による発酵が停止することを抑制でき、これにより、発酵物の製造を連続して行うことができる。
　なお、第２非透過流体排出経路６４は、タンク２０の入口２３ではなく、非透過流体排出経路（第１非透過流体排出経路）６１に接続していてもよい。この場合、第１非透過流体排出経路６１と第２非透過流体排出経路６４との合流位置で、第１非透過流体と第２非透過流体とが混合される。第１非透過流体と第２非透過流体との混合物は、第１非透過流体排出経路６１を通じて、タンク２０に送られる。
　第２透過流体排出経路６５は、運転時に、第２膜分離装置９０から第２透過流体を排出するための経路であり、第２膜分離装置９０の透過空間出口９４ａに接続されている。第２透過流体排出経路６５は、回収部３０の入口３１に接続されており、運転時に、第２透過流体を回収部３０に送るように構成されていてもよい。
　第２透過流体排出経路６５には、例えば、減圧装置４４が配置されている。減圧装置４４は、第２膜分離装置９０の透過空間内を減圧することができる。減圧装置４４としては、減圧装置４２について上述したものを用いることができる。第２透過流体排出経路６５には、第２透過流体を冷却するための熱交換器がさらに配置されていてもよい。熱交換器によれば、気体の第２透過流体を凝縮させることができる。熱交換器は、例えば、不凍液などの冷却媒体と気体の透過流体との間で熱交換を生じさせる気－液熱交換器である。熱交換器は、第２膜分離装置９０と減圧装置４４との間（減圧装置４４よりも上流側）に位置していてもよく、減圧装置４４と回収部３０との間（減圧装置４４よりも下流側）に位置していてもよい。
　膜分離システム１３０は、次の方法によって運転することができる。まず、第１膜分離装置１０を用いて上述の供給工程及び膜分離工程を行う。これにより、第１膜分離装置１０から第１透過流体が排出される。第１透過流体は、第１透過流体排出経路６２を通じて、第２膜分離装置９０に供給され、第２浸透気化膜９１に接触する。
　第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体は、液体の状態であることが好ましい。液体の第１透過流体は、例えば、第１膜分離装置１０から排出された気体の第１透過流体を熱交換器で凝集することによって得ることができる。第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体は、予め加熱されてもよく、加熱されていなくてもよい。第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体の温度Ｔ５は、例えば１５℃～７５℃であり、３０℃～７５℃であってもよく、３０℃～５０℃であってもよい。
　次に、透過空間出口９４ａを通じて、第２膜分離装置９０の透過空間を減圧することによって、第２膜分離装置９０で膜分離工程を実行する。これにより、第１透過流体を第２透過流体及び第２非透過流体に分離することができる。第２膜分離装置９０での膜分離工程の条件としては、第１膜分離装置１０での膜分離工程の条件として上述したものが挙げられる。
　膜分離システム１３０は、膜分離工程において、第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体の温度Ｔ５（℃）と、第２膜分離装置９０から排出される第２非透過流体の温度Ｔ６（℃）との差の絶対値（｜Ｔ５－Ｔ６｜）が１０℃未満となるように、第２膜分離装置９０の温度を調節してもよい。言い換えると、第２浸透気化膜９１によって処理された第１透過流体（第２非透過流体）に大きな温度変化が生じないように膜分離工程が実施されてもよい。温度Ｔ５が微生物の発酵温度程度である場合、温度変化が抑制された第１透過流体（第２非透過流体）を発酵槽としてのタンク２０に供給しても、タンク２０に貯蔵された発酵液Ｓの温度はほとんど変化しないため、当該発酵液Ｓ中の微生物の減少を抑制できる。
　上記の絶対値｜Ｔ５－Ｔ６｜は、好ましくは８℃未満であり、５℃未満、３℃未満、さらには２℃未満であってもよい。絶対値｜Ｔ５－Ｔ６｜は、実質的に０℃であってもよい。第２膜分離装置９０から排出される第２非透過流体の温度Ｔ６は、第２膜分離装置９０に供給される第１透過流体の温度Ｔ５より高くてもよく、温度Ｔ５より低くてもよい。温度Ｔ６は、例えば１５℃～７５℃であり、３０℃～７５℃であってもよく、３０℃～５０℃であってもよい。温度Ｔ５に対する温度Ｔ６の比率Ｔ６／Ｔ５は、特に限定されない。
　以下に、測定例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［浸透気化膜の作製］
　まず、次の方法によって浸透気化膜を作製した。シリコーン樹脂（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製のＹＳＲ３０２２）１．６５０ｋｇ（固形分濃度３０ｗｔ％）、トルエン２．８０５ｋｇ、ハイシリカゼオライト（ユニオン昭和社製のＨｉＳｉｖ３０００）０．４９５ｋｇ、シリコーン硬化触媒（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製のＹＣ６８３１）０．０４９５ｋｇ及び硬化遅延剤としてのアセチルアセトン０．０４９５ｋｇを混合して塗布液を調製した。次に、塗布液を厚さ１５０μｍの多孔性支持体（日東電工社製のＲＳ－５０）の上に塗布することによって塗布膜（厚さ５００μｍ）を得た。塗布膜を９０℃で４分間加熱し、乾燥させることによって、厚さ５０μｍの分離機能層を作製した。分離機能層において、シリコーン樹脂とハイシリカゼオライトとの重量比は、５０：５０であった。これにより、浸透気化膜を得た。
［膜分離装置の作製］
　作製した浸透気化膜を用いて、図５に示すようなスパイラル型の膜エレメント（膜分離装置）を作製した。膜エレメントの外径は４インチ（１０．１６ｃｍ）であった。膜エレメントにおける浸透気化膜の膜面積は６ｍ2であった。
（測定例１）
　図２に示す加熱部を用いて膜分離装置を加熱した状態で、膜分離装置について、供給工程及び膜分離工程を行った。詳細には、まず、イソプロパノール（ＩＰＡ）及び水からなる混合液体を５００ｍＬ／ｍｉｎの流量で膜分離装置の供給空間に供給した。混合液体におけるＩＰＡの含有率は５ｗｔ％であった。膜分離装置に供給された混合液体の温度Ｔ１は４３．６℃であった。
　次に、膜分離装置の中心管の内部の空間（透過空間）を１．３ｋＰａまで減圧して、膜分離工程を行った。これにより、混合液体を透過流体と非透過流体とに分離した。上述のとおり、膜分離工程は、図２に示す加熱部を用いて膜分離装置を加熱した状態で行った。加熱部の収容空間には、熱媒体として、４３．６℃の温水を導入した。膜分離工程によって、膜分離装置から排出された非透過流体の温度Ｔ２は４２．０℃であった。透過流体は、６～７ｍＬ／ｍｉｎの流量で得られた。
（測定例２）
　膜分離装置を加熱しなかったことを除き、測定例１と同じ方法によって、膜分離装置について、供給工程及び膜分離工程を行った。その結果、膜分離装置から排出された非透過流体の温度Ｔ２は３２．２℃であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　膜分離装置を加熱した測定例１では、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差の絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜が１０℃未満であった一方、膜分離装置を加熱していない測定例２では、絶対値｜Ｔ１－Ｔ２｜が１０℃を上回っていた。供給液として発酵液を用いて、測定例１の条件で膜分離装置を運転した場合、浸透気化膜によって処理された発酵液（非透過流体）では、発酵物を生成可能な微生物の減少が抑制されており、再利用に十分に適していることが推定される。
　本実施形態の膜分離システムでは、浸透気化膜を用いた処理によって、再利用に十分に適した非透過流体を得ることができる。
 

Claims (12)

  1. 　膜分離装置を備えた膜分離システムであって、
    　前記膜分離装置は、浸透気化膜を有し、
    　前記浸透気化膜は、揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を透過流体と非透過流体とに分離し、
    　前記膜分離システムは、前記膜分離装置に供給される前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節する、膜分離システム。
  2. 　前記絶対値が３℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節する、請求項１に記載の膜分離システム。
  3. 　前記温度Ｔ１が３０℃～７５℃である、請求項１に記載の膜分離システム。
  4. 　前記膜分離装置を加熱する加熱部をさらに備えた、請求項１に記載の膜分離システム。
  5. 　前記透過流体における前記有機化合物の含有率は、前記発酵液における前記有機化合物の含有率よりも高い、請求項１に記載の膜分離システム。
  6. 　前記有機化合物がアルコールである、請求項１に記載の膜分離システム。
  7. 　前記膜分離装置に供給されるべき前記発酵液を貯蔵するタンクをさらに備えた、請求項１に記載の膜分離システム。
  8. 　前記膜分離装置に接続され、前記膜分離装置から前記非透過流体を排出するための非透過流体排出経路をさらに備え、
    　前記非透過流体排出経路が前記タンクに接続されている、請求項７に記載の膜分離システム。
  9. 　前記透過流体を第２透過流体と第２非透過流体とに分離する第２浸透気化膜を有する第２膜分離装置をさらに備えた、請求項１に記載の膜分離システム。
  10. 　前記第２膜分離装置から排出される前記第２非透過流体の温度が３０℃～７５℃である、請求項９に記載の膜分離システム。
  11. 　前記膜分離装置に供給されるべき前記発酵液を貯蔵するタンクと、
    　前記第２膜分離装置に接続され、前記第２膜分離装置から前記第２非透過流体を排出するための第２非透過流体排出経路と、
    をさらに備え、
    　前記第２非透過流体排出経路が前記タンクに接続されている、請求項９に記載の膜分離システム。
  12. 　浸透気化膜を有する膜分離装置の運転方法であって、
    　前記運転方法は、
    　揮発性の有機化合物と、当該有機化合物を生成する微生物とを含む発酵液を前記膜分離装置に供給する供給工程と、
    　前記浸透気化膜によって、前記発酵液を透過流体と非透過流体とに分離する膜分離工程と、
    を含み、
    　前記膜分離工程は、前記供給工程で供給された前記発酵液の温度Ｔ１（℃）と、前記膜分離装置から排出される前記非透過流体の温度Ｔ２（℃）との差の絶対値が１０℃未満となるように、前記膜分離装置の温度を調節した状態で行う、膜分離装置の運転方法。
     
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