用于从液体分离沉淀物的方法和系统
技术领域
本发明涉及从液体分离沉淀物的方法，以及从水溶液回收水溶性生物聚合物的系统和方法。
背景技术
可通过多种方式实现将沉淀物与液体分离。例如，已知使用离心来实现分离。如本领域技术人员将清楚的，待分离的沉淀物可包括各种物质或化合物，例如沉淀的生物聚合物。因此得出结论，沉淀物分离过程可以是生物聚合物回收过程的一部分。
已知方法的缺点是它们通常涉及不太适合有效的大规模处理的批处理过程。
此外，在从水溶液回收水溶性生物聚合物的已知工艺中，生物聚合物沉淀通常通过与溶剂(通常是爆炸性有机溶剂(例如甲醇、异丙醇、乙醇或丙酮))混合来实现。在这样的条件下，希望可恰当地回收溶剂，从而避免爆炸的危险。另外，已经发现，在生物聚合物沉淀物具有与含有该沉淀物的液体基本上相同的密度的情况下，通过离心从液体/溶剂混合物中移除生物聚合物沉淀物相对困难。在那种情况下，可应用搅拌的间歇式反应器以实现沉淀，但是，搅拌机构的操作可能增加爆炸风险，而从反应器容器中移除所得沉淀物则很麻烦。在生物聚合物包括相对长的纤维的情况下，该纤维在搅拌器设备中盘绕，其中所形成的纤维盘绕很难从设备中去除，这甚至更成问题。
发明内容
本发明旨在避免或减轻上述问题。特别地，根据一个方面，本发明旨在提供一种用于从液体中分离沉淀物的改进方法。另外，本发明旨在提供一种用于回收生物聚合物的改进工艺。更特别地，本发明旨在提供一种可以以经济的方式安全有效地执行的方法/工艺。
根据本发明的一个方面，这是通过一种用于从液体分离沉淀物的方法来实现的，该方法包括：
-引发沉淀物的至少一部分向液体的上表面的输送；以及
-从液体的上表面移除沉淀物。
以这种方式，可经由液体的上表面从液体高效且安全地移除沉淀物。在此，例如，沉淀物可部分或基本上完全覆盖上表面，以例如通过合适的沉淀物移除装置吸收。
根据另一个实施方式，其中液体含有水。附加地或可替代地，液体可含有(液体)有机溶剂，例如用于引发在液体中的沉淀物形成的溶剂。在后一种情况下，例如，有利地，沉淀物是生物聚合物。已经发现，本发明特别适合于实现溶剂引发的生物聚合物的沉淀和分离，其中可避免机械搅拌的间歇反应器的应用，从而以相对安全的方式导致高通量(具有相对低的爆炸风险)。
例如，可将创新的新型沉淀物分离方法应用于通常很难与含有沉淀物的液体分离的沉淀物。在这种情况下，例如当沉淀物具有与液体的密度(kg/m3)基本相同的密度(kg/m3)时，使得沉淀物本身基本上不沉没或漂浮在液体中。生物聚合物沉淀物可以是具有这种性质的沉淀物的实例。
根据一个优选实施方式，该方法包括将流体供给到液体中，特别用于在液体中产生向上定向的沉淀物输送流，该流体优选在液体中形成至少一个流体气泡流。例如，流体可具有比液体密度更低的密度，并且更特别地，流体可以是气体或气体混合物，例如惰性气体。向上定向的流体(例如，由于浮力而在液体中上升的气泡)可作用于沉淀物或与沉淀物相互作用，将动能传递给沉淀物，导致沉淀物在液体中也上升(朝上表面)。流体(特别是气体或气体混合物)可经由液体的上表面离开液体，留下上升的沉淀物以将其从液体移除(例如，通过合适的沉淀物移除装置)。
优选地，通过引发沉淀物提升流的附加流体可达到相对较大面积或体积的液体。为此目的，例如，可经由例如特别是在液体的上表面下方的水平处的孔和/或注入喷嘴这样的多个流体注入口，将流体注入到液体中。
此外，根据一个实施方式，可提供至少液体搅拌步骤，该步骤将至少一个流体射流注入到液体中以搅拌液体，特别是用于湍流地混合液体的内容物。搅拌步骤可有助于液体中的沉淀过程，例如使待沉淀的化合物与沉淀引发剂剧烈混合。举例来说，该方法可包括提供化合物(例如待沉淀的生物聚合物)的液体溶液，并将液体溶液与沉淀引发剂混合，以使化合物沉淀成沉淀物。在那种情况下，所得混合物可以是将从中分离出沉淀物的液体。
在进一步的实施方式中，该方法可包括对从液体表面分离的沉淀物进行除湿(例如，在附加的除湿步骤中)，特别是移除可能已经与沉淀物一起被移除(“逸出”)的过量液体。
此外，本发明提供了一种用于从液体分离沉淀物的系统，例如用于执行上述方法的系统。有利地，该系统包括：
-容器，其用于接收其中形成和/或已经形成沉淀物的液体；
-沉淀物输送引发装置，其在操作期间被保持在容器中，用于引发沉淀物向液体的上表面的输送；以及
-沉淀物移除装置，用于从容器内的沉淀物移除水平移除沉淀物，该沉淀物移除水平与在操作期间保持在容器中的液体的上表面相关联。
以这种方式，可实现上述优点。特别地，该系统可例如以在线工艺(in-lineprocess)有效且安全地将沉淀物与液体分离。
此外，提供了一种从水溶液中回收水溶性生物聚合物的工艺，该工艺包括根据本发明的方法和/或使用根据本发明的系统从溶液分离至少一部分生物聚合物，从而可实现具有上述优点的水溶性生物聚合物回收。
除此之外，在本发明中，术语“生物聚合物”应理解为由活生物体产生的任何聚合物。本发明的工艺和系统特别适合于在20至100℃或在20至80℃范围内表现出与温度无关的粘度的生物聚合物。本发明的工艺特别适用于含有共价键合的单体单元的生物聚合物，例如聚合碳水化合物结构、橡胶、木栓质、黑色素和木质素。在示例性实施方式中，至少一种生物聚合物具有至少0.8兆道尔顿的分子量，例如硬葡聚糖、支链淀粉或β-葡聚糖。在另一个示例性实施方式中，至少一种生物聚合物具有最大为0.5至5.0百万道尔顿(兆道尔顿)或0.75至3.5百万道尔顿(兆道尔顿)或1.0至2.0百万道尔顿(兆道尔顿)的分子量分布。在示例性实施方式中，生物聚合物具有由常数b描述的剪切稀化行为，其中b是两对值x1/y1和x2/y2之间的梯度，其中x是0.1-100s-1范围内的剪切速率[s-1]，且y是在给定的剪切速率下，在生物聚合物的温度为20℃至80℃、浓度为0.05至0.5wt％时的动态粘度[mPas]。常数b可由公式b＝-((lg(y1/y2)/(lg(x1/x2))描述。在合适但示例性的实施方式中，b选自0.65至1.05的范围。在另一个示例性实施方式中，b选自0.7至1.0的范围。在另一个示例性实施方式中，b选自0.75至0.9的范围。在本发明中，术语“β-葡聚糖”应理解为意指任何β-D-葡萄糖多糖，其特征在于形成具有1-3个β-糖苷键的线性骨架。在本发明的特定实施方式中，β-葡聚糖具有最大为0.5至5.0百万道尔顿(兆道尔顿)或0.75至3.5百万道尔顿(兆道尔顿)或1.0至2.0百万道尔顿(兆道尔顿)的分子量分布。
在本发明中，术语“β-葡聚糖”应理解为意指特征在于形成具有1-3个糖苷键的线性骨架的任何D-葡萄糖多糖。在本发明的特定实施方式中，β-葡聚糖具有最大0.8至1.6百万道尔顿(兆道尔顿)或1.0至1.4兆道尔顿的分子量分布。
在从属权利要求中描述了本发明的其他有利实施方式。现在将参考附图中描绘的非限制性实例来解释本发明的各个方面。其中显示：
附图说明
图1示意性地示出了用于生物聚合物生产的工艺；
图2示意性地示出了用于从液体分离沉淀物的系统的第一实施方式；
图3示意性地示出了用于从液体分离沉淀物的系统的第二实施方式；以及
图4是图3的沿IV-IV线的横截面。
具体实施方式
在本申请中，相应或相似的特征由相应或相似的附图标记表示。
如技术人员将理解的，可以以各种方式形成沉淀物。一个实例是作为生物聚合物生产的一部分的生物聚合物沉淀。图1示意性地描绘了用于生物聚合物沉淀的示例性工艺。它可包括例如以下步骤：
-发酵步骤200，用于提供发酵液；
-第一超高温(UHT)处理步骤210；
-一个或多个过滤级，其例如包括例如利用压滤机的过滤步骤220和超滤步骤230；
-沉淀步骤240，以提供固体产物SP；以及
-第二超高温(UHT)处理步骤250，以提供液体产物LP。
通常，执行沉淀步骤240以从水溶液回收水溶性生物聚合物，所述溶液例如为由一个或多个过滤器级220、230提供的产物。被供给到沉淀步骤230的水溶液通常具有相对高的粘度。在沉淀步骤240期间，生物聚合物的沉淀可产生由生物聚合物的纤维组成的沉淀物(即，纤维状沉淀物)。已知通过将有机溶剂(例如甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮)混合到水溶液中来实现这样的生物聚合物沉淀。
图2示出了用于从液体分离沉淀物的系统，该系统可例如被用于图1所示的工艺中。该系统包括用于接收在其中将形成沉淀物的液体的容器1。提供第一供给管线21，用于经由入口8(例如，液体注入喷嘴)将水溶液供给到容器中，特别是采用该溶液填充容器。此外，第二供给管线22是可用的，用于将溶剂(适于引发生物聚合物的沉淀)供给到容器中。在该实例中，第一供给管线21和第二供给管线22在进入容器1的入口的上游彼此接合，但是它们也可单独地连接至容器1。此外，在该实例中，两个供给管线中的每一个被提供有相应的泵送单元P1、P2用于控制相应的供给管线流量。
此外，该系统包括沉淀物输送引发装置3，其在操作期间被保持在容器1中，用于引发沉淀物向液体的上表面的输送。
本发明的沉淀物输送引发装置3包括入口3a，其被构造成用于将沉淀物输送流体在容器1a的底部处或底部附近输入到容器1中，特别是具有与在操作期间存在于容器中的液体密度相比更低的密度的流体。在本实例中，气体被用作沉淀物输送流体。为此目的，该系统包括：气体源GS，其含有沉淀物输送气体；以及气体供给管线23，以将气体供给到流体入口3a。任选地，气体供给管线23被提供有第三泵送单元P3，用于将气体泵送到下游入口3a。优选地，气体是惰性气体(例如，氮气、氩气、氦气或二氧化碳、或其混合物)。
进气口可以以各种方式配置。在该实例中，气体入口3a包括多个气体注入口，用于将多个间隔开的位置处的气体注入到容器1的内容物中(即，在操作期间注入到存在于容器1中的液体中)。该实例的气体入口3a位于容器的底部水平上方的水平处。各个容器底部1a可例如相对于虚拟水平面以一定角度(＞0度)延伸，其中可通过液体排放/排出口9提供容器底部1a的低或最低位置。液体排出口9可与相应的第四泵送单元P4流体连通，用于将液体供给到泵，特别是用于经由反馈管线24将液体循环回到容器中(反馈管线的下游端与液体入口8流体连通)。在另一个实施例中，第四泵送单元P4和相应的下游液体注入口8可操作以将液体注入到容器1中，特别是用于在操作期间搅动容器1中的(液体)内容物。此外，在第四泵送单元的下游设置有单独的排出管线25，用于将液体供给到液体处理装置28(而不是使液体循环)。
此外，该系统可包括用于从容器1中移除沉淀物输送流体(即气体)的流体出口3b。如在本实例中，流体出口优选地位于沉淀物移除水平L上方或附近。
提供沉淀物移除装置5，用于从容器1内的沉淀物移除水平L移除沉淀物。该沉淀物移除水平与在操作期间被保持在容器1中的液体的上表面相关联。
图2示意性地示出了刮板型沉淀物移除装置5，其具有从动的环形的刮擦构件，所述刮擦构件具有多个侧向/向下突出的沉淀物刮擦或吸收元件(例如，相对刚性的指状刮片)。刮擦构件可包括例如一个或多个环形带、链条或不同的环形输送装置，这对于本领域技术人员将是清楚的。在操作期间，环形刮擦构件的下部5a可沿刮擦方向S(在该非限制性实例中为大致水平方向)被驱动，其中各刮擦元件可在移除水平L处机械接触沉淀物以迫使沉淀物/将沉淀物输送到收集区CA。刮擦构件的下部5a可例如延伸穿过容器1的侧壁的开口或沉淀物排出间隙1b，从沉淀物移除水平L进入沉淀物收集器7的单独的收集区域CA(如图2所示)，其中可将刮下/收集的沉淀物滴入收集区CA以进行进一步处理。
图3、图4示出了容器101的替代实例，该容器101包括从动输送器105，该从动输送器105被布置成在操作期间在液体的上表面接触沉淀物，以将沉淀物从液体移离至沉淀物收集器7。从动输送器105可例如具有刮板型构造(如图2实施方式中所示)。该替代实例与图2实施方式的不同之处在于，容器101具有大体环形的容器壁(参见图4，在该实例中，容器101的中心线是基本竖直的线)，其中多个注入口108被提供在容器壁处或容器壁附近，被构造成用于将液体沿基本切线方向T注入到容器101中。而且，第二实施方式包括位于容器底部的液体排出口109、容器101顶部的气体注入喷嘴103a、气体排出口103b以及用于沉淀物输送器/刮板105的开口101b。
参照图2，在所描绘的系统中，沉淀物收集器7被构造成接收来自刮板装置5的沉淀物。收集器7可包括脱水单元7a(例如，螺旋压机)，以进一步从收集的沉淀物移除液体，并且用于排出固体最终产物(待进一步加工和/或包装等)。脱水单元7a可包括液体排出口，该液体排出口任选地连接至第五泵送单元P5，以排出液体并任选地使液体循环。
此外，该系统可包括多个流量控制器(例如控制阀)，用于控制液体和气体流过相应管线/管道。此外，可提供控制器单元(未示出)，例如如本领域技术人员将理解的，计算机，用于自动地控制过程，即相应的流体流量、泵送装置、阀、排出装置等。
在图2(或图3)中描述的系统的操作期间，容器1(或101)可被用于沉淀物形成和随后的沉淀物分离。该工艺可包括将待沉淀的化合物(例如生物聚合物)的液体溶液经由第一供应管线21(任选地利用第一泵送单元P1)供给到容器1。在下文中，作为实例，将更详细地描述经由溶剂沉淀引发剂引发生物聚合物沉淀。待沉淀的生物聚合物的非限制性实例包括多糖(例如，胞外多糖(exopolysaccharide)，EPS)。本发明的方法特别适用于含有共价键合的单体单元的生物聚合物，例如聚合碳水化合物结构、橡胶、木栓质、黑色素和木质素。
本方法对于生物聚合物加工(例如固体生物聚合物回收)特别有利，其中所得的生物聚合物沉淀物具有与相应液体(例如水)的密度(kg/m3)基本相同的密度(kg/m3)。如本领域技术人员将清楚的那样，生物聚合物沉淀物可例如包括相对长的实心(线性)纤维。
将生物聚合物水溶液(特别是生物聚合物在水中的溶液)与合适的生物聚合物沉淀引发剂(例如，如前所述的有机溶剂)混合，其也经由第二供给管线22供给(任选地使用相应的第二泵送单元2)到容器1中。生物聚合物水溶液和沉淀引发剂(在这种情况下为溶剂)的供给可通过各种方式实现，这取决于例如相应的流速和沉淀速率。特别地，起初，首先采用溶剂填充容器1，然后将生物聚合物水溶液供给到容器1中的溶剂中，从而引发生物聚合物沉淀。
因此，容器的内容物导致溶剂、水和生物聚合物的混合物，该混合物被用作将从中分离沉淀物的液体。
通过第三泵送单元P3经由进气口3a(例如孔和/或注入喷嘴，特别是在液体的上表面L下方的水平处的孔和/或注入喷嘴)将气体(从气体源GS)泵送到容器1中，来实现将沉淀物的至少一部分输送到液体混合物的上表面(即，沉淀物移除水平L)。供给到容器1中的气体可优选地通过在液体中形成多个气体气泡流(例如，气体气泡，起初具有相对较小的气泡直径，例如在约1-5mm的范围内；在注入后，这样的小气泡可保持小直径，或者它们可聚结为更大直径的气泡)而在液体中产生向上定向的沉淀物输送流。由于气体具有与容器1的液体内容物相比更低的密度，因此气体气泡上升，并且可将动能传递给形成的沉淀物，从而导致沉淀物也上升。
气体可逸出液面水平L，以经由气体排出口3b从容器排出(例如，用于再循环到气体入口3a)。
同样，作为结果，沉淀物在液面水平L处堆积，并且可通过沉淀物移除装置5从容器1中移除，以经由沉淀物收集器7收集并进一步处理。例如，移除的沉淀物可通过脱水单元7a进一步干燥，其中第五泵送单元P5可用于使从脱水单元7a流出的液体循环回到容器1中。可使用液体处理装置28来例如处理使用后的容器内容物。
优选地，在操作期间，通过将一个或多个搅拌射流也注入到容器1中来搅拌容器1的内容物。这样的搅拌射流可例如包括生物聚合物溶液和/或溶剂本身。为了该目的，可应用容器1的内容物的再循环，例如通过经由排出口9排出一些内容物而实现，以通过第四泵送单元P4将其泵回到容器1中。由于排出口9位于相对较低的水平(在容器底部或附近，即，明显低于生物聚合物溶液供给口8的垂直位置)，因此排出的容器内容物优选含有溶剂和水而没有或基本上没有所沉淀的生物聚合物材料。
搅拌步骤可例如是单独的步骤，即与容器填充过程分开和/或可与容器填充步骤至少部分重叠。优选地，施加搅拌步骤，以使容器的内容物(即，生物聚合物溶液和溶剂的混合物)湍流地混合。
以此方式，在可避免使用机械搅拌器的良好控制的环境中，可有效且安全地形成生物聚合物沉淀物。因此，也可实现较高的通量。
尽管已经参考附图更详细地描述了本发明的说明性实施方式，但是应当理解，本发明不限于那些实施方式。在不脱离权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可进行各种改变或修改。
应该理解，在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤。同样，术语“一”和“一个”不排除多个。而且，单个处理器或其他单元可实现权利要求中记载的几种装置的功能。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制权利要求的范围。
例如，该系统可包括用于冷却容器1的内容物的冷却装置，例如冷却至室温或低于室温的温度，特别是为了进一步降低爆炸风险。
