(57)【要約】【課題】本発明は液体混合物を分離する方法および装置を提供する。【解決手段】本発明の方法は、第一の化合物と第二の化合物とを含む液体混合物の液流が非孔性選択透過膜を透過する工程と、前記液流と比較して低温であるコンデンサ面で蒸気を凝集して蒸留液流を生じさせる工程と、を有し、前記非孔性選択透過膜は前記第一の化合物と前記第二の化合物のいずれかに選択性を有し、前記液流の一部は前記非孔性選択透過膜を透過して前記非孔性選択透過膜の反対側から前記蒸気となって離脱し、前記液流の残余分は残余液流を形成し、前記コンデンサ面が前記蒸留液流と冷却液流との間に非浸透熱伝導分離壁を形成し、前記冷却液流は、ａ）被処理液流が十分な低温であって前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒となる場合には前記被処理液流、あるいは、ｂ）被処理液流の温度が高く前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒とならない場合には前記残余液流であり、前記蒸気と前記冷却液流との間で熱が伝導し、前記非孔性選択透過膜と前記コンデンサ面との距離は１０ｍｍを下回り、前記蒸留液流の蒸気圧は、前記非孔性選択透過膜が選択性を有する前記液流中の化合物の蒸気圧よりも低く、十分な駆動力によって分離が起こる。【選択図】図１
2012500114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の化合物と第二の化合物とを含む液体混合物の液流が非孔性選択透過膜を透過する工程と、
前記液流と比較して低温であるコンデンサ面で蒸気を凝集して蒸留液流を生じさせる工程と、を有し、
前記非孔性選択透過膜は前記第一の化合物と前記第二の化合物のいずれかに選択性を有し、
前記液流の一部は前記非孔性選択透過膜を透過して前記非孔性選択透過膜の反対側から前記蒸気となって離脱し、前記液流の残余分は残余液流を形成し、
前記コンデンサ面が前記蒸留液流と冷却液流との間に非浸透熱伝導分離壁を形成し、
前記冷却液流は、
ａ）被処理液流が十分な低温であって前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒となる場合には前記被処理液流、あるいは、
ｂ）被処理液流の温度が高く前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒とならない場合には前記残余液流であり、
前記蒸気と前記冷却液流との間で熱が伝導し、
前記非孔性選択透過膜と前記コンデンサ面との距離は１０ｍｍを下回り、
前記蒸留液流の蒸気圧は、前記非孔性選択透過膜が選択性を有する前記液流中の化合物の蒸気圧よりも低く、十分な駆動力によって分離が起こる、
ことを特徴とする、被処理液流と液体混合物とを分離する方法。
【請求項２】
少なくとも前記液流の一部が前記非孔性選択透過膜を通過する流束が０．５ｋｇｍ−２ｈ−１以上であり、好適には１ｋｇｍ−２ｈ−１以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非孔性選択透過膜と前記コンデンサ面との距離が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、好適には２ｍｍ〜４ｍｍである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記非孔性選択透過膜と前記コンデンサ面との間にスペーサが設けられる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記非孔性選択透過膜がポリマー膜、セラミック膜、支持液膜及び混合マトリクス膜からなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記コンデンサ面の表面積が前記非孔性選択透過膜の表面積の０．１〜２倍である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記非孔性選択透過膜が中空繊維膜であり、前記コンデンサ面が前記中空繊維膜の内部のコンデンサ管の表面である、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記被処理液流が前記残余液流に対して向流、並流又は逆流となって流れる、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記蒸留液流が前記被処理液流に合流する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記蒸留液流と蒸発する前記残余液流との蒸気圧差が１ｋＰａ〜２００ｋＰａであり、より好適には１５ｋＰａ〜１００ｋＰａである、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記非孔性選択透過膜が選択性を有する上層を備え、
前記上層の厚みが０．１μｍ〜１００μｍ、より好適には０．１μｍ〜１０μｍ、さらに好適には０．１μｍ〜１μｍ、である、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一の化合物が親水性であり前記第二の化合物が疎水性である、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記液体混合物が水および有機化合物を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記有機化合物がエタノール、ブタノール、エチレングリコール、グリセロール及びアセトンからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記液体混合物が発酵液であり、好適にはエタノール、アセトンおよび／あるいはブタノールを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
被処理液流路と蒸留液流路と残余液流路とを備えるモジュールを備え、
被処理液が供給される第一の分配チャンバーと、前記第一の分配チャンバーに対向して被処理液が排出される第二の分配チャンバーと、液流が供給される第三の分配チャンバーと、前記第三の分配チャンバーに対向して前記液流が排出される第四の分配チャンバーと、前記モジュールの底部にあって浸透液流を除去する第五の分配チャンバーと、をセグメントが有し、
前記セグメントは、
前記被処理液に圧力を作用させて前記セグメントに送り込む第一の圧力印加手段と、前記第二の分配チャンバーの下流にあって前記液流に圧力を作用させて前記残余液流路に送り込む第二の圧力印加手段と、非浸透熱伝導分離壁の形態をとるコンデンサ面を備えて前記被処理液流路と前記蒸留液流路との間にある壁と、前記残余液流路と前記蒸留液流路との間にあって非孔性選択透過膜を備える壁と、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至１５に記載の方法において使用される装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体混合物を分離する方法、および液体混合物を分離するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
当技術分野では液体混合物はパーベーパレーションによって分離できることが知られている。パーベーパレーションとは、混合液体である被処理液流と接触した膜が、被処理液流から１つのあるいは複数の化学種を選択的に吸収する分離方法である。吸収された化学種は、膜に生じる蒸気圧勾配の作用によって膜を横断して浸透する。蒸気圧勾配は、真空あるいは除去ガスを用いて浸透物を膜の生成物側から取り除くことによって生じる。工業的には、真空は、浸透物液流を凝縮することによって安価に作り出される。これによって、この工程を駆動させる部分真空が自発的に作り出される。全ての場合において、浸透蒸気が最終的に凝縮され、生成物である蒸留液流は液体となって回収される。パーベーパレーションが蒸留に比べて優れている点は、膜に選択性があるため、共沸混合物をその共沸組成を超えて分離できる点である。
【０００３】
特許文献１には、直接接触膜蒸留法による液体の精製方法が開示されており、これは具体的には海水または汽水から脱塩水を製造することを目的としている。この精製方法は、加熱・気化した液体の流体が多孔質膜を透過する工程を有する。多孔質膜は疎水性で、孔は空気で満たされている。このため、液体の水はこの疎水性の膜を透過することができないが、水蒸気とその他の気体分子は膜を透過することができる。液体の蒸気が膜中を流れ、反対側のコンデンサ面で凝縮される。コンデンサ面は、精製の対象である被処理液と（凝縮された）蒸気との非孔性分離を形成する。特許文献１に記載の方法は、膜蒸留系のコストとエネルギー消費とが共に低いという点でのエネルギー効率が高い。
【０００４】
この方法の欠点は、この過程は疎水性液体と親水性液体とを含有する液体混合物の分離には適用できない、という点である。疎水性液体／親水性液体の混合物を特許文献１に記載の方法に適用すれば、孔の湿潤が起こり、結果的に膜の浸透性が損なわれたり、漏出が起こったりするであろう。特許文献１に記載の方法を用いれば基本的には液体混合物を分離できるが、膜が選択性を有さないために、効果が限定される。この方法を使用して共沸組成を越えて分離することは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／０５４２０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の欠点の少なくとも一部を克服し、稼働に際して必要なエネルギーが最小となる液体混合物の分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、下記のいずれかと熱交換可能な接触状態にある非浸透熱伝導コンデンサ面で浸透蒸気が凝縮されるパーベーパレーション法を用いれば上記目的が達成されることを見いだした。
ａ）被処理液流が十分な低温であって透過蒸気の凝縮のための好適な冷媒となる場合には前記被処理液流、あるいは、
ｂ）被処理液流の温度が高く透過蒸気の凝縮のための好適な冷媒とならない場合には残余液流。
【０００８】
このように、本発明によれば内部での熱の回収が最大となり、その結果熱損失は最小となる。さらに、冷却された蒸留液流と蒸気流との温度差のために蒸気圧の差が生じ、これは分離の駆動力に貢献し、この分離方法のエネルギー消費を低減する。このように、本発明は、分離を行う際に真空や除去ガスを必要としないパーベーパレーションの方法を提供する。
【０００９】
本発明の第一の観点に係る被処理液流と液体混合物とを分離する方法は、
第一の化合物と第二の化合物とを含む液体混合物の液流が非孔性選択透過膜を透過する工程と、
前記液流と比較して低温であるコンデンサ面で蒸気を凝集して蒸留液流を生じさせる工程と、を有し、
前記非孔性選択透過膜は前記第一の化合物と前記第二の化合物のいずれかに選択性を有し、
前記液流の一部は前記非孔性選択透過膜を透過して前記非孔性選択透過膜の反対側から前記蒸気となって離脱し、前記液流の残余分は残余液流を形成し、
前記コンデンサ面が前記蒸留液流と冷却液流との間に非浸透熱伝導分離壁を形成し、
前記冷却液流は、
ａ）被処理液流が十分な低温であって前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒となる場合には前記被処理液流、あるいは、
ｂ）被処理液流の温度が高く前記蒸気の凝縮のための好適な冷媒とならない場合には前記残余液流であり、
前記蒸気と前記冷却液流との間で熱が伝導し、
前記非孔性選択透過膜と前記コンデンサ面との距離は１０ｍｍを下回り、
前記蒸留液流の蒸気圧は、前記非孔性選択透過膜が選択性を有する前記液流中の化合物の蒸気圧よりも低く、十分な駆動力によって分離が起こる、
ことを特徴とする。
【００１０】
蒸気流と冷却流との温度差を大きくするために、熱交換器を使用してもよい。前記熱交換器は、蒸発させる液流（蒸気流）と冷却流との間に設けるのが好適である。熱交換器は、熱源あるいは冷媒として機能することが可能である。いずれの機能も、前記温度差を拡大するために必要である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明に係る方法の実施形態の１つを表す概略図である。
【図２】図２は、織繊維と不織繊維を示す図である。
【図３】図３は、８個のユニットを備えるモジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１（Ａ）は、本発明に係る方法の実施形態の１つを表す概略図である。コンデンサ面が、蒸留液流と被処理液流との非浸透熱伝導分離壁となっている。液体混合物の被処理液流は、最初に凝結蒸気との熱交換的接触によって加熱される。その後、外部の熱交換器を用いて前記被処理液流をさらに加熱する。このようにして得られた蒸発させる液流は非孔性選択透過膜に展開され、液流の少なくとも一部は前記膜を透過して前記膜の反対側から蒸気となって離脱し、液流の残余分は残余液流を形成する。
【００１３】
図１（Ｂ）は、本発明に係る方法の実施形態の１つを表す概略図であり、コンデンサ面が、蒸留液流と残余液流との間の非浸透熱伝導分離壁となっている。液体混合物の液流が非孔性選択透過膜に展開され、液流の少なくとも一部は前記膜を透過して前記膜の反対側から蒸気となって離脱し、液流の残余分は残余液となる。前記残余液流は次に熱交換器で冷却され、非浸透熱伝導分離壁と接触状態となり、コンデンサ面の冷媒として機能する。
【００１４】
蒸留液流と液流との蒸気圧差が、本発明の方法における分離の主な駆動力である。前記蒸気圧差は、好適には１５ｋＰａより大きく、より好適には２５ｋＰａよりも大きく、最も好適には５０ｋＰａより大きい。例えば、本発明の方法を用いて水からエタノールを除去する場合、少なくとも１５ｋＰａの蒸気圧差があることが望ましい。有機物液流から水を除去する場合には、少なくとも２０ｋＰａの蒸気圧差があることが望ましい。蒸気圧の値は、使用する膜や分離する混合液体の組成に特段依存する。選択性の高い膜の場合には、膜を透過する大きな流束を生じさせるために比較的大きい蒸気圧差を作用させることが望ましく、好適な蒸気圧差は５０ｋＰａよりも大きい。ここで流束は、膜表面の単位面積あたりの蒸留物の取得速度として定義される。通常、蒸気圧差は好適には２００ｋＰａよりも小さく、より好適には１００ｋＰａよりも小さい。膜を横断して伝導する熱の量（本発明の方法の効率）は、流束（あるいは物質輸送量）に大きく依存する。さらに、浸透物の凝集エンタルピーにも依存する。例えば水の凝集エンタルピーは大きく、有機溶媒の場合は非常に小さい（水の凝集エンタルピーの２〜４倍小さい）。すなわち、効果的な実施形態において流束は０．５ｋｇｍ−２ｈ−１以上であり、好適には１ｋｇｍ−２ｈ−１以上である。通常流束は５ｋｇｍ−２ｈ−１を越えないと考えられる。浸透物の凝集エンタルピーは好適には１５００ｋＪｋｇ−１以上であり、より好適には２１００ｋＪｋｇ−１以上である。通常、凝集エンタルピーは２２５０ｋＪｋｇ−１を超えないと考えられる。
【００１５】
液体の蒸気圧は、その液体の温度に大きく依存する。このように本発明では液流の蒸気圧はその液流の温度に依存し、蒸留液流の蒸気圧はその蒸留液流の温度に依存する。主にこの温度差が分離の駆動力を左右する。
【００１６】
蒸留液流の温度、すなわち蒸気圧は主に冷却流の温度に依存するため、本発明の方法の主要な駆動力は、前記蒸気流と前記冷却流との温度差を調節することによって制御することができる。液流の中では温度が均一ではない場合もあるため、それぞれの流れについての平均温度で評価してよい。蒸気流と冷却流との平均温度の差は好適には５℃よりも大きく、より好適には１０℃よりも大きい。
【００１７】
さらに、液流と冷却流との平均温度の差が過大であってはならない。温度差が大きければエネルギーが損失する可能性があり、このためパーベーパレーションの効率が下がる。このため、液流と冷却流との平均温度の差は好適には３０℃よりも小さく、より好適には２０℃よりも小さい。
【００１８】
非孔性選択透過膜とコンデンサ面との距離は好適には小さくなければならない。浸透蒸気が長距離輸送された場合のエネルギー損失を最小にするためである。しかし、膜とコンデンサ面との間の毛細管現象を防ぐため、この距離は短すぎてはならない。非孔性選択透過膜とコンデンサ面との距離は、好適には１ｍｍよりも大きく、より好適には２ｍｍよりも大きい。さらに、非孔性選択透過膜とコンデンサ面との距離は、１０ｍｍよりも小さく、好適には４ｍｍよりも小さい。
【００１９】
膜とコンデンサ面との間の空間にいわゆるスペーサ物質を充填してもよい。スペーサ物質は、様々な形状の織繊維、不織繊維（図２参照）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）等のポリマーを素材とするネットや工業生産された繊維やその類似物から構成される。好適な形状には、対称な正方形、長方形、菱形、波型等が含まれる。非対称な形状のものや繊維もまた使用できる。
【００２０】
スペーサは、スペーサに沿って液体が流れる時に強制的な上下運動を生じさせる作用を持つ。これによって乱流が生じ、乱流は流路での濃度と温度をできる限り均一に保つ役割をはたす。スペーサはまた、膜とコンデンサシートとが互いに接触することや、移動して離間することを防止する。
【００２１】
非孔性膜を本発明の方法に用いるとき、膜の液流側には液層が形成されるであろう。この層は枯渇層と呼ばれる。枯渇層から蒸発して膜を通過する分子は、結果的に枯渇層を冷却する。このため枯渇層の厚みは物質輸送に対しては負の効果を有する。物質輸送は蒸発した液流の一つの構成成分が膜を通過する際の輸送量として定義され（構成成分全体に相当する流束とは対照的に）、膜の単位面積あたり（ｍ−２単位）、時間あたり（例えば時間あたり、ｈ−１単位）の、得られた蒸留液（ｋｇ単位）の量として表記される。
【００２２】
被処理液を部分的に蒸発させるのに必要な熱は、液流のバルク溶液部分から供給される。熱伝導の全抵抗には、膜抵抗と膜表面上に形成された枯渇層とが含まれる。膜表面の温度は、平衡状態に到達するまで低下する。平衡状態では液流のバルクから枯渇層への熱流束は、膜を透過して蒸留液流に輸送される熱と枯渇層の蒸発に必要な熱との和に等しい。枯渇層の厚さを減らせば膜表面の温度が高くなり、結果的に熱と物質の流束が増加する。
【００２３】
物質輸送を増加させるために、前記スペーサ物質を２層とすることが好適である。２層スペーサは、蒸留液流を繊維に沿って流れるように動かし、膜とコンデンサ面との間の空間に乱流を生じさせ、乱流は混合を促進し、このため、枯渇層へ輸送される熱量が増加する。このため膜表面に形成される枯渇層が減少し、膜に接触した層での蒸発による液流の冷却を阻害する。
【００２４】
膜とコンデンサ面との間に除去ガスを注入してもよい。除去ガスの存在によって、結果的に蒸留液流の部分蒸気圧が降下し、このため分離の駆動力が増加する。除去ガスとして不活性ガスを用いることが望ましい。本発明で使用できる除去ガスの例は、窒素、ヘリウム、空気、二酸化炭素、あるいはアルゴンである。
【００２５】
被処理液は、典型的な場合は被処理液流路に送り込まれ、ある圧力で選択膜に到達する。この圧力は静水圧と呼ばれる。圧力を上げれば物質の沸点が上昇するので、静水圧を上げるとより高温での稼働が可能となる。パーベーパレーションの流束が増加するため、高温での稼働は有益と考えられる。蒸留液の流束が小さい状態（つまり低物質輸送）でのシステム稼働は可能であるが、流束は大きいことが望ましい。前述のように、流束は好適には０．５ｋｇｍ−２ｈ−１以上、より好適には１ｋｇｍ−２ｈ−１以上である。熱回収の観点から蒸留液の流束が大きい点もまた興味深い。しかしながら省エネルギーの観点からは、ほとんどの場合作用させる静水圧が低い方が望ましい。さらに、圧力が高いと非孔性選択透過膜を損傷する、および／あるいは圧縮する危険性が高まるであろう。被処理液流路の静水圧は１ｂａｒ〜２ｂａｒであることが望ましい。系の最終的な圧力は０．１ｂａｒ〜０．５ｂａｒの間で変動するであろう。静水圧を作用させるために、安定的な流れを提供して系の圧力低下に対応できるどのようなポンプを用いてもよい。ポンプの例は歯車ポンプあるいは遠心力ポンプである。
【００２６】
コンデンサ面の面積は、非孔性選択透過膜の表面積の０．１〜２倍であることが望ましい。これは例えば、中空繊維の非孔性選択透過膜の内部にコンデンサ管を設けることで実施できる。数値が小さいと駆動力が弱まるであろう。熱損失が起こりうるため、数値が大きいことは好ましくない。
【００２７】
被処理液流と冷却流とは熱交換できる接触状態でなければならない。この目的のためには、被処理液は冷却流に対して例えば向流、並流、逆流となるように流れてよい。
【００２８】
蒸留液流のすくなくとも一部を被処理液流に戻すことで、蒸留液流の一部を再利用してよい。これを行うことで、透過させる化合物の被処理液中の濃度が上昇して、駆動力が増し、生成物の損失が低減する。
【００２９】
ある実施形態において、非孔性選択透過膜は、ポリマー膜、セラミック（無機）膜、支持液膜、混合マトリクス膜あるいはそれらの素材の組み合わせから選択される。それらの膜に使用される素材は、例えばポリマー膜にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、ペルフルオロポリマーあるいはポリオクチルメチルシロキサン（ＰＯＭＳ）、セラミック膜にはシリケート−１、混合マトリクス膜にはゼオライト粒子を担持したシリコーンゴム、支持液膜には多孔質ポリプロピレン（ＰＰ）中のトリオクチルアミン（ＴＯＡ）であってよい。
【００３０】
本発明の方法と、従来技術（パーベーパレーションや膜蒸留のような）の方法との重要な相違は、選択性の低い膜（相対的な分離因子が低い）を用いた場合でも、本発明の装置を用いた際に有意な性能低下を起こさないことである。気化熱が濃縮中に瞬時に再獲得され、流入する被処理液流に伝播するためである。一方パーベーパレーションでは、一つの過程で選択性を可能な限り最大化するために、選択性の高い膜と真空と冷却手段とが用いられる。膜蒸留には蒸気に対しては全く選択性のない多孔質膜が用いられ、蒸気は透過するが液体および／あるいは固体は透過しない、という点でのみ選択的である。すなわち、本発明はそれらの従来技術の方法で用いられる膜よりも安い膜の使用を可能にする。装置への投資額を低減する点では、この点は非常に好ましい。一つの工程当たりの分離因子は低いかもしれないが、多工程であればこれは決定的な問題とはならない。
【００３１】
従って、ある好適な実施形態において非孔性選択膜の分離因子は、膜の両側での蒸気圧の測定によれば、４０以下であり、好適には１０以下である。通常、分離因子は少なくとも２である。
【００３２】
非孔性選択透過膜は、一般的に支持層、超ろ過膜、上層の３層から構成される。膜の選択性は主に上層に依存する。本発明の方法に関していえば、前記上層の厚みは０．１μｍ〜１００μｍ、より好適には０．１μｍ〜１０μｍ、最も好適には０．１μｍ〜１μｍであってよい。
【００３３】
ある好適な実施形態において、本発明に係る液体混合物は親水的な第一の化合物と疎水的な第二の化合物とを有する。
【００３４】
ある好適な実施形態において、本発明に係る方法は水と有機化合物とを含む液体混合物の分離に使用できる。用いてよい有機化合物の例は芳香族炭化水素、アルコール（例えばエタノール、ブタノール、エチレングリコール、グリセロール）、ケトン（例えばアセトン）、エステル、環状エーテル、ハロゲン化炭化水素、有機酸（例えば酢酸）、脂肪族アミン（例えばトリエチルアミン）、芳香族アミン（例えばピリジン）、非プロトン性溶媒（例えばジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド）、鉱酸（例えば硫酸）である。
【００３５】
ある実施形態において、本発明に係る液体混合物は、例えば化学プラントからの廃液のような、有機化合物を含む廃液から得られる。
【００３６】
ある好適な実施形態において、本発明に係る方法は例えばエタノール、アセトン、および／あるいはブタノールを含むバイオ燃料の精製に用いられる。バイオ燃料はバイオマスの発酵過程で得られる。液体の発酵混合物からバイオ燃料を回収するには、一般的に蒸留が用いられる。蒸留は、大規模である場合には熱統合とスケールメリットのために経済的あるいはエネルギー的な効率が高い。しかし、実施の規模が小さいか、化合物の濃度が１質量％を下回るときには、蒸留はエネルギーの観点から好ましくない。
【００３７】
例えば発酵液は、しばしば含有ブタノール濃度が低い（約１質量％）。この低濃度に加えて、ブタノールはブタノールを生産する細菌にとって毒となるため、発酵を継続するには発酵液から取り除く必要がある。この工程は本発明の方法を用いて実施できる。その他の適用可能な分離方法の例はガスストリッピング、抽出、透過（ｐｅｒｔｒａｃｔｉｏｎ）、真空ストリッピング、吸着である。抽出と透過の欠点は、毒性のある溶媒によって発酵液が汚染される危険性を有している点である。一方吸着法は多大なエネルギーを必要とする。パーベーパレーション法がその他の方法に比べて優れている点は、工程が簡素で、毒性のものを使用しておらず、さらなる精製コストを低減できる点である。本発明の方法によればパーベーパレーションのエネルギーコストをさらに削減できるため、バイオ燃料の精製、具体的には発酵液のブタノール濃度の低減、に対して特段好適である。
【００３８】
本発明はさらに、ブタノールおよびエタノールの脱水に用いてよい。
【００３９】
ある好適な実施形態において、本発明の方法に必要な熱は、工業用水の廃熱のような外部工程の廃熱から供給される。これは本発明の方法を実施するのに必要なエネルギーをさらに低減する。
【００４０】
他の観点において本発明は、本発明の方法において好適に使用される装置の提供を目的とする。装置は、被処理流路、蒸留液流路、残余液流路を備える１つのまたは複数のモジュールを備える。ここでセグメントは、被処理液が供給される第一の分配チャンバー、第一の分配チャンバーに対向して被処理液が排出される第二の分配チャンバー、液流が供給される第三の分配チャンバー、第三の分配チャンバーに対向して液流が排出される第四の分配チャンバー、モジュールの底部にあって浸透液流を除去する第五の分配チャンバー、を有し、セグメントは、被処理液に圧力を作用させてセグメントに送り込む第一の圧力印加手段と、第二の分配チャンバーの下流にあって液流に圧力を作用させて残余液流路に送り込む第二の圧力印加手段と、非浸透熱伝導分離壁の形態をとるコンデンサ面を備えて被処理液流路と蒸留液流路との間にある壁と、残余液流路と蒸留液流路との間にあって非孔性選択透過膜を備える壁とを有する。これら５つの分配チャンバーは、図１Ａおよび図１Ｂに図示され、例えば次のように帰属させることができる：１）低温被処理液の流入、２）中温被処理液の流出、３）高温被処理液の流入、４）残余液の流出、５）蒸留液の流出。
【００４１】
なお、モジュール上部に除去ガスを分配するために用いることのできる第六の分配チャンバーを設けてもよく、第六の分配チャンバーは非孔性選択透過膜と非浸透熱伝導分離壁との間の空間への到達手段を提供する。
【００４２】
本発明に係る装置は、複数のモジュールを備えてもよく、それらは平行に設置される。被処理液流は複数の被処理液流に分割されてモジュールに分配される。
【００４３】
ある好適な実施形態において、本発明に係る装置は８個のユニット（図３参照）を備える１つのまたは複数のモジュールを備える。８個のユニットとは、４つのフレームと２つのコンデンサシートと、２つの膜エンベロープ（非孔性選択透過膜を備える）である。それぞれのユニットは複数の開口部を有し、フレームが接続された際に開口部によって流路が形成され、その中を被処理液流（低温被処理液）、蒸気流（高温被処理液）、蒸留液流（凝縮液）、残余液流（残余液）が流れる。なお、流路に除去ガスを流してもよい（図３参照）。第一のフレームの両側は２つの膜エンベロープと接触して残余液流路を形成している。膜エンベロープの他の面（すなわち第一のフレームと接触していない面）はそれぞれフレームおよびコンデンサシートと接続し、２つの蒸留液流路を形成している。２つのコンデンサシートのうち一つは、さらに最後のフレームと接触している。
【００４４】
本発明は、後述する実施例においてさらに例証される。
【実施例】
【００４５】
ブタノールと水との液体混合物について２つの実験を行った。使用した膜は水に対して選択性を有し（すなわちこの膜は水蒸気を透過させる）、ブタノールには選択性を有しない。
【００４６】
第一の実験は物質輸送量が大きい場合について行った（１）。これは温度差が大きいために駆動力が大きいことを意味する。第二の実験は物質輸送量が小さい場合について行った（２）。この場合温度差が小さく、駆動力が小さい。第二の実験において温度差は小さく、第二の実験においては水の含有量は低い。それらは共に駆動力を低減させる因子であり、分離因子を低下させ、流束が低下して熱回収が低下する。
【００４７】
両方の場合でブタノール濃度が７体積％を下回る透過蒸気が得られた。
【００４８】
下表に結果のまとめを示す。ここで、分離因子は選択膜を透過した水分子とブタノール分子との比によって定義される。分離因子が６０であるとは、選択膜が水分子をブタノール分子に比べて６０倍透過させることを意味する。
【００４９】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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