SE500579C2 - Regulating the compsns. of permeates during pervaporation of mixts. - in order to enrich the concn. of a particular component by altering the hydrodynamics in the feed soln. e.g. beverages, dairy products - Google Patents

Abstract

Method for regulating the relative permeate compsns. during liq. sepn. of multi-component mixts. by a pervaporation process, comprises altering the hydrodynamics in the feed in order to regulate the concns. of the different components to a pre-determined ratio of the permeate.

Description

2 fullt eller partiellt vakuum eller genom att svepa en inert gas på membranets permeatsida. Det permselektiva membranet kommer att vara mer permeabelt för vissa sorters ämnen jämfört med andra sorters ämnen, dvs permeatets sammansättning kommer att vara skild från feedlösningens sammansättning. De preferentiellt permeeradeta ämnena kommer således att anrikas i förhållande till de ickepreferentiellt permeerade ämnena. Processens selektivitet för en komponent kallad i kan beskrivas med anrikningsfaktorn, B ir si = PJ (1) Cf,i och Cfii är de volumetriska koncentrationerna av i vilken Cp'i komponent i i permeat respektive feedlösning. En preferentiellt permeerat komponent kommer att ha en anrikningsfaktor som är större än 1 medan en ickepreferentiellt permeerat komponent kommer att ha en anrikningsfaktor som är mindre än 1. Huruvida en komponent kommer att permeeras preferentiellt eller ickepre- ferentiellt beror på membranmaterialet. Generellt kommer hydrofi- la membran att preferentiellt permeera hydrofila ämnen framför hydrofoba ämnen, och vice versa. 2 full or partial vacuum or by sweeping an inert gas on the permeate side of the membrane. The permselective membrane will be more permeable to certain kinds of substances compared to other kinds of substances, ie the composition of the permeate will be different from the composition of the feed solution. The preferentially permeated substances will thus be enriched in relation to the non-preferentially permeated substances. The selectivity of the process for a component called i can be described by the enrichment factor, B ir si = PJ (1) Cf, i and Cfii are the volumetric concentrations of in which Cp'i component i in permeate and feed solution, respectively. A preferentially permeated component will have an enrichment factor greater than 1 while a non-preferentially permeated component will have an enrichment factor of less than 1. Whether a component will be permeated preferentially or non-preferentially depends on the membrane material. In general, hydrophilic membranes will preferentially permeate hydrophilic substances over hydrophobic substances, and vice versa.

Exempel på membranmaterial som skulle kunna användas för till- verkning av hydrofoba membran är elastomera polymerer såsom poly[dimetylsiloxan] , poly[l-trimetylsilyl-l-prOpYfl] och dess derivat , polyetersegmentamider , nitrilbutadien-gummi samt polyhiretan] . Material som skule kunna användas för tillverkning av hydrofila membran är polymerer som befinner sig under glas- övergàngstemperaturen som t.ex. cellulosaacetat, poly[vinylalko- holi, poly[sulfon] samt poly[vinylklorid] [Pervaporation membrane separation processes, R.Y.M. Huang (Ed.), 1991].Examples of membrane materials that could be used to make hydrophobic membranes are elastomeric polymers such as poly [dimethylsiloxane], poly [1-trimethylsilyl-1-propyl fl] and its derivatives, polyether block amides, nitrile butadiene rubber and polyhirethane]. Materials that could be used for the manufacture of hydrophilic membranes are polymers that are below the glass transition temperature such as cellulose acetate, poly [vinyl alcohol, poly [sulfone] and poly [vinyl chloride] [Pervaporation membrane separation processes, R.Y.M. Huang (Ed.), 1991].

Tidigare teknik I en artikel i Journal of Food Engineering 10 (1989) 65-71, Recovery and concentration of apple juice aroma compounds by per- vaporation, av E. Bengtsson, G. Trägårdh och B. Hallström besk- revs återvinning och koncentrering av aromämnen från äppeljuice, 3 dvs en komplex flerkomponentblandning. Separation ägde rum som ett resultat av skillnaden i permeabilitet för de olika komponen- terna genom membranet men någon påverkan av feedlösningen skedde inte. Undersökningen visade att anrikningsfaktorerna för de olika aromämnena var märkbart olika för olika ämne.Previous technology An article in Journal of Food Engineering 10 (1989) 65-71, Recovery and concentration of apple juice aroma compounds by pervaporation, by E. Bengtsson, G. Trägårdh and B. Hallström described recycling and concentration of flavorings from apple juice, 3 ie a complex multicomponent mixture. Separation took place as a result of the difference in permeability of the various components through the membrane, but no effect on the feed solution occurred. The investigation showed that the enrichment factors for the different flavoring substances were noticeably different for different substances.

I en artikel av S.W. Zhang och T. Matsuura i Journal of Food Process Engineering 14 (1991) 291-296 beskrevs återvinning och koncentrering av aromämnen i äppelessens med hjälp av pervapora- tion. Feedlösningen påverkades inte och man visade endast att aromämnen i äppelessensen kunde koncentreras med hjälp av per- vaporations-processen.In an article by S.W. Zhang and T. Matsuura in Journal of Food Process Engineering 14 (1991) 291-296 described the recovery and concentration of flavoring substances in apple licenses by means of pervaporation. The feed solution was not affected and it was only shown that flavorings in the apple essence could be concentrated by means of the pervaporation process.

I Proceedings of Third International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corpora- tion, Englewood, New Jersey, 1988, 429-438 beskrev' A.I Proceedings of Third International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corporation, Englewood, New Jersey, 1988, 429-438 described 'A.

Voilley, B. Schmidt, D. Simatos och S. Baudron extraktion av tvà aromämnen, vilka användes separat, med hjälp av pervaporations- processen. Man visade att feedlösningens flödeshastighet spelade en roll som en faktor för koncentration av aromämnet. sid.Voilley, B. Schmidt, D. Simatos and S. Baudron extraction of two flavors, which were used separately, by the pervaporation process. It was shown that the flow rate of the feed solution played a role as a factor in the concentration of the flavor. sid.

I Journal of Membrane Science 36 (1988) 373-384 beskrev R.In Journal of Membrane Science 36 (1988) 373-384, R. described

Psaume, P. Aptel, Y. J.C. Bersillon extraktion av trikloretylen i utspädda.vatten1ösningar med perva- poration. Man visade att koncentrationen av trikloretylen i feed- lösningen inte påverkade flödet av vatten genom membranet medan Aurelle, Mora. och J.L. flödet av trikloretylen ökade med koncentrationen i feeden samt med det Reynoldska talet.Psaume, P. Aptel, Y. J.C. Bersillon extraction of trichlorethylene in dilute aqueous solutions with perforation. It was shown that the concentration of trichlorethylene in the feed solution did not affect the flow of water through the membrane while Aurelle, Mora. and J.L. the flow of trichlorethylene increased with the concentration in the feed as well as with the Reynolds number.

I Proceedings of Third International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corpora- tion, Englewood, New Jersey, 1988, sid. 449-462, beskrev P. Cöté och C. Lipski pervaporation av avloppsvatten som innehöll tri- kloretylen, koltetraklorid samt fenol. Höga flöden och separa- tionsfaktorer erhölls för avlägsnande av trikloretylen och kol- tetraklorid för vilka prestanda var en funktion av det Reynoldska talet medan prestanda för avlägsnande av fenol befanns vara ¿_,_ f, __.:_T,. 4 a) I J' 4 oberoende av det Reynoldska talet.In Proceedings of Third International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corporation, Englewood, New Jersey, 1988, p. 449-462, P. Cöté and C. Lipski described pervaporation of wastewater containing trichlorethylene, carbon tetrachloride and phenol. High flows and separation factors were obtained for the removal of trichlorethylene and carbon tetrachloride for which performance was a function of the Reynolds number while performance for removal of phenol was found to be ¿_, _ f, __.:_T ,. 4 a) I J '4 independent of the Reynolds number.

I Proceedings of Fifth International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corpora- tion, Englewood, New Jersey, 1991, sid. 110-122, beskrev T. Lamer och A. Voilley hur olika parametrar påverkar pervaporationen av aromämnen. Fyra olika aromämnen studerades, dock ej i blandning utan separat. Man visade att fluxet av aromämnet ökade med flö- deshastigheten.In Proceedings of Fifth International Conference on Pervaporation Processes in the Chemical Industries, Bakish Materials Corporation, Englewood, New Jersey, 1991, p. 110-122, T. Lamer and A. Voilley described how different parameters affect the pervaporation of flavorings. Four different flavors were studied, though not in a mixture but separately. It was shown that the flux of the flavor increased with the flow rate.

I Separation Science and Technology 27(4), sid. 467-491, 1992 beskrev R. Gref, Q.T. Nguyen och J. Néel inflytande av membran- egenskaper på systemprestanda vid pervaporation under koncent- rationspolarisation. I studien använde man sig av oktanollös- ningar av vatten, vilka hade en maximal vattenhalt på 4,7%.In Separation Science and Technology 27 (4), p. 467-491, 1992 described R. Gref, Q.T. Nguyen and J. Néel influence of membrane properties on system performance during pervaporation during concentration polarization. The study used octanol solutions of water, which had a maximum water content of 4.7%.

Endast ett organiskt ämne användes, nämligen oktanol. Man visade att pervaporationsprocessens selektivitet på ett komplext sätt kan bero på masstransporten i gränskiktet på grund av en möjlig koncentrationsberoende koppling av fluxen i membranet.Only one organic substance was used, namely octanol. It was shown that the selectivity of the pervaporation process can in a complex way depend on the mass transport in the boundary layer due to a possible concentration-dependent coupling of the flux in the membrane.

Pervaporation har använts för avvattning av blandningar av vatten och organiska ämnen [U.S. 2.913.507, 2.953.502 och 2.981.660, Binning et al] samt för separation av kolväteblandningar [U.S. 3.930.990, Brun et al, och U.S. 3.776.970, Strazik et al]. Per- vaporation har också använts för extraktion av organiska ämnen från vattenlösningar [U.S. 4.952.751, Blume et al, och U.S. 4.591.440, Higashimura et al]. I de fallen kommer de organiska ämnen som återfinns i permeatet att anrikas flera gånger, men beroende på membranets selektivitet kommer olika ämnen att anri- kas olika mycket. En flerkomponentblandning av organiska ämnen i en vattenlösning som användes som feedlösning kommer sålunda att ge upphov till ett permeat som är anrikat på organiska ämnen, men med en annan relativ sammansättning av de organiska ämnena. Om de organiska ämnenas relativa sammansättning i feedlösningen är yt- terst önskvärd kommer denna ändring i den relativa sammansätt- ningen att vara en nackdel för processen. 5 Som nämnts ovan kan massöverföringen från feedlösningens bulk till permeatet anses ske i fyra successiva steg, dvs en mass- transport i feedlösningen, sorption av penetranter till memb- ranet, masstransport genom membranet samt desorption till per- meatet. Fluxet, Ji, dvs massöverföringshastigheten genom memb- ranet (m3/(m2s)), påverkas av flera parametrar som t.ex. tempe- ratur, permeattryck, membrantjocklek, membranmaterial samt kon- centration i. feedlösningen [Pervaporation membrane separation processes, R.Y.M. Huang (Ed.), 1991]. I allmänhet leder ökade temperaturer, minskade permeattryck och minskade membrantjockle- kar till ökade flux.Pervaporation has been used to dewater mixtures of water and organic substances [U.S. Pat. 2,913,507, 2,953,502 and 2,981,660, Binning et al] and for the separation of hydrocarbon mixtures [U.S. Pat. 3,930,990, Brun et al., And U.S. Pat. 3,776,970, Strazik et al]. Pervaporation has also been used for the extraction of organic substances from aqueous solutions [U.S. Pat. 4,952,751, Blume et al., And U.S. Pat. 4,591,440, Higashimura et al]. In those cases, the organic substances found in the permeate will be enriched several times, but depending on the selectivity of the membrane, different substances will be enriched differently. Thus, a multicomponent mixture of organic substances in an aqueous solution used as a feed solution will give rise to a permeate enriched in organic substances, but with a different relative composition of the organic substances. If the relative composition of the organic substances in the feed solution is highly desirable, this change in the relative composition will be a disadvantage of the process. As mentioned above, the mass transfer from the bulk of the feed solution to the permeate can be considered to take place in four successive steps, ie a mass transport in the feed solution, sorption of penetrants to the membrane, mass transport through the membrane and desorption to the permeate. The flux, Ji, ie the mass transfer rate through the membrane (m3 / (m2s)), is affected by several parameters such as temperature, permeate pressure, membrane thickness, membrane material and concentration in the feed solution [Pervaporation membrane separation processes, R.Y.M. Huang (Ed.), 1991]. In general, increased temperatures, reduced permeate pressures and reduced membrane thicknesses lead to increased flux.

Som nämnts ovan har det också observerats att förhållandena i feedlösningen påverkar fluxet genom membranet. Ökade cross flow- hastigheter, eller ökade omröringshastigheter, leder till ökade flux genom membranet. Detta har ansetts bero på masstransport i ett område i feedlösningen som är nära membranet, det s.k. gräns- skiktet, som kan begränsa fluxet genom membranet. Fluxet genom gränsskiktet har beskrivits med ekvationer som Ekv. (2), J: = kni (Cf.i ' CbLi) <2) i vilken kf'i är en massöverföringskoefficient för gränsskiktet, vilken kan erhållas fràn Sherwoodkorrelationer. För cross flow pervarporation kan dessa allmänt skrivas som Ekv. (3), d Sh=a~Re°-Sc° i (s) L da kgd ' r SfI-=._'_'f_ _ (4) l :d Re =z " (m V Sh = V ï (6) i och för omrörda celler, Sh==a mRe° -Sc' där Sh = kfilr z Re: (Or2 V Sk =.ÄÄ D.- i vilka a Konstant b Konstant C Konstant d Konstant dh Hydraulisk diameter Massöverföringskoefficient Radie i omrörd cell Diffusionskoefficient Flux Längd Re Reynoldstalet Sc Schmidttalet Sh Sherwoodtalet k r C Volumetrisk koncentration D J L Exempel pá koefficienterna a, [_ [_ [_ [_ (7) (8) (9) (10) [-] ] v Kinematisk viskositet [m2/s] ] B Anrikningsfaktor ] m Omröringshastighet [rad/s] 1 [m] Index [m/s] f Feedlösning [m] i Permeerande komponent i [-] org Organisk [m2/s] p Permeat [m/s] rel Relativ [N] -1 -1 1 |_"If"'Il”-1 b, c samt d ges i tabell 1.As mentioned above, it has also been observed that the conditions in the feed solution affect the flux through the membrane. Increased cross-flow rates, or increased agitation rates, lead to increased flux through the membrane. This has been considered to be due to mass transport in an area of the feed solution which is close to the membrane, the so-called the boundary layer, which can limit the flux through the membrane. The flux through the boundary layer has been described with equations such as Eq. (2), J: = kni (Cf.i 'CbLi) <2) in which kf'i is a mass transfer coefficient for the boundary layer, which can be obtained from Sherwood correlations. For cross flow perporation, these can generally be written as Eq. (3), d Sh = a ~ Re ° -Sc ° i (s) L da kgd 'r SfI - = ._'_' f_ _ (4) l: d Re = z "(m V Sh = V ï (6) in and for agitated cells, Sh == a mRe ° -Sc 'where Sh = k fi lr z Re: (Or2 V Sk = .ÄÄ D.- in which a Constant b Constant C Constant d Constant dh Hydraulic diameter Mass transfer coefficient Radius in stirred cell Diffusion coefficient Flux Length Re Reynolds number Sc Schmidt number Sh Sherwood number SEK C Volumetric concentration DJL Examples of the coefficients a, [_ [_ [_ [_ (7) (8) (9) (10) [-]] v Kinematic viscosity [ m2 / s]] B Enrichment factor] m Stirring speed [row / s] 1 [m] Index [m / s] f Feed solution [m] in Permeable component in [-] org Organic [m2 / s] p Permeat [m / s ] rel Relative [N] -1 -1 1 | _ "If" 'Il ”-1 b, c and d are given in Table 1.

Sammanfattningsvis kan det sägas att det är känt att pervapora- tion anrikar flerkomponentblandningar flera gånger, men processen 7 har olika selektivitet för olika ämnen. Detta kommer i sin tur att leda till ett anrikat permeat vars sammansättning med avse- ende pà relativ koncentration för de inbördes ämnena är skild frán feedlösningens sammansättning. Man har också funnit att per- vaporation påverkas av masstransporten i feedlösningens gräns- skikt men detta har endast använts i optimeringsstudier av per- vaporation för ett ämne löst i ett annat.In summary, it can be said that it is known that pervaporation enriches multicomponent mixtures several times, but the process 7 has different selectivity for different substances. This in turn will lead to an enriched permeate whose composition with respect to relative concentration for the mutual substances is different from the composition of the feed solution. It has also been found that pervaporation is affected by mass transport in the boundary layer of the feed solution, but this has only been used in optimization studies of pervaporation for one substance dissolved in another.

Ritningar I ritningarna visar Figur 1 en pervaporationsanläggning som använts i exempel 1 för utförande av metoden enligt föreliggande uppfinning.Drawings In the drawings, Figure 1 shows a pervaporation plant used in Example 1 for carrying out the method of the present invention.

Figur 2 en grafisk representation av organiska flux avsatta mot Reynoldstalet vid en konstant hydraulisk diameter.Figure 2 is a graphical representation of organic fluxes plotted against the Reynolds number at a constant hydraulic diameter.

Figur 3 en grafisk representation av organiska flux avsatta mot hydrauliska diametern vid ett konstant Reynoldstal.Figure 3 is a graphical representation of organic fluxes plotted against the hydraulic diameter at a constant Reynolds number.

Figur 4 en grafisk representation av normaliserade flux avsatta mot Reynoldstalet vid en konstant hydraulisk diameter vilket visar hur feedflödet påverkar permeatsammansättningen.Figure 4 is a graphical representation of normalized fluxes plotted against the Reynolds number at a constant hydraulic diameter, which shows how the feed flow affects the permeate composition.

Figur 5 en grafisk representation av normaliserade flux avsatta mot hydrauliska diametern vilket visar hur feedflödet vid kons- tant Reynoldstal påverkar permeatsammansättningen.Figure 5 is a graphical representation of normalized fluxes plotted against the hydraulic diameter, which shows how the feed flow at constant Reynolds numbers affects the permeate composition.

Figur 6 en grafisk representation av relativa permeatkoncentra- tion avsatt mot feedkoncentration och Reynoldstal vid en konstant' hydraulisk diameter.Figure 6 is a graphical representation of relative permeate concentration plotted against feed concentration and Reynolds number at a constant 'hydraulic diameter.

Figur 7 är en grafisk representation av kombinationer av feed- koncentrationer och Reynoldstal som resulterar i den önskvärda relativa permeatkoncentration som beskrivits i exempel 3.Figure 7 is a graphical representation of combinations of feed concentrations and Reynolds numbers resulting in the desired relative permeate concentration described in Example 3.

Koncentrering av drycker är av stor vikt för industrin, t.ex. vid tillverkning av koncentrerade juicer som skall spädas med vatten -- ___ f.Concentration of beverages is of great importance for the industry, e.g. in the manufacture of concentrated juices to be diluted with water - ___ f.

LH \u æ--RJ 8 innan konsumtion. En mild och bra metod för koncentrering är med hjälp av omvänd osmos, men på grund av fundamentala orsaker hos processen kan denna metod ej koncentrera drycker till kommersi- ellt acceptabla koncentrationer och är därför av liten betydelse [Bengtsson, Trägårdh & Hallström J. Food Soi., 1989]. Indunstning är istället ett alternativ som ofta används vid koncentrering av drycker, med vid indunstning av drycker förloras ofta aromämnen tillsammans med de avgående vattenångorna. Denna förlust kan minskas på två sätt. Aromämnena kan extraheras direkt från dryck- en innan koncentrering och sedan föras tillbaka efter koncentre- ringen. Detta är en intressant metod om aromämnena är tempera- turkänsliga och skulle kunna påverkas av värmebehandlingen under koncentreringen. Aromämnen som är kvar i drycken under koncentre- ringen kan dock förloras under koncentreringen. Det andra alter- nativet är att kondensera indunstarångorna och sedan extrahera ut aromämnena från det. Fördelarna med detta är att det ofta sker en anrikning av aromämnena i indunstarångorna samt att alla aromäm- nen som förloras under indunstningen underkastas extraktion. I båda fallen är det extraherade aromämnena närvarande i låga kon- centrationer och pervaporation har visat sig vara en lämplig tek- nik [cf Bengtsson et al. ibid.]. Tidigare pervaporationsstudier har dock indikerat att pervaporationsprocessen ändrar aromämnes- sammansättningen på ett sådant sätt att permeatet har en annor- lunda sammansättning i jämförelse med feedlösningen.LH \ u æ - RJ 8 before consumption. A mild and good method for concentration is with the help of reverse osmosis, but due to fundamental causes of the process, this method can not concentrate beverages to commercially acceptable concentrations and is therefore of little importance [Bengtsson, Trägårdh & Hallström J. Food Soi ., 1989]. Evaporation is instead an alternative that is often used when concentrating beverages, but when evaporating beverages, flavorings are often lost together with the leaving water vapors. This loss can be reduced in two ways. The flavors can be extracted directly from the beverage before concentration and then returned after concentration. This is an interesting method if the flavorings are temperature sensitive and could be affected by the heat treatment during concentration. Flavorings that remain in the beverage during concentration can, however, be lost during concentration. The second alternative is to condense the evaporator vapors and then extract the flavorings from it. The advantages of this are that the flavorings in the evaporator vapors are often enriched and that all the flavorings that are lost during the evaporation are subjected to extraction. In both cases, the extracted flavors are present in low concentrations and pervaporation has been shown to be a suitable technique [cf. Bengtsson et al. ibid.]. However, previous pervaporation studies have indicated that the pervaporation process changes the flavor composition in such a way that the permeate has a different composition compared to the feed solution.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål enligt uppfinningen är att tillhandahålla en metod medelst vilken i en pervaporationsprocess av en flerkomponent- blandning den relativa koncentrationen av en eller flera kompo- nenter i permeatet avsiktligt kan ändras för inställning av dess relativa koncentration i jämförelse med de andra komponenterna i flerkomponentblandningen tilleuikoncentration som är lämplig för erhållande av ett önskat koncentrationsförhållande av de olika föreningarna.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the invention is to provide a method by means of which in a pervaporation process of a multicomponent mixture the relative concentration of one or more components in the permeate can be intentionally changed to adjust its relative concentration in comparison with the other components in the invention. the multicomponent mixture to a concentration suitable for obtaining a desired concentration ratio of the various compounds.

Ett annat ändamål enligt föreliggande uppfinning är att tillhan- tet: u! 9 dahàlla en metod som kan användas för att minimera skillnaden mellan relativ permeatkoncentration och relativ feedkoncentration för en flerkomponentfeed och dess permeat vid pervaporation.Another object of the present invention is to provide: u! 9 provide a method that can be used to minimize the difference between relative permeate concentration and relative feed concentration for a multicomponent feed and its permeate pervaporation.

Ovanstående ändamål åstadkommes genom manipulering av hydrodyna- miken i feedflödet genom justering av en eller flera parametrar som påverkar hydrodynamiken i feeden, så att önskad relativ sam- mansättning av permeatet erhålles.The above object is achieved by manipulating the hydrodynamics in the feed flow by adjusting one or more parameters which affect the hydrodynamics in the feed, so that the desired relative composition of the permeate is obtained.

Metoden enligt föreliggande uppfinning är användbar för behand- ling av olika flerkomponentblandningar. Flerkomponentblandningar för vilka metoden enligt föreliggande är användbar är t.ex. växt- extrakt som arom- och doftmaterial, drycker valda från den grupp som består av fruktjuicer, grönsaksjuicer, té, kaffe, alkoholhal- tiga drycker som t.ex. men ej begränsade till, öl, vin, cider samt inkluderande alkoholhaltiga drycker som är helt eller parti- ellt avalkoholiserade, mejeriprodukter samt blandningar av ovan- nämnda grupper.The method of the present invention is useful for treating various multicomponent mixtures. Multicomponent mixtures for which the method of the present invention is useful are e.g. plant extracts as aroma and fragrance materials, beverages selected from the group consisting of fruit juices, vegetable juices, tea, coffee, alcoholic beverages such as but not limited to, beer, wine, cider and including alcoholic beverages that are completely or partially de-alcoholized, dairy products and mixtures of the above groups.

Föreliggande uppfinning är lämplig i vilken process som helst i vilken en flerkomponentblandning behandlas med pervaporation och där sammansättningen av permeatet är av vikt._En sådan process är exempelvis en process i vilken fermentationsprodukter skördas från en fermentor. Om endast en av fermenteringsprodukterna är önskvärd medan övriga fermenteringsprodukter anses vara biproduk- ter, så kan metoden användas för att öka processens effektivitet genom justering av feedhydrodynamiken på så sätt att den relativa koncentrationen i permeatet av den önskvärda komponenten ökas.The present invention is suitable in any process in which a multicomponent mixture is treated with pervaporation and where the composition of the permeate is important. Such a process is, for example, a process in which fermentation products are harvested from a fermenter. If only one of the fermentation products is desired while the other fermentation products are considered as by-products, then the method can be used to increase the efficiency of the process by adjusting the feed hydrodynamics in such a way as to increase the relative concentration in the permeate of the desired component.

Ett annat exempel där uppfinningen är lämplig är t.ex. om perva- porationsprocessen används för att producera ett permeat som skall ha en given sammansättning. En sådan process kan t.ex. återfinnas i dryckesindustrin. Antag t.ex. att en dryck med en unik aromämnessammansättning skall koncentreras med hjälp av pervaporation. Pervaporering av drycken skulle resultera i ett anrikat permeat som har en relativ sammansättning i permeatet som är skild från dryckens. Detta skulle kunna vara ödesdigert på så 10 sätt att dryckens smakprofil går förlorad och att dryckens ur- sprungliga smak inte kan återfås om den koncentrerade drycken spädes igen för att få en drickbar produkt. Genom att justera de hydrodynamiska förhållandena i feedlösningen kan denna skillnad minimeras.Another example where the invention is suitable is e.g. if the pervaporation process is used to produce a permeate which must have a given composition. Such a process can e.g. found in the beverage industry. Suppose e.g. that a beverage with a unique flavor composition should be concentrated using pervaporation. Pervaporation of the beverage would result in an enriched permeate having a relative composition in the permeate that is different from that of the beverage. This could be fatal in such a way that the taste profile of the beverage is lost and that the original taste of the beverage cannot be regained if the concentrated beverage is diluted again to obtain a drinkable product. By adjusting the hydrodynamic conditions in the feed solution, this difference can be minimized.

Genom justering av de hydrodynamiska förhållandena i feedlösning- en, genom manipulering av crossflow-hastigheter/omröringshastig- heter, modulernas geometriska profil, etc., kan masstransporten i feedgränsskiktet påverkas och därmed också den totala masstran- sporten i pervaporationsprocessen. Detta användes för att driva pervaporationsprocessen vid ett givet hydrodynamiskt tillstånd i feeden som resulterar i. att massöverföringskoefficienterna i feeden påverkar den totala masstransporten på sådant sätt att det önskvärda koncentrationsförhållandet i permeatet erhålles.By adjusting the hydrodynamic conditions in the feed solution, by manipulating crossflow speeds / stirring speeds, the geometric profile of the modules, etc., the mass transport in the feed boundary layer can be affected and thus also the total mass transport in the pervaporation process. This is used to drive the pervaporation process at a given hydrodynamic state in the feed which results in the mass transfer coefficients in the feed affecting the overall mass transport in such a way that the desired concentration ratio in the permeate is obtained.

Som nämnts ovan har olika typer av membran olika selektivitet för olika ämnen, dvs. en del ämnen permeeras lättare än andra genom ett givet membran. Ett ämne som permeeras lätt genom membranet kommer också att påverkas starkt av de hydrodynamiska förhållan- dena i feedlösningen medan ett ämne som permeeras mindre lätt kommer att påverkas mindre, dvs. ett ämne som endast är ringa på- verkbart av metoden kan göras påverkbart genom ett byte av memb- ranmaterial.As mentioned above, different types of membranes have different selectivity for different substances, ie. some substances are permeated more easily than others through a given membrane. A substance that is easily permeated through the membrane will also be strongly affected by the hydrodynamic conditions in the feed solution, while a substance that is permeated less easily will be less affected, ie. a substance that is only slightly susceptible to the method can be made susceptible by a change of membrane material.

Uppfinningen åskådliggöres medelst följande exempel utan att dock begränsa denna.The invention is illustrated by the following examples without, however, limiting it.

Exempel l _ Pervaporationsexperiment utfördes med utrustning som schematiskt visas i figur l. En flerkomponents-arommodell, vars sammansätt- ning anges i tabell 2, bestod av fem typiska aromämnen i en vat- tenlösning. Tio liter av flerkomponents-arommodellen:recirkulera- des, med olika crossflow-hastigheter genom fyra plattmoduler.Example 1 Pervaporation experiments were performed with equipment schematically shown in Figure 1. A multicomponent flavor model, the composition of which is given in Table 2, consisted of five typical flavorings in an aqueous solution. Ten liters of the multi-component aroma model: recycled, with different crossflow speeds through four plate modules.

Modulerna hade en längd av 230 mm, en bredd på 20 mm samt en höjd av 0,78 mm, vilket motsvarar en hydraulisk diameter av 1,50 mm.The modules had a length of 230 mm, a width of 20 mm and a height of 0.78 mm, which corresponds to a hydraulic diameter of 1.50 mm.

Membranen som var monterade.i modulerna var poly[dimetylsiloxan]- ll kompositmembran (Typ 1060, Deutsche Carbone, Geschäftseinheit GFT, Neuenkirchen-Heinitz, Tyskland) med en tjocklek på det ak- tiva skiktet på 10 um. Under experimenten hölls temperaturen vid 25°C och permeattrycket på 2 mbar. Systemet fick stabiliseras i tre timmar innan mätningar utfördes under den fjärde timmen. Per- meatet kondenserades med flytande kväve, och en Varian Vista 6000 utrustad med en NB-351 kolonn (25 m, 0,32 mm) användes för att bestämma sammansättningen hos feed och permeat. Varje experiment repeterades två gånger så att varje mätning bestod av tre del- prov. Dessa experiment motsvarar en ökning av feed-crossflowhas- tigheten, här uttryckt som det dimensionslösa Reynoldstalet, vil- ket resulterade i ökade totala massöverföringstalkoefficienter för modellkomponenterna, men som nämnts ovan kan ökningen för de olika komponenterna icke vara lika för alla komponenter och om de relativa koncentrationerna i permeatet för modellkomponenterna jämföres med varandra som i figur 4 där, Ji Ci,rel,p = (11) z Jorg klargöres detta fenomen. Crossflowhastigheten, vilken i detta fall uttryckts som det dimensionslösa Reynoldstalet, kan således användas för att reglera den relativa sammansättningen av orga- niska ämnen i permeatet. Om permeatets relativa sammansättning, Ci rel p i figur 4 jämföres med feedens relativa sammansättning, Cfi Ci,rel,f = (12) 2 Cf,org se tabell 2, finner man, i just detta experiment, att drift av utrustningen vid Reynoldstal på ca 100 ger ett permeat vars skillnad i sammansättning jämfört med feedens är minimerad.The membranes mounted in the modules were poly [dimethylsiloxane] -11 composite membranes (Type 1060, Deutsche Carbone, Geschäftseinheit GFT, Neuenkirchen-Heinitz, Germany) with a active layer thickness of 10 μm. During the experiments, the temperature was kept at 25 ° C and the permeate pressure was 2 mbar. The system was allowed to stabilize for three hours before measurements were performed during the fourth hour. The permeate was condensed with liquid nitrogen, and a Varian Vista 6000 equipped with an NB-351 column (25 m, 0.32 mm) was used to determine the composition of feed and permeate. Each experiment was repeated twice so that each measurement consisted of three subsamples. These experiments correspond to an increase in the feed cross-flow rate, here expressed as the dimensionless Reynolds number, which resulted in increased total mass transfer coefficients for the model components, but as mentioned above, the increase for the different components may not be the same for all components and if the relative the concentrations in the permeate of the model components are compared with each other as in Figure 4 where, Ji Ci, rel, p = (11) z Jorg this phenomenon is clarified. The cross-flow rate, which in this case is expressed as the dimensionless Reynolds number, can thus be used to regulate the relative composition of organic substances in the permeate. If the relative composition of the permeate, Ci rel pi figure 4 is compared with the relative composition of the feed, Cfi Ci, rel, f = (12) 2 Cf, org see table 2, it is found, in this particular experiment, that operation of the equipment at Reynolds at approx. 100 gives a permeate whose difference in composition compared to the feed is minimized.

Exempel 2 Pervarporationsexperiment utfördes som i exempel 1 men nu varie- rades i stället den hydrauliska diametern medan Reynoldstalet hölls konstant vid 1000. Effekter på flux och relativa koncentra- tioner i permeatet presenteras i figur 3 respektive 5. 12 Exempel 3 Detta exempel åskådliggör hur metoden kan användas för att regle- ra relativa koncentrationen i permeatet för en komponent som har variabel koncentration i feeden.Example 2 Pervarporation experiments were performed as in Example 1 but now the hydraulic diameter was varied instead while the Reynolds number was kept constant at 1000. Effects on flux and relative concentrations in the permeate are presented in Figures 3 and 5, respectively. 12 Example 3 This example illustrates how the method can be used to regulate the relative concentration in the permeate for a component that has a variable concentration in the feed.

Processen kan beskrivas med förljande ekvationer Ji = kov,icf,i (13) 1 = 1 + 1 (14) kov,i kf,i kmembr,i ' där kf'i kan erhållas från ekvation (3)-(10) och där kmembr i är en membrankonstant för det membran som använts i exempel 1, se tabell 2. Modellens förmåga att beskriva processen presenteras i figur 2 och 3 där fyrkanter representerar experimentella mätdata och där heldragna linjer representerar modellberäkningar. Fluxen kan.därefter omvandlas till relativa koncentrationer med ekvation (11).The process can be described by the following equations Ji = kov, icf, i (13) 1 = 1 + 1 (14) kov, in kf, in kmembr, i 'where kf'i can be obtained from equations (3) - (10) and where kmembr i is a membrane constant for the membrane used in Example 1, see Table 2. The model's ability to describe the process is presented in Figures 2 and 3 where squares represent experimental measurement data and where solid lines represent model calculations. The flux can then be converted to relative concentrations by equation (11).

Antag att en vattenlösning innehåller 1-penten-3-ol, i en kon- centration av 10 ppm, trans-2-hexenal i en koncentration av 20 ppm, samt linalool vars koncentration kan variera mellan 35 och 55 ppm. Antag också att pervaporering'av blandningen skall ge ett permeat i vilken den relativa koncentrationen av linalool måste var 0,55¿0,05. Simulerade resultat på linalools relativa kon- centration i permeatet presenteras i figur 6 som en funktion av koncentration linalool i feeden och crossflowhastighet, uttryckt som det dimensionslösa Reynoldstalet, för en pervaporationsan- läggning som beskrivits i exempel 1, men med en hydraulisk dia- meter på 2,00 mm. Såsom framgår av figur 6 ger vissa kombinatio- ner av feedkoncentration och Reynoldstal upphov till icke önskade relativa koncentrationer av linalool i permeatet. Följaktligen skulle crossflowhastigheten vid höga feedkoncentrationer justeras på sätt att Reynoldstalen blir stora så att man får den önskvärda relativa koncentrationen av linalool i permeatet. På samma sätt måste crossflowhastigheten sänkas så att låga Reynoldstal uppnås om feedkoncentrationen.är låg. De kombinationer av feedkoncentra- tioner och Reynoldstal som ger upphov till den önskvärda relativa koncentrationen av linalool i permeatet presenteras i figur 7, vilken åskådliggör metodens förmåga att användas för att kompen- 13 sera för fluktuationer i feedkoncentrationen.Assume that an aqueous solution contains 1-penten-3-ol, in a concentration of 10 ppm, trans-2-hexenal in a concentration of 20 ppm, and linalool whose concentration can vary between 35 and 55 ppm. Assume also that pervaporation 'of the mixture should give a permeate in which the relative concentration of linalool must be 0.55¿0.05. Simulated results on linalool's relative concentration in the permeate are presented in Figure 6 as a function of linalool concentration in the feed and crossflow velocity, expressed as the dimensionless Reynolds number, for a pervaporation plant described in Example 1, but with a hydraulic diameter of 2.00 mm. As shown in Figure 6, certain combinations of feed concentration and Reynolds number give rise to undesirable relative concentrations of linalool in the permeate. Consequently, the crossflow rate at high feed concentrations would be adjusted so that the Reynolds numbers become large so as to obtain the desired relative concentration of linalool in the permeate. Similarly, the crossflow rate must be reduced so that low Reynolds numbers are achieved if the feed concentration is low. The combinations of feed concentrations and Reynolds numbers that give rise to the desired relative concentration of linalool in the permeate are presented in Figure 7, which illustrates the ability of the method to be used to compensate for fluctuations in the feed concentration.

Som kommer att vara uppenbart för fackmännen inom tekniken kan många modifikationer och variationer göras i denna uppfinning utan att man avviker fràn dess andemening och omfattning.As will be apparent to those skilled in the art, many modifications and variations can be made in this invention without departing from the spirit and scope thereof.

Tabell l. _ Några exempel på koefficienterna i Sherwoodkorrelationen.Table l. _ Some examples of the coefficients in the Sherwood correlation.

Flödes - b c d e Pervaporations Referens regim system Laminär __.- 1,62 0,33 0,33 0,33 Cross flow * RQ<2000 1,85 0,33 0,33 0,33 cross flow ”r 10' Re> 105 0,023 0,8 0,33 0 Cross flow i Larninär 0,29 0,57 0,33 - Omrörd cell 1' Tufbulenz 0,044 0,75 0,33 - omörd cell T * E. Matthiasson och B. Sivik, Concentration polarization and fouling, Desalination 35 (1980) 59-103.Flow - bcde Pervaporations Reference regime system Laminar __.- 1.62 0.33 0.33 0.33 Cross fl ow * RQ <2000 1.85 0.33 0.33 0.33 cross fl ow ”r 10 'Re> 105 0.023 0.8 0.33 0 Cross fl ow in Larninär 0.29 0.57 0.33 - Stirred cell 1 'Tufbulenz 0.044 0.75 0.33 - Stirred cell T * E. Matthiasson and B. Sivik, Concentration polarization and fouling, Desalination 35 (1980) 59-103.

T H.H. Nijhuis, Removal of Trace organics from water by pervaporation - A technical and economic analysis. Ph.D. thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 1990. i V. Gekas och B. Hallström, Mass transfer in the membrane concentration polarization layer under turbulent cross flow.T H.H. Nijhuis, Removal of Trace organics from water by pervaporation - A technical and economic analysis. Ph.D. thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 1990. i V. Gekas och B. Hallström, Mass transfer in the membrane concentration polarization layer under turbulent cross flow.

I. Critical literature review and adaption of existing Sherwood correlations to membrane operations, Membrane Science, 30 (1987) 153-170.I. Critical literature review and adaptation of existing Sherwood correlations to membrane operations, Membrane Science, 30 (1987) 153-170.

Journal of 14 Tabell 2.Journal of 14 Table 2.

Egenskaper för flerkomponentarommodellen. 2-metyl- 2-metyl- l-penten- trans-2- lina- propanal butanal -3-ol hexenal lool 9 7 10 20 50 Konc. (ppm) Ci, fel 'f 0,09 0,07 0/ 10 0,21 0,52 KORPUDRt 64,6 92,2 115 146 198 ( °C) olekylvikt 72,11 86,14 86,13 98,14 154,25 Di 2 QBZIUN Sfißdüm Bßllüm 7f&1Um 6§210w (m /S) fgfïggr. i 4,s7-1o'° 1,19-1o-“ 132-10* Los-w* s,1s-1o'°Properties of the multi-component model. 2-methyl-2-methyl-1-penten-trans-2-lina-propanal butanal-3-ol hexenal lool 9 7 10 20 50 Conc. (ppm) Ci, error 0.09 0.07 0/10 0.21 0.52 CORPRODUCT 64.6 92.2 115 146 198 (° C) olekyl weight 72.11 86.14 86.13 98.14 154,25 Di 2 QBZIUN S fi ßdüm Bßllüm 7f & 1Um 6§210w (m / S) fgfïggr. i 4, s7-1o '° 1,19-1o- “132-10 * Los-w * s, 1s-1o' °

Claims (8)

15 PATENTKRAV15 PATENT REQUIREMENTS 1. Metod för reglering av den relativa permeatsammansättningen vid vätskeseparation av flerkomponentblandningar med pervapora- tionsförfarande, k ä n n e t e c k n a d av' manipulering av hydrodynamiken i feeden för reglering av koncentrationen av de olika komponenterna till ett i förväg bestämt förhållande i permeatet.A method for controlling the relative permeate composition in liquid separation of multicomponent mixtures by pervaporation process, characterized by manipulating the hydrodynamics in the feed to control the concentration of the various components to a predetermined ratio in the permeate. 2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att manipuleringen av hydrodynamiken i feeden sker genom justering av feedens crossflowhastighet.Method according to claim 1, characterized in that the manipulation of the hydrodynamics in the feed takes place by adjusting the feed's crossflow speed. 3. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att manipuleringen av hydrodynamiken i feeden sker genom justering av omrörarhastigheten i en omrörd cell.Method according to claim 1, characterized in that the manipulation of the hydrodynamics in the feed takes place by adjusting the stirrer speed in a stirred cell. 4. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att manipuleringen av hydrodynamiken i feeden sker genom justering av den hydrauliska diametern igen crossflow-pervaporationsanlägg- ning.A method according to claim 1, characterized in that the manipulation of the hydrodynamics in the feed takes place by adjusting the hydraulic diameter again crossflow pervaporation plant. 5. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att manipuleringen av hydrodynamiken i feeden uppnås genom justering av radien i en omrörd cell.5. A method according to claim 1, characterized in that the manipulation of the hydrodynamics in the feed is achieved by adjusting the radius of a stirred cell. 6. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att manipuleringen av hydrodynamiken i feeden uppnås genom justering av feedens viskositet.Method according to claim 1, characterized in that the manipulation of the hydrodynamics in the feed is achieved by adjusting the viscosity of the feed. 7. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att flerkomponentblandningen är en dryck vald från gruppen bestående av fruktjuicer, grönsaksjuicer, té, kaffe, alkoholhaltiga drycker som öl, vin, cider och innefattande helt eller delvis avalkoholi- serade alkoholhaltiga drycker, mejeriprodukter samt blandningar av ovannämnda drycker. -^.\ --_-. \ ,. . . _ \.- Ä.. ~' \.f' i / 16Method according to claim 1, characterized in that the multicomponent mixture is a beverage selected from the group consisting of fruit juices, vegetable juices, tea, coffee, alcoholic beverages such as beer, wine, cider and comprising fully or partially alcoholic alcoholic beverages, dairy products and mixtures of the abovementioned beverages. - ^. \ --_-. \,. . . _ \ .- Ä .. ~ '\ .f' i / 16 8. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att flerkomponentblandningen är ett material fràn växtextrakt som t.ex. arom- och doftmaterial.Method according to claim 1, characterized in that the multicomponent mixture is a material from plant extracts such as e.g. aroma and fragrance materials.