TWI432580B - 有機酸純化方法 - Google Patents

Description

有機酸純化方法

本發明有關一種用來生產具有高熱穩定性之有機酸回收及純化方法，特別有關於一種使用膜技術從包含乳酸的發酵液中將具有高熱穩定性之乳酸回收及純化方法。

由於有機酸(諸如乳酸、檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖酸或富馬酸等)在食品、醫藥、洗滌劑或者可生物降解的塑膠工業裡被廣泛使用，使得有機酸的需求逐年在增加。發酵方法使得生產有機酸達到工業規模。取決於使用之細菌菌株的pH值要求，由發酵方法產生的有機酸大致上係為鹽形式。自發酵液回收有機酸是分離專家的一項挑戰。

從發酵液將有機酸回收及純化之傳統方法一般上包含一個或數個沉澱階段。舉例言之，在生產乳酸的一已知方法中，通常係將發酵液加熱到大約70℃以殺死細菌，然後用硫酸酸化至pH值1.8。沉澱鹽係以過濾移除，接著，使用活性炭處理將產物液體中的任何色料除去，然後，將澄清液體做離子交換且濃縮到80%。氣味與味道可藉由氧化處理(例如用過氧化氫)來進一步改善。在這個階段所獲得的乳酸通常只是可消耗性的品質，不適用於醫藥等級，尚需要增加幾道純化步驟才能達成醫藥等級的適用。傳統方法最大的缺點在於會有大量的乳酸流失。

為使下游的處理能更加環保，替代的下游處理技術已有進行研究，例如已有提議用電透析膜技術來回收與純化乳酸。然而，已知的電透析膜要求高品質的進料，而且由於快速有機酸輸送需要高電流及在此方法中使用雙極性膜衍生相對較高的操作費用。

另一項已知有機酸純化技術是反應式液對液萃取，其中係利用合適載體將有機酸萃取成為有機相，接著，將有機酸反萃取成為水相。頒給Baniel等人的美國專利US6,472,559號揭示在施加高壓的二氧化碳環境下從水相到富有非水溶性胺有機相之乳酸相轉移萃取的使用。在二氧化碳環境移除之後，乳酸被反萃取成為水相。這種技術的缺點在於要使用大量的有機溶劑。另外，常需要實行進一步的純化步驟來移除雜質。

液體膜分離係另一種用來純化有機酸的技術。已有數種不同材料製成的液體膜，例如液體乳化膜、中空纖維支撐式液體膜、及平板支撐式液體膜。液體膜以包含活性載體的有機相進行該源流的液-液隔離而將有機酸分離，該有機酸被萃取成為有機相，且接著以氣提溶液進行有機相的隔離而將有機酸反萃取成為水相。該支撐式液體膜(SLM)的分離機制與其他膜不同。已知的膜係以尺寸來分離組成份，而支撐式液體膜係透過協助傳送機制的化學手段來萃取想要的組成份。支撐式液體膜的化合基本上是液-液萃取。支撐式液體膜相對於液-液萃取的重要優點在於它需要非常少的有機溶劑。但是，實際工業應用所採用的支撐式液體膜受限於支撐式液體膜的穩定性(使用壽命)，這是因為溶劑及/或載體流失到水相。被傳送通過膜層的水在擾動該膜上扮演重要角色。因此，有需要一種使用支撐式液體膜來強化有機酸的純化的改良方法。

依據本發明的第一觀點，一種從包含有機酸之鹽形式的發酵液中將有機酸回收及純化的方法係包括對發酵液進行超過濾或微過濾以形成第一滲透液，將第一滲透液濃縮以形成濃縮液，將濃縮液導入支撐式液體膜以萃取乳酸來形成包含萃取液的分離流，對萃取液進行活性碳處理以除去顏色，對萃取液進行陽離子交換樹脂處理以脫礦，及對萃取液進行陰離子交換樹脂處理以除去陰離子雜質來形成淡化後的有機酸，過濾此淡化後的有機酸以移除超過預定臨界值的雜質及將此淡化後的有機酸濃縮到所要的濃度。

從以上揭示及下文對不同較佳實施例的更詳細明，對於熟悉該項技術人士而言，本發明明顯在有機酸純化技術提供重大改良。在此觀點之特別重要者，是本發明能夠提供製造熱穩定有機酸之方法。由以下的詳細說明將可更加了解不同較佳實施例的其他特徵與優點。

請了解所附圖式並無必要依照比例繪製，其係呈現說明本發明基本原理之不同特徵的簡化代表。文中揭示之有機酸純化方法之包含例如在不同階段使用的裝置之具體尺寸之特定設計特徵，其部分將由特定意欲應用與使用環境來決定。圖示實施例之一些特徵係相對其他者有做放大或變形，以便提供清楚的了解。具體而論，例如薄的特徵可以加厚以清楚圖示。所有關於方向與位置的參考，除了另有指明之外，係指在圖式上所示的方向。

對於熟悉此項技藝人士(亦即在此領域具知識或經驗人士)而言，文中揭示之有機酸純化方法明顯可有多種使用與設計變化。以下對不同替代特徵及實施例的詳細討論將說明本發明關於要用來將乳酸純化的一般原理。在閱讀本文後，對於熟悉技藝人士而言，明顯可有其他適於其他應用之實施例。

本發明揭示一種從發酵液中將有機酸(特別是乳酸)回收及純化方法。在此所述的方法能接受具有任何高於1%乳酸鹽濃度之乳酸發酵液，特別是8%或者更高濃度之乳酸發酵液。參閱圖式，圖1顯示一方法的示意圖，其中發酵液1首先是透過管線2饋入裝置3。該發酵液可以包含例如乳酸之有機酸，且可以是例如乳酸鹽之有機酸的鹽形式。裝置3較佳係例如微過濾膜6或是超過濾膜3的膜，或是二者。該超過濾膜有0.1到0.01微米尺寸的過濾孔，該超過濾膜可以有數種結構型式，例如中空纖維、管式、平板或是螺旋纏繞單元。在一形式中係使用中空纖維膜，其提供優良的表面積對體積比率。本發明的超過濾膜可以由聚合、陶瓷或是金屬材料製成。該超過濾膜做為一個可阻擋懸浮固體、生物量、細菌的屏障形式。配合該超過濾膜的過濾方法可以是橫流法或者端點法。在橫流過濾中，其操作流是與該膜呈平行流動，在端點過濾中，其操作流是與該膜呈垂直流動。與端點過濾法比較，在橫流過濾中只有一部份發酵液穿透過膜。與膜平行之發酵液流動具有足夠的速度來將留住的微粒沖離表面。這連續的橫掃動作可使累積在膜表面上的微粒減到最小，因而延長膜的操作壽命。在這種橫流法中，超過濾膜能從發酵液中取得大約30到99%的所要有機酸回收，特別是60到95%的所要有機酸回收。

為從發酵液中回收更高的有機酸，來自裝置3的濃縮液是通過管線5進入微過濾膜裝置6，該濃縮液中的殘留微粒及/或沈澱物會在該微過濾膜被除去。該微過濾膜具有0.1到1微米尺寸的孔。該裝置6能從發酵液中回收大約50到90%的有機酸，這使發酵液的有機酸的總回收率(超過濾和微過濾二者)增加到大約90至99%。乳酸的進一步回收可藉由微過濾(MF)乳酸發酵液與加水進給來達成。這個方法稱為滲濾。微過濾與滲濾的結合用於提高乳酸的回收。該微過濾膜可以有數種結構型式，例如中空纖維、管式、平板或是螺旋纏繞單元，且包含聚合、陶瓷或者金屬材料。在另一實施例，微過濾-滲濾的結合可直接用來純化該發酵液以取得超過99%的乳酸回收，而不用對該發酵液進行超過濾。第一步驟獲得的是第一滲透液。

圖2顯示該方法的下一步驟，在這裡可藉由濃縮從第一滲透液中將乳酸回收以形成濃縮液來增進回收/萃取率。利用一蒸發器9將第一滲透液濃縮到一濃縮液，特別是在濃縮液裡有20到60%的有機酸含量，且更特別是在30到55%的含量。蒸發處理後獲得的蒸餾物一般包含不到0.5%的乳酸鹽。該蒸餾物幾乎是具有一些揮發性有機碳(VOCs)與微量乳酸的水，其可經由管線10通過一活性碳柱(如圖2中所示的裝置11)而輕易澄清以產生一級品質的水67。或者，蒸餾物可在發酵液中再使用。

在該發酵液最初pH值比它的酶激活因子(pKa)(例如，乳酸pKa=3.86)高的情況，該濃縮液需要另外的酸化步驟。在本發明中適用的酸化劑14(如圖2中所示)是無機酸，例如鹽酸或者硫酸。因為硫酸不會帶有過多的煙霧與水分，因而使用硫酸不會造成乳酸鹽濃度降低過多。酸化的目的在於轉變發酵液中的有機酸鹽成為有機酸。一般而言，pH值是調整的控制因素。發酵液通常的pH值為5至6.5，並且應該調整到比有機酸的pKa低，對乳酸液特別是1.5至3.8，更好是2至3.6。如果發酵液已經達到低pH值，就不需要進一步酸化來產生酸化液。所需要的酸化劑14數量取決於發酵液的最初pH值。當發酵液在槽13內冷卻時，無機鹽19可能從溶液沉澱，所形成的無機鹽19係取決於用以在發酵期間控制發酵pH值的鹼與酸化劑14。例如，如果使用氫氧化銨控制發酵pH值且使用硫酸來酸化，所形成的無機鹽19將是硫酸銨。硫酸為較佳酸化劑的另一理由是，與其他酸化劑相比較，硫酸鹽一般較容易沈澱。反應式1顯示當引入硫酸到含有乳酸鹽的溶液中時所發生的反應例。

反應式1：以硫酸將乳酸鹽酸化成為乳酸

2 LacNH₄ +H₂ SO₄ →2 LacH+(NH₄ )₂ SO₄

藉由添加酸產生酸性液的酸化過程是放熱的，因此它生熱且造成溶液溫度增加。在溶液冷卻至大約50℃之後(較佳為25℃)，鹽會沉澱析出。在上述實施例中，硫酸銨將開始沉澱析出。當溶液冷卻到室溫(25℃)時，大量的硫酸鹽將結晶析出。在發酵中，乳酸鹽可能是乳酸鈣、乳酸鈉或者乳酸銨。在使用硫酸的酸化期間，將產生相對應的硫酸鹽。如果有任何鹽在這製程期間形成，可使用例如離心機來將它們濾掉。一般而言，如果(i)最初發酵液pH值為5或者更高(在乳酸鈉或乳酸銨中)；(ii)用硫酸做為酸化劑；及(iii)在濃縮第一滲透液步驟期間，發酵液的濃度已經增加到超過20%，將會有可觀的鹽形成。透過裝置17能將鹽與發酵液有效分離，該裝置17可以是壓濾機或者是任何其它固體-液體的分離器。該方法的其餘步驟最好是在接近環境條件進行。

該(過濾的、酸化的及)濃縮的液體可如上述來進行過濾。濃縮液一般包低水平的懸浮固體。該濃縮液可能是澄清液或者是包含超過20%(特別是20到65%乳酸濃度)乳酸的暗色黏性液體，取決於所要回收乳酸的濃度。該濃縮液被傳送到圖2-4所示的槽21內。當該過濾酸化的發酵液20饋入裝置23時，將進行乳酸回收，如圖3所示。用以從酸化的濃縮液萃取乳酸的裝置23係所稱之支撐式液體膜(SLM)。

該支撐式液體膜23包含由合適組成份組成的一有機層，該組成份浸漬在另一膜(基膜)上，例如超過濾(UF)或者微過濾(MF)類型的膜。在一形式中係使用微過濾膜，因為它的孔區域密度高。使用在支撐式液體膜的基膜有疏水性質且可包含例如聚丙烯(PP)、聚乙烯二氟化物(PVDF)及聚乙烯(PE)之疏水性聚合物，或例如聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)及聚乙烯亞硫酸鹽(PVS)之兩性聚合物。疏水性聚合物一般上是合適的基膜材料；在最佳的形式中係使用聚丙烯聚合物，因為它的疏水性質高、成本相對較低、優良的機械特性及優良的化學穩定性。

該支撐式液體膜23具有浸漬在基膜內的有機層，該有機層在惡劣的操作期間藉由膜的孔(在此是微孔)的牽制能穩定基膜。該有機層包含4個組成份：一載體、一共同萃取劑、一稀釋劑及一穩定劑。該載體包括不溶於水的胺，特別是第一、第二、第三脂族胺或芳族胺，較佳為包含具有C₄ -C₂₄ 之至少一烷基鏈的胺。在更佳形式中，該載體是有C₈ -C₁₂ 之烷基鏈的第三脂族胺。

該共同萃取劑係在該有機酸萃取方法中協助該載體的一液體，該共同萃取劑可包含具有少量水溶性的脂族醇，特別是含C₂ -C₂₉ 碳鏈的醇，更特別是含C₆ -C₁₀ 碳鏈的醇。該醇的官能度可以在該碳鏈(正醇)的末端或者在分支。該共同萃取劑可包含例如有C₈ -C₁₀ 的正鏈醇或者是有C₆ -C₉ 的支鏈醇。

在有機層添加稀釋劑來稀釋載體的濃度，以便增加載體的黏性來幫助萃取速率。一般而言，可使用與基膜相容但與水不相溶的任何有機液體。合適的稀釋劑包括烴、酮，醚或酯。合適的烴可包含例如煤油、甲基異丁基酮、一異丁基酮及醋酸丁酯。在閱讀本文後，對於熟悉技藝人士而言，明顯可有其他合適的稀釋劑。

穩定劑幫助有機組成份(即基膜中之萃取劑、共同萃取劑及稀釋劑)穩定。支撐式液體膜的使用壽命取決於有機組成份在其環境即水相裡的損失速率。在習知的支撐式液體膜，損失在幾小時內發生。依據高度需要的特徵，在本文所述的穩定劑是具有非常低水溶解度與低水表面張力的一種非離子性界面活性劑。該穩定劑在該有機組成份中係做為有機相與水相之間的一個屏障，因而降低二相的混合。

適用在本發明中的穩定劑有3個主要基團，它們是：烴基、矽基及碳氟化合物基的穩定劑。非離子界面活性劑是碳氟化合物基。非離子界面活性劑是沒有離子頭部基的界面活性劑形式。該碳氟化合物基界面活性劑的親水基團是非離子羧化物群組，且因此具有非常小的水溶解度。該碳氟化合物基界面活性劑的尾部基團是疏水性且親油性。這確保該穩定劑主要會留在溶劑-水的介面。由碳氟化合物基界面活性劑所創造的邊界將限制膜內之水與有機溶液的混合，因而降低通過膜的水分輸運，因此延長支撐式液體膜的穩定性。該表面活性劑的非離子性質也做為該離子種類一另外的障礙，因此改進膜對於有機酸的選擇性。相較下，界面活性劑對於酸形式中的有機酸較少阻礙，而諸如硫酸與鹽酸的有機酸在水媒介中完全離子化，且因而被限制進入液體膜相(因為水分輸運是有限的)，這造成在有機酸與無機酸之間有更好的選擇性。在具有0.01%穩定劑之液體膜組成份的典型實驗裝置中，有機酸相對無機酸的選擇性可能高到數千倍。

同樣地，水-液體膜相互作用的限制也使葡萄糖穿過膜的輸運減低。包括合適選擇上述萃取劑、共同萃取劑及稀釋劑之本發明的支撐式液體膜之穩定性超過180天。一般而言，可添加從0.001到10%之穩定劑，高量的穩定劑使膜更穩定但是萃取速率低。最佳的穩定劑濃度是從0.005-0.020ppm。該碳氟化合物基的非離子界面活性劑具有R_f CH₂ CH₂ O(CH₂ CH₂ O)_x H的一般結構，該式子中的x是從0-25的數字，且R_f 是碳氟化合物群組F(CF₂ CF₂ )_y ，該式子中的y是1到20。

該載體、共同萃取劑、稀釋劑及穩定劑在浸漬到基膜的孔內之前，係混合成一均勻相。該基膜是形成中空纖維構造。該裝置23允許一液流(stream)沿著該纖維的內腔流動，而另一液流沿著該纖維的鞘側流動。一更佳的配置是令該源溶液(source solution，即該濃縮液)沿著鞘側流動，而接收溶液(receiving solution，亦稱為氣提溶液)沿著內腔流動。二溶液沿著各自側重新循環：源溶液沿著管線22(如圖3中所示)進入裝置23且沿著管線24將溶液帶回到槽21；該接收溶液沿著管線26輸送進入裝置23且沿著管線27將溶液帶回到支持槽25。藉由酸28透過劑量管線29將源相的pH值保持比該pKa低，例如對乳酸溶液是1.5到3.6。酸28一般與酸化劑14相同。接收溶液可能只是水，或者包含例如鹽酸或者碳酸鈉的化學物。最佳的接收溶液是純水，因為這將使更後階段之淡化(polishing)影響減低。該萃取方法包含：

(I)有機酸與載體的質子化

[R₃ N]_org +[LacH]_aq [R₃ NH⁺ Lac^- ]_org

在質子化期間，有機酸結合在胺上

(II)乳酸穿過有機層轉移到接收溶液側。

乳酸胺絡合物從源溶液側輸送穿過有機層到接收溶液側。該輸送機制是絡合物的擴散或者是乳酸鹽分子的躍動：

[R₃ NH⁺ Lac^- ]_org +[R₃ N’][R₃ N’H⁺ Lac^- ]_org +[R₃ N]

該式子中的N’是接近接收端，及在接收端；及

(III)胺的去質子化

該乳酸(或者一般有機酸)是從源溶液轉移到接收溶液。

源溶液量與接收溶液量的比率較佳從1：1到8：1，且更好是從1：1到4：1。該萃取處理時間有部份是決定在源頭與接收的比率、有機酸濃度及萃取裝置(即該支撐式液體膜)。當源相有機濃度相較於接收相濃度超過20%時，該萃取處理應該停止，因為該萃取速率會太慢。應收集該接收溶液以進一步處理。一新鮮的接收相在系統裡循環以進一步萃取乳酸。在萃取幾次之後，該源溶液當包含少於8%的乳酸，這將不適於萃取，因為萃取速率會變得太慢。在一實施例中，源頭與接收的比率是2：1，且源相乳酸濃度最初是48%；該源溶液乳酸鹽濃度在每3到5小時之6輪萃取之後將降低到7至10%。在接收溶液中的平均乳酸濃度是1到15%。該裝置23的獨特優點是有機酸的高選擇性。通常，該接收溶液中的葡萄糖量不明顯，這是乳酸發酵的原料。因為乳酸已萃取進入乾淨的溶液，所以接收相的顏色相對於該源溶液是低的。與澄清發酵液相比較(在超過濾/微過濾之後)，顏色可能化減50到500倍。該支撐式液體膜的高選擇性性質確保該接收相包含最少的離子雜質且實際上與源相離子雜質濃度無關。在包含48%乳酸鹽、PH值3.2、4.0-4.5%銨、10-20%硫酸鹽之最初來源的較佳裝置實施中，接收溶液應包含0.0001-0.05%的銨與0.0001-0.04%的硫酸鹽。

為了提升回收率，該濃縮溶液係透過管線30送到另一蒸發器31以進一步濃縮，該裝置31的蒸發容量大約比裝置9小5到8倍，裝置31的排出物可包含15-60%的乳酸，一般約為30-50%。因為該溶液包含的硫酸銨已接近飽和點，在濃縮期間會析出硫酸銨，特別是當濃縮超過40%的時候。該濃縮液係以如前述方法的相同方式來過濾，透過管線33進入一冷卻槽34，且透過管線35進入一濾壓機或任何合適的固液分離裝置36以獲得收集在槽40中的乾淨濃縮液及在38中的硫酸銨結晶或任何碳化的沉澱。在這過濾步驟中，因為該濃縮液已經在低的pH值，沒有必要進一步預酸化。接著使用前述裝置23的相同萃取方法，利用裝置42的支撐式液體膜對槽40中的澄清濃縮液進行乳酸萃取。在將該發酵液溶液導入裝置31以進一步濃縮之前，所形成的溶液可棄置或透過管線49饋入裝置50以進一步進行超過濾。

來自支撐式液體膜製程的全部接收萃取液(收集在槽25及44中)是結合成一液流，該液流包含一些會使萃取液有顏色的化合物。該結合流被饋入活性碳塔裝置54(如圖7中所示)，在此藉由將活性碳引入萃取液來減弱溶液顏色。活性碳與有色化合物結合，從萃取液中將他們移除。

如圖7所示，來自該裝置54的脫色萃取液能夠透過管線68導入裝置69以供濃縮。一般而言，裝置69可以是任何能夠從發酵液溶液中除去水來濃縮有機酸的裝置，特別是將進給溶液從低到0.05%的濃度濃縮到高達50%的濃度，在較佳的實施例中，從1-8%的進給濃度濃縮到高達8-10%的輸出濃度。在該較佳的實施例中，裝置69是高分子膜，在它的操作模式下，只允許萃取液中的水流過該膜。裝置69的水容許性可以是壓力驅動、真空驅動及/或熱驅動。在最佳的實施例中，在裝置69中使用逆滲透(RO)膜(一種壓力驅動膜)，裝置69的使用可以用比傳統蒸發裝置低的能源成本將萃取液濃縮到較高的濃度。裝置69的預濃縮有效地降低了後續步驟中裝置所需要處理的體積。由裝置69除去的水能夠導入裝置25及44用為發酵液的源頭或者其它需要的地方。或者，濃縮步驟可在脫色步驟之前進行。

不論是否從裝置69進行進一步濃縮，萃取液之後都可被導入一系列柱中進行淡化(polishing)以提高質量。該系列的淡化柱可包含例如i)用於除去陽離子雜質的陽離子交換塔(去礦物質)；ii)用於除去陰離子雜質的陰離子交換塔；iii)用於脫色的淡化脫色樹脂或活性碳塔。儘管在較佳實施例中，陽離子交換塔較佳係在陰離子交換塔之間，而脫色或活性碳塔可設在陽離子交換塔與陰離子交換塔之前、之後或之間，這三種塔能夠以任意順序進行操作。

來自裝置69的預濃縮液與來自裝置54的脫色發酵液透過管線70或管線55導入陽離子交換塔裝置56以個別移除任何微量陽離子雜質。一般而言，在裝置56中可使用任何強陽離子交換樹脂，大孔類型的陽離子交換樹脂是一種選項。除了移除陽離子雜質以外，陽離子交換塔56也進一步將發酵液的一些或所有顏色除去。接著以陰離子交換裝置58透過管線57進一步處理該脫礦乳酸溶液。在該陰離子交換裝置58裡將全部陰離子雜質除去。在裝置58中需要弱陰離子交換樹脂，在一實施例中係使用大孔類型的樹脂。

如果必要，去除顏色的步驟可以重複進行。此外，陽離子交換、陰離子交換及顏色去除後也可重覆進行濃縮步驟。例如，儘管自陰離子交換裝置58排出的萃取液通常沒有顏色，但在任意方法中萃取液經過陰離子交換之後，低水平的顏色仍繼續存在，來自陰離子交換塔的排出物可進一步透過包含例如淡化脫色樹脂或活性碳的裝置60來脫色。根據起始的濃度，產物萃取液一般包含7-12%的乳酸。如果要求溶液產物的濃度低於10%，使該溶液經過另一濃縮裝置62是有利的。裝置62可以類似裝置69的任何具體設備，在一較佳實施例中，另一RO膜可用在裝置62中，裝置62能夠將溶液濃縮成11-15%的乳酸。根據起始的濃度與產物的濃度，由裝置62所去除的水63可包含0.1-6%的乳酸。產物萃取液包含11-15%的有機酸，然後將其透過裝置72進行純化。裝置72是一種基於分子量截流的分離裝置，它會去除可能已經通過所有先前過程的預定臨界值以上的大分子量雜質。裝置72較佳是具有100-300道爾頓的截流分子量(MWCO)的奈米過濾膜，更佳是具有100-150道爾頓的MWCO以純化乳酸。裝置72允許乳酸通過該膜，同時保留下分子量高於其MWCO的大部分雜質，當進一步將其濃縮到超過75%的更高濃度時，它改善了乳酸溶液的色值。

然後可用產物蒸發器(即如圖8所示的裝置75)將來自裝置72的滲透液進行進一步濃縮。裝置75的濃縮係數可以為20-40倍，通常是25-35倍。來自裝置75的濃縮液76可導向產品包裝部。來自裝置72的濃縮液74可透過裝置9或者31來蒸發，或者回到裝置54中以增加乳酸的回收率，如圖12所示。該淡化後的有機酸可用例如過氧化氫的氧化劑進行處理以製造出熱穩定的有機酸，也就是說在高溫下耐脫色的酸。

圖9顯示可用裝置11將來自裝置14、28及75的蒸餾物加以處理以除去揮發性有機碳(VOCs)及微量乳酸以生產一級品質的水67。水67的數量一般而言足夠補充對包括設備沖洗之整個方法需求的70-90%。或者，來自裝置14及28的蒸餾物可直接用於製備發酵液，而來自裝置75的蒸餾物能用做支撐式液體膜的接收溶液。

本發明將以下列例子做進一步說明，但無論如何這些例子不應解釋為對本發明的範圍做限制。

例1-超過濾

253公升的發酵液在有2巴進料壓力之超過濾膜系統裡循環，該超過濾膜是聚醚碸基的中空纖維膜，其具有3.5 m² 的有效面積。進料溶液被饋入並且在該纖維的腔室內流動。排料壓力控制在1.6巴壓力，跨膜壓力為1.8巴。最初滲透液流動速率是1.9公升/分，且在3個小時回收86%之後下降到0.5公升/分。平均流通量19.5 LMH。在原發酵液中及在第一滲透液中的懸浮固體分別為3.88克/公升和0.005克/公升，該液的濃縮物中有懸浮固體49.78克/公升。

例2-微過濾

16公升的超過濾(UF)濃縮液(即微過濾(MF)進料)在不鏽鋼微過濾膜內循環，該微過濾膜有二氧化鈦塗層。該膜孔徑為0.1微米，該微過濾進料有49.78克/公升的懸浮固體，該微過濾在3巴跨膜壓力下操作，平均流通量80 LMH。

例3－第一滲透液從11%濃縮到48%

100公升的第一滲透液從11%濃縮到48%。回收的濃縮液數量為22.9公升，而77.1公升以蒸餾物收集。

例4-酸化及硫酸銨的結晶

以13.8公斤的硫酸將包含48.6%乳酸鹽之77.2公升的濃縮溶液從pH值5.6酸化至3.2。在酸化及將溶液冷卻到25℃之後，析出6.1公斤(濕重)的硫酸銨結晶。在濾掉硫酸銨結晶之後，回收82.2公升酸化液。乳酸鹽回收達到99.5%。

例5-以支撐式液體膜萃取乳酸

以具有70m² 膜面積之中空纖維支撐式液體膜(SLM)將具有40-48%乳酸鹽濃度之濃縮乳酸液萃取。浸漬在膜內的有機層包含0.001-10%的載體、99.9-90.0%的共同萃取劑及稀釋劑。以水作為接收液。接收液的使用量是每次萃取之起始源溶液的一半，萃取持續3到5個小時。相同的方法按比例放大到具有300 m² 有效膜面積之工業尺寸模組上。

例6－以活性碳來脫色

以長度1米、塔直徑1.5英吋、有重0.8公斤碳的活性碳塔處理來自支撐式液體膜程序之共77.2公升的萃取液。

例7-以強陽離子交換樹脂來脫礦

以長度1米、直徑1.5英吋且有重0.7公斤樹脂的大孔強陽離子交換樹脂塔處理已經被用活性碳處理之共82.2公升的萃取乳酸溶液。

例8-以弱陰離子交換樹脂除去陰離子雜質

以長度1米、直徑1.5英吋且有重0.6公斤樹脂的大孔弱陰離子交換樹脂處理共84.29公升的脫礦萃取乳酸溶液。

例9-奈米過濾膜

由裝置62(RO膜)獲得的萃取乳酸溶液經過兩種不同的處理路徑：i)經由裝置75直接濃縮到88±5%；ii)用裝置72(蒸發器)處理，隨後用裝置75(蒸發器)濃縮來自裝置72(NF膜)的滲透液。

例10-產品濃度

將88公升稀釋淨化的淡化後乳酸溶液濃縮到88%的乳酸濃度。

穩定劑在支撐式液體膜裡的影響

液體膜的穩定性與水穿過膜的輸運有高度相關，較高的水輸運將導致低穩定性。在實驗情況下，水一般係從接收液轉移到源溶液。使用以同批次之高分子基材纖維製造的二新液體膜模組。除了一個具有0.001-0.02%的非離子界面活性劑，浸漬在微孔纖維裡的有機層具有相同的組成份。在這些試驗上係使用相同之L-乳酸發酵液來源。

過氧化氫的影響

由裝置72(NF膜)獲得的萃取液經過i)過氧化氫處理；ii)無過氧化氫處理，隨後濃縮成88±3%wt/wt的乳酸濃縮液。

熱穩定性試驗

對由上述方法的實施例之一獲得的濃縮88%的淡化後的乳酸溶液(45MT)於195±5℃在不同時間下進行熱穩定試驗。測量最終溶液的顏色。

從以上揭示及幾個實施例之詳細描述，在不脫離本發明之真實範圍與精神之下，明顯可有各種的修改、附加及其他替代實施例。所討論的實施例係選擇及描述以提供本發明原理與實際應用的最佳說明，因而使得熟悉此項技術人士可運用本發明在不同的實施例與適合個別預期使用的各種修改上。當後附申請專利範圍係公平地、依法地及衡平地依據最大範圍解釋時，全部的變化與修改仍屬本發明之範圍內。

1．．．發酵液

2．．．管線

3．．．裝置

5．．．管線

6．．．裝置

9．．．蒸發器

10．．．管線

11．．．裝置

13．．．槽

14．．．酸化劑

17．．．裝置

19．．．無機鹽

21．．．槽

22．．．管線

23．．．裝置

24．．．管線

25．．．槽

26．．．管線

27．．．管線

28．．．酸

29．．．劑量管線

30．．．管線

31．．．裝置

33．．．管線

34．．．冷卻槽

35．．．管線

36．．．壓濾機

40．．．槽

42．．．裝置

44．．．槽

49．．．管線

50．．．裝置

54．．．裝置

55．．．管線

56．．．裝置

57．．．管線

58．．．裝置

60．．．裝置

62．．．裝置

63．．．水

67．．．水

68．．．管線

69．．．裝置

70．．．管線

72．．．裝置

74．．．濃縮液

75．．．裝置

76．．．濃縮液

圖1顯示依據一實施例之原發酵液過濾方法的示意圖。

圖2顯示一主要方法流體濃縮階段的示意圖。

圖3顯示一主要支撐式液體膜階段的示意圖。

圖4顯示一支撐方法流體濃縮階段的示意圖。

圖5顯示一輔助支撐式液體膜階段的示意圖。

圖6顯示一輔助超濾階段的示意圖。

圖7顯示一淡化階段的示意圖。

圖8顯示具有微奈米過濾淡化階段之產品蒸發階段的示意圖。

圖9顯示水回收階段的示意圖。

圖10顯示支撐式液體膜的流動設計的示意圖。

圖11顯示支撐式液體膜的萃取方法的示意圖。

圖12顯示更高回收率之有機酸的循環步驟的示意圖。

1．．．發酵液

2．．．管線

3．．．裝置

5．．．管線

6．．．裝置

9．．．蒸發器

Claims (21)

1. 一種從包含有機酸之鹽形式的發酵液中將有機酸回收及純化的方法，該方法包含以下步驟：a.對該發酵液進行超過濾與微過濾之中的其一以形成第一滲透液；b.將該第一滲透液濃縮以形成濃縮液；c.將該濃縮液導入支撐式液體膜以萃取有機酸形成包含萃取液的一分離流；d.對該萃取液進行活性碳處理以除去顏色、對該萃取液進行陽離子交換樹脂處理以脫礦、及對該萃取液進行陰離子交換樹脂處理以除去陰離子雜質來形成一淡化後的有機酸；e.使用奈米過濾膜將該淡化後的有機酸過濾以移除超過預定臨界值的雜質，其中該預定臨界值是100-300道爾頓；f.將該淡化後的有機酸濃縮到所要的濃度；其中該有機酸是乳酸；其中，該支撐式液體膜包含一基膜及浸漬在該基膜之孔上的有機層；及其中該有機層包含一載體、一共同萃取劑、一稀釋劑及一穩定劑。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該穩定劑是一 種乙氧基化碳氟化合物基形式之非離子的界面活性劑。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該載體包含第一脂族、第二脂族、第三脂族及芳族胺中之其一。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之的方法，其中該共同萃取劑是脂族醇。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之的方法，其中該稀釋劑包含烴、酮、醚和酯中之其一。
6. 依據申請專利範圍第3項所述之方法，其中該胺有一個或多個支鏈、直鏈及環形C₄ -C₂₄ 的側鏈。
7. 依據申請專利範圍第4項所述之的方法，其中該脂族醇包含C₂ -C₂₉ 之線鏈與支鏈中的其一。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基膜包含聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯二氟化物、聚醚碸及聚碸中的其一。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該支撐式液體膜具有一界定兩側的中空纖維構造，其中一側為一有機相且另一側為一水相。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之方法，其中該有機相包含兩個以上的組成份。
11. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該超過濾膜的孔徑尺寸在0.1到0.01微米的範圍內，且該微過濾膜的孔徑尺寸在0.04到1微米的範圍內。
12. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含將水或 者與溶質混合的水饋入步驟(c)之支撐式液體膜的步驟。
13. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中對萃取液進行陽離子交換樹脂處理的步驟係在對萃取液進行陰離子交換樹脂處理的步驟之前。
14. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在將濃縮液導入支撐式液體膜之前將該濃縮液酸化至pH值為1至4.8且將鹽從該濃縮液分離的步驟。
15. 依據申請專利範圍第14項所述之方法，進一步包含在將濃縮液導入支撐式液體膜之前利用過濾來分離沉澱物的步驟。
16. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含以氧化劑來處理該淡化後的有機酸的步驟。
17. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含在將濃縮液導入支撐式液體膜之後及在過濾該淡化後的有機酸以移除超過預定臨界值的雜質之前將該萃取液濃縮的步驟。
18. 依據申請專利範圍第17項所述之方法，其中將該萃取液濃縮的步驟係使用逆滲透膜來完成，該逆滲透膜僅允許該萃取液的水流過該膜。
19. 依據申請專利範圍第17項所述之方法，進一步包含在對萃取液進行陰離子交換樹脂處理的步驟之後及在過濾該淡化後的有機酸以移除超過預定臨界值的雜質之前將該萃 取液濃縮的步驟。
20. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該步驟(e)的預定臨界值係100-150道爾頓。
21. 依據申請專利範圍第16項所述之方法，其中該氧化劑為過氧化氫。