Procedimiento para aislar un componente gaseoso de una corriente gaseosa mixta comprendiendo las etapas de:

proporcionar una hoja de alimentación de membrana de partición (30B), una hoja de barrido de membrana de partición (30A) y una membrana de fluido de conversión de fase (2000) comprendiendo un medio acuoso que contiene un catalizador enzimático, con la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) apilada sobre la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) y un espacio definido entre la hoja de alimentación de la membrana de partición (30B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) y cuyo espacio incluye la membrana de fluido de conversión de fase (2000);

poner en contacto la corriente gaseosa mixta con la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) para separar dicho componente gaseoso de la corriente gaseosa mixta para producir un permeado que incluye el componente gaseoso;

convertir el permeado en una especie iónica soluble en el medio acuoso mediante conversión química utilizando dicha membrana fluida de conversión de fase (2000) y su catalizador para efectuar una segunda etapa de purificación y aislamiento del permeado de la corriente de gas mixto; y

liberar el componente gaseoso de la segunda etapa mediante una reconversión química y una desorción química, en la cual componente gaseoso se purifica

Procedimiento y aparato de separación de gas.

1. Campo

Esta invención se refiere a un procedimiento y a un aparato que utiliza una membrana de conversión de fase para facilitar el transporte de masa de una sustancia desde una primera fase a una segunda fase purificando así la sustancia. Más específicamente, la invención se refiere a un procedimiento y un aparato que utiliza una membrana de conversión de fase que comprende un catalizador enzimático para facilitar el transporte selectivo de un componente gaseoso deseado desde una fase gaseosa a una fase en solución aislando así el componente gaseoso deseado.

2. Antecedentes

Las técnicas tradicionales para separar y aislar componentes procedentes de vapor de gas o mixto incluyen aquellos basados en la diferenciación de propiedades físicas o químicas de los componentes del vapor. Por ejemplo, ciertas técnicas de separación química implican el tratamiento de la corriente de fluido con sustancias químicas como aminas, esponjas de hierro, etc. Las técnicas de separación física incluyen la extracción inmiscible líquido-líquido, técnicas criogénicas y técnicas soportivas gas-líquido y gas-sólido (p. ej., adsorción oscilante de presión). Desafortunadamente, tales técnicas no permiten fácilmente la separación de componentes de corriente con propiedades físicas o químicas similares. Otra desventaja es que tales técnicas generalmente no son útiles para aislar gases que están presentes en bajas concentraciones en el flujo mixto.

Las corrientes de gas también se pueden separar mediante tensión superficial utilizando torres de aspersión, torres en cascada y torres de inyección de gas. Pero debido a los efectos de la tensión superficial, el fluido toma una forma esférica y se fusiona. La coalescencia afecta de forma adversa a la relación superficie-volumen y necesita más volumen de contacto total y tiempo de contacto para la separación. Otra desventaja es que las corrientes de fluido pueden formar espuma y producir canalización a medida que se mueven por el reactor, reduciendo la eficacia del reactor.

Otras técnicas de separación tradicionales implican el tramposote de masa selectivo a través de membranas inertes. A. S. Michaels, New Vistas For Membrane Technology, 19 CHEMTECH 160-172 (1989); R. E. Babcock et al., Natural Gas Cleanup A Comparison of Membrane and Amine Treatment Processes, 8 ENERGY PROG. 135-142 (1988). Las tecnologías más actuales se centran en membranas inertes semi-permeables. R. W. Spillman, Economics of Gas Separation Membranes, 85 CHEM. ENGR. PROG. 41-62 (1989).

En reactores de partición, las fases discretas -gas y gas, gas y líquido y líquido y líquido- normalmente están separadas por una membrana de separación. La membrana de separación es generalmente una partición mecánica, como un material polímero o metálico. La membrana de separación tiene comúnmente propiedades como parámetros de difusión de solución con tamaño y forma de poro de modo que actúa como un filtro selectivo. Desafortunadamente, los sistemas de membrana convencionales no logran una separación completa. R. W. Spillman, Economics of Gas Separation Membranes, 85 CHEM. ENGR. PROG. 41-62 (1989).

Los reactores de tipo partición también pueden diseñarse para utilizar fibras huecas para efectuar la separación basada en volatilidades de fluido relativas utilizando fibras huecas. Tales fibras huecas pueden ser no porosas o microporosas. Por ejemplo, la patente de Estados Unidos de Jensvold nº 6.153.097 describe un reactor de fibra hueca que tiene un permeador montado internamente en el que el permeado, derivado de la alimentación en el lado del cilindro de un primer grupo de tubos, si no se captura directamente, sirve de alimentación en el lado de la cuba a un segundo grupo de tubos.

En reactores de partición que utilizan fibras huecas, las fibras pueden tener una amplia variedad de orientaciones y relaciones. Por ejemplo, las fibras pueden tener orientaciones paralelas, ortogonales, concéntricas o radiales. Las fibras huecas pueden estar formadas en mallas o placas de fibras, en las que las fibras pueden estar orientadas hacia cualquiera de un número de ángulos y patrones de redes. Los procesos de fibras huecas se aplican generalmente a corrientes de fluido separadas donde todos los componentes son gases. J. Jensvold, Patente de Estados Unidos de J. Jensvold nº 6.153.097 (publicada el 28 de noviembre de 2000); patente de Estados unidos de. R. Nichols y col. Nº 5.164.081 (publicada el 17 de noviembre de 1992).

Las técnicas tradicionales de separación de gases descritas anteriormente presentan normalmente uno o más de los siguientes problemas: son ineficientes en el uso de la energía, solo son moderadamente específicas, y son lentas (particularmente en la fase de desorción). Solo son efectivas en materias primas relativamente puras, dependen de una altura piezométrica significativa y, en muchos casos, utilizan sustancias tóxicas o dañinas para el medio ambiente.

La necesidad de una materia prima relativamente pura es uno de los problemas más frecuentes y difícil. Por ejemplo, a menudo, ciertos componentes gaseosos de la corriente se pueden desear para ciertos usos finales. La separación eficiente requiere que una utilización de materia prima enriquecida de las técnicas descritas anteriormente que resulta en una restricción geográfica a las fuentes de alimentación disponibles, donde tal componente está presente en concentraciones más elevadas en fuentes de alimentación más puras. Estas localizaciones de fuentes de alimentación pueden estar lejos de la localización de la utilización final. Consecuentemente, los costes de transporte del componente purificado deseado tras la separación pueden ser extremadamente altos.

Los catalizadores biológicos (p. ej., enzimas) presentan varias ventajas cuando se utilizan en tecnologías de separación, incluyendo una mejora en la eficiencia, la velocidad y la selectividad. Además, son respetuosos con el medioambiente y biodegradables, y pueden utilizarse a temperaturas y presiones moderadas, mejorando la seguridad. Existen informes que describen la utilización de anhidrasa carbónica para convertir dióxido de carbono en una solución acuosa a bicarbonato. Pero la utilización de tales procesos enzimáticos para aislar comercialmente de corrientes mixtas resulta impracticable debido a las bajas relaciones superficie-volumen y las pocas áreas de superficie de contacto gas-líquido en los procesos conocidos actualmente.

La utilización previa de enzimas se ha centrado principalmente en la industria de procesamiento alimentario, en aplicaciones de limpieza o detergentes, o en el procesamiento de aguas residuales. Las aplicaciones industriales en el campo de los gases han sido limitadas. Las aplicaciones previas de enzimas para la extracción de gas se encuentran en las patentes de Estados Unidos de Bonaventura y col. Nº 4.761.209 y 4.602.987 y en la patente de Estados unidos de Henley y Chang nº 3.910.780. Bonaventura utiliza membranas impregnadas de anhidrasa carbónica para facilitar el transporte de dióxido de carbono a través de una membrana hacia el agua en un aparato de aire recirculado bajo el agua.

La patente de Estados Unidos 6.143.556 describe un procedimiento y aparato para retirar y concentrar un componente gaseoso de una mezcla gaseosa mediante el contacto con una membrana que contiene un absorbente líquido y una enzima inmovilizada.

Aunque tiene algunas ventajas significativas, una variedad de problemas ha limitado la aplicación de enzimas en entornos industriales. Estos incluyen la corta vida útil de la enzima, libre o inmovilizada, la incrustación o bioincrustación, la separación de la enzima de la superficie de inmovilización, la disponibilidad limitada de una cantidad suficiente de enzimas y los gastos de fabricación. Estos problemas han resultado en relativamente pocos esfuerzos para utilizar enzimas en la manipulación de gases. Además, los medios físicos/químico están disponibles comercialmente; se comprenden e implican una tecnología establecida y una inversión significativa.

Por consiguiente, existe la necesidad de procedimientos, aparatos y reactores mejorados que proporcionen una separación o enriquecimiento de fluidos eficiente y que sean respetuosos con el medio ambiente, selectivos, y que puedan aislar componentes presentes en bajas concentraciones en materias primas relativamente impuras.

3. Resumen

Según la presente invención, se proporciona un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, y un...

1. Procedimiento para aislar un componente gaseoso de una corriente gaseosa mixta comprendiendo las etapas de:

proporcionar una hoja de alimentación de membrana de partición (30B), una hoja de barrido de membrana de partición (30A) y una membrana de fluido de conversión de fase (2000) comprendiendo un medio acuoso que contiene un catalizador enzimático, con la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) apilada sobre la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) y un espacio definido entre la hoja de alimentación de la membrana de partición (30B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) y cuyo espacio incluye la membrana de fluido de conversión de fase (2000);

poner en contacto la corriente gaseosa mixta con la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) para separar dicho componente gaseoso de la corriente gaseosa mixta para producir un permeado que incluye el componente gaseoso;

convertir el permeado en una especie iónica soluble en el medio acuoso mediante conversión química utilizando dicha membrana fluida de conversión de fase (2000) y su catalizador para efectuar una segunda etapa de purificación y aislamiento del permeado de la corriente de gas mixto; y

liberar el componente gaseoso de la segunda etapa mediante una reconversión química y una desorción química, en la cual componente gaseoso se purifica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) comprende uno de: un material poroso hidrófilo, un material poroso hidrófobo, un material poroso cerámico, un material poroso metálico sinterizado, nanotubos de carbono, polipropileno poroso, poliperfluroetileno poroso, polímeros de hidrocarburo poroso, una poliamida porosa o un policarbonato poroso.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) comprenden una pluralidad de fibras huecas tejidas entre sí.

4. Procedimiento de la reivindicación 3, en el que las fibras huecas tienen un diámetro exterior del orden de aproximadamente 100 micrones a aproximadamente 400 micrones.

5. Procedimiento de la reivindicación 3, en el que las fibras huecas tienen un diámetro de cilindro del orden de aproximadamente 10 micrones a aproximadamente 300 micrones.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la enzima incluye anhidrasa carbónica.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la membrana de conversión de fase (2000) incluye agua.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo además poner en contacto el componente gaseoso purificado con una segunda membrana de partición (30A).

9. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la hoja de alimentación de la membrana de partición (30B) incluye una pluralidad de fibras de alimentación huecas (10B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) incluye una pluralidad de fibras de barrido huecas (10A), y en el que las fibras de alimentación huecas (10B) están orientadas en un ángulo de aproximadamente 90 grados relativo a una orientación de las fibras de barrido huecas (10A).

10. Aparato de separación de gas para aislar un componente gaseoso de una corriente gaseosa mixta y comprendiendo una hoja de alimentación de membrana de partición (30B), una hoja de barrido de membrana de partición (30A) y una membrana fluida de conversión de fase (2000) comprendiendo un medio acuoso que contiene un catalizador enzimático, con la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) apilada sobre la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) para definir un espacio entre la hoja de alimentación de la membrana de partición (30B) y la hoja de barrido de la membrana de partición (30A) y cuyo espacio incluye la membrana de fluido de conversión de fase (2000); estando la hoja de alimentación de membrana de partición (30B) dispuesta para entrar en contacto con dicha corriente gaseosa mixta y para separar el dicho componente gaseoso de la corriente gaseosa mixta para producir un permeado que incluye el componente gaseoso; estando la dicha membrana fluida de conversión de fase (2000) y su catalizador dispuestos para convertir el permeado en una especie iónica soluble en el medio acuoso para efectuar una segunda etapa de purificación y aislamiento del permeado de la corriente de gas mixto, y estando el aparato dispuesto para liberar el componente gaseoso de la segunda etapa mediante una reconversión química y una desorción química, en la cual componente gaseoso se purifica.