KR100191357B1 - 유기산의 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노여과와 전기투석(water-splitting electrodialysis)을 이용한 유기산의 회수방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 나노여과의 높은 2가 양이온 제거능력을 이용한 것으로서, 탈염 전기투석과 이온교환수지를 정제공정으로 사용하는 종래의 2단계 전기투석 공정을 나노여과를 정제공정으로 사용하는 1단계 전기투석 공정으로 단순화함으로서 이를 통한 공정의 효율화, 생산단가의 감소, 유틸리티 사용량의 감소 및 부지의 효율적 이용을 도모할 수 있는 새로운 유기산의 회수공정을 제공함에 있다.

따라서, 본 발명은 전기투석을 이용한 유기산 발효액의 회수방법에 있어서, i) 나노여과 장치를 사용하여 발효액의 불순물 및 경도물질을 제거하는 나노여과 공정 및 ; ii) 상기공정에서 수득된 정제 발효액을 전기투석 장치에 투입하여 회수하는 전기투석 공정으로 이루어진 유기산의 회수방법임을 특징으로 한다.

Description

유기산의 회수방법

본 발명은 나노여과와 전기투석(water-splitting electro-dialysis)을 이용한 유기산의 회수방법에 관한 것이다.

젖산, 초산, 숙신산 등의 유기산은 식품 가공, 화학, 의료 산업에서 사용되는 첨가제로서 합성 및 발효공정에 의해 생산된다. 발효공정에서는 값싼 탄수화물의 발효를 통하여 유기산염의 형태로 생산된다. 발효공정은 중성 pH에서 이루워지기 때문에 염의 형태로 생산되며, 또한 미생물, 단백질 등 제거되어야 할 부산물을 함유하게 된다. 따라서 발효공정을 이용한 유기산의 생산에 있어 이를 정제하기 위한 생산단가가 상승하게 된다. 따라서 발효를 통한 유기산 생산을 위해서는 발효공정에서 생산된 유기산염을 정제하는 정제 공정과 유기산염의 형태를 최종산물인 유기산으로 전환시키기 위한 유기산 생산 공정이 필요로 하게 된다.

종래의 유기산 생산공정은 유럽공개특허 제 0393818호에 개시된 바와 같이, 탈염전기투과 water-splitting electrodialyzer Process (이하 WSED 공정이라함)를 정체 및 생산공정으로 사용하는 2단계 전기투석공정을 이용하였는데, 이러한 종래의 유기산 제조공정을 좀더 상세히 설명하면 제1도에 나타낸 바와 같이, 발효공정(1)에서 생산된 젖산염과 미생물, 단백질 등 불순물을 포함한 발효액(7)이 용액상의 젖산염의 회수와 농축을 위해 탈염 전기투석 공정(2) 안으로 보내어진다. 탈염 전기투석 공정(2)에서 미생물 및 기타부산물들은 희석액 흐름(9)을 통해 공정에서 제거되고 그중 일부는 발효공정(1)으로 재순환되며, 젖산염이 농축된 농축액 흐름(8)은 젖산의 생산을 위하여 전기투석장치(Water-splitting electrodialyzer) (4) 안으로 보내어진다. WSED 공정 (4)에 투입되기 전, 상기 공정내에 막의 오염과 물때의 형성을 일으킬 수 있는 경도물질(Ca²⁺, Mg²⁺등)을 제거하기 위하여 젖산염은 Na⁺형태의 이온교환수지(3)를 거쳐 WSED 공정에 투입된다. WSED 공정중에 투입된 젖산나트륨 용액(9)은 NaOH를 포함하는 염기 흐름(11)과 최종산물인 젖산을 포함하는 산 흐름(10)으로 나오게 된다. 또한 NaOH를 포함하는 염기 흐름은 발효공정에 pH 조절용으로 재순환된다.

그러나, 상기의 공정은 복잡한 2단계 전기투석 공정을 거침으로 인하여 공정의 비효율성, 생산단가의 증가, 유틸리티량의 증가 등의 문제점이 있다.

본 발명자는 이러한 종래 생산공정의 단점을 개선하기 위한 연구를 수행하던중, 종래의 복잡한 2단계 전기투석 공정을 1단계 전기투석 공정으로 단순화 함으로써 공정의 효율화, 생산단가의 감소 및 유틸리티 사용량을 감소시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 나노여과의 높은 2가 양이온 제거능력을 이용한 것으로서, 탈염 전기투석과 이온교환수지를 정제공정으로 사용하는 종래의 2단계 전기투석공정을 나노여과를 정제공정으로 사용하는 1단계 전기투석공정으로 단순화함으로서 이를 통한 공정의 효율화, 생산단가의 감소, 유틸리티 사용량의 감소 및 부지의 효율적 이용을 도모할 수 있는 새로운 유기산의 회수공정을 제공함에 있다.

즉, 본 발명은 전기투석을 이용한 유기산 발효액의 회수방법에 있어서, i) 나노여과장치를 사용하여 발효액의 불순물 및 경도물질을 제거하는 나노여과공정 및 ; ii) 상기공정에서 수득된 정제 발효액을 전기투석장치에 투입하여 회수하는 전기투석공정으로 이루워진 유기산의 회수방법 임을 특징으로 한다.

제1도는 탈염 전기투석과 이온교환수지를 이용한 종래의 유기산 정제 및 생산공정의 계통도를 나타낸 것이다.

제2도는 본 발명에 따른 나노여과를 이용한 유기산 정제 및 생산공정의 계통도를 나타낸 것이다.

제3도는 본 발명에 사용된 나노여과 장치에 대한 상세도를 나타낸 것이다.

제4도는 본 발명에 사용된 전기투석 장치(water-splitting electrodialyzer)에 대한 상세도를 나타낸 것이다.

이하, 첨부도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 단순화된 공정을 나타내고 있다. 발효공정(1)에서 생산된 발효액(7)이 미생물, 단백질 등 불순물과 경도물질을 제거하기 위하여 나노여과 장치(12)로 보내어진다. 나노여과 공정(12)에서 불순물과 경도물질이 제거된 여과액 흐름(13)은 다른 정제공정을 거치지 않고 바로 WSED공정(4)에 투입되며, 미생물과 다른 부산물이 함유된 농축액 흐름(14)중 일부는 발효공정(1)으로 재순환되고 나머지는 공정 밖으로 내보내게 된다.

제3도는 본 발명에 사용된 나노여과 장치에 대한 상세도이다. 본 발명에 사용된 나노여과장치(12)는 균등조(15), 고압펌프(17), 여과막 용기(18)와 냉각장치(16)로 구성되어 있다. 나노여과막(19)으로는 NF45-2540 (나권형, 유효면적 20 ft², M.W.C.O. 180 ∼ 400)이 사용되었다. 나노여과 장치(12)에 유입된 발효액(7)은 고압펌프(17)를 통해 여과막(19) 안으로 운송된다. 여과막(19)안에서 WSED 공정(4)에 막의 오염과 물때의 형성을 유발하는 Ca²⁺, Mg²⁺등 경도물질과 발효액(7)에 함유되어 있는 미생물은 여과막(19)을 통과하지 못하고 농축액 흐름(14)을 따라 다시 균등조(15)로 순환되거나 공정밖으로 처분되고, 젖산나트륨은 여과막(19)을 통과하여 여과액 흐름(13)을 통하여 WSED 공정(4)으로 투입된다. 본 공정에서는 여과막(19)을 변형시키는 열을 냉각하기 위하여 균등조(15)에 냉각장치(16)를 설치하였으며, 젖산나트륨의 회수율과 미생물의 농축을 증가시키기 위하여 제3도와 같이 균등조(15)를 설치하여 일괄처리 방식을 선택하였다.

제4도는 본 발명에 사용된 전기투석장치(Water-splitting electrodialyzer)에 대한 상세도이다. 정제된 젖산나트륨 용액(13)은 젖산을 생산하기 위하여 WSED 공정(4)으로 투입된다. WSED공정(4)에서는 Bipolar 막(21)에 의해 전기분해된 물분자가 H⁺이온과 OH^-이온을 생성하며, 생선된 OH^-이온은 Na⁺이온과 결합하여 NaOH 용액(11)을 형성하여 염기 흐름(11)을 통해 발효공정(1)의 pH 조절용으로 재순환된다. 또한 생성된 H⁺이온은 젖산 이온과 결합하여 최종산물인 젖산(10)를 형성하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 다음의 실시예에 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

젖산 발효공정을 통하여 생산된 발효액을 제2도의 나노여과 장치를 이용하여 정제한 후, 발효공정의 부산물인 Mg²⁺, Ca²⁺이온, 초산과 포도당의 제거율과 젖산의 회수율을 측정하였다. 측정 결과, Mg²⁺, Ca²⁺이온, 초산과 포도당의 제거율은 각각 81.0, 70.8, 36.8, 60.9%이었으며, 젖산의 회수율은 80.0% 이었다. 그 측정결과를 표 1에 제시하였다.

[실시예 2]

경도물질의 농도가 높을 경우, 경도물질이 나노여과 공정에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 실시예 1의 젖산 발효공정을 통하여 생산된 발효액에 33.6 ppm의 Mg²⁺11 ppm의 Ca²⁺이온을 인위적으로 첨가한 후, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Mg²⁺,Ca²⁺이온, 초산과 포도당의 제거율 및 젖산의 회수율을 측정하였다.

측정 결과, Mg²⁺,Ca²⁺이온, 초산과 포도당의 제거율은 각각 74.6, 66.9, 34.6, 56.5% 이었으며, 젖산의 회수율은 83.3%이었다.

그 측정결과를 표 2에 제시하였다.

[실시예 3]

포도당이 나노여과공정에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 젖산발효공정을 통하여 생산된 발효액에 포도당을 인위적으로 첨가한 후, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Mg²⁺,Ca²⁺이온, 초산, 포도당의 제거율 및 젖산의 회수율을 측정하였다. 측정결과, Mg²⁺,Ca²⁺이온, 초산, 포도당의 제거율은 각각 82.2, 72.8, 27.1, 32.4% 이었으며, 젖산의 회수율은 79.2% 이었다. 그 측정결과를 표 3에 제시하였다.

[실시예 4]

본 발명에 의한 나노여과공정을 이용한 젖산 회수공정의 가능성 및 경제성을 알아보기 위하여, 실시예 1에서 정제된 젖산나트륨 용액을 WSED 공정에 투입하여 젖산의 회수율, 전류효율 및 에너지 소모량을 측정하였다.

WSED 공정에 사용된 전기투석장치 (Water-splitting electrodialyzer)는 젖산과 NaOH생산을 위하여 4부분으로 구성된 Bipolar membrane stack이 사용되었으며,이온교환막은 Bipolar 막(Neosepta BP-1

) 과 양이온교환막(Neosepta CM-1

)이 함께 사용되었다. 그 측정결과를 다음의 표 4에 제시하였다.

본 발명의 유기산 회수공정에 의하면 탈염 전기투석과 이온교환수지를 정제공정으로 사용하는 종래의 2단계 전기투석공정을 나노여과를 정제공정으로 사용하는 1단계 전기투석공정으로 단수화함으로써 공정의 효율화, 생산단가의 감소 및 유틸리티의 효율적 이용을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 전기투석을 이용한 유기산 발효액의 회수방법에 있어서, i) 나노여과 장치를 사용하여 발효액의 불순물 및 경도물질을 제거하는 나노여과 공정 및 ; ii) 전기공정에서 수득된 발효액을 전기투석장치에 투입하여 회수하는 전기투석 공정으로 이루워진 유기산의 회수방법.
2. 제1항에 있어서, 나노여과 장치는 균등조, 고압펌프, 냉각장치, 여과막용기 및 나노여과막으로 구성됨을 특징으로 하는 유기산의 회수방법.
3. 제1항에 있어서, 전기투석 장치는 Bipolar막과 양이온교환막으로 구성됨을 특징으로 하는 유기산의 회수방법.
4. 제1항에 있어서, 나노여과 공정에서 수득되는 미생물 및 부산물이 포함된 농축액을 발효공정으로 재순환 시킴을 특징으로 하는 유기산의 회수방법.

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