KR100672813B1 - 숙신산 정제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균주를 이용하여 숙신산(succinic acid)이 다량으로 발현된 발효액으로부터 고 순도의 숙신산을 효율적으로 정제하는 방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 추출공정, 감압증발공정, 결정화공정을 선택적으로 또는 순차적으로 수행함으로써 고 순도의 숙신산을 얻는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의할 경우, 기존의 화학합성법에 의한 숙신산 생산 및 기존의 유기산 정제 방법이 지니고 있던 문제점을 해소할 수 있게 되며, 고효율, 저비용으로 숙신산의 생산이 가능하게 된다. 본 발명에 의하여 생산된 숙신산은 생분해성 고분자, 식품, 제약, 화장품 산업 등에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

숙신산(succinic acid), 추출(extraction), 감압증발(vacuum evaporation), 결정화(Crystallization), 숙신산 발효균주(Mannheimia succiniciproducens)

Description

숙신산 정제 방법{Purification methods for succinic acid}

도 1은 발효액으로부터 숙신산을 분리하는 방법의 흐름도이다.

도 2는 감압증발공정-결정화공정(pH 2.0) 수행 후의 HPLC 분석 결과이다.

도 3은 추출공정(1회)-감압증발공정-결정화공정(pH 2.0)을 순차적으로 수행한 후의 HPLC 분석 결과이다.

본 발명은 균주를 이용하여 숙신산(succinic acid)이 다량으로 발현된 발효액으로부터 고 순도의 숙신산을 효율적으로 정제하는 방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 추출공정, 감압증발공정, 결정화공정을 선택적으로 또는 순차적으로 수행함으로써 고 순도의 숙신산을 얻는 방법에 관한 것이다.

숙신산을 비롯한 유기산은 플라스틱, 식품, 의약품 및 화장품산업 등에서 광범위하게 이용되고 있다. 특히, 숙신산은 석유화학공업의 발달과 함께 활발한 생산이 이루어진 합성고분자의 취약점인 난분해성을 극복할 수 있는 생분해성 고분자의 모노머(monomer)로서의 이용가치가 증가하고 있다(참조 : Kirk O., Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., 21 John Wiley & Sons, 1979; Gottschalk G., Bacterial Metabolism, 2nd ed., Springer-Verlag, NY USA, 1986). 즉, 현재 사용되고 있는 합성고분자의 1/3 정도가 일회 포장 용기 등 비교적 단기간에 사용되는 제품으로 활용되고 있고, 이에 따라 이들의 폐기물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있는 실정이다. 최근에는 상기의 합성고분자를 생분해성으로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 차세대 생분해성 고분자로 생분해성 지방족 폴리에스터 polybutylene succinate가 주목받고 있으며, 이의 주원료인 숙신산에 대한 경제적인 정제공정 개발 또한 절실히 요구되고 있다(참조 : Takiyama E. and Fujimaki T., Biodegradable plastics and polymers, 150-176, 1994; Maeda Y., Nakayama A., Kawasaki N., Hayashi K., Aiba S., Yamamoto N., J. Environ. Polym. Degr., 4:225-223, 1996).

그러나 생물학적 공정을 통한 숙신산의 생산은 그 제조 단가가 기존의 화학 합성 공정에 비해 월등히 높으며, 이의 가장 큰 원인은 발효액으로부터 숙신산을 정제하는 공정이 비효율적이기 때문이다. 이러한 요인으로 인하여 현재 대부분의 숙신산은 maleic anhydride를 원료물질로 한 수소첨가 반응과 수화반응을 이용한 화학공정에 의해 생산되고 있다(참조 : Glassner D.A., Elankovan P., Beacom D.R., Berglund K.A., Appl. Biochem. Biotech., 51(2):73-82, 1995).

발효액에는 발효에 따른 여러 가지 불순물이 다수 포함되어 있으며, 이들 불순물을 제거하는 것이 발효에 의해 생산된 생산물의 경제성 및 실용화에 지대한 영향을 미치게 된다. 현재 발효공정을 이용하여 숙신산을 생성함에 있어서 분리 및 정제 공정이 차지하는 비용은 약 40% 내지 70%에 이른다고 알려져 있다(King C.J., Chemtech, 22(5):285-291, 1992).

현재까지 발효액으로부터 숙신산을 포함하는 유기산을 정제하는 방법으로써 알려진 것은 여과-침전법, 결정화법, 액-액 추출법, 막 분리법, 에스테르화를 이용한 반응증류법 등이 있으며, 이하에서는 이들 방법에 대하여 간략히 살펴보도록 한다.

여과-침전법은 수용상의 발효조에 Ca(OH)₂를 넣어 칼슘염을 침전시키는 것을 근간으로 하고 있다. 그리고 고형물질들이 걸러지고 남은 액상의 유기산들은 정제 되고 결정화되어 분리 된다. 그렇지만 결정화의 효율이 매우 낮고 결정화가 어렵다는 단점을 가지고 있다(참조 : Vick Roy T.B., In comprehensive Biotechnology, Murray Moo-Young eds., Vol. 3, Pergamon Press, 761, 1985; Bessling B., Loening J.M., Ohligschlaeger A., Schembecker G. and Sundmacher L., Chem. Eng. Technol., 21:393-400, 1998).

액-액 추출공정은 우선 유기산을 이소프로필 에테르, 디에틸 에테르, 이소아밀알콜 등과 같은 용매에 의해 추출하고. 추출된 유기산은 역추출이나 증류 등의 방법을 통해 용매로부터 회수된다(한국공개특허 제0006664, 일본특허 제1037851 등). 일반적으로 유기산 분자의 물에 대한 낮은 활성도 즉, 유기산 분자들이 유기용매보다 물에 더 높은 용해도를 가지므로 상기의 방법은 그리 효과적이지 못하다는 단점을 지니고 있다(참조 : Han D.H. and Hong W.H., Sep. Sci. & Techn., 31:1123-1135, 1996).

막 분리법의 대표적인 공정은 전기투석법이 있다. 전기투석법은 가장 활발히 연구가 이루어지고 있는 방법인데, 이는 양이온 또는 음이온의 통과를 허락하는 교환 막을 이용한 이온의 전기적 이동에 기초한다. 빠른 처리, 비 이온 분자의 제거, 부산물의 비생성 등의 장점을 가지며, 최근에는 정밀, 한외, 나노 여과와 역삼투법 등과 같은 다양한 막 공정이 전기투석법과 연결되어 사용되고 있다(한국등록특허 제 0067316호, 유럽공개특허 제 0393818호 등). 그러나 전기투석 장치에 있는 이온 교환막은 고가의 장비 일뿐만 아니라, 장기간 이용할 경우 이온 교환막이 오염되고 물때를 형성할 수 있어 실효성이 부족하고, 실제 상업생산 규모에 적용하 였을 경우 운전상의 효율이 크게 떨어지는 문제로 실용화 단계로까지 이용되지 못하고 있는 실정이다(참조 : Lee E.K., "Recovery of lactic acid from fermentation broth using electrodialysis", KAIST Ph.D. Thesis, 1998, Zeikus J.G., Elankovan P. and Grethlein A., Chem. Proc., 58(7):71-73, 1995).

에스테르화를 이용한 반응증류법은 고 순도의 유기산을 얻는 방법으로서 저분자의 알코올과 유기산을 선택적으로 반응시킨 후 형성된 에스터를 증류를 통해 분리하고 다시 역반응인 가수분해를 통해 유기산을 회수하고 생성된 알코올은 재사용하는 방법이다. 이 방법으로 얻어진 유기산은 불순물이 거의 없고, 열적 안정성이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 이 방법은 단계가 복잡해서 이에 따른 장치비가 많이 소요된다는 단점이 있다(참조 : Choi J. and Hong W.H., Int. J. of Chemical Kinetics, 28:37-41, 1996; Choi J. and Hong W.H., J. of Chemical Eng. of Jpn., 32(2):184-189, 1999).

또한 상술한 유기산 정제 방법에 대한 지금까지의 연구는 비교적 정제가 쉬운 젖산과 아세트산 등의 1가 카르복실산을 대상으로 하고 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 화학합성법에 의한 숙신산의 생산 및 기존의 유기산 정제 방법이 갖는 문제점을 개선할 수 있는 숙신산 정제 방법을 구현하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 균주를 이용하여 숙신산이 다량으로 발현된 발효액을 원심분리하여 상등액을 취한 후, 추출공정, 감압증발공정, 결정화공정을 선택적으로 또는 순차적으로 수행함으로써 이루어진다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 정제 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서 숙신산 발효를 위한 균주는 최근 생리학적 숙신산 생산 대사 회로의 분석 및 최적 발효조건이 확립된 만헤이미아 숙시니시푸로듀센스(Mannheimia succiniciproducens)가 사용되었다. 그러나 본 발명이 상기의 균주에 의한 발효액에만 한정되는 것은 아니며, 상기의 균주 이외에 숙신산을 발현하는 모든 균주에 의한 발효액에도 적용된다.

숙신산이 다량 발현되도록 유도된 발효액에는 숙신산 뿐이 아니라 여러 불순 유기산 및 염들이 함께 존재한다. Mannheimia succiniciproducens 균주에 의해 발현된 발효액에는 숙신산 뿐 만이 아니라 여러 불순 유기산인 피부르산, 아세트산, 말산, 푸마르산 등이 함께 발현된다.

상기의 추출공정은 아민계 추출제를 이용하여 이루어진다. 본 발명에서의 추출공정은 사슬이 긴 3차 아민을 이용한 것으로써, 이는 아민과 유기산의 복합체를 형성시켜 유기 상으로 분리해내는 것이다. 이러한 아민을 이용한 추출은 아민의 염기성을 이용한 것으로, 유기산과 반응하여 염을 형성함으로서 이루어진다. 본 발명에서의 추출공정은 다른 정제 방법과 비교하여 볼때, 추출 후에 역추출을 통해 유기용매를 재활용함으로서 화학물질의 소모량을 최소화 할 수 있으며, 높은 선택도와 추출효율을 보인다. 또한 상온?상압 하에서 수행되어 지므로 기존의 정제 방법보다 에너지를 절감할 수 있다는 장점을 가진다.

상기의 감압증발공정은 상대적으로 끓는점이 낮은 불순 유기산을 제거하기 위하여 소정의 온도범위에서 이루어진다.

상기의 결정화공정은 소정의 pH 및 온도조건에서 이루어진다.

이하에서는 본 발명에 의한 바람직한 실시예 및 시험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시예 1 : 추출공정에 의한 숙신산의 정제

Mannheimia succiniciproducens 균주에 의한 발효액을 원심분리 후, 상등액 100ml(건조중량 : 6.92g)를 취하였다. 상기의 상등액에 긴 사슬 3차 아민을 혼합하였다. 상등액과 3차 아민은 1 : 1이 되게끔 혼합하였다. pH 5.0이 되도록 조절 후, 상온에서 30분간 추출을 수행하였다. 추출 후 원심분리기를 이용하여 4,000rpm에서 5분간 상 분리를 실시하였다. 상기의 과정을 1 cycle로 하여, 연속적으로 3 cycle을 수행하여 숙신신을 정제하였다.

시험예 1 : 추출공정 수행후의 조성 및 효율 분석

상기의 실시예 1에 의한 추출공정 수행 후에 유기산 컬럼을 이용한 HPLC(Supelcogel C-610H, 300 mm 7.8 mm, Supelco, USA)를 통해 UV/Visible 검출기(Waters 2487)로 분석하였고, 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다. 표준물질로 는 숙신산(99.9%, Sigma), 피루브산(99.9%, Sigma), 아세트산(99%, Juncei), 말산(Aldrich), 푸마르산(99.5%, Fluka) 등을 이용하였다. 포도당의 농도는 Glucose anaylzer(YSI 2700, USA)를 이용하여 분석하였고, 각 샘플의 건조중량은 동결건조기(Freeze dryer, IlShin Lab Co., Korea)를 이용하여 정량하였다.

[표 1]추출공정 수행후의 조성

상기의 표 1에서 보여지는 바와 같이 추출공정을 통하여 불순 유기산들이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다. 숙신산의 경우 추출공정 전과 후에 있어서 별다른 차이를 보이지 않았다(상등액 2.23g, 3 cycle 추출공정 수행 후 : 2.22g). 그러나 여러 불순 유기산들(피루브산, 아세트산, 말산, 푸마르산, 미지시료)은 추 출공정을 통하여 효과적으로 제거됨을 확인 할 수 있었다(상등액 : 1.27g, 1 cycle 추출공정 수행 후 : 0.745g, 2 cycle 추출공정 수행 후 : 0.654g, 3 cycle 추출공정 수행 후 : 0.594g).

하기의 표 2는 추출회수가 증가할수록(cycle의 횟수가 증가할수록) 불순 유기산들이 보다 효과적으로 제거됨을 보여 주고 있다. 그러나 전체적인 불순 유기산들의 추출효율의 증가율은 추출회수가 증가할수록 줄어들고 있음을 확인 할 수 있는데, 추출효율은 전 단계와 비교하여 41.34%, 7.16%, 4.75 %의 증가율을 보였다. 따라서 경제적인 측면에서 추출의 최적 회수(cycle)는 1회라 할 수 있다.

[표 2]추출공정 횟수에 따른 불순 유기산의 제거효율

실시예 2 : 감압증발공정에 의한 숙신산의 정제

Mannheimia succiniciproducens 균주에 의한 발효액을 원심분리 후 상등액 100ml(건조중량 : 6.92g)를 취하였다. 상기의 상등액을 90℃의 온도 조건하에서 감압증발 하여 숙신산을 정제하였다.

시험예 2 : 감압증발 공정 수행후의 조성 및 제거효율 분석

상기의 실시예 2에 의한 감압증발공정 수행 후에 상기의 시험예 1에서와 동일한 장치 및 조건하에서 분석을 실시하였고, 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.

[표 3]감압증발공정 수행 후의 조성 및 제거효율

상기의 표 3에서 보여지듯이 감압증발공정 수행 후에는 아세트산 55.6%, 말산 37.5%, 피루브산 14.3%의 제거효율을 얻을 수 있었다.

실시예 3 : 감압증발공정-결정화공정에 의한 숙신산의 정제

실시예 2의 감압증발공정을 거친 후, 결정화 공정을 추가로 실시하였다. 감압증발공정을 거친 수득물을 다양한 pH조건(1.0~3.0), 약 4℃의 온도에서 12시간 방치하여, 결정화공정을 수행하여 숙신산을 정제하였다.

시험예 3 : 감압증발공정-결정화공정 수행 후의 조성 분석

상기의 실시예 3에 의한 공정의 수행 후에 상기의 시험예 1에서와 동일한 장치 및 조건하에서 분석을 실시하였고, 그 결과를 아래의 표 4 및 표 5에 나타내었다.

[표 4]감압증발공정-결정화공정 수행 후의 조성

[표 5]pH 변화에 따른 숙신산의 수율 및 순도

상기의 표 4 및 표 5에서 보여지듯이 감압증발공정-결정화공정을 복합하여 수행하였을 경우, 모든 pH 조건에서 불순유기산을 95% 이상 제거할 수 있었고, 포도당은 99.8% 이상 제거할 수 있었다. 표에서 알 수 있듯이 낮은 pH 조건에서는 숙신산의 수율은 높아지는 반면, 정제효과는 떨어짐을 알 수 있었고, 높은 pH 조건에서는 그 반대의 현상이 나타남을 알 수 있다. 이는 일반적으로 pH가 낮아질수록 유기산의 용해도가 낮아지며, 비해리산 형태로 존재하려는 특성과 더불어 단량체 유기산들이 수소결합에 의하여 서로 결합하며 결정이 커가려는 성질에 기인하는 것이다. 수율과 순도의 양 측면을 고려하여 상기의 표를 종합적으로 분석하여 볼때, pH 2의 조건이 가장 바람직한 것으로 판단된다. 도 2는 pH 2의 조건에서의 본 실시예에 의한 조성물의 HPLC 분석 결과이다. 도면에서 나타나듯이 대부분의 불순 유기산의 피크(peak)들이 상당 부분 제거되었으며, 고 순도의 유기산이 정제되고 있음을 알 수 있다.

실시예 4 : 추출공정-감압증발공정-결정화공정에 의한 숙신산의 정제

실시예 1에 의한 1 cycle의 추출공정 실시 후, 감압증발공정을 실시하였으며, 그 후 pH 2.0의 조건하에서 결정화공정을 수행하여 숙신산을 정제하였다.

시험예 4 : 추출공정-감압증발공정-결정화공정 수행후의 조성 분석

상기의 실시예 3에 의한 공정의 수행 후에 상기의 시험예 1에서와 동일한 장치 및 조건하에서 분석을 실시하였고, 그 결과를 아래의 표 6에 나타내었다.

[표 6]추출공정-감압증발공정-결정화공정 수행 후의 조성 및 수율

상기의 표에서 나타나듯이 추출공정-감압증발공정-결정화공정을 연속적으로 수행하였을 경우, 고 순도(99.76%)와 높은 수율(73.09%)의 숙신산을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 상기의 결과를 추출공정이 배제된 실시예 3의 결과와 비교하여 보 면, 추출공정이 선행되었을 경우, 보다 높은 수율과 고 순도의 숙신산을 얻게 됨을 알 수 있다. 도 3은 본 실시예에 의한 조성물의 HPLC 분석 결과이다. 도면에서 나타나듯이 대부분의 불순 유기산의 피크(peak)들이 거의 제거되었으며, 고 순도의 유기산이 정제되고 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 화학합성법에 의한 숙신산 생산 및 기존의 유기산 정제 방법이 지니고 있던 문제점을 해소할 수 있게 되며, 본 발명에 의할 경우 고효율, 저비용으로 숙신산의 생산이 가능하게 된다. 본 발명에 의하여 생산된 숙신산은 생분해성 고분자, 식품, 제약, 화장품 산업 등에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 균주를 이용하여 발현된 발효액으로부터 숙신산을 정제하는 방법에 있어서,

   ⅰ) 아민계 추출제를 이용하여 수행하는 추출공정;

   ⅱ) 감압증발공정;

   ⅲ) pH 1.0 내지 3.0의 범위에서 이루어지는 결정화공정;

   을 순차적으로 수행함을 특징으로 하는 숙신산 정제 방법.
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