KR101372258B1 - Sepported ionic liquid membrane for recovery of butanol from real fermentation broth and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 지지체에 이온성 액체인 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드를 적용하여 발효액으로부터 부탄올을 효과적으로 분리 및 회수할 수 있는 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 이온성 액체로서 [Ph3t][NTF]가 적용된 분리막을 사용하면, 부탄올의 회수율이 향상될 수 있다. 특히, 이온성 액체로 적용된 [Ph3t][NTF]는 매우 안정적이며, 높은 부탄올에 대한 선택도가 나타나며, 발효액 생성에 사용되는 미생물인 솔벤토제닉 클로스트리디아에 대한 생친화성으로 인해 발효 과정 동안 부탄올을 회수하는 시스템에 매우 적합하다는 장점이 있다. The present invention relates to a separation membrane capable of effectively separating and recovering butanol from a fermentation broth by applying trihexyl tetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, which is an ionic liquid, to a porous support. By using the separator to which [Ph3t] [NTF] is applied as the ionic liquid according to the present invention, the recovery rate of butanol can be improved. In particular, [Ph3t] [NTF], applied as an ionic liquid, is very stable, exhibits high selectivity for butanol, and due to its biocompatibility to the solvent-borne Clostridia, a microorganism used to produce fermentation broth, butanol during fermentation. It has the advantage that it is very suitable for the system for recovering

Figure R1020120068732
Figure R1020120068732

Description

발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막 및 이의 제조방법{SEPPORTED IONIC LIQUID MEMBRANE FOR RECOVERY OF BUTANOL FROM REAL FERMENTATION BROTH AND PREPARATION METHOD THEREOF}Membrane for recovering butanol from fermentation broth and method for manufacturing thereof {SEPPORTED IONIC LIQUID MEMBRANE FOR RECOVERY OF BUTANOL FROM REAL FERMENTATION BROTH AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공성 지지체에 이온성 액체인 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드를 적용하여 발효액으로부터 부탄올을 효과적으로 분리 및 회수할 수 있는 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a separation membrane for recovering butanol from a fermentation broth and a method for preparing the same, and more particularly, by applying trihexyl tetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide as an ionic liquid to a porous support. It relates to a separation membrane and a method for producing the same that can effectively separate and recover butanol from the fermentation broth.

부탄올은 에탄올보다 에너지 함량이 높고 소수성이 뛰어나 에탄올보다 더 좋은 가솔린의 대체물이 될 수 있다. 석유 기반 가솔린에 대한 의존도를 낮추는 방법으로서, 솔벤토제닉 박테리아(solventogenic bacteria)를 사용하여 발효시킨 바이오매스로부터 부탄올을 생산하는 것에 대한 관심이 재차 강조되고 있다. 이는 고전적인 기술로서, 발효를 통해 최종 생산되는 부탄올 생성물의 농도가 0.5~1.0 wt% 정도로 매우 낮다는 점에서 기술의 한계가 있다. Butanol has a higher energy content and higher hydrophobicity than ethanol, making it a better substitute for gasoline than ethanol. As a way to lower the dependence on petroleum-based gasoline, there is again a growing interest in producing butanol from biomass fermented using solventogenic bacteria. This is a classical technique, which has a limitation in that the concentration of the butanol product finally produced through fermentation is very low, such as 0.5 to 1.0 wt%.

투과증발법(pervaporation)은 높은 선택성, 낮은 에너지 소비, 단순하고 쉬운 운영 등의 주요 장점으로 인해 부탄올 분리공정에 적합하다. 통합된 발효-투과증발 시스템은 부탄올 수율을 증가시키는 것으로 증명되었다. 이러한 시스템에 따르면, 정화 후의 발효액은 연결되는 발효-투과증발 공정에서 부탄올이 제거될 수 있고, 부탄올이 고갈된 잔여물(retentate)은 발효 탱크로 되돌려진다. 이러한 방법으로, 발효액 내의 부탄올 농도는 미생물에 적합한 비독성 수준으로 유지된다.Pervaporation is suitable for the butanol separation process due to the major advantages of high selectivity, low energy consumption and simple and easy operation. Integrated fermentation-pervaporation systems have been demonstrated to increase butanol yield. According to this system, the fermentation broth after purification can be removed with butanol in the associated fermentation-pervaporation process, and the butanol depleted residue is returned to the fermentation tank. In this way, the butanol concentration in the fermentation broth is maintained at a nontoxic level suitable for microorganisms.

실발효액으로부터 용제를 회수하기 위한 목적으로, 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)와 제올라이트(zeolite)가 충전된 PDMS 막이 연구되고 있다. 순수 PDMS는 알코올에 대한 수송 특성이 안정적인 것으로 입증되었으나, 적정 속도의 수송 특성과 선택성만을 제공하고 있다. 순수 PDMS에 제올라이트가 첨가되면 PDMS의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 최근 발효액 응용 연구에 따르면, 무기물로 충전된 막은 제올라이트의 촉매활성으로 인하여 유기산과 알코올로부터 에스테르 부산물이 형성되어 오염 발생이 빈번한 것으로 밝혀졌다.For the purpose of recovering the solvent from the real fermentation solution, PDMS membranes filled with polydimethylsiloxane (PDMS) and zeolite (zeolite) have been studied. Pure PDMS has proved to be stable in alcohol transport properties, but provides only moderate transport properties and selectivity. The addition of zeolite to pure PDMS can greatly improve the performance of PDMS. However, according to a recent fermentation broth application study, it was found that the membranes filled with inorganic substances are frequently contaminated due to the formation of ester byproducts from organic acids and alcohols due to the catalytic activity of zeolites.

현재 개발된 투과증발막 중 지지액막(SLM, the supported liquid membrane)이 우수한 선택성과 유동성에 대한 가능성이 있는데, 액체 내에서의 분자 확산이 고체 내에서 보다 훨씬 빠르게 일어나고 특정 이온이나 분자에 대해 훨씬 더 선택적일 수 있기 때문이다. 그러나 사용 시 액체 막 추출 용제가 쉽게 지지체로부터 침출되거나 또는 분리된다는 단점에 의해 SLM의 산업상 응용은 한계가 있다.Among the currently developed permeation membranes, the supported liquid membrane (SLM) has the potential for excellent selectivity and fluidity, where molecular diffusion in liquids occurs much faster than in solids and much more for certain ions or molecules. It may be optional. However, the industrial application of SLM is limited by the disadvantage that liquid membrane extraction solvents are easily leached or separated from the support during use.

상온 이온성 액체(RTIL; room temperature ionic liquid)는 다양한 집합체의 양이온-음이온 조합으로부터 선택하거나, 원하는 특성을 가진 임무-지정(task-specific) 액체로 디자인하는 것이 가능하기 때문에 디자이너 용매(designer solvent)라 불린다. 수성 상으로부터 유기물 추출 시, 높은 용매 용량, 충분한 소수성 또는 물과의 불혼화성, 낮거나 없는 증기압, 광범위한 액체의 온도 범위, 양호한 점도 및 표면장력을 가져야 한다는 점에서, RTIL는 액체 막 추출용제로 적합하다.Room temperature ionic liquids (RTILs) are designer solvents because they can be chosen from a diverse collection of cation-anion combinations or designed as task-specific liquids with desired properties. It is called. When extracting organics from an aqueous phase, RTIL is suitable as a liquid membrane extraction solvent in that it must have high solvent capacity, sufficient hydrophobicity or incompatibility with water, low or no vapor pressure, wide range of liquid temperature, good viscosity and surface tension. Do.

다수의 이온성 액체가 추출용매로서 연구 대상이 되고 있으나, 실제로 산업상에 응용되는 것은 거의 없는 형편이다. 포스포늄(phosphonium) 양이온계 유형의 RTIL은 적절한 음이온을 선택할 경우 매우 높은 소수성과 현저한 유기물에 대한 친화력을 제공할 수 있으므로 특히 유망하다. 또한, RTIL은 저렴하고, 종래 알려진 종류의 이온성 액체보다 화학적 및 열적으로 더 안정한 것으로 간주된다. 이들 중 다수는 SLM 지지체 매트릭스로서 사용되는 일반적인 중합체막을 대체할 수 있는 것으로 밝혀졌다.Many ionic liquids have been studied as extraction solvents, but practically, they are rarely applied to industrial applications. RTILs of the phosphonium cationic type are particularly promising because they can provide very high hydrophobicity and significant affinity for organics when the proper anion is selected. In addition, RTIL is considered to be inexpensive and chemically and thermally more stable than ionic liquids of the prior art. Many of these have been found to be able to replace common polymer membranes used as SLM support matrices.

한국공개특허 제2010-0085557호, 청구항 1-4Korean Unexamined Patent Publication No. 2010-0085557, Claims 1-4

본 발명의 목적은 실발효액으로부터 부탄올을 선택적 및 효율적으로 회수하기 위한 분리막을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a separator for selectively and efficiently recovering butanol from a real fermentation broth.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 분리막을 사용하여 실발효액으로부터 부탄올을 효과적으로 회수하는 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for effectively recovering butanol from the actual fermentation broth using the separation membrane of the present invention.

본 발명의 또 다른 목적은 실발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막의 제조방법을 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a method for preparing a separation membrane for recovering butanol from a real fermentation broth.

본 발명자들은 지지체 이온성 액체 투과증발막을 예의 연구한 결과, 다공성 지지체에 안정적이고 생물학적으로 적합한 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([Ph3t][NTF])인 이온성 액체를 적용한 분리막을 사용하면 발효액으로부터 부탄올을 효과적으로 회수할 수 있음을 밝혀냈다.
The present inventors intensively studied the support ionic liquid pervaporation membrane, and found that ions that are stable and biologically suitable trihexyltetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([Ph3t] [NTF]) for porous supports It has been found that butanol can be effectively recovered from the fermentation broth by using a membrane applied with a liquid solution.

본 발명은 다공성 지지체와, 상기 다공성 지지체의 내부에 포함된 이온성 액체로 이루어지고, 상기 이온성 액체가 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막을 제공한다. The present invention provides a separator for recovering butanol from a fermentation broth comprising a porous support and an ionic liquid contained in the porous support, wherein the ionic liquid is represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112012051017933-pat00001

Figure 112012051017933-pat00001

본 발명에 따른 다공성 지지체는 세라믹, 고분자, 금속 등 다양한 재료의 다공성 지지체가 사용될 수 있으며, 특별하게 한정되지 않는다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 단층 폴리프로필렌, 폴리설폰 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나이다.The porous support according to the present invention may be a porous support of various materials such as ceramics, polymers, metals, and the like, and is not particularly limited. Preferably, the porous support according to the invention is one selected from the group consisting of single layer polypropylene, polysulfone and polyvinylidene fluoride (PVDF).

본 발명에 따른 다공성 지지체는 나노포러스 또는 마이크로포러스의 기공을 가지는 것이 바람직하다. 상기 크기의 기공에서 이온성 액체와 함침이 최적화된다. The porous support according to the present invention preferably has pores of nanoporous or microporous. Impregnation with ionic liquids in the pores of this size is optimized.

본 발명의 분리막은 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 용도에 매우 적합하다. 본 발명에 따른 발효액은 미생물에 의해 발효시킨 바이오매스인 것이 바람직하다. 이때, 미생물은 솔벤토제닉 클로스트리디아(Solventogenic Clostridia) 균주인 것이 특히 바람직하다.The separator of the present invention is very suitable for the use for recovering butanol from fermentation broth. The fermentation broth according to the invention is preferably a biomass fermented by microorganisms. At this time, the microorganism is particularly preferably a Solventogenic Clostridia strain.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 분리막을 사용하여 발효액으로부터 부탄올을 회수하는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for recovering butanol from fermentation broth using the separation membrane according to the invention.

또한, 본 발명의 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막의 제조방법은 (S1) 다공성 지지체를 이온성 액체에 함침시키는 단계; 및 (S2) 과량의 이온성 액체를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 이온성 액체는 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 한다. In addition, the method for producing a separator for recovering butanol from the fermentation broth of the present invention comprises the steps of: (S1) impregnating the porous support in the ionic liquid; And (S2) removing the excess ionic liquid, wherein the ionic liquid is represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112012051017933-pat00002

Figure 112012051017933-pat00002

먼저, S1 단계에서는 다공성 지지체를 이온성 액체에 함침시킴으로써 다공성 지지체의 내부에 이온성 액체를 주입할 수 있다. 이때, 이온성 액체는 상기 화학식 1로 표시된 화합물, 즉, 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([Ph3t][NTF])를 사용한다. First, in step S1, the ionic liquid may be injected into the porous support by impregnating the porous support with the ionic liquid. In this case, the ionic liquid uses a compound represented by Chemical Formula 1, that is, trihexyl tetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([Ph 3t] [NTF]).

본 발명에 따른 다공성 지지체는 세라믹, 고분자, 금속 등 다양한 재료의 다공성 지지체가 사용될 수 있으며, 특별하게 한정되지 않는다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 단층 폴리프로필렌, 폴리설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)이다. 본 발명에 따른 다공성 지지체는 나노포러스 또는 마이크로포러스의 기공을 가지는 것이 바람직하다. The porous support according to the present invention may be a porous support of various materials such as ceramics, polymers, metals, and the like, and is not particularly limited. Preferably, the porous support according to the invention is a single layer polypropylene, polysulfone, polyvinylidene fluoride (PVDF). The porous support according to the present invention preferably has pores of nanoporous or microporous.

또한, 본 발명에 따른 S1 단계는, 용매로 희석시켜 점도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 사용되는 용매는 부탄올 분배계수가 높은 것이라면 특별하게 한정되지 않으나, 올레일 알코올이 바람직하다. 사용된 용매는 진공 하에서 증발시켜 제거할 수 있다.
In addition, the step S1 according to the present invention may further include adjusting the viscosity by diluting with a solvent. In this case, the solvent used is not particularly limited as long as the butanol partition coefficient is high, but oleyl alcohol is preferable. The solvent used can be removed by evaporation under vacuum.

다공성 지지체의 내부에 이온성 액체를 주입하는 S1 단계 이후, 다공성 지지체 표면으로부터 과량의 이온성 액체를 제거하는 S2 단계를 실시한다.After step S1 of injecting the ionic liquid into the porous support, step S2 is performed to remove excess ionic liquid from the surface of the porous support.

과량의 이온성 액체를 제거하는 구체적인 방법은 종래 알려진 모든 기술을 사용할 수 있으며 특별하게 제한되지는 않는다. 본 발명에 따른 하나의 구체예에 따르면, 와이핑(wiping)하여 수행할 수 있다. The specific method of removing excess ionic liquid can use any conventionally known technique and is not particularly limited. According to one embodiment according to the invention, it can be carried out by wiping.

발효액으로부터 부탄올 회수시 본 발명에 따른 다공성 지지체에 이온성 액체로서 [Ph3t][NTF]이 적용된 분리막을 사용하면, 부탄올의 회수율이 향상될 수 있다. When the butanol is recovered from the fermentation broth, when the [Ph3t] [NTF] is applied to the porous support according to the present invention as the ionic liquid, the recovery of butanol may be improved.

또한, 이온성 액체로 적용된 [Ph3t][NTF]은 매우 안정적이며, 높은 부탄올에 대한 선택도가 나타나며, 생친화성 높으며, 발효액 생성에 사용되는 미생물인 솔벤토제닉 클로스트리디아 균주에 대한 독성이 거의 없어 발효 과정 동안 부탄올을 회수하는 시스템에 매우 적합하다는 장점이 있다. In addition, [Ph3t] [NTF], applied as an ionic liquid, is very stable, exhibits high selectivity for butanol, has high biocompatibility, and is almost toxic to the strains of Solventogenic Clostridia, a microorganism used to produce fermentation broth. It has the advantage that it is very suitable for the system for recovering butanol during fermentation.

도 1은 실험예 1에 따른 일상형 진탕(shaken) 또는 무진탕(non-shaken) 배양물 내 (a) Clostridium acetobutylicum 및 (b) Clostridium beijerinckii의 용매 생성 활성도 및 글루코오스 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 부탄올/물 모델 용액을 사용하여 실시예 1에서 제조한 분리막의 투과증발 성능을 측정한 결과로서, 도 2의 (a)는 부탄올-물 수용액에서 부탄올 조성 및 공급온도에 따른 부탄올 플럭스를 나타내고, 도 2의 (b)는 부탄올 조성 및 공급 온도에 따른 부탄올 분리 계수를 나타낸다.
도 3은 ABE(아세톤(acetobe)-부탄올-에탄올)-물과 ABE-아세트산+부티르산-물로 이루어진 발효액을 사용하여 실시예 2에서 제조한 분리막의 투과증발 성능을 측정한 결과로서, 도 3의 (a)는 사성분계 발효액(아세톤-부탄올-에탄올-물)에서 공급온도에 따른 부탄올 플럭스와 분리계수를 의미하고, 도 3의 (b)는 부탄올 농도 증가시 사성분계에서 유기산이 추가로 공급될때 공급용액 pH에 따른 부탄올 투과성능 즉, 퍼미언스(permeance)와 선택도에 대한 변화를 의미한다.
도 4는 실시예 2에서 제조한 분리막의 pH 변화에 따른 장기간(최대 100시간) 투과증발 성능을 시험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1에 따른 분리막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
1 is a graph showing the solvent production activity and glucose uptake of (a) Clostridium acetobutylicum and (b) Clostridium beijerinckii in the daily shake or non-shaken culture according to Experimental Example 1. FIG.
2 is a result of measuring the pervaporation performance of the membrane prepared in Example 1 using butanol / water model solution, Figure 2 (a) is a butanol flux according to the butanol composition and supply temperature in a butanol-water solution 2, (b) shows butanol separation coefficient according to butanol composition and feed temperature.
FIG. 3 is a result of measuring the pervaporation performance of the membrane prepared in Example 2 using a fermentation broth consisting of ABE (acetobe-butanol-ethanol) -water and ABE-acetic acid + butyric acid-water. a) means butanol flux and separation coefficient according to the feed temperature in the four-component fermentation broth (acetone-butanol-ethanol-water), Figure 3 (b) is supplied when the organic acid is additionally supplied in the four-component system when the butanol concentration increases Butanol permeability according to the pH of the solution, that is, means (permeance) (permeance) and selectivity change.
Figure 4 is a graph showing the results of testing the long-term (up to 100 hours) permeation evaporation performance according to the pH change of the separator prepared in Example 2.
5 schematically shows a method of manufacturing a separator according to Example 1.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example 1: [ One: [ Ph3tPh3t ][] [ NTFNTF ]를 이용한 분리막의 제조] Preparation of Membranes Using

본 실시예에 따른 분리막의 제조방법을 간략하게 도 5에 나타내었다. 5 shows a method of manufacturing a separator according to the present embodiment.

구체적으로, 다공성 지지체로서 셀가드사로부터 입수한 Celgard® 2400(두께: 25 ㎛, 다공도: 37%, 질량 이동 면적: 6.42×10-4㎡)을 준비하였다. 57 mm 직경의 원형으로 자른 다공성 지지체를 이온성 액체인 트리헥실테트라데실포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([Ph3t][NTF])(알드리치로부터 입수) 0.2 ㎖에 진공 하에서 함침시켜 다공성 지지체의 내부 기공에 이온성 액체를 주입하였다. 조심스럽게 미세립 필터 페이퍼로 블로팅하고 보푸라기가 없는 티슈 페이퍼로 다공성 지지체의 표면을 닦아 과량의 이온성 액체를 제거하여 25 ㎛ 두께의 분리막을 제조하였다.
Specifically, Celgard® obtained from Celgard Corporation as a porous support   2400 (thickness: 25 µm, porosity: 37%, mass transfer area: 6.42 × 10 −4 m 2) was prepared. A 57 mm diameter circular porous support was impregnated under vacuum in 0.2 ml of ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([Ph3t] [NTF]) (obtained from Aldrich) The ionic liquid was injected into the internal pores of the porous support. A 25 μm thick membrane was prepared by carefully blotting with microscopic filter paper and wiping the surface of the porous support with a lint-free tissue paper to remove excess ionic liquid.

실시예Example 2: [ 2: [ Ph3tPh3t ][] [ NTFNTF ]를 이용한 분리막의 제조] Preparation of Membranes Using

다공성 지지체로서 셀가드사로부터 입수한 Celgard® A273(두께: 15 ㎛, 다공도: 40%, 질량 이동 면적: 6.94×10-4㎡)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 25 ㎛ 두께의 분리막을 제조하였다.
Celgard® obtained from Celgard Corporation as a porous support   A separator having a thickness of 25 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that A273 (thickness: 15 μm, porosity: 40%, mass transfer area: 6.94 × 10 −4 m 2) was used.

실험예Experimental Example 1: [ One: [ Ph3tPh3t ][] [ NTFNTF ]의 ]of 클로스트리디아Clostridia 독성 측정 Toxicity measurement

배양액 내에 독극물로서 [Ph3t][NTF]를 첨가하여 발효시킴으로써 종래 발효 공정에서 산업상 이용되고 있는 Clostidium acetobutylicumClostidium beijerinckii에 대한 [Ph3t][NTF]의 독성을 시험하였다. 사용된 발효 배지는 TYA(Tryptone-yeast extract-acetate)액이었고, 희석수를 사용하여 [Ph3t][NTF]의 % 포화 농도를 각각 0%(대조군), 30%, 50%, 100%로 변화시켜 미리 포화시킨 것을 제외하고는 표준 배합법에 따라 제조하였다. The toxicity of [Ph3t] [NTF] to Clostidium acetobutylicum and Clostidium beijerinckii , which is used industrially in the conventional fermentation process, by fermentation by adding [Ph3t] [NTF] as a poison in the culture. The fermentation medium used was Tryptone-yeast extract-acetate (TYA), and the dilution water was used to change the% saturation concentration of [Ph3t] [NTF] to 0% (control), 30%, 50% and 100%, respectively. It was prepared according to the standard formulation except that it was previously saturated.

도 1은 일상형 진탕(shaken) 또는 무진탕(non-shaken) 배양물 내 (a) Clostidium acetobutylicum 및 (b) Clostidium beijerinckii의 용매 생성 활성도 및 글루코오스 흡수량을 나타낸 것이다. 도 1로부터, [Ph3t][NTF]는 무진탕뿐 아니라 진탕 조건에서도 Clostridium acetobutylicumClostridium beijerinckii 두 균주 모두에 생장 및 용매 생산성에 독성이 거의 없음을 확인하였다.Figure 1 shows the solvent production activity and glucose uptake of (a) Clostidium acetobutylicum and (b) Clostidium beijerinckii in daily shake or non-shaken culture. From Fig. 1, [Ph3t] [NTF] is Clostridium not only in shaking but also in shaking conditions. acetobutylicum and Clostridium beijerinckii Both strains were found to have little toxicity in growth and solvent productivity.

생친화성은 하기 식에 따른 글루코오스 흡수량과 용매(아세톤, 부탄올, 에탄올) 생성 활성도를 고려하여 측정하였다:Biocompatibility was determined by considering glucose uptake and solvent (acetone, butanol, ethanol) production activity according to the following formula:

Figure 112012051017933-pat00003
Figure 112012051017933-pat00003

Figure 112012051017933-pat00004
Figure 112012051017933-pat00004

이때, CGC는 소비된 글루코오스의 총량(g/L), CTS는 생성된 용매의 총량(g/L), n은 처리횟수, ctrl은 대조군을 의미한다.
In this case, C GC is the total amount of glucose consumed (g / L), CTS is the total amount of solvent produced (g / L), n is the number of treatments, ctrl means a control.

실험예 1에서 입증된 이온성 액체인 [Ph3t][NTF]의 종래 발효 공정에서 산업상 이용되고 있는 솔벤토제닉 클로스트리디아 균주에 대한 생친화성은 발효-투과증발 공정이 통합된 시스템에 본 발명에 따른 분리막을 적용할 수 있게 한다. 이는 인-시츄(in-stiu) 부탄올 생성물 제거를 통해 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점을 제공한다.
The biocompatibility of Solvenogenic Clostridia strains used industrially in the conventional fermentation process of [Ph3t] [NTF], an ionic liquid demonstrated in Experimental Example 1, is incorporated into a system in which the fermentation-pervaporation process is integrated. It is possible to apply the separator according to. This provides the advantage of improving productivity through in-stiu butanol product removal.

실험예Experimental Example 2: 분리막의 투과증발 성능 측정 2: Measurement of Permeation Evaporation Performance of Membrane

실시예 1 및 2에서 제조한 분리막의 투과증발 성능을 측정하였다.The pervaporation performance of the separator prepared in Examples 1 and 2 was measured.

먼저, 실시예 1에서 제조한 분리막([Ph3t][NTF] SILM)의 투과증발 성능은 부탄올/물 모델 용액을 사용하여 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2의 (a)는 부탄올-물 수용액에서 부탄올 조성 및 공급온도에 따른 부탄올 플럭스를 의미하고, 도 2의 (b)는 부탄올 조성 및 공급 온도에 따른 부탄올 분리 계수를 나타낸다. 도 2로부터, 본 발명에 따른 분리막 사용시 공급액의 부탄올 조성이 높아짐에 따라 부탄올 플럭스와 분리계수는 증가하였다. 한편, 공급온도 증가에 따른 부탄올 플럭스는 증가하였지만 부탄올 분리계수는 공급온도 60℃에서 최고로 된 후 점차 감소하는 현상을 나타내었다.
First, the pervaporation performance of the separator ([Ph3t] [NTF] SILM) prepared in Example 1 was measured using a butanol / water model solution, and the results are shown in FIG. 2. (A) of FIG. 2 means butanol flux according to butanol composition and supply temperature in an aqueous butanol-water solution, and FIG. 2 (b) shows butanol separation coefficient according to butanol composition and supply temperature. From FIG. 2, butanol flux and separation coefficient were increased as the butanol composition of the feed solution was increased when using the separator according to the present invention. On the other hand, butanol flux increased with increasing feed temperature, but the butanol separation coefficient gradually decreased after peaking at a feed temperature of 60 ° C.

또한, 실시예 2에서 제조한 분리막의 투과증발 성능은 ABE(아세톤(acetone)-부탄올-에탄올)-물과 ABE-아세트산+부티르산-물로 이루어진 발효액을 사용하여 측정하였다. ABE(g/L)의 공급 용액의 조성은 A는 5:15:1.5, B는 5:25:1.5이였고, 발효액 내 유기산(아세트산+부티르산)은 각각 1.5g/L 농도로 존재하였다. 도 3의 (a)는 사성분계 발효액(아세톤-부탄올-에탄올-물)에서 공급온도에 따른 부탄올 플럭스와 분리계수를 의미하고, 도 3의 (b)는 부탄올 농도 증가시 사성분계에서 유기산이 추가로 공급될때 공급용액 pH에 따른 부탄올 투과성능 즉, 퍼미언스(permeance)와 선택도에 대한 변화를 의미한다. 공급온도 증가에 따라 부탄올 플럭스는 증가되지만 부탄올 분리계수는 40℃까지는 증가되며 그 이상의 온도에서는 일정함을 나타낸다. 한편, 공급 용액의 pH에 따른 분리막 투과 성능은 변함이 없이 안정된 결과를 나타낸다.
In addition, permeation performance of the membrane prepared in Example 2 was measured using a fermentation broth consisting of ABE (acetone-butanol-ethanol)-water and ABE-acetic acid + butyric acid-water. The composition of the feed solution of ABE (g / L) was 5: 15: 1.5 for A and 5: 25: 1.5 for B, and the organic acids (acetic acid + butyric acid) in the fermentation broth were each present at a concentration of 1.5 g / L. 3 (a) means butanol flux and separation coefficient according to the supply temperature in the four-component fermentation broth (acetone-butanol-ethanol-water), Figure 3 (b) is an organic acid added in the four-component system when the butanol concentration increases Butaneol means a change in butanol permeability, that is, permeance (permeance) and selectivity according to the feed solution pH when supplied to. The butanol flux increases with increasing feed temperature but the butanol separation coefficient increases up to 40 ° C and is constant at higher temperatures. On the other hand, the membrane permeation performance according to the pH of the feed solution shows a stable result unchanged.

실험예Experimental Example 3: 발효액을 사용한 투과증발 성능과 안정성 시험  3: Permeation Evaporation Performance and Stability Test Using Fermentation Broth

실시예 2에서 제조한 분리막과 실험예 2에서 사용한 ABE(아세톤(acetobe)-부탄올-에탄올)-물과 ABE-아세트산+부티르산-물로 이루어진 발효액을 사용하여 pH 변화에 따른 장기간(최대 100시간) 투과증발 성능을 시험하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터, 본 발명에 따른 분리막은 매우 안정하여, 발효액으로부터 부탄올을 투과증발시 장시간 사용될 수 있는 것으로 입증되었다. 이러한 안정성은 이온성 액체로 사용된 [Ph3t][NTF]의 소수성, 점도, 표면 장력 및 지지체와의 친화력 등의 장점이 결합되어 나타나는 효과이다.Permeation for a long period of time (up to 100 hours) using a membrane prepared in Example 2 and a fermentation broth consisting of ABE (acetobe-butanol-ethanol) -water and ABE-acetic acid + butyric acid-water used in Experimental Example 2 Evaporation performance was tested and the results are shown in FIG. 4. From FIG. 4, it was proved that the separator according to the present invention is very stable, and can be used for a long time in the pervaporation of butanol from the fermentation broth. This stability is a combination of advantages such as hydrophobicity, viscosity, surface tension and affinity with the support of [Ph3t] [NTF] used as an ionic liquid.

Claims (10)

다공성 지지체와, 상기 다공성 지지체의 내부에 포함된 이온성 액체로 이루어지고,
상기 다공성 지지체는 폴리설폰 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)이고,
상기 이온성 액체가 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막.
[화학식 1]
Figure 112013096298967-pat00005
It consists of a porous support and an ionic liquid contained in the porous support,
The porous support is polysulfone or polyvinylidene fluoride (PVDF),
Separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that the ionic liquid is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112013096298967-pat00005
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 지지체는 나노포러스 또는 마이크로포러스의 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막.
The method according to claim 1,
The porous support is a separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that having pores of nanoporous or microporous.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 발효액은 미생물에 의해 발효시킨 바이오매스인 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막.
The method according to claim 1,
The fermentation broth is a separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that the biomass fermented by a microorganism.
청구항 4에 있어서,
상기 미생물은 솔벤토제닉 클로스트리디아(Solventogenic Clostridia) 균주인 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막.
The method of claim 4,
The microorganism is a separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that the Solventogenic Clostridia strain.
청구항 1, 2, 4 및 5 중 어느 한 항에 따른 분리막을 사용하여 발효액으로부터 부탄올을 회수하는 방법.A method for recovering butanol from a fermentation broth using the membrane according to any one of claims 1, 2, 4 and 5. (S1) 다공성 지지체를 이온성 액체에 함침시키는 단계; 및
(S2) 과량의 이온성 액체를 제거하는 단계를 포함하고,
상기 다공성 지지체는 폴리설폰 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)이고,
상기 이온성 액체는 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112013096298967-pat00006
(S1) impregnating the porous support with the ionic liquid; And
(S2) removing the excess ionic liquid,
The porous support is polysulfone or polyvinylidene fluoride (PVDF),
The ionic liquid is a method for producing a separator for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that represented by the formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112013096298967-pat00006
청구항 7에 있어서,
상기 S1 단계는, 용매로 희석시켜 점도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막의 제조방법.
The method of claim 7,
The step S1, the method of producing a separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that it further comprises the step of adjusting the viscosity by diluting with a solvent.
청구항 7에 있어서,
상기 다공성 지지체는 나노포러스 또는 마이크로포러스의 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 발효액으로부터 부탄올을 회수하기 위한 분리막의 제조방법.
The method of claim 7,
The porous support is a method for producing a separation membrane for recovering butanol from the fermentation broth, characterized in that the pores of nanoporous or microporous.
삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006281105A (en) 2005-03-31 2006-10-19 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Control method of ionic liquid using nano pore
KR20090003967A (en) * 2007-07-06 2009-01-12 한국과학기술연구원 Method for extracting biobutanol using ionic liquid
JP2011083721A (en) * 2009-10-16 2011-04-28 Kansai Univ Separative membrane of alcohols and method for separate enriching alcohols

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