KR101697860B1 - 다공성 분리막을 포함함으로써 유기산 추출 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치 - Google Patents

다공성 분리막을 포함함으로써 유기산 추출 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 통 형태로 형성되고, 내부에 소정 길이를 갖는 수송 공간을 구비하며, 발효액과 상기 발효액으로부터 유기산을 추출하기 위한 유기 용매가 에멀젼 형태로 혼합된 혼합액을 일단에서부터 타단 방향으로, 상기 수송 공간을 통해서 수송시키는 유수분리 용기; 막 형태로 상기 수송 공간에 고정되고, 상기 혼합액이 통과되도록 다수의 유수분리공이 관통 형성되는 다공성 소수성 소재의 분리막; 상기 유수분리 용기의 일단에 배치되어, 상기 혼합액을 상기 수송공간으로 유입시키는 유입포트; 상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 발효액으로부터 분리되고 상기 추출된 유기산을 포함하는 유기 용매를 외부로 배출시키는 유기 용매 배출포트; 및 상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 유기 용매로부터 분리되고 상기 유기산이 추출된 발효액을 외부로 배출시키는 발효액 배출포트를 포함하는, 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 별도의 추가 용매 또는 추가 공정 없이도 미생물 발효 과정 중 유기 용매에 의해서 추출된 유기산을 발효액으로부터 더욱 우수한 효율로 용이하게 분리해낼 수 있는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치를 제공할 수 있다.

Description

다공성 분리막을 포함함으로써 유기산 추출 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치 {Oil-water separator for a device for production of organic acid through organic acid fermentation by microorganism having improved extraction efficiency by using porous separator membrane, and the device for production of organic acid including the same}
본 발명은 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하기 위한 장치에 있어서, 유기 용매에 의해서 추출된 유기산을 함유하고 있는 해당 유기 용매와 유기산이 추출된 발효액을 더욱 우수한 효율로 분리하기 위한 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치에 관한 것이다.
종래 미생물의 발효 반응을 이용하여 다양한 유기산 또는 알코올 계열의 화합물들을 제조한다. 예를 들어, 유기산으로는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 또는 숙신산 등과 같은 다양한 물질들이 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있으며, 에탄올 또는 부탄올 등과 같은 다양한 알코올 화합물들 역시 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있다. 생성된 유기산 또는 알코올 화합물들은 다양한 화학 공정들에서 플랫폼 화합물 (platform chemical)로 사용될 수 있으며, 추후 촉매 공정을 통해서 더욱 고부가가치를 갖는 물질들을 합성하는데 이용될 수 있다.
한편, 미생물에 의한 유기산 발효란, 미생물에 의한 발효반응을 통해서 탄소화합물을 불완전 산화시킴으로써 전술한 각종 유기산들을 생산하는 공정을 의미한다. 도 1에는 종래 통상적인 유기산 발효의 공정을 도시하였다. 도 1을 참조하면, 미생물에 의한 발효 반응은 유기산 생산 발효기 (110)에서 수행되며, 발효기 (110) 내부에는 유기산 발효를 수행하기 위한 미생물 및 미생물 배양액이 수용된다. 상기 유기산 생산 발효기 (110) 중에는 유기산 발효를 수행하는 미생물과 상기 미생물에 의해서 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액이 혼합되어 있으며, 따라서 뒤이은 추출공정에서는 이러한 혼합물이 추출기 (120)로 이송되어 추출공정이 수행된다. 한편, 도 1은 생산된 유기산의 미생물 배양액으로부터의 분리에 있어서, 유기 용매를 사용한 추출 방법을 도시하고 있으나, 이외에도 전기 투석법, 역삼투막법 등과 같은 다른 분리 방법이 사용될 수도 있다.
유기 용매를 사용한 추출 방법에 있어서, 상기 추출기 (120)에는 혼합물 중에서 유기산만을 추출하기 위한 추출용 유기 용매가 유입되는 바, 이는 제1 추출 용매 저장기 (130)로부터 유입되며, 유입된 유기 용매는 추출기 (120)에서 유기산 추출 과정을 거친 후, 유수 분리기 (140)를 통해서 유기산이 추출된 발효액과 유기 용매로 분리되고, 분리된 유기 용매는 제2 추출 용매 저장기 (150)로 이송되는 바, 제2 추출 용매 저장기 (150)에 저장된 추출용 유기 용매는 목적 물질인 유기산을 함유한 유기 용매이다. 따라서, 별도의 촉매공정을 통해서 상기 유기 용매로부터 유기산을 분리한 후, 다시 유기산이 분리된 유기 용매를 제1 추출 용매 저장기 (130)로 이송하는 과정을 반복하게 된다.
전술한 일련의 유기산 발효 공정 중, 유수 분리기 (140)에 의해서 유기산을 함유하고 있는 유기 용매로부터 유기산이 추출된 발효액을 분리해내는 과정은, 생산된 유기산을 더욱 높은 수율로 수득하는 의미에서 그 중요성을 가질 뿐만 아니라, 추출에 사용되는 유기 용매가 미생물에 독성을 나타낼 가능성이 있고, 또한 사용되는 유기 용매의 가격이 비싸다는 점에서도 더욱 철저한 분리가 필요하다.
관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0091215호에서는 추출에 사용되는 유기 용매 중 회수되지 않고 버려지는 유기 용매의 양을 최소화하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 구체적으로는, 추출을 위한 유기 용매에 트리-n-옥틸아민과 같은 또 다른 유기 용매를 혼합하여 별도의 증류 과정 등을 통해서 추출에 사용된 유기 용매의 분리를 용이하게 하기 위한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 전술한 방법 등은 유기 용매의 철저한 분리를 위해서 별도의 또 다른 유기 용매가 필요하거나, 또는 부가적인 다른 공정을 더 수행하여야 한다는 점에서 전체 공정을 복잡하게 하고, 유기 용매의 회수율 또한 우수하지 못하다는 한계점을 갖는다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0091215호
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서, 별도의 추가 용매 또는 추가 공정 없이도 미생물 발효 과정 중 유기 용매에 의해서 추출된 유기산을 발효액으로부터 더욱 우수한 효율로 용이하게 분리해낼 수 있는, 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
통 형태로 형성되고, 내부에 소정 길이를 갖는 수송 공간을 구비하며, 발효액과 상기 발효액으로부터 유기산을 추출하기 위한 유기 용매가 에멀젼 형태로 혼합된 혼합액을 일단에서부터 타단 방향으로, 상기 수송 공간을 통해서 수송시키는 유수분리 용기;
막 형태로 상기 수송 공간에 고정되고, 상기 혼합액이 통과되도록 다수의 유수분리공이 관통 형성되는 다공성 소수성 소재의 분리막;
상기 유수분리 용기의 일단에 배치되어, 상기 혼합액을 상기 수송공간으로 유입시키는 유입포트;
상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 발효액으로부터 분리되고 상기 추출된 유기산을 포함하는 유기 용매를 외부로 배출시키는 유기 용매 배출포트; 및
상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 유기 용매로부터 분리되고 상기 유기산이 추출된 발효액을 외부로 배출시키는 발효액 배출포트를 포함하는,
미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분리막은 상기 유수분리 용기 내부에서 상기 발효액의 수송 방향을 기준으로, 상기 유수분리 용기의 일단으로부터 3 분의 1 내지 2 분의 1의 지점에 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 유수분리 용기는 상기 분리막의 테두리가 삽입되어 고정되도록 내주면에 함몰된 결착홈을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 중심에 중공이 구비된 고리 형태로 형성되고, 상기 결착홈 내부에 배치되며, 상기 분리막의 일면쪽 테두리 또는 상기 분리막의 타면 쪽 테두리 중 적어도 어느 하나 이상에 밀착되어, 상기 분리막을 지지하는 지지대를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막은 폴리스티렌, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재의 분리막일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현에에 따르면, 상기 유수분리공은 평균 직경 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛를 가지며, 상기 분리막의 일면으로부터 타면까지 형성된 채널형 세공일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 세공은 상기 분리막 단위 표면적 1 cm2 당 10개 내지 1,000개의 밀도로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막의 두께는 10 mm 내지 300 mm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기 용매 배출포트 및 발효액 배출포트에는 하단부에 후방압력 조절기 (back pressure regulator)가 장착될 수 있다.
또한, 본 발명은,
유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한, 전술한 바에 따른 유수 분리기;
상기 유수 분리기로부터 상기 유기산이 추출된 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
상기 추출된 유기산을 함유하는 상기 유기 용매로부터 유기산을 분리해내기 위한 유기 용매 촉매반응기
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 추출기 중의 상기 유기산 추출 반응은 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 미생물 배양액과 상기 유기 용매를 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 반응시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기산은 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 미생물은 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균일 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 별도의 추가 용매 또는 추가 공정 없이도 미생물 발효 과정 중 유기 용매에 의해서 추출된 유기산을 발효액으로부터 더욱 우수한 효율로 용이하게 분리해낼 수 있는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기 및 이를 포함하는 유기산 생산 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 통상적인 유기산 발효의 공정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유수분리기에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유수분리기 중 분리막 부분만에 대한 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유수분리기의 분리막 부분 중 결착홈 부분만에 대한 확대도이다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명에 따른 유수 분리기 (5a) 및 이러한 유수 분리기를 포함하는 유기산 생산 장치 (5b)에 대한 사진이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기는, 하기 구성 부분들을 포함하는 바,
통 형태로 형성되고, 내부에 소정 길이를 갖는 수송 공간을 구비하며, 발효액과 상기 발효액으로부터 유기산을 추출하기 위한 유기 용매가 에멀젼 형태로 혼합된 혼합액을 일단에서부터 타단 방향으로, 상기 수송 공간을 통해서 수송시키는 유수분리 용기;
막 형태로 상기 수송 공간에 고정되고, 상기 혼합액이 통과되도록 다수의 유수분리공이 관통 형성되는 다공성 소수성 소재의 분리막;
상기 유수분리 용기의 일단에 배치되어, 상기 혼합액을 상기 수송공간으로 유입시키는 유입포트;
상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 발효액으로부터 분리되고 상기 추출된 유기산을 포함하는 유기 용매를 외부로 배출시키는 유기 용매 배출포트; 및
상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 유기 용매로부터 분리되고 상기 유기산이 추출된 발효액을 외부로 배출시키는 발효액 배출포트를 포함한다.
도 2에는 본 발명에 따른 유수분리기 (200)의 단면도를 도시하였으며, 도 2를 참조하면, 유수분리기 (200)는 전체적으로 통 형태로 형성된 유수분리 용기 (210)를 포함하며, 이러한 통의 형태는 자유로운 형상으로 제작가능한 바, 직사각형 통, 원통, 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 원통 등 필요에 따라서 그 형태를 달리하여 제작할 수 있다.
상기 유수분리 용기 (210)의 내부에는 분리막 (220)을 경계로, 유기산을 포함하는 발효액과 유기 용매가 혼합된 혼합액을 수용하는 공간 (221) 및 유기산이 추출된 발효액과 유기산을 포함하는 유기 용매가 분리되어 수용되는 공간 (222)이 구비된다. 전술한 바와 같이, 추출기로부터 유입된 에멀젼 형태의 혼합액은 상기 유수분리 용기 (210)의 일단에서 타단 방향으로 수송된다 (도시된 도면에서 혼합액은 좌측에서 우측 방향으로 수송된다).
특히, 본 발명에서는 종래 유수분리기와는 달리, 전술한 유수분리기 내부의 수송 공간에 다공성 소수성 소재의 분리막 (220)을 포함하는 바, 이러한 분리막 (220)에 의해서 별도의 추가 용매 또는 추가 공정 없이도 미생물 발효 과정 중 유기 용매에 의해서 추출된 유기산을 발효액으로부터 더욱 우수한 효율로 용이하게 분리해낼 수 있게 된다.
즉, 발효에 의해서 유기산 등과 같은 각종 유기화합물을 생산하는 공정에 있어서, 추출기 내부에서는 유기산을 추출하기 위한 유기 용매와 유기산을 추출해내고자 하는 발효액의 혼합 접촉이 이루어지는데, 이때 우수한 접촉 효율을 달성하기 위해서는 강한 교반 등의 작업이 필연적으로 수반된다. 이때, 이러한 교반에 수반되어 발효액과 유기 용매의 에멀젼 혼합액이 생성되며, 이러한 에멀젼 혼합액은 다음 단계인 유수분리 단계로 이송된다 하더라도 유수분리 효율의 저하를 야기할 수 밖에 없게 된다. 종래에는 이러한 에멀젼 형성을 억제하기 위해서 유기 용매의 첨가량을 과량으로 하는 등의 방법을 사용하였으나, 이 경우 고가의 유기 용매를 다량 사용하는 관계로 공정 비용을 높이는 등의 문제점을 야기하였다.
따라서, 본 발명에서는 상기 문제점들을 해결하고자, 유수분리기 내부에 발효액과 유기 용매의 원활한 분리를 위한 특수한 구성을 채용하였는 바, 이는 막 형태로 유수분리기 내부에 고정되고, 발효액과 유기 용매의 혼합액이 통과하게 되는 다공성 소수성 소재의 분리막 (220)이다. 상기 분리막 (220)은 유입되는 발효액과 유기 용매로 이루어지는 에멀젼 혼합액을 파괴하여 발효액층과 유기 용매층으로 분리하는 기능을 수행하며, 따라서 일종의 에멀젼 브레이커 (emulsion breaker)로서의 기능을 수행하게 된다. 이러한 에멀젼 브레이커 기능은 본 발명에 따른 분리막 (220)이 다공성 소수성 소재로 이루어지기 때문에 가능한 것이며, 다음과 같은 원리에 의해서 에멀젼이 파괴된다.
즉, 에멀젼이 상기 분리막 (220) 내부를 통과하게 되면, 상기 분리막 (220)은 에멀젼이 통과하는 세공 내부의 표면에 소수성기를 가지므로, 에멀젼과 접촉하는 분리막 (220) 표면과 에멀젼 내 유기 용매 성분의 소수성기 사이에 계면장력이 낮아지게 된다. 따라서, 상기 분리막 (220)이 유기 용매 성분에 의해서 젖는 현상 (wetting)이 발생되며, 에멀젼의 두 가지 성분, 즉 발효액과 유기 용매 성분 중에서 발효액은 지속적으로 분리막 (220)을 통과하는데 반해서, 유기 용매 성분은 상기 분리막 (220)에 젖어 들어가게 된다. 이러한 젖음 현상은 분리막 (220)을 적시는 유기 용매 성분이 일정 한계에 도달하게 되면 비교적 큰 액적의 형태로 분리막 (220)에서 유출되며, 유출된 유기 용매 액적은 비중 차이에 의해서, 상기 유기산이 추출된 발효액과 유기산을 포함하는 유기 용매가 분리되어 수용되는 공간 (222)의 상부층으로 이동하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 소수성 소재의 분리막 (220)이 설치되는 위치는, 상기 유수분리 용기 (210)의 내부에서 상기 발효액의 수송 방향을 기준으로, 상기 유수분리 용기 (210)의 일단으로부터 3 분의 1 내지 2 분의 1의 지점일 수 있는 바, 상기 분리막 (220)이 너무 상류 쪽, 즉 유입 포트 (230) 쪽에 가까운 지점에 설치되는 경우에는 유입되는 혼합액이 배관에서 바로 분리막으로 유입되므로 분리막 전며적에 비균일하게 유입될 수 있어서 분리막을 전체적으로 효율적으로 이용할 수 없다는 문제점이 있고, 너무 하류 쪽, 즉 유기 용매 배출포트 (240)나 발효액 배출포트 (250) 쪽에 가까운 지점에 설치되는 경우에는 용매와 발효액이 분리될 수 있는 시간적 여유가 충분치 못하여 분리 효율이 저하되는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 유수분리기 (200)에 있어서, 상기 분리막 (220)이 설치되는 위치를 기준으로, 유수분리 용기 (210)는 상부 부분과 하부 부분으로 분리 제작이 가능하며, 제작된 상부와 하부 부분은 상기 분리막 (220)을 장착한 이후에, 볼트-너트 쌍에 의해서 조립될 수 있다. 또한, 유수분리기 (200)의 작동 전후에 가스를 배출하거나 세척을 위한 용매를 주입하는 포트 (271), 그리고 유수분리 용기 (210)의 내부로부터 물을 빼내기 위한 포트 (272)가 구비될 수 있으며, 이들 포트 각각에는 니들밸브가 장착된다. 더 나아가, 상기 용매 배출포트 (240) 및 발효액 배출포트 (250)에는 하단부에 후방압력 조절기 (back pressure regulator)가 장착되어 있어서, 유수분리 용기 (210) 내부의 압력을 일정하게 유지시켜 주면서 용매와 발효액의 배출을 원활하게 해준다. 예를 들어, 후방압력 조절기의 작동 방식은 다음과 같다. 즉, 유수분리 용기 (210) 내부의 압력을 50 bar로 설정하여 주었다면, 압력이 50 bar 이하일 때는 후방압력 조절기가 잠기게 되지만, 내부의 압력이 증가하여 (외부에서 가스 또는 용매 공급시) 50 bar 이상이 되면 조절기가 열리면서 용매 또는 발효액의 배출이 이루어지는 것이다. 특히, 이는 단순 온/오프 방식이 아니라, 서서히 개폐하는 방식이기 때문에, 용매 또는 발효액이 갑작스럽게 배출되면서 용매와 발효액의 계면이 깨지는 현상을 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 유수분리기 (200)에는 소정의 압력이 인가되는 바, 이러한 압력에 의해서 유수분리 용기 (210) 내부에서 유체의 흐름이 발생되고, 따라서 상기 분리막 (220)에 일정 압력이 가해지게 된다. 따라서, 상기 분리막 (220)이 설치되는 위치를 기준으로, 전면 압력계 (261) 및 후면 압력계 (262)가 각각 설치되어, 유수분리 용기 (210) 내부의 압력을 적정한 수준으로 조절할 수 있도록 한다. 또한, 분리막 (220)에 가해지는 압력을 버티기 위해서 상기 분리막을 상기 유수분리 용기 (210)의 내주면의 소정 위치에 고정시킬 수 있는 수단이 필요하다. 따라서, 상기 유수분리 용기 (210)는 상기 분리막 (220)의 테두리가 삽입되어 고정되도록 내주면에 함몰된 결착홈 (223)을 구비할 수 있다. 도 3에는 본 발명에 따른 유수분리기 (200) 중 분리막 (220) 부분만을 확대한 도면을 도시하였으며, 또한 도 4에는 상기 분리막 (220) 부분 중 결착홈 (223) 부분만을 확대한 도면을 도시하였다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 분리막 (220)의 테두리는 상기 결착홈 (223) 내부에 안착됨으로써, 유체의 흐름에도 불구하고 소정 위치에 고정될 수 있게 된다.
한편, 분리막 (220)이 더욱 견고하게 고정될 수 있게 하기 위해서 별도의 지지대 (224)를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 지지대 (224)는 중심에 중공이 구비된 고리 형태로 형성되고, 상기 결착홈 (223) 내부에 배치되며, 상기 분리막 (220)의 일면쪽 테두리 또는 상기 분리막 (220)의 타면 쪽 테두리 중 적어도 어느 하나 이상에 밀착되어, 상기 분리막을 지지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막은 소수성 소재의 분리막으로서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 폴리스티렌, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재의 분리막일 수 있으며, 분리막에 형성된 유수분리공은 평균 직경 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛를 가지며, 원활한 유체 소통을 위해서 상기 분리막의 일면으로부터 타면까지 형성된 채널형 세공일 수 있다. 상기 분리막에 형성된 유수분리공의 평균 직경이 100 ㎛ 미만인 경우에는 흐름 저항이 커져서 유체의 유속을 저하시키고, 분리 속도를 떨어뜨리거나 압력 손실이 증가하는 문제점이 있어서 바람직하지 않고, 1,000 ㎛를 초과하는 경우에는 미처 분리막을 거치지 않은 미세 에멀젼이 그대로 통과하여 분리 효율이 저하되는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 또한, 분리막 표면에 적당한 밀도로 유수분리공이 형성되는 것이 바람직한 바, 상기 세공은 상기 분리막 단위 표면적 1 cm2 당 10 개 내지 1,000 개의 밀도로 형성될 수 있다. 세공이 상기 범위 미만으로 너무 적은 밀도로 형성되는 경우 이른바 에멀젼 브레이커로서 충분한 효율을 나타내지 못하는 문제점이 있고, 너무 많은 세공이 형성되는 경우에는, 분리막의 기계적 강도를 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 한편, 상기 분리막의 두께는 10 mm 내지 300 mm일 수 있으며, 이 역시 에멀젼 브레이커로서의 효율 및 분리막의 기계적 강도를 고려한 수치 범위이다.
또한, 본 발명은,
유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한, 전술한 바에 따른 유수 분리기;
상기 유수 분리기로부터 상기 유기산이 추출된 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
상기 추출된 유기산을 함유하는 상기 유기 용매로부터 유기산을 분리해내기 위한 유기 용매 촉매반응기
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
도 5a 및 5b에는 각각 본 발명에 따른 유수 분리기 (5a) 및 이러한 유수 분리기를 포함하는 유기산 생산 장치 (5b)에 대한 사진을 도시하였다. 도 5a를 참조하면, 다양한 압력 게이지들 및 밸브들이 구비되어 있고, 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 형태의 유수분리기가 도시되어 있으며, 도 5b를 참조하면, 중앙 하단에 본 발명에 따른 유수 분리기를 중심으로 좌측에 유기산 생산 발효기, 상단에 추출기, 우측 상단에 유기 용매 촉매반응기가 배치되며, 각 반응기들을 유체 연결하는 유체 배송라인들이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 유기산 생산 장치는 전술한 본 발명에 따른 유수 분리기 이외에, 유기산 생산 장치의 필수구성들을 포함하는 바, 즉 미생물에 의한 유기산 발효 반응이 수행되는 유기산 생산 발효기, 미생물 배양액으로부터 유기산을 추출해내기 위한 추출기, 유기산이 추출된 발효액을 발효기로 반송하기 위한 반송라인, 추출된 유기산을 함유하는 유기 용매로부터 유기산을 분리해내기 위한 유기 용매 촉매반응기를 포함한다. 이러한 각각의 구성들에 대해서는 전술한 도 1에 대한 설명을 참조할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유기산 생산 장치는 유기산 추출을 위해서 고압 및 교반 조건이 가해지는 추출기를 사용하는 경우에 특히 적합한 바, 이러한 경우에 미생물 발효에 의한 발효액과 유기 용매 사이에서 에멀젼 발생 현상이 특히 빈번하기 때문이다. 따라서, 본 발명에 있어서, 상기 추출기 중의 상기 유기산 추출 반응은 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 미생물 배양액과 상기 유기 용매를 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 반응시킴으로써 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 장치는 다양한 유기산을 생산하기에 적합하며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산을 본 발명에 따라서 생산할 수 있다. 또한, 상기 유기산의 생산을 위해서 당업계에 공지된 유기산 생산 미생물을 단독으로 사용하는 것도 가능하지만, 이러한 유기산들의 혼합균을 사용하는 것도 가능하다. 더 나아가, 이에 제한되는 것은 아니지만, 유기산 추출을 위해서 사용되는 상기 유기 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (14)

  1. 통 형태로 형성되고, 내부에 소정 길이를 갖는 수송 공간을 구비하며, 발효액과 상기 발효액으로부터 유기산을 추출하기 위한 유기 용매가 에멀젼 형태로 혼합된 혼합액을 일단에서부터 타단 방향으로, 상기 수송 공간을 통해서 수송시키는 유수분리 용기;
    막 형태로 상기 수송 공간에 고정되고, 상기 혼합액이 통과되도록 다수의 유수분리공이 관통 형성되는 다공성 소수성 소재의 분리막;
    상기 유수분리 용기의 일단에 배치되어, 상기 혼합액을 상기 수송공간으로 유입시키는 유입포트;
    상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 발효액으로부터 분리되고 상기 추출된 유기산을 포함하는 유기 용매를 외부로 배출시키는 유기 용매 배출포트; 및
    상기 유수분리 용기의 타단에 배치되어, 상기 유기 용매로부터 분리되고 상기 유기산이 추출된 발효액을 외부로 배출시키는 발효액 배출포트를 포함하고,
    상기 분리막은
    상기 분리막의 표면에서 젖음 현상(wetting)이 발생하여, 상기 혼합액 내의 유기 용매 성분이 상기 분리막을 통과하면서 액적의 형태로 유출되도록, 상기 유수분리공 내부 표면에 소수성기를 가지며,
    액적 형태의 상기 유기 용매 성분은 비중 차이로 인해 상기 발효액과 분리되어 상기 수송 공간의 상부로 이동하는
    미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 상기 유수분리 용기 내부에서 상기 발효액의 수송 방향을 기준으로, 상기 유수분리 용기의 일단으로부터 3 분의 1 내지 2 분의 1의 지점에 고정되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유수분리 용기는 상기 분리막의 테두리가 삽입되어 고정되도록 내주면에 함몰된 결착홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  4. 제3항에 있어서, 중심에 중공이 구비된 고리 형태로 형성되고, 상기 결착홈 내부에 배치되며, 상기 분리막의 일면쪽 테두리 또는 상기 분리막의 타면 쪽 테두리 중 적어도 어느 하나 이상에 밀착되어, 상기 분리막을 지지하는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 폴리스티렌, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재의 분리막인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유수분리공은 평균 직경 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛를 가지며, 상기 분리막의 일면으로부터 타면까지 형성된 채널형 세공인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 세공은 상기 분리막 단위 표면적 1 cm2 당 10개 내지 1,000개의 밀도로 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 분리막의 두께는 10 mm 내지 300 mm인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매 배출포트 및 발효액 배출포트에는 하단부에 후방압력 조절기 (back pressure regulator)가 장착된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치용 유수분리기.
  10. 유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
    상기 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
    상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 유수 분리기;
    상기 유수 분리기로부터 상기 유기산이 추출된 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
    상기 추출된 유기산을 함유하는 상기 유기 용매로부터 유기산을 분리해내기 위한 유기 용매 촉매반응기
    를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 추출기 중의 상기 유기산 추출 반응은 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 미생물 배양액과 상기 유기 용매를 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 반응시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 유기 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 유기산은 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 미생물은 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
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