KR101728562B1 - 전기투석 폐 스트림으로부터의 베타인의 회수 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전기투석 (ED) 폐 스트림으로부터의 회수 방법을 개시하는데, 이때 상기 폐 스트림은 압력 구동의 막 프로세스로 처리된다.
Description
본 발명은 압력 구동의 막 프로세스에 의한 베타인 생성 프로세스에서 전기투석 폐 스트림 (waste stream) 으로부터 베타인을 회수하는 방법을 개시한다.
베타인의 합성은 반응 혼합물 내 화학양론적 함량의 유기 또는 무기 염의 생성과 함께 일어난다. 증류, 추출, 결정화, 전기투석 또는 기타 유닛 (unit) 조작 등의 각종 정제 방법으로, 생성물을 상기 염으로부터 추가 분리하는 것이 통상적이다. 매 정제/분리 프로세스마다 필연적으로 생성물 손실이 따른다.
전기투석 (Electrodialysis; ED) 은 유기 생성물을 액체 혼합물 중에서 정제하는데 사용되는 막 기법이다. ED 는 임의로 혼합물 내 염 농도를 감소시키고 나아가 액체 용액 중에 함유된 유기 화합물을 선택적으로 제거하는데 사용될 수 있다. 이러한 분리의 구동력은 막의 전기장이다. 확산 현상 및/또는 삼투압으로 인해, 폐 스트림으로 향하는 생성물의 손실은 불가피하다 (82% 의 수율을 보이는 EP 0163222 B2, 실시예 1c 참조).
압력 구동의 막 프로세스, 예컨대 역삼투여과, 나노여과, 한외여과 (ultrafiltration) 또는 정밀여과 (microfiltration) 가 유기 화합물을 농축/보전하는데 적용될 수 있다. 사용된 막의 종류에 따라, 염은 단지 부분적으로만으로 농축/보전될 것이다.
현 당기술은 몇몇의 심각한 단점들이 있다. 예를 들어 확산 및/또는 삼투압으로 인한 폐 스트림에서의 생성물 손실은 ED 프로세스의 수율을 감소시키고, 폐 스트림의 유기 용적 (총 유기 탄소: total organic carbon (TOC)) 에 기여한다. 결과적으로, 생성물의 생분해성이 열악한 경우, 종종, 생물학적 폐 스트림 처리 플랜트에서 폐 스트림은 적절히 처리될 수 없어, 공업 제조시에는 엄두도 못 낼 정도로 비용이 많이 드는 후속의 소각 단계를 요구한다. 따라서, 베타인 화합물의 정제 동안 생성물 손실을 최소화하는 신규 방법이 요구된다.
상기에 개괄된 당기술의 단점은, ED 폐 스트림을 압력 구동의 막 프로세스로 처리하고 회수된 베타인을 다시 ED 유닛으로 돌려보내 수율을 개선시키는 본 발명에 따른 프로세스에 의해 극복될 수 있다.
도 1 은 하나의 ED 및 하나의 회수 유닛을 갖는 본 발명에 따른 프로세스를 나타낸다.
도 2 는 두 개의 ED 및 하나의 회수 유닛을 갖는 본 발명에 따른 프로세스를 나타낸다.
도 2 는 두 개의 ED 및 하나의 회수 유닛을 갖는 본 발명에 따른 프로세스를 나타낸다.
4-부티로베타인 및 L-카르니틴과 같은 본 발명에 따른 베타인 생성은 ED 를 이용하는 이의 정제를 포함한다. ED 의 조작 매개변수를 상기 정제 단계 동안 두 목표를 동시에 달성하게끔 조절한다. 제 1 목표는 베타인의 액체 용액에 존재하는 염화나트륨 (NaCl), 수산화나트륨 (NaOH), 테트라메틸암모늄 등과 같은 무기염의 감소에 있다. 제 2 목표는 4-히드록시부탄산, (E)-4-히드록시크로톤산, 트리메틸아민, 등과 같은 유기 화합물의 선택적 제거에 있다. 상기 목표를 달성하도록 각 ED 스트림 (공급물, 희석물, 농축물 및 전해질) 에서 조절되는 ED 매개변수는 염 및 유기 화합물의 pH, 농도, 전기 전도도, 온도 등이다. 당업자의 통상 역량 내에서 상기 조절이 행해진다. ED 에 적용되는 막은 고 등급으로 4-히드록시부탄산 또는 (E)-4-히드록시크로톤산과 같은 바람직하지 않은 유기 화합물의 탈염화 및 제거를 가능하게 해야 하며, 동시에 ED 의 농축 스트림으로 향하는 베타인 화합물의 손실을 최소화해야 한다.
역삼투여과, 나노여과, 한외여과 또는 정밀여과 등의 압력 구동의 프로세스에 적용되는 막은, 원하는 베타인을 가능하면 최고도로 보전해야 하는 반면에, 4-히드록시부탄산 또는 (E)-4-히드록시크로톤산과 같은 바람직하지 않은 유기 화합물 및 염의 보전을 최소화해야 한다. 각각의 유기 화합물 (예, 4-히드록시부탄산 및 (E)-4-히드록시크로톤산) 과의 베타인 화합물 (예, 4-부티로베타인 및 L-카르니틴)과의 구조 유사성 때문에, 베타인 화합물의 양호한 보전 등급 및 유기 화합물의 실질적으로 감소된 보전 등급이 각각 본 발명에 따른 프로세스에 의해 달성될 수 있다는 점은 놀랍다. 혼합된 화합물들의 보전 등급에서의 상기 차이가 이들의 분리를 가능하게 한다.
4-부티로베타인 및 L-카르니틴과 같은 베타인 및 이의 불순물, 예컨대 4-히드록시부탄산 및 (E)-4-히드록시크로톤산의 보전 등급 각각은 하기 조작 매개변수를 조절함으로써 제어될 수 있다: 여과 프로세스 동안 온도, 압력, 유동 (flux), 여과 주기 및 농축 인자. 한번 더 말하면, 당업자의 통상 역량 내에서 상기 조절이 행해진다.
따라서, 베타인에 대해 달성된 보전 등급은 바람직하게 1-100%, 더욱 바람직하게 50-100%, 보다 더욱 바람직하게 80-100%, 가장 바람직하게 100% 이다. 한편, 유기 불순물에 대해 달성된 보전 등급은 바람직하게 30-95% 이다. 본 발명에 따른 프로세스는 베타인 혼합물 내에 존재하는 불순물을 분리하는 측면에 있어서 매우 높은 유연성을 허용한다. 상기에서 언급된 여과 매개변수의 조절이 높은 등급의 분리가 달성되는지에 대한 여부를 결정할 것이다. 정제 프로세스 내에서 몇몇 ED 스트림의 재순환으로 인한 4-히드록시부탄산 및 (E)-4-히드록시크로톤산과 같은 불순물의 축적을 피하고, ED 의 폐 스트림의 유기 용적 (총 유기 탄소, TOC) 의 상당한 감소를 달성하기 위해서는 상기가 주요 효익이 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 염의 보전 등급은 바람직하게 100% 미만, 더욱 바람직하게 0-50%, 가장 바람직하게 0-10% 의 범위이다.
본 발명에 따른 막은 당 분야에서 통상 사용되는 것이다. 구체적으로, 막에는, 중합체 막, 세라믹 막, 및 ED 폐 스트림이 알코올, 케톤, 에스테르, 에테르, 방향족 또는 염소화 용매와 같은 유기 용매를 포함하는 경우, 특수 유기 용매 안정성 중합체 막이 포함된다. 바람직하게, 압력 구동의 막 프로세스는 역삼투여과, 나노여과, 한외여과 또는 정밀여과이다.
본 발명에 따른 바람직한 생성물은 베타인이다.
바람직하게, 상기 베타인은 4-부티로베타인 및 L-카르니틴으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 생성물은 바람직하게 양호한 수용성을 갖는다.
본 발명에서는, 또한 ED 폐 스트림을 압력 구동의 막 프로세스로 처리하고 난 다음, 후속해서 도 2 에 나타낸 바와 같은 제 2 의 ED 유닛으로 보내어 베타인의 수율을 개선시키는 프로세스도 고려된다.
본 발명은 ED 를 사용함으로써 4-부티로베타인 및 L-카르니틴과 같은 베타인 생성물의 정제에서 상당한 수율 증가를 달성시키고, 동시에 ED 의 폐 스트림의 유기 용적 (총 유기 탄소, TOC) 을 상당히 감소시킨다. 두 측면은 4-부티로베타인 및 L-카르니틴과 같은 베타인의 생성 경쟁력 면에서 경제적으로 유의하다.
본 발명을 하기 실시예에서 더욱 상세히 기술할 것이다.
비교예: 소형플랜트 규모의 ED 실험의 구성 및 기술:
ED 처리를 수행하는데 사용되는 구성은 64 ㎠ 의 PES-막 10 쌍 스택 (stack) 이 장착된 ED 소형플랜트로 이루어진다. 이 실험은 배치모드 (batch-mode) 로 수행하였다; 그러나, 연속 조작 모드로도 또한 실시할 수 있다. 3 개의 펌프가 농축물 (폐수 스트림), 희석물 (생성물 스트림) 및 전해질 (서비스 스트림) 용액을 막 스택으로 순환시키는 담당을 하였다. 이들 3 가지 스트림의 유동은 3 개의 회전식유량계로 조절 및 측정하였다.
ED-처리 동안 부산물의 선택적 제거, 이에 따른 프로세스 수율의 극대화를 보장하기 위해, 농축물 및 희석물 스트림에서의 pH 및 온도를 제어하였다. ED-실험 동안, 이들 3 가지 스트림의 pH, 전기 전도도, 온도 및 유동을 제어 및 기록한다.
상기 구성을 액체 반응 혼합물로부터 4-부티로베타인을 탈염화 및 정제하는데 사용하였다. 최적 조건 하에서 수득된 4-부티로베타인의 수율은 88% 였다.
상기 구성을 또한 액체 반응 혼합물로부터 L-카르니틴을 탈염화 및 정제하는데 사용하였다. 최적 조건 하 수득된 L-카르니틴의 수율은 88 - 94% 였다.
실시예 1: ED 폐 스트림으로부터 4-부티로베타인 (CAS-Nr. 407-64-7) 의 회수
시중 규모의 ED 플랜트의 폐 스트림을 나노여과 제조 공정용 플랜트 (pilot plant) 에서 처리하였다. 막 면적이 7.9 ㎡ 인 Kochmembranes Type TFC-SR-3 로부터 시중의 4 인치 나권형 막 모듈을 사용하여 500 kg 의 폐 스트림을 126 kg 으로 농축하였다. 초기 온도는 23℃ 였고, 실험 동안 44℃ 로 조절하였다. 초기 압력은 14 bar 였고, 실험 동안 30 bar 까지 조절하였다. 샘플을 보전물 (농축물) 및 투과물 (폐수) 로부터 취했다. 부티로베타인의 농도는 초기 2.6 중량% 에서 8.4 중량% 로 상승했다. 이의 보전율은 농축 단계 과정 동안 80-100% 로 산출되었다. 4-히드록시부탄산의 보전율은 농축 단계 과정 동안 30-95% 로 산출되었다. 염화나트륨은 실험 과정 동안 막에 의해 보전되지 않았다.
나노여과 실험 결과 및 ED 플랜트에서 수득된 데이타를 근거로 하여, 총 질량 균형 (total mass balance) 을 산출하였다. 4-부티로베타인의 총 수율은, 나노여과 프로세스를 ED 폐 스트림의 후속-처리로 사용하고 보전된 생성물을 ED 로 재순환시키는 경우, 비교예에 나타낸 바와 같은 88% 에서 98% 로 현저하게 증가될 수 있다.
실시예 2: ED 폐 스트림으로부터 L-카르니틴 (CAS-Nr. 541-15-1) 의 회수
상기에 기술된 실험실 규모의 ED 플랜트의 폐 스트림을 실험실 규모의 나노여과 플랜트에서 처리하였다. 막 면적이 0.02 ㎡ 인 NittoDenko 의 평면 쉬트 막 유형 NTR-729HG S4F 로 충전된 막 모듈을 사용하여 2.648 kg 의 폐 스트림을 0.835 kg 로 농축하였다. 온도는 실험 동안 23℃ 였다. 압력은 32 bar 였다. 샘플을 보전물 (농축물) 및 투과물 (폐수)로부터 취하였다. 보전물 내 L-카르니틴의 농도는 초기 1.3 중량% 에서 3.3 중량% 로 상승하였다. 보전율은 농축 단계 과정 동안 80-100% 로 산출되었다. (E)-4-히드록시크로톤산의 보전율은 농축 단계의 과정 동안 30-95% 로 산출되었다. 염화나트륨은 실험 과정 동안 막에 의해 보전되지 않았다.
나노여과 실험 결과 및 ED 소규모 플랜트에서 수득된 데이타를 근거로 하여, 총 질량 균형을 산출하였다. L-카르니틴의 총 수율은, 나노여과 프로세스를 ED 폐 스트림의 후속-처리로 사용하고 보전된 생성물을 ED 로 재순환시키는 경우, 비교예에 나타낸 바와 같은 88% 에서 98% 로 현저하게 증가될 수 있다.
Claims (11)
- 베타인 생성 프로세스에서 전기투석 (ED) 폐 스트림으로부터의 베타인 회수 방법으로서, 상기 폐 스트림이 압력 구동의 막 프로세스로 처리되고, 상기 회수된 베타인이 다시 ED 유닛으로 되돌아가고, 상기 압력 구동의 막 프로세스는 나노여과인 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 베타인이 4-부티로베타인 및 L-카르니틴으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폐 스트림이 염을 포함하는 방법.
- 삭제
- 제 2 항에 있어서, 회수 유닛 내 적용 막이 베타인의 보전을 최대화하는 반면, 염 보전율은 최소화하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 베타인 보전율이 1-100% 의 범위인 방법.
- 제 5 항에 있어서, 염 보전율이 100% 미만인 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 막이 중합체, 세라믹 또는 특수 유기 용매 안정성 중합체 막인 방법.
- 제 2 항에 있어서, 회수된 베타인이 제 2 의 ED 유닛으로 보내어지는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 베타인 보전율이 50-100% 의 범위인 방법.
- 제 7 항에 있어서, 염 보전율이 0-50% 범위인 방법.
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