KR102661850B1 - 아미노산 호환 생산을 위한 재구성이 가능한 복수개의 배관을 포함하는 아미노산 생산 시스템 및 구성 방법 - Google Patents
아미노산 호환 생산을 위한 재구성이 가능한 복수개의 배관을 포함하는 아미노산 생산 시스템 및 구성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
아미노산 생산 시스템은 아미노산이 혼합된 공정액을 가열시키고, 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 예열기들, 그리고 상기 복수개의 예열기를 통해 가열된 공정액을 열원과의 열교환을 통해 증발시키고, 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 증발관들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관은, 상기 증발을 통해 물이 제거된 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출할 수 있다. 상기 배출 배관은, 상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관에 선택적으로 연결될 수 있다.
Description
본 발명은 아미노산 호환 생산을 위한 재구성이 가능한 복수개의 배관을 포함하는 아미노산 생산 시스템 및 구성 방법에 관한 것이다.
제조 체계는 생산성과 기능성 측면에서 전용 생산 체계(Dedicated Manufacturing System, DMS), 유연 생산 체계(Flexible Manufacturing System, FMS), 가변 생산 체계(Reconfigurable Manufacturing System, RMS)로 분류된다. 전용 생산 체계(DMS)는 단일 제품을 생산하고 장치 구조가 고정되어 있다. 유연 생산 체계(FMS)는 다품종 제품을 생산하고 장치 구조가 고정되어 있다. 가변 생산 체계(RMS)는 다품종 제품을 생산하고 장치 구조가 조정 가능하다.
새로운 제품의 발생 빈도 증가, 기존 제품 생산 공정의 변경, 제품의 수요와 공급의 변동, 안전 및 환경 정책의 변화, 기술의 진화 등으로 인해 시장의 불확정성이 커질수록 생산성에 비해 기능성의 가치가 커진다. 그러므로, 전용 생산 체계(DMS)에 비해 유연 생산 체계(FMS)를 통한 호환 생산이 더 큰 가치 창출을 할 수 있다.
이 때, 생산하는 제품의 종류에 맞춰 장치의 구조를 변경할 수 있는 가변 생산 체계(RMS)를 적용한다면 유연 생산 체계(RMS)에 비해 생산성 및 제조 원가 등을 개선할 수 있으므로 가치 창출은 더욱 커지게 된다.
특히, 세계적으로 4차 산업혁명을 추진하는 기조 아래 스마트 제조를 지향하는 업계에서 가변 생산 체계(RMS)에 대한 선진화된 솔루션을 접목하려는 시도가 계속되고 있다.
화학 및 바이오 업계에서도 가변 생산 체계(RMS)에 대한 선진화된 솔루션을 접목하려는 시도가 이루어지고 있다.
학술자료(A. Adamo et al., On-Demand Continuous-Flow Production of Pharmaceuticals in a Compact, Reconfigurable System, Science, 352 (2016) 6281)에 따르면, 가변형, 주문형 연속 형태의 합성, 막 분리, 결정화, 포뮬레이션(Formulation), 제형 복합 실험 장치를 이용하여 디펜히드라민 (Diphenhydramine), 리도카인(lidocaine), 디아제팜(diazepam), 플루옥세틴(fluoxetine) 등의 제약 물질을 소규모 실험실에서 제조하는 것을 보고하였다.
또한, 학술자료(A.-C. Bedard et al., Reconfigurable system for automated optimization of diverse chemical reactions, Science, 361 (2018) 6408 및 특허 US11185839B2)에 따르면, 제약 물질 합성을 위한 플러그-앤-플레이, 가변형, 연속 화학 물질 반응 장치를 이용하여 버치왈드-하트윅 아미노화(Buchwald-Hartwig amination) 반응, Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) olefination 반응, reductive amination 반응, Suzuki-Miyaura cross-coupling 반응, Photoredox 반응을 소규모 실험실 스케일에서 진행하는 것을 보고하였다.
또한, 학술자료(L. Hohmann et al., Continuous Downstream Processing of Amino Acids in a Modular Miniplant, Chem. Eng. Technol. 41 (2018) 1152)에 따르면, 공정액 공급, 증발기, 결정화, 결정 분리기로 이루어진 모듈형 미니 플랜트에서 L-알라닌을 제조하는 것을 소규모 파일럿 스케일에서 보고한 바 있다.
또한, 미국등록특허 제8,594,848호(2008.03.20 공개)에 따르면, 유리 재질 반응기, 유리 재질 운송 장치, 가변형 제어장치로 구성된 가변형 화학제품 생산이 가능한 실험실 규모 장치 시스템이 언급되어 있다.
하지만, 전술한 종래의 기술들은 소규모 실험 또는 파일럿 설비 기반으로서 실제 산업 장치까지 스케일업(Scale-up)이 되지 못한 점에서 한계가 있다. 예를 들어, 벌크 케미컬 생산을 위한 산업용 증발기의 경우, 경제성으로 인해 다수의 박막 강하 증발관으로 구성된 다중 효용 증발관을 적용하는 것이 일반적이다. 그러나, 종래의 모듈형 미니 플랜트에 보고된 증발기는 설비 크기가 작으므로 이러한 장치적 특징을 모사하지 못하고 하나의 단일 증발기로만 작동되어 효율성이 떨어지는 한계가 있다.
본 개시는, 아미노산 생산 공정의 필요에 따라 아미노산 농축액을 외부로 배출하는 배출 배관을 복수개의 증발관들 중에서 하나의 증발관에 선택적으로 연결시킴으로써, 아미노산 호환 생산을 위한 재구성이 가능한 아미노산 생산 시스템 및 구성 방법을 제공하는 것이다.
한 특징에 따르면, 아미노산 생산 시스템은 아미노산이 혼합된 공정액을 가열하고, 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 예열기들, 그리고 상기 복수개의 예열기를 통해 가열된 공정액을 열원과의 열교환을 통해 증발시키고, 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 증발관들을 포함하고, 상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관은, 상기 증발을 통해 물이 제거된 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출하고, 상기 배출 배관은, 상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관에 선택적으로 연결된다.
상기 복수개의 증발관들은, 적어도 3개의 증발관들을 포함하고, 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결될 수 있다.
상기 아미노산 생산 시스템은 상기 배출 배관이 상기 복수개의 증발관들 중에서 마지막으로 배치된 증발관이 아닌 나머지 증발관들에 연결되는 경우, 상기 배출 배관이 연결된 증발관은, 상기 마지막으로 배치된 증발관에서 배출되는 공정액이 유입되는 역방향 배관에 연결될 수 있다.
상기 배출 배관은, 상기 1번째 증발관에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고, 상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은, 2번째 증발관부터 마지막 순번의 증발관까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들, 그리고 상기 마지막 순번의 증발관에서 1번째 증발관까지 역방향으로 공정액을 전달하는 역방향 공정액 배관을 포함할 수 있다.
상기 배출 배관은, 상기 복수개의 증발관들 중에서 1번째 증발관과 가장 마지막에 위치한 증발관을 제외한 나머지 증발관들에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고, 상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은, 상기 1번째 증발관부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관의 전단 증발관까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들, 그리고 상기 가장 마지막에 위치한 증발관에서 상기 배출 배관이 연결된 증발관까지 역방향으로 공정액을 전달하는 역방향 공정액 배관을 포함할 수 있다.
상기 배출 배관은, 가장 마지막에 위치한 증발관에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고, 상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은, 1번째 증발관부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관의 전단에 위치한 증발관까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 예열기들은, 복수개의 배관들을 통해 직렬로 순차적으로 연결되고, 가장 전단에 위치하는 제1 예열기에서 배출되는 예열된 공정액은, 가장 전단에 위치하는 제1 증발관으로 유입될 수 있다.
상기 아미노산 생산 시스템은 상기 복수개의 증발관들과 각각 연결되고, 상기 복수개의 증발관들이 배출하는 공정액을 다음 순서의 증발관들에게 각각의 배관을 통해 순차적으로 배출하는 복수개의 펌프들을 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 순환 펌프들은, 상기 공정액을 연결된 증발관으로 순환시키는 배관에 추가로 연결될 수 있다.
상기 아미노산 생산 시스템은 상기 복수개의 증발관들과 연결되어 상기 복수개의 증발관들이 배출하는 기체를 후단의 증발관 및 예열기로 공급하는 복수개의 분리 장치들을 더 포함하고, 상기 복수개의 증발관들 중에서 가장 전단에 위치한 증발관 및 상기 복수개의 예열기들 중에서 가장 전단에 위치한 예열기는, 외부에서 유입되는 스팀을 공급받을 수 있다.
다른 특징에 따르면, 복수개의 배관들을 통해 연결된 복수개의 다중 효용 박막 강하 증발관들을 포함하는 아미노산 생산 시스템에서, 상기 복수개의 배관들을 연결하는 방법으로서, 상기 복수개의 다중 효용 박막 강하 증발관들을 상기 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결시키는 단계, 그리고 상기 증발관들에서 증발을 통해 혼합물이 제거된 아미노산 농축액을 외부로 배출하는 배출 배관을 상기 증발관들 중에서 하나의 증발관에 선택적으로 연결시키는 단계를 포함한다.
상기 선택적으로 연결시키는 단계 이후, 상기 배출 배관이 상기 증발관들 중에서 가장 마지막에 위치한 증발관이 아닌 증발관에 연결시킨 경우, 1번째 증발관에서부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관에 이르기까지 아미노산이 혼합된 공정액을 순방향으로 이동시키는 공정액 배관들을 통해 연결시키는 단계, 그리고 상기 가장 마지막에 위치한 증발관에서 상기 배출 배관이 연결된 증발관에 이르기까지 공정액을 역방향으로 이동시키는 공정액 배관을 통해 연결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 증발관들이 배출하는 증기를 응축시키는 복수개의 응축기들을 개별 증발관들 및 후단에 위치하는 증발관에 연결시키는 단계를 더 포함하고, 상기 응축기가 배출하는 공정액은, 순환 배관을 통해 개별 증발관 및 후단에 위치하는 증발관으로 전달될 수 있다.
아미노산이 혼합된 공정액을 가열시키는 복수개의 예열기들을 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결시키고, 공정액이 유입되는 지점의 예열기를 기준으로 가장 마지막 위치에 연결된 예열기는 상기 증발관들 중에서 가장 처음에 위치한 증발관과 배관을 통해 연결시키는 단계를 더 포함하고, 상기 가장 마지막 위치에 연결된 예열기를 통해 가열된 공정액은, 상기 가장 처음에 위치한 증발관으로 전달될 수 있다.
본 개시에 따르면, 생산량을 조절해야 하는 아미노산 생산 공정에서 아미노산 농축액을 외부로 배출하는 배출 배관을 복수개의 증발관들 중에서 하나의 증발관에 선택적으로 연결시켜 재구성함으로써, 종래의 배출 배관이 고정된 증발관에 비해 에너지를 절감할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
특히, 증발 공정 후단에 증발 결정화 공정과 같은 상대적으로 에너지 효율이 낮은 단위 공정을 배치하여 다중 효용 증발관의 배출 배관 재구성에 따른 에너지 최적화 효과를 더욱 강화할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 증발관의 확대 도면이다.
도 3은 도 1에서 예열기의 확대 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 한 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 한 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 한 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 또 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실험예에 따른 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린의 물에서의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에서 증발관의 확대 도면이다.
도 3은 도 1에서 예열기의 확대 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 한 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 한 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 한 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 또 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실험예에 따른 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린의 물에서의 용해도를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
설명에서, 도면 부호 및 이름은 설명의 편의를 위해 붙인 것으로서, 장치들이 반드시 도면 부호나 이름으로 한정되는 것은 아니다.
설명에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 한 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에서 증발관의 확대 도면이고, 도 3은 도 1에서 예열기의 확대 도면이고, 도 4는 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 또 다른 실시예에 따른 아미노산 생산 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 ~ 도 7을 참조하면, 아미노산 생산 시스템(100)은 다중 효용(Multi effect) 박막 강하(Falling Film, FF) 증발관(이하, '증발관'으로 통칭하여 기재함)을 사용하여 구성된다. 여기서, 공정액은 아미노산을 포함하는 아미노산 혼합 용액에 해당한다. 실시예에 따르면, 공정액은 아미노산 공정액이고, L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린, L-트립토판, L-히스티딘, L-알지닌, L-이소류신, L-시스테인, L-글루타민 중 적어도 하나의 아미노산을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 아미노산 생산 시스템(100)은 공급된 아미노산 혼합 용액으로 박막을 형성하고, 박막 강하 방식으로 복수회의 증발 과정을 거쳐 목표 농도의 아미노산이 포함된 농축액을 배출한다.
이때, 본 명세서에서, 중간 증발 과정을 통해 배출된 액체는 공정액으로 기술하고, 최종적으로 배출 배관을 통해 배출되는 액체를 아미노산 농축액으로 기술하기로 한다.
아미노산 생산 시스템(100)은 복수개의 증발관(101, 102, 103, 104, 105), 복수개의 예열기(Pre-Heater, PH)(106, 107, 108, 109, 110), 복수개의 분리 장치(Separator)(111, 112, 113, 114, 115), 복수개의 순환 펌프(Circulation Pump)(116, 117, 118, 119, 120) 및 응축기(condenser)(121)를 포함할 수 있다.
아미노산 생산 시스템(100)은 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 공정액 흐름을 재구성 가능하도록 배출 배관을 변경할 수 있는 구조로 이루어진다.
도 1의 실시예에서, 배출 배관은 마지막 증발관, 즉, 5번째 증발관(#5 FF)(105)에 연결되어 있다. 도 4의 실시예에서, 배출 배관은 4번째 증발관(#4 FF)(104)에 연결되어 있다. 도 5의 실시예에서, 배출 배관은 3번째 증발관(#3 FF)(103)에 연결되어 있다. 도 6의 실시예에서, 배출 배관은 2번째 증발관(#2 FF)(102)에 연결되어 있다. 도 7의 실시예에서, 배출 배관은 1번째 증발관(#1 FF)(101)에 연결되어 있다.
이때, 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 및 예열기(106, 107, 108, 109, 110)의 개수를 5개로 구현하였으나, 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 및 예열기(106, 107, 108, 109, 110)의 개수가 5개로 국한되는 것은 아니다. 다만, 증발관이 2개일 경우, 배출 배관이 2번째 관이면 공정액 흐름은 순방 흐름이지만, 배출 배관이 1번째 관이면 공정액 흐름은 역방향 흐름이므로, 본 발명의 효과를 나타내지 못한다. 따라서, 증발관의 개수는 적어도 3개인 것이 바람직하다.
증발관(101, 102, 103, 104, 105)은 박막 강하 열교환을 통해 아미노산 공정액을 증발시켜 아미노산 농축액을 배출한다.
도 2를 참조하면, 1번째 증발관(도 1의 101, #1 FF)의 구조를 확대하여 나타내었다. 이러한 1번째 증발관(101)의 구조는 도 1에서 2번째 증발관(#2 FF)(102), 3번째 증발관(#3 FF)(103), 4번째 증발관(#4 FF)(104), 5번째 증발관(#5 FF)(105)에도 동일하게 적용된다.
증발관(101)은 복수개의 관로(101a), 공정액 유입부(101b), 열원 유입부(101c), 응축수 배출부(101d), 공정액 배출부(101e)를 포함할 수 있다.
복수개의 관로(101a)는 공정액 유입부(101b)를 통해 외부로부터 공정액을 공급받는다. 복수개의 관로(101a)는 열원 유입부(101c)를 통해 외부로부터 스팀(steam) 또는 기체(vapor)를 공급받는다. 이때, 증발관(101)은 도 1에서 첫번째 증발관 이므로, 스팀을 공급받는다. 도 1에서 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)의 경우, 복수개의 관로(101a)는 공정액의 증발로 생성된 기체를 열원 유입부(101c)를 통해 공급받는다.
열원 유입부(101c)를 통해 공급된 스팀 또는 기체가 응축하면서 발생한 응축열은 복수개의 관로(101a)로 공급된 공정액을 증발시킨다. 스팀 응축수(steam condensate) 또는 기체 응축수(vapor condensate)는 응축수 배출부(101d)를 통해 외부로 배출된다. 그리고 증발 과정에서 증발되지 않은 공정액은 공정액 배출부(101e)로 대부분 배출된다.
이때, 증발관(101)에 연결된 분리 장치(111)에는 증발된 기체(vapor)가 일부 비말 형태의 공정액과 함께 혼합되어 유입된다. 분리 장치(111)는 기체 배출부(111a)를 통해 기체를 외부로 배출한다. 기체가 분리된 공정액은 공정액 배출부(111b)를 통해 외부로 배출된다. 공정액 배출부(111b)를 통해 배출된 공정액은 증발관(101)의 공정액 배출부(101e)를 통해 배출된 공정액과 합쳐져 도 1의 1번째 순환 펌프(116)로 유입된다.
여기서, 1번째 분리 장치(111)의 구성은 2번째 분리 장치(112), 3번째 분리 장치(113), 4번째 분리 장치(114), 5번째 분리 장치(115)에도 동일하게 적용된다. 1번째 순환 펌프(116)의 구성은 2번째 순환 펌프(117), 3번째 순환 펌프(118), 4번째 순환 펌프(119), 5번째 순환 펌프(120)에도 동일하게 적용된다.
예열기(106, 107, 108, 109, 110)는 스팀(Steam) 또는 기체(Vapor)를 열원으로 사용하여 공정액을 가열한다.
도 3을 참조하면, 1번째 예열기(도 1의 106)의 구조를 확대하여 나타내었다. 이러한 1번째 예열기 (106)의 구조는 도 1에서 2번째 예열기(107), 3번째 예열기(108), 4번째 예열기 (109), 5번째 예열기(110)에도 동일하게 적용된다.
예열기(106)는 복수개의 관로(106a), 공정액 유입부(106b), 열원 유입부(106c), 응축수 배출부(106d), 공정액 배출부(106e)를 포함할 수 있다.
공정액 유입부(106b)를 통해 복수개의 관로(106a)로 유입되어 흐르는 공정액은 열원 유입부(106c)를 통해 공급된 스팀 또는 기체를 열원으로 사용한 열교환을 통해 액화되면서 응축열이 발생하고, 응축열로 인해 공정액의 온도는 상승한다. 온도가 상승한 공정액은 공정액 배출부(106e)를 통해 배출된다. 그리고 액화로 인해 생성된 스팀 응축수 또는 기체 응축수는 응축수 배출부(106d)를 통해 배출된다.
도 2에서 설명한 바와 같이, 분리 장치(111, 112, 113, 114, 115)는 증발관(101, 102, 103, 104, 105)과 연결되어, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 생성된 공정액으로부터 기체(vapor)를 분리한다.
순환 펌프(116, 117, 118, 119, 120)는 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 및 분리 장치(111, 112, 113, 114, 115)에서 배출되는 공정액을 증발관(101, 102, 103, 104, 105)으로 순환시키고 동시에 후단의 다른 증발관(102, 103, 104, 105)으로 배출한다. 이때, 순환 펌프(116, 117, 118, 119, 120)는 배관 펌프의 역할도 겸할 수 있다.
실시예에 따르면, 아미노산 생산 시스템(100)은 다음 표 1과 같이 5가지 조건을 만족하도록 설계될 수 있다.
| 조건 1 | N(N>2)개로 구성된 증발관 여기서, N은 증발관의 총 개수로서, 마지막 증발관의 순번과 동일함 |
| 조건 2 | 배출 배관이 연결된 증발관의 순번을 나타내는 D가 2가지 이상이고 N개 이하인 순번의 증발관에 연결되도록 재구성이 가능함 |
| 조건 3 | ① D=1일 때, 공정액이 2번째 증발관부터 N번째 증발관까지 순방향으로 흐르고, N번째 증발관에서 1번째 증발관으로 흐른 후 1번째 증발관에서 최종 배출되는 구조 ② D>1이고 D<N일 때, 공정액이 1번째 증발관에서 D-1번째 증발관까지 순차적으로 흐르고, D-1번째 증발관에서 D+1번째 증발관으로 흐르며, D+1번째 증발관에서 N번째 증발관까지 순차적으로 흐르고, N번째 증발관에서 D번째 증발관까지 흐른 후, D번째 증발관에서 최종 배출되는 구조 ③ D=N일 때, 공정액이 1번째 증발관에서부터 N번째 증발관까지 순차적으로 흐르고, N번째 증발관에서 최종 배출되는 구조 |
| 조건 4 | N번째 증발관을 제외한 증발관, 즉, 1번째 증발관에서는 스팀을 통해 공정액을 증발시키고, 2번째 증발관 ~ N-1번째 증발관에서는 이전 증발관의 공정액의 증발로 생성한 기체를 통해 공정액을 증발시킨 후, 후단의 다음 증발관으로 이동하여 다음 증발관의 공정액을 증발시키는데 사용되고, N번째 증발관에서 증발된 기체는 응축기로 이동하는 구조 |
| 조건 5 | 각 증발관에는 주입되는 공정액의 온도를 조절하고 에너지 회수를 높이기 위한 예열기 설치한 구조 |
실시예에 따르면, 아미노산 생산 시스템(100)은 배출 배관을 제외한 나머지 공정액 배관의 기본적인 흐름은 예열기(106, 107, 108, 109, 110)로 인한 에너지 효율 개선을 극대화하기 위해 순방향 (forward) 흐름으로 고정하여 경우의 수를 최소화할 수 있다.
순방향 흐름에서는 예열기(106, 107, 108, 109, 110)를 통해서 공정액이 얻은 에너지가 공정액을 추가적으로 증발시키는데 쓰일 수 있다. 이때, 추가적으로 증발된 기체가 응축되면서 공정액에 에너지가 재공급되는 순환 구조가 성립되기 때문에 에너지 효율이 증가할 수 있다. 반면, 역방향(backward) 흐름에서는 예열기(106, 107, 108, 109, 110)를 통해서 공정액이 얻은 에너지가 공정액을 추가적으로 증발시키는데 쓰인다. 하지만, 이 때 추가적으로 증발된 기체가 액화될 때는 공정액에 에너지가 재공급되는 순환 구조가 성립되지 않기 때문에 에너지 효율 개선에는 도움을 주지 못한다.
실시예에 따르면, 아미노산 생산 시스템(100)은 순방향 5중 효용 박막 강하 증발관으로 이루어진 시스템으로서, 앞서 설명한 표 1의 5가지 조건을 충족하여 설계될 수 있다. 이때, 배출 배관을 달리한 다양한 아미노산 생산 시스템(100)의 구조에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 아미노산 생산 시스템(100)을 구성하는 구성 요소의 동작 및 공정액 흐름에 대해 도 1의 실시예를 기준으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 1번째 증발관(#1 FF)(101), 2번째 증발관(#2 FF)(102), 3번째 증발관(#3 FF)(103), 4번째 증발관(#4 FF)(104), 5번째 증발관(#5 FF)(105)은 공정액 배관을 통해 순차적으로 연결되어 있다.
또한, 공정액이 유입되는 5번째 예열기(#5 PH)(110)부터 4번째 예열기(#4 PH)(109), 3번째 예열기(#3 PH)(108), 2번째 예열기(#2 PH)(107), 1번째 예열기(#1 PH)(106)는 공정액 배관을 통해 순차적으로 연결되어 있다. 1번째 예열기(#1 PH)(106)는 공정액 배관을 통해 1번째 증발관(101)과 연결되어 있다.
따라서, 아미노산 생산 시스템(100)은 공정액이 유입되는 5번째 예열기(#5 PH)(110) 부터 4번째 예열기(#4 PH)(109) → 3번째 예열기(#3 PH)(108) → 2번째 예열기(#2 PH)(107) → 1번째 예열기(#1 PH)(106) → 1번째 증발관(101) → 2번째 증발관(102) → 3번째 증발관(103) → 4번째 증발관(104) → 5번째 증발관(105)에 이르기까지 순서대로 공정액 배관을 통해 연결되어 있다.
이때, 각 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에는 각각의 분리 장치(111, 112, 113, 114, 115)가 연결되어 있다. 각각의 분리 장치(111, 112, 113, 114, 115)가 배출하는 공정액의 증발로 생성된 응축열, 즉, 기체는 후단의 다른 증발관(102, 103, 104, 105)과 다른 예열기(107, 108, 109, 110)로 공급된다.
1번째 증발관(101)과 1번째 예열기(106)는 외부로부터 스팀을 공급받는다. 1번째 예열기(106)는 열교환 과정을 통해 스팀이 액화되면서 응축열이 발생하고 응축열로 인해 공정액의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공정액은 1번째 증발관(101)으로 공급된다.
1번째 증발관(101)은 외부로부터 공급받은 스팀이 응축되어 공정액을 증발시킨다. 1번째 증발관(101)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 스팀 응축수는 외부로 배출된다.
1번째 증발관(101)에 연결된 1번째 분리 장치(#1 Separator)(111)는 1번째 증발관(101)에서 공정액으로부터 증발된 기체(#1 Vapor)를 증발관(101)으로부터 분리하여 2번째 증발관(#2 FF)(102)과 2번째 예열기(#2 PH)(107)로 공급한다.
1번째 증발관(101)에 연결된 1번째 순환 펌프(#1 Circulation Pump)(116)에는 1번째 증발관(101)에서 배출되는 공정액과 1번째 분리 장치(#1 Separator)(111)에서 기체(#1 Vapor)가 분리된 공정액이 혼합 유입된다. 이러한 공정액의 일부는 1번째 증발관(101)으로 순환되고, 일부는 2번째 증발관(#2 FF)(102)으로 공급된다.
2번째 예열기(107)는 1번째 분리 장치(111)로부터 공급받은 기체(#1 Vapor)가 액화하면서 발생한 응축열을 통해 공정액을 가열한다. 가열된 공정액은 1번째 예열기(106)로 공급된다.
2번째 증발관(102)은 1번째 순환 펌프(#1 Circulation Pump)(116)로부터 공급받은 공정액을 기체(#1 Vapor)의 응축을 통해 증발시킨다. 2번째 증발관(102)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 기체 응축수(#1 Vapor Condensate)는 외부로 배출된다.
2번째 증발관(102)에 연결된 2번째 분리 장치(#2 Separator)(112)는 2번째 증발관(102)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 기체(#2 Vapor)를 1번째 증발관(101)으로부터 분리하여 3번째 증발관(#3 FF)(103)과 3번째 예열기(#3 PH)(108)로 공급한다.
2번째 증발관(102)에 연결된 2번째 순환 펌프(#2 Circulation Pump)(117)에는 2번째 증발관(102)에서 배출되는 공정액과 2번째 분리 장치(112)에 의해 기체가 분리된 공정액이 혼합 유입된다. 이러한 공정액의 일부는 2번째 증발관(102)으로 순환되고, 일부는 3번째 증발관(#3 FF)(103)으로 공급된다.
3번째 증발관(103)과 3번째 예열기(108)는 2번째 분리 장치(112)로부터 기체(#2 Vapor)를 공급받는다. 3번째 예열기(108)는 열교환 과정을 통해 기체(#2 Vapor)가 액화되면서 응축열이 발생하고 응축열로 인해 공정액의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공정액은 2번째 예열기(107)로 공급된다.
3번째 증발관(103)은 기체(#2 Vapor)가 응축되어 공정액을 증발시킨다. 3번째 증발관(103)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 기체 응축수는 외부로 배출된다.
3번째 증발관(103)에 연결된 3번째 분리 장치(#3 Separator)(113)는 3번째 증발관(103)에서 공정액으로부터 증발된 기체(#3 Vapor)를 증발관(103)으로부터 분리하여 4번째 증발관(#4 FF)(104)과 4번째 예열기(#4 PH)(109)로 공급한다.
3번째 증발관(103)에 연결된 3번째 순환 펌프(#3 Circulation Pump)(118)에는 3번째 증발관(103)에서 배출되는 공정액과 3번째 분리 장치(#3 Separator)(113)에서 기체(#3 Vapor)가 분리된 공정액이 혼합 유입된다. 이러한 공정액의 일부는 3번째 증발관(103)으로 순환되고, 일부는 4번째 증발관(#4 FF)(104)으로 공급된다.
4번째 증발관(104)과 4번째 예열기(109)는 3번째 분리 장치(113)로부터 기체(#3 Vapor)를 공급받는다. 4번째 예열기(109)는 열교환 과정을 통해 기체(#3 Vapor)가 액화되면서 응축열이 발생하고 응축열로 인해 공정액의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공정액은 3번째 예열기(108)로 공급된다.
4번째 증발관(104)은 기체(#4 Vapor)가 응축되어 공정액을 증발시킨다. 4번째 증발관(104)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 기체 응축수는 외부로 배출된다.
4번째 증발관(104)에 연결된 4번째 분리 장치(#4 Separator)(114)는 4번째 증발관(104)에서 공정액으로부터 증발된 기체(#4 Vapor)를 증발관(104)으로부터 분리하여 5번째 증발관(#5 FF)(105)과 5번째 예열기(#5 PH)(110)로 공급한다.
4번째 증발관(104)에 연결된 4번째 순환 펌프(#4 Circulation Pump)(119)에는 4번째 증발관(104)에서 배출되는 공정액과 4번째 분리 장치(#4 Separator)(114)에서 기체(#4 Vapor)가 분리된 공정액이 혼합 유입된다. 이러한 공정액의 일부는 4번째 증발관(104)으로 순환되고, 일부는 5번째 증발관(#5 FF)(105)으로 공급된다.
5번째 증발관(105)과 5번째 예열기(110)는 4번째 분리 장치(114)로부터 기체(#5 Vapor)를 공급받는다. 5번째 예열기(110)는 열교환 과정을 통해 기체(#4 Vapor)가 액화되면서 응축열이 발생하고 응축열로 인해 공정액의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공정액은 4번째 예열기(109)로 공급된다.
5번째 증발관(105)은 기체(#4 Vapor)가 응축되어 공정액을 증발시킨다. 5번째 증발관(105)에서 공정액의 증발 과정에서 생성된 기체 응축수는 외부로 배출된다.
5번째 증발관(105)에 연결된 5번째 분리 장치(#5 Separator)(115)는 5번째 증발관(105)에서 공정액으로부터 증발된 기체(#5 Vapor)를 증발관(105)으로부터 분리하여 응축기(121)로 공급한다.
응축기(121)로 공급된 냉각수(Cooling water)는 기체(#5 Vapor)가 응축되면서 발생한 응축열에 의해 온도가 상승한다. 온도가 상승한 냉각수 및 응축수는 외부로 배출된다.
5번째 증발관(105)에 연결된 5번째 순환 펌프(#5 Circulation Pump)(120)에는 5번째 증발관(105)에서 배출되는 공정액과 5번째 분리 장치(#5 Separator)(115)에서 기체(#5 Vapor)가 분리된 공정액이 혼합 유입된다. 이러한 공정액의 일부는 5번째 증발관(105)으로 순환되고, 일부는 배출 배관을 통해 외부로 배출된다.
이처럼, 각각의 증발관(101, 102, 103, 104, 105)과 각각의 예열기(106, 107, 108, 109, 110)로 공급된 스팀 또는 기체는 공정액을 가열 및 증발시키는 에너지로 사용된다.
공정액의 흐름에 대해 설명하면 다음과 같다.
외부에서 유입된 공정액은 공정액 배관을 통해 5번째 예열기(#5 PH)(110)에 먼저 공급된다. 5번째 예열기(#5 PH)(110)를 통해 가열된 공정액은 공정액 배관을 통해 4번째 예열기(#4 PH)(109)로 배출된다. 4번째 예열기(#4 PH)(109)를 통해 가열된 공정액은 공정액 배관을 통해 3번째 예열기(#3 PH)(108)로 배출된다. 3번째 예열기(#3 PH)(108)를 통해 가열된 공정액은 공정액 배관을 통해 2번째 예열기(#2 PH)(107)로 배출된다. 2번째 예열기(#2 PH)(107)를 통해 가열된 공정액은 공정액 배관을 통해 1번째 예열기(#1 PH)(106)로 배출된다.
복수개의 예열기(106, 107, 108, 109, 111)를 거치며 가열된 공정액은 1번째 예열기(#1 PH)(106)와 연결된 공정액 배관을 통해 1번째 증발관(101)에 공급된다. 1번째 증발관(101)에 의해 공정액이 증발하여 생성된 기체(#1 Vapor)는 1번째 분리 장치(#1 Separator)(111)를 통해 2번째 증발관(102) 및 2번째 예열기(107)로 공급된다.
1번째 증발관(101) 및 1번째 분리 장치(111)에 의해 배출되는 공정액은 1번째 순환 펌프(#1 Circulation Pump)(116)로 배출된다. 1번째 순환 펌프(116)는 공정액의 일부를 공정액 순환 배관을 통해 1번째 증발관(101)으로 순환시키고, 일부는 공정액 배관(순방향)을 통해 2번째 증발관(102)으로 공급한다. 2번째 증발관(102)에서 생성된 기체(#2 Vapor)는 2번째 분리 장치(#2 Separator)(112)를 통해 3번째 증발관(103) 및 3번째 예열기(108)로 공급된다.
2번째 증발관(102) 및 2번째 분리 장치(112)에 의해 배출되는 공정액은 2번째 순환 펌프(#2 Circulation Pump)(117)로 배출된다. 2번째 순환 펌프(117)는 공정액의 일부를 공정액 순환 배관을 통해 2번째 증발관(102)으로 순환시키고, 일부는 공정액 배관(순방향)을 통해 3번째 증발관(103)으로 공급한다.
3번째 증발관(103)에서 생성된 기체(#3 Vapor)는 3번째 분리 장치(#3 Separator)(113)를 통해 4번째 증발관(104) 및 4번째 예열기(109)로 공급된다.
3번째 증발관(103) 및 3번째 분리 장치(113)에 의해 배출되는 공정액은 3번째 순환 펌프(#3 Circulation Pump)(118)로 배출된다. 3번째 순환 펌프(118)는 공정액의 일부를 공정액 순환 배관을 통해 3번째 증발관(103)으로 순환시키고, 일부는 공정액 배관(순방향)을 통해 4번째 증발관(104)으로 공급한다.
4번째 증발관(104)에서 생성된 기체(#4 Vapor)는 4번째 분리 장치(#4 Separator)(114)를 통해 5번째 증발관(105) 및 5번째 예열기(110)로 공급된다.
4번째 증발관(104) 및 4번째 분리 장치(114)에 의해 배출되는 공정액은 4번째 순환 펌프(#4 Circulation Pump)(119)로 배출된다. 4번째 순환 펌프(119)는 공정액의 일부를 공정액 순환 배관을 통해 4번째 증발관(104)으로 순환시키고, 일부는 공정액 배관(순방향)을 통해 5번째 증발관(105)으로 공급한다.
5번째 증발관(105)에서 생성된 기체(#5 Vapor)는 5번째 분리 장치(#5 Separator)(115)를 통해 응축기(121)로 공급된다.
5번째 증발관(105) 및 5번째 분리 장치(115)에 의해 배출되는 공정액은 5번째 순환 펌프(#5 Circulation Pump)(120)로 배출된다. 5번째 순환 펌프(120)는 공정액의 일부를 공정액 순환 배관을 통해 5번째 증발관(105)으로 순환시킨다.
또한, 5번째 순환 펌프(120)는 여러 번의 증발 과정을 거쳐 생성한 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출한다.
이처럼, 도 1의 실시예는 증발관이 5중 효용관으로 이루어지고, 배출 배관이 5번째 증발관(105)에 연결되어 있다.
도 4의 실시예는 도 1과 동일한 구조를 가지고, 다만, 배출 배관이 4번째 증발관(104)에 연결되어 있다.
이때, 도 1의 실시예와 달리, 공정액의 역방향 흐름이 존재한다. 즉, 5번째 순환 펌프(120)에서 배출된 공정액은 공정액 배관을 통해 4번째 증발관(104)에 연결된다. 4번째 순환 펌프(119)에는 배출 배관이 연결되어, 4번째 순환 펌프(119)는 여러 번의 증발 과정을 거쳐 생성한 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출한다.
도 5의 실시예는 도 1과 동일한 구조를 가지고, 다만, 배출 배관이 3번째 증발관(103)에 연결되어 있다.
이때, 도 1의 실시예와 달리, 공정액의 역방향 흐름이 존재한다. 즉, 5번째 순환 펌프(120)에서 배출된 공정액은 공정액 배관을 통해 3번째 증발관(103)에 연결된다. 3번째 순환 펌프(118)에는 배출 배관이 연결되어, 3번째 순환 펌프(118)는 여러 번의 증발 과정을 거쳐 생성한 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출한다.
도 6의 실시예는 도 1과 동일한 구조를 가지고, 다만, 배출 배관이 2번째 증발관(102)에 연결되어 있다.
이때, 도 1의 실시예와 달리, 공정액의 역방향 흐름이 존재한다. 즉, 5번째 순환 펌프(120)에서 배출된 공정액은 공정액 배관을 통해 2번째 증발관(102)에 연결된다. 2번째 순환 펌프(117)에는 배출 배관이 연결되어, 2번째 순환 펌프(117)는 여러 번의 증발 과정을 거쳐 생성한 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출한다.
도 7의 실시예는 도 1과 동일한 구조를 가지고, 다만, 배출 배관이 1번째 증발관(101)에 연결되어 있다.
이때, 도 1의 실시예와 달리, 공정액의 역방향 흐름이 존재한다. 즉, 5번째 순환 펌프(120)에서 배출된 공정액은 공정액 배관을 통해 1번째 증발관(101)에 연결된다. 1번째 순환 펌프(116)에는 배출 배관이 연결되어, 1번째 순환 펌프(116)는 여러 번의 증발 과정을 거쳐 생성한 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출한다.
이처럼, 도 1과 같이 최종 증발관(105)에서 아미노산 농축액을 배출하는 경우를 제외하면, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 공정액의 흐름에서 한 번의 역방향 흐름이 반드시 존재한다.
다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 각각의 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 온도는 에너지 수지 및 열전달 원리상 후단, 즉, 1번째 증발관(101)에서 5번째 증발관(105)으로 갈수록 낮아진다. 그러므로 후단의 증발관(102, 103, 104, 105)에서 전단의 증발관(101, 102, 103, 104)으로 공정액을 운송하는 역방향 흐름은 공정액의 온도 증가가 반드시 수반되어 에너지 효율적으로는 손해이다. 결과적으로 다중 효용 증발관 구성에서 후단에서 공정액을 배출할수록 에너지 효율이 높아질 수 있다. 따라서, 배출하는 공정액의 최종 농도가 동일하다는 조건 하에서 공정액을 최대한 후단에서 배출하는 것이 경제성이 높다.
그럼에도 불구하고, 실제 아미노산 생산 공정에서는 공정액을 최대한 앞 단에서 배출하는 것이 경제성이 높은 경우가 발생한다. 아미노산 생산 공정에서 증발관을 가동하는 가장 중요한 목적은 공정액에서 물을 제거하는 것이다. 그러므로 아미노산 생산 공정 전체의 생산성을 극대화하기 위해서는 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 최종 배출하는 공정액의 농도를 최대한 높여야 한다.
또한, 일반적으로 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)은 아미노산 생산 공정 전체에서 가장 에너지 효율이 높은 물 제거 장치인데 반해, 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)과 연결된 후단의 증발 결정관 장치(도시하지 않음)는 에너지 효율이 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 비해 낮다. 그로 인해 비록 다중 효용 증발관의 에너지 효율이 다소 감소되더라도, 최종 배출하는 공정액의 농도를 최대한 높이는 것이 전체 아미노산 생산 공정의 에너지 효율 측면에서는 더 유리한 경우가 발생한다.
다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 장치 구조 상, 가동되는 공정액의 농도가 용해도 이상이 되면 아미노산 고형분 석출로 인해 열교환기가 막히는 문제점이 발생할 수 있다. 그러므로, 실제 공정의 운전 조건은 공정액의 농도가 용해도 이하가 되도록 해야만 하고, 아미노산의 용해도는 높은 온도일수록 증가하는 경향이 있으므로 앞 단에서 배출하는 것이 전체 공정의 에너지 효율 측면에서 유리할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 실제 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 운영에서 최적의 배출 배관은 주입되는 공정액의 아미노산 종류와 유량에 따라 달라지게 될 수 있다. 그렇기 때문에 시장의 수요에 따라 생산하는 제품의 종류와 수량을 민첩하게 조정해야 하는 생산 공장에서는 상황에 따라 최적의 배출 배관이 수시로 변화될 필요성이 있다.
종래와 같이, 배출 배관이 고정된 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서는 최적의 배출 배관이 달라지는 경우를 대처하지 못해 최적의 에너지 효율로 제품을 생산할 수 있는 기회를 놓치게 될 수 있다.
반면, 본 발명의 실시예와 같이 공정액 배관을 재구성하게 구현함으로써, 생산 제품의 종류와 수량에 따라 최적의 배출 배관이 달라지더라도 민첩하게 대응할 수 있다.
실시예에 따르면, 아미노산 생산 시스템(100)은 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린, L-트립토판, L-히스티딘, L-알지닌, L-이소류신, L-시스테인, L-글루타민 등과 같은 다양한 아미노산 제품을 생산할 수 있다.
이하, 본 발명의 효과를 실험을 통해 증명하였으며, 다양한 실험예를 설명하면 다음과 같다.
도 8은 한 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이고, 도 9는 한 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이고, 도 10은 한 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8, 9, 10의 실험예는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 적어서 모든 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 구성에서 공정액이 최대 용해도 농도 수준까지 농축되지 않는 경우를 나타낸다.
이 때, 도 8은 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 별로 용해도(Solubility) 대비 농축 농도(concentration)를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 모든 공정 조건에서 용해도보다 낮은 농축액 농도를 갖기 때문에 모든 배출 배관의 구성에서, 즉, 배출 배관이 5번째 증발관(105), 4번째 증발관(104), 3번째 증발관(103), 2번째 증발관(102), 1번째 증발관(101) 중 어느 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 연결되더라도 동일한 수준의 최종 농축도(Maximum concentration)를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 별로 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 스팀 효율(steam economy; 단위 질량의 스팀으로 증발시킬 수 있는 단위 질량의 물)을 나타낸다. 도 10은 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 별로 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸다.
도 9 및 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 개별 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 스팀 효율이 전체 공정의 스팀 효율에서 가장 중요한 영향을 주게 된다. 최종적으로, 가장 후단의 증발관, 즉, 5번째 증발관(105)에 배출 배관이 연결된 구조가 전체 스팀 효율에서 가장 유리한 것을 확인할 수 있다.
도 11은 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이고, 도 12는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이고, 도 13은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11, 12, 13의 실험예는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 많아서 모든 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 구성에서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되는 경우를 나타낸다.
도 11을 통해 나타낸 바와 같이, 모든 공정 조건에서 공정액의 농도와 용해도의 차이가 크지 않으나, 최대 농축도는 배출 배관의 온도가 가장 높은 가장 앞 단, 즉, 1번째 증발관(101)에 배출 배관을 연결한 구성이 높다.
도 12에 따르면, 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 자체의 스팀 효율은 가장 후단의 증발관, 즉, 5번째 증발관(105)에 배출 배관을 연결할 때 가장 높다. 하지만, 이 경우 스팀 효율이 상대적으로 낮은 후단의 증발 결정화 공정의 비효율적인 에너지 사용이 높아지게 되므로, 후단 증발 결정화의 기여율이 더 우세하여 전체적으로는 후단의 증발관(102, 103, 104, 105)에 배출 배관을 연결할 수록 전체 스팀 효율이 저하된다. 따라서, 도 13에 나타낸 바와 같이, 전단의 증발관(101, 102, 103, 104), 특히, 가장 앞에 위치한 1번째 증발관(101)에 배출 배관을 연결하였을 때 전체 스팀 효율이 가장 높음을 알 수 있다.
도 14는 또 다른 실험예에 따른 배출 배관 구성 별로 농축액 농도와 용해도를 나타낸 그래프이고, 도 15는 다른 실험예에 따른 다중 효용 증발관의 개별적인 스팀 효율을 나타낸 그래프이고, 도 16은 다른 실험예에 따른 후단의 증발 결정화 공정까지 포함한 전체 공정의 스팀 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14, 15, 16의 실험예는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 중간 수준이어서 일부 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 구성에서만 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되는 경우를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)에 배출 배관을 연결한 구성에서는 배출 배관 공정액의 농도가 용해도 수준까지 농축이 된다. 그리고 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102)에 배출 배관을 연결한 구성에서는 배출 배관 공정액의 농도가 용해도 보다 낮은 수준으로 고농도 농축이 되지 않음을 알 수 있다. 특히, 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103)에 배출 배관을 연결할 구성에서 농축 농도가 유사하고 이 때가 최대 농축도이다.
도 15를 참조하면, 개별 스팀 효율은 가장 후단의 증발관, 즉, 5번째 증발관(105)에 배출 배관이 연결되었을 때, 가장 높다. 그러나, 스팀 효율이 상대적으로 낮은 후단의 증발 결정화 공정의 기여율을 동시에 고려하면, 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103)에 배출 배관이 연결된 구성에서 3번째 증발관(103)에 배출 배관이 연결된 구성에서 스팀 효율이 가장 높고, 도 16에서와 같이, 전체 스팀 효율에서도 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 단, 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)과 증발 결정관의 물질 및 에너지 수지에 따라서 두 세부 공정의 상대적인 증발 기여도 및 스팀 효율은 변경되기 때문에 배출 배관 구성의 최적 위치는 변동될 가능성은 있지만, 전반적인 경향은 유지된다.
도 8 ~ 도 16에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 효과를 검증하기 위한 실험예들에서 도 1 ~ 도 7과 동일하게 5개의 증발관(101, 102, 103, 104, 105)을 사용하였다. 각 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 박막 강하 열교환기의 열교환면적은 10m2, 각 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 예열기(106, 107, 108, 109, 110)의 열교환면적은 1m2, 주입되는 공정액의 최소 유량은 2 ton/hr, 주입되는 공정액의 최대 유량은 5 ton/hr인 산업용 다중 효용 박막 강하 증발관을 직접 제작하여 준비하였다.
이때, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)은 도 1, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7에서와 같이 배출 배관을 재구성 가능하도록 제작하였다.
다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 후단에는 스팀 효율이 1.5 수준인 강제 순환식 농축 결정화기를 충분한 수로 배치하여 결정화 공정을 진행하였다.
실제 공정 테스트를 위해 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린 등 4종의 아미노산을 준비하였다. 각 아미노산은 순도 98% 이상의 상업용 제품을 사용하였다.
이때, 각 아미노산 제품의 용해도는 다음과 같이 (a) ~ (g)의 단계들을 통해 측정하였다.
(a) 항온 순환 수조에 연결된 2L 유리 자켓 반응기에 1L의 증류수를 채우는 단계,
(b) 항온 순환 수조의 온도를 조절하여 유리 자켓 반응기의 내부 온도를 측정하고자 하는 온도로 조정하는 단계,
(c) 측정하고자 하는 아미노산 분말을 더 이상 용해되지 않을 때까지 유리 자켓 반응기에 투입하여 아미노산 분말 슬러리를 제조하는 단계,
(d) 제조된 슬러리를 24시간 교반하고, 이후 교반을 멈추고 2시간 동안 안정화시키는 단계,
(e) 도자기 용기에 해사를 5g 가량 소취하여 넣고, 105도의 강제 순환 오븐에 3시간 동안 두어 잔류 수분을 제거한 후, 실리카겔이 포함된 진공 건조기에 1시간 동안 두어 온도를 상온까지 냉각시키는 단계,
(f) (d)단계의 유리 자켓 반응기에서 투명한 상등액을 채취하여 (e)단계의 도자기 용기에 넣고, 넣기 전과 후의 무게 차이를 이용하여 [용액의 질량]을 정량화하는 단계,
(g) (f)단계의 용기를 105도의 강제 순환 오븐에 3시간 동안 두어 잔류 수분을 제거한 후, 실리카겔이 들어가 있는 진공 건조기에 1시간 동안 두어 온도를 상온까지 냉각하고, 무게 차이를 이용하여 제거된 수분량을 정량하고, 이를 이용하여 측정하려는 아미노산의 용해도를 환산하는 단계,
이때, 아미노산의 용해도는 수학식 1을 통해 질량 분율로 계산된다.
[수학식 1]
이와 같이, (a) ~ (g)의 단계들을 통해 측정한 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린 4종의 아미노산의 용해도는 도 17과 같다.
도 17은 실험예에 따른 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린의 물에서의 용해도를 나타낸 그래프이다. 각각의 아미노산의 용해도는 다중 효용 박막 농축관 가동시, 각 관의 온도 조건에 상응하는 최대 농도 지표 기준으로 사용하여, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 박막 강하 열교환기의 막힘을 방지하였다.
이상 기술한 실험 조건을 적용하여, 한가지 비교예와 4가지 실시예를 통해 실험을 진행하였다.
한가지 비교예는 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)이 전체 공정 스팀 효율 개선에 도움을 주지 않는 L-라이신 생산 공정 예시에 해당한다.
한가지 비교예에서는, 테스트를 위해 질량 분율이 0.2인 L-라이신 수용액을 준비하였고, 해당 수용액의 온도는 실험이 진행되는 동안 50도로 유지되었다. 주입되는 공정액의 유량은 2, 3, 4, 5 ton/hr로 나누어 실험을 진행하였으며, 배출 배관은 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)에 연결되는 경우로 나누어 실험을 진행하였다.
L-라이신의 특성상 결정화를 진행하기 위해서는 라이신과 동일 당량(equivalent, eq)의 염산이 추가되어야 하기 때문에, 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 배출된 공정액에는 동일 당량의 염산을 연속적으로 투입하였다. 이후, 강제 순환 증발 결정관에서 배출되는 결정 슬러리의 농도는 L-라이신 기준 질량 분율을 0.6으로 고정하였다. 각 실험은 10시간 이상 안정화를 거친 이후, 다중 효용 박막 강하 증발관에서 배출되는 공정액의 농도, 전체 공정의 스팀 효율을 관측하였고, 해당 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2는 L-라이신 생산 공정에서 주입되는 공정액의 유량과 배출 배관을 증발관 별로 다르게 연결한 구성에 따른 다중 효용 박막 강하 증발관 배출 농도 및 총 스팀 효율을 나타낸다.
| 주입되는 공정액 유량(ton/hr) | 배출 배관 | 증발관 배출 농도(질량 분율) | 총 스팀 효율 |
| 2 | 1 | 0.423 | 2.82 |
| 2 | 2 | 0.423 | 2.91 |
| 2 | 3 | 0.423 | 3.03 |
| 2 | 4 | 0.423 | 3.11 |
| 2 | 5 | 0.423 | 3.19(최적) |
| 3 | 1 | 0.329 | 2.14 |
| 3 | 2 | 0.329 | 2.22 |
| 3 | 3 | 0.329 | 2.31 |
| 3 | 4 | 0.329 | 2.37 |
| 3 | 5 | 0.329 | 2.42(최적) |
| 4 | 1 | 0.291 | 1.87 |
| 4 | 2 | 0.291 | 1.95 |
| 4 | 3 | 0.291 | 2.02 |
| 4 | 4 | 0.291 | 2.07 |
| 4 | 5 | 0.291 | 2.12(최적) |
| 5 | 1 | 0.272 | 1.73 |
| 5 | 2 | 0.272 | 1.81 |
| 5 | 3 | 0.272 | 1.87 |
| 5 | 4 | 0.272 | 1.92 |
| 5 | 5 | 0.272 | 1.96(최적) |
표 2에 따르면, 동일한 주입 공정액 유량에서는 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 상관없이 배출 농도가 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 적어서 공정액이 평형 용해도 수준까지 고농도로 농축되지 않기 때문이다. 따라서, 총 스팀 효율은 배출 배관이 5번째 증발관(105)에 연결되었을 때, 주입되는 공정액의 유량에 상관없이 항상 최적이 된다. 이러한 유형의 아미노산 제품을 단독 생산할 때는 배출 배관이 연결된 증발관의 구성을 변경할 필요 없이 5번째 증발관(105)에 배출 배관을 연결한 구성으로 고정하여 장치를 설치하여도 에너지 효율에 손해를 보지 않는다.
다음으로, 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)이 전체 공정 스팀 효율 개선에 도움을 줄 수 있는 다양한 생산 공정에 대해 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 1번째 실시예는 L-메티오닌 생산 공정을 나타낸다.
테스트를 위해 질량 분율이 0.05인 L-메티오닌 수용액을 준비하였고, 해당 수용액의 온도는 실험이 진행되는 동안 50도로 유지되었다. 주입되는 공정액의 유량은 2, 3, 4, 5 ton/hr로 나누어 실험을 진행하였다. 배출 배관은 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)으로 나누어 실험을 진행하였다. 이후, 강제 순환 증발 결정관에서 배출되는 결정 슬러리의 농도는 L-메티오닌 기준 질량 분율을 0.25로 고정하였다. 각 실험은 10시간 이상 안정화를 거친 이후, 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 배출되는 공정액의 농도, 전체 공정의 스팀 효율을 관측하였고, 해당 결과를 표 3에 나타내었다.
표 3은 L-메티오닌 생산 공정에서 주입되는 공정액의 유량과 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105)을 달리한 구성에 따른 다중 효용 박막 강하 증발관의 배출 농도 및 총 스팀 효율을 나타낸다.
| 주입되는 공정액 유량(ton/hr) | 배출 배관 | 증발관 배출 농도(질량 분율) | 총 스팀 효율 |
| 2 | 1 | 0.120 | 2.68(최적) |
| 2 | 2 | 0.115 | 2.67 |
| 2 | 3 | 0.111 | 2.65 |
| 2 | 4 | 0.105 | 2.62 |
| 2 | 5 | 0.100 | 2.55 |
| 3 | 1 | 0.095 | 2.19 |
| 3 | 2 | 0.095 | 2.27 |
| 3 | 3 | 0.095 | 2.35 |
| 3 | 4 | 0.095 | 2.40(최적) |
| 3 | 5 | 0.089 | 2.32 |
| 4 | 1 | 0.080 | 1.90 |
| 4 | 2 | 0.080 | 1.97 |
| 4 | 3 | 0.080 | 2.04 |
| 4 | 4 | 0.080 | 2.08 |
| 4 | 5 | 0.080 | 2.13(최적) |
| 5 | 1 | 0.073 | 1.75 |
| 5 | 2 | 0.073 | 1.83 |
| 5 | 3 | 0.073 | 1.89 |
| 5 | 4 | 0.073 | 1.92 |
| 5 | 5 | 0.073 | 1.97(최적) |
표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 배출 농도가 앞 단일수록 증가하는 경향을 나타낸다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 많아서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되기 때문이다. 이러한 경우에는 최적의 배출 배관이 5번째 증발관(106)이 아닌 다른 증발관(101, 102, 103, 104)에 연결된 경우일 수 있다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때는 1번째 증발관(101)에 배출 배관이 연결되었을 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 3ton/hr일 때, 배출 배관이 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104)에 연결된 경우, L-메티오닌 기준 질량 분율 0.095로 동일한 농축도를 나타낸다. 하지만, 5번째 증발관(105)에 배출 배관이 연결된 구성에서는 질량 분율 0.89까지 농축이 가능하였다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 3ton/hr일 때는 4번째 증발관(104)에 배출 배관이 연결되었을 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 4ton/hr일 때와 5ton/hr일 때는 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 상관없이 배출 농도가 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 적어서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되지 않기 때문이다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 4ton/hr 및 5ton/hr일 때, 배출 배관이 5번째 증발관(105)에 연결된 구성이 총 스팀 효율 측면에서 최적이었다.
결과적으로 L-메티오닌을 생산할 때는 생산량 조절을 위해 주입되는 공정액의 유량을 조절할 때, 최적의 배출 배관 구성이 변화될 수 있으므로, 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관 설치를 통해 에너지 효율을 개선시킬 수 있다.
2번째 실시예는 L-쓰레오닌 생산 공정을 나타낸다.
테스트를 위해 질량 분율이 0.10인 L-쓰레오닌 수용액을 준비하였고, 해당 수용액의 온도는 실험이 진행되는 동안 50도로 유지되었다.
주입되는 공정액의 유량은 2, 3, 4, 5 ton/hr로 나누어 실험을 진행하였으며, 배출 배관은 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)에 연결된 구성 별로 나누어 실험을 진행하였다. 이후 강제 순환 증발 결정관에서 배출되는 결정 슬러리의 농도는 L-쓰레오닌 기준 질량 분율을 0.60으로 고정하였다. 각 실험은 10시간 이상 안정화를 거친 이후, 다중 효용 박막 강하 증발관에서 배출되는 공정액의 농도, 전체 공정의 스팀 효율을 관측하였고, 해당 결과를 표 4에 나타내었다.
표 4는 L-쓰레오닌 생산 공정에서 주입되는 공정액의 유량과 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105) 별로 배출 농도 및 총 스팀 효율을 나타낸다.
| 주입되는 공정액 유량(ton/hr) | 배출 배관 | 증발관 배출 농도(질량 분율) | 총 스팀 효율 |
| 2 | 1 | 0.177 | 2.21(최적) |
| 2 | 2 | 0.169 | 2.18 |
| 2 | 3 | 0.166 | 2.17 |
| 2 | 4 | 0.163 | 2.17 |
| 2 | 5 | 0.162 | 2.16 |
| 3 | 1 | 0.166 | 1.96 |
| 3 | 2 | 0.166 | 1.99 |
| 3 | 3 | 0.166 | 2.06(최적) |
| 3 | 4 | 0.150 | 1.98 |
| 3 | 5 | 0.148 | 1.99 |
| 4 | 1 | 0.145 | 1.78 |
| 4 | 2 | 0.145 | 1.83 |
| 4 | 3 | 0.145 | 1.87 |
| 4 | 4 | 0.145 | 1.90 |
| 4 | 5 | 0.145 | 1.92(최적) |
| 5 | 1 | 0.140 | 1.70 |
| 5 | 2 | 0.140 | 1.78 |
| 5 | 3 | 0.140 | 1.82 |
| 5 | 4 | 0.140 | 1.85 |
| 5 | 5 | 0.140 | 1.88(최적) |
표 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 배출 농도가 앞 단일수록 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 많아서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되기 때문이다.
주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때는 1번째 증발관(101)에 배출 배관이 연결되었 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 3ton/h일 때, 배출 배관이 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103)인 구성에서 L-쓰레오닌 기준 질량 분율 0.166으로 동일한 농축도를 나타낸다. 반면, 4번째 증발관(104) 및 5번째 증발관(105)인 구성에서는 L-쓰레오닌 기준 질량 분율 0.166 이하에서 농축이 가능하였다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 3ton/hr일 때는 3번째 증발관(103)에 배출 배관이 연결되었을 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 4ton/hr일 때와 5 ton/hr일 때는 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 상관없이 증발관 배출 농도가 일정한 것을 확인할 수 있으며, 이는 다중 효용 증발관의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 적어서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되지 않기 때문이다. 그렇기 때문에, 주입되는 공정액의 유량이 4 ton/hr 및 5 ton/hr일 때, 배출 배관이 5번째 증발관(105)일 때의 구성이 총 스팀 효율 측면에서 최적이었다. 결과적으로 L-쓰레오닌을 생산할 때는 생산량 조절을 위해 주입되는 공정액의 유량을 조절할 때, 최적의 배출 배관 구성이 변화될 수 있으므로, 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관 설치를 통해 에너지 효율을 개선시킬 수 있다.
3번째 실시예는 L-발린 생산 공정을 나타낸다.
테스트를 위해 질량 분율이 0.05인 L-발린 수용액을 준비하였고, 해당 수용액의 온도는 실험이 진행되는 동안 50도로 유지되었다.
주입되는 공정액의 유량은 2, 3, 4, 5 ton/hr로 나누어 실험을 진행하였으며, 배출 배관은 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104), 5번째 증발관(105)으로 나누어 실험을 진행하였다. 이후 강제 순환 증발 결정관에서 배출되는 결정 슬러리의 농도는 L-발린 기준 질량 분율을 0.35로 고정하였다. 각 실험은 10시간 이상 안정화를 거친 이후, 다중 효용 박막 강하 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에서 배출되는 공정액의 농도, 전체 공정의 스팀 효율을 관측하였고, 해당 결과를 표 5에 나타내었다.
표 5는 L-발린 생산 공정에서 주입되는 공정액의 유량과 배출 배관을 연결한 증발관의 구성에 따른 배출 농도 및 총 스팀 효율을 나타낸다.
| 주입되는 공정액 유량(ton/hr) | 배출 배관 | 증발관 배출 농도(질량 분율) | 총 스팀 효율 |
| 2 | 1 | 0.088 | 2.08(최적) |
| 2 | 2 | 0.084 | 2.07 |
| 2 | 3 | 0.080 | 2.05 |
| 2 | 4 | 0.079 | 2.04 |
| 2 | 5 | 0.077 | 2.01 |
| 3 | 1 | 0.080 | 1.91 |
| 3 | 2 | 0.080 | 1.95 |
| 3 | 3 | 0.080 | 2.00(최적) |
| 3 | 4 | 0.075 | 1.96 |
| 3 | 5 | 0.074 | 1.95 |
| 4 | 1 | 0.075 | 1.80 |
| 4 | 2 | 0.075 | 1.85 |
| 4 | 3 | 0.075 | 1.90 |
| 4 | 4 | 0.075 | 1.91(최적) |
| 4 | 5 | 0.071 | 1.89 |
| 5 | 1 | 0.071 | 1.72 |
| 5 | 2 | 0.071 | 1.76 |
| 5 | 3 | 0.071 | 1.82 |
| 5 | 4 | 0.071 | 1.86 |
| 5 | 5 | 0.071 | 1.88(최적) |
표 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때, 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 배출 농도가 앞 단일수록 증가하는 경향을 나타낸다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 많아서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되기 때문이다.
주입되는 공정액의 유량이 2ton/hr일 때는 1번째 증발관(101)이 배출 배관일 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 3ton/h일 때, 배출 배관이 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103)에 연결된 구성에서는 L-발린 기준 질량 분율 0.080으로 동일한 농축도를 나타내고, 배출 배관이 4번째 증발관(104) 및 5번째 증발관(105)에 연결된 구성에서는 L-발린 기준 질량 분율 0.080 이하에서 농축이 가능하였다. 이는 4번째 증발관(104) 및 5번째 증발관(105)에 배출 배관이 연결된 구성에서만 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 많아, 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되기 때문이다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 3ton/hr일 때는 3번째 증발관(103)이 배출 배관일 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 4ton/hr일 때, 배출 배관이 1번째 증발관(101), 2번째 증발관(102), 3번째 증발관(103), 4번째 증발관(104)에 연결된 구성에서는 L-발린 기준 질량 분율 0.075으로 동일한 농축도를 나타내고, 5번째 증발관(105)인 구성에서는 발린 기준 질량 분율 0.075 이하에서 농축이 가능하다.
주입되는 공정액의 유량이 4ton/hr일 때는 배출 배관이 4번째 증발관(104)에 연결되었을 때 총 스팀 효율이 가장 최적이었다.
주입되는 공정액의 유량이 5ton/hr일 때는 배출 배관이 연결된 증발관(101, 102, 103, 104, 105)에 상관없이 배출 농도가 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 다중 효용 증발관(101, 102, 103, 104, 105)의 증발 속도가 주입되는 공정액의 물량 대비 상대적으로 적어서 공정액이 용해도 수준까지 고농도로 농축되지 않기 때문이다. 따라서, 주입되는 공정액의 유량이 5ton/hr일 때, 배출 배관이 5번째 증발관(105)에 연결되었을 때의 구성이 총 스팀 효율 측면에서 최적이었다.
결과적으로 L-발린을 생산할 때는 생산량 조절을 위해 주입되는 공정액의 유량을 조절할 때, 최적의 배출 배관 구성이 변화될 수 있으므로, 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관 설치를 통해 에너지 효율을 개선시킬 수 있다.
이상 기재한 바에 따르면, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 조건으로 동일한 공장에서 L-라이신, L-메티오닌, L-쓰레오닌, L-발린을 호환 생산하였을 때, 주입되는 공정액의 유량 및 생산하는 아미노산 종류에 따라서 최적의 배출 배관 구성이 다양하게 변경될 수 있다. 이와 같은 아미노산 호환 생산의 경우, 비록 L-라이신의 최적 배출 배관이 5번째 증발관(105)으로 고정된다고 하더라도, 다른 아미노산을 생산하기 위해서는 배출 배관 구성을 변경해야 하므로, 재구성 가능한 다중 효용 박막 강하 증발관을 설치하였을 때 전체 공정 스팀 효율 개선에 도움이 됨을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (14)
- 아미노산이 혼합된 공정액을 가열하고, 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 예열기들, 그리고
상기 복수개의 예열기들을 통해 가열된 공정액을 열원과의 열교환을 통해 증발시키고 복수개의 배관들을 통해 서로 연결된 복수개의 증발관들을 포함하고,
상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관은,
상기 증발을 통해 물이 제거된 아미노산 농축액을 배출 배관을 통해 외부로 배출하고,
상기 배출 배관은,
상기 복수개의 증발관들 중 하나의 증발관에 선택적으로 연결되는, 아미노산 생산 시스템. - 제1항에서,
상기 복수개의 증발관들은,
적어도 3개의 증발관들을 포함하고, 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결되는, 아미노산 생산 시스템. - 제2항에서,
상기 배출 배관이 상기 복수개의 증발관들 중에서 마지막으로 배치된 증발관이 아닌 나머지 증발관들에 연결되는 경우, 상기 배출 배관이 연결된 증발관은,
상기 마지막으로 배치된 증발관에서 배출되는 공정액이 유입되는 역방향 배관에 연결되는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 배출 배관은,
1번째 증발관에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고,
상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은,
2번째 증발관부터 마지막 순번의 증발관까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들, 그리고
상기 마지막 순번의 증발관에서 1번째 증발관까지 역방향으로 공정액을 전달하는 역방향 공정액 배관
을 포함하는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 배출 배관은,
상기 복수개의 증발관들 중에서 1번째 증발관과 가장 마지막에 위치한 증발관을 제외한 나머지 증발관들에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고,
상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은,
상기 1번째 증발관부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관의 전단에 위치한 증발관들까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들, 그리고
상기 가장 마지막에 위치한 증발관에서 상기 배출 배관이 연결된 증발관까지 역방향으로 공정액을 전달하는 역방향 공정액 배관
을 포함하는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 배출 배관은,
가장 마지막에 위치한 증발관에 연결되어 아미노산 농축액을 최종 배출하고,
상기 복수개의 증발관들과 연결된 복수개의 배관들은,
1번째 증발관부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관의 전단에 위치한 증발관까지 순방향으로 공정액을 전달하는 복수개의 순방향 공정액 배관들
을 포함하는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 복수개의 예열기들은,
복수개의 배관들을 통해 직렬로 순차적으로 연결되고,
가장 전단에 위치하는 제1 예열기에서 배출되는 예열된 공정액은,
가장 전단에 위치하는 제1 증발관으로 유입되는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 복수개의 증발관들과 각각 연결되고, 상기 복수개의 증발관들이 배출하는 공정액을 다음 순서의 증발관들에게 각각의 배관을 통해 순차적으로 배출하는 복수개의 펌프들
을 더 포함하는, 아미노산 생산 시스템. - 제8항에서,
상기 복수개의 순환 펌프들은,
상기 공정액을 연결된 증발관으로 순환시키는 배관에 추가로 연결되는, 아미노산 생산 시스템. - 제3항에서,
상기 복수개의 증발관들과 연결되어 상기 복수개의 증발관들이 배출하는 기체를 후단의 증발관 및 예열기로 공급하는 복수개의 분리 장치들을 더 포함하고,
상기 복수개의 증발관들 중에서 가장 전단에 위치한 증발관 및 상기 복수개의 예열기들 중에서 가장 전단에 위치한 예열기는,
외부에서 유입되는 스팀을 공급받는, 아미노산 생산 시스템. - 복수개의 배관들을 통해 연결된 다중 효용 박막 강하 방식의 복수개의 증발관들을 포함하는 아미노산 생산 시스템에서, 상기 복수개의 배관들을 연결하는 방법으로서,
상기 증발관들을 상기 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결시키는 단계, 그리고
상기 증발관들에서 증발을 통해 물이 제거된 아미노산 농축액을 외부로 배출하는 배출 배관을 상기 증발관들 중에서 하나의 증발관에 선택적으로 연결시키는 단계
를 포함하는, 방법. - 제11항에서,
상기 선택적으로 연결시키는 단계 이후,
상기 배출 배관이 상기 증발관들 중에서 가장 마지막에 위치한 증발관이 아닌 증발관에 연결시킨 경우, 1번째 증발관에서부터 상기 가장 마지막에 위치한 증발관에 이르기까지 아미노산이 혼합된 공정액을 순방향으로 이동시키는 공정액 배관들을 통해 연결시키는 단계, 그리고
상기 가장 마지막에 위치한 증발관에서 상기 배출 배관이 연결된 증발관에 이르기까지 공정액을 역방향으로 이동시키는 공정액 배관을 통해 연결시키는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제11항에서,
상기 복수개의 증발관들이 배출하는 증기를 응축시키는 복수개의 응축기들을 개별 증발관들, 그리고 상기 개별 증발관들의 후단에 위치하는 증발관에 연결시키는 단계를 더 포함하고,
상기 복수개의 응축기들이 배출하는 공정액은,
순환 배관을 통해 각각의 개별 증발관, 그리고 상기 각각의 개별 증발관의 후단에 위치하는 증발관으로 전달되는, 방법. - 제11항에서,
아미노산이 혼합된 공정액을 가열시키는 복수개의 예열기들을 복수개의 배관들을 통해 순차적으로 직렬 연결시키고, 공정액이 유입되는 지점의 예열기를 기준으로 가장 마지막 위치에 연결된 예열기는 상기 증발관들 중에서 가장 처음에 위치한 증발관과 배관을 통해 연결시키는 단계를 더 포함하고,
상기 가장 마지막 위치에 연결된 예열기를 통해 가열된 공정액은,
상기 가장 처음에 위치한 증발관으로 전달되는, 방법.
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| KR1020220072201A KR102661850B1 (ko) | 2022-06-14 | 2022-06-14 | 아미노산 호환 생산을 위한 재구성이 가능한 복수개의 배관을 포함하는 아미노산 생산 시스템 및 구성 방법 |
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| CN208720845U (zh) | 2018-06-28 | 2019-04-09 | 四川绵竹市鹏发生化有限责任公司 | 一种用于氨基酸生产的冷凝器 |
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Patent Citations (4)
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