KR20100051050A - 발효로부터 생성물을 회수하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성인 제2 유체로 이동시키는 방법 및 장치를 제공한다.

Description

발효로부터 생성물을 회수하는 방법{Process for recovering products from fermentation}

본 발명은 다중상 시스템(multiphase system) 중 물질 이동 분야에 속한다.

비혼화성(immiscible) 액체 반응물이 포함된 다중상 화학 반응에서, 상기 액체들 중 하나의 분산액은 반응 속도를 증가시키기 위해 표면적을 증가시키도록 미세한 액적(fine droplet)으로 전환된다. 동일한 목적을 달성하기 위해, 물리적 분산(physical dispersion)이 일반적으로 이용된다. 그러나, 이 공정은 엄청난 에너지와 자본 이용을 필요로 한다.

다중상 화학 반응은 화학 반응, 용매 추출 및 액적에 의해 기체 흐름(gas stream)으로부터 초미세 입자 분리와 같은 다수의 분야에 관여된다.

그와 같은 문제는 미생물 발효 공정의 하류 가공(downstream processing)에 의해 더 예시될 수 있다. 발효 또는 기타 산업적 공정으로부터 유용한 생성물의 실제 회수를 위해 이용되는 다양한 공정들이 하류 가공으로 불린다. 하류 가공(DSP) 비용은 종종 제조 비용의 50%를 초과하고, DSP의 각 단계에서 생성물의 손실이 있다. 또한, 생성물은 세포 또는 배지 또는 양자 모두에 존재한다.

액체-액체 추출은 발효 생성물을 회수하기 위해 널리 이용되는 공정 중 하나이다. 액체-액체 추출 공정에서, 액체 중 하나(일반적으로 기질)는 전체 추출 컬럼을 충진하는 연속상(continuous phase)으로 존재하고 하나의 방향으로 흐른다. 제2 액체(일반적으로 용매)는 미세하게 분산된 상(finely dispersed phase)으로 존재하고, 반대 방향으로 흐른다. 하나의 상으로부터 나머지 상으로의 효율적인 물질 전달을 위해 보다 많은 표면적이 이용가능하게 하기 위해 미세 분산액(fine dispersion)이 요구되고, 이는 현재의 도전과제이다. 분산상(disperse phase)의 표면적을 증가시키기 위해 이용가능한 유일한 공정은 물리적 분산, 특히, 분무화(atomization)에 의한 물리적 분산이다. 분무화는 값비싼 분무기(atomizer)의 자본 비용을 수반하고, 외부 압력은 공정의 운영 비용(running cost)을 증가시켜, 공정을 에너지 집약적이고 고비용인 공정이 되게 한다.

일반적인 액체-액체 추출에서, 용매가 더 넓은 표면적을 생성하기 위해 용매의 소적(small droplet)을 생성하도록 분무화되고, 분무기를 통한 분무화는 보다 많은 에너지가 요구되므로, 이는 다량 저가 제품(high volume low value product)을 위해서는 산업적으로 타당하지 않을 수 있다.

본 출원인은 액체-액체 추출 공정을 보다 에너지 효율적이게 하기 위해 분산액의 하나의 액적(liquid droplet)의 표면적을 증가시키기 위해 노력하였다. 진행 중인 예비 실험은 본 발명의 방법이 다량의 에너지를 포함하지 않으면서 시스템에서 증기를 응축하는 것에 의해 초미세 액적(ultrafine liquid droplet)을 분산시키는 것에 의해 초미세 입자들을 기체상으로부터 분리하기 위해 효율적으로 이용될 수 있다는 것을 보여주었다.

본 발명의 주목적은 다중상 시스템에서 물질 전달 작업(mass transfer operation)을 개선하기 위해 분산 액체상의 액적의 표면적을 증가시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제1 유체(fluid)로부터 제2 유체로 용질을 전달하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성(immiscible)인 제2 유체로 이동시키는 방법으로서, 상기 방법은 기체 상태의 제2 유체를 상기 제1 유체로 도입하는 단계로서, 상기 제1 유체는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 낮은 온도에서 유지되고, 그에 의해 상기 제1 유체의 응축은 상기 용질을 상기 제2 유체로부터 추출하는 초-미세 액체 입자를 형성하는 것인 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

따라서, 본 발명은 분산액의 상태를 증기에서 액체로 변화시키는 것에 의해 전술된 바와 같은 단점을 제거하는 방법을 개시한다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 용질은 제1 유체와 제2 유체가 상호 간에 접촉될 때, 상기 제1 유체 및 제2 유체에 가용성이다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 용질은 액체, 고체, 또는 기체의 형태이다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 역류(countercurrent flow) 상태이다.

본 발명은 또한, 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성(immiscible)인 제2 유체로 이동시키는 장치로서, 상기 장치는

상기 제1 유체를 공급하기 위한 제1 주입구(inlet)를 갖는, 제1 온도에서 유지되는 추출 챔버로서, 상기 추출 챔버는 상기 추출 챔버에 상기 제2 유체를 공급하기 위한 제2 주입구를 포함하고, 상기 제2 주입구는 제2 온도에서 유지된 제2 유체를 저장하기에 적합한 저장조(reservoir)에 연결되며, 상기 제1 온도는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 낮고, 상기 제2 온도는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 높은 것인 추출 챔버, 및

상기 제2 유체의 응축 온도보다 높은 제3 온도에서 유지되는 것인, 상기 제2 유체와 상기 용질의 용액을 수용하기 위해 상기 추출 챔버 상에 제공된 제1 배출구(outlet)에 연결된 플래쉬 탱크(flash tank)를 포함하는 것인 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 제1 주입구와 상기 제2 주입구는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 상기 추출 챔버 내에서 역류 방향으로 공급되도록 배치된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 추출 챔버에 소정의(predetermined) 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷(jacket)이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 저장조에 소정의 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 플래쉬 탱크에 소정의 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷이 제공된다.

표면적을 증가시키는 방법은 하류 발효(downstream fermentation) 공정 동안 액체-액체 추출에 의해 예시되며, 상기 공정에서 분산액의 액적의 표면적이 분산액의 상태가 최초의 기체 상태에서 액체 상태로 변화하는 것에 의해 증가된다.

본 발명의 방법의 하나의 유리한 양태에서, 분산액은 용매의 제거가 추가적인 에너지를 요구하지 않도록 n-펜탄(36.1℃), R143a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄, (-26.3℃)), 헥산(69.1℃), 클로로포름(61.2℃)과 같은 낮은 끓는점 용매로부터 선택된다. 용매는 온도를 약간 증가시키는 것에 의한 플래쉬 증발에 의해 또는 압력을 저하시켜 플래쉬 증발기에서 증기를 형성하고 추출 컬럼을 통해 연속적으로 통과시켜 공정을 연속화시키는 것에 의해 분리된다.

본 발명에서, 용매는 증기의 형태로 추출 컬럼 또는 챔버로 들어가고 추출 컬럼에서 용매 증기를 응축시켜 큰 표면적을 갖는 소적(small droplet)이 형성된다.

또한, 본 발명은 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성인 제2 유체로 이동시키는 장치를 제공한다. 상기 제1 유체는 추출대상 용질의 용액이고, 상기 제2 유체는 그 내부로 용질이 추출될 유체이다. 본 발명의 장치는 추출 챔버를 포함한다. 상기 추출 챔버는 컬럼의 형태일 수 있다. 상기 추출 챔버는 각각 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체를 공급하기 위한 제1 주입구 및 제2 주입구를 갖는다. 본 발명의 일 구체예에서, 상기 제1 주입구와 상기 제2 주입구는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 상기 추출 챔버 내에서 역류 방향으로 이동하도록 상기 추출 챔버 내에 위치한다. 상기 추출 챔버는 제1 온도에서 유지되고, 상기 온도는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 더 낮다. 제2 유체를 담기에 적합한, 저장조(reservoir)가 상기 추출 챔버의 제2 주입구에 연결된다. 상기 저장조는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 더 높은 제2 온도에서 유지된다. 바꾸어 말하면, 상기 저장조는 증기 또는 기체 형태의 제2 유체를 포함한다. 증기 또는 기체 형태의 제2 유체는 제2 주입구를 통해 추출 챔버 내로 공급된다. 상기 추출 챔버 내로 들어간 제2 유체의 증기는 응축되어 초미세 액체 입자를 형성하고, 상기 액체 입자는 상기 제1 유체로부터 용질을 추출한다. 상기 두 유체, 즉, 제1 유체 및 제2 유체는 상호 간에 비혼화성이기 때문에, 추출 챔버 내에서 별개의 층을 형성한다. 상기 제2 유체 및 상기 용질의 용액을 수집하기 위해 상기 추출 챔버에 제1 배출구(outlet)가 제공될 수 있다. 또한, 상기 제1 유체를 수집하기 위해 상기 추출 챔버에 제2 배출구가 제공될 수 있다. 상기 추출 챔버로부터 수집된 제2 유체 중의 용질의 용액이 플래쉬 탱크로 공급된다. 상기 플래쉬 탱크는 상기 추출 챔버의 제1 배출구에 연결될 수 있다. 플래쉬 탱크는 제2 유체의 응축 온도보다 더 높은 제3 온도에서 유지된다. 플래쉬 탱크에 제2 유체 중의 용질의 용액을 공급하는 것이 상기 제2 유체의 제거를 유발하고, 그에 의해 용질을 남게할 수 있다. 그 후, 용질이 상기 플래쉬 탱크로부터 추출될 수 있다.

상기 추출 챔버로부터 상기 제1 유체를 수집하기 위해 상기 추출 챔버에 제2 배출구가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 추출 챔버를 제1 온도에서 유지시키기 위해 그를 통해 제1 온도의 물이 공급될 수 있는 재킷(jacket)이 상기 추출 챔버 상에 제공될 수 있다. 마찬가지로, 상기 저장조를 제2 온도에서 유지시키기 위해 그를 통해 제2 온도의 물이 공급될 수 있는 재킷이 상기 저장조 상에 제공될 수 있다. 마찬가지로, 플래쉬 탱크를 제3 온도에서 유지시키기 위해 그를 통해 제3 온도의 물이 공급될 수 있는 재킷이 상기 플래쉬 탱크 상에 제공될 수 있다.

온도는 유체의 속성에 근거하여 선택될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부티르산 추출용 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 알코올 추출용 장치를 도시한다.

하기의 실시예는 본 발명의 예시로서 제시되며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예 1:

농도 6% (w/v)의 부티르산을 공급 용액(feed solution)으로 이용하고 210 ml/분의 유속으로 연속적으로 1 미터 길이의 추출 컬럼을 통해 통과시켰다. 컬럼 내용물(column content)을 주변 온도 이하(sub ambient temperature)의 25℃에서 유지시켰다. 1 리터의 n-펜탄을 수용액의 플러딩 컬럼(flooding column)을 통해 통과시키고 10분 간격으로 컬럼의 하부에서 수집된 폐기액(spent liquid)의 농도를 관찰했다. 플래쉬 탱크 중의 잔류 생성물의 농도도 측정했다. 관찰 결과가 표-1에 표시된다. 시료 분석은 기체 크로마토그래피에 의해 수행하였다.

시간(분)	부티르산 추출잔류물(raffinate) 흐름의 농도(% w/v)
60	3.1

실시예 2:

실시예 1과 동일한 반응물 및 유사한 실험 조건을 유지하고, 본 발명의 방법을 이용하여 유사한 액체-액체 추출을 수행하였다. 대조 실험(실시예 1)에서와 같이 컬럼 내에서 직접 액체상을 분산시키는 대신에, 액체상을 기체 상태로 상기 컬럼에 적용하고 뒤이어 상기 기체상을 액체로 응축시켜, 그에 의해 분산액의 초-미세 입자를 형성시켰다. 탱크에 분산 액체, 즉, 1 리터의 n-펜탄을 채취하고 재킷 내의 40℃ 온수를 이용하여 증발시켰다. 상기 증기를 수용액의 플러딩 컬럼을 통해 통과시켰고, 상기 컬럼 온도는 25℃ 였으며, 이는 상기 증기를 액체 상태로 응축시켰다. 액적은 보다 높은 밀도 때문에 하향했고, 상기 용액으로부터 용질을 추출시켰다. 플래쉬 탱크 내의 잔류 생성물의 농도도 측정했다. 관찰 결과가 표-2에 표시된다. 시료 분석은 기체 크로마토그래피에 의해 수행하였다. 실시예 1과 실시예 2의 비교에서, 분산액체 상(dispersing liquid phase)의 액적의 표면적이 증가된 경우, 추출이 매우 효율적이라는 것을 관찰하였다. 특히, 대조 실험에서, 50% 회수는 60분차에 달성되었고, 동일한 효과가 본 실시예에서는 20분 이내에 달성되었다.

1. 공급(feed) 부티르산 용액의 농도: 6%(w/v)
2. 회수된 생성물의 농도: 100%(w/v)
시간의 경과에 따른 추출잔류물 흐름의 농도 변화
시료 번호(Sl. No.)	시간(분)	추출 잔류물 흐름의 부티르산 농도(% w/v)
1	10	4.07
2	20	3.08
3	30	2.69
4	40	1.42
5	50	0.89
6	60	0.57

실시예 3:

8% (w/v) 농도의 에탄올을 1 미터 길이의 추출 컬럼에서 공급 용액으로 이용하였다. 사용된 용매는 1,1,1,2-테트라플루오로에탄이었고, 상기 용매를 증기 형태로 상기 컬럼에 도입하고, 컬럼 내용물은 주변 온도 이하의 15℃에서 유지시켰다. 저온 하에서, 상기 증기는 액체 상태로 응축되었다. 보다 높은 밀도 때문에, 액적이 하향하고, 용질을 상기 용액으로부터 추출시켰다. 플래쉬 탱크 내의 잔류 생성물의 농도도 측정하였다. 관찰 결과가 표-3에 표시된다. 50% 회수는 10분차에 달성되었다.

1. 공급 에탄올 용액의 농도: 8%(w/v)
2. 회수된 생성물의 농도: 100%(w/v)
시간의 경과에 따른 추출잔류물 흐름의 농도 변화
시료 번호(Sl. No.)	시간(분)	추출 잔류물 흐름의 에탄올 농도(% w/v)
1	10	4.2
2	20	2.69
3	30	1.53
4	40	0.92
5	50	0.64
6	60	0.53

실시예 4:

2% 부탄올을 공급 물질로 이용하고, 1,1,1,2-테트라플루오로펜탄을 분산액체 상으로 이용하여 동일한 경향을 관찰하였다. 50% 회수가 5분 내에 달성되었다.

1. 공급 부탄올 용액의 농도: 2%(w/v)
2. 회수된 생성물의 농도: 100%(w/v)
시간의 경과에 따른 추출잔류물 흐름의 농도 변화
시료 번호(Sl. No.)	시간(분)	추출 잔류물 흐름의 부탄올 농도(% w/v)
1	10	0.51
2	20	0.23
3	30	0.17
4	40	0.13
5	50	0.09
6	60	0.05

실시예 5:

도 1에 도시된 바와 같이, 펜탄 증기가 최초 용매 저장 탱크(1)에서 생성되었다. 펜탄 증기는 추출 컬럼 상에 제공된 재킷을 통해 40℃ 내지 6O℃의 온수를 통과시키는 것에 의해 생성시켰다. 상기 저장 탱크(1)에서 생성된 펜탄 증기를 추출 컬럼의 하단(1)으로부터 용매 주입 파이프(P1)를 통해 추출 컬럼(2)으로 보냈다. 부티르산 수용액을 용액 저장 탱크(3)에 저장하였다. 부티르산 수용액은 중력에 의해 용액 주입 파이프(P2)를 통해 추출 컬럼의 상부(2)로부터 연속적으로 추출 컬럼(2)으로 전달되었다. 상기 컬럼(2) 내용물의 온도는 25℃의 물을 이용하여 주변 온도 이하로 유지시켰다. 펜탄 증기가 상기 컬럼 내로 들어가면서, 증기가 응축하여 물질 전달을 위한 보다 넓은 표면적을 제공하는 미세 액적(micro droplet)을 형성하였다. 상 변화 및 미세 버블(micro bubble)의 형성이 본 발명의 현상을 위해 중요하다. n-펜탄은 부티르산을 추출하고, 상기 n-펜탄이 물보다 더 가볍기 때문에, n-펜탄은 위로 이동하여 상기 추출 컬럼의 상부에서 유기층(organic layer)를 형성했다. 펜탄과 부티르산을 포함하는 상기 유기층을 펌프(4)를 이용하여 파이프 라인(P3)을 통해 추출 컬럼(2)으로부터 연속적으로 제거하였다. 폐기액을 추출 잔류물(raffinate) 라인(P4)을 통해 하단으로부터 제거하였고, 상기 폐기액은 소량의 부티르산을 포함했다. 이 작업을 진행하면서, 일정 시간 후에, 공정이 항정 상태(steady state)에 도달했다. 추출 용기(2)로부터 수집된 n-펜탄과 부티르산의 추출물을 추출물 통과 라인(extract through line)(P3)을 통해 플래쉬 탱크(5)로 보냈다. 플래쉬 탱크(5)에 재킷을 통해 4O℃의 온수를 이용하여 열 에너지가 제공되고, n-펜탄 증기가 형성되고, 상기 증기는 흐름(stream)(P5)을 통해 추출 컬럼으로 재순환되었다. 작업의 완료시에, 재킷을 통한 냉각수(chilled water)를 이용하여 증기를 수집하고 응축 탱크(6)에서 응축시킬 수 있었다. 플래쉬 탱크(6)로부터 생성물 배출 흐름(product outlet stream)(P6)을 통해 순수한 부티르산을 수집하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, R134a 기체를 8-바(bar) 압력에서 저장 탱크(1)에 액화된 형태로 저장하였다. Rl34를 저장 탱크(1)로부터 용매 주입 파이프(P1)를 통해 상단으로부터 추출 컬럼(2)으로 보냈다. 알코올(에탄올/부탄올) 수용액을 용액 주입 파이프(P2)를 통해 용액 저장 탱크(3)로부터 연속적으로 추출 컬럼(2)으로 펌핑하여 저장 탱크(3)에 저장하였다. 상기 추출 컬럼(2)의 온도는 15℃의 물을 이용하여 주변 온도 이하로 유지시켰다. Rl34a가 상기 컬럼(2)으로 들어오면서, 응축되어 물질 전달을 위한 보다 넓은 표면적을 제공하는 미세 액적을 형성하였다. 상 변화 및 미세 버블의 형성이 본 발명의 현상을 위해 중요하다. R134a는 상기 알코올(에탄올/부탄올)을 추출하고, 상기 R134a가 물보다 더 무겁기 때문에, R134a는 아래로 이동하여 하단에서 유기층을 형성했다. R134a 및 알코올(에탄올/부탄올)을 포함하는 상기 유기층을 펌프(4)를 이용하여 라인(P3)을 통해 추출 컬럼(2)으로부터 연속적으로 제거하였다. 폐기알코올(에탄올/부탄올)을 훨씬 더 낮은 농도의 알코올(에탄올/부탄올)을 포함하는 상부로부터 제거하였다. 이 작업을 진행하면서, 일정 시간 후에, 공정이 항정 상태에 도달했다. R134a 및 알코올(에탄올/부탄올)의 추출물을 추출물 흐름(extract stream)(P3)을 통해 플래쉬 탱크(5)로 보냈다. 플래쉬 탱크(5)에 재킷을 통해 4O℃의 온수를 이용하여 열 에너지를 제공하고, Rl34a 증기가 형성(flash)되고, 상기 증기는 흐름(P4)을 통해 추출 컬럼(2)으로 재순환되었다. 플래쉬 탱크(5)로부터 생성물 배출 흐름(P5)을 통해 순수한 알코올을 수집하였다. 이 실험은 8 바의 압력에서 수행되어야 한다.

Claims (9)

1. 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성(immiscible)인 제2 유체로 이동시키는 방법으로서, 상기 방법은
   기체 상태의 제2 유체를 상기 제1 유체로 도입하는 단계로서, 상기 제1 유체는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 낮은 온도에서 유지되고, 그에 의해 상기 제1 유체의 응축이 상기 용질을 상기 제2 유체로부터 추출하는 초-미세 액체 입자를 형성하는 것인 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용질은 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 상호 간에 접촉되는 경우, 상기 제1 유체 및 제2 유체에 가용성인 것인 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 용질은 액체, 고체 또는 기체의 형태인 것인 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체는 역류(countercurrent flow) 상태인 것인 방법.
5. 용질을 제1 유체로부터 상호 간에 비혼화성인 제2 유체로 이동시키는 장치로서, 상기 장치는
   상기 제1 유체를 공급하기 위한 제1 주입구(inlet)를 갖는, 제1 온도에서 유지되는 추출 챔버로서, 상기 추출 챔버는 상기 추출 챔버에 상기 제2 유체를 공급하기 위한 제2 주입구를 포함하고, 상기 제2 주입구는 제2 온도에서 유지된 제2 유체를 저장하기에 적합한 저장조(reservoir)에 연결되며, 상기 제1 온도는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 낮고, 상기 제2 온도는 상기 제2 유체의 응축 온도보다 높은 것인 추출 챔버, 및
   상기 제2 유체의 응축 온도보다 높은 제3 온도에서 유지되는 것인, 상기 제2 유체와 상기 용질의 용액을 수용하기 위해 상기 추출 챔버 상에 제공된 제1 배출구(outlet)에 연결된 플래쉬 탱크(flash tank)를 포함하는 것인 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 주입구와 상기 제2 주입구는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 상기 추출 챔버 내에서 역류 방향으로 공급되도록 배치되는 것인 장치.
7. 제5항 및 제6항에 있어서, 상기 추출 챔버에 제1 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷(jacket)이 제공된 것인 장치.
8. 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 저장조에 제2 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷이 제공된 것인 장치
9. 제5항 내지 제8항에 있어서, 상기 플래쉬 탱크에 제3 온도에서 물을 공급하기 위한 재킷이 제공된 것인 장치.

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