WO2014035211A1

WO2014035211A1 - 연속 반응기를 포함하는 정제 장치 및 이 연속식 반응기를 이용한 정제 방법

Info

Publication number: WO2014035211A1
Application number: PCT/KR2013/007885
Authority: WO
Inventors: 홍종팔; 이칠원; 이희완; 최경례
Original assignee: (주)라미나
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US20150165340A1; US20150196890A1; US9937480B2; EP2893964A1; JP6352919B2; EP2893964A4; JP2015535725A; EP2893964B1

Abstract

용액저장탱크에 보관된 용액을 초음파로 분산/교반하여 에어컴프레셔를 통해 반응기로 송출하고, 반응기는 송출되어온 용액과 다른 경로를 통해 투입된 용매를 교반하여 반응물을 생성하여 정제하는 장치 및 이 장치를 이용한 정제 방법에 관한 것이다.

Description

연속 반응기를 포함하는 정제 장치 및 이 연속식 반응기를 이용한 정제 방법

본 발명은 연속 반응기를 포함하는 정제 장치에 관한 것이다.

더 상세하게는 용액저장탱크에 보관된 용액을 초음파로 분산/교반하여 에어컴프레셔를 통해 반응기로 송출하고, 반응기는 송출되어온 용액과 다른 경로를 통해 투입된 용매를 교반하여 반응물을 생성하여 정제하는 장치 및 이 장치를 이용한 정제 방법에 관한 것이다.

일반적으로 많은 재료는 정제를 필요로 한다. 이러한 정제는 유기 재료는 물론이고, 사료 첨가제, 의약품, 건강 식품 등에 이용되는 필수 아미노산도 마찬가지이다. 예를 들어, 유기 발광 소자용으로 사용되는 유기재료는 종래 합성된 물질 중에서 순수한 타겟 성분만을 분리하여 박막 증착에 이용하기 위한 것으로, 유기재료의 정제 기술 향상에 따라서 유기 발광 소자의 발광 효율이 개선되고, 발광 수명도 연장된다.

유기재료의 대량 생산을 위해서는 공정시간의 단축 및 정제효율이 향상된 유기재료의 정제기술이 필연적이다.

트립토판은 필수 아미노산 중 하나이다. 종래 트립토판의 정제 기술로, 일본국 공개특허공보 제895/1983호의 방법과, 일본국 공개특허공보 제39857/1984호의 방법 및 일본국 공개특허공보 제126070/1986호의 방법이 있다.

그러나 일본국 공개특허공보 제 895/1983호에 기술된 방법에 따른 한외 여과막을 사용하는 방법은 단지 고정된 제거비율에서 불순물을 제거할 수 없으며, 따라서 수지에 대한 과도한 부하가 발생하여 비극성의 고다공성 수지의 재생사이클이 짧아짐이 밝혀졌다.

또한, 일본국 공개특허공보 제39857/1984호에 기술된 방법만에 의하면, 불순물의 제거 정도는 낮으며, 투과율이 95% 이상인 결정을 수득하기는 어렵다.

또한, 일본국 공개특허공보 제126070/1986호에 기술된 방법의 경우에는, 특히 많은 불순물을 함유하는, 발효법에 의해 제조된 반응용액을 활성탄의 존재하에 95 내지 100℃로 가열처리할 경우, 트립토판의 구조내에 불안정한 인돌환을 함유하기 때문에 분해 및 착색 물질이 증가하는 문제점을 갖는다.

본 발명은 초음파로 분산/교반하여 에어컴프레셔를 통해 반응기로 송출하고, 반응기는 송출되어온 용액과 다른 경로를 통해 투입된 용매를 교반하여 반응물을 생성하되, 유기발광소자에 사용되는 유기재료를 99.9% 이상의 초고순도로 대량으로 생산할 수 있는 구성을 갖춘 연속식 반응기를 포함하는 초고순도 정제장치를 제공함에 있다.

트립토판을 산용액 또는 염기성 용액에 용해한 후 반대의 용액을 넣어 pH를 중화시켜 석출하는 방법을 취함과 아울러, 연속식 반응기를 이용하여 연속적으로 생산이 가능하고, 기존 방법에 비해 3배 이상의 생산속도가 빠르며, 회수율 및 순도가 향상되었고, 고분자 물질을 첨가제로 혼합됨에 따라 입자의 밀도를 향상시켜서 쉽게 부서지지 않는 강도를 갖는 트립토판 정제장치를 제공함에 있다.

본 발명은 용액을 저장하는 용액저장탱크; 상기 용액저장탱크 내의 용액에 포함된 입자들을 초음파로 분산시키는 초음파 분산기; 상기 용액저장탱크에 저장된 용액을 교반하는 교반기; 상기 용액저장탱크의 외부에 설치되어 상기 저장탱크 내부의 온도를 제어하는 가열 자켓; 상기 용액저장탱크 내의 용액을 흡인하여 다음 위치로 송출하는 에어컴프레셔; 상기 에어컴프레셔에 의해 송출되어온 용액과 별도의 경로를 통해 송출되어온 용매가 함께 투입되고, 투입된 용액을 고속으로 교반시켜 균일한 입자를 갖는 반응물을 연속으로 생성하는 반응기;로 이루어진다.

본 발명 구성에 따르면, 유기발광소자에 사용되는 유기재료를 초고순도로 대량으로 생산할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 결정화 방법에 의하면 99.9%이상의 초고순도를 가지는 유기재료를 수득할 수 있다.

이와 같이, 유기재료의 순도가 높아짐에 따라 이를 이용하여 유기 전계 발광 소자를 제작하였을 때 흑점발생의 감소, 소자의 전기·광학적 특성의 개선 및 소자의 수명을 연장시키는 후속 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 연속식 반응기에 의해 종전에 비해 트립토판의 회수율이 10%정도 향상되었고, 연속적인 생산이 가능하여 생산속도가 3배 이상 향상되었으며, 순도 또한 99.9% 이상으로 향상되었다.

또한, 본 발명은 고분자 물질을 첨가함으로써 입자의 밀도가 향상되어 쉽게 부서지지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 초고순도 정제장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 정제장치에 적용되는 연속식 반응기의 상세 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 정제장치에 있어서, 연속식 반응기의 실린더 구성도.

도 4는 본 발명 정제장치의 다른 실시 예로서, 트립토판을 정제하는 정제장치의 구성도.

도 5은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 대한 흐름도.

도 6 내지 8은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 황산주입속도에 따른 결정의 변화를 나타낸 사진.

도 9는 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 반응시간에 따른 입도분포 그래프.

도 10 내지 13은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 반응시간에 따른 트립토판의 결정 모양을 나타낸 사진(도 6은 1시간/도 7은 6시간/도 8은 26시간/도 9는 52시간이다).

도 14은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 트립토판 용해농도에 따른 입자크기의 변화를 나타낸 그래프.

도 15는 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 트립토판 용해농도에 따른 회수율 변화를 나타낸 그래프.

도 16은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 트립토판 용해농도에 따른 회수율 변화 그래프.

도 17 ~ 18은 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 교반속도에 따른 입자 모양의 변화를 나타낸 사진(도 13은 100rpm/도 14는 300rpm).

도 19는 본 발명에 따른 트립토판 정제방법에 있어서, 교반속도에 따른 입자크기 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 반응기를 포함하는 정제 장치로써, 용액 저장탱크와, 초음파 분산기와, 교반기와, 가열 자켓과, 에어컴프레셔와 반응기로 구성되며, 정제되는 재료에 따라 필터, 분리기 또는 탈수기, 건조기 등이 선택적으로 결합된다.

(실시 예 1)

도 1 내지 도 3에 따른 정제 장치는 반응기를 포함하는 정제장치이다. 이 장치는 용액저장탱크(100), 초음파 분산기(200), 에어컴프레셔(300), 필터 카트리지(400), 온도조절장치(500), 연속식 반응기(600), 유기재료 분리기(700), 유기재료 저장통(800) 및 분석 및 보정모듈(900)을 포함한다.

용액저장탱크(100)는 유기용매에 유기재료(OLED)를 용해한 용액을 저장하는 역할을 한다. 상기 유기재료가 용해된 용액의 농도는 100g/L이하가 바람직하며, 이 농도범위를 초과하는 경우에는 결정화 반응이 지연되거나 원하는 순도를 얻기가 어렵다. 여기서, 유기재료는 유기 전계 발광 소자의 양극 및 음극 사이에 놓이는 모든 물질을 의미한다. 예를 들어, 유기 전계 발광 소자에 사용되는 유기재료 또는 유기 금속 재료는 발광 호스트 재료 및 도판트 재료, 정공주입·전달재료, 전자주입·전달재료 및 정공·전자 저지층 재료 등을 포함할 수 있다.

상기 용액저장탱크(100)는 그 외부에 열매체가 충진된 가열자켓(110)을 설치하여 용액저장탱크(100) 내의 용액을 최고 350℃까지 승온시켜서 유기용매에 유기재료가 용해되도록 할 수 있다.

아울러, 상기 용액저장탱크(100)에는 유기용매와 유기재료가 고르게 혼합되도록 하기 위하여 교반기(120)가 더 설치될 수 있다.

초음파 분산기(sonicate:200)는 상기 용액저장탱크(100)의 내부에 설치되어 상기 유기재료에 초음파를 조사하여 유기재료를 나노단위로 분쇄 및 분해하는 장치이다. 유기재료는 가열만으로는 쉽게 용해되지 않으므로 강제적으로 분쇄시켜서 용해효율을 보다 높일 필요가 있다.

참고로, 초음파 분산기는 제너레이터라 불리우는 발진기에서 50~60Hz대의 주파수 전압을 20kHz이상대의 고주파 전기에너지로 바꾸어 주고 이를 컨버터 내부 압전세라믹스에 의해 고주파 전기에너지가 기계적인 진동으로 바뀌게 되는데 이를 역압전효과라 하며, 이에 의해 발생한 상하 수직 진동이 액체시료에 전달되게 된다. 액체 시료에 초음파 수직진동이 최종적으로 전달되는 probe(또는 tip)의 초당 최소 20000번 이상의 진동과 일정한 진폭에 의해 시료 내부에는 팽창(음압)과 수축(양압)이 일어나고 이 과정에서 발생한 미세한 기포는 양압이 진폭되는 과정에서 결렬하게 파괴된다. 이를 공동화현상 즉, cavitation이라 하며 이때 약 1000bar 정도의 압력 약 5000k 정도의 순간온도를 가진 고온 고압의 순간적인 충격파가 발생되기 때문에 그것이 매우 높은 에너지원으로 작용하여 유기재료 입자를 분쇄시키는 작용을 하게 된다.

에어 컴프레셔(300)은 상기 용액저장탱크(100)내의 용액을 흡입하여 다음 위치인 필터 카트리지(400)로 송출하는 역할을 하는 것으로서, 이때, 고온의 용액이 송출되는 과정에서 온도가 낮아지면 결정으로 석출되므로 이러한 현상을 방지하기 위해서는 용액을 가압하면서 송출해야만 하는데, 이러한 작용을 위해서는 에어 컴프레셔가 적절하다. 에어 컴프레셔를 대신하여 펌프도 적용할 수는 있지만 앞서에서 설명하였듯이 결정이 석출될 수 있으므로 이의 대책이 별도로 마련되지 않는 한 에어 컴프레셔를 적용하는 것이 바람직할 것이다.

필터 카트리지(400)는 상기 에어 컴프레셔(이하 "에어 컴프"라 약칭함)(300)에 의해 송출되어온 용액에 포함된 미세 불순물을 여과하는 역할 및 합성 반응중 생성된 염 또는 이온성 물질 그리고 탈색 역할을 하는 것이다.

상기 필터 카트리지(400)는 필터 케이스(410)와, 상기 필터케이스(410)의 내부에 충진되는 충진물(420)로 구성되되, 상기 충진물은 금속산화물, 활성 알루미나, 실리카, 산화타이타늄으로 이루어진 금속 산화물 및 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토로 이루어진 천연석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 이루어질 수 있다.

온도조절장치(500)는 상기 필터 카트리지(400)의 온도를 승온시켜서 용액에서 결정이 석출되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 상기 필터 카트리지(400)가 내장되는 케이싱(510), 상기 케이싱(510)의 내부에 충진되는 열매체(520) 및 상기 열매체(520)를 가열하기 위한 히터(530)을 포함한다.

연속식 반응기(600)는 상기 필터 카트리지(400)를 통과한 여과된 용액 및 반용매 저장탱크(10)에 저장되어 있던 반용매가 펌프(p)에 의해 함께 주입되고, 주입된 용액 및 반용매를 교반시켜서 균일한 입자를 갖는 반응물을 생성하기 위한 것이다. 상기 연속식 반응기(600)는 실린더(610), 열매체 충진챔버(620), 분할판(630), 온도제어부재(640), 교반체(650), 교반모터(660) 및 벨트풀리(670) 및 벨트(671)을 포함한다.

상기 연속식 반응기(600)의 실린더(610)는 내부에 상기 여과된 용액 및 반용매가 함께 수용되는 반응챔버(611)를 가지며, 상기 반응챔버(611)의 내부로 반용매를 투입하기 위해 상기 실린더(610)의 상부 일측에는 반용매 주입포트(611a)가 형성되고, 상기 실린더(610)의 하부 일측에는 상기 유기재료 용액을 투입하기 위한 용액 주입포트(611b)가 형성되어 있다. 미설명부호 (611c)는 반응이 완료된 반응물이 배출되는 배출포트이다.

상기 열매체 충진챔버(620)는 상기 반응챔버(611)의 외곽에 환형으로 형성되며, 내부에는 상기 반응챔버(611)에 수용된 용액 및 반용매의 온도를 조절하기 위한 열매체가 충진된다.

여기서, 상기 열매체 충진챔버(620)는 상기 다수의 분할판(630)에 의해 다수로 분할되어 있으며, 상기 분할판(630)은 다수의 열매체 충진챔버(620)에 충진된 열매체 간 열교환을 차단하기 위해 단열재로 구성된다.

따라서, 상기 분할판(630)에 의해 분할된 열매체 충진챔버(620) 내의 각 열매체를 각기 다른 온도로 가열하게 되면 상기 반응챔버(611)를 통과하는 용액에 온도구배를 줄 수 있다. 온도구배는 열매체의 온도대에 따라 달라질 수 있다.

또한, 상기 각 열매체 충진챔버(620)에는 각 챔버 내의 열매체 온도를 감지하여 상기 분석 및 보정모듈(900)으로 전송하여 주는 온도감지센서(621)를 더 포함할 수 있다.

상기 온도제어부재(640)는 상기한 열매체의 온도를 제어하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 서큘레이터(circulator) 또는 히터가 적용될 수 있다.

상기 교반체(650)는 봉 형상을 가지며, 상기 실린더(610) 내에 회전 가능하게 설치되어 실린더(610) 내의 용액 및 반용매를 교반하여 주는 역할을 한다. 이 교반체(650)는 그 회전에 따라 교반체(650) 방향으로의 혼합은 적고 반경방향으로의 혼합이 크게 되는바, 교반체(650)의 방향 흐름이 존재하면 셀 사이의 혼합이 발생하지만, 교반체(650)에 가까이 있는 유체는 원심력에 의해 고정되어 실린더(100)의 내벽 방향으로 나가려고 하는 경향이 있다. 불안정한 유체는 교반체(650) 방향을 따라 서로 반대방향으로 회전하는 고리쌍 형태의 소위, 테일러 와류가 형성되며, 이러한 테일러 유동은 교반체(650)의 회전속도를 변화시킴으로써 쉽게 난류를 발생시킬 수 있으므로 유체 안정성을 활용할 수 있다.

상기 교반모터(660)는 상기 실린더(610)의 하부에 배치되어 상기 교반체(650)에 회전동력을 제공한다. 상기 교반모터(660)는 직류전압조절기(미도시)에 의해 10 ~ 2000rpm 범위 내에서 회전속도를 조절할 수 있는 변속형 교반모터가 적용된다. 따라서, 이에 의해 회전되는 교반체(650)의 회전속도도 위의 범위(10 ~ 2000rpm) 내에서 가변시킬 수 있으므로 용액에 난류를 유발할 수 있게 된다.

상기 교반모터(660)와 교반체(650)는 벨트풀리(670) 및 벨트(671)에 의해 간접적으로 연결된다. 교반체(650)는 실린더(610)의 높은 내부 온도가 전도되어 높은 온도를 유지하고 있으므로 이 고열의 온도가 상기 교반모터(660)에 직접적으로 전달될 경우 교반모터(660)의 수명을 단축시킬 수 있으므로 상기와 같이 벨트(671)에 의해 간접적으로 연결함으로써 열전달을 차단할 수 있게 된다. 상기에서는 벨트에 의해 연결을 일예로 설명하였으나 이에 한정하지 않으며, 체인에 의한 연결, 기어에 의한 연결도 적용할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 반응챔버(611) 및 열매체 충진챔버(620)의 벽면은 내부식성을 위해 테프론(622)이 코팅될 수 있으며, 이와는 다르게 하스텔로이(hastelloy)-C로 구성될 수 있다. 하스텔로이(hastelloy)-C는 내염산 합금으로서 내부식성이 매우 뛰어나기 때문에 본 발명의 실린더(610)와 같이 화학적 용액과의 접촉이 많은 부위에 적용하면 내식성의 문제를 해결할 수 있게 된다.

유기재료 분리기(700)는 상기 연속식 반응기(600)의 배출포트(611c)에 연결되어 상기 연속식 반응기(600)에서 배출되는 슬러리 형태의 반응물로부터 고체상태의 유기재료와 여액을 분리하는 역할을 한다.

유기재료 저장통(800)은 상기 유기재료 분리기(700)로부터 분리된 고체상의 유기재료를 저장하는 역할을 한다.

분석 및 보정모듈(900)은 상기 유기재료 분리기(700)로부터 분리된 액체를 수집한 후, 수집된 액체의 상태가 정상적 상태인지 또는 비정상적 상태인지를 분석하고, 분석된 데이터에 따라 최적의 공정조건으로 보정하는 기능을 한다. 보정기능은 컴퓨터에 의해 제어할 수 있다.

(실시 예 2)

이하에서는 상기한 연속식 반응기와, 저장탱크, 교반기 및 분산기, 가열 자켓을 포함하며, 여기에 트립토판 정제를 위한 탈수기, 건조기로 이루어진 장치를 설명한다.

트립토판을 정제하기 위한 정제장치로는, 도 4에서와 같이, 고형물 여과필터(10), 저장탱크(20), 가열자켓(30), 에어 컴프레셔(40), 연속식 반응기(50), 탈수기(60) 및 건조기(70)를 포함한다.

고형물 여과필터(10)는 트립토판 용액을 통과시켜서 트립토판 용액에 포함된 고형물은 여과하고 용액만을 통과시키는 기능을 한다. 여기서, 고형물 여과필터(10)는 메시크기(또는 pore)가 0.1㎛ 이상, 바람직하게는 0.1 ~ 0.5㎛로 하여 이에 트립토판 용액을 통과시킴에 따라 트립토판 용액에 포함된 0.5㎛ 이상의 고형물은 모두 걸러져서 제거되고, 그 이하의 미세한 고형물만 통과하게 됨으로써 결과적으로, 1차 정제단계를 거치게 된다. 저장탱크(20)는 고형물 여과필터를 통과한 트립토판 용액을 저장하는 기능을 한다. 이때, 상기 저장탱크(20)에는 온도센서(21)가 설치되어 저장탱크 내부에 저장된 트립토판 용액의 온도를 실시간으로 감지할 수 있도록 하였다.

가열자켓(30)은 상기 저장탱크(20)의 외부에 설치되어 상기 저장탱크 내부의 온도를 제어하는 역할을 한다. 상기 가열자켓(30)은 열매체가 충진된 상태로 상기 저장탱크(20)의 일부가 침수되게 설치되어, 상기 열매체를 열원에 의해 가열함에 따라 저장탱크(20) 내부의 트립토판 용액을 적정온도로 제어할 수 있게 된다.

에어컴프레셔(40)는 상기 저장탱크(20) 내의 트립토판 용액을 흡인하여 다음 위치로 송출하는 기능을 하는 것으로서, 에어컴프레셔를 대신하여 펌프가 설치될 수도 있다.

연속식 반응기(50)는 상기 에어컴프레셔(40)에 의해 송출되어온 트립토판 용액과 별도의 경로를 통해 송출되어온 황산이 함께 투입되고, 주입된 용액들을 교반시켜서 반응물을 연속으로 생산하는 역할을 한다.

상기 연속식 반응기는 상술한 바와 같은 것으로 별도의 구성 설명은 생략한다.

탈수기(60)는 상기 연속식 반응기의 배출포트에 연결되어 상기 연속식 반응기에서 배출되는 슬러리 형태의 반응물로부터 여액을 분리하는 기능을 하는 것으로, 원심분리형이 적용될 수 있다.

(실시 예 3)

본 발명에서 개시하고자 하는 트립토판 정제방법은 다음의 수순에 따른다(도 5참조).

1 단계, 고형분 제거단계이다(S10).

고형분 제거단계는, 트립토판 용액을 저장탱크에 저장하기 이전에 여과필터를 통과시켜서 소정 크기 이상의 고형분을 걸러내는 과정이다.

여기서, 상기 고형분 제거단계에서 여과필터의 메시크기(또는 pore의 크기)는 0.1 ~ 0.5㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 트립토판 용액에 포함된 0.5㎛ 이상의 용존 고형물은 걸러지게 되어 트립토판 용액은 0.5㎛ 이하의 미세한 고형물만을 포함하게 된다.

2 단계, 수소이온지수 조절단계이다(S20).

수소이온지수 조절단계는, 상기 저장탱크 내에 NaOH(가성소다)를 투입하여 트립토판 용액의 수소이온지수(pH)를 조절하는 과정으로서, 여기서 수소이온지수(pH)는 11이상 또는 3이하가 되는 것이 바람직하다.

3 단계, 온도조절단계이다(S30).

온도조절단계는, 상기 저장탱크의 외부에 가열자켓을 설치하여 저장탱크 내의 트립토판 용액 온도를 정온으로 유지시키는 단계이다.

4 단계, 밀도향상단계(S40)이다.

밀도향상단계는, 저장탱크 내의 트립토판 용액에 고분자 물질을 첨가하여 트립토판 용액의 입자 밀도를 향상시키는 단계이다. 이 단계는 연속식 반응기를 이용하여 이루어진다.

여기서, 고분자 물질은 PVA(polyvinyl alcohol), Carrageenan, alginic acid, HPC, gellatin 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 이는 도 4에서 볼 수 있듯이, 예컨대 PVA과 gellatin을 적용한 두 경우 모두, 시간이 경과 할수록 거대 결정으로 성장하는 것을 확인할 수 있으며, 고분자를 첨가하지 않은 트립토판의 결정과 비교하였을 때 높은 성장속도가 확인되며, 다음 6 단계에서 설명될 산용액(특히 황산)의 함량이 증가할수록 비교적 큰 결정으로 성장하게 된다.

또한, 상기 고분자 물질의 첨가로 인해 트립토판 용액의 입자는 약 300㎛ 이상의 크기로 성장하게 된다. 이 경우 쏘니케이션(sonication)을 이용한 결과 입자의 강도가 약해서 쉽게 부서지게 되나, 고분자 물질의 분자량을 조절한 결과 분자량이 적었을 때 입자의 강도가 향상되었다.

5 단계, 투입단계이다(S50).

투입단계는, 상기 저장탱크 내의 트립토판 용액을 연속식 반응기로 투입하는 과정으로서, 투입과정은 에어컴프레셔 등에 의해 자동으로 이루어질 수 있다. 연속식 반응기의 구성은 후술하기로 한다.

6 단계, 결정 석출단계이다(S60).

결정 석출단계는, 상기 연속식 반응기로 투입된 트립토판 용액에 산용액(특히, 황산)을 투입하여 수소이온지수를 중화하여 입자상 결정을 석출하는 과정이다.

즉, 상기 트립토판 용액은 양쪽성 물질로서 산, 염기용액에 잘 용해되는데, 이러한 트립토판 용액을 산용액 또는 염기성 용액에 용해한 후, 반대의 용액을 넣어(예컨대, 수산화나트륨 용액에 용해 후 산용액을 주입한다) pH를 중화시켜서 결정을 석출하게 된다.

7 단계, 고액분리단계이다(S70).

고액분리단계는, 상기 연속식 반응기에서 석출된 입자상 결정을 탈수기에 의해 탈수시켜서 고-액을 분리하는 과정이다.

즉, 함수율이 높은 상태의 수득된 트립토판을 원심분리식 탄수기에 투입하고, 탈수기를 가동시켜서 함수율을 60% 이하로 낮추는 단계로서, 적정한 탈수시간을 산출하기 위해서는 임의 시간 동안 탈수를 진행한 후, 탈수된 슬러지 상태의 트립토판을 수거하여 함수율측정기를 이용하여 함수율을 측정하여, 이 측정 결과에 따라 탈수시간을 가감 조정하는 과정이 필요하다.

위 과정에서 취득된 바람직한 구현예는 탈수기의 회전속도는 5,000 ~ 12,000rpm이고, 탈수시간은 50 ~ 60분이다. 500rpm 보다 저속으로 회전시키면 탈수시간이 너무 길고, 12,000rpm 보다 고속으로 회전시키면 이보다 작은 rpm으로 회전시킬 때와 비교하여 탈수율에 현저한 차이가 발생하지 않으므로 탈수 효율성이 떨어지게 된다.

8 단계는 건조단계이다(S80).

건조단계는, 탈수가 완료된 트립토판 슬러지케익은 아직까지도 함수율이 높기 때문에 열풍건조에 의해 함수율을 10% 이하로 낮춰서 분말화해야 한다. 여기서, 슬러지케익을 열풍건조 하기 전에 슬러지케익을 세척하고, 원심분리기에 의해 세척수를 분리하는 과정이 추가될 수 있다. 이러한 분말화 과정을 통해 고순도의 트립토판이 수득된다.

(실험 1)

황산주입속도 변화실험

(실험 조건)

- 트립토판 농도 : 200 g/L

- NaOH 농도 : 5 mol/L

- 초기 pH : 14

- 황산 농도 : 30 %

- 교반속도 : 300 rpm

- 반응온도 : 25

- 황산주입속도 : 0.5 mL/min, 2 mL/min, 한번에 주입

(실험 결과)

황산의 주입속도가 느릴수록 결정이 작아지는 경향이 보였으며, 반응시간이 증가할수록 입자크기가 작아지기 때문에 반응시간을 짧게 진행해야 함.

표 1

	입자크기		Cloud point		최종 pH
	PSA (㎛)	현미경(㎛)	시간	pH	최종 pH
1	48.64	40~45	바로	-	7.6
2	31	20~30	37min	9.26	7.7
3	12.49	10~20	110min	10.3	7.6

참고로, 도 6 내지 8은 상기 [표 1]의 1, 2, 3 경우에 대한 현미경 사진이다.

(실험 2)

반응시간 확인 실험

(실험 조건)

- 트립토판 농도 : 100 g/L

- NaOH 농도 : 5 mol/L

- 초기 pH : 14

- 황산 농도 : 30 %

- 교반속도 : 300 rpm

- 반응온도 : 25

- 황산주입량 및 속도 : 100 mL & 16.7 mL/min

- 기타 조건 : pH 7까지 중화 후 장시간 교반

(실험결과)

위의 실험결과에서는 단시간 반응을 하여야지만 입자가 큰 트립토판을 생산할 수 있었으나, 본 실험결과 단시간 교반 시 작은 결정들이 약한 결합을 하고 있어 쉽게 부서지는 경향을 보이고 있다. 도 9 및 도 10 내지 13에서와 같이 반응시간이 증가할수록 중간 크기의 결정이 감소하면서 큰 결정이 증가하는 경향을 보여주고 있다. 하지만 약 18시간 이내의 반응시간에서 균일한 입자분포를 보여주고 있다.

회수율은 반응시간에 따라 큰 변화 없이 약 95 %이상을 보여주고 있어 빠른 시간내에 트립토판이 석출되는 것을 확인하였다.

(실험 3)

트립토판 농도 변화 실험

(실험조건)

- NaOH 농도 : 5 mol/L

- Tryptophan 농도 : 10, 100, 200 g/L

- 황산 농도 : 30 %

- 교반속도 : 100, 300 rpm

- 반응온도 : 25

- pH : 7

- 반응시간 : 6 h

(실험결과)

도 14에서와 같이, 트립토판의 농도가 낮을수록 입자의 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 도 15에서와 같이, 순도는 모든 조건에서 약 99 % 이상이며, 도 16에서와 같이, 회수율도 모든 조건에서 약 75 %가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 트립토판의 용해농도를 낮추는 것은 핵생성을 억제시킬 수 있는 방법 중에 하나이며, 본 방법이 적합한 것을 알 수 있었다. 핵생성이 적게 발생되면서 용해되어 있는 트립토판이 핵에 붙어 결정성장이 이루어진 것으로 판단된다.

(실험 4)

교반 속도 변화 실험

(실험조건)

- NaOH 농도 : 5 mol/L

- Tryptophan 농도 : 10 g/L

- 황산 농도 : 30 %

- 교반속도 : 100, 300 rpm

- 반응온도 : 25

- pH : 7

- 반응시간 : 6 h

(실험결과)

도 17 ~ 19에서와 같이, 교반속도가 감소함에 따라 입자크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 본 물질은 입자의 결합강도가 약한 판상형의 물질이다. 분석결과 판의 높이가 1㎛ 이하로 되어 있어 쉽게 부서지도록 결정이 생성되는 것을 볼 수 있었다.

Claims

용액을 저장하는 용액저장탱크;

상기 용액저장탱크 내의 용액에 포함된 입자들을 초음파로 분산시키는 초음파 분산기;

상기 용액저장탱크에 저장된 용액을 교반하는 교반기;

상기 용액저장탱크의 외부에 설치되어 상기 저장탱크 내부의 온도를 제어하는 가열 자켓;

상기 용액저장탱크 내의 용액을 흡인하여 다음 위치로 송출하는 에어컴프레셔;

상기 에어컴프레셔에 의해 송출되어온 용액과 별도의 경로를 통해 송출되어온 용매가 함께 투입되고, 투입된 용액을 고속으로 교반시켜 균일한 입자를 갖는 반응물을 연속으로 생성하는 반응기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 반응식를 포함하는 정제 장치.
용액을 저장하는 용액저장탱크;

상기 용액저장탱크 내의 용액에 포함된 입자들을 초음파로 분산시키는 초음파 분산기;

상기 용액저장탱크에 저장된 용액을 교반하는 교반기;

상기 용액저장탱크의 외부에 설치되어 상기 저장탱크 내부의 온도를 제어하는 가열 자켓;

상기 용액저장탱크 내의 용액을 흡인하여 다음 위치로 송출하는 에어컴프레셔;

상기 에어컴프레셔에 의해 송출되어온 용액에 포함된 미세 불순물을 여과하는 필터 카트리지;

상기 필터 카트리지가 내입되는 케이싱, 상기 케이싱의 내부에 충진되는 열매체 및 상기 열매체를 가열하는 히터를 포함하는 온도조절장치;

상기 필터 카트리지를 통과한 여과된 용액 및 반용매 저장탱크에 저장되어 있는 반용매가 함께 주입되고, 주입된 용액 및 반용매를 교반시켜서 균일한 입자를 갖는 반응물을 생성하는 반응기;

상기 반응기의 배출포트에 연결되어 상기 연속식 반응기에서 배출되는 슬러리 형태의 반응물로부터 유기재료와 여액을 분리하는 유기재료 분리기;

상기 유기재료 분리기로부터 분리된 고체상의 유기재료를 저장하는 유기재료 저장통; 및

상기 유기재료 분리기로부터 분리된 액체를 수집한 후, 수집된 액체의 상태가 정상적 상태인지 또는 비정상적 상태인지를 분석하고, 분석된 데이터에 따라 최적의 공정조건으로 보정하는 기능을 하는 분석 및 보정모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치.
제 2항에 있어서, 상기 필터 카트리지는 필터 케이스와, 상기 필터케이스의 내부에 충진되는 충진물로 구성되되, 상기 충진물은 금속산화물, 활성 알루미나, 실리카, 산화타이타늄, 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 1종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치.
제2항에 있어서, 상기 유기재료 분리기는 원심분리기 또는 탈수기인 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연속식 반응기는, 내부에 상기 여과된 용액 및 반용매가 함께 수용되는 반응챔버를 가지며, 상부 일측에 상기 반응챔버의 내부로 반용매를 투입하기 위한 반용매 주입포트가 형성되고, 하부 일측에 상기 유기재료용액을 투입하기 위한 용액 주입포트가 형성된 실린더;

상기 반응챔버의 외곽에 환형으로 형성되며, 내부에 상기 반응챔버에 수용된 용액 및 반용매의 온도를 조절하기 위한 열매체가 충진되는 열매체 충진챔버;

상기 열매체 충진챔버의 공간을 다수로 분할하며, 각 분할된 다수의 충진챔버에 충진된 열매체 간 열교환을 차단하기 위해 단열재로 이루어진 분할판;

상기 분할판에 분할된 각 충진챔버에 충진된 열매체의 온도를 제어하는 온도제어부재;

상기 실린더 내에 회전 가능하게 설치되어 실린더 내의 용액 및 반용매를 교반하여 주는 교반체;

상기 실린더의 하부에 배치되는 교반모터; 및

상기 교반모터의 동력이 교반체에 전달되도록, 교반모터의 축과 교반체의 일단을 연결하는 벨트풀리 및 벨트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치.
제5항에 있어서, 상기 각 충진챔버 내의 열매체 온도를 감지하여 상기 분석 및 보정모듈로 전송하여 주는 온도감지센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 초고순도 정제장치.
제5항에 있어서, 상기 반응챔버 및 열매체 충진챔버의 벽면은 내부식성을 위해 테프론이 코팅되거나 또는 하스텔로이(hastelloy)-C로 된 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치
용액을 통과시켜서 용액에 포함된 고형물은 여과하고 용액만을 통과시키는 고형물 여과필터;

상기 고형물 여과필터를 통과한 용액이 저장되는 용액저장탱크;

상기 용액저장탱크 내의 용액에 포함된 입자들을 초음파로 분산시키는 초음파 분산기;

상기 용액저장탱크에 저장된 용액을 교반하는 교반기;

상기 저장탱크의 외부에 설치되어 상기 저장탱크 내부의 온도를 제어하는 가열자켓;

상기 저장탱크 내의 트립토판 용액을 흡인하여 다음 위치로 송출하는 에어컴프레셔;

상기 에어컴프레셔에 의해 송출되어온 용액과 별도의 경로를 통해 송출되어온 용매가 함께 투입되고, 주입된 용액들을 교반시켜서 반응물을 연속으로 생성하는 반응기;

상기 연속식 반응기의 배출포트에 연결되어 상기 연속식 반응기에서 배출되는 슬러리 형태의 반응물로부터 여액을 분리하는 탈수기; 및 상기 탈수기로부터 분리된 고체성분을 건조하는 건조기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 반응기를 포함하는 정제장치.
상기 제1항 또는 제2항에 기재된 트립토판 정제장치를 이용한 트립토판 정제방법으로서,

상기 트립토판 용액을 저장탱크에 저장할 때 여과필터를 통과시켜서 소정 크기 이상의 고형분을 제거하는 고형분 제거단계(S10);

상기 저장탱크 내에 NaOH를 투입하여 트립토판 용액의 수소이온지수(pH)를 조절하는 수소이온지수 조절단계(S20);

상기 저장탱크의 외부에 가열자켓을 설치하여 저장탱크 내의 트립토판 용액 온도를 일정하게 유지시키는 온도조절단계(S30);

상기 저장탱크 내의 트립토판 용액에 고분자 물질을 첨가하여 트립토판 용액의 입자 밀도를 향상시키는 밀도향상단계(S40);

상기 저장탱크 내의 트립토판 용액을 연속식 반응기로 투입하는 투입단계(S50);

상기 연속식 반응기로 투입된 트립토판 용액에 산용액을 투입하여 수소이온지수를 중화하여 입자상 결정을 석출하는 결정 석출단계(S60);

상기 석출된 입자상 결정을 탈수기에 의해 탈수시켜서 고-액을 분리하는 고액분리단계(S70); 및 상기 고체성분을 열풍 건조하는 건조단계(S80);를 포함하는 연속식 반응기를 이용한 정제방법.