An experimental study was carried out on the recovery of succinic acid from model solutions and fermentation broth by a two-stage electrodialysis (ED) process of desalting ED (DSED) and water-splitting ED (WSED). In DSED for the recovery of sodium succinate, suitable membranes and the optimal operating mode were selected in the experiments with model solutions. Operations at a constant current were found to be undesirable because the voltage drastically increased at low succinate concentrations in the feed in the later part of operation. Therefore, the operation was switched from the constant current mode to a constant voltage mode when a limiting-current situation is reached. Limiting current densities at different concentrations were measured to obtain information for the switching. Effects of various factors such as operating current, concentrations in the feed and permeate, feed pH, by-products and impurities were investigated. An increase in the current resulted in a decreased operating time required for a recovery of 98% and increased energy consumption. The operating time increased and the energy consumption decreased with the feed concentration. Changes in permeate concentration, on the other hand, hardly affected the performance of electrodialysis except for the cases of a very high permeate concentration. At those high permeate concentrations, operating time and energy consumption significantly increased with the concentration most probably because of back diffusion. A decrease in the pH gave negative results such as a low recovery and a high energy consumption, etc., because the portion of un-dissociated form of succinate increased. As expected, the existence of acetic and formic acids, two major by-products, and phosphate, the major impurities lowered current efficiency and energy consumption per unit amount of succinate recovered. The DSED data for fermentation broth have been compared with those for model solutions. For WSED to acidify the succinate recovered in DSED, the effects of operating current and feed concentration were investigated. They were observed to have same effects as in DSED. Sodium succinate was effectively converted to succinic acid and sodium hydroxide. A modified modeling approach was proposed to describe the transport of succinate in DSED.
숙신산(succinic acid)은 4개의 탄소로 이루어진 TCA 회로의 중간생성물인 dicarboxylic acid로써, 비록 낮은 농도로 존재하지만 모든 식물세포나 동물세포에서 발견되는 화학물질이다. 숙신산이나 그 유도체들은 플라스틱, 식품, 의약품 및 화장품산업 등에서 광범위하게 이용되고 있으며, 합성고분자의 취약점인 난분해성을 극복할 수 있는 생분해성 고분자의 모노머(monomer)로써 이용가치가 증가하고 있다.
숙신산은 화학적 합성과 발효에 의해 생산되는데, 발효공정은 값싼 재생자원을 원료로 하고, 이산화탄소를 소모하기 때문에 화학공정에 비해 환경친화적이다. 그러므로, 적절한 정제공정과 조합한다면 가격경쟁력 있는 숙신산의 생산이 가능할 것으로 예상된다.
최근 숙신산을 분리하는 여러 방법들 중 전기투석(electrodialysis)은 이온교환막을 통해 이온을 선택적으로 투과시킴으로써 이온 교환이나 정제, 농축을 하는 공정이다. 전기투석공정은 발효액에서 숙신산을 분리해낼 뿐만 아니라 하부 공정에서 숙신산의 농축에 필요한 에너지 비용을 줄일 수 있고, 불순물이 없는 매우 환경친화적인 공정이기 때문에, 기존의 숙신산의 정제공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 효과적인 숙신산의 정제를 위하여 탈염 전기투석과 물분해 전기투석의 조업 방식을 결정하고, 조업 조건들의 영향을 조사하였으며, 수학적인 모델을 개선하여 탈염 전기투석의 거동을 모사하였다. 정전류 조업 방식은 낮은 숙신산염의 농도에서 전류를 유지하기 위한 전압이 급격하게 상승하기 때문에 목표로 하는 숙신산염의 회수율을 얻을 수 없었다. 그에 반해 초기에는 정전류로 조업하다가 한계 전류에 도달하게 되면 정전압으로 전환하는 정전류-정전압 조업방식은 목표로 하는 숙신산염의 회수율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 전기투석 장치의 안정적인 조업이 가능했다. 정전류에서 정전압으로 전환하는 시점은 한계 전류 밀도에 의해서 결정되는데, 이를 다양한 숙신산염의 농도에 대하여 측정하였다. 이 조업 방식을 이용하여 탈염 전기 투석에서 조업 전류, 공급 격실과 침투물 격실의 숙신산염의 농도, 공급 격실의 pH및 부산물과 불순물들이 탈염 전기투석에 미치는 영향을 조사하였다. 정전류 구간에서 초기 전류의 증가는 일정한 양의 숙신산염을 정제하는데 필요한 조업 시간은 단축시켰지만, 에너지 소비량을 증가시켰다. 또한, 공급 격실의 숙신산염의 농도가 높을수록 단위 시간당 정제할 수 있는 숙신산염의 양은 증가하여 에너지 소비량이 감소하는 경향을 보였다. 침투물 격실의 숙신산염의 농도는 탈염 전기 투석의 조업에 큰 영향을 미치치는 않았지만, 농도가 매우 높은 경우에는 back diffusion으로 인하여 조업 시간과 에너지 소비량이 증가하였다. 공급 격실의 낮은pH에서는 숙신산염의 회수율이 낮았고, 에너지 소비량은 급격히 증가하였다. 따라서, 공급 격실의 pH는 숙신산염이 이온상태로 존재하는 7.0 이상에서, 이온교환막이 안정할 수 있는 12..0이하에서 조업하는 것이 효과적이었다. 부산물과 불순물들은 숙신산염의 단위 양당 전류 효율과 에너지 소비량을 증가시켰으나, 숙신산의 회수율에는 영향을 끼치지 않았다. 이러한 조업조건을 바탕으로 실제 발효액으로부터 숙신산을 효과적으로 회수할 수 있었다. 물분해 전기투석에서는 조업 전류와 공급 격실에서의 숙신산염의 농도의 영향을 조사하였다. 그 결과 탈염 전기투석에서와 비슷한 결과를 보였으며, 숙신산염은 효과적으로 숙신산으로 전환되었을 뿐만 아니라, 잔여 나트륨 이온을 수산화나트륨의 형태로 회수할 수 있었다. 실험 결과를 바탕으로 수학적 모델을 개선하여 숙신산의 농도 변화, 부피 변화, 조업 시간, 에너지 소비량을 예측한 결과, 실험값을 정확하게 모사하는 예측값을 얻을 수 있었다.
