In this study, predispersed solvent extraction (PDSE) by colloidal liquid aphrons was investigated for the recovery of succinic acid from aqueous solution. Tertiary amine, trioctylamine (TOA), was used as extractant. TOA acts as complexing agents with succinic acid that facilitates the distribution of succinic acid into organic phase.
The extraction characteristics of succinic acid with various pH were investigated. The loading values for succinic acid in PDSE by CLAs increased with increasing the pH values in aqueous phase due to increasing concentration of the undissociated succinic acid. Therefore, the loading value decreased dramatically at pH 4.2, the pKA1 value of succinic acid. The extraction efficiency of PDSE is similar as mixer/settler while extremely short contact time due to the vast surface area of CLAs.
Salts generally contained in fermentation broth can affect the reaction between amine and acid. Sodium and magnesium source as a form of sodium chloride and magnesium chloride hexahydrate are essential nutrients to the microorganism. Therefore, the effect of sodium chloride and magnesium chloride hexahydrate on the extractability of TOA was investigated. Sodium chloride causes noticeable decreasing extractability. The effect of magnesium chloride hexahydreate on extractability was ignorable in the generally used concentration range.
The stripping method of succinic acid after reactive extraction was investigated. The temperature-swing method was not effective. Using a sodium chloride solution was proposed as a new stripping method of succinic acid from organic phase. The stripping efficiencies at 6g/L NaCl solution was about 2 times higher than those at distilled water.
The effect of pH and salt in continuous phase on the stability of CLAs was measured. The stability of CLAs decreases with decreasing the pH value. It is due to electrostatic interactions associated with the surfactant head-groups. However, CLAs are stable at near neutral pH range and almost stable over pH 3. CLAs are unstable with specific salts, such as a potassium phosphate or a sodium phosphate. CLAs stability decreases with increasing the concentration of one salt.
In this work, PDSE was done at counter-current continuous operation of PDSE. Volumetric mass transfer coefficients were calculated while amine concentration varied. Mass transfer coefficient was almost constant. Continuous PDSE process reaches at steady-state after 50 min of operation. The recovery ratios of succinic acid at steady-state were about 25%~67% at the various pH range. They were same as the equilibrium recovery values at the batch process.
콜로이드 액상 에이프런을 이용한 선분산용매추출법에 의한 숙신산 회수에 대한 연구를 하였다. 추출제로는 삼차아민인 트리옥틸아민이 사용되었다. 트리옥틸아민은 숙신산에 대한 복합체 형성 물질로 작용하여 유기상으로의 숙신산 추출을 촉진한다.
수용상의 pH가 숙신산의 추출특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 선분산용매추출에 의한 숙신산 추출의 로딩값은 연속상의 pH값이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 숙신산의 pKA1값인 pH 4.2 근처에서 로딩값이 급격히 감소한다. 이는 트리옥틸아민은 오직 숙신산의 비해리형태와 반응하기 때문에 pKA1값을 지나며 숙신산의 비해리형태가 급격히 감소하기 때문이다. 선분산용매추출에 의한 숙신산의 추출효율은 짧은 접촉시간에도 불구하고 교반/고정형에서의 추출효율과 같다. 이는 콜로이드 액상 에이프런의 넓은 표면적에 의해 물질전달이 빨리 일어나기 때문이다.
발효조에 포함되는 염들은 산-아민 반응에 영향을 미쳐 추출능에 영향을 줄 수 있다. 실제 발효에서 필수 영양소로 주로 사용되는 염화나트륨, 염화마그네슘이 트리옥틸아민의 추출능에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 염화마그네슘의 경우 일반적으로 발효에 사용되는 농도에서 트리옥틸아민의 추출능에 별다른 영향을 미치지 않았지만, 염화나트륨의 경우 추출능의 큰 감소를 야기시켰다.
연속상의 pH와 연속상에 포함된 염들이 콜로이드 액상 에이프런의 안정성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 콜로이드 액상 에이프런의 안정성은 연속상의 pH값이 감소할수록 감소한다. 이는 콜로이드 액상 에이프런을 구성하는 계면활성제의 헤드그룹에 작용하는 정전기적 작용이 pH값이 낮아질수록 강해지기 때문이다. 그러나 콜로이드 액상 에이프런은 pH 3 이상 중성 pH에서는 아주 안정한 것을 알 수 있었다. 콜로이드 액상 에이프런은 인산칼륨, 인산나트륨 등 특정 염이 수용상에 포함될 경우 안정성이 매우 취약해 짐을 알 수 있었다. 또한 수용상에 단일 염이 포함돼 있을 때, 염의 농도가 증가함에 따라 안정성을 취약해 지는 것을 알 수 있었다.
반응추출에 의해 회수된 숙신산은 아민과의 산-아민 복합체를 형성하고 있다. 이렇게 추출된 숙신산은 재생과정을 거쳐야 한다. 본 연구에서는 반응추출 후 숙신산의 재생에 대한 연구를 하였다. 산-아민 반응은 발열반응이기 때문에 온도를 높여주면 역반응이 일어나게 된다. 온도조절에 의한 숙신산 재생 실험 결과 20℃와 60℃에서의 재생률이 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 숙신산 재생 시, 증류수가 아닌 염화나트륨 수용액을 사용하여 실험을 진행하였을 때, 재생률이 약 2배정도 증가함을 알 수 있었다.
회분식 공정에서의 선분산용매추출에 대한 몇몇 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 선분산용매추출의 연속공정에 대한 연구를 하였다. 아민 농도 변화에 따른 물질전달계수를 계산하였다. 아민의 농도가 증가하여도 물질전달계수는 거의 일정한 값을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 연속상의 pH 변화가 선분산용매추출 연속공정에 미치는 영향을 알아보았다. 선분산용매추출법에 의한 숙신산의 회수 연속공정은 조업 시작 후 약 50분에 정상상태에 도달하였다. 연속조업공정에서의 분산상과 연속상의 비율은 0.833이었으며, 25~67%의 숙신산 회수율을 보였다. 이 값은 같은 조건의 회분식공정에서의 평형값과 거의 같은 값이다.
