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Continuous recovery process of succinic acid from fermentation broth using reactive extraction in hollow fiber membrane contactor = 중공사막 접촉기에서 반응추출을 이용한 발효조로부터의 숙신산 연속 회수 공정
서명 / 저자 Continuous recovery process of succinic acid from fermentation broth using reactive extraction in hollow fiber membrane contactor = 중공사막 접촉기에서 반응추출을 이용한 발효조로부터의 숙신산 연속 회수 공정 / Dong-Hyun Kim.
저자명 Kim, Dong-Hyun ; 김동현
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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초록정보

Succinic acid, a four carbon dicarboxylic acid, has received a great deal of attention for many years because it can be used as a raw material for biodegradable polymer. As an alternative to the petrochemical-based process, the intensive study on organic acid production through the fermentation process is in progress. In this study, we investigated reactive extraction of succinic acid (SA) from aqueous solutions using a hollow fiber membrane contactor. Tri-n-octylamine(TOA) and 1-octanol were employed as extractant and diluent, respectively. We verified the effect of volumetric flow rate of shell side, initial concentration of succinic acid and TOA, pH of feed solution and salts on forward extraction and concentration of SA/TOA and stripping solution on backward extraction. The effect of TOA concentration on forward extraction was dominant among the various operating variables considered. The extraction rate was proportional to the amine concentration. At the pH above the $pK_{a_1}$ (4.21) of succinic acid, extraction performance was significantly reduced and even worse above $pK_{a_2}$ (5.64) approaching zero in extraction performance. There was no remarkable effect of volumetric flow rate on extraction and stripping in measured interval. Simultaneous forward and backward extraction was carried out at optimized conditions which are determined by individual forward and back ward extraction. Total input concentration of succinic acid was about 150 g/L and final concentration of sodium succinate in stripping solution was about 177 g/L. In simultaneous extraction from fermentation broth final concentration of sodium succinate was about 68.1g/L. As a result, the developed process enabled to producing the succinic acid with high yield (86 %) by controlling concentration of feed solution, pH, transmembrane pressure difference.

본 논문에서는 수용상에 존재하는 저 농도의 숙신산을 중공사막 모듈 (hollow fiber membrane contactor) 내에서의 반응 추출을 이용하여 농축시킴으로써 연속적으로 회수하는 실험을 수행하였다. 숙신산은 4개의 탄소로 이루어진 TCA 회로를 구성하는 중간 생성물 중에 하나로써 혐기 발효에 의해 생산되며 식품, 화장품, 제약 분야에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 특히 근래에는 PBS(poly butylenes succinate)와 같은 생 분해성 고분자 물질의 원료로 쓰이면서 크게 각광을 받고 있다. 반응 추출이란 추출제와 추출 되어지는 물질 사이의 반응이 일어나면서 얻고자 하는 물질이 복합체(complex) 를 형성하면서 한 상(aqueous phase)에서 또 다른 상으로 이동하게 되는 원리를 이용한 분리 공정 중 하나이다. Mixer 와 settler를 이용한 기존의 추출공정에 비해 중공사막 모듈을 이용함으로써 두 상의 직접적인 접촉을 막고 각각의 상들의 흐름을 독립적으로 조절하여 에멀젼 형성을 방지함으로써 연속적인 회수공정을 구사할 수 있다. 각 상의 유속, 숙신산 수용액의 초기농도 및 pH , 추출제 농도, stripping 수용액의 농도등과 같은 다양한 운전 변수들에 대한 영향을 추출과 역추출 실험을 통해 최적화된 운전 조건을 알아보았다. 예비 실험을 통해 수용상은 중공사막 모듈의 shell side 부분으로 유기상은 lumen side(inner fibers)로 흘려 보냈을 때 추출 성능이 더 뛰어나다는 것을 확인했고, 유속에 대한 영향을 총괄 물질 전달계수로 나타내었는데 측정된 구간에서는 큰 영향을 미치지 않았다. 숙신산 수용액의 초기 농도에 대해서는 운전 초기에는 추출 속도의 차이가 다소 나타났지만 시간이 지남에 따라 평형반응에 도달하는 것을 확인하였다. 숙신산 수용액의 pH에 대한 영향은 pKa 값 이상의 pH에서는 해리된 상태로 존재함으로 인해 추출성능이 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 추출제의 농도 결정에 있어서는 목표로하는 5g/L/h의 제거 속도를 만족시키는 0.5mol/kg, 0.75mol/kg 두가지 농도 조건중에 1mol 당 추출 성능이 더 높은 0.5mol/kg 을 추출제의 최적 농도로 결정하였다. 각각의 추출과 역추출 공정에서 얻어진 최적화된 공정변수를 바탕으로하여 연속적인 추출/역 추출 공정을 구사하였다. Shell side 유속은 400ml/min, lumen side 유속은 300ml/min, 추출제의 농도는 0.5mol/kg, stripping 수용액은2N NaOH로 운전을 하였다. 최종 농축된 sodium succinate의 농도는 177.5g/L로 산 처리를 통해 쉽게 결정화 공정으로 이어질 수 있는 목표 값(150g/L) 이상을 얻을 수 있었다. 실제 발효액으로 부터의 농축 실험에서는 68.1g/L의 sodium succinate 을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통하여 발효액으로부터 숙신산을 중공사막 모듈 내에서의 반응 추출을 통해 연속적으로 농축시킴으로써 산업적으로 적용 가능한 공정의 가능성을 제시하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCBE 10002
형태사항 ix, 79 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김동현
지도교수의 영문표기 : Won-Hi Hong
지도교수의 한글표기 : 홍원희
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Reference: p. 72-77
주제 reactive extraction
hollow fiber membrane
succinic acid
tri-n-octylamin
fermentation broth
반응추출
중공사막
숙신산
트리옥틸아민
발효조
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