Hollow Fiber를 이용한 연료용 에탄올 액액 추출

방시원, 박함용, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Separation of ethanol from aqueous solution by liq.-liq. extraction

using Hollow fiber

Pang Shi Won, Park Ham Yong, Kim Woo Sik

Department of Chemical Engineering , Yonsei University

서론

한정된 화석연료를 효율적으로 사용하기 위해 인류는 많은 방법을 모색해왔다.제 3의 에너지가 가장 이상적인 것이라고들 하지만, 기존의 화석연료에 맞춰진 모든 문명을 송두리채 버릴수는 없는 것이다. 이에 에탄올은 자동차의 연료로도 사용될 수 있어 그 어마어마한 시장수요로 인하여 어떤 자원보다도 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 현재 가솔린과 에탄올을 혼합한 gasohol을 새연료로 사용하려는 많은 연구가 진행되고 있다.[1] 그러나, 알코올이 연료용으로 사용되기 위해서는 99.5%이상의 순도를 가져야 한다.  특히 현재관건이 되고 있는 것은 발효에 의해 생성된 생성물의 ethanol인데 이것의 농도가 8∼12%의 저농도이기 때문에 이를 분리, 농축하여 무수 에탄올을 얻을 때 소비되는 에너지를 최소화하여 가용에너지를 극대화하는 것이다. 지금까지는 증류법에 의해 에탄올을 농축하여 왔지만 에탄올이 물과 공비혼합물을 형성하며, 따라서 통상적인 증류에 의하여 에탄올을 분리하기 위해서는 에탄올이 갖고 있는 연소에너지의 30∼60%가 필요한데 이것을 에탄올 생산공정에 필요한 에너지와 합하면 에탄올 연소에너지의 90∼130%가 되어 에너지 절약형의 새로운 농축공정이 절실히 요구되고 있다.

이에 본 연구에서는 경제적인 분리공정으로 알려진 액액추출법을 이용하면서 기존의 액액추출법의 장점을 살리면서 단점을 보완하기 위해서 실관막을 이용하고자 한다. 여기에 사용되는 유기용매는 distribution coefficient, separation factor가 높고 균체에 대한 toxicity가 낮은  혼합용매를 사용하고자 한다. 실관막을 이용한 액액추출법을 통해서 분리함에 있어서 그 추출에 영향을 주는 인자들에 대해 정성,정량적으로 고찰하고자 한다.

이론

1. 실관막을 통한 에탄올의 액액추출

본 추출계에서 용질의 물질전달속도는 각 상의 물질전달계수와 총괄물질전달계수에 의해 다음의 식 (1) ∼ 식 (4)와 같이 나타낼 수 있으며

NAo = ks(Csb - CsM)□doLn	(1)

= kM(CMo - CtM)□dlmLn	(2)

= kt(CtM - Ctb)□diLn	(3)

= Ko(Ct* - Ctb)□diLn	(4)

식 (1) ∼ 식 (4)의 관계를 이용해 정리하면 총괄물질전달계수의 개별물질전달계수의 관계는 다음과 같이 된다.

[eqn: 1overK sub o = m overk sub s + d sub o over {k sub M d sub lm} + d sub o over {k sub t d sub i }]

따라서, 총괄물질전달저항(RT = 1/Ko)은 수용상에서의 물질전달저항(Rs = m/ks), 막상에서의 물질전달저항(Rs = m/ks), 막상에서의 물질전달저항(RM = 1/kM do/dlm)과 유기상에서의 물질전달저항(Rt = 1/kt do/di)의 합으로서 식 (5)로 나타낼 수 있다.

RT = Rs + RM + Rt	(5)

실관막 단위면적 및 단위시간당의 추출된 용질의 양으로 정의된 투과 flux와 유기상을 기준으로 한 총괄물질전달계수는 각각 식 (6) 및 식 (7)과 같다. [2],[3]

[eqn: Flux = {(C sub t~ | ~ sub z=0~ -~ C sub t~|~sub z=L ~)Q sub t} over {( pi d sub o LN)}]	(6)

[eqn: K sub 0 = {(C sub t ~|~sub z=0~ -~C sub t~ |~sub z=L )Q sub t} over { (pi d sub o L N)} TIMES {ln({mC sub s ~|~ sub z=L ~-~ C sub t ~|~sub z=L} over {mC sub s~ |~ sub z=0~ -~ C sub t ~|~ sub z=0})} over {(mC sub s ~|~ sub z=L -~C sub t~ |~sub z=L~ ) -~ (mC sub s ~|~sub z=0~ -~ C sub t ~|~ sub z=0 )}]  (7)

실험

1. 실관막을 통한 발효액의 액액추출

본 연구에 사용한 다공성 실관막은 미국 Celanese Co.의 polypropylene(PP)재질인 Celgard X10-400을 사용하였다. 자세한 specification은 아래 표와 같다.

Table 1. Characteristics of Celgard X10-400 microporous Hollow Fiber

Charateristics	Specification
Material Property Porosity Pore Dimensions Effective Pore Size Tensible Break Strength Resistance to Air Flow Shrinkage, Axial Direction(Unrestrained) Internal Diameter(Nominal) Wall Thickness(Nominal) Outer Diameter(Nominal)	Polypropylene Hydrophobic 30 % 0.05 × 0.15 □ 0.005□ 200 g/filament 20∼60Gurley Sec 2.5% Maximum 400□ 30□ 460□

일정온도(25 ℃)로 유지된 수용상(에탄올 발효액)과 혼합 유기용매상(1-Hexanol : xylene = 7 : 3)은 일정 압력과 유량으로서 각각 원심펌프(Micro Pump Co., U.S.A.)와 질소 압력에 의해 실관형 모듈의 shell side와 tube side로 각각 도입되도록 하였다.

8

1.실관막 모듈

8                                                        2.추출전 혼합유기용매

10                               9                              3.추출전 발효액

4.추출후 혼합유기용매

10     6                      5.추출후 발효액

1                                           6.Micro Pump

8                                          7.N2 bomb

5                                                            8.압력계

2     9.유량계

8                                                       10.밸브

9     10

10

7

4

3

Fig 1. Schematic diagram of a hollow fiber module and flow loop for perstraction    실험은 유기 용매가 실관막과 접촉하기 전에 수용상을 모듈의 쉘측 도입구를 통하여 보낸후 유기상을 수용상과 향류 방향으로 보내면서 각 상의 유속과 압력을 조절하였으며, 이 때의 실관막 내외의 압력차(□P)는 50□로 유지하였는데, 이러한 조작은 막의 세공을 통하여 유기상이 누출됨으로서 야기되는 에먹젼현상을 방지하기 위해서이다. 각 상의 유속과 압력을 고정시킨 뒤 발효액의 실관막투과 횟수에 따라 각각 시료를 채취하여 농도를 분석하였는 바, 에탄올의 농도는 Gas Chromatography(Hewlett Packard, U.S.A.)로 분석하였다.

결과 및 토의

Effect of number

of Extraction on

the Concentration

of EtOH in organic solvent

(X10-400 hollow fiber □P=50□)

에탄올 발효를 통해 얻은 발효액의 초기 에탄올 농도는 5.14wt%였고, 이 발효액 1L에 대해 혼합유기용매 0.2L로 추출 실험한 결과는 위와 같았다. 8회 추출한 결과 1L의 발효액으로부터 28.7g의 에탄올을 유기용매로 추출할 수 있었다. 이것을 추출정도로 계산해보면 12.55wt%로 약 144%의 농축이 되었음을 알수 있다.

참고문헌

[1] Matsumura, M : "Perstraction" in Extracive Bioconversions, Mattiasson       B. and holst, O. ed., Marcel Dekker,Inc., New York, 91(1991)

[2] J.Roddy, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev., 20, 104(1981)

[3] Wang, H. Y. et. al. : Biotechnology and Bioengineering Symp., 11, 555(1981)