회분식 흡착장치조에서 활성탄을 이용한 혼합당류의 흡착

권태옥, 이재욱*, 조규진, 문일식

순천대학교 화학공학과, 서남대학교 화학공학과*

Adsorption of Maltooligosaccharides on Activated Carbon in a Batch Adsorber

Tae Ouk Kwon, Jae Wook Lee*, Gyoujin Cho, Il Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, Sunchon

Department of Chemical Engineering, Seonam University, Namwon*

서 론

전분의 효소가수분해에 의해 생산된 말토올리고당 혼합액을 활성탄을 이용해 흡착시켜 부가가치가 높은 말토펜타오스를 분리한 바 있다[1,2].

이러한 흡착에 의한 분리공정을 체계적으로 연구하기 위해서는 우선 다성분의 흡착평형량을 예측하는 것이 필요하며, 또한 다성분 흡착평형 예상을 위해서는 단일성분의 흡착등온식[3,4]의 정확한 결정이 중요하다.

그래서 본 연구에서는 광범위한 농도 범위에서 측정된 흡착 평형량으로부터 적합한 흡착등온식을 선정하고 선정된 단일성분 흡착등온식은 다성분 흡착량 예상에 도입하였다. 또한 회분식 흡착방법을 이용하여 단일 및 혼합성분의 흡착속도에 관한 연구도 병행하여 물질전달계수나 확산계수등과 같은 속도 파라메터를 산출하여 활성탄에의한 당류의 흡착메카니즘을 해석하고자 한다.

이  론

단일성분의 흡착평형은  Sips식으로 나타내었다. 분리하려는 대상물질은 혼합물로 존재하기 때문에 다성분 흡착평형이론이 필요하다. 흡착제 표면에서 흡착상이 이상용액을 형성한다는 가정 하에서 다성분 흡착평형을 이상용액이론(IAST: Ideal Adsorbed Solution Theory)을 이용하여 다성분 흡착평형량을 예측하였다. 기본식들은 다음과 같다[3].

[eqn: q={{q}_{m}b{C}^{{1}over{n}}}over{1+b{C}^{{1}over{n}}}]	(1)

[eqn: {Z}_{i}={{Q}_{i}}over{{Q}_{T}}]	(2)

[eqn: SUM {Z}_{i}={{Q}_{i}}over{{Q}_{T}}]	(3)

[eqn: pi 1=pi 2= CDOT CDOT CDOT =pi]	(4)

[eqn: pi i={RT}over{A} INT{ {{Q}_{i}}^{ CIRC }}over{ {{C}_{i}}^{ CIRC }}={RT}over{A} INT {{Q}_{i}}^{CIRC}}d(ln{{C}_{i}}^{CIRC})]	(5)

회분식 장치조내에서의 농도감소곡선을 예측하기 위한 모델은 회분식 흡착조에 관한 물질수지식과 입자내부의 물질전달식으로 이루어진다. 본 연구에서 선정한 표면확산모델식 및 경계조건은 다음과 같다.

[eqn: {partialq } over {partialt }= { 1} over { { r}^{2 } } { partial} over {partialr } LEFT ( { r}^{2 } { D}_{s } {partialq } over {partialr } RIGHT )]	(6)

[eqn: {K}_{f}(C-{C}_{s})={D}_{s} {rho }_{p}{ PARTIAL q}over{ PARTIAL r} { { }^{ } }^{ } at { }^{ } r={R}_{p}]	(7)

[eqn: { PARTIAL q}over{PARTIAL t}=0 { { }^{ } { at { }^{ } { r =0}}}]	(8)

모델식에 관한 수치해는 유한요소법과 Orthogonal collocation이 결합된 방법을 이용하여 모델식을 차분화 하였고, 얻어진 1계 상미분 방정식군은 LSODI 를 사용하여 시간에 관한 해를 구하였다.

실  험

본 실험에서 사용한 흡착제는 야자각을 원료로 하여 제조한 국내산 활성탄(삼천리, 한국)으로서 30∼100mesh 크기로 분류하여 사용하였으며 진공 데시게이터에 보관 후 사용하였다. 사용한 단당 및 이당은 Junsei Chemical Co. (일본)로부터, 그리고 말토트리오스(G3), 말토테트라오스(G4), 말토펜타오스(G5)는 Sigma사(미국)으로부터 구입한 후 정제과정 없이 초순수증류수를 사용하여 용액을 제조하였다. 흡착평형량은 제조한 용액(1.0∼4.0mol/m3)과 건조된 활성탄(0.03∼0.05g)을 300□의 삼각플라스크에 넣은 후 48시간 동안 교반한 후 측정된 농도차를 이용하여 물질수지식으로부터 구하였다. 회분식 실험장치는  Carberry 형 흡착조를 사용하였고 용액의 혼합을 원할하게 하기 위하여 4개의 baffle을 설치하였다. 모든 당의 분석은 단당의 경우에는 UV-160A(Shimadzu, Japan)과, 그 이외의 당에는 모두 Shim-pack HPLC-NH2 (4.6mm×50mm, Shimadzu, Japan)컬럼이 부착된 HPLC(Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 디텍터로는 RID-10A(refractive index detector), 이동상으로는 아세토나이트릴과 물의 혼합액( 60:40, vol% )을 사용하고 유속은( 1ml/min )으로 하였으며 칼럼은 40℃로 일정하게 유지해 주었다.

결과  및  토론

Fig. 1. 은 말토트리오스와 말토펜타오스 단성분을, Fig. 2. 은 락토오스와 수크로오스 이성분, Fig. 3. 은 글루코스와 말토오스 이성분을 대상으로 하여 회분식 흡착장치에서 실측한 농도감소곡선과 표면확산모델로부터 예측된 결과를 비교하여 나타낸 그림으로서 실험값과 예측값이 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.

Table 1. Sips isotherm parameters of saccharides.

Sorbates	Parameters
	qm	b	n
Glucose	15.355	0.0061	1.6740
Sucrose	0.4000	4.5021	1.1135
Maltose	1.2650	0.6406	3.2398
Lactose	0.7950	1.2039	1.2971
Maltotriose	0.1869	8.1195	1.1928
Maltotetraose	0.1869	8.1195	1.1928
Maltopentaose	0.1118	1.0548	1.1755

감  사

본 연구는 1997년 한국학술진흥재단의 지방대 육성과제 연구비(과제번호      002-E00319)의 일부로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참 고 문 헌

[1] 특허 제149688호.

[2] Il-Shik Moon and Gyoujin Cho, Biotechnol. Bioprocess Eng., 2, 19-22 (1997).

[3] 권태옥, 이재욱, 조규진, 안호근, 문일식,: 화학공학의 이론과 응용,  4(1), 601-604 (1998).

[4] 이재욱, 조규진, 문일식,: 화학공학의 이론과 응용,  4(1), 565-568 (1998).

Fig. 1. Concentration decay curve of single component saccharides.

Fig. 2. Concentration decay curve of binary saccharides.

Fig. 3. Concentration decay curve of binary saccharides.