역삼투막에 의한 lactic acid의 분리

권철환, 이용철

성균관대학교 화학·고분자 및 섬유공학부

The Separation of Lactic Acid by Reverse Osmosis Membrane

Cheol-hwan Kwon, Yong-Chul Lee

School of Chemical·Polymer and Textile Engineering,

Sungkyunkwan University

서 론

Lactic acid는 식품, 의학, 섬유 가죽 산업 등에서 넓게 이용되는 유기산이다. 최근에는 latic acid 고분자를 결합하여 생분해성 충전 물질이나 수술 후의 외과적 제거가 필요가 없는 봉합선을 제조하는데 응용되고 있다. 최근의 연간 전 세계 생산량은 연간 2.5∼3천만kg이며, 빠르게 상용 화학 물질화 되고 있다. Lactic acid의 전세계 생산량 중 절반 가량은 발효에 의해 생산되고 있으며, 나머지는 화학적 합성에 의해 생산되고 있으나, 화학적 합성의 원료가 되는 원유가의 상승에 따라 발효에 의해 생산되는 lactic acid가 증가 추세이고, 이것으로 인해 lactic acid 발효와 그 농축 공정을 향상시키려는 연구가 확대되고 있다. lactic acid 발효는 발효하는 동안 pH를 5.5에서 6으로 유지시켜 줄 때 비교적 높은 농도의 lactic acid를 생산할 수 있다. 그러나 이 경우 염의 침전이 생기고, 부 생성물이 생산되는 단점이 있다. pH 조절을 하지 않은 경우에는 위의 단점은 극복되나, 농도가 낮은 단점이 있다.[1,2,3,4]

발효 공정에서 자주 접하게 되는 어려움은 발효 생산물의 농도가 묽다는 것이다. 그러므로 발효 공정의 경제성은 원료나 발효 비용보다는 농축 비용에 의해 크게 좌우된다. 많은 발효 생산물이 열에 약하고 기존의 농축 공정인 증류 공정에 의해 영향받을 수 있으므로 역삼투막 공정은 종종 발효 생산물 농축에 있어서 대안으로 제시된다.[1,2,5,6]

따라서 본 연구에서는 역삼투막 분리공정에서 pH 5.5의 경우와 pH를 조절하지 않은 경우에 농도를 비롯한 여러 인자에 의해 lactic acid의 분리효율이 각각 어떻게 영향을 받는지 조사하여 lactic acid 분리 공정의 응용에 필요한 기초 자료들을 제시하고자 한다.

실 험

본 실험에서 사용한 역삼투막과 모듈은 Film Tech사에서 제조한 FT-30막의 나권형 모듈인 BW30을 장착한 pilot 장치를 사용하였다.[7]

압력, 농도 및 공급유량의  영향을 알아보고자 pH 5.5의 경우와 pH를 조절하지 않은 경우의 lactic acid를 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 mg/L로 제조하여 압력을 10, 13, 16, 19, 22 kg/cm2로 변화시키고 공급유량을 2.8, 4.2 l/m의 속도로 변화시켜 lactic acid의 배제율 및 막 투과 유량을 조사하였다. 공급액의 pH 변화에 따른 용질의 배제율을 비교하기 위하여 10000 mg/L의 lactic acid를 제조한 후 8N의 수산화나트륨으로 pH를 2.38에서 6.5까지 조절하여 각 압력에 따른 제거 실험을 수행하고 막 투과액의 농도를 측정하여 배제율을 구하였다.

시료는 계가 정상상태에 충분히 도달하였을 것으로 예상되는 60분 이후에 채취하여 정상상태의 농도를 구하였으며 HPLC로 이용하여 lactic acid를 분석하였다. 이때 이동상은 황산을 이용해 pH를 3.53으로 조절한 증류수를 사용하였다.

결과 및 토론

압력 및 농도의 영향

공급액의 유량을 4.2 l/min로 일정하게 유지하고, pH 5.5와 pH를 조절하지 않은 Lactic acid 용액을 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 mg/l로 제조하여 각 농도에 대해 운전 압력을 10, 13, 16, 19, 22 kg/cm2로 단계적으로 변화시켜 가면서 운전 압력에 따른 막 투과 flux와 농도를 측정하였으며 그림 1, 2에 pH를 조절하지 않은 경우의 막 투과 flux와 용질의 배제율을 각각 공급농도별로 나타내었다.

막 투과 flux는 운전압력이 증가함에 따라 증가하였으며 또한 동일 운전 압력에서는 공급용액의 농도 증가에 따라 막 투과 flux가 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 농도의 증가에 따라 용액의 삼투압이 증가하므로 막 투과 추진력인 유효 압력차 (□P-□□)가 감소하고 이에 따라서 막 투과 flux 역시 감소하기 때문인 것으로 사료된다.

용질의 배제율은 전반적으로 압력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 공급용액의 농도가 낮을수록 그 증가폭이 작았고 공급용액의 농도가 1000, 2000 mg/l의 경우에는 거의 일정한 경향을 보였다. pH를 조절하지 않은 경우와 pH를 5.5로 조절한 경우의 배제율 증가폭을 비교해보면 pH 5.5의 경우보다 pH를 조절하지 않은 경우가 상대적으로 증가폭이 크게 나타났는데 이는 pH 5.5의 경우는 저압에서 이미 99.5% 이상의 높은 제거율을 보이므로 운전 압력에 의한 영향을 상대적으로 적게 받는 것으로 사료된다.

공급 유량의 영향

그림 3, 4에 공급 유량이 2.8 l/min , 4.2 l/min인 각 경우에 대하여 운전 압력에 따른 막 투과 flux와 용질의 배제율의 변화를 각각 나타내었다. 전체적으로 동일 운전압력에서는 공급 유량이 증가할수록 막 투과 flux가 증가하였는데 이는 공급 유량의 증가로 인하여 막 표면흐름의 난류형성을 촉진시키고 이로 인해 막 표면에 형성된 농도 분극층을 감소시켜 유효 압력차를 크게 하기 때문인 것으로 사료된다. 또한 공급유량 변화에 따른 막 투과 flux의 증가율이 저농도보다는 고농도에서 더 크게 나타났는데 이는 저농도보다 고농도에서 농도 분극화 현상이 더욱 강하게 작용하므로 공급액의 농도가 높을 때 공급 유량에 의한 영향을 더 크게 받는 것으로 판단된다. 또한, 막 투과 flux는 공급 유량보다는 운전 압력에

Fig. 1. Effect of operating pressure          Fig. 2. Effect of operating pressure

on the permeate flux                        on the solute rejection

at pH uncontrolled.                          at pH uncontrolled.

Fig. 3. Effect of operating pressure          Fig. 4. Effect of operation pressure

on the permeate flux                       on the solute rejection at

at feed concentration.                       2.8 and 4.2 l/min(10000 mg/l)

더 크게 영향을 받았는데 공급압력이 22 kg/cm2 일때 공급 유량이 2.8 l/min에서 4.2 l/min로 증가하면 공급 농도가 1000 mg/l인 경우에 약 8.2%, 그리고 10000 mg/l인 경우에 약 17.71%의 높은 증가율을 보였다. 이것은 전체 막 투과 물질 전달 저항에 크게 영향을 미치는 것은 공급액의 유량보다는 오히려 운전압력의 변화에 더 기인한다는 것을 의미한다.

용질의 배재율은 pH를 조절하지 않은 경우 공급 유량이 2.8 l/min에서 4.2 l/min로 증가 할 때 공급농도1000 mg/l의 경우 1.14%, 10000 mg/l의 경우에는 0.99%의 제거율이 증가하였는데 pH 5.5의 경우보다 pH를 조절하지 않은 경우의 제거율이 공급유량에 의해 더 많이 영향받는 것으로 나타났다.

pH의 영향

일정한 공급 유속에서 Lactic acid 용액의 농도를 10000 mg/l로 일정하게 유지하면서 각 공급 용액의 pH 변화에 따른 막의 배제율을 알아보고자 각 공급 용액의 pH 조절제로 수산화나트륨을 사용하여 pH를 조절하지 않은 경우(pH 2.38)에서부터 pH를 6.5까지 변화시키면서 운전 압력에 따른 막 투과 flux와 막 투과액의 농도를 측정하고 이에 따른 막의 용질 배제율을 구하여 그림 5, 6에 각각 나타내었다.

용질의 배제율은 pH를 조절하지 않은 경우에서 pH 4.5까지는 운전압력의 증가에 따라 용질의 배제율이 증가하여 운전압력의 영향을 비교적 크게 받고 있는 반면, pH 5.5와 pH 6.5의 경우는 운전압력에 따라 거의 일정한 제거율을 나타내었다. 즉 운전 압력의 변화에 따른 용질 배제율이 pH를 조절하지 않은 경우에는 0.96%, pH 3.5의 경우에는 1.34%, pH 4.5의 경우에는 0.75%가 증가하였으나 pH 5.5는 0.16%, pH 6.5는 0.07%의 증가폭을 나타내어 본 실험의 운전압력 범위에서는 거의 일정한 배제율을 나타내었고 또한 pH 5.5 이상에서는 저압에서도 상당히 높은 배제율을 나타내고 있어 운전 압력이 증가함에 따른 배제율의 변화에 미치는 압력의 영향이 그다지 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 동일 공급압력에서 pH에 따른 배제율의 변화를 살펴보면 10 kg/cm2의 압력에서는 pH가 증가함에 따라 배제율이 96.1%에서 99.81%로 변하였고, 22 kg/cm2의 압력에서는 97.06%에서 99.88%로 변하였는데, 상대적으로 고압의 운전영역에서 저압보다 pH의 영향을 적게 받음을 알 수 있었다.

Fig. 5. Effect of operating pressure          Fig. 6. Effect of operating pressure

on the permeate flux                       on the solute rejection

at pH 6.5 and 2.38.                         at various pH.

막 투과 flux를 살펴보면 pH 5.5의 경우, 22 kg/cm2의 압력에서 공급 유량이 2.8 l/min에서 4.2 l/min로 증가할 때 공급 농도가 1000 mg/l인 경우에 약 6.2%, 그리고 10000 mg/l인 경우에 약 22% 증가율을 보였다. pH를 조절하지 않은 경우, 22 kg/cm2의 압력에서 공급 유량이 2.8 l/min에서 4.2 l/min로 증가할 때 공급 농도가 1000 mg/l인 경우에 약 8.2%, 그리고 10000 mg/l인 경우에 약 17.71%의 증가율을 보였다. pH 5.5의 경우와 pH를 조절하지 않은 경우 모두 저농도에서 보다 고농도에서 공급 유량에 따른 막 투과 flux의 증가율이 더 컸다. 이것도 역시 고농도에서의 농도 분극화 현상이 저농도보다 강하여 막 투과 유량이 저농도인 1000 mg/l보다 공급 유량에 더 큰 영향을 받는 것임을 알 수 있었다.

참고 문헌

1. Schicher, Laura R., Cheryan, M., "Reverse Osmosis of Lactic Acid Fermentation broths", J. Chem. Technol., 49, 129-140 (1990).

2. Timer, J. M. K., Van der Horst, H. C. and Robbertsen, "Transport of lactic acid through reverse osmosis and nanofiltration membranes", J. Membr. Sci., 85, 205-216 (1993).

3. Tejayadi, S., Cheryan, M., "lactic acid from cheese whey permeate. Productivity and edonomics of a continuous membrane bioreactor", Appl Microbiol Biotechnol., 43, 242-248 (1995).

4.  Lee, E. G., Moon, S. H., Chang, Y. K., Yoo, I. K., Chang, H. N., "lactic acid revocery using tow-stage electrodialysis and its modelling", J. Membr. Sci., 145, 53-66 (1998).

5. Porter, Mark C., "Handbook of Industrial Membrane Technology", Noyes Publications, 128-131, 241-242 (1990).

6. Han, I. S., Cheryan, M., "Nanofiltratikon of model acetate solutions", J. membr. Sci., 107, 107-113 (1995).

7. 류정, 석사학위논문, 성균관 대학교 화학공학과, (1996).