반응추출을 이용한 숙신산의 분리

홍 연 기, 홍 원 희

한국과학기술원 화학공학과

Purification of Succinic Acid by Using Reactive Extraction

Yeon Ki Hong, Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

숙신산 및 숙신산의 중간체들은 고분자, 식품, 제약, 그리고 화장품 산업에 널리 응용이 되어왔다[1]. 특히 최근 생분해성 고분자에 대한 관심이 증가하면서 숙신산은 젖산과 더불어 생분해성 고분자의 원료물질로서 주목받고 있다.

그러나 현재 생분해성 플라스틱의 가격이 기존 플라스틱에 비해 5-10배정도 높으므로 생산단가에 영향을 미칠수 있는 원료물질에 대한 적절한 분리공정이 요구되고 있는 실정이다. 숙신산에 대한 기존 분리방법으로서는 침전법, 물리적 추출방법등이 있으나 그 효율이 낮다는 단점이 있다.

반응추출은 주로 아민을 이용한 분리방법으로서 아민과 물 그리고 카르복실산의 복합체를 형성시켜 유기상으로 분리해내는 공정이다. 이러한 아민을 이용한 추출은 아민의 염기성을 이용한 것으로 산과 반응하여 염을 형성한다는 사실에 근거해서 행해진다[2].

실험

(1)시약

가. 아민

본실험에서 사용한 아민은 Aldrich사의 Tripropylamine이며 99% 이상의 순도를 가지며 실험시 정제하지 않고 그대로 사용하였다.

나. 활성용매

본실험에서 사용한 활성용매는 99% 이상의 순도를 가지는 Aldrich사의 1-부틸알콜, 1-핵실알콜, 1-옥틸알콜이며 실험시 추가적인 정제없이 그대로 사용하였다.

다. 숙신산

숙신산은 SIGMA사에서 판매되는 순도 99% 숙신산을 증류수에 용해시켜 사용하였다. 실제 발효조에서 나오는 숙신산의 농도가 50g/L임을 고려하여 그 근처 영역으로 숙신산 수용액을 제조하였다.

(2)실험 방법 및 분석

가. 실험 방법

숙신산 추출을 위해 준비된 농도의 숙신산 10ml와 아민을 포함한 유기용매 10ml를 25ml의 바이얼에 넣고 정해진 온도를 유지하며 1000rpm으로 2시간동안 추출하였다. 그리고 추출후 원심분리기에서 4000rpm에서 15분간 상분리를 실시하였다.

나. 분석

숙신산의 농도는 0.05 N NaOH를 사용하여 적정하였으며 지시약으로는 페놀프탈레인을 사용하였다..

결과 및 토론

(1) 유기상과 수용상에서의 숙신산 농도에 대한 평형곡선

Fig. 1에서는 0.25 mol/kg TPA/1-부틸알콜에 대한 숙신산의 추출 평형을 나타내었다. 활성용매로 사용된 알콜의 경우 1-부틸알콜, 1-헥실알콜, 1-옥틸알콜의 순서로 극성이 줄어들게 된다. 활성용매에 의해서 추출되는 숙신산의 양은 아민에 의해 반응추출되는 양에 비해 무시할 수 있으며 이 경우 유기산의 추출능은 아민의 농도가 증가할수록 그리고 활성용매의 극성이 증가할수록 향상됨을 알 수 있다. 이는 활성용매의 극성이 증가할수록 유기산-아민 복합체에 대한 용해도가 뛰어남을 보여준다.

(2) Loading값의 변화

일반적으로 유기산과 아민이 (1,1) 또는 (1,2) 복합체를 형성하는 경우에는 Z<0.5에서는 초기 아민의 농도가 증가할수록 Loading값은 증가하게 되며 Z>0.5에서는 초기 아민의 농도가 증가할수록 Loading값은 감소하게 된다. 또한 전체 Loading값에 걸쳐서 초기 아민의 농도가 증가할수록 Loading값이 크게 감소하는 경우에는 유기산-아민 복합체에 diluent가 강하게 작용하여 유기산-아민-diluent와 같은 복합체 즉, (1,1,1)과 같은 형태를 띄게 된다[3]. Fig. 2에서 보듯이 초기 수용상의 농도가 높을수록 Loading값은 증가하며 초기 아민의 농도가 증가할수록 Loading값이 감소하게 된다. 또한 초기 아민의 농도에 따른 Loading값의 변화가 1-부틸알콜>1-헥실알콜>1-옥틸알콜의 순으로 나타나게 된다. 1-부틸알콜의 경우 1-헥실알콜이나 1-옥틸알콜에 비해 극성이 매우 강하며 분자의 크기도 상대적으로 작아서 유기산-아민 복합체와 결합할수 있는 가능성이 높다. 하지만 1-헥실알콜이나 1-옥틸알콜은 1-부틸알콜에 비해 Loading값의 변화폭이 작기 때문에 (1,1), 그리고 (2,2)형태의 복합체를 형성한다고 볼 수 있다.

참고문헌

1. David A. et al., Appli. Biochem. & Biotechn., 51/52 73(1995)

2. Han, D.H. and Hong W.H.  Sep. Sci. & Techn., 33(2) 271(1998)

3. Tamada, J.A. and King, C.J., Ind. Eng. Chem. Res., 29 1327(1990)