활성탄이 충진된 고정층에서 당류의 흡착

1이재욱, 조규진, 문일식

순천대학교 화학공학과

1서남대학교 화학공학과

Adsorption of Saccharides in a Fixed Bed Charged with Activated Carbon

Jae Wook Lee, Gyoujin Cho and Il Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, Sunchon

Department of Chemical Engineering, Seonam University, Namwon

서 론

올리고당 개발은 설탕과 전분 및 유당 등을 원료로하여 각종 올리고당이 개발되었으며 산업화에 성공하였다. 올리고당중에서 말토올리고당은 글루코스가 □-1,4 글루코시드 결합으로 2-10개 연결된 당으로서 인체내에서 비피더스 인자로 작용하고 혈당이나 콜레스롤의 상승억제 작용이 있다고 알려져 있다. 또한 말토펜타오스(G5)는 감미료로서 우수한 성질을 지니고 있어 식품첨가물 뿐만 아니라 고순도 제품은 □-아밀라아제 활성측정을 위한 진단 시약용 기질로 사용되는 등 의료분야에서 많은 응용분야가 기대되고 있는 고부가가치 소재이다. 기존에 널리 사용 되어온 이온교환수지는 많은 분리비용을 요하는 단점을 지니고 있다.  최근 말토펜타오스(G5)의 분리 및 순도를 향상시키고자 값싼 활성탄을 매질로한 흡착분리 연구가 보고되고 있다[1]. 본 연구자들은 국내산 활성탄(삼천리, 30-100mesh)이 말토펜타오스(G5)의 분리 및 농축에 우수한 특성을 나타내고 있음을 발표한 바 있다[2].

본 연구에서는 활성탄을 이용한 당류, 특히 말토펜타오스(G5)의 새로운 분리 및 농축 기술 개발을 목적으로 기초연구를 수행하였다. 회분식 흡착장치를 이용하여 물질의 확산계수를 구하고 흡착성분인 당류(saccharides)간의 경쟁흡착을 살펴보았다. 또한 고정층 흡착장치를 이용하여 단일성분 및 다성분 실험을 실시하여 파과곡선을 살펴봄으로서 성분간의 흡착분리 현상을 살펴보았다.

이  론

흡착에 의한 물질의 분리조작에서 가장 기초가 되는 것은 단일 및 다성분 흡착평형관계이다. 단일성분의 흡착평형관계는 가장 널리 사용되어온 Langmuir, Freundlich 및 Sips식을 선정하였고 Langmuir 등온식을 확장한 Extended Langmuir 등온식과 이상흡착용액 이론(IAST; Ideal Adsorbed Solution Theory)을 이용하여 다성분 흡착평형량을 예측하였다.

흡착제 내부에서의 물질이동은 확산에 의한 것으로 확산기구를 규명하고 확산계수의 크기를 결정하기 위해 세공확산(pore diffusion) 및 표면확산(surface diffusion) 모델을 선정하였다. 고정층 흡착탑을 모델링하기 위해 등온조건, 축방향분산이 고려된 flug 흐름, 일정한 유속 및 국부평형을 가정하여 물질수지식을 세웠다.

[eqn: -D_L {partial^2 C} over partialz^2 + {partialnu C_i} over {partial z} +{ partial C_i} over {partial t} + 1-epsilon over epsilon {partial q_i} over {partial t} = 0]	(1)

또한 입자내부의 물질전달은 표면확산 모델에 따른 다고 가정하면 다음과 같은 수지식을 얻을 수 있다.

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

모델식에 관한 수치해는 유한요소법과 Orthogonal collocation이 결합된 방법을 이용하여 모델식을 차분화 하였고, 얻어진 1계 상미분 방정식군은 LSODI 를 사용하여 시간에 관한 해를 구하였다[3].

실  험

실험에 사용한 흡착제는 국내 삼천리 사에서 제조한 활성탄이다. 야자각을 원료로 하여 제조한 활성탄을 30-100 mesh 크기로 분류하여 사용하였다. 흡착물질은 여러 당류중 단당(fructose, galactose, glucose) 및 이당(sucrose, maltose, lactose)은 Junsei Chemical Co.(일본)로부터, 그리고 말토트리오스(G3), 말토테트라오스(G4), 말토펜타오스(G5)는 Sigma사(미국)로부터 구입한 후 정제과정 없이 초순수증류수를 사용하여 용액을 제조하였다. 평형실험은 일정량의 흡착제를 300ml의 혼합액이 들어있는 후라스크에 넣고 25℃에서 유지되는 교반형 항온수조내에서 48시간 동안 방치한 후 여액의 농도를 분석함으로서 결정하였다. 회분식 실험은 Carbery 흡착조를 제조하여 500rpm, 25℃에서 수행하였다. 고정층 실험은 제작한 유리컬럼(1.0 x 30 cm)에 활성탄을 충진하고 제작한 용액의 저장용기로부터 펌프를 사용하여 일정유속으로 흘려보냈다. 모든 당의 분석은 Shim-pack  CLC-NH2 (4.6mm × 50mm, Shimadzu, Japan)컬럼이 부착된 HPLC(Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 디텍터로는 RID-10A refractive index detector, 이동상으로 아세토나이트릴과 물의 혼합액(60:40 vol%)을 사용(1ml/min)하였으며 칼럼은 40℃로 일정하게 유지해 주었다.

결과  및  토론

단일성분의 흡착평형 데이터를 이용하여 흡착등온식을 결정하였다. 활성탄에 대한 흡착친화도는 다음 순서와 같았다 ; G2>G3≥G1>G4>G5. Fig. 1에 나타낸바와 같이 확산계수를 결정하기 위하여 확산모델에 의해 계산된 농도곡선과 실험에 의해 구한 농도곡선을 비교하여 결정하였다. 결정된 유효표면확산계수(Ds)는 1.16×10-12 ∼ 2.15×10-14 값을 보였다. 고정층 내에서의 흡착물질인 당류의 흡착거동을 살피기 위하여 각 단당의 파과곡선을 실험적으로 구하고 제안된 모델로 만족스럽게 예측한 결과를 Fig. 2에 도시하였다. 또한 Fig. 3에서는 유속에 따른 말토스의 파과곡선을 나타내고 있다.

감  사

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

참 고 문 헌

[1] Abe, I., Hayashi, K. and Kttagawa, M., "Adsorption of Saccharides from

aqueous solution onto activated carbon", Carbon, 21(3), 189-192 (1993)

[2] 김영탁, 조규진, 이재석, 문일식,: 화학공학의 이론과 응용,  3(2), 2349-2352 (1997)

[3] Lee, J.W., Park, H.C. and Hee M., "Adsorption and Desorption of

Cephalosporin C in Nonionic Polymeric Sorbents", Separation and

Purification Technology, 12(1), 6-11 (1977)

Fig. 1. Concentration decay curve of glucose in a batch adsorber.

Fig. 2. Adsorption breakthrough curves of monosaccharides.

Fig. 3. Adsorption breakthrough curves of maltose in terms of flow rate.