세라믹막을 이용한 포도당 농축 공정의 최적화

이 수 은 , *이 시 철 , 이 용 택

경희대학교 환경, 응용화학부 , *(주) 한텍

Optimozation of Glucose Concentration

Processing Using Ceramic Membrane

Soo-Eun Lee , *Si-Chul Lee , Yong- Taek Lee

College of Environment & Applied Chemistry, KyungHee Univ

*Han Tec. Co. Ltd.

서론

기존의 제당공정(포도당 정제)에서 사용하는 공정은 당화 - 정제(rotary vacuum filter) - 탈색(carbon filter) - ion exchange로 이루어져 있다. 이 공정 중에서 정제공정은 반드시 수작업이 필요한 상태이고 자동화가 불가능하며 탈색공정을 하기 위하여 규조토를 사용해야 하므로 폐기물이 발생한다는 단점이 있다. 더군다나 최종제품이 액상일 경우 미생물의 번식을 막기 위하여 살균 공정을 필요로 하기 때문에 열처리가 반드시 수반되나 원료에 함유된 영양성분이 열처리에 의해 파기됨은 물론, 많은 에너지 비용과 시설비 및 운영비를 필요로 한다.

본 실험은 이러한 정제 및 탈색공정을 분리막을 이용하여 단축시킴으로써 폐기물 발생을 줄이고 자동화에 따른 연속운전으로 인하여 인건비 감소 및 생산성 향상을 가져오고자 한다. 따라서 pilot scale의 세라믹막을 이용하여 포도당 정제시 농축율 변화에 따른 flux 변화와 transmembrane pressure(TMP)변화를 알아보았고 농축율(volumetric concentration flux : VCF)이 일정할때의 flux 변화 및 TMP변화의 원인을 분석하여 flux회복을 위한 방법 등을 검토하였다.

이론

현재 분리농축에 있어서 많이 이용되고 있는 것은 증발 또는 진공 농축법이 주류를 이루고 있지만 이것은 대량의 에너지를 사용하고 있기 때문에 에너지 손실이 막대하고 특히 열에 의한 변성이 문제가 되고 있어 제당, 유업 등 식품공업에 있어서는 심각한 문제로 대두되고 있다. 이에 반해 막분리 공정은 열에너지를 전혀 사용하지 않고[1] 압력만을 이용하기 때문에 상분리에 의한 물리 화학적 성질을 피할 수 있으며, 비교적 소규모 장치로 많은 양을 처리할 수 있는 장점이 있다. 특히 분리막을 이용한 포도당 정제에서는 온도를 높이고 가능한 점도를 낮추어 투과율을 높여야 하기 때문에 열충격에 대한 저항성이 강한 세라믹 막의 필요성이 요구된다. 또한 세라믹 막은 화학적 안정성이 우수하여 연속세척이 가능하므로 비용절감의 효과를 들 수 있으며 막 분리 공정의 높은 조업압력 하에서도 막의 기계적 강도가 커서 막의 미세구조가 변형 또는 파괴되지 않기 때문에 어느 정도 일정한 투과율과 분리효율을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.[2]

2. 실험

2.1. 실험 재료

실험에 쓰인 포도당은 95DE이며 (주)삼양사로부터 제공을 받았다. 포도당 원액은 6시간이상 당화된 것을 사용했으며 Brix는 32∼34%, Suspended Solids는 34%였다. 사용한 막은 세라믹막으로서 pore size는 0.1□m, 막표면적 2.16m2, 관형막의 내경은 6mm, 7channel의 관형막을 각각 장착시킬 수 있는 plant-scale 장치[APPLEXION 2KBX-07(France)]를 이용하여 실험을 하였다.

Fig. 1 Monolithic module       Fig. 2 Schematic diagram of concentration

systems using ceramic membrane

1: feed, 2: by-pass valve, 3: feed pump,

4: circulation pump, 5 : chilled water

6: ceramic membrane

2.2. 장치 및 방법

본 실험에서 쓰인 포도당 원액의 온도는 steam양을 65∼75℃에서 조절하였으며 가능한 70℃를 유지하였다. Crossflow velocity는 5m/s, TMP는 1.0∼2.0bar를 유지하고 농축비(VCF)를 1배에서 30배로 변화시키면서 22시간 동안 운전하였으며 농축비를 5배로 고정시킨 flux와 비교, 검토하였다. 본 실험에서의 장치 모식도를 Fig. 2에 나타내었다.

3.결과 및 토론

7 channel의 세라믹막이 장착된 pilot을 이용하여 포도당의 flux변화 및 TMP의 변화를 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. 또한 일정한 농축배율(5배)에 있어서의 flux변화와 TMP를 Fig. 4에 나타내어 비교하였다. 그 결과 온도에 따른 flux의 변화는 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 알 수 있었다. Fig. 3과 4에서 알 수 있듯이 전반적으로 flux는 포도당의 농축배율의 증가와 운전시간에 따라 감소하는 경향을 보여 주고 있으며 TMP가 증가함에 따라 flux도 증가하였다. 그러나 Fig.3의 경우 농축비가(VCF) 약 18배(운전시간 9시간에 해당)를 전후로 해서 flux가 급격히 감소하며 TMP가 증가하더라도 flux는 더 이상 증가하지 않았다. 이러한 현상은 농축배율의 상승에 따라 원액의 점도가 상승하게 되고 특정 농도 이상이 되면 유체의 조성변화와 원액 속의 입자들이 서로 결합하게 된다. 이러한 입자들이 막표면과의 상호 작용으로 인하여 농도분극 현상이 일어나게 되고 fouling이 심해져 TMP가 증가하더라도 flux가 급격히 감소하는 것으로 보고되어 있다.[3]

Fig. 3 Flux change at different           Fig. 4 Flux change at constant

concentration ratios                     concentration(VCF5)

Fig. 4는 Fig. 3과 같은 운전조건으로 실험을 행하였으며 Fig. 3과 같이 운전시간이 흐름에 따라 flux가 감소하는 경향을 보여 주고 있다. 또한 15시간 이후로 TMP가 증가하더라도 flux가 감소하고 있으나 flux의 감소 정도는 Fig. 3에 비해 크지 않으므로 농축율에 의한 차이로 판단되며 Fig. 4의 flux 변화의 정도를 감안한다면 flux는 매우 안정적이다. 이것은 농축비가 특정한 범위를 넘지 않은 상태에서 운전할 경우 분리막이 매우 안정적이어서 상업적으로 응용할 경우 농도가 낮은 원액 주입의 필요성(diafiltration)과 운전시간 지속 및 Cleaning의 시기와 횟수를 결정하는데 중요하다고 할 수 있다.

Fig. 5는 Fig. 3과 같이 농축배율에 따른 포도당의 flux변화와 TMP의 변화를 알아보고 운전시간 15시간 이후에 flux가 급격히 떨어졌을 때 diafiltration을 한  결과이다. 저분자 물질을 농축액으로부터 제거하거나 투과액측으로부터 회수할 경우 diafiltration을 하는데 Fig. 5에서 나타난 바와 같이 diafiltration을 한 후 flux가 회복을 한 것으로 보아 일정한 유량으로 장기운전을 하기 위해서는 꼭 필요한 공정으로 판단된다.

Fig. 5 Flux change with             Fig. 6 Average flux at different

different diafiltration                   concentration ratios

Fig. 6은 농축율에 따라서 변화하는 평균 flux의 양과 이것을 로그식으로 표현한 것이다. 그 결과 각 농축율에 따른 평균 flux의 양을 로그식을 통해서 추측할 수 있을 뿐만 아니라 막표면에서 일어나는 fouling과의 상관관계를 막 모델을 사용하여 설명할 수 있다. 이와 같은 실험자료를 바탕으로 pilot scale 운전시 농축율에 따른 flux의 양과 TMP의 변화에 대한 함수관계를 밝힘으로써 diafiltration공정을 사용할 시기와 flux의 저하 없이 원액을 안정적으로 장기간 농축할 수 있는 최적의 공정을 설계할 수 있다.

감사의 글

본 논문은 경희대학교와 경기도의 산학연 컨소시엄 과제로 수행된 결과이며 지원해 주신 (주)한텍에 감사 드립니다.

참고문헌

1. R. D. Noble, S. A. Stern, Membrane Science and Technology, 416 (1995)

2. R. R. Bhave, "Inorganic Membrane : Synthesis, Characteristic and             Application″, Van Nostrand, New York , 83,84 (1991)

3. J. H. Hanemaaijrt, T. Robbertson, Th.vanden Boomgaard, and

J. W. Guannink. J. Membrane Sci, 29, 207 (1989).