투과증발막 시스템에서 공기흐름 속도가 부탄올 발효생산물의 분리에 미치는 영향연구

김성훈, 윤지용, 박창호

경희대학교 화학공학과

Effect of Air Flow Rate in Pervaporation System on the Seperation of Butanol Fermentation Products.

Sung Hoon Kim, Ji-Yong Yoon, Chang-Ho Park

Dept. Of Chemical Eng., Kyung Hee University, Yongin-Si 449-701, Korea

서론

부탄올은 에탄올과 마찬가지로 자동차연료 첨가제로서 사용할 수 있다. 부탄올의 연료로서의 물리적, 화학적 특성은 에탄올에 비하여 오히려 우수한데, 특히 에탄올에 비하여 부탄올의 증기압이 낮아 연료공급 라인에 증기막힘 (vapor lock)이 적고, 물과의 용해도가 낮고 발열량이 큰 장점을 들수 있다. 부탄올을 연료로 사용하면 석유 수입 대체 효과를 가져올 뿐 아니라 부탄올은 휘발유를 구성하는 탄화수소보다 더 산화된 연료(oxygenated fuel)이기 때문에 대기 오염에 미치는 환경적 측면에서 더 바람직한 연료이다.  이러한 부탄올의 대체연료로서의 장점과 가치에도 불구하고 부탄올이 에탄올에 비해 상대적으로 덜 인식되어 있는 주된 원인은 발효에 의한 부탄올 생산공정이 상대적으로 어려웠기 때문이며 부탄올이 균주에 미치는 독성이 에탄올 보다 심하여 생산성에 제한을 받았기 때문이다.  따라서 부탄올의 생산성을 제고하기 위하여 부탄올을 발효와 동시에 추출하여 제거하는 추출발효 방법이 몇가지 도입되었는데 그 원리는 발효배지내의 주 독성물질인 부탄올을 발효와 동시에 제거함으로써 미생물의 생장 및 부탄올 생산을 원활히 할 수 있도록하는 것이다. 문헌에 보고된 부탄올 추출발효 방법중 투과증발 (pervaporation)을 이용한 방법이 가장 우수한 것으로 보고되어져 있다.

본 연구는 투과증발시스템을 이용하여 청정에너지 중에서 그 물성이 가장 우수한 부탄올을 경제적으로 생산해 낼 수 있는 추출 발효 공정을 개발하고 최적화 하는데 목적이 있다.

실험

부탄올 투과증발시스템에서 air flow rate를 0.5, 1.0, 1.5 L/min-tubing으로 변화시키면서 각 air flow rate에 대한 용액내의 성분의 농도변화를 분석하여 flux와 diffusivity를 구하였다.

투과증발시스템을 위한 모듈 제작

모듈은 외부지름 1.95mm, 벽두께 240□의 silicone tubing(Scientific Products, McGaw Park, IL, USA) 을 수직으로 놓여진 두 개의 둥근판의 구멍을 통해 엮어서 만들었다. 총 32가닥의 tubing을 사용하였으며 총길이는 154.7m, 외부지름 기준으로 표면적은 0.947m2 이다. 둥근판의 지름은 160mm, 두 판사이의 높이는 250mm이며 발효조내의 impeller를 고려해서 판 가운데 지름 90mm의 구멍을 만들었다.

발효조내에 모듈의 설치

7Liter 발효조내에 6Liter make-up solution을 채운 후 모듈을 완전히 잠기게 하고 온도는 32℃로 유지하였다. 실리콘 튜빙을 통해 공급될 air는 air pump를 이용하여 발효조 밖으로 나와있는 모듈의 주입부를 통해 공급하였다. Air flow rate는 80L/min flowmeter를 사용하여 air flow rate를 각각 0.5 L/min-tubing, 1.0 L/min-tubing, 1.5 L/min-tubing 으로 고정하여 실험을 수행하였다.

농도의 분석

용매의 농도는 FID가 장착된 가스크로마토그래피(HP 5890 series Ⅱ, HEWLET PACKARD, USA)를 이용하여 분석하였다. 주입부 온도는 150℃, 감지기 온도는 250℃로 하였으며 Oven의 온도는 30℃에서 2.3분간 머문 후 10℃/min의 속도로 80℃까지 증가시켰다. 칼럼은 HP-5, crosslinked 5% Ph Me Silicone(HEWLET PACKARD, USA) capillary 칼럼을 사용하였으며 carrier gas로 헬륨을 사용하였다.  표준용액은 1 Liter당 acetone 8.35g, ethanol 8.01g, butanol 16.06g, acetic acid 5.69g 그리고 butyric acid 5.03g인 용액을 사용하여 16배까지 희석하여 표준용액으로 사용하였다.

결과 및 토론

Air flow rate를 0.5, 1.0, 1.5 L/min-tubing으로 변화시키면서 각 air flow rate에 대한 용액내의 성분의 농도변화를 분석하여 flux와 diffusivity를 구하였다.

Air flow rate 가 0.5 L/min-tubing 일 때

Air flow rate가 0.5 L/min-tubing일 때 부탄올과 아세톤의 초기농도는 각각 14.57, 4.65 g/L 이었다. 부탄올의 농도는 약 25시간 경과후 4.5 g/L로 감소하였는데 이것은 에탄올과 유기산들에 비해  농도의 감소폭이 현저하게 컸다. 63시간이 지나면서 부탄올과 아세톤의 농도는 거의 0g/L로 접근하였다.

에탄올은 63시간 지난 후에 약 50%의 농도 감소가 일어났고 acetic acid는 농도의 변화가 거의 없었으며, butyric acid는 아주 적은 감소를 보이며 63시간 경과후 약 13%의 농도 감소를 보였다. diffusivity는 아세톤이 0.853×10-7m2/h, 부탄올은 0.71×10-7m2/h였다. 아세톤의 diffusivity가 부탄올에 비해 약 16% 정도 큰 것을 알 수 있다.

Air flow rate 가 1.0 L/min-tubing일 때

Air flow rate가 1.0 L/min-tubing일 때 부탄올과 아세톤의 초기농도는 각각 15.9, 4.56 g/L이다. 농도변화 형태는 0.5 L/min-tubing일 때와 유사하게 나타났다. 아세톤과 부탄올의 농도 또한 다른 물질들에 비해 크게 감소하는 것으로 나타났고, acetic acid는 거의 농도변화가 없었다. 에탄올과 butyric acid는 작은 감소를 보였다. 에탄올은 61시간 경과후 약 52%의 감소를 보였으며 butyric acid 는 약 30%의 감소를 보였다. 이 결과는 air flow rate가 0.5 L/min-tubing의 결과와 비교했을 때 에탄올은 약 2%, butyric acid는 17%의 차이로 감소율이 증가했다. diffusivity는 acetone이 1.09×10-7m2/h이고 butanol의 diffusivity는 0.918× 10-7m2/h이다. 이것을 0.5 L/min-tubing의 값과 비교했을 때 아세톤은 약 22%, 부탄올은 약 23% 증가한 값이다.

Air flow rate가 1.5 L/min-tubing일 때

Air flow rate가 1.5 L/min-tubing일 때 아세톤과 부탄올 초기농도는 각각 5.4, 17.7g/L 이었다. 농도변화 형태는 0.5, 1.0 L/min-tubing일 때와 유사하게 나타났다. 아세톤과 부탄올의 농도는 다른 물질들에 비해 크게 감소하였고 acetic acid는 농도변화가 거의 없었다. 에탄올과 butyric acid의 농도는 아세톤과 부탄올에 비해 적게 감소하였다. 75시간 경과후 에탄올은 74%, butyric acid는 60%의 감소를 보였다. air flow rate가 1.5 L/min-tubing일 때 에탄올과 butyric acid의 감소율을 65시간 가준으로 0.5 L/min-tubing일때와 비교하면 각각 18%, 40% 증가하였고, 1.0 L/min-tubing일때와 비교하면 각각 13%, 25% 증가하였다. 아세톤은 49시간 경과후 100%제거되었고 부탄올은 75시간 경과후 100% 제거되었다.

Air flow rate에 따른 결과 비교

Air flow rate를 0.5, 1.0, 1.5 L/min-tubing에 따른 diffusivity를 비교했을때 1.5 L/min-tubing일 때가 가장 큰 것으로 나타냈다. 아세톤의 경우에는 1.5 L/min-tubing일 때가 0.5, 1.0 L/min-tubing일 때 비해 각각 34%, 15% 증가했고, 부탄올의 경우에는 1.5 L/min-tubing일 때가 0.5, 1.0 L/min-tubing일때에 비해 각각 38%, 20% 증가했다. acetic acid는 농도변화가 거의 없었고, butyric acid와 에탄올은 air flow rate가 커질수록 농도의 감소속도가 조금 증가하였으나 에탄올과 부탄올에 비하면 변화율이 매우 작았다.

참고문헌

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Fig 2. Dependence of butanol concentration and flux vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 0.5 L/min-tubing)

Fig 1. Dependence of acetone and butanol concentration vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 0.5 L/min-tubing)

Fig 6. Dependence of butanol concentration and flux vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 1L/min-tubing)

Fig 3. Dependence of acetone and butanol concentration vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 1.0 L/min-tubing)

Fig 4. Dependence of butanol concentration and flux vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 1L/min-tubing)

Fig 5. Dependence of acetone and butanol concentration vs. time during pervaporation with make-up solutions. (Air flow rate = 1.5 L/min-tubing)