전기투석법을 이용한 발효액중 ammonium lactate의 분리정제

정 용호, 장 용근

한국과학기술원 화학공학과

Recovery of Ammonium Lactate from Fermentation Broth

by Electrodialysis

Yong-Ho Jung and Yong Keun Chang

Dept. of Chemical Engineering, KAIST, Taejon, Korea

서론

환경오염을 야기시키는 플라스틱제품을 환경친화적인 제품으로 대체하기 위해 여러 고분자가 개발되고 있는 가운데 폐기되었을 때 완전히 분해가 가능한 생분해성 고분자의 개발에 관심이 모아지고 있다. 고부가가치의 고분자로 사용되던 젖산 폴리머를 폴리스티렌과 같은 범용성 고분자의 대체품으로 생산하기 위해서는 발효와 정제공정의 개선이 요구된다. 특히 고분자의 원료로 사용되는 젖산을 생산하기 위해서는 불순물들이 완전히 배제된 순수 젖산의 회수가 중요하다.

발효공정에 의해 유기산을 생산할 때에는 화학공정과의 경쟁에 있어 경제성이 문제가 되는데, 생산 공정 중 분리, 정제 공정에 소요되는 비용이 가장 큰 비중을 차지한다. 따라서 저가이면서 높은 효율을 갖는 유기산 분리 공정의 개발은 그 중요성이 매우 크다 하겠다. 최근 유기산을 정제하는 여러 방법들 중 전기투석법은 이온교환막을 통해 전위차를 이용하여 이온을 통과시킴으로써 수용액 중에 존재하는 전해질의 이온 교환이나 정제, 농축을 하는 공정이다. 전기투석공정은 발효액에서 유기산을 분리해낼 뿐만 아니라 하부 공정에서 유기산의 농축에 필요한 에너지의 비용을 줄일 수 있도록 해줌으로써 고순도 유기산의 생산을 용이하게 한다. 또한, 전기투석은 공정 자체가 야기시키는 불순물이 전혀 없기 때문에 매우 환경친화적인 공정이다.

본 연구에서는 발효액으로부터 ammonium lactate를 탈염 전기투석 및 물분해 전기투석의 2단계 분리법으로 정제한 후 각 공정에서의 전류효율 및 유산 회수율을 분석하였다. 또한 발효액 실험 결과를 순수 유산 용액 실험 결과와 비교함으로써 발효액 중의 불순물이 전기투석 공정에 미치는 영향을 알아보았다.

실험재료 및 방법

유산의 전기투석에 의한 정제는 2단계 공정으로 이루어진다. 발효에 의해 생산된 유산은 유산염의 형태를 갖는다. 1단계 탈염 전기투석 공정에서는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 이용 유산염을 발효액 내의 다른 물질들과 분리, 농축시키고 2단계 물분해 전기투석 공정에서는 분리된 유산염을 양이온 교환막과 Bipolar membrane을 이용하여 유산으로 전환시킨다.본 연구에 사용한 탈염 전기투석 및 물분해 전기투석장치의 개요를 각각 Fig. 1, 2에 도시하였다. 탈염 전기투석의 경우 NEOSEPTA(Tokuyama Co.) CM-1과 AM-1 막을, 물분해 전기투석의 경우 CM-1과 BP-1 막을 전기투석 장치 내에 각각 5장씩 교대로 배열하여 실험하였다.

탈염 전기투석에서 초기 feed 용액은 model solution의 경우 100g/L ammonium lactate 3L를, 발효액의 경우 회분식 발효조에 Lactobacillus casei 균주를 이용 생산된 발효액을 원심분리시켜 균주를 제거한 후(최종 ammonium lactate 농도 95.2g/L) 그중 3L를 feed 용액으로 사용하였다. Permeate 용액은 두 경우 모두 50g/L ammonium lactate 용액을 사용하였고 유산염의 농축효과를 위해 permeate 용액의 부피는 1.5L로 하였다. 전기투석장치의 조업조건은 초기 정전류 10A를 유지시켜주다 한계전류밀도 이하의 전류에서 조업하기 위해 feed 용액의 농도 20g/L 이하에서는 정전압 조건으로 바꾸어 실험하였다. 물분해 전기투석에서 초기 feed 용액은 model solution의 경우 150g/L ammonium lactate 2L를, 발효액의 경우 탈염 전기투석 공정에서 생산된 1차 정제액 2L를 사용하였고 permeate 용액은 두 경우 모두 10g/L 황산암모늄 용액 2L를 사용하였다. 조업 중 전류는 10A로 일정하게 유지하였다. 유산 이온과 암모늄 이온의 농도는 각각 HPLC(high performance liquid chromatography)와 IC(ion chromatography)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of desalting electrodialysis

Fig. 2. Schematic diagram of water-splitting electrodialysis

실험결과 및 토론

Fig. 3에 탈염 전기투석의 시간에 따른 유산의 농도 변화 및 조업 조건의 변화를 도시하였고 Table 1에 탈염 전기투석과 물분해 전기투석의 유산 정제 결과를 정리하였다. 탈염 전기투석의 경우 model solution을 이용한 실험과 발효액을 이용한 정제 실험 결과에 있어 조금의 차이를 보였다. 발효액 실험의 경우 유산염의 회수율과 전기효율은 model solution 실험결과보다 낮은 수치를, 전력 소모량의 경우 높은 수치를 나타내었는데 이것은 발효액 내에 존재하는 불순물의 영향으로 생각되어진다. 즉, 조업 도중 발효액 내의 단백질과 고형분, 용존 포도당 등이 이온교환막의 표면에서 가리움 효과를 나타냄으로써 유산염이 전위차에 의해 feed 격실에서 막을 통해 permeate 격실로 이동하는 것을 방해하였다. 조업이 진행되면서 feed 격실의 유산염 농도가 낮아질수록 유산염이 막을 통과하는 것은 힘들어지게 되므로 조업이 끝난 후에도 permeate 격실로 넘어가지 못한 유산염의 양이 model solution의 경우보다 많게 된다. 또한 발효액 중의 불순물이 조업중 전기투석 장치 내의 저항을 증가시키는 작용을 하게 되어 전력 소모량은 model solution의 경우보다 증가했다.

탈염 전기투석 이전 유산의 농도가 95.2g/L이던 발효액을 탈염 전기투석 조업시 feed 격실과 permeate 격실의 부피를 다르게 하여 유산 농도 157g/L로 농축시켰다. 그러므로 탈염 전기투석 공정을 통해 feed 용액을 농축시킴으로써 물분해 전기투석 공정의 규모를 축소하여 조업 비용의 감소가 가능하다는 것을 확인하였다.

물분해 전기투석의 경우 model solution 실험과 발효액 실험이 회수율이나 전류효율, 전력 소모량 등에 있어 거의 동일한 결과를 나타내었다. 이것은 1단계 탈염 전기투석을 거친 발효액 내의 불순물이 거의 제거되었다는 것을 의미한다. 실제로 탈염 전기투석 후 발효액 중 포도당은 90% 이상 제거되었고 잔류 단백질은 거의 없었다. 또한 암모늄 이온의 회수율도 97% 정도에 달해 feed 내 유산염의 거의 대부분이 유산으로 전환되는 것을 알 수 있었다. 이상의 실험 결과로 탈염 전기투석은 발효액 내의 불순물 제거에 뛰어난 효과를 나타내며 물분해 전기투석은 유산염을 효과적으로 유산으로 전환시키는 공정임을 확인하였다.

Table 1. Results of desalting and water-splitting electrodialysis using model solution and fermentation broth as feed solution

		Initial feed conc. [g/L]	Init. NH4+ conc. [g/L]	Current [A]	Opera- ting time [min.]	Recovery [%]	Current efficiency [%]	Energy consum-ption [kWh/kg LA]
Desalting ED	Model solution	100		10	120	95.7	92.2	0.194
	Fermen-tation broth	95.2		10	110	83.2	89.5	0.240
Water- splitting ED	Model solution		26.21	10	110	98.7	80.5	0.593
	Fermen-tation broth		27.48	10	119	96.9	80.2	0.569

Fig. 3. Desalting electrodialysis of ammonium lactate

(I = 10A, Feed volume = 3L, Permeate volume = 1.5L,

Feed conc. = 100g/L, Permeate conc. = 50g/L)

결론

탈염 전기투석과 물분해 전기투석의 2단계 공정에 의해 model solution과 발효액 중 유산의 분리 정제 실험을 수행하였다. 탈염 전기투석 공정은 유산 용액의 농축이 가능하였으며 발효액 중의 불순물을 효과적으로 제거하였다. 또한 물분해 전기투석 공정은 유산염을 효율적으로 유산으로 전환하였다. 두 공정 모두 높은 회수율과 전류 효율을 나타내었다.

전기투석은 공정 도중 부산물이 전혀 없는 환경친화적 공정이며 화학물질의 추가 없이 조업이 가능한 장점을 갖고 있어 환경에 대한 관심이 지대해지고 있는 최근 미래지향적인 공정으로 각광받고 있다. 이에 따라 기존 전기투석공정의 주된 응용 분야인 바닷물의 담수화, 탈염 공정 등 이외에 토양 중의 중금속 제거, 각종 산업 폐기물의 처리 등의 환경 분야와 식품 분야 등에 활발한 연구개발이 진행중이다. 또한 최근 들어 우수한 기계적 성질을 갖는 이온교환막의 개발에 의해 전기투석은 더욱 다양한 응용 분야에 적용될 것으로 기대된다.

참고 문헌

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