Temperature Effect on the Retention Behavior of Sugars in Ion Exchange Chromatography

이온 교환 크로마토그래피에서 온도가 당의 체류 특성에 미치는 영향

김진일·이종호*·구윤모^†

인하대학교생물공학과

, *

초정밀생물분리기술연구센터

402-701

인천시용현동

253

(2005

년

9

월

30

일접수

, 2005

년

11

월

25

일채택

)

Temperature Effect on the Retention Behavior of Sugars in Ion Exchange Chromatography

Jin-Il Kim, Chong-Ho Lee* and Yoon-Mo Koo^†

Department of Biological Engineering, *ERC for Advanced Bioseparation Technology, Inha University, 253, Younghyun-dong, Nam-gu, Incheon 402-751, Korea

(Received 30 September 2005; accepted 25 November 2005)

요 약

Dow99Ca350, MFG-220, Finex CS-10GC

는이온교환수지로써

,

당분리에주로사용되며

,

모두

poly styrene DVB

를기본골격으로술폰산염

,

혹은술폰산을작용기로하고있다

.

이분리수지들은이미제당산업의연속분리공정 에서사용되고있으며

,

이에대해본실험은온도의영향으로인한

Dow99Ca350, MFG-220

과

Finex CS-10GC

의분리 수지에서당의체류혹은흡착특성변화를알아보기위하여수행되었다

.

당분리의시료로써사용된물질은과당과 포도당으로써위의분리수지와함께제당산업에서널리사용된다

. Dow99Ca350

의팽윤시험

,

공극률시험

,

펄스시 험

,

전단분석을통해온도에대한영향을확인하였다

. MFG-220, Finex CS-10GC

의경우

,

펄스시험을통해온도변 화에의한크로마토그램의변화를알아보았다

.

실험의결과

Dow99Ca350, MFG-220

과

Finex CS-10GC

는과당과포 도당각각최대

1.76, 3.37

％의체류시간변화를보임으로써온도에안정적인경향성을보였다

.

Abstract −

Dow99Ca350 (Dowex monosphere 99Ca/350 separation resin), MFG-220, and Finex CS-10GC are ion- exchange resins, and primarily used to separate sugars, and all of these resins have poly styrene DVB backbone, and sul- fonyl group. These resins are already used to separate sugars continuously at sugar industry at constant temperature.

These resins are used in experiments for understanding temperature effect on retention or adsorption behavior. Using Dow99Ca350, swelling test, porosity test, pulse test, and frontal analysis at various temperatures were performed. In the cases of MFG-220, and Finex CS-10GC, the effect of temperature variation was verified by pulse test. The experimen- tal results are shown that Dow99Ca350, MFG-220, and Finex CS-10GC, which are commercial resins for sugar sepa- ration, are stable to temperature variation because the maximum change of retention time of fructose, and glucose are 1.76, and 3.37

％

respectively.

Key words: Dow99Ca350, MFG-220, Finex CS-10GC, Fructose, Glucose

1. 서 론

크로마토그래피공정에있어등온흡착식은용질과고정상사이 의상호관계를이해하기위한중요한정보를제공하며

,

등온흡착 식은주어진분리문제에대해적당한고정상을고르는데가치가

있는정보를제공한다

[1, 2].

하지만

,

일반적으로등온흡착식은쉽

게예상할수없고

,

정확한값은실험을통해서결정할수있다

.

적 용된등온흡착식이실제흡착식과작은편차를보이면크로마토그 래프칼럼의계산된내부농도단면과실제와는상당한차이를나

타내게된다

[3-4].

크로마토그래피법의사용과함께많은수의등온흡착식측정법 이고안되었다

[5, 6].

등온흡착식측정법은정적인방법과동적인 방법으로나눌수있고

,

그중가장정확한정적측정법은흡착

-

탈 착법

(adsorption-desorption method)

이다

.

하지만

,

이방법은많은노 동력과시간이소비되므로동적인등온흡착식측정법이고안되었 다

.

전단분석은동적등온흡착식측정법중가장많이쓰이는방 법이고

,

빠르고

,

정확하며쉽게자동화할수있는장점이있다

[5, 7].

또한

,

다른측정법과는다르게

,

전단분석은수천의이론단수를가

진

HPLC

칼럼이외의칼럼에도적용이가능하다는장점이있다

[5, 8].

Dow99Ca350, MFG-220

과

Finex CS-10GC

는주로제당산업에

†

To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

서당분리를위한분리수지로사용되고

,

모두술폰산염혹은술폰

산이작용기로결합한

poly styrene-DVB

을기본골격으로가지고

있으며각각기본골격위에

Na

⁺

, Ca

⁺⁺과같은양이온을싣고있 다

.

이수지들은제조규모의크로마토그래피법을통해포도당과

과당과같은단당류의분리에널리이용된다

[9, 10].

이실험의목적은온도변화에따른과당과포도당의체류특성 변화를

Dow99Ca350, MFG-220, Finex CS-10GC

의분리수지상에 서펄스시험을통해측정하는것이다

.

특히

, Dow99Ca350

의경우

,

온도에따른흡착특성을보다상세하고정량적으로알아보기위해 전단분석을실시하였다

.

2. 실 험

2-1.시약및기기

당분리공정의모델로사용된시료는과당과포도당으로하였고

, Samchun Pure Chemical. Co., Ltd

에서구입하여사용하였다

.

칼럼 충진제는

Dowex monosphere 99Ca/350 separation resin, MFG-220, Finex CS-10GC

를사용하였고

,

칼럼충진방법은

slurry method

를 사용하였다

.

이동상은

Millipore

의

Milli Q system

을통해

3

차증류 수를얻어사용하였다

.

길이

30.6 cm,

내경

1.0 cm

의규격을가진 칼럼을

ACE Glass Incorporated

사로부터구매하여사용하였다

.

칼

럼은물재킷을가지고있어서

, LAUDA

사의

RC 6 CS

를사용하여

칼럼의온도를

40, 50, 60

^o

C

로유지하였다

.

실험에사용된용매이

송용펌프는

Shimadzu

사의

LC-10AD

를사용하였고

,

검출기로는

Waters

사의

Waters 410 Refractometer

를사용하였다

.

사용한시료와 이동상은모두여과와기체제거를한후에사용하였다

.

2-2. 실험 방법

위에서언급했듯이온도의변화에의한영향을보기위해서

40, 50, 60

^o

C

의온도를선정하여

, Dow99Ca350

의팽윤시험

,

공극률측 정

,

펄스시험

,

전단분석을수행하였다

. MFG-220, Finex CS-10GC

의펄스시험도이온도범위에서실험을수행하였고

,

이두분리수

지는

Dow99Ca350

와유사한구조및양이온을갖고있기때문에

,

추

가실험을수행하지않고

Dow99Ca350

을모델시스템으로써사용하

였다

.

Dow99Ca350

의공극률측정은

, Blue dextran(M.W. 2,000,000) 1 g/ l

와

NaCl(M.W. 58.5) 1 M

을

500 µl

로펄스주입하여온도에따른체류 시간을구하여

, Blue dextran

과

NaCl

의체류시간으로각각입자간 공극률

,

총공극률을추산하는데사용하였다

.

입자간및총공극률 은

(1)

식에서추산하였다

.

(1)

이때

,

총공극률εt는

(2)

식으로표현되는데

,

입자내공극률은위 에서구한입자간공극률과총공극률을통하여

(2)

식을변형하여 추산하였다

[11].

(2)

펄스시험은

Dow99Ca350

의경우

, 30 g/ l

의과당과포도당을사

용하여온도별체류시간을측정하였다

. MFG-220, Finex CS-10GC

의경우

,

각각

300 g/ l , 100 g/ l

로실험을수행하였다

.

온도는공극률 측정실험과마찬가지로

40, 50, 60

^o

C

의온도범위에서각펄스시 험을수행하였다

.

전단분석의경우

, Dow99Ca350

에서과당과포도당의온도에따

른등온흡착평형식변화를보다자세히관찰하기위하여수행하였 으며

, 10, 25, 40 g/ l

의농도로실험을수행하였다

.

등온흡착평형식 은

(3)

식을통해이동상내의농도대고정상내의농도의관계를통 해추산하였다

[5].

(3)

3. 결과 및 고찰

3-1.온도변화에 따른 Dow99Ca350 팽윤시험

위에서언급했듯이다양한온도범위에서실험을수행하였다

.

온 도변화에따라분리수지의팽윤에의한칼럼의파손또는

,

실험에 대한오차가예상되었기때문에

,

본실험에들어가기앞서칼럼충

진제

Dow99Ca350

의팽윤시험을하였다

.

충진제의부피는칼럼부

피

24.033 ml

를기준으로측정하였다

. Fig. 1

에서

Dow99Ca350

은

30, 40, 50, 60, 70, 75

^o

C

의온도범위에서팽윤현상이일어나지않 았다

.

이는실험의온도조건인

40, 50, 60

^o

C

보다넓은온도범위 에서도충진제의팽윤특성이안정함을확인하였다

.

3-2.각온도별 공극률측정을 위한회분식크로마토그래피법 온도의변화를통해공극률과같은분리수지의물리적특성의 변화를예상할수있었으므로

,

팽윤 실험이후로온도에의한

Dow99Ca350

의공극률변화정도를알아보기위해공극률시험을

수행하였다

. Fig. 2

는온도변화에따라

NaCl

의체류시간을측정한 실험결과를나타내었다

.

온도변화에따른

NaCl

의체류시간은

13.224~13.272

분으로큰변화가없었고

, Bluedextran

의체류시간도

12.044~11.852

분으로약간의변화만을확인하였다

. (1)

식과

(2)

식을 통해추산할수있는총공극률과입자간공극률

,

입자내공극률도

U

s( )

T v

1 1 –

^εe

ε_e

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ε_p

K

d

1 –

^εe

ε_e

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞(

1 –

εp)ρs ∆

q c

∆

---

⎝ ⎠⎛ ⎞

+ +

--- L RT ---

= =

εt

=

εe

+ 1

(

–

εe)εp

Q

i 1+

Q

i

V

( ^F

V –

O)(

C

i 1+

C –

i)

V

a

--- +

=

Fig. 1. Swelling test of Dow99Ca350 by temperature variation.

비슷한경향을보이고있다

. Table 1

에는공극률시험의결과를온 도변화에따라정리하였다

.

온도가증가함에따라입자내공극률 은증가하였지만

,

입자간공극률은감소하여총공극률의변화는크 지않았다

.

3-3. 온도 변화에따른과당과포도당의펄스시험

Dow99Ca350

은이미제당산업에서당분리용분리수지로써이

용되고있고

,

이분리공정은일반적으로고정된온도조건하에서 조업이이루어진다

.

이는당분리공정에특정온도조건에서시료 의흡착식

,

시료의점도

,

분리수지의분리능및이동상의소비량등 을고려하여설계하였기때문이다

.

이고려사항들중흡착식이가 장큰영향을가지고있으므로

,

각온도별분리수지와과당

,

포도 당과의흡착경향성을알아보기위해펄스시험을수행하였다

. Fig. 3

과

Fig. 4

는

Dow99Ca350, MFG-220

과

Finex CS-10GC

의온도변 화에대한펄스시험의크로마토그램이다

.

모든분리수지에서포 도당은

40

^o

C

에서

60

^o

C

로온도가상승함에따라

,

체류시간이약간 씩증가하는경향을보이는데비해

,

과당은체류시간의변화도가크 지않았다

.

또한

,

온도증가에따라피크의대칭성을보임을확인할 수있었고

,

이는시료의점도변화로인해이동상과시료간이동

속도의차이가발생하는것이원인으로생각된다

[12].

분리수지별

과당과포도당의온도별체류시간은

Table 2

에정리하였다

.

이를통 해

, Dow99Ca350, MFG-220, Finex CS-10GC

모두펄스결과에서 온도변화에대해체류시간의변화가적고

,

안정적임을확인하였다

.

3-4. Dow99Ca350의 온도 변화에 따른과당과포도당의전단 분석

펄스시험에이어더욱정확한온도에대한등온흡착평형식을

얻기위해

Dow99Ca350

의전단분석을하였고

,

사용한시료의양

Fig. 2. Total porosity test using NaCl for Dow99Ca350.

Table 1. Results of porosity test

Temperature (

^o

C) Retention time of NaCl (min) Retention time of Bluedextran (min) Total porosity Inter porosity Intra porosity

40 13.224 12.044 0.55 0.501 0.098

50 13.272 11.948 0.553 0.497 0.111

60 13.272 11.852 0.553 0.493 0.118

Fig. 3. Temperature effect on pulse experiments of fructose. (a):

Dow99Ca350, (b): MFG-220, (c): Finex CS-10GC.

은

10, 25, 40 g/ l

으로하여실시하였다

. Fig. 5

와

Fig. 6

은각각과 당과포도당의전단분석결과를나타내었다

.

전단분석시의크로마 토그래프를보면온도가

40

^o

C

에서

60

^o

C

로상승함에따라

,

펄스시 험과같은경향성을보이며흡착곡선은느려지고

,

탈착곡선이 점차빨라짐을확인하였다

.

하지만

,

그변화정도는펄스시험과 마찬가지로 크지않았다

. Fig. 7

과

Fig. 8

은

(3)

식을통해 얻은 이동상내의시료의농도대고체상의시료의농도관계를나타

Fig. 4. Temperature effect on pulse experiments of glucose. (a):

Dow99Ca350, (b): MFG-220, (c): Finex CS-10GC.

Table 2. Results of pulse experiments of fructose and glucose by temperature variation

Temperature (

^o

C) 40 50 60

Retention volume (ml)

Dow99Ca350 Fructose 19.025 19.133 18.975

Glucose 15.133 15.335 15.642

MFG-220 Fructose 19.754 19.775 19.581

Glucose 15.926 16.349 16.467

Finex CS-10GC Fructose 19.625 19.872 19.977

Glucose 18.086 18.217 18.718

Fig. 5. Temperature effect on frontal analyses of fructose with Dow99Ca350.

Fig. 6. Temperature effect on frontal analyses of glucose with

Dow99Ca350.

내었다

.

전단분석을통해체류시간으로얻은등온흡착평형식 은과당과포도당두시료모두실험농도범위에서선형성을가 지는것으로확인하였다

.

과당과포도당의 온도별등온흡착평 형식을보면

,

두도표는모두온도가올라감에따라기울기의감 소를 확인하였다

. Table 3

과

Table 4

는 각각온도 및 이동상의 농도변화에따른과당과시료

,

포도당의 체류시간과고체상에 흡착한시료의농도를나타내었다

. Table 3

과

Table 4

에서도볼

수 있듯이온도증가로 고정상에흡착된 시료의양

( q , g/ l solid

volume)

이감소하여

,

두시료의체류시간이빨라지는것으로생

각할수있다

. Table 5

에는

Table 3, 4

를통해얻은관계식

,

온도 변화에 대한과당과포도당의등온흡착평형식의기울기를표 시하였다

.

4. 토의 및 결론

Dow99Ca350, MFG-220, Finex CS-10GC

는주로당분리에이 용되는상용분리수지이며

,

이미제당산업에서널리사용되고있 고특히

,

산업적규모의연속분리공정에주로사용한다

.

산업적분 리공정에서는시료와충진제간의흡착특성

,

당시료의점도및 온도에의한시료의변성

,

항온유지에필요한비용의경제성등을 고려하여일정한온도에서운영되도록설계된다

.

하지만

,

실제공정 상에는분리수율

,

순도에영향을미치는혼란요소들이존재하고 이혼란요소들에의해조업에영향을끼치게된다

.

이실험에서는 혼란요소중하나인온도의변화가

Dow99Ca350, MFG-220, Finex

CS-10GC

의충진제와과당

,

포도당의흡착특성에미치는영향을

확인하기위해온도에따른펄스시험을통해각분리수지를사용 한과당과포도당의흡착경향성을보았다

.

변화량은

40

^o

C

를기준

Fig. 7. Temperature effect on correlation of

^q

vs. c of fructose (Dow99- Ca350).

Fig. 8. Temperature effect on correlation of q vs. c of glucose (Dow99- Ca350).

Table 3. Temperature effect on correlation of q vs. c of fructose

Temperature (

^o

C) Retention time (min)

^q

(g/

^l

solid volume)

10 g/

^l

25 g/

^l

40 g/

^l

0 g/

^l

10 g/

^l

25 g/

^l

40 g/

^l

40 23.07 22.51 22.33 0 7.482 17.928 28.125

50 22.19 21.79 21.65 0 6.646 16.056 25.271

60 21.8 21.26 21.25 0 6.283 14.953 23.61

Table 4. Temperature effect on correlation of q vs. c of glucose

Temperature (

^o

C) Retention time (min)

^q

(g/

^l

solid volume)

10 g/

^l

25 g/

^l

40 g/

^l

0 g/

^l

10 g/

^l

25 g/

^l

40 g/

^l

40 18.19 17.97 17.87 0 2.969 7.119 11.13

50 18.18 17.87 17.89 0 2.913 6.85 10.815

60 18.13 17.94 17.88 0 2.866 6.901 10.852

Table 5. Comparison equilibrium isotherms of fructose and glucose Temperature (

^o

C) a (l/l solid volume)

of fructose a (l/l solid volume) of glucose

40 0.7088 0.2808

50 0.636 0.2723

60 0.594 0.2733

으로하여과당과포도당각각

2

％

, 5

％의체류시간변화를보였고

,

더정량적인온도의영향을알아보기위해

Dow99Ca350

에서충진

제의팽윤시험

,

공극률시험

,

전단분석을통해상용분리수지로 써온도에안정함을확인하였다

.

이전단분석결과에서도펄스시 험과같은결과를얻을수있었다

.

펄스시험

,

전단분석및기타실 험의결과를종합해볼때

,

실험온도범위의당분리공정상에서

Dow99Ca350

및

MFG-220, Finex CS-10GC

등은온도에대해안 정함을확인하였다

.

감 사

본연구는한국과학재단과인하대학교초정밀생물분리기술연구

센터

(ERC)

의지원을받아수행하였습니다

.

사용기호

εT

: total porosity

εe

: external void fraction (between particles)

εp

: intraparticle void fraction (within a particle) U

s

: velocity of solute in the column

T : temperature [

^o

C]

v : interstitial fluid velocity [m/min]

ρs

: structural solid density [kg/m

³

]

q : amount of solute adsorbed [kg/kg adsorbent]

c : solute concentration of fluid [kg/m

³

] L : column length [cm]

K

d

: fraction of interparticle volume species can penetrate C

i

: solute concentration of fluid during the i th step in frontal

analysis [g/ l ]

Q

i

: amount of solute adsorbed after the i th step in frontal analysis [g/ l solid volume]

V

F

: retention volume of the inflection point of the i th breakthrough curve in frontal analysis [ml]

V

o

: column void volume [ml]

V

a

: volume of adsorbent in the column [ml]

참고문헌

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