기획특집 SMB 공정－
다성분계 물질 분리를 위한 모사이동층 응용 기술
김 진 일⋅구 윤 모†
인하대학교 생물공학과, 초정밀생물분리기술연구센터
SMB Modification for the Separation of Multi-Component
Jin-Il Kim and Yoon-Mo Koo† Department of Biological Engineering, Inha University ERC for Advanced BioSeparation Technology, Inha University
Abstract: 모사이동층은 대량의 이성분계 물질의 연속 분리에 적합하게 디자인된 크로마토그래피 공정이다. 이성분계 에 특화된 모사이동층 공정의 특징은 다성분계 물질 분리에 한계점을 보이기 때문에, 이를 극복하기 위한 모사이동층 공정의 응용 기술이 연구되어 보고되었다. 모사이동층 공정의 응용 기술 사례로서 다성분계 물질을 두 개의 물질군으로 그룹화하여 분리하는 방법, 교환시간의 일부분만 원료를 주입하는 유사모사이동층 공정, 둘 이상의 모사이동층 공정을 쌓은 다단 모사이동층 공정, 다성분계 물질 중 중간 체류 특성을 보이는 물질 만을 분리해내는 2구역 모사이동층/크로 마토그래피 혼성화 공정에 대하여 자세히 알아보고자 한다.
Keywords: SMB, modification, simulated moving bed, multi-component, separation
1. 서 론1)
모사이동층(Simulated Moving Bed, SMB) 크로마토그래피는 고정상과 이동상을 향류(co- unter-current)로 하여 대량의 이성분계 물질 을 연속으로 분리⋅정제하는 기술이다. 모사이 동층 크로마토그래피의 연속성 및 대량의 이 성분계 물질 분리에 적합한 특징은 석유화학, 제약, 제당 산업에 적용하였을 때 큰 이점이 된다. 고정상과 이동상의 향류는 회분식 크로 마토그래피(batch chromatography)의 단점을 극복하기 위한 참이동층(True Moving Bed, TMB)을 모사함으로써 개발되고 발전하여 왔 다[1,2].
Figure 1은 일반적인 형태의 모사이동층을 나타낸 모식도이다. 각 구역(zone)은 각각 2 개의 컬럼(column)으로 구성되어 있다. 모든
†주저자 (E-mail: [email protected])
컬럼은 밸브(valve) 및 파이프라인(pipeline)으 로 연결되어 있고, 각 밸브는 또한 원료(feed) 유입구(inlet port), 용리액(desorbent) 유입구, 추출물(extract) 유출구(outlet port) 및 추출 잔류물(raffinate) 유출구와 연결된다. 두 개의 유출구 및 유입구는 미리 결정된 교환시간 (switching time)마다 밸브에 의하여 용리액 의 이동 방향을 따라 이동하여 이동상과 고정 상의 향류를 모사한다[1-6].
모사이동층 공정을 구성하는 유입구, 유출구 및 각 구역의 유량과 교환시간은 일반적으로 많이 사용되는 삼각형 이론(triangle theory)을 이용하여 결정한다. 삼각형 이론은 분리하고자 하는 두 물질의 등온흡착식과 컬럼 특성을 이 용하여 모사이동층 공정의 운전을 위한 조업 조건을 계산한다. 선형 흡착식을 갖는 경우, 삼각형 이론은 다음과 같다.
Figure 1. 전통적인 4 구역 모사이동층 공정.
Figure 2. 선형 등온흡착식에서의 삼각형 이론(HA
=3이고, HB=1인 경우).
(1)
∞ (2)
(3)
(4)
(5)
Figure 3. 프럭토 올리고당 정제를 위한 모사이동 층 공정 디자인: 정지파 이론.
은 모사이동층 공정의 각 구역 에 대한 유량 비율, 는 컬럼의 부피, 는 교환 시간,
는 총 공극률, 는 와 의 헨리 상수를 나타낸다. 상기 식을 이용하면 삼각형 이론은 Figure 2와 같다. Figure 2는 두 물질의 헨리 상수를 =3이고, =1로 가정하였다. 식 (3)과 (4)의 부등식 관계를 통하여 삼각형을 Figure 2의 굵은 선과 같이 그릴 수 있고, 삼 각형은 모사이동층 공정에서 추출물 및 추출 잔류물 모두 순수하게 분리가 가능한 영역이 된다[3-6,9].
앞서 언급한 대로 모사이동층 공정은 본래 이성분계 물질 분리를 위해 고안되었기 때문 에, 두 물질 이상의 다성분계에서는 한계점을 나타낸다. 이를 극복하기 위해 최근 인하대를 비롯한 여러 그룹에서 모사이동층 공정의 응 용 기술에 대하여 연구하고 있다. 본 기고에서 는 그 응용 사례로서 다성분계를 두 개의 물 질군으로 가정한 모사이동층 공정, 교환 시간 의 일부분만 원료를 주입하는 유사모사이동층 (pseudo-simulated moving bed) 공정, 둘 이 상의 모사이동층 공정을 쌓은 다단 모사이동 층(SMB cascade) 공정 및 다성분계 중 중간 의 체류특성을 띄는 물질을 분리하기 위한 2 구역 모사이동층/크로마토그래피 혼성화 공정 (2-zone SMB/chromatography hybrid sys-
tem)에 대해 알아보고자 한다.
2. 연구동향
2.1. 다성분계를 두 개의 물질군으로 가정하여 분 리하는 모사이동층 공정
모사이동층 크로마토그래피를 이용한 프럭 토 올리고당(fructo-oligosaccharide)의 정제를 위한 연구가 인하대에서 보고된 바 있다. 저감 미, 보습성 이외에 난충치성, 저칼로리, 정장작 용 등과 같은 생리적 기능성을 갖는 프럭토 올리고당은 수크로즈(sucrose)에 과당(fructose) 이 하나 이상 결합된 형태를 갖는다. 수크로즈 에 과당이 하나일 때를 케스토즈(kestose), 둘 일 때를 니스토즈(nystose)라 한다. 이 프럭토 올리고당은 산업적으로 효소 반응을 이용하여 생산된다[8]. 따라서 효소 반응 이후 높은 순 도의 프럭토 올리고당을 얻기 위하여 수크로 즈와 포도당(glucose)으로부터 정제될 필요성 이 있다. 이 연구에서는 다성분계를 단당류(수 크로즈, 포도당)와 다당류(프럭토 올리고당)의 두 물질군으로 나누어 분리⋅정제를 시도하였 다[7].
이 연구에서는 모사이동층 공정의 조업을 위한 디자인 방법으로 정지파 이론(Standing wave design)이 사용되었는데, 이는 삼각형 이론과 달리 분리하고자 하는 물질의 흡⋅탈 착 곡선이 모사이동층 공정의 각 구역에 위치 하여야 함에 기초한다[10]. Figure 3은 이 연 구에서 사용된 정지파 이론을 나타낸다. 점선 (…)은 포도당을, 띠선 ()은 수크로즈를 나 타내며, 띠점선 (․, ‥)은 케스토즈와 니 스토즈를 나타낸다. 또한, 흡⋅탈착 곡선 위의 실선은 정지파 이론을 위해 각 물질이 있어야 할 위치를 나타낸다. Figure 3과 같이, 포도당 의 탈착 곡선은 구역 1에, 프럭토 올리고당 중 케스토즈의 탈착 곡선은 구역 2에, 수크로즈의 흡착 곡선은 구역 3에, 니스토즈의 흡착 곡선 은 구역 4에 위치하여야 순수한 프럭토 올리
(a)
(b) Figure 4. 유사모사이동층 공정.
고당을 정제할 수 있다. 연구 결과에서 실제 실험값은 프럭토 올리고당의 가수분해 반응을 고려한 전산 모사(simulation) 결과와 상당히 일치함이 보고되었다[7].
다성분계를 두 물질군으로 가정하여 정제를 시도한 모사이동층의 결과는 좋다고 평가할 수 있으나, 모사이동층 공정이 갖는 다성분계 물질 분리에 대한 한계점을 근본적으로 해결 했다고 할 수는 없다.
2.2. 유사모사이동층 공정
유사모사이동층 공정은 Japan Organo Com- pany의 JO 공정을 모사이동층에 이용한 응용 기술로서, 2001년부터 포르투갈의 A. E. Ro- drigues 그룹에 의해 다성분계 물질 분리를 위
해 고안되고, 연구되었다. 유사모사이동층 공 정은 하나의 교환시간을 이분하여 두 개의 단 계(step)로 분리 과정을 수행한다. 각 단계에 대한 작동 원리는 다음과 같다. 그 중 첫 번째 단계는 Figure 4의 (a)와 같이 구역 2와 3의 연결이 끊어지고, 원료가 구역 3으로 주입된 다. 이 단계 동안에는 중간 체류 특성을 갖는 물질 (B)을 구역 2로부터 원료 유입구 이전에 서 얻을 수 있게 된다. 두 번째 단계는 Figure 4의 (b)와 같이 원료가 더 이상 주입되지 않 고, 유사모사이동층 공정을 이루는 모든 컬럼 이 연결된다. 이 단계 동안에는 체류 특성이 가장 작은 물질을 구역 3과 4 사이에서, 체류 특성이 가장 큰 물질을 구역 1과 2 사이에서 각각 얻을 수 있다[11-13].
유사모사이동층 공정을 이용한 적용 사례는 싱가포르 국립대의 A. K. Ray 그룹의 연구 보고에서 확인할 수 있다. 유사모사이동층 공 정을 이용하여 p-자일렌(p-xylene)과 에틸밴 젠(ethylbenzene)을 C8 방향족 이성질체 혼합 물로부터 분리하고자 하였다. 실험 결과는 세 물질의 순도가 모두 100%에 가깝게 나타났다.
유사모사이동층 공정은 전통적인 방식의 4구 역 모사이동층 공정을 간단히 변형하여 적용 할 수 있고, 비교적 손쉬운 조업 방식을 갖기 때문에 다성분계 물질 분리에 적합한 모사이 동층 응용 사례라고 할 수 있겠다. 하지만, 유 사모사이동층 공정을 이용하여 분리하고자 하 는 물질이 중간 체류 특성을 갖는다면, 높은 회수율을 위해 보다 많은 흡착제가 필요하다 고 보고되었다[14].
2.3. 다단 모사이동층 공정
다단 모사이동층 공정은 미국의 Purdue대 P. C. Wankat 그룹이 연구하여 보고하였다.
다단 모사이동층 공정은 모사이동층 공정의 한 단위가 둘 이상이 연결되어 다성분계 분리 에 이용된다. 가장 간단한 형태의 다단 모사이 동층 공정은 Figure 5에 나타내었다. Figure 5 의 다단 모사이동층 공정은 왼쪽의 모사이동
Figure 5. 다성분계 분리를 위한 다단 모사이동층 공정의 간단한 예.
층에서 체류 특성이 상대적으로 작은 A, B 두 물질과 체류 특성이 큰 C를 분리하고, 혼 합된 A, B를 오른쪽의 두 번째 모사이동층으 로 재주입하여 A와 B로 각각 분리하여 삼성 분계 물질을 모두 순수하게 정제할 수 있다.
이와 반대의 경우도 모사이동층 간의 연결을 다르게 함으로써 가능하다. 또한, 분리하고자 하는 물질의 수에 따라 연결되는 단위 모사이 동층 공정을 늘려 다단 모사이동층 공정을 구 성할 수 있고, 필요한 경우에는 혼합물 흐름 (stream) 뿐만 아니라 이동상 흐름도 연결하 여 이동상 소모량도 줄일 수 있다[15,16]. 하 지만, 하나 이상의 모사이동층 공정을 다단으 로 연결하여야 하므로 공정 구축에 소요되는 비용이 상대적으로 클 것이라는 판단은 어렵 지 않다.
2.4. 중간의 체류 특성을 갖는 물질 분리를 위한 2 구역 모사이동층/크로마토그래피 혼성화 공정 Figure 6의 2구역 모사이동층/크로마토그래 피 혼성화 공정은 다성분계에서 중간 체류 특 성을 갖는 물질만을 선택적으로 분리하기 위 해 개발되었다. 유사모사이동층 공정과 마찬가
Figure 6. 2구역 모사이동층/크로마토그래피 혼성 화 공정.
지로, 혼성화 공정은 한 교환시간을 이분하여 두 단계로 나누고 앞 단계에서는 원료를 구역 1로 주입하며 체류 특성이 가장 큰 물질(C)과 가장 작은 물질(A)을 동시에 혼합물로 얻는 다. 다음 단계에서는 원료는 주입되지 않고 각 구역의 연결이 끊어져 각각 별개의 크로마토 그래피로서 역할을 수행한다. 첫 단계의 구역 2에 중첩되어 있던 각 물질의 농도 프로파일 이 구역 1로 이동한 후 둘째 단계가 시작되는 데, 첫 단계만 원료를 주입하였으므로 둘째 단 계에서는 구역 2로부터 순수하게 분리된 중간 체류 특성을 갖는 물질(B)을 얻을 수 있다.
인하대와 Purdue대에서는 글라이신(glycine) 과 L-트립토판(L-tryptophan)으로부터 L-페 닐알라닌(L-phenylalanine)을 분리하는 공동 연구를 진행하였다. 체류 특성은 강한 순서대 로, L-트립토판, L-페닐알라닌, 글라이신이며 세 물질 모두 선형 등온흡착식을 갖는 조건에 서 2구역 모사이동층/크로마토그래피 혼성 화 공정에 의한 분리를 수행하였다. 목적 물질 인 L-페닐알라닌의 수율과 순도는 각각 86.6%
와 88.2%로 전산모사 결과와 매우 일치하였 다. 또한, 전통적인 방식의 4구역 모사이동층 보다 적은 설비 규모로서 다성분계 물질 분리 에 사용될 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 모 사이동층 공정을 이용한 분리 연구의 일반적
인 결과보다는 낮은 수치이므로 보다 높은 분 리 효율을 위한 개선의 여지는 남아있다[17,18].
3. 결 론
모사이동층 공정은 본래 이성분계 물질을 대량으로 연속 분리하기 위해 개발된 기술이 기에 다성분계 물질 분리에는 한계점을 보이 므로, 본 기고에서는 이를 극복하기 위한 모사 이동층 공정의 응용 사례에 대해 알아보았다.
다성분계를 두 물질군으로 나누어 분리한 모 사이동층 공정 연구는 기존 4구역 모사이동층 공정에 그대로 적용하는 것이 가능하지만, 모 든 다성분계 분리에는 적용될 수 없다. 유사모 사이동층 공정은 전통적 방식의 4구역 모사이 동층 공정에서 쉽게 적용할 수 있고, 우수한 분리 효율을 보였다. 하지만, 원료를 연속하여 주입하지 않고, 중간 체류 특성을 갖는 물질의 높은 회수율을 기대하기 힘들다. 다단 모사이 동층 공정은 분리하고자 하는 다성분계에 따 라 단위 모사이동층을 다양하게 연결하여 다 단을 만들 수 있고 연결에 따라 이동상 소모 도 감소시킬 수 있지만, 하나 이상의 모사이동 층 공정이 필요하므로 공정 설비비는 그에 따 라 증가할 수밖에 없다. 2구역 모사이동층/크 로마토그래피 혼성화 공정은 모사이동층 공정 과 회분식 크로마토그래피 공정의 특징을 각 각 적용하여 중간 체류 물질 분리의 가능성을 보여주었다.
다성분계 분리에 대한 모사이동층 공정에 대한 연구는 발전할 가능성 남겨 두고 있으므 로 본 기고에서 소개된 응용 사례 외에도 보 다 효율적인 분리⋅정제를 위해 많은 관심을 갖고 연구되어야 할 것이다.
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9. C. Migliorini, M. Mazzotti, and M. Mor-
% 저 자 소 개
구 윤 모
1971∼1975 서울대학교 화학공학과 학사 1975∼1977 KIST 화학공학과 석사 1980∼1985 Purdue University,
화학공학과 박사 1987∼현재 인하대학교 생물공학과 교수 2000∼현재 초정밀생물분리기술연구센터
(ERC), 소장 2007∼현재 한국생물공학회 회장
인하대학교 공과대학 학장
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김 진 일
1998∼2005 인하대학교 화학공학부 학사 2005∼2006 인하대학교 생물공학과 석사 2007∼현재 인하대학교 생물공학과 박사
