지지 액막에서 음이온성 운반체를 이용한 L-valine의 분리

이민회, 남세종, 정성택

인하대학교, 화학공학과

Separation of L-valine by Anionic Carrier-Mediated Tansport in a Supported Liquid Membrane

Min Hoe Yi, Se Jong Nam, Sung Taik Chung

Dept. of Chem. Eng., Inha University

서론

액막은 초기에는 폐수중 금속이온회수1-3에 주로 이용되었으나, 최근에는 생화학물질의 downstream 공정에 응용방안이 기대되고 있어 아미노산4-5과 유기산6-7, 페니실린8등의 회수에 많은 연구가 있어왔다. 특히 아미노산의 경우 액막의 응용에 대한 연구는 발효액으로부터 분리할 때에 이온성 운반체를 이용한 방법4-5이 효율적인 것으로 발표되어져 왔다.

본 연구에서는 지지 액막(supported liquid membrane, SLM)을 이용하여 저농도의 L-valine을 아미노산의 분리에 효율이 좋은 것으로 알려진 양이온 교환제인, D2EHPA (Di-2-Ethyl Hexyl Phosphoric Acid)를 운반체로 사용하여 분리 및 농축할 때 착체형성 반응식을 알아보고 운반체의 농도와 feed의 pH가 분배계수 및 분리속도에 미치는 영향을 측정하였다.

이론

아미노산은 주변의 수소이온 농도에 따라 이온성이 바뀌는 양쪽성이온으로 이온성 운반체와 착체형성이 가능하다.

A+	A±	A-

[eqn: K_1 = {C_{A^±}C_{H^+}} OVER {C_{A^+}} = 10^-2.32]	[eqn: K_2 = {C_{A^-}C_{H^+}} OVER {C_{A^±}} =10^-9.62]

착체 형성을 위한 운반체로서 D2EHPA를 이용한 경우 운반체의 이량체와 아미노산과는 다음과 같은 반응식에 의한 착체형성을 한다.

[eqn: A^+ +~2 (barHD )_2~~rel exarrow k_1 k_-1 ~~ {barAD(HD)_3}~ + ~H^+]

또한 평형상수와 분배계수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: K_eq = {C_{barAD e} C_{H^+ e}} over {C_Ae C_{barHD e}^2}],	[eqn: m_A = K_eq C_{barHD e}^2 OVER {C_{H^+ e} +K_1}],  [eqn: m_{A^+} = K_eq C_{barHD e}^2 OVER {C_{H^+ e} }]

그리고, 지지액막의 경우 세 개의 film이 존재한다고 가정할 경우 L-valine의 flux는 다음과 같이 총괄 및 개별물질전달계수를 이용하여 나타낼 수 있다.

[eqn: N^0 &=K^0 (C_{A^+ f} -C_{A^+ s}) = k_f (C_{A^+ f} -C_{A^+ f~i}) = k_{m ,barAD }(C_{barAD` f`i} -C_{barAD` s`i}) #&= k_s (C_{A^+ s~i} -C_{A^+ s})]

[eqn: 1 over K^0 = 1 over k_f + 1 over {k_{m, barAD} m_{A^+}} + 1 over k_s ~□~ 2 over k_f + 1 over {k_{m, barAD} m_{A^+}}]

또한 L-valine에 대해 다음과 같은 수지식을 세울 수 있다.

[eqn: - V_f over S {dC_{A^+ f}} over {dt}} = V_s over S {dC_{A^+ s}} over {dt} = K^0 (C_{A^+ f} - C_{A^+ s})]

[eqn: t=o , ~C_{A^+ f} = C_{A^+ 0} ~and ~~C_0 =~C_{A^+ f} + C_{A^+ s }]

[eqn: ln left( 2 { C_{A^+ f } over C_0 }-1right) = -{2K^0 S} over V_f t~~~~~(C_{A^+ s} ≠0 ~인 ~경우)]----------(1)

식 (1)을 이용하여 운반체의 농도 변화에 따른 총괄물질전달계수를 구하고 이로부터 각 개별물질전달계수를 구할 수 있다.

Fig. 1. 지지액막 실험장치도

실험

본 실험에 사용된 아미노산인 L-valine과 용매인 1-decanol은 Sigma에서 구입하였고,  운반체인 D2EHPA(Di-2-Ethyl Hexyl Phophoric Acid)는 Tokyo Kasei에서 금속추출제로 시판되는 것을 구입하여 사용하였다. 액상 제조에 사용된 물은 실험실에서 제조한 deionized water를 사용하였고 그 외에 사용된 시약들은 모두 analytical grade이다. 액막을 함침시킬 지지체로 사용한 고분자막의 재질은 PTFE(polytetrafluoroethylene)이고 면적은 17.35□, 세공의 크기는 0.5□, 기공율은 85%이고 두께는 125□인 Millipore社의 Fluoropore□ Membrane을 사용하였다.

분배 계수 및 평형상수 측정을 위한 실험은 액상과 운반체를 함유한 유기상 각각 20ml를 삼각 플라스크에 넣어 12시간동안 진동을 통해 섞어 주고 1시간동안 상압에서 상분리 후 액상 1□를 채취하여 측정하였다. L-valine의 농도는 Sigma에서 구입한 ninhydrin reagent와 발색 반응 후 UV-Vis spectrophotometer (Varian, Autralia)를 이용하여 570nm에서 측정하였다.

지지액막은 고분자막을 유기상에 12시간 이상 담그어 만들었다. L-valine의 분리실험은 Fig. 1과 같은 장치로 상온에서 300rpm의 교반속도로 수행하였다. Feed phase와 stripping phase의 부피는 각각 250ml였고 feed의 pH는 pH controller에 연결된 튜브연동식펌프로 강한 KOH용액을 주입하여 일정하게 유지하였고 feed로부터 정해진 시간마다 0.5ml씩 채취하여 농도를 분석하였다. 아미노산의 운반체에 의한 능동수송에 counter ion으로 수소이온을 사용하기위해 stripping phase는 1M의 HCl 수용액으로 하였다.

결과 및 고찰

평형에 관한 자료를 얻기위한 분배계수 측정실험의 경우 액상의 pH에 따른 분배계수의 변화를 Fig. 2에 나타내었다. L-valine의 경우 1차 이온화상수가 2.32로서 이 부근의 pH에서 착체형성을 할 수 있는 양이온으로 존재하는 양이 많으나 수소이온농도가 높은 곳에서는 분배가 잘 되지 않고 pH 4이상의 부근에서 분배계수가 비교적 큰 것을 관찰할 수가 있었다. 이는 운반체가 약산성이므로 수소이온과 결합하려는 성질이 강하기 때문이라고 생각된다. 또한 운반체의 농도에 따른 분배계수의 변화는 Fig. 3에 나타내었는데 그림에서 각각의 대수값이 2의 기울기를 가지는 직선의 관계가 됨을 알 수 있었다. 따라서 제시한 반응식의 차수를 확인할 수 있었고 이로부터 평형상수값을 구할 수 있었다. L-valine의 평형상수의 값은 0.07M-1이었고 이러한 값과 반응식에 근거한 분배계수의 계산 결과가 실험치와 유사함을 Fig. 2에 나타내었다.

속도론적 고찰 및 모사에 필요한 물질전달계수의 값은 Fig. 4와 Fig. 5로부터 구하였다. 총괄물질전달계수를 구하는데에 있어서의 실험결과가 Fig. 4에서처럼 직선성을 보임으로서 식 (1)의 관계를 따름을 알 수 있었다. Fig.4의 기울기로부터 구한 총괄물질전달계수의 값은 운반체의 농도가 0.15, 0.3, 0.6M일 때 각각 1.851×10-6, 3.978×10-6, 5.207×10-6이었고 Fig. 5로부터 구한 개별물질전달계수 kf, km,AD, ks은 1.399×10-5,  1.987×10-7, 1.399×10-5(m/sec)이었다. 이 중 km,AD은 Wilke Chang Equation10및 film theory에 의하여 구한 이론적인 값(2.07×10-7)과 비슷함을 알 수 있었다.

참고 문헌

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