Dynamic Method에 의한 비선형 흡착평형식의 결정

최 용 석□이 주 원□최 대 기□□노 경 호

인하대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 환경복원연구센터□

Determination of Nonlinear Adsorption Isotherm by Dynamic Method

Yong Seok Choi□Ju Weon Lee□Dai Ki Choi□□Kyung Ho Row

Dept. of Chem. Eng. Inha University, Inchon 402-751, Korea,

Environment Remediation Research Center, KIST□

서  론

흡착평형식은 크로마토그래피에서 고정상과 이동상간의 농도를 나타내는 관계식으로 sample의 loading양이 많아지고 물질의 분리도, 생산량에 따라서 design을 하는데 필요하다[1,2]. Frontal analysis는 static method에 비해 chromatographic column에서 쉽게 구할 수 있는 장점이 있지만 많은 양의 sample이 필요하다. 이에 비해서 dynamic method중의 elution analysis는 작은 양의 sample을 주입하여 elution profile로부터 adsorption isotherm을 구할 수 있다.

본 실험에서는 향미촉진제로 쓰이는 5'-GMP의 흡착평형식을 두가지 dynamic method에 의하여 구하였다[3]. 첫번째 방법은 frontal analysis이고 일정한 이동상농도에서 column을 설치하지 않은 경우와 설치한 경우의 두 개의 실험으로부터 구하였다. 두번째 방법은 elution analysis로서 pulse injection을 하여  elution profile을 얻었다. 역상 HPLC에서 5□-GMP의 흡착평형식은 Langmuir type으로 표시될 수 있다. Frontal analysis와 elution analysis로부터 Langmuir adsorption isotherm을 비교하는 것이 본 연구의 목적이다. 또한 chemical buffer로서 sodium phosphate를 사용하는 경우 buffer concentration에 따라서 a,b의 값을 구하였다.

이론적 배경

비선형 Langmuir adsorption isotherm은 다음과 같이 표시한다.

[eqn: c_s= ac_m over {1~+~bc_m}]	(1)

[eqn: c_s]는 고정상에서의 시료의 농도이고 [eqn: c_m]은 이동상에서의 시료의 농도가 된다. Frontal analysis에서 column에 주입된 시료의 양을 [eqn: m_"in"] 이라고 하고 column에서 나오는 시료의 양을 [eqn: m_out]이라고 한다면 다음과 같은 물질 수지식이 성립된다[4].

[eqn: m_ "in"~-~ m_out ~=~ m_{acc.}]	(2)

[eqn: m_acc.]는 column내에 있는 sample의 양이고 [eqn: m_"in"]과 [eqn: m_out]은 각각 다음과 같이 구할 수 있다.

[eqn: m_"in" ~=~ INT _{ 0}^{t }c_0 v (t)dt]	(3)

[eqn: m_out~=~ INT _{ 0}^{t }c_eff (t)v(t)dt]	(4)

[eqn: c_0]는 column에 주입된 sample의 농도이고 [eqn: c_eff]는 column을 빠져나가는 sample의 농도이다. 그리고 [eqn: v(t)]는 이동상의 유속이다. [eqn: m_acc.]에서 column내의 이동상에 존재하는 sample의 양을 뺀 값이 고정상에 흡착된 sample의 양이 된다.

[eqn: m_adsorped~=~m_acc. ~-~ c_0 V epsilon]	(5)

[eqn: V]는 column의 전체부피이고 [eqn: epsilon]은 void fraction이다[2].

Elution analysis에서는 실험적으로 얻은 elution profile로부터 a,b를 구하였다. a는 small injection으로부터 구하고 b값을 정하면 된다. 따라서 많은 양을 주입한 실험에서 얻은 profile과 가정된 b값으로부터 계산된 elution profile의 체류시간이 일치하도록 반복계산하였다.

실  험

(1)Frontal Analysis

본 실험에 사용한 시료는 5'-GMP-Na2 (Guanosine 5'-monophosphate Disodium salt)로서 Fluka에서 구입하였다. 이동상은 HPLC-grade water에 Sodium phosphate(Na2S2O3·5H20)를 용해하여 각 5mM, 15mM, 25mM를 만들었다.  시료는 위에서 만든 buffer solution에 sample을 용해하여 각 125□/□, 250□/□, 500□/□, 1000□/□, 2000□/□의 농도로 만들고 세가지 buffer 의 농도에 대해 5개씩 15개를 만들었다. 주입부피는 column 내에서 sample이 평형을 지속할 수 있는 충분한 양인 5□로 고정하였다. 모든 용매는 감압 펌프 (Division of Millipore, Waters)와 필터 (HA-0.45 □, FH-0.5 □)를 이용하여 감압 여과한 후 사용하였다.  이동상 내에 잔존하는 공기를 제거하기 위해 이동상의 저장용기에 헬륨을 30ml/min으로 탈기하였다. 이동상의 유량은 1 ml/min으로 고정하였다.

(2)Elution Analysis

시료는 frontal analysis와 동일한 5'-GMP-Na2를 사용하였고 농도는 10,000□/□로 고정하여 sodium phosphate 5mM, 15mM, 25mM에 대해 각 10□, 100□의 주입부피로 실험을 하였다. HPLC는 Waters사의 600E pump (multisolvent delivery system), 486 detector (UV-visible tunable wavelength absorbance), U6K injector (2 □ sample loop)를 사용하였고, data acquisition system은 Millennium32를 사용하였다. LiChrospher 100 RP-18 (15 □, Merck) packing을 stainless steel (3.9×300 mm)에 충진하였다. UV detector의 파장은 300 nm로 고정하였고 모든 실험은 상온에서 행하였다.

결과 및 고찰

주입부피가 증가함에 따라서 5'-GMP의 elution profile은 Gaussian type에서 peak  front의 경사가 급격하게 되는 Langmuir adsorption isotherm을 보여주고 있다.(Fig.1) 10□의 injection에서 얻은 peak의 retention time에서 a값을 구하고 100□의 elution profile에서 b값을 구하였다. Frontal analysis에서는 column을 설치한 경우의 elution profile의 차이를 Fig.2에 빗금으로 표시하였으며 250□/□의 이동상 농도를 주입한 경우 column에 흡착된 양이다. 또한 sodium phosphate의 농도에 따라 elution profile은 늦게 용출되어 a값이 증가하지만 b값의 변화는 크지 않았다.

참고문헌

1. Igor Quinones, Georges Guiochon, J. Chromatogr., 734, pp.83-96 (1996)

2. Jan Ake Jonsson, Per Lovkvist, J. Chromatogr., 408, pp.1-7 (1987)

3. 최 용 석, 이 종 호, 노 경 호, □제조용 충전물을 사용한 액체크로마토그래피의

흡착특성□, 공업화학, Vol.9, No.3, June, pp. 430-434(1998)

4. A. Akgerman and M. Zardkoohi, J. Chem. Eng. Data, 41, pp.185-187(1996).

Fig.1 Shift in Peak Shapes of 5'-GMP with injection volumes

(sodium phosphate 20mM, 10mg/ml concentration)

Fig.2 Frontal analysis of 5'-GMP with or without column

(sodium phosphate 15mM, 250□/□ concentration, 5□ inj.vol.)

Fig.3 Effect of buffer concentration of sodium phosphate

on the parameters a,b by frontal analysis.