2-영역 모사 이동층 공정

이 광 남

한경대학교 화학공학과

Two-Section Simulated Moving Bed Process

Kwang Nam Lee

Dept. of Chem. Eng., Hankyong University

1.  서 론

향류식 크로마토그래피 조업 방법은 지난 40여년간 크게 3개의 방향에서 개발되었다. 베드나 컬럼을 물리적으로 이동시키는 방법들( moving-bed or moving column chromatography)과 고정상을 기계적 수단에 의해 이동을 모사 시키는 방법( simulated moving bed : SMB)이 그 예이다.  이동층 공정은 실험실규모에서 생산규모로 확장 시 흡착제의 취급에 여러 가지 문제점이 수반되었다. 이를 해결하기 위해 모사 이동층 공정이 개발되었으며 전 세계적으로 40여기가 가동중이다.

모사 이동층 공정은 원료 주입구와 제품 유출구를 유동상이 흐르는 방향으로 일정간격으로 이동시킴으로서 유동상과 고정상의 향류적 접촉을 모사시킨 공정으로서 물질전달의 구동력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 모사 이동층도 영역별 상이한 흐름의 수에 따라 크게 2가지로 분류가 되는데 Fig.1 (a)는  UOP의 Sorbex 계열[1]의 공정으로 상이한 4개의 흐름을 가지므로 four-section SMB로 Barker등[2]에 의해 개발된 Fig.1 (b)는  3개의 상이한 흐름을 갖는 three-section SMB로 불리운다. 이 두 공정의 장단점은 Ganetsosr등[3]에 의해 잘 묘사되어 있다. 본 연구에서는 three-section SMB의 조업을 수정한 two-section SMB의 조업 가능성을 조사하였다.

2. Two-section SMB의 조업 원리

pre-feed, post-feed, purge section에서 3개의 상이한 흐름으로 조업되는 three-section SMB에서 향류 접촉의 조업에 의해 흡착력이 약한 물질은 이동상을 따라 이동하고 흡착력이 강한 성분은 모사된 고정상을 따라 이동하게 된다. purge section에서는 강하게 흡착된 성분을 한 이동시간 내에서 제거 및 컬럼의 재생을 위하여 과잉의 purge 흐름을 사용하며 이에 의해 제품의 희석을 초래하기도 한다. Lee등[4]은 여러 가지 purge 속도에 따른 제품의 농도분포를 조사하였는데 유동상과 원료주입 속도를 더한 값 정도의 purge 속도로도 충분히 한 이동시간 내에서 조업이 가능함을 알 수 있어 purge section이 없더라도 조업이 가능함을 알수 있었다. 즉 Fig.1 (c)와 같이 모사된 이동층의 정상상태의 농도분포가 원료 주입구를 중심으로 위아래로 형성될 때 그 다음 조업에서 마지막 컬럼이 다음 이동시간의 초기에는 (d)와 같이 재배치되므로 유동상과 원료주입 속도에 의해 동일 컬럼에서 강하게 흡착된 성분이 우선적으로 유출되고 그 다음에 약하게 흡착되는 성분이 나오게 된다. three-section SMB에서는 상이한 컬럼에서 생성물을 채취해야 하나 two-section SMB에서는 동일한 컬럼에서 시간 간격을 두고 생성물을 채취 할 수가 있다.

3. 실험

본 실험에서는 two-section SMB의 조업가능성과 three-section SMB와의 성능 비교를 위해 과당과 포도당의 분리에 적용하여 보았다. 흡착제로는 이온교환수지(DOWEX 50W 12X, Ca++)를 유동상은 물을 사용하였다. Lee등[4]이 three -section SMB에서 적용했던 동일한 실험장치에서 조업방법만 바꾸어 실험하였으며 사용된 매개 변수값을 표.1에 요약하였다.

표.1 본 실험에 사용된 매개 변수값

	Glucose	Fructose
Adsorption equilibrium constant [-]	0.123	0.310
Velocity dependent effective overall mass transfer coefficient, k(v) [min-1]	3.155v/(v+1.315)	2.941v/(v+1)

4. 결과 및 고찰

모사 이동층에서 효과적인 분리를 얻기 위해서 Fig.1 (c)에서 보듯이 강하게 흡착하는 성분은 가상적인 흡착제의 흐름을 따라 아래 방향으로, 약하게 흡착되는 성분은 유동상을 따라 윗방향으로 이동하도록 bed내 유속을 조절해야 한다. 이를 위해 선형 등온식 영역에서 각 성분들의 흡착상을 따른 아래 방향으로 흐름에 대한 유동상을 따른 윗방향 흐름의 비 □ (=(1-□)Ku/□v)를 정의하면 다음과 같은 흐름 조건을 만족해야 한다.

pre-feed section   □F > 1.0,  □G < 1.0

post-feed section  □F > 1.0,  □G < 1.0                     (1)

식.(1) 은 각 성분의 평형 흡착 상수 값을 알고 있다면 흐름비 들과 매개변수 □  ( > 1.0)로 관계짓는 다음 식을 얻을 수 있다.

Pre-feed section   E/S = KF□

Post-feed section  E/S + F/S = KF/□                       (2)

식.(2)에는 2개의 식에 4개의 변수가 포함되어 있으므로 2개의 변수를 미리 정 하여 야만 한다. 여기서는 □값과 이동시간을 미리 정하여 나머지 흐름조건을 구하였으며 이에 의한 실험조건을 표.2에 표시하였다.

표.2 실험조건

Run Mode	Run No.	Eluent rate [cc/min]	Feed rate [cc/min]	Purge rate [cc/min]	Switch time [min]	Column length [cm]
Three- section SMB	1	3.6	0.72	4.32	3	30
	2	3.6	0.72	4.32	6	60
	3	3.6	0.72	4.32	9	90
Two- section SMB	4	3.6	0.72	-	3	30
	5	3.6	0.72	-	6	60
	6	3.6	0.72	-	9	90

Fig.2 에는 두 개의 운전모드를 동일한 흐름조건에서 비교하였다. 둘다 물질 전달 영역이 유사하므로 동일한 수준의 순도와 회수를 얻을 수 있다. 그러나 Fig.3과 같이 동일한 전체 컬럼 길이에서 서브영역을 줄일 경우 흐름영역이 적을수록 물질전달의 영역이 많이 확보되어 순도를 높이는대 유리함을 알 수 있었다.

5. 참고문헌

1. Broughton, D. B.  "Molex: Case History of a process."  Chem. Eng. Prog.,

64(8), 60 (1968)

2. Barker, P. E. and Deeble, R. E. "Sequential Chromatographic Equipment for

Separation of a Wide Range of Organic Mixtures" Chromatographia, 8(2),

67 (1975)

3. Ganetsos, G. and Barker. P. E. "Preparative and Production Scale

Chromatography" Dekker, New York, 1993

4. Kwangnam Lee and Wonkook Lee "A Theoretical Model for the Separation

of Glucose and Fructose by Using a Semicontinuous Chromatographic

Refiner" Sep.Sci.Tech. 27(3), 295 (1992)