KR20250026452A - 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 전원이 연결된 바이폴라막 전기투석 스택에 알칼리금속 젖산염이 포함된 피드를 공급하는 경우에 전원에서 설정하는 전압 및 상기 피드에 포함된 알칼리금속 젖산염 농도 조건을 조정함으로써 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 전원이 연결된 바이폴라막 전기투석 스택에 알칼리금속 젖산염이 포함된 피드를 공급하는 경우에 전원에서 설정하는 전압 및 상기 피드에 포함된 알칼리금속 젖산염 농도 조건을 조정함으로써 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 관한 것이다.
유기산(Organic acids)은 카복실산, 페놀산 등의 약산 작용기를 포함하는 유기화합물로써 생명체의 체내 대사회로에서 생성되는 물질이었으나, 식음료, 사료, 제약, 화학 분야에서 수요가 증가하면서 인위적으로 제조되고 있다. 상기 유기산의 일 예로는 젖산, 포름산, 아세트산, 숙신산, 말산 등이 알려져 있다. 특히, 산도조절제, 식품첨가제, 발염제, 합성수지 원료 및 화학시약 등의 다양한 용도로 사용되고 있는 젖산은 친환경적인 플라스틱의 제조 및 처리에 대한 필요성이 대두되면서 생분해성 플라스틱인 폴리젖산(Polylactic acids, PLA)에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이의 단량체인 젖산의 화학 합성 및/또는 생물학적 제조방법이 연구개발되고 있다.
상기 생물학적 방법을 이용한 젖산 제조 방법은 대개 글루코스를 발효시키는 방법이 사용되어 생성물로 젖산이 수득되는 반면, 화학 합성의 생성물은 젖산 금속염의 형태로 회수될 수 있다. 이에 화학 합성공정에서 젖산 금속염이 포함된 피딩용액으로부터 고순도의 젖산을 회수하기 위해서는 다운스트림 공정에서 불순물의 분리정제 및 젖산으로의 전환이 필수적이다.
종래 비특허문헌1은 바이오매스에 포함된 글리세롤 및 CO2를 이용하여 젖산 및 포름산을 생성하는 공정에 관한 것으로써, 글리세롤, KOH 및 물의 탈수소화 반응으로부터 포타슘 락테이트를 생성한 후, CO2 및 부탄올을 이용하여 부틸 락테이트를 생성하는 에스테르화 반응에 이은 탈수반응을 통해 최종적으로 젖산만을 분리 회수하는 공정을 개시하고 있다. 그러나, 상기 공정은 다운스트림에서 젖산으로의 전환을 위한 에스테르화 및 황산에 의한 산치환 등의 설비가 요구되어 공정이 복잡하며 에너지 소비량이 과다하다는 문제점이 있다.
젖산을 비롯하여 유기산을 회수하기 위한 다운스트림 공정은 전술한 에스테르화 방식 외에도 흡착(Adsorption), 추출(Extraction), 가압막 방식(Pressurized membrane)이 널리 알려져 있으나, 최근 유기용매의 사용이 요구되지 않으며, 에너지 소비량도 적은 전기막 방식(Electro-membrane)이 연구개발되어 왔다.
상기 전기막 방식은 물과 불순물로부터 이온 형태의 목적 생성물의 전기장이 인가된 이온교환막에 대한 선택적 투과 현상을 기반으로 목적 생성물을 분리정제하는 기술로써, 전기투석(Electrodialysis, ED), 전기복분해(Electrometathesis, EMT), 전기 이온치환(Electro-ion substitution, EIS), 전기-전기투석(Electro-electrodialysis, EED), 바이폴라막 전기투석(Bipolar membrane electrodialysis, BMED), 전기 탈이온화(Electrodeionization, EDI) 방식 등이 연구개발되었다.
초창기에 연구되어 전기막 방식의 기초가 되는 전기투석(ED)은 전압이 인가되는 전극, 목적 생성물이 포함된 상태로 유입되는 원료인 희석물 및 희석물로부터 목적 생성물이 전달되어 최종 배출되는 농축물의 3 요소로 구성되며, 희석물 및 농축물은 전극 사이에 배치된 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 포함하는 스택내 구획된 공간을 통해 유입 및 배출된다. 전기투석은 목적 생성물인 유기산을 단시간 내 분리 정제할 수 있다는 이점이 있으나, 회수되는 유기산의 순도가 다른 전기막 방식 대비 상대적으로 낮다는 문제가 있다. 회수되는 유기산의 순도 향상을 위해 전기투석에 바이폴라막을 추가한 BMED 방식이 고안되었다.
바이폴라막 전기투석(BMED)은 음이온 선택성 막과 양이온 선택성 막이 결합된 수전해 바이폴라막이 상기 전기투석 스택 내에 추가된 방식으로써, 피딩용액에 포함된 유기산 금속염은 수전해 바이폴라막으로부터 공급된 H+ 및 OH-에 의해 유기산 및 금속 수산화물의 형태로 회수된다. 상기 BMED는 종래 방식 대비 상대적으로 침전물 형태의 부산물을 형성하지 않아 공정이 단순하고, 상온, 상압의 조건에서도 수행 가능한 점에서 경제적이며, 또한 유기용매를 사용하지 않아 친환경적인 이점이 있다.
이 때, 상기 BMED 스택 내에서 이온교환막을 투과하는데 영향을 미치는 주된 구동력(driving force)은 젖산염을 포함한 피드 용액 농도 및 인가전압인데, BMED를 통해 효율적으로 유기산을 회수하기 위해서는 에너지 소비량(Specific energy consumption, SEC)까지 고려해야 한다. 본 발명자들은 젖산염을 포함한 피드 농도에 따른 전압의 조합에 있어, 에너지 소비량을 최소화할 수 있는 파라미터 조건이 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
BMED의 일 예인 한국등록특허공보 제10-1809891호(2017.12.20.공고일)는 발효 유래 물질내 알칼리 토금속 락테이트 염을 염교환하여 1가 락테이트 염으로 전환한 후, 이를 물분해 전기투석에 적용시켜 락트산을 회수하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 물분해 전기투석에 적용되는 공급 용액 중 1가 락테이트 염의 초기 농도는 10 내지 30 중량%로 기재되어 있을 뿐, 에너지 소비량에 대하여는 전혀 언급하고 있지 않다.
Jaedeuk Park et al. Merging biomass and CO2 utilization; process design and assessment on simultaneous production of lactic acid and formic acid from glycerol and CO2. Chemical Engineering Journal. 1 May 2023, Volume 463, 142410
본 발명은 바이폴라막 전기투석 스택에 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물이 포함된 피드를 공급하는 경우에 인가되는 전압 및 상기 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물이 포함된 피드의 농도 조건을 조정하여 바이폴라막 전기투석이 수행되도록 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 있어서, 상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법은 바이폴라막 전기투석 스택에 의해 수행되고, 상기 바이폴라막 전기투석 스택은 음극실이 구비된 음극, 양극실이 구비된 양극, 바이폴라막, 음이온 교환막, 양이온 교환막을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극에서 양극 방향으로 바이폴라막-양이온 교환막-음이온 교환막-바이폴라막 순으로 배치되고, 바이폴라막과 양이온 교환막 사이의 염기실, 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이의 피드공급실, 음이온 교환막과 바이폴라막 사이의 산실이 순차적으로 배치되며, 상기 바이폴라막 전기투석 스택의 음극실 및 양극실은 전해질 공급펌프와 연결되고, 염기실 및 산실은 각각 염기순환 펌프 및 산순환 펌프와 연결되며, 피드공급실은 피드공급 펌프와 연결되고, 상기 바이폴라막 전기투석 스택내 피드공급실에 공급되는 피드의 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 알칼리 금속 이온 농도는 5.5 ~ 10M 이고, 바이폴라막 전기투석 스택에 1.6 ~ 2.4 V/pair의 전압이 인가되는 조건 하에서 전기투석이 수행되어 염기실 및 산실로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되고, 배출된 제2용액의 적어도 일부는 증류기에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 증류기는 젖산을 포함하는 제2용액을 정제하여 농도 50 ~ 85 %로 농축된 젖산을 포함하는 제3용액을 회수할 수 있다.
상기 피드내 알칼리금속 젖산염은 포타슘 락테이트, 소듐 락테이트, 리튬 락테이트, 세슘 락테이트, 루비듐 락테이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 알칼리금속 젖산염은 촉매 존재하에 글리세롤의 탈수소화 반응으로부터 생성될 수 있다.
상기 알칼리금속 수산화물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화세슘, 수산화루비듐 중 하나 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템에 있어서, 상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템은 바이폴라막 전기투석 스택, 전해질 공급펌프, 피드공급 펌프, 산순환 펌프 및 염기순환 펌프, 증류기를 포함하며, 상기 바이폴라막 전기투석 스택은 음극실이 구비된 음극, 양극실이 구비된 양극, 바이폴라막, 음이온 교환막, 양이온 교환막을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극에서 양극 방향으로 바이폴라막-양이온 교환막-음이온 교환막-바이폴라막 순으로 배치되고, 바이폴라막과 양이온 교환막 사이의 염기실, 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이의 피드공급실, 음이온 교환막과 바이폴라막 사이의 산실이 순차적으로 배치되며, 상기 바이폴라막 전기투석 스택의 음극실 및 양극실은 전해질 공급펌프와 연결되고, 염기실 및 산실은 각각 염기순환 펌프 및 산순환 펌프와 연결되며, 피드공급실은 피드공급 펌프와 연결되고, 상기 바이폴라막 전기투석 스택내 피드공급실에 공급되는 피드의 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 알칼리 금속 이온 농도는 5.5 ~ 10 M 이고, 바이폴라막 전기투석 스택에 1.6 ~ 2.4 V/pair의 전압이 인가되는 조건 하에서 전기투석이 수행되어 염기실 및 산실로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되고, 배출된 제2용액의 적어도 일부는 증류기에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 피드에 대하여 단위질량당 에너지 소비량(Specific energy consumption, SEC)을 낮게 유지하면서도 효과적으로 알칼리금속 젖산염으로 부터 젖산 이온을 분리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 바이폴라막을 이용함으로써, 산을 사용하지 않고도 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산이온은 젖산 형태로 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 알칼리금속 젖산염으로부터 알칼리 금속이온을 알칼리금속 젖산염의 생성 반응에 용이하게 적용할 수 있는 수산화물 형태로 회수하여 상기 알칼리금속 젖산염의 생성 반응에 재사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 이용하는 바이폴라막 전기투석 스택의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 이용되는 바이폴라막 전기투석 스택 및 이에 의해 수행되는 전기투석의 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 전압에 따른 (a) 평균 젖산 플럭스 및 (b) 평균 수산화칼륨 플럭스를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 (a)BMED 스택, (b)펌프, (c)증류기, (d)전체 공정의 젖산 단위질량당 에너지 소비량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 이용되는 바이폴라막 전기투석 스택 및 이에 의해 수행되는 전기투석의 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 전압에 따른 (a) 평균 젖산 플럭스 및 (b) 평균 수산화칼륨 플럭스를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 (a)BMED 스택, (b)펌프, (c)증류기, (d)전체 공정의 젖산 단위질량당 에너지 소비량을 나타낸 그래프이다.
다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 1(a)는 본 발명의 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법은 바이폴라막 전기투석 스택에 의해 수행되며, 상기 바이폴라막 전기투석 스택(1)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
상기 도 1(a)를 참조하면, 상기 바이폴라막 전기투석 스택(1)은 음극실(11)이 구비된 음극(10), 양극실(21)이 구비된 양극(20), 바이폴라막(B), 음이온 교환막(A), 양이온 교환막(C)을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극(10)에서 양극(20) 방향으로 바이폴라막(B)-양이온 교환막(A)-음이온 교환막(A)-바이폴라막(B) 순으로 배치되고, 바이폴라막(B)과 양이온 교환막(C) 사이의 염기실(30), 양이온 교환막(C) 및 음이온 교환막(A) 사이의 피드공급실(50), 음이온 교환막(A)과 바이폴라막(B) 사이의 산실(40)이 순차적으로 배치된 것이 예시되어 있다.
본 발명의 다른 일예로 음극실(11)과 양극실(21) 사이에 바이폴라막(B)-양이온 교환막(C)-음이온 교환막(A)-바이폴라막(B)을 반복구조로 하여 2회 이상 연속배치될 수 있으며, 도 1(b)를 참조하면 2회 연속배치된 예시는 B-C-A-B-C-A-B 순으로 배치된 구조를 가지며, 음극실(11)에서 양극실(21) 방향으로 염기실(30), 피드공급실(50) 및 산실(40)이 순서대로 2회 반복되어 연속배치된 것이 예시되어 있다. 상기 하나의 바이폴라막(B)-양이온 교환막(C)-음이온 교환막(A)-바이폴라막(B)을 반복구조를 본 명세서에서는 바이폴라막 전기투석 단위(pair)로 표시한다.
도 2는 본 발명에 이용되는 바이폴라막 전기투석 스택(1) 및 이에 의해 수행되는 바이폴라막 전기투석의 원리를 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 상기 바이폴라막 전기투석 스택(1)의 음극실(11) 및 양극실(21)은 전해질 공급펌프(Pe)와 연결되어 전해질이 공급 및 순환되고, 염기실(30) 및 산실(40)은 각각 염기순환 펌프(Pb) 및 산순환 펌프(Pa)와 연결되어 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출 및 순환되며, 피드공급실(50)은 피드공급 펌프(Pf)와 연결되어 피드가 공급 및 순환된다.
상기 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 피드(Feed)가 공급되는 피드공급실(50)은 해리된 락테이트 이온(Lac-) 및 알칼리금속 이온(M+, M=K, Na, Li 중 하나 이상)이 존재한다. 전압 인가시 바이폴라막(B)은 물을 수전해하여 음극 방향으로 수소 양이온(H+) 및 양극 방향으로 히드록시 음이온(OH-)을 각각 방출하면서 상기 락테이트 이온(Lac-)은 음이온 교환막(A)을 투과하여 산실(40)로 들어가 수소 양이온(H+)과 반응하여 젖산(Lactic acids, LacH)을 생성하고, 알칼리금속 이온(M+)은 양이온 교환막(C)을 투과하여 염기실(30)로 들어가 히드록시 음이온(OH-)과 반응하여 알칼리금속 수산화물(MOH)을 생성한다. 상기 산실(40), 염기실(30)에서의 반응 및 전체 반응식은 하기 반응식 1로 표시된다.
[반응식 1]
(산실에서의 반응) Lac- + H+ → LacH
(염기실에서의 반응) M+ + OH- → MOH (M은 K, Na, Li, Cs, Rb 중 하나 이상을 포함하는 알칼리금속)
(전체 반응식) LacM + H2O → LacH + MOH
상기 본 발명은 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 특정한 농도 범위의 피드로부터 젖산을 회수하기 위해 소정의 전압이 인가되는 바이폴라막 전기투석 스택을 이용함으로써 회수된 젖산 단위질량당 에너지 소비량(Specific energy consumption, SEC)이 최소화되는 바이폴라막 전기투석의 최적의 조건을 제시하는 데 기술적 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예로써, 상기 바이폴라막 전기투석 스택(1)내 피드공급실(50)에 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 피드가 공급되고, 음극실(11) 및 양극실(21)에 전해질이 공급된 후에 전압을 인가하고 전기투석을 수행함으로써 염기실(30) 및 산실(40)로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출된다. 상기 배출된 제1용액의 적어도 일부는 염기실(30)로 재투입되고, 배출된 제2용액의 일부는 증류기(80)에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되며, 제2용액의 다른 일부는 산실(40)로 재투입된다.
도 2에 도시된 바이폴라막 전기투석 스택(1)내 2개의 바이폴라막(B)은 전해질에 포함된 물의 전기분해를 통해 발생한 H+ 및 OH-를 각각 산실(40) 및 염기실(30)에 제공한다.
수전해 반응을 위해 바이폴라막(B)에 인가되는 전압은 수전해 반응을 수행할 수만 있다면 전압범위에 제한이 없으나, 바람직하게는 하나의 바이폴라막 전기투석 단위당 1.0 V/pair 이상의 범위일 수 있다. 예로서, 바이폴라막 전기투석 스택이 10개의 바이폴라막 전기투석 단위(pair)로 구성되어 있다면 상기 전압은 10V 이상의 범위일 수 있다.
상기 양이온 교환막(C)은 피드내 알칼리금속 젖산염으로부터 해리된 알칼리금속 이온(M+)을 염기실(30)로 투과시킨다. 염기실(30)로 투과된 알칼리금속 이온은 상기 바이폴라막으로부터 염기실에 제공되는 OH-와 반응하여 알칼리금속 수산화물(MOH)이 생성된다. 염기실(30)로부터 수산화칼륨 등의 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액이 배출되며, 배출된 제1용액의 적어도 일부는 염기실로 재투입되거나 회수되어 재사용될 수 있다.
본 발명의 일예로써 상기 피드공급실(50)에 공급된 피드내 알칼리금속 젖산염은 포타슘 락테이트, 소듐 락테이트, 리튬 락테이트, 세슘 락테이트, 루비듐 락테이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일예로써 상기 알칼리금속 젖산염은 촉매 존재하에 글리세롤의 탈수소화 반응으로부터 생성된 것일 수 있다. 상기 글리세롤의 탈수소화 반응은 금속 수산염 존재에 의한 염기성 분위기에서 탈수소촉매 존재하에 출발물질인 글리세롤로부터 중간생성물인 글리세르알데히드(glyceraldehyde) 및 피루브알데히드(pyruvalaldehyde)를 거쳐 젖산을 최종 생성하게 된다. 상기 탈수소촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 중 하나 이상의 활성금속 또는 상기 활성금속이 실리카, 알루미나, 지르코니아, 세리아 중 하나 이상의 지지체에 담지된 촉매가 사용될 수 있으며, 상기 글리세롤 탈수소화 반응의 조생성물(crude product)은 금속 수산염에서 유래된 금속과 결합하여 알칼리금속 젖산염을 포함한다.
한편, 상기 염기실(30)의 제1용액에 포함된 알칼리금속 수산화물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화세슘, 수산화루비듐 중 하나 이상일 수 있다.
상기 전해질 공급펌프(Pe), 피드공급 펌프(Pf), 염기순환 펌프(Pb), 산순환 펌프(Pa)는 각각 전해질, 피드, 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액을 공급 및 재투입시키기 위해 사용된다.
상기 펌프들은 공급하는 용액의 유량, 속도, 내구성 등을 고려하여 공지된 펌프 중 최적의 것을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 음이온 교환막(A)은 피드내 알칼리금속 젖산염으로부터 해리된 락테이트 이온(Lac-)을 산실(40)로 투과시킨다. 산실(40)로 투과된 락테이트 이온은 상기 바이폴라막으로부터 산실에 제공되는 H+와 반응하여 젖산이 생성된다. 산실(40)로부터 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되며, 배출된 제2용액의 일부는 증류기(80)에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되며, 제2용액의 다른 일부는 산실로 재투입된다.
상기 증류기(80)는 산실(40)로부터 배출된 제2용액의 일부를 정제하여 농축된 젖산을 포함하는 제3 용액을 배출하고, 이로부터 젖산을 회수한다.
상기 증류기(80)는 2 이상일 수 있으며, 산실(40)로부터 배출된 제2용액의 일부가 2 이상의 증류기에 각각 투입되어 병렬식으로 정제되거나 혹은 제2용액의 일부가 증류기에서 정제된 후에 다른 증류기에 투입되어 정제되어 연속적으로 정제될 수 있다.
상기 증류기(80)에서 배출되는 제3 용액내 농축된 젖산의 농도는 50 ~ 85 % 이며, 바람직하게는 85 % 이며, 젖산 용액을 상기 농도범위로 농축시킬 수 있는 공지된 증류기라면 제한없이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템을 제공할 수 있다.
알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템에 있어서, 상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템은 바이폴라막 전기투석 스택(1), 전해질 공급펌프(Pe), 피드공급 펌프(Pf), 산순환 펌프(Pa) 및 염기순환 펌프(Pb), 증류기(80)를 포함한다.
상기 바이폴라막 전기투석 스택(1)은 음극실(11)이 구비된 음극(10), 양극실(21)이 구비된 양극(20), 바이폴라막(B), 음이온 교환막(A), 양이온 교환막(C)을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극(10)에서 양극(20) 방향으로 바이폴라막(B)과 양이온 교환막(C) 사이의 염기실(30), 음이온 교환막(A)과 바이폴라막(B) 사이의 산실(40), 양이온 교환막(C) 및 음이온 교환막(A) 사이의 피드공급실(50)이 순차적으로 배치된다.
상기 바이폴라막 전기투석 스택의 음극실(11) 및 양극실(21)은 전해질 공급펌프(Pe)와 연결되고, 염기실(30) 및 산실(40)은 각각 염기순환 펌프(Pb) 및 산순환 펌프(Pa)와 연결되며, 피드공급실(50)은 피드공급 펌프(Pf)와 연결된다.
상기 바이폴라막 전기투석 스택내 피드공급실(50)에 공급되는 피드의 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 알칼리 금속 이온 농도는 5.5 ~ 10M, 바람직하겐 5.5 ~ 6.5M 이고, 바이폴라막 전기투석 스택에 1.6 ~ 2.4 V/pair의 전압이 인가되는 조건 하에서 전기투석이 수행되어 염기실(30) 및 산실(40)로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되며, 배출된 제2용액의 적어도 일부는 증류기(80)에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수된다.
상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템은 상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에서 전술하였듯이 바이폴라막 전기투석 스택(1), 증류기(80), 전해질 공급펌프(Pe), 피드공급 펌프(Pf), 산순환 펌프(Pa) 및 염기순환 펌프(Pb)를 포함하며, 상기 바이폴라막 전기투석 스택의 내부구조, 스택-펌프, 스택-증류기 간의 연결관계, 피드내 알칼리금속 젖산염의 종류 및 유래, 생성된 제1용액내 알칼리금속 수산화물의 종류 및 스택에서 알칼리금속 젖산염을 젖산으로 전환하여 배출하는 일련의 과정도 전술한 바 이하 중복기재를 생략한다.
이하, 본 발명의 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법의 바람직한 실시예에 대하여 살펴보기로 한다. 참고로, 하기 실시예는 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시형태를 예시하기 위해 제공된 것이나 본 발명이 그 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예에 본 발명의 범위 내에 속하는 다수의 변경이 이루어질 수 있다.
<실시예1>
1.0 ~ 6.0M의 알칼리 금속 이온 농도를 가지는 알칼리 젖산염과 알칼리 수산화염 용액(알칼리 젖산염과 알칼리 수산염의 몰비는 1:1) 1L를 피트 탱크에 채우고, 산과 염기 회수 탱크에 탈이온수 1L를 채운다. 전해질(Electrolyte) 탱크에는 0.25M KOH 수용액 1L를 채운 뒤, 각 용액 탱크와 바이폴라분리막 카트리지를 연결하는 순환펌프를 작동시킨다. 1.0L/min의 속도로 용액을 카트리지에 3분간 순환하여 용액관을 채운 뒤, 정류기를 작동시켜 정해진 전압에서 젖산의 회수를 진행한다.
매 시간마다 각 탱크에서 샘플을 채취하여, 유기산의 농도는 액체크로마토그래피를 통해 측정하고 알칼리 수산화염의 농도는 전도도 측정기(conductivity meter)와 pH 측정기(pH meter)를 활용하여 측정하였다.
젖산 회수가 끝나고 정류기에서 기록된 전류를 적분하여 회수에 사용된 실제 전기에너지 소모량을 계산하였으며, 작동시간을 기준으로 펌프의 전기소모 에너지를 계산하였다. 각 회수된 용액의 농도 기준으로 85% 젖산까지 농축에 필요한 에너지는 이론적으로 증발시켜야 하는 물의 양을 기준으로 계산하였다. 각 단계에서 필요한 에너지를 회수된 젖산의 양으로 나눠, 젖산 단위질량당 에너지 소비량으로 표시하였다.
상기 실험 결과, 인가전압에 따른 수산화칼륨을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액의 플럭스를 도 3에 도시하였다.
또한, BMED 스택과 펌프 및 증류기의 젖산 단위질량당 에너지 소비량을 도출하고, 전체 BMED 공정의 젖산 단위질량당 에너지 소비량을 도 4에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 전압에 따른 (a) 평균 젖산 플럭스 및 (b) 평균 수산화칼륨 플럭스를 나타낸 그래프이다.
상기 도 3을 참조하면, 인가전압이 상승함에 따라 단위시간 및 단위면적 당 유동되는 젖산 및 수산화칼륨의 양이 현저히 증가하는 것으로 나타났으며, 피드 용액내 포타슘 이온의 농도 변수도 평균 젖산 플럭스 및 평균 수산화칼륨 플럭스와 양(+)의 관계에 있는 것으로 확인되었다.
도 4는 본 발명의 (a)BMED 스택, (b)펌프, (c)증류기, (d)전체 공정의 젖산 단위질량당 에너지 소비량을 나타낸 그래프이다.
상기 도 4(a)를 참조하면, 피드의 알칼리 금속 이온 농도가 2.0M 이고, 작동전압이 1.0V/pair 근방일 때, 정류기에서 소모되는 젖산 단위질량당 에너지 소비량(SEC)이 낮게 보이는 것으로 관찰되어 피드의 알칼리 금속 이온 농도와 작동전압에 따라 일정한 경향성은 보이지 않음을 알 수 있다. 일반적으로는 이온이 잘 이동할수록 전류가 잘 흐르기 때문에 높은 전압에서 전류효율이 높게 나타나나, 젖산 단위질량당 에너지 소비량(SEC) 기준으로는 이에 따르지 않는 경향을 보였다. 또한, BMED 스택에서의 에너지 소비량은 피드의 알칼리 금속이온의 농도가 비교적 낮은 것이 젖산 단위질량당 에너지 소비량(SEC)은 비교적 낮게 나타나기는 하나, 이것이 전체적으로 일정한 경향성을 가지는 것은 아니며, 알칼리 금속 이온의 농도와 작동전압의 조합에 따라 특정한 지점에서 높은 활성을 보이는 영역이 존재하였다.
도 4(b)를 참조하면, 바이폴라막 전기투석 스택(1)에서 용액 공급 및 재투입을 위해 사용된 모든 펌프의 젖산 단위질량당 에너지 소비량(SEC)는 피드내 포타슘 락테이트의 농도와 인가되는 전압이 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다.
도 4(c)를 참조하면, 상기 증류기(80)가 배출된 제2용액을 정제하는 과정에서 피드에 포함된 포타슘 락테이트의 농도가 낮을수록, 상대적으로 물이 많이 포함되어 있으므로 SEC는 증가하는 경향을 나타낸다.
도 4(d)를 참조하면, 정류기, 펌프, 증류기의 총 에너지 사용량을 기준으로 한 전체 젖산 분리공정에 필요한 총 에너지의 효율(생산된 젖산의 양으로 나눈 총에너지)은 일반적으로 예상되는 것과는 달리 알칼리 금속 이온의 농도와 인가된 전압의 변수 관점에서 볼 때, 특정 구간에서 높은 효율을 보임을 알 수 있다. 에너지 효율이 가장 높은 구간은 인가전압이 2.0V/pair 근방이고, 피드의 알칼리 금속 이온의 농도가 6M 근방인 지점으로 나타남을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명은 명세서에 기재되거나 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 바이폴라막 전기투석 스택
10: 음극
11: 음극실
20: 양극
21: 양극실
B: 바이폴라막
C: 양이온 교환막
A: 음이온 교환막
30: 염기실
40: 산실
50: 피드공급실
80: 증류기
Pa: 산순환 펌프
Pb: 염기순환 펌프
Pf: 피드공급 펌프
Pe: 전해질 공급펌프
10: 음극
11: 음극실
20: 양극
21: 양극실
B: 바이폴라막
C: 양이온 교환막
A: 음이온 교환막
30: 염기실
40: 산실
50: 피드공급실
80: 증류기
Pa: 산순환 펌프
Pb: 염기순환 펌프
Pf: 피드공급 펌프
Pe: 전해질 공급펌프
Claims (10)
- 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법에 있어서,
상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법은 바이폴라막 전기투석 스택에 의해 수행되고,
상기 바이폴라막 전기투석 스택은 음극실이 구비된 음극, 양극실이 구비된 양극, 바이폴라막, 음이온 교환막, 양이온 교환막을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극에서 양극 방향으로 폴라막과 양이온 교환막 사이의 염기실, 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이의 피드공급실, 음이온 교환막과 바이폴라막 사이의 산실이 순차적으로 배치되며,
상기 바이폴라막 전기투석 스택의 음극실 및 양극실은 전해질 공급펌프와 연결되고, 염기실 및 산실은 각각 염기순환 펌프 및 산순환 펌프와 연결되며, 피드공급실은 피드공급 펌프와 연결되고,
상기 바이폴라막 전기투석 스택내 피드공급실에 공급되는 피드의 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 알칼리 금속 이온 농도는 5.5 ~ 10M 이고, 바이폴라막 전기투석 스택에 1.6 ~ 2.4 V/pair의 전압이 인가되는 조건 하에서 전기투석이 수행되어 염기실 및 산실로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되고,
배출된 제2용액의 적어도 일부는 증류기에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되는 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 증류기는 젖산을 포함하는 제2용액을 정제하여 농도 50 ~ 85 %로 농축된 젖산을 포함하는 제3용액을 회수하는 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 피드내 알칼리금속 젖산염은 포타슘 락테이트, 소듐 락테이트, 리튬 락테이트, 세슘 락테이트, 루비듐 락테이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 알칼리금속 젖산염은 촉매 존재하에 글리세롤의 탈수소화 반응으로부터 생성된 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 알칼리금속 수산화물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화세슘, 수산화루비듐 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법.
- 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템에 있어서,
상기 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템은 바이폴라막 전기투석 스택, 전해질 공급펌프, 피드공급 펌프, 산순환 펌프 및 염기순환 펌프, 증류기를 포함하며,
상기 바이폴라막 전기투석 스택은 음극실이 구비된 음극, 양극실이 구비된 양극, 바이폴라막, 음이온 교환막, 양이온 교환막을 포함하고, 상기 스택 내부에는 음극에서 양극 방향으로 바이폴라막-양이온 교환막-음이온 교환막-바이폴라막 순으로 배치되고, 바이폴라막과 양이온 교환막 사이의 염기실, 음이온 교환막과 바이폴라막 사이의 산실, 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이의 피드공급실이 순차적으로 배치되며,
상기 바이폴라막 전기투석 스택의 음극실 및 양극실은 전해질 공급펌프와 연결되고, 염기실 및 산실은 각각 염기순환 펌프 및 산순환 펌프와 연결되며, 피드공급실은 피드공급 펌프와 연결되고,
상기 바이폴라막 전기투석 스택내 피드공급실에 공급되는 피드의 알칼리금속 젖산염 및 알칼리금속 수산화물을 포함하는 알칼리 금속 이온 농도는 5.5 ~ 10 M 이고, 바이폴라막 전기투석 스택에 1.6 ~ 2.4 V/pair의 전압이 인가되는 조건 하에서 전기투석이 수행되어 염기실 및 산실로부터 각각 알칼리금속 수산화물을 포함하는 제1용액 및 젖산을 포함하는 제2용액이 배출되고,
배출된 제2용액의 적어도 일부는 증류기에서 탈수되어 농축된 젖산을 포함하는 제3용액이 배출 및 회수되는 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 증류기는 2 이상인 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 피드내 알칼리금속 젖산염은 포타슘 락테이트, 소듐 락테이트, 리튬 락테이트, 세슘 락테이트, 루비듐 락테이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 알칼리금속 젖산염은 촉매 존재하에 글리세롤의 탈수소화 반응으로부터 생성된 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 알칼리금속 수산화물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화세슘, 수산화루비듐 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230107372A KR20250026452A (ko) | 2023-08-17 | 2023-08-17 | 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230107372A KR20250026452A (ko) | 2023-08-17 | 2023-08-17 | 알칼리금속 젖산염으로부터 젖산을 회수하는 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20250026452A true KR20250026452A (ko) | 2025-02-25 |
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| KR (1) | KR20250026452A (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101809891B1 (ko) | 2010-02-08 | 2017-12-20 | 푸락 바이오켐 비.브이. | 락트산의 제조방법 |
-
2023
- 2023-08-17 KR KR1020230107372A patent/KR20250026452A/ko active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101809891B1 (ko) | 2010-02-08 | 2017-12-20 | 푸락 바이오켐 비.브이. | 락트산의 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Jaedeuk Park et al. Merging biomass and CO2 utilization; process design and assessment on simultaneous production of lactic acid and formic acid from glycerol and CO2. Chemical Engineering Journal. 1 May 2023, Volume 463, 142410 |
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20230817 |
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