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Lactic acid 회수를 위한 침전공정 최적화
Optimization of Precipitation Process for the Recovery of Lactic Acid 원문보기

KSBB Journal, v.26 no.1, 2011년, pp.13 - 18  

최국화 (공주대학교 화학공학부) ,  장용근 (한국과학기술원 생명화학공학과) ,  김진현 (공주대학교 화학공학부)

초록
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본 연구에서는 $Ca(LA)_2$의 침전조건을 최적화하고 침전된 $Ca(LA)_2$ 용액에 황산을 처리하여 고순도, 고수율의 lactic acid를 회수할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. 특히 $Ca(LA)_2$용해도를 낮추기 위하여 여러 종류의 유기용매 첨가에 따른 영향을 평가하였다. 모델용액의 경우 침전을 위한 최적의 석회종류, 석회량, 교반속도, 시간, 온도, 유기용매 첨가량은 각각 CaO, 0.0175 g/mL, 220 rpm, 24 h, $5^{\circ}C$, ethanol 25% (v/v)이었으며 최적 조건 하에서 가장 높은 순도 (98%)와 수율(69%)을 얻을 수 있었다. 발효배양액 (lactic acid 순도: 69%, pH: 7.3)의 경우, 모델용액으로부터 얻은 최적의 조건 하에서 $Ca(LA)_2$ 회수 과정에서 64%, 회수된 $Ca(LA)_2$에 황산을 첨가 ($Ca(LA)_2/H_2SO_4$ molar ratio = 1:1)하여 lactic acid를 회수하는 과정에서 86%의 회수율을 각각 얻어 발효배양액으로부터 총괄 수율 55%로 lactic acid (순도: 88.6%)를 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, precipitation process was developed for the recovery of the lactic acid from calcium lactate fermentation broth. Calcium lactate yield was improved by decreasing the solubility of calcium lactate through the addition of ethanol (25%, v/v) as a co-precipitant. The optimal lime type, li...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Calcium lactate 형태로 생산되는 발효배양액 내의 Ca(LA)2의 침전 조건을 최적화하기 위하여 Ca(LA)2 (순도: 98%) 모델용액 (80 g/L)을 제조하여 실험을 수행하였다. Ca(LA)2 모델용액을 통하여 침전 조건들 (침전 온도, 침전 시간, 유기용매종류, 유기용매 비율)을 최적화하여 Ca(LA)2의 침전효율을 극대화하고자 하였다. 먼저 제조한 Ca(LA)2 모델 용액 (80 g/L)에 유기용매를 첨가 하여 반응시킨 후, 8000 rpm 에서 5분 동안 원심분리 하여 침전 조건 변화에 따른 Ca(LA)2의 침전 효율을 확인하였다.
  • 하지만 이 방법은 Ca(LA)2의 높은 용해도로 인하여 lactic acid의 회수율이 매우 낮은 문제점이 있다 [9,10]. 따라서 본 연구에서는 높은 Ca(LA)2의 용해도 문제를 해결하기 위하여, Ca(LA)2의 침전 조건을 최적화하고 침전된 Ca(LA)2 용액에 황산을 처리하여 고순도, 고수율의 lactic acid를 회수할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. 특히 Ca(LA)2의 용해도를 낮추기 위하여 여러 종류의 유기용매 (ethanol, acetone, acetonitrile) 첨가에 따른 영향을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 Ca(LA)2의 침전조건을 최적화하고 침전된 Ca(LA)2 용액에 황산을 처리하여 고순도, 고수율의 lactic acid를 회수할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. 특히 Ca(LA)2의 용해도를 낮추기 위하여 여러 종류의 유기용매 첨가에 따른 영향을 평가하였다.
  • 713 g/L이었다. 본 연구에서는 모델용액을 통하여 침전 조건들 (석회 종류, 석회 농도, 교반 속도, 침전 온도, 침전 시간, 유기용매 종류, 유기용매 첨가량)을 최적화하여 Ca(LA)2의 침전 효율을 극대화하고자 하였다. 먼저 상온에서 모델용액에 여러 종류의 유기용매 (ethanol, acetone, acetonitrile)를 첨가하여 충분히 반응시킨 후, 석회를 첨가하고 침전 조건 변화에 따른 Ca(LA)2의 침전 효율을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
polylactic acid를 생산하기 위해서는 어떤 것이 경제적으로 이루어져야 하는가? Lactic acid는 전통적으로 식품첨가제 등 식품분야와 수술용 봉합사 등 의약품 분야에 널리 이용되며 특히 최근에는 생분해성 및 생체활성 고분자 등의 기능성고분자 합성을 위한 플렛폼화합물 (platform chemicals)로 이용되어 그 수요가 계속 확대될 전망이다 [1]. 이와 같이 생분해성 고분자인 polylactic acid (PLA)를 생산하기 위해서는 대량 생산과 고순도 정제가 경제적으로 이루어 져야 한다. Lactic acid 생산방법 중에서 화학적인 합성방법으로는 racemic mixture (DL-lactic acid)가 얻어지기 때문에 고분자 물성을 자유롭게 조절하기에 부적합한 반면, 미생물 발효에 의한 방법은 미생물의 종류에 따라 한 가지 형태의 lactic acid만을 얻을 수 있다는 장점과 더불어 매년 재생산되는 바이오매스를 원료로 사용한다는 점과 화학적 합성법과는 달리 공해문제가 적은 청정기술이라는 장점을 가지고 있다 [2,3].
미생물 발효에 의한 방법이 가진 보완점은 무엇일까? Lactic acid 생산방법 중에서 화학적인 합성방법으로는 racemic mixture (DL-lactic acid)가 얻어지기 때문에 고분자 물성을 자유롭게 조절하기에 부적합한 반면, 미생물 발효에 의한 방법은 미생물의 종류에 따라 한 가지 형태의 lactic acid만을 얻을 수 있다는 장점과 더불어 매년 재생산되는 바이오매스를 원료로 사용한다는 점과 화학적 합성법과는 달리 공해문제가 적은 청정기술이라는 장점을 가지고 있다 [2,3]. 그러나 발효공정으로 생산된 lactic acid는 발효액 내의 여러 가지 불순물들과 함께 존재하기 때문에 이들을 제거하기 위한 회수 공정이 필요하게 된다. 또한 lactic acid 생산 공정 중 분리 및 정제 과정이 전체 생산비용의 절반 이상 차지하기 때문에 발효액으로부터 효율적인 회수공정이 젖산의 경제적 생산에 필수적이다 [4]. 기존의 lactic acid 분리 방법으로는 결정화, 용매를 이용한 액-액 추출 등이 있고, 최근에는 반응추출, 전기투석, 나노여과, 반응증류, 역삼투법이 사용되고 있다 [5-8].
Lactic acid의 생산방법 중 미생물 발효에 의한 방법은 어떠한 장점이 있는가? 이와 같이 생분해성 고분자인 polylactic acid (PLA)를 생산하기 위해서는 대량 생산과 고순도 정제가 경제적으로 이루어 져야 한다. Lactic acid 생산방법 중에서 화학적인 합성방법으로는 racemic mixture (DL-lactic acid)가 얻어지기 때문에 고분자 물성을 자유롭게 조절하기에 부적합한 반면, 미생물 발효에 의한 방법은 미생물의 종류에 따라 한 가지 형태의 lactic acid만을 얻을 수 있다는 장점과 더불어 매년 재생산되는 바이오매스를 원료로 사용한다는 점과 화학적 합성법과는 달리 공해문제가 적은 청정기술이라는 장점을 가지고 있다 [2,3]. 그러나 발효공정으로 생산된 lactic acid는 발효액 내의 여러 가지 불순물들과 함께 존재하기 때문에 이들을 제거하기 위한 회수 공정이 필요하게 된다.
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참고문헌 (12)

  1. Sauer, M., D. Porro, D. Mattanovich, and P. Branduardi (2008) Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends Biotechnol. 26: 100-108. 

  2. Liu, B., M. Yang, B. Qi, X. Chen, Z. Su, and Y. Wan (2010) Optimizing L-(+)-lactic acid production by thermophile Lactobacillus plantarum As.1.3 using alternative nitrogen sources with response surface method. Biochem. Eng. J. 52: 212-219. 

  3. Cui, F., Y. Li, and C. Wan (2010) Fermentative production of L(+)-lactic acid using hydrolyzed acorn starch, persimmon juice and wheat bran hydrolysate as nutrients. Bioresour. Technol. 101: 3642-3648. 

  4. Vaidya, A. N., R. A. Pandey, S. Mudliar, M. S. Kumar, Y. Chakrabarti, and S. Devotta (2005) Production and recovery of lactic acid for polylactide-An overview. Crit. Rev. Environ. Sci. Tech. 35: 429-467. 

  5. Lee, E. G., S. H. Kang, H. H. Kim, and Y. K. Chang (2006) Recovery of lactic acid from fermentation broth by the two-stage process of nanofiltration and water-splitting electrodialysis. Biotechnol. Bioprocess Eng. 11: 313-318. 

  6. Yi, S. S., Y. C. Lu, and G. S. Luo (2008) Separation and concentration of lactic acid by electro-electrodialysis. Sep. Purif. Technol. 60: 308-314. 

  7. Ataei, S. A. and E. Vasheghani-Farahani (2008) In situ separation of lactic acid from fermentation broth using ion exchange resins. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 35: 1229-1233. 

  8. Liew, M. K. H., S. Tanaka, and M. Morita (1995) Separation and purification of lactic acid: Fundamental studies on the reverse osmosis down-stream process. Desalination 101: 269-277. 

  9. Kaufman, E. N., S. P. Cooper, S. L. Clement, and M. H. Little (1995) Use of a biparticle fluidized-bed bioreactor for continuous and simultaneous fermentation and purification of lactic acid. Appl. Biochem. Biotechnol. 45-46: 605-620. 

  10. Park, S. C., S. M. Lee, Y. J. Kim, W. S. Kim, and Y. M. Koo (2006) Recovery of lactic acid from fermentation broth using precipitation and reactive distillation. Korean J. Biotechnol. Bioeng. 21: 199-203. 

  11. Jeon, S. I., S. Mun, and J. H. Kim (2006) Optimal temperature control in fractional precipitation for paclitaxel pre-purification. Process Biochem. 41: 276-280. 

  12. Mizrahi, J., A. Eyal, C. Riki, B. Hazan, and J. N. Starr (2006) Process for producing a purified lactic acid solution. US Patent 7,026,145 B2. 

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