SMB 공정은 주로 4개의 구역으로 나뉘어지는 다수의 크로마토그래피 컬럼으로 구성된다. 이러한 특성은 회분식 크로마토그래피 공정보다 우수한 이성분계 물질의 연속적인 분리를 구현한다. SMB는 회분식 크로마토그래피에 비해 연속성 및 높은 생산성과 순도로 목적물질을 분리해 낼 수 있는 장점을 갖는다. 경제적이며 효율적인 공정의 운용을 위해 반응과 회수를 결합시키는 연구가 보고되고 있으며, 이와 같은 연구 중 SMBR은 연속분리공정인 SMB와 반응기가 결합된 공정이다. 다양한 반응을 적용한 SMBR에 대해 많은 연구가 진행되고 있으며, 촉매반응, 효소반응, 이온 교환 수지를 통한 화학반응이 주를 이루고 있다. 초기의 SMBR은 촉매를 사용한 고정층의 형태이며, 유동성 효소를 사용하는 SMBR, 고정화 효소를 사용하는 SMBR, 반응구역과 흡착구역이 분리되어 있는 SMBR순으로 발전하였다. 공정 설계에 있어서 필수적인 모델링 및 최적화를 위하여 대류현상만을 고려한 간단한 기법이 있지만, 실제 물질거동을 설명하기 위해서는 축 방향 분산이나 물질전달 저항을 고려한 복잡한 해석을 필요로 한다. SMBR같이 반응과 분리가 결합된 공정의 경우 설비의 간소화를 통한 시설비용의 축소뿐 아니라 가역반응평형의 극복을 통해 물질의 순도와 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
SMB 공정은 주로 4개의 구역으로 나뉘어지는 다수의 크로마토그래피 컬럼으로 구성된다. 이러한 특성은 회분식 크로마토그래피 공정보다 우수한 이성분계 물질의 연속적인 분리를 구현한다. SMB는 회분식 크로마토그래피에 비해 연속성 및 높은 생산성과 순도로 목적물질을 분리해 낼 수 있는 장점을 갖는다. 경제적이며 효율적인 공정의 운용을 위해 반응과 회수를 결합시키는 연구가 보고되고 있으며, 이와 같은 연구 중 SMBR은 연속분리공정인 SMB와 반응기가 결합된 공정이다. 다양한 반응을 적용한 SMBR에 대해 많은 연구가 진행되고 있으며, 촉매반응, 효소반응, 이온 교환 수지를 통한 화학반응이 주를 이루고 있다. 초기의 SMBR은 촉매를 사용한 고정층의 형태이며, 유동성 효소를 사용하는 SMBR, 고정화 효소를 사용하는 SMBR, 반응구역과 흡착구역이 분리되어 있는 SMBR순으로 발전하였다. 공정 설계에 있어서 필수적인 모델링 및 최적화를 위하여 대류현상만을 고려한 간단한 기법이 있지만, 실제 물질거동을 설명하기 위해서는 축 방향 분산이나 물질전달 저항을 고려한 복잡한 해석을 필요로 한다. SMBR같이 반응과 분리가 결합된 공정의 경우 설비의 간소화를 통한 시설비용의 축소뿐 아니라 가역반응평형의 극복을 통해 물질의 순도와 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Simulated Moving Bed(SMB) process consists of multiple chromatographic columns, which are usually partitioned into four zones. Such a process characteristic allows a continuous binary separations those are impracticable in conventional batch chromatographic processes. Compared with batch chromatogra...
Simulated Moving Bed(SMB) process consists of multiple chromatographic columns, which are usually partitioned into four zones. Such a process characteristic allows a continuous binary separations those are impracticable in conventional batch chromatographic processes. Compared with batch chromatography, SMB has advantages of continuity, high purity and productivity. Various researches have been reported for the integration of reaction and recovery during process operation on the purpose of economics and effectiveness. Simulated Moving Bed Reactor(SMBR) is introduced to combine SMB as a continuous separation process and reactor. Several cases of SMBR have been reported for diverse reactions with catalytic, enzymatic and chemical reaction on ion exchange resin as main streams. With an early type of fixed bed using catalyst, SMBR has been developed as SMB using fluidized enzyme, SMB with immobilized enzyme and SMB with discrete reaction region. For simple modeling and optimization of SMBR, a method considering convection only is possible. A complex method considering axial dispersion and mass transfer resistance is needed to explain the real behavior of solutes in SMBR. By combining reaction and separation, SMBR has benefits of lower installation cost by minimizing equipment use, higher purity and yield by avoiding the equilibrium restriction in case of reversible reaction.
Simulated Moving Bed(SMB) process consists of multiple chromatographic columns, which are usually partitioned into four zones. Such a process characteristic allows a continuous binary separations those are impracticable in conventional batch chromatographic processes. Compared with batch chromatography, SMB has advantages of continuity, high purity and productivity. Various researches have been reported for the integration of reaction and recovery during process operation on the purpose of economics and effectiveness. Simulated Moving Bed Reactor(SMBR) is introduced to combine SMB as a continuous separation process and reactor. Several cases of SMBR have been reported for diverse reactions with catalytic, enzymatic and chemical reaction on ion exchange resin as main streams. With an early type of fixed bed using catalyst, SMBR has been developed as SMB using fluidized enzyme, SMB with immobilized enzyme and SMB with discrete reaction region. For simple modeling and optimization of SMBR, a method considering convection only is possible. A complex method considering axial dispersion and mass transfer resistance is needed to explain the real behavior of solutes in SMBR. By combining reaction and separation, SMBR has benefits of lower installation cost by minimizing equipment use, higher purity and yield by avoiding the equilibrium restriction in case of reversible reaction.
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문제 정의
조건을 찾았다 [18]. 그 결과 이와 같은 방법은 전통적인 HFS55 생산에서 생기는 불필요한 과정을 피할 수 있고, 동시에 비용의 절감 및 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 방법이라 평가하였다.
가설 설정
그 후로 SMBR의 형태나 적용되는 반응에 대해 다양한 연구가 보고되고 있으며 Minceva 등 [9] 은 현재까지 적용되어 있는 SMBR의 반응을 정리하였다, 그 일부를 Table 1에 나타내었다. 이 외에도 다양한 반응이 적용되고 있으며, 반응은 크게 1) 촉매반응, 2) 효소반응, 3) 직접적인 화학반응으로 구별할 수 있다. 촉매반응과 효소반응의 경우에는 일반적인 효소/촉매를 용매와 함께 흘려 보내주거나 고정상 사이에 고정화시켜서 사용한다.
제안 방법
Borges da Silva 등[19]은 연속적인 공정에 의한 효소활성의 저하 는 필연적이므로 공정 중의 전환율을 유지하기 위해서 1) 효소활성 저하를 예측하는 모델을 수립하여 효소를 보충해주는 단계의 추가 2) 효소 활성의 저하에 따른 포도당의 주입량 감소, 3) 전환율을 유지시키기 위한 유량 감소와 같은 방법을 제안하였다.
이동상: -u—! 는 대류에 의한 항이고 DW 는 죽 방향 분산에 의한 항이다. 그리고 고정상을 흡착상 (adsorbent phase) 과 촉매상 (catalyst phase)으로 구분하여 나타내었다.
상기 형태의 모델링은 컬럼 내에서 흡착되는 물질에 대한 수지 식과 반응기 내에서 진행되는 반응에 대한 물질수지식으로 나누어서 설계되었다.
이론/모형
Borges da Silva 등 [19] 이 제안한 형태로 위에서 언급한 Hashimoto 등[1기의 SMBR을 기본으로 한다. 가장 큰 형태의 변화는 원료의 첫 유입이 컬럼이 아닌 반응기로 바뀌었다 (Fig.
성능/효과
이동상의 경우에는 하층부로 공급해서 상층부로 이동시키는데, 이 때의 유속은 고정상의 흐름을 방해하지 않도록 엄격하게 조절해야 한다. 결과적으로 두 상은 서로 반대방향으로 이동하게 되고, 상, 하층부에서 회수된 상들은 재순환을 통해 연속적인 운전이 가능해진다. 예를 들어 AQB 반응이 컬럼에서 발생하고, A물질이 B 보다 흡착이 더 잘 일어나는 경우, 원료로서 A를 공급하면 반응에 의해 생성되는 B는 이동상을 따라 상층부에서 회수되고, 미반응된 A는 고정상을 따라 하층부에서 회수한다.
후속연구
SMB를 구성하는 기본적인 요소에 추가하여, 촉매상에서의 반응과 반응속도에 관한 항을 고려하므로 모델이 더욱 복잡해지고 어려워진다. 다양한 내용을 고려한 모델일수록 정확한 예측이 가능하지만, 적절한 가정을 통하여 모델을 간략화시키는 것이 성공적인 SMBR의 설계 및 최적화에 중요할 것으로 판단한다. SMBR은 주로 효소반응과 촉매반응을 이용하지만 이온교환 수지를 통한 화학반응의 진행도 가능하다.
SMBR은 주로 효소반응과 촉매반응을 이용하지만 이온교환 수지를 통한 화학반응의 진행도 가능하다. 또한 Koo 등 [26] 의 SMB를 이용한 단백질의 folding/refolding 에 관한 연구도 A(unfolded protein) TB(fOlded protein) 의 SMBR 시스템이라 생각할 수 있으며, 앞으로 이와 유사한 형태의 다양한 반응에도 응용할 수 있을 것이다.
강력한 분리 시스템인 SMB 와 반응과의 융합은 후속의 분리공정을 단순화시켜 경제적으로 큰 효과를 얻을 수 있다. 또한 연속적인 시스템이므로 대량생산이 필요한 산업체 규모에서도 유용하게 사용될 것으로 판단한다. 그러나 성공적인 시스템의 구축에 있어서 필수적인 모델링과 최적화의 난이도 증가가 난점으로 남아 있다.
위와 같이 SMBR은 다양한 반응 및 분리정제에 응용될 수 있는 가능성, 반응과 분리의 통합에 따른 설비의 간소화 및 비용 감소 [8], 그리고 높은 생산성과 고순도로 물질을 정제할 수 있는 효율적이고 경제적인 시스템이라는 장점 [2기으로 인하여, 앞으로 화학 및 생물공학 분야를 중심으로 하여 널리 사용될 것으로 예측한다.
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