[논문]감귤 추출물로부터 D-리모넨 분리를 위한 유사 이동층 크로마토그래피(SMB) 전산모사

김태호; 고관영; 김인호

doi:10.9713/kcer.2016.54.1.81

감귤 추출물로부터 D-리모넨 분리를 위한 유사 이동층 크로마토그래피(SMB) 전산모사
Simulation of D-limonene Separation from Mandarine Extract in Simulated Moving Bed (SMB) 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.1, 2016년, pp.81 - 88

김태호 (충남대학교 공과대학 화학공학과) , 고관영 (충남대학교 공과대학 화학공학과) , 김인호 (충남대학교 공과대학 화학공학과)

초록
AI-Helper

리모넨은 오렌지 향이 있는 천연의 키랄 화합물로 주로 감귤껍질과 레몬껍질에 함유되어 있다. $4^{\circ}C$로 냉장 보관한 감귤 껍질을 에탄올을 용매로 속슬렛 추출기에서 2시간동안 $120^{\circ}C$에서 추출하였다. 역상 HPLC 분석을 통해 d-리모넨과 불순물의 헨리 상수를 계산하여 $H_{Lim}=8.55$, $H_{imp}=0.223$를 얻었다. Aspen chromatography 프로그램을 사용해서 $0.46{\times}25cm$ 칼럼으로 이루어진 4-bed SMB의 리모넨 전산모사를 수행하였고 삼각도내의 $m_2$, $m_3$ 값을 변경하면서 순도가 가장 높은 분리 조건을 찾았다. 그 결과 가장 높은 순도는 98.59%이고, $m_2=2.57$, $m_3=9.55$였다. 이 때의 feed 유량은 1 mL/min, desorbent 유량은 1.19 mL/min, extract 유량은 0.857 mL/min, raffinate 유량은 1.34 mL/min이었다. Scale-up 전산모사를 위해 칼럼의 직경을 1.6 cm로 늘린 4-bed SMB에서 직경이 0.46 cm인 4-bed SMB와 같은 결과를 갖는 조건을 찾기 위해 유량을 칼럼 부피 비에 정비례하여 증가시켰다. 이 때 feed, desorbent, extract, raffinate의 유량은 각각 12 mL/min, 14 mL/min, 10 mL/min, 16 mL/min이었다. 리모넨과 불순물의 등온흡착곡선을 선형으로 가정하였기에 칼럼 부피에 정비례하여 유량을 증가시키는 scale-up이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Limonene is orange flavored natural material that is mainly contained in mandarine and lemon peels. D-limonene was extracted from cold-storaged mandarine peel by using Soxhlet extractor at $120^{\circ}C$ for 2 hours with ethanol as solvent. Henry constants of d-limonene and impurity were calculated as $H_{Lim}=8.55$ and $H_{imp}=0.223$ from the result of HPLC analysis. 4-bed SMB of limonene simulation with $0.46{\times}25cm$ columns was conducted by using Aspen chromatography program. Then effective condition for purity was found by changing $m_2$ and $m_3$ values in triangle diagram. The highest purity was 98.59% at $m_2=2.57$, $m_3=9.55$. For this case, feed, desorbent, extract, and raffinate flow rates were 1 mL/min, 1.19 mL/min, 0.857 mL/min and 1.34 mL/min, respectively. Scale-up simulation was also conducted by increasing column diameter from 0.46 cm to 1.6 cm for getting the same efficiency. The increased flow rates were 12 mL/min, 14 mL/min, 10 mL/min, and 16 mL/min for feed, desorbent, extract, and raffinate. It was possible to scale-up with maintaining same limonene purity because linear isotherms of limonene and impurity were assumed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

0.46×25 cm 4-bed SMB 전산모사에서 회수율이 가장 높고 pure extract and raffinate 영역의 중앙에 위치한 점 ①과 가장 높은 순도를 가진 점 ②를 기준으로 1.6×25 cm 4-bed SMB 전산모사를 실행한 후 두 점을 서로 비교하였다.
BAS LC-22C Temperature Controller (Bioanalytical Systems, USA)를 사용하여 칼럼의 온도를 25ºC로 일정하게 유지하였다.
본 연구에서는 회분식 크로마토그래피인 역상 HPLC를 이용하여 감귤 껍질로부터 추출해 낸 d-리모넨과 불순물을 분리하고, Aspen chromatography에서 사용할 두 성분의 흡착등온식의 매개변수인 헨리 상수를 계산했다. SMB의 삼각형 이론에서 그려진 삼각도 내에서 위치에 따른 리모넨의 순도와 회수율을 비교하고, 가장 효과적인 분리를 할 수 있는 조건을 조사하였다.
추출해서 얻은 d-리모넨의 농도를 계산하기 위해 97%(R)-(+)-limonene (Sigma, USA) 표준물질을 사용해 검량선을 얻었다. d-리모넨은 비극성물질이므로 n-헥산으로 희석해 표준 시약을 각각 0.006, 0.032, 0.064, 0.096 mL만큼 측정한 후 n-헥산 40 mL로 희석하여 1 mM, 5 mM, 10 mM, 15 mM의 표준용액을 만들었다.
또한 scale-up시에도 조업 조건을 쉽게 찾을 수 있고 그에 대한 결과를 빠르게 예측할 수 있다. 본 연구에서는 회분식 크로마토그래피인 역상 HPLC를 이용하여 감귤 껍질로부터 추출해 낸 d-리모넨과 불순물을 분리하고, Aspen chromatography에서 사용할 두 성분의 흡착등온식의 매개변수인 헨리 상수를 계산했다. SMB의 삼각형 이론에서 그려진 삼각도 내에서 위치에 따른 리모넨의 순도와 회수율을 비교하고, 가장 효과적인 분리를 할 수 있는 조건을 조사하였다.
d-리모넨은 감귤 추출물에서 extract에 해당하므로 m₂, m₃의 위치가 pure extract 부분에 가까운 삼각형의 상부에 위치할수록 d-리모넨의 농도, 순도가 증가했다. 삼각형의 중앙에 위치하고 회수율이 가장 높은 점 ①과 가장 높은 순도를 보인 점 ②를 택해 직경을 0.46 cm에서 직경 1.6 cm칼럼으로 증가시키고 scale-up된 공정을 전산모사 하였다. 유량을 칼럼의 부피 비와 같은 1 : 12의 비율로 증가시킨 결과 기존의 0.
223을 얻었다. 이 값을 바탕으로 Aspen chromatography에서 선형 흡착식을 이용해 d-리모넨 SMB분리공정을 전산모사 하였다. Feed의 농도는 감귤 추출물을 회분식 크로마토그래피 결과를 통해 얻은 2.
전산모사 후에 각 점의 효율성을 비교하기 위해 SMB성능지수에 대해서 순도와 회수율 두 가지를 계산하였다. 계산식은 다음과 같다 [15].
준비한 껍질을 추출관 내부에 담고에탄올(Duksan Chemistry, Korea)을 용매로 120ºC에서 2시간동안 추출하였다.
제주도 산지의특 등급의 ‘남원 감귤’의 껍질을 4ºC에서 냉장 보관을 하고 40 g을 측정한 후 잘게 찢어 준비했다. 추출을 위해 환류냉각장치, 가열 맨틀(Taisite, China)로 구성된 속슬렛 추출기(Soxhlet extractor, Duran group, Germany)를 이용하였다. 준비한 껍질을 추출관 내부에 담고에탄올(Duksan Chemistry, Korea)을 용매로 120ºC에서 2시간동안 추출하였다.
칼럼 직경에 따른 유량의 변화를 알아보기 위해 0.46×25 cm, 1.6×25 cm 두 종류의 칼럼을 설정했다.
UV 검출기는 783A Programmable Absorbance Detector (Applied Biosystems, USA)를 사용했고, 파장은 200 nm로 설정하였다. 크로마토그래피 신호는 Autochro Data Module (Younglin Instrument, Korea)과 Autochro 2000 (Younglin Instrument, Korea) 프로그램을 사용하여 PC내에서 Excel 파일로 저장하였다.
회분식 크로마토그래피에서 사용한 칼럼의 크기인 0.46×25 cm 4-bed SMB에서 여섯 점에 대해 전산모사를 수행한 후, 가장 높은 순도를 갖는 점과 삼각형 내의 중앙에 위치한 ①에서 칼럼 사이즈를 1.6 cm로 scale-up했을 때의 4-bed SMB를 전산모사 하였다.

대상 데이터

BAS LC-22C Temperature Controller (Bioanalytical Systems, USA)를 사용하여 칼럼의 온도를 25ºC로 일정하게 유지하였다. UV 검출기는 783A Programmable Absorbance Detector (Applied Biosystems, USA)를 사용했고, 파장은 200 nm로 설정하였다. 크로마토그래피 신호는 Autochro Data Module (Younglin Instrument, Korea)과 Autochro 2000 (Younglin Instrument, Korea) 프로그램을 사용하여 PC내에서 Excel 파일로 저장하였다.
시료를 분석하기 위한 역상 칼럼으로 URTRAMEX-C18 (Phenomenex, USA)을 사용하였고 규격은 0.46×25 cm, 고정상의 입자 크기는 5 μm였다.
제주도 산지의특 등급의 ‘남원 감귤’의 껍질을 4ºC에서 냉장 보관을 하고 40 g을 측정한 후 잘게 찢어 준비했다.
추출된 용액을 분석하기 위해 고성능 액체 크로마토그래피 (High-Performance Liquid Chromatography; HPLC) 장치를 사용하였다. HPLC 이동상은 메틸알코올(Samchun Chemical, Korea)과 증류수를 8:2의 부피비로 혼합했다.

이론/모형

물질 수지 식들로부터 얻어진 매개변수들로 SMB를 정상상태로 조작하기 위해 기존에 연구되어진 삼각형 이론을 이용할 수 있다 [9]. 이것은 물질의 분리가 일어나는 section 2와 section 3의 평형 상수 값에 따른 고정상과 이동상의 속도에 기반하고 있다.

성능/효과

4 node에서의 유량은 Qfeed , Qextract , Qraffinate , Qdesorbent 모두 12배로 증가했고, switching time과 순도, 회수율은 m2 , m3의 위치가 같은 점을 비교했을 때 오차 범위 1% 내(switching time ±0.1분, 순도 및 회수율 ±0.1%)의 같은 값을 가졌다.
97% d-리모넨 표준용액을 분석한 결과 체류시간 4.83분에 불순물의 작은 피크가 검출되었고, 체류시간 19.1분에서 피크가 검출되었다. 따라서 추출용액의 피크 중 19분대에 발생한 피크는 d-리모넨임을 확인 할 수 있다.
선형 등 온흡착식(linear isotherm)을 사용했으며 그 외에 필요한 매개변수들을 Table 3에 정리하였다. Mass transfer coefficient는 10~100000/min 범위 내에서 10000/min 단위로 반복 전산모사를 수행하여 크로마토그램 결과에 영향을 주지 않음을 확인하였고, 따라서 프로그램 내의 기본 값인 100000/min으로 설정했다.
155 g/L이었다. 두 점 모두 feed의 농도에 비해 리모넨의 농도가 매우 낮았으며 불순물의 농도는 0.0140 g/ L로 리모넨 최대 농도의 9%에 달했다. 회수율은 55.
9%로 증가한 것을 볼 수 있다. 따라서 m₃값이 같을 때 m₂가 작을수록 순도와 회수율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 앞의 여섯점을 비교해 보았을 때, d-리모넨의 순도와 회수율이 높은 점은 각각 ②와 ⑥이다.
14%보다 높은 모습을 보였다. 또한 불순물의 농도는 0.0761 g/L로 ①과 마찬가지로 리모넨의 농도에 비해 매우 낮았으며, 회수율은 74.4%였는데, ①과 비교했을 때 평균 농도와 순도 모두 ②가 더 높음에도 불구하고 ①의 extract 유량이 ②의 extract 유량보다 2배 이상 크기 때문에 ①의 회수율이 더 높았다
유량을 칼럼의 부피 비와 같은 1 : 12의 비율로 증가시킨 결과 기존의 0.46×25cm 칼럼에서의 결과와 오차범위 1% 내의 같은 결과를 얻었다.
전산모사에 필요한 헨리상수를 계산하기 위해 감귤 추출물을 HPLC에서 분석한 결과 H_Lim은 8.55, H_imp는 0.223을 얻었다. 이 값을 바탕으로 Aspen chromatography에서 선형 흡착식을 이용해 d-리모넨 SMB분리공정을 전산모사 하였다.
앞의 여섯점을 비교해 보았을 때, d-리모넨의 순도와 회수율이 높은 점은 각각 ②와 ⑥이다. 점 ⑥이 ②보다 회수율은 더 높지만 불순물이 1.5배 많이 포함되어 있어 m₂와 m₃가 2.55, 9.54인 점 ②가 리모넨 분리에 적합한 조건임을 알 수 있었다. 각각의 점들의 node별 유량, switching time, 순도 및 회수율을 Table 4에 정리했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리모넨은 무엇인가?	리모넨은 오렌지 향이 있는 천연의 키랄 화합물로 주로 감귤껍질과 레몬껍질에 함유되어 있다. $4^{\circ}C$로 냉장 보관한 감귤 껍질을 에탄올을 용매로 속슬렛 추출기에서 2시간동안 $120^{\circ}C$에서 추출하였다.
	감귤 과피에 함유된 성분은 무엇인가?	이들 중 1,841,000 톤가량이 주스로 가공되는데, 가공 중에 엄청난 양의 과피 등의 부산물로 나오고 있다[1]. 감귤 과피에는 천연 정유성분과 카로티노이드, 플라보노이드 및 각종 비타민 등이 다량 함유되어 있기 때문에, 이들의 생리 기능에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[2]. 리모넨(limonene)은 오렌지향이 있으며 분자량이 136.
	유사이동층 크로마토그래피의 특징은 무엇인가?	이를 보안하기 위해 유사이동층 크로마토그래피(Simulated Moving Bed; SMB)가 고안되었다. 이는 고정상이 정지되어 있는 상태에서 밸브를 사용하여 각 node를 switching 함으로써 고정상이 이동하는 효과를 얻는다. 또한 공정의 제작이 TMB보다 간단하며, 용리액의 소모량을 감소시키는 장점이 있다[7].

참고문헌 (17)

http://apps.fas.usda.gov/psdonline/circulars/citrus.pdf.
Im, H. S., Yoon, C. H. and Oh, E. H., "A Study on Antibiotic Effect Using the D-limonene Oil Extracted to Wasted Mandarin Peels in Cheju," J. Korean Oil Chemist's Soc., 26(3), 350-356(2009).
Morse, M. A. and Toburen, A. L., "Inhibition of Metabolic Activation of 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone by Limonene," Cancer Letters, 104(2), 211-217(1996).

상세보기
Lu, H. Y., Shen, Y., Sun, X., Zhu, H. and Liu, X. J., "Washing Effects of Limonene on Pesticide Residues in Green Peppers," J. of Science of Food and Agriculture, 93(12), 2917-2921(2013).

상세보기
Langer, R. S. and Wise, D. L., "Medical Applications of Controlled Release," CRC Press, Florida, U.S.A., 2, 2(2004).
Rosen, H. B., Chang, J., Wnek, G. E., Linhardt, R. J. and Langer, R., "Bioerodible Polyanhydrides for Controlled Drug Delivery," Biomaterials., 4, 131-133(1983).

상세보기
Heuer, C., Hugo, P., Mann, G. and Seidel-Morgenstern, A., "Scale up in Preparative Chromatography," J. Chromatogr. A., 752, 19-29(1996).

상세보기
Storti, G., Mazzotti, M., Morbidelli, M. and Carra, S., "Robust Design of Binary Countercurrent Adsorption Separation Presses," AIChE J., 39, 471-492(1993).

상세보기
Juza, M., "Development of an High-performance Liquid Chromatographic Simulated Moving Bed Separation from and Industrial Perspective," J. Chromatogr. A., 865, 35-49(1999).

상세보기
Won, J. H., Cho, Y. S., Kim, Y. D. and Ahn, D. J., "Enantio-sep-Aration of R, S-ibuprofen Using Simulated Moving Bed(SMB) Chromatography," Korean Chem. Eng. Res., 39(6), 685-691(2001).
Migliorini, C., Mazzotti, M. and Morbidelli, M., "Continuous Chromatographic Separation through Simulated Moving Beds under Linear and Nonlinear Conditions," J. Chromatogr. A., 827, 161-173(1998).

상세보기
Pedeferri, M., Zenoni, G., Mazzotti, M. and Morbidelli, M., "Experimental Analysis of a Chiral Separation through Simulated Moving Bed Chromatography," Chem. Eng. Sci., 54, 3735-3748(1999).

상세보기
Song, S. M. and Kim, I. H., "Simulation of IgY (Immunoglobulin Yolk) Purification by SMB (Simulated Moving Bed)," Korean Chem. Eng. Res., 49(6), 798-803(2011).

원문보기 상세보기
Guiochon, G., Golshan-Shirazi, S. and Katti, A., "Fundamentals of Preparative and Nonlinear Chromatography," Academic Press, Massachusetts, U.S.A.(1994).
Luis, S. P., Jose, M. L. and Alirio, E. R., "Separation of 1,1'-bi-2-naphthol Enantiomers by Continuous Chromatography in Simulated Moving Bed," Chem. Eng. Sci., 52(2), 245-257(1997).

상세보기
Lee, S. H., Lee, E. and Kim, I. H., "Simulation of Simulated Moving Bed Chromatography for Separation of L-ribose and Larabinose by ASPEN Chromatography," Korean J. Biotechnol. Bioeng., 23(2), 135-141(2008).
Lee, I. S., Lee, I. S. and Kim, I. H., "Simulation of (R)- and (S)- Ketoprofen Separation in Simulated Moving Bed," Korean J. Biotechnol. Bioeng., 29(4), 250-262(2014).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증