유기성 폐기물 소화공정의 발효액에서 젖산(lactic acid)을 회수하기 위해 화학침전법을 평가하였다. 젖산(lactic acid)의 회수율을 높이기 위하여 화학침전제 종류와 교반속도 및 침전시간 등 반응조건이 회수율 향상에 미치는 영향을 살펴보았다. 화학침전제의 종류에 관계없이 주입양이 증가할수록 젖산(lactic acid) 회수율이 증가하는 경향을 보였으며, CaO가 $Ca(OH)_2$와 $CaCO_3$에 비하여 높은 회수율을 나타냈다. CaO를 사용한 반응조건 최적화 실험결과, 교반속도 180 rpm, 침전시간 24 h, ethanol 주입량 25%(v/v)에서 회수율이 48%로 가장 높게 나타났다. 본 연구에서는 발효액 내 젖산(lactic acid)의 농도만 고려하여 주입할 침전제의 양을 계산하였기 때문에 실제 적용을 위해서는 발효액의 유기산 종류 및 농도를 고려하여 침전제의 투입량을 결정해야할 것이다. 유기물의 정성적 분석(FEEM, SEC) 결과로 볼 때 침전공정은 유기산의 특성에 큰 영향을 미치지 않았다.
유기성 폐기물 소화공정의 발효액에서 젖산(lactic acid)을 회수하기 위해 화학침전법을 평가하였다. 젖산(lactic acid)의 회수율을 높이기 위하여 화학침전제 종류와 교반속도 및 침전시간 등 반응조건이 회수율 향상에 미치는 영향을 살펴보았다. 화학침전제의 종류에 관계없이 주입양이 증가할수록 젖산(lactic acid) 회수율이 증가하는 경향을 보였으며, CaO가 $Ca(OH)_2$와 $CaCO_3$에 비하여 높은 회수율을 나타냈다. CaO를 사용한 반응조건 최적화 실험결과, 교반속도 180 rpm, 침전시간 24 h, ethanol 주입량 25%(v/v)에서 회수율이 48%로 가장 높게 나타났다. 본 연구에서는 발효액 내 젖산(lactic acid)의 농도만 고려하여 주입할 침전제의 양을 계산하였기 때문에 실제 적용을 위해서는 발효액의 유기산 종류 및 농도를 고려하여 침전제의 투입량을 결정해야할 것이다. 유기물의 정성적 분석(FEEM, SEC) 결과로 볼 때 침전공정은 유기산의 특성에 큰 영향을 미치지 않았다.
Recovery of lactic acid from fermentation broth using chemical precipitation was investigated with various chemicals. Effects of chemical types, mixing speeds, settling duration, and solvent addition were evaluated to improve the recovery rates of lactic acid. Overall, recovery efficiencies increase...
Recovery of lactic acid from fermentation broth using chemical precipitation was investigated with various chemicals. Effects of chemical types, mixing speeds, settling duration, and solvent addition were evaluated to improve the recovery rates of lactic acid. Overall, recovery efficiencies increased as the dosage of chemicals increased. Recovery rate of lactic acid by CaO was higher than those of $Ca(OH)_2$ and $CaCO_3$. Recovery of lactic acid increased by 48% under the optimized reaction conditions which included a mixing speed at 180 rpm, a settling duration of 24 h, and addition of ethanol at 25%(v/v). Practical application needs to consider types and concentrations of other organic acids as well as lactic acid. Based upon the results of fluorescence excitation emission matrix (FEEM), size exclusion chromatography (SEC), characteristics of recovered lactic acid were same as that in the fermentation broth.
Recovery of lactic acid from fermentation broth using chemical precipitation was investigated with various chemicals. Effects of chemical types, mixing speeds, settling duration, and solvent addition were evaluated to improve the recovery rates of lactic acid. Overall, recovery efficiencies increased as the dosage of chemicals increased. Recovery rate of lactic acid by CaO was higher than those of $Ca(OH)_2$ and $CaCO_3$. Recovery of lactic acid increased by 48% under the optimized reaction conditions which included a mixing speed at 180 rpm, a settling duration of 24 h, and addition of ethanol at 25%(v/v). Practical application needs to consider types and concentrations of other organic acids as well as lactic acid. Based upon the results of fluorescence excitation emission matrix (FEEM), size exclusion chromatography (SEC), characteristics of recovered lactic acid were same as that in the fermentation broth.
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문제 정의
유기성 폐기물 소화공정의 발효액에서 침전공정으로 젖산(lactic acid)을 회수하기 위해 화학침전제 종류와 교반속도 및 침전시간 등 반응조건이 회수율 향상에 미치는 영향을 살펴보고 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구를 통해 유기성 폐기물의 소화시 발생되는 발효액 내 젖산(lactic acid)을 침전공정으로 회수시 회수율을 높일 수 있는 석회 종류를 찾고, 교반속도와 침전시간 등의 최적 운전조건을 찾고자 하였다. 또한 침전반응에 의한 발효액 내 유기물의 특성변화를 분석하였다.
가설 설정
이 결과는 Choi 등10)의 연구에 비하여 낮은 회수율을 나타내고 있는데, 이전 연구의 경우 발효액을 모사한 모델용액을 사용한데 반해, 본 연구에서는 실제 발효액을 사용하였기 때문에 상대적으로 낮은 회수율을 얻은 것으로 판단된다. 본 연구에서는 발효액 상의 젖산(lactic acid)의 농도만 고려하여 주입할 침 전제의 양을 계산하였기 때문에 침전제가 다른 유기산과 반응하면 전체적으로 회수율은 낮아질 것이다.
제안 방법
10,13) 이때 유기용매의 종류도 중요한데, 본 연구에서는 유기용매 종류별 비교평가는 하지 않고, ethanol, acetonitrile, acetone을 비교⋅분석한 이전 연구10)에서 최적의 칼슘염(Ca(CH3CH(OH)COO)2) 침적을 나타낸 ethanol을 사용하였다.
이에 본 연구를 통해 유기성 폐기물의 소화시 발생되는 발효액 내 젖산(lactic acid)을 침전공정으로 회수시 회수율을 높일 수 있는 석회 종류를 찾고, 교반속도와 침전시간 등의 최적 운전조건을 찾고자 하였다. 또한 침전반응에 의한 발효액 내 유기물의 특성변화를 분석하였다.
발효액 내 젖산(lactic acid)의 회수율을 높이기 위하여 교반속도와 침전시간 등 반응조건의 영향을 살펴보았다. 일반적으로 침전공정에서 보관온도는 생성물의 용해도에 영향을 미치므로11) 본 실험에서는 침전시 온도는 4℃로 고정하였다.
발효액과 화학침전반응 후 시료의 유기물 특성 (정성) 변화를 살펴보기 위하여 FEEM을 분석하였다 (Fig. 5). FEEM 분석결과, 발효액(broth)과 침전회수한 시료(treated)에서 침전제의 종류에 관계없이 soluble microbial products(SMP) 물질과 aromatic protein 물질이 주로 확인되었다.
석회의 종류에 따른 침전실험 결과를 토대로 교반속도 100~200 rpm, 침전시간 4~30 h 범위에서 침전실험을 수행하여 교반속도와 침전시간이 젖산의 회수율에 미치는 영향을 살펴보았다. 별다른 언급이 없는 한 모든 실험은 2회 반복실험(duplicate)으로 하였다.
2 μm particle retention, Whatman, USA)를 이용하였다. 석회의 종류에 따른 침전실험 결과를 토대로 교반속도 100~200 rpm, 침전시간 4~30 h 범위에서 침전실험을 수행하여 교반속도와 침전시간이 젖산의 회수율에 미치는 영향을 살펴보았다. 별다른 언급이 없는 한 모든 실험은 2회 반복실험(duplicate)으로 하였다.
유기산은 시료를 원심분리 후 0.2 ㎛ syringe filter를 이용하여 여과하고 Aminex HPX-87H(Bio Rad, USA) 컬럼이 장착된 HPLC (Model VP, Shimadzue Co., Japan) 로 분석하였다. UV detector을 이용하여 파장 216 nm에 서 측정하였고 이동상은 10 mM 황산이 사용하였으며, flow rate는 0.
이후 반응조건 실험에서는 교반속도를 180 rpm으로 고정하고 반응 후 침전시간을 4~30 시간으로 변경하며 젖산(lactic acid)의 회수율을 분석하였다 (Fig. 3). 침전시간에 따른 회수율 분석 결과, 24시간까지는 침전시간이 증가함에 따라 젖산(lactic acid)의 회수율이 지속적으로 증가하였고, 침전시간 30시간의 회수율은 24시간과 차이가 없었다.
젖산(lactic acid) 회수반응 전후 유기물의 정량적 특성변화를 확인하기 위하여 DOC 농도를 측정하여 물질수지(mass balance)를 확인하였다. DOC의 측정 결과가 젖산(lactic acid)의 분석결과와 같은 양상을 가지는 것을 알 수 있었다.
젖산과 석회 반응식의 이론상 몰 비가 2:1 이므로 각 석회의 투입양을 몰 비 기준 0.25-0.75로 변경하며 젖산의 회수율을 확인하였다. 250 mL 삼각플라스크에 발효액 100 mL를 넣고 각각에 몰 비에 따른 석회를 넣어 100 rpm으로 1일간 교반 하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 3가지 종류의 석회(Ca(OH)2, CaO, CaCO3)로 침전실험을 하였다. 발효액에 석회(lime)를 주입하면 다음과 같은 화학 반응식에 의하여 젖산이 칼슘염(Ca(CH3CH(OH)COO)2)을 생성하여 침전된다.
용존유기탄소(DOC)는 Shimadzu TOC-V(Japan)를 사용하여 측정하였고, pH는 기기자체에서 조절이 가능하도록 하였다. FEEM(fluorescence excitation emission matrix)분석은 Shimadzu RF5301(Japan)을 사용하였고 Xenon lamp를 광원으로 하여 slit은 10 nm, Excitation 파장은 220 nm에서 400 nm까지, Emission 파장은 250~ 600 nm까지 변화시켜 분석하였다.
젖산 회수실험에 사용된 발효액은 A처리장에서 채취하여 고형물 및 미생물을 제거한 후 사용하였다. 먼저 발효액을 원심분리(8,000 rpm, 15 min)한 후에 상등액을 1 mm 체 거름하여 고형물 및 미생물을 제거하였다.
이 결과로 볼 때 발효액 내 젖산(lactic acid)의 회수율을 높이기 위해서는 이론적 필요량에 비해 많은 양의 화학침전제를 주입하는 것보다는 다른 반응/운전조건을 변경해야함을 알 수 있다. 추후 반응 조건에 따른 젖산 회수율 실험에서는 가장 높은 회수율을 나타낸 CaO를 사용하였다.
성능/효과
1. 주입한 화학침전제의 양이 증가할수록 젖산(lactic acid) 회수율이 증가하는 경향을 보였으며, CaO를 침전제로 사용한 경우의 회수율이 Ca(OH)2와 CaCO3를 사용한 경우에 비해 상대적으로 높게 나타났다.
2. CaO의 회수율이 상대적으로 높았지만 교반속도, 침전시간, 유기용매 주입 등의 조건을 최적화하여도 젖산(lactic acid)의 회수율이 48%을 초과하지 못하였다. 본 연구에서는 발효액 내 젖산(lactic acid)의 농도만 고려하여 주입할 침전제의 양을 계산하였기 때문에 다른 유기산과 반응하는 것을 고려하지 않았다.
3. 유기물의 정성적 분석결과로 볼 때 침전공정이 유기산의 특성에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
젖산(lactic acid) 회수반응 전후 유기물의 정량적 특성변화를 확인하기 위하여 DOC 농도를 측정하여 물질수지(mass balance)를 확인하였다. DOC의 측정 결과가 젖산(lactic acid)의 분석결과와 같은 양상을 가지는 것을 알 수 있었다. 젖산(lactic acid)의 회수율이 높은 시료가 DOC 농도도 높게 나타났고, DOC 농도와 회수된 젖산의 C농도는 유사하였다.
5). FEEM 분석결과, 발효액(broth)과 침전회수한 시료(treated)에서 침전제의 종류에 관계없이 soluble microbial products(SMP) 물질과 aromatic protein 물질이 주로 확인되었다. 이것으로 볼 때 침전반응에 의한 회수시 침전제의 종류가 젖산(lactic acid)의 특성에는 변화를 주지 않음을 알 수 있다.
SMP의 peak 높이는 젖산의 회수율이 가장 높았던 CaO 주입 시료에서 Ca(OH)2와 CaCO3 주입 시료에 비하여 높게 나타났다. 유기물의 분자량을 분석하는 SEC결과는 모든 시료에서 분자량 1,000 Da 이하 유기물이 80% 이상으로 높게 검출되어 발효액과 침전처리 된 시료별 특이성은 발견되지 않았다.
1은 화학침전제(lime) 종류에 따른 젖산(lactic acid)의 회수량을 정리한 것이다. 젖산(lactic acid)의 회수율은 화학침전제의 종류에 관계없이 이론적 반응비인 0.5 M/M까지 주입한 침전제의 양이 많을수록 증가하는 경향을 보였으며, 0.75 M/M에서는 0.5 M/M 결과와 비슷하거나 완만한 증가를 보였다. 젖산 (lactic acid)의 회수량은 CaCO3에 비해 Ca(OH)2와 CaO에서 상대적으로 높게 나타났다.
DOC의 측정 결과가 젖산(lactic acid)의 분석결과와 같은 양상을 가지는 것을 알 수 있었다. 젖산(lactic acid)의 회수율이 높은 시료가 DOC 농도도 높게 나타났고, DOC 농도와 회수된 젖산의 C농도는 유사하였다.
10,13) 이때 유기용매의 종류도 중요한데, 본 연구에서는 유기용매 종류별 비교평가는 하지 않고, ethanol, acetonitrile, acetone을 비교⋅분석한 이전 연구10)에서 최적의 칼슘염(Ca(CH3CH(OH)COO)2) 침적을 나타낸 ethanol을 사용하였다. 침전시간(24h)과 교반속도(180 rpm)는 동일하였고, ethanol 주입량을 0~30%(v/v)로 바꾸며 실험한 결과 주입량 25%(v/v)에 서 회수율이 48%로 가장 높게 나타났다 (Fig. 4). ethanol 주입량 30%(v/v)의 회수율은 평균 45%로 주입량 25% (v/v)에 비하여 다소 낮았으나 표준편차를 고려하면 차이가 없다고 할 수 있다.
3). 침전시간에 따른 회수율 분석 결과, 24시간까지는 침전시간이 증가함에 따라 젖산(lactic acid)의 회수율이 지속적으로 증가하였고, 침전시간 30시간의 회수율은 24시간과 차이가 없었다. 따라서 침전시간은 24시간이 가장 효율적이라 판단된다.
침전시간은 24시간으로 동일하였다. 화학침전제로 CaO를 주입하고 교반속도 100~200 rpm범위에서 실험한 결과 교반속도가 증가함에 따라 젖산(lactic acid)의 회수율이 증가하여 180 rpm에 서 29%로 가장 높았다. 200 rpm 교반 시 젖산(lactic acid)의 회수율은 평균치 기준 180 rpm에 비하여 다소 낮게 나타났으나 표준편차를 고려하면 차이가 없다고 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기성 폐기물의 종류는?
국내에서 발생되는 유기성 폐기물(하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 유기성 도시고형폐기물)은 연 간 1억 톤 이상인데, 주된 처리방법은 매립 및 해양 투기와 같은 폐기형 처리법과 퇴비 및 액비화, 사료 화, 에너지화 등 재활용형 처리법으로 구분될 수 있다. 한편, 2006년 발효된 런던협약에 의해 우리나라 도 2013년부터 유기성 폐기물의 해양투기가 금지되었다.
유기성 폐기물을 처리하는 방법은?
국내에서 발생되는 유기성 폐기물(하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 유기성 도시고형폐기물)은 연 간 1억 톤 이상인데, 주된 처리방법은 매립 및 해양 투기와 같은 폐기형 처리법과 퇴비 및 액비화, 사료 화, 에너지화 등 재활용형 처리법으로 구분될 수 있다. 한편, 2006년 발효된 런던협약에 의해 우리나라 도 2013년부터 유기성 폐기물의 해양투기가 금지되었다.
유기성 폐기물의 발효액에 포함되어있는 젖산을 사용하기 위해서 해야 하는 일은?
2,3) 또한 최근 에는 생체활성 고분자 등의 생분해성 고분자합성을 위한 화합물로도 이용되어 그 수요가 증가하는 추세이다. 4) 하지만, 발효액은 다른 불순물들을 포함하고 있어 젖산을 활용하기 위해서는 먼저 발효액에서 젖산을 분리⋅회수해야 한다.
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