Effects of mobile phase composition on the adsorption behaviors of amino acids on PVP resin

Abstract

Distilled deionized water(DDW)와 poly-4-vinylpyridine(PVP) 수지를 이동상과 고정상으로 이용한 아미노산 분리용 SMB(Simulated moving bed)장치가 앞서 개발되었다. 이때 이동상은 순수한 DDW로써 컬럼 전체 이동상의 세기는 일정하게 유지되었다. 이런 일정용매 조성법(isocratic elution mode)은 생산성과 분리 성능 향상에 한계를 가지고 있다. 이 한계점을 극복하기 위하여 Solvent Gradient 방법이 SMB에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 PVP 수지를 사용한 아미노산 분리용 Solvent gradient SMB (SB-SMB)를 설계하기 위해 여러 실험과 일들이 이루어졌다. 첫 번째, DDW와 혼합되어 SG-SMB의 이동상을 구성할 적절한 modifier의 선정이다. 실험 결과 이동상(DDW와 에탄올 혼합물)을 구성하는 에탄올(modifier)의 농도에 따라 흡착제에 대한 아미노산의 친화도가 변화하는 것이 관찰되었다. 이를 통해 SG-SMB의 modifier이동상으로 에탄올이 적절하다는 것을알 수 있었다. 두 번째, SG-SMB 구성에 필수적 요소인 아미노산의 파라미터들(흡착 상수와 물질전달 계수)이 여러 에탄올 농도의 이동상 에서 측정되었다. 이동상 조성에 따른 파라미터들의 변화는 적절한 모델 방정식으로 표현할 수 있었다. 마지막으로, 일련의 Frontal 실험을 통하여 측정된 파라미터의 값들과 방정식의 유효성을 입증하였다. 컬럼의 효율을 나타내는 인자인 HETP(Height Equivalent to a Theoretical Plate)는 axial dispersion, film mass transfer과 intra-particle diffusion에 관한 항들로 이루어져있다. 이 세가지 물질전달저항은 이동상의 조성과 유속의 변화에 영향을 받는다. 본 연구에서는 이동상의 유속과 조성이 세가지 mass transfer resistance와 HETP에 미치는 영향을 고찰하였다. 실험 결과 유속이 낮을 경우 axial dispersion 항이 HETP를 결정하는 중요한 변수이지만 유속이 증가함에 따라 그 기여도는 감소하는 것으로 나타났다. Film mass transfer 항은 낮은 유속에서 axial dispersion 항에 비해 작은 값을 나타내지만, 유속의 증가에 따라 그 값은 점점 증가하며 일정 속도 이후에는 HETP를 결정하는 가장 중요한 변수가 되었다. 흡착제 입자내부에서의 확산은 모든 실험조건에서 변화가 거의 관찰되지 않았으며 기여도도 상당히 낮았다. HETP는 유속이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였다. 반면, 이동상 조성이 증가함에 따라 HETP는 선형적으로 비례하며 증가하였지만 그 변화는 유속에 의한 결과에 비해 매주 작은 것으로 나타났다.; A simulated moving bed (SMB) for amino acid separation has been developed previously using distilled deionized water (DDW) and poly-4-vinylpyridine (PVP) resin as mobile and solid phases respectively. Since the mobile phase in this SMB system was comprised of only a pure DDW, the mobile phase strength was kept uniform over the entire bed. Such an isocratic elution mode, however, has some limitation in improving the productivity and separation performance. To overcome this limitation, a solvent gradient mode can be applied to the SMB. For the development of such a solvent gradient SMB (SG-SMB) for amino acid separation using PVP resin, a series of fundamental tasks were performed in chapter 1. First, a qualified modifier solvent, which is to be mixed with DDW to form a new mobile phase for the SG-SMB, was selected. The results showed that ethanol could well function as a modifier of the SGSMB of interest, because the adsorption affinities of amino acids was found to be largely affected by the content of ethanol in the mobile phase (i.e., mixture of DDW and ethanol). In addition, the intrinsic parameters (i.e., adsorption isotherm and masstransfers) of amino acids, which are requisite for the design of the SG-SMB, were estimated while varying the mobile phase composition. Based on these results, the effects of the mobile phase composition on such intrinsic parameters were described with proper model equations, which are to be incorporated into the design equations for the SG-SMB. Finally, the estimated parameter values and their relevant model equations were validated with a series of frontal column experiments. Thus, the results of this study can be of great value in the stage of developing the SG-SMB for amino acid separation. The contribution of mass transfer resistances on HETP was estimated in chapter 2. The mass transfer parameters calculated from literature correlations are changed as the interstitial velocity and ethanol volume fraction increase. The system was run in 0~2.5ml/min and the volume fraction of ethanol was 0 %(v/v) to 20%(v/v). HETP was mainly affected by axial dispersion at the low velocity. However the contribution of axial dispersion term is decreased as the interstitial velocity increases. The influence of intra-particle diffusion is linearly in proportion to the interstitial velocity. The change of ethanol composition has little influence on the mass transfer parameters. Finally, the variation of HETP value in a various range of interstitial velocity and ethanol volume fraction was investigated. The HETP value is increased as the interstitial velocity is faster and the mobile phase composition has significantly small attribution on HETP change.