Systematic Study on the Design of Simulated Moving Bed for the Separation of Amino Acid Mixture

Abstract

최근 아미노산의 수요증대와 더불어 아미노산의 보다 효율적인 분리기술 또한 활발히 연구되고 있다. 본 실험에서는 6가지 종류의 아미노산에 대하여 분리정제에 필요한 매개변수(흡착등온선, 물질전달변수 등)측정을 파트I부분에서 집중적으로 다루었으며 3성분아미노산 분리를 위한 SMB 공정설계를 파트II에 다루었다. 아미노산의 매개변수 측정은 저 농도 영역에서의 흡착등온선과 여러 가지 물질전달인자를 실험을 통해 얻을 수 있었으며 기존의 여러 가지 물질전달식을 이용하여 얻은 값과 비교할 수 있었다. 시뮬레이션을 통한 비교결과, 각각의 아미노산에 대하여 보다 정확한 물질전달식과 값을 얻을 수 있었다. 또한 HETP식을 이용하여 컬럼 안에서의 각각의 물질전달인자들의 기여도를 알아 보았다. 그 결과 흡착성이 없거나 매우 약한 물질의 경우 Axial Dispersion 에 의한 영향이 큼을 알 수 있었으며 반대로 흡착성이 있는 물질의 경우 Intraparticle diffusion의 영향이 큼을 알 수 있었다. 또한 컬럼내 물질의 속도가 증가할수록 Axial Dispersion에 의한 영향에 비해 Intraparticle diffusion에 의한 영향이 증가함을 알 수 있었다. 3성분 분리를 위한 SMB공정설계를 위해 3성분에 대한 흡착등온 식을 멀티프론탈 실험을 통하여 얻을 수 있었으며 물질전달인자의 경우 기존의 물질전달식을 이용하여 얻을 수 있었다. 시뮬레이션을 통하여 실험과 일치됨을 얻을 수 있었으며 이러한 매개변수를 바탕으로 시뮬레이션을 통한 SMB 공정을 설계할 수 있었다. 시뮬레이션 결과 정상상태(Cyclic Steady State)와 정상상태 도달 전 컬럼프로파일을 얻을 수 있었으며 이를 통하여 3가지 성분이 각각의 시간대에 어떻게 분리될 수 있는지를 알아볼 수 있었다. 또한 SMB 공정을 통하여 얻은 3가지 성분이 순도와 수율에서 모두 90%이상의 분리효율을 가질 수 있음을 알 수 있었다.; Adsorption constants and mass transfer parameters are the essential parameters to be measured for the development of a batch chromatography or a simulated moving bed(SMB) process for the separation of bioproducts. In this study, the aforementioned parameters of amino acids were measured while using poly-4-vinylpyridine(PVP) cross-linked with divinylbenzene and deionized distilled water as an adsorbent and a mobile phase, respectively. The pulse test based on the injectionof blue dextran was used to estimate the inter-particle porosity of the adsorbent phase. In Chapter Ⅰ, the adsorption constants, the intra-particle diffusivities, and axial dispersion coefficients of six amino acids were estimated. The adsorption constants of given compounds were determined from a series of pulse tests using a single column packed with the PVP resin. The mass transfer coefficients were estimated from the moment analysis and the literature correlations. The resulting parameter values were validated with detailed rate model simulations. Based on these results, the best correlation for each compound were determined. The effects of several mass transfer effects on the column efficiency were analyzed in a systematic way. In Chapter Ⅱ, a modified four-zone SMB process was optimally designed for separation of a ternary amino acid mixture. For the design of such process, the adsorption constants and mass transfer parameters were estimated with a series of multiple frontal tests. Computer simulations were used to check the validity of the measured parameter values. The optimal operating conditions(flow rates and switching time) of the modified four-zone SMB process were determined form genetic algorithm. The simulation results showed that the designed process gave high yield and high purity for the two ternary mixtures(system 1: methionine, phenylalanine, and tryptophan, system 2: methionine, tyrosine, and tryptophan).