KR20120009962A

KR20120009962A - 혼합물 분리향상을 위한 유사 이동층 흡착 분리 장치에서의 부분 버림 재사용 공정 운전 방법

Info

Publication number: KR20120009962A
Application number: KR1020100071247A
Authority: KR
Inventors: 이창하; 김경민
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: KR101226844B1

Abstract

분리대상 혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트, 추출물 배출포트, 인접하는 상기 2개의 연결하는 적어도 3개 이상의 크로마토그라피 구간, 및 설정된 전체 스위치 시간마다 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에 있어서,
전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및
전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 홉합물의 분리 방법이 개시된다.

Description

혼합물 분리향상을 위한 유사 이동층 흡착 분리 장치에서의 부분 버림 재사용 공정 운전 방법 {Recycling Partial-Discard strategy for improving the separation efficiency in the simulated moving bed chromatography}

본 발명은 유사 이동층 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전체 스위치 시간(switch time) 동안 얻어지는 생산물(추출물 및/또는 라피네이트)의 농도 구배에서 불순물이 많이 포함된 구간의 생산물의 일부 또는 전부를 임시저장탱크(추출물 임시저장탱크 및/또는 라피네이트 임시저장탱크)에 저장하였다가 혼합물 유입 포트(feed node)에서 분리대상 혼합물로서 재사용하는 방법에 관한 것이다.

흡착 분리방법은 물질의 안정성 확보 및 높은 분리 효율을 장점으로 하는 분리방법이다. 액상 흡착 분리로는 크로마토그라피 분리방법이 많이 사용되고 있는데 기존의 회분식 크로마토그라피 분리방법은 분리하기 위해 사용되는 이동상, 즉 용매의 사용량이 매우 크므로 시간 당 처리량이 적어 대용량 분리에 부적합하며, 대규모 에너지를 소비하는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 향류 흐름(counter current flow)의 개념을 도입하여 연속적으로 다량의 고순도 제품을 생산할 수 있는 실제 이동층 흡착 분리 공정(True Moving Bed: TMB)이 개발 되었다.

이러한 실제 이동층 흡착 분리 공정(TMB)에서는 고정상이 이동상의 흐름과 반대 방향으로 움직여 향류 접촉을 일으키므로 분리하고자 하는 혼합물 용액이 컬럼으로 주입되면, 고정상에 대하여 흡착력이 큰 것은 고정상의 흐름을 따라 컬럼 밖으로 유출되고, 흡착력이 낮은 성분은 이동상을 따라 컬럼 밖으로 유출되게 된다. 따라서, 두 물질간의 분리도 차이가 크지 않더라도 두 물질의 컬럼 내의 농도 분포 곡선의 양쪽 끝에서만 분리가 가능하다면 순수한 물질을 얻을 수 있다.

그러나 이동층 흡착 분리 공정(TMB)은 기존 고정식 분리 공정에 비해 충진제의 양을 증가시켜야 하고, 충진제의 마찰과 유출 등으로 인해 정상상태의 조업이 어려운 단점이 있다. 또한, 향류 흐름에 의한 흡착제 입자들의 역혼합(back mixing)이 큰 문제가 될 뿐 아니라, 이를 방지하기 위해 적은 액체 유량을 사용하는 경우 낮은 분리효율과 생산성의 문제가 발생하게 된다.

이러한 실제 이동층 흡착 분리 공정(TMB)의 단점을 극복하기 위해 개발된 것이 1961년 미국특허 제2,985,589호 에서 제안된 유사 이동층(Simulated Moving Bed:SMB) 흡착 분리 공정이다. 상기 유사 이동층 흡착 분리 공정(SMB)은 고정상의 흐름을 컬럼(column) 사이의 포트(port) 이동을 통해 모사(simulation)한다. 도 1은 종래의 기본적인 SMB의 공정도를 나타낸다. 기본적인 SMB 공정은 한 개 또는 그 이상의 컬럼으로 구성된 4개의 구역과 각 구역 사이의 탈착제(desorbent) 유입 포트, 추출물(extract-강 흡착질) 배출 포트, 혼합물(feed) 유입 포트 및 라피네이트(raffinate-약 흡착질) 배출 포트로 구성된다.

탈착제인 이동상 유체는 구역 Ⅳ와 구역 Ⅰ사이의 탈착제 유입 포트로, 분리 대상인 유체 혼합물은 구역 Ⅱ와 구역 Ⅲ 사이의 혼합물 유입 포트로 주입될 수 있다. 상기 SMB 공정으로 주입된 혼합물은 이동상 유체의 이동에 의해 구역 Ⅲ을 지나면서 약흡착질인 라피네이트는 강흡착질인 추출물보다 빠른 속도로 고정상의 흡착제로 이동하게 되어, 흡착제와의 상호 작용의 크기에 따른 분리가 이뤄진다.

일정 시간이 지날 때 마다 모든 유입 및 유출 포트를 이동상 유체의 이동방향으로 한 컬럼 이동시켜서 마치 각 컬럼이 이동상 유체의 이동방향의 반대 방향으로 이동한 것과 같은 효과를 만들어내는데 이 때, 각 포트의 이동을 스위치(switch)라고 하며, 각 스위치 간의 시간 간격을 스위치 시간(switch time, t_SW) 또는 스위칭 구간(switching period)라고 부른다.

흡착제를 통과하는 속도가 빠른 라피네이트 물질은 구역 Ⅲ과 구역 Ⅳ 사이에 위치하는 라피네이트 배출 포트에서 생산물로 얻어지며, 강흡착질인 추출물 물질은 포트가 이동함에 따라 구역 Ⅲ에서 구역 Ⅱ로, 다시 구역 Ⅱ에서 구역Ⅰ로 이동하게 되며, 구역 Ⅰ에서 탈착제인 이동상 유체에 의해 탈착되면서 구역 Ⅰ과 구역 Ⅱ사이의 추출물 배출 포트에서 생산물로 얻어지게 된다.

이와 같이 상기 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정은 가상의 고정상의 흐름을 만들어 이동상과의 향류 이동을 모사함으로써, 상기 실제 이동층 흡착 분리 공정(TMB)에서 고정상의 흐름이 갖는 현실적인 문제점을 극복할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정에서, 주기적 정상상태(cyclic steady state)에 도달 했을 때, 두 생산물 포트에서의 농도 구배를 보여준다. 구체적으로 도 2(a) 및 도2(b)는 각각 추출물(extract) 배출 포트 및 라피네이트(raffinate) 배출 포트에서의 농도 구배를 나타내는 그래프이다.

상기 도 2(a)에서 추출물 배출 포트에 있어서, 불순물이 되는 라피네이트 물질의 대부분이 스위치 시간의 전반부에서 나오고 있다. 또한, 도 2(b)에서 라피네이트 배출포트에 있어서, 불순물인 추출물 물질의 대부분이 스위치 시간의 후반부에 나오고 있음을 보여준다.

상기 도 2에 표현된 것과 같이, 비교적 불순물이 포함되지 않은 구간과 불순물이 많이 포함된 구간을 생산 구간과 버림 구간으로 설정하여 버림 구간에서는 두 개의 유출 포트로부터 나오는 생산물을 버려주는 운전 방법을 "부분 버림 (Partial-Discard)" 운전방법이라고 한다 (Youn-Sang Bae and Chang-Ha Lee, A partial-discard strategy for obtaining high purity products using simulated moving bed chromatography, the Journal of Chromatography A., 1122, 161-173, 2006). "부분 버림" 운전 방법은 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정의 순도를 높일 수 있으나, 생산물의 일부를 버림으로써 회수율과 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해 “버림 구간”에서 나오는 버림 부분 혼합물(discarded portion)을 분리대상 혼합물(feed)로서 재사용하는 연구가 진행되고 있다.

2007년 FOA9 학회에서는, 각 생산물 포트에 있어서 “버림 구간”에서 나오는 버림 부분 혼합물을 직접적으로 혼합물 유입포트(feed port)로 주입하는 재사용 방식이 발표되었으나, 버림 부분 혼합물은 본래의 혼합물 유입포트의 유량보다 크고, 버림 부분 혼합물을 유입포트로 직접적으로 주입하는 것은 컬럼 내 농도 프로파일에서 분리 효율을 떨어뜨림으로 분리 효율이 좋지 않다는 문제점이 있다. [Kyung-Min Kim, Yoon-Sang Bae, Jong-Ho Moon, Sang-Jin Lee, Chang-Ha Lee, "Improved Partial-Discard Strategy for Simulated Moving Bed Chromatography: Nonlinear Condition." FOA9, Sicily, Italy May. 20-25, 2007.]

이후 2008년 논문과 유럽특허 제1982752호를 통해 생산물 배출 포트에서 일정 시간 동안 나오는 생산물을 보관하였다가 스위치 시간 중 일부 시간 동안 혼합물 유입포트로 주입시키는 FF-SMB 운전 방법을 발표하였다[Lard Christian Kebler, Andres Seidal-Morgestern, J. of Chromatogr. A 1207 (2008) 55]. 상기 FF-SMB에서는 각 포트에서 얻어지는 생산물 중 일정 순도 이하의 구간에서의 생산물을 비 생산구간 혼합물(non-product fraction)로 얻어지게 된다. 상기의 비 생산구간 혼합물은 특정한 시간 구간 동안 혼합물 유입포트로 주입(feed-back)되는데, 이 때, 혼합물 유입포트로 주입되는 시간 구간은 공정 최적화 계산을 통해 결정한다. 상기 최적화 계산에 있어서 계산되는 feed-back 시간 구간은 목표 순도를 달성할 수 있도록 계산되는 값이기 때문에, 목표 순도 이상으로 생산물을 얻어내는 공정을 디자인하기 힘들며, feed-back 시간 구간을 결정하기 위한 가이드 라인이 없어 적용이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 상기의 FF-SMB에서는 스위치 시간 중 중반부의 특정 구간에서 생산물 배출포트와 혼합물 유입포트의 동작 변화가 이뤄지기 때문에 SMB 공정을 운행하기 어려운 문제점도 있다.

본 발명은 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에서 “부분 버림(partial-discard)”운전방법을 적용했을 때의 회수율 및 생산량의 손해를 최소화 하고, 부분 버림 혼합물의 일부 또는 전부를 간단하면서도 효율적으로 재사용함으로써, 부분 버림 운전방법보다도 높은 순도의 생산물을 얻을 수 있는 혼합물의 분리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 분리대상 혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트, 추출물 배출포트, 인접하는 2개의 포트를 연결하는 적어도 3개 이상의 크로마토그라피 구간 및 설정된 전체 스위치 시간마다 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에 있어서,

전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및

전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 홉합물의 분리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법에서는 각 배출포트에서 나오는 생산물의 일부 또는 전부를 임시저장탱크에 저장하였다가, 상기 저장된 생산물을 재사용 분리대상 혼합물로써 혼합물 유입포트에 재사용함으로써, 생산물의 순도를 높일 수 있다.

본 발명의 혼합물 분리방법에 사용되는 유사 이동층 흡착 분리 장치에서, 크로마토그라피 구간은 인접하는 2개의 포트들을 연결한다. 상기 크로마토그라피 구간의 수는 특별히 제한되지 않으며, 3개 내지 5개일 수 있다.

본 발명에서 상기 크로마토그라피 구간의 수가 4개일 경우, 연결된 구조인 폐쇄 루프를 가질 수 있고, 구간의 수가 3개일 경우 개방 루프를 가질 수 있다.

또한, 각 크로마토그라피 구간은 하나 이상의 크로마토그라피 컬럼을 포함할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 2개의 크로마토그라피 컬럼을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법에서 사용되는 밸브는 설정된 전체 스위치 시간마다 유입포트 및 배출포트들(혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트 및 추출물 배출포트)의 이동을 제어하기 위한 것으로, 이동상에 대한 고정상의 향류 흐름의 모사를 가능케 해준다. 본 발명에서는 하나 또는 다수개의 밸브를 사용할 수 있으며, 밸브의 종류로는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 밸브라면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 로터리 밸브, 다방향 밸브, 다기능성 밸브 및 온-오프 밸브 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법에서 사용되는 임시저장탱크는 생산물 배출포트(추출물 배출포트 및/또는 라피네이트 배출포트)로부터 배출된 생산물 중 일부 또는 전부를 저장할 수 있으며, 상기 저장된 생산물 중 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환시켜 재사용 할 수 있다.

상기 임시저장탱크는 추출물 임시저장탱크 및/또는 라피네이트 임시저장탱크로 구성된다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법은 전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및

전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 상기 두 단계를 모두 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서 추출물 임시저장탱크는 추출물 배출포트에서 배출된 생산물을 저장할 수 있다. 특히, 도 2에 나타난 바와 같이, 추출물 배출포트에서는 스위치 시간의 전반부에 불순물(라피네이트 등)이 섞여 나오므로, 스위치 시간의 전반부를 추출물 버림 시간으로 설정하고, 상기 버림 시간의 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장 한다. 이 때, 추출물 버림 시간의 길이 및 유량은 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 라피네이트 임시저장탱크는 라피네이트 배출포트에서 배출된 생산물을 저장할 수 있다. 특히, 도 2에 나타난 바와 같이, 라피네이트 배출포트에서는 스위치 시간의 후반부에 불순물(추출물 등)이 섞여 나오므로, 스위치 시간의 후반부를 라피네이트 버림 시간으로 설정하고, 상기 버림 시간의 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장 한다. 이 때, 라피네이트 버림 시간의 시간 길이 및 유량은 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법은 추출물 배출포트로부터 배출되어 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 후반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 라피네이트 배출포트로부터 배출되어 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 전반부에 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계를 포함할 수 있다.

따라서, 혼합물 유입포트는 조혼합물(crude mixture), 상기에서 설명한 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물 및 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물 중 하나 이상을 SMB 장치에 주입할 수 있다. 혼합물 유입포트는 필요에 따라 이동상 유체를 추가로 주입할 수도 있다.

특히, 본 발명의 혼합물 유입포트에서 조혼합물(crude mixture)은 필수적으로 주입되고, 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물 및 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물은 필요에 의해 선택적으로 주입될 수 있으며, 바람직하게는 조혼합물, 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물 및 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물이 모두 주입되는 것이 좋다.

본 발명에서는 스위치 시간에서 상기 조혼합물(crude mixture), 추출물 임시저장탱그에 저장된 생산물 및 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 주입 시간을 다르게 설정하여, 생산물의 순도를 극대화 할 수 있다.

본 발명에서 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부는 스위치 시간의 전반부에 설정된 재사용 시간만큼 혼합물 유입포트로 재순환 될 수 있으며, 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부는 스위치 시간의 후반부에 설정된 재사용 시간만큼 혼합물 유입포트로 재순환 될 수 있다. 상기 조혼합물은 스위치 시간의 중반부에 주입될 수 있다.

상기 각 임시탱크에 저장된 생산물을 재사용 시간은 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 혼합물 분리방법은 전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하거나 및/또는 전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장할 수 있다.

이 때, 본 발명에서는 전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 1에 의하여 설정되는 추출물 버림 시간 동안 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및

전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 2에 의하여 설정되는 추출물 생산 시간 동안 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물을 분리하는 단계를 포함 할 수 있다.

[일반식 1]

t_E _- _ini = t_sw X DL_ext

[일반식 2]

t_E _- _pro = t_sw - t_E _- _ini

상기 식에서 t_E _- _ini은 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 시간을 나타내고, t_sw 은 전체 스위치 시간을 나타내며, DL_ext 은 전체 스위치 시간에 대한 추출물 버림 시간의 비율을 나타내고, t_E-pro은 추출물이 분리되는 시간을 나타낸다.

즉, 본 발명에서 추출물 버림 시간(추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 시간)은 DL_ext의 영향을 받는다.

여기서, DL_ext의 범위는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 0.05 내지 0.4 일 수 있다. 상기 범위가 0.05 미만이면, 후반부에 배출되는 추출물의 순도가 저하되며, 0.4를 초과하면, 조혼합물의 분리량이 저하되어, 생산성이 저하된다.

또한, 본 발명의 혼합물 분리방법은 전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 3에 의하여 설정되는 라피네이트 생산 시간 동안 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물은 분리하는 단계; 및

전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 4에 의하여 설정되는 라피네이트 버림 시간 동안 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물을 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

[일반식 3]

T_R _- _pro = t_sw - t_R _- _last

[일반식 4]

t_R _- _last = t_sw X DL_raf

상기 식에서 t_R _- _pro은 라피네이트가 분리되는 시간을 나타내고, t_sw은 전체 스위치 시간을 나타내며, t_R _- _last은 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 시간을 나타내고, DL_raf은 전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 버림 시간의 비율을 나타낸다.

즉, 본 발명에서 라피네이트 버림 시간(라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 시간)은 DL_raf의 영향을 받는다.

여기서, DL_raf의 범위는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 0.05 내지 0.4 일 수 있다. 상기 범위가 0.05 미만이면, 전반부에 배출되는 추출물의 순도가 저하되며, 0.4를 초과하면, 조혼합물의 분리량이 저하되어, 생산성이 저하된다.

본 발명의 혼합물 분리방법에서 생산물 배출포트로부터 배출되어 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전체는 혼합물 유입포트로 재순환 된다

이 때, 본 발명에 따른 혼합물 분리방법에서 혼합물 유입포트의 운전은 전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 5에 의하여 설정되는 라피네이트 재사용 시간 동안 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계;

전체 스위치 시간 중반부에는 하기 일반식 6에 의하여 설정되는 조혼합물(crude mixture) 투입 시간 동안 조혼합물을 혼합물 유입포트로 유입하는 단계; 및

전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 7에 의하여 설정되는 추출물 재사용 시간 동안 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계로 이루어질 수 있다.

[일반식 5]

T_F _- _ini = t_sw X RL_raf

[일반식 6]

T_F _- _mid = t_sw - T_F _- _ini - t_F _- _last

[일반식 7]

T_F _- _last = t_sw X RL_ext

상기 식에서 T_F _- _ini는 라피네이트 재사용 시간을 나타내고, t_sw은 전체 스위치 시간을 나타내며, RL_raf은 전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 재사용 시간의 비율을 나타내고, T_F _- _mid은 조혼합물의 투입 시간을 나타내고, T_F _- _last는 라피네이트 재사용 시간을 나타내고, RL_ext는 전체 스위치 시간에 대한 추출물 재사용 시간의 비율을 나타낸다.

즉, 혼합물 유입포트에서는 전체 스위치 시간의 전반부에는 라피네이트가 재사용되고, 중반부에는 조혼합물이 투입되며, 후반부에는 추출물이 재사용된다. 이 때, 라피네이트 재사용 시간은 RL_raf에 영향을 받으며, 추출물 재사용 시간은 RL_ext에 영향을 받는다.

여기서, RL_raf 및 RL_ext의 범위는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 각각 0.05 내지 0.45 일 수 있다. 상기 범위가 0.05 미만이면, 너무 작은 시간 동안만 재사용이 이루어지므로, 종래 SMB 공정을 사용하여 혼합물을 분리했을 때와 효과면에서 별 차이가 없으며, 0.45를 초과하면, 조혼합물의 투입 시간이 지나치게 짧아지고, 생산물의 농도가 너무 높아 용해도에 문제가 생기거나 최적 유량 조건이 변동할 우려가 있다.

본 발명에 따른 혼합물의 분리방법에서 상기 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계의 유량은 하기 일반식 8에 의하여 설정될 수 있다.

[일반식 8]

Q_F _,F- _last = RR_ext X Q_E

상기 식에서 Q_F _,F- _last는 추출물 임시저장탱크로부터 혼합물 유입포트로 재순환되는 흐름의 유량을 나타내고, Q_E는 추출물 배출포트의 유량을 나타내며, RR_ext는 추출물 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량의 비를 나타낸다.

여기서, RR_ext의 범위는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 0.1 내지 1일 수 있다. 상기 범위가 0.1 미만이면, 추출물의 재분리 효율이 저하될 우려가 있다.

또한, 본 발명에 따른 혼합물의 분리방법에서 상기 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계의 유량은 하기 일반식 9에 의하여 될 수 있다.

[일반식 9]

Q_F _,F- _ini = RR_raf X Q_R _,F- _mid

상기 식에서 Q_F _,F- _ini는 라피네이트 임시저장탱크로부터 혼합물 유입포트로 재순환되는 흐름의 유량을 나타내고, Q_R _,F- _mid는 T_F _- _mid 시간 동안의 라피네이트 배출포트의 유량을 나타내며, RR_raf는 상기 T_F _- _mid 시간 동안의 라피네이트 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량의 비를 나타낸다.

여기서, RR_raf 의 범위는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 0.1 내지 1일 수 있다. 상기 범위가 0.1 미만이면, 라피네이트의 재분리 효율이 저하될 우려가 있다.

본 발명에서 조혼합물(crude mixture)의 농도는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 일반적인 SMB 공정의 조혼합물과 같거나 그 이상일 수 있다. 본 발명에서는 총 주입되는 조혼합물의 양을 일정하게 유지하기 위해 전체 스위치 시간에 대한 조혼합물의 투입 시간의 비에 반비례하도록 할 수 있다. 그러나 용해도의 한계가 있으므로 경우에 따라서는 생산성을 포기하고, 가능한 정도로만 농도를 높일 수도 있다.

본 발명에서 분리대상 혼합물의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 방향족 탄화수소 또는 라세미 혼합물 등 분리가 어려운 물질(selectivity가 낮은 물질)을 포함하는 것이 바람직하고, 조혼합물은 운전 방법에 따라 농도를 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 분리대상 혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트, 추출물 배출포트, 인접하는 상기 2개의 연결하는 적어도 3개 이상의 크로마토그라피 구간, 및 설정된 전체 스위치 시간마다 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치의 운전방법에 있어서,

전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 후반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계; 및

전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 전반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치의 운전방법에 관한 것이다.

여기서, 전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 후반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계 및 전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 전반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계는 함께 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 혼합물 분리방법은 전체 스위치 시간 동안 생산되는 생산물 중 일부를 임시저장탱크에 저장했다가 분리대상 혼합물로써 혼합물 유입포트에서 재사용함으로써, 다른 성능 지표의 손해를 최소화하면서 생산물의 순도를 극대화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 운전방법을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래 SMB 운전방법에서 각 포트에서의 농도 구배를 나타내는 그래프로서, 각각 추출물 배출포트에서의 농도 구배(a) 및 라피네이트 배출포트에서의 농도 구배(b)를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 운전방법을 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 SMB 운전방법에 있어서, 스위치 시간 동안 혼합물 유입포트, 추출물 배출포트 및 라피네이트 배출포트에서의 시간(a) 및 유량(b)을 나타내는 개념도이다.
도 5는 일반적인 SMB 운전방법에서 혼합물 유입포트로 주입되는 분리대상 혼합물의 농도구배(a) 및 본 발명의 일 례에 따른 SMB 운전방법에서 혼합물 유입포트로 주입되는 분리대상 혼합물의 농도구배(b)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 SMB 운전방법(재사용 부분 버림 공정)의 버림 길이 변화에 대한 결과를 일반적인 SMB 운전방법 및 부분 버림 운전방법의 결과와 비교하여, 순도(purity), 회수율(recovery), 생산성(productivity), 용매 소비량(eluent consumption)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 SMB 운전방법 (재사용 부분 버림 공정)의 재사용 시간의 변화에 대한 결과를 일반적인 SMB 운전방법 및 부분 버림 운전방법의 결과와 비교하여, 순도(purity), 회수율(recovery), 생산성(productivity), 용매 소비량(eluent consumption)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 발명에 따른 SMB 운전방법 (재사용 부분 버림 공정)의 추출물 재사용 분리대상 혼합물의 유량의 변화에 대한 결과를 일반적인 SMB 운전방법 및 부분 버림 운전방법의 결과와 비교하여, 순도(purity), 회수율(recovery), 생산성(productivity), 용매 소비량(eluent consumption)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 발명에 따른 SMB 운전방법(재사용 부분 버림 공정)의 라피네이트 재사용 분리대상 혼합물의 유량의 변화에 대한 결과를 일반적인 SMB 운전방법 및 부분 버림 운전방법의 결과와 비교하여, 순도(purity), 회수율(recovery), 생산성(productivity), 용매 소비량(eluent consumption)을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 사용한 혼합물의 분리방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 사용한 혼합물의 분리방법은 방향족 탄화수소의 혼합물의 분리, 에틸벤젠의 분리공정, 키랄 화합물의 분리공정 등에 적용될 수 있으며, 의약품 제조 과정 중 최종 산물 혹은 중간 물질인 racemic 혼합 의약품의 분리공정 등에 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 운전방법을 나타내는 개념도이다.

도 3에 따른 SMB 운전방법에서, SMB 장치는 혼합물(feed) 유입포트, 라피네이트(raffinate) 배출포트, 탈착제(desorbent) 유입포트, 추출물(extract) 배출포트, 인접하는 2개의 포트를 연결하는 4개의 크로마토그라피 구간, 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브 및 생성물 포트에서 배출되는 생성물을 임시 저장하는 임시저장탱크(추출물 임시저장탱크 및 라피네이트 임시저장탱크)를 포함하는 흡착 분리 유니트로 구성된다.

본 발명에서 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치는 인접하는 2개의 포트들이 각각 크로마토그라피 구간을 통하여 연결된 구조인 폐쇄 루프(4개의 크로마토그라피 구간)를 가질 수 있으며, 상기 SMB 밸브는 앞에서 전술한 종류 중 하나 이상을 선택할 수 있다. 또한, 각 크로마토그라피 구간은 2개의 크로마토그라피 컬럼을 포함한다.

상기 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 운전방법에서 4개의 구역은 각기 다른 역할을 담당한다. 구역 Ⅱ와 Ⅲ은 분리 영역으로 상기 구역 Ⅱ와 Ⅲ사이의 혼합물 유입포트를 통해 주입된 물질 중 흡착력이 약한 물질인 라피네이트(A, raffinate)은 이동상인 탈착제(desorbent)를 따라 라피네이트 배출 포트로 배출되며, 흡착력이 강한 물질인 추출물(B, extract)은 흡착제에 흡착되고, 일정 스위치 시간 간격에 따라 상대적으로 컬럼이 움직이게 되므로, 일정 시간이 지난 후 추출물 배출포트로 이동한다.

구역 Ⅰ과 Ⅳ는 재생 영역이다. 라피네이트 배출포트에서 배출되지 못하고 구역 Ⅲ을 넘어온 라피네이트(A)는 흡착되어 탈착제가 재생 된다. 구간 Ⅰ에서는 탈착제에 의해 흡착되어 구간 Ⅲ에서 넘어온 추출물(B)이 탈착되므로 고정상이 재생된다.

한편, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 이용한 혼합물의 분리방법에서는 상기 라피네이트(raffinate) 배출포트에서의 농도 구배(도면2 (b))를 보면 불순물이 되는 물질 즉 추출물(extract)의 대부분이 스위치 시간(switch time)의 후반부에 존재한다. 또한, 추출물(extract) 배출 포트의 농도 구배(도면2 (b))에서는 불순물인 라피네이트(raffinate) 물질은 대부분이 스위치 시간(switch time)의 전반부에 존재한다.

상기 라피네이트 배출포트에서 얻어지는 생산물은 스위치 시간(switch time)에 있어서 전반부에 들어간 조혼합물의 영향을 크게 받는데, 이는 전반부에 들어간 혼합물은 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치가 한번 스위치(switch) 될 때까지 더 많은 시간 동안 이동상 유체와 함께 라피네이트 배출포트로 이동할 수 있기 때문이다.

반대로 상기 추출물(extract) 배출포트에서 얻어지는 생산물은 스위치 시간(switch time)에서 후반부에 유입되는 혼합물의 영향을 많이 받는데 이는 스위치 시간의 후반부에 들어간 혼합물은 유사 이동층 흡착 분리 장치로 주입된 후 곧바로 각 포트의 이동, 즉 스위치(switch)로 인해 탈착제와 함께 라피네이트 배출포트 방향으로 이동하지 못하고, 구역 Ⅱ로 옮겨지기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 이용한 혼합물의 분리방법에서, 상기 장치는 라피네이트 임시저장탱크 및 추출물 임시저장탱크를 포함함으로써, 스위치 시간(switch time) 중 버림 시간에서 라피네이트 배출포트 및 추출물 배출포트를 통해 배출되는 생산물을 저장할 수 있다.

상기 임시저장탱크는 일시적으로 버림 시간에서 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 저장하고, 상기 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트(feed node)에서 재사용할 수 있도록 혼합물 유입포트와 연결되어 있다.

또한 본 발명의 실시예에서 임시저장탱크 및 생산물 배출포트 사이에는 배출포트를 통해서 나오는 생산물을 버림 시간 동안에는 임시저장탱크로 보낼 수 있는 다방향 밸브를 포함 한다. 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치에서는 라피네이트 배출포트 및 추출물 배출포트로부터 각각 2종의 생산물(라피네이트 및 추출물)이 얻어지므로 상기 임시저장탱크 및 다방향 밸브는 1세트 내지 2세트가 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 2세트가 사용될 수 있다. 상기 혼합물 유입포트에서 재사용되는 임시저장탱크 내의 생산물은 재사용 분리 대상 혼합물(recycle-feed)이라 부른다.

본 발명의 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치는 원래의 분리대상 혼합물(original-feed), 라피네이트 재사용 분리 대상 혼합물(raffinate recycle-feed), 추출물 재사용 분리대상 혼합물(extract recycle-feed) 중 하나가 혼합물 유입포트로 연결될 수 있도록 하는 다방향 밸브를 포함할 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 SMB 운전방법에서 전체 스위치 시간 동안 추출물 배출포트, 혼합물 유입포트 및 라피네이트 배출포트에서의 시간(a)과 유량(b)을 나타내는 개념도이다.

도 4(a)에 나타나듯이, 본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 이용한 혼합물의 분리방법에서는 혼합물 유입포트를 3개의 구간으로 나누고, 추출물 배출포트 및 라피네이트 배출포트의 스위치 시간을 각각 2개의 구간으로 나누었다.

먼저 추출물 배출포트의 경우 스위치 시간 중 전반부에 불순물이 다량으로 섞여 나오기 때문에 전반부의 t_E _- _ini를 버림 시간으로 설정하여, 상기 시간 동안 추출물 배출포트를 통해 배출되는 생산물을 추출물 임시저장탱크에 저장한다.

반면, 라피네이트 유출포트의 경우는 스위치 시간 중 후반부에 불순물의 대부분이 나오므로 후반부의 t_R _- _last를 버림 시간으로 설정하여, 상기 시간 동안 라피네이트 배출포트를 통해 배출되는 생산물을 라피네이트 임시저장탱크에 저장한다.

혼합물 유입포트의 경우는 스위치 시간의 전반부에는 t_F _- _ini 동안 이전 스위치 시간의 후반부 t_R _- _last 동안 라피네이트 임시저장 탱크에 저장된 생산물을 재사용 분리대상 혼합물로서 주입하고, 스위치 시간의 중반부에는 t_F _- _mid 시간 동안 조혼합물을 주입하며, 후반부에는 t_F _- _last 동안 동일 스위치 시간 중 전반부에 t_E _- _ini 동안 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물을 재사용 분리대상 혼합물로서 주입한다.

이 때, t_E _- _ini의 길이는 DL_ext(전체 스위치 시간에 대한 추출물 버림시간의 비율)로부터, t_R _- _last의 길이는 DL_raf(전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 버림 시간의 비율)로부터, t_F _- _ini의 길이는 RL_raf(전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 재사용 시간의 비율)로부터, t_F _- _last의 길이는 RL_ext(전체 스위치 시간에 대한 추출물 재사용 시간의 비율)로부터 결정될 수 있다

도 4(b)에 나타나듯이, 본 발명에서 추출물 배출포트의 유량은 스위치 시간 내에 일정한 Q_E값을 갖는다. 그러므로 추출물 배출포트에서는 Q_E의 유량으로 t_E _- _ini 동안의 생산물이 추출물 임시저장탱크로 저장된다. 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물이 t_F _- _last 동안 혼합물 유입포트로 재사용될 때, RR_ext(추출물 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량비)로부터 유량이 결정되어 Q_F _,F- _last의 유량 크기로 주입된다.

본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정에서 구역 Ⅱ와 구역 Ⅳ의 유량을 동일하게 고정시킬 수 있다. 유체는 구역 Ⅱ에서 혼합물 유입포트로 주입되는 유량과 합쳐져 구역 Ⅲ로 이동하므로 혼합물 유입포트의 유량변화는 구역 Ⅲ의 유량을 변화시킨다. 본 발명에서 구역 Ⅳ의 유량은 구역 Ⅱ와 동일하므로 혼합물 유입포트의 유량 변화는 구간 Ⅲ와 라피네이트 배출 포트의 유량에만 영향을 주게 된다. 따라서, 상기 라피네이트 배출포트의 유량은 혼합물 유입포트의 유량에 따라 달라지게 된다. 하기 도 4(b)에 표현된 것과 같이 라피네이트 배출포트의 유량은 혼합물 유입포트의 구간에 따라 달라지게 되며, t_F _- _mid 시간에서의 혼합물 유입포트의 유량(Q_F _,F- _mid)은 일정하기 때문에 동일 구간의 라피네이트 배출 포트의 유량(Q_R _,F- _mid) 또한 일정한 값을 갖는다. 그러므로 RR_raf는 상기 t_F _- _mid 시간 동안의 라피네이트 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량의 비를 나타낸다.

발 발명에 따른 SMB 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법은 다음과 같은 점에서 종래 SMB 운전방법과 차이를 갖는다.

첫째, 추출물 배출포트 및/또는 라피네이트 배출포트에 연결된 임시저장탱크의 존재이다. 본 발명에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치에서는 각 생산물 배출 포트에서 나오는 생산물 중 버림 구간의 생산물을 임시로 저장할 수 있도록 임시저장탱크가 생산물이 배출되는 포트에 연결설치된다.

둘째, 생산물인 추출물 및 라피네이트가 각각 추출물 배출포트 및 라피네이트 배출포트로부터 배출될 때, 버림 구간 동안 상기 생산물을 임시저장탱크로 저장하는 방식이다. 일반적인 SMB 운전방법에서는 생산물의 농도 구배에 있어서 불순물이 많이 포함된 부분을 버림 구간으로 설정하여 상기 버림 구간 동안에는 배출포트에서 나오는 혼합물을 버리고, 나머지 시간 동안에 나오는 혼합물을 생산물로 얻는다. 반면, 본 발명에 따른 SMB 운전방법에서는 생산물의 농도 구배에 있어서 불순물이 많이 포함된 부분을 버림 구간으로 설정하되, 버림 구간 동안 생산물 배출포트에서 나오는 혼합물의 일부 또는 전부를 임시저장탱크에 저장한다.

셋째, 스위치 시간(switch time)동안의 분리대상 혼합물(feed) 유입 방식의 차이를 갖는다. 일반적인 SMB 운전방법에서는 분리대상 혼합물(feed)은 연속적으로 유입된다. 또한, FF-SMB에서는 최적화 계산을 통해 목적하는 순도를 만들 수 있도록 임의의 구간에 재사용 분리대상 혼합물을 주입한다. 그러나 본 발명에 따른 SMB 운전방법에서는 임시저장탱크에 저장된 생산물 및 조혼합물의 분리 성능을 높일 수 있도록 전체 스위치 시간 내에 적절한 위치와 시간만큼 주입된다. 이 때, 앞에서 설명한 바와 같이, 라피네이트 생산물은 스위치 시간 중 앞쪽에 주입된 혼합물의 영향을 많이 받고, 추출물 생산물은 스위치 시간 중 뒤쪽에 주입된 혼합물의 영향을 많이 받으므로, 분리대상 혼합물을 주입함에 있어서 스위치 시간 중 앞쪽에 라피네이트 임시저장탱크의 생산물을 주입하고, 스위치 시간 중 뒤쪽에 추출물 임시저장탱크의 생산물을 주입한다. 스위치 시간의 중간 부분에는 조혼합물이 주입된다. 경우에 따라 한 종류의 재사용 분리대상 혼합물만 사용하는 경우에는 조혼합물이 스위치 시간의 중간 부분에 위치할 수 있도록 다른 종류의 재사용 분리대상 혼합물이 유입되는 구간에 이동상 유체만을 주입할 수도 있다.

넷째, 본 발명의 SMB 운전방법에서는 조혼합물의 농도를 일반적인 SMB 공정에 주입되는 분리 대상 혼합물(feed)의 농도 보다 더 높여서 주입할 수 있다. 일반적인 SMB 운전방법에서는 분리대상 혼합물(feed)이 지속적으로 주입되므로 본 발명에 따른 SMB 운전방법에서는 조혼합물이 주입되는 시간이 적어 총 분리대상 혼합물의 처리량이 적어지게 된다. 그러므로 생산성의 향상을 위해 진한 농도의 분리 대상 혼합물을 조혼합물로서 스위치 시간의 중반부에 주입할 수 있다.

이 때, 조혼합물의 농도는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 총 주입되는 분리대상 혼합물의 양을 일정하게 유지하기 위해 전체 스위치 시간에 대한 조혼합물의 투입 시간의 비(T_F _- _mid / t_sw)에 반비례하도록 짙어지게 할 수 있다. 그러나 용해도의 한계가 있으므로 경우에 따라서는 생산성을 포기하고, 가능한 정도로만 농도를 높일 수도 있다.

도 5는 종래(일반적인) 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에서 혼합물 유입포트로 주입되는 분리대상 혼합물의 농도구배(a) 및 본 발명에 혼합물의 분리방법에서 혼합물 유입포트로 투입되는 조혼합물의 농도구배(b)를 나타내는 그래프이다.

상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 혼합물 유입포트에서 투입되는 조혼합물의 농도 구배가 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정에서의 분리대상 혼합물과 어떻게 달라지는지 확인할 수 있다. 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정에서는 한 스위치 시간 내에 일정하게 분리대상 혼합물이 주입되는 반면 본 발명에서는 스위치 시간의 전반부(t_F _- _ini)에는 라피네이트의 양이 비교적 많은 라피네이트 재사용 분리대상 혼합물이, 스위치 시간의 후반부(t_F _- _last)에는 추출물의 양이 비교적 많은 추출물 재사용 분리대상 혼합물이 주입된다. 또한, 스위치 시간의 중반부(t_F-mid)에는 조혼합물이 주입되는데, 이때 같은 시간 동안 처리되는 분리대상 혼합물의 양을 일정하게 하기 위해서 전체 스위치 시간에 대한 t_F _- _mid의 길이의 비에 반비례하는 높은 농도로 주입된다.

실시예 및 비교예

실시예에 따른 SMB 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에서는 한 구역(zone)당 2개의 컬럼을 가지는 4 구역 유사 이동층 흡착 분리 공정에 유체 혼합물에 부분 버림 및 재사용 방법이 사용되었을 때(재사용 부분 버림 공정)의 개선된 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션 연구를 수행하였다.

또한, 비교예로는 부분버림 및 재사용 방법이 사용되지 않은 일반적인 유사 이동층 흡착 분리 공정과 부분 버림 공정을 사용하는 부분 버림 유사 이동층 흡착 분리 공정을 사용하였다.

본 발명의 실시예 및 비교예의 분리 대상 혼합물은 두 물질의 선택도(selectivity)가 1.1로 매우 낮은 가상의 물질을 사용하였다. 상기 선택도(selectivity)가 낮은 물질로는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, racemic 혼합 의약품(Tbuprofen, Thailidomide9, Benoxaprofen, Wafarin, Pemicilamine 등)등을 사용할 수 있다. 상기 racemic 혼합 의약품들의 경우, 이성질체 중 한쪽 타입(R-form 또는 S-form)은 약효과를 갖는 반면 다른 한쪽의 타입은 약효가 없거나 태아 기형 유발 및 발암작용 등의 부작용이 크기 때문에 고순도로 분리가 꼭 필요하다. 특히, 상기 이성질체(R-form 및 S-form)는 용해도, 끓는점, 녹는점 등의 물리 화학적 성질이 비슷하므로, 일반적인 분리방법으로는 분리가 힘들며, 흡착 분리방법을 사용하는 것이 이성질체를 고순도로 분리할 수 있다.

본 발명에서는 상용 프로그램인 gPROMS Modelbuilder를 이용하여 생산물 배출포트, 혼합물 유입포트 및 컬럼 내부의 농도 구배 등을 예측할 수 있는 일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정 모사기, 부분 버림 공정 모사기 및 본 발명의 실시예에 따른 재사용 부분 버림 공정 모사기를 만들었고, 각 공정 결과의 분리 성능은 순도(purity), 회수율 (recovery), 생산성(productivity) 및 용매 소비량(eluent consumption)의 4가지 성능 지표로 비교되었다.

상기 공정들의 모사기를 만들기 위해서는 두 개의 수학적 모델이 필요하다. 하나는 단일 컬럼에서의 각 성분의 흡착 및 분리 거동을 표현하는 컬럼(column) 모델이고, 또 하나는 여러 컬럼을 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모형(configuration)이 되도록 연결하는 노드(node) 모델이다.

본 발명에서 실시예 및 비교예의 컬럼(column) 모델에서 사용한 수학적 모델식은 transport-dispersive model 식이다. 상기 모델식은 각 물질에 대한 미분 방정식 형태의 물질 수지식(differential mass balance equation)과 LDF 속도 모델식(linear driving force model equation) 및 흡착평형식(equilibrium isotherm)과 초기 및 경계 조건(initial and boundary conditions)으로 이루어져 있다. 또한 상기 노드(node) 모델은 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 모형(configuration)을 표현하기 위해 각 컬럼과 포트의 연결에 있어서의 유량, 농도 관계에 대한 물질 수지식들로 이루어져 있다.

상기한 바와 같은 수학적 모델식들을 이용한 일반적인 SMB 공정 모사기의 수행을 위한 SMB 시스템 및 공정 변수들(SMB system and operating parameters)을 표1에 나타내었다.

SMB system parameters
SMB configuration	2-2-2-2 (8 column)
D(column diameter)(cm)	2.6
L(column length)(cm)	10.5
ε(total porosity)	0.4
N_disp (the number of dispersion units)	400
mass transfer coefficient
k(both components)(1/s)	0.5
Isotherm coefficient
K_A(raffinate component)(-)	3.00
K_B(extract component)(-)	3.30
b_A(raffinate component)(L/g)	0.03
b_B(extract component)(L/g)	0.04
Operating parameters
C_i _,F(feed concentration)i=A,B(g/L)	1.0
Q_F(feed flowrate)(ml/min)	2
Q_E(extract flowrate)(ml/min)	6.542
Q_R(raffinate flowrate)(ml/min)	4
Q_D(desorbent flowrate)(ml/min)	8.542
Q₁(flowrate of zone1)(ml/min)	75.082
Q₂(flowrate of zone2)(ml/min)	68.54
Q₃(flowrate of zone3)(ml/min)	50.74
Q₄(flowrate of zone4)(ml/min)	66.54
T_sw(switching time)(ml/min)	107.34

앞에서 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 재사용 부분 버림 공정은 6개의 변수, DL_ext, DL_raf, RL_ext, RL_raf, RR_ext 및 RR_raf를 가지며, 부분 버림 공정은 생산물의 부분 버림 구간의 길이 및 부분 버림 구간의 위치를 표현하는 DL_ext, DL_raf _,DT_ext 및 DT_raf의 4개의 변수를 갖는다. 본 발명의 실시예 및 비교예에서는 추출물 배출포트의 부분 버림은 항상 스위치 시간의 전반부에, 라피네이트 배출포트의 부분 버림은 항상 스위치 시간의 후반부에만 적용되므로 부분 버림 구간의 위치를 나타내는 변수인 DT_ext, DT_raf는 고려하지 않았다.

상기 6개의 변수에 있어서, 버림 구간의 길이, 재사용 분리 대상 혼합물의 주입길이와 유량에 대한 결과를 보기 위해 실시예에서는 DL_ext = DL_raf, RL_ext = RL_raf 인 경우에 대해 살펴보았으며, 각 영향을 독립적으로 알아보기 위해서 한 변수를 변화시킬 때 다른 변수들은 임의의 값을 대표 값으로 정하여 고정하였다. 각 버림 구간 및 재사용의 시간적 길이의 대표 값은 임의의 중간 값으로 DL_ext = DL_raf = 0.2, RL_ext = RL_raf = 0.2으로 정하였으며, 재사용 분리대상 혼합물의 주입 유량에 있어서는 일반적인 공정 및 t_F _- _mid에서의 분리대상 혼합물 주입 유량과 같도록 RR_raf = 0.5, RR_ext = 0.3057을 대표 값으로 정하였다.

일반적인 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정(시험예1), 부분 버림 공정(시험예 2 내지 시험예 4) 및 재사용 부분 버림 공정(시험예 5 내지 시험예 16)을 표 2와 같이 16개의 공정으로 설계하여 비교하였다. 부분 버림 공정 및 재사용 부분 버림 공정에 있어서, 버림 구간(DL_ext _, DL_raf)은 0.10 내지 0.30, 재사용 부분 버림 공정에 있어서 분리대상 혼합물의 주입길이(RL_ext _, RL_raf)는 0.10 내지 0.40 및 재사용 분리 대상 혼합물의 유량(RR_raf, RR_ext)은 0.20 내지 1로 변화시키면서 공정을 설계하였다.

	DL_ext	DL_raf	RL_ext	RL_raf	RR_ext	RR_raf	C_A _,F,F- _mid	C_B _,F,F- _mid
시험예1	-	-	-	-	-	-	1.0	1.0
시험예2	0.10	0.10	-	-	-	-	1.0	1.0
시험예3	0.20	0.20	-	-	-	-	1.0	1.0
시험예4	0.30	0.30	-	-	-	-	1.0	1.0
시험예5	0.10	0.10	0.20	0.20	0.3057	0.50	1.67	1.67
시험예6	0.20	0.20	0.20	0.20	0.3057	0.50	1.67	1.67
시험예7	0.30	0.30	0.20	0.20	0.3057	0.50	1.67	1.67
시험예8	0.20	0.20	0.10	0.10	0.3057	0.50	1.25	1.25
시험예9	0.20	0.20	0.30	0.30	0.3057	0.50	2.5	2.5
시험예10	0.20	0.20	0.40	0.40	0.3057	0.50	5.0	5.0
시험예11	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20	0.50	1.67	1.67
시험예12	0.20	0.20	0.20	0.20	0.60	0.50	1.67	1.67
시험예13	0.20	0.20	0.20	0.20	1	0.50	1.67	1.67
시험예14	0.20	0.20	0.20	0.20	0.3057	0.20	1.67	1.67
시험예15	0.20	0.20	0.20	0.20	0.3057	0.60	1.67	1.67
시험예16	0.20	0.20	0.20	0.20	0.3057	1	1.67	1.67

본 발명에서 도 6 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사 이동층(SMB) 흡착 분리방법에 따른 결과를 일반적인 SMB 운전방법, 부분 버림 공정 및 재사용 부분 버림 공정(본 발명에 따른 SMB 운전방법)에 따른 결과를 비교하는 그래프이며, 순도(purity), 회수율(recovery), 생산성(productivity) 및 용매 소비량(eluent consumption)을 나타내고 있다.

도 6은 다른 변수가 대표 값으로 고정되었을 때 버림 구간의 길이에 따른 일반적인 SMB 운전방법(conventional SMB, 시험예 1), 부분 버림("partial-discard") 운전방법(시험예 2 내지 시험예 4) 및 재사용 부분 버림("recycling partial-discard") 운전방법(본 발명에 따른 혼합물의 분리방법, 시험예 5 내지 시험예 7)의 결과이다. 재사용 시간 및 유량이 고정되어 있으므로 버림 구간의 길이가 길어지는 것은 생산물 중 버려지는 부분이 많아진다는 것을 의미한다. 버림 구간의 길이가 길어질수록 부분 버림 운전방법 및 재사용 부분 버림 운전방법의 순도는 향상되는 반면 다른 성능지표는 악화되는 결과를 보여준다. 그러나 재사용 부분 버림 운전방법의 경우 일반적인 방법이나 부분 버림 운전방법의 결과에 비해 재사용으로 인한 높은 순도를 달성하는 동시에 부분 버림 운전방법에 비해 다른 성능 지표의 손해가 감소하며, 특히 DL_ext = DL_raf = 0.10의 경우에는 회수율, 생산성은 일반적인 공정과 비슷한 수준을, 용매 소비량의 경우에는 일반적인 방법보다 향상된 결과를 보여준다.

도 7은 다른 변수는 대표 값으로 고정된 상태에서 재사용 부분 버림 운전방법에서 재사용 분리대상 혼합물의 주입 시간의 변화(시험예 6, 시험예 8, 시험예 9 및 시험예 10) 에 따른 결과를 일반적인 SMB 운전방법(시험예 1), 부분 버림 운전방법(시험예 3)과 비교하여 보여준다. Recycle length (RL)의 변화는 재사용 분리대상 혼합물의 주입시간을 변화시켜 재사용되는 양을 조절하는 변수이다. RL이 커질수록 재사용 분리대상 혼합물이 오랜 시간 주입되므로 재사용으로 인한 효과가 커져서 모든 성능지표가 증가하는 모습을 보이나 동시간 대의 처리되는 혼합물의 양을 같게 하기 위해 높은 농도의 원래의 분리대상 혼합물 (original-feed)을 사용하게 되어 RL_ext = RL_raf = 0.40의 경우 RL_ext = RL_raf = 0.30에 비해 라피네이트의 순도가 약간 감소하는 것을 알 수 있다.

도 8은 추출물 재사용 분리대상 혼합물의 유량을 변화시켰을 때의 결과이며 도 9는 라피네이트 재사용 분리 대상 혼합물의 유량을 변화시켰을 때의 결과를 나타내고 있다. 도 8에서 알 수 있듯이, 추출물 재사용 분리대상 혼합물의 유량을 크게 하면 추출물의 경우 모든 성능 지표의 향상을 가져올 수 있으나 라피네이트 배출포트의 유량 증가 및 구역Ⅲ에서의 유량 증가로 인해 라피네이트의 경우에는 모든 성능 지표가 악화된 결과를 보여주고 있다. 도 9에서 라피네이트 재사용 분리 대상 혼합물의 유량을 늘렸을 때, 순도의 경우 두 생산물이 모두 약간 감소하였으나 라피네이트의 회수율, 생산성, 용매 소비량의 경우 모두 향상된 결과를 확인할 수 있다. 반면, 추출물의 경우에는 라피네이트 재사용 분리 대상 혼합물의 유량에 대해서는 거의 영향을 받지 않는 결과를 보여준다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능하다. 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

분리대상 혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트, 추출물 배출포트, 인접하는 2개의 포트를 연결하는 적어도 3개 이상의 크로마토그라피 구간 및 설정된 전체 스위치 시간마다 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치를 사용하는 혼합물의 분리방법에 있어서,
전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및
전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 추출물 배출포트로부터 배출되어 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 후반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 라피네이트 배출포트로부터 배출되어 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 전반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법.
제 1 항에 있어서,
전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 1에 의하여 설정되는 추출물 버림 시간 동안 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 단계; 및
전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 2에 의하여 설정되는 추출물 생산 시간 동안 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물을 분리하는 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법:
[일반식 1]
t_E _- _ini = t_sw X DL_ext
[일반식 2]
t_E _- _pro = t_sw - t_E _- _ini
상기 식에서 t_E _- _ini은 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장하는 시간을 나타내고, t_sw 은 전체 스위치 시간을 나타내며, DL_ext 은 전체 스위치 시간에 대한 추출물 버림 시간의 비율을 나타내고, t_E-pro은 추출물이 분리되는 시간을 나타낸다.
제 4 항에 있어서,
DL_ext 은 0.05 내지 0.4인 혼합물의 분리방법.
제 1 항에 있어서,
전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 3에 의하여 설정되는 라피네이트 생산 시간 동안 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물은 분리하는 단계; 및
전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 4에 의하여 설정되는 라피네이트 버림 시간 동안 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법:
[일반식 3]
T_R _- _pro = t_sw - t_R _- _last
[일반식 4]
t_R _- _last = t_sw X DL_raf
상기 식에서 t_R _- _pro은 라피네이트가 분리되는 시간을 나타내고, t_sw은 전체 스위치 시간을 나타내며, t_R _- _last은 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장하는 시간을 나타내고, DL_raf은 전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 버림 시간의 비율을 나타낸다.
제 6 항에 있어서,
DL_raf 은 0.05 내지 0.4인 혼합물의 분리방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
전체 스위치 시간 전반부에는 하기 일반식 5에 의하여 설정되는 라피네이트 재사용 시간 동안 라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계;
전체 스위치 시간 중반부에는 하기 일반식 6에 의하여 설정되는 조혼합물(crude mixture) 투입 시간 동안 조혼합물을 혼합물 유입포트로 유입하는 단계; 및
전체 스위치 시간 후반부에는 하기 일반식 7에 의하여 설정되는 추출물 재사용 시간 동안 추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계를 포함하는 혼합물의 분리방법:
[일반식 5]
T_F _- _ini = t_sw X RL_raf
[일반식 6]
T_F _- _mid = t_sw - T_F _- _ini - t_F _- _last
[일반식 7]
T_F _- _last = t_sw X RL_ext
상기 식에서 T_F _- _ini는 라피네이트 재사용 시간을 나타내고, t_sw은 전체 스위치 시간을 나타내며, RL_raf은 전체 스위치 시간에 대한 라피네이트 재사용 시간의 비율을 나타내고, T_F _- _mid은 조혼합물의 투입 시간을 나타내고, T_F _- _last는 라피네이트 재사용 시간을 나타내고, RL_ext는 전체 스위치 시간에 대한 추출물 재사용 시간의 비율을 나타낸다.
제 8 항에 있어서,
RL_raf 및 RL_ext는 각각 0.05 내지 0.45인 혼합물의 분리방법.
제 8 항에 있어서,
추출물 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계의 유량은 하기 일반식 8에 의하여 설정되는 혼합물의 분리방법:
[일반식 8]
Q_F _,F- _last = RR_ext X Q_E
상기 식에서 Q_F _,F- _last는 추출물 임시저장탱크로부터 혼합물 유입포트로 재순환되는 흐름의 유량을 나타내고, Q_E는 추출물 배출포트의 유량을 나타내며, RR_ext는 추출물 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량의 비를 나타낸다.
제 10 항에 있어서,
RR_ext는 0.1 내지 1인 혼합물의 분리방법.
제 8 항에 있어서,
라피네이트 임시저장탱크에 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 혼합물 유입포트로 재순환하는 단계의 유량은 하기 일반식 9에 의하여 설정되는 혼합물의 분리방법:
[일반식 9]
Q_F _,F- _ini = RR_raf X Q_R _,F- _mid
상기 식에서 Q_F _,F- _ini는 라피네이트 임시저장탱크로부터 혼합물 유입포트로 재순환되는 흐름의 유량을 나타내고, Q_R _,F- _mid는 T_F _- _mid 시간 동안의 라피네이트 배출포트의 유량을 나타내며, RR_raf는 상기 T_F _- _mid 시간 동안의 라피네이트 배출포트의 유량에 대한 상기 재순환되는 흐름의 유량의 비를 나타낸다.
제 12 항에 있어서,
RR_raf 는 0.1 내지 1인 혼합물의 분리방법.
제 8 항에 있어서,
조혼합물의 농도는 전체 스위치 시간에 대한 조혼합물의 투입 시간의 비(T_F _- _mid / t_sw)에 반비례하는 혼합물의 분리방법.
제 1 항에 있어서,
분리대상 혼합물은 방향족 탄화수소 혼합물 또는 라세미 혼합물인 혼합물의 분리방법.
분리대상 혼합물 유입포트, 라피네이트 배출포트, 탈착제 유입포트, 추출물 배출포트, 인접하는 2개의 포트를 연결하는 적어도 3개 이상의 크로마토그라피 구간 및 설정된 전체 스위치 시간마다 각 포트들의 이동을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치의 운전방법에 있어서,
전체 스위치 시간의 전반부에 추출물 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 추출물 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 저장된 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 후반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계; 및
전체 스위치 시간의 후반부에 라피네이트 배출포트로부터 배출되는 생산물의 일부 또는 전부를 라피네이트 임시저장탱크에 저장한 후, 상기 생산물의 일부 또는 전부를 스위치 시간의 전반부에 상기 혼합물 유입 포트로 재순환하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 유사 이동층 흡착 분리 장치의 운전방법.