반응기 전환율이 낮아지면 일반적으로 더 많은 미반응 기질과 고형물이 발효기에서 배출되어 회수, 분리 또는 폐기되어야 하므로 재순환 및 퍼지 요구량이 증가합니다. 슬러리 여과와 연결된 효모 발효 파일럿 플랜트에서 전환율을 0.25에서 0.10으로 낮추면 더 많은 미반응 곡물 또는 기질이 반응기 유출물에 남습니다. 슬러리에는 제품을 포함한 액체도 남아 있으므로, 정상 상태의 회수를 유지하고 고형물과 불순물이 축적되는 것을 방지하기 위해 플랜트는 더 많은 물질을 순환시키고 퍼지해야 합니다.

반응기 전환율은 모든 후단 스트림의 조성, 유량 및 회수 부담을 결정합니다. 전환율이 낮아지면 미반응 기질이 증가하고 재순환, 퍼지, 펌핑 및 분리 요구량이 커지는 경우가 많습니다. 전환율이 높아지면 미반응 원료는 감소하지만 부산물과 분리 복잡성이 증가할 수 있습니다.

전환율이 반응기 유출물을 변화시키는 방식

낮은 전환율은 더 많은 미반응 기질을 남깁니다

기질 공급 유량을 (F_S), 단일 통과 전환율을 (X)라고 하면 반응한 기질의 대략적인 유량은 다음과 같습니다.

[ F_{S,\text{반응}} = X F_S ]

반응기를 빠져나가는 미반응 기질은 다음과 같습니다.

[ F_{S,\text{미반응}} = (1-X)F_S ]

전환율이 0.25에서 0.10으로 감소하면 반응한 비율은 25%에서 10%로 줄어드는 반면, 미반응 비율은 75%에서 90%로 증가합니다. 이는 여과 장치로 유입되는 고형물 부하를 크게 변화시킵니다.

제품 생성량도 변합니다

단순화된 발효 반응에서 제품 생성량은 수율 계수를 통해 기질 소비량과 연관됩니다.

[ F_P = Y_{P/S}F_{S,\text{반응}} ]

여기서 (Y_{P/S})는 소비된 기질 단위당 제품 수율입니다.

따라서 공급 유량과 수율이 일정하다고 가정하면, 전환율이 낮을수록 통과당 생성되는 에탄올 또는 기타 목표 제품의 양은 일반적으로 감소합니다. 반응기 유출물에는 제품 비율이 낮아지고 미반응 기질 비율이 높아집니다.

액체 보유로 인해 영향이 커집니다

슬러리 필터는 고형물과 액체를 완벽하게 분리하지 못합니다. 습윤 고형물에는 제품을 포함한 액체가 일부 남아 있으므로, 고형물 유량이 증가하면 고형물 스트림으로 이동하는 액체의 양도 증가할 수 있습니다.

이러한 보유 액체는 물질수지와 에탄올과 같은 제품의 겉보기 회수율 모두에 영향을 줍니다. 따라서 여과 장치는 총 물질 유량뿐만 아니라 개별 성분 유량을 사용하여 분석해야 합니다.

재순환 스트림의 변화

더 많은 미반응 고형물에는 더 큰 회수가 필요합니다

전환율이 낮아지면 여과 장치로 유입되는 미반응 곡물, 바이오매스 또는 기타 고형물의 양이 증가합니다. 일부는 재순환을 통해 반응기로 되돌아가고, 다른 일부는 무한한 축적을 방지하기 위해 퍼지를 통해 배출되어야 합니다.

재순환 스트림에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 미반응 기질
• 농축 바이오매스
• 제품 함유 액체
• 물
• 용해성 불순물
• 슬러리를 통과하거나 슬러리와 함께 이동하는 미세 고형물

정확한 조성은 필터 성능, 세척, 침강 및 선택된 재순환 분할에 따라 달라집니다.

재순환은 전체 기질 이용률을 향상시킵니다

재순환을 통해 미반응 물질이 반응기에서 추가 체류 시간을 갖게 할 수 있습니다. 결과적으로 단일 통과 전환율은 낮더라도 신선 원료 기준 전체 전환율은 상당히 높아질 수 있습니다.

재순환 루프는 미전환 물질을 제거하지 않습니다. 대신 전환이 일어나는 위치를 바꾸고, 물질이 반응기와 분리기를 통과하는 횟수를 증가시킵니다.

재순환 유량은 분리기에 의해 결정됩니다

분리기가 회수 가능한 성분의 일부 (r)를 반응기로 되돌려보내는 경우, 재순환 유량은 분리기로 유입되는 미반응 물질의 양과 분리 회수율에 모두 의존합니다.

[ F_{\text{재순환}} = r F_{\text{회수 가능}} ]

반응기 전환율이 낮아지면 (F_{\text{회수 가능}})이 증가하므로, 동일한 재순환 비율에서도 더 큰 재순환 스트림이 생성됩니다. 전환율 저하를 보상하기 위해 재순환 비율을 높이면 순환량은 더욱 증가합니다.

이 때문에 반응기 성능과 여과 용량은 독립적으로 설계할 수 없습니다.

퍼지는 축적을 방지합니다

일반적으로 일부 물질은 퍼지를 통해 재순환 루프에서 빠져나가야 합니다. 퍼지가 없으면 불활성 고형물, 비반응성 불순물, 사멸 바이오매스 및 분리되지 않은 부산물이 축적되어 운전을 방해할 수 있습니다.

정상 상태에서 퍼지는 루프로 유입되지만 소비되지 않거나 제품으로 회수되지 않거나 분리 시스템에서 다른 방식으로 제거되지 않는 물질을 제거해야 합니다.

축적되는 성분 (i)에 대해, 정상 상태의 루프 내부에 순축적이 없을 때 다음과 같습니다.

[ F_{i,\text{유입}} = F_{i,\text{제품}} + F_{i,\text{퍼지}} ]

전환율이 낮아지면 미반응 기질의 루프 유입량이 증가하므로, 회수 또는 소비도 함께 개선되지 않는 한 필요한 퍼지량은 일반적으로 증가합니다.

통합 물질수지 구축

전체 플랜트 경계에서 시작하기

가장 신뢰할 수 있는 계산은 전체 공정을 둘러싼 물질수지에서 시작합니다.

[ \text{신선 원료} = \text{제품} + \text{퍼지} + \text{기타 손실} ]

재순환 스트림은 이 경계 내부에 있으므로 전체 물질수지에서는 상쇄됩니다. 그러나 장비 크기, 내부 조성, 체류 시간 및 운전 비용에는 여전히 영향을 미칩니다.

그다음 각 단위 조작의 물질수지를 계산하기

반응기 물질수지에는 기질 소비, 바이오매스 생성, 제품 생성 및 유출물 배출이 포함됩니다.

[ \text{공급} + \text{재순환} + \text{생성}

\text{유출물} + \text{소비} ]

여과 물질수지는 반응기 유출물을 여과액, 회수 고형물, 재순환 및 퍼지로 나눕니다.

[ F_{\text{반응기 유출물}}

F_{\text{여과액}} + F_{\text{재순환}} + F_{\text{퍼지}} ]

각 스트림은 총 유량만으로 처리하지 말고 성분별로 분해해야 합니다. 최소한 파일럿 플랜트 모델은 기질, 바이오매스 또는 고형물, 물, 제품 및 관련 불순물을 추적해야 합니다.

습윤 고형물에 포함된 액체 고려하기

고형물 스트림이 액체 질량 분율 (w_L)을 보유하는 경우, 고형물과 함께 이동하는 액체는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

[ F_{L,\text{보유}} ]

w_L F_{\text{습윤 고형물}} ]

이 보유 액체에는 에탄올, 용해된 기질 및 물이 포함될 수 있습니다. 이를 무시하면 물질수지가 겉보기에는 닫힌 것처럼 보이면서 제품 회수율은 과대평가되고 재순환 유량은 과소평가될 수 있습니다.

순환 참조를 동시에 해결하기

재순환은 다음과 같은 순환 의존성을 만듭니다.

1. 반응기 전환율이 유출물 조성을 결정합니다.
2. 유출물 조성이 분리기 부하를 결정합니다.
3. 분리기 성능이 재순환 및 퍼지 조성을 결정합니다.
4. 재순환 조성이 반응기 유입물과 반응기 물질수지를 변화시킵니다.

이 방정식들은 대수적으로 또는 반복 계산 스프레드시트, 공정 시뮬레이터나 수치 모델을 사용하여 함께 풀어야 합니다. 신선 원료만을 기준으로 한 순차 계산은 정상 상태 스트림 유량을 잘못 산출할 수 있습니다.

발효 및 분리 장비에 미치는 영향

낮은 전환율은 여과 작업량을 증가시킵니다

미반응 고형물이 많아지면 슬러리 질량 유량이 증가하고 필터 면적, 케이크 두께, 세척 요구량 및 압력 강하가 커질 수 있습니다. 필터 용량이 부족하면 고형물 동반 유출과 제품 손실이 증가할 수 있습니다.

따라서 여과 장치는 명목상의 신선 원료 유량만이 아니라 예상되는 재순환 조건을 기준으로 설계해야 합니다.

펌프와 배관은 더 큰 순환량을 처리해야 합니다

신선 원료 처리량이 변하지 않더라도 재순환은 내부 유량을 증가시킵니다. 따라서 전환율이 낮아지면 펌프 용량, 배관 유속, 제어 밸브 범위 및 압력 강하 요구사항이 증가할 수 있습니다.

재순환 펌프는 신선 원료 펌프보다 더 농축되거나 마모성이 높은 슬러리를 처리할 수도 있습니다.

반응기 용량을 늘려야 할 수 있습니다

낮은 전환율은 체류 시간 증가, 바이오매스 농도 상승, 혼합 개선 또는 미반응 물질 재순환을 통해 보완할 수 있습니다. 각 방법은 필요한 반응기 용량과 운전 조건을 변화시킵니다.

세포 재순환은 바이오매스 농도를 높이고 처리량을 향상시킬 수 있지만, 용량과 무균성 요구사항을 고려해야 하는 고형물 분리 루프도 추가합니다.

제품 회수율이 낮아질 수 있습니다

습윤 고형물은 액체를 보유하므로, 고형물 순환량이 증가하면 더 많은 제품 함유 액체가 목표 여과액 또는 제품 스트림에서 이탈할 수 있습니다. 따라서 기질 회수율이 허용 가능한 수준이어도 퍼지 또는 재순환 케이크에서 에탄올이나 기타 용해성 제품이 손실될 수 있습니다.

제품 회수율은 기질 전환율과 별도로 계산해야 합니다.

트레이드오프 이해하기

낮은 전환율은 선택성을 유지할 수 있습니다

낮은 전환율로 운전하면 부반응의 정도를 줄이거나 원하는 제품의 선택성을 유지할 수 있습니다. 발효에서는 한 번의 통과에서 기질 소비를 극대화하기보다 세포 성능을 보호하도록 운전 조건을 선택할 수도 있습니다.

이러한 운전상의 이점을 위해서는 재순환 부담을 감수해야 합니다.

높은 전환율은 재순환 요구량을 줄입니다

높은 전환율은 일반적으로 반응기를 빠져나가는 미반응 기질과 고형물을 줄입니다. 이에 따라 재순환 및 퍼지 유량, 내부 순환량, 관련 펌핑 및 분리 비용이 감소합니다.

그러나 반응물 농도가 낮아질수록 선택성이 저하되는 시스템에서는 높은 전환율이 더 많은 불순물이나 부산물을 생성할 수 있습니다. 이 경우 후단 분리가 더 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

재순환은 무료 회수가 아닙니다

재순환은 원료 손실을 줄이지만 추가 장비, 에너지, 제어 및 유지보수가 필요합니다. 또한 체류 시간을 증가시키고 제품이나 바이오매스를 반복 처리에 노출시킬 수 있습니다.

경제적으로 선호되는 전환율은 일반적으로 단일 통과 전환율이 가장 높은 지점이 아니라, 전체 반응기, 분리, 재순환, 유틸리티, 폐기물 처리 및 환경 비용을 최소화하는 지점입니다.

과도한 퍼지는 유용한 물질을 낭비합니다

대량 퍼지는 불순물과 고형물의 축적을 제어하지만 미반응 기질, 제품 함유 액체 및 바이오매스를 제거할 수 있습니다. 퍼지가 지나치게 적으면 불활성 고형물이나 억제 화합물이 축적될 수 있습니다.

퍼지율은 총 유량만이 아니라 성분별 물질수지와 허용 가능한 불순물 농도를 기준으로 설정해야 합니다.

일반적인 모델링 오류

단일 통과 전환율과 전체 전환율 혼동

단일 통과 전환율은 한 번의 반응기 통과 동안 반응하는 물질의 비율을 나타냅니다. 전체 전환율은 모든 재순환 및 퍼지 스트림을 포함한 후 신선 원료가 어떻게 처리되는지를 나타냅니다.

한 값을 다른 값으로 보고하면 낮은 전환율의 반응기가 비효율적으로 보이거나 재순환 루프가 실제보다 더 효과적인 것처럼 보일 수 있습니다.

총 물질만으로 물질수지를 계산하기

기질, 제품 또는 바이오매스 물질수지가 잘못되어도 총 물질수지는 성립할 수 있습니다. 제품 손실, 미반응 고형물 축적 및 잘못된 분리기 가정을 파악하려면 성분별 물질수지가 필요합니다.

분리기 회수 한계를 무시하기

모든 미반응 고형물이나 용해성 제품이 완벽하게 회수된다고 가정하면 퍼지 손실은 과소평가되고 전체 전환율은 과대평가됩니다. 파일럿 규모의 여과 성능에는 현실적인 회수율, 수분 보유량 및 동반 유출값이 포함되어야 합니다.

재순환을 신선 원료로 취급하기

재순환은 전체 공정 경계로 새롭게 유입되는 물질이 아닙니다. 이를 신선 원료로 계산하면 처리량이 부풀려지고 수율, 전환율 및 장비 크기 계산이 왜곡될 수 있습니다.

목표에 맞는 선택

적절한 전환율 목표는 파일럿 플랜트에서 무엇을 검증하거나 최적화하려는지에 따라 달라집니다.

• 주요 초점이 기질 이용률인 경우: 신중하게 설계된 재순환 루프와 함께 낮은 전환율을 사용한 다음, 신선 원료 기준 전체 전환율과 퍼지로 손실되는 기질을 평가합니다.
• 주요 초점이 제품 회수인 경우: 필터 케이크에 보유된 액체를 추적하고 제품 함유 퍼지 손실을 최소화합니다. 이를 위해 탈수 또는 세척 성능 개선이 필요할 수 있습니다.
• 주요 초점이 장비 크기 산정인 경우: 단순히 신선 원료 유량이 아니라 예상되는 최대 내부 재순환 유량을 기준으로 반응기, 필터, 펌프 및 배관을 설계합니다.
• 주요 초점이 공정 경제성인 경우: 추가적인 반응기 전환 비용과 재순환, 분리, 펌핑, 퍼지 및 폐기물 처리 비용을 비교합니다.
• 주요 초점이 바이오매스 생산성인 경우: 세포 재순환을 고려하여 반응기 바이오매스 농도를 높이되, 분리기가 필요한 세포 보유 성능을 유지할 수 있는지 확인합니다.

엄격한 성분별 물질수지는 전환율 변화가 실제로 공정을 개선하는지, 아니면 물질과 비용을 반응기에서 재순환 및 분리 시스템으로 단순히 이동시키는지를 보여줍니다.

요약 표:

파일럿 플랜트 물질수지 최적화

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당사의 파일럿 플랜트는 현실적인 운전 조건에서 발효 전환, 세포 또는 고형물 재순환, 슬러리 여과, 제품 회수, 성분별 물질수지 및 정상 상태 공정 제어를 시험할 수 있도록 지원합니다. 장비 선정, 공정 시연, 운전자 교육 및 응용 중심 개발을 지원하여 반응기 성능, 분리 용량, 제품 수율 및 운전 비용 간의 적절한 균형을 찾을 수 있도록 도와드립니다.

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