분야
hwp2. 이 론
2.1. 회분반응기(Batch)
2.2 반회분 반응기(Semi-Batch)
2.3 연속반응기(Continuous reactor)
2.4 CSTR과 PFR을 비교분석
3. 반응기 설계
3.1. Unrecycle
3.2 Recycle
4. 경제성 평가
2012년 요소설계 과제
최근 들어 에너지 부족과 환경오염 문제로 인해 생분해성 무독성 바이오디젤(biodiesel) 연료에 관한 관심이 증가하고 있다. 바이오디젤은 종래의 디젤 연료에 비해 기체 오염물질의 방출이 훨씬 낮은 것으로 알려져 있다. 바이오 디젤은 간단한 alkyl ester로 구성되어 있다. 2001년 미국에서 1년 동안 생산된 바이오디젤은 57~76백만 리터에 달하고 있으며, 유럽에서는 이보다 10배 더 많은 양이 생산되고 있다. 그러나 2003년을 기준으로 보면 디젤은 USD 0.35/liter인데 반해 바이오 디젤은 USD 0.5/liter로 상당히 비싸기 때문에 대량생산기술의 확보가 절설히 요구되고 있다. Chlorella protothecoide는 미세조류(microalga)로써, 다양한 배양조건하에서 배양할 수 있는 미생물이다. 앞으로 바이오디젤에 관한 생산기술개발과 활용성은 더욱 높아질 것으로 예상되고 있다. 신재생 에너지를 생산하는 귀하가 근무하는 기업에서 포도당(glucose)를 기질로 활용하여 Chlorella protothecoides를 배양하여 바이오디젤 생산하기 위한 생물반응기를 설계하고자 한다. 반응기로 공급하는 포도당의 농도는 10g/L을 멸균하여 100L/h 속도로 공급하는 것을 기준으로 제시되었다. 바이오디젤 제조시, 배양한 세포를 활용하는데, 반응기로부터 수확한 세포의 양을 생성물(product)로 간주하도록 한다. 아래의 정보를 활용하여 반응기를 설계하고, 포도당의 농도, 공급속도, 그리고 최적의 생산량에 관한 설계결과를 제시하시오.
Data : 현재 사용하고 있는 Streptococcus lactis와 관련된 정보는 아래와 같습니다.
2. 이 론
반응장치라고도 하는 반응기는 반응을 자유롭게 제어할 수 있게 만들어져 있다. 조작방식에 따라 회분식, 유통식, 반회분식으로 분류된다. 회분식은 한 번 원료를 넣으면, 목적을 달성할 때가지 반응을 계속하는 방식이고, 유통식은 계속해서 원료를 공급하고, 제품을 끌어내는 방식이다. 또, 반회분식은 처음에 원료를 넣고 반응이 진행됨에 따라 다른 원료를 첨가하는 방법이다.
어떤 방식을 택하는가는 제품의 생산량, 균일성, 화학반응의 성질, 장치의 제어성 등의 조건으로 결정되지만, 근대적 화학공업에서는 유통식을 채택하는 경우가 많다. 가장 일반적으로 사용되는 액체상반응의 경우 실험실에서 사용되는 것으로는 플라스크·비커 등의 반응용기, 교반기, 가열 또는 냉각기, 시료도입기 등이 있다.
반응기의 종류와 특징에 대해 자세히 알아보면 다음과 같다.
2.1 회분반응기(Batch Reactor)
회분 반응기는 소규모 운전이나 완전히 개발되지 않은 새로운 공정의 시험, 고가의 생성물 제조, 그리고 연속 조작으로 전환하기가 용이하지 않은 공정들에 대해 사용된다.
반응물을 반응기에 장시간 놓아 둘 수 있음으로 해서 높은 전화율을 얻을 수 있다는 장점이 있고, 단점은 한번 반응 완료 후 세척이나 준비를 위해 휴지기간을 가지기 때문에 단위 생산량 당 인건비가 비싸고 대규모 생산이 어렵다는 것이다.
2.2 반회분 반응기(Semi-batch)
반응기에 반응물질의 한 성분을 넣고 다른 성분을 연속적으로 넣어 반응을 진행시켜 반응 종료 후 전체 내용물을 꺼내는 형식의 반응기나 또는 최초에 전 반응 성분을 넣고, 반응에 의해 생기는 생성물의 하나를 연속적으로 꺼내고 반응 종료 후 반응기내의 내용물을 꺼내는 형식의 반응기이다.
회분반응기와 같은 단점을 지니고 있지만 온도 조절이 용이하다는 장점과 반응물 중의 성분의 농도를 낮게 유지함으로써 원하지 않는 부반응을 최소화시킬 수 있는 특징을 지니고 있다.
액-액 반응이나, 기-액 반응 등에 주로 이용되며 기체가 액체내부에서 분사되는 방식을 통해 이루어지는 2상 반응에서도 사용된다.
