발효 공정을 거친 미생물 발효액에는 목표 성분뿐만 아니라 다양한 불순물, 미생물 잔사, 그리고 수분이 함께 포함되어 있습니다. 이러한 혼합물에서 목표 성분의 농도를 높이고 부피를 줄이는 단계가 바로 농축 공정입니다. 농축은 후속 정제 단계의 효율을 극대화하는 중요한 과정이므로, 공정 설계와 조건 최적화가 필수적입니다.
농축 공정의 목적
1. 목표 성분의 농도 증가: 수분 제거를 통해 목표 물질을 더 높은 농도로 집중시킵니다.
2. 부피 감소: 처리해야 할 물질의 양이 줄어들어 후속 공정 비용과 시간을 절감합니다.
3. 정제 효율 개선: 농축된 상태로 정제에 들어가면 공정 속도와 순도 향상을 기대할 수 있습니다.
주요 농축 방법
1. 증발 농축
원리: 열을 가해 수분을 증발시킴으로써 농축을 진행합니다.
진행 방식: 주로 진공 상태에서 이루어지기 때문에 끓는점이 낮아져 열 민감성 성분의 열 분해를 최소화할 수 있습니다.
특징: 다중효용 증발기, 진공 증발기 등을 활용하며 대량의 발효액 농축에 적합합니다.
장점: 빠른 농축과 대량 처리 가능.
단점: 에너지 소모가 상대적으로 크며, 열에 매우 약한 성분에는 한계가 있을 수 있습니다.
2. 막 농축
원리: 한외여과(UF) 또는 **역삼투압(RO)**과 같은 막 기술을 이용해 수분을 선택적으로 제거합니다.
특징: 열을 사용하지 않으므로 에너지 효율적이며, 온도 의존성이 낮아 열에 약한 성분의 농축에 적합합니다.
장점: 물리적 여과를 통해 목표 성분의 손실이 적고 에너지 절감 효과가 큽니다.
단점: 막 오염(fouling) 문제가 발생할 수 있어 주기적인 유지 보수가 필요합니다.
농축 공정 시 주의할 점
1. 목표 성분의 손실 최소화: 공정 조건(온도, 압력 등)을 최적화하여 목표 물질의 손실을 방지합니다.
2. 물질 안정성 유지: 열 분해나 물리적 손상을 방지하기 위해 민감한 성분에 맞는 공정 설계를 적용합니다.
3. 에너지 효율 관리: 증발 농축의 에너지 소비를 줄이기 위해 다중효용 시스템이나 재압축 기술을 도입하는 것이 중요합니다.
에너지 효율 관리 최적화 방법
다중효용 증발기와 진공 증발기의 에너지 효율을 개선하는 방법은 다음과 같이 구체적으로 접근할 수 있습니다.
1. 열 재압축 기술 (Thermal Vapor Recompression, TVR)
원리: 증발 공정에서 발생하는 일부 증기를 압축하여 온도를 높인 후 열원으로 재사용하는 기술.
효과: 추가 열원(증기) 투입을 줄여 에너지 절약 가능.
활용: 다중효용 증발기와 진공 증발기에 모두 적용 가능.
이점: 단순한 구조와 낮은 운전 비용으로 에너지 절감 효과를 기대할 수 있음.
2. 기계적 재압축 기술 (Mechanical Vapor Recompression, MVR)
원리: 압축기를 이용해 발생 증기를 기계적으로 압축시켜 재사용하는 방식.
효과: 외부 증기의 필요성을 크게 줄이며, 에너지 효율이 극대화됨.
활용: 진공 증발기와 다중효용 증발기에 적용 가능.
이점: 초기 설치 비용은 높지만 장기적으로 운영비를 절감할 수 있음.
3. 단열 설계 최적화
원리: 증발기 표면과 배관에서 발생하는 열 손실을 최소화하기 위해 고성능 단열재를 사용.
효과: 시스템 내 열에너지를 최대한 보존하여 효율을 높임.
활용: 모든 증발기 시스템에 적용 가능.
이점: 초기 비용이 낮고 유지보수도 쉬움.
4. 공정 통합 및 폐열 회수
원리: 공정 중 발생하는 폐열을 회수하여 다른 공정의 열원으로 재활용. 예를 들어, 다른 단의 예열 공정에 활용.
효과: 다중효용 증발기의 각 단 사이에 에너지를 순환시켜 효율 극대화.
활용: 에너지 집약적 대형 공정에 유리.
이점: 기존 시스템에 추가 장치만으로 효율을 높일 수 있음.
5. 공정 최적화 및 제어 시스템 도입
원리: 최적의 온도, 압력, 증기 흐름을 자동 제어 시스템으로 정밀하게 조절하여 불필요한 에너지 낭비를 방지.
효과: 시스템 운영 조건을 실시간 최적화함으로써 효율 개선.
활용: PLC, SCADA 시스템 등을 도입해 증발기 운전 모니터링.
이점: 정확한 제어로 에너지 손실을 최소화하고 생산성을 높임.
열 재압축(TVR)과 기계적 재압축(MVR)의 경제성 비교
1. 초기 투자 비용
TVR: 시스템이 상대적으로 단순하고 증기 분사기를 주로 사용하므로 초기 투자 비용이 낮습니다.
MVR: 압축기 및 보조 장치(전동 모터 등)가 필요하므로 초기 설치 비용이 높습니다.
2. 운영 비용
TVR: 증기(열원)를 부분적으로 사용해야 하므로 지속적인 연료비나 증기 비용이 발생합니다.
MVR: 전기 모터를 이용한 압축기 운영이 필요하지만 증기 사용량을 획기적으로 줄일 수 있어 에너지 비용이 더 낮습니다.
3. 에너지 절감 효과
TVR: 에너지 절감률이 20~30% 수준으로 제한적입니다. 다중효용 증발기와 병행하면 효율은 더 좋아지지만 증기 의존성은 여전히 존재합니다.
MVR: 에너지 절감률이 **80~90%**에 달해 매우 효율적이며, 증기 사용이 거의 필요하지 않습니다.
4. 유지 보수
TVR: 구조가 단순하여 유지 보수가 용이하고 비용도 낮습니다.
MVR: 압축기와 같은 기계 부품이 많아 정기적인 유지 보수와 기술적 관리가 필요합니다.
5. 적용 대상
TVR: 소규모 또는 중간 규모 공정에서 비용 대비 효율이 높습니다.
MVR: 에너지 절감 효과가 극대화되므로 대규모 장기 운영 공정에 적합합니다.
결론:
장기적으로 보면 MVR이 에너지 절감률이 높아 운영 비용이 크게 절감되기 때문에 대규모 공정이나 장기 운영 시스템에서는 경제적입니다. 반면, 소규모 공정이나 초기 투자 여력이 부족한 경우에는 TVR이 보다 경제적입니다.
MVR과 TVR의 초기 투자 비용 대비 회수 기간(ROI)의 공정 규모별 차이
MVR(기계적 재압축)과 TVR(열 재압축)의 **초기 투자 비용 대비 회수 기간(ROI)**은 공정 규모와 운영 조건에 따라 크게 달라집니다. 이를 공정 규모별로 분석하면 다음과 같습니다
1. 소규모 공정
특징: 초기 생산량이 적고 에너지 소비도 상대적으로 낮습니다.
TVR의 ROI
TVR은 초기 투자 비용이 상대적으로 낮고 단순 구조로 유지 비용도 적게 듭니다.
에너지 절감 효과는 제한적이지만 소규모 공정에서는 충분한 경제성을 갖출 수 있습니다.
ROI: 1~3년 내에 투자비 회수가 가능함.
MVR의 ROI
MVR은 초기 설치 비용이 높아 소규모 공정에서는 투자 대비 효과가 크지 않을 수 있습니다.
에너지 절감율이 높아 장기적으로는 이득이지만, 작은 규모에서는 회수 기간이 길어집니다.
ROI: 최소 5년 이상 소요될 수 있음.
결론: 소규모 공정에서는 TVR이 경제적이며 빠른 회수 기간을 기대할 수 있습니다.
2. 중규모 공정
특징: 에너지 소비량이 증가하고 일정 규모의 제품 생산이 유지됩니다.
TVR의 ROI
초기 비용과 운영비가 적절한 균형을 이루며 효율적인 운전이 가능합니다.
다중효용 증발기와 함께 적용 시 ROI가 단축될 수 있습니다.
ROI: 2~4년 정도로 예상됩니다.
MVR의 ROI
초기 비용은 여전히 높지만, 중규모 이상의 공정에서는 절감되는 에너지 비용이 누적되면서 점차 효과를 발휘합니다.
ROI: 3~5년 내에 회수될 가능성이 높습니다.
결론: 중규모 공정에서는 MVR과 TVR 모두 경쟁력이 있지만, 에너지 비용 절감이 중요한 경우 MVR이 더 유리합니다.
3. 대규모 공정
특징: 에너지 사용량이 매우 크며 장기적인 운영 비용이 중요합니다.
TVR의 ROI
초기 투자 비용이 낮지만 에너지 절감율이 한정적입니다.
대규모 공정에서는 증기 소비량이 많아 장기적으로 운영비 부담이 커질 수 있습니다.
ROI: 4~6년 이상 소요될 수 있음.
MVR의 ROI
초기 투자 비용은 높지만 에너지 절감률이 80~90%에 이르므로 대규모 공정에서는 운영비 절감 효과가 매우 큽니다.
ROI: 2~4년 내 회수가 가능하며 이후에는 막대한 비용 절감 효과를 제공합니다.
결론: 대규모 공정에서는 MVR이 초기 비용 대비 ROI가 압도적으로 빠르며, 장기적으로 경제적입니다.
