추출(extraction)
1. 정의
1) 고체 또는 액체 형태의 원료 중에 함유된 가용성 성분(추질)을 용매(추제)로 용해하여
추질(solute)을 선택적으로 분리하는 조작
2) 추료(feed) : 추제에 가용성인 추질과 불용성인 기타성분으로 구성된 혼합물
2. 원리
1) 추료 중에 있는 성분들이 추제에 대한 용해도에서 차이가 있는 것을 이용
2) 추료에 추제를 가하면 물질전달 현상에 의해 추질이 추제에 용해
3) 추료는 추질을 상당량 상실하고 추잔상(raffinate)을 형성
4) 추제는 상당량의 추질을 용해하여 추출상(extract)을 형성
3. 추제의 조건
1) 선택도(selectivity)가 커야 한다
2) 회수가 용이해야 한다
3) 값이 저렴하고 화학적으로 안정하고 제품에 영향을 미치지 않아야 한다
4) 비점 및 응고점이 낮으며 증발잠열과 비열이 작어야 한다
5) 부식성과 유독성이 작아야 한다
6) 추질과의 비중차가 클수록 좋다
4. 분류
1) 액-액 추출(liquid-liquid extraction) : 원료가 액체인 경우
2) 고-액 추출(leaching) : 원료가 고체인 경우
5. 액-액 추출장치
1) 외부의 기계적 에너지를 가해 두 상(phase)을 잘 접촉시켜 물질 전달속도를 증가시켜
액체 추출을 원활하게 하는 장치
2) 구분
① 회분식 추출장치
추료와 추제를 교반조에 넣고 일정시간 심하게 교반한 후 교반기를 정지시켜 중력에 의한 경계층을 만들고
탱크측면의 유리관찰창을 통해 관측하면서 추잔물을 분리·배출
② 연속식 추출장치
추질과 추제가 1회 이상의 접촉이 요구되는 경우 또는 추료의 양이 많은 경우 연속식을 사용
6. 연속식 추출장치의 종류
1) 혼합침강기(mixer-settler)
① 혼합기와 침강기가 따로 분리되어 있는 추출장치
② 혼합기 : 보통 기계적 교반기를 이용하거나 노즐 또는 관을 통해
한 액체 또는 두 액체를 pumping하여 혼합
③ 침강기 : 중력에 의한 상(phase)분리 진행
④ 혼합침강기는 일반적으로 물질전달 효율이 높기 때문에
평형단 분석법만으로 신뢰성 높은 장치의 설계가 가능
⑤ 혼합침강기는 다른 연속 추출장치보다 더 복잡한 편이며 상대적으로 많은 공간 차지
2) 분무추출탑(spray extraction tower)
① 가장 간단한 장치이며 분산상의 작은 방울 형태로 연속상(continuous phase)에 분무
② 두 상(phase) 사이에는 연속적으로 물질 전달이 일어나며
각 상의 조성은 탑 내를 흐르는 동안 변화 됨
③ 분무 추출탑 장치는 연속상에서 역혼합(back mixing)이 심하게 발생하면 추출효율이 저하 됨
3) 충전추출탑(packed extraction tower)
① 분무 추출탑에 ring이나 saddle형의 충전물을 채우면 액체 방울들이 재분산 되어 추출효율 증가
② 충전추출탑은 분무추출탑만큼 간단한 장치이며 큰 비용을 들이지 않고 부식이나 압력손실 문제를 해결 가능
③ 충전 추출탑의 최대 단점은 고형 물질이 충전물 사이에 모여 편류(channeling)가 발생
4) 다공판탑(perforated plate tower)
① 분무탑의 단점을 해결한 것으로 분산상이 다공판을 통해 모이게 되고
이 분산상의 액체는 다공판에 의해 재분산
② 역혼합을 감소시키기에 효과적
③ 고체가 현탁된 용액의 처리가 가능하며 유화(emulsify)되기 쉬운 액체에 유용한 장치
5) 교반탑추출기(agitated tower extractor)
① 교반탑 추출기는 중력을 이용하여 두 액상을 혼합하거나
turbine 또는 교반기로 기계적 에너지를 공급하기도 함
② 대부분의 추출은 혼합 부분에서 발생
③ 부식성 액체는 사용 불가
6) 맥동탑(pulsed tower)
① 왕복pump가 작은 진폭의 빠른 운동을 함으로써 전체 내용물에 맥동을 발생시켜 교반
② 충전탑에서 맥동은 액체를 확산시키고 편류현상을 없애며 액상 사이의 활발한 접촉을 유도
7) 원심추출기 (centrifugal extractor)
① 금속통속의 횡축에 설치된 속이 비어 있는 나선형의 리본과 벽면 사이의 통로를 따라
액체가 서로 반대 방향으로 흐른면서 혼합
② 원심 추출기는 가격이 비싸 사용이 제한되는 단점
③ 적은 공간에서 접촉단 효율이 높아 체류시간이 짧다는 장점
④ Vitamin이나 항생물질 등의 민감한 물질의 추출에 유용
7. 액-액 추출시 추출속도 증가 방법
1) 추질이 추료로부터 용해되는 과정은 추질의 물질전달현상이므로
추질과 추제의 접촉면적 증가시켜야 한다
2) 추질과 추제의 접촉면적 증가 방법
① 교반시켜 액체 입적의 크기를 작게한다
② 접촉을 용이하게 하는 충진탑 이용
8. 고-액 추출 (침출)
1) 추출 단계
① 1단계 : 추제가 고체 속으로 침투하여 가용성 성분을 용해
② 2단계 : 추질이 농도차에 의해 고체 내부에서 표면으로 확산
③ 3단계 : 고체표면의 얇은 막을 통해 추제가 확산
2) 추출속도 영향을 미치는 요인
① 입자의 크기
a. 입자의 크기가 작으면 추제와의 접촉면적이 커져서 추출속도 증가
b. 입자의 크기가 너무 작으면 추제의 이동 통로를 막아 순환이 방해되고
여과 시 여과막을 막아 작업효율성 저하
②추제의 점도
추제의 점도가 낮으면 순환이 잘 되어 수출속도 증가
③ 추출온도가 높을수록, 추제의 유속이 빠를수록 유리
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