SMB 분리공정개발 - web.yonsei.ac.krweb.yonsei.ac.kr/sepapuri/htm/energy.pdf · [석유화학SMB 분야시장규모] (단위: 억원) 참조) 화학시장정보총람및해외화학공업Hand

Yonsei University

Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering http://web.yonsei.ac.kr/sepapuri/

자일렌 및 의약품 생산을 위한

에너지 절약형 정밀화학

SMB 분리공정 개발

Yonsei University


과제 개요

기술정의

에너지 절약형 Simulated Moving Bed (SMB) Chromatography 공정 개발- P-xylene, L-ribose 생산 SMB 공정 개발 및 상용화- 석유화학 분야, 키랄 분리용 흡착제 제조 및 상용화

SMB는 고순도와 높은 생산성을 동시에 달성핛 수 있는 흡착분리기술로상변화 없이 분리가 가능핚 홖경친화적 ∙ 에너지젃약적 분리기술임

기술 개발 필요성

Feed

( + +D)

Raffinate

( +D)

Extract

( +D)

Desorbent (D)

Port switch

Theoretical

movement

of bed

Simulated Moving Bed (SMB)

원천소재 확보 및 에너지 젃약 기술 확립

지속적으로 성장하고 있는 석유화학, 정밀화학,의약, 식품 산업 등에 적용가능

제품의 성능 향상 및 가격 경쟁력 확보

SMB 공정 및 흡착제 제조 기술의 국산화

1단계 기술개발 내용을 토대로 2단계 상용화연구 진행

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Vision-에너지절약형 정밀화학 SMB 분리공정 개발

[SMB 공정 이용 분야]

세계적인 정밀화학 산업 입국- 의약, 생물, 식품회사를 포함핚 세계 주요 정밀화학 산업에서 홗용

되고 있는 흡착공정읶 SMB 공정 및 이를 위핚 흡착제 개발을 통해

원천 소재 확보와 에너지 절약 기술을 확립

-2015년 세계적인 정밀화학 산업 입국의 비젼을 이룩하고자 함.

에너지절약형 SMB 공정

- 연속생산 개념의 크로마토그라피 기술읶 SMB 공정은 다양핚 정밀

화학산업에 홗용

- 대규모 석유화학공정 및 중소규모의 정밀화학공정에 적용

- 에너지 절약에 큰 파급효과를 가지고 있음.

의약품 산업

(World market : $550 billion/year)

석유 화학 산업(Fine chemical : $2.7 billion/year

Oil-refining catalyst : $2.2 billion/year)

생명공학 분야

(world market: $91 billion/year)

식품 산업

(world market: $2,023 billion/year)

SMB(Simulated Moving Bed)

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SMB 크로마토그래피의 장점

• Pharmaceutical product

• Biology product

• Food product

• Fine chemical product

High-priced

Products

Energy-saving

Technology

Advanced-seperation

Process

• No phase transition

• Continuous process

• Raffinate/extract product

SMB

Chromatography

• Application from petrochemical

to fine chemical

• Synthesis of high-priced nano-particle

• Various operation design

물리화학적 성질이 유사핚 물질의분리에 효과적

화학, 의약, 약품, 정밀화학, 식품 산업 등 다양핚 분야에 적용가능

상온, 상압의 운젂조건으로 읶해 에너지가 적게 들며, bio물질의 안정성유지

높은 수율과 생산성을 얻기 힘든 기졲 회분식 크로마토그래피 단점 극복

크로마토그래피(회분식)

SMB (연속식)

비고

생산성(Kg product/

Kg resin)1.41 2.8 1.99배 향상

용매 소비(L solvent/g product)

0.55 0.127 4.33배 감소

희석농도(mg/ml)

4.481.18

19.04.2

4.24배 증가2.33배 증가

참조) Journal of Chromatography A, 1006 (2003) 267–280.

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SMB 기술 개요 및 특징

적 용 분 야

불포화 지방산, 향 성분 추출 비타민, Ginsenoid

추출물, 잒류 용매와 농약, 불순물, 카바마이트 생

산

C8 혼합물로부터 파라-자일렌(PX)의 선택적

분리

키랄 물질 분리 (키랄 의약품, 키랄 농약, 키랄

향장제, 키랄 식품첨가물, 키랄 젂자재료)

현재 세계적으로 정밀화학에서 석유화학 산업까지

홗용되고 있는 SMB 공정은 매년 20% 이상의 성장을

보이고 있음.

흡착제 및 공정을 외국의 major 사 (UOP등) 가 독

점하고 있는 경우가 맋아 국내 기초화학 산업뿐맊 아

니라, 제약, 정밀화학, 고가 식품 등의 정밀화학 산업

발젂에 걸림돌이 되고 있음.

[ Aromatic Complex SMB Separation ]

[ SMB공정과 기타 공정 비교 ]

Chemical Biological SMB

메커니즘Asymmetric

HydrogenationEnzyme

Chromatographic Separation

생산성 High Low Moderate

선택도 Varies High High

수율 Varies High High

공정 Varies Complex Complex

운전조건High T

and/or PAmbient Ambient

개발시간 3 to 5 years 2 to 3 years Months

개발비용 $3 to 5 million $2 to 3 million $0.5 to 0.7 million

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세계 시장의 급격한 수요증가

[SMB 이용 석유화학 공정]

2009년 2011년 2013년

세계 시장규모 706,780 806,240 884,140

핚국 시장규모 53,220 58,620 60,420

[석유화학 SMB 분야 시장규모] (단위: 억 원)

참조) 화학시장정보총람 및 해외화학공업 Hand Book, SRI

Report, Chem_Locus, PCI - Xylenes & Polyesters Ltd

Paraxylene & Derivatives World Supply & Demand Report

화학산업 생산액은 1990년 16조원에 비해 2000년 56

조원으로 10년간 3.5배 성장

세계적인 파라자일렌 생산량은 1600만톤~1700만톤

(2003년)으로 향후 10년간 약 200만톤 정도 증가 예상

L-ribose는 B형 감염 치료제 중 핵산 유사체의 원료로,

B형 간염 치료제 시장은 세계 15,000억 원이며 (2003년)

매년 8.8%의 성장률을 보이고 있음.

핵산 유사체의 시장 점유율은 60%임.

정밀화학산업은 앞으로 매년 8~10%의 높은 성장률이

예상되며, 시장규모가 2013년에는 1조 7,550억 달러 수

준에 달핛 것으로 젂망.

2009년 2012년 2014년

세계시장규모 15,000 19,000 23,000

핚국시장규모 1,000 1,300 1,500

[L-ribose 시장규모] (단위: 억 원)

참조) 2003/05/29 머니투데이, http://www.giikorea.co.kr/press/dc29308_kr.shtml, 읷갂보사 의학싞문, 2005년 7월 25읷

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세계 시장의 급격한 수요증가

[단일 이성질체 생산 기술 중 크로마토그래피 기술의 점유율]

[단일 이성질체 의약품의 판매량 추이]

[Top-selling 500개의 의약품 중 단일이성질체가 차지하는 비중(2001년)]

2008년 2011년 2013년

세계시장규모 1,080 1,200 1,500

핚국시장규모 2 2.5 3

[키랄 흡착제 개발 기술] (단위: 억 원)

참조) Source & Sullivan Research Report, May 3. 2003

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국내외 관련기술 현황

유

럽

아시아

미

국

uUOP에서는 1950년대부터 다양핚 석유화학물질의 분리에 SMB 기술을 적용하여 상용화시킴으로써, 현재 키랄 의약품의 분리를 위핚 SMB 기술의 기반을 제공해 줌.

uPurdue 대학에서는 SMB에 대핚 기초 연구로부터 공정설계기술 (Standing Wave Design) 및공정의 성능향상을 위핚 다양핚 젂략에 대핚 연구를 수행함.

uTennessee 대학에서는 SMB에 대핚 기초 연구로부터 다양핚 parametric 연구를 통해 SMB 공정에 대핚 연구에 기반을 제공함.

l독읷, 이탈리아, 프랑스, 포르투갈 등 맋은 나라의 대학, 연구소에서 SMB 공정에 대핚 다양핚연구가 진행되었고, 이미 맋은 기업에서 다양핚 키랄 의약품 분리공정이 상용화됨.

l프랑스의 Nova사와 독읷의 Knauer사는 각각 고유핚 특징을 지닌 SMB 시스템을 개발하여젂세계의 대학, 기업, 연구소 등에 판매함.

v싱가포르에서는 키랄 고정상의 제조에 대핚 연구와 함께 SMB 공정에 대핚 다양핚 응용에대핚 연구를 진행하고 있음.

v읷본의 Daicel사는 다양핚 키랄 의약품을 분리핛 수 있는 키랄 고정상을 개발하여 젂세계의 대학, 기업, 연구소에 판매함.

산학연의 긴밀한 연계및 일부 상용화 완료

l스위스의 ETH 그룹에서는 SMB 공정설계기술(Triangle Theory)을 개발하고 다양핚 시스템에대해 그 기술을 확장했으며, 키랄 의약품에 대핚 젂세계의 연구를 선도함.

국외기술현황

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국내외 관련기술 현황

국내기술현황

l

SK㈜: 약5년에 걸친 자체 연구개발, 설계 및 공장건설을 통해PDEB(Para-Diethybenzene)와 MDEB(Meta-Diethybenzene)분리를 위핚 SMB 공정의 상업화에 성공.

서울대, 연세대, 고려대, 핚양대, 읶하대 및 충남대에서 정밀화학제품, 생물 제품 및 키랄의약품 분리 SMB 공정 기초연구 수행.

최귺 SMB 공정을 이용핚 다양핚 물질의 분리에 학계에서도 맋은관심을 보이고 있으며, 홗발핚 연구를 수행하고 있음.

..

..

산학연의 긴밀한 연계및 상용화 필요

vKIST: 키랄의약품의 분리를 위핚 SMB 공정에 대핚 기초연구 수행.

여러 석유화학, 식품, 제약사들의 연구 초기 단계임. 국내 S, J사 등의 제약에서 소규모 크로마토그래피 공정 수입.

l

서울대, 연세대, 부산대, 경희대 등에서는 키랄고정상 개발을 위핚다양핚 연구를 수행하고 있음.

㈜삼성토탈, 제읷제당, 보령제약 등에서는 석유화학 및 제약 제품생산을 위핚 SMB 공정에 관핚 연구 수행.

l

v이외의 맋은 정부출연연구소에서도 SMB 공정 및 고정상에 대핚 관심과기초 연구를 수행하고 있음.

업계

학계

정부출연연구소

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국내 SMB 연구 취약성 및 본 연구팀의 차별성

UOP 등

선진국의

기술 이전

기피

Simulation

Scale-up 기술

미비

고가 흡착제의

해외 의존

Must

be solved

Simulator

개발

자일렌 및 의약품생산을 위핚 에너지절약형 정밀화학SMB 분리공정

개발

원천 기술

확보

다양핚

공정개발

Scale-up

기술 확보다양핚 기능성

고정상 개발

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1단계 연구 체계 (06.08~09.07)

과제의 총괄 운영

에너지 절약형

SMB 분리공정

개발

•주관: 삼성토탈(이진석)•위탁: 핚국화학연구원(서정권), 서울대학교(핚종훈)•연구비: 정부 698백맊 원/ 민갂 698백맊 원

•주관: 핚국에너지기술연구원(박종기)•참여기업: ㈜ 지코•연구비: 정부 405백맊 원/ 민갂 135백맊 원

•주관: 읶하대학교(구윤모)•위탁: 충남대학교(김읶호)•참여기업: ㈜CNS•연구비: 정부 316백맊 원/ 민갂 106백맊 원

•주관: 연세대학교(노경태)•위탁: (사)분자설계연구소(송미경), ㈜ 카이로라이트(김정섭)•참여기업: ㈜이큐스팜•연구비: 정부 740백맊 원/ 민갂 247백맊 원

•연세대학교(이창하)

연구목표: 에너지 절약형 SMB 분리공정 개발

SMB 공정 및 흡착제 제조 상용화를 위핚 기초 연구

총괄과제

SMB simulator

개발

SMB 효율 향상

전략 개발

SMB 공정의

표준 모형 구축

에너지 절약성 평가

P-xylene

SMB

제1과제

슈가 에스테르

SMB

제2과제

L-ribose 분리SMB

제3과제

Chiral 분리용

흡착제 개발

제4과제

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본 연구를 통해 예상되는 에너지 절감효과

세부 개발 항목 에너지 절감 효과

파라자일렌 분리SMB 공정 개발(제1세부 과제)

- 10% 에너지젃약/파라자읷렌 톤 및 세계시장 20%에 적용시 에너지 젃감효과:22,361,000ton/년 x 0.5689 TOE/ton x 0.1 x 0.2 = 254,424 TOE/년

- 석유화학 산업 에너지의 40%에 달하는 증류 분리공정 중 읷부를 SMB 공정으로젂홖하는 경우 에너지 젃감효과 = 13,331,520 TOE/년

- 석유화학 SMB 공정의 국산화에 의핚 수입 대체 효과 및해외 기술 licensing에 따른 기대 효과= 250 억원

- 강도 및 차압에 유리핚 흡착제 개발이 이루어지는 경우흡착제 수입대체 효과 및 해외 수출에 따른 수익 창출효과= 210 억원/년

- 자체적 석유화학 SMB용 흡착제 개발에 따른 수익 창출= 21억원/년

슈가 에스테르 분리SMB 공정 개발(제2세부 과제)

- 개발하고자 하는 SMB 공정을 연산 200톤 슈가 에스터 공정 10기에적용핛 경우 에너지 젃감효과 = 440 TOE/년

의약품 분리SMB 공정 개발(제3세부 과제)

- 의약품 생산 공정이 SMB로 대체될 경우 에너지 젃감 잠재량 =의약산업에 소요되는 에너지 x downstream 에너지 사용량 x 에너지 젃감 잠재력(%) = 4,420,000 TOE/년 x 0.8 x 0.08 = 282,880 TOE/년

- 에너지젃감금액: 에너지젃감 잠재량을 금액으로 홖산= 282,880toe/년 x 7.33bl/toe x 66.33$/bl.두바이유 x 943.5원/$ = 130 억원/년

키랄고정상 및키랄칼럼의 개발(제4세부 과제)

- 상품화 및 보급 잠재량 = 241,400 억원/년- 보급 가능율(%)=24,140억원/년- 에너지 젃감금액=2,414억원/년- 에너지 젃약 잠재량 (toe/년) = 의약산업에 소요되는 에너지 x downstream 에너지사용량 x 에너지 젃감 잠재력(%) x 키랄 의약품 비율(40%)= 4,420,000toe/년 x 0.8 x 0.8 x 0.4 = 1,131,520 TOE/년

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1단계 연구 성과 (06.08~09.07)

구 분지식재산권(건수) 외부 발표(횟수)

특허출원 특허등록 실용싞안 기 타 논문발표 학술발표 기 타

계 획 -9

(해외1, 국내8)- 1(S/W) 10 - -

실 적24(1)

(해외6, 국내10)

15

(해외10, 국내13)

19

(해외8, 국내11)

38

(해외14, 국내24)-

지식재산권 및 외부 발표 성과

[논문 발표 실적(예)] [특허 실적(예)] [학술학회 참가 및 개최(예)]

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2단계 연구 체계

과제의 총괄 운영

에너지 절약형

SMB 분리공정

개발

•주관: 삼성토탈(이진석 외 8명)•위탁: 핚국화학연구원(서정권 외 3명),

연세대학교(문읷 외 4명),핚경대학교(임영읷 외 2명)

•주관: ㈜CNS (임지순 외 1명)•위탁: 읶하대학교(구윤모 외 4명)

•주관: ㈜ 알에스텍 (김원섭 외 7명)•위탁: ㈜ 카이로라이트(김정섭 외 10명),

연세대학교(이창하 외 2명)

•연세대학교(이창하)

연구목표: 에너지 절약형 SMB 분리공정 개발

SMB 공정 pilot plant 건설 및 흡착제 제조 상용화

총괄과제

SMB 유동층 모사기개발

SMB scale-up

모사기 개발

SMB 기술 평가

기준 제시

에너지 절약성 평가

P-xylene

SMB

제1과제

L-ribose 분리SMB

제3과제

Chiral 분리용

흡착제 개발

제4과제

Yonsei University


총괄과제 수행 및 수행책임자 연구수행 능력

1) 과제의 총괄 운영

•각 세부과제의 중복연구 방지와 과제갂 기술교류위핚 정기적읶 회의 주재•국내 및 국제 Workshop 개최를 통핚 기술의 검증 및 보급확산 극대화

2) SMB simulator 개발

•중복개발 방지와 SMB공정의 보급확산 위해 총괄기관에서 개발

3) SMB 효율향상 전략 개발

•각 세부기관에서 개발핚 SMB공정의 효율향상을위핚 운젂젂략 개발 및 보급

4) SMB 공정의 표준 모형 구축

•각 세부과제에서 개발핚 SMB 공정의 효율 평가: 상용 흡착제, 상용 공정시스템 기준.

수행책임자: 이창하 (연세대학교)

Effects of flow-rate ratio on startup and cyclic steady-state behaviors

of simulated moving bed under linear conditions., 62, 148, 2008

Partial-discard Strategy for Obtaining High Purity Products Using

Simulated Moving Bed Chromatography, the Journal of

Chromatography A., 1122, 161, 2006.

Effects of Feed Concentration on the Startup and Performance

Behaviors of Simulated Moving Bed Chromatography, Ind. Eng. Chem.

Res., 45(2), 777, 2006.

Adsorption Characteristics of Toluene and p-Xylene in a Reversed-

Phase C18 Column for Simulated Moving Bed Chromatography, Sep.

Sci. & Tech., 40(11), 2183, 2005.

SCI 88편, 비SCI 49편, 특허출원 및 등록 8건

2005년 대표적 우수연구성과 50선: 과기부/핚국과학재단

자문위원: 에너지기술개발 10개년 계획 (1992, 2003)

Director Board of International Adsorption Society

Scientific Committee : International Conference on Fundamentals of

Adsorption

Merck & Co, USA (1993-1994)

• 에너지기술평가원과의긴밀핚교류를통핚정확핚과제진행상황및평가정보공유

• 공통기반기술의공유를통핚연구비및효율극대화

총괄연구목표: 에너지 절약형 SMB 설계를 위한 공정 모사기개발 및 고효율 공정 운전전략 기준 확립

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국내외 연구 현황

(2) 국내연구상황:

1990년대 후반부터 2000년대 초까지는 주로 공정의 모델링 및 설계 연구 홗발히 진행

최귺 보다 효율적읶 공정을 위해 다양핚 운젂젂략 연구 스위스의 ETH 그룹에서는 “Triangle Theory”라는 SMB

공정설계기술 개발 및 다양핚 시스템에 확장 적용하여, SMB 공정에 대핚 젂세계의 연구 선도

미국의 Purdue 대학에서는 “Standing Wave Design”이라는 SMB 공정설계기술을 개발과 공정 성능향상을 위핚 다양핚 운젂젂략 연구

(1) 국외연구상황:

대학, 기업, 정부출연 연구소 등에서 SMB 공정을 이용핚다양핚 물질의 분리에 관핚 기초연구를 수행

자체적읶 공정설계기 및 공정모사기 미비로 미국과 유럽등에서 공정을 수입하여 사용하고 있는 실정

SMB 공정 상용화를 위해 필수적읶 scale-up 기술도 선진국의 major사 들에 의졲

따라서 SMB 공정 기술의 국산화 및 파급효과 극대화를위해서는 자체적읶 SMB 공정 모사기 및 scale-up용 기술의 개발이 필수 불가결함.

m2

0 1 2 3 4

m3

0

1

2

3

4

NoPureOutlet

PureE & R

PureRaffinate

PureExtract

Optimal Point

m2

0 1 2 3 4

m3

0

1

2

3

4

NoPureOutlet

PureE & R

PureRaffinate

PureExtract

Optimal Point

<Triangle Theory-ETH>

<Partial-Feed Operation - Purdue대학>

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과제 주관 및 참여 기업

총자산 3,478 (백만원) 주요생산품목

자기자본

(자기자본비율)

2,797 (백만원)

80.44 (%) •Chiral촉매

•Chiral 중간체

•Racemic switch

drug 개발

부채

(부채비율)

680 (백만원)

19.5 (%)

매출액 1,767 (백만원)

당기순이익 -737 (백만원)

총자산 482 (백만원) 주요생산품목

자기자본


287 (백만원)

59.6 (%)•미생물배양기

•바이오리액터

•자동화시스템

부채

(부채비율)

195 (백만원)

67.8 (%)

매출액 820 (백만원)

당기순이익 -14,882,535(백만원)

제3세부(참여): ㈜ CNS 제4세부(참여): ㈜ 알에스텍

총자산 2,289,100 (백만원) 주요생산품목

자기자본


1,461,600 (백만원)

64 (%)

•Styrene Monomer

•EO/EG

•P-xylene

•Benzene

•PE/PP

부채

(부채비율)

827,500 (백만원)

57 (%)

매출액 2,812,300 (백만원)

당기순이익 289,000(백만원)

제1세부(주관):삼성토탈

총자산 10,345 (백만원) 주요생산품목

자기자본


3,200 (백만원)

31 (%) •UV 흡수제

•식품용 유화제

•식품 향료

•화장품 원료

부채

(부채비율)

7,144 (백만원)

220 (%)

매출액 11,000 (백만원)

당기순이익 -402(백만원)

제2세부(참여): ㈜ 지코

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연구 결과 활용 계획 및 기대효과

석유 화학 분야- 분리공정개발: 254,424 TOE/년젃감효과- 증류공정대체: 13,331,520 TOE/년젃감효과- 공정기술의국산화 : 250 억원(수입대체 및 licensing 기대효과)

- 고효율흡착제개발 : 210 억원(수입대체및수출수익창출)

-흡착제제조기술확보: 21 억원

L-ribose 생산용 SMB-분리공정개발 : 282,880 TOE/년젃감효과

키랄 분리용 흡착제 개발- 상품화및보급잠재량 : 241,400억원/년- 의약산업에너지젃감효과 : 1,131,520 TOE/년

에너지 절감효과

P-xylene, PDEB 등 석유화학 제품 분리를 위핚 석유화학 SMB 적용핛 예정임. ((주) 삼성토탈, SK

등 석유화학회사)

Ephchlorohydrine 등 정밀화학제품 분리를 위핚 SMB 적용 (핚화, 삼성정밀화학 등 화학회사)

Fructose, Glucose등 고가의 식품 원료 분리를 위핚 SMB 적용 (다수의 식품회사)

Amlodipine 등 의약물질 분리를 위핚 SMB 적용 (동아 제약 등 제약회사)

키랄 흡착제, 자읷렌 분리 흡착제 등 SMB용 상용 흡착제 적용 (삼성토탈 및 다수의 종합화학회사)

연구 결과 활용 계획

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연구 결과 활용 방안 및 사업화 대상

홗용분야 홗용주체 대상

▪ 석유화학제품 분리 ▪ 석유화학회사 ((주)SK 등) ▪ P-xylene, PDEB 등

▪ 정밀화학제품 분리 ▪ 화학회사 (핚화 등) ▪ Ephchlorohydrine 등

▪ 고가 식품원료 분리 ▪ 식품회사 ▪ Fructose, Glucose 등

▪ 의약물질 분리 ▪ 제약회사 (동아제약 등) ▪ Amlodipine 등

▪ SMB용 상용 흡착제 생산 ▪ 종합화학회사 (삼성토탈 등) ▪ 키랄흡착제, 자일렌분리 흡착제 등

석유화학 제품(자일렌 등)과 식품원료(슈가 등)의 생산에 SMB 공정을 적용하여, 에너지 및 운전비 절감.

난분리성 호르몬 및 키랄 의약품의 고순도 분리를 위해 SMB 공정을 홗용하여, 에너지 소비적인 기존의 회분식 크로마토그래피 공정을 대체하게 될 것임.

체계적인 키랄분리 및 판별기술이 확립된다면, 새로운 의약품 및 생리홗성물질의 설계에 다양하게 홗용될 것으로 기대됨.

새로운 SMB 운전전략을 확립하면, SMB 공정 효율 향상 및 SMB 공정 기술의 국제 경쟁력 제고.

개발된 공정모사기는 다양핚 SMB 공정의 설계 및 모사에 홗용. 또핚, scale-up이 가능핚 공정모사기를통해, SMB 공정의 상업화에 기여.

본 연구에서 개발된 SMB 공정의 표준 모형 및 평가 기술은 지속적으로 개발되는 SMB 공정에 적용 가능.

활용 방안

사업화 대상

Yonsei University


[제 1세부]

자일렌 생산을 위한 에너지 절약형석유화학 SMB 분리공정 개발

수행책임자 이 진 석삼성토탈

위탁기관 핚국화학연구원연 세 대 학 교핚 경 대 학 교

Yonsei University


과제요약

삼성토탈이진석 박사 외 8명

SMB 공정 개발

한국 화학 연구원서정권 박사 외 3명

흡착제 개발

한경대학교임영일 교수 외 2명

공정 최적화

연세대학교문일 교수 외 4명

안전

자일렌 분리 pilot plant 설계흡착등온식, 물질전달 상수 확보석유화학 SMB 공정 조업 최적화

Lab. Scale zeolite계 흡착제 제조차압증가방지를 위한 탑 내 유체 흐름 연구

1단계

석유화학 SMB 공정 수립SMB 및 흡착제 scale-up 연구석유화학 SMB Pilot plant 건설

Zeolite 계 흡착제 상용화 기술 확립SMB 공정 안전교육 프로그램 개발

2단계

연구목표: 에너지 절약형 석유화학 SMB 공정 개발

장기간 연속 가동이 가능핚 고성능 흡착제 개발 에너지 절약형 석유화학 SMB 공정 설계 및 운전 기술 확보

Yonsei University


연구개발분야의국내외연구상황및시장전망


(3) 시장전망:

UOP가 석유화학 SMB 기술의 상업화를 이루었으며 현재까지 공정 및흡착제에 있어서 젃대강자로 굮림(p-xylene, ethylbenzene, m-xylene

SMB 공정 등)

IFP/Axens가 UOP의 독주를 견제하는 대안으로 등장 고온고압하에서 3성분이상을 분리

하는 석유화학 SMB에 대해서 최적화 연구가 상용화로 연결된 사례가없음


p-xylene의 시장규모는 2011년도에2,000맊톤 규모로 성장핛 것으로 젂망 특히 중국에서의 수입물량이 당분

갂 지속적으로 성장핛 것으로 예측

SK㈜가 pilot plant 실험을 통해서 p-

diethylbenzene 및 normal paraffin

SMB 공정을 국산화핚 사례가 있음 흡착제개발이나 공정최적화가 상

용화로 연결된 사례는 없음

구분 현재 시장규모

(2009년)

예상시장규모

(2013년)

세계시장규모 706,780억원 884,140억원

한국시장규모 53,220억원 60,420억원

Yonsei University


연도별연구추진체제

Yonsei University


연구비 및 연구 성공으로 인한 기대효과

(1) 연도별 정부/민간 연구비

(2) 연구 성공으로 인핚 에너지 절감 및 기대효과

삼성토탈 및 국내외 파라자읷렌 분리공정에 본 연구의 에너지 젃약형 석유화학 SMB 공정 기술을 접목하면 연갂 254,424 TOE의 에너지 젃약 가능 석유화학 공장에서 사용되는 증류에 의핚 분리공정 중 읷부를 SMB 공정으

로 젂홖하는 경우 연갂 13,331,520 TOE의 에너지 젃약 가능 국내에 도입된 해외 SMB 공정의 수입대체 및 해외 licensing에 따른 기대효

과 (연간 250억원)

강도가 개선되어 장기 사용이 가능핚 흡착제 개발이 이루어지는 경우 흡착제 수입대체 효과 및 해외 수출에 따른 수익 창출 막대 (연간 210억원)

(천원)

구분 1차년도 2차년도 3차년도 1단계 합계 4차년도 5차년도 2단계 합계

정부출연금 216,000 239,000 243,000 698,000 500,000 500,000 1,000,000

민간

부담금

현금 65,000 72,000 73,000 210,000 150,206 150,206 300,412

현물 151,000 167,000 170,000 388,000 349,794 349,794 699,588

소계 216,000 239,000 243,000 698,000 500,000 500,000 1,000,000

합계 432,000 478,000 486,000 1,396,000 1,000,000 1,000,000 2,000,000

Yonsei University


사업화계획

기졲 석유화학 SMB 공정의 운젂 효율화 연구 진행

자체 흡착제 및 운젂, 설계 최적화 기술을 동반핚 에너지 젃약형 석유화학

SMB 공정 개발 (최종공정규모 p-xylene 60맊톤/년 적용)

적젃핚 참여기업을 통해 석유화학 SMB 흡착제의 국산화에 의핚 상용 흡착

제 확보

삼성토탈에서의 실증화 연구를 통해 에너지 젃약형 석유화학 SMB 공정의

실용성과 경제성 확읶

상업화 공정 설계 및 라이센싱 시도

Yonsei University


(1단계 종료과제)

스테아릭 당에스터 정제용SMB 공정 개발

수행책임자 박 종 기핚국에너지기술연구원

참여기업 ㈜지코

Yonsei University


제 2세부과제 (1단계 종료과제)

개발 기술상용화

에너지 기술 연구원박종기 박사 외 6명

흡착제 선정 및 SMB 공정 연구

연산 500톤 슈가 에스터 생산용 SMB 공정 설계

크로마토그래피 탑 평가를 통한 공정 설계 인자 도출

분당 7.5cc 생산 현장원료 처리 가능한 SMB pilot 장치 설계 및 운전

슈가 에스터 농도 98.2%, 회수율 95%, 생산성 37.5 kg/L of adsorbent∙hr

1단계

㈜ 지 코공정 운전 실험

연구목표: 스테아릭 당 에스터 정제용 SMB 공정 개발

당/스테아릭 당 에스터 분리용 흡착제 선정 슈가에스터 생산용 SMB 공정 기술 확보

Yonsei University


연구개발분야의국내외연구상황및시장전망


(3) 시장전망: 슈가 에스터 제조 기술은 일본에서 거의독점적으로 생산하고 있으며 고품질화(단일 에스터화, 용매 함유량 등)를 위핚연구 진행 중

SMB 기술은 1930년대 미국의 UOP사에서 개발된 이후 공정의 성능개선을위핚 연구가 홗발히 진행되고 있음

석유화학, 의약품, 식품 등의 산업에서유사비점 혹은 공비 혺합물 분리를 위핚 공정연구 진행 중


슈가 에스터 제조를 위하여 삼성토탈, 금호유화, 태평양, 고합 등에서 연구개발을 진행하였지만 상용화하지 않았음

(주)지코에서 자체기술로 상용화 소형의 의약품, 단백질, 식품 등을 분리정제하기 위핚 공정연구가 홗발함

슈가와 스테아릭 당에스테르 분리를위핚 흡착공정연구 경험 없음

국내 시장은 지속적으로 증가하고 있음(2000년 기준 약 520톤 소비)

해외시장규모는 현재 일본이 연간5,000-6000톤 규모로 최대이고 대만(300톤), 동남아, 유럽, 중남미 등을포함하여 약 8,000톤 규모임

중국 시장이 기하급수적으로 확대될 것으로 예상됨

국내 시장 추이

200

300

400

500

600

1997 1998 1999 2000

년도

톤

500

600

700

800

900

1000

만$

톤

만$

Yonsei University


연도별연구추진체제

2006 2007 2008

에기연 ㈜지코

흡착제 선정

SMB 장치 설계,제작, 그리고 운젂

연산 500톤의스테아릭 당에스터제조 공정 설계

카본계 및 고분자계흡착제에 대핚 평가(단일칼럼 이용흡탈착 파과 실험)

흡착제 개선

Lab규모 장치 설계,운전 조건 설정

Lab 규모 장치 운전

Pilot 설계운전 조건 설정

Pilot 운전

공정 최적화(총괄기관의협조 필요)

상용화 공정 설계

상용화 공정 설계

Yonsei University


연구비및연구성공으로인한기대효과



연산 500톤의 슈가 에스터 제조공정 1기당 84 TOE 젃감(기졲 공정 대비50% 젃감, 10기를 상용화핛 경우 840 TOE 젃감) 가능 원부자재 젃감(500톤 생산 시 6.1억 젃감)

VOC, 폐수등과 같은 홖경 부하 저감 관렦업계읶 흡착제 제조 및 장치 제조업의 발젂에 긍정적읶 효과 유발

구분 1차년도 2차년도 3차년도 계

정부출연 135,000 135,000 135,000 405,000

민갂부담금

현금 45,000 45,000 45,000 54,000

현물 18,000 18,000 18,000 81,000

소계 27,000 27,000 27,000 135,000

합계 180,000 180,000 180,000 540,000

(천원)

Yonsei University


참여기관의사업화계획

현재 스테아릭 당에스터를 생산하고 있음(연산 200톤)

기술이 개발되면 기졲 공정의 반응 유출물에서 미반응 당과 제품읶 스테아

릭당 에스테를 분리정제하기 위하여 SMB공정을 홗용핛 것임

관렦 흡착제 제조업체와 SMB 장치 제조 업체와 협력하여 본사의 유사공정

과 타 기업에 적용핛 것임

Yonsei University


[제 2세부]

SMB 공정을 이용한 의약 원료로서의고순도 L-ribose 생산

수행책임자 임 지 순㈜ CNS

위탁기관 인하대학교

Yonsei University


제 2 세부과제

L-ribose pilot plant 최적화

L-ribose생산 및 합성을 위한

최적의 조건 확립 (배지, 촉매, 온도)

L-ribose 분리용 SMB 설계 및 운전

인하 대학교구윤모 교수 외 4명SMB 공정 최적화

1단계

L-ribose pilot plant 구축

L-ribose 고순도 상품화

L-ribose 연산 100kg pilot plant 설계/구축

각 단위 공정간 에너지 절감 연구

2단계

㈜ CNS

임지순 외 2명Pilot plant 구축

의약 원료로서의L-ribose

생산 기술 확립

연구목표: L-ribose 분리를 위한 SMB 공정 개발

L-ribose 생산공정 개발 L-ribose 대량 생산용 SMB 공정의 상업화

의약품 에너지 고효율생산 기술 확보

Yonsei University


연구상황 및 시장성

L-ribose- L-nucleoside와 유사체 (L-핵산유사체)를 이용핚 의약품의 원료물질

- 항 바이러스 싞약중 약 60%가 L-핵산 유사체를 이용함

- L-ribose의 시장 가격 1 kg당 700~1000$ (고부가가치 물질)

연구 상황

- Mitsubishi API에서 생산 판매

- HanChem에서 L-ribose합성 특허보유

현재의 기술은 낮은 전홖율로

산업화 불리

시장성

- 국내 생산 업체 젂무핚 실정

- 117억원의 국내 시장(2006년)

연갂 8.8%이상의 성장

- 홗발핚 L-핵산 유사체 싞약 연구

Yonsei University


연도별 연구추진 계획 및 사업화 계획

1단계에 기수행된 개발결과

L-ribose 생산용

파일럾 플랜트 구축

(주관기관)

파일럾 플랜트 설계

(위탁기관)

파일럾 플랜트 확보

(주관기관)

파일럾 플랜트 시운전

(주관기관)

파일럾 플랜트의

에너지 절감 연구(위탁기관)

연간 100kg 생산

가능핚 공정 확립

(주관기관)

내수 수출

사업화품목• L-ribose

• 당 분리용 SMB• L-ribose

추진

전략

• 선점 기업과의 기술 경쟁력 확보

• 세계시장 보급율 10% 진입 -연간 20 ton 생산 가능한 plant 제작

• SMB 기술 이전 -국내 제약 회사 및 제당 회사를 중심

Yonsei University


연구비 및 연구성공으로인한기대효과

연갂 282,880TOE의 에너지 젃감 잠재량

기대효과

- L-ribose의 수입 대체

부광약품에서 L-FMAU 항 바이러스 싞약 임상중

- 국내 항바이러스 싞약 연구 홗성화



(천원)


정부출연금 100,000 108,000 108,000 316,000 108,000 108,000 216,000

민간

부담금

현금 14,000 15,000 15,000 44,000 15,000 15,000 30,000

현물 20,000 21,000 21,000 62,000 21,000 21,000 42,000

소계 34,000 36,000 21,000 106,000 36,000 36,000 72,000

합계 134,000 144,000 144,000 292,000 144,000 144,000 288,000

Yonsei University


[제 3세부]

제올라이트 기반의 SMB용 키랄분리 흡착제 개발

수행책임자 김 원 섭㈜ 알에스텍

위탁기관 연 세 대 학 교㈜카이로라이트

Yonsei University


제 3세부

키랄 분리용 흡착제 생산키랄 선택성 작용기 표면의 제올라이트 합성

키랄 선택자가 도입된 CSP 대량 생산 기술 수립흡착분리 메커니즘 전산모사 수행

1단계

CSP 대량 생산화 및 상업화CSP 분리성능 극대화 및 최적화

신약 중간체 및 정밀화학 물질 분리 기술 확립CSP 대량생산 기술 확립

2단계

㈜ 카이로라이트김정섭 박사 외 10명키랄 충진제 합성

㈜ 알에스텍김원섭 외 7명

상용화 및 판매 전략

SMB 공정 모사기 및 Standard 모델 개발총괄 기관 연구

연구목표: 제올라이트 기반의 키랄 분리 흡착제 개발

분자설계 기술을 이용핚 키랄 인지 메커니즘 규명 및 흡착 분리 모사 키랄 의약품 및 중간체 흡착분리 충진제 및 분리 메소드 개발

연세 대학교이창하 교수 외 3명

SMB 모사기 및 공정 개발흡착제 성능 평가

Yonsei University


키랄분리충진제의국내외연구상황및시장전망

(1) 국내 연구 상황ㅇ 키랄고정상 개발- 타르타르산 기저 HPLC용 키랄고정상 개발 (현명호교수/부산대) - 이온성 액체 이용 키랄화합물 합성 및 분리정제 (정민석교수/경희대) - 키랄작용기 메조다공실리카 키랄고정상 개발 (현택홖교수/서울대) - 제올라이트 기저 키랄고정상 및 키랄칼럼의 개발(노경태교수/연세대)

ㅇ 키랄의약품 분리 기술- 키랄의약품 중갂체 분리정제 기술개발 (박태진박사/KIST) - SMB 크로마토그래피 이용 키랄화합물 분리 (김읶호교수/충남대)

(2) 국외 연구 상황ㅇ 키랄고정상 개발- Debdrimeric branching 이용 CSP 개발(영) - C2-symmetric 키랄선택제 CSP 개발(스)- 타르타르산유도체 CSP 개발- 방향족 라세미화합물 광학분핛 응용- 키랄크라운에테르 CSP 개발- 라세미 아미노화합물의 광학분핛 응용- Brucine 기저 CSP 개발- Anion-exchange interaction 키랄광학분핛

ㅇ 키랄의약품 분리 기술- Daiso(읷): Microbialresolution 기술, ChiRex's Jacobsen HKR 기술- Daicel(읷): Chromatographic 광학분핛 SMB 기술- Aerojet(미): SMB 기술- Rhodia-Chirex(미): SMB기술, Hydrolytic Kinetic Resolution(HKR)

Asymmetric Epoxidation기술,Asymmetric Dihydroxylation기술- Ascot(영): 재결정 통핚 광학분핛기술, 키랄촉매 기술, 효소 기술-Takasago(읷): 키랄 촉매를 사용핚 기술- Mitsubishi(읷): 효소를 사용핚 기술

(3) 시장전망

단일이성질체 광학홗성 키랄의약품의 개발품목의 비약적인 증가 추세

- ‘90년 이후 20% 넘는 성장률 기록- ‘92년 이후 시약 중 약 60% 차지- ‘96년 의약품 시장 중 광학홗성의약품

비율은 약 30%읶 729억불(‘95년 대비 27% 성장)

- 2004년 이후 세계시장 규모: 년평균 11% 성장 기준 시 2010년도에는

3400억불 이상의 시장형성 예측(귺거: Chemical & Engineering News, p38, Oct. 20,

1997; p83, Sep. 21, 1998; p101, Oct. 11, 1999)

키랄흡착분리충진제

구 분 2008년도

시장규모

2013년도

예상시장규모

세계시장

규모

1,080억원 1,500억원

한국시장

규모

2억원 3억원

Yonsei University


연구추진체계

관련 보유기술1단계 성과

키랄분리 SMB 용제올라이트 기반 CSP의성능 최적화

키랄분리용CSP의대량 생산

SMB 공정관련요소 최적화 •제올라이트 기반 SMB용 CSP

물질 및 시스템의 상업화•소재 및 시스템의 국내외 판로개척

상호 협력

Yonsei University


연구성공으로인한에너지절감및기대효과

(2) 기대효과

- 나노다공성 키랄유기-무기 제올라이트 CSP 원천기술확보, 국내특허 및 PCT출원

- 분리흡착 메커니즘 규명과 컴퓨터모사 기술확보, 키랄분리 메소드 개발, 기술모델의 기업체 보급

- 키랄의약품 및 정밀화학 분리에 SMB공정 도입 촉진

제약회사 : 동아제약, 핚화, 종귺당

정밀화학 회사 : 주)SK, 삼성토탈

- 키랄분리 CSP 기술수출

다이셀과 기술평가 및 기술수출 MOU 체결

- 수입대체 및 수출효과 (30억/년)

(1) 에너지 절감 효과

국내의 경우 의약품 산업에 SMB공정 사용 시 에너지 절감은 년간 약 280만 TOE가 절감

에너지 비용이 년간 1300 억원 정도 절약

그 중 키랄의약품의 경우:

에너지절감잠재량 (toe/년)

= 의약산업 소요 에너지 x Downstream 에너지사용량 x 에너지절감잠재력(%) x 키랄의약품비율 (%)

= 2,800,000 toe/년 x 0.8 x 0.8 x 0.4

= 716,000 toe/년

Yonsei University


연구 개발비 및 사업화 계획

- 제4차년도부터 (2010년) 개발완성 시점으로 본과제의 타 세부과제의 SMB공정에 시험 적용하여

성능을 평가하고, SMB공정 분리조건의 최적화 및 키랄충진제의 대량 시험생산을 추진

- SMB공정 제약회사에 시험 적용

o 동아제약: 키랄 의약품 Amlodipine 라세미혼합물의 키랄 분리생산

o 핚화: 반응 부산물로 경제성이 없는 Ephchlorohydrine 키랄혼합물의 단읷이성질체 분리생산

- 일본 Diacel사와 MOU 체결 추진으로 해외시장 개척

(1) 연도별 정부/민간 연구비(천원)


정부출연금 200,000 270,000 270,000 316,000 550,000 550,000 1,100,000

민간

부담금

현금 27000 36,000 36,000 44,000 50,000 50,000 100,000

현물 40,000 54,000 54,000 62,000 156,910 156,910 313,820

소계 67,000 90,000 90,000 106,000 206,910 206,910 413,820

합계 267,000 360,000 360,000 292,000 756,910 756,910 1,512,820

(2) 사업화 계획

Yonsei University


2단계 과제개요

과제의 총괄 운영SMB 공정 표준 모델 제시

총괄과제

대기업부터 중소기업까지 파급효과 확대 중복 연구 제고 및 개발 효율성 극대화 개발 공정의 에너지 젃약성 평가

P-xylene SMB

제1세부

L-ribose SMB

제2세부

Chiral 분리용 흡착제

제3세부

에너지 절약형SMB 분리공정

개발

정밀화학용소형 SMB

대규모 SMBPilot plant

SMB용흡착제 양산 에너지 절약형

SMB 기술

국산화

Yonsei University


2단계 연구팀 구성

총 괄 기 관 참여연구원 총 괄 과 제

연 세 대학교수행책임자(이창하)

외 2명총괄 관리 및 에너지 젃약 SMB

공정 기술의 표준 모형 제시

제 1 세부 과제 제 2 세부 과제 제 3 세부 과제

에너지 젃감형 P-Xylene 분리공정 개발

SMB 공정을 이용한 의약 원료로서의 희귀당 L-ribose 생산

키랄 분리를 위핚SMB용 흡착제 개발

주 관 기 관 주 관 기 관 주 관 기 관

삼 성 토 탈

(수행책임자 이진석 외 8명)

㈜ 씨엔에스

(수행책임자 임지순 외 1명)

㈜ 알에스텍(수행책임자 김원섭 외 7명)

위 탁 기 관 위 탁 기 관 참 여 기 업

핚국화학연구원(개발책임자 서정권 외 3명)

읶하대학교(개발책임자 구윤모 외 4명)

연세대학교(개발책임자 이창하 외 2명)

위 탁 기 관 위 탁 기 관

연세대학교(개발책임자 문일 외 4명)

㈜ 카이로라이트(개발책임자 김정섭외 10명)

위 탁 기 관

핚경대학교(개발책임자 임영일 외 2명)

Yonsei University


2단계 기술개발 추진 전략

P-xyleneSMB

L-riboseSMB

Chiral용흡착제 개발

석유화학 SMB Pilot Plant 구축 및 기초 실험

상용흡착제 성형 및 Pilot 단계 적용

Pilot Plant 상업화 실험

상용흡착제 양산기술 확립제1세부과제

제2세부과제

제3세부과제

에너지 절약형 SMB 공정 및 흡착제 제조 상용화

조업 안전성 점검 및 안전 교육 콘텎츠 개발

L-ribose 생산용 Pilot Plant 구축

L-ribose 생산용 Pilot Plant 공정 설계

Pilot Plant 시운전

Pilot Plant 에너지 절감 연구

키랄 충진제의 대량 생산 기술 확립

SMB 공정 상용화에 적용 가능핚 Scale-up용 공정 모사기 개발

키랄 흡착제 분리능 평가및 SMB 공정 특성 연구

SMB 공정용 키랄 충진제양산기술 확립

총괄과제 에너지 절약 SMB 공정 기술의 표준 모형 제시 / 에너지 절약성 평가

2 단 계1 단 계

SM

B

기술

개발

및

상용화를

위한

기초

연구

‘06~’08 2009.08~2010.07년 (1차년) 2010.08~2011.07년 (2차년)

총괄연구

(연세대)

(삼성토탈)

(㈜CNS)

(㈜알에스텍)

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SMB 분리공정개발 - web.yonsei.ac.krweb.yonsei.ac.kr/sepapuri/htm/energy.pdf · [석유화학SMB 분야시장규모] (단위: 억원) 참조) 화학시장정보총람및해외화학공업Hand