KR101416744B1 - 연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정 - Google Patents

연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정 Download PDF

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Abstract

본원은 연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정에 관한 것으로서, 연속 발효 공정에서 균체를 회수, 재이용하여 바이오연료를 제조할 수 있다.

Description

연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정{CONTINUOUS FERMENTATION DIVICE AND MULTI-STEP CONTINUOUS FERMENTATION PROCESS USING THE SAME}
본원은 연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정에 관한 것이다.
바이오 매스(Biomass)는 에너지 전용의 식물과 산림수목, 농산물과 사료작물, 농산 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기 등 산업폐기물, 기타 상기 폐기물 등에서 추출된 재생 가능한 유기물로서, 현재 에너지원으로 사용되고 있는 유기성 물질을 총칭한다. 이러한, 바이오 매스는 태양에너지를 저장하고 있는 거대한 에너지 창고이며 이를 효과적으로 사용할 수만 있다면 현재 화석연료의 과다한 사용이 가져 오는 에너지난을 손쉽게 해결할 수 있을 것이며 이러한 바이오 매스는 필요한 에너지량만큼을 배양해서 사용하기 때문에 대기 중에 이산화탄소의 과다한 축적을 방지할 수 있으므로 오늘날 극히 심각한 문제로 제기되고 있는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있다.
바이오 매스를 이용한 대체 에너지원 중 하나인 바이오 에탄올은 사탕수수, 옥수수 등 식물에서 추출한 연료로, 휘발유와 혼합하거나 단독으로 자동차 연료로 투입될 수 있어 바이오 디젤과 더불어 대표적인 재생 자원 에너지로 각광받고 있다. 바이오매스 에탄올 방법은 문헌[DiPardo, Journal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand (EIA Forecasts), 2002, Sheehan, Biotechnology Progress, 15 8179, 1999, Martin, Enzyme Microbes Technology, 31 274, 2002, Greer, BioCycle, 61-65, April 2005, Lynd, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 66 3, 506-577, 2002, and Lynd et al in "Consolidated Bioprocessing of Cellilosic Biomass: An Update, "Current Opinion in Biotechnology, 16 577-583, 2005]에 기술되어 있다.
그러나, 바이오 에탄올이 대체 에너지로 부상하면서 원료가 되는 옥수수, 사탕수수, 밀 등에 대한 수요가 급증해 곡물가격 급등의 한 요인이 되고 있다. 이와 같이, 곡물로부터 바이오 에탄올을 얻는 방법은 상기 언급한 곡물가격 급등의 문제뿐만 아니라, 곡물자원은 기아인구를 위한 식량으로 쓰여야 한다는 비난으로부터 자유롭지 못한 단점이 있는 바, 세계 바이오 에탄올 시장은 현재 곡물계에서 목질계로 방향을 돌리고 있지만, 목질계는 리그닌 제거 등 까다로운 공정 문제로 돌파구를 찾지 못하고 있는 실정이다.
이에, 최근에는 바이오 에탄올의 제조원료로서 해조류가 각광받고 있다. 해조류(algae)는 생장속도가 빨라 대량 생산이 가능하며, 별도의 비료나 농업 용수를 필요로 하지 않으며, 여러 가지 당 성분과 알긴산을 다량 함유하고 있어서 에너지로 전환하기에 적합하며, 탄수화물의 함량이 목질계 원료에 비해 1.5 내지 2 배 정도 높은 특징이 있다.
또한, 이러한 해조류는 리그닌에 비해 치밀하지 않은 조직을 가지므로 기존의 바이오 매스에 비해 상대적으로 당화가 용이하며, 생산량도 매우 방대하다는 장점이 있다. 또한, 상대적으로 풍부한 해양자원을 활용할 수 있어 대단한 잠재력을 가지고 있다.
본원은, 연속 발효 공정에서 균체를 회수, 재이용하여 바이오연료를 제조하는 연속 발효 장치 및 이를 이용한 다단계 연속 발효 공정을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 원료 투입부; 하향식 발효관 및 상향식 발효관을 포함하는 발효 유닛; 및 상기 상향식 발효관 하부에 형성된 균체 회수 장치를 포함하는 연속 발효 장치를 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 발효 유닛은 복수 개일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 투입되는 원료가 혼합당일 경우, 혼합당에 포함된 당의 종류에 따라 상기 발효 유닛의 수가 조절될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 원료는 해조류, 섬유소류 바이오 매스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 원료는 글루코스, 갈락토스, 수크로스, 자일로스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 혼합당을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하향식 발효관 하부에 균체 및 기타 침전물 회수를 위한 회수 장치를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하향식 발효관 및 상기 상향식 발효관은 임펠러 및 스크린을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상향식 발효관의 균체 회수 장치를 통해 회수된 균체는 하향식 발효관 내로 투입되어 재사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면의 연속 발효 장치를 이용한, 혼합당의 다단계 연속 발효 방법을 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합당의 다단계 연속 발효 방법은, 원료 투입부에 혼합당을 투입하는 단계; 및 하향식 발효관 및 상향식 발효관을 포함하는 발효 유닛에서 상기 혼합당을 발효하는 발효 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상향식 발효관에서 균체를 회수하여 하향식 발효관으로 상기 균체를 재사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합당에 포함된 단일당의 수만큼 발효 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 의하여, 연속발효가 가능하기 때문에 지속적인 에탄올 생산이 가능할 수 있으며, 혼합당이 존재하는 발효공정에 적합할 수 있다. 종래 해조류를 이용하여 추출되는 당은 단일당이 아닌 혼합당 형태이기 때문에 단순 회분식 발효 및 기존 연속식 발효를 진행하더라도 일정시간 당 쇼크(shock) 현상이 발생하여 전체적인 발효시간이 늘어날 뿐만 아니라 발효 수율 또한 영향을 받게 되지만 본원은 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, U자관 하부에 별도의 수집(harvesting) 장치가 있기 때문에 각각의 균주 제어가 가능하게 되며, 이는 발효 수율을 극대화시킬 뿐만 아니라 연속적인 발효를 가능하게 할 수 있다. 또한, 일련의 연속 발효 공정 안에서 균체를 회수, 재이용하여 전체 발효시간을 줄이는 한편 글루코스를 포함하여 여러 당이 포함된 당화액으로부터 특정당(글루코스)을 우선 발효시키고 연속하여 잔존당을 계속 발효하여 당의 차이로 인한 균주내 대사경로 차이로 인한 쇼크를 방지할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 연속 발효 장치의 개략적인 설계도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 연속 발효 장치의 발효 유닛의 개략도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 연속 발효 장치의 스크린의 개략도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 갈락토스와 글루코스의 함량비에 따른 (a) 발효당 소비량 및 (b) 에탄올 생산량을 나타낸 것이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 연속 발효에서 (a) 단일당의 소비량 및 (b) 에탄올 생산량을 나타낸 것이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 연속 발효에서 시간의 경과에 따른 세포 성장을 나타낸 것이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 연속 발효에서 갈락토스의 소비량을 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원은 원통형 컬럼 일자관을 연렬한 "U"자 형태의 하향식 발효관 및 상향식 발효관을 포함하는 발효 유닛(unit)이 연속적으로 연결된 형태의 컬럼형 연속 발효 장치로서, 각 U자관 좌우에는 하부로 밀어주는 스크류 및 상부로 밀어주는 스크류를 포함할 수 있다. 상기 상향식 발효관 하부에는 균체(cell)를 따로 분리 할 수 있는 별도의 균체 회수 장치를 포함할 수 있으며, 균체 재사용(cell recycle)이 가능할 수 있다. 예를 들어, 갈락토오스(galactose) 및 글루코스(glucose)가 동시에 존재하는 혼합당 발효의 경우 효모는 글루코스 먼저 소비한 후, 갈락토오스를 소비하게 되는데 이럴 경우 갈락토오스 쇼크 현상이 발생하여 발효시간이 지연되게 될 수 있다.
본원의 예시적인 구현예에 있어서, 제 1 발효 유닛에서의 연속 발효 공정에서 글루코스 발효를 먼저 진행한 후 발효균을 따로 회수하고 글루코스가 제거되어 갈락토오스만 남아있는 배양액을 제 2 발효 유닛의 하향식 발효관 및 상향식 발효관으로 이동시키게 되며, 제 1 발효 유닛의 상향식 발효관에서 회수된 균체를 다시 제 1 발효 유닛의 하향식 발효관으로 투여함으로써 글루토오스 발효를 전담하게 된다. 동일한 원리로 제 2 발효 유닛의 하향식 발효관 및 상향식 발효관은 글루토오스가 거의 소비된 발효액이 넘어오기 때문에 효모는 별다른 쇼크 현상 없이 갈락토오스만을 소비할 수 있게 된다. 발효 후 제 2 발효 유닛의 상향식 발효관 하부에 설치한 균체 회수장치를 통해 회수한 균체를 제 2 발효 유닛의 하향식 발효관에 투입하여 혼합당에서의 발효시간 지연을 억제하여 연속적인 발효에 있어서 전체적인 발효공정 시간을 단축할 수 있다. 이는 다른 혼합당에도 적용될 수 있다.
상기 발효 과정은 당화 과정 후에 포함된 단당류를 효모 등의 미생물을 이용하여 발효시켜 바이오연료로 전환시키는 것이다.
상기 발효용 미생물로는 미생물은 예를 들어, 브레타노마이세스 브룩셀렌시스, 사카로마이세스 파스토리아누스, 사카로마이세스 세레비시애, 사르시나 벤트리큘리, 클루이베로마이세스 프라질리스, 자이고모모나스 모빌리스, 클루이베로마이세스 막시아너스 IMB3, 브레타노마이세스 쿠스테르시이, 클로스트리디움 아세토부틸리쿰, 클로스트리디움 바이예링키, 클로스트리디움 아우란티부틸리쿰, 클로스트리디움 테타노모르퓸, 이들의 변이체 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
발효 조건으로서 발효 유닛의 온도는 약 20℃ 내지 약 70℃로 유지할 수 있으며, 약 45℃ 미만, 예를 들어, 42℃ 미만(약 34℃ 내지38℃, 또는 약 37℃)으로 유지할 수 있다. 경우에 따라 발효 유닛은 약 5℃ 보다 높은 온도, 예를 들어, 15℃보다 높은 온도로 유지될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본원의 일 구현예에 따른 연속 발효 장치에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 연속 발효 장치는 원료 투입부(100), 하향식 발효관(200) 및 상향식 발효관(300)으로 이루어진 제 1 발효 유닛(10), 하향식 발효관(200') 및 상향식 발효관(300')으로 이루어진 제 2 발효 유닛(10), 및 균체 회수 장치(400)를 포함할 수 있다.
상기 원료 투입부(100)는 발효전공정 속도조절용 투입장치로서 원료를 공급할 수 있으며, 예를 들어, 시간당 일정량의 유량으로 원료를 공급할 수 있다. 상기 원료로는 예를 들어, 거대조류 및 미세조류를 포함하는 해조류, 육상계 섬유소류 바이오 매스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 원료는, 글루코스, 갈락토스, 수크로스, 자일로스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 혼합당을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하향식 발효관(200, 200')은 균체의 침강을 막기 위한 스크류 타입 임펠러(700)를 포함할 수 있으며, 상기 하향식 발효관(200, 200') 상부에 구동장치 및 발효시 발생되는 이산화탄소를 배출할 수 있는 이산화탄소 배출구(900), 및 발효관내 상하간 용액의 혼합을 방지하는 스크린(600)을 포함할 수 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 스크린(600)은 다공판의 형태일 수 있으며, 스크린 표면에 직각 삼각형의 날이 형성되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스크린은 상기 하향식 발효관 내의 회전시 균체가 침강하는 것을 방지하여 균체의 손실을 예방하고, 발효관 내의 전체 내용물이 혼합되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 다공판의 기공 크기는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm일 수 있으며, 상기 기공은 위가 좁고 아래가 넓은 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하향식 발효관(200, 200')은 균체 및 기타 침전물을 회수하기 위한 회수 장치(500, 500')를 포함할 수 있다.
상기 상향식 발효관(300, 300')은 스크류타입 임펠러(700), 상부에 구동장치, 발효시 발생되는 이산화탄소를 배출할 수 있는 이산화탄소 배출구(900), 및 발효관내 상하간 용액의 혼합을 방지하는 스크린(600)을 포함할 수 있다. 상기 스크린(600)은 다공판의 형태일 수 있으며, 예를 들어, 상기 하향식 발효관과 동일한 다공판 형태를 사용할 수 있다. 상기 스크린의 표면에 직각 삼각형의 날이 형성되어 있을 수 있으며, 상기 다공판의 기공 크기는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스크린은 상기 하향식 발효관에서와 반대 방향으로, 즉 뒤집혀진 형태로 사용할 수 있다. 상기 스크린은 균체가 떠오르는 것을 방지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 상향식 발효관(300, 300') 하부에는 균체 회수 장치(400, 400')를 포함할 수 있으며, 발효관 내부에 균체 상승억제용 가드와 스크린(600)을 포함할 수 있다. 회수된 균체는 상기 하향식 발효관(200, 200')의 균체 투입구(800)로 투입되어 재이용(recycle)될 수 있다. 따라서, 본원은 회수된 균체를 발효공정 내로 순환시키는 재활용 시스템이 될 수 있다.
상기 균체 회수 장치(400, 400')가 설치된 상향 발효관에서의 균체 상승억제를 위한 장치를 포함할 수 있다.
본원은 혼합당에 포함된 당의 수에 따라 동일한 발효 유닛 시스템을 다수 개 연결하여 혼합당의 발효에 적용할 수 있다.
[실시예]
실시예 1
도 1의 연속 발효 장치에서 균체로서 B. custersii를 사용하여 갈락토스 및 글루코스를 포함하는 혼합당을 발효시켰다.
도 4는 1% 질소원 하에서 갈락토스 및 글루코스를 포함한 혼합당에서 갈락토스와 글루코스의 함량비에 따른 (a) 발효당 소비량 및 (b) 에탄올 생산량을 나타낸 것으로, 혼합당에서 발효 속도가 저해되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 1% 질소원 하에서 20% 혼합당의 연속 발효에서 (a) 단일당의 소비량 및 (b) 에탄올 생산량을 나타낸 것이다. 균체를 재이용하는 연속 발효에서 탄소원인 혼합당의 단일당이 전환되면서 일시적 발효지연이 일어나나 곧 회복되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 1% 질소원 하에서 200 g/L 갈락토스의 연속 발효에서 시간의 경과에 따른 세포 성장을 나타낸 것이고 도 7은 균체로서 Brettanomyces custersii를 사용한 연속 발효에서 균체의 재이용에 따른 갈락토스의 소비량을 나타낸 것이다. 균체 세포의 재이용 횟수가 증가함에 따라 세포량이 증가하고 당소비가 급감소하여 발효전환율이 높아짐을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제 1 발효 유닛
20: 제 2 발효 유닛
100: 원료 투입부
200, 200': 하향식 발효관
300, 300': 상향식 발효관
400, 400': 균체 회수 장치
500, 500': 회수 장치
600: 스크린
700: 임펠러
800: 균체 투입구
900: 이산화탄소 배출구

Claims (11)

  1. 원료 투입부; 하향식 발효관 및 상향식 발효관을 포함하는 발효 유닛; 및 상기 상향식 발효관 하부에 형성된 균체 회수 장치
    를 포함하는, 연속 발효 장치로서,
    상기 원료는 혼합당을 포함하는 것이고, 상기 발효 유닛은 복수 개로서 상기 혼합당에 포함된 단일당의 수와 동일할 수 있는 것인, 연속 발효 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료는 해조류, 섬유소류 바이오 매스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 연속 발효 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합당은 글루코스, 갈락토스, 수크로스, 자일로스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 연속 발효 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하향식 발효관 하부에 균체 및 침전물 회수를 위한 회수 장치를 추가 포함하는 것인, 연속 발효 장치.
  6. 제 1 에 있어서,
    상기 하향식 발효관 및 상기 상향식 발효관은 하나 이상의 임펠러 및 하나 이상의 스크린을 추가 포함하는 것인, 연속 발효 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상향식 발효관의 균체 회수 장치를 통해 회수된 균체는 상기 하향식 발효관 내로 투입되어 재사용되는 것인, 연속 발효 장치.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 연속 발효 장치를 이용하며,
    원료 투입부에 혼합당을 투입하는 단계; 및 하향식 발효관 및 상향식 발효관을 포함하는 발효 유닛에서 상기 혼합당을 발효하는 발효 단계를 포함하고,
    상기 혼합당에 포함된 단일당의 수만큼의 상기 발효 단계를 포함할 수 있는 것인,
    혼합당의 다단계 연속 발효 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 상향식 발효관에서 균체를 회수하여 상기 하향식 발효관으로 투입하여 상기 균체를 재사용하는 것인, 혼합당의 다단계 연속 발효 방법.
  11. 삭제
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