KR100499178B1 - 호기성 발효에서 산소를 사용하여 이산화탄소 독성을 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발효처리될 수 있는 성분을 포함하는 발효액을 함유하는 용기를 제공하는 단계, 용기내의 용기 압력을 저하시켜서 평형 산소 분압을 저하시키는 단계, 순수한 산소를 용기내로 공급하여 용기내의 평형 산소 분압을 상승시키는 단계, 및 순수한 산소를 사용하여 성분을 발효시키는 단계를 포함하여, 발효를 수행하는 방법에 관한 것이다.

Description

호기성 발효에서 산소를 사용하여 이산화탄소 독성을 제거하는 방법 {METHOD OF USING OXYGEN TO ELIMINATE CARBON DIOXIDE POISONING IN AEROBIC FERMENTATION}

본 발명은 일반적으로, 발효 방법, 더욱 상세하게는, 산소와 같은 주입 가스에 의해 유도된 발효 방법에 관한 것이다.

발효는 살아있는 유기체 또는 효소 예컨데, 박테리아 또는 단세포 식물에서 발생하는 미생물에 의해 유도된 화학 변화이며, 이는 탄화수소를 호기성 분해하여 목적하는 생성물과 이산화탄소의 생성을 수반한다. 발효 시스템은 많은 생성물 예컨데, 항생물, 백신, 합성 생중합체, 합성 아미노산 및 식용 단백질을 생성하는데 사용된다.

통상적인 호기성 발효에 있어서, 대량의 공기가 공급되어, 호흡 및 성장을 위한 산소를 제공한다. 동시에, 이산화탄소는 바이오매스(박테리아, 진균류, 식물 세포, 등)에 의해 소모되지 않은 잔류하는 공기로부터 제거된다. 일반적으로, 공기 기포에 함유된 산소는 바이오매스가 이를 소모하기 전에, 발효액내로 용해되어야 한다. 따라서, 공기로부터의 산소 용해는 비율 조절 인자이다. 유리한 산소 용해율을 유지하기 위해, 발효기의 압력은 전형적으로, 수 기압으로 상승된다.

발효기내의 증가된 생산성은 영양물 및 바이오매스의 농도 증가를 수반한다. 따라서, 산소 요구는 추가적인 영양물 및 바이오매스 농도에 따라 증가할 것이다. 가능하다면, 더 많은 산소가 소모될 것이다. 따라서, 바이오매스로의 충분한 공기(또는 산소) 공급은 주요한 관건이다. 산소 소모율이 높을수록, 더 많은 이산화탄소가 생성된다. 일부 관점에서, 발효기내의 이산화탄소 수준은 바이오매스에 독성이 될 것이며, 발효 공정에서 주요 문제점이 될 것이다. 바이오매스의 발효 및 성장 동안 발생하는 이산화탄소의 양이 제거 속도보다 빠를 경우, 이러한 독성화가 발생한다. 임계 수준에서, 과량의 용해된 이산화탄소는 바이오매스의 성장을 저지시킬 것이다. 임계 이산화탄소 수준은, 이산화탄소가 발효에서 이로운 작용을 더 이상 제공하지 못할 뿐만 아니라, 바이오매스의 성장을 저지하는 수준으로 발효 용기에 존재하는 이산화탄소의 수준으로서 정의내려진다.

발효기의 배출물중의 이산화탄소 농도가 발효기내에 용해된 이산화탄소의 수준보다 더욱 용이한 측정가능 값이기 때문에, 배출물중의 이산화탄소 농도를 측정하는 것이 산업 기준이 되었다. 따라서, 각 발효 방법은 발효 배치가 초과하지 않아야 하는 기준으로써 배출물중의 소정의 특정 임계 이산화탄소 농도를 갖는다. 배출물중의 이러한 임계 이산화탄소 농도는 생산성 또는 바이오매스 농도를 증가시키기 위해 시도하는 경우, 실질적인 측정가능 한계값이 되었다.

더 높은 수준의 바이오매스로 생산성을 증가시키기 위해, 공기 흐름을 증가시키는 것은 당해분야에 공지되어 있다. 공기 흐름을 증가시키는 것은 여분의 산소를 공급하여, 더 많은 이산화탄소를 제거하는 반면 더욱 농밀한 바이오매스를 지탱시키게 하는 이점이 있다. 그러나, 주입시킬 수 있는 공기의 양은 실질적으로 제한되어 있다. 발효기가 기계적으로 교반되어, 교반기가 필요없게 되는 경우, 과량의 공기는 임펠러로 가득 밀려가게될 것이다. 공기수송 발효기에서, 이는 또한, 발효액을 유동화시키거나 내용물을 발효기 밖으로 내뿜게 할 수 있다. 따라서, 공기 흐름의 증가는 단지 매우 적은 정도로 생산성을 증가시킬 수 있다.

바이오매스 농도가 높을 경우, 공기를 보충하기 위해 순수한 산소를 사용하는 다른 작업이 제안되었다. 그러나, 바이오매스가 이산화탄소 독성에 내성이 있을 경우에만, 순수한 산소의 단순한 공급이 효과적일 것이라 여겨진다. 대부분의 경우, 순수한 산소의 공급은, 더 많은 이산화탄소가 바이오매스의 호흡 및 성장을 통해 발생되기 때문에 문제를 더욱 번거롭게할 것이다. 만약 제거 속도가 이산화탄소의 생산 속도보다 더 높은 속도로 증가되지 않는다면, 과량의 이산화탄소가 축적될 것이다.

배출물중의 이산화탄소 농도(대조 방법으로서)가 임계값을 초과하지 않을 정도로 바이오매스 농도를, 충분히 낮게 유지하는 방법은 당해분야에 공지되어 있다. 따라서, 배출물중의 이산화탄소 농도는 생산성을 증가시키는데 있어서 제한 요인이다.

단지 이산화탄소의 독성 영향을 무시하면서, 산소 용해율을 증가시키는 것과 관련된 해결방안이 당해분야에 제안되었다. 산소 풍부화 또는 직접 주입을 이용하는 것에 대해서는 당해분야에 제공되었지만, 이중 어느 것도 이산화탄소 독성과 관련된 문제점을 해결하지는 못하였다.

따라서, 이산화탄소 독성 영향을 최소화하는, 산소 사용 발효를 수행하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 발효를 수행하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 발효처리될 수 있는 성분을 포함하는 발효액을 함유하는 용기를 제공하는 단계, 용기내의 용기 압력을 저하시켜서, 용기내의 용해된 이산화탄소 수준 및 평형 산소 분압을, 낮아진 용기 압력에 비례하여 저하시키는 단계, 순수한 산소를 용기내로 공급하여 평형 산소 분압을 상승시키는 단계, 및 순수한 산소를 사용하여 성분을 발효시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명은 반응기 압력을 저하시키고, 순수한 산소를 공급하는 동시발생적 단계를 제공한다. 본 발명은 또한, 발효 공정을 수행하는데 있어 바이오매스 농도를 증가시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 대부분의 처리자가 발효 용기의 배출물중의 이산화탄소 수준을 조절한다는 전제를 기초로 하고 있다. 이를 기초로 하여, 배출 이산화탄소 수준은 용해된 이산화탄소 수준에 비례한다. 이러한 전제에도 불구하고, 배출 이산화탄소 수준이 항상 비례하는 것은 아니며, 발효기의 온도 및 압력에 의존적인 것으로 여겨진다.

가스 배출물중의 이산화탄소 농도가 용해된 이산화탄소 대신에 발효의 생산성 및 발효 속도를 측정하는데 사용되는 이유는 살균 반응 발효액중의 용해된 이산화탄소가, 이러한 값을 계산할 수 있는 온라인 장치가 존재하지 않는 것으로 여겨지는 측정불가능한 값이기 때문이다. 본 발명은 발효 용기의 배출물로부터 측정된 임계 이산화탄소를 사용하여 임계 용해된 이산화탄소 수준을 계산하는데 사용된다. 발효기내의 압력을 저하시키므로써, 실질적으로 용해된 이산화탄소 수준, X_CO2는 이산화탄소 분압의 저하로 인해 이에 비례하여 감소될 것이다:

P_CO2 = y_CO2·P = H.X_CO2

상기 식에서, P_CO2는 CO₂의 분압이며, Y_CO2는 가스상의 CO₂의 몰분율이며, X_CO2는 액체상의 용해된 CO₂의 몰분율이고, H는 헨리의 법칙의 상수이다.

따라서, 순수한 산소를 갖는 더 높은 수준의 바이오매스가 첨가되어 생산을 증가시킬 수 있다. 더 높은 성장 및 호흡 속도를 갖는 경우, 배출물중의 이산화탄소 수준이 배출물중의 임계 이산화탄소 수준보다 더 높은 것으로 보여질 것이다. 그러나, 용해된 이산화탄소 수준은 동일하거나 더 낮게 유지된다.

발효기 압력내의 저하는 산소 분압의 저하로 인해 용해된 산소 수준을 이에 비례하여 감소시킬 것이다:

P_CO2 = Y_O2·P = H.X_O2

상기 식에서, P_CO2는 CO₂의 분압이며, Y_O2는 가스상의 O₂의 몰분율이며, X_O2는 액체상의 용해된 O₂의 몰분율이고, H는 헨리의 법칙의 상수이다.

평형 산소 분압의 저하를 보충하기 위해, 추가적인 순수한 산소가 단순 산소 풍부화 또는 직접 산소 주입을 통해 본 발명에 사용된다. 그 후, 동일한 임계의 용해된 이산화탄소 수준을 갖지만, 더 높은 산소 소모율을 갖는, 더 높은 생산성이 달성될 수 있다.

발효기 압력을 저하시키는 것은 순수한 산소 공급의 반대 효과를 갖는다. 종래기술을 기초로 하여서는, 당업자는 발효기 압력을 저하시키고 순수한 산소를 공급하는 두가지 기술 모두를 통상적으로 사용하지 않을 것이다. 그러나, 종래기술과 반대로, 본 발명은 두 방법 사이의 작용의 정도 차가 있다는 것을 발견하였다. 이 둘 모두의 기술을 사용하므로써, 발효액내의 더 낮은 용해된 이산화탄소 수준을 획득하면서 여전히 추가적인 산소를 용해시킬 수 있다.

사실상, 본 발명은 배출물중의 임계 이산화탄소 농도에 의해 제한된 한도를 너머서 발효기 생산성을 증가시키는 돌파구를 제공한다. 이는 발효기 압력을 저하시키고, 동시에 순수한 산소를 공급하므로써 달성된다.

산소 용해도를 증가시키기 위해, 발효기는 일반적으로 수 기압의 상승된 압력하에 작동한다. 절대압을 2배로 상승시키는 것은 또한, 평형 상태에서 두개의 인자에 의해 용해된 산소의 양을 2배 증가시키는 것으로 예상될 것이다. 그러나, 본 발명은 고압에서의 작업이 또한, 이산화탄소를 제거하는 발효기의 성능을 저하시킴을 파악하고 있다. 이는 이산화탄소의 용해도가 또한 보다 더 높은 압력하에서 증가되기 때문이다. 대부분의 발효액은 이산화탄소 독성에 민감하여, 용해된 이산화탄소는 임계 수준 아래로 유지되어야 한다. 용해된 이산화탄소의 수준을 측정하기가 매우 어렵기 때문에, 단지 배출물중의 이산화탄소 가스 농도를 모니터링할 수 있다.

임계 이산화탄소 수준에 기초한 생산 제한 때문에, 일반적으로 더 높은 바이오매스 수준에서 생산성(발효액의 제공된 용량 당 생성물의 파운드)을 증가시키는 것이 불가능하다. 더 높은 수준의 바이오매스는 더 많은 이산화탄소를 생성시키고, 또한 발효 공정에서 더 많은 산소를 필요로 할 것이다. 이산화탄소 가스 농도를 유지하고, 산소 공급을 증가시키기 위한 통상적인 방법은 더 많은 공기를 공급하는 것이다. 그러나, 일반적으로, 최적화된 발효기에 대한 공기 흐름을 증가시키는 것은 실행할 수 없거나 불가능하다. 과량의 공기는 가스가 임펠로로 가득 밀려가게 하여, 임펠러 고장을 초래한다. 대부분의 기기는 이미 공기 압축기를 최고로 작동시키고 있으며, 존재하는 라인 크기 및 살포 고리 개구 또한, 공급될 수 있는 공기의 양으로 제한될 것이다.

본 발명은 저압에서 발효기를 작동시키면서 직접 산소 주입(또는 풍부화)을 이용한다. 절대압을 반으로 저하시키므로써(예를 들어, 4atm을 2atm으로, 또는 3atm-게이지를 1atm-게이지로), 평형 산소 농도를 반으로 감소시킨다. 그러나, 평형 산소 농도의 감소는 평형 산소 농도 보다 약 5배 높은 유도력을 갖는 순수한 산소를 사용하므로써 보충된다. 따라서, 순수한 산소는 압력 저하 영향을 보충하고, 또한, 산소 유효성을 증가시킨다.

실시예

대조 변수:

압력 = 4 atm

배출물중에 측정된 CO₂ = y₁ = 5%

용해된 CO₂(임계, 측정되지 않음) = X_{1, CO2} = Y_1,CO2 P₁/H(1)

상기 식에서, y_1,CO2는 임계의 가스상 이산화탄소 농도(측정됨)이며, P₁는 발효기의 압력이며, H는 헨리의 법칙의 상수이며, 산소 소모량은 50mmole/리터-hr이며, 공기로부터 이용가능한 산소는 0.21*100 Nm³/hr = 21 Nm³/hr이다.

더 높은 생산성을 갖는 산소의 경우:

이 경우, 순수한 산소를, 공기를 보충하기 위해 공급하였다. 발효기 압력을 동시에 저하시켰다.

바이오매스 농도 = 2 x 대조구

압력 = 2 atm

바이오매스 농도를 이중으로 증가시키므로써, 산소 소모 또한, 이중으로 증가시켰다.

산소 소모 = 2 x 대조구 = 2*50 = 100mmole/리터-hr

동시에, 이산화탄소가 또한, 두 배로 생성되었다.

생성된 CO₂ = 2 x 대조구

그 후, 순수한 산소를 사용하므로써 추가적인 산소 요구를 만족시켰다:

이용가능 산소 = 공기로부터의 산소 + 순수한 산소

= 0.21 * 100 nM³/hr + 21 Nm³/hr(순수한 산소)

= 42Nm³/hr

본 발명에서, 임계의 용해된 이산화탄소는 바이오매스 활성에 실질적으로 영향을 미치는 일차 요인이며, 가스상 이산화탄소 농도는 영향을 미치지 못하는 것으로 여겨진다.

따라서, 용해된 이산화탄소를 변하지 않도록 유지시켜야 한다.

용해된 CO₂(임계, 측정되지 않음) = 대조구와 동일 = X_1,CO2 = X_{2, CO2}

= Y_2,CO2 P₂/H

= Y_2,CO2 (P₁/2)/H (2)

종래의 본 상태에서의 공정과는 달리, 배출물중의 측정된 최대 허용가능한 가스상 이산화탄소 농도는 실질적으로 상이할 수 있다. 배출물중의 허용된 신규의 최대 이산화탄소 농도(계산치) = Y_2,CO2 = Y_1,CO2 *2 = 10%

따라서, 2atm에서 배출물중의 최대 허용가능한 이산화탄소 농도는 4atm에서 작업시킨 것 보다 2배 높아야 한다. 2배의 바이오 활성을 갖는 배출물중의 측정된 실질적인 이산화탄소 농도 = 5% * 2 * (100/(100+21)) = 8.26%

상기에서 알 수 있는 바와 같이, 배출물중의 측정된 8.26%의 실질적인 이산화탄소 농도는 배출물중의 신규 최대의 허용가능한 이산화탄소 농도 한계인 10% 보다 적었다. 따라서, 공급된 산소의 농도는 바이오매스 농도의 두배가 될 수 있으나(농축된 2 배), 여전히 이산화탄소 농도는 임계 수준을 초과하도록 증가되지 않았다.

따라서, 바이오매스 농도는 일반적으로, 배출물중의 이산화탄소 농도에 의해 유도된 한계값으로 여겨지는 값을 넘어서 증가될 수 있다. 이는 순수한 산소로 산소 용해의 강하를 보충하면서, 발효기 압력을 저하시키므로써 달성된다. 또한, 본 발명은 압축기 동력이 50% 이상 절감될 수 있기 때문에, 발효 공정의 경제적 이점에 대한 신뢰성을 부여하는 것으로 숙지됨을 주지해야 한다.

높은 산소 용해 및 신속한 이산화탄소 제거를 이용하기 위해, 순수한 산소 주입 동안 2기압 보다 낮은 압력으로 발효기를 작동시키는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 발효기가 진공처리될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 용기 압력은 약 25기압 이하의 압력 내지 약 25기압과 약 1기압 사이의 압력으로 저하될 수 있다. 압력은 이 범위내의 압력일 수 있다. 예를 들어, 용기 압력은 약 25기압 내지 약 1기압 사이의 압력으로 저하될 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있는 발효 생성물은 항생물질 예컨데, 페니실린, 에리스로마이신 및 테트라시클린, 유기 화합물 예컨데, 소르비톨 및 시트로넬로, 유기산 예컨데, 시트르산, 타르타르산 및 락트산, 아미노산 예컨데, L-리신 및 모노나트륨 글루타메이트, 폴리사카라이드 예컨데, 제빵용 효모 및 크산 검, 비타민 예컨데, 아스코르브산 및 리보플라빈, 및 효소, 살충제, 알칼로이드, 호르몬, 색소, 스테로이드, 백신, 인터페론 및 인슐린을 포함하는 그 밖의 생성물을 포함한다.

동일한 원리가 공기를 사용하는 유기물 산화에 적용될 수 있다. 이는 가스상 생성물 또는 부산물이 반응을 억제시킬 경우의, 임의의 유기물 산화일 수 있다. 촉매 부위의 독성화 또는 평형 이동으로 인해 억제가 유도될 수 있다. 반응기 압력의 저하는 가스상 생성물 또는 부산물의 평형 용해된 수준을 감소시킬 것이다. 그 후, 산소 용해율의 감소는 순수한 산소를 공급하므로써 보충된다.

상기 설명은 단지 본 발명의 예시임을 인지해야 한다. 다양한 대안물 및 변형물이 본 발명으로부터 벗어나지 않은채 당업자에 의해 고안될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위내에 대안, 변형 및 변화와 같은 모든 것을 수용한다.

배출물중의 측정된 실질적인 이산화탄소 농도는 배출물중의 신규 최대의 허용가능한 이산화탄소 농도 한계인 10% 보다 적었다. 따라서, 공급된 산소의 농도는 바이오매스 농도의 두배가 될 수 있으나(농축된 2 배), 여전히 이산화탄소 농도는 임계 수준을 초과하도록 증가되지 않았다. 또한, 본 발명은 압축기 동력이 50% 이상 절감되었다.

Claims (10)

1. a. 발효처리될 수 있는 성분을 포함하는 발효액을 함유하는 용기를 제공하는 단계;

   b. 용기내의 용기 압력을 1 내지 25기압으로 저하시켜서, 용기내의 평형 산소 분압 및 용해된 이산화탄소 수준을, 저하된 용기 압력에 비례하여 저하시키는 단계;

   c. 순수한 산소를 용기내로 공급하여, 용기내의 평형 산소 분압을 상승시키는 단계; 및

   d. 순수한 산소를 사용하여 성분을 발효시키는 단계를 포함하여, 발효를 수행하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 용기 압력을 저하시키는 단계와 순수한 산소를 공급하는 단계가 동시에 수행됨을 특징으로 하는 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 용기 압력을 저하시킴으로써, 용기내의 용해된 산소 수준 및 용해된 이산화탄소 수준을 저하시킴을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 순수한 산소를 용기에 공급함으로써, 평형 산소 분압의 수준을 실질적으로 0.21기압 보다 높게 상승시킴을 특징으로 하는 방법.
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