KR100838200B1 - 과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료보충물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이신 발효액을 기본으로 하는 동물 사료 보충제의 제조방법에 관한 것으로서, 바이오매스를 제거하기 위해 필터작업을 하지 않으며, 별도의 흡습 방지제를 첨가하지 않아도 흡습성이 낮고 흐름성이 좋으며 겉보기 밀도가 높고 라이신 함량 조절이 가능한 과립 라이신을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 사면 배양, 플라스크 배양, 시드 공정, 주 배양 공정을 거쳐 생산된 라이신 발효액을 총 고형분 44~52%까지 농축하고 이 농축액에 함량 조절 물질을 혼합한 후 시드 표면에 혼합액을 코팅하여 과립화함으로써 흡습성이 적으며 겉보기 밀도가 높고 목표 함량에 맞춘 제품을 생산할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명을 통해 라이신·HCl 함량이 65% 이상이며 수분 함량 3% 미만, 겉보기 밀도 670±50kg/㎥ 등의 특성을 갖는 제품을 생산할 수 있다.

라이신 첨가제, 사료, 과립

Description

과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물 및 그 제조 방법{ANIMAL FEED ADDITIVE BASED ON FERMENTATION BROTH AND PRODUCTION PROCESS THEREOF BY GRANULATION}

도 1은 본 발명에 따른 제조방법의 순서도이다.

도 2는 본 발명에 따른 과립의 입자 성장기작을 나타낸 모식도이다.

도 3은 종래기술(US5,622,710)에 따른 과립의 입자 성장기작을 나타낸 모식도이다.

도 4는 본 발명에 따른 과립의 입자 형상과 단면 형상을 촬영한 사진을 나타낸다.

도 5는 종래기술(US5,622,710)에 따른 과립의 입자 형상과 단면 형상을 촬영한 사진을 나타낸다.

본 발명은 겉보기 밀도가 높고, 라이신 함량이 일정하고, 제조공정이 단순한 과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 본 발명은 L-라이신 발효배양액을 농축하고, 상 기 농축액에 부형제 및 자유 라이신으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합한 후, 과립기에 200~500㎛ 크기의 미립자 시드를 투입하고, 상기 과립기 하부로부터 상기 혼합 농축액을 분사하여 상기 미립자 시드를 코팅하며 상기 미립자 시드의 크기를 증가시켜, 입자의 크기는 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위의 범위가 되도록 과립화하는 단계로 이루어진 동물 사료 보충물의 제조 방법에 관한 것이다.

종래 분말 형태의 라이신 사료가 사용되고 있으나 비산성(飛散性)이 있어 작업이 나쁘고 손실이 발생하는 동시에 작업자에게 해를 미칠 수 있고 라이신 함량은 높으나 부형제를 다량 첨가하여 많은 부피를 차지하고, 흐름성이 안 좋아 작업이 곤란하며, 흡습성이 높아 저장성 및 안정성이 낮다. 이를 개선하기 위해 농축과립 라이신 사료를 개발하여 사용되고 있다. 라이신은 동물 사료업계에서 매우 많이 사용되는 아미노산이다. L-라이신에서 가장 많이 사용되는 제품의 형태는 L-라이신·HCl 형태로, 발효, 정제, 결정화, 건조 과정 등을 거쳐서 제품을 생산해왔다.

생산과정을 간단히 설명하면, 우선 라이신 발효액을 필터링이나 원심분리를 이용하여 균체를 제거하고, 이 후에 이온 교환 수지를 이용해서 L-라이신을 만든다. 그 후에 농축 과정을 거친다. 그리고 L-라이신·HCl을 만들기 위해 농축된 L-라이신 액에 HCl을 첨가한다. 농축된 L-라이신·HCl을 결정화하면 L-라이신·HCl:2H₂O의 제품이 만들어지고 이것을 건조하면 수분 1% 미만의 제품을 만들 수 있다.

이러한 기존 공법은 단점이 있다. 제품이 분말형태이기 때문에 먼지가 많이 발생하고 이 과정에서 제품 손실(loss)이 많이 발생할 수 있다는 것이다. 또한 이러한 환경에서는 분말가루로 인해 작업자의 건강이 상할 가능성이 클 뿐만 아니라 먼지로 인해 작업 자체가 지장을 받을 수도 있다.

발효액을 필터링이나 원심분리하여 균체를 제거하는 것은 수율을 하락하는 원인이 된다. 그리고 필터나 원심분리기에 대한 투자비가 커서 생산원가 상승의 한 요인이 된다. 또한 발효액을 여과하는 과정에서 바이오매스가 줄어들기 때문에 제품 단백질 함량도 줄어들게 되는 단점이 있다.

이온 교환 수지의 사용도 단점으로 작용한다. 이온 교환 수지 자체의 가격이 매우 비싸서 원가가 상승할 뿐만 아니라, 이온 교환 수지 공법에서 발생하는 다량의 폐수 또한 그 처리가 문제이다. 다량의 폐수는 그 처리과정에서 발생하는 비용뿐만이 아니라, 만약 발생하는 사고 시 막대한 환경오염을 초래하여 환경보호를 강조하는 요즘 시대 분위기에서는 기업 이미지 자체를 망치는 결과를 초래할 수도 있는 중요한 문제이다.

이러한 단점들을 극복할 수 있는 방법이 과립건조법이다. 과립건조법은 발효액에서 농축과정만을 거친 후 과립기를 이용해 바로 과립제품을 만들어내기 때문에 기존의 공법보다 공정 자체가 매우 단순해진다. 따라서 값비싼 여과기 및 이온 교환수지를 사용하지 않아도 되어 원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 수많은 정제 공정이 사라지기 때문에 공정의 복잡성이 현저히 감소하며 작업이 상대적으로 단순해진다. 따라서 기존 공법보다 제품을 더욱 값싸게 만들어낼 수 있다.

하지만 과립건조법이 장점만을 가진 것은 아니다. 과립건조법으로 제품을 생산할 경우 기존 공법보다 제품함량이 낮아지는 문제점이 있다. 기존 공법보다 정제 과정이 단순해졌기 때문에 라이신 외에 다른 물질들이 상대적으로 많이 잔류하기 때문에 나타나는 결과이다. 하지만 이것이 큰 문제가 되는 것은 아니다. 왜냐하면 라이신이 주로 동물 사료의 첨가물로 소량만이 첨가되기 때문에 라이신의 순도가 아주 높을 필요는 없기 때문이다. 두 번째 문제점으로 제품함량의 변동이 심하다는 것을 들 수 있다. 과립건조법은 발효액을 농축한 후 바로 제품을 만드는 것이기 때문에 발효액의 영향을 매우 크게 받는다. 기존의 공법에서는 정제 공정의 단계가 많기 때문에 많은 공정을 거치면서 그 영향을 상쇄해 나갈 수 있지만 과립건조법에서는 그러한 조치를 취할 공정 자체가 적기 때문에 나타나는 현상이다. 발효액의 함량은 매 발효 조건에 따라 민감하게 변화하기 때문에 발효액의 함량은 일정하지 못하고 어느 정도의 변동 폭을 갖는 것이 일반적이다. 그렇기 때문에 아무런 조치 없이 발효액으로 과립제품을 만들어내면 그 제품의 함량은 신뢰할 수 있는 일정한 값을 갖지 못하고 상황에 따라 변동이 심하게 될 수밖에 없다. 이것이 과립건조법으로 제품을 만드는 데에 있어 가장 기술적으로 어려운 점이라 하겠다.

과립화와 관련하여, Masters, K. Spray Drying: An Introduction to Principles, Operational Practice and Applications. Chemical Process and Engineering Series: Leonard Hill Books London, 1972 에는 사료 효모 가공 분야에서 있어서, 2 단계 공정 즉, 효모가 분무 건조되고 응집화되는 공정을 기재하고 있다.

또한, 일본국 특허공개 소56-35962(1981.04.08)에는 소석회와 라이신 농축물을 유 동상형 과립제조 및 건조장치로 1mm 이하의 과립의 형태로 제조하는 방법이 기재되어 있다.

또한, EP 0122163A1(1984.10.17)에는 라이신 35-48%, 단백질 10-15%, 젓산 1-3%, 탄소원자 8개 이하인 기타산 2-8%, 다당류 및 올리고당 2-7%, 지방질 및 오일 1-6%, 물 0.5-3%, 무기질 10-25%의 조성으로 이루어진 고형의 안정한 동물사료 조성물이 기재되어 있다. 이와 같은 동물사료는 발효물에서 미생물을 분리하지 않고 파괴한 후, 110-120℃에서 농축하고, 분무법, 연사과립법(kneading granulation), 건조-플레이킹법, 공비건조법 등에 의하여 건조되어 제조된다고 기재되어 있다. 또한, 발효조건에서 당 농도는 5-15g/l로 하고 잔류당의 농도가 2g/l 이하가 될 때, 발효를 중지하여 발효에서 당 농도를 조절한다고 기재되어 있다.

EPA 0345717(1989.12.13)은 발효액으로부터 동물 사료 첨가제로서 리보플라빈의 생산에 관한 것이다. 발효액을 분무 건조하고, 입경 미달 또는 초과 입자는 분쇄하여 재순환시켜 일정한 크기의 입자만을 선별하여 리보플라빈 과립을 제조한다. 발효액을 2 단계 공정에 의하여 과립화하는 공정이 개시되어 있으며, 2 단계 과립화에 사용되는 미세과립은 분무건조에 의하여 제조될 수 있다고 기재되어 있다. 과립의 입경 범위는 90 % 이상이 1 mm 이하이고, 밀도는 550 kg/m³ 이다.

또한, 일본국 특허공개 소62-104553(1987.05.15)은 라이신 생산 미생물의 배양으로부터 라이신 염산염 50 내지 70%를 함유하는 동물영양용 고체의 안정한 조성물을 제조하는 방법을 기재하고 있다. 또한, 이 공보에는 발효액으로부터 전처리로서 미생물 균체를 분리, 여과, 활성탄 등으로 제거하고, 온도 20 내지 80℃에서 농축한 후, Filtermat Spray Dry법으로 과립화하여 유동성이 좋고, 저장안정성이 우수한 조성물을 제조하는 방법이 기재되어 있다.

또한, SU-A-1 735 365(1992.05.23)에는 미생물의 배양에 의하여 얻어지는 배양물의 일부를 건조하여 미세과립을 만들고, 이들 미세과립을 나머지 농축된 상기 배양물과 혼합함으로써 응집하여 입경 2 내지 4 mm의 과립을 얻는 것을 특징으로 하는 동물사료 첨가제의 제조방법이 개시되어 있다.

또한, EPA 0491638(1992.06.24)은 L-Lysine HCl의 과립화와 관련하여, 미세과립을 유동상 건조기에서 분무 건조하여 과립으로 제조하는 방법을 기재하고 있고, 425 내지 1000 ㎛의 입경을 갖는 과립이 최종산물을 포장하는데 유리하다고 기재하고 있다. 이 특허에서는 고체 라이신 염산염 입자로 유동상에 씨딩하고 액체 라이신 염산염을 분무하여 과립을 제조하고 있다. 유동상 대신에 교반되는 건조 드럼 과립기(drying drum granulator)와 같은 다양한 기계적 교반 장치가 사용될 수 있다.

한편, 미국 특허 5,431,933(1995-07-11)은 지금까지 알려진 발효 브로스로부터 제조된 사료에 비하여 단백질 함량을 더욱 낮게 하며 취급성이 양호한 과립을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는, 발효 브로스를 임의로 바이오매스의 이미 분리된 부분과 함께 (분무) 건조시킴으로써 직접적으로 수득할 수 있다고 기술하고 있다. 그러나 이 방법에 따를 경우 40%이상의 아미노산 함량을 기재 하고 있으나, 산업규모에서 이런 발효액의 생산 곤란하다. 또한, 실시예를 살펴보면 알 수 있듯이 제품의 겉보기 밀도(bulk density)가 500~530kg/㎥ 정도로 낮다는 단점이 있다.

더 나아가, 이 특허는 환경오염을 방지할 목적으로 단백질 함량을 10 중량% 이하로 조절하고 있는데 이를 위하여 발효액으로부터 바이오 매스를 분리하는 단계가 필수적으로 필요한 단점이 있다. 사료에서 단백질 함량의 감소는 환경오염을 줄인다는 것이 이 특허보다 앞서 공개된 Feed Magzine 1/91에 기재되어 있다.

미국 특허 5,622,710(1997-04-22)은 발효액을 사용하여 문제를 일으키는 부산물 발생 없이 동물사료 첨가제를 만드는 방법에 관한 것으로, 1차적으로 미세과립을 형성한 후에 2차적으로 그 미세과립을 펠렛 공법(pelletizing process)을 이용해 최종 제품을 만들어내는 과정을 거친다. 이 특허를 이용해 생산한 제품은 겉보기 밀도가 550kg/㎥ 이상, 아미노산 함량이 33% 이상이며 흡습성과 점착성이 낮은 특성을 가지며 아미노산 함량이 40~90%인 제품을 만들 수가 있다. 구체적으로 살펴보면, 이 특허에서는 동화성 당 농도가 0.3중량% 이하로 유지되거나 감소되는 당-제한 조건하에 박테리아를 배양함으로써 아미노산 및 바이오매스를 함유하는 발효 브로스를 수득하고, 이를 직접 분무 건조함으로써 미립자(이는 입자 크기가 100㎛ 미만인 분말이 70중량% 이상을 차지하는 분말이다)를 수득한 후, 당해 미립자를 물 및 발효 브로스로 이루어진 그룹 중에서 선택된 결합제와 강하게 혼합하여 펠릿을 수득한다. 수득된 과립은 크기가 90중량% 이상은 1mm이하이고 10중량% 미만은 100㎛ 미만이다.

이 특허는, 건조 과립화 과정이 100 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 적어도 70 중량%의 미세 입자를 수득하는 스프레이 건조하는 단계와, 물 또는 발효 브로스를 결합제로 첨가하여 미세 입자로부터 과립을 형성하는 단계로 2단계로 이루어져 공정이 다소 복잡한 단점이 있다.

미국 특허 5,840,358(1998-11-24)은 농축된 발효액을 과립건조기를 사용해 한 단계(one step)의 공정으로 과립화, 컴팩트화, 건조까지 수행하여 제품을 생산하는 방법에 관한 특허이다. 이 특허 방법은 한 단계의 연속 공정으로 아미노산 발효액으로부터 곧바로 제품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 방법에서 컴팩트화 과정은 기계적 장치를 과립기 내에 설치하여 추가 에너지를 공급하여야 하는 단점이 있다.

그러나, 상기 특허들에는 제품에서 라이신의 함량을 일정하게 조절하는 과정이 없기 때문에 자연히 제품의 함량은 발효액의 특성에 매우 큰 영향을 받게 된다. 그러나, 발효액은 배양시기마다 그 성분의 변화폭이 크기 때문에, 상기 특허에 기재된 방법으로는 일정한 함량의 라이신을 가진 제품을 생산하기에는 적당하지 않다.

라이신의 함량을 일정하게 조절하는 과정과 관련하여, 미국 특허 5,990,350(1999-11-23) 또는 6,017,555(2000-01-25)에는 균체 분리한 발효액을 농축한 후 정제된 라이신과 적당한 비율로 섞어서 35~76% 범위에서 함량을 조절하여 원하는 라이신 제품을 생산하는 방법에 대하여 기재하고 있다. 하지만 이 특허의 실시예를 살펴보면 알 수 있듯이 이 특허 방식대로 55% 이상의 함량을 갖는 라이신 제품을 만들기 위해서는 농축 발효액과 정제된 제품과의 혼합비가 2:3 이 되어야 한다. 새로운 제품을 만들기 위해 정제 과정을 다 거친 라이신을 발효액보다 더 많은 양을 투입해야 한다면 그것은 비효율적일 뿐만 아니라 원가 상승의 요인이 된다. 따라서 이 특허 방식으로는 50% 이상의 라이신 함량을 갖는 제품에 대해서는 공업적 스케일로 확장할 수 있는 가능성이 작다. 또 제품 입자의 사이즈에 있어서도 미분 제품이 많은 편이며 이는 분진발생으로 인한 수율 저하 및 작업 환경 악화를 초래한다. 이러한 악영향을 예방하기 위해 집진 설비 등을 설치할 경우에는 원가 상승의 부담을 벗어날 수 없다.

한국 공개특허 2005-0097678(2005-10-10)에는 라이신 배양액에서 균체 슬러지와 여과액을 분리하는 단계, 상기 여과액을 농축하는 단계; 상기 농축액을 과립화하는 단계; 상기 균체 슬러지, 부형제 또는 유리 라이신, 및 흡습 방지제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 혼합하여 얻어지는 코팅제를 상기 과립에 코팅하는 단계로 이루어진 과립형 동물 사료 첨가제를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법에서는 별도의 코팅 공정이 필요한 단점이 있다.

이상에서와 같이, 라이신 발효액을 직접 건조 과립화하는 동물 사료 보충물의 제조 방법은 그 공정이 복잡하여 생산성의 저하 문제를 불러오며, 겉보기 밀도가 낮아 취급성이 나쁘며, 발효액의 특성에 따라 제품 함량의 변화가 심하여 일정한 함량의 라이신을 가진 제품을 생산하기 곤란한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공정을 복잡하게 하는 단계인 바이오매스의 제거를 위한 필터작업을 하지도 않으며, 별도의 흡습 방지제(예, 실리카)를 첨가하지 않아도 흡습성이 낮고, 흡습방지제를 넣지 않아 상대적으로 라이신 함량이 증가되고, 공정이 단순하여 생산성이 높으며, 일정한 함량의 라이신을 가진 성분이 제품을 생산하는 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따를 경우, 라이신 함량은 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 또한, 겉보기 밀도가 높은 치밀한 과립 구조로 수분의 접근을 차단하기 때문에 사료 첨가물로 사용되는 과립 제품의 중요한 물리적 특성인 흡습성을 최소화하여 오랜 시간 낮은 흡습성을 가지는 제품이 제공된다. 한편으로는, 종래에 US5,431,933에서는 바이오매스를 줄일 경우 흡습성의 문제가 추가적으로 발생하여 흡습성 개선에 어려움이 있는데, 본 발명에서는 이러한 점이 해결되었다.

과립건조기 운전 방법 최적화와 비규격 제품의 리사이클 공정을 통해 최종 제품에서입자의 크기는 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위가 되도록 차지하는 제품이 제공된다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, L-라이신 발효배양액을 총 고형분(total solid) 44~52% 중량%로 농축하는 단계; 상기 농축액에 부형제 및 자유 라이신으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하여 혼합 농축액을 형성하는 단계; 및 과립기에 200~500㎛ 크기의 미립자 시드를 투입하고, 상기 과립기 하부로부터 상기 혼합 농축액을 분사하여 상기 미립자 시드를 코팅하며 상기 미립자 시드의 크기를 증가시켜 양파모양의 과립을 형성시켜, 입자의 크기는 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위가 되도록 과립화하는 단계로 이루어진 동물 사료 보충물의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 동물 사료 보충물은 하기 조성과 특성을 가지는, 과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물로 요약될 수 있다:

함량	Lys·HCl 65 중량% 이상
입자 size	500㎛이하 0 내지 5%, 500㎛ 초과 1000㎛이하 20-30%, 1000㎛ 초과 1300㎛이하 60-70%, 1300㎛ 초과 5%이하(wt.대비)
겉보기 밀도	670±50kg/㎥
단백질	10~15 중량%
총당	1 중량% 이하
무기물	3 중량% 이하
수분	3 중량% 이하
카르복시산(C 8개 이하)	8 중량% 이하

상기 혼합 농축액을 형성하는 단계에서 자유 라이신 또는 부형제의 첨가량을 조절하여 과립제품의 최종 라이신 함량을 원하는 목표 함량으로 조절된다. 상기 과립화는 상기 과립기 하부에서 혼합 농축액을 노즐로 분사하고 열풍을 가하여 유동층을 형성하면서 수행된다.

상기 과립화하는 단계에서 얻어지는 입자의 크기는 혼합 농축액의 유속, 노즐압 또는 열풍의 풍량을 조절하여 이루어진다.

상기 부형제는 녹말, 카라기난 및 한천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 바람직하다. 상기 라이신 생산 균주는 코리네박테리움 (Corynebacterium) 속 균주를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 흡습 방지제는 첨가되지 않아도 흡습 저감 효과가 있으나, 필요한 경우 흡습 방지제로서 실리카, 중합체 등, 바람직하게는 유동 파라핀이 첨가될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법에 의하여 제조되는, 과립형 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물이 제조된다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 제조방법의 순서도를 참조하여 설명한다. 먼저 라이신 생산 균주를 이용하여 라이신 발효액을 제조한다. 본 발명에 있어서, 발효에 사용되는 균주는 라이신을 생산하는 균주이면 어느 균주나 사용될 수 있다. 바람직하게는, 라이신 발효에 빈번하게 사용되는 코리네박테리움(Corynebacterium) 속 균주이다. 미생물의 발효 조건은 특별하게 제한되는 것은 아니나, 발효액 중의 라이신은 많은 양으로 축적하나 생체량은 적게 축적되는 조건에서 배양하는 것이 바람직하다. 또한, 발효액 중의 당분은 발효액의 건조를 방해하고, 얻어지는 제품의 흡습성을 상승시키기 때문에 그 양을 감소시키는 조건에서 배양하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에서는 혼합 과정을 통하여 라이신의 함량을 조절할 수 있으며 과립 공정의 특성상 제품 겉면이 조밀하기 때문에 발효 조건이 상기 예와 같은 조건에 반드시 한정될 필요는 없다. 본 발명의 실시예에 사용된 코리네박테리움 (Corynebacterium) 속 균주를 배양하여 얻어지는 발효액에는 라이신을 10~20% 함유하고 있으며 그 농도는 170g/l 정도가 된다.

이렇게 생산된 발효액은 첫 단계로 수분이 일부 제거되는 농축과정에 의하여 농축된다. 농축 과정은 두 가지 의미를 가지는데, 우선 농축을 통해 발효액의 부피를 줄여 후속 공정의 부담을 줄이는 것이 하나의 목적이다. 또 다른 목적은 더 중요한 의미가 있는데 농축을 통해 액 내의 라이신 농도를 높여 좀 더 용이하게 과립을 형성하는 것이다.

농축 과정을 통해 발효액의 총 고형분(total solid)의 양이 44~52%가 되도록 조절되는데, 농축은 감압농축법을 사용하며, 작업 조건은 진공도 680mmHg, bath 온도 65℃가 적당하다. 이 작업 조건은 농축 진행 사항에 따라서 또는 작업 진행 속도를 조절하기 위해 조절이 가능하다.

농축이 완료된 농축액은 pH 조절 과정을 거친다. pH 조절은 황산을 이용하여 행하는데 pH3.5로 값을 조절한다. pH 조절 후에는 농축액을 60℃에서 3시간 이상 방치한다. pH 조절 및 60℃에서 2시간 이상 방치 과정을 거치는 이유는 과립 제품에서 검출될 수 있는 발효 균주의 gDNA 성분 분해를 위한 것으로, 신균주 개발에 투자되는 비용 및 균주가 생산성에 미치는 영향을 고려할 때, 균주 보안의 중요성이 매우 크기 때문이다. 이 과정을 거친 후 제품을 생산하면 gDNA 성분의 분해 정도가 양호하여 균주 유출의 위험성을 낮출 수 있다.

이렇게 gDNA 성분 분해 과정까지 거친 농축액은 혼합 탱크로 이송된다. 혼합 과정은 여러 가지 목적을 가지는데, 가장 중요한 목적은 생성된 과립 제품의 라이신 함량을 원하는 수준으로 조절하는 역할이다. 혼합 과정에서는 농축액에 함량조절 물질이 혼합되는데, 이 때 투입하는 함량조절 물질은 농축액의 함량에 따라 부형제일 수도 있고 자유(free) 라이신일 수도 있다. 자유 라이신 및 부형제는 종래 알려진 것들이 사용가능하다. 상기 종래기술에서 기재한 문헌들에도 이들에 관한 기재가 있으며 상기 문헌을 본 발명의 명세서에 참고로 한다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 부형제로서 옥수수전분, 녹말, 카라기난 및 한천으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질이 바람직하다.

농축액 함량이 규격 함량을 초과할 경우에는 부형제를 투입하여 라이신 함량을 낮추는 역할을 하고, 반대로 함량에 미달할 경우에는 라이신 분말을 투입하여 라이신 함량을 높이는 역할을 하도록 한다. 대부분의 기존 특허에서는 과립 라이신 생산 시 함량을 조절하는 공정이 포함되어 있지 않으며 그로 인해 과립 제품의 함량 편차가 커지게 된다. 함량 조절 과정을 거치지 않을 경우에는 함량 편차가 있는 발효액의 물성에 따라 제품 함량도 변화가 심해지기 때문에 일정한 함량을 갖는 제품을 생산하는 것이 매우 어렵게 된다. 본 발명의 방법에 의해 제품 함량을 조절할 경우 거의 일정한 함량으로 최종 제품 함량을 맞출 수가 있다.

이와 같은 혼합 과정을 거친 혼합액은 과립화 공정에 투입된다. 과립화 공정은 작업 조건에 따라 과립 제품의 입도 분포, 겉보기 밀도, 함량이 달라지기 때문에 과립 라이신 제조에서 가장 중요하고 기술이 집약된 공정이다. 과립화 공정에는 기존에 공지된 여러 가지 방법이나 장치가 사용가능하다. 상기 US5,990,350, US6,017,555 등에도 이러한 장치나 방법이 기재되어 있다. 다만, 과립의 형상이 중앙의 시드(seed)에 발효 농축액이 겹겹이 코팅되어 입자가 성장된, 단면 구조가 양파(onion) 구조가 되도록 조절하고, 과립기내에 브레이드 내지 분쇄기를 설치하 지 않고 외부에 별도의 밀러를 장치하여 별도 장치를 함으로서 본 발명을 이룰 수 있다. 왜냐하면, 과립기내에 기계적인 장치인 브레이드를 설치하게 되면 물리적인 힘에 의해 입도가 조밀한 입자가 생성하지 못해 단면 구조가 양파구조의 형성이 어려움이 있다.

이와 같이 양파모양으로 과립화하기 위하여, 과립화 공정에선 우선 과립기에 200~500㎛인 과립 제품이 시드(Seed)로서 투입된다. 그 후 과립기 하부에서 노즐을 통해 과립기 내로 상기 농축공정에서 얻은 농축액을 분사한다. 분사된 농축액은 노즐의 분사압에 의해 상승하다가 과립기 내의 시드에 코팅된다. 코팅된 시드는 중력에 의해 상승을 멈추고 하강하며, 어느 정도 하강한 이후에는 노즐에서 분사되어 상승하는 액과 과립기 하부에서 가해지는 열풍에 의해 다시 상승을 시작한다. 이렇게 과립기 내에서 물질이 상승과 하강을 반복하는 과정에서 생성되는 층을 유동층(fluidized bed)이라고 하는데, 도 2에 도시된 바와 같이 이 유동층 내에서 분사액이 시드에 여러 겹으로 양파(onion) 모양으로 지속적으로 코팅되면서 과립 입자가 생성되고 사이즈가 커지게 된다. 과립기 내로 분사된 농축액은 과립기 내의 고온 환경 및 하부에서 분사되는 열풍에 의해 건조되어 고화되고, 연속적으로 분사되는 농축액과 계속 충돌하여 다시 건조되는 과정을 반복하면서 양파모양의 과립을 형성한다.

이에 반하여, 종래기술(US5,622,710)에 따른 과립은 도 3에 도시된 바와 같이, 100㎛ 이하의 미세과립을 만든 후에 발효액을 결합제(binder)로 사용하여 기계적인 힘인 브레이드를 이용하는 산딸기 형태의 펠릿을 만드는 2단계로 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 200~500㎛의 크기의 시드 미세과립에 발효 농축액을 코팅 건조하여 과립입자를 성장시키므로 그 기작이 전혀 상이하다.

이와 같이 그 과립의 성장 방법과 기작이 상이하기 때문에 실제 제조된 과립의 형상도 차이가 난다. 도 4 및 5는 각각 본 발명의 방법에 의하여 제조된 과립 및 종래기술(US5,622,710)의 방법에 따른 과립의 입자 외관 형상과 단면 형상을 전자 현미경으로 확대(2000배)하여 촬영한 사진을 나타낸다. 본 발명의 방법에 의하여 제조된 과립은 하기 실시예에 의하여 제조된 것이고, 종래기술(US5,622,710)의 방법에 따른 과립은 US5,622,710의 특허권자인 데구사 아게가 시판하고 있는 BIOLYS^TM 제품이다.

도면에서 도시된 바와 같이 육안으로 관찰한 외관은 비슷하지만, 그 단면을 전자현미경으로 확대하여 보면 본 발명에 따른 과립은 내외부가 매끄러운데 반하여, 종래기술에 따른 과립은 알갱이가 뭉쳐있는 것으로 관찰된다.

상기 과립화에 의하여 어느 정도 사이즈가 커진 과립은 열풍에 의해서도 상승을 하지 못할 정도의 무게가 되고, 그렇게 사이즈가 커진 과립은 바닥에 가라앉아 쌓이게 된다. 경우에 따라서는 미세 입자 및 분사액이 너무 높이 상승하는 경우가 발생하는데 이러한 현상으로 인해 발생하는 손실(loss)를 막기 위해 과립기 상단에 백 필터(bag filter)가 설치되어 있으며 주기적으로 백 필터에 붙은 미세 입자를 털어주기 위한 털기(shaking)을 한다.

과립화 공정 시, 과립기 작업 조건은 히터 온도 170℃, 입구(in let) 온도 140~160℃, 출구(out let) 온도 60~70℃, 스프레이 압력 1.8~2.0 bar가 적당하다.

과립화 공정을 거친 제품은 냉각 단계를 거쳐 흡습성을 최소화한다.

과립화 공정을 거치고 냉각까지 끝마친 제품은 다양한 입도 분포를 가지게 된다. 어떤 과립 입자는 그 크기가 너무 커 제품화를 할 수 없는 경우가 있고 어떤 경우에는 반대로 입자가 너무 미분이라서 제품화를 할 수 없는 경우도 있다. 따라서 과립 제품의 생산 이후에는 제품 크기 규격에 따라 과립을 분류하는 공정이 필요하다. 이 공정이 사별 공정(sieving process)이며 이 공정을 거치면서 규격에 맞는 크기 제품과 규격에 맞지 않는 제품으로 분류되게 된다. 제품 규격에 맞는 크기의 과립은 다음 공정으로 넘어가게 되며, 규격에 맞지 않는 제품은 밀러를 이용하여 분쇄 과정을 거친 후 공정으로 리사이클 되어 시드로 사용된다.

본 발명에서는 과립화에 의하여 얻어지는 과립 중 1,300 ㎛를 초과하는 과립은 분쇄하여 과립기로 되돌려 보내고, 500 ㎛ 보다 작은 과립은 그대로 과립기로 되돌려 보내어, 과립화를 위한 시드로 사용하여 추가의 과립화를 거치도록 한다.

과립화 제품은 일반적으로 겉보기 밀도가 낮다. 겉보기 밀도가 낮을 경우 제품의 취급성이 떨어지는 단점이 있다. 본 발명에 따른 방법에서는 시드에 농축액을 코팅하여 양파구조의 과립제품을 생산함으로써 겉보기 밀도를 670±50kg/㎥ 까지 획기적으로 높였다.

본 발명에 의하여 최종 생산된 제품은 다음과 같은 성분 조성을 가진다.

함량	Lys·HCl 65 중량% 이상
입자 size	500㎛이하 0 내지 5%, 500㎛ 초과 1000㎛이하 20-30%, 1000㎛ 초과 1300㎛이하 60-70% 1300㎛ 초과 5%이하(wt.대비)
겉보기 밀도	670±50kg/㎥
단백질	10~15 중량%
총당	1 중량% 이하
무기물	3 중량% 이하
수분	3 중량% 이하
카르복시산(C 8개 이하)	8 중량% 이하

(실시예 1)발효액으로부터 직접 과립 형성

본 실시예에서는 코리네박테리움 글루타미쿰 CJM107 (KCCM-10227)을 공정수 1리터 기준으로 원당 50 g, 펩톤 10g, 효모추출물 10g, 요소 5g, KH₂PO₄ 4g, K₂HPO₄ 8g, MgSO₄ㆍ7H₂O 0.5g, 바이오틴 100㎍, 티아민 HCl 1,000㎍을 포함하는 배지 18 리터에서 , 배양온도 35 ℃, 배지 pH 6~8 범위에서 배양시간 98 시간 동안 배양하여 라이신 발효를 수행하였다. 발효액 중의 라이신 함량은 18%이었다.

발효액여과액을 감압농축 방식으로 총 고형분 55.2wt%까지 농축한 후, pH를 3.5~3.6으로 조절하였다. pH 조절은 황산을 이용하여 행하는데 pH 조절 후에는 농축액을 60℃에서 2.5시간 방치하였다.

gDNA 분해과정까지 거친 농축액은 과립기(GR Engineering, Fluid Bed Spray Dryer Batch type Pilot) 하부 노즐을 통해 바닥 스프레이(bottom spray) 방식으로 과립기 내에 투입하였다. 이때 과립기 운전 조건은 히터 온도 170℃, 입구 온도 140~160℃, 출구 온도 60~70℃, 스프레이 압력 1.8~2.0 bar으로 하였다. 사용하는 시드는 Spray Dry 방법으로 제조하였고 그 크기는 300㎛로 하였다. 과립기 내로 투입된 농축액은 열풍에 의해 건조되어 고화되고 유동층 내를 유동하면서 새로 투 입된 농축액에 의하여 크기가 커지게 된다. 과립 입자가 원하는 크기만큼 커지면 과립기 운전을 중지하고 제품을 회수하여 함량을 비롯한 제품 성분을 분석하였다.

본 실시예에 의해 얻어진 과립은 라이신 함량 68%, 단백질 함량 15%, 수분 함량은 0.02%, 겉보기 밀도가 665.1kg/㎥, 무기물 함량 1.6%, 입자크기는 500㎛이하는 4%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 25.6%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 67.4%이며 1300㎛ 초과는 3%이었다.

(실시예 2)발효액에 자유 라이신 첨가하여 함량 조절

실시예 1과 동일한 조건에서 발효 과정을 거쳐 생산된 발효액(라이신 함량 14.5%)을 총 고형분 51.5wt%까지 농축하였다. 여기에, 자유 라이신 8g(CJ(주)제품)을 혼합탱크에 첨가하고 혼합한 후, 실시예 1과 동일한 조건으로 과립화하였다.

최종적으로 얻어진 제품은 함량이 68%, 단백질 함량 14%, 수분 0.13%, 겉보기 밀도가 665.5kg/㎥, 무기물 함량 2.50%, 입자의 크기는 500㎛이하는 3%고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 28%이며, 1000㎛~1300㎛이하는 67%이며 1300㎛ 초과는 2%이었다.

(실시예 3)발효액에 부형제 첨가하여 함량 조절

실시예 1과 동일한 조건에서 발효 과정을 거쳐 생산된 발효액은 라이신 함량 20%, 총 고형분(total solid) 25.8%의 발효액을 사용하였다.

상기 발효액을 농축 한 후 농축액에 부형제로서 옥수수 전분 0.22kg을 물 0.5.L에 녹인 수분 함량이 9.0%인 것을 혼합탱크에 첨가하고 혼합하였다.

발효액여과액을 감압농축 방식으로 총 고형분 50.5wt%까지 농축한 후, 실시예 1과 동일한 조건으로 과립화하였다.

본 실시예에서 최종적으로 얻어진 제품은 라이신 함량 66%, 단백질 함량 14% , 수분 0.24%, 겉보기 밀도 682.5kg/㎥, 무기물 함량 1.88%, 입자의 크기는 500㎛이하는 4%이고, 500 초과 1000㎛이하는 29%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 63%이고 1300㎛ 초과는 4%이었다.

(실시예 4)본 발명과 비교해 기존 제조공정 제품들과의 흡습성 비교실험

각각 A, B, 및 C 시료인 과립 10g을 실험용 접시(50ml)에 항온 항습기(EYELA^™) 내에 25℃에서 항습 상대습도 75%하에서 7시간 방치후 무게 증가량에 따른 흡습성 비교실험을 수행하였다.

	A	B	C	비고
수분증가율	11%	9.4%	9.3%

A: 바이오매스를 제거하기 위한 막필터후 여과액 직접과립

B: 발효액 과립

(바이오매스를 제거하지 않고, 흡습방지제 첨가하지 않는 과립: 본 발명)

C: 바이오매스를 제거하기 위한 막필터후 여과액 과립후 흡습방지제(실리카)를 첨가하여 코팅

본 비교실험을 통해 A는 바이오매스를 제거하기 위해 막필터후 여과액과립의 흡습성이 제일 높았으며, 본 발명(B)과 바이오매스를 제거후 흡습방지제(실리카)를 코팅한 과립의 흡습성과 동일 유사하여 제조공정을 줄임에도 불구하고 흡습성 개선이 동일하거나 우수함을 보였다. 따라서, 본 발명은 흡습방지제를 첨가하는 공정없이도 흡습을 저감하는 장점이 있으며, 더불어 라이신 함량을 높이는 이점도 있다.

본 발명의 방법에 따른 동물 사료 첨가물은 겉보기 밀도가 높고, 라이신 함량이 일정하고, 제조공정이 단순한 장점이 있다. 이러한 개선된 방법에 의해, 공정을 복잡하게 하는 바이오매스의 제거를 위해 필터작업을 하지도 않으며, 기존 제품의 제품들이 흡습방지제를 넣어 흡습개선을 하였으나 본 발명은 흡습방지제를 넣지도 않고 흡습성이 개선된 제품을, 라이신 함량을 목표로 하는 함량으로 제조할 수 있으며 동시에 높은 겉보기 밀도를 가지는 제품을 저비용으로 생산할 수가 있게 되었다. 또한, 당 함량을 줄이므로 흡습 저감에 효과적이며 이로 인해 상대적으로 고함량의 라이신 함량을 개선시킬 수 있었다.

또한 막대한 시간적, 금전적 투자를 통해 얻어지는 생산 균주의 gDNA 유출로 인한 손실을 막기 위해 gDNA 분해 방법을 제시하였으며, 이 방법에 의할 경우 gDNA 분해 상태가 양호하여 균주 유출의 위험성을 크게 낮출 수 있다.

Claims (8)

1. L-라이신 발효배양액을 필터를 거치지 않고 직접적으로 총 고형분(total solid) 48~52 중량%로 농축하는 단계;

   상기 농축액에 부형제 및 자유 라이신으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하여 혼합 농축액을 형성하는 단계; 및

   과립기에 200~500㎛ 크기의 미립자 시드를 투입하고, 상기 과립기 하부로부터 상기 혼합 농축액을 분사하여 상기 미립자 시드를 코팅하면서 상기 미립자 시드의 크기를 증가시킴으로써, 양파모양의 과립을 형성시켜, 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위가 되도록 과립화하는 단계로 이루어진 지고,

   상기 과립화하는 단계에서는 상기 과립기 하부에서 혼합 농축액을 노즐로 분사할 때 열풍을 가하여 유동층을 형성하면서 과립화하는 것을 특징으로 하는, 과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합 농축액을 형성하는 단계에서 자유 라이신 또는 부형제의 첨가량을 조절하여 과립제품의 최종 라이신 함량을 원하는 목표 함량으로 조절하는 것을 특징으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
3. 삭제
4. 청구항 3에 있어서, 상기 과립화하는 단계는 얻어지는 입자의 크기는 상기 혼합 농축액의 유속, 노즐압 또는 열풍의 풍량으로 조절하는 것을 특징으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 부형제는 옥수수전분, 녹말, 카라기난 및 한천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 라이신 생산 균주는 코리네박테리움 (Corynebacterium) 속 균주인 것을 특징으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
7. 청구항 1, 2, 3 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 농축액을 형성하는 단계에서 흡습 방지제가 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법.
8. 청구항 1, 2, 4 내지 6 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조되는, 과립형 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물.

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