KR101094447B1 - Biobutanoic acid and Preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오부탄산 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게 설명하면, 탄수화물을 혐기성 세균으로 발효시킨 발효액을 전기투석분리법을 이용하여 이로부터 부티레이트염 수용액을 제조한 후, 이를 산성화시킨 다음, 특정용매로 추출한 후, 추출물로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하여 바이오부탄산을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 바이오부탄산에 관한 것이다. 본 발명의 바이오부탄산의 제조방법은 암모늄설페이트 또는 칼슘설페이트 등의 설페이트염 부산물이 거의 발생하지 않기 때문에, 이를 제거, 폐기하기 위한 별도의 추가공정이 불필요할 뿐만 아니라, 높은 수율로 바이오부탄산을 얻을 수 있다.The present invention relates to a biobutanoic acid and a method for preparing the same, and in more detail, a fermentation broth obtained by fermenting carbohydrates into anaerobic bacteria is prepared from an aqueous butyrate salt solution by electrodialysis, and then acidified, After extraction with a solvent, n-butanoic acid is separated and purified from the extract to produce a biobutanoic acid and a biobutanoic acid prepared by the above method. Since the method of preparing the biobutanoic acid of the present invention hardly generates by-product salts of sulfate salts such as ammonium sulfate or calcium sulfate, it is not necessary to use a separate additional step for removing and discarding the biobutanoic acid with high yield. You can get it.

n-부탄산, 전기투석분리법, 혐기성 세균, 부티레이트염 n-butanoic acid, electrodialysis, anaerobic bacteria, butyrate salt

Description

바이오부탄산 및 이의 제조방법{Biobutanoic acid and Preparing method thereof}Biobutanoic acid and preparation method thereof

본 발명은 탄수화물을 혐기성 세균으로 발효시킨 발효액을 전기투석분리법을 이용하여 이로부터 부티레이트염 수용액을 제조한 후, 이를 산성화시킨 다음, 특정용매로 추출한 후, 추출물로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하여 바이오부탄산을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 바이오부탄산에 관한 것이다.In the present invention, a fermentation broth obtained by fermenting carbohydrates into anaerobic bacteria is prepared from an aqueous solution of butyrate salt using electrodialysis, and then acidified, extracted with a specific solvent, and then separated and purified n-butanoic acid from the extract. It relates to a method for producing biobutanoic acid and to a biobutanoic acid produced by the above method.

현대의 화학 산업과 에너지 산업 구조는 유한한 화석 연료에 대한 지나치게 높은 의존도, 빠르게 진행되고 있는 화석 연료의 고갈 문제 및 화석 연료의 과다 사용에 따른 대기 중의 온실기체 농도 상승으로 인한 범지구적인 환경 문제를 유발하고 있다. 그러나, 바이오 연료는 자연적으로 주기적인 재생이 가능한 바이오 매스(Bio mass) 또는 바이오 폐기물을 이용하여 제조되기 때문에 친환경적인 연료로 간주된다. 바이오 연료인 바이오 디젤, 바이오 에탄올과 함께 바이오부탄올은 향후 운송 수단에 쉽게 적용 가능한 연료로서 매우 유망한 에너지원으로서 주목받고 있으며, 이들의 경제적이고 친환경적인 제조 방법의 개발에 관심이 집중되고 있다. The modern chemical and energy industry structure has been challenged by global dependence on excessive dependence on finite fossil fuels, rapidly depleting fossil fuels and increasing atmospheric concentrations of greenhouse gases resulting from overuse of fossil fuels. It is causing. However, biofuels are considered environmentally friendly fuels because they are made from biomass or biowaste that can be recycled periodically. Along with biofuels, biodiesel and bioethanol, biobutanol is attracting attention as a very promising energy source as a fuel that can be easily applied to future vehicles, and attention is being focused on the development of economical and environmentally friendly manufacturing methods.

부탄올은 종래에는 석유화학 공장의 납사 크래커에서 대량 제조되는 프로필렌을 원료로 부틸 알데히드를 경유하여 제조되어 왔는데, 근래에는 유기성 폐자원과 바이오 매스를 원료로 이용하는 미생물 발효 과정을 거쳐서 n-부탄산을 제조한 한 후, 이를 에스테르화 반응시켜서 부탄올을 제조하는 방법도 가능하게 되었다. 그러나, 미생물을 이용하여 n-부탄산을 제조한 후, 이를 이용하여 부탄올을 제조하는 경우, 부틸 알데히드를 이용하여 부탄올을 제조한 방법에 비하여 제조 수율을 더 높일 수 있지만, 추가적인 화학적 전환 과정과 이를 위한 추가적인 분리 정제 공정을 고려할 때, 경제성이 낮은 문제가 있었다. Butanol has conventionally been produced via butyl aldehyde as a raw material of propylene produced in large quantities in naphtha crackers of petrochemical plants. Recently, n-butanoic acid is produced through a microbial fermentation process using organic waste and biomass as raw materials. After this, a method for producing butanol by esterification is also possible. However, when n-butanoic acid is prepared by using microorganisms, butanol is prepared using the same, the production yield may be higher than that of butanol using butyl aldehyde. In view of the additional separation and purification process for this purpose, there was a problem of low economic efficiency.

n-부탄산의 제조 수율을 높이는 방법으로서 중공사막 모듈을 이용한 막접촉기를 활용한 발효동시추출 분리기술이 일부 문헌에 소개되어 있다. 그러나, 막접촉기는 추출 용매 혼합물에 존재하는 올레일알콜과 유기아민, 그리고 역추출 용매로 사용되는 가성소다 용액에 의하여 열화되거나 변성되기 쉬우므로, 장시간 안정적으로 사용하기 어려우며, 실제로 중공사막 재질에 접촉하는 올레일알콜과 유기아민 등의 물질은 막 재질 내부로 확산 침투되어 팽윤, 가용화 등을 일으켜 막의 기계적 안정성을 훼손하고 분리 선택도를 잃게 하는 문제가 있다. 또한, 발효액으로부터 얻어지는 화합물을 n-부탄산으로 산성화시키기 위하여 황산 등을 사용함으로써, 암모늄셀페이트 또는 칼슘설페이트와 같은 염 부산물이 생성되어 이를 대량 폐기하기 위한 비용을 추가로 부담해야 하는 문제 발생하기 때문에, 막접촉기를 이용하여 n-부탄산을 제조하는 방법은 산업성이 떨어지는 문제가 있다. As a method of increasing the yield of n-butanoic acid, fermented co-extraction separation technology using a membrane contactor using a hollow fiber membrane module has been introduced in some documents. However, the membrane contactor is easily deteriorated or denatured by the oleyl alcohol, organic amine, and caustic soda solution used as the back extraction solvent in the extracting solvent mixture, so it is difficult to use it stably for a long time and actually contact the hollow fiber membrane material. Materials such as oleyl alcohol and organic amines are diffused and penetrated into the membrane material, causing swelling, solubilization, etc., thereby impairing the mechanical stability of the membrane and losing separation selectivity. In addition, since sulfuric acid or the like is used to acidify the compound obtained from the fermentation broth with n-butanoic acid, salt by-products such as ammonium sulphate or calcium sulphate are generated, which causes additional costs for mass disposal. , The method for producing n-butanoic acid using a membrane contactor has a problem of poor industrial performance.

이에 본 발명자들은 높은 경제성으로 바이오부탄산을 제조하는 방법을 연구한 결과, 탄수화물을 클로스트리디움속 균으로 발효시키기 위한 최적의 발효 조건을 알게 되었고, 발효액으로부터 부티레이트염(butyrate salt)을 효과적으로 분리 및 농축시킬 수 있는 전기투석분리법을 도입하면 높은 수율로 n-부탄산을 얻을 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 바이오부탄산 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present inventors have studied the method for producing biobutanoic acid with high economical efficiency, and have found the optimum fermentation conditions for fermenting carbohydrates into the genus Clostridium bacteria, and effectively separating butyrate salt from the fermentation broth. The introduction of an electrodialysis method that can be concentrated to realize that n-butanoic acid can be obtained in a high yield to complete the present invention. That is, an object of the present invention is to provide a biobutanoic acid and a method for producing the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 탄수화물을 발효시켜 생성한 발효액으로부터, 전기투석분리법으로 부티레이트염 수용액을 분리 및 농축시킨 다음, 농축된 부티레이트염 수용액을 산성화시킴과 동시에 유기용매를 이용하여 n-부탄산이 포함된 유기상을 추출한 후, 상기 n-부탄산이 포함된 유기상으로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하는 고수율로 바이오부탄산을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is the fermentation broth produced by fermenting the carbohydrate, the butyrate salt aqueous solution is separated and concentrated by electrodialysis, and then the acidified butyrate salt aqueous solution and n-butane using an organic solvent at the same time It is an object of the present invention to provide a method for producing biobutanoic acid with high yield of separating and purifying n-butanoic acid from the organic phase including n-butanoic acid after extracting an organic phase including an acid.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 바이오부탄산을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a biobutanoic acid prepared by the above production method.

본 발명은 전기투석분리기를 발효조와 동시적으로 또는 간헐적으로 병행 운 전하여 발효물(발효액)을 발효조의 매질로부터 분리해줌으로써, 부티레이트염의 농도가 발효조 내의 발효균의 생존 조건에 적합하도록 유지 및 생성물 장애(product inhibition) 현상을 극복함으로써, 목적물질인 부티레이트염의 수율을 높일 수 있고 궁극적으로 고순도의 바이오부탄산을 높은 수율로 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명은 전기투석분리기를 이용하여 발효액으로부터 활용된 탄소원을 분리, 재순환 및 재사용할 수 있으며, 또한, 본 발명은 암모늄설페이트 또는 칼슘설페이트 등의 설페이트염 등의 부산물이 거의 발생하지 않기 때문에, 이를 제거, 폐기하기 위한 별도의 추가공정이 불필요하기 때문에 경제성이 우수하다.The present invention separates the fermentation product (fermentation broth) from the fermenter's medium by simultaneously or intermittently operating the electrodialysis separator in parallel with the fermentation tank, so that the concentration of butyrate salt is suitable for the survival conditions of the fermentation bacteria in the fermentation tank. By overcoming the product inhibition, it is possible to increase the yield of the butyrate salt as the target substance and ultimately obtain high purity biobutanoic acid in high yield. In addition, the present invention can be used to separate, recycle and reuse the carbon source utilized from the fermentation broth using an electrodialysis separator, and in the present invention, since by-products such as sulfate salts such as ammonium sulfate or calcium sulfate are hardly generated, It is economical because no additional process is required to remove and discard it.

이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명을 하겠다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 있어서, 부티레이트염은 암모늄 부티레이트 및 칼슘 부티레이트로 정의한다.In the present invention, butyrate salts are defined as ammonium butyrate and calcium butyrate.

본 발명의 바이오부탄산의 제조방법은 탄수화물을 발효시켜 생성한 발효액으로부터, 전기투석분리법으로 부티레이트염 수용액을 분리 및 농축시키는 1 단계; 이산화탄소, 탄산 및 무기산 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상으로 상기 농축된 부티레이트염 수용액을 산성화시킴과 동시에 유기용매를 이용하여 n-부탄산이 포함된 유기상을 추출하는 2 단계; 및 상기 n-부탄산이 포함된 유기상으로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하는 3 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. Biobutanoic acid production method of the present invention is a step of separating and concentrating an aqueous butyrate salt solution by electrodialysis from the fermentation broth produced by fermenting carbohydrate; Acidifying the concentrated butyrate salt aqueous solution with at least one selected from carbon dioxide, carbonic acid, and an inorganic acid, and simultaneously extracting an organic phase including n-butanoic acid using an organic solvent; And three steps of separating and purifying n-butanoic acid from the organic phase including n-butanoic acid.

상기 1 단계에 있어서, 상기 발효액은 글루코오스, 포도당 등과 같은 탄수화 물을 혐기성 균을 이용한 혐기성 발효과정을 수행하여 제조된다. 상기 혐기성 균은 클로스트리디움(Clostridium)속 균들이며, 바람직하게는 클로스트리디움 타이로부티리쿰(Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butryricum), 클로스트리디움 아세토부티리쿰(Clostridium acetobutyricum), 클로스트리디움 베이제린카이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리디움 포퓰레티(Clostridium populeti) 및 클로스트리디움 써모부티리쿰(Clostridium thermobutyricum) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 클로스티리디움속 균을 포함할 수 있다. In the first step, the fermentation broth is prepared by performing an anaerobic fermentation process using anaerobic bacteria with carbohydrates such as glucose and glucose. The anaerobes are Clostridium spp., Preferably Clostridium tyrobutyricum, Clostridium butryricum, Clostridium acetobutyricum, It may include one or two or more Clostridium bacteria selected from Clostridium beijerinckii, Clostridium populeti and Clostridium thermobutyricum.

그리고, 전기투석분리에서의 탄화수소(탄수화물)의 분리 부담을 줄이기 위해서 발효조의 탄화수소(탄수화물) 농도를 일정 농도 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, 전기투석 분리 이전 상태에서는 글루코오스와 같은 탄화수소(탄수화물)의 농도를 높게 유지할 수도 있지만, 적어도 전기투석 분리가 진행될 때에는, 탄화수소(탄수화물)의 농도를 50 g/L 이하로, 바람직하게는 10 ~ 30 g/L의 농도로, 더욱 바람직하게는 10 ~ 20 g/L의 농도로 유지하는 것이 좋다.And, in order to reduce the separation burden of hydrocarbons (carbohydrates) in the electrodialysis separation, it is preferable to adjust the hydrocarbon (carbohydrates) concentration of the fermentation tank below a certain concentration. Therefore, although the concentration of hydrocarbons (carbohydrates) such as glucose may be kept high in the state before electrodialysis separation, at least when the electrodialysis separation is performed, the concentration of hydrocarbons (carbohydrates) is 50 g / L or less, preferably 10 to It is preferable to maintain the concentration at 30 g / L, more preferably at a concentration of 10 to 20 g / L.

상기 혐기성 균들을 고정화 접종된 발효조에서 혐기성 조건을 유지하고 탄화수소 원료를 먹이로 제공하면, 암모늄 부티레이트, 칼슘 부티레이트 등의 부티레이트염 및 초산 등의 유기산 등을 포함하는 발효액을 생성한다. 상기 발효는 pH 5.8 ~ 6.5 및 35 ~ 40℃의 발효 조건을 유지하는 것이, 더욱 바람직하게는 pH 5.9 ~ 6.4 및 37 ~ 39℃의 발효 조건을 유지하는 것이 부티레이트염 생성 면에서 좋다. 그리고, 생성된 발효액에 함유된 유기산은 발효액의 산도 강하를 유발하 기 때문에, pH 완충역할을 하는 암모늄 이온 또는 칼슘 양이온이 포함된 산도조절제를 첨가할 수도 있다. 그리고, 발효액의 농도 특히, 부티레이트염의 농도가 높아지면 혐기성 균의 생존 한계에 가까워지거나 또는 생성물 저해 농도에 도달하게 되어, 혐기성 균이 더 이상 우리가 목적으로 하는 물질을 생산하지 않고, 그 활동이 둔화될 수 있으므로, 발효조로부터 생성된 발효액을 제거하는 것이 필요하며, 이를 위하여 본 발명은 아래와 같은 전기투석분리법을 사용하여 발효액을 발효조로부터 제거한다.Maintaining anaerobic conditions in the fermentation tank immobilized inoculation of the anaerobes to provide a hydrocarbon feed, a fermentation broth containing butyrate salts such as ammonium butyrate, calcium butyrate and organic acids such as acetic acid. The fermentation is preferably maintained in the fermentation conditions of pH 5.8 ~ 6.5 and 35 ~ 40 ℃, more preferably maintaining the fermentation conditions of pH 5.9 ~ 6.4 and 37 ~ 39 ℃ in terms of the butyrate salt production. In addition, since the organic acid contained in the resulting fermentation broth causes an acidity drop of the fermentation broth, an acidity regulator containing ammonium ions or calcium cations that act as a pH buffer may be added. When the concentration of fermentation broth, especially the butyrate salt, increases, the limit of survival of the anaerobic bacteria is reached or the product inhibition concentration is reached, and the anaerobic bacteria no longer produce the material we want, and the activity is slowed. Since it is possible, it is necessary to remove the fermentation broth produced from the fermentation tank, and for this purpose, the present invention uses the following electrodialysis separation method to remove the fermentation broth from the fermentation tank.

상기 전기투석분리법은 2 단 또는 3 단의 분리단(stage)으로 구성된 전기투석분리기를 사용할 수 있다. 전기투석(Electric Dialysis) 분리는 양이온 교환형 전해막과 음이온 교환형 전해막 사이에 스페이서(spacer)로 유로(channel)를 만든 단위막을 쌓아 배열한 적층구조체(stack)에 분리에 필요한 직류 전압을 인가하여 전해질과 비전해질 물질들 사이에 선택적으로 전기적 분리가 일어나도록 만든 것이다. 전기투석분리막은 기존의 막 접촉기에서 사용한 중공사 분리막보다 물리화학적으로 더 안정한 형태로 제조할 수 있고, 또한, 전류 흐름 방향을 주기적으로 변경하는 방식을 적용하여 막을 사용 중에 재생할 수 있기 때문에 오염 저항성이 더 양호하다. 그리고 분리되는 물질의 농도 또는 진행된 분리도에 따라 전기전도도가 변화되기 때문에, 전류의 양이 조절되어 에너지 효율적인 분리가 가능하고, 다단 분리 형태로 스택을 구성하는 경우에도 스택들 사이에 흐르는 전류를 공유함으로서 에너지 효율적인 분리를 도모할 수 있다. 글루코오스와 같은 수용성 탄수화물은 전기투석 분리막이 기본적으로 친수성 막이기 때문에, 물과 함께 확산되어 분리 선택성을 제한하게 되는데, 이러한 문제는 발효조 매질 내의 탄수화물 농도를 낮추어 제어하면서 페드배치(fed batch) 형태로 발효조를 운전하는 방법을 적용하거나, 다단분리형 전기투석 모듈 스택을 이용하여 해결할 수 있다. 그리고, 발효조와 함께 운전되는 전기투석분리기를 발효조와 동시에 연속적으로 또는 간헐적으로 운전하는 것이 좋다. 즉, 발효와 동시에 전기투석분리를 연속적으로 수행하거나, 전기투석분리를 간헐적으로 수행할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 전기투석분리를 간헐적으로 수행함으로써, 탄화수소 원료(탄수화물)의 누출을 최소화할 수 있다. The electrodialysis separation method may use an electrodialysis separator composed of two or three stages. Electric Dialysis separation applies DC voltage required for separation to a stacked structure in which unit membranes made of channels are stacked between spacers between the cation exchange type and the anion exchange type. This allows selective electrical separation between the electrolyte and the non-electrolyte material. Electrodialysis membranes can be manufactured in a more physicochemically stable form than the hollow fiber membranes used in conventional membrane contactors, and can also be regenerated during use by periodically changing the direction of current flow. Better. In addition, since the electrical conductivity changes according to the concentration of the material to be separated or the degree of separation, the amount of current is controlled to enable energy-efficient separation, and even when the stack is configured in a multi-stage separation type, the current flowing between the stacks is shared. Energy efficient separation can be achieved. Since water-soluble carbohydrates, such as glucose, are electrophilic membranes, which are basically hydrophilic membranes, they diffuse together with water to limit separation selectivity. This problem is controlled by lowering carbohydrate concentrations in the fermentor medium to fermenter in fed batch form. It can be solved by applying a method of driving, or using a multi-stage separation type electrodialysis module stack. In addition, it is preferable to operate the electrodialysis separator which is operated together with the fermentation tank continuously or intermittently simultaneously with the fermentation tank. That is, the electrodialysis can be carried out simultaneously with the fermentation or the electrodialysis can be performed intermittently, and more preferably, the leakage of the hydrocarbon raw material (carbohydrate) can be minimized by performing the electrodialysis separation intermittently. .

그리고, 상기 전기투석분리기는 도 1 ~ 4의 B에 각각 나타낸 바와 같이, 1 단(리텐테이트 측)에 대부분 남아 있는 미활용된 탄화수소 원료를 발효조에 반송시켜 재활용함으로써, 미생물 저해 현상을 예방하고, 원료의 전환 활용율을 극대화할 수 있으며, 2 단(퍼미에이트 측)에서, 농축과정을 통하여 부티레이트염이 농축된 수용액을 얻음으로써, 후속 공정으로 진행되는 분리 정제 공정의 비용을 낮출 수 있게 한다. 이와 같이, 본 발명은 발효와 전기투석분리를 동시에 수행함으로써, 생성물 저해 현상에 의한 생성물의 수율 제한을 극복하여, 부티레이트염 생산량을 최적으로 유지할 수 있다. 그리고, 상기 전기투석분리기는 주로 글루코오스와 같은 탄화수소원의 분리제거율을 높이기 위하여 3 단으로 구성될 수 있다.And, as shown in B of FIGS. 1 to 4, the electrodialysis separator conveys unused hydrocarbon raw material remaining mostly in the first stage (retentate side) to the fermenter for recycling, thereby preventing microbial inhibition phenomenon and It is possible to maximize the conversion utilization rate of, and in the second stage (permeate side), by obtaining a concentrated solution of butyrate salt through the concentration process, it is possible to lower the cost of the separation and purification process proceeded to the subsequent process. As such, the present invention can be performed at the same time by fermentation and electrodialysis separation, overcoming the yield limitation of the product by the product inhibition phenomenon, it is possible to optimally maintain the butyrate salt production. In addition, the electrodialysis separator may be mainly composed of three stages to increase the separation removal rate of a hydrocarbon source such as glucose.

2 단계에 있어서, 상기 산성화는 1 단계의 농축된 부티레이트염 수용액에 이산화탄소, 탄산 및 무기산 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 첨가하여 산성화 반응을 수행하여, 부티레이트염을 n-부탄산으로 산성화시킨다. 상기 이산화탄 소는 발효 과정에서 다량 발생하는 이산화탄소를 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 재활용할 수 있으며, 산성화 반응기에 별도로 이산화탄소를 투입할 수 있다. 종래 공정들은 황산과 같은 무기산을 활용하여 칼슘설페이트, 암모늄설페이트와 같은 많은 부산물을 대량 발생시키는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 이산화탄소, 탄산 등을 이용하여 발생하는 탄산염을 분해하여 이산화탄소를 재순환, 재활용할 수 있게 함으로써, 발생하는 무기염 부산물을 저감할 수 있게 하였다. 따라서, 본 발명에서 무기산의 사용을 완전히 배제하지 않는다. 즉, 전기투석 공정으로 분리 농축된 부티레이트를 필요에 따라 또는 공정의 환경 경제적 평가에 따라 무기산을 사용할 수도 있다.In the second step, the acidification is carried out by adding one or two or more selected from carbon dioxide, carbonic acid and inorganic acid to the concentrated aqueous butyrate salt in one step to perform an acidification reaction to acidify the butyrate salt with n-butanoic acid. The carbon dioxide can be recycled as shown in Figures 1 and 2 carbon dioxide generated in the fermentation process, and carbon dioxide may be separately added to the acidification reactor. Conventional processes have a problem of generating a large amount of by-products such as calcium sulfate and ammonium sulfate using inorganic acids such as sulfuric acid, but in the present invention, carbon dioxide can be recycled and recycled by decomposing carbonate generated using carbon dioxide and carbonic acid. By doing so, it is possible to reduce the inorganic salt by-products generated. Thus, the present invention does not completely exclude the use of inorganic acids. That is, the butyrate separated and concentrated by the electrodialysis process may be used as necessary or according to the environmental and economic evaluation of the process.

2 단계 공정을 더욱 자세하게 설명을 하겠다. 탄산의 pKa 값은 각각 6.4, 10.3으로서 전자는 아래의 해리 반응 (1)에 관한 것이며 후자는 해리 반응 (2)에 관한 것이다. 반면에, n-부탄산의 pKa 값은 4.82이며, 발효 과정에서 n-부탄산과 함께 생성될 수 있는 초산의 pKa 값은 4.76이다. 아래에 이들의 각각의 해리 반응들을 나타내었다.The two-step process will be described in more detail. The pKa values of carbonic acid are 6.4 and 10.3, respectively, with the former relating to the dissociation reaction (1) of the A and the dissociation reaction (2). On the other hand, the pKa value of n-butanoic acid is 4.82 and the pKa value of acetic acid that can be produced with n-butanoic acid during fermentation is 4.76. Below, their respective dissociation reactions are shown.

H2CO3

Figure 112009081297819-pat00001
H+ + HCO3 - pKa = 6.4 (1)H 2 CO 3
Figure 112009081297819-pat00001
H + + HCO 3 - pKa = 6.4 (1)

HCO3 -

Figure 112009081297819-pat00002
H+ + CO3 2- pKa =10.3 (2)HCO 3 -
Figure 112009081297819-pat00002
H + + CO 3 2- pKa = 10.3 (2)

C3H7COOH

Figure 112009081297819-pat00003
H+ + C3H7COO- pKa = 4.82 (3)C 3 H 7 COOH
Figure 112009081297819-pat00003
H + + C 3 H 7 COO - pKa = 4.82 (3)

CH3COOH

Figure 112009081297819-pat00004
H+ + CH3COO- pKa = 4.76 (4)CH 3 COOH
Figure 112009081297819-pat00004
H + + CH 3 COO - pKa = 4.76 (4)

산도(pH) 값이 어떤 산의 pKa 값과 동일한 경우, pKa와 pH의 정의식으로부터 얻어지는 pH와 pKa 사이의 관계식으로부터 해당 산의 절반이 해리됨을 알 수 있으며, pKa 값을 알면 특정한 산성 물질의 pH에 따른 해리도를 계산할 수 있다. 탄산의 1차 해리반응 (1)의 pKa 값으로부터 해리도를 계산하면, 5.5 < pH < 6의 산도 범위에서 탄산의 해리 정도는 약 10 ~ 30% 범위로 낮은 편에 속한다. 반면에 n-부탄산이나 초산의 경우 해당 pH 범위에서 해리 정도가 약 82 ~ 95% 범위로 높은 해리도를 나타낸다. 즉, n-부탄산이나 초산은 상기 산도 범위에서 주로 부티레이트나 아세테이트로 존재하는 한편, 이산화탄소의 경우에는 바이카보네이트 이온 또는 카보네이트 이온의 형태들 보다 비이온화된 탄산(H2CO3) 형태로 주로 존재하게 된다. 그러므로 이산화탄소 또는 탄산을 이용하여 부티레이트 또는 아세테이트를 산성화시켜 유기산 형태로 얻기 위해서는, 산 형태로 전환되는 n-부탄산과 초산을 지속적으로 분리하여 해당 공정 매질로부터 제거하는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 유기용매를 활용하여 전환된 유기산을 반복적으로 추출, 분리한다. If the pH value is equal to the pKa value of an acid, half the acid is dissociated from the relationship between pH and pKa obtained from the definition of pKa and pH. You can calculate the degree of dissociation accordingly. When the dissociation degree is calculated from the pKa value of the first dissociation reaction of the carbonic acid (1), the dissociation degree of the carbonic acid in the acidity range of 5.5 <pH <6 is in the lower range of about 10 to 30%. On the other hand, in the case of n-butanoic acid or acetic acid, the degree of dissociation in the corresponding pH range is about 82-95%, indicating high dissociation degree. That is, n-butanoic acid or acetic acid is present mainly in the acidity range butyrate or acetate, while carbon dioxide is mainly present in the form of non-ionized carbonic acid (H 2 CO 3 ) rather than bicarbonate ions or carbonate ions. do. Therefore, in order to acidify butyrate or acetate using carbon dioxide or carbonic acid to obtain an organic acid form, it is necessary to continuously separate and remove n-butanoic acid and acetic acid which are converted to the acid form from the process medium. Therefore, in the present invention, the converted organic acid is repeatedly extracted and separated by using an organic solvent.

본 발명에서 사용하는 유기용매는 트리(C3~C12)알킬아민; 및 저비점 유기용매; 중에서 선택된 1 종 또는 2 종을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 상기 트리(C3~C12 알킬)아민은 트리펜틸아민, 트리헥실아민, 트리옥틸아민 및 트리데실아 민 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 저비점 유기용매는 디클로로메탄, 클로로포름 및 벤젠 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 유기용매로서, 트리(C3~C12)알킬아민 또는 저비점 유기용매 각각을 단종으로 사용하는 것보다는 함께 혼합하여 사용하는 것이 n-부탄산의 농도가 낮은 경우에도 현저하게 추출 효율을 증가시킬 수 있다.The organic solvent used in the present invention is tri (C 3 ~ C 12 ) alkylamine; And low boiling point organic solvents; One or two selected from among them can be used in combination. In addition, the tri (C 3 ~ C 12 alkyl) amine is preferably used one or two or more selected from tripentylamine, trihexylamine, trioctylamine and tridecylamine, the low boiling point organic solvent Preference is given to using one or two or more selected from dichloromethane, chloroform and benzene. As an organic solvent, the use of tri (C 3 -C 12 ) alkylamines or low-boiling organic solvents in combination with each other, rather than discontinuous use, significantly increases the extraction efficiency even when the concentration of n-butanoic acid is low. You can.

3 단계는 n-부탄산이 포함된 유기상으로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하는 공정으로서, 상기 분리 및 정제는 당업계에서 사용하는 방법을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특별하게 한정하지는 않으나, 진공증류법을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 3 단계에서 트리(C3~C12)알킬아민 또는 저비점 유기용매를 회수하여 2 단계로 반송하여 재사용할 수 있다.Step 3 is a process for separating and purifying n-butanoic acid from an organic phase containing n-butanoic acid, and the separation and purification may be performed using a method used in the art, but is not particularly limited in the present invention, but the vacuum distillation method Preference is given to using. In addition, the tri (C 3 ~ C 12 ) alkylamine or the low boiling point organic solvent may be recovered in three steps, and returned and reused in two steps.

도 1 ~ 4의 A에서는 본 발명에 따른 n-부탄산의 제조 공정들에 대한 개략도를 구체적인 일례로서 나타내었으며, 도 1 ~ 4의 B에서는 A의 개략도를 화학장치를 활용하여 실현하는 방법을 구체적으로 예시하여 나타내었다. In Figures 1 to 4 A shows a schematic diagram of the manufacturing process of n-butanoic acid according to the present invention as a specific example, in Figures 1 to 4 B specific method for realizing the schematic diagram of A using a chemical apparatus Illustrated by way of example.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 자세하게 설명을 하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 Example 1

(1) 발효(1) fermentation

글루코오스를 탄수원(영양분)으로 하여 박테리아 클로스트리디움 타이로부티리쿰 ATCC 25755 세포를 접종하여 질소기체를 분당 100㎖ 흘리면서 발효조를 혐기성 분위기로 조성하였다. 그리고, 발효조의 산도 조절을 위하여 14% 암모니아수를 이용하여 pH=6.0을 유지하였으며, 37℃의 온도에서 200 rpm의 속도로 교반을 시켰다. 접종 후의 종 배양액은 100 ㎖였으며, 이때의 글루코오스의 농도는 50 g/L이었다. 고갈된 글루코오스를 첨가하기 위하여, 총 4 회(17 시간, 28 시간, 41 시간 및 48 시간마다 1회씩)에 걸쳐 500 g/L의 글루코오스 용액을 각각 200 ㎖씩 첨가하였다. 그리고, 발효 시간은 총 72 시간이었다.Bacteria Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 cells were inoculated with glucose as a carbohydrate (nutrition), and the fermentation tank was formed in an anaerobic atmosphere while flowing 100 ml of nitrogen gas per minute. In addition, pH = 6.0 was maintained using 14% ammonia water to adjust the acidity of the fermentor, and stirred at a speed of 200 rpm at a temperature of 37 ° C. The seed culture after inoculation was 100 ml, and the glucose concentration at this time was 50 g / L. To add depleted glucose, 200 ml of 500 g / L of glucose solution were added over a total of four times (once every 17 hours, 28 hours, 41 hours and 48 hours). And fermentation time was a total of 72 hours.

발효액을 원심분리 및 한외여과 분리하여 분석용 시료를 확보하였으며, 분석용 시료는 자외선(UV) 검출기와 굴절율(RI) 검출기가 직렬로 연결된 HPLC(High speed liquid chromatography) 분석 시스템을 이용하여 정량 분석하였다. 암모늄부티레이트와 암모늄아세테이트는 자외선 검출기를 통하여 정량하였고 글루코오스는 굴절율 검출기를 이용하여 정량하였다. 그리고, 분리 칼럼으로 OA-1000 유기산 칼럼을 사용하였으며, 이동상은 0.01N-H2SO4 수용액을 사용하였다. The fermentation broth was centrifuged and ultrafiltration separated to obtain analytical samples. The analytical samples were quantitatively analyzed using a high speed liquid chromatography (HPLC) analysis system in which an ultraviolet (UV) detector and a refractive index (RI) detector were connected in series. . Ammonium butyrate and ammonium acetate were quantified using an ultraviolet detector and glucose was quantified using a refractive index detector. In addition, an OA-1000 organic acid column was used as a separation column, and a mobile phase used an aqueous 0.01 N-H 2 SO 4 solution.

분석 결과, 56.1 g/L의 암모늄부티레이트와 14.1 g/L의 암모늄 아세테이트 및 19.5 g/L의 글루코오스가 포함된 발효액을 얻었으며, 암모늄부티레이트의 글루코오스에 대한 발효 수율은 약 14(w/w)%였다.As a result, a fermentation broth containing 56.1 g / L ammonium butyrate and 14.1 g / L ammonium acetate and 19.5 g / L glucose was obtained, and the fermentation yield of glucose was about 14 (w / w)%. It was.

(2) 전기투석분리(2) electrodialysis separation

실험실적인 규모의 2 단(2 stage)의 전기투석분리장치를 이용하여 발효조와 동시에 연속적으로 전기투석분리법을 수행하여 부티레이트염 수용액을 분리 및 농 축시켰다. 1 단측의 전기투석 분리의 결과, 분리막의 1 단측(리텐테이트측)에서 1 시간 이내에 암모늄부티레이트와 암모늄아세테이트의 농도가 측정한계 범위 내에서 0으로 감소하였으며, 2 단측(퍼미에이트측)의 분리개시 전의 농도와 유사한 농도(암모늄부티레이트 56 g/L, 암모늄아세테이트 14 g/L)로 분리되었다. 그러나 글루코오스의 경우 분리 후, 상기 1 단측에서의 농도가 약 15 g/L로 저하되었으며, 2 단측에서의 농도는 약 4.5 g/L 까지 상승하였으며, 이는 전기적 분리가 아닌 전기투석분리 조건에서의 이온 교환막을 통한 물의 이동에 따른 효과에 의한 것이다. 2 단측의 전기투석분리의 경우, 2 단측을 순환하는 용매인 물이 1 단측 양의 절반으로 줄었으며, 60 분 이내에 부티레이트와 아세테이트 모두가 2 단측으로 이동하였고, 초기 농도의 약 2 배로 농축되었다. 그리고, 글루코오스의 경우 해당 분리 조건에서 2 단측의 농도는 약 0.1 g/L 이하로 무시할 만큼 확산된 것을 확인하였다.A two-stage (two stage) electrodialysis separator of laboratory scale was used to carry out electrodialysis simultaneously with a fermenter to separate and concentrate an aqueous butyrate salt solution. As a result of electrodialysis of one stage, the concentrations of ammonium butyrate and ammonium acetate decreased to 0 within the measurement limits within one hour at one stage (retentate side) of the membrane, and separation of two stages (permeate side) began. It was isolated at a concentration similar to the previous concentration (56 g / L ammonium butyrate, 14 g / L ammonium acetate). However, in the case of glucose, after the separation, the concentration on the first side decreased to about 15 g / L, and the concentration on the second side increased to about 4.5 g / L, which caused the ion exchange membrane under the electrodialysis separation condition, not the electrical separation. It is due to the effect of the movement of water through. In the case of two-stage electrodialysis, the water circulating in the two-stage side was reduced to half the amount of one-stage side, and within 60 minutes both butyrate and acetate migrated to the two-stage side and concentrated to about twice the initial concentration. In addition, in the case of glucose, it was confirmed that the concentration on the two-stage side under the separation conditions was about 0.1 g / L or less diffused.

(3) 산성화반응 및 n-부탄산의 제조(3) Acidification and Preparation of n-butanoic Acid

실온에서 상기 농축된 부티레이트염 수용액에 트리옥틸아민을 첨가 혼합한 후, 이산화탄소를 주입한 다음, 10 bar 전후로 가압 및 교반시켜서 산성화반응을 수행하였다. 다음으로 이를 정체시켜 하부의 유기층에서 n-부탄산이 포함된 유기상을 추출하였다. 추출한 상기 n-부탄산이 포함된 유기상을 분리 단수가 20 단인 시브 트레이(Sieve Tray, 체판) 증류탑에서 250 mmHg의 진공도로 제어하면서 회분식으로 진공증류하였다. 그 결과, 탑상에서 98% 순도의 n-부탄산을 얻었다. 그리고, 탑저로부터 회수된 유기용매를 재추출하여 위 과정을 3회 반복시행하였 으며, 그 결과 n-부탄산의 최종 회수율은 81%에 달하였다. Trioctylamine was added to the concentrated butyrate salt solution at room temperature, followed by injecting carbon dioxide, and then pressurized and stirred at about 10 bar to perform acidification. Next, the mixture was stagnant to extract an organic phase including n-butanoic acid from the lower organic layer. The extracted organic phase containing n-butanoic acid was subjected to vacuum distillation in a batch while controlling a vacuum degree of 250 mmHg in a 20-stage Sieve Tray distillation column. As a result, n-butanoic acid with 98% purity was obtained on the column. Then, the organic solvent recovered from the column bottom was reextracted, and the above process was repeated three times. As a result, the final recovery rate of n-butanoic acid reached 81%.

실시예 2Example 2

(1) 발효 및 전기투석분리(1) Fermentation and Electrodialysis Separation

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 발효 및 전기투석분리를 수행하였다. 단, 발효조건은 pH=6.4의 산도를 유지하였으며, 전기투석분리를 간헐적으로 수행하였다. 그 결과, 암모늄부티레이트의 글루코오스에 대한 발효 수율은 약 19 (w/w)%에 달하였다.Fermentation and electrodialysis were performed in the same manner as in Example 1. However, the fermentation conditions were maintained at an acidity of pH = 6.4, and the electrodialysis was performed intermittently. As a result, the fermentation yield of glucose to ammonium butyrate reached about 19 (w / w)%.

(2) 산성화반응 및 n-부탄산의 제조(2) Acidification and Preparation of n-butanoic Acid

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산성화 반응을 수행하되, 트리옥틸아민와 디클로로메탄을 90 : 10 부피비로 혼합한 유기용매를 사용하였다. 그 결과, n-부탄산의 순도는 96%였고, n-부탄산의 최종 회수율은 83%였다.The acidification reaction was performed in the same manner as in Example 1, but an organic solvent in which trioctylamine and dichloromethane were mixed at a volume ratio of 90:10 was used. As a result, the purity of n-butanoic acid was 96% and the final recovery of n-butanoic acid was 83%.

실시예 3Example 3

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 유기용매로서 디클로로메탄만을 사용하였다. 그 결과, n-부탄산의 순도는 98%였고, n-부탄산의 최종 회수율은 82%였다. In the same manner as in Example 2, only dichloromethane was used as the organic solvent. As a result, the purity of n-butanoic acid was 98% and the final recovery of n-butanoic acid was 82%.

상기 실시예를 통하여, 전기투석분리기를 발효조와 동시적으로 또는 간헐적으로 병행 운전하여 부티레이트염을 높은 수율로 얻을 수 있고, 그 결과 고순도의 바이오부탄산을 높은 수율로 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. Through the above examples, it was confirmed that the butyrate salt can be obtained in high yield by operating the electrodialysis separator simultaneously or intermittently with the fermentation tank, and as a result, it was confirmed that high purity biobutanoic acid can be obtained in high yield.

도 1 ~ 4의 A는 본 발명에 따른 바이오부탄산의 제조방법에 대한 개략도를 구체적인 일례를 나타낸 것이며, 도 1 ~ 4의 B는 A의 개략도를 화학장치로 나타낸 것이다.1 to 4 shows a specific example of a schematic diagram of a method for producing biobutanoic acid according to the present invention, and B of FIGS. 1 to 4 shows a schematic view of A as a chemical apparatus.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

ROF : 전기투석장치로부터 발효조로 재순환을 위해 반송되는 유기성 탄소원        ROF: Organic carbon source returned for recycling from electrodialysis to fermenter

AQ : 수용액상 ORG : 유기상       AQ: aqueous phase ORG: organic phase

CD : 이산화탄소 AA : 초산       CD: Carbon Dioxide AA: Acetic Acid

BA : n-부탄산 MC : 저비점 유기용매       BA: n-butanoic acid MC: low boiling organic solvent

TAA : 트리알킬아민       TAA: Trialkylamine

Claims (13)

탄수화물을 발효시켜 생성한 발효액으로부터, 전기투석분리법으로 부티레이트염 수용액을 분리 및 농축시키는 1단계;A step of separating and concentrating an aqueous butyrate salt solution from the fermentation broth produced by fermenting the carbohydrate by electrodialysis; 이산화탄소, 탄산 및 무기산 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상으로 상기 농축된 부티레이트염 수용액을 산성화시킴과 동시에 유기용매를 이용하여 n-부탄산이 포함된 유기상을 추출하는 2 단계; 및Acidifying the concentrated butyrate salt aqueous solution with at least one selected from carbon dioxide, carbonic acid, and an inorganic acid, and simultaneously extracting an organic phase including n-butanoic acid using an organic solvent; And 상기 n-부탄산이 포함된 유기상으로부터 n-부탄산을 분리 및 정제하는 3 단계;Separating and purifying n-butanoic acid from the organic phase including n-butanoic acid; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오부탄산의 제조방법.Biobutanoic acid production method characterized in that consisting of. 제 1 항에 있어서, 전기투석분리법은 2 단 또는 3 단의 분리단(stage)으로 구성된 전기투석분리장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the electrodialysis separation method is characterized by using an electrodialysis separation device composed of two or three stages of separation stages. 제 1 항에 있어서, 상기 발효액은 클로스트리디움 타이로부티리쿰(Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum), 클로스트리디움 아세토부티리쿰(Clostridium acetobutyricum), 클로스트리디움 베이제린카이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리디움 포퓰레 티(Clostridium populeti) 및 클로스트리디움 써모부티리쿰(Clostridium thermobutyricum) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 클로스티리디움속 균으로 탄수화물을 발효시킨 것임을 특징으로 하는 제조방법.According to claim 1, wherein the fermentation broth is Clostridium tyrobutyricum (Clostridium tyrobutyricum), Clostridium butyricum, Clostridium acetobutyricum (Clostridium acetobutyricum), Clostridium baizerinkai beijerinckii), Clostridium populeti (Clostridium populeti) and Clostridium thermobutyricum (Clostridium thermobutyricum), characterized in that the carbohydrate is fermented with one or two or more species of the genus Clostitridium. 제 1 항에 있어서, 상기 발효는 pH 5.8 ~ 6.5 및 35 ~ 40℃의 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the fermentation is performed at a pH of 5.8 to 6.5 and 35 to 40 ° C. 제 4 항에 있어서, 상기 pH는 암모늄염 또는 칼슘염 완충용액으로 조절되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 4, wherein the pH is controlled by ammonium salt or calcium salt buffer. 제 1 항에 있어서, 1 단계의 전기투석분리법을 상기 발효와 동시에 연속적으로 또는 간헐적으로 수행하고, 발효액으로부터 분리된 미발효된 탄화수소를 재사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 1, wherein the step of electrodialysis is carried out continuously or intermittently simultaneously with the fermentation, and the unfermented hydrocarbon separated from the fermentation broth is reused. 제 1 항에 있어서, 상기 유기용매는 The method of claim 1, wherein the organic solvent 트리(C3~C12)알킬아민; 및 Tri (C 3 -C 12 ) alkylamines; And 디클로로메탄, 클로로포름 및 벤젠 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 저비점 유기용매;One or two or more low boiling organic solvents selected from dichloromethane, chloroform and benzene; 중에서 선택된 1 종 또는 2 종인 것을 특징으로 하는 제조방법.Production method characterized in that one or two selected from. 제 7 항에 있어서, 상기 트리(C3~C12 알킬)아민은 트리펜틸아민, 트리헥실아민, 트리옥틸아민 및 트리데실아민 중에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법. 8. The method according to claim 7, wherein the tri (C 3 -C 12 alkyl) amine is at least one selected from tripentylamine, trihexylamine, trioctylamine and tridecylamine. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소의 일부 또는 전부는 1 단계에서 탄화수소를 발효시킬때 생성된 것임을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein some or all of the carbon dioxide is produced when the hydrocarbon is fermented in one step. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 및 정제는 진공증류법을 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the separation and purification using a vacuum distillation method. 제 1 항에 있어서, 상기 3 단계의 유기상으로부터 유기용매를 회수하여 2 단계에서 재사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the organic solvent is recovered from the organic phase of the three steps and reused in the second step. 제 1 항에 있어서, 상기 부티레이트염은 암모늄부티레이트 및 칼슘부티레이트 중에서 선택된 1 종 이상을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the butyrate salt comprises at least one selected from ammonium butyrate and calcium butyrate. 삭제delete
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