KR101470398B1 - 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치는 교반토크 모니터링을 이용한 회분식 반응기내의 생물학적 분해반응 제어 방법으로 생물학적 분해반응의 진행 정도와 완료여부를 정확히 파악하는 것이 가능하다. 이에, 다양한 환경에서 발생되는 방해 인자들의 영향으로 시간적, 경제적 손실을 방지하면서, 시간당 처리 용량 및 생산량을 증가시켜 생산비용을 절감할 수 있다.
Description
본 발명은 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치에 관한 것이다.
종래의 도축혈액, 음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지 처리 등의 현장에서는 처리 방법으로 생물학적 분해반응 공정을 많이 활용해 왔으며 효소반응 공정, 혐기성소화 공정, 메탄발효 공정, 산발효 공정 및 당화 공정 등과 같이 세분화 하여 폭넓게 이용하고 있다. 한국 공개 특허 제10-2000-0022214호와 같이, 2차 오염이 적고 효율과 안정성이 높은 생물학적 분해반응 공정을 이용한 기술 개발이 활발히 진행되어 왔고 국내의 설비 시장규모 역시 매년 급증하고 있는 추세이다.
한편, 생물학적 분해반응 공정 설비가 많이 도입되었음에도 불구하고 종래의 현장에서는 생물학적 분해반응 공정을 이용한 다양한 세부 공정들의 진행 정도나 반응 완료여부를 정확히 파악하고 제어하기 위한 시스템이 갖추어있지 않은 상태였으며 이를 현장에서 직접 파악하기란 어려운 문제가 있었다. 또한, 실험적 규모의 조건을 이용하여 종래의 현장에 조건들을 도입하여도 이들이 최적의 조건이 되기는 어렵다. 이는 종래의 현장에서의 반응기들이 실제 규모만 커진 것이 아니라, 실험적 규모와는 달리 방해 인자들의 작용을 받기 때문에 조건에 에러가 생기기 때문이다.
결국, 생물학적 분해반응의 진행 정도나 반응 완료여부를 정확히 파악하고 제어하기 위한 시스템이 갖추어있지 않은 종래의 현장에서는 생물학적 분해반응 공정들의 진행 정도나 반응 완료여부를 확인하고 제어하고자 색이나 냄새의 변화와 같은 경험적인 요소를 이용해 완료시점을 파악하였다. 이와 같은 경우에는 충분한 여유를 주어야 하기 때문에 실제 반응시간보다 긴 시간이 필요하였고 긴 체류시간에 따른 처리용량 감소 및 이에 따른 생산량 감소의 원인이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 상술한 문제점을 해결하기 위해, 첫 번째로, 회분식(batch) 반응기 내의 생물학적 분해반응 공정에 의해 생산되는 아미노산(Amino acid), 단백질(Protein), 포도당(Glucose), 지질(Lipid), 지방산(Fatty acid) 등과 같은 다양한 반응물 및 생성물을 기계적인 인자인 교반토크로 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
두 번째로, 회분식 반응기 내의 생물학적 분해반응 공정을 운전하면서 발생하는 방해 인자를 실험적 규모가 아닌 실제의 현장과 동일한 조건 하에서 정확하게 확인하는 방법을 제공하는 것이다.
세 번째로, 상기의 다양한 반응물 및 생성물을 회분식 반응기 내의 기계적인 인자인 교반토크로 제어하는 방법을 사용하여 종래보다 비약적으로 개선된 효소반응 공정, 혐기성소화 공정, 메탄발효 공정, 산발효 공정 및 당화 공정 등을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위에 의해 보다 명확하게 된다.
본원에 기재된 다양한 구체예가 도면을 참조로 기재된다. 하기 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 위해서, 다양한 특이적 상세사항, 예컨대, 특이적 형태, 조성물, 및 공정 등이 기재되어 있다. 그러나, 특정의 구체예는 이들 특이적 상세 사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 공지된 방법 및 형태와 함께 실행될 수 있다. 다른 예에서, 공지된 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해서, 특정의 상세사항으로 기재되지 않는다. "한 가지 구체예" 또는 "구체예"에 대한 본 명세서 전체를 통한 참조는 구체예와 결부되어 기재된 특별한 특징, 형태, 조성 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 구체예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치에서 표현 "한 가지 구체예에서" 또는 "구체예"의 상황은 반드시 본 발명의 동일한 구체예를 나타내지는 않는다. 추가로, 특별한 특징, 형태, 조성, 또는 특성은 하나 이상의 구체예에서 어떠한 적합한 방법으로 조합될 수 있다.
일 구체예에서, 1) 생물학적 분해반응 공정이 진행되는 반응기내의 교반토크를 확인하는 단계, 2) 상기 반응기의 진행 정도와 반응 완료여부 확인을 위한 반응물 및 생성물의 농도 측정 단계, 3) 상기 1) 단계의 모니터링된 교반토크와 상기 2) 단계의 반응물 및 생성물의 농도간의 상관관계를 확인하는 단계, 및 4) 전체 생물학적 분해반응에서 모니터링된 교반토크와 반응물 및 생성물의 농도를 비교하여 반응의 진행 정도와 완료여부를 판단하는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응에 대한 제어 방법에 관한 것이다.
일 구체예에서, 생물학적 분해반응에 사용되는 반응물이란 일반적 개념으로는 쓰레기라고도 하지만 엄밀한 의미로 폐기물관리법에 의한 정의에 따라 폐기물로 정의하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 구체적으로 반응물은 유기성 폐기물을 의미한다고 할 것이고, 유기성 폐기물은 가정에서 배출되는 주방 쓰레기, 폐유나 식품 관련 사업장 및 식품 가게에서 배출되는 동식물성 내장, 버려지는 반찬, 하수슬러지, 가축분뇨 등을 의미하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 교반토크는 교반을 위한 교반기에서 블레이드에 의한 교반에 의해 발생하는 물리량을 의미하는 것으로, 어떤 중심축에 대해 물체에 토크가 가해지면 그 축을 중심으로 물체의 회전상태, 각 운동량이 바뀌게 되고, 이러한 물리량을 비틀림 모멘트 즉, 교반토크라고 한다.
일 구체예에서, 상기 파악된 생물학적 분해반응 시간의 경과에 따른 대상물질의 점도변화, 교반토크 값의 변화, 생물학적 분해반응에 따른 유기 고분자화합물의 농도 변화 및 유기 저분자 물질의 농도 변화를 바탕으로 반응물인 유기 고분자화합물의 분해 및 유기 저분자 물질로의 진행 정도와 더 이상 전환이 일어나지 않는 반응 완료시점의 교반토크 값을 분석하고 유기 고분자화합물과 유기 저분자 물질의 함량 변화 및 상관관계, 교반토크 값과 유기 고분자화합물 간의 관계, 교반토크 값과 유기 저분자 물질 간의 관계를 비교 분석하여 생물학적 분해반응 공정의 진행 정도 및 반응 완료여부를 확인할 수 있다.
일 구체예에서, 유기성 폐기물의 생물학적 분해공정은 효소반응 공정, 혐기성소화 공정, 메탄발효 공정, 산발효 공정 및 당화 공정으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 이상의 공정이고, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 분해반응에 의한 생성물은 단백질, 탄수화물, 지방으로 구성되는 유기 고분자들이 분해되어 생성되는 셀룰로오스, 트리아실글리세롤, 아미노산, 단당류, 다당류, 셀로비오스, 지질, 알코올류, 지방족 탄화수소류 및 지방산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 생성물이고, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 생물학적 분해반응 시, 사용되는 효소는 사용하려는 목적에 따라 유기 고분자화합물들을 분해할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 사비나제, 플라보르자임, 펩신, 트립신, 키모트립신, 디펩티다아제, 카르복시펩티다아제, 아미노펩티다아제, 아밀레이스, 말타아제, 락타아제, 수크라아제, 셀룰라아제, 수크라아제, 리파아제, 아밀라아제, 말타아제, 프로타멕스, 알카레이즈, 뉴트라아제 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 효소를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 생물학적 분해반응 시, 사용되는 미생물은 사용하려는 목적에서 따라 유기 고분자화합물들을 분해 할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 락토바실러스 에시도필러스, 셀룰로모나스, 스트렙토모나스, 슈도모나스, 클로스트리듐 데르모사카롤리티쿰, 락토바실러스 헬베티커스, 사카로마이세스 칼스버겐시스, 스트렙토코커스 크레모리스, 락토바실러스 카제이, 락토바실러스 비피더스, 메탄균, 프로피온산균, 클로스트리듐 부틸리쿰, 사카로마이세스 세레비시아, 스트렙토코커스 락티스, 클로스트리듐 아세토부틸리쿰, 락토바실러스 불가리쿠스, 스트렙토코커스 서머필러스, 리조퍼스 올리고스포러스, 류코노스톡 메센테로이데스, 리조퍼스 니그리칸스, 바실러스 섭틸러스, 바실루스 테르모켈룰롤리틱스, 켈비브리오, 켈팔키쿨라, 슈도모나스 에푸사, 키토파가, 페니킬륨 및 트리코데르마로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 미생물을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 상기 4) 단계의 반응의 진행 정도와 완료여부를 판단하는 단계는, 4-1) 상기 3) 단계의 상관관계에 의해 하기 수학식 1 및 R2를 도출하는 단계; 4-2) 측정된 반응물 및 생성물의 농도 확인 및 비교 단계; 4-3) 상기 4-2) 단계의 확인된 농도와 모니터링된 교반 토크의 비교를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도를 제어하는 단계; 및 4-4) 상기 모니터링된 교반토크와 반응 완료 시점의 교반토크가 일치할 경우 반응을 완료시키는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응 제어 방법에 관한 것이다.
[수학식 1]
Y=f(x)
상기 수학식 1에서, Y는 반응물 또는 생성물의 예측 함량(g/L)이고, x는 교반 토크(N·cm)이다.
일 구체예에서, 상기 Y=f(x)는 하기의 수학식 2로 나타내지나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[수학식 2]
Y= aX + b
상기 수학식 2에서, Y는 반응물 및 생성물의 함량(g/L)이고, X는 교반토크(N·cm)이다.
구체적으로, 교반토크와 반응물 또는 생물학적 분해반응에 의한 생성물과의 상관관계를 상기 수학식 1로 도출할 수 있는데, 본 실시 예에서는 교반토크와 생물학적 분해반응에 의한 생성물과의 상관관계를 수학식으로 도출하였다. 이는 생물학적 분해반응 공정에서 시간에 따른 반응물의 꾸준한 감소에도 생물학적 분해반응의 생성물의 농도는 변화하지 않기 때문이며 이러한 패턴은 일정 반응 시간 이후에 효소나 미생물의 활성 저하로 인하여 생물학적 분해 반응의 생성물로 더 이상 분해되지 않기 때문이나 이에 제한하는 것은 아니다.
일 구체예에서, 상기 생물학적 분해반응은 R2가 0.8 내지 1의 정수에 해당되는 교반토크와 반응물 및 생성물의 상관관계에 적용 가능한 생물학적 분해반응에 대한 종결 제어 방법에 관한 것이다.
구체적으로, R2는 총 변동량에 대한 회귀 변동량의 비율을 의미하는 바, 상기 측정된 교반토크와 생물학적 분해반응에 의한 반응물 및 생성물의 함량 변화 간의 상관관계를 분석한다. 한 쪽이 증가할수록 다른 한쪽이 증가 또는 감소하는 두 변량 관계를 의미하는 상관관계는 R2=1일 경우 완전한 상관관계를 0에 가까울수록 상관관계가 없음을 나타낸다. 생물학적 분해반응의 반응물 및 생성물은 하나의 분해반응 과정 안에 속해 있으며 효소나 미생물 등에 의해 분해되어 반응물과 생성물 사이에 R2=1인 완전한 상관관계를 성립하게 된다. 생물학적 분해반응의 진행 정도와 반응 완료여부를 확인하기 위해서는 R2는 완전한 상관 관계가 성립되어야 하는 바, R2은 0.8 내지 1의 정수에 해당되어야 한다.
회분식 반응기 내의 생물학적 분해반응 공정을 기계적인 인자인 교반토크로 제어하는 방법은 상기 수학식 1의 방정식 수식을 통하여 계산할 수 있으며 교반토크 값을 측정함으로써 생물학적 분해반응의 진행 정도와 반응 완료여부를 파악하여 생물학적 분해반응 공정의 운전 지표로 삼을 수 있고, 종래의 현장에서의 회분식 반응기 내의 생물학적 분해반응 공정을 운전하면서 발생하는 방해 인자들로부터 공정 조건을 정확하게 파악하여 시간적, 경제적 손실을 방지할 수 있게 된다.
일 구체예에서, 생물학적 분해반응 내에서 반응의 진행 정도 및 완료여부를 확인하기 위한 반응물 및 생성물의 농도를 입력하는 입력부, 입력부에 입력된 데이터를 저장하는 저장부, 생물학적 분해반응의 교반토크를 모니터링하는 모니터링부, 반응의 진행 정도 및 완료여부 확인을 위해 모니터링된 교반토크와 입력부에 입력된 반응물 및 생성물의 농도를 비교하는 연산부, 및 연산부에 의해 반응물 및 생성물의 농도와 비교된 교반토크를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도의 제어 및 모니터링된 교반토크와 반응 완료시점의 교반토크가 일치할 경우 반응 완료를 제어할 수 있는 제어부를 포함하는 생물학적 분해반응 장치에 관한 것이다.
일 구체예에서, 상기 생물학적 분해반응 장치에 교반토크를 모니터링할 수 있는 장치를 포함하는 것은 전체 생물학적 분해반응 중 교반토크를 측정할 수 있고, 미리 입력부에 기록된 데이터 또는 저장부에 저장된 데이터를 바탕으로 반응의 진행 정도 및 완료시점의 교반토크 수치와 비교하여 완료여부를 결정할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치는 교반토크 모니터링을 이용한 회분식 반응기내의 생물학적 분해반응 제어 방법으로 종래 현장에서 사용된 경험적 인자들이 아닌 현장에서 측정하기 쉬운 교반토크 값을 이용하여 생물학적 분해반응의 진행 정도와 완료여부를 정확히 파악하는 것이 가능하다. 이에, 다양한 환경에서 발생되는 방해 인자들의 영향으로 시간적, 경제적 손실을 방지하면서, 시간당 처리 용량 및 생산량을 증가시켜 생산비용을 절감할 수 있다.
도 1은 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 x축이 효소 반응에 따른 점도 변화를 나타낸 것이고 y축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것으로 점도 변화에 따른 교반토크 값의 상관관계를 분석한 그래프이다.
도 4는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 단백질의 농도 변화를 나타낸 것으로 단백질의 분해 정도를 측정한 그래프이다.
도 5는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 아미노산의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 아미노산의 전환 정도를 측정한 그래프이다.
도 6은 x축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 단백질의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 교반토크 값의 변화와 단백질 함량 간의 상관관계를 분석한 그래프이다.
도 7은 x축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 아미노산의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 교반토크 값의 변화와 아미노산 함량 간의 상관관계를 분석한 그래프이다.
도 2는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 x축이 효소 반응에 따른 점도 변화를 나타낸 것이고 y축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것으로 점도 변화에 따른 교반토크 값의 상관관계를 분석한 그래프이다.
도 4는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 단백질의 농도 변화를 나타낸 것으로 단백질의 분해 정도를 측정한 그래프이다.
도 5는 x축이 효소 반응에 따른 시간을 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 아미노산의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 아미노산의 전환 정도를 측정한 그래프이다.
도 6은 x축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 단백질의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 교반토크 값의 변화와 단백질 함량 간의 상관관계를 분석한 그래프이다.
도 7은 x축이 효소 반응에 따른 교반토크 값의 변화를 나타낸 것이고, y축이 효소 반응에 따른 아미노산의 농도 변화를 나타낸 것으로 효소 반응이 운전되는 동안 교반토크 값의 변화와 아미노산 함량 간의 상관관계를 분석한 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
본 발명에서 사용되는 시료는 유기성 폐기물 중 하나인 가축의 도축혈액이다. 국민생활의 향상과 소득 증대로 인해 육류소비가 증가 하면서 도축 수 역시 증가하고 있으며 앞으로도 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 한편, 도축 후 발생되는 혈액 중 소, 오리, 닭의 혈액은 재활용되지만 돼지의 혈액은 대부분 폐기되고 있는 실상이며 이를 처리하기 위해 폐수, 약품, 전기 등 다양한 비용이 들어간다. 또한, 이를 폐기하는 것은 경제, 산업적 측면에서 큰 손실을 의미하며, 문화, 사회적 측면에서 부정적인 요소로 작용되므로 도축혈액을 위생적으로 수거, 분류하여 활용을 위한 안정성이 확보된다면 도축혈액은 잠재적 가치가 높은 바이오매스가 된다. 이에 본 발명에서는 돼지의 도축혈액을 잠재성이 큰 바이오매스로 인식하였으며 본 발명에서의 시료로 적합하다고 판단한다.
[제조예]
돼지의 도축 혈액 준비
도축장에 생축을 반입하여 생체 검사를 통하여 질병 여부를 확인하였다. 질병이 존재하는 생축은 폐기 처분하고 그 외의 생축은 전살하여 방혈하였다. 5분 후 방혈이 끝나면 1 L씩 분취하여 4에 보관하며 7일 이상 보관하지 않는다.
분쇄 전처리 준비
시료인 돼지의 도축혈액은 체외로 나오는 순간부터 응고가 시작되므로 혈액을 균질화하기 위해 분쇄 과정을 실시하였다. 도축혈액의 균질화를 위해 다양한 분쇄 유형 중 커터 타입(Cutter type)이 사용되었다. batch 당 1 L의 용량을 사용하였으며 10,000 rpm 으로 10분 동안 분쇄 전 처리 하였다.
초음파 전처리 준비
도축혈액을 분쇄 전처리 후 효소반응을 진행 할 경우, 도축혈액 내의 혈구 세포벽으로 인해 혈구 세포내 단백질의 생물학적 분해를 방해하므로 혈구내의 단백질을 가용화하며, 고분자화합물의 저분자 단백질 및 펩타이드로 전환을 위해 초음파 전 처리를 실시하였다. 초음파 전 처리의 중요 구성으로는 컨버터(Converter), 쿨링팬(cooling fan) 등을 포함하는 초음파 발생장치와 온도 측정 및 조절을 위한 열전대, 항온수조 등을 포함하는 초음파 반응기로 이루어져 있으며, 연속 운전을 위해 정량 펌프와 투입 및 배출 용기를 연결하였다. 용해성 유기물질의 용출을 효과적으로 시행하기 위해 낮은 주파수 영역과 높은 세기의 초음파가 조사가 필요하며 실험 결과를 통해 초음파 주파수 20 kHz 조건에서 0.5 W/mL의 초음파 조사밀도로 30분 동안 초음파 처리하는 것이 적절함을 확인하였고 이를 본 발명에 적용하였다.
[실시예]
효소 반응의 진행, 점도, 단백질 및 아미노산 측정
분쇄 및 전처리된 도축혈액 3L를 효소 반응기에 넣었다. 마그네틱 바를 넣고 분쇄 및 전처리된 도축혈액을 교반시킨 후, 1 mg/ml 사비나제(Savinase) 와 2 mg/ml 플라보르자임(Flavourzyme)을 투입한다. 50에서 100 rpm으로 4시간 동안 반응하였다. 기계적인 인자인 교반토크는 점도에 의해 영향을 받으므로 효소반응 공정 중 10분 간격으로 100 ml의 시료를 채취하여 점도를 측정하였다. 점도의 측정은 포드 컵(Ford cup)을 이용하였다. 시간이 지남에 따라 단백질 및 아미노산의 함량 변화를 측정하기 위해 점도의 측정시간과 동일하게 하여 시간 및 점도에 따른 단백질 및 아미노산의 함량을 확인하였다. 각 채취된 시료는 실린지 필터(Syringe filter)를 이용해 여과시켰다. 단백질 분석을 위해 여액은 200배 희석하여 GPC (Gel Permeation Chromatography) 방법으로 분석하며 아미노산 분석을 위해 여액은 400배 희석하여 FMOC (Fluorenylmethyloxycarbonyl chloride), OPA (o-Phthalaldehyde) 형광물 유도체 반응에 의해 전환 시킨 후 액체 크로마토그래피/형광 검출기를 이용하여 분석하였다.
분쇄 및 초음파 전 처리된 도축혈액을 1 mg/ml 사비나제(Savinase) 와 2 mg/ml 플라보르자임(Flavourzyme)을 투입하여 효소반응 공정을 진행하였고 이를 효소 반응시간에 따른 교반토크, 점도, 단백질 및 아미노산 농도 변화를 비교하였다. 분쇄 및 초음파 처리된 도축혈액에 효소를 투입한 후 약간의 점성을 띄다가 시간이 경과함에 따라 단백질의 분해가 촉진되면서 점성은 다시 감소하는 경향을 보였으며 수치적으로 교반토크의 값은 52 N·cm 에서 44 N·cm 으로 점차 감소되었고 (도 1), 점도 값도 초기 17.17 cP에서 6.57 cP로 감소되었다 (도 2). 이론적으로 점도와 교반토크의 값은 점도가 클수록 교반토크 값도 증가하기 때문에 완전한 양의 상관관계를 가진다. 도 3은 효소반응 공정 동안 변화하는 점도와 교반토크 값의 상관관계를 분석한 것이다. 점도와 교반토크 값의 R2=0.9711이며 이는 도축혈액이 갖는 점성이 낮기 때문에 교반토크 값 사이의 R2=1로 나타나지 않은 것으로 확인하였다.
효소반응 공정 130분 이후에서는 교반토크와 점도 값 모두에서 큰 변화 없이 일정한 값을 유지하는 것을 확인하였으며 이는 효소반응이 대부분 완료되었음을 예측할 수 있었으나 상기 서술한 바와 같이 본래 도축혈액이 갖는 점성이 낮으므로 단백질과 아미노산의 농도 비교를 통한 정확한 분석 결과가 필요하다. 단백질의 함량은 초기 239.85 g/L에서 4시간 후 56.31 g/L로 감소되는 것을 확인하였고, 이는 2시간 이전에는 급격히 감소하다가 그 이후에는 서서히 감소되는 것을 확인하였다 (도 4). 아미노산의 함량은 초기 2.07 g/L로 시간이 경과함에 따라 현저한 상승을 보였으며 최대 아미노산 농도는 효소 반응 140분 정도에서 107.89 g/L로 확인하였다. (도 5).
본 발명에서 제안한 바와 같이 회분식 반응기 내의 생물학적 분해반응 공정을 교반토크로 제어하기 위하여 효소반응 공정 동안 교반토크 값의 변화와 단백질 및 아미노산 함량의 변화 간의 상관관계를 분석하였다. 교반토크 값의 변화와 단백질 함량 간의 상관관계를 분석한 결과 교반토크 값이 44 N·cm일 때 단백질의 함량이 56.31 g/L로 가장 낮은 농도를 가지는 것을 확인하였으며 (도 6), 교반토크의 값의 변화와 아미노산 함량 간의 상관관계를 분석한 결과 교반토크 값이 44 N·cm일 때 아미노산의 함량이 107.91 g/L로 가장 높은 농도를 갖는 것을 확인하였다 (도 7). 교반토크와 단백질 농도 변화와의 R2=0.9777이며, 교반토크와 아미노산 농도 변화와의 R2=0.9807임을 확인하였다. 이는 교반토크와 단백질 및 아미노산 함량 변화가 높은 상관관계를 가짐을 의미한다. 결과적으로 아미노산 함량이 가장 높게 나타난 시간을 기준으로 교반토크 값은 44 N·cm로 도출되며, 아미노산 함량 변화를 통해 구해진 수식 y = 13.221x +7.0357을 통해 교반토크 값에 따른 아미노산 농도를 계산 할 수 있다. 단백질 함량 변화를 통해 구해진 수식 y = -31.24x + 309.88 역시 사용될 수 있겠으나, 효소의 활성저하로 인해 아미노산 생산이 일어나지 않는 현상을 고려해 아미노산 함량을 통해 구해진 수식을 이용하였다. 상기 결과와 같이, 교반토크 값의 측정을 통하여 효소반응의 진행 정도나 완료여부를 판단하고 이를 효소 반응기 운전의 지표로 삼아 효소반응을 제어할 수 있다.
Claims (7)
1) 생물학적 분해반응 공정이 진행되는 반응기내의 교반 토크를 확인하는 단계;
2) 상기 반응기의 진행 정도와 반응 완료여부 확인을 위한 반응물 및 생성물의 농도 측정 단계;
3) 상기 1) 단계의 모니터링된 교반토크와 상기 2) 단계의 반응물 및 생성물의 농도간의 상관관계를 확인하는 단계; 및
4) 전체 생물학적 분해반응에서 모니터링된 교반토크와 반응물 및 생성물의 농도를 비교하여 반응의 진행 정도 및 완료여부를 판단하는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응 제어 방법으로서,
상기 4) 단계의 반응의 진행 정도와 완료여부를 판단하는 단계는,
4-1) 상기 3) 단계의 상관관계에 의해 하기 수학식 1 및 R2(결정계수)를 도출하는 단계;
4-2) 측정된 반응물 및 생성물의 농도 확인 및 비교 단계;
4-3) 상기 4-2) 단계의 확인된 농도와 모니터링된 교반토크의 비교를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도를 제어하는 단계; 및
4-4) 상기 모니터링된 교반토크와 반응 완료 시점의 교반 토크가 일치할 경우 반응을 완료시키는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응 제어 방법.
[수학식 1]
Y=f(x)
상기 수학식 1에서,
Y는 반응물 또는 생성물의 예측 함량(g/L)이고,
x는 교반 토크(N·cm)이다.
2) 상기 반응기의 진행 정도와 반응 완료여부 확인을 위한 반응물 및 생성물의 농도 측정 단계;
3) 상기 1) 단계의 모니터링된 교반토크와 상기 2) 단계의 반응물 및 생성물의 농도간의 상관관계를 확인하는 단계; 및
4) 전체 생물학적 분해반응에서 모니터링된 교반토크와 반응물 및 생성물의 농도를 비교하여 반응의 진행 정도 및 완료여부를 판단하는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응 제어 방법으로서,
상기 4) 단계의 반응의 진행 정도와 완료여부를 판단하는 단계는,
4-1) 상기 3) 단계의 상관관계에 의해 하기 수학식 1 및 R2(결정계수)를 도출하는 단계;
4-2) 측정된 반응물 및 생성물의 농도 확인 및 비교 단계;
4-3) 상기 4-2) 단계의 확인된 농도와 모니터링된 교반토크의 비교를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도를 제어하는 단계; 및
4-4) 상기 모니터링된 교반토크와 반응 완료 시점의 교반 토크가 일치할 경우 반응을 완료시키는 단계를 포함하는 생물학적 분해반응 제어 방법.
[수학식 1]
Y=f(x)
상기 수학식 1에서,
Y는 반응물 또는 생성물의 예측 함량(g/L)이고,
x는 교반 토크(N·cm)이다.
제 1항에 있어서,
상기 생물학적 분해반응은 효소반응 공정, 혐기성소화 공정, 메탄발효 공정, 산발효 공정 및 당화 공정으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 이상의 공정인 생물학적 분해반응 제어 방법.
상기 생물학적 분해반응은 효소반응 공정, 혐기성소화 공정, 메탄발효 공정, 산발효 공정 및 당화 공정으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 이상의 공정인 생물학적 분해반응 제어 방법.
제 1항에 있어서,
상기 생물학적 분해반응에 대한 반응물은 도축혈액, 음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 생물학적 분해반응 제어 방법.
상기 생물학적 분해반응에 대한 반응물은 도축혈액, 음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 생물학적 분해반응 제어 방법.
제 1항에 있어서,
상기 생물학적 분해반응 생성물은 단백질, 탄수화물 및 지방으로 구성되는 유기 고분자들이 분해되어 생성되는 셀룰로오스, 트리아실글리세롤, 아미노산, 단당류, 다당류, 셀로비오스, 지질, 알코올류, 지방족 탄화수소류 및 지방산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 생성물인 생물학적 분해반응 제어 방법.
상기 생물학적 분해반응 생성물은 단백질, 탄수화물 및 지방으로 구성되는 유기 고분자들이 분해되어 생성되는 셀룰로오스, 트리아실글리세롤, 아미노산, 단당류, 다당류, 셀로비오스, 지질, 알코올류, 지방족 탄화수소류 및 지방산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 생성물인 생물학적 분해반응 제어 방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 생물학적 분해반응은 R2가 0.8 내지 1의 정수에 해당되는 교반 토크와 반응물 및 생성물의 농도 간의 상관관계에 적용 가능한 생물학적 분해반응 제어 방법.
상기 생물학적 분해반응은 R2가 0.8 내지 1의 정수에 해당되는 교반 토크와 반응물 및 생성물의 농도 간의 상관관계에 적용 가능한 생물학적 분해반응 제어 방법.
생물학적 분해반응 내에서 반응의 진행 정도 및 완료여부를 확인하기 위한 반응물 및 생성물의 농도를 입력하는 입력부,
입력부에 입력된 데이터를 저장하는 저장부,
생물학적 분해반응의 교반토크를 모니터링하는 모니터링부,
반응의 진행 정도 및 완료여부 확인을 위해 모니터링된 교반토크와 입력부에 입력된 반응물 및 생성물의 농도를 비교하는 연산부, 및
연산부에 의해 반응물 및 생성물의 농도와 비교된 교반토크를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도의 제어 및 모니터링된 교반토크와 반응 완료시점의 교반토크가 일치할 경우 반응 완료를 제어할 수 있는 제어부를 포함하는 생물학적 분해반응 장치.
입력부에 입력된 데이터를 저장하는 저장부,
생물학적 분해반응의 교반토크를 모니터링하는 모니터링부,
반응의 진행 정도 및 완료여부 확인을 위해 모니터링된 교반토크와 입력부에 입력된 반응물 및 생성물의 농도를 비교하는 연산부, 및
연산부에 의해 반응물 및 생성물의 농도와 비교된 교반토크를 이용해 생물학적 분해반응의 진행 정도의 제어 및 모니터링된 교반토크와 반응 완료시점의 교반토크가 일치할 경우 반응 완료를 제어할 수 있는 제어부를 포함하는 생물학적 분해반응 장치.
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|---|---|---|---|
| KR20140096031A KR101470398B1 (ko) | 2014-07-28 | 2014-07-28 | 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20140096031A KR101470398B1 (ko) | 2014-07-28 | 2014-07-28 | 교반토크 모니터링을 이용한 생물학적 분해반응 제어 방법 및 그 제어 장치 |
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|---|---|
| KR (1) | KR101470398B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101620543B1 (ko) | 2015-06-17 | 2016-05-13 | 한국산업기술시험원 | 가축혈액을 이용한 아미노산-키토산 복합액비 및 이의 제조방법 |
| CN109354354A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-02-19 | 四川北方硝化棉股份有限公司 | 生化污泥处理中和后酸性废水使用终点的判定方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120038409A (ko) * | 2009-05-20 | 2012-04-23 | 질레코 인코포레이티드 | 바이오매스의 가공처리방법 |
| KR101233694B1 (ko) * | 2011-02-07 | 2013-02-15 | 주식회사 포스코건설 | 음식폐기물의 고형물 농도 조절장치 |
-
2014
- 2014-07-28 KR KR20140096031A patent/KR101470398B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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