KR101766954B1 - 냉각 추출법에 의해서 유기산 추출 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법 및 유기산 생산 장치 - Google Patents
냉각 추출법에 의해서 유기산 추출 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법 및 유기산 생산 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서, a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내기 위해서 상기 배양액을 추출기로 이송하는 단계; b) 상기 추출기에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하는 단계; c) 상기 배양액을, 추출된 유기산을 함유하는 추출 용매와 나머지 배양액으로 분리하고, 상기 추출 용매로부터 유기산을 분리하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 나머지 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시킨 후, 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 별도의 pH 조절제 첨가 없이도 이산화탄소를 이용하여 공정 pH를 조절할 수 있으므로, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적인 방식으로 유기산을 생산할 수 있으며, 특히, 냉각 상태에서의 이산화탄소 주입을 통해서 반응 용액의 pH를 더욱 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 pH 조절제 첨가 없이도 이산화탄소를 이용하여 공정 pH를 조절할 수 있으므로, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적인 방식으로 유기산을 생산할 수 있으며, 특히, 냉각 상태에서의 이산화탄소 주입을 통해서 반응 용액의 pH를 더욱 용이하게 조절할 수 있다.
Description
본 발명은 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
종래 미생물의 발효 반응을 이용하여 다양한 유기산 또는 알코올 계열의 화합물들을 제조한다. 예를 들어, 유기산으로는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 또는 숙신산 등과 같은 다양한 물질들이 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있으며, 에탄올 또는 부탄올 등과 같은 다양한 알코올 화합물들 역시 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있다. 생성된 유기산 또는 알코올 화합물들은 다양한 화학 공정들에서 플랫폼 화합물 (platform chemical)로 사용될 수 있으며, 추후 촉매 공정을 통해서 더욱 고부가가치를 갖는 물질들을 합성하는데 이용될 수 있다.
한편, 미생물에 의한 유기산 발효란, 미생물에 의한 발효반응을 통해서 탄소화합물을 불완전 산화시킴으로써 전술한 각종 유기산들을 생산하는 공정을 의미하며, 이때, 공정이 진행됨에 따라서 생성되는 유기산의 발효반응액 내 농도는 증가하게 된다. 이와 같이, 발효반응액 중 유기산의 농도가 증가하게 되면 발효반응액의 pH가 낮아지게 되며, 낮아진 pH는 다시 미생물의 발효반응을 저해하는 요인이 된다. 그러나, 이와는 대조적으로, 상기 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 생성된 목적물인 유기산은 상기 유기산을 함유한 발효액을 유기산 추출용 유기 용매와 접촉시켜서 상기 발효액으로부터 상기 유기 용매로 상기 유기산을 추출함으로써 회수하게 되는데, 이때 발효액의 pH가 낮을수록 생산된 유기산의 추출 반응에 유리하다.
따라서, 발효반응이 진행됨에 따라서, 미생물에 의한 발효반응이 수행되는 유기산 생산 발효기의 pH는 더 낮아지지 않게 유지하면서도, 생성물인 유기산을 추출하기 위한 추출기의 pH는 가능한 낮게 유지하는 pH 조절 작업이 필요하게 된다. 종래 통상적으로, 발효 반응이 진행됨에 따라서 낮아진 유기산 생산 발효기의 pH를 발효반응에 적합한 pH로 되돌려주기 위해서 알칼리염 등과 같은 물질을 첨가해주는 기술이 널리 알려져 있기는 하지만, 이는 첨가된 알칼리염이 발효반응액 중의 산과 반응하여 염을 생성하고, 이렇게 생성된 염은 발효반응액에 축적되며, 더불어 발효반응액의 부피도 증가되는 문제점을 야기한다.
관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0020037호에서는 pH 조절이 가능한 혐기소화시스템을 개시하고 있으며, 이에 따르면 별도의 완충제를 투입하지 않고도 소화액의 pH 조절이 가능한 혐기소화 시스템이 제공된다. 구체적으로는, 산발효조, 소화액 배출라인, 메탄발효조, 소화가스배출관, CO2 흡수탑, 소화가스 공급관 등을 포함하는 혐기소화시스템에 있어서, 산발효조에서 생성된 소화가스가 상기 CO2 흡수탑에서 처리되어 CO2 농도가 감소되고, CO2 농도가 감소된 소화가스가 메탄발효조로 공급됨으로써 메탄발효조의 pH가 조절되는 pH 조절이 가능한 혐기소화 시스템을 개시하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0025998호는 미생물 발효액으로부터 알킬부틸레이트를 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 구체적으로는 부티르산 생산균주를 이용하여 발효액을 생산한 다음, 발효액에 이산화탄소 등을 가하여 부티레이트 염을 부티르산으로 전환시키고, 추출용매를 사용하여 추출하는 단계 등을 포함하는 알킬부틸레이트의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 전술한 기술들은 CO2 농도 조절에 의한 pH 조절을 위해서 별도의 CO2 흡수탑과 같은 장치를 필요로 할 뿐만 아니라, 추출기의 pH 강하를 위해서 효과적으로 CO2를 추출기 내에 용해시키는 방법에 대해서 어떠한 방안도 제시하고 있지 못하다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적인 방식으로 유기산을 생산할 수 있으면서도, 더 나아가 별도로 첨가되는 pH 조절제가 없어서 비용절감을 도모할 수 있으며, 반응액 내 염 축적의 문제가 없는, 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서,
a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내기 위해서 상기 배양액을 추출기로 이송하는 단계;
b) 상기 추출기에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하는 단계;
c) 상기 배양액을, 추출된 유기산을 함유하는 추출 용매와 나머지 배양액으로 분리하고, 상기 추출 용매로부터 유기산을 분리하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 나머지 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시킨 후, 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 냉각은,
고압펌프에 의해서 상기 이산화탄소 기체를 상기 배양액이 수용된 용기에 주입하는 단계;
상기 이산화탄소 기체의 상기 용기로의 유입 압력에 의해서 상기 배양액이 코일형 관을 통해서 냉각 장치를 통과하며 냉각되는 단계; 및
상기 냉각된 배양액과 추출 용매, 및 추가로 유입되는 이산화탄소 기체를 추출기 중에서 혼합하는 단계
를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 냉각은 상기 추출기의 외부에 냉동 항온 수조를 배치함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 냉각은 상기 추출기의 내부 압력이 5 bar 내지 50 bar이고, 내부 온도가 1 ℃ 내지 10 ℃가 될 때까지 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소 기체는 상기 a) 단계의 발효반응으로부터 생성된 이산화탄소 기체일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 추출 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소의 탈기는 상기 배양액에 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 수행될 수 있고, 상기 이산화탄소 탈기 후의 상기 배양액의 pH는 5.5 내지 6.5일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계에서 상기 추출 용매에 의한 유기산의 추출을 용이하게 하기 위해서, 상기 추출기 내의 혼합 용액을 500 rpm 이하의 속도로 교반시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기산은 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 미생물은 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균일 수 있다.
한편, 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치로서,
유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 미생물 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기에 냉각된 배양액을 공급 또는 수용하기 위한 배양액 냉각기 또는 추출기 냉각기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 배양액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한 유수 분리기; 및
상기 추출기에 이산화탄소 기체를 주입하기 위한 이산화탄소 주입기
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 배양액 냉각기는 상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 배양액이 유입되어 상기 추출기로 배양액이 유출되는 코일 형태의 배양액 통과 라인; 및
상기 배양액 통과 라인의 외부를 감싸는 냉각액을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 추출기 냉각기는 상기 추출기의 외부를 감싸는 냉동 항온 수조일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현에에 따르면, 상기 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 상기 이산화탄소 주입기에 공급하기 위한 이산화탄소 공급라인을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유수 분리기로부터 분리된 상기 배양액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하기 위한 배양액 반송라인을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 배양액 반송라인의 중간에는 상기 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시키기 위한 이산화탄소 탈기조를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 pH 조절제 첨가 없이도 이산화탄소를 이용하여 공정 pH를 조절할 수 있으므로, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적인 방식으로 유기산을 생산할 수 있으며, 특히, 냉각 상태에서의 이산화탄소 주입을 통해서 반응 용액의 pH를 더욱 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법의 개략적인 공정도이다.
도 2는 배양액의 온도에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 추출기로 유입되는 배양액을 냉각시키기 위한 수단의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 추출기 내부의 혼합 용액을 냉각시키기 위한 수단의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예 1의 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예 1의 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시한 그래프이다.
도 2는 배양액의 온도에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 추출기로 유입되는 배양액을 냉각시키기 위한 수단의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 추출기 내부의 혼합 용액을 냉각시키기 위한 수단의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예 1의 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예 1의 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시한 그래프이다.
이하, 도면 및 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법의 개략적인 공정도를 도시하였다.
본 발명에 따른 방법은,
a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내기 위해서 상기 배양액을 추출기로 이송하는 단계;
b) 상기 추출기에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하는 단계;
c) 상기 배양액을, 추출된 유기산을 함유하는 추출 용매와 나머지 배양액으로 분리하고, 상기 추출 용매로부터 유기산을 분리하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 나머지 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시킨 후, 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 미생물에 의한 발효 반응은 유기산 생산 발효기 (110)에서 수행되며, 발효기 (110) 내부에는 유기산 발효를 수행하기 위한 미생물 및 미생물 배양액이 수용된다. 본 발명에 따른 방법은 다양한 유기산을 생산하기에 적합하며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산을 본 발명에 따라서 생산할 수 있다. 또한, 상기 유기산의 생산을 위해서 사용되는 발효 미생물로는, 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균을 예로 들 수 있다.
상기 유기산 생산 발효기 (110) 중에는 유기산 발효를 수행하는 미생물과 본 발명에서 생산하고자 하는 목적물인 유기산을 함유하는 배양액이 혼합되어 있다. 따라서, 다음 단계에서는 상기 유기산을 포함하는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내는 공정을 수행하게 된다.
전술한 바와 같이, 종래에는 추출용 유기 용매를 사용하여 배양액으로부터 유기산을 추출하는 경우, 그 추출 효율을 높이기 위해서 인위적으로 배양액과 추출 용매의 혼합 용액에 pH 강하제를 첨가하는 등의 방법을 사용하였다. 이에, 이러한 pH 강하제 첨가의 문제점을 해결하기 위해서 이산화탄소를 이용한 pH 조절 역시 제안된 바 있으나, 배양액 중 이산화탄소의 용해도 한계로 인해서 조절되는 pH의 폭에 한계가 있었고, 더 나아가 배양액에 이산화탄소를 용해시키는 단계와 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 목적물인 유기산을 추출하는 단계가 분리되어 있어서, 공정 복잡성을 야기하고, 공정 비용을 증가시키는 문제점을 초래하였다.
따라서, 본 발명에서는 유기산을 포함하고 있는 배양액과, 이러한 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하기 위한 유기 용매, 또한 상기 추출 과정을 용이하게 하기 위해서 pH를 조절하는 이산화탄소 기체를 하나의 추출기 내에 일괄적으로 주입하면서, 또한 이산화탄소 기체의 배양액 내로의 용해를 더욱 용이하게 하기 위해서 별도의 냉각 수단을 더 제공한다.
결국, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법의 b) 단계에서는 추출기 (140)에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하게 되는데, 이때 추출기 (140)를 냉각된 상태로 유지하기 위해서 별도의 냉각 수단이 제공된다. 특히, 도 2에는 배양액의 온도에 따른 이산화탄소의 용해도 그래프가 도시되어 있으며, 도 2를 참조하면, 배양액의 온도가 30 ℃ 정도에서 4 ℃ 정도로 낮아지게 되면, 그 용해도는 대략 3배 가량 증가하는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서 배양액을 냉각시키기 위한 수단의 일 예가 도 3에 도시되어 있으며, 도 3을 참조하면, 먼저 고압펌프 등을 사용하여 이산화탄소 기체를 배양액이 수용된 용기 (310)에 주입하게 되며, 주입된 이산화탄소 기체는 압력에 의해서 상기 용기 (310) 중의 배양액을 냉각 장치 (320)로 밀어내게 된다. 이때, 냉각 장치 (320) 내부에는 냉각액 (330)이 채워져 있으며, 배양액이 냉각 장치 (320)를 통과하며 충분하고 고른 냉각이 이루어질 수 있도록 하기 위해서, 코일형 관 (340)을 지나가며 냉각된다. 따라서, 냉각 장치 (320)로부터 유출되는 배양액은 추출기 (350)로 유입되기 이전에 충분한 냉각이 이루어지며, 추출기 (350) 내에서 냉각된 배양액과 유입된 추출 용매 및 pH 조절을 위해서 유입되는 이산화탄소 기체와 함께 혼합된다.
또한, 도 4에는 본 발명에서 배양액을 냉각시키기 위한 수단의 다른 예가 도시되어 있으며, 도 4를 참조하면, 도 3에서와 같이 배양액을 먼저 냉각시킨 후 추출기 (410)로 유입시키기보다는, 추출기 (410) 자체의 외부에 냉동 항온 수조 (420)를 배치하여 냉각 과정을 수행하게 된다.
전술한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 냉각 과정들을 통해서, 상기 추출기의 내부 압력 및 내부 온도는 추출에 효과적인 pH를 유지하기 위해서 소정량의 이산화탄소가 용해될 수 있도록 유지되는 바, 바람직하게는 상기 추출기의 내부 압력은 5 bar 내지 50 bar, 내부 온도는 1 ℃ 내지 10 ℃로 유지될 수 있다.
한편, 배양액의 pH를 낮추기 위해서 상기 추출기 (140)에 외부 이산화탄소를 공급해주는 것도 가능하지만, 바람직하게는, 상기 이산화탄소 기체는 상기 a) 단계의 발효반응으로부터 생성된 이산화탄소 기체일 수 있다. 이 경우, 발효반응에서 생성된 이산화탄소를 발효액의 pH를 낮추는 용도로 효과적으로 재활용하는 것이 가능하다. 이러한 과정에 의해서 이산화탄소가 주입된 상기 발효액의 pH는 4 내지 5 수준으로 낮아질 수 있다. 상기 pH 수준은 유기 용매를 사용하여 목적물인 유기산을 추출해내는데 있어서 매우 유리한 수치 범위이며, 구체적으로, 유기산 추출에 사용가능한 용매로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 사용가능하다.
또한, 추출기 (140) 중에서 추출 용매에 의한 유기산의 추출 반응을 용이하게 하기 위해서, 추출기 (140) 내부의 혼합 용액을 교반해주는 것도 가능하며, 이 경우, 교반 속도는 500 rpm 이하일 수 있다.
다음 단계로서, 도 1을 참조하면, 추출기 (140)에 유입되는 추출용 유기 용매는 제1 추출 용매 저장기 (160)로부터 유입되며, 유입된 추출 용매는 추출기 (140)에서 유기산 추출 과정을 거친 후, 유수 분리기 (150)를 통해서 유기산이 추출된 배양액과 추출 용매로 분리되고, 분리된 추출 용매는 제2 추출 용매 저장기 (170)로 이송되는 바, 제2 추출 용매 저장기에 저장된 추출 용매는 목적 물질인 유기산을 함유한 추출 용매이다. 따라서, 별도의 촉매공정을 통해서 추출 용매로부터 유기산을 분리한 후, 다시 유기산이 분리된 추출 용매를 제1 추출 용매 저장기 (160)로 이송하는 과정을 반복하게 된다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 추출 용매를 사용한 유기산의 분리, 또한 유수 분리기를 사용한 발효액과 추출 용매의 분리 등의 과정을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
마지막으로, 본 발명에서는, 상기 유수 분리기 (150)로부터 분리된 상기 유기산이 추출된 나머지 배양액을 상기 a) 단계의 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계, 즉 상기 유기산 생산 발효기 (110)로 상기 유기산이 추출된 배양액을 반송하는 단계를 수행하게 된다.
이때, 추출기 (140)에서 pH가 낮아진 배양액은 미생물에 의한 발효를 저해할 염려가 있는 바, 바람직하게는 상기 pH가 낮아진 배양액의 pH를 반송 이전에 상승시키는 단계를 수행하여야 한다. 이러한 pH 상승은 상기 추출기 (140)에서 이산화탄소와의 기액접촉에 의해서 pH가 강하된 상기 배양액으로부터 상기 이산화탄소를 탈기시킴으로써 수행될 수 있는 바, 이는 상기 배양액을 이산화탄소 탈기조 (180)로 이송한 후, 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 수행될 수 있다. 이와 같이, 이산화탄소가 탈기된 발효액의 pH는 5.5 내지 6.5일 수 있다.
종합하면, 본 발명에 따른 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법은 전술한 a) 내지 d) 단계를 반복수행함으로써 목적물인 유기산을 우수한 효율로 생산해낼 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치로서,
유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 미생물 배양액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기에 냉각된 배양액을 공급 또는 수용하기 위한 배양액 냉각기 또는 추출기 냉각기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 배양액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한 유수 분리기; 및
상기 추출기에 이산화탄소 기체를 주입하기 위한 이산화탄소 주입기
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 장치의 각 구성요소들인 유기산 생산 발효기, 추출기, 배양액 냉각기 또는 추출기 냉각기, 유수 분리기, 및 이산화탄소 주입기에 대한 설명은 전술한 본 발명에 따른 방법에서와 동일하다.
따라서, 상기 배양액 냉각기는 상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 배양액이 유입되어 상기 추출기로 배양액이 유출되는 코일 형태의 배양액 통과 라인; 및 상기 배양액 통과 라인의 외부를 감싸는 냉각액을 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉각은 전술한 바와 같이 추출기 자체의 냉각에 의해서도 달성될 수 있는 바, 상기 추출기 냉각기는 상기 추출기의 외부를 감싸는 냉동 항온 수조일 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 추출기 내부 혼합 용액의 pH를 조절하기 위해서 이산화탄소 기체를 주입하는 이산화탄소 주입기가 필요함은 물론이며, 이 경우 별도의 이산화탄소 기체를 추출기에 주입하는 것도 가능하지만, 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 추출기에 주입하는 것도 가능하며, 이 경우에는 상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 추출기로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급라인이 더 포함될 수도 있다.
더 나아가, 상기 유수 분리기로부터 분리된 배양액은 상기 유기산 생산 발효기로 반송되어 배양 반응에 재활용될 수 있으며, 이 경우 배양액 반송라인을 더 포함한다. 이때, 이러한 배양액 반송라인의 중간에는 이산화탄소를 탈기시키기 위한 이산화탄소 탈기조가 포함될 수 있는 바, 이는 pH가 낮아진 배양액을 그대로 유기산 생산 발효기로 반송할 경우, 미생물에 의한 발효 반응이 저해를 받을 수 있기 때문이다. 경우에 따라서, 상기 이산화탄소 탈기조에는 상기 이산화탄소의 탈기를 용이하게 하기 위해서, 교반기 및/또는 진공 펌프가 더 구비될 수도 있다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
실시예
1. 추출기 냉각 단계를 포함하는 방법에 따른 유기산 생산
2 L 혐기 발효기에 1.5 L의 배양액 (당농도 80 g/L)과 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (clostridium tyrobutyricum)을 접종하였다. 배양 조건은 37 ℃ 온도, pH 6.0으로 유지하며 발효 공정을 수행하였다. 발효가 11 시간 진행되었을 때, 평균 직경 0.45 ㎛의 세공 및 0.1 m2의 표면적을 가지는 평판막을 사용하여 300 ml 부피 배양액의 미생물을 걸러 주었다.
걸러진 배양액 만에 대해서 하기와 같이 후속 유기산 추출공정을 수행하였다. 고압추출기 내에 600 ml 부피의 추출 용매 (부틸부티레이트)를 미리 공급해주고, 이산화탄소를 공급하여 압력 조건을 45-50 bar로 유지시켰다. 추출기 외부에 냉동 항온 수조를 배치하여 냉각 과정을 수행함으로써, 추출 과정 동안 추출기 내부의 온도를 8 ~ 10 ℃로 유지하였다. 이어서, 추출기 내부에 상기 과정에 의해서 걸러진 배양액 300 ml를 고압 추출기에 고압펌프를 사용하여 공급하였다.
전술한 막 공정 및 추출 공정을 26 시간 동안 유지하였으며, 그 결과, 막 내부에서 별다른 파울링 현상이 발생되지는 않았으며, 고압 추출기에서는 시간당 1200 ml (분당 20 ml)의 배양액 순환이 이루어지고 추출이 진행되었다. 이때, 별도로 추출 용매를 순환시키지는 않았다. 또한, 추출 이후의 배양액은 이산화탄소의 탈기를 거쳐 발효기로 재공급하였다.
비교예
1. 추출기 냉각 단계를 수반하지 않는 유기산 생산
실시예 1과 동일한 과정에 의해서 유기산 생산을 수행하되, 별도의 추출기 냉각 단계 없이 상온에서 유기산 추출 단계를 수행하였다.
도 5 및 6에는 각각 실시예 1 및 비교예 1의 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 그래프로 도시한 결과를 나타내었다. 도 5 및 6을 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 유기산의 지속적 생산 및 추출 용매에 의한 유기산의 지속적 추출이 이루어진다는 사실을 알 수 있다.
그러나, 도 5와 6의 데이터를 비교해 보면, 실시예 1이 비교예 1에 비해서, 생산된 유기산의 추출면에서 볼 때, 더욱 효율적이고, 결과적으로 더욱 많은 양의 부티르산을 생산하였다는 점을 알 수 있다. 하기 표 1에는 실시예 1 및 비교예 1의 배양액 중 최종 부티르산 농도, 추출 용매 중 최종 부티르산 농도 및 생산된 부트르산의 양을 비교하였다.
| 비교예 1 | 실시예 1 | |
| 배양액 중 최종 부티르산 농도 | 20.1 g/L | 22.2 g/L |
| 추출 용매 중 최종 부티르산 농도 | 14.2 g/L | 18.4 g/L |
| 생산된 부티르산의 양 | 38.6 g | 44.3 g |
Claims (16)
- 삭제
- 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서,
a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내기 위해서 상기 배양액을 추출기로 이송하는 단계;
b) 상기 추출기에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하는 단계;
c) 상기 배양액을, 추출된 유기산을 함유하는 추출 용매와 나머지 배양액으로 분리하고, 상기 추출 용매로부터 유기산을 분리하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 나머지 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시킨 후, 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계;
를 포함하고,
상기 b) 단계의 냉각은 배양액 냉각기에 의하되,
상기 배양액 냉각기는,
상기 미생물에 의한 발효 반응이 일어나는 유기산 생산 발효기로부터 유입되는 상기 배양액을 저장하는 저장 용기;
내부에 냉각액을 수용하는 냉각조;
상기 냉각액 내에 배치되고, 코일 형태로 형성되되, 일단은 상기 배양액이 유입되도록 상기 저장 용기와 소통되며, 타단은 상기 추출기에 연결되는 배양액 통과라인; 및
상기 추출기로 공급되는 상기 이산화탄소 중 일부를 상기 저장 용기 내부로 주입하는 이산화탄소 주입라인;
을 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법. - 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서,
a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액으로부터 상기 유기산을 추출해내기 위해서 상기 배양액을 추출기로 이송하는 단계;
b) 상기 추출기에 냉각 상태에서 이산화탄소 주입 및 추출 용매의 유입을 수행함으로써, 상기 배양액으로부터 상기 유기산을 추출하는 단계;
c) 상기 배양액을, 추출된 유기산을 함유하는 추출 용매와 나머지 배양액으로 분리하고, 상기 추출 용매로부터 유기산을 분리하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 나머지 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시킨 후, 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 배양액에 합류시키는 단계;
를 포함하고,
상기 b) 단계의 냉각은 외벽이 상기 추출기의 외면을 둘러싸되, 상기 외벽과 추출기 외면 사이에 공간이 구비되고, 상기 공간에 냉각유체가 유동하는 냉동 항온 수조를 배치함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법. - 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 b) 단계의 냉각은 상기 추출기의 내부 압력이 5 bar 내지 50 bar이고, 내부 온도가 1 ℃ 내지 10 ℃가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 이산화탄소 기체는 상기 a) 단계의 발효반응으로부터 생성된 이산화탄소 기체인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 이산화탄소의 탈기는 상기 배양액에 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 수행되며, 상기 이산화탄소 탈기 후의 상기 배양액의 pH는 5.5 내지 6.5인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 b) 단계에서 상기 추출 용매에 의한 유기산의 추출을 용이하게 하기 위해서, 상기 추출기 내의 혼합 용액을 500 rpm 이하의 속도로 교반시키는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 유기산은 부티르산, 헥산산, 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 미생물은 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 삭제
- 유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 배양액이 공급되고, 유기 용매가 주입되어 유기산을 추출하는 추출기;
상기 추출기로 공급되는 상기 배양액을 냉각하는 배양액 냉각기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 배양액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하는 유수 분리기; 및
상기 추출기에 이산화탄소 기체를 주입하는 이산화탄소 주입기;
를 포함하고,
상기 이산화탄소 기체는 상기 유기산 생산 발효기에서 생성되며,
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 이산화탄소 기체를 상기 이산화탄소 주입기에 공급하는 이산화탄소 공급라인;
을 더 포함하고,
상기 배양액 냉각기는,
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 배양액이 유입되어 저장되는 저장 용기;
내부에 냉각액을 수용하는 냉각조;
상기 냉각액 내에 배치되고, 코일 형태로 형성되되, 일단은 상기 배양액이 유입되도록 상기 저장 용기와 소통되며, 타단은 상기 추출기에 연결되는 배양액 통과라인; 및
상기 이산화탄소 기체가 상기 저장 용기 내부를 가압하도록, 상기 이산화탄소 주입기 또는 상기 이산화탄소 공급라인으로부터 분기되어 상기 저장 용기에 연결되는 이산화탄소 주입라인;
을 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치. - 유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 배양액이 공급되고, 유기 용매가 주입되어 유기산을 추출하는 추출기;
상기 추출기로 공급되는 상기 배양액을 냉각하는 배양액 냉각기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 배양액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하는 유수 분리기; 및
상기 추출기에 이산화탄소 기체를 주입하는 이산화탄소 주입기;
를 포함하고,
상기 추출기 냉각기는 외벽이 상기 추출기의 외면을 둘러싸되, 상기 외벽과 상기 추출기 외면 사이에 공간이 구비되고, 상기 공간에 냉각유체가 유동하는 냉동 항온 수조인 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치. - 제13항에 있어서, 상기 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 상기 이산화탄소 주입기에 공급하기 위한 이산화탄소 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 유수 분리기로부터 분리된 상기 배양액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하기 위한 배양액 반송라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 배양액 반송라인의 중간에는 상기 배양액으로부터 이산화탄소를 탈기시키기 위한 이산화탄소 탈기조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
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| KR101314336B1 (ko) | 2011-08-18 | 2013-10-14 | 장희현 | ｐＨ조절이 가능한 혐기소화시스템 |
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2015
- 2015-04-23 KR KR1020150057091A patent/KR101766954B1/ko active IP Right Grant
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|---|
| Ernest E. Ludwig, Applied Process Design, Vol. 3, Third Edition (2001.)* |
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