KR101812383B1 - 효율적 pH 조절에 의해서 유기산 생산 효율이 향상된 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법 및 유기산 생산 장치 - Google Patents
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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 발효 반응액을 상기 미생물과 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액으로 분리하는 단계; b) 상기 발효액의 pH를 강하시키는 단계; c) 상기 b) 단계의 pH가 강하된 발효액을 유기산 추출용 유기 용매와 접촉시킴으로써 상기 pH가 강하된 발효액으로부터 유기산을 추출하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 유기산이 추출된 발효액의 pH를 상승시킨 후, pH가 상승된 상기 발효액을 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 발효 반응액에 합류시키는 단계를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 공정 전반에 걸쳐서 pH를 유기적으로 최적 조건으로 조절해 줌으로써, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적이면서도 우수한 효율로 유기산을 생산할 수 있고, 더 나아가 별도로 첨가되는 pH 조절제가 없어서 비용절감을 도모할 수 있으며, 반응액 내 염 축적의 문제가 없는 유기산 생산 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공정 전반에 걸쳐서 pH를 유기적으로 최적 조건으로 조절해 줌으로써, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적이면서도 우수한 효율로 유기산을 생산할 수 있고, 더 나아가 별도로 첨가되는 pH 조절제가 없어서 비용절감을 도모할 수 있으며, 반응액 내 염 축적의 문제가 없는 유기산 생산 방법을 제공할 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.
따라서, 반응이 진행됨에 따라서 낮아진 pH를 발효반응에 적합한 pH로 되돌려주기 위한 수단이 필요하며, 이러한 pH 조절을 위해서 알칼리염 등과 같은 물질을 첨가하여, 낮아진 발효반응액의 pH를 인위적으로 높여주고 있지만, 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.
한편, 전술한 바와 같이, 발효반응에 있어서는 pH가 높을수록 미생물의 활성이 억제되지 않으므로 유리하지만, 이러한 발효반응에 의해서 생성된 유기산을 유기용매 등을 사용하여 추출하는 때에는 용액의 pH가 낮을수록 유리하다.
관련하여, 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, 미생물 발효반응 억제를 방지하기 위한 pH의 인위적 상승, 또는 발효 결과물 추출을 용이하게 하기 위한 pH의 인위적 강하만을 서술하고 있을 뿐, 발효 반응으로부터 발효 결과물의 추출 생성으로 이어지는 연속적 과정에서 어떻게 pH를 효과적으로 조절하여야 하는가에 대한 방안을 제시하고 있지 못하다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서, 공정 전반에 걸쳐서 pH를 유기적으로 최적 조건으로 조절해 줌으로써, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적이면서도 우수한 효율로 유기산을 생산할 수 있고, 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 발효 반응액을 상기 미생물과 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액으로 분리하는 단계;
b) 상기 발효액의 pH를 강하시키는 단계;
c) 상기 b) 단계의 pH가 강하된 발효액을 유기산 추출용 유기 용매와 접촉시킴으로써 상기 pH가 강하된 발효액으로부터 유기산을 추출하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 유기산이 추출된 발효액의 pH를 상승시킨 후, pH가 상승된 상기 발효액을 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 발효 반응액에 합류시키는 단계
를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 a) 단계의 상기 미생물과 상기 발효액의 분리는 상기 발효 반응액을 막분리 장치를 통과시켜 여과시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 막분리 장치는 직경 0.2 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 세공이 형성된 세라믹 소재의 막 또는 고분자 소재의 막일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 pH 강하는 상기 발효액에 대해서 이산화탄소 기체를 기액접촉시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기액접촉은 상기 이산화탄소 기체를, 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 발효액과 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 접촉시킴으로써 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 b) 단계의 pH 강하를 거친 상기 발효액의 pH는 4 내지 5일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 c) 단계의 유기 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 d) 단계의 pH 상승은 상기 b) 단계에서 이산화탄소와의 기액접촉에 의해서 pH가 강하된 상기 발효액으로부터 상기 이산화탄소를 탈기시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소의 탈기는 상기 발효액에 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 d) 단계의 pH 상승을 거친 상기 발효액의 pH는 5.5 내지 6.5일 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.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 c) 단계의 유기산 추출용 유기 용매와 접촉된 발효액은 유수분리기를 통하여 상기 유기산이 함유된 유기 용매와 상기 유기산이 추출된 발효액으로 분리될 수 있다.
한편, 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치로서,
유기산 발효를 수행하는 미생물 배양액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 배양액을 발효액과 미생물로 분리하기 위한 막분리 장치;
상기 막분리 장치로부터 상기 유기산 생산 발효기로 상기 미생물을 반송하는 미생물 반송라인;
상기 막분리 장치로부터 이송된 상기 발효액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한 유수 분리기;
상기 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 상기 추출기로 이송하는 이산화탄소 유입라인;
상기 유수 분리기로부터 상기 유기산이 추출된 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
상기 발효액 반송라인 중간에 설치되어 이산화탄소의 탈기 반응을 수행하기 위한 이산화탄소 탈기조를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 추출기와 상기 유수 분리기의 사이에는 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액의 일정한 공급을 위한 써지 탱크 (surge tank)가 더 구비될 수도 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소 탈기조에는 상기 이산화탄소의 탈기를 용이하게 하기 위한 교반기 또는 진공 펌프가 더 구비될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 공정 전반에 걸쳐서 pH를 유기적으로 최적 조건으로 조절해 줌으로써, 유기산 생산 효율의 저하 없이 지속적이면서도 우수한 효율로 유기산을 생산할 수 있고, 더 나아가 별도로 첨가되는 pH 조절제가 없어서 비용절감을 도모할 수 있으며, 반응액 내 염 축적의 문제가 없는 유기산 생산 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법의 개략적인 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 제작하기 위한 장치 설계도의 일예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 설계도에 따라서 실제 제작된 장치의 사진을 도시한 것이다.
도 4는 종래 통상적인 방법에 따른 pH 조절을 이용하여 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출한 경우 pH에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 통상적인 방법에 따른 pH 조절을 이용하여 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출하되, pH가 4.5로 조절된 배양액에 대해서 추출 시간을 달리해 주면서 추출 시간에 따른 추출 효율의 차이를 분석한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라서, 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한 pH 조절을 통해서 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출함에 있어서, 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라서, 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한 pH 조절을 통해서 발효된 배양액으로부터 유기산을 추출함에 있어서, 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 8은 실시예 3에 따른 미생물 막 분리 공정에 대한 공정 흐름도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 실시예 3에 따라서 미생물 유기산 발효 및 생산된 유기산의 추출을 수행할 경우, 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 제작하기 위한 장치 설계도의 일예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 설계도에 따라서 실제 제작된 장치의 사진을 도시한 것이다.
도 4는 종래 통상적인 방법에 따른 pH 조절을 이용하여 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출한 경우 pH에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 통상적인 방법에 따른 pH 조절을 이용하여 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출하되, pH가 4.5로 조절된 배양액에 대해서 추출 시간을 달리해 주면서 추출 시간에 따른 추출 효율의 차이를 분석한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라서, 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한 pH 조절을 통해서 미발효된 배양액으로부터 유기산을 추출함에 있어서, 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라서, 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한 pH 조절을 통해서 발효된 배양액으로부터 유기산을 추출함에 있어서, 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 도시한 그래프이다.
도 8은 실시예 3에 따른 미생물 막 분리 공정에 대한 공정 흐름도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 실시예 3에 따라서 미생물 유기산 발효 및 생산된 유기산의 추출을 수행할 경우, 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 발효 반응액을 상기 미생물과 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액으로 분리하는 단계;
b) 상기 발효액의 pH를 강하시키는 단계;
c) 상기 b) 단계의 pH가 강하된 발효액을 유기산 추출용 유기 용매와 접촉시킴으로써 상기 pH가 강하된 발효액으로부터 유기산을 추출하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 유기산이 추출된 발효액의 pH를 상승시킨 후, pH가 상승된 상기 발효액을 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 발효 반응액에 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 당업계에 공지된 유기산 생산 미생물을 단독으로 사용하는 것도 가능하지만, 이러한 유기산들의 혼합균을 사용하는 것도 가능하다.
상기 유기산 생산 발효기 (110) 중에는 유기산 발효를 수행하는 미생물과 상기 미생물에 의해서 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액이 혼합되어 있으며, 본 발명에서는 먼저 이러한 혼합액을 미생물과 발효액으로 분리하는 공정을 수행하게 되며, 이는 도 1에 도시된 미생물/발효액 분리기 (120)에서 수행된다.
본 발명에서 이와 같이 미생물과 발효액을 분리하는 공정을 수행하는 이유는, 전술한 바와 같이, 미생물의 발효 공정이 진행됨에 따라서 생성된 유기산이 유기산 생산 발효기 (110) 내에 축적되고, 유기산의 발효반응액 내 농도가 증가함으로써 유기산 생산 발효기 (110) 중의 발효반응액의 pH를 낮추게 되며, 낮아진 pH는 다시 미생물의 발효반응을 저해하는 요인이 되므로, 이를 방지하기 위함이다. 한편, 낮은 pH는 미생물의 발효반응을 저해하는 요인이 되기도 하지만, 이후 생산된 유기산을 추출하는 과정에서는 추출용매에 의한 추출 반응을 용이하게 하는 요인이 되기도 한다. 따라서, 본 발명에서는 미생물과 발효액을 분리하여 미생물은 유기산 생산 발효기 (110)로 되돌려 보내고, 발효액은 유기산 추출을 위해서 더욱 pH를 낮추어준 다음, 추출 과정을 진행하고 나서, 다시 pH를 상승시켜서 유기산 생산 발효기 (110)로 되돌려주는 과정을 거치게 된다. 결국, 본 발명의 방법에 따르면, 유기산 생산 발효기 (110) 중 발효반응액의 pH가 낮아지는 것을 방지할 수 있어서 미생물의 발효반응이 저해 받지 않도록 할 수 있으면서, 동시에, 발효반응액의 결과물인 발효액의 pH는 낮게 유지함으로써 추후 유기용매에 의한 유기산 추출과정에서 더욱 용이하게 유기산을 추출할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에서는 상기 a) 단계의 미생물과 발효액의 분리를 위해서 막분리 장치 (120)를 사용할 수 있다. 이러한 막분리 장치 (120)는 상기 발효 반응액으로부터 미생물을 여과하여 미생물만을 상기 유기산 생산 발효기 (110)로 되돌려주기 위한 것으로서, 예를 들어, 직경 0.2 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 세공이 형성된 세라믹 소재의 막 또는 고분자 소재의 막을 사용할 수 있다.
이어서, a) 단계에서 미생물로부터 분리된 발효액에 대해서는 추가적인 pH 강하 공정을 수행하게 된다. 이는 전술한 바와 같이 추후 유기용매에 의한 유기산 추출을 용이하게 하기 위한 과정이며, 예를 들어 상기 발효액에 대해서 이산화탄소 기체를 기액접촉시킴으로써 수행될 수 있다. 본 발명에 있어서, 이러한 b) 단계의 pH 강하 공정은 별도의 pH 강하제를 첨가함으로써 수행되기보다는, 이산화탄소 기체와 상기 발효액을 기액접촉시킴으로써 수행될 수 있는 바, 상기 기액접촉 공정에 의해서 발효액 내로 이산화탄소 기체가 용해되면, 상기 발효액의 pH가 낮아지게 된다. 구체적으로, 상기 기액접촉은 상기 이산화탄소 기체를, 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 발효액과 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 접촉시킴으로써 수행될 수 있으며, 별도의 기액접촉 반응기 중에서 수행될 수도 있지만, 상기 유기산 생산 발효기 (110)로부터 막분리 장치 (120)를 통과하여 저장기 (130)에 일시 저장된 후, 유기산 추출을 위한 고압 추출기 (140)로 이송되어 수행될 수도 있다. 본 발명에서 이러한 고압 추출기 (140)를 사용하는 이유는 상기 이산화탄소가 발효액 내료 용해되는 것을 용이하게 하기 위함이다.
한편, 발효액의 pH를 낮추기 위해서 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.
도 1을 참조하면, 고압 추출기 (140)에 유입되는 추출용 유기 용매는 제1 추출 용매 저장기 (160)로부터 유입되며, 유입된 추출 용매는 고압 추출기 (140)에서 유기산 추출 과정을 거친 후, 유수 분리기 (150)를 통해서 유기산이 추출된 발효액과 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.
다음 d) 단계로서, 본 발명에서는, 상기 유수 분리기 (150)로부터 분리된 상기 유기산이 추출된 발효액을 상기 a) 단계의 발효 반응액에 합류시키는 단계, 즉 상기 유기산 생산 발효기 (110)로 상기 유기산이 추출된 발효액을 반송하는 단계를 수행하게 되는데, 전술한 바와 같이, pH가 낮아진 발효액은 미생물에 의한 발효를 저해하게 되므로, 반송 이전에 pH를 상승시키는 단계를 수행하여야 한다.
바람직하게는, 이러한 d) 단계에서의 pH 상승은 상기 b) 단계에서 이산화탄소와의 기액접촉에 의해서 pH가 강하된 상기 발효액으로부터 상기 이산화탄소를 탈기시킴으로써 수행될 수 있는 바, 이는 상기 발효액을 이산화탄소 탈기조 (180)로 이송한 후, 상기 발효액에 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 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 배양액을 발효액과 미생물로 분리하기 위한 막분리 장치;
상기 막분리 장치로부터 상기 유기산 생산 발효기로 상기 미생물을 반송하는 미생물 반송라인;
상기 막분리 장치로부터 이송된 상기 발효액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한 유수 분리기;
상기 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 상기 추출기로 이송하는 이산화탄소 유입라인;
상기 유수 분리기로부터 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
상기 발효액 반송라인 중간에 설치되어 이산화탄소의 탈기 반응을 수행하기 위한 이산화탄소 탈기조를 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치를 제공한다.
도 2에는 본 발명에 따른 장치를 제작하기 위한 장치 설계도의 일예를 도시하였으며, 도 3에는 이러한 설계도에 따라서 실제 제작된 장치의 사진을 도시하였다. 본 발명에 따른 장치에 있어서, 장치의 각 구성요소들인 유기산 생산 발효기, 막분리 장치 (도 2의 장치 설계도 중 유기산 생산 발효기 및 막분리 장치는 미도시), 유기산 생산 발효기로부터 막분리 장치를 통과하여 이송된 발효반응액을 저장하는 저장기 (230), 미생물 반송라인, 추출기 (240), 유수 분리기 (250), 이산화탄소 유입라인, 발효액 반송라인, 제1 추출 용매 저장기 (260), 제2 추출 용매 저장기 (270) 및 이산화탄소 탈기조 (280)에 대한 설명은 전술한 본 발명에 따른 방법에서와 동일하다.
한편, 도 2를 참조하면, 상기 추출기 (240)와 상기 유수 분리기 (250)의 사이에는 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액의 일정한 공급을 위한 써지 탱크 (surge tank) (290)가 더 구비될 수도 있다. 특히, 이러한 써지 탱크는 전술한 바와 같이 이산화탄소의 원활한 용해를 위해서 상기 추출기 (240)에 고압을 가해줄 경우, 상기 추출기 (240)로부터 상기 유수 분리기 (250)로의 유체 이송에는 별다른 펌프를 사용할 필요가 없는 바, 이 경우 원활한 유체 이송을 위해서는 별도의 써지 탱크 (290)가 더 필요하게 될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 탈기조 (280)에는 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
비교예
1. 종래 통상적인 방법에 따른
pH
조절을 통해서 미발효된
배양액으
로부터 유기산 추출
당 농도 20 g/L의 미발효 배양액에 부티르산을 20 g/L의 농도로 투입하고, 수산화나트륨 용액을 이용하여 배양액의 pH를 각각 4.0, 4.5. 5.0 및 5.5로 조절해 주었다. 상온 및 상압 조건 하에서, 각각의 배양액 10 ml와 추출 용매인 부틸 부티레이트를 10 ml씩 넣고 자성 교반기를 사용하여 700 rpm의 속도로 교반함으로써, 배양액과 추출 용매가 완전히 혼합되도록 하였다. 추출 반응 이후에, 혼합액을 5분 이상 방치함으로써 추출 용매와 배양액이 분리되도록 하였다. 추출 전과 추출 후에 배양액 중에 존재하는 부티르산의 농도를 분석하였고, 추출 효율은 (추출 전 부티르산 농도 - 추출 후 부티르산 농도)/(추출 전 부티르산 농도) × 100의 식에 의해서 계산하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다.
한편, 상기와 동일한 방법에 따라서 추출 실험을 진행하되, pH가 4.5로 조절된 배양액에 대해서 추출 시간을 각각 10 분, 20 분, 30 분 및 40 분으로 달리해 주면서 추출 시간에 따른 추출 효율의 차이를 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, 10분 이상의 추출 시간에서는, 추출 시간이 길어짐에 따른 추출 효율의 향상은 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.
실시예
1. 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한
pH
조절을 통해서 미발효된 배양액으로부터 유기산 추출
당 농도 20 g/L의 미발효 배양액에 부티르산을 20 g/L의 농도로 투입하고, 배양액의 pH를 각각 6.0으로 조절해 주었다. 상기 배양액 150 ml와 추출 용매인 부틸 부티레이트를 150 ml씩 본 발명에 따른 고압 추출기에 넣고, 이산화탄소를 공급하여 각각 10 bar, 20 bar, 30 bar, 40 bar 및 50 bar의 압력을 가해 주었다. 온도 조절은 별도로 수행하지 않았으며, 상온 조건을 유지하였다. 이후, 고압 추출기에 장착된 임펠러를 사용하여 700 rpm의 속도로 10분 동안 교반함으로써, 배양액과 추출 용매가 완전히 혼합되도록 하였다. 추출 반응 이후에, 혼합액을 5분 이상 방치함으로써 추출 용매와 배양액이 분리되도록 하였다. 추출 전과 추출 후에 배양액 중에 존재하는 부티르산의 농도를 분석하였고, 추출 효율은 (추출 전 부티르산 농도 - 추출 후 부티르산 농도)/(추출 전 부티르산 농도) × 100의 식에 의해서 계산하였다. 도 6에는 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 그래프로 도시하였으며, 도 6을 참조하면 압력이 증가함에 따라서 추출 효율도 함께 증가하는 사실을 알 수 있다.
실시예
2. 추출 단계에서 이산화탄소를 이용한
pH
조절을 통해서 발효된 배양액으로부터 유기산 추출
2 L 혐기 발효기에 1.5 L의 배양액 (당농도 60 g/L)과 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (clostridium tyrobutyricum)을 접종하였다. 배양 조건은 37 ℃ 온도, pH 6.0으로 유지하며 24 시간 동안 배양하였다. 발효가 끝난 이후에 발효액으로부터 미생물을 분리하고, 미생물이 걸러진 발효액에 대해서 부티르산의 농도를 측정한 결과, 23 g/L였으며, pH는 6.0이었다. 걸러진 발효액 150 ml와 추출 용매인 부틸부티레이트 300 ml를 본 발명에 따른 고압 추출기에 넣고, 이산화탄소를 공급하여 각각 10 bar, 20 bar, 30 bar, 40 bar 및 50 bar의 압력을 가해 주었다. 온도 조절은 별도로 수행하지 않았으며, 상온 조건을 유지하였다. 이후, 고압 추출기에 장착된 임펠러를 사용하여 700 rpm의 속도로 10분 동안 교반함으로써, 배양액과 추출 용매가 완전히 혼합되도록 하였다. 추출 반응 이후에, 혼합액을 5분 이상 방치함으로써 추출 용매와 배양액이 분리되도록 하였다. 추출 전과 추출 후에 배양액 중에 존재하는 부티르산의 농도를 분석하였고, 추출 효율은 (추출 전 부티르산 농도 - 추출 후 부티르산 농도)/(추출 전 부티르산 농도) × 100의 식에 의해서 계산하였다. 도 7에는 고압 추출기에 가해준 압력 조건에 따른 추출 효율을 그래프로 도시하였으며, 도 7을 참조하면 압력이 증가함에 따라서 추출 효율도 함께 증가하는 사실을 알 수 있다.
실시예
3. 본 발명에 따른 막 분리 공정 및 이산화탄소 고압 추출 공정을 통한 미생물 발효 공정 수행
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 μm의 세공 및 0.1 m2의 표면적을 가지는 평판막을 사용하여 300 ml 부피 배양액의 미생물을 걸러 주었다. 이때, 평판막 운영 조건은 하기와 같았다.
발효된 배양액은 평판막에 분당 500 ml (300 L/m2/hr의 flow rate)의 속도로 공급하였으며, 미생물은 분당 480 ml (288 L/m2/hr의 flow rate)의 속도로 회수하고, 걸러진 배양액은 분당 20 ml (12 L/m2/hr의 flow rate)의 속도로 수득하였다. 참고로, 도 8에는 실시예 3에 따른 미생물 막 분리 공정에 대한 공정 흐름도를 개략적으로 도시하였다. 본 실시예에서는 0.1 m2의 표면적을 갖는 평판막을 사용하였으나, 더 넓은 표면적을 갖는 평판막을 사용할수록 처리할 수 있는 배양액의 부피를 증가시킬 수 있다. 회수된 미생물은 발효기로 반송되어 배양에 사용되고, 걸러진 배양액 만에 대해서 하기와 같이 후속 유기산 추출공정을 수행하였다.
고압 추출기 내에 600 ml 부피의 추출 용매 (부틸부티레이트)를 미리 공급해주고, 이산화탄소가 포함된 발효가스를 공급하여 압력 조건을 50 bar까지 상승시켜 주었다. 온도 조절은 별도로 수행하지 않았으며, 상온 조건을 유지하였다. 이후, 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.
도 9에는 시간에 따른 배양액 중 부티르산 농도 및 추출 용매 중 부티르산 농도를 도시하였으며, 도 9의 결과로부터, 유기산의 지속적 생산 및 추출 용매에 의한 생산된 유기산의 지속적 추출이 이루어진다는 사실을 알 수 있다. 본 실시예에서는 배양액과 추출 용매의 부피를 각각 1.5 L 및 600 ml로 하였으나, 추출 용매의 상대적인 양을 증가시키거나, 또는 순환시키는 경우, 보다 높은 추출 효율을 달성할 수 있을 것이다.
Claims (17)
- 미생물에 의한 유기산 발효에 의해서 유기산을 생산하는 방법에 있어서,
a) 상기 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 미생물 반응액을 상기 미생물과 발효 반응이 수행된 결과물인 발효액으로 분리하는 단계;
b) 상기 발효액의 pH를 강하시키는 단계;
c) 상기 b) 단계의 pH가 강하된 발효액을 유기산 추출용 유기 용매와 접촉시킴으로써 상기 pH가 강하된 발효액으로부터 유기산을 추출하는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 유기산이 추출된 발효액의 pH를 상승시킨 후, pH가 상승된 상기 발효액을 상기 a) 단계의 미생물에 의한 발효 반응이 수행되는 미생물 반응액에 합류시키는 단계;
를 포함하고,
상기 a) 단계의 발효 반응은 유기산 생산 발효기 내부에서 일어나고, 상기 미생물과 상기 발효액의 분리는 막분리 장치에 의하되,
상기 막분리 장치에서 분리된 상기 미생물은 상기 막분리 장치와 상기 유기산 생산 발효기를 연결하는 미생물 반송라인을 따라, 상기 유기산 생산 발효기로 반송되며,
상기 막분리 장치는,
내부에 상기 미생물 반응액이 유입되는 수용공간을 구비하고, 상기 수용공간이 상기 미생물 반송라인과 연통되는 하우징;
상기 수용공간에 배치되되, 상기 미생물 반응액이 유입되는 방향에 대하여 소정의 각도를 이루며 비스듬하게 배치되어 경사면을 형성하고, 상기 미생물 반응액을 분리하는 분리막;
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 수용공간으로 상기 미생물 반응액을 공급하는 유입구; 및
상기 분리막을 투과한 상기 발효액을 배출하는 배출구;
를 포함하고,
상기 b) 단계는 추출기 내부에서 이루어지며,
상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에서, 분리된 상기 발효액은 저장기에 저장되었다가, 상기 추출기로 공급되는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 분리막은 직경 0.2 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 세공이 형성된 세라믹 소재의 막 또는 고분자 소재의 막인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 pH 강하는 상기 발효액에 대해서 이산화탄소 기체를 기액접촉시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 기액접촉은 상기 이산화탄소 기체를, 5 bar 내지 50 bar의 압력 및 4 ℃ 내지 40 ℃의 온도에서, 10 분 내지 20 분 동안 상기 발효액과 500 rpm 이하의 교반 조건 하에서 접촉시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 이산화탄소 기체는 상기 a) 단계의 발효반응으로부터 생성된 이산화탄소 기체인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 pH 강하를 거친 상기 발효액의 pH는 4 내지 5인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 유기 용매는 부틸 부티레이트, 도데칸올, 올레일 알코올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 d) 단계의 pH 상승은 상기 b) 단계에서 이산화탄소와의 기액접촉에 의해서 pH가 강하된 상기 발효액으로부터 상기 이산화탄소를 탈기시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 이산화탄소의 탈기는 상기 발효액에 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 d) 단계의 pH 상승을 거친 상기 발효액의 pH는 5.5 내지 6.5인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유기산은 부티르산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미생물은 유기산을 생산하는 단독 미생물 또는 혼합균인 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 유기산 추출용 유기 용매와 접촉된 발효액은 유수분리기를 통하여 상기 유기산이 함유된 유기 용매와 상기 유기산이 추출된 발효액으로 분리되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 방법.
- 유기산 발효를 수행하는 미생물 반응액을 수용하는 유기산 생산 발효기;
상기 유기산 생산 발효기로부터 이송된 미생물 반응액을 발효액과 미생물로 분리하기 위한 막분리 장치;
상기 막분리 장치로부터 상기 유기산 생산 발효기로 상기 미생물을 반송하는 미생물 반송라인;
상기 막분리 장치로부터 이송된 상기 발효액으로부터 유기 용매를 사용하여 상기 유기산을 추출하기 위한 추출기;
상기 추출기로부터 이송된 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액을 분리하기 위한 유수 분리기;
상기 유기산 생산 발효기에서 생산된 이산화탄소 기체를 상기 추출기로 이송하는 이산화탄소 유입라인;
상기 유수 분리기로부터 상기 발효액을 상기 유기산 생산 발효기로 반송하는 발효액 반송라인; 및
상기 발효액 반송라인 중간에 설치되어 이산화탄소의 탈기 반응을 수행하기 위한 이산화탄소 탈기조;
를 포함하고,
상기 막분리 장치는,
내부에 상기 미생물 반응액이 유입되는 수용공간을 구비하고, 상기 수용공간이 상기 미생물 반송라인과 연통되는 하우징;
상기 수용공간에 배치되되, 상기 미생물 반응액이 유입되는 방향에 대하여 소정의 각도를 이루며 비스듬하게 배치되어 경사면을 형성하고, 상기 미생물 반응액을 분리하는 분리막;
상기 유기산 생산 발효기로부터 상기 수용공간으로 상기 미생물 반응액을 공급하는 유입구; 및
상기 분리막을 투과한 상기 발효액을 배출하는 배출구;
를 포함하며,
상기 배출구로부터 배출된 상기 발효액을 저장하였다가, 상기 추출기로 공급하는 저장기;
를 더 포함하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치. - 제15항에 있어서, 상기 추출기와 상기 유수 분리기의 사이에는 상기 발효액과 상기 유기 용매의 혼합액의 일정한 공급을 위한 써지 탱크 (surge tank)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 이산화탄소 탈기조에는 상기 이산화탄소의 탈기를 용이하게 하기 위한 교반기 또는 진공 펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미생물 유기산 발효에 의한 유기산 생산 장치.
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-
2015
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Patent Citations (1)
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| KR100329019B1 (ko) | 1999-04-13 | 2002-03-18 | 윤덕용 | 유기산의 고효율 생산방법 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Ernest E. Ludwig, Applied Process Design, Vol. 3, Third Edition (2001.)* |
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