KR102223797B1 - L-아미노산을 포함하는 과립 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 L-아미노산을 포함하는 과립 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 L-아미노산을 포함하는 과립 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
L-아미노산은 단백질의 기본 구성단위로서, 약품 원료와 식품첨가제, 동물 사료, 영양제, 살충제, 살균제 등의 중요 소재로 사용된다. 그 중에서도, L-쓰레오닌은 생체 내에서 전혀 생합성되지 않는 필수 아미노산의 일종으로 사료 및 식품 첨가제로 널리 사용되며 의약용으로 수액제, 의약품의 합성 원료로도 사용된다. 주로 인공변이법 또는 유전자 재조합 방법에 의해 개발된 에스케리키아속, 세타티아속, 프로덴시아속 또는 코리네형 세균(Corynebacterium) 또는 이의 인공변이주를 이용한 발효법으로 생산된다.
그러나, 발효의 결과로는 L-쓰레오닌 뿐만 아니라 부산물 및 폐기물이 발생하게 되므로, 순도 높은 L-쓰레오닌을 수득하기 위해서는 발효 공정 단계 이후 이를 분리 및 정제하는 단계가 필수적으로 필요하다. 다만, 발효액내 포함된 기타 산물도 영양상 가치있는 성분을 포함하고 있으므로, 발효액 전체를 포함하는 제품의 수요가 증가하고 있으며, 특히 보관, 휴대 및 섭취 등이 편리한 과립제품 형태로의 요구가 존재해왔다.
발효액을 과립화하려면 발효액 내 모든 수분을 증발시킨 후 과립 제조가 이루어지는데, 가능한 한 많은 양의 물을 농축과정에서 증발시켜야 과립 제조에 사용되는 스팀의 양이 줄어들게 된다. 많은 문헌(EPA 0491638, KR 10-1052573, KR 10-0838200, US 2015-0283527)에서는 사료첨가제용 과립제품을 제조하는데 유동층 과립기(fluidized bed granulator)를 사용한다. 라이신의 경우 용해도가 높아서 고형분 함량 약 40~55%(수분 45~60%)까지 수분을 증발시켜도 결정이 생성되지 않으므로 노즐(nozzle)을 통해 액이 분사되는 유동층 과립방법으로 과립화가 가능하다. 하지만, 용해도가 낮은 쓰레오닌의 발효액은 고형분 함량 약 18~22%(수분 78~82%) 수준으로 낮은 경우에도 결정이 생성되게 되어, 많은 양의 물을 건조과정에서 증발시켜야 하므로 많은 양의 스팀을 소모할 수 밖에 없게 된다.
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 L-아미노산의 발효액으로부터 우수한 효율로 L-아미노산의 과립을 제조하기 위하여 예의 연구한 결과, 높은 고형분 함량을 갖는 발효액을 이용하여도 뛰어난 생산 효율을 갖는 L-아미노산 과립의 제조 방법을 개발하여, 본 출원을 완성하였다.
본 출원의 하나의 목적은 L-아미노산의 발효액을 농축하는 단계를 포함하는, L-아미노산 과립의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 출원에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 출원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 출원의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 출원의 범주가 제한된다고 볼 수 없다
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 출원은 L-아미노산의 발효액을 농축하는 단계를 포함하는, L-아미노산 과립의 제조 방법을 제공한다.
본 출원은 L-아미노산을 생산하는 미생물의 발효액을 이용하여 L-아미노산의 과립을 제조하는데 있어서, 보다 경제적으로 또한 높은 생산성으로 과립을 제조하는 것에 목적이 있다.
발효액을 과립으로 제조하는데 있어서, 생산성을 높이기 위해서는 발효액의 농축 및 건조 과정에서 사용되는 스팀의 양을 줄이는 것이 중요하다. 즉, 과립화 공정 전 단계에서 최대한 많은 양의 수분을 증발시켜서, 과립 및 건조 공정에서 증발시켜야 하는 수분의 양을 최소화시켜 스팀의 사용량을 줄이는 것이다.
그러나, L-쓰레오닌과 같은 용해도가 낮은 아미노산 발효액이 분사 노즐을 통과하기 위해서는 액 내 고형분 함량이 낮고 수분 함량이 높아야 하기 때문에 이후에 진행될 과립 및 건조 공정에서 증발되는 수분의 양이 크게 증가하게 된다. 최종적으로 과립을 생산하기 위하여 많은 양의 스팀이 소모된다. 즉, 용해도가 낮은 아미노산에 대해서는 농축 및 건조 시 많은 양의 수분을 증발시킬 수 없어, 제조 시간 및 공정이 복잡해지고, 생산 효율이 저하되어 결국 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
본 출원에서는, 농축 시 많은 양의 수분이 증발되어 발효액이 높은 고형분 함량을 갖게 되어도 과립화를 용이하게 진행할 수 있으며, 이에 따라 스팀의 소모량을 감소시키고, 과립의 생산 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 제공한다. 또한, 농축한 발효액을 시드와 혼합하는 혼합형 과립화 방식을 통해 과립화를 진행하여 시드의 순환 비율을 감소시킴으로써 과립기에 투입되는 발효액의 투입량을 증가시키고, 과립기에서 배출되는 과립의 수분을 낮추어 과립화의 생산성을 높이는 방안을 제시한다.
구체적으로, 본 출원에 따른 L-아미노산 과립의 제조 방법은 하기의 단계를 포함할 수 있다:
(a) L-아미노산의 발효액을 준비하는 단계(발효액 준비단계);
(b) L-아미노산의 발효액을 고형분 함량 40~80%으로 발효액 내 수분을 제거하는 단계(농축단계);
(c) 농축한 L-아미노산의 발효액을 시드(seed)와 혼합하여 수분 5~20%의 과립입자를 형성하는 단계(과립형성단계);
(d) 상기 (c) 단계에서 형성된 과립입자를 건조하는 단계(건조단계);
(e) 상기 (d) 단계에서 건조된 과립입자를 사별하는 단계(사별단계); 및
(f) 상기 (e) 단계에서 남은 입자들을 분쇄 및/또는 순환하여 상기 (c) 단계에서 시드로 재사용하는 단계(시드 순환단계).
본 출원에서 용어, "L-아미노산"은 본 출원에 따른 과립의 제조 방법에 이용될 수 있는 아미노산은 제한 없이 포함된다. 그 예로, L-쓰레오닌(L-threonine), L-트립토판, L-메티오닌, L-발린, L-타이로신, L-페닐알라닌, L-이소류신, L-류신으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 출원에서, 상기 (a) 단계는 L-아미노산의 발효액을 준비하는 단계이다. 이때, 상기 L-아미노산의 발효액은 L-아미노산을 생산하는 미생물을 배양하여 수득한 배지, 상기 배지 또는 이와 함께 배양한 미생물을 포함하는 배양물 등을 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 발효액은 L-아미노산을 생산하는 미생물을 배양하거나 발효하여 수득할 수 있으며, 상기 미생물 및 이의 배양/발효 방법은 공지된 방법으로, 당업자가 선택하여 이용할 수 있다. 상기 미생물은 야생형 미생물이나 자연적 또는 인위적으로 유전적 변형이 일어난 미생물을 모두 포함하며, 외부 유전자가 삽입되거나 내재적 유전자의 활성이 강화되거나 불활성화되는 등의 원인으로 인해서 특정 기작이 약화되거나 강화된 미생물로서, 목적하는 L-아미노산 생산을 위하여 유전적 변이가 일어나거나 활성을 강화시킨 미생물 일 수 있다(KR2005-0056668A, KR 10-1689451 B, KR2015-0125440A, US7504242B, KR1485222B, KR1429815B, KR 1429814B, WO2015-199406 A, WO2016-182321 A, WO2016-036209 A, WO2013-105800 A 등). 상기 L-아미노산을 생산하는 미생물은 구체적 예로, 브레비박테리움(Brevibacterium) 속, 코리네박테리움(Corynebacterium) 속, 에스케리키아(Escherichia) 속, 세라티아(Serratia) 속, 어위니아(Erwinia) 속, 엔테로박테리아(Enterobacteria) 속, 스트렙토마이세스(Streptomyces) 속 또는 슈도모나스(Pseudomonas) 속 등의 미생물일 수 있다. 더욱 구체적으로 GRAS 균주인 코리네박테리움(Corynebacterium) 속 균주로 발효를 통해서 수득할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 구체적인 예로는 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계에서 수득한 L-아미노산의 발효액의 수분을 증발시켜 제거하는 단계로서, 상기 발효액을 농축 또는 건조하는 단계이다.
본 단계는 과립의 제조에 소모되는 스팀의 양을 최소화하는데 가장 중요한 과정이다. 기존의 과립 제조 방법에서는, 용해도가 높은 아미노산의 경우 슬러리에 포함된 고형분의 함량을 약 40~55%로 조절하고, 용해도가 낮은 아미노산의 경우 고형분의 함량을 약 18~22%로 조절하여 수행하여야만 했다. 그러나, 본 출원에 따른 제조 방법은 용해도가 낮은 아미노산이더라도, 슬러리에 포함된 고형분의 함량을 40~80%으로 조절하여 농축 시 많은 양의 수분을 증발시킴으로써 사용되는 스팀의 양을 줄여 전체적인 제조 공정의 생산성 및 생산 효율을 증가시키는데 그 특징이 있다.
구체적으로, 상기 발효액의 슬러리에 포함된 고형분의 함량은 20 내지 90%(w/w), 바람직하게는 30 내지 85%, 보다 바람직하게는 40 내지 80%가 되도록 발효액 내 수분을 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 범위 미만으로 고형분의 함량이 조절되는 경우 과립 진행 시 후단 공정의 과부하 및 과도한 스팀 사용의 문제가 있으며, 상기 범위 초과로 고형분의 함량이 조절되는 경우 높은 점도로 인하여 슬러리의 이송에 어려움이 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 (b) 단계는 상기 L-아미노산의 발효액을 고형분 함량 40 내지 80%으로 발효액 내 수분을 제거하는 단계일 수 있으며, 그에 따라 농축액, 예컨대 슬러리를 생성할 수 있다.
본 단계에서, 상기 수분 제거의 방법은 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 구체적으로 농축 방식 혹은 슬러리 건조 방식으로 수행될 수 있고, 상기 농축은 감압하는 단계와 함께 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 수분 제거의 방법은 발효액을 증발시킬 수 있는 설비라면 어떠한 설비든지 사용 가능하며, 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 구체적으로 강제순환식(forced circulation) 농축관을 사용할 수 있고, 패들 건조기(paddle dryer), 슬러리(slurry) 건조설비 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 본 출원의 L-쓰레오닌의 과립 제조 방법은 상기 (b)의 농축단계 이후에, (i) 상기 (b)에서 농축된 슬러리로부터 고형분을 분리하는 단계(고형분 분리단계); 및 (ii) 상기 고형분을 분리하고 남은 슬러리를 고형분 함량 (b)의 단계보다 적도록 수분을 제거하여 (i)의 고형분과 혼합하는 단계(재농축단계)를 추가적으로 포함할 수 있다. 구체적으로는 (i) 상기 (b)에서 농축된 슬러리로부터 고형분을 분리하는 단계(고형분 분리단계); 및 (ii) 상기 고형분을 분리하고 남은 슬러리를 고형분 함량 30~60%(w/w)으로 수분을 제거하여 (i)의 고형분과 혼합하는 단계(재농축단계)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 단계는 발효액을 농축한 이후 추가적인 농축단계를 수행하여 L-아미노산 과립의 생산성을 높이는 과정이다. 구체적으로는 (b)단계의 발효액 농축중 또는 농축 이후에 석출된 고형분을 분리하였다가, 남은 슬러리를 재농축한 슬러리 또는 형성된 과립입자에 혼합함으로써, 고형분의 함량을 높이는 단계일 수 있다. 또한 상기의 단계를 연속적으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기존의 과립 제조 방법에서는 고형분 함량을 높여 과립화 할 수 없었던 반면, 본 출원의 제조방법에서는 높은 고형분 함량으로 농축 및 과립화를 수행하여 생산성을 높일 수 있다.
상기 (i) 단계는 상기 (b) 단계를 통해 생성된 고형분을 분리하는 단계로서, 상기 고형분은 이후의 (ii), 또는 (c) 내지 (f) 단계에서 사용될 수 있다.
상기 (ii) 단계는 상기 (b) 단계를 통해 생성된 고형분을 분리하고 남은 슬러리의 수분을 제거하고, 분리한 상기 고형분과 혼합하는 단계이다.
구체적으로, 상기 남은 슬러리에 포함된 고형분의 함량은 40 내지 80%(w/w), 구체적으로는 35 내지 70%, 보다 구체적으로는 30 내지 60%가 되도록 슬러리 내 수분을 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 범위 미만으로 고형분의 함량이 조절되는 경우 과립 진행 시 후단 공정의 과부하 및 과도한 스팀 사용의 문제가 있으며, 상기 범위 초과로 고형분의 함량이 조절되는 경우 높은 점도로 인하여 슬러리의 이송에 어려움이 있을 수 있다.
또한, 상기 (ii) 단계의 수분 제거의 방법은 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 구체적으로 농축 방식 혹은 슬러리 건조 방식으로 수행될 수 있고, 상기 농축은 감압하는 단계와 함께 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계에서 수득한 L-아미노산의 발효액의 슬러리를 이용하여 과립입자를 형성하는 단계로서, 구체적으로 상기 슬러리를 시드와 혼합하는 과정이다.
본 출원에서 용어, "시드(seed)"는 종결정 또는 종정으로도 불리우며, 액체의 결정화 또는 과립화를 위해 촉매제로 사용되는 물질을 의미한다. 구체적으로, 본 출원에서의 시드는 L-아미노산의 결정을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 시드와 발효액 슬러리가 만나면 발효액 내에 존재하는 고형 성분이 시드와 결합하여 응집이 이루어짐으로써 과립이 형성되게 된다.
본 단계에서 형성되는 과립입자의 수분 함량은 0 이상 내지 40%(w/w), 구체적으로는 1 내지 30%, 보다 구체적으로는 3 내지 25%, 보다 더욱 구체적으로는 5 내지 20%, 가장 구체적으로는 5 내지 15% 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 특히, 상기 수분 함량은 본 출원에 따른 과립의 제조 방법의 생산성을 높이는데 가장 주요한 요인이다. 상기 과립입자의 수분 함량이 상기 범위 미만인 경우 단위 시드 중량 대비 과립기에서 처리할 수 있는 슬러리의 양이 감소하여 생산성 저하의 원인이 되며, 상기 과립입자의 수분 함량이 상기 범위 초과인 경우 과립기에서 배출되는 과립입자가 과립이 아닌 페이스트(paste)와 같은 상태가 되어 유동층 건조기에서 건조가 불가능하게 된다.
본 출원에서, 상기 과립입자의 수분 함량은 시드의 입도에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 시드의 입도가 작을수록 과립입자의 수분 함량이 증가할 수 있고, 시드의 입도가 클수록 과립입자의 수분 함량이 감소할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 시드는 100 ㎛ 이하, 구체적으로는 90 ㎛ 이하, 보다 더욱 구체적으로는 75 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 9%(w/w) 이상을 차지하는 것일 수 있다. 또는 상기 시드는 75 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 5% 이상, 구체적으로는 7% 이상, 보다 더욱 구체적으로는 9% 이상을 차지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또는 상기 시드는 212 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 100% 이하, 구체적으로는 97% 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또는 상기 시드는 75 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 5% 이상이고 212 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 100% 이하이거나, 더욱 구체적으로는 75 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 9% 이상이고 212 ㎛ 이하의 입도를 가지는 입자가 전체 시드의 97% 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 수분 함량은 상기 농축된 발효액의 슬러리의 투입유량에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 슬러리의 투입유량이 증가할수록 과립입자의 수분 함량이 증가할 수 있고, 상기 슬러리의 투입유량이 감소할수록 과립입자의 수분함량이 감소할 수 있다. 상기 투입유량은 발효액 슬러리의 스케일(scale)에 따라서 결정되므로, 당업자가 적절히 선택하여 결정할 수 있다.
본 단계에서 형성되는 과립입자의 크기는 상기 시드의 입도, 또는 슬러리 대비 시드의 혼합 비율로 조절할 수 있다. 상기 시드의 입도는 앞서 설명한 바와 같다. 상기 '슬러리 대비 시드의 혼합 비율'은 투입되는 슬러리 총 질량 대비 투입되어 혼합되는 시드의 총 질량을 계산한 것일 수 있다. 예를 들어 1 내지 15, 구체적으로는 1.5 내지 10, 보다 구체적으로는 2.2 내지 9일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
슬러리 대비 시드의 혼합 비율은 '슬러리의 고형분 대비 시드의 혼합 비율'로도 계산될 수 있다. 구체적으로는 투입되는 슬러리의 고형분 총 함량 대비 투입되어 혼합되는 시드의 총 질량을 계산한 것일 수 있다. 예를 들어 1 내지 30, 구체적으로는 2 내지 25, 보다 구체적으로는 2.8 내지 22일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 슬러리 대비 시드의 혼합 비율, 또는 슬러리 고형분 대비 시드의 혼합 비율은 '시드 투입 비율'과 혼용되어 사용될 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서 수득되는 과립입자의 입도는 2000 ㎛ 이상인 입자가 5.0% 이하, 구체적으로는 3.0% 이하, 보다 구체적으로는 1.0%(w/w)이하이며, 75 ㎛ 이하인 입자가 20.0% 이하, 구체적으로는 15.0% 이하, 보다 구체적으로는 5.0% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 (c) 단계의 과립입자의 입도는 75 ㎛ 초과인 입자가 50% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 형성된 과립입자를 건조하는 단계로서, 구체적으로 상기 발효액으로부터 기인한 수분을 최종적으로 제거하는 단계이다.
본 단계에서, 상기 건조의 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 건조 온도(품온)는 50 내지 100℃, 구체적으로는 55 내지 95℃, 보다 구체적으로는 60 내지 90℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 (e) 단계는 상기 (d) 단계에서 건조된 과립입자를 사별하는 단계로서, 원하는 입도를 기준으로 하여 사별할 수 있다.
구체적으로, 상기 사별하는 과립입자의 원하는 입도는 당업자의 선택에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 구체적으로는 50 내지 3000 ㎛, 보다 구체적으로는 75 내지 2000 ㎛, 보다 더욱 구체적으로는 100 내지 2000 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 입도 이외의 과립은 아미노산을 포함하는 과립제품으로서의 적절한 특성을 나타낼 수 없으므로, 제품으로의 개발이 어려운 단점이 있다.
상기 (f) 단계는 상기 (e) 단계에서 사별되고 남은 입자들을 상기 (c) 단계에서 재사용하기 위한 단계로서, 원하는 입도를 갖지 못하는 과립입자를 분쇄 및/또는 순환하는 과정이다. 구체적으로 상기 사별되고 남은 과립입자 또는 이를 분쇄한 입자는 (c) 단계에서 시드로 재사용될 수 있다.
예를 들어, 본 단계에서 사용되는 과립입자는 2000 ㎛ 이상인 입자가 1.0%(w/w)이하이며, 75 ㎛ 이하인 입자가 1.5% 이하인 입도 이외의 입도를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 상기 사별되고 남은 입자는 2000 ㎛ 이상인 입자가 1.0% 이하이며, 75 ㎛ 이하인 입자가 1.5% 이하인 입도 이외의 입도를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 과립입자를 분쇄 및/또는 순환하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있다.
본 출원의 상기 L-아미노산 과립은 L-아미노산을 주성분으로 포함하는 과립입자로써, L-아미노산 발효액 중 L-아미노산 이외의 성분을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 과립입자는 배양에 사용된 미생물을 추가적으로 포함하는 것일 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 L-아미노산 과립의 제조 방법은 높은 고형분 함량을 갖는 발효액을 이용하여도 뛰어난 생산 효율을 나타내므로, 아미노산 과립의 생산에서 원가 절감에 크게 기여할 수 있다.
이하 본 출원을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 출원을 예시하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 출원의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1. 발효액 농축 및 과립화
실시예 1-1. 발효액 농축
본 과립화 공정으로 L-쓰레오닌을 포함하는 과립을 제조하기 위하여, L-쓰레오닌을 생산하는 미생물을 배양하여 하기 조성을 갖는 발효액을 수득하였다.
상기 발효액은 배양된 배지 및 미생물을 포함하고 있으며, 이로부터 수분 측정 및 조성을 분석하였다. 하기 표 1의 조성 분석은, LC 분석을 위하여, 균체 제거 후 진행하였다.
| 조성 | 값 |
| 쓰레오닌 | 174.7g/L |
| 쓰레오닌 외 아미노산 | 5.8g/L |
| 카르복시산 (C 8개 이하) | 0.3g/L |
| 무기물 | 6.3g/L |
| 수분 | 77.8% |
상기 미생물의 발효액을 감압농축 방식으로 수분을 제거하였다. 구체적으로는 표 2와 같이 총 고형분 함량 40.3% 내지 79.4%까지 다양하게 농축을 진행하여 발효액의 슬러리를 제조하였다.
또한, 고형분 함량 40% 이하는 생산성 및 스팀 사용량 측면에서 효율적이지 않고, 고형분 함량 80% 이상은 슬러리의 이송 등이 어려울 것으로 판단하여, 고형분 함량을 40.3% 내지 79.4%로 조절하였다.
한편, 시드는 발효액을 미리 건조해 놓은 다음 75 ㎛이하의 입도를 가지는 입자가 9%이상이 되도록 분쇄하여 준비하였다.
실시예 1-2. 발효액의 고형분 함량에 따른 과립의 입도 변화 확인
상기 실시예 1-1에서 제조한 발효액의 슬러리와 시드를 과립기에 투입하고 과립화를 진행하였다. 본 과립화에서 사용한 혼합형 과립기는 Lodige 사의 CM5 모델을 사용하였으며, 얻어진 젖은 과립(wet granule)은 유동층건조기(GR Engineering, fluidized bed dryer)로 건조하였다.
한편, 과립화를 진행하기 전, 시드 투입 속도와 슬러리 투입속도를 미리 측정하여 과립기에서 배출되는 젖은 과립(wet granule)의 수분을 7% 수준이 되도록 조건을 설정하였다. 이에 따른 실험 조건 및 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
전체적인 과립 입도의 분포 및 L-쓰레오닌의 함량은 발효액의 고형분 함량에 따른 큰 영향이 없는 것을 확인하였다. 즉, 용해도가 낮은 발효액도 고형분 함량이 높은 상태에서 과립화를 진행함으로써 생산성을 높일 수 있음을 확인하였다. 2000㎛이상의 입자는 1.0% 이하이며, 75㎛이하의 입자는 모두 5.0% 이하이므로, 본 출원의 과립제조방법을 이용하여 제품화 하기 적절한 품질로 과립입자를 수득할 수 있을 확인하였다.
| 과립 조건 | ||||||||
| 슬러리 고형분 함량 | % | - | 40.3 | 51.2 | 60.3 | 66.7 | 79.4 | |
| 슬러리 투입유량 | kg/hr | - | 7.7 | 9.9 | 12.1 | 15.9 | 29.8 | |
| 시드 투입 속도 | kg/hr | - | 65.8 | 65.8 | 65.8 | 65.8 | 65.8 | |
| 시드 수분 | % | - | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | |
| 시드 투입 비율(슬러리내 고형분 대비 시드) | - | - | 21.2 | 13.0 | 9.0 | 6.2 | 2.8 | |
| 시드 투입 비율(슬러리 대비 시드) | - | - | 8.5 | 6.6 | 5.2 | 4.1 | 2.2 | |
| 젖은 과립 수분 | % | - | 7.0 | 7.2 | 7.0 | 7.1 | 7.1 | |
| 종류 | 시드 | 조건 별 과립입자 분석 결과 | ||||||
| L-쓰레오닌 함량 | % | 78.2 | 77.9 | 77.8 | 77.5 | 78.1 | 78.2 | |
| 겉보기 밀도 | kg/m3 | 652 | 775 | 753 | 762 | 795 | 765 | |
| 수분 | % | 0.8 | 1.5 | 1.3 | 1.0 | 0.8 | 0.9 | |
| 단백질 함량 | % | 12.5 | 12.3 | 12.4 | 12.2 | 12.6 | 12.7 | |
| 입도 범위 (㎛) | 입도 분포 | |||||||
| ≥2000 | % | 0.0 | 0.3 | 0.2 | 0.5 | 0.3 | 0.1 | |
| 1000≤X≤2000 | 0.0 | 1.7 | 1.8 | 1.6 | 1.6 | 1.4 | ||
| 750≤X≤1000 | 0.8 | 5.9 | 6.2 | 5.7 | 6.3 | 5.5 | ||
| 500≤X≤750 | 18.6 | 33.6 | 30.0 | 34.2 | 32.1 | 31.2 | ||
| 350≤X≤500 | 26.3 | 45.1 | 43.2 | 40.0 | 43.3 | 45.2 | ||
| 212≤X≤350 | 33.0 | 10.3 | 15.1 | 14.5 | 12.3 | 13.3 | ||
| 75≤X≤212 | 12.1 | 2.6 | 2.0 | 2.5 | 2.7 | 2.1 | ||
| 0≤X≤75 | 9.1 | 0.5 | 1.5 | 1.0 | 1.4 | 1.2 | ||
| 합계 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | ||
실시예 2. 슬러리의 투입유량에 따른 과립의 입도 변화 확인
발효액의 슬러리와 시드의 혼합 비율에 따라 과립의 입도를 조절할 수 있음을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다. 쓰레오닌 발효액은 감압 농축방식으로 농축하였다. 이후, 시드의 입도 및 투입속도를 고정한 채, 고형분 함량을 63.2%까지 농축한 쓰레오닌 슬러리의 투입유량에 변화를 주어 과립화를 진행하였으며, 그에 따른 건조 전 과립의 수분 및 입도는 하기 표 3에 나타내었다. 슬러리의 투입유량(슬러리량 또는 슬러리의 고형분 함량)증가에 따른 과립입도의 변화를 보다 명확하게 확인하기 위하여, 미립자가 극히 많은 시드를 사용하였다. 212 ㎛ 이하의 입도 사이즈를 갖는 입자가 97.9%인 시드를 사용하였다. 표 3에 나타낸 것과 같이, 투입 유량에 따라 입도는 전체적으로 증가하고 시드 투입비율은 감소하는 것을 확인하였다. 또한 투입유량의 변화에 따라 건조 전 과립의 수분이 5~12.8%로 변하였다. 반면, 수분 15%의 조건에서는 과립보다는 페이스트(paste)와 같은 상태로, 유동층 건조기에서 건조가 불가능한 것을 확인하였다.
종합하면, 정해진 특정 시드 조건 하에서는, 발효액의 슬러리 투입유량이 증가함에 따라 시드 투입비율이 감소하고, 건조 전 젖은 과립 수분이 증가하며, 또한 과립 제품의 입도가 증가하는 경향을 나타냄을 확인하였다.
상기 결과로부터 발효액의 슬러리 투입유량에 따라 과립의 수분 및 과립입자의 입도 조절이 가능함을 확인하였다. 또한 이는 슬러리 대비 시드 투입 비율에 따라 과립의 수분 및 과립입자의 입도 조절이 가능하다고 해석할 수 있다.
| 과립 조건 | |||||||
| 슬러리 고형분 함량 | % | - | 63.2 | 63.2 | 63.2 | 63.2 | 63.2 |
| 슬러리 투입유량 | kg/hr | - | 7.7 | 12.4 | 17.5 | 23.6 | 30.8 |
| 시드 투입 속도 | kg/hr | - | 62.2 | 62.2 | 62.2 | 62.2 | 62.2 |
| 시드 수분 | % | - | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.1 |
| 시드 투입 비율(슬러리 고형분 대비 시드) | - | - | 12.8 | 7.9 | 5.6 | 4.2 | 3.2 |
| 시드 투입 비율(슬러리 대비 시드) | - | - | 8.1 | 5.0 | 3.6 | 2.6 | 2.0 |
| 과립 후 (건조 전) 과립입자 분석 | |||||||
| 젖은 과립 수분 | % | - | 5.0 | 6.9 | 8.9 | 11.1 | 12.8 |
| 종류 | 시드 | 건조 후 과립입자 분석 | |||||
| 입도 범위 (㎛) | 입도 분포 | ||||||
| ≥2000 | % | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.7 | 3.7 | 10.3 |
| 1000≤X≤2000 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 5.5 | 8.8 | 26.5 | |
| 750≤X≤1000 | 0.0 | 0.0 | 1.1 | 11.3 | 17.8 | 25.8 | |
| 500≤X≤750 | 0.0 | 0.0 | 5.9 | 26.3 | 31.8 | 17.2 | |
| 350≤X≤500 | 0.0 | 0.1 | 18.8 | 26.0 | 19.3 | 11.3 | |
| 212≤X≤350 | 2.1 | 10.1 | 33.2 | 16.2 | 10.2 | 5.2 | |
| 75≤X≤212 | 30.2 | 44.3 | 25.5 | 9.2 | 5.5 | 2.2 | |
| 0≤X≤75 | 67.7 | 45.5 | 15.5 | 4.8 | 2.9 | 1.5 | |
| 합계 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | |
실시예 3. 시드 입도 변화에 따른 생산성 확인
본 발명의 과립 제조방법의 생산성은 단위 시드의 양 대비 발효액의 슬러리의 양이 증가할수록 증가한다. 하지만 슬러리의 투입 비율이 증가하게 되면, 과립기에서 배출되는 입자는 일정 수준 이상의 투입량에서는 페이스트 상태로 변화하였다가 슬러리 투입량이 더 증가하게 되면 슬러리(slurry) 상태까지 가게된다. 슬러리 상태나, 페이스트와 같은 상태로는 유동층 건조기에서 건조하기 어려우며, 또한 과립이 뭉쳐진 덩어리가 발생하여 건조기 트러블의 가장 큰 원인이 된다.
본 실시예에서는 생산성을 증가시키는 방안과 관련하여 시드 입도의 변화에 따른 시드량 대비 최대 슬러리 투입유량을 확인해 보았다.
시드 입도에 변화를 주기 위하여 과립입자를 시드로 재순환하여 사용하였으며, 순환은 총 3회 진행하였다. 사용한 발효액의 슬러리의 고형분 함량은 59.6%이었으며, 초기 시드의 입도 분포는 표 4에 나타낸 바와 같이 미립자가 극히 많은 시드를 1차 시드로 사용하였으며, 수득된 과립을 다음 차수에서 시드로 사용함에 따라 시드의 입도가 증가하도록 하였다. 언급한 바와 같이 슬러리의 투입량이 증가하게 되면 과립기에서 배출되는 수분이 높아지고 유동층 건조기에서 건조하기 어려워지므로, 본 실시예에서는 과립기에서 배출된 입자가 유동층 건조기에서 건조가 가능한 슬러리의 최대 투입유량을 확인하여 진행하였으며, 그 값은 표 4에 나타내었다.
순환이 지속될수록 과립 제품 및 다음 차수 과립에서 사용되는 시드의 입도가 증가하며, 이로 인하여 시드 질량 당 슬러리의 투입유량이 감소하여 젖은 과립 수분이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 시드의 입도가 증가할수록 슬러리 투입량이 감소하고, 시드의 입도가 지나치게 커지면 슬러리 투입량이 너무 낮아 상대적으로 시드의 투입율이 높아지므로 생산성은 낮아짐을 알 수 있었다.
이러한 결과로부터, 과립 입자의 크기는 시드의 입도 또는 슬러리 대비 시드 혼합 비율로 조절 가능함을 확인하였다.
| 과립 조건 | ||||||
| 슬러리 고형분 함량 | % | - | 59.6 | 59.6 | 59.6 | 59.6 |
| 슬러리 투입유량 | kg/hr | - | 35.4 | 19.7 | 8.8 | 5.7 |
| 시드 투입 속도 | kg/hr | - | 52.3 | 53.5 | 54.2 | 53.7 |
| 시드 수분 | % | - | 1.8 | 1.5 | 1.3 | 1.0 |
| 시드 투입 비율(슬러리 고형분 대비 시드) | - | - | 2.5 | 4.6 | 10.3 | 15.8 |
| 시드 투입 비율(슬러리 대비 시드) | 1.5 | 2.7 | 6.2 | 9.4 | ||
| 과립 후 (건조 전) | ||||||
| 젖은 과립 수분 | % | - | 17.4 | 11.8 | 6.8 | 4.7 |
| 입도 범위 (㎛) | 입도 분포 | |||||
| 1차 시드 | 1차 과립 (2차 시드) |
2차 과립 (3차 시드) |
3차 과립 (4차 시드) |
4차 과립 | ||
| ≥2000 | % | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.6 | 1.3 |
| 1000≤X≤2000 | 0.0 | 0.0 | 0.4 | 2.0 | 3.7 | |
| 750≤X≤1000 | 0.0 | 0.2 | 3.4 | 11.9 | 17.7 | |
| 500≤X≤750 | 0.0 | 0.1 | 10.1 | 27.1 | 32.2 | |
| 350≤X≤500 | 0.0 | 4.2 | 32.7 | 40.1 | 35.2 | |
| 212≤X≤350 | 0.0 | 19.9 | 39.8 | 17.0 | 7.9 | |
| 75≤X≤212 | 5.3 | 38.2 | 13.2 | 1.2 | 0.7 | |
| 0≤X≤75 | 94.7 | 37.4 | 0.5 | 0.3 | 1.2 | |
| 합계 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | |
실시예 4. 농축한 발효액의 재농축에 따른 생산성 확인
본 실시예는 발효액을 농축한 후 생성된 고형분을 분리한 다음 그 모액(상등액)을 추가 농축하여 생산성을 높이는 방법에 관련한 실시예이다. 즉, 발효액을 농축한 후 SDC(Tomoe, PTM006)를 이용하여 고형분을 분리해 과립기로 보내고, 고형분을 분리해 낸 여액을 추가 농축을 진행한 후 과립기로 보내어 과립기로 이행되는 수분의 총량을 낮춰서 과립기의 생산성을 보다 더 높였다.
발효액을 고형분 함량 60.1%까지 농축한 후 SDC를 이용하여 고형분과 모액을 분리하였다. 이때 회수된 고형분은 수분이 18.1%로 측정되었으며, 분리된 모액의 고형분 함량은 28.1%였다. 상기 모액은 추가로 감압농축 방식으로 고형분 함량 각 35%, 45%, 55%로 농축하여 모액 슬러리를 준비하였다. 분리 고형분의 질량 1kg을 기준으로 발생량에 맞춰 모액 슬러리를 과립기에 투입하였다. 과립기에 투입되는 시드는 과립의 젖은 수분이 10.5% 수준이 되도록 시드의 투입양을 조절하였다.
과립 테스트 결과, 모액 슬러리의 고형분 함량과 관계없이 함량, 입도분포, 겉보기 밀도 모두 균일한 수준의 과립을 얻을 수 있었다. 구체적으로는 모액 슬러리의 농축도와 관계 없이 75 ㎛이하의 입도를 갖는 입자는 모두 1.0% 미만, 1000 내지 2000 ㎛ 입도를 갖는 입자도 모두 1.0% 미만으로, 보다 균질하면서도 높은 품질의 과립제품을 제조할 수 있었다. 이로부터, 발효액을 농축하여 생성된 고형분을 분리한 다음 모액을 재농축하여, 상기 모액과 분리된 고형분을 혼합하여 과립화 하는 경우, 보다 높은 생산성으로 L-아미노산 과립을 생산할 수 있음을 확인하였다.
| 과립 조건 | ||||||
| 모액 슬러리 |
고형분 함량 | % | - | 34.8 | 45.5 | 54.4 |
| 투입량 | kg | - | 0.37 | 0.29 | 0.23 | |
| 분리 고형분 |
수분 | % | - | 18.1 | 18.1 | 18.1 |
| 투입량 | kg | - | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 시드 | 수분 | % | - | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| 투입량 | kg | - | 2.9 | 2.1 | 1.6 | |
| 건조 전 수분 | % | - | 10.4 | 10.6 | 10.4 | |
| 종류 | 시드 | 건조 후 과립 | ||||
| 함량 | % | 76.3 | 76.5 | 76.3 | 76.4 | |
| 겉보기 밀도 | kg/m3 | 632 | 769 | 761 | 765 | |
| 입도 범위 (㎛) | 입도 분포 | |||||
| ≥2000 | % | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | |
| 1000≤X≤2000 | 0.0 | 0.2 | 0.5 | 0.4 | ||
| 750≤X≤1000 | 0.2 | 2.2 | 3.3 | 3.1 | ||
| 500≤X≤750 | 0.1 | 9.7 | 11.3 | 10.3 | ||
| 350≤X≤500 | 4.2 | 33.4 | 32.1 | 34.2 | ||
| 212≤X≤350 | 19.9 | 39.8 | 38.7 | 36.7 | ||
| 75≤X≤212 | 24.9 | 14.3 | 13.7 | 14.5 | ||
| 0≤X≤75 | 50.7 | 0.5 | 0.4 | 0.7 | ||
| 합계 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | ||
이상의 설명으로부터, 본원이 속하는 기술분야의 당업자는 본원이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (15)
- (a) L-쓰레오닌을 포함하는 발효액을 준비하는 단계(발효액 준비단계);
(b) L-쓰레오닌을 포함하는 발효액을 고형분 함량 40~80%(w/w)으로 발효액 내 수분을 제거하는 단계(농축단계);
(c) 농축한 L-쓰레오닌을 포함하는 발효액을 시드(seed)와 혼합하여 수분 5 내지 15%(w/w)의 과립입자를 형성하는 단계(과립형성단계);
(d) 상기 (c) 단계에서 형성된 과립입자를 건조하는 단계(건조단계);
(e) 상기 (d) 단계에서 건조된 과립입자를 사별하는 단계(사별단계); 및
(f) 상기 (e) 단계에서 남은 입자들을 분쇄 또는 순환하여 상기 (c) 단계에서 시드로 재사용하는 단계(시드 순환단계)를 포함하는, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 L-쓰레오닌을 포함하는 발효액은 코리네박테리움(Corynebacterium) 속 균주 발효를 통해서 얻어지는 발효액인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 수분 제거는 농축 방식 혹은 슬러리 건조 방식으로 수행되는, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 시드는 75 ㎛이하의 입도를 가지는 입자가 9%(w/w) 이상인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 시드는 212 ㎛이하의 입도를 가지는 입자가 97%(w/w)이하인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 과립형성 단계에서 얻어지는 입자의 크기는 상기 시드의 입도, 슬러리 대비 시드의 혼합 비율 또는 슬러리 고형분 대비 시드의 혼합 비율로 조절하는 것인 L-쓰레오닌 과립 제조 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 (c) 단계의 슬러리 대비 시드 혼합 비율은 2.2 내지 9인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 (c) 단계의 슬러리 고형분 대비 시드의 혼합 비율은 2.8 내지 22인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 과립입자의 입도는 2000 ㎛이상인 입자가 1.0%(w/w) 이하이며, 75 ㎛이하인 입자가 5.0%(w/w) 이하인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 과립입자의 입도는 75 ㎛ 초과인 입자가 50%(w/w)이상인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (d) 단계의 건조는 60 내지 90℃에서 이루어지는 것인, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (b)의 농축단계 이후에,
(i) 상기 (b)에서 농축된 슬러리로부터 고형분을 분리하는 단계(고형분 분리단계); 및
(ii) 상기 고형분을 분리하고 남은 슬러리를 고형분 함량 30~60%(w/w)으로 수분을 제거하여 (i)의 고형분과 혼합하는 단계(재농축단계)를 추가적으로 포함하는, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법
- 제 13항에 있어서, 상기 (ii) 단계의 수분 제거는 농축 방식 혹은 슬러리 건조 방식으로 수행되는, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 과립입자 또는 L-쓰레오닌 과립은 (a)단계 발효액의 미생물을 포함하는, L-쓰레오닌 과립의 제조 방법.
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