KR102553172B1 - 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법 - Google Patents

저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102553172B1
KR102553172B1 KR1020210040533A KR20210040533A KR102553172B1 KR 102553172 B1 KR102553172 B1 KR 102553172B1 KR 1020210040533 A KR1020210040533 A KR 1020210040533A KR 20210040533 A KR20210040533 A KR 20210040533A KR 102553172 B1 KR102553172 B1 KR 102553172B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
alcohol
genus
oil
buffer solution
housing
Prior art date
Application number
KR1020210040533A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220135043A (ko
Inventor
박범준
이은열
최규환
박수연
강승기
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Priority to KR1020210040533A priority Critical patent/KR102553172B1/ko
Publication of KR20220135043A publication Critical patent/KR20220135043A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102553172B1 publication Critical patent/KR102553172B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/12—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing fuels or solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/02—Membranes; Filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 제공하며, 상기 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템은 하우징 내측면에 따라 위치하고 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 포함하는 멤브레인, 상기 하우징 내부에 산 용액을 주입하는 산 용액 주입관, 상기 하우징의 내부로 저급 탄소원이 포함된 오일이 주입되는 제1 주입관, 상기 하우징의 내부로 산소가 포함된 버퍼 용액이 주입되는 제2 주입관, 상기 세균, 상기 저급 탄소원 및 상기 산 용액을 혼합하는 혼합기, 상기 하우징 상부에 위치하고, 상기 오일이 배출되는 제1 배출관 및 상기 하우징 하부에 위치하고, 상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 생성된 알코올 및 상기 버퍼 용액이 배출되는 제2 배출관을 포함한다.

Description

저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법{A REACTOR FOR MASS PRODUCTION OF ALCOHOL USING METHANOTROPH AS A BIOCATALYST AND A METHOD FOR MASS PRODUCTION OF ALCOHOL USING THE REACTOR}
본 발명은 알코올을 생산하는 연속 반응 시스템 및 이를 이용한 알코올 연속 생산 방법에 대한 것으로 구체적으로는 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 이용하는 알코올 연속반응 시스템 및 이를 이용하는 알코올 연속 생산 방법에 관한 것이다.
매년 약 5억 톤의 메탄이 주로 화석 연료, 가축 및 폐기물 등에서 생성되며 그에 따른 공기 중의 메탄 양도 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 또한 이러한 메탄은 세계적인 6대 온실 가스(greenhouse gas, GHG) 중 하나이며, CO2보다 21배 더 높은 global warming potential(GWP)을 가지고 있어 이러한 메탄을 활용할 필요가 있다. 하지만 메탄의 C-H bond(438 kJ/mol)의 높은 결합에너지와 CO2 감소에 치중된 연구로 인해 메탄의 활용도는 여전히 낮은 수준에 머물러 있다
화학적인 방법을 이용하여 gas에서 liguid로 전환(Chemical gas-to-liquid, GTL)하는기술은 현재 메탄을 메탄올, dimethyl ether, methyl-tert-butyl ether 등과 같은 유용한 화합물로 전환하는데 사용되고 있다. 특히 메탄올로 전환할 때 에너지 밀도는 메탄에 비해 400배 이상 증가한다. 이러한 메탄에서 메탄올로의 전환에 따른 에너지 밀도의 증가는 운송 및 저장에 있어 높은 경제적 이점을 제공한다. 또한 메탄올은 고부가가치 화합물을 합성하기 위해 사용될 수 있는 유용한 중간체 역할을 할 수 있다는 장점 또한 가지고 있다. 이러한 화학적 GTL은 일반적으로 개질(reforming) 과정과 Fischer-Tropsch (FT) 합성 등의 multiple 단계를 통해 수행되지만 이 방법은 고가의 촉매 (예를 들어, Co, Ce, Ni 및 Mo 등)를 사용하거나 높은 온도와 압력(~1000 °C 및 100 ~ 200bar)이 필요하다. 뿐만 아니라 화학적 전환은 반응물로 공급되는 메탄의 순도에 매우 민감하며, 만약 반응에 있어서 저순도 메탄을 사용하면 유해한 부산물이 생성되어 환경적인 문제가 발생할 수 있다. 게다가 이에 따른 공장을 구축하기 위해서는 최대 100억 달러까지의 대규모 자본(large capital expenditure)이 필요하기 때문에 상대적으로 적은 양의 메탄 가스를 사용할 수 있는 분야 및 장소에는 적합하지 않다.
이에 대한 대안으로서, 미생물 (methylotroph, methanotroph 등)을 사용하여 메탄을 유용 산물로의 bioconversion하는 다양한 연구가 수행되어 왔다. 생물학적으로 gas로부터 liquid를 생산하는 Bio-GTL 공정은 상온, 상압 조건에서 수행이 가능하기 때문에 상대적으로 적은 초기 투자 비용과 작은 plant에서도 운영이 가능하다는 이점을 가질 수 있다. 또한, Bio-GTL 방법의 one-pot의 간단한 반응 과정에 의해 대사 공학적으로 개량된 균주 사용에 따른 작동 조건 및 장비의 변화를 최소화 할 수 있다. 또한 생촉매의 높은 반응 선택성은 원하는 product의 전환율을 높이고 부산물의 생산을 최소화할 수 있다.
이러한 이유로 메탄자화균을 이용한 생물학적 전환 공정이 제안되었다. 메탄자화균은 메탄산화효소(methane monooxygenase, MMO)를 이용하여 상온/상압 조건에서 메탄-메탄올 전환을 유도할 수 있다. 따라서 메탄자화균의 대사경로를 추적하는 대사공학적 접근방법으로 메탄올뿐만 아니라 다양한 종류의 플랫폼 화합물(platform chemicals)을 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
다만, 현재 메탄자화균을 이용한 바이오 전환에 대한 연구가 국내외적으로 초기 단계에 머물러 있고, 실제 상용화를 위해서는 여러가지 기술적, 지식적 한계의 극복이 선행되어야 한다. 따라서, 실제 상용화를 위한 메탄자화균을 이용하여 알코올을 대량 생산에 대한 반응기 및 생산방법 등이 요구되는 실정이다.
일본등록특허 제5,773,972호 "미생물에 의한 알코올 제조 프로세스"
Hoehler, T. M., & Alperin, M. J. (2014). Biogeochemistry: Methane minimalism. Nature, 507(7493), 436-437. Howarth, R. W., Santoro, R., & Ingraffea, A. (2011). Methane and the greenhouse-gas footprint of natural gas from shale formations. Climatic Change, 106(4), 679. Knoblauch, C., Beer, C., Liebner, S., Grigoriev, M. N., & Pfeiffer, E. (2018). Methane production as key to the greenhouse gas budget of thawing permafrost. Nature Climate Change, 8(4), 309-312. Chen, L., Feng, Y., Kogawa, T., Okajima, J., Komiya, A., & Maruyama, S. (2018). Construction and simulation of reservoir scale layered model for production and utilization of methane hydrate: The case of nankai trough japan. Energy, 143, 128-140.
본 발명의 실시예는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 상기 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균인 메탄자화균을 생물학적 촉매로 이용함으로써 상기 메탄자화균의 다양한 대사경로를 이용하여 생성하는 연속반응 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 상기 알코올 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 메탄자화균의 생성물 억제 반응(product inhibition)이 일어나지 않도록 메탄올을 연속적으로 제거해 줌으로써 높은 생물전환율로 저급 탄소원을 알코올로 전환할수 있도록 반응의 효율을 높이는 알코올 연속 생산 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템은 하우징 내측면에 따라 위치하고 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 포함하는 멤브레인, 상기 하우징 내부에 산 용액을 주입하는 산 용액 주입관, 상기 하우징의 내부로 저급 탄소원이 포함된 오일이 주입되는 제1 주입관, 상기 하우징의 내부로 산소가 포함된 버퍼 용액이 주입되는 제2 주입관, 상기 세균, 상기 저급 탄소원 상기 산 용액 및 상기 버퍼 용액을 혼합하는 혼합기, 상기 하우징 상부에 위치하고, 상기 오일이 배출되는 제1 배출관 및 상기 하우징 하부에 위치하고, 상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 생성된 알코올 및 상기 버퍼 용액이 배출되는 제2 배출관을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균은 메탄자화균이고, 상기 메탄자화균은 메틸로모나스(Methylomonas) 속, 메틸로박터(Methylobacter) 속, 메틸로코커스(Methylococcus) 속, 메틸로마이크로븀(Methylomicrobium) 속, 메틸로스페라(Methylosphaera) 속, 메틸로칼덤(Methylocaldum) 속, 메틸로글로버스(Methyloglobus) 속, 메틸로사르시나(Methylosarcina) 속, 메틸로프로펀더스(Methyloprofundus) 속, 메틸로썰머스(Methylothermus) 속, 메틸로할로비우스(Methylohalobius) 속, 메틸로게아(Methylogaea) 속, 메틸로마리넘(Methylomarinum) 속, 메틸로벌럼(Methylovulum)속, 메틸로마리노범(Methylomarinovum) 속, 메틸로러브럼(Methylorubrum) 속, 메틸로파라코커스(Methyloparacoccus) 속, 메틸로시너스(Methylosinus) 속, 메틸로시스티스(Methylocystis) 속, 메틸로셀라(Methylocella) 속, 메틸로캡사(Methylocapsa)속, 메틸로퍼룰라(Methylofurula) 속, 메틸아시디필럼(Methylacidiphilum) 속 및 메틸아시디마이크로븀(Methylacidimicrobium) 속으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 균주이다. .
일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은 반투과성 멤브레인이고, 상기 반투과성 멤브레인은 폴리비닐리덴 디플루오라이드계 멤브레인, 폴리테트라 플루오로에틸렌계 멤브레인, 폴리설폰계 멤브레인, 폴리에틸렌계 멤브레인, 폴리에테르설폰계 멤브레인, 셀룰로오스계 멤브레인으로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.
일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인과 상기 하우징 내측면 사이에 형성된 상 분리 공간에는 상층에는 상기 오일이 존재하고, 하층에는 상기 알코올과 상기 버퍼용액이 존재하여 상이 분리되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합기는 날개 또는 노를 이용하여 순환패턴이 발생하는 리본형 혼합기, 축류 임펠러(Axial Impeller), 사류형 임펠러(Diagonal Impeller) 및 자석 막대(magnetic bar)를 이용하는 혼합기로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법은 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 준비하는 단계, 상기 알코올 대량 생산 반응기에 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액을 주입하는 단계, 상기 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액에 산 용액을 추가하여 혼합하는 단계, 상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 알코올을 생산하는 단계, 상기 생산된 알코올은 버퍼 용액에 용해 되며, 상기 상 분리 공간의 상층에는 상기 오일이 존재하고, 하층에는 상기 알코올과 상기 버퍼 용액이 존재하여 상이 분리되는 단계 및 상기 상 분리된 상기 버퍼 용액을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 탄소원은 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 오일은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로옥탄, 실리콘 오일, 파라핀 오일, 데카린, FC-40, C13~C30의 선형 또는 분지형 탄화수소 화합물, 디페닐에테르 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 이소부탄올 중 선택된 하나 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 산소가 포화된 버퍼 용액은 전해질과 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 전해질은 제1인산칼륨(KH2PO4), 제2인산칼륨 (K2HPO4), 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 균주가 손실되지 않으면서 친환경적으로 저급 탄화수소를 알코올로 생산할 수 있는 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 저급 탄소원을 알코올로 전환하는 알코올 연속 생산 방법은 저급 탄소원을 알코올로 전환하는 세균이 생성하는 생성물, 즉 알코올을 지속적으로 빼냄으로써 생산물 억제 (product inhibition)를 줄일 수 있고, 이를 통해 균주의 생산성이 저하되지 않으면서 연속적으로 메탄올을 생산할 수 있어 세균의 활성을 극대화 시켜 생성물의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 물과 기름의 비중 차이 뿐만 아니라, 반응물과 생성물의 용해도 차이를 극복한 상전이 반응기를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템의 모식도를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용한 알코올 연속 생성 방법의 단계도이고, 도 2b는 알코올을 생성하는 연속반응 시스템의 구성에 적용되는 물질을 도시한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템에서 기름-물 경계면 주변의 메탄자화균(methanotroph) 대사의 개략도 및 포름산 염 존재 하에서 메탄올 탈수소 효소 (MDH)가 결핍된 메탄자화균(methanotroph)의 대사 경로를 통한 메탄-메탄올 전환의 개략도를 도시한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 알코올 생산량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템과 연결된 직접 알코올 연료전지의 모식도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템과 연결된 직접 알코올 연료전지의 전력 생성의 모식도 이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예인 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템과 연결된 직접 알코올 연료전지의 전류량과 전압을 측정하여 도시한 이미지이다.
도 8은 직접 알코올 연료전지의 전류량과 전압을 측정한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 OOOO를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템(100)의 모식도 이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템(100)은 하우징(110), 멤브레인(120), 상 분리 공간(122), 제1 주입구(130), 제2 주입구(140), 제1 배출구(150), 제2 배출구(160), 산 용액 주입구(170) 및 혼합기(180)를 포함한다.
상기 연속반응 시스템(100)은 연속 교반 반응기(Continuous stirring tank reactor, CSTR)일수 있으며, 이를 이용하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템(100)일 수 있다. 상기 시스템이 CSTR이면 반응물의 별도의 투입구로 용매에 연속 투입하거나 반응물이 용해된 용매를 연속 투입하고, 생성물이 용해된 용매를 선택적으로 연속 배출하여 간단하게 생성물을 수득할 수 있으므로, 공정의 효율성이 현저히 개선 될 수 있다.
하우징(110)은 원 기둥형, 사각 기둥형, 육각 기둥형, 팔각 기둥형 등 크기와 형태는 다양할 수 있으며, 바람직하게는 통상적으로 사용되는 원통형의 하우징(110)를 사용할 수 있다. 하우징(110)의 크기와 형태는 연속반응 시스템(100)에 설정되는 온도와 액성 또는 농도의 선택 등에 대하여 영향을 줄 수 있다.
하우징(110) 내부에는 하우징(110)의 내측면을 따라 형성되는 멤브레인(120)이 구비된다.
상기 멤브레인(120)은 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 담지하는 반투과성 멤브레인이다. 본 명세서에서 "반투과성 멤브레인"이란 반응물과 생성물을 통과시키되, 상기 세균이 통과할 수 없는 여과재를 의미한다. 상기 반투과성 멤브레인은 폴리비닐리덴 디플루오라이드계 멤브레인, 폴리테트라 플루오로에틸렌계 멤브레인, 폴리설폰계 멤브레인, 폴리에틸렌계 멤브레인, 폴리에테르설폰계 멤브레인, 셀룰로오스계 멤브레인 등이 있을 수 있고, 상기 셀룰로오스계 멤브레인은 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 셀룰로오스 부틸레이트 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 일수 있다. 상기 세균이 반투과성 멤브레인에 담지되면 극성 용액인 수상 용액 또는 무극성 용액인 유상 용액에 혼합되면서 접촉하게 되는 매질의 계면을 통해 저급 탄화수소 반응물을 생성물로 전환시킬 수 있다. 상기 세균이 멤브레인(120)에 담지된 상태에서 연속반응 시스템(100)을 이용한 연속반응 공정이 수행되면 세균의 손실 없이 지속적으로 알코올 전환 공정이 수행하여 상기 저급 탄화수소의 알코올 전환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 수상 용액은 수용성 용매, 즉 물을 포함하는 버퍼 용액을 의미하며, 상기 유상 용액은 오일(Oil)을 포함하는 용액을 의미한다.
멤브레인(120)에 구비되는 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균은 메탄자화균(methanotroph)이다.
상기 메탄자화균은 메틸로모나스(Methylomonas) 속, 메틸로박터(Methylobacter) 속, 메틸로코커스(Methylococcus) 속, 메틸로마이크로븀(Methylomicrobium) 속, 메틸로스페라(Methylosphaera) 속, 메틸로칼덤(Methylocaldum) 속, 메틸로글로버스(Methyloglobus) 속, 메틸로사르시나(Methylosarcina) 속, 메틸로프로펀더스(Methyloprofundus) 속, 메틸로썰머스(Methylothermus) 속, 메틸로할로비우스(Methylohalobius) 속, 메틸로게아(Methylogaea) 속, 메틸로마리넘(Methylomarinum) 속, 메틸로벌럼(Methylovulum)속, 메틸로마리노범(Methylomarinovum) 속, 메틸로러브럼(Methylorubrum) 속, 메틸로파라코커스(Methyloparacoccus) 속, 메틸로시너스(Methylosinus) 속, 메틸로시스티스(Methylocystis) 속, 메틸로셀라(Methylocella) 속, 메틸로캡사(Methylocapsa)속, 메틸로퍼룰라(Methylofurula) 속, 메틸아시디필럼(Methylacidiphilum) 속 및 메틸아시디마이크로븀(Methylacidimicrobium) 속으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 균주일 수 있다.
일반적으로 메탄자화균은 메탄 모노옥시게나아제(monooxygenases, MMO)라는 효소를 함유하고 있어 메탄의 C-H bond에 산소를 첨가하여 메탄올로 전환할 수 있고, 상온, 상압 하에서도 용이하게 메탄을 메탄올로 전환할 수 있다. 메탄(methane)은 메탄 모노옥시게나아제의 의해 메탄올(methanol)로 산화되고, 상기 메탄올은 메탄올 탈수소 효소(methanol dehydrogenase, MDH)에 의해 포름알데히드(formaldehyde) 또는 포름산으로 산화되어 이산화탄소가 된다. 전술한 바와 같이 메탄으로부터 탄소화합물의 생합성을 리불로오스 일인산 회로(ribulose monophosphate cycle; RuMP cycle)를 이용하여 합성된다.
상기 메탄자화균은 이러한 MMO 효소를 통해 제조된 메탄올을 분해하는 메탄올 탈수소 효소(methanol dehydrogenase, MDH)가 결여된 균주이다.
제1 주입관(130)은 하우징(110) 상부에 위치하고 하우징(110)의 내부로 저급 탄소원이 포함된 오일이 주입되도록 한다.
제2 주입관(140)은 하우징(110) 하부에 위치하고 하우징(110)의 내부로 산소가 포함된 버퍼 용액이 주입되도록 한다.
제1 배출관(150)은 제1 주입관(130)과 대응되도록 하우징(110) 상부에 위치하고, 상기 오일이 배출되도록 한다. 상기 오일은 상기 저급 탄소원이 포함된 오일과 세균이 반응하여 메탄을 메탄올로 전환하는데 사용하고 남은 오일을 의미한다. 또한 제1 배출관을 통해 배출된 오일은 포화된 메탄이 모두 소진되지 않아 잔여하는 경우가 있을 수 있으며, 이렇게 메탄이 남은 오일의 경우 다시 환류(reflux)되어 제1 주입구로 들어 갈 수 있다.
제2 배출관(160)은 상기 제2 주입관(140)과 대응되도록 상기 하우징 하부에 위치하고, 상기 버퍼 용액이 배출되도록 한다. 상기 버퍼 용액은 상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 생성된 알코올을 포함한다.
제2 배출관(160)은 연속반응 시스템(100)을 통해 생성된 생성물에 의해 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균의 생성물 억제 반응(product inhibition)이 일어나지 않도록 상기 생성물을 연속적으로 제거해 줌으로써 반응의 효율을 높인다. 이때 상기 생성물은 알코올을 의미할 수 있으며, 구체적으로는 메탄올 일 수 있고, 상기 세균은 구체적으로 메탄자화균일 수 있다.
상기 생성물 억제 반응은 효소 반응의 생성물이 생산을 억제하는 요소 억제의 한 유형으로, 세포의 대사를 조절하기 위해 활용된다.
산 용액 주입관(170)은 산 용액을 주입하는 관이다. 상기 산 용액은 세균의 종류와 대사과정의 차이, 그리고 생산하고자 하는 알코올의 종류에 따라 포름산(formate), 부티릭산(Butyric acid), 카복실산(Carboxylic acid) 등을 포함할 수 있고, 상기 산 용액의 종류는 달라질 수 있으며, 본 발명의 경우 메탄을 메탄올로 전환하는 것을 특징으로 하여 상기 산 용액은 포름산(formate)일 수 있다.
상기 포름산(formate)는 상기 메탄자화균의 리불로오스 일인산 회로(ribulose monophosphate cycle; RuMP cycle)에서 formate에서 이산화탄소로 전환할 때 포름산 탈수소 효소(formate dehydrogenase, FDH)가 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)를 NADH 효소로 전환하도록 하는 요소이다. 상기 NADH는 메탄자화균의 MMO 효소의 메탄-메탄올 전환 반응에 필요한 전자를 제공한다.
도 3은 메탄자화균(methanotroph) 대사의 개략도 및 포름산 염 존재 하에서 메탄올 탈수소 효소 (MDH)가 결핍된 메탄자화균(methanotroph)의 대사 경로를 통한 메탄-메탄올 전환의 개략도를 도시한다.
도 3을 참고하면, 상기 세균인 메탄자화균(methanotroph)의 MMO 효소는 메탄을 메탄올로 전환하기 위해 필요한 조요소(co-factor)인 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 탈수소 효소(nicotinamide adenine dinucleotide dehydrogenase, NADH)를 필요로 한다. 그러나 본 발명의 연속반응 시스템은 MDH 효소가 결핍된 전체 세포(whole cell)을 이용함으로써, 일반적인 전체 세포가 세포내에서 공급받던 NADH 효소가 MDH 효소가 결핍된 전체 세포(whole cell)에서는 세포내에서 공급이 되지 않는다. 따라서 상기 산 용액을 추가하는 산 용액 주입관(170)을 통해 포름산(formate; COOH-)를 추가함으로써 포름산 탈수소 효소(formate dehydrogenase, FDH)가 NAD+를 NADH 효소로 전환시켜, 메탄자화균의 MMO 효소의 메탄-메탄올 전환 반응에 필요한 전자를 제공하는 NADH를 생성하고, 이를 통해 MMO 효소의 활성을 유지한다.
도 3의 우측 그림은 메탄자화균 내부에서 발생하는 대사과정을 나타낸 것으로 노란 방울은 오일(Oil), 파란색은 버퍼(Buffer), 초록색은 메탄자화균(Methanotroph)을 나타낸다. 일반적으로 메탄은 물에 대한 낮은 용해도(0.035 g/L)를 가지고 있지만 상대적으로 높은 용해도(dodecane: 0.385 g/L)를 지니는 오일(Oil)을 사용함으로써 메탄자화균으로 메탄 공급 효율을 높일 수 있다. 이렇게 공급된 메탄을 이용하여 메탄자화균이 생산하는 메탄올은 버퍼 용액에 용해되어 배출시킴으로써(도 2b 참조) 메탄자화균의 생성물 억제 반응(product inhibition)이 일어나지 않도록 할 수 있다.
따라서 상기 주입관들과 상기 배출관들은 시스템 내 생성물의 농도를 낮추거나 반응물의 농도를 높여 공정 효율을 개선할 수 있고, 생성물이 용해된 용매를 배출하여 간단하게 생성물을 수득할 수 있게 한다.
다시 도 1을 참조하면, 멤브레인(120)은 하우징(110) 내측면과의 사이에 상 분리 공간(122)를 가진다. 상기 상 분리 공간(122)는 상기 수상 용액과 유상 용액이 서로 비중 차이로 인해 상이 분리되는 공간이다. 이때 비중이 낮은 유상 용액은 상층으로, 상대적으로 비중이 높은 수상 용액은 하층으로 상이 분리된다.
이때 상 분리 공간(122)는 멤브레인(120)과 하우징(110)사이에 상 분리대를 더 추가적인 구성으로 포함할 수 있으며(도시하지 않음), 다수개로 이루어진 상 분리대가 멤브레인(120)을 지탱하여 멤브레인(120)과 하우징(110)사이에 일정한 거리를 유지시킬 수 있다.
멤브레인(120)내부는 혼합기(180)의 영향을 받아 상기 저급 탄소원이 포함된 오일과 상기 산소가 포함된 버퍼 용액이 회전하며 혼합되나, 상 분리 공간(122)은 혼합기(180)영향이 적어 상 분리가 아주 용이하다.
혼합기(180)는 상기 세균이 상기 저급 탄소원이 포함된 오일과 상기 산소가 포함된 버퍼 용액이 잘 맞닿도록 하며, 날개 또는 노를 이용하여 순환패턴이 발생하는 리본형 혼합기(Mixer), 축류 임펠러(Axial Impeller), 사류형 임펠러(Diagonal Impeller) 또는 자석 막대(magnetic bar)를 이용할 수 있으며, 오일층과 버퍼층만 잘 섞이게 해주는 어떠한 형태의 혼합기도 사용 가능하다.
구체적으로는 하우징 내부의 바닥에 위치하는 마그네틱 바(magnetic bar)를 이용하여 혼합할 수 있다. 상기 마그네틱 바는 하부에서 회전하는 힘으로 상기 세균이 상기 저급 탄소원이 포함된 오일과 상기 산소가 포함된 버퍼 용액과 혼합하는 것으로 일반적으로 기존 반응기의 중심에 설치된 리본형 혼합기(Mixer)와 달리 용액내에서 세포가 혼합기로부터 받는 충격을 최소화할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용한 저급 탄솨수소를 알코올로 연속 생성하는 방법의 단계도이고, 도 2b는 본 발명의 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법의 모식도이다.
도 2a를 참 조하면, 상기 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법은 상기 알코올을 생성하는 연속반응 시스템에 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액을 주입하는 단계, 상기 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액에 산 용액을 추가하여 혼합하는 단계, 상기 탄소원과 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균 및 상기 산 용액이 반응하여 알코올을 생산하는 단계, 상기 생산된 알코올은 상기 버퍼 용액에 용해되고, 상기 버퍼 용액은 상기 오일과의 비중 차이로 인해 상 분리되는 단계, 및 상기 상 분리된 버퍼 용액을 추출하는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하기 위해 도 2a 및 도 2b를 참고하고, 도 1의 도면부호를 추가하여 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법을 설명하고자 한다.
상기 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법은 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 준비하고, 상기 알코올 생성하는 연속반응 시스템(100)에 제1 주입관(130)을 통해 탄소원이 포화된 오일을 주입하고, 제2 주입관(140)을 통해 산소가 포화된 버퍼 용액을 주입한다.
상기 저급 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액에 상기 산 용액 주입관(170)을 통해 산 용액을 추가하고, 혼합기(180)을 이용하여 혼합한다.
상기 오일은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로옥탄, 실리콘 오일, 파라핀 오일, 데카린, FC-40, C13~C30의 선형 또는 분지형 탄화수소 화합물, 디페닐에테르 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 혼합을 통해 상기 탄소원, 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균 및 상기 산 용액이 반응 하여 알코올을 생산한다.
상기 알코올 생산 후, 상기 생산된 알코올은 상기 버퍼 용액에 용해되고, 상기 반응 후의 오일과 상기 버퍼 용액은 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법은 상기 알코올 생성하는 연속반응 시스템(100)의 상기 분리 공간(122)로 이동되고 서로 비중 차이로 인하여 상이 분리된다. 이때 상기 반응 후의 오일은 제1 배출구(150)를 통해 배출되며, 상기 버퍼 용액은 제2 배출구(160)를 통해 배출된다. 이는 메탄은 물에 대한 낮은 용해도(0.035 g/L)를 가지고 있지만 상대적으로 높은 용해도(dodecane: 0.385 g/L)를 가지는 오일(Oil)을 사용하여 메탄은 오일에 용해 시켜 세균이 메탄 이용을 용이하게 하며, 세균이 생성하는 생성물인 알코올은 물에 대한 높은 용해도를 이용하여 버퍼 용액에 용해시켜 생성물을 추출함으로써 메탄과 메탄올의 물에 대한 용해도 차이를 극복하여 알코올을 생성하고 추출할 수 있다.
특히 상기와 같이 메탄과 메탄올의 물에 대한 용해도 차이를 극복이 가능한 것은 상기 생산된 알코올은 버퍼 용액에 용해 되며, 상기 상 분리 공간의 상층에는 상기 오일이 존재하고, 하층에는 상기 알코올과 상기 버퍼 용액이 존재하여 상이 분리되는 단계를 포함하기 때문이다.
상기 제2 배출구(160)를 통해 배출되는 상기 버퍼 용액은 최종 생성물(Products)이며, 이를 추출함으로써 알코올을 수확할 수 있다.
상기 알코올 생성하는 연속반응 시스템(100)에 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된(Oxygen saturated) 버퍼 용액을 주입하는 단계는 서로 동일한 부피비로 첨가될 수 있고, 연속적인 반응을 위해서는 상기 저급 탄소원이 포화된 오일과 상기 산소가 포화된 버퍼 용액을 지속적으로 주입할 수 있다.
상기 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액에 산 용액을 추가하여 혼합하는 단계는 첨가되는 상기 산 용액의 총량을 일정하게 나눠서 첨가하여 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균의 알코올 전환 효율을 높일 수 있다.
상기 산 용액은 포름산(formate), 부티릭산(Butyric acid), 카복실산(Carboxylic acid) 등을 포함하는 수용액 일 수 있으며, 바람직하게는 포름산을 포함하는 수용액 일수 있고, 더욱 바람직하게는 폼산나트륨(Sodium formate) 수용액 일 수 있다.
일반적으로 포름산은 메탄자화균의 성장을 억제한다고 알려져 있지만, 본 발명에서는 휴지 세포 (resting cell), 즉 살아있는 세포(living cell)와 달리 성장과 분열을 하지 않고 세포 주기가 멈춘 세포를 사용하고, 상기 휴지 세포 (resting cell)는 메탄올 탈수소 효소 (MDH)가 결핍된 메탄자화균(methanotroph)일 수 있어 살아있는 세포(living cell)와 달리 상대적으로 산 용액의 농도가 세포 성장에 큰 영향을 주지는 않는다.
상기 산 용액의 첨가량은 반응기 내부 버퍼층 용량을 기준으로 포름산 소비량을 계산하여 첨가할 수 있으며, 본 발명의 비교예 1(Formate (once)) 및 비교예 2(w/o Formate)의 알코올 생산량 실험 결과(도 4)를 통해 4시간 동안 메탄자화균 1.5 g DCW/L 농도로 40mM의 포름산을 다 소모했다고 판단하여, 1.5mL(반응기 내부 버퍼층 용량) x 40 mM / 4 h = 15 mM·mL/h 으로 계산하여 시간당 필요한 포름산 소비량을 도출하였다. 이는 본 발명의 실시예를 1시간 수행하는 동안 버퍼층의 용량 1mL당 15mM의 포름산이 필요함을 알 수 있다.
또한 메탄자화균 1.5 g DCW/L 가 4시간동안 40mM의 포름산을 소비하였으므로, 메탄자화균 1 g DCW의 시간당 포름산 소모 속도는 6.67 mmol/h/g DCW가 된다. 따라서 추가 주입 포름산은 6 내지 10 mmol/h/g DCW의 속도에 맞도록 설정해야 된다.
따라서 상기 산 용액의 농도는 상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균의 농도 비율에 따라서도 변동될 수 있다. 상기 저급 탄화수소의 알코올 효소를 가지는 세균의 농도가 약 0.5 g DCW/L 내지 15 g DCW/L 정도일 경우, 25 mM 내지 125 mM 의 포름산을 사용하여 문제없이 알코올을 생산할 수 있다.
이때 상기 DCW는 건조 균체량 (dry cell weight)을 의미한다
다만 반응기 내부의 용량에 큰 변화가 있으면 반응에 영향을 줄 수 있으므로 0.5 M 내지 3 M 의 고농도 포름산을 시린지 펌프를 이용해 30 ul/h 내지 5ul/h 의 속도로 소량씩 흘려주는 것이 바람직하다.
상기 저급 탄화수소는 알칸(alkane)일 수 있고, 상기 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법은 탄소 수 1 내지 5개의 저급 탄화수소를 산화시켜 알코올화 시키는 것일 수 있다.
상기 저급 탄화수소를 포함하는 상기 저급 탄소원은 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이고, 상기 저급 탄소원이 포화된 오일은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로옥탄, 실리콘 오일, 파라핀 오일, 데카린, FC-40, C13~C30의 선형 또는 분지형 탄화수소 화합물, 디페닐에테르 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.
상기 저급 탄화수소를 알코올로 연속 생성하는 방법을 통해 생산되는 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 이소부탄올 중 선택된 하나일 수 있다.
상기 산소가 포화된 버퍼 용액은 phosphate 계열의 버퍼 용액을 모두 포함하며 구체적으로 인산 칼륨(potassium phosphate), 인산 나트륨(sodium phosphate) 계열의 버퍼 용액일수 있다.
상기 산소가 포화된 버퍼 용액은 인산 칼륨(potassium phosphate), 인산 나트륨(sodium phosphate) 계열의 전해질과 물을 포함할 수 있으며, 상기 전해질은 일 염기성(monobasic)인 제1인산칼륨(KH2PO4), 제1인산나트륨(NaH2PO4), 이 염기성(dibasic)인 제2인산칼륨 (K2HPO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합일 수 있다.
도 5는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템(100)과 연결된 직접 알코올 연료전지(Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC)(112)의 모식도를 도시하고, 도 6은 직접 알코올 연료전지(112) 중에 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 연결할 때의 전력 생성 반응을 나타내는 모식도이다.
상기 도 5를 참조하면 상기 알코올을 생성하는 연속반응 시스템(100)의 제2 배출구(160)를 통해 배출되는 알코올은 직접 알코올 연료전지(112)와 연결된다.
상기 도 6을 참조하면 상기 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 이용하여 메탄올이 생성되는 과정과 상기 직접 알코올 연료전지 중에 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 연결하였을 때 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)의 고분자 전해질 멤브레인(Polymer electrolyte membrane)을 사이에 둔 양극전극(Cathode)과 음극전극(Anode)에서 전력(Electrical power)으로 전환되는 과정을 모식도를 통해 확인할 수 있다.
양극전극(Cathode)과 음극전극(Anode)에서 전력(Electrical power)으로 전환되는 반응식은 아래와 같다.
음극전극(Anode):
Figure 112021036759085-pat00001
+
Figure 112021036759085-pat00002
→
Figure 112021036759085-pat00003
+
Figure 112021036759085-pat00004
+
Figure 112021036759085-pat00005
양극전극(Cathode):
Figure 112021036759085-pat00006
+
Figure 112021036759085-pat00007
+
Figure 112021036759085-pat00008
→
Figure 112021036759085-pat00009
전체반응(Overall):
Figure 112021036759085-pat00010
+
Figure 112021036759085-pat00011
→
Figure 112021036759085-pat00012
+
Figure 112021036759085-pat00013
이하, 본 발명의 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
아래의 실시예들은 별도의 조건이 기재되어 있지 않은 한 상온(25℃), 상압(1 atm)에서 수행되었다.
준비예 1.
Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20Z 용 질산 미네랄 염(nitrate mineral salt, 20Z NMS) medium에서 M. alcaliphilum 20Z 균주를 배양한다.
1L의 20Z NMS medium은 0.02g CaCl2·6H2O, 1g MgSO4·7H2O, 1g KNO3, 15g NaCl, 2mL의 미량 원소 솔루션(trace element solution; 1L의 trace element solution에는 0.02g NiCl2·6H2O, 0.002g H3BO3, 0.05g Na2MoO4.2H2O, 0.005g MnCl2·4H2O, 0.6g CuCl2.2H2O, 0.8g ZnSO4·7H2O, 0.05g CoCl2·6H2O, 1g FeSO4·7H2O, 0.5g Na2-Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 0.75g F2-EDTA, 0.4g Cu-EDTA가 포함)을 포함한다.
50ml의 20Z NMS medium에 M. alcaliphilum 20Z 균주를 접종하기 전, 0.2μm의 pore size를 가지는 필터로 멸균한 1ml 인산염 버퍼(phosphate buffer, pH 8.5-9; 1L의 phosphate buffer는 5.44g KH2PO4, 10.73g Na2HPO4·12H2O를 포함), 2.25ml 탄산수소나트륨 수용액(NaHCO3 (1M)), 0.25ml 탄산나트륨 수용액 (Na2CO3 (1M))를 추가한다.
상기 M. alcaliphilum 20Z 균주의 MDH 제거를 위해 글리세롤 이용 경로(glycerol utilization pathway)를 구축해준다. 상기 글리세롤 이용 경로는 pAWp89 플라스미드(plasmid)에 글리세롤(glycerol)을 공급(feed)하여 세포 생장(cell growth)을 유지시킬 수 있도록 하는 (glpF, glpK, glpD, gpsA) 유전자들을 삽입하는 것이다.
이후 500ml 삼각진탕 플라스크(baffled flask)의 50ml 배지(medium)에서 M. alcaliphilum 20Z 균주는 30°C, 230rpm의 shaking incubator에서 125 ul의 glycerol 과 함께 배양되었다
500ml 삼각진탕 플라스크(baffled flask)의 50ml 배지(medium)에서 125 ul의 glycerol 과 함께 배양된 M. alcaliphilum 20Z 균주는 약 OD600=0.7에서 MDH 제거를 위해 수확(harvest)된다.
메탄자화균의 MDH 결손은 두개의 region (mxaF와 xoxF)을 zeocin과 gentamicin의 항생제 저항 유전자 fragment로 상동 재조합 함으로써 이루어졌다.
상동재조합은 Gibson Assembly® Master Mix (BioLabs® Inc., 50 rxns)를 이용하여 Gibson Assembly 방법을 기반으로 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR) 기기(C100 TouchTM Thermal cycler, Bio-Rad)를 이용하여 이루어졌다.
결과적으로 재조합 반응물을 정화 키트(purification kit, ExpinTM PCR SV mini, GeneAll)를 이용하여 정화(purification)한 뒤, 전기천공(electroporation)방법을 통하여 M. alcaliphilum 20Z을 형질 전환하여 MDH 결손 M. alcaliphilum 20Z 균주를 준비한다.
실시예 1.
직경이 6mm, 14,000 달톤(Dalton)의 분자량을 차단(molecular weight cut-off)하는 효과를 가지는 셀룰로오스 막 투석 튜브(cellulose membrane dialysis tubing, Sigma-Aldrich 구매)를 준비하여 10ml 바이알의 연속반응 시스템에 도입하여 고정한다. 이때 상기 멤브레인은 도입 전에 보습제인 글리세롤을 제거하기 위해 초순수 물(ultrapure water; resistivity ≥ 18.2 MΩ·cm)로 여러 차례 세척한다.
준비된 멤브레인 내부에 상기 준비예 1에서 준비한 MDH 결손 M. alcaliphilum 20Z 균주을 담지하고, 상기 MDH 결손 M. alcaliphilum 20Z 균주가 1.5g DCW/L의 농도가 될 수 있도록 산소가 포화된 20mM의 정인산염나트륨 수용액 버퍼(sodium phosphate buffer, pH 7.0)및 메탄이 포화된(methane saturated) 도데칸(dodecane)을 주입한다.
이때 연속반응 시스템의 각각의 주입구를 통해 메탄이 포화된 도데칸(dodecane)과 산소가 포화된 20mM의 인산나트륨 수용액 버퍼를 각각 3ml/h 연속적으로 삽입하고, 0.6M의 포름산 수용액은 25ul/h를 연속적으로 삽입하면서 마그네틱 바(magnetic bar)를 이용하여 700 내지 1320rpm의 속도로 혼합한다. 상기 연속반응 시스템 첨가되는 포름산 수용액의 최종 농도는 40mM이다.
이후 멤브레인 내부에서는 상기 마그네틱 바로 인해 혼합되면서 MDH 결손 M. alcaliphilum 20Z 균주가 메탄과 반응하여 메탄올을 생성하고, 생성된 메탄올은 버퍼에 용해된다.
그리고 반응 후 상기 멤브레인 외부에서는 마그네틱 바로 인한 혼합이 잘 이루어지지 않아 유상과 수상이 분리된다. 이때 유상인 도데칸(dodecane)과 수상인 버퍼를 각각의 배출관으로 상기 주입량과 거의 동일하게(3ml/h) 배출한다.
이때 상기 배출관을 통해 배출된 유상인 도데칸은 메탄이 반응하지 않고 남은 도데칸을 환류(reflux)하여 상기 연속반응 시스템에 재삽입한다. 그리고 최종적으로 상기 수상인 버퍼를 배출하여 수거함으로써 용해되어 있는 메탄올을 수거한다.
상기 실시예 1은 1시간 간격으로 상기와 같은 실험을 진행하고 총 5시간 연속 수행한다.
비교예 1.
상기 실시예와 동일하게 수행하되 상기 포름산을 연속적으로 삽입하지 않고, 최종 농도인 40mM을 처음에 모두 삽입하여 수행한다. 총 5시간 수행한다.
비교예 2.
상기 실시예 1과 같이 수행하되, 상기 포름산은 전혀 첨가하지 않고 3시간 수행한다.
특성평가 1.
상기 실시예 1, 비교예 1과 2에 따른 메탄올 생산성을 1시간 단위로 측정한다. 상기 측정결과는 도 4 도시한다.
도 4를 참조하면, 포름산 수용액을 전혀 넣지 않은 비교예 2(w/o formate)는 메탄올 생산이 거의 이뤄지지 않았다. 그리고 처음에 포름산 수용액을 모두 넣은 비교예 1(Formate(once))이 초반에는 가장 높은 메탄올 생산량을 나타내나, 시간이 지날수록 그 생산량이 유지되지 않는 것을 확인하였다. 반면에 실시예 1(Formate(continuous))은 초반의 생산량은 비교예 1에 비하여 낮게 시작하나, 꾸준하게 메탄올이 생산되는 것을 확인할 수 있다.
한 시간 동안 수행시 실시예 1의 생산량은 2.39 g/L (74.59 mM)로, 한 시간당 1 g DCW 의 메탄자화균이 전환하는 메탄올의 양은 1.59 g/g DCW/h 에 달했다.
비교예 2의 경우 MDH가 결여된 메탄자화균에게 NADH 효소를 제공하기 위해 필요한 포름산의 양을 비교하기 위해 진행하였으며, 실제 비교예 2는 메탄의 생산량이 현저하게 낮아서 3시간 동안만 진행하였다. 비교예 2의 생산량이 비교예 1의 4시간 이후 생산량과 비슷한 수준이었다.
특성평가 2.
상기 실시예 1에 따라 생산되는 메탄올을 직접 메탄올 연료전지에 연결하여, 상기 연료전지에서 측정되는 전류와 전압을 측정한다.
측정결과를 촬영한 이미지를 도 7에 도시한다.
상기 도 7을 참조하면, 실시예 1의 제2 배출구를 통해 추출된 메탄올을 포함하는 버퍼용액을 직접 연결된 실제 직접 메탄올 연료전지에서 측정되는 전류과 전압을 측정한 이미지이며, 0.1A의 전류과 0.42V의 전압이 측정됨을 확인할 수 있다. 이때 연료전지 내부의 용량이 한정적이기 때문에 연료전지로부터 지속적으로 반응물을 뽑아내는 펌프도 필요하나, 이는 도시하지 않았다.
추가적으로 메탄올 표준용액 (1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.05 M)과 연속반응기에서 실시예 1을 3시간, 6시간, 9시간 수행하여 생성된 메탄올을 주입하여 메탄올 연료전지 성능을 측정한 결과를 도 8에 도시한다.
도 8을 참조하면 현재 실험실내에서 작은 용량의 반응기로도 0.05M의 메탄올 표준용액 보다는 높은 전력이 나타남을 알 수 있으며, 이는 반응기의 크기를 키우고, 셀농도, 포름산의 농도 등의 실험 조건을 변경하여 메탄올 생산량을 극도로 늘리게 되면 많은 양의 전기 생산이 가능함을 짐작할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 연속반응 시스템
110: 하우징 112: 직접 알코올 연료 전지
120: 멤브레인 122: 상 분리 공간
130: 제1 주입구
140: 제2 주입구
150: 제1 배출구
160: 제2 배출구
170: 산 용액 주입구
180: 혼합기

Claims (11)

  1. 하우징 내측면에 따라 위치하고 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 포함하는 멤브레인;
    상기 하우징 내부에 산 용액을 주입하는 산 용액 주입관;
    상기 하우징의 내부로 저급 탄소원이 포함된 오일이 주입되는 제1 주입관;
    상기 하우징의 내부로 산소가 포함된 버퍼 용액이 주입되는 제2 주입관;
    상기 세균, 상기 저급 탄소원, 상기 산 용액 및 상기 버퍼 용액을 혼합하는 혼합기;
    상기 하우징 상부에 위치하고, 상기 오일이 배출되는 제1 배출관; 및
    상기 하우징 하부에 위치하고, 상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 생성된 알코올 및 상기 버퍼 용액이 배출되는 제2 배출관;
    을 포함하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균은 메탄자화균이고,
    상기 메탄자화균은 메틸로모나스(Methylomonas) 속, 메틸로박터(Methylobacter) 속, 메틸로코커스(Methylococcus) 속, 메틸로마이크로븀(Methylomicrobium) 속, 메틸로스페라(Methylosphaera) 속, 메틸로칼덤(Methylocaldum) 속, 메틸로글로버스(Methyloglobus) 속, 메틸로사르시나(Methylosarcina) 속, 메틸로프로펀더스(Methyloprofundus) 속, 메틸로썰머스(Methylothermus) 속, 메틸로할로비우스(Methylohalobius) 속, 메틸로게아(Methylogaea) 속, 메틸로마리넘(Methylomarinum) 속, 메틸로벌럼(Methylovulum)속, 메틸로마리노범(Methylomarinovum) 속, 메틸로러브럼(Methylorubrum) 속, 메틸로파라코커스(Methyloparacoccus) 속, 메틸로시너스(Methylosinus) 속, 메틸로시스티스(Methylocystis) 속, 메틸로셀라(Methylocella) 속, 메틸로캡사(Methylocapsa)속, 메틸로퍼룰라(Methylofurula) 속, 메틸아시디필럼(Methylacidiphilum) 속 및 메틸아시디마이크로븀(Methylacidimicrobium) 속으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 균주인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인은 반투과성 멤브레인이고,
    상기 반투과성 멤브레인은 폴리비닐리덴 디플루오라이드계 멤브레인, 폴리테트라 플루오로에틸렌계 멤브레인, 폴리설폰계 멤브레인, 폴리에틸렌계 멤브레인, 폴리에테르설폰계 멤브레인, 셀룰로오스계 멤브레인으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인과 상기 하우징 내측면 사이에 형성된 상 분리 공간에는 상층에는 상기 오일이 존재하고, 하층에는 상기 알코올과 상기 버퍼용액이 존재하여 상이 분리되는 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합기는 날개 또는 노를 이용하여 순환패턴이 발생하는 리본형 혼합기, 축류 임펠러(Axial Impeller), 사류형 임펠러(Diagonal Impeller) 및 자석 막대(magnetic bar)를 이용하는 혼합기로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징을 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템.
  6. 제1항의 저급 탄화수소의 알코올화 효소를 가지는 세균을 이용하고 상 분리 공간을 가지는 알코올을 생성하는 연속반응 시스템을 준비하는 단계;
    상기 알코올 생성하는 연속반응 시스템에 저급 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액을 주입하는 단계;
    상기 탄소원이 포화된 오일과 산소가 포화된 버퍼 용액에 산 용액을 추가하여 혼합하는 단계;
    상기 세균, 상기 탄소원 및 상기 산 용액이 반응하여 알코올을 생산하는 단계;
    상기 생산된 알코올은 버퍼 용액에 용해 되며, 상기 상 분리 공간의 상층에는 상기 오일이 존재하고, 하층에는 상기 알코올과 상기 버퍼 용액이 존재하여 상이 분리되는 단계; 및
    상기 상 분리된 상기 버퍼 용액을 추출하는 단계를 포함하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소원은 메탄인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 오일은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로옥탄, 실리콘 오일, 파라핀 오일, 데카린, FC-40, C13~C30의 선형 또는 분지형 탄화수소 화합물, 디페닐에테르 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 이소부탄올 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 산소가 포화된 버퍼 용액은 전해질과 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전해질은 제1인산칼륨(KH2PO4), 제2인산칼륨 (K2HPO4), 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 연속 생성하는 방법.
KR1020210040533A 2021-03-29 2021-03-29 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법 KR102553172B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210040533A KR102553172B1 (ko) 2021-03-29 2021-03-29 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210040533A KR102553172B1 (ko) 2021-03-29 2021-03-29 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220135043A KR20220135043A (ko) 2022-10-06
KR102553172B1 true KR102553172B1 (ko) 2023-07-07

Family

ID=83597399

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210040533A KR102553172B1 (ko) 2021-03-29 2021-03-29 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102553172B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150072385A1 (en) 2003-10-15 2015-03-12 Newlight Technologies, Llc Polyhydroxyalkanoate production methods and systems for same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009113878A1 (en) 2008-03-12 2009-09-17 Lanzatech New Zealand Limited Microbial alcohol production process
KR102165641B1 (ko) * 2017-10-30 2020-10-15 서강대학교산학협력단 메탄자화균을 포함하는 프로판올 생산용 조성물 및 프로판올 생산 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150072385A1 (en) 2003-10-15 2015-03-12 Newlight Technologies, Llc Polyhydroxyalkanoate production methods and systems for same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Park 등. Biofuel upgrade reactions via phase-transfer catalysis of methanotrophs. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2021.01.08. 95, 305-311 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220135043A (ko) 2022-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10889793B2 (en) C1 substrate-fed fermentation systems and methods for producing C4 compounds
ES2580959T3 (es) Cepa de Methanothermobacter thermautotrophicus y variantes de la misma
US20140024091A1 (en) Use of oxyhydrogen microorganisms for non-photosynthetic carbon capture and conversion of inorganic and/or c1 carbon sources into useful organic compounds
ES2878261T3 (es) Métodos de mantener la viabilidad de cultivos
BR112013003644B1 (pt) isolado biologicamente puro de uma bactéria clostridium autoethanogenum
BRPI0820556B1 (pt) bactéria e métodos para uso das mesmas
Pen et al. An innovative membrane bioreactor for methane biohydroxylation
BR112012027661B1 (pt) método biológico e químico para a captura e a conversão de um composto de carbono inorgânico e/ou um composto orgânico contendo apenas um átomo de carbono em um produto químico orgânico
AU2015213708A1 (en) Integrated processes for anaerobic conversion of hydrogen and carbon oxides to alcohol
ES2946180T3 (es) Procesos de biorreactores de múltiples etapas
US20200048596A1 (en) Membrane biofilm reactors, systems, and methods for producing organic products
CN109415672A (zh) 气体搅拌式发酵装置
Abubackar et al. Syngas fermentation for bioethanol and bioproducts
Vees et al. Mixotrophic co-utilization of glucose and carbon monoxide boosts ethanol and butanol productivity of continuous Clostridium carboxidivorans cultures
US20100248344A1 (en) Methanogenic reactor
Liu et al. Synthetic biology promotes the capture of CO2 to produce fatty acid derivatives in microbial cell factories
KR102553172B1 (ko) 저급 탄화수소를 이용하여 알코올을 생성하는 연속반응 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 알코올 생성 방법
Fei et al. Bioconversion of methane for value-added products
Faridi et al. Bioconversion of industrial CO2 emissions into utilizable products
Parera Olm et al. Conversion of carbon monoxide to chemicals using microbial consortia
KR101142818B1 (ko) 미세조류의 합성가스 전환을 위한 초임계수 가스화장치 및 이를 이용한 합성가스 생산 방법
Shen Attached-growth bioreactors for syngas fermentation to biofuel
CN103740630B (zh) 一种含有nadh激酶基因的工程菌及其用途
Sahoo et al. Recent advances in methanol production from methanotrophs
Rao et al. Biological Methane Conversion

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant