KR20020096432A - 젖산제조 장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐신문지 등의 섬유성바이오매스를 이용하여 젖산을 생산하는 공정에 있어서, 동시당화 및 발효방법을 이용하여 젖산의 생산성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 당화와 발효를 분리하여 각각의 최적조건에서 조업함으로써 생산성을 높일 수 있는 2단식 동시 당화 및 발효 장치를 포함한다. 본 발명에서 고안한 2단식 동시당화 및 발효 장치는 효소가수분해 반응을 위한 충진탑형태의 반응기와 발효반응을 위한 완전혼합형태의 반응기로 구성된다. 본 발명에 의하면, 신문지 100g당 45g의 젖산을 생산할 수 있으며, 젖산의 생산성이 0.43g/L로 반응속도가 기존의 젖산 생산공정에 비하여 현저히 향상되었다. 본 발명은 풍부한 섬유성바이오매스 자원을 포도당 대체원료로 사용함으로써 젖산 생산의 경제성을 획기적으로 높이게 할 것이다.

Description

젖산제조 장치 및 제조방법{A Process for Lactic Acid Production}
본 발명은 폐신문지 등의 섬유성바이오매스를 이용하여 젖산을 생산하는 공정에 있어서, 동시당화 및 발효방법을 이용하여 젖산의 생산성 및 경제성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
젖산(2-hydroxypropanoic acid)은 식품, 의약품, 및 각종 유기화합물의 주부원료로 광범위하게 사용되고 있으며 특히 최근에는 생분해성 및 생체활성 고분자 등의 원료로 그 수요가 증대되고 있다. 젖산의 제조는 미생물발효 혹은 화학적 합성방법을 사용하고 있으며 현재 전체 생산의 절반 이상이 미생물발효방법으로 제조되고 있다. 미생물발효방법은 매년 재생산되는 바이오매스를 원료로 사용한다는 점과 화학적 합성법과는 달리 공해문제가 적은 청정기술이라는 장점을 갖고 있다. 현재까지 젖산 생산의 주원료는 유당 혹은 전분 유래의 포도당이며 이것들은 식품으로 사용될 수 있기 때문에 가격이 비싸고 결과적으로 젖산의 생산원가를 높이는 원인이 되고 있다. 따라서 최근에 젖산 생산의 대체원료로 섬유성바이오매스(cellulosic substancc) 자원의 활용에 관한 연구가 수행되고 있다. 예를 들면, 1997년 슈미트(Schmidt) 등은 폐신문지를 이용하여 젖산을 생산하였으며 회분식 반응기에서 수율 84%를 얻을 수 있다고 보고하였다(참조: S.Schmidt and N. Padukone, Production of lactic acid from wastspaper as a cellulosic feedstock, J. Industrial Microbiology and Biotechnology, 18:10-14, 1997).
섬유성바이오매스로부터 젖산을 생산하기 위해서는 섬유질을 효소가수분해하여 포도당으로 전환시키고 이를 다시 미생물 발효시키는 두 단계의 공정이 요구된다. 일반적으로 효소가수분해공정에서 생성물인 포도당의 저해작용으로 인하여 반응속도가 매우 느리고, 따라서 많은 양의 효소가 소모된다. 1997년 다까기(Takagi) 등이 제안한 동시당화 및 발효 방법은 효소 당화와 발효를 동시에 수행함으로써 효소에 의해 생성된 포도당이 미생물에 의하여 즉시 소모되도록 하는 것으로, 섬유소가수분해 효소에 대한 포도당의 저해를 최소화하여 효소당화속도가 증대되고 따라서 고가의 효소사용량을 줄일 수 있게 된다(참조: M. Takagi, S. Suzuki, G.H. Empert. and N. Yata, Proceeding of the Bioconversion Symposium, IIT, Dehli, Ghose, T.k., ed., 551, 1977). 그러나 이와 같은 동시당화 및 발효방법의 문제점은 하나의 반응조건에서 효소가수분해반응과 발효반응이 수행되기 때문에 각각의 반응이 최적조건에서 이루지지 않는다는 것이다. 또한 반응물이 혼합되어 있기 때문에 반응 후 젖산을 정제하는데 있어서 많은 지장을 초래하게 되었다.
이에, 본 발명자는 동시당화 및 발효방법을 효과적으로 수행할 수 있는 반응장치를 개발하여 섬유성바이오매스로부터 젖산을 효과적으로 생산할 수 있는 기술을 확립하고자 노력한 결과, 효소가수분해와 미생물 발효를 분리된 반응기에서 수행하고 각 반응기의 반응물을 순환시킴으로써 각각의 반응은 각각의 최적조건에서 진행되고 동시에 효소가수분해에 의하여 생성된 포도당은 즉시 발효기질로 사용되어 젖산으로 전환시킬 수 있는 2단식 동시당화 및 발효 반응장치를 완성하게 되었다.
도 1은 본 발명에서 고안한 2단식 동시당화발효 장치의 공정도이다.
도 2는 2단식 동시당화발효장치의 성능을 나타낸 것으로, 시간에 따라 생성된 젖산의 농도를 나타낸 그래프이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
① 효소가수분해 반응기, ② 고정화 균주 발효반응기, ③ 교반기, ④ 가열판, ⑤ pH 조절기, ⑥ 암모니아수, ⑦ 질소 가스
본 발명의 젖산 생산 장치 및 방법은 도 1에 보여주고 있듯이, 두 개의 반응장치로 구성되어있다. 하나는 원료인 섬유성바이오매스(예, 폐신문지)로 충진된 충진탑 가수분해반응기이고 다른 하나는 고정화 균주를 함유한 발효반응기이다. 두 개의 반응기는 관으로 연결되어 순환 펌프에 의하여 반응용액이 순환된다. 따라서 효소가수분해 반응과 미생물발효 반응이 분리되어 진행되며, 당화와 발효가 동시에 수행된다. 이러한 장치에서 각 각의 반응이 서로 다른 온도에서 진행시킬 수 있게된다. 즉, 각각의 반응을 서로 다른 최적조건에서 진행시킬 수 있다. 또한, 균주는 고정화되어 있고, 고체 기질은 충진탑 내에 충진되어 있으므로 반응용액 중 생성된최종생성물(젖산)의 분리가 용이하다. 즉, 젖산 발효공정에서 심각한 저해작용을 일으키는 젖산을 공정 도중에 분리/제거를 함으로써 생산성을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 폐신문지 등의 섬유성바이오매스를 이용하여 젖산을 생산하는 공정에 있어서, 동시당화 및 발효방법을 이용하여 젖산의 생산성을 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 신문지 100g당 45g의 젖산을 생산할 수 있으며, 젖산의 생산성이 0.43g/L로 반응속도가 기존의 젖산 생산공정에 비하여 현저히 향상되었다. 본 발명은 풍부한 섬유성바이오매스 자원을 포도당 대체원료로 사용함으로써 젖산 생산의 경제성을 획기적으로 높이게 할 것이다.
[실시예]
본 발명에서 고안한 2단식 젖산발효장치를 이용하여 폐신문지로부터 젖산을 생산하는 실험을 수행하였다. 폐신문지 가수분해효소로는 Celluclast 1.5L을사용하였으며 젖산 생산균주는 락토바실러스 델부르키(Lactobacillus delbruekiiNRRL-B445)를 사용하였고, 엘리카 브로쓰(Elliker broth, Difco) 배지를 사용하여 37℃, pH 6.4에서 36시간 배양하여 종균배양액으로 사용하였다. 종균배양액을 원심분리하여 얻어진 셀(cell)을 칼슘/알지네이트(Ca/alginate)로 고정화하여 사용하였다. 발효반응기에 사용한 배지의 조성은 효모추출물(yeast extract) 15g/L, K2HPO40.5g/L, KH2PO40.5g/L, CH3COONa·3H2O 1g/L, MgSO4·7H2O 0.5g/L, MnSO4·7H2O 0.05g/L, ammonium citrate 1g/L, FeSO4·7H2O 0.03g/L이었다. 기질인 폐신문지는전처리 한 후 30g을 직경 20mm 길이 300cm의 유리관(효소당화반응기)에 충진하고, 고정화 균주(5%(v/v)) 및 배지용액은 발효반응기(1L)에 채웠다. 발효용액에 가수분해효소를 25 IFPU/gsubstrate만큼 첨가하고 분당 15㎖의 유속으로 발효용액을 두 반응기 사이로 순환시키며 반응을 수행하였다. 발효용액의 pH는 암모니아수를 이용하여 5.0으로 유지하였으며, 효소가수분해반응기의 온도는 50℃로 발효반응기의 온도는 42℃로 각각 조절하였다. 도 2에 보듯이, 2단식 동시당화발효 장치의 생산성는 0.42g/L-hr로 기존의 회분식 동시당화발효 장치에 비해서 1.5배 가량이 빠르게 나타났다. 특히 수율에 있어서도 2단식 동시당화발효 장치가 67%로 회분식 반응장치보다 1.6배 가량 높게 나타났다.

Claims (1)

  1. 섬유성바이오매스로부터 젖산을 생산하는 공정에서 효소가수분해 반응과 미생물발효 반응을 두 개의 반응기에서 순환시키며 수행하는 방법.
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