따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공정을 복잡하게 하는 단계인 바이오매스의 제거를 위한 필터작업을 하지도 않으며, 별도의 흡습 방지제(예, 실리카)를 첨가하지 않아도 흡습성이 낮고, 흡습방지제를 넣지 않아 상대적으로 라이신 함량이 증가되고, 공정이 단순하여 생산성이 높으며, 일정한 함량의 라이신을 가진 성분이 제품을 생산하는 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따를 경우, 라이신 함량은 1% 이내의 오차로 제품 함량을 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 또한, 겉보기 밀도가 높은 치밀한 과립 구조로 수분의 접근을 차단하기 때문에 사료 첨가물로 사용되는 과립 제품의 중요한 물리적 특성인 흡습성을 최소화하여 오랜 시간 낮은 흡습성을 가지는 제품이 제공된다. 한편으로는, 종래에 US5,431,933에서는 바이오매스를 줄일 경우 흡습성의 문제가 추가적으로 발생하여 흡습성 개선에 어려움이 있는데, 본 발명에서는 이러한 점이 해결되었다.
과립건조기 운전 방법 최적화와 비규격 제품의 리사이클 공정을 통해 최종 제품에서입자의 크기는 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위가 되도록 차지하는 제품이 제공된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, L-라이신 발효배양액을 총 고형분(total solid) 44~52% 중량%로 농축하는 단계; 상기 농축액에 부형제 및 자유 라이신으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하여 혼합 농축액을 형성하는 단계; 및 과립기에 200~500㎛ 크기의 미립자 시드를 투입하고, 상기 과립기 하부로부터 상기 혼합 농축액을 분사하여 상기 미립자 시드를 코팅하며 상기 미립자 시드의 크기를 증가시켜 양파모양의 과립을 형성시켜, 입자의 크기는 입자의 크기는 500㎛이하는 0 내지 5%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 20-30%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 60-70%이고 1300㎛ 초과는 5%이하의 범위가 되도록 과립화하는 단계로 이루어진 동물 사료 보충물의 제조 방법으로서, 하기 조성을 가지는 과립화에 의한 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물의 제조 방법이 제공된다:
함량 |
Lys·HCl 65 중량% 이상 |
입자 size |
500㎛이하 0 내지 5%, 500㎛ 초과 1000㎛이하 20-30%, 1000㎛ 초과 1300㎛이하 60-70%, 1300㎛ 초과 5%이하(wt.대비) |
겉보기 밀도 |
670±50kg/㎥ |
단백질 |
10~15 중량% |
총당 |
1 중량% 이하 |
무기물 |
3 중량% 이하 |
수분 |
3 중량% 이하 |
카르복시산(C 8개 이하) |
8 중량% 이하 |
상기 혼합 농축액을 형성하는 단계에서 라이신 또는 부형제의 첨가량을 조절하여 과립제품의 최종 라이신 함량을 원하는 목표 함량의 1% 내의 오차로 조절된다. 상기 과립화는 상기 과립기 하부에서 혼합 농축액을 노즐로 분사하고 열풍을 가하여 유동층을 형성하면서 수행된다.
상기 과립화하는 단계는 얻어지는 입자의 크기는 혼합 농축액의 유속, 노즐압 또는 열풍의 풍량을 조절하는 이루어진다.
상기 부형제는 녹말, 카라기난 및 한천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 바람직하다. 상기 라이신 생산 균주는 코리네박테리움 (Corynebacterium) 속 균주를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 흡습 방지제는 첨가되지 않아도 흡습 방지 효과가 있으나, 필요한 경우 흡습 방지제로서 실리카, 중합체 등, 바람직하게는 유동 파라핀이 첨가될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법에 의하여 제조되는, 과립형 라이신 발효액을 주성분으로 하는 동물 사료 보충물이 제조된다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 제조방법의 순서도를 참조하여 설명한다. 먼저 라이신 생산 균주를 이용하여 라이신 발효액을 제조한다. 본 발명에 있어서, 발효에 사용되는 균주는 라이신을 생산하는 균주이면 어느 균주나 사용될 수 있다. 바람직하게는, 라이신 발효에 빈번하게 사용되는 코리네박테리움(Corynebacterium) 속 균주이다. 미생물의 발효 조건은 특별하게 제한되는 것은 아니나, 발효액 중의 라이신은 많은 양으로 축적하나 생체량은 적게 축적되는 조건에서 배양하는 것이 바람직하다. 또한, 발효액 중의 당분은 발효액의 건조를 방해하고, 얻어지는 제품의 흡습성을 상승시키기 때문에 그 양을 감소시키는 조건에서 배양하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에서는 혼합 과정을 통하여 라이신의 함량을 조절할 수 있으며 과립 공정의 특성상 제품 겉면이 조밀하기 때문에 발효 조건이 상기 예와 같은 조건에 반드시 한정될 필요는 없다. 본 발명의 실시예에 사용된 코리네박테리움 (Corynebacterium) 속 균주를 배양하여 얻어지는 발효액에는 라이신을 10~20% 함유하고 있으며 그 농도는 170g/l 정도가 된다.
이렇게 생산된 발효액은 첫 단계로 수분이 일부 제거되는 농축과정에 의하여 농축된다. 농축 과정은 두 가지 의미를 가지는데, 우선 농축을 통해 발효액의 부피를 줄여 후속 공정의 부담을 줄이는 것이 하나의 목적이다. 또 다른 목적은 더 중요한 의미가 있는데 농축을 통해 액 내의 라이신 농도를 높여 좀 더 용이하게 과립을 형성하는 것이다.
농축 과정을 통해 발효액의 총 고형분(total solid)의 양이 44~52%가 되도록 조절되는데, 농축은 감압농축법을 사용하며, 작업 조건은 진공도 680mmHg, bath 온도 65℃가 적당하다. 이 작업 조건은 농축 진행 사항에 따라서 또는 작업 진행 속도를 조절하기 위해 조절이 가능하다.
농축이 완료된 농축액은 pH 조절 과정을 거친다. pH 조절은 황산을 이용하여 행하는데 pH3.5로 값을 조절한다. pH 조절 후에는 농축액을 60℃에서 3시간 이상 방치한다. pH 조절 및 60℃에서 2시간 이상 방치 과정을 거치는 이유는 과립 제품에서 검출될 수 있는 발효 균주의 gDNA 성분 분해를 위한 것으로, 신균주 개발에 투자되는 비용 및 균주가 생산성에 미치는 영향을 고려할 때, 균주 보안의 중요성이 매우 크기 때문이다. 이 과정을 거친 후 제품을 생산하면 gDNA 성분의 분해 정도가 양호하여 균주 유출의 위험성을 낮출 수 있다.
이렇게 gDNA 성분 분해 과정까지 거친 농축액은 혼합 탱크로 이송된다. 혼합 과정은 여러 가지 목적을 가지는데, 가장 중요한 목적은 생성된 과립 제품의 라이신 함량을 원하는 수준으로 조절하는 역할이다. 혼합 과정에서는 농축액에 함량조절 물질이 혼합되는데, 이 때 투입하는 함량조절 물질은 농축액의 함량에 따라 함량조절제일 수도 있고 자유(free) 라이신일 수도 있다. 자유라이신 및 함량조절제는 종래 알려진 것들이 사용가능하다. 상기 종래기술에서 기재한 문헌들에도 이들에 관한 기재가 있으며 상기 문헌을 본 발명의 명세서에 참고로 한다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 함량조절제로서 옥수수전분, 녹말, 카라기난 및 한천으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질이 바람직하다.
농축액 함량이 규격 함량을 초과할 경우에는 함량조절제를 투입하여 라이신 함량을 낮추는 역할을 하고, 반대로 함량에 미달할 경우에는 라이신 분말을 투입하여 라이신 함량을 높이는 역할을 하도록 한다. 대부분의 기존 특허에서는 과립 라이신 생산 시 함량을 조절하는 공정이 포함되어 있지 않으며 그로 인해 과립 제품의 함량 편차가 커지게 된다. 함량 조절 과정을 거치지 않을 경우에는 함량 편차가 있는 발효액의 물성에 따라 제품 함량도 변화가 심해지기 때문에 일정한 함량을 갖는 제품을 생산하는 것이 매우 어렵게 된다. 본 발명의 방법에 의해 제품 함량을 조절할 경우 1% 내의 오차로 최종 제품 함량을 맞출 수가 있다.
이와 같은 혼합 과정을 거친 혼합액은 과립화 공정에 투입된다. 과립화 공정은 작업 조건에 따라 과립 제품의 입도 분포, 겉보기 밀도, 함량이 달라지기 때문에 과립 라이신 제조에서 가장 중요하고 기술이 집약된 공정이다. 과립화 공정에는 기존에 공지된 여러 가지 방법이나 장치가 사용가능하다. 상기 US5,990,350, US6,017,555 등에도 이러한 장치나 방법이 기재되어 있다. 다만, 과립의 형상이 중앙의 시드(seed)에 발효 농축액이 겹겹이 코팅되어 입자가 성장된, 단면 구조가 양파(onion) 구조가 되도록 조절하고, 과립기내에 브레이드 내지 분쇄기를 설치하 지 않고 외부에 별도의 밀러를 장치하여 별도 장치를 함으로서 본 발명을 이룰 수 있다. 왜냐하면, 과립기내에 기계적인 장치인 브레이드를 설치하게 되면 물리적인 힘에 의해 입도가 조밀한 입자가 생성하지 못해 단면 구조가 양파구조의 형성이 어려움이 있다.
이와 같이 양파모양으로 과립화하기 위하여, 과립화 공정에선 우선 과립기에 200~500㎛인 과립 제품이 시드(Seed)로서 투입된다. 그 후 과립기 하부에서 노즐을 통해 과립기 내로 상기 농축공정에서 얻은 농축액을 분사한다. 분사된 농축액은 노즐의 분사압에 의해 상승하다가 과립기 내의 시드에 코팅된다. 코팅된 시드는 중력에 의해 상승을 멈추고 하강하며, 어느 정도 하강한 이후에는 노즐에서 분사되어 상승하는 액과 과립기 하부에서 가해지는 열풍에 의해 다시 상승을 시작한다. 이렇게 과립기 내에서 물질이 상승과 하강을 반복하는 과정에서 생성되는 층을 유동층(fluidized bed)이라고 하는데, 도 2에 도시된 바와 같이 이 유동층 내에서 분사액이 시드에 여러 겹으로 양파(onion) 모양으로 지속적으로 코팅되면서 과립 입자가 생성되고 사이즈가 커지게 된다. 과립기 내로 분사된 농축액은 과립기 내의 고온 환경 및 하부에서 분사되는 열풍에 의해 건조되어 고화되고, 연속적으로 분사되는 농축액과 계속 충돌하여 다시 건조되는 과정을 반복하면서 양파모양의 과립을 형성한다.
이에 반하여, 종래기술(US5,622,710)에 따른 과립은 도 3에 도시된 바와 같이, 100㎛ 이하의 미세과립을 만든 후에 발효액을 결합제(binder)로 사용하여 기계적인 힘인 브레이드를 이용하는 산딸기 형태의 펠릿을 만드는 2단계로 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 200~500㎛의 크기의 시드 미세과립에 발효 농축액을 코팅 건조하여 과립입자를 성장시키므로 그 기작이 전혀 상이하다.
이와 같이 그 과립의 성장 방법과 기작이 상이하기 때문에 실제 제조된 과립의 형상도 차이가 난다. 도 4 및 5는 각각 본 발명의 방법에 의하여 제조된 과립 및 종래기술(US5,622,710)의 방법에 따른 과립의 입자 외관 형상과 단면 형상을 전자 현미경으로 확대(2000배)하여 촬영한 사진을 나타낸다. 본 발명의 방법에 의하여 제조된 과립은 하기 실시예에 의하여 제조된 것이고, 종래기술(US5,622,710)의 방법에 따른 과립은 US5,622,710의 특허권자인 데구사 아게가 시판하고 있는 BIOLYSTM 제품이다.
도면에서 도시된 바와 같이 육안으로 관찰한 외관은 비슷하지만, 그 단면을 전자현미경으로 확대하여 보면 본 발명에 따른 과립은 내외부가 매끄러운데 반하여, 종래기술에 따른 과립은 알갱이가 뭉쳐있는 것으로 관찰된다.
상기 과립화에 의하여 어느 정도 사이즈가 커진 과립은 열풍에 의해서도 상승을 하지 못할 정도의 무게가 되고, 그렇게 사이즈가 커진 과립은 바닥에 가라앉아 쌓이게 된다. 경우에 따라서는 미세 입자 및 분사액이 너무 높이 상승하는 경우가 발생하는데 이러한 현상으로 인해 발생하는 손실(loss)를 막기 위해 과립기 상단에 백 필터(bag filter)가 설치되어 있으며 주기적으로 백 필터에 붙은 미세 입자를 털어주기 위한 털기(shaking)을 한다.
과립화 공정 시, 과립기 작업 조건은 히터 온도 170℃, 입구(in let) 온도 140~160℃, 출구(out let) 온도 60~70℃, 스프레이 압력 1.8~2.0 bar가 적당하다.
과립화 공정을 거친 제품은 냉각 단계를 거쳐 흡습성을 최소화한다.
과립화 공정을 거치고 냉각까지 끝마친 제품은 다양한 입도 분포를 가지게 된다. 어떤 과립 입자는 그 크기가 너무 커 제품화를 할 수 없는 경우가 있고 어떤 경우에는 반대로 입자가 너무 미분이라서 제품화를 할 수 없는 경우도 있다. 따라서 과립 제품의 생산 이후에는 제품 크기 규격에 따라 과립을 분류하는 공정이 필요하다. 이 공정이 사별 공정(sieving process)이며 이 공정을 거치면서 규격에 맞는 크기 제품과 규격에 맞지 않는 제품으로 분류되게 된다. 제품 규격에 맞는 크기의 과립은 다음 공정으로 넘어가게 되며, 규격에 맞지 않는 제품은 밀러를 이용하여 분쇄 과정을 거친 후 공정으로 리사이클 되어 시드로 사용된다.
본 발명에서는 과립화에 의하여 얻어지는 과립 중 1,300 ㎛를 초과하는 과립은 분쇄하여 과립기로 되돌려 보내고, 500 ㎛ 보다 작은 과립은 그대로 과립기로 되돌려 보내어, 과립화를 위한 시드로 사용하여 추가의 과립화를 거치도록 한다.
과립화 제품은 일반적으로 겉보기 밀도가 낮다. 겉보기 밀도가 낮을 경우 제품의 취급성이 떨어지는 단점이 있다. 본 발명에 따른 방법에서는 시드에 농축액을 코팅하여 양파구조의 과립제품을 생산함으로써 겉보기 밀도를 670±50kg/㎥ 까지 획기적으로 높였다.
본 발명에 의하여 최종 생산된 제품은 다음과 같은 성분 조성을 가진다.
함량
|
Lys·HCl 65 중량% 이상 |
입자 size
|
500㎛이하 0 내지 5%, 500㎛ 초과 1000㎛이하 20-30%, 1000㎛ 초과 1300㎛이하 60-70% 1300㎛ 초과 5%이하(wt.대비) |
겉보기 밀도
|
670±50kg/㎥ |
단백질
|
10~15 중량% |
총당
|
1 중량% 이하 |
무기물
|
3 중량% 이하 |
수분
|
3 중량% 이하 |
카르복시산(C 8개 이하)
|
8 중량% 이하 |
(실시예 1)발효액으로부터 직접 과립 형성
본 실시예에서는 코리네박테리움 글루타미쿰 CJM107 (KCCM-10227)을 공정수 1리터 기준으로 원당 50 g, 펩톤 10g, 효모추출물 10g, 요소 5g, KH2PO4 4g, K2HPO4 8g, MgSO4ㆍ7H2O 0.5g, 바이오틴 100㎍, 티아민 HCl 1,000㎍을 포함하는 배지 18 리터에서 , 배양온도 35 ℃, 배지 pH 6~8 범위에서 배양시간 98 시간 동안 배양하여 라이신 발효를 수행하였다. 발효액 중의 라이신 함량은 18%이었다.
발효액여과액을 감압농축 방식으로 총 고형분 55.2wt%까지 농축한 후, pH를 3.5~3.6으로 조절하였다. pH 조절은 황산을 이용하여 행하는데 pH 조절 후에는 농축액을 60℃에서 2.5시간 방치하였다.
gDNA 분해과정까지 거친 농축액은 과립기(GR Engineering, Fluid Bed Spray Dryer Batch type Pilot) 하부 노즐을 통해 바닥 스프레이(bottom spray) 방식으로 과립기 내에 투입하였다. 이때 과립기 운전 조건은 히터 온도 170℃, 입구 온도 140~160℃, 출구 온도 60~70℃, 스프레이 압력 1.8~2.0 bar으로 하였다. 사용하는 시드는 Spray Dry 방법으로 제조하였고 그 크기는 300㎛로 하였다. 과립기 내로 투입된 농축액은 열풍에 의해 건조되어 고화되고 유동층 내를 유동하면서 새로 투 입된 농축액에 의하여 크기가 커지게 된다. 과립 입자가 원하는 크기만큼 커지면 과립기 운전을 중지하고 제품을 회수하여 함량을 비롯한 제품 성분을 분석하였다.
본 실시예에 의해 얻어진 과립은 라이신 함량 68%, 단백질 함량 15%, 수분 함량은 0.02%, 겉보기 밀도가 665.1kg/㎥, 무기물 함량 1.6%, 입자크기는 0 내지 500㎛이하는 4%이고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 25.6%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 67.4%이며 1300㎛ 초과는 3%이었다.
(실시예 2)발효액에 자유 라이신 첨가하여 함량 조절
실시예 1과 동일한 조건에서 발효 과정을 거쳐 생산된 발효액(라이신 함량 14.5%)을 총 고형분 51.5wt%까지 농축하였다. 여기에, 자유 라이신 8g(CJ(주)제품)을 혼합탱크에 첨가하고 혼합한 후, 실시예 1과 동일한 조건으로 과립화하였다.
최종적으로 얻어진 제품은 함량이 68%, 단백질 함량 14%, 수분 0.13%, 겉보기 밀도가 665.5kg/㎥, 무기물 함량 2.50%, 입자의 크기는 0 내지 500㎛이하는 3%고, 500㎛ 초과 1000㎛이하는 28%이며, 1000㎛~1300㎛이하는 67%이며 1300㎛ 초과는 2%이었다.
(실시예 3)발효액에 함량조절제 첨가하여 함량 조절
실시예 1과 동일한 조건에서 발효 과정을 거쳐 생산된 발효액은 라이신 함량 20%, 총 고형분(total solid) 25.8%의 발효액을 사용하였다.
상기 발효액을 농축 한 후 농축액에 함량조절제로서 옥수수 전분 0.22kg을 물 0.5.L에 녹인 수분 함량이 9.0%인 부형제을 혼합탱크에 첨가하고 혼합하였다.
발효액여과액을 감압농축 방식으로 총 고형분 50.5wt%까지 농축한 후, 실시예 1과 동일한 조건으로 과립화하였다.
본 실시예에서 최종적으로 얻어진 제품은 라이신 함량 66%, 단백질 함량 14% , 수분 0.24%, 겉보기 밀도 682.5kg/㎥, 무기물 함량 1.88%, 입자의 크기는 0 내지 500㎛이하는 4%이고, 500 초과 1000㎛이하는 29%이며, 1000㎛ 초과 1300㎛이하는 63%이고 1300㎛ 초과는 4%이었다.
(실시예 4)본 발명과 비교해 기존 제조공정 제품들과의 흡습성 비교실험
각각 A, B, 및 C 시료인 과립 10g을 실험용 접시(50ml)에 항온 항습기(EYELA™) 내에 25℃에서 항습 상대습도 75%하에서 7시간 방치후 무게 증가량에 따른 흡습성 비교실험을 수행하였다.
|
A |
B |
C |
비고 |
수분증가율 |
11% |
9.4% |
9.3% |
|
A: 바이오매스를 제거하기 위한 막필터후 여과액 직접과립
B: 발효액 과립
(바이오매스를 제거하지 않고, 흡습방지제 첨가하지 않는 과립: 본 발명)
C: 바이오매스를 제거하기 위한 막필터후 여과액 과립후 흡습방지제(실리카)를 첨가하여 코팅
본 비교실험을 통해 A는 바이오매스를 제거하기 위해 막필터후 여과액과립의 흡습성이 제일 높았으며, 본 발명(B)과 바이오매스를 제거후 흡습방지제(실리카)를 코팅한 과립의 흡습성과 동일 유사하여 제조공정을 줄임에도 불구하고 흡습성 개선이 동일하거나 우수함을 보였다. 따라서, 본 발명은 흡습방지제를 첨가하는 공정없이도 흡습을 방지하는 장점이 있으며, 더불어 라이신 함량을 높이는 이점도 있다.