KR20180121040A - 디올의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리 및 정제 공정을 포함하는 디올의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 디올을 포함하는 발효 배양액을 생성하는 단계; 상기 발효 배양액의 불순물을 제거하여 전처리액을 생성하는 단계; 및 상기 전처리액을 정제하여 디올을 획득하는 단계를 포함하는, 디올 제조 방법을 제공한다.

Description

디올의 제조 방법{METHOD OF PREPARAING DIOL}

본 발명은 디올의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 분리 및 정제 공정을 포함하는 디올의 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들면, 2,3-부탄디올(2,3-butanediol)과 같은 디올류는 연료 첨가제, 부동액, 가소제 등의 공업적 제제, 또는 화장품, 의약 성분과 같은 가정용 제제로서 활용되고 있다. 상기 디올류는 예를 들면, C-4 올레핀을 사용한 연속적 화학 촉매 공정을 통해 공업적으로 생산 가능하나, 고비용의 제조 공정, 환경 오염 유발, 이성질체 분리 곤란성 등의 문제로 그 용도가 제한되어왔다.

2,3-부탄디올의 생산 공정 중 최근 들어 저비용, 친환경적인 2,3-부탄디올을 바이오 베이스로 생산하는 공정의 개발, 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 2,3-부탄디올의 상업적 활용도가 확장될 수 있는 가능성이 증대되고 있다. 예를 들면, 바이오 기반 공정에 의해 원하는 특정 구조의 2,3-부탄디올을 선택적으로 생산할 수 있으며, 이에 따라 그 용도도 특화되어 개발될 수 있다.

그러나, 2,3-부탄디올과 같은 타겟 디올을 생산하는 공정 중, 다른 디올 부산물(예를 들면, 프로판 디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올 등) 들이 함께 생산될 수 있으며, 타겟 디올의 수율을 높이기 위한 분리, 정제 공정 개발이 필요하다.

또한, 디올 부산물 뿐만 아니라 각종 유기염, 무기염, 유기산 등과 같은 불순물, 바이오 원료로부터 유래된 미생물, 단백질 등과 같은 바이오 부산물들이 함께 생성될 수 있으며, 상기 불순물, 바이오 부산물을 제거하는 공정들이 함께 수행될 필요가 있다.

예를 들면, 한국등록특허공보 제1575717호는 감압증류를 포함한 2,3-부탄디올의 정제방법의 예시를 개시하고 있다.

한국등록특허공보 제10-1575717호(2015.12.02)

본 발명의 일 과제는 우수한 수율 및 순도로 타겟 디올을 생산할 수 있는 디올의 제조 방법을 제공하는 것이다.

1. 디올을 포함하는 발효 배양액을 생성하는 단계; 상기 발효 배양액을 전기투석 및 이온교환의 연속처리를 통한 불순물이 제거된 전처리액을 생성하는 단계; 및 상기 전처리액을 정제하여 디올을 획득하는 단계를 포함하는, 디올 제조 방법.

2. 위 1에 있어서, 상기 전기투석 및 이온교환에 의해 상기 발효 배양액에 포함된 무기염 및 유기산을 제거하는, 디올 제조 방법.

3. 위 1에 있어서, 상기 이온 교환은 상기 발효 배양액을 양이온 교환 수지 칼럼 및 음이온 교환 수지 칼럼을 순차적으로 통과시키는 것을 포함하는, 디올 제조 방법.

4. 위 1에 있어서, 상기 전기투석 및 이온교환 처리 전에 상기 발효 배양액을 여과하는 단계를 더 포함하는, 디올 제조 방법.

5. 위 4에 있어서, 상기 여과는 미세여과(micro-filtration) 및 한외여과(ultra-filtration)의 연속 처리를 포함하는, 디올 제조 방법.

6. 위 5에 있어서, 상기 미세여과는 0.05 내지 10㎛의 기공 크기를 갖는 고분자 혹은 세라믹 멤브레인을 사용하는, 디올 제조 방법.

7. 위 5에 있어서, 상기 한외여과는 분획 분자량(Molecular Weight Cut Off: MWCO) 1,000 내지 100,000 범위의 기공크기를 갖는 유기 고분자 멤브레인 또는 유기 중공사 적층체를 사용하는, 디올 제조 방법.

8. 위 5에 있어서, 상기 미세여과를 통해 상기 발효 배양액에 포함된 미생물 유래의 세포 및 고형분들이 제거되고, 상기 한외여과에 의해 단백질이 제거되는, 디올 제조 방법.

9. 위 5에 있어서, 상기 미세여과 및 한외여과의 연속 처리 후에 바로 상기 전기투석 및 이온교환 연속처리가 수행되는, 디올 제조 방법.

10. 위 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전처리액을 농축하여 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는, 디올 제조 방법.

11. 위 10에 있어서, 상기 농축은 감압 증발을 포함하며, 상기 전처리액에 포함된 수분의 90 내지 95%가 제거되는, 디올 제조 방법.

12. 위 1에 있어서, 상기 전처리액을 정제하는 단계는 감압증류를 포함하는, 디올 제조 방법.

13. 위 12에 있어서, 상기 감압증류는 제1 감압증류 및 제2 감압증류를 포함하며, 상기 제2 감압증류는 상기 제1 감압증류보다 높은 온도로 수행되는, 디올 제조 방법.

14. 위 1에 있어서, 상기 디올은 2,3-부탄디올인, 디올 제조 방법.

15. 위 1에 있어서, 상기 발효 배양액을 생성하는 단계는,

바이오 원료 물질을 사용하여 당화액을 제조하는 단계; 및 상기 당화액에 균주를 사용하여 발효액을 생성하는 단계를 포함하는, 디올 제조 방법.

16. 위 15에 있어서, 상기 바이오 원료 물질은 카사바(cassava)를 포함하며, 상기 균주는 클렙시엘라(Klebsiella)를 포함하는, 디올 제조 방법.

본 발명의 실시예들에 따르면, 예를 들면 감압증류를 통한 타겟 디올 정제전, 전기투석 및 이온교환을 포함하는 전처리를 수행하여 발효 배양액 내에 존재하는 무기염, 유기산 등의 성분들을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 정제 공정에서의 타겟 디올의 순도를 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 전기투석 및 이온교환을 포함하는 상기 전처리 전에, 미세여과 및 한외여과의 연속 처리를 더 수행할 수 있다. 따라서, 무기염, 유기산 제거 전에 미생물 유래의 세포, 고형분, 단백질 등을 포함하는 바이오 부산물이 미리 제거되어 전처리 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 발효 배양액은 2,3-부탄디올에 특이성을 갖는 특정 원료물질 및 균주를 사용할 수 있으며, 발효 배양액 단계에서 다른 디올 또는 알코올의 생성을 낮추어 감압 증류 공정에서의 2,3-부탄디올의 회수율을 현저히 상승시킬 수 있다.

또한, 상술한 분리, 정제 공정과 추출공정 및/또는 탈색, 탈취 공정과 결합하여 타겟 디올의 순도를 추가적으로 상승시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적 일 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 제시하나, 이들 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 예시적일 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 상기 디올 제조 방법은 디올 혼합물을 함유하는 발효 배양액을 제조하고(S10), 불순물을 제거하고(S20), 농축을 통해 디올 농도를 증가시키고(S30), 정제 공정을 통해 타겟 디올을 수득하고(S30), 선택적으로 탈색 또는 탈취 공정(S40)을 더 수행할 수 있다.

발효 배양액 제조(S10)

상기 발효 배양액은 바이오 원료 물질을 균주를 이용해 발효시킴으로써 수득될 수 있다. 상기 바이오 원료 물질은 곡류(kernel), 목질계 및/또는 전분계 물질을 사용할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 바이오 원료 물질로서 전분계 물질을 사용할 수 있으며, 상기 전분계 물질의 예로서 옥수수, 호밀 등과 같은 전분 함유 곡류, 카사바(cassava), Raw-sugar, 글루코오스(glucose) 등을 사용할 수 있다.

상기 균주로서 디올 함유 발효산물 생산능력을 갖는 미생물을 특별한 제한 없이 활용할 수 있다. 예를 들면, 상기 미생물로서 클렙시엘라(Klebsiella), 바실러스(Bacillus), 세라티아(Serratia), 엔테로벡터 (Enterobacter), 클로스트리디움(Clostridium), 효모, 대장균(E.coli) 등이 활용될 수 있다.

원하는 타겟 디올을 고려하여 상기 바이오 원료 물질 및 균주를 선택할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 타겟 디올은 2,3-부탄디올일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 타겟 디올은 2,3-부탄디올의 광학 이성질체 중 2R,3S-부탄디올을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 2,3-부탄디올 생성을 위해 상기 바이오 원료 물질로서 카사바, 상기 균주로서 클렙시엘라를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 균주로서 클렙시엘라 옥시토카(K. oxytoca), 클렙시엘라 뉴모니아(K. pneumoniae) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 클렙시엘라 옥시토카(K. oxytoca)를 사용할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 발효 배양액 제조는 서로 분리된 당화 공정 및 발효 공정을 포함할 수 있다. 상기 당화 공정은 액상에서 수행될 수 있으며, 예를 들면 상기 바이오 원료 물질을 분쇄한 후, 담수와 같은 액체 내에 혼합하고, 당화 효소를 투입하여 상기 바이오 원료 물질과 반응시켜 당화액을 제조할 수 있다. 상기 당화 효소는 예를 들면 아밀라제 계열 효소를 포함할 수 있다.

이후, 상기 당화액에 상기 균주를 투입하여 발효 배양액을 제조할 수 있다. 상기 발효 배양액은 예를 들면, 타겟 디올인 2,3-부탄디올 뿐만 아니라, 모노알콜, 다른 글리콜류(예를 들면, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,2-프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜 등)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 발효 배양액은 각종 무기염, 유기산, 및 상기 균주 또는 이의 대사산물로부터 유래된 바이오 부산물과 같은 불순물을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 당화 공정 및 발효 공정을 분리 수행함으로써, 바이오 부산물의 생성을, 예를 들면 동시 당화/발효에 비해 상대적으로 감소시키고 디올 생산 수율을 상승시킬 수 있다.

불순물 제거(S20)

바이오 합성된 디올을 포함하는 상기 발효 배양액에 대해 전처리 공정으로서 불순물 제거 공정을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 발효 배양액에 함유된 상술한 불순물이 제거될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 불순물 제거 공정은 전기투석 및 이온교환 처리(S25)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이 전기투석 및 이온교환 처리(S25) 전에 여과 공정(S23)을 더 수행할 수도 있다.

여과 공정(S23)

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 여과 공정은 미세여과(microfiltration) 및 한외여과(utrafiltration)을 포함할 수 있다. 상기 발효 배양액을 미세여과막 및 한외여과막에 순차, 연속적으로 통과시켜 상기 바이오 부산물을 제거할 수 있다.

예를 들면, 상기 미세여과를 통해 균주로부터 생성된 미생물 세포들 및 미생물의 고형물질(부유 고형물질 또는 용해 고형물질)이 제거될 수 있다. 상기 미세여과는 필터 모듈내에 장착된 예를 들면 약 0.05 내지 10㎛의 기공 크기를 갖는 고분자 혹은 세라믹 멤브레인에 상기 발효 배양액을 통과시켜 수행될 수 있다. 상기 발효 배양액은 순환 유로를 통해 반복하여 미세여과 처리될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 미세여과 멤브레인의 기공 크기는 약 0.05 내지 0.2㎛일 수 있다.

미세여과를 통해 발효 배양액 내의 미생물 세포들 및 고형물질을 제거한 후, 한외여과를 통해 단백질을 제거할 수 있다.

상기 한외여과는 필터 모듈 내에 장착된 예를 들면 분획 분자량(Molecular Weight Cut Off: MWCO) 1,000 내지 100,000 범위의 기공크기를 갖는 유기 고분자 멤브레인 또는 유기 중공사 적층체에 상기 발효 배양액을 통과시켜 수행될 수 있다.

상술한 바와 같이, 미세여과 및 한외여과의 연속처리에 의해 균주 미생물 유래의 세포, 고형분을 먼저 제거한 후, 단백질을 제거할 수 있다. 따라서, 전기투석 및 이온교환 처리를 수행하기 전에 바이오 부산물을 먼저 제거함으로써, 상기 바이오 부산물에 의한 파울링(fouling)을 차단하여 후속 불순물 제거 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 예를 들면 나노 여과 메커니즘의 채용 없이 미세여과/한외여과를 사용할 수 있으며, 이에 따라 바이오 부산물을 타겟으로 한 여과 공정의 특이성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 미세여과/한외여과 연속 처리 대신 나노 여과를 활용할 경우, 동시에 미생물 유래 세포, 고형분과 단백질이 함께 제거됨에 따라 여과 로드가 증가하여 원하는 디올류가 상기 바이오 부산물에 함께 응집 또는 흡착되어 제거될 수 있다. 따라서, 정제 공정 이후 획득되는 타겟 디올의 수율을 저하시킬 수 있다.

그러나, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 여과 타겟에 따라 특이적으로 설계된 미세여과 및 한외여과를 순차적으로 수행함에 따라, 상기 바이오 부산물만을 선택적으로 제거함으로써, 후속 무기염, 유기산 제거 공정 및 타겟 디올 정제 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.

전기투석 및 이온교환처리(S25)

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 전기투석(electrodialysis) 및 이온교환의 순차적 연속 처리를 통해 상기 미세여과 및 한외여과를 통해 수집된 여과액에 포함된 무기염 및 유기산이 제거되는 탈염 공정이 수행될 수 있다.

상기 전기투석은 양이온 교환막과 음이온 교환막을 포함하는 멤브레인 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 양극 및 음극 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 배치하여 전기투석 장치를 격실로 구분하고, 상기 양극 및 음극을 이용하여 직류 전류를 공급할 수 있다.

예를 들면, Na⁺, K⁺와 같은 1가 양이온, Ca^{2 +}, Mg^{2 +}와 같은 2가 양이온들은 음이온 교환막을 통과하지 못해 격실 내에 축적되고 금속 염과 같은 무기염이 제거된 여과액이 탈염된 상태로 희석되어 배출될 수 있다.

무기염이 제거된 상기 여과액은 이온교환 처리를 통해 예를 들면, 유기산이 제거될 수 있다.

전기투석 처리된 상기 여과액은 타겟 디올 및 기타 알코올류, 약한 염 또는 약한 이온 형태로 존재하는 유기산을 함유할 수 있다. 상기 이온 교환 처리에 의해 약한 염 또는 약한 이온 형태로 존재하는 유기산이 제거되어 실질적으로 타겟 디올 및 기타 알코올류가 우세하게 함유된 전처리액을 획득할 수 있다.

상기 이온 교환 처리에 사용되는 이온 교환체로는 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 겔 이온 교환체, 액상 이온 교환체, 제올라이트, 탄질 이온 교환체 등을 들 수 있으며, 본 발명의 실시예들에 있어서, 이온 교환 수지를 활용할 수 있다.

예를 들면, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 함께 활용하는 이온 교환 처리가 수행될 수 있다. 상기 양이온 교환 수지는 염산과 같은 약산성 용액으로 재생되어 H형으로 이용될 수 있다. 상기 음이온 교환 수지는 수산화나트륨과 같은 약알칼리성 용액으로 재생되어 OH형으로 이용될 수 있다.

이온 교환 수지에 의한 탈염방법은 배치(batch) 방식 또는 칼럼(column) 방식을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 반복 탈염을 위해 칼럼 방식이 채용될 수 있다. 예를 들면, 전기투석 처리된 상기 여과액을 양이온 교환 수지가 충진된 칼럼을 통과시킨 후, 음이온 교환 수지가 충진된 칼럼을 통과시킬 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전기투석 처리를 통해 무기염들이 제거되며, 상기 이온교환처리에 의해 유기산 및 잔여 무기염들이 함께 제거될 수 있다.

전기투석 및 이온교환의 연속, 순차 수행을 통해 여과 공정을 통해 바이오 부산물이 제거된 여과액의 탈염 공정의 효율성을 현저히 상승시킬 수 있으며, 후속 농축 및 정제 공정에서 타겟 디올 획득의 선택성, 수율이 향상될 수 있다.

상술한 바와 같이, 2,3-부탄디올에 특이적인 바이오 원료 물질(예를 들면, 카사바) 및 균주(예를 들면, 클렙시엘라 옥시토카(K. oxytoca))를 사용하는 경우, 일반 공업적 생산 공정 또는 다른 디올(예를 들면, 1,3-프로판디올) 생산을 위한 바이오 공정에 비해 다량의 유, 무기 불순물이 생성될 수 있다.

이에 따라, 이온 교환 만으로 상기 유, 무기 불순물을 제거하는 경우, 이온 교환 공정의 부하가 지나치게 증가하여 충분한 탈염 효율이 확보되지 않을 수 있다. 또한, 원하는 탈염 효율을 확보하기 위해 이온 교환 장비 내의 단 수(예를 들면, 칼럼 수)가 지나치게 증가하여 공정 효율이 저하되며, 정제 공정에서의 타겟 디올 수율이 악화될 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이온 교환 전에 전기 투석을 먼저 수행함으로써, 이온 교환의 부하를 감소시킬 수 있다. 따라서, 이온 교환에 필요한 단수를 예를 들면, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지의 2단 구성으로 설계하는 것이 가능할 수 있다. 그러므로, 이온 교환 단수 증가에 따른 타겟 디올 수율 저하를 방지하면서 원하는 탈염 효율을 확보할 수 있다.

농축(S30)

농축을 통해 전기투석 및 이온교환 처리 후의 전처리액의 물을 제거할 수 있다. 예를 들면, 감압 증발(Vacuum Evaporation) 공정을 통해 농축이 수행될 수 있다. 상기 농축 공정에 의한 물의 제거비율은 후속 타겟 디올의 정제 공정 및 후술하는 추출 공정의 효율성을 고려하여 설정될 수 있다. 물의 제거 비율이 지나치게 높은 경우 상기 추출 공정의 효율이 낮아질 수 있다. 또한 물의 제거 비율이 지나치게 낮은 경우 정제 공정의 효율이 저하되어 타겟 디올의 수율이 낮아질 수 있다.

예를 들면, 농축 공정을 통해 상기 전처리액에 함유된 물의 약 90 내지 95%가 제거될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 농축 공정을 통해 배양액 내 발효산물의 농도가 약 500 내지 900g/L가 되도록 조절될 수 있다.

타겟 디올 정제(S40)

농축 공정을 통해 발효산물을 포함하는 농축액이 수집되며, 정제 공정을 통해 상기 농축액으로부터 타겟 디올을 획득할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 정제 공정은 증류를 포함할 수 있다. 증류 공정은 예를 들면, 단증류, 상압 증류, 박막 증류, 감압 증류 방식 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 타겟 디올 정제를 위해 감압 증류 공정이 채용될 수 있다. 감압 증류에 의해 비점을 낮출 수 있으며, 이에 따라 증류 공정에서의 불순물 발생을 억제할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 정제 공정은 제1 감압 증류 및 제2 감압 증류를 포함할 수 있다.

제2 감압 증류는 제1 감압 증류보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 제1 감압 증류는 타겟 디올(예를 들면, 2,3-부탄디올)보다 비점이 낮은 불순물을 탑(top)으로 배출하도록 약 40 내지 70도(^oC)의 범위에서 수행될 수 있다. 타겟 디올을 포함하는 농축액에 대한 제2 감압 증류는 약 100 내지 130도(^oC)의 온도 범위에서 수행될 수 있다.

제2 감압 증류 온도가 약 100도 미만인 경우 회수율이 저하될 수 있다. 제2 감압 증류 온도가 약 130도를 초과하는 경우, 타겟 디올(예를 들면, 2,3-부탄디올) 또는 잔존하는 미량의 유기물들이 반응하여 부산물이 생성될 수 있다.

탈색 또는 탈취(S50)

본 발명의 실시예들에 있어서, 타겟 디올의 용도에 따라 선택적으로 탈색 또는 탈취 공정을 더 수행할 수 있다. 예를 들면, 2,3-부탄디올이 화장품 또는 화장료 조성물의 성분으로서 활용되는 경우, 탈색 또는 탈취 공정이 더 수행될 수 있다.

추출 공정(S32)

도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하는 개략적인 흐름도이다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 추출 공정이 더 수행되어 잔류하는 불순물이 추가적으로 제거될 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 추출 공정은 농축 공정들 사이에 수행될 수 있다. 예를 들면, 제1 농축 공정(S31)에 의해 물이 부분적으로 제거된 전처리액에 대해 추출 공정을 수행하고, 제2 농축 공정(S35)을 통해 상기 추출 공정에 사용된 추출 용매를 회수할 수 있다.

상기 추출 공정은 용매 추출(또는 용매 침전), 수상 이성분 추출, 상분리 추출 등을 포함할 수 있다. 상기 용매 추출은 예를 들면 추출 용매를 사용하여 불순물을 침전시키는 메커니즘을 포함할 수 있다. 상기 수상 이성분 추출은 예를 들면 무기염 첨가를 통해 불순물 상을 분리하여 제거하는 메커니즘을 포함할 수 있다. 상기 상분리 추출은 유기상 및 무기상 분리를 통해 타겟 디올의 수율을 상승시키는 메커니즘을 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 추출 공정에서의 추가 성분 첨가로 인한 잔류물 방지, 회수 공정의 용이성 등을 고려하여 용매 추출 공정을 활용할 수 있다.

예를 들면, 제1 농축 공정을 통한 상기 전처리액에 추출 용매로서 저가 알코올 용매를 첨가할 수 있다. 상기 추출 용매에 의해 예를 들면, 불순물 제거 공정(S20)에 의해 제거되지 않은 무기염, 유기산 염이 고체 형태로 침전물을 형성할 수 있다.

상기 추출 용매로서 2,3-부탄디올과 같은 타겟 디올과의 분리를 위해 탄소수 3 이하의 저가 알코올을 사용할 수 있다. 예를 들면, 메탄올, 에탄올 및/또는 이소프로판올을 상기 추출 용매로서 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이소프로판올을 사용할 수 있다.

추출 공정이 수행된 상기 전처리액을 여과하여 상기 침전물을 제거할 수 있다. 이후, 제2 농축 공정(S35)을 통해 상기 추출 용매를 회수할 수 있다. 회수된 상기 추출 용매는 다시 추출 공정에 투입되도록 리사이클될 수도 있다.

추가 회수 공정

도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 디올 제조 방법을 설명하는 개략적인 흐름도이다. 예를 들면, 타겟 디올 정제 후 생성된 잔류물을 통해 추가 회수 공정이 더 수행될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 잔류물을 용매 세척하고(S45) 세척된 잔류물을 예를 들면, 추출 공정(S32) 또는 제2 농축 공정(S35)으로 리사이클하여 타겟 디올 정제를 반복시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 용매 세척은 상술한 추출 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 메커니즘에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 이소프로판올을 포함하는 용매로 상기 잔류물을 세척하고 침전물을 여과를 통해 제거한 후, 세척된 잔류물을 리사이클 시킬 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 세척된 잔류물은 추출 공정(S32)으로 회수되어 상술한 용매 추출 공정이 다시 수행될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 세척된 잔류물은 제2 농축 공정(S35)으로 회수되어 감압 증류에 의해 용매가 제거되고, 이후 정제 공정(S40)에 의해 타겟 디올이 재수집될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 세척된 잔류물을 바로 타겟 디올 정제 공정(S40)으로 투입할 수도 있다.

일부 실시예들에 있어서, 탈색/탈취(S50) 이후 예를 들면, 슬러지 또는 케이크 형태로 생성되는 잔류물을 추가 회수 시킬 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 탈색/탈취 잔류물을 용매 세척(S45) 한 후, 생성물을 추출, 농축 및/또는 정제 공정으로 리사이클할 수 있다.

이하에서는, 구체적인 실험예들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 디올 제조 방법의 공정들에 대해 상세히 설명한다. 실험예에 포함된 실시예 및 비교예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실험예

1) 발효 배양액 제조

원료 물질로 카사바를 분쇄한 후 당화시켜 탄소원으로 사용하고 K. oxytoca GSC112 LK 균주를 사용하여 타겟 디올로서 2,3-부탄다이올을 포함하는 발효 배양액을 제조하였다. 구체적으로, -70℃에서 15% 글리세롤 용액에 보관된 상태의 K. oxytoca GSC112(KCTC 11888BP) LK 균주 1 mL을 당화된 원료물질 10 g/L을 함유한 20 mL 복합배지에 접종하여 37℃, 150 rpm에서 8 시간 동안 배양한 후, 상기의 배양액 3.0 mL을 10 g/L 당화된 원료물질을 함유한 300 mL 복합배지에 각각 옮겨 37℃, 150 rpm에서 8 시간 동안 다시 배양하였다. LK는 균주의 젖산(Lactic acid) 생성에 관여하는 lactate dehydrogenase 효소를 코딩하는 ldhA 유전자를 제거한 균주를 의미한다. 상기에 의해 배양된 300 mL 배양액을 원료물질 10 g/L을 함유한 2.7 L의 복합배지가 포함된 생물 반응기에 접종하여 발효를 수행하였으며, 배양조건은 당화 원료물질 300 mM, 배양온도 37℃, 교반속도 150 rpm으로 하였다.

배양 중 세포농도는 미리 측정한 흡광도(OD600)와 건조세포의 중량 검증선을 이용하여 분광광도계를 이용하여 추정하였다. 배양 중 대사산물로 생산되는 숙신산을 비롯한 각종 유기산과 기타 알코올의 농도는 생물 반응기로부터 주기적으로 샘플을 채취하여 13,000 rpm, 4℃에서 10분 동안 원심분리한 후, 이의 상등액을 액체크로마토그래피(HPLC)로 분석하였다.

그 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이, 최종산물로서 약 120 g/L의 2,3-부탄다이올이 타겟 디올로서 함유된 발효 배양액을 수득하였다.

구분	2,3-부탄디올	포름산	에탄올	젖산	숙신산	아세트산	아세토인
함량 (g/L)	120.1	3.88	0.92	0.17	0.21	4.56	3.98

2) 여과 공정

2-1) 미세여과(micro-filtration)

상기 발효 배양액을 먼저 0.05㎛ 기공 크기의 미세여과막에 2 ~ 3bar의 시스템 압력하에 30 ~ 40 ^oC에서 25 L/m²/h 유속으로 통과시켰다.

2-2) 한외여과(ultra-filtration)

미세여과 후의 배양액을 연속적으로 MWCO 10,000 중공사 형태의 한외여과막에 통과시켰다. 시스템 온도 및 압력은 각각 30 ~ 40^oC 및 5 ~ 6 bar로 유지하였다. 배양액의 통과 유속은 20 L/m²/h 으로 유지하였다.

상기 미세여과 후에 발효 배양액에 포함된 세포 및 고형물 총량 중 약 99% 이상 제거되었으며, 상기 한외여과 후에 발효액 중 단백질의 약 70%가 제거되었다. 단백질 제거량은 Bradford assay 단백질 정량법을 사용하였다.

3) 전기투석(electrodialysis) 및 이온교환 처리

상술한 미세여과 및 한외여과를 거친 발효 배양액을 양이온 교환 수지 멤브레인 및 음이온 교환 수지 멤브레인이 내장되어 3개의 격실을 포함하는 전기투석 장치내로 투입하였다. 양극 및 음극에는 180V의 직류전원을 인가하였으며, 격실 내 유속은 60~80 LPM(L/min)으로 유지하였다.

전기투석 후의 배양액을 연속적으로 이온 교환 처리하였다. 구체적으로, 약염기성 음이온 교환수지 및 강산성 양이온 교환수지를 컬럼에 충진하고, 전기투석 처리된 배양액을 상온에서 5 LPM으로 펌프를 통해 양이온수지, 음이온수지의 순으로 통과시켰다. 전기투석 및 이온교환 처리(전처리)가 종료된 전처리액에 대해 HPLC 및 IC를 이용하여 성분을 분석하였으며, 이는 하기의 표 2에 기재된 바와 같다.

구분	유기산	2가 양이온	1가 양이온	황산염	인산염	염화물	암모니아
전처리전 (ppm)	2,498	62	3,313	66	4,355	31	1,300
전처리후 (ppm)	130	5	51	8	17	2	51

표 2를 참조하면, 전기투석 및 이온 교환의 연속 처리에 의해 유기산의 약 95% 이상이 제거되었으며, 이온/염들 역시 약 90 내지 99% 이상이 제거되었다.

한편, 전기투석을 생략한 것 외에 동일한 조건으로 이온 교환을 처리한 경우 최종 이온 성분의 농도는 유사한 수준에 도달하였으나, 같은 양의 수지를 사용할 경우 발효액 처리량이 50% 이하로 줄어들었다. 따라서, 이 경우 조업 배치 증가에 따른 재생폐수 증가 및 동일한 회수율을 얻기 위한 2,3-부탄디올의 희석배수가 증가되어야 한다.

4) 농축

전기투석 및 이온 교환 처리 후의 전처리액을 50 ^oC, 50mbar 조건하에서 감압증발을 통해 물의 90%를 제거한 농도 50wt % 이상의 디올 농축액을 제조하였다.

5) 타겟 디올 정제

상기 농축액은 50 mbar 압력과 40^oC 조건하의 제1 감압증류를 통해, 2,3-부탄디올보다 낮은 비점을 갖는 불순물을 배출하고, 이어서, 50 mbar 압력과 105^oC 조건하에서 제2 감압증류를 통해 2,3-부탄디올을 회수하였다.

상기 정제 결과, 발효 배양액 대비 약 85%의 회수율로 99.5%의 순도를 갖는 2,3-부탄디올을 획득하였다.

Claims (16)

1. 디올을 포함하는 발효 배양액을 생성하는 단계;
   상기 발효 배양액을 전기투석 및 이온교환을 연속 처리하여 불순물을 제거하여 전처리액을 생성하는 단계; 및
   상기 전처리액을 정제하여 디올을 획득하는 단계를 포함하는, 디올 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전기투석 및 이온교환에 의해 상기 발효 배양액에 포함된 무기염 및 유기산을 제거하는, 디올 제조 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 교환은 상기 발효 배양액을 양이온 교환 수지 칼럼 및 음이온 교환 수지 칼럼을 순차적으로 통과시키는 것을 포함하는, 디올 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 전기투석 및 이온교환 처리 전에 상기 발효 배양액을 여과하는 단계를 더 포함하는, 디올 제조 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 여과는 미세여과(micro-filtration) 및 한외여과(ultra-filtration)의 연속 처리를 포함하는, 디올 제조 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 미세여과는 0.05 내지 10㎛의 기공 크기를 갖는 고분자 혹은 세라믹 멤브레인을 사용하는, 디올 제조 방법.
   
7. 청구항 5에 있어서, 상기 한외여과는 MWCO 1,000 내지 100,000 범위의 기공크기를 갖는 유기 고분자 멤브레인 또는 유기 중공사 적층체를 사용하는, 디올 제조 방법.
   
8. 청구항 5에 있어서, 상기 미세여과를 통해 상기 발효 배양액에 포함된 미생물 유래의 세포 및 고형분들이 제거되고, 상기 한외여과에 의해 단백질이 제거되는, 디올 제조 방법.
   
9. 청구항 5에 있어서, 상기 미세여과 및 한외여과의 연속 처리 후에 바로 상기 전기투석 및 이온교환 연속처리가 수행되는, 디올 제조 방법.
   
10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전처리액을 농축하여 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는, 디올 제조 방법.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 농축은 감압 증발을 포함하며, 상기 전처리액에 포함된 수분의 90 내지 95%가 제거되는, 디올 제조 방법.
    
12. 청구항 1에 있어서, 상기 전처리액을 정제하는 단계는 감압증류를 포함하는, 디올 제조 방법.
    
13. 청구항 12에 있어서, 상기 감압증류는 제1 감압증류 및 제2 감압증류를 포함하며,
    상기 제2 감압증류는 상기 제1 감압증류보다 높은 온도로 수행되는, 디올 제조 방법.
    
14. 청구항 1에 있어서, 상기 디올은 2,3-부탄디올인, 디올 제조 방법.
    
15. 청구항 1에 있어서, 상기 발효 배양액을 생성하는 단계는,
    바이오 원료 물질을 사용하여 당화액을 제조하는 단계; 및
    상기 당화액에 균주를 사용하여 발효액을 생성하는 단계를 포함하는, 디올 제조 방법.
    
16. 청구항 15에 있어서, 상기 바이오 원료 물질은 카사바(cassava)를 포함하며, 상기 균주는 클렙시엘라(Klebsiella)를 포함하는, 디올 제조 방법.

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