KR20190082316A - 발효 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발효 산물을 제조하는 발효 공정에 관한 것으로서, - 탄수화물을 물의 비등점 이상의 비등점을 갖는 생성물 또는 염의 발효 산물로 전환할 수 있는, 미생물을 갖는 탄수화물 공급원을 발효 반응기의 수성 발효 배지의 발효 조건 하에 발효시키는 단계; - 발효 과정 중 재순환 스트림의 형태로 발효 반응기로부터 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부를 인출하는 단계; - 상기 인출된 바이오매스를 포함하는 재순환 스트림을 압력 용기에 제공하며, 상기 압력 용기의 압력은 물의 증발을 이용하여 발효 반응기의 발효 배지 온도와 비교하여 1~8℃의 값으로 상기 재순환 스트림의 온도가 감소하도록 선택되는 단계; 및 - 냉각된 재순환 스트림을 발효 반응기로 재순환시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 발효 산물을 제조하는 방법은 반응기 내에서 고온 또는 냉각 반점의 발생을 제한하여 발효 배지의 균일한 온도 프로파일을 얻는 것이 가능하고, 이로 인하여 발효 성능이 개선되는 효과를 나타낸다.

Description

발효 공정

본 발명은 발효 조건하에서 탄수화물 공급원을 미생물로 발효시키는 것을 포함하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정에 관한 것이다.

탄수화물을 발효 산물로 전환시킬 수 있는 미생물을 이용하여 발효 조건하에서 탄수화물 공급원을 발효시키는 발효 공정은 당업계에 공지되어 있으며, 다양한 발효 제품 제조에 적용된다.

산업 규모의 발효 공정 중에는 특히 대규모 반응기 용량, 상대적으로 높은 발효 온도 및 높은 바이오매스 및 발효 생성물의 농도가 문제 시 될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이는, 산업 규모의 발효 공정 중에는 반응 용기 내의 전체 부피의 온도를 일정하게 유지하는 것이 어렵기 때문인 것으로 알려졌다. 이것은 여러 가지 이유로 중요하다.

한편으로, 온도가 상대적으로 낮은 반응기 용기 내에서는, 발효 산물의 물에 대한 용해도가 제한적일 경우 발효 산물의 결정화가 일어날 수 있다. 이러한 결정은 발효 용기에 종종 사용되는 열교환기 표면과 같은 차가운 표면에 스케일을 형성할 수 있다. 이러한 스케일 형성은 열교환기의 기능에 악영향을 미친다. 또한, 냉각된 표면에서의 발효 생성물의 결정화는 불균일한 구조를 갖는 결정의 형성을 유도하며, 이는 바람직하지 않다.

더구나, 발효 유닛의 차가운 부분은 반응기의 그 위치에서의 미생물의 생산 능력에 영향을 미칠 수 있다. 미생물은 일반적으로 최적의 생산 온도를 가지며, 이 온도보다 낮은 온도에서는 활성이 떨어지고, 이는 당연히 바람직하지 않다.

역으로, 온도가 비교적 높은 발효 유닛 내의 위치에서도 바람직하지 않은 결과가 또한 얻어질 수 있다. 특히, 너무 높은 온도 역시 미생물의 활성을 감소시킬 수 있다. 또한, 고온은 바람직하지 않은 부 생성물을 형성할 수 있다.

당해 분야에서는 상대적으로 높은 발효 온도, 높은 바이오매스 및 발효 생성물의 농도가 문제가 되는 발효 공정의 온도 조절은 종종 교반기와 같은 균질화 기구와 함께 반응기에 열교환기를 구비하여 수행되어왔다. 그러나, 이러한 균질화 기구들이 항상 적절하지는 않다는 것이 밝혀졌다. 전술한 바와 같이, 열교환기에서의 제한된 용해도에 의한 제한된 발효 산물의 스케일링 (scaling)은 냉점의 형성과 같은 정도로 문제가 된다. 또 다른 문제점은 열교환기의 추가가 반응기의 부피를 감소시키고, 광범위한 냉각이 요구되는 경우, 필요한 냉각 용량에 맞출 수 있는 충분한 공간이 반응기 내에 존재할 수 없을 수도 있다는 것이다. 또한, 열교환기는 고가이고, 반응기가 정지된 후에만 제거 될 수 있다는 점에서 상대적으로 사용에 가변성이 없다.

당해 기술 분야에서는, 큰 반응기 용적, 비교적 높은 발효 온도, 높은 바이오매스 및 발효 산물의 농도가 문제가 되는 전체 장치에서, 일정한 반응 온도를 보장하는 발효 공정이 필요하다. 더욱, 제한된 재정적 투자로 균일한 반응 온도를 얻을 수 있는 발효 공정이 필요하며, 온도 제어는 냉각 작용이 필요한 공정에 직접적으로 적용될 수 있다는 점에서 적용이 용이하다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 하기 단계를 포함하는 발효 공정에 관한 것이다 :

- 탄수화물을 발효 산물로 전환할 수 있는 미생물을 포함하는 탄수화물 공급원을 발효 반응기의 수성 발효 배지에서의 발효 조건 하에서 발효시키는 단계;

- 발효 과정 중 재순환 스트림의 형태로 발효 반응기로부터 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부를 인출하는 단계;

- 바이오매스를 포함하는 재순환 스트림을 가압 용기에 제공하는 단계; 상기 가압의 압력은, 물의 증발로 재순환 스트림의 온도가 발효 반응기의 발효 배지 온도와 비교하여 1-8℃ 감소하도록 선택된다.

- 냉각된 재순환 스트림을 발효 반응기로 재순환시키는 단계.

본 발명에 따른 공정은 반응기 내에서 고온 또는 냉각 반점의 발생을 제한하여 발효 배지의 균일한 온도 프로파일을 얻는 것이 가능하다. 이로 인하여 발효 성능이 개선되는 것이다.

본 발명에 따른 공정의 핵심 특징은, 발효 배지의 일부를 인출하는 단계, 이 인출된 일부를 물의 증발에 따라 특정 정도까지 냉각되는 압력 용기에 제공하는 단계 및 이 냉각된 스트림을 발효 반응기로 재순환시키는 단계를 포함한다.

US 제2012/0220003호는 발효 배지가 발효기로부터 회수되어 플래시 증발시스템에 제공되는 발효, 특히 유산 또는 알콜의 발효로부터 관심 있는 유기 물질을 연속적으로 분리하는 방법을 기술하고 있으며, 상기 플래시 증발시스템에서는 휘발성 발효 산물이 상기 발효 배지로 다시 순환된다. 이는 바이오매스가 플래쉬 증발시스템에 공급되기 전에 발효 배지로부터 분리된다는 것을 나타내고 있다. 이러한 방법은 바이오매스가 재순환 스트림으로부터 제거되지 않는 본 발명과는 대조적이다. 일정 온도의 낮아짐으로부터 알 수 있는 바와 같이, 감압 단계의 상대적인 온화성으로 인하여 감압 단계 전에 바이오매스의 제거가 요구되지 않는다는 것이 본 발명의 특징이다. 이는 바이오매스 분리 단계에 필요한 장치의 구입비용 뿐만 아니라 장치의 유지 보수 비용을 상당히 절감하게 한다. 또한, 상기 참고 문헌에서 수행되는 바이오매스 분리 단계는 그 자체로 바이오매스의 특성에 해가 될 수 있다.

JP 소59-039293호는 발효 배지의 일부가 발효 반응기로부터 인출되고, 플래쉬 증발되며, 발효 반응기로 되돌아가는 알코올 발효를 기술한다. 이 참고 문헌에서는 바이오매스는 담체에 고정화되어있다. 바이오매스가 담체에 고정화되어있는 경우, 발효 반응기의 온도는 항상 불균일하게 된다.

US 제2012/0244587호는 반응 중 반응 시작 시에 반응기에 존재하는 액체 부피의 20% 이상의 물을 반응기로부터 증발시키고 제거하는 감압 하에서의 발효를 기술하고 있다. 그러나 이 참고 문헌에서는 발효 반응기로부터 발효 배지의 일부를 인출하는 것, 이 인출된 발효 배지를 발효 반응기에서의 발효 배지 온도에 비하여 1~8℃ 낮은 재순환 스트림의 온도를 갖도록 선택된 압력을 갖는 압력 용기에 공급하는 것 및 상기 스트림이 발효 용기에 재순환되는 것에 관하여 기술하고 있지 아니하다.

US 제4349628호는 발효 배지의 일부를 연속적으로 분리기에 제공하는 휘발성 유기 성분의 제조를 위한 발효 공정을 기술하는데, 상기 분리기에서는 에탄올 또는 다른 휘발성 성분이 특정 온도에서 제거되며, 상기 특정 온도는 발효 배지를 감압시키고, 나머지 분획의 일부 또는 전부를 발효기로 재순환시킴으로써 미생물에 해롭지 않은 온도를 말한다. 이 공정의 목적은 휘발성 성분이 미생물에 대해 독성을 가질 수 있으므로 휘발성 성분을 시스템에서 제거하는 것이다. 이는 미생물의 생존에 영향을 미치지 않는 한, 반응기로 재순환되는 물질은 가능한 한 높은 온도를 가져야 한다는 것이다. 이러한 위 참고 문헌의 기술적 특징은 온도 제어에 영향을 주는 물의 비점보다 높은 비점을 갖는 생성물의 발효로부터의 물의 증발을 이용하는 본 발명과는 다른 것이다.

본 발명은 하기에서 보다 상세히 논의될 것이다.

본 발명은 이하의 도면을 참조하여 설명될 것이며, 이에 제한되지 않고 또는 그에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시한 것이다.

도 1에서, 발효 공정은 발효 반응기 (1)에서 수행된다. 배지 (Nutrients)와 탄수화물 공급원은 라인 (2)을 통해 공급될 수 있다. 중화 화합물은 라인 (3)을 통해 제공될 수 있다. 또한, 이러한 라인을 결합하거나 배지와 탄수화물을 별도의 라인을 통해서도 제공할 수 있다. 이러한 모든 화합물은 반응 초기에 반응기에 첨가될 수 있으며, 이 경우에 이들 라인을 생략할 수 있다. 발효가 일어나는 동안, 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부분은 라인 (4)를 통하여 발효 반응기로부터 인출되어 압력 용기 (5)에 제공된다. 압력 용기에서는 물이 증발되어 라인 (7)을 통해 배출된다. 물의 증발의 결과로 얻어진 냉각된 재순환 스트림은 라인 (6)을 통해 발효 반응기로 재순환된다. 발효 배지는 라인 (8)을 통해 반응기로부터 배출될 수 있다. 이는 공정 구성에 따라 연속적으로, 간헐적으로 또는 발효가 완료된 후에 한 번으로 수행될 수 있다.

본 발명의 공정에 따른 제1단계는, 탄수화물을 발효 산물로 전환 시킬 수 있는 미생물을 가진 발효 반응기의 수성 발효 배지의 발효 조건에서 탄수화물 공급원을 발효시키는 단계이고, 상기 발효 산물은 물 비등점 이상의 비점을 갖는 생성물 또는 염이다. 상기 발효 산물의 본질은 본 발명에 따른 공정에 큰 영향을 미치지 아니한다.

한 실시 양태에서, 본 발명은 산의 염 형태를 포함하는 생성물을 제조하기 위한 발효 공정에 관한 것이다. 이러한 발효 공정에서는, 미생물은 산을 생성하고, 상기 문제의 미생물에 필요한 범위 내의 pH를 유지하기 위하여 발효 배지에 염기를 첨가하여, 산의 전부 또는 일부를 상응하는 염으로 전환 시킨다.

본 발명에 따른 방법을 통해 제조될 수 있는 산은 카르복실 산, 특히 2 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 모노-, 디- 및 트리 카르복실 산으로 이루어진 군으로부터 선택된 카르복실 산을 포함한다. 예를 들면 락트산, 프로피온산, 시트르산, 말산, 말레산, 푸마르산, 아디핀산, 숙신산, 타르타르산, 알파케토글루타르산, 옥살로 아세트산, 아세트산, 아크릴산, 푸란디카르복실산 (FDCA), 글루콘산, 글리콜산, 말론산, 3-하이드록시 프로피온산, 부티르산, 3-하이드록시 부티르산, 발레르산, 이소발레르산, 카프론산 및/또는 이의 염이다.

본 발명은 발효 산물이 물에서 낮은 용해도를 갖는, 예를 들어 낮은 용해도의 산 또는 염의 경우에 특히 유용할 수 있다. 본 발명은 마그네슘 및 칼슘 락테이트 발효, 특히 마그네슘 락테이트의 발효에 특히 유용하다. 본 발명은 또한 푸란디카르복실산 (FDCA) 마그네슘 및 숙신산 마그네슘에 특히 유용할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 발효 중에 산의 형성은 pH의 감소를 초래한다. 이를 극복하고 미생물이 (발효를) 수행할 수 있는 범위 내의 pH를 유지하기 위해, 발효 동안 통상적인 염기성 용액이 첨가된다. 적합한 염기성 용액은 하나 이상의 칼슘 (하이드로)옥사이드, 칼슘카보네이트, 칼슘 바이카보네이트, 마그네슘 (하이드로)옥사이드, 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 탄산마그네슘, 중탄산나트륨, 중탄산 칼륨을 포함한다. 염기의 용해도에 따라, 상기 언급된 염기성 용액은 염기가 완전히 용해되고 용액이 고형 성분을 함유하지 않는다는 점에서 진정한 용액 일 수 있다. 그러나, 염기성 용액은 또한 용해된 염기 이외에 고체 입자를 함유하는 슬러리 일 수 있다. 본 명세서에서, 용액은 두 실시 예를 모두 포함하도록 의도된다.

일반적으로, 염기성 용액은 용액의 pH를 약 3 내지 9, 보다 구체적으로는 5.5 내지 약 7.0으로 조절되도록 하는 양으로 첨가된다.

탄화수소 근원은 본 발명에서 중요하지 않다. 탄수화물 공급원은 일반적으로 하나 이상의 설탕, (액화) 전분, 설탕 시럽, 또는 치즈 유장 (cheese whey), 포도당, 과당, 또는 갈락토스, 또는 수크로스와 같은 이당류 또는 락토오스, 헥소오스 (hexoses) 및 생물 쓰레기, 나무, 짚 등의 식물 기원 가수 분해물의 펜토스 (pentoses)를 포함한다.

원하는 발효 산물을 얻을 수 있는 미생물 및 발효 조건은 당업자의 범주 내에서 선택할 수 있다. 이에 관하여는 여기에서 더 이상의 설명이 필요하지 않을 것이다. 본 발명에 따른 방법은 비교적 높은 온도를 갖는 미생물을 사용하는 공정에 특히 유용하며, 이는 이들 미생물이 (발효) 유닛 (unit) 내 냉점 (cool spot)에 특히 민감할 수 있기 때문이다. 또한, 높은 온도에서 수행되는 발효 공정은 온도가 급격히 올라가는 것에 특히 민감하며, 냉각 제어가 필수적이다. 따라서, 일 구체 예에서, 발효 반응기의 온도는 30~65℃ 범위, 특히 40~60℃ 범위이다. 반응 매질에서의 발생 열은 그 원인이 여러 가지이다. 상기 열은 미생물 자체에 의해 부분적으로 생성되기도 하지만 교반기 및 펌프와 같은 장비에 의하여도 발생 된다. 또한, 중화제와 발효용 화합물 (feed compound)의 첨가에 의하여도 발생된다. 본 발명에서는 반응기 온도의 적절한 관리가 가능하다.

본 발명의 공정은 발효 배지에 존재하는 발효 산물의 농도가 포화 농도에 가깝거나, 포화 농도이거나, 또는 포화 농도 이상일 경우에 특히 유용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 방법은 고체 발효 산물의 제어되지 않은 침전을 초래할 수 있는 반응기 내의 "냉각 반점(cool spots)"의 생성을 방지한다. 상기 "냉각 반점(cool spots)"은 열교환기의 스케일링 및/또는 불균일한 입자 크기 또는 결정성질을 갖는 고체 발효 산물의 침전 (결정)의 형성을 초래할 수 있다. 일 구현 예에서, 발효 배지 중 발효 생성물의 농도는 발효 공정의 작동 시간의 적어도 일부 동안에 포화 농도의 70% 이상, 특히 80% 이상이고, 일부 실시 양태에서는 90% 이상이다.

본 발명은, 발효 배지가 발효 공정의 작동 시간의 적어도 일부 동안 고체 발효 산물을 함유하는 경우, 예를 들어 반응기 내의 차가운 지점에서의 제어되지 않는 결정화에 특히 민감하게 되는 발효의 경우에 특히 적합하다. 일 구현 예에서, 발효 공정 작동 시간의 적어도 20% 동안에는, 발효 배지는 발효 배지 전체에 대하여 계산된 고체 발효 산물 전체의 적어도 1 부피%의 양으로 고체 발효 산물을 함유한다.

여기서, 발효 공정의 작동 시간의 시작점은, 모든 매질 성분이 반응기에 제공되고, 발효 배지는 선택된 pH 및 온도와 같은 적정 발효 조건을 가지며, 미생물이 반응기에 공급된 시점을 말한다. 이 시점은 발효가 시작되는 모든 조건이 충족된 시점이다. 발효 공정의 작동 시간에 대한 종료점은 생성물 형성이 본질적으로 중단된 시점, 즉 g/l.h 단위에서의 발효 산물이 공정 중에 g/l.h 단위의 최대 생산값의 10% 미만인 시점이다. 상기와 같은 수치는 일반적으로 탄소 자원이 고갈되었을 때 나타난다.

고체 발효 산물이 발효 배지에 존재하는 발효의 작동 시간은 현재 진행되는 발효에 따라 전체 발효 작동 시간의 20%를 넘을 수도 있다. 일반적으로, 고체 발효 산물이 작동 시간의 적어도 일부 동안에 존재하는 경우에는, 작동 시간 중의 비교적 많은 시간 동안에 고체 발효 산물이 존재하는 것이 바람직할 수도 있다. 이 경우에 발효가 고농도로 일어난다는 것을 의미한다.

전체 발효 작동 시간에 대한 고체 발효 산물이 존재하는 발효 작동 시간의 백분율은 40% 이상, 일부 구현 예에서는 60% 이상, 때로는 70% 이상, 일부 특정 구현 예에서는 80% 이상, 심지어 90% 이상일 수 있다. 상기 고체 발효 산물의 양은 넓은 범위 내에서 다양할 수 있다. 고체 발효 산물이 존재하는 경우, 적어도 5%, 일부 실시 양태에서는 적어도 10%의 양으로 존재하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로 최대의 양은 50%이고, 이 보다 더 높은 농도에서는 공정 측면에서 발효를 작동시키기가 어려울 수 있기 때문이다. 고형 발효 산물의 양은 많아야 40%, 특히 35% 이하인 것이 바람직할 수 있다.

발효 배지 중 고체 발효 산물의 농도는 하기 절차에 따라 결정될 수 있다 : 에펜도르프 (Eppendorf) 관을 사용하여 발효액으로부터 1 ml의 균질 시료를 취한다. 상기 샘플을 1300rpm으로 2분간 원심 분리한다. 고체층의 체적 비율을 시각적으로 결정한다. 이 고체층은 고체 발효 산물 및 바이오매스 모두를 포함한다. 바이오매스의 양을 보정하기 위하여 바이오매스의 양은 당업계에 공지된 방법, 예를 들어 KOH을 이용하여 pH 8로 조정된 0.5N EDTA 용액으로 5 vol%로 희석 후, 결정이 제거된 발효 배지 샘플 (fermentation broth sample)의 600nm에서의 광학 밀도를 결정한 후, 이 측정된 광학 밀도를 OD600nm의 표준 바이오매스 솔루션과 비교하는 방법을 이용하여 분리 결정한다. 이후에 고체 발효 산물의 부피 백분율은 위에서 설명한 원심 분리 과정에서 얻은 백분율에서 바이오매스의 부피 백분율을 빼서 결정할 수 있다.

발효는 발효 반응기에서 수행된다. 불균일한 가열 및 냉각과 관련된 문제가 큰 반응기 부피에서 수행되는 발효에 특히 중요하다는 것이 알려져 있다. 따라서, 일 구체 예에서, 발효 반응기의 크기는 발효 반응기 내의 발효 배지의 부피가 적어도 100m³가 되도록 하는 것이 바람직하다. 더 큰 크기의 발효 반응기도 사용될 수 있다. 발효 반응기에서의 발효 배지의 부피는 예를 들어 적어도 200㎥, 또는 적어도 400㎥ 일 수 있다. 일반적으로 2000m³의 부피일 수도 있다.

발효 반응기는 교반기와 같은 통상적인 반응기 장비 또는 발효 배지를 균질화하기 위한 다른 수단을 구비 할 수 있다. 반응기는 열교환기를 포함하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 열교환기는 균일한 매질을 얻기 위해 수행되는 혼합작용을 방해할 수 있고, 열교환기가 필요하지 않은 것이 본 발명의 특징이다.

발효 공정 동안, 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부는 재순환 스트림의 형태로 발효 반응기로부터 인출된다. 상기 인출된 바이오매스를 포함하는 재순환 스트림은 압력 용기에 공급되며, 상기 압력은 물의 증발로 발효 반응기의 발효 배지의 온도와 비교하여 1~8℃의 값으로 재순환 스트림의 온도가 감소하도록 압력 값이 선택된다. 냉각된 재순환 스트림은 발효 반응기로 다시 공급된다.

이러한 압력 용기를 통한 재순환 단계는 발효 공정에서 발효 배지를 균일하게 냉각시키기 위한 것이다. 냉각 정도는 압력 용기에서의 온도 감소 및 압력 용기를 통해 재순환되는 발효 배지의 양에 따라 달라진다.

가압 용기는 발효 배지의 온도에 비해 재순환 스트림의 온도가 1~8℃ 감소하는 조건으로 작동된다. 감소 온도가 1℃ 이하이면 의미 있는 냉각이 이루어지지 않을 수 있다. 8℃를 넘는 온도의 감소는 발효 반응기로 발효 배지가 재순환 될 때 발효 반응기에서 불균일한 온도 프로파일로 이어질 수 있다. 발효 반응기에서 발효 배지의 적절한 온도 조절을 수행하기 위해서는, 재순환 스트림의 온도가 발효 반응기 내의 발효 배지의 온도와 비교하여 2~5℃의 값으로 감소하는 것이 바람직할 수 있다. 압력 용기에서의 온도 감소는 물의 증발에 의해 얻어진다. 원하는 온도 감소에 이르게 하는 압력 조건을 선택하는 것은 당업자의 범위 내에 있다.

본 발명에서 발효 산물은 물 비등점 이상의 비등점을 갖는 생성물 또는 염이므로, 압력 용기 내에서 발효 산물의 증발은 일어나지 않을 것이다. 낮은 끓는점을 갖는 부산물이 생성되면, 그 부산물의 증발이 발생할 수 있으나, 압력 용기를 통한 재순환의 목적이 온도를 낮추어 부산물의 증발이 일어나지 않도록 하는 것이다.

본 발명의 압력 용기의 부피는 일반적으로 발효 반응기의 부피에 비해 상대적으로 작은 부피 용량을 갖는다. 바람직하게는 발효 반응기 부피의 0.1 내지 10%이다. 압력 용기의 부피가 너무 작으면, 적절한 냉각을 얻는 것이 어렵다. 압력 용기의 부피가 너무 크면 공정에 실질적인 이익을 주지 않으면서 장치 비용이 증가할 수 있다. 본 발명의 압력 용기의 부피는 예를 들어 0.5 내지 10m³, 특히 1 내지 5 m³일 수 있다.

본 발명의 재순환 시간은 일반적으로 본 발명에 따른 방법에서 비교적 짧다. 재순환이 되는 부분에서는 미생물이 반응기에서보다 제어가 되지 않는 상태에 놓일 수 있어 짧은 재순환 시간이 바람직하다. 특히, 발효 반응기로부터 발효 배지의 분획을 인출하는 시간 및 상기 분획을 냉각 후 발효 반응기로 재도입시키는 시간의 차이로 정의되는 재순환 시간은 최대 10분, 특히 최대 5분이다. 이 보다 더 긴 재순환 시간으로 인한 이익은 기대할 수 없다. 최소의 재순환 시간은 (발효) 장치의 정확한 구성에 달려 있으며, 재순환 시간이 정해져 있는 것은 아니다.

재순환 빈도는 요구되는 온도 제어를 얻을 수 있도록 맞추어진다. 특히 재순환 빈도는 압력 용기의 크기와 발효 반응기의 크기에 의하여 결정된다. 한 실시 양태에서, 재순환 빈도는 시간당 발효 반응기 부피의 0.1 내지 10배의 부피가 압력 용기를 통해 재순환되도록 하는 빈도로 선택된다. 바람직하게는 시간당 발효 반응기 부피의 0.5 내지 5배 부피를 압력 용기를 통해 재순환시키는 것이다. 더욱 바람직하게는 시간당 발효 반응기 부피의 0.5 내지 2배 부피를 압력 용기를 통해 재순환시키는 것이다.

통상적인 발효 공정은 배치 공정 (batch process), 패드-배치 공정 (a fed-batch process) 또는 연속 공정 (continuous process)일 수 있다. 본 발명에 따른 공정은 배치 공정 (batch process), 패드-배치 공정 (a fed-batch process) 또는 연속 공정 (continuous process)일 수 있다.

한 구체 예에서, 본 발명에 따른 발효 공정은 배치 공정이다. 본 발명의 명세서에서 배치 공정은, 탄소 원(carbon source)이 반응의 시작 시에 발효 반응기에 제공되고, 발효 공정 동안에는 탄소 원(carbon source) (실질적인 부분)은 제공되지 않는 공정으로 정의된다.

한 구체 예에서, 본 발명에 따른 발효 공정은 패드-배치 공정이다. 본 발명의 명세서에서 패드-배치 공정은 탄소 원(carbon source)이 반응의 시작 및 반응 중에 발효 반응기에 제공되며, 예를 들어 불순물의 생성 등을 이유로 더 이상의 발효가 진행될 수 없는 소정의 종말점을 갖는 공정을 말한다.

한 구체 예에서, 본 발명에 따른 발효 공정은 연속 발효 공정이다. 본 발명의 명세서에서 연속 공정은 탄소 원(carbon source)이 반응의 시작 및 반응 중에 발효 반응기에 제공되며, 공정의 종말점을 갖지 않는 공정을 말한다. 일반적으로, 발효 배지의 총 부피는 일정하게 유지된다. 이는, 발효 중에 탄소 원을 첨가하는 측면으로 보면, 탄소 원의 첨가로 발효 배지의 부피가 증가할 것이므로, 발효를 통하여 발효 반응기의 내용물은 제거되어야 한다는 것을 의미한다. 상기 발효 반응기로부터 제거되는 내용물은 고체 발효 산물 및/또는 액체 발효 배지일 수 있다. 원칙적으로, 연속 발효 공정은 무기한으로 작동할 수 있지만, 유닛 (unit)의 유지 보수를 위해서 어느 시점에서는 중단될 것이다. 배치 발효, 패드-배치 발효 및 연속 발효의 개념은 당업자에게 공지되어 있다.

도 1에는 냉각 단계에 필요한 장치가 발효 반응기에 직접 연결되는 실시예가 도시되어있다. 냉각 단계에 필요한 장치를 발효 생성물이 제거되는 단계로 통합하는 것도 가능하다.

상기 냉각 단계의 필요장치가 발효 생성물의 제거 단계로 통합되는 프로세스의 일실시 예가 도 2에 도시되어있다. 도 2에서, 발효 공정은 발효 반응기 (1)에서 수행된다. 배지(Nutrients)와 탄수화물 공급원(carbohydrate source)은 라인 (2)를 통해 제공될 수 있다. 중화 화합물은 라인 (3)을 통해 제공될 수 있다. 도 1과 같이 라인 (2) 및 (3)을 결합하거나, 배지와 탄수화물을 별도의 라인을 통해 제공할 수도 있다. 이러한 모든 화합물은 반응 초기에 반응기에 첨가될 수 있으며, 이 경우 이들 라인을 생략할 수 있다. 발효 공정 동안, 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부는 라인 (8)을 통해 발효 반응기로부터 배출(인출)된다. 라인 (8)은 라인 (81)과 라인 (82)로 나뉠 수 있다. 라인 (81)은 압력 용기 (5)로 이어진다. 압력 용기 (5)의 물은 증발되어 라인 (7)을 통해 배출된다. (물의 증발로) 생성된 냉각된 재순환 스트림은 라인 (6)을 통해 발효 반응기로 재순환된다. 라인 (82)에는 공정으로부터 인출된 발효 배지가 함유되어 있다. 상기 인출된 발효 배지는 바이오매스 제거 단계에 제공될 수 있고, 더하여 만약 존재한다면 고체 발효 산물의 제거 단계, 및 여기서는 더 이상 설명할 필요가 없는 당업계에 공지된 다른 단계가 수반될 수 있다.

따라서, 일 실시예에서, 본 발명은 아래와 같은 공정 (단계)을 포함한다.

- 발효 공정 중에 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 스트림이 발효 반응기로부터 인출되는 단계,

- 스트림의 제1 부분은 압력 용기에 제공되며, 상기 압력은 (압력 용기 내의) 물의 증발로 스트림의 온도가 발효 반응기 내의 발효 배지의 온도와 비교하여 1~8℃ 정도 감소하도록 선택되고, (압력 용기로부터) 생성된 스트림은 발효 반응기로 재순환시키는 단계, 및

- 스트림의 제2 부분은 압력 용기에 제공되지 않는다.

상기에서 본 바와 같이, 스트림의 제2 부분은 원하는 대로 처리될 수 있다. 이 실시예는 프로세스가 연속적인 방식으로 작동되는 경우 특히 유용하다.

발효 공정의 생성물은 발효 생성물, 바이오매스, 및 선택적으로 설탕, 단백질 및 염과 같은 불순물과 같은 추가의 성분을 포함하는 수성 액체인 발효액이다. 필요한 경우, 발효액을 추가 처리하기 전에 발효 배지는 바이오매스를 제거하는 단계와 같은 여과 단계를 실시할 수 있다. 이러한 여과 단계는 일반적으로 제품 품질의 향상을 위해 선호된다. 생성되는 발효 생성물에 따라서, 또 다른 중간 단계로는 바이오매스의 제거 전, 후 또는 동시에 발효액으로부터 고형 발효 산물, 예를 들어, 마그네슘 카르복실레이트를 분리하는 단계 및 임의로 발효 생성물을 세척 하는 단계 일 수 있다.

생성되는 발효 생성물에 따라서, 또 다른 중간 단계는 발효액을 추가 처리하기 전에 조성물 내의 발효 산물의 농도를 증가시키기 위하여 발효액을 농축시키는 단계일 수 있다. 상기 농축 단계는 바이오매스의 제거 이전, 이후 또는 동시에 수행될 수 있다. 다른 중간 단계, 예를 들어, 정제 단계도 원하는 경우 수행될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.

발효 산물이 카르복실산 염인 경우, 다음 단계는 카르복실산 염을 산성화하는 단계로서 카르복실산 염을 카르복실산으로 전환 시키는 것일 수 있다. 이 단계에서는 카르복실산 염을 무기산과 접촉시켜 카르복실산 및 카르복실산 염의 양이온 및 무기산의 음이온으로부터 생성되는 염을 포함하는 수성 혼합물을 형성시킨다. 적합한 상기 무기산의 예는 염산, 질산, 황산 및 인산을 포함한다.

이 단계는 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 산성화 단계는 전형적으로 카르복실산 염을 무기산의 용액과 접촉시켜 수행된다. 그러나, 염산을 사용하는 경우, 가스 형태의 염산을 카르복실산 염과 접촉시키는 것도 가능할 수도 있다.

카르복실산 염은 고체 및/또는 용해된 형태 일 수 있다. 한 실시 양태에서, 카르복실산 염은 고체 형태로 제공된다. 이 경우, 산성화 단계는 카르복실산 염을 산성 용액과 접촉시킴으로써 수행된다. 고체 형태의 카르복실산 염으로부터 수성 혼합물을 제조하는 경우의 장점은 매우 높은 카르복실산 농도, 즉 예를 들어 적어도 15중량%, 특히 적어도 25중량%의 농도, 또는 예를 들어 50중량%, 또는 40중량%의 농도로 얻어질 수 있다는 것이다.

카르복실산 염은 또한 전형적으로 수용액의 일부로서 용해된 형태 일 수 있다. 이 경우, 산성화 공정은 카르복실산 염을 산성 용액 또는 산성 가스와 접촉시킴으로써 수행될 수 있다.

산성화 단계는 또한 카르복실산 및 카르복실산 염의 혼합물상에서 수행될 수 있다. 이러한 혼합물은 예를 들어 낮은 pH 농도의 발효에서 수득 될 수 있다. 혼합물은 예를 들어 수성 현탁액 일 수 있다.

카르복실산 염의 산성화를 무기산의 용액과 접촉시킴으로써 수행하는 경우, 산의 농도는 가능한 한 높은 농도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 높은 산 농도는 바람직한 높은 카르복실산 농도를 갖는 수성 혼합물을 생성할 것이다. 따라서, 산성 용액은 산성 용액의 총 중량을 기준으로 하여, 적어도 5중량%, 바람직하게는 10중량%, 그리고 더 바람직하게는 20중량% 이상의 산을 포함한다.

산성화는 일반적으로 과량의 산을 사용하여 수행된다. 과량의 정도는 적은 것이 바람직하며, 이 결과 수득되는 혼합물이 추가의 가공단계에서의 바람직하지 않은 정도의 높은 산성이 아니다. 예를 들어, 사용되는 과량의 산은 생성된 수성 혼합물이 pH 2 또는 그 이하, 바람직하게는 pH 0 내지 1을 갖도록 한다.

기체 상태의 HCl을 사용하는 경우, 카르복실산 염의 용액 또는 이의 현탁액과 접촉시킬 수 있다. 특히, HCl 가스는 용액 또는 현탁액에 블로잉 될 수 있다.

바람직하게, 산성화는 75℃ 이하의 온도에서 수행된다. 상기 온도보다 더 높은 온도의 경우, 고온의 산성 환경의 가혹한 조건에 장비를 사용하는 것이 비경제적이기 때문이다.

카르복실산 염을 무기산과 접촉시키는 대신, 카르복실산 염의 용액을 이온 교환 수지, 예를 들어 이온 교환 컬럼에 접촉시킴으로써 카르복실산 염을 산으로 전환 시키는 것도 가능하다. 모의 이동 표층 크로마토그래피 (simulated moving bed chromatography)의 원리를 사용하거나 카르복실산 염의 용액을 전기 투석하여 카르복실산 염을 카르복실산으로 전환하는 것도 가능하다.

산성화 단계는 카르복실산 및 염을 포함하는 수성 액체를 형성한다. 이 수성 액체는 경우에 따라, 농축 단계와 같은 중간 공정 단계가 수행된 후에 분리 단계를 거친다. 적절한 분리 단계는 당업계에 공지되어 있다. 사용될 분리 단계의 특성은 산의 성질 및 특성에 의해 결정된다.

카르복실산이 전체적으로 또는 부분적으로 수성 액체에 고체로서 존재하는 경우, 분리는 여과, 원심 분리 등과 같은 통상적인 고체-액체 분리 방법을 사용한다.

카르복실산이 전체적으로 또는 부분적으로 수성 액체에서 분리된 유기상으로 존재하는 경우, 분리는 통상적인 액체-액체 분리 방법, 예컨대 경사 분리 (decantation), 침전 (settling), 원심 분리 (centrifugation), 플레이트 분리기의 사용 (use of plate separators), 유착기의 사용 (use of coalescers) 및 하이드로 사이클론의 사용 (use of hydrocyclones)을 이용하여 수행될 수 있다. 분리 효율을 향상시키기 위해 추출제를 첨가할 수 있다. 다른 방법 및 다른 장치의 조합이 또한 사용될 수 있다.

카르복실산이 수성 액체에 용해되어 존재하는 경우, 예를 들어 적합한 추출 제로 추출하여 분리할 수 있다.

추출제가 본 발명의 공정에 사용되는 경우, 추출제로 인식될 수 있는 추출제는 실질적으로 물과 섞이지 않는다. 추출제의 사용은 분리 단계 동안 카르복실산 및 추출제를 함유하는 유기상과 염화마그네슘을 함유하는 수성층을 포함하는 2상 시스템을 형성한다.

적합한 추출제의 예로는 지방족 및 방향족 탄화수소, 예컨대 알칸 및 방향족 화합물, 케톤 및 에테르가 있다. 다양한 화합물의 혼합물도 또한 사용될 수 있다.

적합한 지방족 알칸의 예로는 C5-C10 직쇄, 분지쇄 또는 환형의 알칸, 예를 들어 옥탄, 헥산, 시클로헥산, 2-에틸-헥산 및 헵탄이다.

적합한 방향족 화합물의 예는 C6-C10 방향족 화합물, 예를 들어, 톨루엔, 자일렌 및 에틸벤젠이다.

본 발명에서 적합한 케톤의 예는 C5+ 케톤, 특히 C5-C8 케톤이다. 상기 C5+는 적어도 5개의 탄소 원자를 갖는 케톤을 의미한다. C9+ 케톤의 사용은 덜 바람직하다. 메틸 이소 부틸 케톤 (MIBK)의 사용이 특히 바람직하다.

적합한 에테르의 예는 C3-C6 에테르, 예컨대 메틸 tert-부틸 에테르 (MTBE) 및 디에틸 에테르 (DEE)이다.

추출 후, 카복실산은 필요에 따라 추출제로부터 분리될 수 있다. 한 구현 예에서 증발의 방법으로 추출제를 제거함으로써 카르복실산의 분리가 수행될 수 있다. 또 다른 실시 양태에서, 카르복실산은 물 또는 다른 수성 액체로 추출하여 추출 물질로부터 회수될 수 있다.

염으로부터 카복실산을 분리한 후, 카복실산은 필요에 따라 추가로 가공되어 질 수 있다. 추가의 처리 단계의 예는 세척, 활성탄 처리, 재결정화, 증류 및 여과 중 하나 이상과 같은 정제 단계이다. 카르복실산이 락트산인 경우에는 락티드 및 PLA로 전환 될 수 있다.

상호 배타적이지 않으면, 본 발명의 다양한 측면에 대한 선택이 서로 결합 될 수 있음은 당업자에게 명백하다.

본 발명은 하기 실시 예에 의해 더욱 상세히 설명되며, 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

발효액에 냉각을 부여하기 위해 20L 가압 용기가 연결된 300L 용기에서 젖산 발효를 수행하였다. pH는 수산화마그네슘 용액을 사용하여 조절하였다. 발효 중에 1.2 m³/h의 일정한 재순환이 실시되었다. 재순환 스트림은 140 mbar의 진공 압력을 받도록 하여 발효액에 충분한 냉각을 제공하였다. (발효) 액체는 발효액으로 재순환되는 반면, 응축액은 폐기되었다. 재순환 스트림의 온도는 발효 용기의 발효액 온도보다 2.5℃ 낮았다. 발효 용기의 발효액 온도는 ±0.1℃의 오차범위에서 원하는 온도로 조절되었다. 발효 반응기에서 발효 배지 분획의 인출 시간과 상기 분획을 발효 반응기에 재도입하는 시간의 차이로 정의되는 재순환 시간은 1분 정도이었다.

이 실시예는 압력 용기에서의 (물의) 증발을 통한 재순환 스트림 (stream)의 제어된 온도를 갖는 본 발명의 재순환 동작(공정)으로 발효 용기의 발효액 (broth)의 온도를 ±0.1℃ 오차 범위에서 원하는 온도로 조절할 수 있다는 것을 보여준다.

1 발효 반응기 2, 3, 4, 6, 7, 8, 81, 82 라인
5 압력용기

Claims (15)

1. 발효 산물을 제조하는 발효 공정으로,
   - 탄수화물을 물의 비등점 이상의 비등점을 갖는 생성물 또는 염의 발효 산물로 전환할 수 있는 미생물을 갖는 탄수화물 공급원을 발효 반응기의 수성 발효 배지에서의 발효 조건하에 발효시키는 단계;
   - 발효 과정 중 재순환 스트림의 형태로 발효 반응기로부터 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 일부를 인출하는 단계;
   - 바이오매스를 포함하는 재순환 스트림을 압력 용기에 제공하는 단계; 상기 압력 용기의 압력은 물의 증발을 이용하여 발효 반응기의 발효 배지 온도와 비교하여 1~8℃의 값으로 재순환 스트림의 온도가 감소하도록 선택된다.
   - 냉각된 재순환 스트림을 발효 반응기로 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
2. 제1항에 있어서, 상기 재순환 스트림의 온도는 발효 반응기에서의 발효 배지의 온도와 비교하여 2~5℃의 값으로 감소하는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압력 용기의 부피가 발효 반응기 부피의 0.1 내지 10%인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 발효 반응기로부터의 발효 배지 일부분의 인출(withdrawal)과 상기 인출된 일부분을 반응기로 재도입시키는 시간 간격으로 정의되는 재순환 시간은 10분 이하, 특히 5분 이하인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 산물은 물의 비등점 이상의 비점을 갖는 생성물 또는 염인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 발효 산물이 발효 반응기에 발효의 적어도 일부 동안 발효 배지에 존재하는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 발효 반응기에서의 발효 배지의 부피는 적어도 100 m³인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 발효 반응기에서의 발효 배지의 최고 온도와 발효 반응기에서 발효 배지의 최저 온도 사이의 차이가 8℃ 이하, 특히 5℃ 이하이며, 특히 최대 3℃ 이하인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 발효 공정 중에 바이오매스를 포함하는 발효 배지의 스트림이 발효 반응기로부터 인출되고,
   - 스트림의 첫 번째 부분은 압력 용기에 제공되며, 상기 압력은 (압력 용기 내의) 물의 증발로 스트림의 온도가 발효 반응기 내의 발효 배지의 온도와 비교하여 1~8℃ 정도 감소하도록 선택되고, (압력 용기로부터) 생성된 스트림은 발효 반응기로 재순환시키며,
   - 스트림의 두 번째 부분은 압력 용기에 제공되지 않는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 생성물이 탄소수 2 내지 8의 모노-, 디- 및 트리-카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택된 카르복실산의 염인 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 산물은 카르복실산의 염이고, 이 카르복실산 염은 카르복실산 및 무기산 염의 수성 혼합물의 형성하는 조건하에서 카르복실산으로 전환 시키는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
12. 제11항에 있어서, 상기 카르복실산이 무기산 염으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
13. 제12항에 있어서, 무기산 염으로부터 카르복실산을 분리한 후, 카르복실산을 활성 탄소처리, 재결정화, 증류 또는 여과를 이용하여 정제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효 단계와 상기 산성화 단계 사이에 바이오매스 제거 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카르복실산이 락트산이고, 상기 락트산은 이어서 락티드 또는 폴리락티드로 전환되는 것을 특징으로 하는 발효 산물을 제조하는 발효 공정.

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