WO2022265429A1 - 발효액으로부터 목적한 화합물을 수득하는 방법 - Google Patents

발효액으로부터 목적한 화합물을 수득하는 방법 Download PDF

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WO2022265429A1
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엄문호
장준호
전상준
이경준
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Definitions

  • the present invention relates to a method for obtaining a desired compound from a fermentation broth.
  • 3-hydroxypropionic acid (3-HP) can be produced through a chemical synthesis process and a microbial fermentation process, and a method for producing 3-HP using bacteria such as Escherichia coli and Klebsiella has recently been studied.
  • Korean Patent Publication No. 10-2020-0051375 discloses a technique for producing 3-HP using a microorganism transformed with a specific gene.
  • the present invention relates to a method for isolating and obtaining 3-HP from a fermentation broth containing 3-HP produced by microbial culture.
  • An object of the present invention is to provide a method for obtaining a target compound from a fermentation broth.
  • a target compound can be separated from a fermentation broth in high yield.
  • 1 is a schematic diagram showing a method for obtaining the compound of the present invention.
  • Figure 2 is a test result of separating insoluble substances from the fermentation broth through a microfilter.
  • Figure 3 is the result of confirming the peaks of 3-HP, 1,3-propanediol and glycerol in the fermentation broth through single column chromatography.
  • Figure 4 shows the process of precipitating and removing calcium ions in the fermentation broth.
  • Figure 5 shows the change in ion concentration in the fermentation broth according to ion exchange.
  • FIG. 6 shows a process of removing ions in the fermentation broth through ion exchange.
  • any step may be repeated two or more times.
  • the step (a) may be performed through at least one selected from the group consisting of evaporation, concentration and distillation.
  • Step (c) may be performed by the following (c)' or (c)'':
  • (c)'' A process of treating the fermentation broth with at least one selected from the group consisting of electrodialysis, ion exchange, and chromatography.
  • the insoluble matter may include cells, and the macromolecules may be proteins, polysaccharides, or lipids. At this time, at least a part of the insoluble material may be removed, at least a part of the macromolecule may be removed, or at least a part of the insoluble material and at least a part of the macromolecule may be removed from the fermentation broth. At this time, after removing at least a portion of the insoluble matter from the fermentation broth, at least a portion of the macromolecules may be removed. Alternatively, at this time, after removing at least some of the macromolecules from the fermentation broth, at least some of the insoluble materials may be removed.
  • the target compound may be an organic acid produced by microbial fermentation, preferably 3-hydroxypropionic acid (3-HP).
  • the carbon source of (b) may be glycerol or glucose.
  • the alcohol of (b) may be an alcohol produced by microbial fermentation, such as 1,3-propanediol.
  • the method for obtaining the compound of the present invention is to first remove at least a portion of the insoluble matter from the fermentation broth and remove at least a portion of the macromolecules, and then (a) increase the concentration of the desired compound in the fermentation broth. (b) reducing the concentration of residual carbon source or alcohol in the fermentation broth, (c)': acid treatment of the fermentation broth to precipitate and remove ionic components (c)'': electrodialysis, ion exchange of the fermentation broth and chromatography, and secondly, (a) increasing the concentration of the target compound in the fermentation broth and then recovering the target compound to obtain the compound.
  • the fermentation broth may be a fermentation broth prepared by the following process 1: fermentation broth preparation step.
  • the step of removing at least a part of the insoluble matter or macromolecule from the fermentation broth may be the following process 2: separation of insoluble matter or the following process 3: macromolecule removal and decolorization step.
  • the first (a) step of increasing the concentration of the target compound in the fermentation broth may be the following step 4: increasing the concentration of 3-HP in the fermentation broth.
  • the (b) step of reducing the concentration of the remaining carbon source or alcohol in the fermentation broth may be the following Step 5: reducing the concentration of glycerol or alcohol in the fermentation broth.
  • the step (c)': acid treatment of the fermentation broth to precipitate and remove ionic components may be the following step 6: reducing ionic components in the fermentation broth (precipitation and filtration).
  • Step 7 Reducing ionic components in the fermentation broth (electrodialysis and ion exchange) can be
  • the second (a) step of increasing the concentration of the target compound in the fermentation broth may be the following step 8: increasing the concentration of 3-HP in the fermentation broth.
  • the step of recovering the target compound may be the following process 9: recovery step.
  • Process 1 fermentation broth preparation step
  • the method for obtaining the compound of the present invention may include a fermentation broth preparation step.
  • the fermentation broth may be a fermentation broth (fermentation broth) fermented using microorganisms, that is, a culture broth.
  • the culture medium may further include other components other than 3-HP and salts thereof.
  • the culture medium may include a calcium salt of 3-HP.
  • the other components may be a carbon source (eg, glycerol, etc.), an organic acid (eg, acetic acid, etc.), a salt (eg, sulfate, phosphate, etc.), an alcohol (eg, diol), sugar, calcium, etc. used for culturing microorganisms.
  • the concentration of 3-HP or a salt thereof in the fermentation broth is, for example, about 10,000 to 200,000 ppm, for example about 12,000 to 190,000 ppm, for example about 15,000 to 180,000 ppm, for example about 20,000 to 150,000 ppm, for example about 25,000 to 130,000 ppm, for example about 30,000 to 110,000 ppm.
  • the concentration of 3-HP or a salt thereof in the fermentation broth is, for example, about 10,000 ppm or more, such as about 12,000 ppm or more, such as about 15,000 ppm or more, such as about 20,000 ppm or more, such as about 25,000 ppm or more, such as about 30,000 ppm may be ideal
  • the concentration of 3-HP or a salt thereof in the fermentation broth is, for example, 200,000 ppm or less, such as about 190,000 ppm or less, such as about 180,000 ppm or less, such as about 150,000 ppm or less, such as about 130,000 ppm or less, such as about 110,000 ppm or less can
  • the step of adjusting the pH of the fermentation broth may be further included.
  • the pH can be adjusted by treating the fermentation broth with acid or alkali.
  • the type of acid or alkali is not particularly limited, and a conventional acid or alkali used when adjusting the pH of a fermentation broth may be used.
  • the desired pH may be properly adjusted differently depending on the type of compounds to be separated from 3-HP and the method of the subsequent separation process.
  • the method for obtaining the compound of the present invention may include separating at least a portion of insoluble matter from the fermentation broth.
  • the fermentation broth may be a fermentation broth prepared in step 1 or a fermentation broth that has passed through steps 1 and 3, that is, a treatment solution.
  • the insoluble matter may be microorganisms, ie, cells, solids, and the like.
  • Separation of the insoluble matter may be performed using a centrifugal separator, a filtration process, and the like, but is not particularly limited. As a result, microorganisms, that is, cells, can be separated from the fermentation broth.
  • microfiltration can remove microorganisms and solids in the fermentation broth.
  • Microfiltration may be performed by passing the fermentation broth through a polymer or ceramic membrane having a pore size of 0.04 to 5 ⁇ m.
  • the microfiltration operation may be configured in two or more stages according to the tendency of flux (unit area of membrane and throughput per unit time) to decrease.
  • water may be additionally added to the fermentation broth to increase the recovery rate at the point where the flux is significantly lowered.
  • a method for obtaining a compound of the present invention may include isolating at least some of the macromolecules from the fermentation broth.
  • the step of separating at least some of the macromolecules from the fermentation broth may include removing and decolorizing the macromolecules from the fermentation broth.
  • the fermentation broth may be a fermentation broth prepared in step 1 or a fermentation broth that has passed through steps 1 and 2, that is, a treatment solution.
  • the macromolecules may be proteins, polysaccharides, lipids, and the like.
  • the macromolecule removal and decolorization step may be performed by filtering after mixing activated carbon and a filter aid in the fermentation broth.
  • macromolecule removal and decolorization effects may be obtained by mixing activated carbon and filter aids (diatomaceous earth, white clay, etc.) with the fermentation broth from which microorganisms are removed and filtering (eg, filter press, etc.).
  • the filtration may use a filtration method of powder particles that can be commonly used (eg, filter press, drum filter, candle filter, leaf filter, etc.) and is not particularly limited.
  • activated carbon By removing macromolecules such as some proteins and polysaccharides through the addition of activated carbon, it is possible to suppress the generation of adhesive substances that may occur in the process of increasing the 3-HP concentration.
  • activated carbon not only powdered activated carbon but also granular activated carbon can be applied. For example, after adding 0.1 to 2 wt% of powdered activated carbon based on the weight of the fermentation broth, stirring at 30 to 80 ° C. for 1 to 5 hours and then filtering, the color of the fermentation broth could be removed. After mixing 1.5% of powdered activated carbon in the fermentation broth, stirring at 40 ° C. for 1 hour and filtering, the APHA (American Public Health Association) color value of the fermentation broth was 2.7. In addition, when granular activated carbon is applied at a mass fraction of 5 to 15% relative to the weight of the fermentation broth, similar decolorization performance to that of powdered activated carbon can be expected. .
  • the macromolecule removal and decolorization steps may be performed through membrane separation of the treatment liquid.
  • the membrane separation method may be ultrafiltration or nanofiltration, and in this case, macromolecular removal and decolorization effects may be obtained without an additional decolorization process.
  • ultrafiltration applies an ultrafiltration membrane having a Molecular Weight of Cut-Off (MWCO) of 5000 to 100,000 Da, followed by a nanofiltration membrane of 150 to 300 Da, thereby minimizing loss of 3-HP salt while minimizing protein, polysaccharide, lipids Only macromolecules such as
  • Step 4 Increasing the concentration of 3-HP in the fermentation broth
  • the method for obtaining the compound of the present invention may include increasing the concentration of 3-HP in the fermentation broth.
  • the fermentation broth of step 4 may be a treatment solution that has passed through steps of step 2 and/or step 3.
  • the fermentation broth in step 4 may be a treatment solution that has undergone step 2 and/or step 3 and then passed through one or more steps of steps 5 to 8.
  • the concentration of 3-HP can be increased by methods such as At this time, the concentration may be increased to 100 to 500 g of 3-HP equivalent per 1 L of the fermentation broth.
  • the concentration increase may be accompanied by pressure control, and may be performed under appropriate pressure, such as about 20 to 300 mbar, such as about 25 to 280 mbar, such as about 30 to 250 mbar, such as about 50 to 200 mbar based on absolute pressure. , such as about 70 to 190 mbar, such as about 80 to 180 mbar.
  • the concentration increasing step may be performed at, for example, about 20 mbar or less, such as about 25 mbar or less, such as about 30 mbar or less, such as about 50 mbar or less, such as about 70 mbar or less, such as about 80 mbar or less.
  • the concentration increasing step may be performed at, for example, about 300 mbar or less, such as about 280 mbar or less, such as about 250 mbar or less, such as about 200 mbar or less, such as about 190 mbar or less, such as about 180 mbar or less.
  • Process 5 reducing the concentration of glycerol or alcohol in the fermentation broth
  • the method for obtaining the compound of the present invention may include reducing the concentration of glycerol or alcohol in the fermentation broth.
  • the fermentation broth of step 5 may be a treatment solution that has passed through steps of step 2 and/or step 3.
  • the fermentation broth of step 5 may be a treatment solution that has been subjected to step 4 or at least one of steps 6 to 8 after step 2 and/or step 3.
  • the glycerol may be a carbon source used during microbial culture
  • the alcohol may be a microbial culture product such as 1,3-propanediol (1,3-PDO).
  • the concentration of glucose in the fermentation broth may be reduced by step 5.
  • the concentration of glycerol or alcohol in the fermentation broth may be reduced by applying chromatography using an ion exchange resin (eg, Simulated Moving Bed (SMB) chromatography), which is achieved by using 3-HP obtained by the method of the present invention. It is an important factor affecting the quality of a product when performing polymer polymerization.
  • SMB Simulated Moving Bed
  • the mobile phase is injected together with the feed to obtain a fraction enriched in one or more 3-HP (fraction A) and a fraction enriched in one or more compounds other than 3-HP (fraction B).
  • Process 6 step of reducing ionic components in fermentation broth (precipitation and filtration)
  • a method for obtaining the compound of the present invention may include reducing the ionic component in the fermentation broth.
  • the fermentation broth of step 6 may be a treatment solution that has passed through steps of step 2 and/or step 3.
  • the fermentation broth of step 6 may be a treatment solution that has passed through at least one of steps 4, 5, 7, and 8 after passing through steps of step 2 and/or step 3.
  • the largest impurity in the fermentation broth in which glycerol and alcohol are reduced is the cation of the pH adjusting agent introduced for pH control in the step of preparing the fermentation broth.
  • the types of the cations can be various, and generally cations such as calcium and magnesium, but are not limited thereto. These cations, which exist in the form of various 3-HP salts through weak chemical bonds with 3-HP, can be efficiently removed in the form of precipitates through acid treatment.
  • a filter press, drum filter, etc. may be used, but is not limited thereto, and any general method capable of removing the precipitate may be used.
  • the pH of the solution can be reduced to about 1 to 3.
  • the pH may be reduced to about 1.5 to about 2.5, for example, the pH may be reduced to about 1.5 to 2.0.
  • Process 7 reducing ionic components in fermentation broth (electrodialysis and ion exchange)
  • a method for obtaining the compound of the present invention may include reducing the ionic component in the fermentation broth.
  • the fermentation broth of step 7 may be a treatment solution that has passed through steps of step 2 and/or step 3.
  • the fermentation broth of step 7 may be a treatment solution that has undergone one or more steps of steps 4 to 6 or 8 after passing through steps of step 2 and/or step 3.
  • a small amount of ions remaining after being removed in step 6 may be further removed in step 7.
  • processes such as electrodialysis, ion exchange, and SMB chromatography can be applied to separate and reduce ionic components remaining in the fermentation broth.
  • the ion may be a sulfate ion, a phosphate ion, a sodium ion, an ammonium ion, a calcium ion, a potassium ion, or a magnesium ion.
  • the ionic component is, for example, about 20,000 ppm or less, such as about 19,000 ppm or less, such as about 18,500 ppm or less, such as about 18,000 ppm or less, such as about 17,500 ppm or less, such as about 17,000 ppm or less, such as about 16,000 ppm or less, such as about 100 to about 100 ppm 15,500 ppm, such as about 150 to 15,000 ppm.
  • the concentration of the reduced ionic component may be, for example, greater than 0 ppm, such as greater than 10 ppm, such as greater than 20 ppm, such as greater than 50 ppm.
  • Process 8 Step of increasing 3-HP concentration in fermentation broth
  • the method for obtaining the compound of the present invention may include increasing the concentration of 3-HP in the fermentation broth in which the ionic component is reduced.
  • the fermentation broth of step 8 may be a treatment solution that has passed through steps of step 2 and/or step 3.
  • the fermentation broth of step 8 may be a treatment solution that has been subjected to one or more steps of steps 4 to 7 after passing through steps of step 2 and/or step 3.
  • the concentration of 3-HP may be increased in the treatment solution having reduced ionic components by using methods such as evaporation and concentration.
  • the concentration of 3-HP may be increased by evaporating and/or concentrating the fermentation broth from which components other than 3-HP are removed or the concentration is reduced.
  • the concentration of 3-HP may be increased by performing step 8 after steps 1 to 7, and in this case, the concentrated fermentation broth is in the form of an aqueous solution in which almost all impurities except water are removed, that is, 3-HP may be a solution.
  • the concentration of 3-HP in the concentrated fermentation broth in the form of an aqueous solution is, for example, 15 wt% or more, such as 16 wt% or more, such as 17 wt% or more, such as 18 wt% or more, such as 19 wt% or more, such as 20 wt% or more % or more.
  • the concentration of 3-HP in the concentrated fermentation broth in the form of an aqueous solution may be about 80 wt% or less.
  • evaporation and concentration may be performed by applying vacuum and/or heat, and the concentration of 3-HP may be adjusted by evaporating and removing water.
  • the step of increasing the concentration of 3-HP using vacuum distillation is, for example, about 20 mbar or less, such as about 25 mbar or less, such as about 30 mbar or less, such as about 50 mbar or less, such as about 70 mbar or less, such as about 80 mbar or less It can be performed below mbar.
  • the step of increasing the concentration of 3-HP using vacuum distillation is, for example, about 300 mbar or less, such as about 280 mbar or less, such as about 250 mbar or less, such as about 200 mbar or less, such as about 190 mbar or less, such as It can be performed below about 180 mbar.
  • the distillation may be performed using a falling film distillation device, a wiper type thin film evaporation device, a thin film evaporation device, a centrifugal molecular distillation device, a thin film rising evaporation device, etc., but is not limited thereto.
  • thermal recompression and mechanical recompression processes can be applied.
  • the method for obtaining the compound of the present invention may further include recovering 3-HP from the fermentation broth.
  • the fermentation broth of step 9 may be a treatment solution that has undergone one or more steps of steps 4 to 8 after passing through steps of step 2 and/or step 3.
  • 3-HP can be recovered in aqueous solution.
  • the method for obtaining the compound of the present invention can carry out all of the steps described above, can be carried out by selecting two or more steps, and can be carried out by selecting three or more steps. Further, the present invention may be practiced in any order with any selection of steps described herein. For example, the pH concentration in the fermentation broth may be increased after filtration, and filtration may be performed after increasing the pH concentration in the fermentation broth. In addition, the present invention may be carried out by adding other steps other than those described herein.
  • a 3-HP fermentation broth was prepared through batch fermentation in a medium using glycerol as a sole carbon source using recombinant E. coli.
  • it contained 100 g/L of 3-HP, 0.5 g/L of 1,3-PDO, and 0.3 g/L of acetic acid, and less than 0.1 g/L of glycerol. existed.
  • the fermentation broth was filtered through a porous polymer membrane to separate insoluble matter. As a result, it was possible to recover 91% of 3-HP (the amount of 3-HP in the filtered fermentation broth compared to the amount of 3-HP in the fermentation broth added before filtration) compared to the initial fermentation broth put into the membrane.
  • DI-WATER deionized water
  • the filtered fermentation broth prepared in Experimental Example 1 was concentrated to prepare about 30 w/w% 3-HP solution, which was used as Feed in Experimental Example 2.
  • the Feed contained 3-HP in the form of a calcium salt.
  • a 380ml glass column was filled with cation exchange resin, and 20ml of 30% 3-HP fermentation solution was pulsed with a metering pump, and DI-Water was used as an eluent to pass through the ion exchange resin column from bottom to top at 10 ml/min. .
  • Samples of 10 ml each of the liquid passing through the column were taken and analyzed by liquid chromatography (single column chromatography at 50 °C and space velocity of 1 hr -1 ).
  • the filtered fermentation broth prepared in Experimental Example 1 was subjected to a concentration process to make about 20 w/v% 3-HP solution and used as Feed for Experimental Example 3.
  • the Ca ion concentration was about 40,000ppm
  • the concentration of 3-HP in the Feed was 213 g/L.
  • the progress of the precipitation reaction was confirmed by monitoring pH and electrical conductivity. After the precipitation process, the concentration of Ca ions in the filtrate was confirmed to be 500 ppm or less (FIG. 4).
  • the filtered fermentation broth made in Experimental Example 1 was used as Feed for Experimental Example 5 through the same treatment as in Experimental Example 3.
  • the ion content in the Feed was about 16,600 ppm. Since the concentration of the ion to be treated is 3000 ppm or more, it is preferable to remove the main ion component by applying electrodialysis or SMB chromatography to efficiently remove the ion component. Ionic components in the fermentation broth may be removed using only one process among electrodialysis, ion exchange, and SMB chromatography, but it is advantageous in terms of reducing wastewater generation and operating costs to increase the efficiency of ion removal through a combination of two or more processes. it was expected
  • the present invention relates to a method for obtaining a compound by removing at least a portion of insoluble substances or macromolecules from a fermentation broth and then performing one or more of the following steps (a) to (c), and recovering the desired compound:

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Abstract

본 발명은 발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 하기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행하고, 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 방법에 대한 것이다: (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계 (b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계; (c) 발효액 내 이온 성분의 농도를 감소시키는 단계.

Description

발효액으로부터 목적한 화합물을 수득하는 방법
본 발명은 발효액으로부터 목적한 화합물을 수득하는 방법에 대한 것이다.
3-하이드록시프로피온산(3-HP)은 화학적 합성 공정과 미생물 발효 공정을 통하여 생산할 수 있으며, 최근 대장균, 클렙시엘라와 같은 박테리아를 이용하여 3-HP를 생산하는 방법이 연구되고 있다. 예컨대, 한국공개특허 10-2020-0051375 호에는 특정 유전자로 형질전환된 미생물을 이용하여 3-HP를 생산하는 기술이 개시되어 있다.
본 발명은 미생물 배양에 의하여 생성된 3-HP를 포함하는 발효액으로부터 3-HP를 분리하여 수득하는 방법에 대한 것이다.
본 발명의 목적은 발효액으로부터 목적한 화합물을 수득하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 하기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행하고, 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 방법을 제공한다:
(a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계
(b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계;
(c) 발효액 내 이온 성분의 농도를 감소시키는 단계.
본 발명의 방법에 의하여 발효액으로부터 목적한 화합물을 높은 수율로 분리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 화합물 수득 방법을 보여주는 모식도이다.
도 2는 발효액을 미세여과기를 통해 불용성 물질을 분리한 시험 결과이다.
도 3은 단일 컬럼 크로마토그래피를 통하여 발효액 내 3-HP, 1,3-프로판다이올 및 글리세롤의 피크를 확인한 결과이다.
도 4는 발효액 내 칼슘 이온을 침전시켜 제거하는 과정을 보여준다.
도 5는 이온 교환에 따른 발효액 내 이온 농도의 변화를 보여준다.
도 6은 이온 교환을 통해 발효액 내 이온을 제거하는 과정을 보여준다.
도 7은 전기투석을 통하여 발효액 내 이온을 제거하는 과정을 보여준다.
본 발명은,
발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 하기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행하고, 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 방법:
(a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계
(b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계;
(c) 발효액 내 이온 성분의 농도를 감소시키는 단계에 대한 것이다.
이때, 상기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행 시 임의의 단계를 2번 이상 반복할 수 있다.
상기 단계 (a)는 증발, 농축 및 증류로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 통하여 수행할 수 있다.
상기 단계 (c)는 하기 (c)' 또는 (c)''에 의하여 수행할 수 있다:
(c)' : 발효액에 산 처리를 하여 이온 성분을 침전시킨 후 제거하는 공정
(c)'' : 발효액을 전기투석, 이온교환 및 크로마토그래피로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리하는 공정.
상기 불용성 물질은 세포를 포함할 수 있으며, 상기 거대분자는 단백질, 다당류 또는 지질류일 수 있다. 이때 발효액으로부터 불용성 물질의 적어도 일부를 제거하거나, 거대분자의 적어도 일부를 제거하거나, 불용성 물질의 적어도 일부 및 거대분자의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 이때, 발효액으로부터 불용성 물질의 적어도 일부를 제거한 후, 거대분자의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 또는 이때, 발효액으로부터 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후, 불용성 물질의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 상기 목적한 화합물은 미생물 발효에 의하여 생성된 유기산일 수 있으며, 바람직하게는 3-하이드록시프로피온산(3-HP)일 수 있다. 상기 (b)의 상기 탄소원은 글리세롤 또는 글루코스일 수 있다. 상기 (b)의 상기 알코올은 미생물 발효에 의하여 생성된 알코올일 수 있으며, 예컨대 1,3-프로판다이올 등일 수 있다.
본 발명의 바람직한 한 구현예에서, 본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액으로부터 불용성 물질의 적어도 일부를 제거하고, 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 첫 번째로 (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키고, (b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키고, (c)' : 발효액에 산 처리를 하여 이온 성분을 침전시킨 후 제거한 후 (c)'' : 발효액을 전기투석, 이온교환 및 크로마토그래피로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리하고, 두 번째로 (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시킨 후 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하여 수행할 수 있다.
상기 발효액은 하기 공정 1: 발효액 준비 단계에 의하여 준비된 발효액일 수 있다.
상기 발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거하는 단계는 하기 공정 2: 불용성 물질의 분리 단계 또는 하기 공정 3: 거대분자 제거 및 탈색 단계일 수 있다.
상기 첫 번째로 (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계는 하기 공정 4: 발효액 내 3-HP의 농도를 증가시키는 단계일 수 있다.
상기 (b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계는 하기 공정 5: 발효액 내 글리세롤 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계일 수 있다.
상기 (c)' : 발효액에 산 처리를 하여 이온 성분을 침전시킨 후 제거하는 단계는 하기 공정 6: 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계(침전 및 여과)일 수 있다.
상기 (c)'' : 발효액을 전기투석, 이온교환 및 크로마토그래피로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리하는 단계는 하기 공정 7: 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계(전기투석 및 이온교환)일 수 있다.
상기 두 번째로 (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계는 하기 공정 8 : 발효액에서 3-HP 농도를 증가시키는 단계일 수 있다.
상기 목적한 화합물을 회수하는 단계는 하기 공정 9: 회수 단계일 수 있다.
공정 1: 발효액 준비 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액 준비 단계를 포함할 수 있다. 상기 발효액은 미생물을 이용하여 발효시킨 발효액(발효 브로스), 즉 배양액일 수 있다. 상기 배양액은 3-HP 및 그 염 외 다른 성분들을 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 배양액은 3-HP의 칼슘 염을 포함할 수 있다. 상기 다른 성분들은 미생물 배양에 사용된 탄소원(예컨대, 글리세롤 등), 유기산(예컨대 아세트산 등), 염(예컨대, 황산염, 인산염 등), 알코올(예컨대 다이올), 당, 칼슘 등일 수 있다.
상기 발효액 내 3-HP 또는 그 염의 농도는 예컨대, 약 10,000 내지 200,000 ppm, 예컨대 약 12,000 내지 190,000 ppm, 예컨대 약 15,000 내지 180,000 ppm, 예컨대 약 20,000 내지 150,000 ppm, 예컨대 약 25,000 내지 130,000 ppm, 예컨대 약 30,000 내지 110,000 ppm일 수 있다. 구현예에서, 상기 발효액 내 3-HP 또는 그 염의 농도는 예컨대, 약 10,000 ppm 이상, 예컨대 약 12,000 ppm 이상, 예컨대 약 15,000 ppm 이상, 예컨대 약 20,000 ppm 이상, 예컨대 약 25,000 ppm 이상, 예컨대 약 30,000 ppm 이상일 수 있다. 구현예에서, 상기 발효액 내 3-HP 또는 그 염의 농도는 예컨대, 200,000 ppm 이하, 예컨대 약 190,000 ppm 이하, 예컨대 약 180,000 ppm 이하, 예컨대 약 150,000 ppm 이하, 예컨대 약 130,000 ppm 이하, 예컨대 약 110,000 ppm 이하일 수 있다.
이때 상기 발효액의 pH를 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. pH는 산 또는 알칼리를 상기 발효액에 처리하여 조절할 수 있다. 상기 산 또는 알칼리의 종류는 특별히 제한되지 않으며 발효액의 pH 조절 시 사용하는 통상적인 산 또는 알칼리를 사용할 수 있다. 예컨대 이때 목적하는 pH는 3-HP와 분리하고자 하는 화합물들의 종류 및 이후의 분리공정의 방법에 따라 다르게 적절히 조절할 수 있다.
공정 2: 불용성 물질의 분리 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액으로부터 불용성 물질의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 발효액은 공정 1에서 준비한 발효액 또는 공정 1 및 3을 거친 발효액, 즉 처리액일 수 있다. 상기 불용성 물질은 미생물, 즉, 세포, 고형물 등일 수 있다.
상기 불용성 물질의 분리는 원심분리기, 여과 공정 등을 이용하여 수행할 수 있으나 특별히 제한되지 않는다. 이로써 발효액으로부터 미생물, 즉 세포가 분리될 수 있다.
예를 들면, 미세여과를 통해 미생물 및 발효액 내 고형물이 제거될 수 있다. 미세여과는 0.04 내지 5 ㎛ 의 기공크기를 갖는 고분자 또는 세라믹 멤브레인에 상기 발효액을 통과시켜 수행될 수 있다. 이 때, 미세여과 조업은 플럭스(Flux) (멤브레인의 단위 면적 및 단위 시간 당 처리량)가 감소하는 경향에 따라 2 단계 이상으로 구성될 수 있다. 한 구현예에서, 플럭스가 현저히 저하되는 시점에서 회수율 증가를 위해 발효액에 추가로 물을 투입할 수 있다.
공정 3: 거대분자 제거 및 탈색 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액으로부터 거대분자의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발효액으로부터 거대분자의 적어도 일부를 분리하는 단계는 발효액에서 거대분자를 제거하고 탈색하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 발효액은 공정 1에서 준비한 발효액 또는 공정 1 및 2의 단계를 거친 발효액, 즉 처리액일 수 있다. 상기 거대분자는 단백질, 다당류, 지질류 등이 될 수 있다.
한 구현예에서, 상기 거대분자 제거 및 탈색 단계는 상기 발효액에 활성탄 및 여과 보조제를 혼합한 후 여과하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 한 구현예에서, 미생물이 제거된 발효액에 활성탄 및 여과 보조제(규조토, 백토 등)을 혼합한 후 여과(예컨대 필터프레스 등)하여 거대분자 제거 및 탈색 효과를 얻을 수 있다. 상기 여과는 통상 사용될 수 있는 분말입자의 여과 방법 (예컨대, 필터프레스, 드럼필터, 캔들필터, 리프필터 등)을 사용할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
활성탄 첨가를 통해 일부 단백질, 다당류 등의 거대분자를 제거함으로써 이후 3-HP 농도를 증가시키는 과정에서 발생 가능한 점착성 물질의 발생을 억제할 수 있다. 활성탄의 적용은 분말 활성탄뿐만 아니라 입상 활성탄의 적용도 가능하다. 예를 들어, 발효액 중량 대비 0.1 내지 2 wt%의 분말 활성탄을 첨가한 후 30 내지 80 ℃의 조건으로 1 내지 5시간 교반 후 여과함으로써 발효액의 색을 제거할 수 있었다. 1.5%의 분말활성탄을 발효액에 혼합한 후 40 ℃에서 1시간 교반 후 여과시 발효액의 APHA(American Public Health Association) 컬러 값은 2.7이 되었다. 또한, 입상 활성탄을 발효액 중량 대비 5 내지 15 %의 질량 분율로 적용시 분말 활성탄과 유사한 탈색 성능을 기대할 수 있으며, 이 경우 경제성 확보를 위해 스팀 등을 이용한 활성탄의 재생 시스템을 같이 갖추어야 할 필요가 있다.
또다른 구현예에서, 상기 거대분자 제거 및 탈색 단계는 상기 처리액의 막분리를 통해 수행할 수 있다. 이때 상기 막분리 방식은 한외 여과(ultrafiltration) 또는 나노 여과 등일 수 있으며, 이 경우 추가의 탈색 공정 없이 거대분자 제거 및 탈색 효과를 얻을 수 있다.
이때, 한외여과는 5000 내지 100,000 Da의 MWCO(Molecular Weight of Cut-Off)를 갖는 한외여과막을 적용한 후 150 내지 300 Da 의 나노여과막을 적용함으로써 3-HP 염의 손실은 최소화하면서 단백질, 다당류, 지질류 등의 거대분자만을 제거할 수 있다.
공정 4: 발효액 내 3-HP의 농도를 증가시키는 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액 내 3-HP의 농도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때 공정 4의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 또는 공정 4의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3을 거친 후 공정 5 내지 8 중 하나 이상의 단계를 거친 발효액을 거친 처리액일 수 있다, 이때, 발효액 내 액체의 적어도 일부를 증발시키거나, 또는 농축시키는 등의 방법에 의하여 3-HP의 농도를 증가시킬 수 있다. 이때 발효액 1L 당 100 내지 500 g의 3-HP 당량으로 농도를 증가시킬 수 있다. 이때 농도 증가는 압력 조절을 수반할 수 있으며, 적절한 압력 하 수행할 수 있고, 예컨대 절대압력 기준 약 20 내지 300 mbar, 예컨대 약 25 내지 280 mbar, 예컨대 약 30 내지 250 mbar, 예컨대 약 50 내지 200 mbar, 예컨대 약 70 내지 190 mbar, 예컨대 약 80 내지 180 mbar에서 수행할 수 있다. 한 구현예에서 상기 농도 증가 단계는 예컨대 약 20 mbar 이하, 예컨대 약 25 mbar 이하, 예컨대 약 30 mbar 이하, 예컨대 약 50 mbar 이하, 예컨대 약 70 mbar 이하, 예컨대 약 80 mbar 이하에서 수행할 수 있다. 한 구현예에서 상기 농도 증가 단계는 예컨대 약 300 mbar 이하, 예컨대 약 280 mbar 이하, 예컨대 약 250 mbar 이하, 예컨대 약 200 mbar 이하, 예컨대 약 190 mbar 이하, 예컨대 약 180 mbar 이하에서 수행할 수 있다.
예를 들어, 50 mbar 감압조건에서 Rotary evaporator의 Bath 온도 조건을 50 ℃로 유지하며 3-HP의 농도가 500g/L 이상이 될 때까지 농축할 수 있었다. 400 g/L 이상의 농도 조건에서는 농축 종료 후 온도 저하에 따라 3-HP 칼슘 염의 결정이 생성되는 것을 확인할 수 있었으며 그 이상의 농도 증가에 따라 농축 과정에서도 결정이 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
공정 5: 발효액 내 글리세롤 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액 내 글리세롤 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때 공정 5의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 또는 공정 5의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 후, 추가로 공정 4, 또는 공정 6 내지 8 중 하나 이상의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 상기 글리세롤은 미생물 배양 시 사용하였던 탄소원일 수 있고, 상기 알코올은 1,3-프로판다이올(1,3-PDO) 등과 같은, 미생물의 배양 산물일 수 있다. 탄소원으로 글루코스가 사용되는 경우, 공정 5에 의하여 발효액 내 글루코스의 농도가 감소될 수 있다. 이때, 이온교환수지를 이용한 크로마토그래피(예컨대 SMB(Simulated Moving Bed) 크로마토그래피)를 적용하여 발효액 내 글리세롤 또는 알코올의 농도를 감소시킬 수 있으며, 이는 본 발명의 방법으로 수득된 3-HP를 이용하여 고분자 중합을 수행할 경우 제품의 품질에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 크로마토그래피 또는 SMB 크로마토그래피를 이용하는 경우 이동상을 Feed와 함께 주입하여 1 개 이상의 3-HP가 풍부한 분획(분획 A)과 1 개 이상의 3-HP가 아닌 다른 화합물이 풍부한 분획(분획 B)을 수득할 수 있다.
공정 6: 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계(침전 및 여과)
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때 공정 6의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 또는 공정 6의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 후, 공정 4, 5, 7 및 8 중 하나 이상의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 한 구현예에서, 상기 공정 5를 수행하는 경우, 글리세롤 및 알코올이 저감된 발효액 중 가장 큰 불순물은 발효액을 제조하는 단계에서 pH 조절을 위해 유입된 pH 조절제의 양이온이다. 분리 정제 공정에 따라 상이한 pH 조절제 사용이 가능하기 때문에 상기 양이온의 종류는 여러가지가 될 수 있으며, 일반적으로는 칼슘, 마그네슘 등의 양이온이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 3-HP와 약한 화학적 결합을 통해 다양한 3-HP 염 형태로 존재하는 이러한 양이온은 산 처리를 통해 침전물의 형태로 효율적으로 제거될 수 있다. 침전물의 제거는 필터프레스, 드럼필터 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 침전물을 제거할 수 있는 일반적인 방법이면 사용할 수 있다. 이러한 산 처리 과정을 통해 용액의 pH는 약 1 내지 3으로 감소될 수 있다. 예컨대 pH를 약 1.5 내지 약 2.5로 감소시킬 수 있고, 예컨대 pH를 약 1.5 내지 2.0으로 감소시킬 수 있다.
공정 7: 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계(전기투석 및 이온교환)
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액에서 이온 성분을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때 공정 7의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 또는 공정 7의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 후, 추가로 공정 4 내지 6, 또는 8 중 하나 이상의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 한 구현예에서, 공정 6에서 제거되고 남은 소량의 이온이 공정 7에서 추가로 제거될 수 있다. 공정 7에서는 전기투석, 이온교환, SMB 크로마토그래피와 같은 공정을 적용하여 발효액에 잔류하는 이온 성분을 분리, 저감할 수 있다. 상기 이온은 황산 이온, 인산 이온 및 나트륨 이온, 암모늄 이온, 칼슘 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온 등일 수 있다. 이때 이온 성분을 예컨대 약 20,000 ppm 이하, 예컨대 약 19,000 ppm 이하, 예컨대 약 18,500 ppm 이하, 예컨대 약 18,000 ppm 이하, 예컨대 약 17,500 ppm 이하, 예컨대 약 17,000 ppm 이하, 예컨대 약 16,000 ppm 이하, 예컨대 약 100 내지 15,500 ppm, 예컨대 약 150 내지 15,000 ppm으로 감소시킬 수 있다. 한 구현예에서 감소된 이온 성분의 농도는 예컨대 0 ppm 초과, 예컨대 10 ppm 초과, 예컨대 20 ppm 초과, 예컨대 50 ppm 초과일 수 있다.
공정 8 : 발효액에서 3-HP 농도를 증가시키는 단계
본 발명의 화합물의 수득 방법은 이온 성분이 감소된 발효액에서 3-HP 농도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때 공정 8의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 또는 공정 8의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 후, 추가로 공정 4 내지 7 중 하나 이상의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 이때, 증발, 농축 등의 방법을 이용하여 이온 성분이 감소된 처리액에서 3-HP의 농도를 높일 수 있다.
한 구현예에서, 3-HP 외 다른 성분을 제거 또는 농도를 낮춘 발효액을 증발, 및/또는 농축하여 3-HP의 농도를 증가시킬 수 있다. 한 구현예에서, 공정 1 내지 7을 거친 후 공정 8을 수행하여 3-HP의 농도를 증가시킬 수 있으며, 이 경우 농축된 발효액은 물을 제외한 거의 모든 불순물이 제거된 수용액 형태, 즉 3-HP 용액일 수 있다. 이 경우, 수용액 형태인 농축된 발효액의 3-HP의 농도는 예컨대, 15 wt% 이상, 예컨대 16 wt% 이상, 예컨대 17 wt% 이상, 예컨대 18 wt% 이상, 예컨대 19 wt% 이상, 예컨대 20 wt% 이상 일 수 있다. 이때 수용액 형태인 농축된 발효액의 3-HP의 농도는 약 80 wt% 이하일 수 있다. 이때 증발, 농축은 진공 및/또는 열을 적용하여 수행할 수 있으며, 물을 증발시켜 제거함으로써 3-HP의 농도를 조절할 수 있다.
예컨대, 진공 증류를 이용하여 발효액을 증류하여 3-HP의 농도를 높이는 단계를 수행하는 경우, 예컨대 절대압력 기준 약 10 내지 300 mbar, 예컨대 약 25 내지 280 mbar, 예컨대 약 30 내지 250 mbar, 예컨대 약 50 내지 200 mbar, 예컨대 약 70 내지 190 mbar, 예컨대 약 80 내지 180 mbar 에서 수행할 수 있다. 구현예에서 진공 증류를 이용하여 3-HP의 농도를 높이는 단계는 예컨대 약 20 mbar 이하, 예컨대 약 25 mbar 이하, 예컨대 약 30 mbar 이하, 예컨대 약 50 mbar 이하, 예컨대 약 70 mbar 이하, 예컨대 약 80 mbar 이하에서 수행할 수 있다. 한 구현예에서 진공 증류를 이용하여 3-HP의 농도를 증가시키는 단계는 예컨대 약 300 mbar 이하, 예컨대 약 280 mbar 이하, 예컨대 약 250 mbar 이하, 예컨대 약 200 mbar 이하, 예컨대 약 190 mbar 이하, 예컨대 약 180 mbar 이하에서 수행할 수 있다.
상기 증류는 유하막 증류 장치, 와이퍼식 박막 증발 장치, 박막 증발 장치, 원심 분자 증류 장치, 박막 상승식 증발 장치 등을 이용하여 수행할 수 있으나 이에 제한되지 않으며 다중 효용관으로 구성될 수 있으며 에너지 효율화를 위해 열적 재압축, 기계적 재압축 공정을 적용할 수 있다.
공정 9: 회수
본 발명의 화합물의 수득 방법은 발효액으로부터 3-HP를 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이때 공정 9의 상기 발효액은 공정 2 및/또는 공정 3의 단계를 거친 후, 추가로 공정 4 내지 8 중 하나 이상의 단계를 거친 처리액일 수 있다. 3-HP는 수용액 상태로 회수될 수 있다.
본 발명의 화합물의 수득 방법
본 발명의 화합물의 수득 방법은 상기 기재된 단계들 전부를 실시할 수 있고, 2 이상의 단계들을 선택하여 실시할 수 있으며, 3 이상의 단계들을 선택하여 실시할 수 있다. 또한 본 발명은 여기에 기재된 단계들을 임의로 선택하여 임의의 순서대로 실시할 수 있다. 예컨대, 여과 후 발효액 내 pH 농도를 증가시킬 수 있고, 발효액 내 pH 농도를 증가시킨 후 여과를 수행할 수 있다. 또한 본 발명은 여기에 기재된 단계들 외 또다른 단계들을 추가하여 수행할 수도 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
<실험예 1> 공정 2: 불용성 물질의 분리 시험
재조합 대장균을 이용해 글리세롤을 유일 탄소원으로 하는 배지에서 배치 발효를 통해 3-HP 발효액을 제조하었다. 발효액의 상등액을 액체 크로마토그래피 법을 이용하여 분석한 결과, 3-HP 100g/L, 1,3-PDO 0.5 g/L, 아세트산 0.3 g/L가 포함되어 있었으며, 글리세롤은 0.1 g/L 이하로 존재하였다.
상기 발효액을 다공성 고분자 막으로 여과를 하여 불용성 물직을 분리하였다. 그 결과, 상기 막에 넣어준 초기 발효액 대비 91%의 3-HP(여과전 투입된 발효액의 3-HP량 대비 여과된 발효액 내 3-HP량)를 회수할 수 있었다.
그 후 여과를 하고 남은 발효액에 초기 발효액 용량(부피 기준) 대비 약 10%의 DI-WATER (deionized water)를 투입하고 교반한 후, 다시 여과를 수행하였다. 이는 여과 장치 내에 구동을 위한 DEAD VOLUME (장비 가동을 위해 필요한 공간, 여기에 있는 발효액은 여과되지 못함)이 존재하기 때문에 위와 같은 추가의 물 투입 및 뒤이은 여과 과정이 추가로 필요하기 때문이다.
그 결과, 초기 발효액 내 포함된 3-HP량 대비 96.7 %까지 3-HP의 회수율을 증가시킨 수 있었다. 즉, 초기 대비 여과액을 91%까지 회수한 후 일정량의 물을 추가 투입한 후 다시 여과액을 추가로 생산함으로써 96.7 %까지 3-HP의 회수율을 증가시킬 수 있다(도 2).
<실험예 2> 공정 5: 단일 컬럼 크로마토그래피를 통한 1,3-프로판다이올 및 글리세롤 피크의 확인
상기 실험예 1에서 제조된 여과된 발효액을 농축하여, 약 30 w/w% 3-HP액을 제조하고, 그것을 실험예 2의 Feed로 사용하였다. 확인 결과 상기 Feed에는 3-HP가 칼슘 염 형태로 포함되어 있었다. 380ml 유리 칼럼에 양이온교환수지를 가득 채우고 정량펌프로 30% 3-HP 발효액 20ml를 펄스로 채워주고 DI-Water를 eluent로 사용하여 10 ml/min으로 아래쪽에서 위쪽 방향으로 이온교환교환수지 칼럼을 통과시켰다. 칼럼을 통과한 액을 10ml씩 샘플을 채취하여 액체 크로마토그래피법으로 분석하였다(단일 컬럼 크로마토그래피로 50 ℃ 조건에서 공간속도 1 hr-1 로 처리함).
그 결과, 1,3-PDO와 글리세롤의 피크가 3-HP의 테일(tail) 부근에 유사하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다(도 3). 그러므로 3-HP염과 수지와의 반발력을 이용하여 SMB 크로마토그래피를 통해 3-HP를 1,3-PDO 및 글리세롤와 분리하는 것이 가능할 것으로 유추할 수 있다.
한편, 동일한 이온교환수지와 3인치 지름의 컬럼을 적용하여 SMB 크로마토그래피 실험을 진행하였다. 3-HP를 포함하는 발효액을 한외 여과 및 농축하여 제조한 3-HP 300 g/L의 Feed가 SMB 장치에 주입되었으며 Feed의 온도를 25 내지 50 ℃ 수준으로 유지하면서 용리제(Eluent)(물)를 Feed 대비 1 내지 3 배의 비율(중량 기준)로 주입하면서 Extract와 Raffinate 흐름의 비율(=E/R ratio)을 0.1 내지 5.0 사이로 조절함으로써 Raffinate 흐름에서의 글리세롤과 1.3-프로판다이올을 30 ppm 이하로 제거할 수 있으며, Raffinate에서의 3-HP 농도는 70 g/L 내지 250 g/L 였다. 또한, 1.3-프로판다이올의 잔류량을 50 ppm 수준으로 높일 경우 99.4%의 회수율(Feed로 주입된 3-HP량 대비 Raffinate로 나오는 3-HP량)을 달성할 수 있었다.
<실험예 3> 공정 6: 칼슘 이온 제거 시험
상기 실험예 1에서 제조된 여과된 발효액을 농축 과정을 거쳐 약 20 w/v% 3-HP액을 만들어 실험예 3의 Feed로 사용하였다. Feed를 이온크로마토그래피법으로 분석한 결과, Ca 이온 농도가 약 40,000ppm 존재하며, Feed 내 3-HP의 농도는 213 g/L 이었다.
상기 Feed(3-HP 발효액) 1300g을 유리비커에 넣은 후 15% 황산 용액 약 870g을 정량 펌프를 사용하여 30 mL/min 속도로 넣어주고 200rpm으로 교반해 주었다. 황산 용액을 모두 넣어준 후 약 1시간 정도 더 교반해 주었다. 생성된 흰색의 황산칼슘 입자를 0.2마이크로 필터로 진공 여과해 주었다.
그 결과, 130 g/L의 3-HP가 포함되고, Ca 이온이 대부분 제거된, pH 2 내지 3의 여과액을 얻을 수 있었다. 여과지 상단에는 젖은 상태의 흰색 고형물이 약 290g 남아있었다. 흰색 고형물은 수분이 약 40 중량% 이상 함유된 석고(Gypsum)이다.
침전반응의 진행은 pH 와 전기전도도를 모니터링 함으로써 확인할 수 있었다. 침전 과정이 끝난 후 여과액 내 Ca 이온의 농도는 500 ppm 이하 수준으로 확인되었다(도 4).
<실험예 4> 공정 7: 이온교환 시험
실험예 3을 통해 pH가 낮아진 발효액 중 3-HP는 비해리산의 형태로 존재하고 이온교환수지 처리를 통해 발효액 중 잔류하고 있는 이온을 추가로 제거할 수 있다. 상기 실험예 1에서 제조된 여과된 발효액을 실험예 3과 같이 황산반응을 통해 칼슘을 제거한 후 이온 함량이 약 16,600 ppm 인 Feed를 만들어 실험예 4의 Feed로 사용하였다. 그 결과, Feed 250 mL 를 양이온 교환수지 65 mL, 음이온 교환수지 40mL에 5mL/min의 유속으로 주입하여 통과시킬 경우 3-HP와 기타 비해리 형태의 유기산은 이온교환수지를 통과해 나오고 최종 이온 농도는 약 200 ppm 수준으로 확인되었다(도 5). 그러므로 이온교환수지 통과 과정에서 3-HP회수를 위해 투입된 물의 양 때문에 3-HP의 농도는 최초 125 g/L에서 75 g/L 로 감소하였으나 이를 감안하더라도 Feed 내 이온의 98% 제거가 가능함을 확인하였다(도6).
상기 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지를 1회 통과시키는 1단계 이온교환으로 제거되지 않은 이온들이 있었는데, 이러한 이온들은 2가 양이온(Mg, Ca)들과 칼륨이었으며 이는 추가적인 소량의 양이온 교환수지 처리를 통해 제거될 수 있을 것이다.
<실험예 5> 공정 7: 전기투석 시험
실험예 1에서 만들어진 여과된 발효액을 실험예 3과 같은 처리과정을 거쳐 실험예 5의 Feed로 사용하였다. 상기 Feed 내 이온 함량은 약 16,600 ppm이었다. 처리대상인 이온의 농도가 3000 ppm 이상이므로 효율적인 이온 성분 제거를 위해서는 전기투석 또는 SMB 크로마토그래피를 적용하여 주요한 이온성분을 제거하는 것이 바람직하다. 발효액 내 이온 성분은 전기투석, 이온교환, SMB 크로마토그래피 중 어느 한 공정만으로 제거할 수도 있으나, 바람직하게는 둘 이상의 공정들의 조합을 통해 이온 제거의 효율성을 높이는 것이 폐수의 발생이나 운영비 저감 측면에서 유리할 것으로 예상되었다.
상기 이온 함량이 약 16,600 ppm 인 Feed 1L를 불균질 이온교환막(10 set: 양이온교환막과 음이온교환막 10장을 교대로 적층함)이 장착된 전기 투석 장치를 사용하여 발효액 내 잔류하는 이온성 물질을 제거하였다. 발효액은 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이를 흐르고 그 유량은 0.6 GPM(2.27 LPM)이다. 이온교환막 사이에는 8V의 전압이 하전되었다. 발효액 내 이온량의 변화는 발효액의 전기 전도도의 변화를 통해서 알 수 있다. 4시간 동안 전기 투석을 수행한 결과 발효액의 전기 전도도는 21.37mS/cm에서 1.35mS/cm로 하락하였다. 이것으로 95% 정도의 이온의 제거가 가능한 것을 확인하였다(도 7)
본 발명은 발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 하기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행하고, 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 방법에 대한 것이다:
(a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계
(b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계;
(c) 발효액 내 이온 성분의 농도를 감소시키는 단계.

Claims (13)

  1. 발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 하기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행하고, 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 방법:
    (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키는 단계
    (b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키는 단계;
    (c) 발효액 내 이온 성분의 농도를 감소시키는 단계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 내지 (c) 중 하나 이상의 단계를 수행 시 임의의 단계를 2번 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 증발, 농축 및 증류로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 통하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 하기 (c)' 또는 (c)''에 의하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (c)' : 발효액에 산 처리를 하여 이온 성분을 침전시킨 후 제거하는 공정
    (c)'' : 발효액을 전기투석, 이온교환 및 크로마토그래피로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리하는 공정.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 (c)''의 크로마토그래피는 SMB(Simulated Moving Bed) 크로마토그래피인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 불용성 물질은 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 거대분자는 단백질, 다당류 또는 지질류인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 목적한 화합물은 미생물 발효에 의하여 생성된 유기산인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 탄소원은 글리세롤 또는 글루코스인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 알코올은 미생물 발효에 의하여 생성된 알코올인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 알코올은 1,3-프로판다이올인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 발효액을 SMB(Simulated Moving Bed) 크로마토그래피에 적용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    발효액으로부터 불용성 물질 또는 거대분자의 적어도 일부를 제거한 후 (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시키고, (b) 발효액 내 잔여 탄소원 또는 알코올의 농도를 감소시키고, (c)' : 발효액에 산 처리를 하여 이온 성분을 침전시킨 후 제거한 후 (c)'' : 발효액을 전기투석, 이온교환 및 크로마토그래피로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리하고, (a) 발효액 내 목적한 화합물의 농도를 증가시킨 후 목적한 화합물을 회수하여 화합물을 수득하는 것을 특징으로 하는 방법.
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