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문제 정의
- 특히 효모 미생물은 알코올 발효공정에서 기질의 농도가 너무 높을 때 성장에 제한을 받으므로 농축한 단수수 착즙액으로부터 효율적인 발효를 위해서는 당농도의 최적화가 선행되어야 한다. 또한 효모발효에서 통기조건이 알코올 생산에 영향을 미치므로(6) 본 연구에서는 단수수 농축액의 농도, 산소공급량 및 산소공급시간을 최적화하였다.
- 본 연구에서는 단수수 착즙액을 농축한 고농도의 단수수액을 최대 발효 가능한 당 농도를 탐색하여 에탄올 생산 효율을 최적화하였다. 또한 효모는 당을 소화하여 균체를 성장시킬 뿐만 아니라 동시에 에탄올과 이산화탄소를 생산하므로 배지내 산소량에 따라 에탄올 생산량에 영향을 미치는 것으로 확인하였다.
제안 방법
- 공급산소는 0.2µm 필터로 여과하여 생물반응기에 주입하였으며 발효를 위한 온도, pH, 및 교반속도는 각각 33℃, pH 5.0, 150RPM이었다.
- 농축한 단수수 착즙액은 고압멸균기로 121℃, 15분 멸균하여 발효기질로 사용하였으며, Table 1의 조성에 따라 단수수 농도를 조절 한 후 5L 생물반응기(Fermentec사 Korea)에 발효액 2L를 넣고 발효를 수행하였다. 이때 종균은 10%를 접종하였다.
- 단수수 발효액내의 에탄올 농도는 Gas chromatography (Agilent 6890N, USA)로 측정하였고 분석 컬럼은 HP-INNOWX 19091N-213(Agilent사, USA)이며, 검출기는 Flame ionization detector(FID, Agilent사, USA)를 사용하였다. 분석조건은 주입구와 검출구의 온도는 각 210℃이며, 오븐온도는 180℃ 이었고, carrier gas는 He을 사용하여 15mL/min의 유속으로 공급하였다.
- 효모발효 균주를 이용하여 농축한 단수수착즙액으로부터 에탄올 생산을 위한 발효조건을 반응표면분석법(RSM)으로 성공적으로 최적화하였다. 모델최적화는 RSM의 중심합성계획기법(CCD)을 적용하여 2차 다항식 모델에 19가지 조건으로 실험한 에탄올 수율결과를 도입하여 회귀계수 및 독립변수를 최적화하였다.
- 예측된 최대 에탄올 수율의 모델의 타당성을 확인하기 위해 유효성 검정 실험을 실시하였다. 발효실험은 최적화실험에 사용한 조건과 동일한 조건에서 72시간동안 수행하였다. 또한 반응표면분석법에 의해 도출한 최적 변수조건을 사용하였으며, 초기 당농도는 21.
- 본 연구에서는 반응표면분석법의 중심합성계획법(CCD)을 이용하여 효모발효 공정의 당농도, 산소공급시간 및 산소공급량을 최적화하였고, Table 1에 실험 인자(Xi)와 코드화된 레벨 및 실험범위를 나타내었다.
- 에탄올 발효는 5L 생물반응기에서 수행하였으며, 발효조건은 33℃, 150RPM, pH 5.0 그리고 산소공급은 압축공기를 0.2µm 필터로 여과하여 반응기에 주입되며 모든 변수들은 HMI 시스템으로 제어하였다.
- 에탄올 발효조건 최적화를 위해 19가지 조건의 발효 실험을 수행하였고, Table 2에 변수 X1, X2, X3에 대한 실험설계와 설계조건에 따라 발효실험을 수행하고 얻은 발효수율 결과를 나타내었다. Table 2의 에탄올수율은 식 (3)에 따라 계산하였다.
- 예측된 최대 에탄올 수율의 모델의 타당성을 확인하기 위해 유효성 검정 실험을 실시하였다. 발효실험은 최적화실험에 사용한 조건과 동일한 조건에서 72시간동안 수행하였다.
- 효모발효 균주를 이용하여 농축한 단수수착즙액으로부터 에탄올 생산을 위한 발효조건을 반응표면분석법(RSM)으로 성공적으로 최적화하였다. 모델최적화는 RSM의 중심합성계획기법(CCD)을 적용하여 2차 다항식 모델에 19가지 조건으로 실험한 에탄올 수율결과를 도입하여 회귀계수 및 독립변수를 최적화하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 단수수 착즙액은 한국산 무안재래종을 착즙하여 사용하였다. 2009년 전남 무안 소재 바이오에너지 작물센터 시험포장에 5월 파종하여 10월에 줄기를 수확하였다. 수확한 줄기는 잎과 이삭을 제거하고 생줄기를 롤밀형 착즙기(Roller Juice extractor, ㈜리엠코리아 Korea)로 착즙하였다.
- 본 연구에 사용된 균주는 Saccharomyces cerevisiae CHY1011이고 ㈜창해에탄올 창해연구소에서 분양받았다. 발효를 위한 종균준비는 yeast extract 5g/L, peptone 5g/L, glucose 10g/L의 배지를 사용하여 33℃에서 8시간 액체배양하고 이중 10%를 다시 접종하여 12시간동안 2차 액체배양하여 균주의 활성을 유지시켰다.
- 본 연구에서 사용한 단수수 착즙액은 한국산 무안재래종을 착즙하여 사용하였다. 2009년 전남 무안 소재 바이오에너지 작물센터 시험포장에 5월 파종하여 10월에 줄기를 수확하였다.
데이터처리
- ,k)는 선형항의 계수, bii는 2차항의 계수, bij 는 i, j의 상호관계항의 계수이다. 반응표면 2차 다항식 모델은 Design Expert ver.8 software package를 이용하여 예측값을 계산하였다. (9,10)
이론/모형
- 발효수율 결과를 반응표면분석법(RSM)의 중심합성계획기법(CCD)에 적용하여 에탄올 수율을 최적화하고 모델식을 아래 식 (4)으로 나타내었다.
성능/효과
- 22vvm이었다. 그리고 최적조건에 해당되는 에탄올 수율 예측값은 91.65%였다. 예측값을 뒷받침하는 확인실험에서 48시간 발효시 92.
- 발효실험은 최적화실험에 사용한 조건과 동일한 조건에서 72시간동안 수행하였다. 또한 반응표면분석법에 의해 도출한 최적 변수조건을 사용하였으며, 초기 당농도는 21.2Brix(166g/L), 산소공급시간은 7.66h 및 산소 공급량은 1.22vvm이었다. Fig.
- 본 연구에서는 단수수 착즙액을 농축한 고농도의 단수수액을 최대 발효 가능한 당 농도를 탐색하여 에탄올 생산 효율을 최적화하였다. 또한 효모는 당을 소화하여 균체를 성장시킬 뿐만 아니라 동시에 에탄올과 이산화탄소를 생산하므로 배지내 산소량에 따라 에탄올 생산량에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 위와 같은 결과로부터 초기 당 농도와 산소 공급조건을 최적화하여 단수수 착즙액을 이용한 에탄올 생산성이 향상됨을 알 수 있었다.
- 65%였다. 예측값을 뒷받침하는 확인실험에서 48시간 발효시 92.98%의 에탄올 수율을 얻었다.
- 또한 효모는 당을 소화하여 균체를 성장시킬 뿐만 아니라 동시에 에탄올과 이산화탄소를 생산하므로 배지내 산소량에 따라 에탄올 생산량에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 위와 같은 결과로부터 초기 당 농도와 산소 공급조건을 최적화하여 단수수 착즙액을 이용한 에탄올 생산성이 향상됨을 알 수 있었다.
- 98%이었다. 이 값은 모델값 91.65%과 유사하므로 RSM 모델의 3가지 독립변수의 최적조건이 유의함을 확인하였다. 본 연구결과를 기반으로 향후 추가적인 발효공정조건이(발효온도, pH, 발효배지, 접종량 등) 최적화되면 국내산 당질원료인 단수수 착즙액 이용 기반의 바이오에탄올 공정 확립에 기여할 것으로 예상된다.
- 2µm 필터로 여과하여 반응기에 주입되며 모든 변수들은 HMI 시스템으로 제어하였다. 최적 발효조건은 초기당농도 21.2Brix이며 산소공급시간과 산소공급량은 각각 7.66시간, 1.22vvm이었다. 그리고 최적조건에 해당되는 에탄올 수율 예측값은 91.
- 코드값 –2(산소 공급시간 0h과 산소 공급량 0.25vvm)일 때 에탄올 수율이 75~80%정도였으며 코드값 2(산소 공급시간 8h과 산소 공급량 1.25vvm)근처로 갈수록 에탄올 수율이 상승하였다.
후속연구
- 65%과 유사하므로 RSM 모델의 3가지 독립변수의 최적조건이 유의함을 확인하였다. 본 연구결과를 기반으로 향후 추가적인 발효공정조건이(발효온도, pH, 발효배지, 접종량 등) 최적화되면 국내산 당질원료인 단수수 착즙액 이용 기반의 바이오에탄올 공정 확립에 기여할 것으로 예상된다.
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