[논문]1,3-프로판디올의 생물학적 생산을 위한 분리공정

홍연기

doi:10.9713/kcer.2012.50.5.759

1,3-프로판디올의 생물학적 생산을 위한 분리공정
Separation Processes of Biologically Produced 1,3-Propanediol 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.50 no.5, 2012년, pp.759 - 765

초록
AI-Helper

바이오 디젤 생산량 증가에 따라 공정 중에 부산물로 발생하는 글리세린의 과잉공급 및 가격 하락이 이루어지고 있다. 이에 따라 글리세린에 기반한 다양한 화학제품생산과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있으며 글리세린을 탄소원으로 한 1,3-프로판디올의 생물학적 생산은 그 중 하나이다. 1,3-프로판디올은 지금까지 화학적인 방법을 통해 생산되어 왔으나 생물학적인 방법을 통해 생산될 경우 공정의 친환경성 및 경제성 확보와 더불어 1,3-프로판디올을 중합원료로 하는 PTT (Poly(trimethylene terephthalate))의 바이오폴리머로서의 활용을 가능하게 한다. 그럼에도 글리세린 유래 1,3-프로판디올의 생물학적 생산의 경제성에 있어 핵심은 경제적인 분리공정의 수립에 있다. 본 총설에서는 1,3-프로판디올을 분리하기 위한 공정들에 대한 연구 동향을 소개하고 최근 에너지 절감과 더불어 1,3-프로판디올 분리와 부산물 제거를 동시에 달성할 있는 공정으로 주목받고 있는 수상이성분계 추출에 대한 연구개발 동향 및 전망을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the biodiesel production is increasing rapidly, the crude glycerol, which is principal by-product of biodiesel production, has also been generated in a large amount. Many research studies on value-added utilization of glycerol are under investigation. 1,3-Propandiol is a promising chemical which can be produced from fermentation of glycerol because the application of 1,3-propanediol is mainly in the production of bio-PTT (Poly(trimethylene terephthalate). However, the cost of downstream processes in the biological production of 1,3-propanediol can make a high portion in the total production cost. This review summarizes the present state of separation processes in each step studied for the removal of impurities and the recovery of 1,3-propanediol from its fermentation broth. Furthermore, ATPE (Aqueous Two Phases Extraction) process is suggested as an attractive alternative for the primary separation process of 1,3-propanediol because ATPE is convenient for the simultaneous removal of microbial cells and impurities such as salts of organic acids and the separation of 1,3-propanediol from fermentation broth.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

1과 같다. Fig. 1에서 보듯이 글리세린을 이용한 고부가가치 제품으로서는 1,3-프로판디올(1,3-propnaediol, 1,3-PDO), 1,2-프로판디올(1,2-propanediol), 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 수소, 폴리글리세롤(polyglycerol), 숙신산(succinic acid), 폴리에스터 등이 있지만[2,3], 본 총설에서는 클루드 글리세린의 유망한 활용 방안 중 하나로서 1,3-PDO의 생물학적 생산으로의 응용과 이에 따른 분리기술 현황과 전망을 다루고자 한다.

성능/효과

Aydogan 등(2010) 역시 알콜/염으로 구성된 수상이성분계를 이용하여 Clostridium butyricum 혐기성 발효에 의해 얻어진 발효액으로부터 1,3-PDO를 분리하였다. 실험결과 1,3-PDO에 대한 분배계수는 20.28이었으며 수율은 97.20%로 나타났으며 락테이트, 아세테이트, 뷰티레이트를 하부 상을 통해 분리할 수 있다고 하였다. 결론적으로 ATPE는 미생물 세포와 단백질 분리와 동시에 1,3-PDO를 분리할 수 있는 공정임을 제안하였다[35].
86 g/L 이었다. 해당 발효액에 에탄올/암모늄설페이트를 적용시킨 결과 최대 4.77의 분배계수를 가지면서 1,3-PDO의 93.7%를 회수할 수 있었으나 발효액 내의 2,3-부탄디올과 아세토인 역시 고효율로 동반 추출되어 1,3-PDO에 대한 선택도는 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 발효액으로부터 미생물과 단백질이 높은 효율로 제거되었을 뿐 아니라 발효액을 알콜 상에 농축을 시킬 수 있음에 따른 증발공정의 에너지 부담을 덜 수 있는 가능성을 보여주었다[33].

후속연구

아울러 공정 중에 유기산 염을 하부 상으로 동시에 처리할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 수상이성분계 분배 메커니즘에 대한 이해는 여전히 부족한 상황이며 1,3-PDO 분리에 적용할 수 있는 수상이성분계 역시 제한적이어서 이에 대한 추가적인 연구 및 용매와 염의 회수 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤 생산공정의 주요 부산물은?	바이오디젤 생산공정에 있어 주요 부산물은 글리세린인데 원료가 되는 오일의 10%가 바이오디젤이 아닌 글리세린으로 전환된다[1]. 글리세린(1,2,3-propanetriol or glycerine)은 그 동안 합성 계면활성제의 개발에 따라 프로필렌이나 에피클로로하이드린(epichlorohydrin)으로부터 생산되어 왔다.
	트리메틸렌 글라이콜이 최근 주목 받게 된 이유는?	1,3-PDO는 트리메틸렌 글라이콜(trimethylene glycol) 혹은 1,3-디하이드록시프로판(1,3-dihydroxypropane) 등으로도 불리는 비교적 간단한 구조의 유기화학물질이며 UV-큐어링 코팅, 지방족 폴리에스터, 용제, 부동액을 비롯한 다양한 용도를 가진다. 1,3-PDO가 최근 주목 받게 된 것은 기존 화학합성에 의해 생산되던 PTT (Poly(trimethylene terephthalate))가 생물학적으로 생산된 1,3-PDO로부터 생산되었기 때문이다. 전 세계적으로 1,3-PDO에 대한 수요는 대략 20만톤으로 추정되고 있으나 향후 PTT의 수요 증가에 따라 시장 규모가 급격히 늘어날 것으로 전망하고 있다.
	글리세린을 이용한 고부가가치 제품으로는 무엇이 있는가?	Fig. 1에서 보듯이 글리세린을 이용한 고부가가치 제품으로서는 1,3-프로판디올(1,3-propnaediol, 1,3-PDO), 1,2-프로판디올(1,2-propanediol), 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 수소, 폴리글리세롤(polyglycerol), 숙신산(succinic acid), 폴리에스터 등이 있지만[2,3], 본 총설에서는 클루드 글리세린의 유망한 활용 방안 중 하나로서 1,3-PDO의 생물학적 생산으로의 응용과 이에 따른 분리기술 현황과 전망을 다루고자 한다.

참고문헌 (35)

Hong, Y. K. and Hong, W. H., "Biodiesel Production Technology and Its Fuel Properties," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 45, 424-432(2007).
Behr, A., Eilting, J., Irawadi, K., Leschinski, J. and Lindner, F., "Improved Utilisation of Renewable Resources: New Important Derivatives of Glycerol," Green Chem., 10, 13-30(2008).

상세보기
Pagliaro, M., Ciriminna, R., Kimura, H., Rossi, M. and Della Pina, C., "From Glycerol to Value-Added Products," Angew. Chem. Int. Ed., 46. 4434-4440(2007).

상세보기
Liu, H., Xu, Y., Zheng, Z. and Liu, D., "1,3-Propanediol and Its Copolymers: Research, Development and Industrialization," Biotechnol. J., 5, 1137-1148(2010).

상세보기
Willke, T. and Vorlop, K., "Biotransformation of Glycerol into 1,3-Propanediol," Eur. J. Lipid Sci. Technol., 110, 831-840(2008).

상세보기
Zeng, A. P. and Biebl, H., "Bulk Chemicals from Biotechnology: The Case of 1,3-Propanediol Production and the New Trends," Adv. Biochem. Eng. Biotechnol., 74, 239-259(2002).

상세보기
Raynaud, C., Sarcabal, P., Meynial-Salles, I. and Croux, C., "Molecular Characterization of the 1,3-Propanediol Operon of Clostridium Butyricum," Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 5010-5015 (2003).

상세보기
Homann, T., Tag, C., Biebl, H. and Deckwer, W., "Fermentation of Glycerol to 1,3-Propanediol by Klebsiella and Citrobacter Strains," Appl. Microbiol. Biotechnol., 33, 121-126(1990).

상세보기
Muska, C. F. and Alles, C., "Biobased 1,3-Propanediol: A New Platform Chemical for the 21 Century," BioPerspectives 2005 BREW Symposium, May(2005).
Otte, B., Grunwaldt, E., Mahmoud, O. and Jennewein, S., "Genome Shuffling in Clostridium diolis for Improved 1,3-Propanediol Production," Appl. Environ. Microbiol., 75, 7610-7616(2009).

상세보기
Chen, Z., Liu, H. and Liu, D., "Regulation of 3-Hydroxypropionaldehyde Accumulation in Klebsiella Pneumoniae by Overexpression of dhaT and dhaD Genes," Enzyme Microb. Technol., 45, 305-309(2009).

상세보기
Zhu, J. G., Li, S., Ji, X. J. and Huang, H., "Enhanced 1,3-Propanediol Production in Recombinant Klebsiella Pneumoniae Carrying the Gene yqhD Encoding 1,3-Propanediol Oxidoreductase Isoenzyme," World J. Microbiol. Biotechnol., 25, 1217-1223(2009).

상세보기
Yang, G., Tian, J. S. and Li, J. L., "Fermentation of 1,3-Propanediol by a Lactate Deficient Mutant of Klebsiella Oxytoca under Microaerobic Conditions," Appl. Microbiol. Biotechnol., 73, 1017-1024(2007).

상세보기
Xu, Y. Z., Guo, N. N., Zheng, Z. M. and Ou, X. J., "Metabolism in 1,3-Propanediol Fed-batch Fermentation by a D-Lactate Deficient Mutant of Klebsiella Pneumoniae," Biotechnol. Bioeng., 104, 965-972(2009).

상세보기
Deckwer, W. D., "Microbiol Conversion of Glycerol Production to 1,3-Propanediol," FEMS Microbiol. Rev., 16, 143-149(1995).
Hermann, B. G. and Patel, M., "Today's and Tomorrow's Biobased Bulk Chemicals from White Biotechnology: A Techno-economic Analysis," Appl. Biochem. Biotechnol., 136, 361-388(2007).

상세보기
Lee, E. G., Moon, S.-H., Chang, Y. K., Yoo, I.-K. and Chang, H. N., "Lactic Acid Recovery Using Two-stage Electrodialysis and Its Modelling," J. Membr. Sci., 145, 53-66(1998).

상세보기
Kim, Y. H. and Moon, S.-H., "Lactic Acid Recovery from Fermentation Broth Using One-stage Electrodialysis," J. Chem. Technol. Biotechnol., 76, 169-178(2001).

상세보기
Kurzrock, T. and Weuster-Botz, D., "Recovery of Succinic Acid from Fermentation Broth," Biotechol. Lett., 32, 331-339(2010).

상세보기
Wu, R. C., Xu, Y. Z., Song, Y. Q., Luo, J. A. and Liu, D., "A Novel Strategy for Salts Recovery from 1,3-Propanediol Fermentation Broth by Bipolar Membrane Electrodialysis," Sep. Purif. Technol., 83, 9-14(2011).

상세보기
Grothe, E., "Konzeption und Wirtschaftlichkeit der Industriellen Glycerinvergarung zu 1,3-Propanediol," Ph.D. Dissertation, VDI Verlag GmbH, Dusseldorf(2000).
Roturier, J. M., Fouache, C. and Berghmans, E., "Process for the Purification of 1,3-Propanediol from a Fermentation Medium," U.S. Patent No. 6,428,992(2002).
Hilaly, A. K. and Binder, T. P., "Method of Recovering 1,3-Propanediol from Fermentation Broth," U.S. Patent No. 6,479,716 (2002).
Cho, M.-H., Joen, S. I., Pyo, S.-H., Mun, S. and Kim, J.-H., "A Novel Separation and Purification Process for 1,3-Propanediol," Proc. Biochem., 41, 739-744(2006).

상세보기
Xiu, Z.-L. and Zeng, A.-P., "Present State and Perspective of Downstream Processing of Biologically Produced 1,3-Propanediol and 2,3-Butanediol," Appl. Microbiol. Biotechnol., 78, 917-926 (2008).

상세보기
Malinowski, J. J., "Reactive Extraction for Downstream Separation of 1,3-Propanediol," Biotechnol. Prog., 16, 76-79(2000).

상세보기
Hao, J., Liu, H. J. and Liu, D., "Novel Route of Reactive Extraction to Recover 1,3-Propanediol from a Dilute Aqueous Solution," Ind. Eng. Chem. Res., 44, 4380-4385(2005).

상세보기
Hao, J., Xu, F., Liu, H. and Liu, D., "Downstream Processing of 1,3-Propanediol Fermentation Broth," J. Chem. Technol. Biotechnol., 81, 102-108(2006).

상세보기
Hong, Y. K. and Hong, W. H., "Removal of Acetic Acid from Aqueous Solutions Containing Succinic Acid and Acetic Acid by Tri-n-octylamine," Sep. Purif. Technol., 42, 151-157(2005).

상세보기
Han, D. H., Hong, Y. K. and Hong, W. H., "Separation Characteristics of Lactic Acid in Reactive Exraction and Stripping," Korean J. Chem. Eng., 17, 528-533(2000).

상세보기
Hong, Y. K., "Purification of 1,3-Propanediol for Production of Polytrimethylene terephthalate(PTT) from Biomass," Adv. Mater. Res., 320, 191-195(2011).

상세보기
Greve, A. and Kula, M. R., "Cost Structure and Estimation for the Recycling of Salt in a Protein Extraction Process System," Bioproc. Biosyst. Eng., 6, 173-177(1990).
Li, Z., Jiang, B., Zhang, D. and Xiu, Z., "Aqueous Two-phase Extraction of 1,3-Propanediol from Glycerol-based Fermentation," Sep. Purif. Technol., 66, 472-478(2009).

상세보기
Li, Z., Teng, H. and Xiu, Z., "Extraction of 1,3-Propanediol from Glycerol-based Fermentation Broths with Methanol/Phosphate Aqueous Two-Phase System," Proc. Biochem., 46, 586-591(2011).

상세보기
Aydogan, O., Bayraktar, E., Mehmetoglu, U., Kaeding, T. and Zeng, A.-P., "Selection and Optimization of an Aqueous Two- Phase System for the Recovery of 1,3-Propanediol from Fermentation Broth," Eng. Life. Sci., 10, 121-129(2010).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증