[논문]발효조의 냉각량 측정을 통한 유가배양제어

홍건표; 허원

문제 정의

이 냉각량을 측정한다면 대사열을 간접적으로 측정할 수 있다. 본 연구는 발효조에 공급되는 냉각수의 냉각량을 측정하여 항온으로 유지되는 발효조에서 미생물의 대사에 의하여 발생되는 대사열을 측정하고 이를 기반으로 유가 배양시 미생물의 생장 속도를 조절할 수 있는 장치를 개발하는데 목적이 있다. 특히 본 연구에 사용된 발효조를 실제로 산업적인 대용량 발효조와 같이 냉각수에 단속적인 공급에 의하여 온도조절이 되도록 개조하여 사용하였다, 이는 이와 같은 측정 방법 및 유가배양의 수단이 대규모의 생산용 발효조에 적용할 수 있다는 것을 의미한다.

제안 방법

냉각수의 온도는 냉각수가 흐르고있는 동안은 온도 센서의 응답 속도와 주변의 관이 온도가 감소하여 지속적으로 감소하였고 이후 흐르지 않는 동안은 온도는 서서히 상승하였다. 따라서 손실된 열량을 여러 가지 방법으로 계산하고 발효조에 소형 가열체를 삽입하여 최적의 방법을 고안하였다. Table 1에는 냉각량의 측정을 위한 여러 가지 방법을 제안하였고 이중 냉각수가 흐를 때와 흐르지 않을 때의 냉각량을 분리하여 계산 한식을 이용하여 냉각량을 계산하였다.
C Converter!- 이용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하는 In-line 온도 센서를 제작하였다. 또 써미스터를 설치하여 발효조 외부의 온도측정을 하였다 (Figure 1). 온도 센서로부터 측정되는 아날로그 신호는 컴퓨터 내부에 Data Acquisition Card (PCL-818L, Advantech USA)를 설치하여 디지털 신호로 전환하여 Data를 수집하였다.
반응기에 공급되는 총열량을 측정하고 냉각수의 유입과 유출 사이의 온도 변화를 관찰하여 발효조의 열 손실을 측정하였다. 발효조 온도 변화를 정밀하게 측정하기 위하여 발효조 내의 온도 측정 외에 냉각수의 유입 부분과 유출 부분에 백금 측온저항체(PtTOO)를 설치하여 R.
발효조의 온도 조절을 위하여 냉각수가 단속적으로 공급될 때의 냉각수의 온도를 측정하여 도식화하였다 (Figure 2). 냉각수의 온도는 냉각수가 흐르고있는 동안은 온도 센서의 응답 속도와 주변의 관이 온도가 감소하여 지속적으로 감소하였고 이후 흐르지 않는 동안은 온도는 서서히 상승하였다.
본 장치를 이용하여 냉각량을 측정하여 대장균의 회분배양 시 공정 변수로 사용하여 기질의 공급을 제어할 수 있도록 장치를 구성하였다. 즉 지속적으로 대사 열량을 측정하고 대사 열량이 0.
이 방법은 냉각수의 유속이 일정하므로 냉각수가 흐르는 동안 유출입 지점의 온도차와 시간의 곱에 비례하는 항과 냉각 챔버내에 냉각수가 서서히 데워져서 냉각효율이 지수적으로 감소하는 항올 포함한다. 소형의 가열체를 발효조에 삽입하고 전압을 각각 30, 40, 50V씩 가하여 발생하는 열량을 냉각량으로 환산하였다.
온도 센서로부터 측정되는 아날로그 신호는 컴퓨터 내부에 Data Acquisition Card (PCL-818L, Advantech USA)를 설치하여 디지털 신호로 전환하여 Data를 수집하였다. 수집된 데이터는 소프트웨어 개발 프로그림인 LabVIEW (National Instrummt, USA)를 이용하여 온라인 모니터링 및 데이터 분석이 가능한 프로그램을 제작하였다.
유가 배양시 발생하는 열량과의 관계를 조사하기 위하여 열량변화에 따른 기질공급 방법을 달리하며 측정하였다. 열량과의 관계를 분석하여 미생물 성장속도를 일정한 범위로 조절하는 프로그램을 제작하였다.
또 써미스터를 설치하여 발효조 외부의 온도측정을 하였다 (Figure 1). 온도 센서로부터 측정되는 아날로그 신호는 컴퓨터 내부에 Data Acquisition Card (PCL-818L, Advantech USA)를 설치하여 디지털 신호로 전환하여 Data를 수집하였다. 수집된 데이터는 소프트웨어 개발 프로그림인 LabVIEW (National Instrummt, USA)를 이용하여 온라인 모니터링 및 데이터 분석이 가능한 프로그램을 제작하였다.
유가 배양시 발생하는 열량과의 관계를 조사하기 위하여 열량변화에 따른 기질공급 방법을 달리하며 측정하였다. 열량과의 관계를 분석하여 미생물 성장속도를 일정한 범위로 조절하는 프로그램을 제작하였다.
본 장치를 이용하여 냉각량을 측정하여 대장균의 회분배양 시 공정 변수로 사용하여 기질의 공급을 제어할 수 있도록 장치를 구성하였다. 즉 지속적으로 대사 열량을 측정하고 대사 열량이 0.2 hr¹ 의 비성장속도로 증가하도록 배지의 공급을 제한하였다. 측정된 대사열이 0.

성능/효과

본 연구에서는 냉각량을 측정하여 유가 배양시 열량의 변화를 감지하고 기질의 일정시간 공급함으로 미생물의 성장속도를 일정하게 조절할 수 있었다. 정확한 열량의 측정에는 어려움이 있지만 유가 배양 시에는 공정변수로 사용할 수 있음을 보였다.
본 연구는 발효조에 공급되는 냉각수의 냉각량을 측정하여 항온으로 유지되는 발효조에서 미생물의 대사에 의하여 발생되는 대사열을 측정하고 이를 기반으로 유가 배양시 미생물의 생장 속도를 조절할 수 있는 장치를 개발하는데 목적이 있다. 특히 본 연구에 사용된 발효조를 실제로 산업적인 대용량 발효조와 같이 냉각수에 단속적인 공급에 의하여 온도조절이 되도록 개조하여 사용하였다, 이는 이와 같은 측정 방법 및 유가배양의 수단이 대규모의 생산용 발효조에 적용할 수 있다는 것을 의미한다.

후속연구

하지만 대사 열량과 공급량을 조절하게 된다면 대사열은 유가 배양의 기질 공급에 있어서 좋은 공정변수로 사용할 수 있을 것이다. 이를 온라인으로 공정 모니터하여 발효공정관리에 사용된다면 공정운용상에서 발생하는 각종 문제를 실시간으로 감지할 수 있으므로 발효공정의 운전 및 최적화에 유용할 것이다.

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