섬유성 바이오매스로부터의 Lactic Acid 생산공정 Modelling

박준호, 김재훈, 유인상, 조명찬*, 윤현희

경원대학교 화학공학과, 동서대학교 화학공학과*

Kinetic model for Lactic Acid Production from Cellulosic Biomass

Chun Ho Park, Jae Hoon Kim, In Sang Yoo, Myung Chan Jo*

and Hyon Hee Yoon

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University, Seongnam, Kyonggi 461-701, Korea

Department of Chemical Engineering, DongSeo University*

서  론

섬유성바이오매스 자원으로부터 생산될 수 있는 생물공학제품은 연료용 알코올, 식품, 및 각종 유기화학제품 등으로 다양하다. 섬유성 바이오매스자원은 농산 및 임산폐기물, 펄프 및 제지공정 슬러지, 폐신문지, 각종 고체 쓰레기 등으로 이들의 재이용은 환경 및 경제적인 측면에서도 많은 관심이 모아지고 있다. 현재까지는 연료용 에탄올 생산[1,2]에 관한 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있으며 lactic acid 생산[3]에 관한 연구는 비교적 최근에 진행되고 있다. 그러나 lactic acid는 polylactic acid의 실용화에 따라 수요가 증대되고 또한 lactic acid 발효시 에탄올발효와 달리 CO2로의 물질손실이 없다는 산업적으로 중요한 이점을 갖고 있다.

섬유성바이오매스로 부터 lactic acid를 생산하기 위해서는 에탄올 생산공정과 마찬가지로 첫째, cellulose를 효소 가수분해하여 glucose로 전환시키고 둘째, glucose를 발효시켜 lactic acid를 제조하는 두 단계가 필요하다. 섬유성바이오매스의 효소가수분해공정에서 생성물인 cellobiose와 glucose의 저해작용으로 인하여 반응속도가 매우 느리고, 따라서 많은 양의 효소가 소모된다. 효소사용량을 최소화하는 방법인 SSF(simultaneous saccharification and fermentation)는 효소당화와 발효를 동시에 수행하므로서 효소에 의해 생성된 glucose가 미생물에 의하여 즉시 소모되도록 하는 것으로, cellulase 효소에 대한 glucose의 저해를 최소화하여 효소당화속도가 증대되고 따라서 고가의 효소사용량을 줄일 수 있게 된다.[1] SSF공정은 에탄올 생산공정에서 주로 사용되고 있으나 lactic acid 생산에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다. 그 이유는 cellulase 효소와 lactic acid 균주의 활성조건이 유사하기 때문이다.

본 연구에서는 SSF공정의 최적화를 위하여 SSF반응의 속도식에 관한 모델링과 모사실험을 수행하였다.

재료 및 방법

효소 및 균주 : Cellulose 가수분해효소는 Cytolase CL(Environmental Bio Technologies, Inc.)을 사용하였다. 균주는 L. delbrueckii(KCCM No. 35470)를 한국미생물보존센터로부터 분양 받아 사용하였다.

동시당화발효 실험 : 발효배지의 조성은 yeast extract 60g/L, sodium acetate 1.67g/L, (NaPO3)n 1.67g/L, MgSO4·7H2O 1, FeSO4·7H2O 0.05, MnSO4·H2O 0.05 g/L이었으며, 기질은 □-cellulose를 사용하였다. 효소주입량은 25 IFPU/g cellulose, 종균배양액은 10%를 각각 사용하였다. SSF실험은 200mL 유리병에 100mL의 배양액으로  45℃, pH 5.0의 조건에서 수행하였다. 발효도중 lactic acid 생산에 의한 산성화를 방지하기 위하여 CaCO3를 첨가하였다. Lactic acid 추출을 결합한 SSF 실험에서는 CaCO3 대신 이온교환수지(IRA-400)를 첨가하여 SSF를 수행하였다.

분석 : 유기산 및 당성분은 HPLC로 분석하였다. 사용한 column은 HPX-87H(BioRad)이고 이동상은 0.005M H2SO4 이었다.

SSF 속도식 : SSF공정의 modeling을 위하여 다음과 같은 속도식을 사용하였다. 아래 식에서 R은 각 성분의 생성속도를 나타낸다. 식 (1)과 (2)는 cellulase 효소에 의하여 섬유소가 cellobiose로 분해되고, cellobiose가 □-glucosidase에 의하여 glucose로 전환되는 것이다. 식(3), (4), (5)는 cell production, substrate(glucose) uptake, lactic acid production을 나타낸다.

k1′C

RC = -                                                        (1)

1+(B/K1B)+(G/K1G)

k2′B

RB =  - 1.056RC -                                             (2)

Km(1+(G/K2G))+B

□mGX

RX =         (1- L-/Lm-) exp[-(LH/LHm)]                      (3)

KS+G

RG =1.053(-1.056RC - RB) - RX/YX - RL/YL                     (4)

RL = □RX + □X                                              (5)

이식에서, C, B, X, G, L, L-, LH 각각 cellulose, cellobiose, cell, glucose, total lactic acid, lactate, undissociated lactic acid의 농도를 나타낸다. Lactic acid 해리반응의 평형상태에서 undissociated lactic acid의 농도는 다음과 같이 계산된다.

L

LH =                                                         (6)

1+10(pH-pK)

섬유소의 효소가수분해속도식(식 (1)과 (2))은 Phillippidis 등[18]이 cellobiose와 glucose의 저해작용을 고려하여 제안한 것이다. 상수 1.056과 1.053은 가수분해시 첨가되는 물분자를 고려한 것이다. Lactic acid 발효균주(L. delbruckii)의 성장속도식(식 (3))은 Monod 식에 lactic acid의 저해작용을 포함시킨 것이다.[19] Lactic acid 생성속도(식 (5))는 Luedeking과 Piret의 식을 사용하였다. 식 (5)에서 □와 □는 각각 성장관련상수와 비성장관련상수를 나타낸다. 식 (4)는 glucose가 가수분해에 의하여 생성되고 발효에 의하여 lactic acid와 cell mass로 전환되는 것을 나타낸 것이다.

결과 및 고찰

SSF공정의 각 단계별 반응식(1-5)을 수치해석방법으로 적분하였다. 모델식의 매개변수중 효소가수분해반응 속도상수(k1,k2)와 발효반응 속도상수(□o)는 실험치를 모델식과 비교하여 비선형 회귀분석법으로 결정하였다. 기타 필요한 매개변수들은 문헌을 통하여 조사된 값을 사용하였다. Fig.1은 SSF반응의 실험결과와 계산치를 비교한 것으로 모델식이 실험결과를 적절히 묘사하는 것으로 나타났다.

SSF공정의 최적화를 위하여 각 반응식에서 pH에 대한 영향을 고려하였다. 효소당화실험을 통하여 속도상수 k1'과 k2'가 pH에 따라 변하는 것을 관찰하였으며(Fig.2), 실험치의 curve fitting에 의하여 각 속도상수의 pH 의존성을 다음과 같은 실험식으로 표현하였다.

k1′= 0.0184×exp[-0.2366(pH-4.44)2]                              (7)

k2′= 38.65×exp[-0.7883(pH-4.50)2]                               (8)

Lactic acid 발효반응에서는 균주 성장속도식의 속도상수가 pH에 대한 의존성을 다음과 같이 나타내었다.[4]

□o

□m =                                                           (9)

(1+H+/K□1+K□2/H+)

pH 변화에 따른 SSF공정의 성능을 각 모델식과 속도상수를 계산하는 식 (7-9)를 이용하여 계산하였다. Fig.3에 나타난 바와 같이 pH에 따라 lactic acid의 생산량이 크게 변화하였으며, pH 4.5-5.0 에서 최대의 생산량을 나타내었다.

Fig.4는 SSF반응과 단순효소당화반응에서 glucose의 생성속도를 비교한 것으로 SSF반응에서 생성된 glucose의 농도가 단순당화에 비하여 최고 약 30%까지 증가함을 보여주고 있다. pH가 4.5이하에서는 SSF의 효과가 감소되는데 이것은 lactic acid 발효속도가 율속단계가 되기 때문이다. pH 4.5이상에서는 SSF에 의하여 당화속도가 증가됨을 보여주고 있다. 이것은 효소당화속도가 율속단계로서 효소당화에 의하여 생성된 glucose가 즉시 발효기질로 사용됨으로서 효소에 대한 glucose의 저해가 최소화되기 때문이다.

SSF도중 생성된 lactic acid의 분리제거가 생산성 향상에 미치는 영향을 조사하였다. SSF 반응기내의 이온교환수지에 의한 lactic acid의 흡착량은 발효용액의 lactic acid 농도와 평형을 이루고 있다고 가정하고, Freundlich 흡착식을 사용하여 계산하였다.

q = kLn = 0.03858L0.4741                                       (10)

이온교환수지에 흡착된 양을 lactic acid의 물질수지식(식(5))에 대입하고 (1-4)와 함께 수치적분하여 이온교환수지를 이용한 동시당화추출발효에서 lactic acid의 농도변화를 구한 결과를 Fig.5와 6에 표시하였다. Fig.5는 초기 기질사용량이 100g/L인 경우에 수지첨가량에 따른 lactic acid 생성량을 나타낸 것으로 수지첨가에 의한 lactic acid 제거시 lactic acid 생산수율이 약 60%에서 90%이상까지 증가되는 것을 보여주고 있다. Lactic acid 제거의 효과는 초기 기질(cellulose)의 농도에 따라 다르게 나타난다. Fig.6에서 볼 수 있듯이, 기질의 농도가 약 75g/L 이하에서는 수지첨가의 효과가 없으며 기질의 농도가 높을수록 수지첨가의 효과 크게 나타난다. 이상과 같은 모델링 및 모사실험결과는 생성물분리를 결합한 SSF 공정의 설계와 최적화에 사용될 수 있을 것이다.

참고문헌

1. Takagi, M., Abe, S., Suzuki, S., Emert, G. H., and Yata, N. (1977), in

Proc., Bioconversion Symposium, IIT, Delhi, Ghose, T. K., ed., 551.

2. Duff, S. J. B. and W. D. Murry (1996), Biores. Technol., 55, 1-33.

3. Abe, S. and M. Takagi (1991), Biotechnol. Bioeng., 37, 93-96.

4. Bailey, J. E. and Ollis, D. F. (1987), Biochemical Engineering Fundamentals,

McGraw-Hill, New York, 130.

Fig. 1. Comparison of model prediction(lines)      Fig. 2. Specific rates of cellulose(k1') and

and experimental data(symbols) for SSF of       cellobiose(k2') hydrolysis at different pH values.

□-cellulose(50g/L) at pH 5.0 and 45℃.           Solid lines : Curve fits (Equations 7 and 8)

Fig. 3. Lactic acid concentration on different      Fig. 4. Comparison of glucose concentrations

days for SSF versus pH.                        for SS and SSF at various pH's at the end of

fifth day.

Fig. 5.  Effect of Lactic acid removal during      Fig. 6.  Lactic acid concentration on the fifth

SSF.                                            day of SSF versus different initial substrate

concentrations.