KR101766956B1 - 고압 이산화탄소 기체를 이용한 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고압 이산화탄소 기체를 이용한 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산 및/또는 알코올을 생산한 다음, 이를 이용하여 에스테르화 반응을 수행함으로써 에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 상기 에스테르화 반응을 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 에스테르의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 산 촉매를 첨가해주지 않으므로 효소 촉매 활성 저하와 같은 문제점을 야기할 염려가 없고, 또한 pH 조절을 위한 별도의 알칼리 물질을 첨가하지 않으므로 염 축적의 문제를 야기하지 않으면서, 우수한 효율로 에스테르 화합물을 생산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산 촉매를 첨가해주지 않으므로 효소 촉매 활성 저하와 같은 문제점을 야기할 염려가 없고, 또한 pH 조절을 위한 별도의 알칼리 물질을 첨가하지 않으므로 염 축적의 문제를 야기하지 않으면서, 우수한 효율로 에스테르 화합물을 생산할 수 있다.
Description
본 발명은 유기산 생산 미생물 균주의 발효 반응에 의해서 에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 고압 이산화탄소 기체를 이용한 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법에 관한 것이다.
종래 미생물의 발효 반응을 이용하여 다양한 유기산 또는 알코올 계열의 화합물들을 제조한다. 예를 들어, 유기산으로는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 또는 숙신산 등과 같은 다양한 물질들이 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있으며, 에탄올 또는 부탄올 등과 같은 다양한 알코올 화합물들 역시 미생물 발효 반응을 통해서 제조될 수 있다. 생성된 유기산 또는 알코올 화합물들은 다양한 화학 공정들에서 플랫폼 화합물 (platform chemical)로 사용될 수 있으며, 추후 촉매 공정을 통해서 더욱 고부가가치를 갖는 물질들을 합성하는데 이용될 수 있다.
한편, 미생물에 의한 유기산 발효란, 미생물에 의한 발효반응을 통해서 탄소화합물을 불완전 산화시킴으로써 전술한 각종 유기산 또는 알코올을 생산하는 공정을 의미하며, 상기 발효반응에 의해서 생성된 유기산 또는 알코올은 유기 용매를 사용한 추출, 또는 이온교환수지를 사용한 분리에 의해서 미생물 배양액으로부터 분리된다.
이어서, 상기 분리된 유기산 또는 알코올은 알코올, 카르복실산, 에테르 및 에스테르류를 포함하는 다양한 바이오연료 및 바이오화학원료로 변환될 수 있는데, 예를 들어, 하기 반응식 1 내지 4에는 미생물 발효에 의해서 생산된 부티르산 또는 헥사노익산이 알코올과 반응하여 에스테르류인 디알킬산을 생성하는 반응들을 나타내었다:
<반응식 1>
<반응식 2>
<반응식 3>
<반응식 4>
이때 상기 반응들은 pH 조건에 매우 민감하며, 에스테르화 반응을 위해서 유기산이 이온화되지 않는 조건을 유지하여야 하므로, 일반적으로 반응액의 pH가 낮게 유지되어야 한다. 따라서, 종래 통상적으로 상기 유기산과 알코올의 에스테르화 반응에는 염산, 황산 등과 같은 산 촉매를 반응 촉매로서 첨가해 주게 된다.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0129619호에서는, 유리지방산을 포함하는 원료유로부터 바이오디젤을 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법에서는 Amberlyst-15, Amberlyst BD20, WO3/ZrO2, WO3/Al2O3, WO3/SiO2, SO4 2 -/ZrO2, SO4 2 -/Al2O3, SO4 2 -/SiO2, 또는 황산과 같은 산 촉매 존재 하에서 유리지방산을 포함하는 원료유와 알콜을 에스테르화 반응시키는 단계를 개시하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1436428호에서는, 하수 슬러지로부터 바이오디젤을 제조하는 방법 및 제조 장치를 개시하고 있으며, 상기 방법에서는 하수 슬러지에 알코올 및 산 촉매를 혼합한 다음 전이 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 미생물 발효 반응에 의해서 유기산 또는 알코올을 생산하는 과정에서, 전술한 바와 같이 산 촉매를 첨가해주는 경우, 첨가된 산 촉매의 이온 세기에 의해서 효소 단백질의 형태 변화가 야기되고, 이는 효소 촉매의 활성 저하로 이어지며, 궁극적으로 발효 반응을 중단시키는 문제점을 야기한다. 또한, 발효 공정이 진행됨에 따라서 생성되는 유기산의 발효 반응액 내 농도는 증가하게 되며, 발효 반응액 중 유기산의 농도가 증가하게 되면 발효반응액의 pH를 낮추게 되고, 낮아진 pH는 다시 미생물의 발효반응을 저해하는 요인이 된다.
따라서, 반응이 진행됨에 따라서 낮아진 pH를 발효반응에 적합한 pH로 되돌려주기 위한 수단이 필요하며, 이러한 pH 조절을 위해서 알칼리염 등과 같은 물질을 첨가하여, 낮아진 발효반응액의 pH를 인위적으로 높여주고 있지만, 첨가된 알칼리염이 발효 반응액 중의 산 촉매와 반응하여 염을 생성하고, 이렇게 생성된 염은 발효 반응액에 축적되며, 더불어 발효 반응액의 부피도 증가시키는 문제점을 야기한다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산 또는 알코올을 생산한 다음, 이를 이용하여 에스테르화 반응을 수행함으로써 에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 별도의 산 촉매 첨가 없이도 반응에 유리한 pH 조건을 유지하여 우수한 효율로 에스테르를 생산할 수 있고, 더 나아가 별도로 첨가되는 pH 조절제가 없어서 비용절감을 도모할 수 있으며, 반응액 내 염 축적의 문제가 없는, 에스테르 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
a) 탄소원 배지 중에서 유기산 생산 미생물 균주를 배양하여 유기산을 생산하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계의 균주 배양액에 알코올을 첨가하여 상기 배양액 중의 유기산과 상기 첨가된 알코올 사이의 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 에스테르 제조방법에 있어서,
상기 b) 단계의 에스테르화 반응을, 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
a) 탄소원 배지 중에서 알코올 생산 미생물 균주를 배양하여 알코올을 생산하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계의 균주 배양액에 유기산을 첨가하여 상기 배양액 중의 알코올과 상기 첨가된 유기산 사이의 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 에스테르 제조방법에 있어서,
상기 b) 단계의 에스테르화 반응을, 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
a) 탄소원 배지 중에서 유기산 및 알코올 생산 미생물 균주를 배양하여 유기산 및 알코올을 생산하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계에서 생산된 유기산 및 알코올의 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 에스테르 제조방법에 있어서,
상기 b) 단계의 에스테르화 반응을, 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
a) 탄소원 배지 중에서 유기산 생산 미생물 균주 및 알코올 생산 미생물 균주를 동시 배양하여 유기산 및 알코올을 생산하는 단계;
b) 상기 a) 단계에서 생산된 유기산 및 알코올의 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 에스테르 제조방법에 있어서,
상기 b) 단계의 에스테르화 반응을, 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 에스테르화 반응은 pH 3.0 내지 4.0의 상기 미생물 균주의 배양액 중에서 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 에스테르화 반응이 완료된 후, 상기 미생물 균주의 배양액에 대해서 이산화탄소 탈기 과정을 수행함으로써, 상기 미생물 균주의 배양액의 pH를 5.0 내지 6.0으로 회복시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계를 수행하기 이전에 상기 a) 단계의 균주를 걸러내고, 걸러진 배양액만에 대해서 상기 b) 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기산 생산 미생물 균주는 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 부티리쿰 (Clostridium butyricum), 클로스트리듐 클루이베리 (Clostridium kluyveri), 카프로이시프로두센스 갈락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans), 메가스페라 헥사노이카 (Megasphaera hexanoica) 및 메가스페라 엘스데니 (Megasphaera elsdenii)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 균주이며; 상기 알코올 생산 미생물 균주는 사카로마이세스 세레비제 (Saccharomyces cerevisiae)이고; 상기 유기산 및 알코올 생산 미생물 균주는 클로스트리듐 아세토부티리쿰 (Clostridium acetobutyricum) 및 클로스트리듐 베이저링키 (Clostridium beijerinckii)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 균주일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 에스테르화 반응은 40 ℃ 내지 60 ℃의 온도에서, 1 시간 내지 4 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소는 상기 a) 단계의 미생물 균주 배양으로부터 생성된 이산화탄소일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 숙신산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기산이고, 상기 알코올은 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 알코올일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 에스테르화 반응은 제올라이트 (Zeolite), 헤테로폴리산 (heteropoly acids), 실리카-알루미나 (silica-alumina), 나피온 수지 (Nafion-H), 파라톨루엔설폰산 (p-toluenesulfonic acid), SO42-/ZrO2, SO42-/TiO2-La2O3 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 촉매에 의해서 촉매될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 에스테르화 반응은 에스테라아제 및 리파아제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 효소 촉매에 의해서 촉매될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 에스테르화 반응은 효소 촉매가 고분자 수지 담체에 고정화된 고정화 효소에 의해서 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제조된 에스테르는 도데칸, 테트라데칸, 헥사데칸 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 추출 용제를 사용하여 추출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 산 촉매를 첨가해주지 않으므로 효소 촉매 활성 저하와 같은 문제점을 야기할 염려가 없고, 또한 pH 조절을 위한 별도의 알칼리 물질을 첨가하지 않으므로 염 축적의 문제를 야기하지 않으면서, 우수한 효율로 에스테르를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에스테르의 제조방법을 수행하기 위한 개략적인 시스템 구성도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 있어서, 고압 반응기 내부에서의 반응을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 미생물 미발효 배양액에 대해서 수산화나트륨 용액을 이용하여 배양액의 pH를 조절하여 준 경우, pH에 따른 부티르산의 전환 효율을 도시한 그래프이다.
도 4는 미생물 배양액에 대한 이산화탄소 가압 조건 하에서의 반응 시간에 다른 부티르산 전환 효율을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 있어서, 고압 반응기 내부에서의 반응을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 미생물 미발효 배양액에 대해서 수산화나트륨 용액을 이용하여 배양액의 pH를 조절하여 준 경우, pH에 따른 부티르산의 전환 효율을 도시한 그래프이다.
도 4는 미생물 배양액에 대한 이산화탄소 가압 조건 하에서의 반응 시간에 다른 부티르산 전환 효율을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서는, 미생물 유기산 발효에 의해서 유기산 및/또는 알코올을 생산한 다음, 이를 이용하여 에스테르화 반응을 수행함으로써 에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 상기 에스테르화 반응을 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하는 에스테르의 제조방법을 제공한다.
전술한 바와 같이, 상기 에스테르화 반응은 유기산과 알코올을 반응시킴으로써 수행되는 바, 본 발명에서 이러한 에스테르화 반응이 가능한 유형은 4 가지로 요약될 수 있다. 즉, i) 유기산 생산 미생물 균주를 배양하여 유기산을 생산한 다음, 생산된 유기산에 알코올을 첨가해주거나; ii) 알코올 생산 미생물 균주를 배양하여 알코올을 생산한 다음, 생산된 알코올에 유기산을 첨가해주거나; iii) 유기산 및 알코올을 모두 생산하는 미생물 균주를 배양하여 유기산 및 알코올을 생산한 다음, 생산된 유기산과 알코올을 반응시키거나; 또는 iv) 유기산 생산 미생물 균주와, 알코올 생산 미생물 균주를 동시 배양하여 각각 유기산 및 알코올을 생산한 다음, 생산된 유기산과 알코올을 반응시키는 방법이 그것이다.
특히, 본 발명에서 상기 에스테르화 반응은 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행되는 바, 상기 압력 범위로 가압된 이산화탄소 기체는 반응기 내에서 반응 용액과 기액접촉되고, 상기 기액접촉 공정에 의해서 반응 용액 내로 이산화탄소 기체가 용해되면, 생성되는 탄산 이온에 의해서 반응 용액이 산성으로 유지되는 것이다. 이러한 이산화탄소 가압에 의해서 상기 반응 용액의 pH는 3 내지 4로 유지되는 바, 상기 pH 범위 내에서 유기산과 알코올의 에스테르화 반응이 우수한 효율로 수행될 수 있다. 또한, 이러한 이산화탄소 가압 공정을 위해서 소요되는 이산화탄소 기체는 별도의 이산화탄소 저장기를 통해서 외부 이산화탄소 기체를 공급해주는 것도 가능하지만, 상기 미생물 균주의 배양에 의해서 발생된 이산화탄소 기체를 재활용하는 것도 가능하다.
한편, 도 1에는 본 발명에 따른 에스테르의 제조방법을 수행하기 위한 시스템 구성도가 도시되어 있는 바, 도 1을 참조하면, 배양기 (110) 내부에서는 유기산 생산 미생물 균주, 알코올 생산 미생물 균주, 또는 알코올 및 유기산 생산 미생물 균주가 배양되며, 이러한 미생물 배양액은 여과기 (120)로 이송된다. 여과기 (120)에서는 막 공정 등을 통해서 미생물만을 여과하여 여과된 미생물은 배양기 (110)로 반송하고, 미생물이 여과된 배양액은 배양액 저장기 (130)으로 이송하게 된다. 이어서, 배양액 저장기 (130)에 저장된 배양액은 에스테르화 반응을 수행하기 위한 고압 반응기 (140)으로 이송되며, 고압 반응기 (140)에는 이산화탄소 기체가 가압 공급된다. 이러한 고압 반응기 (140)에서 생성된 에스테르는 유기 용제 저장기 (150)로부터 별도로 공급된 추출용 유기 용제로 추출되어서 외부로 반출되며, 이후 증류 공정 등을 통해서 회수된다.
또한, 도 2에는 고압 반응기 (140) 내부에서의 반응을 개략적으로 도시하였으며, 예를 들어 유기산으로서 부티르산을, 알코올로서 부탄올을 사용하여 에스테르인 부틸 부티레이트가 합성되는 반응을 도시하였다. 도 2를 참조하면, 배양액 중에 포함된 부티르산과 부탄올은 에스테르화 반응을 통해서 물과 부틸부티레이트를 생성하게 된다. 이때, 원료 물질인 부티르산과 부탄올은 소수성을 나타내는 추출용 유기 용제에 용해되기가 어려우나, 에스테르화 반응의 결과물인 부틸부티레이트는 소수성을 나타내므로, 배양액으로부터 유기 용제로 용이하게 추출된다. 따라서, 친수성인 배양액과 소수성인 유기 용제가 각각 고압 반응기 (140) 내에서 하부 액체층과 상부 액체층을 형성하고, 상부 액체층만을 고압 반응기 (140)로부터 분리해내게 되면 목적물인 에스테르를 수득할 수 있게 된다. 한편, 상기 에스테르화 반응은 40 ℃ 내지 60 ℃의 온도에서, 1 시간 내지 4 시간 동안 수행될 수 있으며, 에스테르화 반응을 용이하게 하기 위한 촉매로는, 제올라이트 (Zeolite), 헤테로폴리산 (heteropoly acids), 실리카-알루미나 (silica-alumina), 나피온 수지 (Nafion-H), 파라톨루엔설폰산 (p-toluenesulfonic acid), SO42 -/ZrO2, SO42-/TiO2-La2O3 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화학 촉매; 또는 에스테라아제 및 리파아제로 이루어진 군으로부터 선택된 효소 촉매가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에서는 에스테라아제 또는 리파아제 등과 같은 효소 촉매가 고분자 수지 담체 등에 고정화된 고정화 효소를 사용할 수 있으며, 예를 들어 Novozym 435 또는 Lipozyme TLIM 등과 같은 고정화 효소를 사용하여 반응을 진행할 수 있다. 이 경우, 상기 고정화 효소는 반응기 내부 (140)에서 하층의 배양액으로 가라앉지 않으므로, 배양액을 통해서 순환되지 않고 고압 반응기 (140)에 머물며 에스테르화 반응을 촉매하게 된다.
한편, 고정화 효소를 사용하여 본 발명에 따른 방법을 수행할 경우, 유기산 발효와 동시에 에스테르 형태로 목적물을 추출해낼 수 있다는 장점이 있기는 하지만, 반응 시간이 길어지거나 효율이 낮아질 수 있는 단점이 있다. 그러나, 이러한 단점들은 공정 조건을 최적화하고, 효소의 양을 늘려주어 초기 반응속도를 향상시킴으로써 어느 정도 극복이 가능하다. 또한, 화학 촉매를 사용하는 경우에는 높은 초기 반응속도와 우수한 효율을 기대할 수는 있으나, 화학 촉매는 미생물 활성을 저해할 우려가 있어서 미생물 발효액과 혼합된 형태로 사용될 수 없으므로, 유기산 발효와 동시에 에스테르 형태로 목적물을 추출해낼 수 없다는 단점이 있다. 예를 들어, 상업적으로 구입가능한 화학 촉매들로는 Amberlyst 131, DBSA 및 Nafion NR-50 등이 있다.
전술한 바와 같이, 충분한 소수성을 나타내어 목적물인 에스테르를 추출해내기에 적합한 추출 용제로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 도데칸, 테트라데칸, 헥사데칸 및 그 혼합물을 예로 들 수 있다. 특히, 본 발명에서 사용되는 소수성 추출 용제들은, i) 매우 높은 소수성을 갖는 관계로 별도의 유수분리 과정을 생략할 수 있고, ii) 미생물에 독성이 없으며, iii) 반응성이 작고 안정적이라는 특성을 갖는 이외에도, iv) 디알킬산과 같은 에스테르류를 추출하는 경우 분배계수가 매우 크기 때문에 적은 양의 추출 용제를 사용하여 다량의 목적 물질을 추출해낼 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 전술한 과정에서는 유기산으로서 부티르산을, 알코올로서 부탄올을 사용하여 에스테르인 부틸부티레이트를 합성하는 사항을 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명에서 사용가능한 유기산으로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 숙신산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산 등을 예로 들 수 있고, 알코올로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 알코올 등을 예로 들 수 있다. 예를 들어, 유기산으로서 헥산산을, 알코올로서 헥산올을 사용하는 경우에는 에스테르로서 헥실헥사노에이트가, 유기산으로서 헥산산을, 알코올로서 부탄올을 사용하는 경우에는 에스테르로서 부틸헥사노에이트가, 또한 유기산으로서 부티르산을, 알코올로서 헥산올을 사용하는 경우에는 헥실부티레이트가 각각 생성된다. 그 외에도, 통상의 기술자라면 다양한 유기산과 알코올로부터 다양한 에스테르 화합물들 생성될 수 있음을 용이하게 인지할 수 있음은 물론이다.
따라서, 본 발명에 있어서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 상기 유기산 생산 미생물 균주로는 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 부티리쿰 (Clostridium butyricum), 클로스트리듐 클루이베리 (Clostridium kluyveri), 카프로이시프로두센스 갈락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans), 메가스페라 헥사노이카 (Megasphaera hexanoica) 및 메가스페라 엘스데니 (Megasphaera elsdenii)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 균주를, 상기 알코올 생산 미생물 균주로는 사카로마이세스 세레비제 (Saccharomyces cerevisiae)를, 상기 유기산 및 알코올 생산 미생물 균주로는 클로스트리듐 아세토부티리쿰 (Clostridium acetobutyricum) 및 클로스트리듐 베이저링키 (Clostridium beijerinckii)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 균주를 예로 들 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전술한 유기 용제에 의해서 생성된 에스테르가 추출된 배양액은 고압 반응기 (140)으로부터 이산화탄소 탈기조 (160)로 이송된다. 상기 이산화탄소 탈기조 (160)에서는, 예를 들어 상기 이산화탄소가 기액접촉에 의해서 용해된 배양액에 대해서 100 mmHg 내지 760 mmHg의 압력 및 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 조건을 가해줌으로써 배양액 중에 용해된 이산화탄소를 탈기시킬 수 있다. 이와 같이, 이산화탄소가 탈기된 발효액의 pH는 5.0 내지 6.0 정도의 수준으로 회복될 수 있다.
종합하면, 본 발명에 따른 에스테르의 제조방법은 전술한 과정에 의해서 목적물인 에스테르 화합물을 우수한 효율로 생산해낼 수 있게 된다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
비교예
당 농도 20 g/L의 미생물 미발효 배양액에 부티르산과 부탄올을 각각 0.03 M의 동일한 농도로 투입하고, 수산화나트륨 용액을 이용하여 배양액의 pH를 각각 2.0, 3.0, 4.0, 4.5. 5.0 및 6.0으로 조절해 주었다. 40 ℃ 및 상압 조건 하에서, 각각의 배양액 5 ml와 추출 용매인 테트라데칸을 5 ml씩 넣고 리파아제가 고정화된 novozym 435를 10 mg 넣어 주었다. 교반 기능이 장착된 인큐베이터를 사용하여 일정 온도에서 150 rpm의 속도를 유지하며 교반하였다. 교반은 4 시간 동안 진행되었으며, 이후에 별다른 유수분리 없이 배양액과 추출 용제의 분리가 가능하였다. 실험 전 후에 배양액과 추출 용제 중에 존재하는 부티르산과 부틸부티레이트의 농도를 분석하였고, 에스테르 전환 및 추출 효율은 (추출 후 추출 용제 중 부틸부티레이트 몰수)/(추출 전 부티르산 몰수) × 100의 식에 의해서 계산하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다. 생산된 에스테르는 99% 이상 추출 용제에 의해 회수됨을 GC-FID분석을 통해 확인하였으며 배양액 속에는 검출 가능한 양 (ppm) 이상의 에스테르가 잔류하지 않았다.
도 3을 참조하면, pH가 낮아질수록 부티르산의 전환 효율이 증가하여 pH 2 ~ 3 수준에서 전환 효율이 최대값을 기록함을 알 수 있다.
실시예
500 mL 혐기 발효기에 100 mL의 배양액 (당농도 20 g/L)과 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (clostridium tyrobutyricum)을 접종하였다. 배양 조건은 37 ℃ 온도를 유지하며 20 시간 동안 배양하였다. 발효가 끝난 이후에 발효액으로부터 미생물을 분리하고, 미생물이 걸러진 발효액에 대해서 부티르산의 농도를 측정한 결과, 4.8 g/L였으며, 최종 pH는 6.0이었다. 부탄올은 따로 발효를 통해 얻지 않았고, 부티르산의 농도와 같은 몰수 만큼 별도로 투입해주었다.
상기 배양액 5 ml와 추출 용매인 테트라데칸 5 ml씩을 본 발명에 따른 고압 반응기에 넣고, 이산화탄소를 공급하여 각각 50 bar의 압력을 가해 주었다. 교반기능이 장착된 인큐베이터를 사용하여 일정온도에서 150 rpm의 속도를 유지하며 교반하였다. 교반은 1 시간, 2 시간, 4 시간씩 각각 진행되었으며, 이후에 별다른 유수분리 없이 배양액과 추출 용제의 분리가 가능하였다.
실험 전 후에 배양액과 추출 용제 중에 존재하는 부티르산과 부틸부티레이트의 농도를 분석하였고, 에스테르 전환 및 이에 의한 추출효율은 (추출 후 추출 용제 중 부틸부티레이트 몰수)/(추출 전 부티르산 몰수) × 100의 식에 의해서 계산하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 또한, 도 4에는, 비교를 위해서, 전술한 바와 동일한 조건이지만, 상압 조건 하에서 2시간 동안 반응시킨 결과를 함께 도시하였다.
도 4를 참조하면, 별도의 pH 조절 없이도, 이산화탄소 고압 조건 하에서 부티르산의 전환 효율이 상압 조건에서 반응시킨 경우에 비해서 월등하게 향상된다는 사실을 알 수 있다.
Claims (15)
- a) 탄소원 배지 중에서 유기산 생산 미생물 균주를 배양하여 유기산을 생산하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계의 균주 배양액에 알코올을 첨가하여 상기 배양액 중의 유기산과 상기 첨가된 알코올 사이의 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 에스테르 제조방법에 있어서,
상기 b) 단계의 에스테르화 반응을, 5 bar 내지 50 bar의 이산화탄소 가압 조건 하에서 수행하고,
상기 b) 단계를 수행하기 이전에, 여과기에 상기 균주 배양액을 통과시켜 상기 a) 단계의 균주를 걸러내고, 걸러진 균주 배양액을 반응기에 공급하여 상기 반응기 내에서 상기 b) 단계를 수행하며,
상기 걸러진 균주는 상기 탄소원 배지가 수용된 배양기 내로 반송되고,
상기 b) 단계를 수행하기 이전에, 상기 균주가 걸러진 균주 배양액을 상기 여과기와 상기 반응기를 연결하는 라인 상에 배치된 저장기에 공급하여, 일시적으로 저장하였다가, 상기 반응기 내의 상기 균주 배양액의 pH가 3.0 내지 4.0을 유지하도록 상기 균주 배양액을 공급하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법. - 삭제
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- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 에스테르화 반응이 완료된 후, 상기 미생물 균주의 배양액에 대해서 이산화탄소 탈기 과정을 수행함으로써, 상기 미생물 균주의 배양액의 pH를 5.0 내지 6.0으로 회복시키는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 유기산 생산 미생물 균주는 클로스트리듐 타이로부티리쿰 (Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 부티리쿰 (Clostridium butyricum), 클로스트리듐 클루이베리 (Clostridium kluyveri), 카프로이시프로두센스 갈락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans), 메가스페라 헥사노이카 (Megasphaera hexanoica) 및 메가스페라 엘스데니 (Megasphaera elsdenii)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 균주인 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 에스테르화 반응은 40 ℃ 내지 60 ℃의 온도에서, 1 시간 내지 4 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소는 상기 a) 단계의 미생물 균주 배양으로부터 생성된 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유기산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 숙신산, 헥산산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기산이고, 상기 알코올은 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 알코올인 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 제올라이트 (Zeolite), 헤테로폴리산 (heteropoly acids), 실리카-알루미나 (silica-alumina), 나피온 수지 (Nafion-H), 파라톨루엔설폰산 (p-toluenesulfonic acid), SO42-/ZrO2, SO42-/TiO2-La2O3 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 촉매에 의해서 촉매되는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 에스테라아제 및 리파아제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 효소 촉매에 의해서 촉매되는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 효소 촉매가 고분자 수지 담체에 고정화된 고정화 효소에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제조된 에스테르는 도데칸, 테트라데칸, 헥사데칸 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 추출 용제를 사용하여 추출되는 것을 특징으로 하는 미생물 발효공정으로부터의 에스테르 제조방법.
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| KR102201232B1 (ko) | 2017-12-29 | 2021-01-11 | 한양대학교 산학협력단 | 메가스파에라 헥사노이카 균주를 이용하여 이소발레르산과 헥사노익산을 동시에 생산하는 방법 |
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