WO2024085425A1 - 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 제조하는 방법 - Google Patents

낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 제조하는 방법 Download PDF

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WO2024085425A1
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microalgae
fermentation broth
viscosity
concentrate
solid content
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PCT/KR2023/013055
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정아영
안준갑
이인
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씨제이제일제당 (주)
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing microalgae concentrate with low viscosity, comprising the steps of adjusting the pH of the microalgae fermentation broth and heat treating it.
  • Microalgae are emerging as a source of vegetable protein.
  • Microalgae are a resource rich in carbohydrates, proteins, and lipids, and are also used as food due to their high content of protein (up to 70% of dry weight), vitamins, and essential fatty acids. Because it is rich in protein, it has been used as a raw material for various animal feeds from aquaculture to livestock farms, and about 30% of biomass produced globally is sold as animal feed.
  • Microalgae protein is a promising business field as it is expected to reach approximately $748.2 million in 2023, with an average annual growth rate of 5.8% from $525.4 million in 2018.
  • Microalgae have high productivity per unit area, can utilize non-cultivated land and idle space, and can reduce social investment costs by using existing infrastructure. In addition, it has many advantages in that it is possible to secure high value-added raw materials in the form of pigments as well as protein sources.
  • it has many advantages in that it is possible to secure high value-added raw materials in the form of pigments as well as protein sources.
  • many elemental technologies for commercialization are limited to the research and development stage or empirical research due to limitations of low yield and high production cost. In order to achieve commercial-scale productivity in the production of microalgae-based products, securing competitiveness in production costs is the most important factor.
  • microalgae In order to economically produce products containing microalgae, technology for effectively drying harvested microalgae is required. Since the particles of microalgae are as small as 3 to 30 ⁇ m, they are not dried well using general drying methods, so methods such as freeze-drying or spray drying, which require a lot of energy and cost, are often used. However, high value-added products such as medicine are used. In order to produce products that will be used in non-food products, a drying method that minimizes the use of energy is essential. Economical drying methods such as natural drying, hot air drying, drum dryer, or belt dryer are used, but the use of drying methods in which the steam efficiency does not exceed 1 even when dried using the above methods is not recommended. There are limits to lowering production costs. Therefore, there is a need to develop more efficient, low-energy and low-cost drying methods.
  • a low-viscosity microalgae concentrate produced by a method for producing a low-viscosity microalgae concentrate comprising.
  • microalgae used in this specification refers to small algae that cannot be seen with the naked eye and can only be seen through a microscope. Microalgae include various types and are heterotrophic due to their inability to photosynthesize. This includes strains that only grow. These microalgae can fix carbon dioxide and have high protein and lipid contents, so they can be used as biomass for food, feed, or fuel production. Specifically, lipid components contained in microalgae can be used as a raw material for producing biodiesel oil used as liquid fuel.
  • the microalgae are Schizochytrium genus, Thraustochytrium genus, Aurantiochytrium genus, Japonochytrium genus, UIkenia genus, It is a strain of the genus Crypthecodinium or Haliphthoros, more preferably a strain of the genus Schizochytrium or Thraustochytrium, and most preferably it is a strain of the genus Schizochytrium. It may be a strain of the genus.
  • the term “fermentation broth” includes a product produced by fermenting the microalgae, and may be used interchangeably with the terms “fermentation broth” or “culture broth”, and specifically refers to a fermentation broth containing microalgae or It may be a fermentation filtrate in which microalgae has been removed from the fermentation broth, but is not limited thereto.
  • the microalgae fermentation broth can be prepared by inoculating the microalgae into a microalgae culture medium and using a culture method known in the art.
  • the microalgae culture medium may be MJW01 medium, but is not limited thereto.
  • step of adjusting pH of step (1) may be used interchangeably with the term “step of adjusting pH,” and the adjustment of pH may be adjusted by adding a sulfuric acid solution, but is not limited to this. , any method that can control pH can be used.
  • the step of adjusting the pH in step (1) may be adjusting the pH to 4 or less.
  • the pH of the microalgae fermentation broth is adjusted to 5 or higher and then concentrated, the viscosity increases compared to the solid content (%) of the microalgae concentrate, and the steam efficiency of the drying process after the concentration process is poor, requiring a relatively large amount of steam.
  • the heat treatment step of step (2) may be performed at a temperature of 80°C or higher, 100°C or higher, 120°C or higher, 80°C to 150°C, 100°C to 150°C, or 120°C to 150°C.
  • the heat treatment step of step (2) is 5 minutes or more, 10 minutes or more, 15 minutes or more, 5 minutes to 60 minutes, 10 minutes to 60 minutes, 5 minutes to 30 minutes, 10 minutes to 30 minutes, 5 minutes to 25 minutes. minutes, 10 to 25 minutes, 5 to 20 minutes, or 10 to 20 minutes, but is not limited thereto.
  • the method for producing a microalgae concentrate may further include the step (3) of concentrating the heat-treated fermentation broth after the heat treatment of step (2).
  • the step of concentrating the heat-treated fermentation broth may be performed using an evaporation concentrator, but is not limited to this.
  • steps (1) to (3) are the same as described above.
  • the step of drying the microalgae concentrate in step (4) can be performed using a drum dryer, but is not limited to this, and can be dried using a suitable method known in the art.
  • the amount of steam required for drying the process through steps (1) to (3) of the present application is the amount of steam required for drying the microalgae concentrate in step (1) to (3).
  • the amount of steam required for drying the microalgae concentrate in step (1) to (3) can be more than 2.3 times less than the process that does not go through.
  • the present invention provides a microalgae concentrate in which the solid content of the microalgae concentrate is 15% by weight or more based on the total weight of the microalgae concentrate and the viscosity is 120 cP or less.
  • the viscosity of the microalgae concentrate is 120 cP or less, 110 cP or less, or 100 cP or less, and the solid content of the microalgae concentrate is 15% by weight or more, 17% by weight or more, 20% by weight or more, 25% by weight or more, based on the total weight of the microalgae concentrate.
  • the present invention includes the steps of (1) adjusting the pH of the microalgae fermentation broth; and (2) heat treating the fermentation broth;
  • a microalgae concentrate with high solid content and low viscosity prepared by a method for producing a microalgae concentrate comprising.
  • the viscosity of the microalgae concentrate prepared by the concentration method of the present invention is 120 cP or less, 110 cP or less, or 100 cP or less, and the solid content of the microalgae concentrate is 15% by weight or more and 17% by weight based on the total weight of the microalgae concentrate. or more, 20% by weight or more, 25% by weight or more, 30% by weight or more, 15 to 40% by weight, 17 to 40% by weight, 20 to 40% by weight, 25 to 40% by weight, 30 to 40% by weight, 15 to 35% by weight. % by weight, 17 to 35 wt%, 20 to 35 wt%, 25 to 35 wt%, or 30 to 35 wt%.
  • the microalgae concentrate concentrated through a pretreatment process including adjusting the pH of the microalgae fermentation broth to 4 or less and then heat treatment has the characteristics of low viscosity and high solid content.
  • the method for producing microalgae concentrate of the present invention can reduce the amount of steam required in the subsequent drying step and can be usefully used as a pretreatment process for low-energy and low-cost drying methods.
  • the present invention relates to a method for producing a microalgae concentrate with low viscosity, including the steps of adjusting the pH of the microalgae fermentation broth and heat treatment, and dehydrating and drying to secure price competitiveness for production and commercialization of dried microalgae products.
  • the microalgae concentrate that has gone through the pretreatment process of pH adjustment and heat treatment in a range that does not crush the microalgae strain has low viscosity, so it has physical properties that allow for discharge and transport.
  • Typical microalgae fermentation broth has high viscosity, so even after a small amount of dehydration process, the viscosity increases, and due to the fine cell size, a dehydration process through relatively inexpensive filtration, mechanical separator, and evaporation concentration processes was essential.
  • the present invention confirmed the conditions of the pretreatment process that can produce microalgae concentrate with the lowest viscosity in the microalgae concentration process, and through this, improved the inability to use existing multi-concentration tubes with high steam efficiency and finally steam. Utility costs can be reduced through cost reduction and the investment cost of the dryer in the drying process can be reduced.
  • Figure 2 is a diagram showing the viscosity according to the solid content (%) of the microalgae concentrate concentrated by heat-treating the microalgae fermentation broth at various temperatures under unadjusted pH conditions.
  • Figure 3 is a diagram showing the viscosity according to the solid content (%) of the microalgae concentrate concentrated by adjusting the pH of the microalgae fermentation broth to 5 and then heat-treating it at various temperatures.
  • Figure 4 is a diagram showing the viscosity according to the solid content (%) of the microalgae concentrate concentrated by adjusting the pH of the microalgae fermentation broth to 5, 4, 3.5 or 3 and then heat-treating at 120 ° C.
  • Figure 5 is a diagram showing the viscosity according to the solid content (%) of the microalgae concentrate concentrated by adjusting the pH of the microalgae fermentation broth to 4 and then heat-treating it at various temperatures.
  • Figure 6 is a diagram showing the direct drying process chart and the pre-treatment drying process chart.
  • Schizochytrium fermentation broth was recovered from the fermenter. Specifically, Schizochytrium sp.
  • the strain was cultured in a 5L fermenter for 30 hours by supplying 25% of the glucose carbon source compared to the total culture medium.
  • culture was performed in a 500 mL flask using sterilized MJW01 medium at 30°C and 150 rpm for about 20 hours.
  • the seed culture flask was dispensed and inoculated into a 5L fermenter and cultured in sterilized MJW01 medium and culture environment conditions of 30°C, 500 rpm, 1.5 vvm, and pH 5-8.
  • 1 L of each pH-adjusted fermentation broth was put into an evaporation concentrator (Eyela N-1210B), and the water was evaporated and concentrated at 233 torr and an internal temperature of about 70°C. Then, the viscosity of each microalgae concentrate was measured by solid content (%), and the results are shown in Table 1 and Figure 1 below.
  • Solid content (%) was measured by the following method. Based on the principle of measuring the proportion of remaining solids by heating the sample to be measured and drying the moisture, the sample bottle was dried at 105°C for about 1 hour, cooled in a desiccator, and weighed immediately before use. Then, an appropriate amount of the sample was taken, the weight of the sample bottle and the sample were accurately measured, and the sample was completely dried in a dryer at 105°C for 3 hours, placed in a desiccator containing silica gel, cooled, and then weighed. The solid content (Total solid %) was calculated by substituting the measured values into the formula below.
  • the viscosity (cP) of the microalgae fermentation broth and concentrate was measured at 70°C and 1000 shear rate using a viscosity measuring device (RheolabQC, Anton cit).
  • the target solid content (%) of the concentrate is 30% or more
  • the solid content (%) of the microalgae concentrate in the experimental group in which the microalgae fermentation broth was adjusted to pH 4 or less before heat treatment was 30% or more. Since it was confirmed that the value was more than 30%, the condition of adjusting the pH to 4 or less before heat treatment was established as a pretreatment condition for producing microalgae concentrate with high solid content and low viscosity.
  • pH 4 4 4 4 4 temperature 30°C 60°C 80°C 100°C 120°C hour 15min 15min 15min 15min
  • analyze item solid content viscosity solid content viscosity solid content viscosity solid content viscosity unit % cP % cP % cP % cP % cP value 12.1 18.6 13.7 34.3 22.4 50.4 21.6 42.3 19.4 21.9 18.4 55.4 19.4 48.7 26.4 76.4 25.4 55.3 24.9 41.3 21.6 87.4 22.4 98.9 29.5 99.1 30.9 97.4 32.4 87.2
  • the total steam usage was calculated by creating a material balance based on the same fermentation index and production volume for the dried microalgae product after going through the pH adjustment and heat treatment pretreatment process and the microalgae product dried directly without the pretreatment process, as shown in Table 7 below. indicated.
  • the direct drying process and the drying process after pretreatment are shown in Figure 6.
  • the number of microalgae cells in the microalgae fermentation solution and the microalgae process solution (concentrate) that went through the pretreatment process was measured using Anvajo's fluidlab R-300 equipment. The measurements are shown in Table 8.

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Abstract

본 발명은 미세조류 발효액의 pH를 조절하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액 생산 방법에 관한 것으로, 미세조류 건조 제품의 생산 상용화를 위한 가격 경쟁력을 확보하기 위하여 탈수 및 건조 공정에서 유틸리티 비용 및 투자비를 절감할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 제조하는 방법
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 10월 18일자 한국 특허 출원 제10-2022-0134302호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌들에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 미세조류 발효액의 pH를 조절하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액 제조 방법에 관한 것이다.
국제연합식량농업기구(FAO)는 세계 인구 증가로 인해 육류 소비량 증가를 전망하고 있으며, 지구 온난화 등 환경 문제에 대한 국제적 관심이 증가하고, 최근 코로나 19로 인한 육류 공급 부족 및 가격 폭등에 따라 대체 단백질 식품 시장이 급성장하고 있다. 이에 따라, 단백질을 ‘재배·사육’하는 시대에서 ‘추출·발효·배양’하는 시대로 전환이 이루어지는 가운데 새로운 사업 기회도 많아지는 추세이다. 특히, 전 세계적으로 건강, 환경, 동물 복지 등 사회, 환경 부문의 지속 가능성에 관심이 커지면서 여러 대체 단백질 중에서 식물성 중심의 대체 단백질 시장이 확대되고 있다.
식물성 단백질의 원료로 미세조류가 떠오라고 있다. 미세조류는 탄수화물, 단백질, 지질이 풍부한 자원으로, 단백질(건조 중량의 최대 70%), 비타민 및 필수 지방산 함량이 높아 식량으로도 이용된다. 단백질이 풍부하여 수산 양식에서 축산 농가에까지 다양한 동물 사료 원료로 이용되어 왔으며, 세계적으로 생산되는 바이오매스의 약 30%가 동물 사료로 판매되고 있다. 미세조류 단백은 2018년 5억 2,540만 달러에서 연 평균 성장률이 5.8%로 증가하여, 2023년에는 약 7억 4,820만 달러에 이를 것으로 전망되어 유망한 사업 분야이다.
미세조류는 단위면적 당 고생산성을 보유하고 있으며, 비경작지 및 유휴 공간 이용이 가능하고, 기존 인프라의 사용으로 사회적 투자 비용 저감이 가능하다. 또한, 단백질원 뿐만 아니라 색소 형태의 고부가가치 원료 확보가 가능하다는 많은 장점을 가지고 있다. 그러나, 수십 년간 다양한 연구자와 기업들로부터 연구되고 있지만 산업화를 위한 경제적인 시스템의 개발은 몇몇 예를 제외하고 상용화되지 못하고 있다. 미세조류가 가진 높은 잠재성에도 불구하고 낮은 수율과 높은 생산비의 한계점으로 기업화를 위한 많은 요소 기술들은 연구 개발 단계 또는 실증화 연구 정도에만 머물고 있다. 미세조류 기반 제품 생산의 상용화 규모의 생산성을 이끌어 내기 위해서는 생산 단가에 대한 경쟁력을 확보하는 것이 가장 중요한 요소이다.
미세조류를 포함하는 제품을 경제적으로 생산하기 위해서는 수확된 미세조류를 효과적으로 건조하는 기술이 필요하다. 미세조류의 입자는 3 ~ 30 μm로 미세하므로, 일반적인 건조 방법으로는 건조가 잘 되지 않아 에너지와 경비가 많이 드는 동결 건조 또는 분무 건조 등의 방법을 많이 사용하고 있으나, 의약과 같은 고부가가치 제품이 아닌 식품에 이용될 제품을 생산하기 위해서는 에너지의 사용을 최소화할 수 있는 건조 방법이 필수적이다. 경제적인 건조 방법인 자연 건조 방법, 열풍 건조, 드럼 건조기 또는 벨트 드라이어를 이용한 건조 방법 등이 이용되고 있으나, 상기의 방법들로 건조한다고 하여도 스팀 효율이 1 이상이 되지 않는 건조 방법의 사용으로는 생산 원가를 낮추는데 한계가 있다. 따라서, 보다 효율적인 저에너지 및 저비용 건조 방법의 개발이 필요하다.
본 출원의 일 예는
(1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계; 및
(2) 상기 발효액에 열처리하는 단계; 를 포함하는 점도가 낮은 미세조류 농축액 제조 방법을 제공한다.
본 출원의 다른 예는
(1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계;
(2) 상기 발효액에 열처리하는 단계;
(3) 상기 열처리한 발효액을 농축하는 단계; 및
(4) 상기 농축된 미세조류 농축액을 건조하는 단계; 를 포함하는 미세조류 발효액 건조 방법을 제공한다.
본 출원의 다른 예는
(1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계; 및
(2) 상기 발효액에 열처리하는 단계; 를 포함하는 점도가 낮은 미세조류 농축액 제조 방법으로 제조된 점도가 낮은 미세조류 농축액을 제공한다.
본 출원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시 형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 출원에서 개시된 요소들의 모든 조합이 본 출원의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 출원의 범주가 제한된다고 볼 수 없다. 또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 출원에 기재된 본 출원의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 출원에 포함되는 것으로 의도된다.
본 출원의 일 예는
(1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계; 및
(2) 상기 발효액에 열처리하는 단계; 를 포함하는 점도가 낮은 미세조류 농축액 제조 방법을 제공한다.
본 명세서에서 사용된 용어, “미세조류(microalgae)”는 육안으로 볼 수 없어 현미경을 통해서만 볼 수 있는 수준의 작은 조류를 의미하고, 미세조류에는 다양한 종류가 포함되며, 광합성이 불가능하여 종속영양으로만 생장하는 균주까지 포함된다. 이러한 미세조류는 이산화탄소를 고정화시킬 수 있고, 단백질 및 지질 함량이 높으므로 식품, 사료 또는 연료 생산용 바이오매스(biomass)로 활용될 수 있다. 구체적으로, 미세조류에 함유된 지질 성분은 액체 연료로 사용되는 바이오디젤 오일 생산의 원료로 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 미세조류는 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 트라우스토키트리움(Thraustochytrium) 속, 오란티오키트리움(Aurantiochytrium) 속, 자포노키트리움(Japonochytrium) 속, 울케니아(UIkenia) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속 또는 할리프토로스 (Haliphthoros) 속 균주이며, 보다 바람직하는 스키조키트리움(Schizochytrium) 속 또는 트라우스토키트리움(Thraustochytrium) 속 균주이며, 가장 바람직하게는 스키조키트리움(Schizochytrium) 속 균주일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, “발효액”은 상기 미세조류를 발효하여 생성된 산물을 포함하는 것으로, 용어 “발효 원액” 또는 “배양액”과 혼용되어 사용될 수 있으며, 구체적으로 미세조류를 포함하는 발효액 또는 상기 발효액에서 미세조류가 제거된 발효여액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 미세조류 발효액은 미세조류 배양 배지에 상기 미세조류를 접종하고, 당업계에 공지된 배양 방법에 따라 제조될 수 있다.
상기 미세조류 배양 배지는 MJW01 배지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 단계 (1)의 “pH를 조정하는 단계”는 용어 “pH를 조절하는 단계”와 혼용되어 사용될 수 있으며, pH의 조절은 황산 용액을 투입하여 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, pH를 조절할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 사용할 수 있다.
상기 단계 (1)의 pH를 조정하는 단계는 pH를 4 이하로 조정하는 것일 수 있다. 미세조류 발효액의 pH를 5 이상으로 조정한 후 농축하는 경우 미세조류 농축액의 고형분 함량(%) 대비 점도가 높아져 농축 과정 이후 건조 과정의 스팀 효율이 좋지 않아 상대적으로 많은 스팀량을 필요로 하게 된다.
상기 단계 (2)의 열처리하는 단계는 80℃ 이상, 100℃ 이상, 120℃ 이상, 80℃ 내지 150℃, 100℃ 내지 150℃, 또는 120℃ 내지 150℃의 온도로 수행될 수 있다.
상기 단계 (2)의 열처리하는 단계는 5분 이상, 10분 이상, 15분 이상, 5분 내지 60분, 10분 내지 60분, 5분 내지 30분, 10분 내지 30분, 5분 내지 25분, 10분 내지 25분, 5분 내지 20분, 또는 10분 내지 20분 동안 수행되는 것일수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 미세조류 농축액 제조 방법은 단계 (2)의 열처리하는 단계 이후에 (3) 상기 열처리한 발효액을 농축하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리한 발효액을 농축하는 단계는 증발 농축기를 사용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명은
(1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계;
(2) 상기 발효액에 열처리하는 단계;
(3) 상기 열처리한 발효액을 증발 농축하는 단계; 및
(4) 상기 증발 농축된 미세조류 농축액을 건조하는 단계; 를 포함하는 미세조류 발효액 건조 방법을 제공한다.
상기 단계 (1) 내지 (3)에 대한 내용은 상기한 바와 같다.
상기 단계 (4)의 미세조류 농축액을 건조하는 단계는 드럼드라이어를 사용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 당해 분야에 공지된 적합한 방법을 이용하여 건조할 수 있다.
상기 단계 (4)의 미세조류 농축액을 건조하는 단계를 드럼드라이어를 사용하여 수행하는 경우, 본 출원의 단계 (1) 내지 (3)을 거치는 공정의 건조에 필요한 스팀량이 단계 (1) 내지 (3)을 거치지 않는 공정에 비해 2.3배 이상 적을 수 있다.
또한, 본 발명은 미세조류 농축액의 고형분 함량이 미세조류 농축액 총 중량을 기준으로 15 중량% 이상이고, 점도가 120 cP 이하인, 미세조류 농축액을 제공한다.
상기 미세조류 농축액의 점도는 120 cP 이하, 110 cP 이하 또는 100cP 이하이고, 미세조류 농축액의 고형분 함량은 미세조류 농축액 총 중량을 기준으로 15 중량% 이상, 17 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상, 15 내지 40 중량%, 17 내지 40 중량%, 20 내지 40 중량%, 25 내지 40 중량%, 30 내지 40 중량%, 15 내지 35 중량%, 17 내지 35 중량%, 20 내지 35 중량%, 25 내지 35 중량%, 또는 30 내지 35 중량%일 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계; 및 (2) 상기 발효액에 열처리하는 단계; 를 포함하는 미세조류 농축액 제조 방법으로 제조된 고형분 함량이 높고, 점도가 낮은 미세조류 농축액을 제공한다.
상기 본 발명의 농축 방법으로 제조된 미세조류 농축액의 점도는 120 cP 이하, 110 cP 이하 또는 100cP 이하이고, 미세조류 농축액의 고형분 함량은 미세조류 농축액 총 중량을 기준으로 15 중량% 이상, 17 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상, 15 내지 40 중량%, 17 내지 40 중량%, 20 내지 40 중량%, 25 내지 40 중량%, 30 내지 40 중량%, 15 내지 35 중량%, 17 내지 35 중량%, 20 내지 35 중량%, 25 내지 35 중량%, 또는 30 내지 35 중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 미세조류 발효액의 pH를 4 이하로 조정한 후, 열처리하는 단계를 포함하는 전처리 공정을 거쳐 농축한 미세조류 농축액이 낮은 점성과 높은 고형분 함량을 포함하는 특징이 있음을 확인하였는 바, 본 발명의 미세조류 농축액 제조 방법은 이후의 건조 단계에서 필요한 스팀량을 줄일 수 있어 저에너지 및 저비용 건조 방법의 전처리 공정으로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 미세조류 발효액의 pH를 조절하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액 생산 방법에 관한 것으로, 미세조류 건조 제품의 생산 상용화를 위한 가격 경쟁력을 확보하기 위하여 탈수 및 건조 공정에서 유틸리티 비용 및 투자비를 절감할 수 있는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 미세조류 농축액 생산 방법은 미세조류 균주를 파쇄하지 않는 범위의 pH 조정 및 열처리의 전처리 공정을 거친 미세조류 농축액이 낮은 점성을 가지므로, 배출 및 이송이 가능성 물성을 가지게 된다. 일반적인 미세조류 발효액은 점성이 높아 적은 양의 탈수 공정을 거쳐도 점성이 높아지는 특성과 미세한 세포 크기로 인해 비교적 공정 비용이 저렴한 여과, 기계적 분리기, 증발 농축 공정을 통한 탈수 공정이 필수적이었다. 본 발명은 미세조류 농축 과정에서 가장 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 생산할 수 있는 전처리 공정의 조건을 확인하였으며, 이를 통해 기존의 스팀 효율이 높은 다중 농축관 사용이 불가하였던 점을 개선시켜 최종적으로 스팀 비용 절감을 통한 유틸리티 비용 감소 및 건조 공정에서의 건조기의 투자 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 미세조류 발효액을 동일한 온도 조건에서 다양한 pH(pH= 3, 4, 5, 6)로 조정하여 농축한 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)에 따른 점도를 나타낸 도이다.
도 2는 pH 미조정 조건에서 미세조류 발효액에 다양한 온도로 열처리하여 농축한 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)에 따른 점도를 나타낸 도이다.
도 3은 미세조류 발효액의 pH를 5로 조정한 후 다양한 온도로 열처리하여 농축한 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)에 따른 점도를 나타낸 도이다.
도 4는 미세조류 발효액의 pH를 5, 4, 3.5 또는 3으로 조정한 후 120℃로 열처리하여 농축한 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)에 따른 점도를 나타낸 도이다.
도 5는 미세조류 발효액의 pH를 4로 조정한 후 다양한 온도로 열처리하여 농축한 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)에 따른 점도를 나타낸 도이다.
도 6은 직접 건조 공정도와 전처리 건조 공정도를 나타낸 도이다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제품 품질을 위하여 세포가 파쇄되지 않는 조건에서 pH 조절 단계와 열처리 단계를 통해 증발 농축 후 고형물이 30% 이상이며, 증발 농축기에서 배출이 가능한 점도인 100cP 이하가 되는 조건을 탐색하였다.
실시예 1. 미세조류 발효액의 준비
실험을 위한 미세조류 발효액을 확보하기 위하여 발효조로부터 Schizochytrium 발효액을 회수하였다. 구체적으로, Schizochytrium sp. 균주를 5L 발효조에서 총 배양액 대비 25%의 Glucose 탄소원을 공급하여 30시간 배양을 진행하였다. 종균 배양(Seed culture)의 목적으로 멸균된 MJW01 배지를 이용하여 500 mL 플라스크(flask)에서 30℃, 150 rpm 조건으로 약 20시간 동안 배양을 진행하였다. 종균 배양(Seed culture)된 플라스크는 5L 발효조(fermenter)로 분주 및 접종되어 멸균된 MJW01 배지 및 배양 환경 30℃, 500 rpm, 1.5 vvm, pH 5-8 조건에서 배양을 진행하였다.
실험예 1. 미세조류 발효액을 동일한 온도 조건에서 다양한 pH로 조정한 미세조류 농축액의 점도 확인
pH=6, 30℃ 조건에서 배양이 끝난 고형분 함량이 8%인 미세조류 발효액에 98% 황산 용액을 투입하여 pH를 3, 4 또는 5로 조정하였다. pH를 조정한 발효액을 각각 1L씩 증발 농축기(Eyela社 N-1210B)에 투입하여 233 torr, 내부온도 약 70℃ 조건에서 수분을 증발시켜 증발 농축하였다. 그런 다음, 각 미세조류 농축액의 고형분 함량(%) 별 점도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.
고형분 함량(%)은 다음의 방법으로 측정하였다. 측정하고자 하는 시료를 가열하여 수분을 건조시켜 남아 있는 고형분의 비율을 측정하는 원리로 시료병을 105℃에서 약 1시간 건조시킨 다음 데시케이터 안에서 식힌 후 사용하기 직전에 무게를 쟀다. 그런 다음, 시료를 적당량을 취하여 시료병과 시료의 무게를 정확히 측정한 후, 105℃ 건조기 안에서 3시간 동안 완전 건조시킨 다음 실리카겔이 담겨 있는 데시케이터에 넣어 식힌 후 무게를 측정하였다. 측정된 값을 하기의 계산식에 대입하여 고형분 함량(Total solid %)을 계산하였다.
[계산식]
Figure PCTKR2023013055-appb-img-000001
* W1 = 시료병의 무게
* W2 = 건조 전의 시료병과 시료의 무게
* W3 = 건조 후의 시료병과 시료의 무게
점도(cP)는 점도 측정 장비(RheolabQC, Anton paar 社)를 이용하여 미세조류 발효액 및 농축액의 점도를 70℃, 1000 shear rate 조건에서 측정하였다.
조정 pH pH=3 pH=4 pH=5 pH=6 pH 7
분석
항목		 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP % cP % cP % cP
값 11.6 9.3 11.9 15.7 11.7 23.5 11.0 27.8 11.2 27.9
19.0 24.8 17.7 46.2 16.2 47.3 15.7 61.4 16.0 60.6
21.3 36.8 20.1 70.3 20.8 112.1 18.3 107.7 18.6 108.7
그 결과, 표 1과 도 1에 나타난 바와 같이, pH가 낮을수록 동일한 미세조류 농축액의 고형물 함량(%) 대비 점도가 낮음을 확인하였으며, 농축기에서 배출이 가능한 정도의 점도(약 100cP)를 가진 미세조류 농축액의 고형물 함량(%)이 증가함을 확인하였다.
실험예 2. 미세조류 발효액을 pH 미조정 조건에서 다양한 온도로 열처리한 미세조류 농축액의 점도 확인
pH=6, 30℃ 조건에서 배양이 끝난 고형분 함량이 8%인 미세조류 발효액을 다양한 온도(30℃, 60℃, 80℃, 100℃ 및 120℃)에서 약 15분간 열처리하였다. 서로 다른 온도에서 열처리한 발효액을 각 1L씩 증발 농축기(Eyela社 N-1210B)에 투입하여 수분을 증발시켜 미세조류 농축액 고형분 함량(%) 별 점도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다.
pH 6 6 6 6 6
온도 30℃ 60℃ 80℃ 100℃ 120℃
분석
항목		 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP % cP % cP % cP
값 14.9 61.5 13.5 53.6 14.1 48.4 14.6 55.4 14.7 53.5
16.6 73.0 17.7 82.2 16.2 76.4 17.0 80.5 16.3 76.8
그 결과, 표 2와 도 2에 나타난 바와 같이, 배양이 끝난 미세조류 발효액에 pH를 조정하는 단계를 거치지 않고 열처리를 한 경우에는 열처리 온도에 따른 고형분 함량(%) 별 점도 변화는 경향성이 없음을 확인하였다.
실험예 3. 미세조류 발효액을 pH를 5로 조정한 조건에서 다양한 온도로 열처리한 미세조류 농축액의 점도 확인
pH=6, 30℃ 조건에서 배양이 끝난 고형분 함량이 8%인 미세조류 발효액에 98% 황산을 투입하여 pH를 5로 조정하였다. 그런 다음, 미세조류 발효액 각 1L씩에 다양한 온도(80℃, 100℃ 및 120℃)에서 약 15분간 열처리하였다. 서로 다른 온도에서 열처리한 미세조류 발효액을 각 800g씩 증발 농축기(Eyela社 N-1210B)에 투입하여 수분을 증발시켜 고형분 함량(%) 별 점도를 측정하여 하기 표 3 및 도 3에 나타내었다.
조정 pH pH=5 pH=5 pH=5
온도 80℃ 100℃ 120℃
시간 15min 15min 15min
분석항목 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP % cP
값 22.7 84.3 23.0 63.6 22.5 38.5
24.2 110.4 25.8 103.5 24.4 47.2
27.5 197.4 28.5 165.2 28.1 120.6
그 결과, 표 3과 도 3에 나타난 바와 같이, 열처리 전 pH를 5로 조정하는 단계를 거치는 경우, 열처리 온도가 높을수록 동일 고형분 함량(%) 대비 점도가 낮음을 확인하였다. 그러나, pH를 5로 조정하는 전처리 단계를 거친 미세조류 농축액들의 고형분 함량이 30%를 넘지 않는다는 한계점이 존재한다.
실험예 4. 미세조류 발효액을 다양한 pH 조건에서 동일한 온도로 열처리한 미세조류 농축액의 점도 확인
pH=6, 30℃ 조건에서 배양이 끝난 고형분 함량이 8%인 미세조류 발효액에 98% 황산을 투입하여 발효액의 pH를 5, 4, 3.5 또는 3으로 조정하였다. 그런 다음, 미세조류 발효액 각 1L씩에 온도 120℃에서 약 15분간 열처리하였다. 열처리한 발효액을 각 800g씩 증발 농축기(Eyela社 N-1210B)에 투입하여 수분을 증발시켜 고형분 함량(%) 별 점도를 측정하여 하기 표 4 및 도 4에 나타내었다. 또한, 상대적으로 높은 pH 조건에서 동일한 온도로 열처리한 미세조류 농축액의 점도를 확인하기 위하여 발효액의 pH를 6 또는 7로 조정하여 동일한 조건으로 처리한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
조정 pH pH=5 pH=4 pH=3.5 pH=3
온도 120℃ 120℃ 120℃ 120℃
시간 15min 15min 15min 15min
분석항목 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP % cP % cP
값 20.4 33.2 23.7 24.4 27.4 36.9 24.6 15.1
22.7 45.5 28.5 54.7 31.3 66.2 30.4 36.3
26.5 111 31.3 89.4 35.2 115.2 37.4 108.6
조정　pH pH=6 pH=7
온도 120℃ 120℃
시간 15min 15min
분석항목 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP
값 19.8 113.4 20.3 110.5
24.1 222.7 24.7 246.2
그 결과, 표 4와 도 4에 나타난 바와 같이, 미세조류 발효액의 열처리 과정 전 pH를 낮출수록 발효액이 농축되어 점도가 낮아지는 효과가 있음을 확인하였다. 반면, 표 5에 나타난 바와 같이, 미세조류 발효액의 열처리 과정 전 pH를 6 또는 7로 조정한 경우에는 낮은 pH로 조정한 경우보다 점도가 높은 것으로 나타나 발효액이 충분히 농축되지 않았음을 확인하였다.
미세조류 농축 공정에 있어서 경제성을 달성하기 위해 목표하는 농축액의 고형분 함량(%)은 30% 이상이고, 미세조류 발효액에 열처리 전 pH 4 이하로 조정한 실험군에서 미세조류 농축액의 고형분 함량(%)이 30% 이상의 값을 나타냄을 확인하였으므로, 열처리 전 pH를 4 이하로 조정하는 조건을 고형분 함량이 높고 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 생산하는 전처리 조건으로 확립하였다.
실험예 5. 미세조류 발효액을 pH 4로 조정한 조건에서 다양한 온도로 열처리한 미세조류 농축액의 점도 확인
상기 실험예 4에서 고형분 함량이 높고 낮은 점도를 갖는 미세조류 농축액을 생산하기 위한 전처리 조건으로 pH를 4 이하로 조정하는 조건을 도출하였는 바, 미세조류 발효액의 pH를 4로 조정한 조건에서 고형분 함량(%) 대비 점도가 낮은 미세조류 농축액을 생산하는 최적 열처리 온도를 도출하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, pH=6, 30℃ 조건에서 배양이 끝난 고형분 함량이 8%인 미세조류 발효액에 98% 황산을 투입하여 발효액의 pH를 4로 조정하였다. 그런 다음, 미세조류 발효액 각 1L씩에 온도 30℃, 60℃, 80℃, 100℃ 또는 120℃에서 약 15분간 열처리하였다. 열처리한 발효액을 각 800g씩 증발 농축기(Eyela社 N-1210B)에 투입하여 수분을 증발시켜 고형분 함량(%) 별 점도를 측정하여 하기 표 6 및 도 5에 나타내었다.
pH 4 4 4 4 4
온도 30℃ 60℃ 80℃ 100℃ 120℃
시간 15min 15min 15min 15min 15min
분석
항목		 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도 고형분 점도
단위 % cP % cP % cP % cP % cP
값 12.1 18.6 13.7 34.3 22.4 50.4 21.6 42.3 19.4 21.9
18.4 55.4 19.4 48.7 26.4 76.4 25.4 55.3 24.9 41.3
21.6 87.4 22.4 98.9 29.5 99.1 30.9 97.4 32.4 87.2
그 결과, 표 6과 도 5에 나타난 바와 같이, 미세조류 발효액의 pH를 4로 조정한 조건에서 열처리 온도가 높을수록 동일 고형분 함량(%) 대비 점도가 낮음을 확인하였다. 구체적으로, 점도 데이터는 고형분 함량의 변화에 따라 선형으로 증가하는 것이 아니라, 2차식으로 일정 농도 이상이 되면 급격하게 높아졌으며, 동일한 114 cp 기준으로 60℃에서는 고형분 함량이 23%이고, 80℃에서는 31%이므로, 80℃ 이상의 온도에서 열처리한 경우 고형분을 30% 이상 더 농축이 가능함을 확인하였다. 따라서, 80℃ 이상의 온도에서 열처리를 수행하는 것이 농축 효과가 좋다고 판단된다.
실험예 6. 건조 전 pH 조절 및 열처리 전처리 공정에 따른 스팀 효율 확인
pH 조절 및 열처리 전처리 공정을 거친 후 건조한 미세조류 제품과 전처리 공정없이 직접 건조한 미세조류 제품을 동일 발효 지표와 생산량을 기준으로 물질 수지(material balance) 작성을 통해 전체 스팀 사용량을 계산하여 하기 표 7에 나타내었다. 직접 건조 공정도와 전처리 후 건조하는 공정도는 도 6에 나타내었다.
공정 조건 직접 건조 전처리 건조
(pH조정 및 열처리)
Unit Process 사용량(Ton/day) 사용량(Ton/day)
열처리 스팀 - 64.50
농축관 스팀 - 118.20
건조기 스팀 1,374.56 421.30
Total 1,374.56 604.00
그 결과, 표 7에 나타난 바와 같이, 미세조류 발효액을 전처리 공정 없이 드럼드라이어를 이용하여 건조(직접 건조)하는 경우 대비 pH 조정 및 열처리를 거쳐 증발 농축 후 드럼드라이어를 이용하여 건조하는 경우가 약 2.3배 스팀 사용량이 절감되는 것을 확인하였다. 건조기 스팀 사용량 비교 결과, 전처리 공정을 거쳤을 경우 필요한 스팀량이 421.3 ton/day이고, 미세조류 발효액을 전처리 공정 없이 건조기에 투입하는 경우 필요한 스팀량은 1,374.6 ton/day으로 나타났다. 즉, 전처리 공정 건조가 직접 건조 대비 필요한 스팀량이 약 3배 적으므로 필요한 건조기 대수를 약 3배 절감할 수 있다.
실험예 7. 미세조류 발효액과 전처리 공정을 거친 농축액의 세포 수 확인
전처리 후에도 균주 특성을 유지하는지 확인하기 위하여, Anvajo 社, fluidlab R-300 장비를 이용하여 미세조류 발효 원액과 전처리 공정(pH 조정 및 열처리)을 거친 미세조류 공정액(농축액)의 미세조류 세포 수를 측정하여 표 8에 나타내었다.
공정액 발효 원액 전처리 공정액
BT1 2.46E+08 2.48E+08
BT2 3.59E+08 3.35E+08
BT3 2.19E+08 2.22E+08
그 결과, 표 8에 나타난 바와 같이, 미세조류 발효 원액과 전처리 공정을 거친 공정액(농축액) 사이의 세포 수 변화가 크지 않음을 확인하였는 바, 전처리 공정을 거치더라도 미세조류 균주 특성을 유지함을 확인하였다.

Claims (11)

  1. (1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계; 및
    (2) 상기 발효액에 열처리하는 단계; 를 포함하는 점도가 낮은 미세조류 농축액 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세조류는 스키조키트리움 속(Schizochytrium sp.) 균주인 것인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (1)의 pH를 조정하는 단계는 pH를 4 이하로 조정하는 것인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (2)의 열처리하는 단계는 80℃ 이상의 온도로 수행하는 것인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (2)의 열처리하는 단계는 100℃ 이상의 온도로 수행하는 것인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기(2)의 열처리하는 단계는 5분 내지 25분 동안 수행하는 것인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미세조류 농축액의 고형분 함량은 미세조류 농축액 총 중량을 기준으로 15 중량% 이상인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미세조류 농축액의 점도는 120 cP 이하인, 미세조류 농축액 제조 방법.
  9. (1) 미세조류 발효액의 pH를 조정하는 단계;
    (2) 상기 발효액에 열처리하는 단계;
    (3) 상기 열처리한 발효액을 증발 농축하는 단계; 및
    (4) 상기 증발 농축된 미세조류 농축액을 건조하는 단계; 를 포함하는 미세조류 발효액 건조 방법.
  10. 미세조류 농축액의 고형분 함량이 미세조류 농축액 총 중량을 기준으로 15 중량% 이상이고, 점도가 120 cP 이하인, 미세조류 농축액.
  11. 제10항에 있어서, 상기 미세조류 농축액은 제1항의 방법으로 제조된 것인, 미세조류 농축액.
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