The production of organic acids at low cost by fermentation makes available an alternative route of chemical feedstock from biomass. Because of the multiple functional groups and high reactivity, organic acids can be useful in carrying out a variety of chemical reactions. Lactic acid, in particular, is considered as the most promising candidate of alternative chemical feedstock for catalytic conversions. However, regarding current selling price of lactic acid (~ 2.5 $ per kg of 85% lactic acid) produced by fermentation, the use of lactic acid derivatives in commodity applications faces with some obstacles including high raw material cost and low production efficiency. Thus, the objectives in this study are to tackle the impediments by development of cheaper fermentation media and highly productive continuous bioreactor.
As an effort of replacing yeast extract, the most effective but expensive nutrient source, soybean media were investigated in batch cultures of Lactobacillus rhamnosus. An enzyme-hydrolysate of soybean meal, Soytone, with an adequate supplementation of vitamins was found to be highly effective in supporting lactic acid production from glucose and lactose. The effects of seven selected vitamins: d-biotin, pyridoxine, p-aminobenzoic acid, nicotinic acid, thiamine, pantothenic acid, and riboflavin, on cell growth and lactic acid production were investigated to provide the basis for the optimization of vitamin supplementation to minimize the cost. Pantothenic acid was the most required compound while the other six vitamins were also essential for high lactic acid productivity. As a result of the optimization, 15 g/L yeast extract could be successfully replaced with 19.3 g/L Soytone supplemented with the vitamins resulting in a production of 125 g/L lactic acid from 150 g/L glucose. The volumetric productivity and lactate yield were 2.27 $gL^{-1}h^{-1}$ and 92 %, respectively, which were higher than those with 15 g/L yeast extract. The raw material cost was estimated to be 21.4 ￠ per kg lactic acid that was only about 41 % of that with yeast extract.
In order to develop a new bioreactor that provides high productivity along with High concentration of lactic acid, the performance of membrane cell-recycle bioreactor (MCRB) was investigated with experimental studies and simulation optimization. Due to greatly increased cell density, high lactate productivity, 21.6 $gL^{-1}h^{-1}$, was obtainable in the MCRB. The lactate concentration, however, could not be increased higher than 83 g/L. When additional CSTR (continuous stirred tank reactor) was attached next to the MCRB higher lactate concentration, 87 g/L, was produced with significant expense of the productivity. When an MCRB was added in series with the MCRB, 93 g/L lactate could be produced with a productivity of 57 $gL^{-1}h^{-1}$, the highest productivity among the reports of L(+)-lactic acid that obtained lactate concentration higher than 85 g/L using glucose substrate. Additionally, the investigation of lactic acid fermentation kinetics resulted in a successful model that represents the characteristics of lactic acid fermentation by Lactobacillus rhamnosus. The model was found to be applicable to most of the existing data obtained with membrane cell-recycle bioreactor and was in good agreement. Levenspiel's product inhibition model and Luedeking-Piret equation for product formation kinetics seem to be effective in expressing the fermentation kinetics.
Based on the annual lactic acid production capacity of 10,000 tons per year, production cost for the newly developed 2-stage MCRB was estimated in comparison with other three types of reactor. The capital investments of each type of reactor increase almost identically except for the batch fermentation that increased to about 2.5-fold higher. From this high capital investment in batch fermentation, the unit production cost resulted in the highest among the reactor types. For the capacity of 1,000 MT/yr, single MCRB had the lowest production cost, while batch fermentation and a 2-stage configuration, type D (cell recycle from the second MCRB to the first CSTR), showed high production cost of around 3.5 $/kg-lactic acid. However, the economical advantage of type D grew rapidly as the production capacity increased. Above the capacity of 50,000 MT/yr, type D surpassed type C. The raw material cost in all types of reactor could be appreciated as almost the same in which the lactic acid yields on glucose consumption were similar. The cost for consumables was zero in batch fermentation while significant contributions observed in other reactor types. Since type C contains two MCRBs while type A and D that have only one MCRB, the cost contribution of the consumables in type C is higher than in type A and D but it can be most advantageous depending on the cost of membrane units.
적은 비용과 높은 효율로 유기산을 생산할 수 있는 발효공정의 개발은 바이오메스로부터 화학제품을 생산하는 새로운 경로를 제공한다. 유기산이 가지는 여러 개의 작용기들로 인해 다양한 종류의 화학반응을 유기산에 적용할 수 있다. 이들 유기산 중 특히, 유산과 숙신산은 촉매를 이용한 여러 가지 화학변환공정에 이용될 수 있는 원료로 사용되어 질 것이 유력하기 때문에 발효공정을 이용한 이들의 대량생산을 눈앞에 두고 있다. 현재 유산은 전세계 생산량의 (연간 40,000 톤) 반 이상을 발효방법으로 생산되고 있으며 Cargill-Dow Polymers 가 최근 발표한 polylactic acid 공장의 건설이 완료되면 그 생산량은 급격히 증대될 것이다. 숙신산은 상업화의 관점에서 보면 유산보다 몇 년 뒤쳐진 것으로 볼 수 있으나 최근 고 효율 발효공정이 개발되었다는 보고가 있다. 그러나 현재 85 % 유산의 구입가격이 kg당 약 2.5 달러인 것을 감안하면 유산의 유도체를 범용제품에 사용하기 위해서 몇 가지 해결해야 될 문제가 있는데 높은 원료가격과 낮은 생산효율이 그것이다. 그래서 본 연구는, 이들 문제를 해결하기 위한 방법으로, 값싼 발효배지의 개발 및 고 효율 발효공정의 개발을 목표로 하였다.
먼저, 경제적인 발효배지의 구성을 위한 연구로, 고가의 효모추출물을 대체하기 위하여, 콩을 이용하는 방법이 Lactobacillus rhamnosus를 이용한 회분식 발효에서 연구되었다. 효소를 이용한 콩의 가수분해물에 비타민을 적절히 첨가하면 포도당이나 유당으로부터 유산발효가 효율적으로 진행되는 것을 관찰할 수 있었다. 목표성능을 얻기 위해 첨가되는 이들 7 가지 비타민들이 (d-biotin, pyridoxine, p-aminobenzoic acid, nicotinic acid, thiamine, pantothenic acid, and riboflavin) 미생물의 성장과 유산생성에 미치는 영향을 관찰하였고 이로부터 사용해야 하는 비타민의 양을 크게 줄일 수 있었다. Pantothenic acid 가 가장 다량으로 요구되었으나 나머지 6개 비타민들도 필수적으로 첨가해야 한다는 것을 알게 되었다. 비타민 첨가량의 최적화 결과로 150 g/L 의 포도당으로부터 125 g/L 의 유산을 생산하는데 필요한 15 g/L 효모추출물을 19.3 g/L 의 콩가수분해물로 완전히 대체할 수 있었다. 이때의 유산 생산성은 2.27 $gL^{-1}h^{-1}$ 였고 수율은 92 % 였으며 이것은 15g/L 의 효모추출물을 이용했을 때 보다 높은 결과이며 이 결과로부터 유산의 원료 가격이 21.4 ￠ per kg lactic acid 로 계산되었다. 그리고 이 값은 효모추출물을 이용할 때와 비교하여 41 % 로 줄어든 것이다.
높은 농도의 유산을 고효율로 연속생산할 수 있는 새로운 생물반응기를 개발하기 위하여 분리막을 이용한 세포재순환 반응기 (MCRB) 의 성능을 실험과 전산모사를 이용하여 연구하였다. 이 반응기는 크게 증대된 세포농도로 인하여 높은 생산성(21.6 $gL^{-1}h^{-1}$)을 보였으나 유산의 농도를 83 g/L 이상으로 올리는 것은 불가능하였다. 일반 연속회분반응기 (CSTR) 를 MCRB 의 뒤에 연결하였을 때는 87 g/L의 유산을 생산하였으나 증가된 반응기 부피로 인하여 생산성은 크게 줄었다. MCRB를 CSTR 대신 연결하여 2기의 MCRB로 이루어진 반응기를 운전했을 때는 57 $gL^{-1}h^{-1}$의 고생산성으로 93 g/L 의 유산을 생산할 수 있었다. 이 성능은 지금까지 보고된 85 g/L 이상의 (L)-유산을 생산한 경우 중 가장 높은 것이다. 실험으로 MCRB 특히 2단 MCRB의 최적운전조건을 찾는다는 것은 아주 어렵기 때문에, 그리고 MCRB의 최고성능을 추측하기 위하여 유산발효특성을 비교적 정확하게 표현하는 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 Levenspiel의 생산물저해 모델과 Luedeking-Piret 식을 사용한 것으로 대부분의 발표된 실험결과 및 본 연구의 실험과 부합하는 것으로 관찰되었다. 유산의 농도가 55 g/L 를 지나쳐서 증가할 때는 Luedeking-Piret 식의 세포농도와 연관된 파마메터가 크게 변화하는 것을 관찰하였고 이 발견을 이용하여 보다 정확한 반응기 성능예측이 가능하였다.
앞에서 설명한 2단 연속 세포재순환 발효시스템 (C-type)의 경제성을 세가지 다른 종류의 시스템과 비교하여 평가하였다. 회분식 발효를 제외한 MCRB 들은 생산량이 증가함에 따라 초기 투자비가 거의 동일한 증가를 보였고 연간 1000 톤을 생산할 때는 1단 MCRB 가 가장 낮은 생산비를 보였다. 회분식과 D-type (cell recycle from the second MCRB to the first CSTR) 발효시스템은 3.5 $/kg-lactic acid 정도의 높은 생산비를 나타냈으나 생산량이 증가함에 따라 D-type은 급격히 생산비가 감소함을 알 수 있었으며 연간 50,000 톤 이상의 생산량을 가질 때는 2단 세포재순환 발효시스템 (type C)보다 낮은 생산비를 보였다. 네 가지 경우 모두 거의 동일한 수율을 가지기 때문에 원재료비는 비슷하였다. 회분식 발효에서는 consumables 비용이 0 이었으나 MCRB 가 적용된 세가지 type에서는 상당한 consumables 비용이 포함되었다. 특히 C-type에서는 두 개의 동일한 막분리 장치가 사용되기 때문에 consumables 비용이 다른 MCRB 에 비해서 2배가 적용되었다. 이 연구로부터 알 수 있었던 것은 MCRB 가 회분식 발효에 비해서 경제성이 높으며 생산되는 유산의 농도가 크게 다르지 않는 한 MCRB들의 경제성이 유사하다는 것이다. 만약 type C의 membrane cost가 적어지면 경제성은 상승할 것으로 추축된다.
