Membrane cell recycle has been a very popular method in achieving a high bioreactor productivity. However, this process has several drawbacks such as difficulties of scale-up, sterilization, and fouling. In order to overcome these drawbacks, high cell density culture study of microorganisms was carried out using a membrane-less cell recycle fermenter. A new internal packing system which allowed microbial separation inside the fermenter was introduced and its applications for hight cell density culture of yeast and high ethanol productivity were investigated.
The packed tube performance is very important in this system and is highly influenced by porosity of packing materials. The porosity of packing materials, 30~35 %, was suitable for yeast separation.
Ethanol fermentation of Saccharomyces cerevisiae ATCC # 24858 was carried out and maximum cell concentration up to 87 g/L was obtained. The cell concentration in the fermentor was maintained by proper manipulation of dilution rate and natural bleed ratio through the packed tube. About 10 ~ 15 % of cells passed through the packed tube filter. This has the same concept as bleed ratio 0.1 ~ 0.15. The ethanol productivity with a feeding glucose concentration of 100 g/L was 21 g/Lㆍh at steady state. The internal packing system was successfully operated for more than 8 days.
In the simulation of continuous ethanol fermentation in the packing system, it was possible to predict the glucose, ethanol, and yeast concentration. The predict values were in good agreement with experimental results.
These studies show that the internal packing system can be used successfully for high cell density culture and ethanol fermentation, which was comparable with an external membrane cell recycle system. Furthermore, it can be scaled up more easily than the external membrane cell recycle system.
The simulation of internal centrifugation system was carried out. Viscosities of fermentation medium at various cell volume fractions, were obtained and calculated values were in good agreement with the experimental values. Sedimentation velocities at various cell volume fractions were obtained and tendency of these values were investigated. On the basis of the viscosity and sedimentation velocity data, simulation of internal centrifugation system was carried out.
에탄올 발효에 있어서 발효조 내에 높은 미생물 농도를 유지하기 위해 막을 이용하여 발효조 밖에서 미생물을 재순환시키는 방법이 주를 이루어 왔으나 본 실험에서는 외부 재순환 방법의 단점을 보완하기 위하여 packed tube를 발효조 내에 장착하여 발효조 내부에서 미생물을 분리하는 방법을 고안해 내었다. 미생물의 분리를 반응기 내에서 수행하게 되면, 미생물의 성장 뿐만 아니라 분리가 반응기 내부에서 동시에 이루어지므로 산도, 용존산소 농도, 미생물 농도 등을 일정하게 유지시킬 수 있고, 반응기와 분리기가 함께 존재함으로 한번에 멸균시킬 수 있다. 이를 연속 에탄올 발효에 응용하여 yeast의 고농도 세포배양 가능성을 조사하였다.
최적의 조건을 찾기 위해 여러 packing 물질 및 공극률에서 포도당을 이용하여 연속조업한 결과, 다른 물질에 비해 활성탄이 공극률 30 ~ 35 % 의 조건에서 세포 재순환에 월등한 효과를 나타내었다. 완전 재순환 발효에서는 세포의 성장에 의해 세포의 농도가 계속 증가하여 발효조 내의 점도가 높아지고 $CO^2$ 의 제거가 힘들어지는 등 발효조의 조업이 어려워지기 때문에 세포의 적정 농도를 유지하기 위해 bleed를 주는 것이 필요하다. 본 실험의 경우, 30 ~ 35 % 의 공극률을 가진 활성탄으로 packing한 관을 이용하여 세포 재순환을 시킨 결과, 발효조의 10 ~ 15 %에 해당하는 양의 yeast가 여과액에 포함되어 빠져나와 자연스럽게 bleed가 이루어져, 펌프를 따로 연결하여 bleed를 주었던 internal stainless를 이용한 세포 재순환에 비해 동력이 절감되는 효과를 이루었다. 유입 포도당 농도 100 g/L, 희석률 $0.5 h^{-1}$ 에서 연속조업하여 약 $21 g/Lㆍh$ 의 생산성을 얻었는데, 이는 회분식보다 약 6.7배 이상 높은 것이다. 실험 결과와 실제 실험상의 조건을 적용한 시뮬레이션 결과는 잘 일치하였다. packing 관에 갇힌 yeast로 인해 관의 막힘 현상이 일어나 희석률 $0.5 h^{-1}$ 까지의 세포재순환 결과만을 얻었으므로, 실험 결과와 함께 시뮬레이션 결과를 이용하여 bleed ratio 및 유입 포도당 농도의 영향을 알아보았다. 그 결과, 유입 포도당 농도 100 g/L에서 bleed ratio를 0.1 ~ 0.15로 조절하는 것이 가장 좋은 것으로 나타났다.
yeast의 농도가 증가함에 따라 발효액의 점도는 증가, 침전속도는 감소한다는 것을 확인하였다. 이는 yeast의 분리를 어렵게 하는 결과를 가져오므로, 발효조 내에서의 계속적인 분리를 위해 공정이 가능한 범위에서 발효조 내에 최소화된 원심분리기를 장착한 시스템을 고안하였다.
이상과 같이 internal membrane-less packed tube를 실험을 행하는 경우 기존의 막 재순환의 단점을 보완할 수 있었으며, yeast의 고농도 배양에도 적합함을 알 수 있었다. 이 결과들로부터 다른 세포의 고농도 배양에도 응용될 수 있을 것이다. filter performance 등 여러 가지 면을 개선하여 희석률을 높이면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 그리고 고안한 발효조 내부 원심분리 시스템을 실제 제작하여 고농도 세포배양에 이용하게 되면 상당한 효과를 볼 수 있을 것이다.
