For the purpose of improving ethanol productivity the effect of air supplement on the performance of continuous ethanol fermentation system was studied.
The effect of oxygen supplement on yeast concentration, cell yield, cell viability, extracellular ethanol concentration, ethanol yield, maintenance coefficient, specific rates of glucose assimilation and ethanol production, and ethanol productivity have been evaluated, using a high alcohol tolerant $\mbox{\underline{Saccharomyces}}$ $\mbox{\underline{cerevisiae}}$ STV89 strain and employing a continuous fermentor equipped with an accurate air metering system in the flow rate range of 0-11. ml air/liter/hr.
It was found that, when a small amount of oxygen up to about 80 μmoles of oxygen/liter/hr was supplied, the ethanol productivity was significantly enhanced as compared to the productivity of the culture without any air supplement. It was also found that the oxygen supplement improved cell viability considerably as well as the ethanol tolerance level of yeast. As the air supply rate was increased, from 0 to 11 ml air/liter/hr while maintaining a constant dilution rate t about 0.06 $hr^{-1}$, the cell concentration increased from 2.3 to 8.2 g/liter and the ethanol productivity increased from 1.7 to 4.1 g ethanol/liter/hr, although the specific ethanol production rate decreased slightly from 0.75 to 0.5 g ethanol/g cell/hr. The ethanol yield was slightly improved also with an increase in air supply rate, from about 0.37 to 0.45 g ethanol/g glucose. The maintenance coefficient decreased with the increase of the air supplement.
Some attempts were made to elucidate the relationship between the changes in extracellular ethanol concentration and viability pattern. The experimental model equation could be formulated and confirmed to be valid for other different fermentation systems.
In order to further out understanding on alcohol fermentation system, the inhibition effect of substrate and product have been studied. Based on the experimental results, kinetic models for specific growth rate and specific ethanol production rate were developed. The effect of oxygen supplement on the parameters of kinetic model was evaluated by using the nonlinear parameter estimation method. It was found that the inhibition constants were increased, that is, the inhibition phenomena was alleviated and ethanol production was improved with the increase of air supplement.
This kind of air supplement technique may very well prove to be of practical importance to a development of a highly productive ethanol fermentation process system especially as a combined system with a high density cell culture technique.
액체연료 또는 공업용 화학연료로 이용할 수 있는 에틸알콜의 발효공정을 개선하기 위한 노력의 일환으로 주요한 발효공정인자들이 알콜의 생산성 및 효모의 생존능력에 미치는 영향을 조사 연구하였다.
효모가 생성한 알콜은 효모 자신의 성장번식 및 알콜생성을 저해한다. 효모의 알콜에 대한 내성을 증가시키기 위하여 불포화 지방산과 스테롤을 발효배지에 첨가한 결과 세포 원형질막의 조성변화가 이루어져 막의 유동성 및 투과성이 증가함으로써 알콜의 저해작용이 감소한다는 사실이 여러 과학자들에 의하여 조사되었고 또한 높은 농도의 알콜에서 효모의 생존능력이 상실되는 현상은 산소의 첨가로 다소 완화시킬 수 있다고 알려져 왔다.
따라서 산소의 첨가가 알콜 발효공정 및 효모의 생존능력에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 생리적인 관점에서 이해하기 위하여 Saccharomyces cerevisiae STV89 효모균주를 사용하여 고농도 (200 g/l) 의 포도당 배지조건에서 연속 발효공정 연구를 수행하였다.
얻어진 실험결과로부터 산소의 첨가효과가 공정변수에 미치는 의미를 정량적으로 조사하였다.
공기의 첨가율을 11 ml/l/hr까지 변화시켰음에도 불구하고 이산화탄소 발생율과 알콜과의 생성율의 비율은 일정한 값 (1.11 몰 이산화탄소/ 몰 알콜)을 보였다. 이러한 결과는 효모의 에너지 대사과정이 발효대사에서 호흡대사로 바뀌지 않았음을 의미하며, 여분의 이산화탄소 발생율 (0.11 몰 이산화탄소/몰 알콜)은 효모의 성장번식 또는 기타 대사과정에 기인하는 것으로 생각된다.
산소 첨가는 효모의 농도, 잔존포도당 및 생성되는 알콜의 농도에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났으며 효모농도의 경우 약 3배이상의 증가를 보이기도 하였다.
유지정수 및 성장수율정수에 미치는 산소의 영향은 매우 현저하여 공기첨가가 없을 경우 0.4 및 0.037이었고, 공기첨가율이 11 ml/l/hr일 경우는 0.19 g 포도당/ g 효모/시간을 나타내었다.
포도당의 알콜로의 전화효율은 공기첨가량의 증가에 따라 증가되며 비성장 번식율의 증가에 따라 서서히 감소됨을 발견하였고, 알콜의 비생성속도는 전화효율, 유지정수, 성장수율정수, 비성장번식율등의 변화의 복합적인 결과로 표시되는 것으로써, 일정한 비성장 번식율에서 조사해 보면 공기첨가율이 0.28 ml/l/hr 에서 최대의 값을 보이나, 생성되는 알콜농도로 고려해 보면 더 높은 비성장 번식율과 상당한 공기첨가율 (5 ml/l/hr)일 경우에서 최적의 알콜 비생성속도를 나타냄을 발견할 수 있었다.
뿐만아니라 공기첨가율의 증가에 따른 알콜 생산성의 증가효과는 더 현저하여 4-5배이상의 증가를 보였다.
이상의 결과로부터 공기첨가율의 증가는 짧은 발효조의 체류 시간에서 높은 생성 알콜 농도 및 생산성을 유발할 수 있음을 알 수 있다.
효모의 생존능력은 증가된 산소첨가에 따라 매우 증진됨을 볼 수 있었고 생존 능력의 변화는 생성알콜농도와 일정한 규칙성을 갖고 변함을 발견할 수 있었으며, 이러한 규칙성을 다음의 실험식으로 정리 할 수 있었다.
Vi = 1-Exp[-(β-P)/α]
위의 실험은 상이한 발효 공정조건인 회분식 발효공정에서도 잘 적용함을 확인할 수 있었다.
알콜 발효에 대한 이해를 체계화시키기 위하여, 기질과 생성물이 발효공정의 비성장 번식율과 알콜의 비생성속도에 미치는 저해현상을 속도론적으로 해석하여 연구하였다. 산소 첨가에 따른 저해현상의 변화를 속도론적으로 분석하기 위하여 매개변수를 비선형 매개변수 추정방법을 이용하여 구하여본 바, 산소 첨가의 증가에 따라서 생성물 저해상수는 증가하였으며, 즉 저해현상이 감소되어 알콜의 생성이 향상됨을 볼 수 있었다.
이러한 공기첨가 방법을 이용한 알콜 발효 기술은 고농도 균체배양 기술과 더불어 고생산성을 갖는 알콜 발효공정의 개발에 큰 기여를 할 것이다.
