Air lift Fermentor (ALF) is used for production of Single-Cell Protein (SCP) from hydrocarbon. In this research, we investigated the performance of ALF using the methanol fermentation system and compared the results with that of CSTR system from the viewpoint of mixing state, since the mixing is done only by aeration in ALF. The effect of micro-mixing on cell growth and the parameters which affect the degree of the micro-mixing were also studied.
The experiments were carried out in 9 l ALF using the $\underline{Methylomonas}$, sp. whose maximum specific growth rate and substrate saturation constant was 0.526 $hr_{-1}$ and 0.085 g/l respectively. When the sole carbon source, methanol, concentration was 0.2% (V/V), the maximum productivity of SCP in ALF was 0.189 g/l-hr and that of chemostat was 0.208 g/l-hr. While the methanol concentration was increased to 1%, the maximum productivity of chemostat was 0.852 g/l-hr, but that of ALF was 0.465 g/l which was only 55% of chemostat. To find the reason for low productivity, we carried out the continuous culture in ALF using the oxygen enriched air. The results showed that the main reason was lack of oxygen supply rather than insufficient mixing. But the liquid system was partially segregated, and the micro-mixing effect was observed. To represent the degree of micro-mixing quantitatively, we simulated the cell growth in ALF with aid of a computer, and determined the degree of segregation using the results of computer simulation and experiments. When the methanol concentration was low, the effect of aeration rate was negligible, or degree of segrgation was constant, 0.05, as far as the oxygen was not limiting factor. In case of higher methanol concentration, degree of segregation was increased from 0.2 to 0.34, as the aeration rate was decreased from 3 to 0.5 vvm (Dissolved oxygen was kept constant) From these observation, it was concluded that aeration rate and methanol concentration affect the degree of micro-mixing in ALF.
We also tried the application of ALF to viscous substrate fermentation. The available methods for this study were to investigate the change of RTD and oxygen transfer rate in CMC solution with varying aeration rate. 0.1. 0.67, ＆ 1.0 % CMC solution was used to simulate viscous fermentation broth. RTD curves were deviated from the exponential decay curve, as the aeration rate was decreased and/or the viscosity of liquid was increased. Oxygen transfer rate in this liquid system was not high enough for fermentation, but the degree of segregation was not increased so much, as we expected.
공축 기거식 발효조를 이용하여 methanol 을 탄소원으로 하는 단세포 단백질을 합성하였을때 균체의 농도가 조작변수(희석률, 탄소원의 농도, 공기 투입량)에 따라 변화하는 상태를 조사하였다. 사용한 균주는 $\underline{Methylomonas, sp.}$ 이며 실험은 9 ℓ 의 공축기거식 발효조에서 행하여 그 결과를 얻었다. 탄소원의 농도가 1.6 g/ℓ 인 경우 균체의 농도는 용존 산소가 부족하지 않는 한 공기 투입량에 무관 하였으며 이때 균체의 최고 생성속도는 0.189g/ℓ-hr 로써 기계적 교반 발효조(working volume 350 ml) 에서 구한 균체 생성속도 0.208g/ℓ-hr 과거의 일치함을 알 수 있었다. 그러나 투입 탄소원의 농도가 8 g/ℓ 으로 증가 되었을때에는 균체의 농도는 희석률과 공기 투입량의 변화에 따라 현저하게 변화를 나타내었고 또 균체 최고생성 속도도 0.465 g/ℓ-hr 로써 기계적 교반 발효조가 0.852 g/ℓ-hr 임에 비하여 55 % 밖에 되지 않았다. 그 이유는 공축기거식 발효조 내의 용존 산소가 부족하기 때문이라고 사려되었으나 교반에 의한 효과도 무시할 수 없으므로 이 발효조 내의 교반상태를 조사하였다. 즉 발효조 내의 용존산소를 정상상태에서 1.33 ppm 으로 유지시켜 연속 발효를 행하여 보았다. 그 결과 $S_o = 1.0 %$ 일때 용존산소가 일정 함에도 불구하고 공기 투입량에 따라 균체농도가 달라졌으며 특히 희석률이 증가함에 따라 균체 농도의 변화가 현저하게 나타났다. 이상의 결과를 종합하여 공축 기거식 발효조에서의 degree of segregation, J,를 구하였는데 공기 투입량이 0.5 에서 3vvm으로 증가함에 따라 degree of segregation 은 0.34 에서 0.2 로 감소 하였다. 또 기계적 교반조에서의 J 값은 대략 0.15 정도였다. 그러나 methanol 의 농도가 낮을 때에는 균체농도가 공기투입량에 무관하였으며 J 값도 0.05 정도였다. 이로써 methanol 농도가 높아지거나 공기투입량이 줄어들면 degree of segregation이 증가 한다는 것을 알았으며 또 이때 용액의 점도에는 J 값이 거의 영향을 받지 않는다는 것도 알았다.
또 발효조내의 유체의 점도가 증가함에 따르는 교반상태의 변화를 조사하기 위하여 0.1, 0.67, 1.0 % CMC 용액을 사용하여 공기 투입량에 따르는 평균 체류시간 분포곡선(RTD )의 변화를 구하였다. 이 RTD 로 부터 얻은 정보를 이용하여 공기투입량과 용액의 점도 변화에 따르는 degree of segregation 의 변화폭을 관찰하였고 그 결과 degree of segregation 은 용액의 점도보다 공기 투입량의 변화에 더 민감하게 변하였으며 그 값은 0.67 % CMC 용액의 경우 공기 투입량에 따라 0.001 에서 0.03 까지 변화하였다. 또 이들의 부피 산소 전달 계수를 조사하여 보았는데 물에서는 평균 공기 속도 ($V_s$) 가 7.08 cm/$\sec$ 일때 $K_La$ 값이 $70 hr^{-1}$ 정도 이었으나 0.67 % 와 1 % CMC 용액에서는 그 값이 각각 $29 hr^{-1}$ 과 $17.8hr^{-1}$ 이었다. 따라서 이 발효조의 교반상태는 높은 점도의 용액에서도 비교적 좋지만 산소전달 속도가 낮아 앞으로 점도가 높은 탄소원을 이 공축기거식 발효조에 이용하는 데에는 아직 문제점이 많다고 하겠다.
