In this research, a fermentation process integrated with adsorption-based ex-situ butanol recovery (ESBR) is developed for continuous biobutanol production. Since the removal of butanol can be done during the fermentation, this process can be an effective solution to overcome the severe inhibition and toxicity of butanol in fermenter, which stands as a major huddle on the way to commercialization of butanol. To accomplish the purpose, a systematic approaches including modeling and simulation are applied. The research is divided into three parts. Firstly, appropriate adsorption isotherm models and a kinetic model for the adsorption process are developed. Secondly, the unstructured model describing the fermentation kinetics is developed and then a dynamic model for a fermentation process with the ESBR system is developed. Finally, a study on the optimization for the ESBR system is performed based on the developed model.
To develop the kinetic model for the adsorption, adsorption characteristics between me-tabolite of ABE fermentation and adsorbent, where poly (styrene-co-divinylbenzene) adsor-bent resin is used as adsorbent, are investigated. The Langmuir isotherm model is selected as the appropriated model for the adsorption equilibrium, and then the extended Langmuir equa-tion and Ideal Adsorption Solution theory (IAST) are examined to describe the multiple-component adsorption. The parameters of the model equations are estimated by the efficient algorithm combing the genetic algorithm and the Levenberg-Marquardt method.
A dynamic model of the ESBR system is developed by integration of the kinetic models of fermentation and adsorption in the mass balance equation. A fermentation kinetic models including cell growth, glucose consumption, and product formation are developed based on the Monod model and Luedeking-Piret model. Model parameters are initially estimated from batch and fed-batch fermentation experiments with in-situ butanol recovery (ISBR) consider-ing the complexity of the ESBR system. Then models are updated by re-estimation of the crit-ical parameters, identified by a sensitivity analysis, using cyclic operation data from the ESBR system.
For design and operational optimization of the ESBR system, dynamic simulations are carried out using the developed model. In the ESBR system, the fermentation profiles show cyclic pattern and its trajectory reaches a cyclic steady state (CSS) due to the switching opera-tion of adsorption columns, thus simulation and optimization are conducted at CSS. Grid search method is applied to the optimization problem, which is highly non-convex with a large number of local optima. Optimal value of major operation variables are decided, and the local behavior of objective function around the optimum is examined. In addition, the Pareto set is also generated with two conflicting objective functions.
By using the systematic approach, the dynamic model of the fermentation process with ESBR is developed and the optimal design and operation condition can be decided successful-ly. Therefore, the developed model and optimization results are expected to contribute to fur-ther developing a large-scale process and the control strategy.
바이오부탄올은 차세대 바이오 연료와 바이오 케미칼으로 가능성을 주목 받고 있는 제품이다. 하지만, 전통적인 바이오부탄올 생산기술은 부탄올의 독성에 의한 균주의 생장 저해와 이로 인한 낮은 생산성, 낮은 농도 등의 발효성능 저하 문제로 상업화에 어려움이 있다. 이 논문에서는 전통적인 바이오부탄올 생산 기술의 한계를 극복하고자 흡착기술이 적용된 Ex-Situ 부탄올 회수시스템(ESBR)이 결합된 새로운 발효 공정을 제안하고, 모델링 및 최적화 기법 등 시스템적 접근 방법을 활용하여 ESBR 발효 공정의 모델링과 최적 설계에 대한 연구를 수행하였다.
연구의 절차는, 먼저 흡착과 발효에 대한 kinetic model을 개발하고 이를 결합하여 ESBR 발효공정에 대한 동적 모델 개발을 완성하였다. 모델 파라미터는 실험실 또는 파일럿 실험 결과를 이용하여 도출되었다. 최종적으로, 개발된 모델을 이용하여 ESBR 발효 공정의 최적 설계를 진행하였다. 이러한 전체적인 절차에 의거한 각 장의 연구내용은 다음과 같다.
먼저, 2장에서는 흡착 kinetic model 개발을 위해poly (styrene-co-divinylbenzene) 흡착제와 발효 대사 산물간의 흡착 및 탈착 특성을 분석하였다. 단일 물질에 대한Langmuir 흡착 모델을 기반으로, 혼합물의 흡착에 대한 두 가지 흡착 등온 모델 (Extended Langmuir및 Ideal Adsorption Solution theory (IAST))을 개발, 비교하였으며, 이를 바탕으로 흡착 kinetic model을 개발하였다. 모델 파라미터는 유전자 알고리듬과 Levenberg-Marquardt 알고리듬을 융합한 최적화 방법을 이용하여 도출하였다.
다음 단계로, 발효 모델은 Monod model 과 Luedeking-Piret model을 기반으로 균주 생장, 기질 소모 및 발효산물의 생산에 대한 unstructured kinetic model을 개발하였다. 개발된 모델과 앞서 개발한 흡착 모델을 결합하여 ESBR 발효공정의 동적 모델을 완성하였다. 모델 파라미터는 ESBR 발효공정의 복잡성을 고려하여 Batch 및 Fed-batch with ISBR 실험을 통해 우선 결정되었다. 그 후에 민감도 분석(sensitivity analysis)을 통해 도출된 주요 파라미터를 파일럿 ESBR 발효실험 결과를 이용하여 업데이트 하였다. 이를 통해 ESBR 발효공정에 대한 신뢰성 있는 최종 모델 개발을 완성할 수 있었다.
이상과 같이 ESBR 발효 공정에 대한 동적 모델 개발을 완료한 후 개발된 모델을 이용하여 최적 설계 연구를 수행하였다. 제안된 ESBR 발효 공정에서의 운전 거동은 cyclic 특성을 나타내기 때문에 최적 설계를 위한 주요 운전변수의 최적값은 cyclic steady state에서 결정되었다. 주어진 feed 농도에서 부탄올의 생산성을 극대화하고 글루코스의 손실을 최소화하도록 최적화 목적 함수가 정의되었으며, 최적화를 위해 목적 함수의 값을 최대값이 되도록 설계, 운전 변수의 값으로 결정되었다.
이러한 시스템적 접근 방법을 통한 모델링 및 최적 설계의 결과는 향후 ESBR 발효 공정의 상업화를 위한 scale up 및 운전, 자동 제어시스템 개발 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 나아가, 다른 발효공정 시스템의 설계 및 최적화 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
