Recently, research for the production of biofuel using $2^{nd}$ generation biomass, non-edible biomass, instead of $1^{st}$ generation biomass, edible biomass, is going on. The biosugar is originated in lignocellulosic biomass has hexose and pentose (e.g., xylose) which is hardly uptake by microbes besides of 1st generation biomass contains glucose mainly. Even though biobutanol has better fuel properties than bioethanol, it is very hard to achieve economics by using traditional batch fermentation due to low productivity of biobutanol from inhibition and toxicity of butanol in the fermenter. Research of genetic engineered microbe and continuous fermentation systems to be maintained proper butanol concentration in a fermenter for alleviating the inhibitory effect on cell growth and production due to butanol toxicity is carried on.
In this research, a mathematical model for the continuous fermentation process with ex-situ butanol recovery (ESBR) for biobutanol production using glucose and xylose is developed. This study proposes a concentration-dependent weighting factor to describe simultaneous utilization of glucose and xylose and develops a dynamic model with the integration of the kinetic models of fermentation and adsorption. The model parameters are estimated from experimental data of batch and fed-batch fermentation with in-situ butanol recovery (ISBR) in a lab and updated and validated with experimental data of fed-batch fermentation with ex-situ butanol recovery (ESBR) for the reliability of the model. Based on the unconstructed model, multi-objective optimization and sensitivity analysis are performed to improve the butanol productivity and to reduce the sugar loss, and single-objective optimization is conducted to maximize the profit of butanol production at cyclic steady state (CSS) condition. Optimal operating conditions are suggested in cases of different sugar ratio in feed, butanol threshold in a fermenter, and inclusion of a harvest tank. Through the systematic approach, the design of the harvest tank for commercial scale is proposed to achieve better economic feasibility.
최근, 식량으로 사용이 가능한 1세대 바이오매스에서 2세대 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산 연구가 활발하게 진행되고 있다. 포도당 위주의 발효가 가능한 1세대 바이오매스와 달리 목질계 바이오매스는 포도당 뿐만 아니라 일반적으로 균주가 잘 섭취하지 못하는 목당과 같은 오탄당을 포함하고 있다. 바이오부탄올은 바이오에탄올 대비 우수한 연료 특성을 가지고 있지만 부탄올 독성에 의해 전통적인 회분식 발효에서는 생산성이 낮아 상업적인 경제성을 확보하기 어려운 문제가 있다. 따라서 부탄올 독성에 의한 세포 성장 및 생산 저하를 완화하고 오탄당의 섭취율을 높이는 균주 개발과 적절한 부탄올 농도 조절이 가능한 연속 발효 시스템에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 포도당과 목당을 이용하는 흡착 시스템이 통합된 Ex Situ 부탄올 회수시스템(ESBR)이 포함된 발효 공정의 수학적 모델을 제안하였다. 포도당 및 목당의 동시 섭취를 모사하기 위한 농도 의존적 가중 인자를 제안하고 이를 이용하여 발효/흡착 통합 공정의 동적 모델을 개발하였다. 모델 파라미터들은 다양한 조건에서의 회분식, ISBR 유가식 발효 실험 결과를 바탕으로 추정되었고, ESBR 유가식 발효 결과를 이용하여 업데이트 및 검증되어 신뢰성을 확보하였다. 개발된 모델 기반으로 주기적 정상 상태 조건에서 부탄올 생산성을 최대화하고 당 손실을 최소화하는 다목적 최적화 및 민감도 분석을 수행하고, 주어진 가격 조건에서 부탄올 생산 이윤을 최대화하는 단일 목적 최적화를 수행하였다. 이를 통해 포도당과 목당의 조성, 발효기 내 부탄올 농도 한계치 그리고 최종발효기 포함 여부에 따른 최적 운전 조건을 도출하고 상업공장에서의 최종발효기 설계 조건을 제안하였다.
