발효공업에 의한 유용물질생산

본문내용

가식 배양은 다음과 같은 경우에 유용하다.
1) 기질이 비교적 낮은 농도에서 세포의 생장을 저해하는 경우.
2) 특정 기질의 농도가 높아지면 목적생산물의 생성이 억제되는 경우.
3) 영양요구성주(auxotroph)의 배양에서 특정 요구물질의 첨가가 필요한 경우.
F : 신선한 배지의 유입속도, P : 생산물 농도, S : 잔존 기질농도,
SR : 유입배지 중의 기질농도, V : 배양액의 부피, X : 균체농도
그림 5.7 유가식배양법
5.10 배 지
배지는 균주증식 및 발효생성물의 생산에 효과적이어야 하며, 발효공정에 가장 적합한 배지를 확립하기 위하여 다음과 같은 사항을 고려하여야 한다.
1) 경제성을 고려할 것.
2) 단위 기질소비량에 대하여 최대의 생산물 또는 균체 수율을 얻을 수 있을 것.
3) 생산물의 생성속도가 최대일 것.
4) 부산물의 생성이 적을 것.
5) 품질에 일관성이 있고 년중 구입이 가능할 것.
6) 통기, 교반, 추출, 정제, 폐기물 처리 등의 문제가 적을 것.
5.11 발효조
미생물을 공업적으로 이용하기 위하여 대량으로 배양시킬 필요가 있으며 이러한 목적으로 사용되는 장치가 발효조(bioreactor)이다. 발효조 제작시 고려사항으로 장시간의 무균유지가 가능하고, 소비동력이 낮으며, 온도제어 및 pH 조절이 가능하고, 유지 보수 등이 용이해야 한다.
5.11.1 발효조의 종류
발효조에는 통기교반형 발효조, 기포탑형 발효조, 유동층 발효조 등이 있다.
통기 교반형 발효조(stirred tank reactor)
원통형의 탱크에 교반기(agitator), 방해판(baffle plate), 공기분산 유입관(air sparger), 냉각 및 가열장치 등으로 구성된 표준형 발효조 장치가 가장 널리 사용되고 있다. 발효조에는 pH 전극, 거품제거제 투입구, 용존산소(dissolved oxygen) 농도측정전극 삽입구, 온도계 삽입구, 시료채취구, 배지 주입구 등이 설치되어 있다(그림 5.8). 이 발효조는 회분배양에 사용하며 약간의 개조를 통해 연속배양도 가능하다. 이상은 호기성 발효(aerobic fermentation)를 위해 필요한 발효조 내 구성 요소이며 혐기성 발효(anaerobic fermentation)를 수행할 경우에는 공기분산 유입관의 작동을 중지시키고 배지를 만드는 과정에서 산소를 제거한다. 경우에 따라서는 배지의 산화 환원전위를 조정하여야 한다.
통기교반형 발효조는 발효 산업에서 가장 광범위하게 사용되는 발효조로써 미생물뿐만 아니라 동물세포 및 식물세포의 배양에 사용할 수 있다. 또한 호기성 발효 및 혐기성 발효에 공통으로 사용이 가능하다. 이 발효기는 기계적으로 교반한다. 교반과 아울러 폭기(aeration)를 하여 세포를 부유시키고 산소를 공급하며, 배지를 혼합시켜 배지 내의 열전달을 효과적으로 이루어지게 한다.
통기교반형 발효조를 동물세포나 식물세포 배양에 사용할 때에는 교반에 따른 전단력을 작게 하는 것이 중요하다. 미생물 배양에 일반적으로 사용하는 평판 디스크터빈(flat-bladed, disk turbine)은 전단력이 높기 때문에 사용하기 부적절하며, 교반 날개의 폭
그림 5.8 통기교반형 발효조(좌), 통기교반조의 표준치수(우)
과 지름의 비를 증가시켜 속도 프로필이 더 무디어지게 하여 전단력을 낮게 한다.
기포탑형 발효조(air-lift fermenter)
산소 공급이 필요한 호기적 배양에 사용되는 발효조로서 공기방울을 작게 부수는 기
계적 교반을 하지 않고 그림 5.9처럼 원통형의 발효조 내에 공기를 아래로부터 공급하여
그림 5.9 기포탑형 발효조의 기본형식
자연대류를 발생시킨다. (a)는 기포탑형 발효조의 기본이 되는 형으로 발효조 내부에 draft tube를 설치하여 기포가 튜브 안쪽으로 상승하다가 액체의 정상 부근에서 튜브의 외측을 따라 하강하는 자연대류(natural convection)를 일으킨다. (b)는 간단한 형으로 활성오니 처리에 이용하는 폭기조(aeration tank)와 같이 발효조 하부에서 공기를 불어 넣어주는 것이다.
기포탑형 발효조는 기계적 교반을 하지 않으므로 동력소비가 경감되는 반면 점도가 높은 경우 사용하기가 어렵다. 기포탑형 발효조는 구조가 간단하여 대형화가 용이하며, 기계적 교반시 발생하는 전단력(shear force)이 나쁜 영향을 주는 세포배양에 사용하면 유용하다.
세포농도가 증가됨에 따라 세포 현탁액의 혼합을 유지하는 데 높은 공기유속이 요구된다. 그러나 공기유속을 증가시키면 과다한 거품이 발생되고 탑내에 많은 기포가 머물어 발효조의 생산성을 저하시킨다.
유동층 발효조(Fluidized bed fermenter)
유동층형의 발효조에는 응집성 효모(flocculating yeast)를 사용하는 연속 맥주양조와 고체상의 기질을 사용하는 제국장치가 있다. 연속 맥주양조에 사용되고 있는 유동층형 발효조는 응집성 효모의 덩어리가 배지의 상승운동에 의하여 현탁상태로 유지되고, 탑의 정상에 있는 침강장치에 의하여 탑 본체로 다시 돌려보내게 되므로 맑은 맥주를 얻을 수 있다.
5.12 미생물 공업의 전망
미생물을 이용한 산업은 현재 상당한 규모로 발전되었으며 앞으로 의약, 농업, 식품, 축산, 환경 분야 등에서 많은 발전이 있을 것으로 기대된다.
의학분야
각종 의료용 효소나 항생제 등 고부가가치 제품생산에 커다란 진전이 예측된다.
환경분야
효소를 세제에 첨가하여 사용하게 됨에 따라 효소생성을 위한 미생물 공업이 성장하였다. 농업용 폐기물을 이용한 메탄발효는 이미 몇몇 나라에서 상용화되어 있으며 농약을 화학약품으로부터 미생물농약인 Bt toxin 등으로 대체하거나 석유의 탈황에도 응용되고 있다. Bt는 Bacillus thuringiensis의 약자로서 미생물의 명칭이다. 이 미생물은 toxin을 함유하고 있어 해충의 애벌레 소화기관에 침투하면 애벌레를 사멸시킬 수 있다.
식량자원으로 이용
식량부족이나 단백질이 부족한 경우 이용 가능한 자원으로서 연구가 필요하다.
유용미생물 균주 제조
다양한 분자생물학적 기술을 이용하여 유용한 물질 생산에 유리한 새로운 균주를 제조할 수 있다.

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