Cyclic steady-state optimization of a continuous biobutanol fermenta-tion process integrated with ex-situ adsorption recovery

Abstract

바이오부탄올은 부탄올의 높은 에너지 함량, 낮은 휘발성, 낮은 물 용해도 와 낮은 부식성 때문에, 신재생에너지로써 가솔린 첨가제 및 대체제로 각광받고 있을 뿐만 아니라 많은 화학물질의 원료로 쓰이고 있다. 일반적으로, 바이오부탄올은 Clostridia 종을 이용한 acetone-butanol-ethanol (ABE) 발효를 통해 생산될 수 있다. ABE 발효의 주요 문제점은 배양액 내의 부탄올 농도가 일정 수준 이상에 도달하면, 부탄올의 독성에 의해 세포 성장 및 생산물 생산이 중단된다는 것이다. 배양액 내의 낮은 부탄올 농도는 수율 및 체적생산성을 감소시키고 높은 recovery 비용이 발생하며, 결과적으로 공정의 자본 비용과 운전 비용을 높여 바이오부탄올 상용화의 가장 큰 장애물이다. 본 연구에서는 발효 공정과 부탄올의 recovery 시스템을 통합하는 발효 전략 개선을 통해 ABE 발효의 문제점을 극복하고 발효 공정의 효율을 높이고자 하였다. 많은 recovery방법들 중 가장 에너지 효율적이라고 알려진 흡착 방법을 채택하여 발효 공정과 통합하였다. 발효와 흡착 공정의 통합 방법으로는 하나의 생물반응기 내에서 발효와 흡착이 동시에 일어나는 in-situ product recovery (ISPR)과 생물반응기 외부에서 흡착이 진행되는 ex-situ product recovery (ESPR) 방법이 존재한다. ISPR 시스템은 흡착제가 포화되면 발효를 중단해야 하는 반면, ESPR 시스템은 생물반응기 외부의 흡착탑 교체를 통해 흡착제가 포화되어도 발효를 진행할 수 있다. 따라서, ESPR 시스템을 통해 바이오부탄올의 연속 생산을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 체적 생산성 증가 및 recovery비용이 감소한다. 발효와 흡착 공정이 통합된 ESPR 시스템은 주기적으로 흡착탑을 교체해주기 때문에 cycle이 진행되면서 연속하는 cycle이 같은 동특성을 갖는 cyclic steady-state (CSS)에 도달하게 된다. 이러한 특성은 시스템의 디자인 및 운전 최적화에 중요한 요소이지만, ESPR 시스템에 대한 연구가 거의 진행되지 않아 이해와 체계적인 접근이 부족한 상태이다. 본 연구에서는 연속 바이오부탄올 생산을 위한 발효/흡착 통합공정 시스템의 CSS 분석과 CSS에서의 최적화를 진행하였다.