CO로부터 에탄올 및 아세테이트로의 효율적 전환 공정 개발

강환구, 김재호, 유병일, 류은정, 박은경, 박형수, 전희진※

한남대학교 화학공학과,

한국신약(주) 자광 연구소※

The efficient production of ethanol and acetate from CO gas

W.K. Kang, J.H. Kim, B.I. You, E.J. Yu, E.K. Park, H.S. Park. H.J. Chun*

Dept. of Chem. Eng., Hannam Univ.

**Ja Kwang Research Institute., Han Kook Sin Yak Pharm. Co., Ltd., Choongnam, Korea

산업공정에서 발생하는 폐가스(waste gas)는 매우 많은 양의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 황, 질소 산화물들을 포함하고 있다. 이들중 일산화탄소, 수소등은 유용한 에너지원임에도 그냥 버려지고 있어 경제적인 손실이 될 뿐아니라 대기 환경에도 악영향을 미치고 있다. 특히 제철소에서 발생하는 COG(코오크스로 가스), BFG(고로가스), LDG(전로가스)등은 일산화탄소와 이산화탄소를 다량 함유하는데 이렇게 발생하는 폐가스의 양은 포항, 광양제철소에서만 1년에 3×[eqn: rm 10 sup10 m sup 3]에 이르며 이들 중 BFG 와 CDG경우에는 폐가스중 CO의 구성 비율이 20%, 70% 로서 매우 높은 편이다.

이들 국가 기간 산업인 제철소의 부생가스 경우 재활용 실적이 부진하여 극히 일부만 회수되고 나머지는 모두 폐기되고 있는 실정이다. 특히 제철소 부생가스중 BFG나 LDG중 20∼70%를 차지하는 일산화탄소는 에너지원으로 활용될 수 있는 귀중한 자원임에도 불구하고 회수나 재활용이 거의 되지 않고 버려지는 실정이다. 그러므로 미생물을 이용해서 유용한 물질로의  bioconversion방법이 개발될 필요가 있다고 생각되어진다.

폐가스중의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소로부터 에탄올의 생성은 일반적으로 Peptostreptococcus productus 또는 Clostridium ljungdahlii에 의하여 된다고 알려져 있는데   본 연구에서는 P. productus와 C. ljungdahlii를 이용하여 에탄올 생성방법을 연구하고 이를 최적화하여 생전환 공정의 경제적 이용가치를 규명하고자 한다.

실험

본 연구에서 사용된 Peptostreptococcus productus ATCC 35244와 Clostridium ljungdahlii ATCC 55383은 ATCC로부터 구매하여 사용하였으며 fermenter 배지의 성분은 YE, Peptone, nitrate, phosphate염과 MgCl2, NaCl, CaCl2 및 trace element와 미량의 vitamin들이고 사용한 chemical은 모두 sigma사 제품이었다. 균체배양에는 Crimp seal이 있는 150□짜리 serum bottle이 이용되어지며 이 병에 30□의 배지와 1.5□의 seed culture를 넣고 나머지 공간은 원하는 양의 일산화탄소와  tracer로의 질소를 원하는 압력으로 채워 실험하게 된다. 실험은 혐기성 조건에서 진행되는데 이를 위해 배지를 5L fermenter에 2L 채우고 121℃ 1.2atm의 autoclave에서 멸균한 후 이를 질소가스로 4시간 동안 purging 한 후 37℃ 상온에서 CO:N2를 3:2의 비로 1.2atm이되도록 채우고 exponential 구간에서 성장 중인 seed를 접종한다. 이때 사용한 일산화탄소는 99.5%의 순도이었다.

세포농도는 분광광도계(Milton roy. spectronic 21) 660nm에서 구한 흡광도를 나타내었다. 일산화탄소, 수소 그리고 질소 분석은 가스크로마토그래피(Donam,DS6200)에서 수행하였다. 사용된 칼럼은 길이 6 ft의 녹슬지않은 stainless steel이고 충진 물질은 Carbosphere 60/80 이었으며 TCD detector를 이용하였다. 실험 조건은 주입부 120℃, 오븐 85℃ 그리고  검출부 120℃ 이었고 carrier gas로는 He gas를 30cc/min로 흘려주었다. 아세테이트와 에탄올 분석에 사용된 충진물질은 HayeSep Q(CRS)이며 FID detector, 조건은 오븐 175℃, 주입부와 검출부는 225℃이었고 carrier gas는 He gas 50cc/min를 사용하였다.

결과 및 토론

P.productus를 이용한 CO로부터 acetate로의 생성과 P.productus mutant를 이용한 ethanol로의 전환공정을 최적화하기 위하여 5L규모의 발효기로 아세테이트와 에탄올을 대량 생산하기 위한 실험을 수행하였다. Fig.1에서는 아세테이트로의 전환공정을 최적화하기 위한 실험으로 원래의 균주로 아세테이트를 생산하는 실험을 수행하였다. fermenter의 pH는 6.6∼7.4로 조절을 하며 CO : N2의 비가 3:2정도로 유지하도록 실험을 진행하여 세포의 성장과 CO의 최대 소비속도 및 최대 아세테이트 생성 속도를 확인해본 결과 최대 아세테이트 생성 속도는 0.48g/L·hr·O.D.이며 최대 CO 소비속도는 26.4mmole/L·hr·O.D.로 parameter study의 결과인 Vmax의 결과에 근접한 수치를 보였다. 또한 Fig.2에서는 CO로부터 에탄올 생성 증대를 위해 P.productus를 EMS(Methanesulfonic acid ethyl ester)로 처리하여 균주의 형질을 변환시켜 얻은 돌연변이주 P.productus mut720의 균주로 기초적인 실험을 바탕으로 fermenter에서 pH를 초기 7.0으로 유지하다가 pH를 5.0으로 낮추어 주고 KH2PO4를 결핍시키고 N-source로서 YP를 빼고 8g/L의 NH4Cl을 지속적으로 첨가한 결과 Fig.1에 비해 에탄올의 생성이 증가하는 것을 볼수 있었다. 이 방법을 통해 아세테이트보다 에탄올 생성이 늘어난 P.productus 돌연변이주를 획득하여 fermenter에서 확인할수 있었다.

또한 CO로부터 에탄올 생성을 하는 것으로 알려진 C ljungdahlii를 이용하여 에탄올 생성을 최적화하기 위한 실험을 통해 기초적인 data를 바탕으로 Fig.3과 4에서 보여지는 것처럼 flask에서 장시간 배양을 세포의 성장과 ethanol의 생성량을 비교하였는데 flask3에서는 pH를 변화시키지 않고 장시간 배양한 결과 에탄올은 1g/L정도 생성이 되었으며 pH를 변화시켜 4.5로 낮춘 flask 2와 5로 낮춘 flask1의 경우 pH4.5인 flask2에서는 최종 5g/L의 ethanol을, pH5.0의 flask1에서는 3g/L의 에탄올을 생성하였다. 장시간의 배양임에도 불구하고 에탄올의 생성량이 낮은 것은 incubater의 낮은 rpm으로 인한 CO의 mass transfer로 여겨지며, 이러한 flask의 mass transfer의 영향을 극복하기 위해 Fig.5에서 보여지는 것처럼 fermenter에서 실험을 수행하였고, pH5.5에서 균주를 자라게 한 다음 pH를 4.5로 낮추어 주었으며 이후 N sourse로서 YE대신 NH4Cl을 5∼6시간 정도마다 지속적으로 첨가하여 주었고 CO의 분압을 60%로 유지하여 주었다. 또한 rpm의 변화를 주어 각각의 rpm에서 CO의 소비속도와 ethanol 생성 속도를 확인한 결과 400rpm에서는 에탄올 생성 속도는 0.24g ehtanol/L·hr·O.D,. CO 소비속도는 11.5 mmole CO/L·hr·O.D. 이고 600rpm에서 에탄올 생성 속도는 0.256g ethanol/L·hr·O.D.  CO 소비속도는 24.58 mmole CO/L·hr·O.D. 800rpm에서 에탄올 생성 속도는 0.426g ethanol/L·hr·O.D. CO 소비속도는 28.1 mmole CO/L·hr·O.D.로 나타났다. 이 결과를 바탕으로 최적조건(800rpm,pH5.5에서 4.5로 shift)에서 CO전환을 수행한 결과 Fig.6에서 보여지는 것과 같은 실험을 하게 되었는데 이 결과 최종 에탄올 생성량은 22.1g/L를 생성하였다. 따라서 세포의 농도가 현재수준의 10배정도가 되면 환경과 인체에 치명적인 CO gas를 약 4.3g ethanol/hr/L의 속도로 에탄올로 전환시킬수 있고 또한 약 4.8g acetate/L/hr의 속도로 에탄올이나 아세테이트로 전환시켜 유용한 물질을 생산 할 수 있을 것으로 생각되어진다.

참고문헌

1. 성진기, 에너지· 자원기술 정보지, 14, 918 (1997)

2. Lorowitz, W.H, Bryant, H.p. , Appl. Environ. Microbiol. , 47 ,p961(1984)

3. Kerby, R.W. ,  Zeikus,J.G. , J. Bacteriol. , 155, p1208 (1983)

4. Barik, S., R.E. Corder, Abstr., Amer. Soc. Microbiol., Annual Meeting,

Washington, D. C. Paper No. 024, P.265 (1986)

5. Balch, W.E., S. Schoberth, Int'l. J. Syst. Bacteriology, 27, pp355-361 (1977)

6. J. R. Phillips, K. T. Klasson, J. L. Gaddy , Appl.Biochem. and                 Biotechnology. Vol39/40. P.559(1993)

7. Vega, J. L., Prieto, S., Elmore, B. B., Clausen, E. C., Gaddy, J. L.

Appl. Biochem. Biotechnology(1989) 20/21, 781-797

8. Clausen, E.C., Ackerson, M.D., Gaddy, J. L. Quartery Report 2-4-91,           june-September, Contract No.DE-AC22-89PC89876