Modeling and optimal design of a fermentation process with Ex-Situ butanol recovery (ESBR) for continuous biobutanol production

Abstract

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.