[발효공학] 발효조의 종류와 특징

소개글

[발효공학] 발효조의 종류와 특징에 대한 보고서 자료입니다.

목차

- 서　론

1. 발효공정

- 본　론

1. 발효조 설계의 기본

2. 발효조 본체

3. 발효조의 종류와 특징
　(1) 표준형 발효조(standard fermenter)
　(2) Waldhof형 발효조
　(3) Acetator와 cavitator
　(4) 탑형 발효조(tower fermenter)
　(5) 원통-원뿔형(cylindro-conical)발효조
　(6) 기포탑형 발효조(Air-lift fermenter)
　(7) 유동층 발효조(Fluidized bed fermenter)
　(8) Deep-jet 발효조
　(9) cyclone column
　(10) 충전탑형 발효조(packed tower)
　(11) 회전원판형 발효조(rotating-disc fermenter)

- 결　론

본문내용

낼 때, 탑의 밑쪽은 30~35%, 탑 위쪽에서는 5~10% 정도이다. 효모가 차지하는 체적분율은 평균 50% 정도 이다. 이와 같은 높은 균체농도에 의하여 맥주를 속양시킬 수 있어서 회분식 조작법에서는 60~80시간 소요되나 이 방식으로는 4~6시간이 보통이다. 또 하나의 특징은 탑 밑부분과 탑의 윗부분의 배양액의 비중이 점차 감소한다는 점이다. Glucose, fructose, sucrose, maltose 등의 발효에 의하여 처음에는 급속히 비중이 저하되고, 그 후 잔존맥아당(maltose)의 발효에 의하여 탑 중간부분과 윗부분 사이에서 서서히 저하된다. 알코올 발효에 의하여 발생되는 이산화탄소 거품에 의하여 flock와 액의 혼합이 일어난다. 이외에도 충진탑 발효조가 있으나 충진탑에 의한 발효장치는 식초(vinegar) 제조법에서 보통 이용되고 있다.
(8) Deep-jet 발효조
Deep-jet 발효조는 발효조로부터 배양액을 다상펌프(multiphase pump)로 뽑아내어 gas entrainer에 보내넣고, 여기에서 공기를 빨아들여 발효조에 반송함으로써 통기교반에 대신할 수 있는 동력을 제공해 주는 연속 발효조이다. gas entrainer 노즐은 주입기와 배출기의 두 가지 용도로 사용되었다. 주입기에서 배지의 공급분사는 압축공기분사에 의해 에워싸이게 된다. 출구를 나온 기체는 5~100m/s의 노즐속도로 보다 큰 튜브로 들어가서 그곳에서 팽창되어 커다란 기포를 형성하는데, 이들은 물 제트의 전단력에 의해 분산된다. 배출기에서는 액체분사가 커다란 나팔형 노즐(converging-diverging nozzle)로 들어가 분사주변의 기체를 끌고간다. 나팔형 분사로 빨려들어간 기체는 그곳에서 분산된다. 공업용 Deep-jet 발효조는 Vogelbusch사(오스트리아)로부터 판매되고 있다. 부분적으로 통기된 배양액은 다상펌프에 의하여, 배약액 냉각기를 통해서 발효조의 아주 상부에 설치된 gas entrainer에 도달한다. 공기를 충분하게 포함한 배양액은 점점 끝이 가늘게 된 파이프에 의해서 고속으로 분사되어, 발효조 내에 교반을 일으킨다. 배기가스의 2/3는 탱크 상부로부터 배출되며, 나머지는 펌프에 의해서 순환된다. 이 발효조의 산소전달속도는 1kW/h/kg의 펌프동력에 대해 4.5g/l*h가 얻어지며, 유장(whey)으로부터 효모의 공업생산이 가능하다고 한다.
(9) cyclone column
Dawson(1974)은 특히 사상균의 배양을 목적으로 해서 사이클론형 발효조를 개발하였다. 배양액은 펌프에 의해 사이클론의 밑부분으로부터 뽑아내어서, cyclone의 상부를 순환시킨다. 액은 비교적 엷은 막으로 발효조벽을 흘러내린다. 배지와 공기는 탑의 밑부분 가까운 곳으로부터 공급되며, 배기는 탑의 상부로부터 배출된다. 이 발효조의 이점은 가스교환이 잘 행해진다는 것, 거품 발생이 없다는 것, 균사가 관벽에 부착되지 않는다는 것 등이다. Dawson은 이 발효조가 세균, 곰팡이, 효모 등의 배양에 의해 백신을 생산하는 데에 사용될 수 있음을 보고하였다.
(10) 충전탑형 발효조(packed tower)
충전탑형 발효조(packed tower)에서는 고정화 미생물을 활용한다. 수직의 원통형 발효조 내부에 대팻밥(beech shaving), 코크스, 골재, 폴리에틸렌 등의 비교적 비활성물질(inert material)로 채워 넣은 후 배지와 종균을 충전탑의 상부로 공급한다. 균이 충전물에 고착되어, 엷은 막으로서 생장되어오면 새로운 배지를 탑의 정상으로부터 첨가하고, 밑부분으로부터 발효액을 뽑아낸다. 이 방식으로서 잘 알려져 있는 것은 식초제조기(vinegar generator)로서, 너도밤나무 대팻밥을 충전시킨 충전탑으로써 Acetobacter에 의해서 에탄올로부터 식초를 만드는 것인데, 이것이 최초로 보고된 것은 1670년으로 거슬러 올라간다. 최근의 충전탑은 하수와 폐수처리에 사용되고 이TEk. 기체*액체 혼합의 물처리 설비로서 폴리에틸렌 유도체의 Dowpac을 충전한 높이 7.9m의 탑이 개발되어 있다. 다름 물처리설비아 비료해서 이 충전탑의 이점은, 운전ㄴ조작이 간단하게 된다는 것과 탑 내의 충전물로써 표면적이 증가하기 때문에 설비를 위한 토지의 규모가 적어도 된다는 것이다.
(11) 회전원판형 발효조(rotating-disc fermenter)
회전원판형 발효조는 유출수 처리에 사용되어 왔다. 천천히 회전하는 원판의 표면에 균막을 부착 생성시켜서 유출수를 산화시킨다. Anderson등 은 이와 같은 원리를 이용하여 40L의 소형 발효조를 만들었다. 여기서는 Aspergillus, Rhizopus, Mucor, Penicillium 등의 곰팡이를 polypropylene의 원판에 생육시켰다. 이 발효조를 사용해서 A. miger에 의해서 80g/l의 구연산 생산이 가능하였다.
결 론
발효공학은 유용 미생물의 생화학적 현상을 이용하여 식품 및 생명공학제품 등을 효율적으로 생산하는 공정을 개발하며, 경제적으로 단시일 내에 공업적 생산으로 scale-up하는 방법을 연구하는 학문이다.
미생물을 공업적으로 이용하기 위해서는 큰 용기에 배지를 넣고 미생물을 대량배양시킬 필요가 있으며, 이 목적으로 사용되는 장치가 발효조(fermenter)이다.
이론적으로 보면 장치의 규모가 크면 경제성이 높은 것으로 나타나지만 장치의 조작 규모를 결정하기에 앞서 고려해야 할 제한적 조건이 있다. 즉 그 조건은 냉각, 통기, 발효조의 구조 및 건설방법에 관한 것이다. 여기서 중요한 것은 발효조의 용량은 (r은 발효조의 지름)에 비례하는 데 반해 표면적 증가는 에 비례하는 것이다. 따라서 용량 증대의 결과 여기에 대한 표면적의 감소를 초래하므로 냉각의 효율성이 감소하게 되는 것이다. 그 결과 일정 온도를 유지해야 할 때 내부 냉각장치를 증가시켜야 할 것이고 발효조 교반장치와도 연관이 발생한다.
발효공정에서 산소요구성에 따라 발효조의 규모에 제한을 받게 된다. 단세포 단백질 생산에서는 투자 규모와 작동비용을 고려해서 산소공급의 효율이 높고 구조가 단순한 발효조를 설계하는 추세이다.

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