<h1>결과 및 고찰</h1><h2>회분식 발효공정 모델링</h2><p>반응기에 따른 생산 특성을 비고하기 위해서 Agrobacterium sp. 생산에 최적조건인 \( \mathrm{pH} 7.0 \) 과 sucrose \( 30 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)의 조건에서 실험을 하였다. 기반 발효조에서는 용존산소량이 떨어지면 교반속도를 증가시키면서 배앙시켰으며, 세포에 과다한 stress를 주지 않는 600-700 \(\mathrm{rpm} \) 범위에서 산소전달 효율과 배양액 혼합이 잘 되어 최종 생산물의 수율이 높은 것으로 나타났다. 하지만 bubble column reactor에서는 배양액의 점도가 증가할수록 배양액 내의 산소전달 효율이 떨어져 용존산소량이 줄어들면서 다당류의 생산량 효율이 떨어짐을 알 수 있다.</p><p>이러한 결과는 발효배양 중 미생물에 따라 교반시 발생하근 과도한 전단력 때문에 미생물이 손상을 받아 생산량이 감소하는 경우도 있고, 교반속도의 증가에 따른 산소전달이 용이하여 다당생산을 증가시켰다는 보고도 있는데 본 연구에 쓰인 Agrobacterium sp. 의 경우 표반속도의 증가에 따른 전단력에 의해 다당의 생산량이 감소기 보다는 용존산소량이 높을수록 다당류의 생산량이 증가하는 것으로 보여진다.</p><p>\( \frac{d X}{d t}=\frac{\mu_{\max } S}{k_{m}+S} X \quad X_{0}=0.4 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)<caption>(1)</caption></p><p>\( \frac{d S}{d t}=-\left(\frac{\mu}{Y_{x_{/s}}}+\frac{\pi}{Y_{p / s}}\right) X \quad S_{0}=30 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)<caption>(2)</caption></p><p>\( \frac{d P}{d t}=\frac{\pi_{\max } S}{k_{p}+S} X \quad P_{0}=0 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)<caption>(3)</caption></p><p>위 식에서 \( X \) 는 세포농도, \( \mathrm{S} \) 는 sucrose 농도, \( \mathrm{P} \) 는 glucan의 농도이다. \( \mu \) 는 세포의 비성장속도, \( \pi \) 는 glucan 비생산 속도이며 \( Y \) 는 세포 및 glucan의 수율을 나타낸다. 회분식 반응기 실험을 통해 얻은 데이터를 이용하여 Monod 반응식에서 \( \mu \) 와 \( \mathrm{S} \) 의 그래프로부터 \( \mu_{\mathrm{m}} \)과 \( \mathrm{k}_{\mathrm{m}} \)의 추정치를 구하였다. 세포 성장 및 glucan 생산에 관련된 반응 상수는 Table 1에 정리 하였으며 실험 결과와 변수추정을 통하여 모사한 결과를 Fig. 1에 나타내었다.</p><h2>연속 발효공정 설계</h2><p>최적미 생물 배 앙조건으로 회분식 반응기에서 수회에 걸쳐 실험한 데이터를 이용하여 Monod 식에 대입하여 모델링 하였으며 각 반응조에서는 각각의 농도들이 조건에 일치하도록 제어하였으며 기질 저장조에서는 공급되는 기질의 농도 와 음도, \( \mathrm{pH} \)를 반응조와 같은 조건으로 유지하였다.</p><p>\( \frac{d X}{d t}=-D X+\frac{\mu_{\text {max }}S}{k_{m}+S} X \)<caption>(4)</caption></p><p>\( \frac{d S}{d t}=D(S_{f}-S)-\left(\frac{\mu}{Y_{X/S}}+\frac{\pi}{Y_{P/S}}\right) X \)<caption>(5)</caption></p><p>\( \frac{d P}{d t}=-P D+\frac{\pi{ }_{k}^{\max }S}{k_p + S} X \)<caption>(6)</caption></p><p>위 식에서 D는 희석속도를 나타내며 \( S_{f} \) 는 sucrose 유입 농도로 \( 45 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \) 용액을 사용하였다. 위와 같이 X, S, P에 대한 물질 수지식을 확립한 후 회분식에서 얻은 데이터를 대입하여 modeling equation을 완성하였으며 computer를 사용하여 계산한 결과를 바탕으로 전산모사하여 Fig. 2에 나타내었 다. 회분식 발효를 통하여 구한 상수들을 이용하여 연속 반응식인 CSTR의 물질 수지식에 대입하여 기질의 성장, 최종 산물의 생산, 분리에 최적인 X, P, S, D를 계산하여 simu-lation하였고, 이를 바탕으로 분리에 최적인 CSTR 공정을 개발하였다. 이론적인 결과 값들이 실제 공정에서 정확히 부합 되지는 않았지만 그 경향성은 매우 근접하였고, 미리 예측하고 제어할 수 있는 장치를 마련할 수 있었다. 이론적으로 희석속도를 \( 0.18 \mathrm{~L} / \mathrm{hr} \)로 조절하였을 때 최종 유출되는 세포농도는 약 50 시간 경과 후 \( 9 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)로 유지되었으며 이때 glucan의 농도는 \( 4 \mathrm{~g} / \mathrm{L} \)로 정상상태를 나타내었다. 결론적으로 CSTR공정을 이용한 생산 공정에서는 \( 0.36 \mathrm{~g} / \mathrm{L} / \mathrm{hr} \)의 생산 속도를 얻을 수 있었으며, 회분식에서의 이론적인 0.2\( \mathrm{g} / \mathrm{L} / \mathrm{hr} \) 의 생산 속도보다 약 1.8배 높은 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 분리비용이 큰 비중을 차지하고 있는 미생물 산업에서 원심 분리기 만으로도 cell과 glucan의 분리가 용이하므로 분리공정의 개선에 따른 분리 비용의 절감도 기대해 볼 수 있으며, 최종적으로 모델화된 수식을 통해 제어변수들을 변화시키면서 생산목적에 맞추어 공정을 최적화 시킬 수 있는 발효. 시스템의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 본다.</p>
발효공정에서 미생물의 종류에 따라 생산량이 증가하거나 감소하는 경우가 발생하는데, 다당 생산이 증가되었다면 그 이유는 뭐지?
교반속도의 증가에 따른 산소전달이 용이하여