정밀 화학물질의 발효 제조 document_id A220623044086

미생물을 이용한 정밀 화학물질, 예컨대 아미노산, 비타민 및 카로티노이드의 제조를 위한 발효 방법은 일반적으로 공지되어 있다. 다양한 공정 조건에 따라, 이들은 상이한 탄소 공급원료를 이용한다. 상기 공급원료는 순수한 수크로스에서부터 사탕무 및 사탕수수 당밀을 통해 고도 당밀 (전환 사탕수수 당밀)로 알려진 것에까지 확장되고, 전분 가수분해물에서 글루코스까지 확장된다. 게다가, 아세트산 및 에탄올은 L-리신의 생물공학적 제조를 위해 공업적 규모로 사용할 수 있는 공동기질로서 언급되어 있다 (Pfefferle et al., Biotechnological Manufacture of Lysine, Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 79 (2003), 59-112). 상기언급된 탄소 공급원료를 바탕으로, 정밀 화학물질의 당-기재 발효 제조를 위한 다양한 방법 및 절차가 확립되어 있다. L-리신을 예로 들면, 균주 개발, 공정 발달 및 공업적 제조에 관해 상기 문헌 (Pfefferle et al.)에 기재되어 있다. 정밀 화학물질의 미생물-매개 발효 제조를 위한 중요한 탄소 공급원료는 전분이다. 전분은 발효시 탄소 공급원료로서 이용될 수 있기 이전에 먼저 선행 반응 단계에서 액화되고 당화되어야 한다. 이를 위해, 전분은 보통 감자, 카사바, 곡류, 예를 들어 밀, 옥수수, 보리, 호밀, 라이밀 또는 쌀과 같은 천연 전분 공급원료로부터 예비정제된 형태로 수득되고, 그 후, 효소에 의해 액화되고 당화된 후, 정밀 화학물질의 제조를 위한 실제 발효에 이용된다. 이러한 예비-정제된 전분 공급원료의 사용 이외에도, 정밀 화학물질의 발효 제조를 위한 탄소 공급원료를 제조하기 위한, 사전처리되지 않은 전분 공급원료의 사용이 또한 기재되어 있다. 전형적으로, 전분 공급원료는 초기에 연마에 의해 세분된다. 그 후, 분말기재를 액화 및 당화시킨다. 이 분말기재는 본래 전분 이외에 발효에 역효과를 주는 일련의 비-전분 성분을 포함하기 때문에, 이들 성분을 보통 발효 전에 제거한다. 이러한 제거는 연마 직후에 (WO　02/277252; JP　2001-072701; JP　56-169594; CN　1218111), 액화 후에 (WO　02/277252; CN　1173541) 또는 당화 후에 (CN　1266102; Beukema et al.: Production of fermentation syrups by enzymatic hydrolysis of patato; potato saccharification to give culture medium (Conference Abstract), Symp. Biotechnol. Res. Neth. (1983), 6; NL8302229) 수행할 수 있다. 그러나, 이 모든 방법들은 발효에 실질적으로 순수한 전분 가수분해물을 이용한다는 것을 포함한다. 보다 최근의 기술은 특히, 발효 전에 예를 들면 액화 및 당화된 전분 용액 (JP　57159500) 및 재생가능한 자원에서 얻은 발효 배지 (EP　1205557)의 정제를 가능하게 하려는 개선된 방법에 대한 것이다. 이와 반대로, 가공되지 않은 전분 공급원료가 바이오에탄올의 발효 제조에서 대규모로 사용된다고 공지되어 있다. 여기서, 전분 공급원료의 "건조 분쇄", 액화 및 당화라고 알려진 방법은 큰 공업적 규모로 이루어진다. 적합한 공정에 대한 기재는 예를 들어 문헌 ["The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Jaques et al. (ed.), Nottingham Univ. Press 1995, ISBN　1-8977676-735] 및 [McAloon et al., "Determining the cost of producing ethanol from corn starch and lignocellulosic feedstocks", NREL/TP-580-28893, National Renewable Energy Laboratory, October 2000]에서 발견할 수 있다. 건조 분쇄 방법의 제1 단계에서는, 통곡물 인(kernel), 바람직하게는 옥수수, 밀, 보리, 기장 및 호밀을 미세하게 연마한다. 습식 분쇄 방법으로 알려진 것과는 반대로, 추가의 액체는 첨가되지 않는다. 물질을 미세 성분으로 연마하는 목적은 인에 존재하는 전분이 이후의 액화 및 당화에서 물 및 효소의 영향을 받기 쉽게 하려는 것이다. 바이오에탄올의 발효 제조에서 가치있는 생성물은 증류로 수득되기 때문에, 건조 분쇄 공정으로부터의 전분 공급원료를 예비-정제되지 않은 형태로 사용하는 것은 특정한 문제를 유발하지 않는다. 그러나, 정밀 화학물질의 제조를 위해 건조 분쇄 방법을 사용하는 경우, 당 용액을 통해 발효물로 도입되는 고체 스트림은 발효에 역효과를 줄 뿐 아니라 이후의 공정을 실질적으로 더 어렵게 만들기 때문에 문제가 있다. 따라서, 사용되는 미생물로의 산소 공급은 많은 발효에서, 특히 미생물이 산소 요건을 요구하는 경우에 제한 요인이다. 일반적으로, 기체상에서 액상으로의 산소의 이동, 그리고 이에 따른 산소 전달률에 대한, 높은 고체 농도의 효과에 대해서는 거의 알려지지 않았다. 반면에, 고체 농도의 증가와 함께 증가되는 점도는 산소 전달률을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 표면-활성 물질을 고체와 함께 발효 배지로 도입시킨다면, 이는 가스 버블이 응집하는 경향에 영향을 준다. 생성된 버블 크기는 차례대로 산소 전달에 실질적인 영향을 준다 (Mersmann, A. et al.: Selection and Design of Aerobic Bioreactors, Chem. Eng. Technol. 13 (1990), 357-370). 예를 들어, 물 중 연마된 옥수수 30 중량％ 초과를 함유하는 현탁액은 더이상 균질하게 혼합될 수 없기 때문에, 고체를 도입한 결과, 사용되는 배지의 임계 점도값은 전분-함유 현탁액의 제조 중에 일찍 도달될 수 있다 (Industrial Enzymology, 2nd　ed., T.　Godfrey, S.　West, 1996). 이는 통상적인 절차에서 글루코스 농도를 제한한다. 그 결과, 농도가 낮은 용액을 사용하는 것은 발효액의 불균형한 희석을 초래하므로 공정상의 경제적 이유로 불리하다. 이는 달성할 수 있는 표적 생성물의 최종 농도를 떨어뜨리므로, 이들을 단리할 때의 추가 비용, 및 공시 수율이 감소되고, 동일한 생산량이 제공되면서도 더 높은 수량적 요구, 즉, 더 높은 투자 비용이 얻어진다. 후처리 동안, 증가된 고체 농도는 구체적인 방법의 사용을 특별히 어렵게 할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 이온-교환 크로마토그래피에 의해 발효액을 정제하는 경우, 사용된 크로마토그래피 컬럼이 막히는 (즉, 차단) 경향이 있음을 고려해야 한다. 이러한 어려움 때문에, 종래 다양한 건조 분쇄 방법들은 정밀 화학물질의 발효 제조를 위해 전분 공급원료를 제공하기에 적합하지 않았고, 그러므로 특별한 경제적 중요성이 없었다. 현재까지, 건조 분쇄 개념과 원칙적으로 상기 방법과 관련되어 존재하는 장점들을 공업적 규모의 정밀 화학물질 제조에 적용하려는 시도는 오직 전분 공급원료로서 카사바를 기재한 것 뿐이었다. 따라서, 건조 상태로 연마된 박리된 카사바 괴경을 전분 공급원료로서 사용한 아미노산의 발효 제조 방법이 JP　2001/275693에 기재되어 있으나, 분말기재의 입도를 150　㎛ 이하로 조정하는 것이 상기 방법의 수행에 필수적이다. 상기 목적을 위해 사용되는 여과 단계에서, 비-전분-함유 성분을 함유하는 사용되는 분말기재의 10 중량％ 초과는 수득된 전분이 액화/당화되기 전에 제거되고, 그 후, 발효된다. 더욱이, 상기 방법은 발효 산물, 예를 들어 리신을 식품 첨가제 및 비-전분-함유 카사바 성분으로서 사용하려는 의도인 한, 비-전분-함유 성분의 제거 문제가 없으므로, 가치 있는 생성물로 남아있을 수 있다. JP　2001/309751에는 아미노산-함유 식품 첨가제의 제조를 위한 유사한 방법이 기재되어 있다. 이는 유사하게 정제 또는 고체 제거가 요구되지 않는다. 그러나, 카사바는 다른 전분 공급원료에 비해서 건조 분쇄 방법과 관련하여 비교적 문제가 없어야 한다. 전분이 전형적으로 건조 카사바 뿌리의 80 중량％ 이상을 차지하는 반면 (Menezes et al., Fungal celluloses as an aid for the saccharification of Cassava, Biotechnology and Bioengineering, Vol.　20 (4), 1978, John Wiley and Sons, Inc., Table　1, page　558), 곡물 중의 전분 함량 (건조 물질)은 비교적 훨씬 낮아 일반적으로 70 중량％ 미만이며, 예를 들어 옥수수의 경우 대략 68 중량％를 차지하고, 밀의 경우 대략 65 중량％를 차지한다 (Jaques et al., The Alcohol Textbook, ibid.). 따라서, 액화 및 당화 후 수득된 글루코스 용액은 다른 건조-분쇄된 전분 공급원료를 사용하는 경우보다 건조-분쇄된 카사바를 사용하는 경우에 더욱 적은 오염물질, 특히 더욱 적은 고체를 포함한다. 오염물질의 양이 증가되면 반응 혼합물의 점도가 증가된다. 그러나, 카사바 전분은 가공이 비교적 쉬워야 한다. 카사바 전분은 옥수수 전분에 비해 팽윤 온도에서 더 높은 점도를 갖지만, 반대로 온도 증가시 옥수수 전분에 비해 점도가 더욱 빠르게 떨어진다 (Menezes,　T.J.B. de, Saccharification of Cassava for ethyl alcohol production, Process Biochemistry, 1978, page　24, right column). 더욱이, 카사바 전분의 팽윤 및 젤라틴화 온도는 옥수수와 같은 곡류로부터 얻은 전분의 온도보다 낮은데, 이는 카사바 전분이 곡류 전분보다 세균의 α-아밀라제에 더욱 쉽게 접근가능하기 때문이다 (Menezes,　T.J.B. de, loc. cit.). 다른 전분 공급원료에 비해 카사바가 갖는 추가적인 장점은 그의 낮은 셀룰로스 함량 및 낮은 피테이트 함량이다. 셀룰로스 및 헤미셀룰로스는 특히 산성 당화 조건하에서 푸르푸랄로 전환될 수 있고 (Jaques et al., The Alcohol Textbook, ibid.; Menezes,　T.J.B. de, ibid.), 이는 차례로 발효에 사용되는 미생물에 대한 억제 효과를 가질 수 있다. 피테이트도 마찬가지로 발효에 사용되는 미생물을 억제한다. 따라서, 기술적 측면에서 건조 분쇄 방법에 상응하는 방법에서 전분 공급원료로 카사바를 가공하는 것이 가능하지만, 이러한 카사바를 바탕으로 하는 방법은 여전히 복잡하고, 최적이지 않으며, 그러므로 널리 사용되지 않는다.