Design of Recycle Bubble Column Reactor for Continuous Enzymatic Hydrolysis of Cellulose

섬유소의 연속 효소 가수분해를 위한 순환식 기포탑 반응기의 설계

Enzymatic hydrolysis of insoluble cellulose was performed in a bubble column with tangential flow ulrafiltration membrane unit. The reactor was operated in a batch mode as well as semi-continuous and continuous with continuous removal of products through the tangential flow ultrafiltration membrane. The optimum superficial gas velocity was 1-3cm / sec so as to avoid bubble coalescence and enzyme denaturation. In continuous and selni-cotinuous process, the conversion was gradually increased but the total reduced sugar concentration was drcastically dereased with the dilution rate. It was concluded that the bubble column attaching tangential flow ultrafiltration membrane unit was effective on continuous hydrolysis of cellulose and recovery of enzyme.

생성물의 분리 및 효소의 회수를 위하여 수평흐름 한외여과장치를 부착한 기포탑에서 섬유소의 연속적인 효소 가수분해 반응을 연구하였다. 기포탑을 효소 가수분해 반응 공정에 이용할 경우 기체유속의 범위는 1-3cm / sec로 기포의 합체현상이 발생하지 않는 dispersed bubble flow 영역이 적합하며 혼합도 거의 완전하게 이루어짐을 확인하였다. 효소 회수장치에 한계분자량이 $10^4$인 여과막을 사용하였을 경우 효소의 활성이 저하되지 않은 채 대부분이 회수되었고 glucose 및 cellobiose의 배제율은 0이었다. 따라서 수평흐름 한외 여과장치는 효소의 연속회수장치로 작합하였으며 반응생성물이 연속적인 분리로 섬유소의 당화율을 증가시켰다. 화분식 반응의 경우 반응시간이 8시간이내에서 실험치는 성능식에 잘 부합되었으나 반연속식 및 연속식 반응의 경우에는 이론값과 차이가 있었다. 이는 반응기 내에서의 효소의 변성에 기인된다. 반연속식 및 연속식 반응의 경우 희석율을 증가시킴에 따라 전환율은 증가하나 반응액중의 환원당의 농도는 낮아진다. 따라서 적정한 기질 공급속도 및 희석율은 효소의 회수비용, 생성물의 농축비용 및 기질의 공급비용등의 경제적 요소를 고려하여 판단하여야 한다. 이상의 결과로부터 수평흐름 한외여과장치를 효소 회수장치로 기포탑에 응용할 경우, 효소의 재사용이 가능할 뿐 아니라 당화율을 증가시킴으로서 연속반응기로 효과적이라고 판단되었다.