개념 한 쪽
발효 공정에서 반응기의 구조와 운전 방식은 배양 방식, 산소 및 영양분 공급, 균체 분산 등 물질전달과 생산성에 직접적인 영향을 미친다. 배치·연속·고체·적하식 등 배양 방식의 차이와 교반·응집·측정법의 한계를 이해하는 것이 중요하다.
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출제기준 단원 「반응기의 구조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 곰팡이 응집과 물질전달 판단 | 1 | 응집체가 내부 확산과 발효 효율에 미치는 영향을 고르는 능력 |
| 식초(초산) 상업적 발효법 선택 | 1 | 상업적 대량 생산에 적합한 초산 발효 방식을 고르는 능력 |
| 교반의 역할과 거품 판단 | 1 | 교반의 유용한 기능과 부작용을 구분하는 능력 |
회분 배양(batch culture)은 초기 배지로 모든 영양분을 충전하고 배양 중에는 추가 공급이나 배지 회수가 없는 폐쇄계 방식이다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 영양분이 소모되고 노폐물이 축적되며 미생물은 유상기·지수기·정지기·사멸기 등 성장 단계에 따라 생육속도가 변한다. 회분 배양은 단일 주기 운전에 적합하며 연속배양과 대비되는 특징을 보인다.
지속적으로 배지를 투입하고 동시에 배양액 일부를 배출하여 반응기 내 부피와 세포농도를 일정하게 유지하는 방식은 정상상태를 만들 수 있다. 이러한 연속투입 방식은 지수생장 상태를 장기간 유지할 수 있으므로 생육속도가 빠른 미생물이나 1차대사산물 생산에 유리하다. 반면 이차대사산물은 주로 정지기에 생성되므로 이 방식은 이차대사산물 생산에 불리하며, 장기간 운영 시 오염 위험과 유전적 불안정성이 발생할 수 있다.
고체배양은 배지의 수분 활동도가 낮아 배지 표면에서 균사가 자라며 포자 생성 관찰이 용이하고 호기성 곰팡이나 방선균 배양에 유리하다. 반면 혐기성 미생물은 산소 차단이 필요하므로 고체배양이 적합하지 않을 수 있고, 균일한 환경 제어가 필요한 대규모 생산에는 액체배양이 더 효율적이다.
발효조 운전에서 교반은 영양분과 온도를 균일화하고 세포를 분산시켜 물질전달을 개선하는 유용한 수단이다. 그러나 교반이 과도하면 거품이 형성되어 공정 장애를 일으킬 수 있으므로 거품은 제거 대상이며 교반의 유용한 역할로 보지 않는다. 곰팡이 균체는 응집체(aggregates)를 형성할 수 있으며, 응집체 내부로의 물질 전달 저항이 증가하여 영양분과 산소 공급이 저해된다.
배양 모니터링에서는 방법별 한계를 인식해야 한다. 탁도법은 빛 산란에 기반하므로 소양분이나 침출물 등 용존 물질이 많은 복합 배지에서는 균체 외의 요소에 의해 값이 증가하여 균체농도 추적에 부적합하다. 이 경우 원심분리 후 침전 부피(PCV), plate count, ATP/NADH 측정 등 직접적 또는 생리적 지표가 더 신뢰할 수 있다.
연속배양의 생산성 계산에서는 희석율(D)을 먼저 구한 후 세포농도(X)와 곱하여 단위부피당 생산성을 산출한다. 희석율은 유입속도(F)를 반응조 부피(V)로 나눈 값(D = F/V)이며 생산성 P는 P = D × X이다. 단위 환산을 정확히 하여 계산해야 한다.
문제: 연속배양에서 유입속도 250ml/h, 발효조 부피 1000ml, 정상상태 세포농도 20g/L일 때 균체 생산성은 얼마인가? 풀이: 단위를 통일한다. 유입속도 F = 250ml/h = 0.25L/h, 발효조 부피 V = 1000ml = 1L이다. 희석율 D = F/V = 0.25/h이다. 생산성 P = D × X = 0.25 × 20g/L = 5g/L·h이다. 단위 환산 실수(ml와 L 혼용)로 4g/L·h가 되는 실수에 주의한다.
예시2: 배지에 soybean meal 등 유기물이 많은 경우 탁도법 사용의 문제점을 판단해야 한다. 탁도는 용존 물질도 빛을 산란시키므로 균체농도만 반영하지 못한다. 이럴 때는 PCV, plate count, ATP 측정 등 직접적 지표를 사용한다.
곰팡이를 이용하는 호기적 발효의 특징으로 적합한 것은?
정답 ③ · 문제는 곰팡이를 이용한 호기성 발효에서 균체의 응집 현상이 어떤 영향을 미치는지를 묻고 있다. 응집된 균체 내부로의 물질 전달은 확산 저항이 커지므로 산소와 영양분 공급이 어려워지고 결과적으로 전달 효율이 떨어진다.
곰팡이 균체의 응집 현상은 내부로의 물질 전달 저항을 증가시켜 영양분과 산소 공급을 방해하는 주요 요인이 된다.
다음 중 식초용 초산(acetic acid) 발효의 상업적인 생산에 이용되고 있는 방법은?
정답 ① · 문항은 상업적 식초(초산) 생산에 주로 사용되는 발효법을 묻고 있다. 산업적 생산에서는 산소 공급을 효율적으로 하여 초산균의 산화대사를 촉진하기 위해 액층 위로 배지를 흘려 산소와의 접촉을 크게 하는 적하식 발효법(trickling generator)이 널리 사용된다.
상업적 식초 생산은 산소 공급을 효율적으로 하기 위해 적하식 발효법(trickling generator)이 주로 사용된다.
발효조(jar fermenter)를 이용한 배양에서 교반이 미생물의 생육에 유용한 역할을 하는 경우가 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 발효조에서 교반이 미생물 생육에 유용한 역할을 하는 경우를 고르는 것이며 예외를 묻는다. 교반은 영양분과 온도 분포를 균일하게 하고 세포를 고르게 분산시켜 생육을 돕는 유용한 기능을 수행한다.
교반은 영양분/온도/세포 분산을 돕지만, 거품 형성은 교반의 부작용 또는 제거 대상이므로 유용한 역할이 아니다.
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