생물공정 모델링: 사이버네틱 접근을 통한 동시당화발효과정과 발효과정의 세포군집수지식 : Bioprocess Modeling: Simultaneous Saccharification and Fermentation with Cybernetic Approach and Cell Population Balance of Fermentation
- 발행기관 고려대학교
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 8
- 학위명 석사
- 학과 대학원 화공생명공학과 화학공학전공
- 식별자(기타) DL:000015976244
- 서지제어번호 000045216997
초록/요약
본 연구는 바이오 프로세서중에서 2가지 주제를 다루고 있다. 첫 번째는 싸이버네틱 접근을 통한 동시당화발화공정(Simultaneous saccharification and fermentation, SSF)이고, 다른 하나는 Cephalosporium acremonium을 대상으로 한 셀 파퓰레이션 밸런스(population balance) 모델링이다. 에탄올 생산을 위한 동시당화발효공정은 해당과 발효를 동시에 수반하는 공정이다. 본 연구에서는 미하엘리스-멘텐(Michaelis-Menten) 속도방정식과 효소억제 속도방정식에 기반을 둔 해당화과정에 사이버네틱 모델(cybernetic model)형태의 모노드 식(Monod equation)에 기반을 둔 발효과정을 결합하였다. 특히 글루코오스와 셀로바이오스를 먹이로 하는 이스트(yeast)인 Brettanomyces custersii는 여러 가지 먹이에서 순차적인 성장을 묘사하는 사이버네틱 모델링을 적용하기에 적합하다. 본 연구에서 제시된 모델은 기존의 동시당화발효공정의 속도식을 개선하였으며, 선행되었던 실험결과를 통해 모델의 적합성을 검증하였다. 항생제의 한가지인 cephalosporin C는 선형 균주인 Cephalosporium acremonium에서 생산이 가능하다. Cephalosporium acremonium는 길이에 따른 분화에 의해 하이페(hyphae), 부푼 상태의 하이페(swollen hyphal fragment), 아쓰로스포어(arthrospores)로 3가지 상태로 분류할 수 있다. 파퓰레이션 밸런스 모델은 입자를 바탕으로 하는 공정으로 특정 변수에 따른 분포를 표현하는 모델링 방법이다. 본 연구에서는 균주의 길이를 중심으로 Cephalosporium acremonium의 분화과정을 기술하도록 하였다. 특히 뭉쳐있는 하이페에서 떨어져 나온 가지들을 포함할 경우와 포함하지 않을 경우를 나우어서 Cephalosporium acremonium의 분화를 설명하도록 하여, 선행되었던 시험결과와 비교하여 그 타당성을 입증하도록 하였다.
more초록/요약
This study dealt with two topics of the bioprocess; one was the simultaneous saccharification and fermentation process with cybernetic approach, the other was the cell population balance for Cephalosporium acremonium. The simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process consists of the concurrent enzymatic saccharification and fermentation. This study combined the saccharification process based on the modified Michaelis-Menten kinetics and enzyme inhibition kinetics with the fermentation process based on the Monod equation in a cybernetic model. The cybernetic modeling using Brettanomyces custersii identified as a glucose- and cellobiose-fermenting yeast that was suitable for describing the sequential growth on multiple substrates. The proposed model improved the previous SSF kinetic model, and demonstrated the validity of the cybernetic model with the previous experimental results. The cephalosporin C, a kind of antibiotics, is produced from filamentous fungus, Cephalosporium acremonium that is classified into three states; hyphae, swollen hyphal fragment, and arthrospores according to the differentiation of its length. The population balance equation model used commonly in the particulate processes could formulate the evolution of the Cephalosporium acremonium with the fragmental length as a intracellular state. The proposed population balance model could describe the differentiation of Cephalosporium acremonium with and without counting detached tips from coiled lump of fragments. And, it is validated with comparison with the previous experimental results.
more목차
PART 2 CELL POPULATION BALANCE OF FERMENTATION
2.1 Introduction
2.2 Population Balance Model for Cephalosporium acremonium
2.3 Results & Discussion
2.4 Conclusion
References
Abstract
List of Tables
Table 1.1 Expressions of the enzyme inhibition kinetics according to the enzyme inhibitiontype.
Table 1.2 The sum of the squared error for saccharification between the Moon's model andthe proposed model.
Table 1.3 The sum of the squared error for fermentation between the Moon's model andthe proposed model.
Table 1.4 The sum of the squared error for SSF between the Moon's model and theproposed model.
Table 1.5 Estimated values of parameters used in simulating the experimental data.
Table 2.1 The previous experimental result for Cephalosporium acremonium M25.
