• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제23권10호
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• pp.1445-1453
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• 2013

The scale-up criterion of constant oxygen mass transfer coefficient ($k_La$) was applied for the production of itaconic acid (IA) in a 50 L pilot-scale fermentor by the fungal cells of Aspergillus terreus. Various operating conditions were examined to collect as many $k_La$ data as possible by adjusting the stirring speed and aeration rate in both 5 L and 50 L fermentor systems. In the fermentations performed with the 5 L fermentor, the highest IA production was obtained under the operating conditions of 200 rpm and 1.5 vvm. Accordingly, we intended to find out parallel agitation and aeration rates in the 50 L fermentor system, under which the $k_La$ value measured was almost identical to that ($0.02sec^{-1}$) of the 5 L system. The conditions of 180 rpm and 0.5 vvm in the 50 L system turned out to be optimal for providing almost the same volumetric amount of dissolved oxygen (DO) into the fermentor, without causing shear damage to the producing cells due to excessive agitation. Practically identical fermentation physiologies were observed in both fermentations performed under those respective operating conditions, as demonstrated by nearly the same values of volumetric ($Q_p$) and specific ($q_p$) IA production rates, IA production yield ($Y_{p/s}$), and specific growth rate (${\mu}$). Specifically, the negligible difference of the specific growth rate (${\mu}$) between the two cultures (i.e., $0.029h^{-1}$ vs. $0.031h^{-1}$) was notable, considering the fact that ${\mu}$ normally has a significant influence on $q_p$ in the biosynthesis of secondary metabolites such as itaconic acid.

• Environmental Engineering Research
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• 제21권3호
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• pp.233-240
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• 2016

The research aims to study the different flexible rubber tube diffusers used in urban wastewater treatment processes and aquaculture systems. The experiment was conducted in small-scale aeration tank with different physical properties of the tubes that were used as aerators. The volumetric mass transfer coefficient ($k_La$), oxygen transfer efficiency (OTE) and aeration efficiency (AE) were measured and determined to compare the diffusers. Moreover, the bubble hydrodynamic parameters were analyzed in terms of bubble diameter ($d_B$) and rising velocity ($U_B$) by a high speed camera (2,000 frames/s). Then the interfacial area (a) and liquid-side mass transfer coefficient ($k_L$) can be calculated. The physical properties (tube wall thickness, tensile strength, orifice size, hardness and elongation) have been proven to be the key factor that controls the performance (kLa and OTE). The effects of hardness and elongation on bubble formation, orifice size and a-area were clearly proved. It is not necessary to generate too much fine bubbles to increase the a-area: this relates to high power consumption and the decrease of the kL. Finally, the wall thickness, elongation and hardness associated of the flexible tube diffuser (tube No. 12) were concluded, to be the suitable properties for practically producing, in this research.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제47권4호
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• pp.506-511
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• 2009

미생물셀룰로오스의 생산성을 높이기 위하여 원심(centrifugal) 임펠러와 경사원심(inclined centrifugal) 임펠러가 사용되었다. 발효조 내의 유체흐름 형태와 부피산소전달 계수가 고찰되었으며 원심 임펠러 및 경사원심 임펠러가 장착된 발효조 내에서 G. hansenii PJK 균주에 의하여 미생물 셀룰로오스가 생산되었다. 유체는 발효조 하부에서 원심 임펠러의 실린더 내부를 통과하여 발효조 벽면을 향해 순환되었다. 임펠러의 회전속도 100 rpm에서 부피산소전달계수는 터바인 임펠러 계에 비하여 경사원심 임펠러의 경우는 23%, 원심 임펠러의 경우는 15%에 불과하였다. 하지만 미생물셀룰로오스 생산 불능 돌연변이주로의 전환이 방지되어 20 rpm의 경사원심 임펠러의 회전속도에서 미생물셀룰로오스의 생산량이 터바인임펠러의 최적회전속도 300 rpm에서의 미생물셀룰로오스 생산량과 같았다.

• Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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• 제11권3호
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• pp.245-250
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• 2006

The effects of aliphatic hydrocarbons (n-hexadecane and n-dodecane) on the volumetric oxygen mass transfer coefficient $(k_L\;a)$ were studied in flat alveolar airlift reactor and continuous stirred tank reactors (CSTRs). In the flat alveolar airlift reactor, high aeration rates (>2vvm) were required in order to obtain efficient organic-aqueous phase dispersion and reliable $k_La$ measurements. Addition of 1% (v/v) n-hexadecane or n-dodecane increased the $k_La$ 1.55- and 1.33-fold, respectively, compared to the control (superficial velocity: $25.8{\times}10^{-3}m/s$, sparger orifice diameter: 0.5 mm). Analysis of the gas-liquid interfacial area a and the liquid film mass transfer coefficient $k_L$ suggests that the observed $k_La$ increase was a function of the media's liquid film mass transfer. Addition of 1% (v/v) n-hexadecane or n-dodecane to analogous setups using CSTRs led to a $k_La$ increase by a factor of 1.68 and 1.36, respectively (superficial velocity: $2.1{\times}10^{-3}m/s$, stirring rate: 250 rpm). These results propose that low-concentration addition of oxygen-vectors to aerobic microbial cultures has additional benefit relative to incubation in purely aqueous media.

• Journal of Plant Biotechnology
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• 제31권3호
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• pp.249-253
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• 2004

생물반응기의 형태에 따른 인삼부정근의 생장과 ginsen-side의 생산능력에 대하여 조사한 결과, 원형의 상부와 하부에 5 cm의 bubble column을 가진 bulb type bubble bioreactor (BU)에서 건물중은 41.92 g으로 가장 많이 증가하였으며, cylindric tube bioreactor (CT)에서 건물중이 38.55g으로 가장 낮게 나타났다. 이들 두 생물반응기의 초기 kLa 값은 BU 생물반응기에서 6.98 h$^{-1}$로 가장 높게 측정되었고, 반대로 bubble column이 없는 CT 생물반응기에서 5.25 h$^{-1}$으로 가장 낮게 측정되었다. 그러나 이와 같은 초기 kLa값의 차이는 부정근내의 이차대사산물인 ginsenoside의 함량에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 BU 생물반응기에서 bubble column의 길이를 기존의 5 cm에서 10 cm로 연장시켰을 때, 초기 kLa값이 6.52 h$^{-1}$에서 7.80 h$^{-1}$로 증가하면서 인삼부정근의 생장을 42.13 g에서 50.30 g으로 약 16% 증가시킨 것으로 나타났다.

• 한국환경과학회지
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• 제19권5호
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• pp.647-653
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• 2010

The objectives of this research are to evaluate and compare the oxygen transfer coefficients($K_{La}$) in both a general bubbles reactor and a micro-nano bubbles reactor for effective operation in sewage treatment plants, and to understand the effect on microbial kinetic parameters of biomass growth for optimal biological treatment in sewage treatment plants when the micro-nano bubbles reactor is applied. Oxygen transfer coefficients($K_{La}$) of tap water and effluent of primary clarifier were determined. The oxygen transfer coefficients of the tap water for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were found to be 0.28 $hr^{-1}$ and 2.50 $hr^{-1}$, respectively. The oxygen transfer coefficients of the effluent of the primary clarifier for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were found be to 0.15 $hr^{-1}$ and 0.91 $hr^{-1}$, respectively. In order to figure out kinetic parameters of biomass growth for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor, oxygen uptake rates(OURs) in the saturated effluent of the primary clarifier were measured with the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor. The OURs of in the saturated effluent of the primary clarifier with the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 0.0294 mg $O_2/L{\cdot}hr$ and 0.0465 mg $O_2/L{\cdot}hr$, respectively. The higher micro-nano bubbles reactor's oxygen transfer coefficient increases the OURs. In addition, the maximum readily biodegradable substrate utilization rates($K_{ms}$) for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 3.41 mg COD utilized/mg active VSS day and 7.07 mg COD utilized/mg active VSS day, respectively. The maximum specific biomass growth rates for heterotrophic biomass(${\mu}_{max}$) were calculated by both values of yield for heterotrophic biomass($Y_H$) and the maximum readily biodegradable substrate utilization rates($K_{ms}$). The values of ${\mu}_{max}$ for the general bubbles reactor and micro-nano bubbles reactor were 1.62 $day^{-1}$ and 3.36 $day^{-1}$, respectively. The reported results show that the micro-nano bubbles reactor increased air-liquid contact area. This method could remove dissolved organic matters and nutrients efficiently and effectively.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제21권4호
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• pp.430-437
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• 2011

The effects of the agitation and aeration rates on the production of serratiopeptidase (SRP) in a 5-L fermentor (working volume 2-l) were systematically investigated using Serratia marcescens NRRL B-23112. The dissolved oxygen concentration, pH, biomass, SRP yield, and maltose utilization were all continuously measured during the course of the fermentation runs. The efficiencies of the aeration and agitation were evaluated based on the volumetric mass transfer coefficient ($K_La$). The maximum SRP production of 11,580 EU/ml with a specific SRP productivity of 78.8 EU/g/h was obtained with an agitation of 400 rpm and aeration of 0.075 vvm, which was 58% higher than the shake-flask level. The $K_La$ for the fermentation system supporting the maximum production (400 rpm, 0.075 vvm) was 11.3 $h^{-1}$. Under these fermentor optimized conditions, kinetic modeling was performed to understand the detailed course of the fermentation process. The resulting logistic and Luedeking-Piret models provided an effective description of the SRP fermentation, where the correlation coefficients for cell growth, SRP formation, and substrate consumption were 0.99, 0.94, and 0.84, respectively, revealing a good agreement between the model-predicted and experimental results. The kinetic analysis of the batch fermentation process for the production of SRP demonstrated the SRP production to be mixed growth associated.

• KSBB Journal
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• 제24권3호
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• pp.303-311
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• 2009

Bi-staged pH process 하의 jar fermenter system에서 영지의 액체배양 시 효율적인 균사체 및 세포의 다당 생산을 위한 용존산소의 영향을 조사하고, 산소이동용량계수와 발효조 조작변수와의 상관관계를 해석하여 scale up의 조건을 검토, 확립하였다. 교반속도에 따른 용존산소의 농도변화를 살펴본 결과, hi-staged pH process에서 배양 $2{\sim}4$일에 용존 산소의 급격한 감소를 보였으나 용존 산소의 제한은 일어나지 않고, 다시 증가하는 경향을 보였으며, 교반속도가 증가할수록 감소 폭과 깊이는 증가하는 경향을 보였다. 다당 생성은 대수 증식기 이후의 용존 산소농도가 $40{\sim}80%$ 범위일 때 가장 높았으며, 이 보다 낮거나 높은 경우 다당의 생성은 저해되었다. 교반 및 통기에 따른 산소이동용량계수 ($k_La$)와 통기속도 (Vs), 교반속도 (N) 및 impeller 지름 (Di)의 자료로부터 중회귀분석한 결과, 이들 사이의 관계는 다음 식으로 표현할 수 있었다. $$k_La=0.555{\times}Vs^{0.42}{\times}(N^3{\times}Di^2)^{0.33}\;(R^2=0.925,\;p<0.05)$$ 2.6 L 발효조의 경우, 15.43 g/L의 최대 다당 생산량은 400 rpm 및 1 vvm에서 얻어졌으며, 2.6 L 발효조의 최적 산소이동용량계수 값을 적용한 20 및 75 L 발효조에서의 scale up 시험 결과는 서로 잘 일치하였다. 최대의 다당생성을 위한 산소전달계수의 감은 $85.4{\pm}26.70\;h^{-1}$이었다.

• KSBB Journal
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• 제14권6호
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• pp.672-676
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• 1999

캡슐고정화 Aspergillus niger를 이용하여 산소공급이 구연산의 생산에 미치는 영향을 조사하였다. 칼슘알지네이트 캡슐에 고정화된 A. niger는 배양중 성장하여 2일 후에는 균사가 캡슐막을 뚫고 나왔으며 배양 8일 후에는 균사가 캡슐전체를 뒤덮었다. 배양액중의 질소원이 충분하거나 산소가 부족한 경우 균사가 느슨해졌다. 일정한 성장용액의 양에 미생물고정화 캡슐의 양이 많이 투입될 수록 구연산의 생산량은 감소하였다. 플라스크 배양의 경우 부피산소전달계수($K_La$)가 1.8 $hr^{-1}$에서 2.55 $hr^{-1}$로 증가하면 미생물의 성장속도는 증가하지만 구연산의 생산량에는 큰 영향이 없었다. 축중심 공기 부양반응기 내에서의 산소전달 속도증가 ($K_La=150hr^{-1}$)는 미생물의 성장속도는 크게 촉진시켰지만 구연산의 생산량은 오히려 감소시켰다. 그러나 중심축 공기 부양반응기내에서 성장배지 중의 질소원 농도를 감소시키면 플라스크 배양의 생산량보다 약 40%이상 증산할 수 있었다. 뿐만 아니라 최대생산량을 얻는 최적 발효기간도 3일 정도 단축시킬 수 있었다. 캡슐고정화 미생물의 성장이나 구연산 생산량은 중심축 공기 부양반응기의 구조변화에 큰 영향을 받지 않았다.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제28권3호
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• pp.167-171
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• 2000

두엄에서 분리한 Thermoactinomycese sp. E79는 탈지 대두박(defatted soycean meal)을 특이적이로 분해하는 내열성 alkaline 단백질 분해효소를 생산한다. 이 효소를 생산하기 위한 환경인자를 조사하였는데 배지의 초기 pH가 6에서 8까지는 유사한 균체농도를 얻을 수 있었고 pH10에서는 단백질분해효소의 발현이 되지 않았다. 탄소원은 수용성 전분을 이용할 경우 최적의 값을 보여 9.2U/mL의 효소역가를 얻었고 포도당을 탄소원으로 사용한 경우 단백질분해효소의 발현이 억제되었다 최적의 효소발현을 위해 tryptone을 세포성장에 soytone을 단백질 분해효소 생산에 가장 적합한 질소원으로 선택하였다. 호기성 세균인 Thermoactinomycese sp. E79의 산소요구성으 알아보기 위해 산소전달속도를 달리하여 발효인자를 결정하였고 volumetric oxygen transfer coefficient 가 1.93$\times$102 hr-1 일 때 균체농도 6.58 g/L 효소역자 43.0 U/mL 의최대값을 보였다 또한 효소역가를 증강시키기 위해 200mg/L의 humic acid를 첨가한 경우 비첨가 대조구에 비해 단백질 분해효소 역가는 1.64배 세포성장은 1.77배 증가하였다.