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많은 국가에서 인구 증가에 따라 에너지 수요가 증가하면서 화석 연료를 이용한 에너지 공급이 활발해지고 있다. 그러나 화석 연료의 사용은 온실 가스 방출을 야기하며 대기 환경에 큰 문제를 발생시킨다. 이런 문제를 해결하기 위해 수많은 연구가 진행중에 있으며 생물학적 촉매를 이용한 가스 발효는 최근 들어 활발히 연구되고 있는 해결 방안 중 하나이다. 다양한 탄소원으로부터 가치 있는 ...

많은 국가에서 인구 증가에 따라 에너지 수요가 증가하면서 화석 연료를 이용한 에너지 공급이 활발해지고 있다. 그러나 화석 연료의 사용은 온실 가스 방출을 야기하며 대기 환경에 큰 문제를 발생시킨다. 이런 문제를 해결하기 위해 수많은 연구가 진행중에 있으며 생물학적 촉매를 이용한 가스 발효는 최근 들어 활발히 연구되고 있는 해결 방안 중 하나이다. 다양한 탄소원으로부터 가치 있는 화학물질을 생산할 수 있는 가스 발효는 기존에 이용되고 있는 탄소 전환 공정에 비해 기질의 불순물에 대한 내성이 높고 낮은 온도와 압력을 필요로 하는 등 다양한 장점이 있어 효율적인 공정 개발이 이루어 진다면 화석 연료를 대체할 수 있는 잠재력이 있다. 본 연구에서는 일산화탄소를 기질로 유기산을 생산할 수 있는 아세토젠인 Eubacterium limosum KIST612균주를 이용하여 보다 효율적인 유기산 생산 공정을 개발하는 것을 목표로 하였다. 먼저 Plackett-Burman Design(PBD) 실험계획법을 이용하여 기존 배지 구성성분 중 중요한 요인을 탐색하는 배지 재설계를 진행하여 아세토젠의 주요 대사 회로인 우드-융달 회로(Wood-Ljungdahl Pathway)의 대사 작용을 활성화시켜 대사 산물로의 전환을 향상시켰다. 재설계된 배지를 사용했을 때의 최고 아세트산 농도 및 생산성은 4.1g/L와 0.1g/L/h로 기존 배지를 사용했을 때보다 각각 2.4배, 2배 증가하였다. 이렇게 효과를 확인한 배지를 기반으로 5L 규모 생물반응기에서의 배양 공정 개발을 진행하여 생산성을 증가시킬 수 있는 방안을 모색하였다. 여기에는 연속 배양 공정에 중공사막을 기반으로 하는 세포 재순환 시스템을 적용하여 아세트산 생산의 주체가 되는 세포를을 농축하여 더욱 높은 농도의 아세트산을 축적하고자 하였다. 농축 결과, 최고 세포 광학 밀도 30을 달성하였으며 이 수치는 기존 연속 배양 공정에서 기록한 최고 세포 광학 밀도 14.1의 2배가 넘는 수치이다. 추가로 기존 배지 조성에 포함되어 있지 않은 새로운 미량 원소를 보강하여 아세트산 생산의 증가를 관찰하였으며 세포 재순환 시스템을 통해 확보한 높은 농도의 세포에 미량 원소를 보강한 배지를 사용하여 세포 활성과 아세트산 생산을 증가시키고 다시 농축과 미량 원소 보강을 반복하는 새로운 배양 전략을 통해 최종적으로 최고 세포 광학 밀도 25, 아세트산 농도 29.60g/L, 생산성 0.30g/L를 달성하였다. 기존 연속 배양 공정에 비교했을 때 최고 아세트산 농도는 약 6배, 생산성은 약 3배 증가하였다. 그리고 생산 수율을 증가시키기 위해선 스케일업을 통한 배양 규모의 확대가 필수적이기 때문에 파일럿 규모로의 스케일업에서 5L 규모 생물반응기에서 개발한 배양 전략이 적용 가능한지 평가하기 위해 25L 세미파일럿 규모 생물반응기로 배양을 진행한 결과 최대 아세트산 농도31.79g/L, 생산성 0.32g/L/h을 달성하며 스케일업 공정에서도 적용이 가능하다는 것을 확인하였다. 이후 스케일업 시에 추가로 생기는 변수들을 고려하여 공정 개발을 진행한다면 추후 화석 연료를 대체할 수 있는 생물학적 전환 공정의 기반으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In numerous countries, the surge in population has led to a significant increase in energy demand, resulting in a growing reliance on fossil fuels for energy supply. Nevertheless, the combustion of fossil fuels leads to the release of greenhouse gas emissions, posing a substantial challenge for the ...

In numerous countries, the surge in population has led to a significant increase in energy demand, resulting in a growing reliance on fossil fuels for energy supply. Nevertheless, the combustion of fossil fuels leads to the release of greenhouse gas emissions, posing a substantial challenge for the atmospheric environment. In response to this issue, extensive research efforts are currently being undertaken to find viable solutions. Among these, gas fermentation utilizing biological catalysts has emerged as a promising avenue of exploration in recent years. Gas fermentation, a process capable of generating valuable chemicals from several gas substrates, offers several advantages compared to traditional sugar conversion methods. These include enhanced substrate tolerance towards impurities and the requirement for lower temperatures and pressures compared to chemical conversion processes. These advantageous characteristics hold the potential to replace fossil fuels if efficient gas fermentation processes can be developed.
In this study, the strain Eubacterium limosum KIST612, an acetogen capable of producing organic acids using carbon monoxide as a substrate, was used to develop an organic acid production process. Using a Plackett-Burman Design (PBD) to carry out a medium redesign. The objective was to investigate the important factors among the culture medium components that could stimulate the metabolic activity of the Wood-Ljungdahl Pathway, the principal metabolic pathway of acetogens, with the aim of enhancing the conversion of substrates into valuable metabolites. The maximum acetic acid concentration and productivity using redesigned medium was 4.1 g/L and 0.1 g/L/h, approximately 2.4-fold and 2-fold increases over the control medium, respectively. Based on this redesign medium, we developed a fermentation process in a 5 L scale bioreactor to increase cell and acetic acid concentrations. In addition, a hollow fiber membrane-based cell-recycled system was applied to the continuous culture process to concentrate the cells responsible for acetic acid production and accumulate a higher concentration of acetic acid. The maximum optical density was 30, which is more than double the maximum optical density recorded in a previous continuous culture process. Furthermore, an increase in acetic acid production was observed with the addition of a new trace element not included in the previous medium composition. Using a new fermentation strategy of increasing cell activity and acetic acid production by using the medium supplemented with trace elements on a high concentration of cells achieved through a cell recirculation system, and repeating the process again, finally achieved a maximum optical density of 25, acetic acid concentration of 29.60 g/L, and productivity of 0.30 g/L. Compared to the previous continuous culture process, the maximum acetic acid concentration increased by about 6-times and the productivity by about 3-fold. Furthermore, a scale-up process is essential to increase production yields, and to evaluate the pilot-scale applicability of the fermentation strategy developed in the 5 L-scale bioreactor, a maximum acetic acid concentration of 31.79 g/L and a productivity of 0.32 g/L/h were achieved by culture in a 25 L semi-pilot scale bioreactor, confirming its applicability in a scale-up process. If the process is developed in consideration of additional variables during the scale up, it is expected that it can be used as the basis for a biological conversion process can replace fossil fuels in the future.

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