Air-lift 및 Jar Fermenter에 의한 Hericium erinaceum 심부배양의 배양특성 및 Scale-up Cultural Characteristics and Scale-up for Submerged Cultivation of Hericium erinaceum Through Air-lift and Jar Fermenter System원문보기
H. erinaceum의 기능성 소재화 연구의 일환으로, 지금까지 체계적으로 연구된 바 없는 H. erinaceum의 액체배양을 시도하고. 이 버섯의 서로 다른 생물반응기하의 액체배양 특성을 규명하고 대량생산을 검토하였다. 5 L 용량의 jar fermenter와 air-lift fermenter에서의 액체배양의 비교실험을 통해 air-lift fermenter의 사용이 종균 배양에 적합한 것으로 나타났으며, 형태 분석을 통해 적정 크기($2{\sim}4mm$)의 pellet 형태의 유지가 대량 생산의 중요인자인 것을 규명하였다. Air-lift fermenter 하의 배양을 종균으로 하고, 적정 크기의 pellet을 유지하는 500 L까지의 jar fermenter를 사용한 회분 배양의 scale-up 실험결과, 30 및 500 L에서의 교반 및 통기속도는 각각 200 rpm, 1 vvm 및 150 rpm, 1 vvm이었다. 이 조건하에서 배양의 전 기간 중 적정 pellet을 유지하였으며, 최대 균사체량은 약 $13{\sim}14g/L$이었다.
H. erinaceum의 기능성 소재화 연구의 일환으로, 지금까지 체계적으로 연구된 바 없는 H. erinaceum의 액체배양을 시도하고. 이 버섯의 서로 다른 생물반응기하의 액체배양 특성을 규명하고 대량생산을 검토하였다. 5 L 용량의 jar fermenter와 air-lift fermenter에서의 액체배양의 비교실험을 통해 air-lift fermenter의 사용이 종균 배양에 적합한 것으로 나타났으며, 형태 분석을 통해 적정 크기($2{\sim}4mm$)의 pellet 형태의 유지가 대량 생산의 중요인자인 것을 규명하였다. Air-lift fermenter 하의 배양을 종균으로 하고, 적정 크기의 pellet을 유지하는 500 L까지의 jar fermenter를 사용한 회분 배양의 scale-up 실험결과, 30 및 500 L에서의 교반 및 통기속도는 각각 200 rpm, 1 vvm 및 150 rpm, 1 vvm이었다. 이 조건하에서 배양의 전 기간 중 적정 pellet을 유지하였으며, 최대 균사체량은 약 $13{\sim}14g/L$이었다.
For the study of Hericium erinaceum as a useful functional foods and materials, liquid cultivation under two different bioreactors(air-lift fermenter and jar fermenter) which was not studied systematically until now, was conducted as a method of mass cultivation for H. erinaceum. A batch cultivation...
For the study of Hericium erinaceum as a useful functional foods and materials, liquid cultivation under two different bioreactors(air-lift fermenter and jar fermenter) which was not studied systematically until now, was conducted as a method of mass cultivation for H. erinaceum. A batch cultivation in an air-lift fermenter and a jar fermenter was examined for enhancing the productivity because of small amounts of mycelial weight and slow growth in case of a liquid culture for H. erinaceum. We found that air lift fermenter system was more effective than jar fermenter for mycelial production of H. erinaceum, and mycelial morphology was a critical factor of the growth. By scale-up and cultivation based on morphological analysis, the conditions for mass production with 30 L and 500 L jar fermenter was 200 and 150 rpm of agitation speed at 1 vvm of aeration rate, respectively, and mycelial dry weight under these conditions was enhanced to about $13{\sim}14g/L$.
For the study of Hericium erinaceum as a useful functional foods and materials, liquid cultivation under two different bioreactors(air-lift fermenter and jar fermenter) which was not studied systematically until now, was conducted as a method of mass cultivation for H. erinaceum. A batch cultivation in an air-lift fermenter and a jar fermenter was examined for enhancing the productivity because of small amounts of mycelial weight and slow growth in case of a liquid culture for H. erinaceum. We found that air lift fermenter system was more effective than jar fermenter for mycelial production of H. erinaceum, and mycelial morphology was a critical factor of the growth. By scale-up and cultivation based on morphological analysis, the conditions for mass production with 30 L and 500 L jar fermenter was 200 and 150 rpm of agitation speed at 1 vvm of aeration rate, respectively, and mycelial dry weight under these conditions was enhanced to about $13{\sim}14g/L$.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 식용은 물론 각종 약리효과를나타내는 H. 浦口化如의 기능성 식품의 제품화 연구 일환으로, 지금까지 체계적으로 연구된 바 없는 air lift fermenter 와 jar fermenter의 서로 다른 배양 시스템 하에서 영상분석 (image analysis)에 의한 균사형태 변화를 조사하였다. 또 이에 기반하여 두 반응기에서의 H.
浦口化如의 기능성 식품의 제품화 연구 일환으로, 지금까지 체계적으로 연구된 바 없는 air lift fermenter 와 jar fermenter의 서로 다른 배양 시스템 하에서 영상분석 (image analysis)에 의한 균사형태 변화를 조사하였다. 또 이에 기반하여 두 반응기에서의 H. erinaceum 액체배양을 비교하고, 이 버섯의 액체배양 특성을 규명하였으며, 이로부터 대량배양의 기초 자료를 마련하고자 하였다.
제안 방법
H. erimceum 의 액체배양에서 air-lift fermentei가 jar-fermenter보다 유리한 결과를 얻었으나 산업적인 대량생산에서는 air-lift fermenter의 이용이 크게 제한되므로 pilot 규모 (30 L, 500 L) 의 jar fermenter에서 적정 크기 (2 〜4 mm)의 펠렛을 유지할 수 있는 조건을 검토하였다' 즉, jar fermenter보다 더 유리했던 air-lift fermentei■로 종균 배양하고, 이를 종균으로 하여 30 및 500 L jar ferment er에서의 본 배양을 수행하는 scale-up 시험을 실시하였다. 이 때 scale-up의 지표는 주로 air lift fermentei에서오} 같은 적정 크기 (2〜4 mm)의 pellet 형태로 자랄 수 있도록 교반 속도 및 통기속도를 조정하였다.
".派zees의 기능성 소재화 연구의 일환으로, 지금까지체계적으로 연구된 바 없는 H. 〃也의 액체배양을 시도하고. 이 버섯의 서로 다른 생물반응기하의 액체배양 특성을 규명하고 대량생산을 검토하였다.
그러므로 fermenter 형식에 따른 균사형태의 경시 변화를조사하였으며, 그 결과는 Fig. 7과 같다.
하지만 담자균류에 대한 이들 효과에 대해서는 별로 보고된 바가 없고, 특흐】, 노루궁뎅이 버섯인 경우는 이러한 자료가 전무하여 scale-up에 어려움이 있다. 따라서 5 L jar fermenter에서 일정 통기속도 (1.5 vvm)하에 서로 다른 교반조건 (100 -400 rpm)으로 5일 (또는 6일)간 H. erinaceum의 액체배양을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
따라서 H. erinaceum 균사체의 새로운 액체 배양장치로서 air-lift fementer를 자체 제작하였고, 이 배양 장치에서 균사체의 생육 특성을 조사하였다. Fig.
따라서 이와 같이 얻어진 200 rpm, 1 vvm 및 150 rpm, 1 vvm을 최적 교반 및 통기조건으로 하여 30 및 500 L 발효조에서 배양 경시변화를 조사하였으며, 그 결과는 각각 Fig. 9 및 10과 같다.
70'。에 서 12시 간 건조하여 건조 균체량으로 측정 하였고, 세포외 생성물인 다당류 생성량은 아세톤 침전법으로 조사하였다(15, 16).
) 및 PC로 구성된 것을 사용하였다. 이 때 면적, 길이, 원형도, roughness (%) 등의 각종형태변수는 Image software (Optimas)를 사용하여 구하였다. 분석시 CCD camera의 화상은 640 x 640 pixels 및 256 grey level의 해상도로 촬영하였고, 오차를 최소화하기 위해 400 X 400 pixels로 수정하였다.
〃也의 액체배양을 시도하고. 이 버섯의 서로 다른 생물반응기하의 액체배양 특성을 규명하고 대량생산을 검토하였다. 5 L 용량의 jar fermenter와 air-lift fermenter에서의 액체배양의 비교실험을통해 air-lift fermenter의 사용이 종균 배양에 적합한 것으로나타났으며, 형태 분석을 통해 적정 크기 (2~4 mm)의 pellet 형태의 유지가 대량 생산의 중요인자인 것을 규명하였다.
이를 보다 상세하게 알아보기 위해 impeller의 회전속도에 따른 균사체의 형태변화를 관찰하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
플라스크 배양의 경우는 500 mL 플라스크를 사용하여최적 배지 (pH 5.7) 하에서 접종비 13%, 온도 23°C, 진탕속도 100 rpm으로 10일간 실시하였다. Air-lift fermenter system에서는 자체 제작한 3 L 용량의 발효조에서 역시 접종비를 13%로 하여 온도 23°C, 통기속도 2, 5 vvm으로 4일간 배양하였다.
한편, fermenter 내부의 각종 sensor, impeller 및 baffle 등에 부착하여 생육하는 이른바, wall growth나 배양 후기의응집현상도 균사 생육의 한 요인으로 생각되었으므로 wall growth의 방지목적으로 0.04%의 antifoam (LS-300, 다우코닝사)을 첨가하여 400 rpm에서 재실험하였다. 그 결과 Fig.
한편, 액체배양의 균사형태는 image analysis system (Optimas Co. USA)으로 분석하였다. 장치는 CCD camera (Parasonic, WV-CP410), PCI video frame grabber (Flashpoint Ver.
이 때 면적, 길이, 원형도, roughness (%) 등의 각종형태변수는 Image software (Optimas)를 사용하여 구하였다. 분석시 CCD camera의 화상은 640 x 640 pixels 및 256 grey level의 해상도로 촬영하였고, 오차를 최소화하기 위해 400 X 400 pixels로 수정하였다. 또 roughness는 pellet의 면적을 이용하여 다음 식에 의해 구하였다(17).
USA)으로 분석하였다. 장치는 CCD camera (Parasonic, WV-CP410), PCI video frame grabber (Flashpoint Ver. 3.11, Integral Tech., Inc.) 및 PC로 구성된 것을 사용하였다. 이 때 면적, 길이, 원형도, roughness (%) 등의 각종형태변수는 Image software (Optimas)를 사용하여 구하였다.
성능/효과
이 버섯의 서로 다른 생물반응기하의 액체배양 특성을 규명하고 대량생산을 검토하였다. 5 L 용량의 jar fermenter와 air-lift fermenter에서의 액체배양의 비교실험을통해 air-lift fermenter의 사용이 종균 배양에 적합한 것으로나타났으며, 형태 분석을 통해 적정 크기 (2~4 mm)의 pellet 형태의 유지가 대량 생산의 중요인자인 것을 규명하였다. Air-lift fermenter 하의 배양을 종균으로 하고, 적정 크기의 pellet을 유지하는 500 L까지의 jar fermenter를 사용한회분 배양의 scale-up 실험결과, 30 및 500 L에서의 교반 및통기속도는 각각 200 rpm, 1 wm 및 150 rpm, 1 wm이었다.
5 L 용량의 jar fermenter와 air-lift fermenter에서의 액체배양의 비교실험을통해 air-lift fermenter의 사용이 종균 배양에 적합한 것으로나타났으며, 형태 분석을 통해 적정 크기 (2~4 mm)의 pellet 형태의 유지가 대량 생산의 중요인자인 것을 규명하였다. Air-lift fermenter 하의 배양을 종균으로 하고, 적정 크기의 pellet을 유지하는 500 L까지의 jar fermenter를 사용한회분 배양의 scale-up 실험결과, 30 및 500 L에서의 교반 및통기속도는 각각 200 rpm, 1 wm 및 150 rpm, 1 wm이었다. 이 조건하에서 배양의 전 기간 중 적정 pellet을 유지하였으며, 최대 균사체량은 약 13〜14 g/L이었다.
04%의 antifoam (LS-300, 다우코닝사)을 첨가하여 400 rpm에서 재실험하였다. 그 결과 Fig. 3에서 보는 바와 같이, 배양 후기 균사 생육의 감소현상은관찰되지 않았고, 균사체량의 최대값도 약 9 g/L로 다소증가하였다. 하지만 다른 버섯류에 비하면 낮은 값 범위이어서 균사체의 손상 및 파편화를 방지할 수 있는 배양장치에서의 검토 필요성이 있었다.
0 내외로 감소하였다. 기질소비(잔존당) 역시 배양경과에 따라 감소하였으며, 비교적 교반속도의 증가에 따라 기질 소비도 증가하였다. 그러나 배양 말기에도 기질인 당의 소비가 매우 낮아서 거의 50%가량 잔존되는 특징을 보였는데, 이러한 과잉 탄소원 존재하의 생육은 다른 버섯의 액체배양에서도 잘 나타나는 현상이다.
대체로 교반 및 통기속도가 증가할수록 배양후기 페렛의 유지가 곤란하였는데, 대표적인 예로서 Fig. 8에서와 같이, 30 L 및 500 L jar fermenter에서 각각 200 rpm, 1 wm 및 150 rpm, 1 vm일 때 배양 전기간 중 균사체의 형태가 pellet 형태를 잘 유지함을 확인할 수 있었다.
따라서 균사형태의 분석이 노루궁뎅이 버섯배양의 scale-up의 유용지표가 될 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이로부터 jar fermenter에서의 대량생산 가능성을 기대할 수 있었다.
6), 장축, 폭, 둘러】, 면적, 원형도 및 roughnees (%) 등이 증가하면서 활발히 생육하는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이들 형태 및 형태변수를 적절히 비교, 분석함으로써 H. erinaceum$\ 액체배양 특성을 보다 상세하게 관찰할 수 있을 것으로 생각되었다.
5에서 보는 바와 같이, 배양 1일 후 pellet의 형태로 정단 생장하기 시작하여 배양 3일 후 최대크기의 rough pellet 형태(8)로 생육하였다. 또 배양 경과에 따라 균사 형태 변수들을 조사한 결과(Fig. 6), 장축, 폭, 둘러】, 면적, 원형도 및 roughnees (%) 등이 증가하면서 활발히 생육하는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이들 형태 및 형태변수를 적절히 비교, 분석함으로써 H.
그러나 배양 말기에도 기질인 당의 소비가 매우 낮아서 거의 50%가량 잔존되는 특징을 보였는데, 이러한 과잉 탄소원 존재하의 생육은 다른 버섯의 액체배양에서도 잘 나타나는 현상이다. 또, 기질소비에 따라 세포외 다당이 생성되었으며, 교반속도의 증가에 따라 그 생성량도 증가하였다.
한편, 균사생육의 경우는 배양경과에 따라 배양 초기부터 비교적 급격히 증가하여 배양 2〜3일 후 최대값을 보였으며, 이후 이 수준을 유지하거나 감소하는 경향을 보였다. 교반속도가 낮은 경우 (100 - 200 rpm)는 비교적 시간 경과에 따른 생육속도가 낮고, 최대 균체량 (390〜5.
후속연구
Jar fermenter하의 노루궁뎅이 버섯 배양은 다른 버섯에비해 낮은 균사체량과 배양 후기 균사 생육의 감소가 관찰되었으므로 보다 높은 생산성의 향상을 위해서는 균사체량의 증가와 더불어 이에 도달하는 기간을 단축시킬 수 있는새로운 형태의 fermenteT를 설계 고안하고, 새로운 배양 system을 적용하는 추가 연구의 필요성이 높은 것으로 판단되었다. 따라서 H.
3에서 보는 바와 같이, 배양 후기 균사 생육의 감소현상은관찰되지 않았고, 균사체량의 최대값도 약 9 g/L로 다소증가하였다. 하지만 다른 버섯류에 비하면 낮은 값 범위이어서 균사체의 손상 및 파편화를 방지할 수 있는 배양장치에서의 검토 필요성이 있었다.
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