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식물성 오일로부터 Ralstonia eutropha의 polyhydroxyalkanoates 합성 특성
Characteristics of Polyhydroxyalkanoates Synthesis by Ralstonia eutropha from Vegetable Oils 원문보기

KSBB Journal, v.25 no.3, 2010년, pp.239 - 243  

박대후 (충북대학교 공과대학 화학공학과 산업과학기술연구소) ,  김범수 (충북대학교 공과대학 화학공학과 산업과학기술연구소)

초록
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식물성 오일 또는 glycerol로부터 Ralstonia eutropha 여섯 균주의 polyhydroxyalkanoates (PHA) 합성 특성을 조사하였다. 탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, $\gamma$-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다. 최종 균체농도 및 PHA 함량면에서 최적인 균주는 R. eutropha KCTC 2662로 결정되었으며, 최적 기질인 soybean oil 20 g/L로부터 72 h에 균체농도 1.7~9.2 g/L, PHA 함량 70~92 wt%를 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Six strains of Ralstonia eutropha were grown to investigate characteristics of polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesis from vegetable oils or glycerol. Poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer was formed using soybean oil, olive oil, or glycerol as carbon source, while poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybu...

주제어

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제안 방법

  • P (3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co-3HV) 합성을 위해 24 h 배양 후 5 g/L의 γ-butyrolactone과 3 g/L의 pentanoic acid를 각각 첨가하였다.
  • P(3HB-co-3HV) 및 P(3HB-co-4HB) 표준 시료는 아래와 같이 배양된 균체로부터 정제하여 제조 후 400 MHz 1H NMR을 이용하여 조성을 결정하였다. 배양액을 원심분리하여 동결건조 후 균체 1 g 당 chloroform 100 mL을 첨가하였다.
  • 건조 세포 농도 (dry cell weight)는 배양액 5-10 mL을 원심분리 후 동결건조하여 질량을 측정하였다. 배양액 내 soybean oil의 농도와 P(3HB), P(3HB-co-3HV), P(3HB-co4HB) 조성은 기체 크로마토그래피 법 (GC 6890N, Agilent, Inc.
  • 또한 식물성 오일에 γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 첨가하여 이용하여 P(3HB) homopolymer 외에 P(3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co3HV) copolymer의 합성 특성을 조사하였다.
  • eutropha는 단일 탄소원으로 식물성 오일 또는 glycerol을 공급시 P(3HB) homopolymer를 합성하였다. 먼저 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB) 축적에 관하여 측정하였다 (Fig. 1). 탄소원 20 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.
  • 배양액 내 soybean oil의 농도와 P(3HB), P(3HB-co-3HV), P(3HB-co4HB) 조성은 기체 크로마토그래피 법 (GC 6890N, Agilent, Inc., HP-5 column, 30 m × 320 μm × 0.25 μm)으로 결정하였으며, margaric acid와 benzoic acid를 각각 internal standard로 사용하였다.
  • eutropha의 고농도 유가식 배양을 통해 최대 약 200 g/L의 균체농도 및 80 wt%의 PHA 함량을 얻은 바 있다 [8-12]. 본 연구에서는 비교적 저가이고 높은 수율을 얻을 수 있는 식물성 오일 또는 바이오디젤 제조 공정의 부산물인 glycerol을 탄소원으로 이용하여 R. eutropha 여섯 균주를 배양하여 최종 균체농도 및 PHA 함량 면에서 최적 균주를 결정하였다. 또한 식물성 오일에 γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 첨가하여 이용하여 P(3HB) homopolymer 외에 P(3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co3HV) copolymer의 합성 특성을 조사하였다.
  • 식물성 오일 또는 glycerol 20 g/L에 pentanoic acid 3 g/L를 첨가하여 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 조사하였다 (Fig. 3, Table 2). Soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.
  • 식물성 오일 또는 glycerol로부터 Ralstonia eutropha 여섯 균주의 polyhydroxyalkanoates (PHA) 합성 특성을 조사하였다. 탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다.
  • 위의 P(3HB)의 실험과 동일하게 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB-co-4HB) 축적에 관하여 측정하였다 (Fig. 2, Table 1). 식물성 오일 또는 glycerol 20 g/L에 γ-butyrolactone 5 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.

대상 데이터

  • necato)는 다음과 같다. KCTC 22469 (ATCC 17699, KCCM 11972, DSM 428), KCTC 2657 (DSM 416), KCTC 2658 (DSM 418), KCTC 2659 (DSM 422), KCTC 2662 (DSM 530), KCTC 2649 (NCIMB 11599).
  • 본 실험에서 사용한 여섯 종류의 R. eutropha (C. necato)는 다음과 같다. KCTC 22469 (ATCC 17699, KCCM 11972, DSM 428), KCTC 2657 (DSM 416), KCTC 2658 (DSM 418), KCTC 2659 (DSM 422), KCTC 2662 (DSM 530), KCTC 2649 (NCIMB 11599).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Ralstonia eutropha 균주의 특징은 무엇인가? Ralstonia eutropha (Cupriavidus necato)는 성장이 용이하고 균체내 PHA 축적율이 높아 PHA 합성에 관해 가장 많이 연구되어 온 균주로서 본 연구진은 glucose 또는 fructose를 주요 기질로 R. eutropha의 고농도 유가식 배양을 통해 최대 약 200 g/L의 균체농도 및 80 wt%의 PHA 함량을 얻은 바 있다 [8-12].
polyhydroxyalkanoates의 가장 단순한 형태는 무엇인가? PHA 중 가장 단순한 형태인 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer는 부서지기 쉽고 가공성이 용이하지 않아 이를 보다 유연하게 만든 poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate) [P(3HB-co-3HV)] 및 poly(3-hydroxybutyrateco-4-hydroxybutyrate) [P(3HB-co-4HB)] copolymer가 propionic acid, pentanoic acid, γ-butyrolactone 등의 기질을 함께 공급하여 합성되었다. 특히 P(3HB-co-4HB)는 4HB의 함량에 따라 딱딱한 결정성 플라스틱에서 탄성이 큰 고무에 이르기까지 다양한 물성을 나타내며 [2], 다른 PHA에 비해 생체 내 가수분해 속도도 크고 4HB 함량에 따라 조절 가능하여 의약분야 소재로서의 활용이 기대되고 있다 [3].
polyhydroxyalkanoates란 무엇인가? polyhydroxyalkanoates (PHA)는 N, P, S, Mg, O2 등의 영양소가 제한된 성장 조건 하에서 여러 종류의 미생물들에 의해 세포 내 탄소와 에너지 저장 물질의 형태로 축적되는 생분해성 고분자이다. PHA는 가수분해나 효소에 의해 분해되기 때문에 농업, 해양, 의약 등 다양한 분야의 적용에 있어서 환경적으로 분해 가능한 열가소성 물질로써 많은 관심을 불러 일으키고 있으며 상업적 관심의 초점이 되고 있다 [1].
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참고문헌 (12)

  1. Chen, G.-Q. (2009) A microbial polyhydroxyalkanoates (PHA) based bio- and materials industry. Chem. Soc. Rev. 38: 2434-2446. 

  2. Saito, Y., S. Nakamura, M. Hiramitsu, and Y. Doi (1996) Microbial synthesis and properties of poly(3- hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate). Polym. Int. 39: 169-174. 

  3. Martin, D. P. and S. F. Williams (2003) Medical applications of poly-4-hydroxybutyrate: a strong flexible absorbable biomaterial. Biochem. Eng. J. 16: 97-105. 

  4. Akiyama, M., T. Tsuge, and Y. Doi (2003) Enviromental life cycle comparison of polyhydroxyalkanoates produced from renewable carbon resources by bacterial fermentation. Polym. Degrad. Stab. 80: 183-194. 

  5. Song, B.-S., N. S. Han, B. H. Lee, C. T. Hou, and B. S. Kim (2009) Production and analysis of oxygenated unsaturated fatty acids from oleic acid by Flavobacterium sp. strain DS5. KSBB J. 24: 41-46. 

  6. Kim, B. S., Song, B.-S., and Hou, C. T. (2008) Production of lipase and oxygenated fatty acids from vegetable oils. In Biocatalysis and Bioenergy, C. T. Hou and J. F. Shaw, Eds, p. 547, John Wiley & Sons. 

  7. Yamane, T. (1992) Cultivation engineering of microbial bioplastics production. FEMS Microbiol. Rev. 103: 257-264. 

  8. Kim, B. S., S. C. Lee, S. Y. Lee, H. N. Chang, Y. K. Chang, and S. I. Woo (1994) Production of poly (3-hydroxybutyric acid) by fed-batch culture of Alcaligenes eutrophus with glucose concentration control. Biotechnol. Bioeng. 43: 892-898. 

  9. Kim, B. S., S. C. Lee, S. Y. Lee, H. N. Chang, Y. K. Chang, and S. I. Woo (1994) Production of poly (3-hydroxybutyric-co-3-hydroxyvaleric acid) by fedbatch culture of Alcaligenes eutrophus with substrate control using on-line glucose analyzer. Enzyme Microb. Technol. 16: 556-561. 

  10. Kim, B. S. and H. N. Chang (1995) Control of glucose feeding using exit gas data and its application to the production of PHB from tapioca hydrolysate by Alcaligenes eutrophus. Biotechnol. Techniques 9: 311-314. 

  11. Kim, J. S., B. H. Lee, and B. S. Kim (2005) Production of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) by Ralstonia eutropha. Biochem. Eng. J. 23: 169-174. 

  12. Song, J. Y. and B. S. Kim (2005) Characteristics of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) production by Ralstonia eutropha NCIMB 11599 and ATCC 17699. Biotechnol. Bioprocess Eng. 10: 603-606. 

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