응집성 Sacchromyces cerevisiae 를 이용한 반복 유가식 ethanol 생산에서의 최적 운전전략 Optimal Strategy for Ethanol Production in Repeated Fed-batch Operation Using Flocculent Sacchromyces cerevisiae원문보기
응집성 효모인 S. cerevisiae ATCC 96581를 이용한 최적의 에탄올 생산 공정 전략에 대하여 연구하였다. 효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간마다 세포 응집 후 교체 하였다. 이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다. 최종적으로 24시간마다 세포를 응집시키고 상층배지를 제거하고 새로운 배지를 넣으면서 반복 유가식 에탄올 생산을 하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있었고, 이때 120시간 동안 825 g의 에탄올을 생산 할 수 있었다.
응집성 효모인 S. cerevisiae ATCC 96581를 이용한 최적의 에탄올 생산 공정 전략에 대하여 연구하였다. 효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간마다 세포 응집 후 교체 하였다. 이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다. 최종적으로 24시간마다 세포를 응집시키고 상층배지를 제거하고 새로운 배지를 넣으면서 반복 유가식 에탄올 생산을 하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있었고, 이때 120시간 동안 825 g의 에탄올을 생산 할 수 있었다.
We investigated the optimal strategy for ethanol production using flocculent Sacchromyces cerevisiae ATCC 96581. Considering the characteristic of flocculent yeast, a repeated fed-batch ethanol fermentation was designed, in which non-sterile glucose powder was fed every 12 hours and, after cell floc...
We investigated the optimal strategy for ethanol production using flocculent Sacchromyces cerevisiae ATCC 96581. Considering the characteristic of flocculent yeast, a repeated fed-batch ethanol fermentation was designed, in which non-sterile glucose powder was fed every 12 hours and, after cell flocculation, new feeding medium was exchanged every 24 or 36 hours. We particularly compared this fermentation process with those when cell flocculation was not carried out. Finally, the maximal total ethanol production was 825 g-ethanol during 120 hours, in which the time interval of withdrawal-fill of feeding medium was 24 hours and cell flocculation was carried out.
We investigated the optimal strategy for ethanol production using flocculent Sacchromyces cerevisiae ATCC 96581. Considering the characteristic of flocculent yeast, a repeated fed-batch ethanol fermentation was designed, in which non-sterile glucose powder was fed every 12 hours and, after cell flocculation, new feeding medium was exchanged every 24 or 36 hours. We particularly compared this fermentation process with those when cell flocculation was not carried out. Finally, the maximal total ethanol production was 825 g-ethanol during 120 hours, in which the time interval of withdrawal-fill of feeding medium was 24 hours and cell flocculation was carried out.
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문제 정의
이 결과는 Run # 7과 8에서 에탄올의 저해현상 때문에 더 이상 포도당 첨가나 배지의 교체방법을 이용하여 배양액 중의 에탄올 농도를 올릴 수가 없다는 것을 보여주는 것이다. 또한 이렇게 에탄올에 의해서 저해를 받은 세포가 새로운 배지에서 지체시간을 경과한 후 정상적으로 세포의 성장과 포도당 소비, 에탄올 생산이 세포의 분열을 통하여 이루어질 수 있음을 보여주는 결과라 하겠다. 이것은 Fig.
본 연구에서는 응집성 효모인 Saccharomyces cerevisiea (S. cerevisiea) ATCC 96581를 이용하여 jar fermentor에서 반복 유가식 에탄올을 생산할 때 가장 효율적이고 경제성있는 운전전략에 대하여 연구하였다. S.
cerevisiea ATCC 24858을 이용한 반복 유가식 운전전략에 대하여서도 선행연구를 실시하였다 [25]. 본 연구에서는 이러한 선행연구 결과와 응집성 효모인 S. cerevisiea ATCC 96581을 이용한 연구 결과에 대하여서도 비교분석 하려고 한다.
본 연구팀은 선행 연구에서 고농도의 에탄올을 생산할 때 미량의 공기 첨가효과에 대하여 조사하였고, 이를 이용한 반복 유가식 운전법에 대한 선행연구를 실시하였다 [19,23,24].
응집성 효모인 S. cerevisiae ATCC 96581를 이용한 최적의 에탄올 생산 공정 전략에 대하여 연구하였다. 효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간 마다 세포 응집 후 교체 하였다.
가설 설정
2：Non-sterile glucose powder.
3：Glucose concentration after NSGP addition was 250 (g/L), particularly at this time.
제안 방법
또한 36시간 이후부터 에탄올 농도가 100 (g/L) 이상이 되면서 Fig. 2의 (c)와 (d)와 같이 포도당 소비속도와 에탄올 생산속도가 급격히 감소하였기 때문에 feeding medium을 되도록 빨리 교체해주고, 배양 초반부에 포도당 농도를 올려주는 방향으로 유가식 에탄올 생산 공정을 새롭게 고안하였다 (Run # 6-8) (Table 1).
Dry cell weight (DCW)는 spectrophotometer (Spectronic, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 600 nm (OD600)에서 측정한 흡광도와 DCW의 표준곡선으로부터 구하였다. 배지내의 잔여 포도당의 측정은 dinitrosalicylic acid (DNS) 방법을 사용하였으며 [26], 배양액의 에탄올 함량은 FID (flame ionization detector)가 장착된 gas chromatography (8610C, SRI, USA)를 이용하여 분석하였다.
배양 시 12시간 마다 포도당 소비를 측정한 후 비멸균 포도당 분말을 넣는 방법을 택하였다. 또한 24시간 또는 36시간 마다 전체 배양액을 수확하여 0.5 L가 되게 한 후, 포도당을 제외한 1.5 L의 미리 멸균 시켜 놓은 새로운 배지를 feeding하여 2.0 L까지 채운 뒤 비멸균 포도당 분말을 넣었다. Feeding medium의 조성은 CSL 20 g/L, yeast extract 5 g/L, (NH4)2SO4 1.
반복 유가식 에탄올 발효 시 5.0 L 발효조 (KoBiotech, Republic of Korea)를 사용하여 배양 부피 1.5 L로 실시하였으며, 초기 배지 조성은 포도당 100 g/L (경우에 따라서 60 혹은 200 g/L로도 배양), CSL (corn steep liquor) 20 g/L, (NH4)2SO4 12 g/L, KH2PO4 24 g/L, MgSO4·7H2O 12 g/L 이였다.
배양 시 12시간 마다 포도당 소비를 측정한 후 비멸균 포도당 분말을 넣는 방법을 택하였다. 또한 24시간 또는 36시간 마다 전체 배양액을 수확하여 0.
운전방법은 반복 유가식 에탄올 발효와 같은 방법으로 12시간마다 포도당 소비를 측정하간 후 비멸균 포도당 분말을 넣는 방법을 택하였고, 24시간 또는 36시간 간격으로 배양액을 수확하여 새로운 배지는 넣는 방법을 사용하였다. 배양액을 수확하기 위하여 배양액의 교반을 멈추고, 공기 공급을 중단시킨 뒤 일정시간 균주를 가라앉혀 응집 시키고 상층의 배양액만을 수확 하였다. 그리고 미리 멸균 시켜 놓은 1.
운전방법은 반복 유가식 에탄올 발효와 같은 방법으로 12시간마다 포도당 소비를 측정하간 후 비멸균 포도당 분말을 넣는 방법을 택하였고, 24시간 또는 36시간 간격으로 배양액을 수확하여 새로운 배지는 넣는 방법을 사용하였다. 배양액을 수확하기 위하여 배양액의 교반을 멈추고, 공기 공급을 중단시킨 뒤 일정시간 균주를 가라앉혀 응집 시키고 상층의 배양액만을 수확 하였다.
위의 연구 결과를 개선하기 위하여 Table 1과 같이 초기 포도당 농도를 100 (g/L)로 하고, 12시간마다 비멸균 포도당 분말을 첨가하고 24시간마다 feeding medium을 새로이 첨가하는 반복 유가식 에탄올 생산을 실시하였다 (Run # 6-8). 이 때 24시간마다 Run # 6에서는 feeding medium을 새롭게 첨가하기 전에 500 mL의 배양액을 제외한 나머지 배지를 세포와 함께 수확하였고, Run # 7과 8에서는 새로운 feeding medium을 첨가하기 전에 세포를 응집시켜 가라앉힌 후 상층부를 수확하였다.
cerevisiae ATCC 96581을 사용하였다. 이때 비멸균 포도당 분말을 12시간 마다 첨가하고, 배지를 24시간 마다 교체하였고, 배지 교체 시에는 세포를 응집 시켜서 그 상층액 만을 수확하였다. 그 결과 120시간 만에 총 825 (g)의 에탄올을 생산할 수 있었다.
효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간 마다 세포 응집 후 교체 하였다. 이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다. 최종적으로 24시간마다 세포를 응집시키고 상층배지를 제거하고 새로운 배지를 넣으면서 반복 유가식 에탄올 생산을 하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있었고, 이때 120시간 동안 825 g의 에탄올을 생산 할 수 있었다.
이를 확인하기 위하여 Run # 8의 72시간 배양액에서 채취한 세포를 seed로 사용하여 flask culture와, YPD medium에서 배양된 seed를 사용한 control 배양과 비교하였다 (Fig. 6). Fig.
한편, Fig. 1에서의 반복 유가식 에탄올 생산을 kinetic parameters (YE/S(i), P(i), QS(i), QP(i)) 측면에서 조사하였다 (Fig. 2). 배양조건과 관계없이 YE/S(i)는 약 80% 정도의 에탄올 생산 이론 수율을 보였으며 (Fig.
cerevisiae ATCC 96581를 이용한 최적의 에탄올 생산 공정 전략에 대하여 연구하였다. 효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간 마다 세포 응집 후 교체 하였다. 이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다.
대상 데이터
반복 유가식 방법을 이용하여 에탄올을 생산할 때 응집성 효모인 S. cerevisiae ATCC 96581을 사용하였다. 이때 비멸균 포도당 분말을 12시간 마다 첨가하고, 배지를 24시간 마다 교체하였고, 배지 교체 시에는 세포를 응집 시켜서 그 상층액 만을 수확하였다.
본 연구에서는 응집성 (flocculent) 효모인 S. cerevisiae ATCC 96581 사용하여 연구를 수행하였다.
이론/모형
)에서 측정한 흡광도와 DCW의 표준곡선으로부터 구하였다. 배지내의 잔여 포도당의 측정은 dinitrosalicylic acid (DNS) 방법을 사용하였으며 [26], 배양액의 에탄올 함량은 FID (flame ionization detector)가 장착된 gas chromatography (8610C, SRI, USA)를 이용하여 분석하였다. 이때 컬럼은 Chromosomb 101 [L = 6 ft, ID = 1/8 inch, 80/100 mesh, stainless steel tubing (Alltech, USA)]을 사용하였고, 기타 조건은 선행연구에 기술하였다 [25].
성능/효과
0 (g/L/h) 정도의 에탄올 생산성을 보였고 (Fig. 2(b)), QS(i)와 QP(i)는 초반부의 값이 배양이 진행되면서 점차 감소하는 현상을 보였다 (Fig. 2(c)와 2(d)).
이때 비멸균 포도당 분말을 12시간 마다 첨가하고, 배지를 24시간 마다 교체하였고, 배지 교체 시에는 세포를 응집 시켜서 그 상층액 만을 수확하였다. 그 결과 120시간 만에 총 825 (g)의 에탄올을 생산할 수 있었다.
그 결과 Fig. 1에서와 같은 세포성장, 포도당 소모와 에탄올 생산 양상을 보였고, 배양액을 수확하기 전의 평균 에탄올 농도는 약 120 (g/L) 정도를 보였다. 이 때의 에탄올 생산은 초기 포도당 농도, 첨가한 포도당의 양, 세포를 응집시키는 여부에 관계없이 큰 차이를 보이지 않았다.
이 때 세포를 응집 시킨 것이 보다 더 높은 세포성장을 보였고, 에탄올 생산량에 있어서는 응집시키지 않은 경우에 평균 약 105 (g/L)의 에탄올 생산량을 보였고, 응집시킨 경우에는 평균 약 120 (g/L)의 에탄올 생산량을 보였다. 또한 kinetic parameters (YE/S(i), P(i), QS(i), QP(i))를 분석한 결과 Fig. 5에서와 같이 평균 약 80% 의 YE/S(i) 값을 보였고 (Fig. 5(a)), 약 3.
2(c)와 2(d)). 또한 총 에탄올 생산을 비교해본 결과 Fig. 3과 같이 응집을 시키지 않은 경우에는 493 (g) (Run # 1)의 총 에탄올 생산을 보였고, 응집을 시킨 경우에는 최고 559 (g) (Run # 5), 최저 460 (g) (Run # 2)을 보였다. 즉 반드시 응집을 시킨 경우에서 총 에탄올 생산이 최고 값을 보이지는 않았다.
대부분의 응집성 효모를 이용한 에탄올 생산 공정은 최종 에탄올 농도 보다는 생산성 향상에 중점을 두어 연구되어 왔다 [11,13,14]. 본 연구에서는 생산성 보다는 증류 비용을 고려한 고농도의 에탄올이 함유된 배양액을 얻는 것이 목표였기 때문에 다른 응집성 효모를 이용한 연구에 비하여 상대적으로 생산성은 낮아도 최종 배양액의 에탄올 농도는 약 120 (g/L) 정도로 높았다. 본 연구팀의 선행 연구결과에서도 이와 같은 운전전략을 사용하여 repeated fed-batch culture에서 약 100 (g/L) 이상의 에탄올을 생산하는 공정을 완성하였다 [24,25].
4와 같이 세포성장, 포도당 소비 그리고 에탄올 생산을 관찰 할 수 있었다. 이 때 세포를 응집 시킨 것이 보다 더 높은 세포성장을 보였고, 에탄올 생산량에 있어서는 응집시키지 않은 경우에 평균 약 105 (g/L)의 에탄올 생산량을 보였고, 응집시킨 경우에는 평균 약 120 (g/L)의 에탄올 생산량을 보였다. 또한 kinetic parameters (YE/S(i), P(i), QS(i), QP(i))를 분석한 결과 Fig.
이러한 결과를 종합해 볼 때 응집 효모인 S. cerevisae ATCC 96581 이용은 반복 유가식 에탄올 생산에서 세포를 응집시켜 상층 배양액만 제거하는 방식으로 배양하는 것이 에탄올 생산 및 생산성에 큰 장점이 되지 않음을 알 수 있었다. 또한 36시간 이후부터 에탄올 농도가 100 (g/L) 이상이 되면서 Fig.
즉 Run # 6에서도 새로운 세포성장이 계속해서 일어나기 때문에 새로운 세포가 어느 정도 에탄올 저해를 극복하여 구간별로 높은 QS(i), QP(i) 값을 보이는 것으로 생각되어진다. 종합적으로 Run # 6-8의 총 에탄올 생산을 계산하여 본 결과 Fig. 7에서와 같이 응집을 하지 않은 경우에는 689 (g) (Run# 6), 응집을 실시한 경우 Run # 7에서는 724 (g), Run # 8 에서는 825 (g)의 결과가 나왔다. 이것은 Run # 1-5의 평균 값에 비하면 약 67%정도 증가된 값이다.
이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다. 최종적으로 24시간마다 세포를 응집시키고 상층배지를 제거하고 새로운 배지를 넣으면서 반복 유가식 에탄올 생산을 하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있었고, 이때 120시간 동안 825 g의 에탄올을 생산 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오 에탄올을 생산하기 위한 다양한 운전방법은 어떤 것들이 있었나?
그동안 다양한 바이오매스로 부터의 바이오에탄올 생산연구가 시도 되어왔고, 바이오에탄올 생산을 위한 다양한 운전방법도 효율성과 경제성 측면에서 연구되어왔다 [1,2]. 다양한 운전방법에는 세포의 특성을 고려한 유가식 운전 [3,4], 반복 유가식 운전 [5,6], 세포 재회수 방법 [7,8], 세포고정화법 [9,10] 등이 그 대표적인 예이다. 그 중에서 응집성 효모를 이용한 운전방법은 효모 균체 손실 없이 다양한 연속식 운전법이 가능하기 때문에 생산성 향상 측면에서 연구의 대상이 되어왔다 [11-14].
최적의 에탄올 생산 공정 전략으로 본 논문에서 제시된 실험과 그 결과는?
cerevisiae ATCC 96581를 이용한 최적의 에탄올 생산 공정 전략에 대하여 연구하였다. 효모의 특성을 고려하여, 효모 응집공정이 있는 반복 유가식 공정을 설계하였고, 이때 비멸균 포도당 분말을 매 12시간 마다 첨가하였고, 새로운 feeding medium을 24시간 혹은 36시간마다 세포 응집 후 교체 하였다. 이때 효모 응집이 없는 반복 유가식 공정과 비교 검토하였다. 최종적으로 24시간마다 세포를 응집시키고 상층배지를 제거하고 새로운 배지를 넣으면서 반복 유가식 에탄올 생산을 하는 것이 최적의 조건임을 알 수 있었고, 이때 120시간 동안 825 g의 에탄올을 생산 할 수 있었다.
S. crevisiea ATCC 96581란?
S. crevisiea ATCC 96581는 펄프산업의 페기물인 spent sulfite liquor에서 발견한 효모로서 바이오매스 가수분해물에 존재하는 제해물질에 대하여 내성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다 [20-23]. 본 연구팀은 선행 연구에서 고농도의 에탄올을 생산할 때 미량의 공기 첨가효과에 대하여 조사하였고, 이를 이용한 반복 유가식 운전법에 대한 선행연구를 실시하였다 [19,23,24].
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