Saccharomyces cerevisiae 를 이용한 반복 유가식 ethanol 발효에서 ethanol 생산량을 증가를 위한 운전 전략 Operational Strategy for Increasing Ethanol Production in Repeated Fed-batch Ethanol Fermentation Using Saccharomyces cerevisiae원문보기
S. cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산에서, aeration 효과를 ethanol 수율, specific ethanol production rate, ethanol 생산성 측면에서 분석하여, 반복 유가식 공정전략을 설계하였다. Ethanol 수율과 ethanol 생산성은 공기를 0.33 vvm 넣었을 때, 공기를 넣지 않고 배양한 것에 비하여 더 큰 값을 보였고, 24시간 마다 배지를 교체한 배양이 36시간 마다 배지를 교체한 배양 보다 더 큰 값을 보였다. 총 ethanol 생산량 값이 가장 큰 경우는 0.33 vvm의 공기를 넣고, 배지를 24시간마다 완전히 갈아주었을 때이고, 이때 가장 많은 703.8 g의 ethanol이 생산되었다.
S. cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산에서, aeration 효과를 ethanol 수율, specific ethanol production rate, ethanol 생산성 측면에서 분석하여, 반복 유가식 공정전략을 설계하였다. Ethanol 수율과 ethanol 생산성은 공기를 0.33 vvm 넣었을 때, 공기를 넣지 않고 배양한 것에 비하여 더 큰 값을 보였고, 24시간 마다 배지를 교체한 배양이 36시간 마다 배지를 교체한 배양 보다 더 큰 값을 보였다. 총 ethanol 생산량 값이 가장 큰 경우는 0.33 vvm의 공기를 넣고, 배지를 24시간마다 완전히 갈아주었을 때이고, 이때 가장 많은 703.8 g의 ethanol이 생산되었다.
We designed the optimal operational strategy in repeated fed-batch ethanol fermentation using Sacchromyces cerevisiae ATCC 24858 in views of ethanol yield, specific ethanol production rate, and ethanol productivity, when the aeration rate were controlled at 0.0 and 0.33 vvm. Coincidentally, the time...
We designed the optimal operational strategy in repeated fed-batch ethanol fermentation using Sacchromyces cerevisiae ATCC 24858 in views of ethanol yield, specific ethanol production rate, and ethanol productivity, when the aeration rate were controlled at 0.0 and 0.33 vvm. Coincidentally, the time intervals of withdrawal-fill of culture medium (24 and 36 h) were investigated. Ethanol yield and ethanol productivity when the aeration was carried out at 0.33 vvm were superior to those when the aeration was not carried out. Additionally, those parameters when the time interval of withdrawal-fill of culture medium was 24 h were superior to those when time interval of withdrawal-fill of culture medium was 36 h. The total ethanol production reached at the greatest value, 703.8 g-ethanol, when the aeration was carried out at 0.33 vvm and the time interval of withdrawal-fill of culture medium was 24 h. In this study, we verified experimentally the necessity of designing the operational strategy for increasing ethanol production in terms of aeration rate and time interval of withdrawal-fill of culture medium in the repeated fed-batch ethanol fermentation.
We designed the optimal operational strategy in repeated fed-batch ethanol fermentation using Sacchromyces cerevisiae ATCC 24858 in views of ethanol yield, specific ethanol production rate, and ethanol productivity, when the aeration rate were controlled at 0.0 and 0.33 vvm. Coincidentally, the time intervals of withdrawal-fill of culture medium (24 and 36 h) were investigated. Ethanol yield and ethanol productivity when the aeration was carried out at 0.33 vvm were superior to those when the aeration was not carried out. Additionally, those parameters when the time interval of withdrawal-fill of culture medium was 24 h were superior to those when time interval of withdrawal-fill of culture medium was 36 h. The total ethanol production reached at the greatest value, 703.8 g-ethanol, when the aeration was carried out at 0.33 vvm and the time interval of withdrawal-fill of culture medium was 24 h. In this study, we verified experimentally the necessity of designing the operational strategy for increasing ethanol production in terms of aeration rate and time interval of withdrawal-fill of culture medium in the repeated fed-batch ethanol fermentation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 ethanol 발효 효모인 S. scerevisiae ATCC24858를 사용하여 ethanol 생산성이 최대가 되는 최적의 aeration rate을 확인하는 연구를 수행하였으며, 특징적으로 최적의 aeration 조건에서 glucose와 배지를 어떠한 전략으로 withdrawal-fill 해야 ethanol의 생산이 최대로 증가할 수 있는지에 대하여 연구하였다. 이러한 연구를 통하여 반복 유가식 ethanol 발효에서 최고의 ethanol 생산을 위하여서는 운전 전략의 설계와 실증이 매우 중요함을 보여 주었고, 다른 발효생산물 반복 유가식 발효 방법으로 생산 할 때도 응용 되어 질 수 있을 것으로 생각 된다.
제안 방법
Aeration rate을 0.0에서 0.8 vvm으로 변화시키면서 유가식 에탄올 발효를 실시하였다 (Fig. 1). 배양이 시작된 후 12시간 마다 남아있는 glucose양을 측정하여 glucose 농도가 100~150 g/L를 유지하도록 non-sterile glucose powder를 feeding 하였다.
Dry cell weight (DCW)는 spectrophotometer (Spectronic, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 600 nm (OD600)에서 흡광도를 측정하여, DCW와 OD600 표준곡선으로부터 구하였고. 배지내의 잔여 glucose의 측정은 dinitrosalic ylicacid (DNS) 방법을 사용하였으며, 배양액의 에탄올 함량은 gas chromatography (8610C, SRI, USA)를 이용하여 분석하였다.
Ethanol 생산성 향상을 위하여 withdrawal-fill 공정을 포함하는 반복 유가식 ethanol 발효공정 운전 전략을 고안할 때, 어느 시점에서 배지를 새로 교환하고, 어떤 aeration rate을 선택하여야 할지는 Fig. 3의 ethanol productivity 결과를 참고하였다. 최대 ethanol productivity (P(o))는 24시간 까지 배양했을 때에는, 공기를 전혀 첨가하지 않은 경우에 3.
S. cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산에서, aeration 효과를 ethanol 수율, specific ethanol production rate, ethanol 생산성 측면에서 분석하여, 반복 유가식 공정전략을 설계하였다. Ethanol 수율과 ethanol 생산성은 공기를 0.
반면에 공기를 전혀 공급하지 않은 경우에는 급격한 P(i)값 감소가 관찰 되었다.그래서 withdrawal-fil 공정을 포함하는 반복 유가식 ethanol 발효공정의 최적의 공정 운전전략을 찾기 위해서 공기를 전혀 공급하지 않은 경우와 0.33 vvm 공급한 경우, 그리고 배지의 withdrawal을 24시간 혹은 36시간에 실시한 경우 등 모두 4가지의 조건을 선택하여 조사하였다. 이때의 운전전략은 Fig.
선행연구에서 ethanol 발효 시, aeration의 효과가 여러 가지 parameter에서 분명하여, 반복 유가식 ethanol 발효 전략이 제안되었고 [6], ethanol productivity 관점에서 36시간마다 새로운 배지를 교체하여 그 효과를 검증하였다 [22]. 그러나 본 연구에서는 Fig. 1, Fig. 2의 결과로부터 확실한 운전 전략을 얻을 수 없을 정도로 aeration의 효과가 분명치 않아서, Fig. 3의 ethanol productivity data를 근거로 반복 유가식 공정 전략을 설계하였다.
0으로 하였으며 pH 보정 시 acid로는 phosphoric acid solution (10%, v/v), base로는 ammonia water를 사용하였다. 그리고 배양 중 12 h 마다 glucose의 소비를 확인하여 non-sterile glucose power를 feeding 하였다. 모든 실험에서 glucose (Daesang Corp.
네 가지 운전 전략으로 withdrawal-fill을 포함하는 반복 유가식 ethanol 발효공정은 Fig. 5과 같이 약 100 g/L의 glucose 농도를 유지하는 조건으로 약 100시간에 걸쳐 실시하였고, 이때 최대 120~143 (g/L)의 ethanol이 생성되었다. 이러한 유가식 배양 운전에 대한 ethanol 수율 (YE/S(i))과 ethanol productivity (P(i))를 분석해보면, Fig.
1). 배양이 시작된 후 12시간 마다 남아있는 glucose양을 측정하여 glucose 농도가 100~150 g/L를 유지하도록 non-sterile glucose powder를 feeding 하였다. Aeration rate이 증가함에 따라서 세포의 성장이 증가함을 보였고, 36시간 이후 ethanol 농도가 100 g/L이상이 되면서 세포의 성장과 에탄올 생산이 늦춰지는 현상이 관찰되었다.
운전방법은 유가식 에탄올 발효와 같은 방법으로 12 h 마다 glucose 소비를 측정한 후 non-sterile glucose powder를 넣는 방법을 택하였고, 첫 harvest를 제외하고는, 24 h또는 36 h마다 약 1.5 L 배지를 harvest하여, 0.5 L가 되게 한 후 glucose를 포함하는 1.5 L의 새로운 배지를 넣어 2 L를 만들었다. 배양 중은 배지부피 변화와 운전 방법은 Fig.
배지내의 잔여 glucose의 측정은 dinitrosalic ylicacid (DNS) 방법을 사용하였으며, 배양액의 에탄올 함량은 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, FID (flame ionization detector)를 이용하여 검출하였다. Injector와 FID 온도는 250℃, 오븐온도는 150℃로 조절하였고, carrier gas로는 헬륨을 사용하여 40 mL/min으로 흘려주었다.
대상 데이터
본 연구에서는 ethanol 발효 효모인 S. cerevisiae ATCC 24858를 사용하였다. Seed culture는 250 mL 삼각플라스크에 100 mL YPD 배지 (yeast extract, 10 g/L; peptone, 20 g/L; glucose; 20 g/L)를 사용하여 30℃, 150 rpm에서 배양하였으며, 유가식 에탄올 발효 시 5 L의 발효조 (KoBiotech, Korea)에서 초기 배지 1.
Injector와 FID 온도는 250℃, 오븐온도는 150℃로 조절하였고, carrier gas로는 헬륨을 사용하여 40 mL/min으로 흘려주었다. 정량분석을 위하여 표준내부물질로 n-butanol을 사용하였다.
이론/모형
표준곡선으로부터 구하였고. 배지내의 잔여 glucose의 측정은 dinitrosalic ylicacid (DNS) 방법을 사용하였으며, 배양액의 에탄올 함량은 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, FID (flame ionization detector)를 이용하여 검출하였다.
성능/효과
배양이 시작된 후 12시간 마다 남아있는 glucose양을 측정하여 glucose 농도가 100~150 g/L를 유지하도록 non-sterile glucose powder를 feeding 하였다. Aeration rate이 증가함에 따라서 세포의 성장이 증가함을 보였고, 36시간 이후 ethanol 농도가 100 g/L이상이 되면서 세포의 성장과 에탄올 생산이 늦춰지는 현상이 관찰되었다. 36시간이 경과 했을 때 모든 경우 ethanol 농도는 114~128 g/L 정도였으며, 24시간과 36시간 사이에 ethanol 농도가 100 g/L이상이 되면서 ethanol inhibition으로 인하여 이 시간대의 ethanol 수율 (YE/S(i)) (Fig.
cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산에서, aeration 효과를 ethanol 수율, specific ethanol production rate, ethanol 생산성 측면에서 분석하여, 반복 유가식 공정전략을 설계하였다. Ethanol 수율과 ethanol 생산성은 공기를 0.33 vvm 넣었을 때, 공기를 넣지 않고 배양한 것에 비하여 더 큰 값을 보였고, 24시간 마다 배지를 교체한 배양이 36시간 마다 배지를 교체한 배양 보다 더 큰 값을 보였다. 총 ethanol 생산량 값이 가장 큰 경우는 0.
결론적으로 본 연구에 사용한 효모 균주는 선행연구에 사용한 S. cerevisiae 보다 ethanol 내성이 적은 균주이기 때문에 24시간 마다 배지를 교체하는 경우 가장 ethanol 생산이 좋았고, 또한 0.33 vvm의 공기를 넣고 배양하였을 때 ethanol 생산이 더 좋아짐을 알 수 있었다. 이러한 사실은 효모의 특성에 맞는 반복 유가식 ethanol 발효 전략의 개발이 필요하다는 것을 입증한 것이며, 조절된 공기의 첨가가 ethanol 생산을 증가 시킬 수 있음을 실증하는 것이라 하겠다.
그리고 배양 중 12 h 마다 glucose의 소비를 확인하여 non-sterile glucose power를 feeding 하였다. 모든 실험에서 glucose (Daesang Corp., Republic of Korea), CSL (Corn Product Korea, Republic of Korea) 그리고 yeast extract (Choheung Chemical Co., Republic of Korea)는 모두 값이 저렴한 산업용 성분을 사용하였다.
이러한 실험을 ethanol에 보다 내성이 강한 S. cerevisiae SC 1024로 실험한 결과와 비교하여 보면 [6], 본 연구의 S. cerevisiae ATCC 24858가 보다 빨리 세포성장 저해와 ethanol 생산 저해가 일어나는 것으로 관찰되었다 (Fig. 1). S.
3의 ethanol productivity 결과를 참고하였다. 최대 ethanol productivity (P(o))는 24시간 까지 배양했을 때에는, 공기를 전혀 첨가하지 않은 경우에 3.7 (g-ethanol/L/h)로 최대값을 보였으나, 36시간 까지 배양했을 때에는, 공기를 0.33 vvm 첨가 했을 때, 3.6 (g-ethanol/L/h)로 가장 큰 값을 보였다. 그리고 P(i) 값은 24시간과 36시간 사이에 aeration rate을 0.
후속연구
scerevisiae ATCC24858를 사용하여 ethanol 생산성이 최대가 되는 최적의 aeration rate을 확인하는 연구를 수행하였으며, 특징적으로 최적의 aeration 조건에서 glucose와 배지를 어떠한 전략으로 withdrawal-fill 해야 ethanol의 생산이 최대로 증가할 수 있는지에 대하여 연구하였다. 이러한 연구를 통하여 반복 유가식 ethanol 발효에서 최고의 ethanol 생산을 위하여서는 운전 전략의 설계와 실증이 매우 중요함을 보여 주었고, 다른 발효생산물 반복 유가식 발효 방법으로 생산 할 때도 응용 되어 질 수 있을 것으로 생각 된다.
그동안 많은 연구자들에 의하여 여러 가지 인자 중에서 ethanol inhibition을 감소시키고, by-product인 glycerol의 생성을 줄이기 위한방법으로 미량으로 조절된 공기를 첨가하여 ethanol 발효를 진행하는 방법이 연구되어왔다 [7-15]. Ethanol 발효 시 aeration은 ethanol inhibition으로 부터 효모의 viability를증가 시키고 [7-9], 세포막의 파괴를 방지 해주는 역할을 하는 것으로 알려져 왔다 [16-20]. 본 연구팀도 ethanol 내성을 가지고 있는 Saccharomyces cerevisiae를 사용한 선행연구에서 공정 조절이 가능한 범위의 aeration 조건에서 공기의주입이 ethanol inhibition을 감소시키고, ethanol 발효에서 ethanol 생산을 증가시킴을 확인하였다 [6,21,22].
S. cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산 실험 결과, 수율, 생산성 등은 어떤 조건에서 큰 값을 보였는가?
cerevisiae ATCC 24858을 이용한 ethanol 생산에서,aeration 효과를 ethanol 수율, specific ethanol production rate, ethanol 생산성 측면에서 분석하여, 반복 유가식 공정전략을 설계하였다. Ethanol 수율과 ethanol 생산성은 공기를 0.33 vvm 넣었을 때, 공기를 넣지 않고 배양한 것에 비하여 더 큰 값을 보였고, 24시간 마다 배지를 교체한 배양이 36시간 마다 배지를 교체한 배양 보다 더 큰 값을 보였다. 총 ethanol 생산량 값이 가장 큰 경우는 0.33 vvm의 공기를 넣고, 배지를 24시간마다 완전히 갈아주었을 때이고, 이때 가장 많은 703.8 g의 ethanol이 생산되었다.
참고문헌 (22)
Demirbas, A. (2007) Progress and recent trends in biofuels. Prog. Energy Combust. Sci. 33: 1-18.
Hamelinck, C. N., G. van Hooijdonk, and A. P. C. Faaij (2005) Ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middle- and long-term. Biomass Bioenergy 28: 384-410.
Sanchez, O. J. and C. A. Cardona (2008) Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Bioresour. Technol. 99: 5270-5295.
Cardona, C. A. and O. J. Sanchez (2007) Fuel ethanol production: Process design trends and integration opportunities. Bioresour. Technol. 98: 2415-2457.
Huanga, H. -J., S. Ramaswamya, U. W. Tschirner, and B. V. Ramaraob (2008) A review of separation technologies in current and future biorefineries. Sep. Purif. Technol. 62: 1-21.
Seo, H. -B., S. S. Kim, H. -Y. Lee, and K. -H. Jung (2009) High-level production of ethanol during fed-batch ethanol fermentation with a controlled aeration rate and non-sterile glucose powder feeding of Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Bioprocess Eng. 14: 591-598.
Alfenore, S., X. Cameleyre, L. Benbadis, C. Bideaux, J. -L. Uribelarrea, G. Goma, C. Molina-Jouve, and S. E. Guillouet (2004) Aeration strategy: a need for very high ethanol performance in Saccharomyces cerevisiae fed-batch process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63: 537-542.
Alfenore, S., C. Molina-Jouve, S. E. Guillouet, J. -L. Uribelarrea, G. Goma, and L. Benbadis (2002) Improving ethanol production and viability of Saccharomyces cerevisiae by a vitamin feeding strategy during fedbatch process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 60: 67-72.
Cot, M., M. -O. Loret, J. Francois, and L. Benbadis (2007) Physiological behaviour of Saccharomyces cerevisiae in aerated fed-batch fermentation for high level production of bioethanol. FEMS Yeast Res. 7: 22-32.
Furukawa, K., E. Heinzle, and I. J. Dunn (1983) Influence of oxygen on growth of Saccharomyces cerevisiae in continuous culture. Biotechnol. Bioeng. 25: 2293-2317.
Hoppe, G. K. and G. S. Hansford (1984) The effect of micro-aerobic conditions on continuous ethanol production by Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Lett. 6: 681-686.
Grosz, R. and G. Stephanopoulos (1990) Physiology, biochemical, and mathematical studies of micro-aerobic continuous ethanol fermentation by Saccharomyces cerevisiae. I: Hysteresis, oscillations, and maximum specific ethanol productivities in chemostat culture. Biotechnol. Bioeng. 36: 1006-1019
Ryu, D. D. Y., Y. J. Kim, and J. H. Kim (1984) Effect of air supplement on the performance of continuous ethanol fermentation system. Biotechnol. Bioeng. 26: 12-16.
Sweere, A. P. J., J. R. Mesters, L. Janse, K. Ch. A. M. Luyben, and N. W. F. Kossen (1988) Experimental simulation of oxygen profiles and their influence on baker's yeast production: I. One-fermentor system. Biotechnol. Bioeng. 31: 567-578.
Cardoso, H. and C. Leao (1992) Sequential inactivation of ammonium and glucose transport in Saccharomyces cerevisiae during fermentation. FEMS Microbiol. Lett. 73: 155-159.
Gray, J. V., G. A. Petsko, G. C. Johnston, D. Ringe, R. A. Singer, and M. Werner-Washburn (2004) Sleeping beauty: quiescence in Saccharomyces cerevisiae. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68: 187-206.
Leao, C. and N. van Uden (1982) Effects of ethanol and other alkanols on the glucose transport system of Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Bioeng. 24: 2601-2604.
Leao, C. and N. van Uden (1984) Effects of ethanol and other alkanols on passive proton influx in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Biochim. Biophys. Acta 774: 43-48.
Seo, H. -B., J. -H. Yeon, M. H. Jeong, D. H. Kang, H. -Y. Lee, and K. -H. Jung (2009) Aeration alleviates ethanol inhibition and glycerol production during fed-batch ethanol fermentation. Biotechnol. Bioprocess Eng. 14: 599-605.
Seo, H. -B., J. -H. Yeon, M. H. Jeong, D. H. Kang, H. -Y. Lee, and K. -H. Jung (2010) Long-term repeated fed-batch ethanol production in aerated condition. Biotechnol. Bioprocess Eng. 15: 324-328.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.