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목질계 농부산물을 이용한 고체발효에서 발효조건 최적화를 통한 구연산 생산 증대
Optimization of Fermentation Conditions for the Production of Citric Acid by Aspergillus niger NRRL 567 Grown on Agricultural by Products 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.3, 2014년, pp.402 - 406  

김진우 (맥길대학교 바이오시스템공학과)

초록
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본 실험에서는 농부산물인 밀짚을 고체배지로 사용하여 Aspergillus niger NRRL 567에서 구연산 생산 시, 발효조건과 첨가제가 구연산 생산에 미치는 영향을 단일변수(one-factor-at-a-time) 최적화를 이용하여 주요 인자의 순차적 최적화를 수행하였다. 발효 72시간에서 온도, 수분함량, 입자크기, pH와 첨가제 농도를 최적화했을 때, 각각 $30^{\circ}C$, 70%, 0.5~1.0 mm, pH 5.5와 4% 메탄올 첨가조건에서 최대 구연산 생산인 206.0 g/kg 건조중량 (DM)을 확인할 수 있었다. 이는 최적화 이전 구연산 최고 생산인 74.5 g/kg DM 대비 177% 증가한 결과이다. 최적화 실험에서 도출된 조건을 밀짚, 옥수수대와 피트모스(peat moss)에 적용하여 고체발효를 수행하였을 때, 발효 120시간에서 각각 231.8, 213.8, 240.2 g/kg DM 구연산 생산을 확보하였다. 본 실험 결과는 밀짚과 옥수수대 등의 목질계 농부산물을 이용한 구연산 생산 시, 고체발효법이 기존의 액체발효법의 대체가 가능함을 시사하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present study was carried out to evaluate the potential of lignocellulosic byproducts for the production of citric acid through solid-state fermentation by Aspergillus niger NRRL 567. A sequential optimization based on one-factor-at-a-time method was applied to optimize fermentation conditions a...

주제어

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문제 정의

  • 본 실험에서는 A. niger NRRL 567을 이용한 구연산 생산증대를 위해 구연산 생산에 유의한 영향을 미친다고 알려진 발효조건 및 배지성분을 순차적으로 최적화하였다. 밀짚을 이용한 고체발효에서 단일변수 최적화를 통해 도출 된 최적조건은 배양온도 30 ℃, 수분함량 70%, 고체기질 크기 0.
  • 본 연구의 목적은 A. niger NRRL 567에서 농부산물인 밀짚을 고체기질로 활용하구연산 생산 시, 발효조건 최적화를 통한 구연산 생산 증대이다. 이를 위해 기존의 구연산 생산에 유의한 영향을 준다고 알려진 영향인자인 수분함량, 온도, 입지크기, 산도와 첨가제 농도를 순차적으로 최적화를 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대부분의 구연산은 무엇을 이용하여 생산되는가? 구연산 (2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid)은 다양한 곰팡이균에 의해 생산되며 상업규모로 생산되고 있는 대부분의 구연산은 Aspergillus niger를 이용하여 호기 조건하에서 액체배양을 통해 대량 생산된다[1,2]. 구연산은 식품, 의약품 그리고 화장품 등 다양한 부분에서 사용되고 있으며, 년간 1.
고체발효법은 어떤 농/산업부산물을 기질로 사용하는가? 고체발효법은 부착 성장형 미생물에 유리한 배양공정으로 미생물 성장에 필요한 탄소 및 질소원의 공급 이외에 부착표면을 제공하여 곰팡이 균과 같은 균사체 형성 미생물을 유래 산물생산에 널리 적용되고 있다. 특히 밀짚, 옥수수대, 감자 껍질, 오렌지 껍질 및 맥주 생산 부산물(spent brewers grains) 등과 같은 농/산업부산물을 기질로 사용할 수 있다는 장점과 함께 용수 사용량이 적고 고농도 산물생산이 가능하여 분리 및 정제 비용이 액체발효법 대비 절감된다는 장점을 지닌다[9-15]. 
세포성장 및 산물생산은 무엇에 의해 크게 영향 받는가? 고체발효는 잉여수분(free flowing water)가 최소화된 고체기질에서 발효가 진행되며 세포성장 및 산물생산은 고체기질의 수분함량, 온도, 산도, 입자크기, 부피팽창(swelling) 정도와 통기량에 의해 크게 영향 받는다고 알려져 있다[13-17]. 위와 같은 발효조건 영향인자 이외에 배지성분(탄소, 질소, 인, 염류 등)과 첨가제(에탄올, 메탄올, 지방산)에 의해 구연산 생산은 크게 영향을 받으므로 고체발효에서 산물 생산 증대를 위해서는 발효조건과 함께 배지성분 최적화가 필수적이라 하겠다[8,18].
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참고문헌 (23)

  1. Haq, I., Khurshid, S., Ali, K., Ashraf, H., Qadeer, A. and Rajoka, I., "Mutation of Aspergillus niger for Hyper Production of Citric Acid from Black Molasses," W. J. Microbiol. Biotechnol., 17(1), 35-37(2001). 

  2. Betiku, E. and Adesina, O. A., "Statistical Approach to the Optimization of Citric Acid Production Using Filamentous Fungus Aspergillus niger Grown on Sweet Potato Starch Hydrolyzate," Biomass Bioenerg., 55, 350-354(2013). 

  3. Vandenberghe, L. P. S., Soccol, C. R., Pandey, A. and Lebeault, J. M, "Solid State Fermentation for the Synthesis of Citric Acid by Aspergillus niger," Bioresource Technol., 74(2), 175-178(2000). 

  4. Dhillon, G. S., Brar, S. K., Kaur, S., Verma, M., "Bioproduction and Extraction Optimization of Citric Acid from Aspergillus niger by Rotating Drum Type Solid-state Bioreactor," Ind. Crop. Prod., 41, 78-84(2013). 

  5. Honda, Y., Hattori, T., Kirimura, K., Alvarez, V. F., Gonzalez, A. C. and Torres, N. V., "Visual Expression Analysis of the Responses of the Alternative Oxidase Gene (aox1) to Heat Shock, Oxidative, and Osmotic Stresses in Conidia of Citric Acid-producing Aspergillus niger," J. Biosci. Bioeng., 113(3), 338-342(2012). 

  6. Kim, J. W., Barrington, S., Sheppard, J. and Lee, B., "Nutrient Optimization for the Production of Citric Acid by Aspergillus niger NRRL 567 Grown on Peat Moss Enriched with Glucose," Process Biochem., 41(6), 1253-1260(2006). 

  7. Angumeenal, A. R. and Venkappayya, D., "An Overview of Citric Acid Production," LWT-Food Sci. Technol., 50(2), 367-370(2013). 

  8. Barrington, S., Kim, J. S., Wang, L. and Kim, J. W., "Response Surface Optimization of Fermentation Parameters for Citric Acid Production in Solid Substrate Fermentation," Korean Chem. Eng. Res., 50(5), 879-884(2012). 

  9. Kim, J. W. and Barrington, S., "Response Surface Optimization of Medium Components for Citric Acid Production by Aspergillus niger NRRL 567 Grown in Peat Moss," Bioresour. Technol., 99(2), 368-377(2008). 

  10. Wen, Z. Y. and Chen, F., "Application of Statistically-based Experimental Designs for the Optimization of Eicosapentaenoic Acid Production by the Diatom Nitzschia Laevis," Biotechnol. Bioeng., 75(2), 159-169(2001). 

  11. Kim, J. W., "Effect of Buffers on Citric Acid Production by Aspergillus niger NRRL 567 in Solid Substrate Fermentation," Korean Chem. Eng. Res., 50(5), 874-878(2012). 

  12. Ellaiah, P., Srinivasulu, B. and Adinarayana, K., "Optimization Studies on Neomycin Production by a Mutant Strain of Streptomyces marinensis in Solid State Fermentation," Process Biochem., 39(5), 529-534(2004). 

  13. Barrington, S., Kim, J. S., Wang, L. and Kim, J. W., "Optimization of Citric Acid Production by Aspergillus niger NRRL 567 Grown in a Column Bioreactor," Korean J. Chem. Eng., 26(2), 422-427(2009). 

  14. Mahadik, N. D., Puntambekar, U. S., Bastawde, K. B., Khire, J. M. and Gokhale, D. V., "Production of Acidic Lipase by Aspergillus niger in Solid State Fermentation," Process Biochem., 38(5), 715-721(2002). 

  15. Kumar, D., Verma, R. and Bhalla, T. C., "Citric Acid Production by Aspergillus niger van. Tieghem MTCC 281 Using Waste Apple Pomace as a Substrate," J. Food Sci. Technol., 47(4), 458-460(2010). 

  16. Rezaei, P., Darzi, G. and Shafaghat, H., "Optimization of the Fermentation Conditions and Partial Characterization for Acidothermo Philic ${\alpha}$ -amylase from Aspergillus niger NCIM 548," Korean J. Chem. Eng., 27(3), 919-924(2010). 

  17. Kim, J. W., "Response Surface Optimization of Fermentation Parameters for Citric Acid Production in Solid Substrate Fermentation," Korean Chem. Eng. Res., 50(5), 879-884(2012). 

  18. Roukas, T., "Citric Acid Production from Carob Pod by Solidstate Fermentation," Enz. Microb. Tech., 24(1), 54-59(1999). 

  19. Nampoothiri, M. K., Baiju, T. V., Sandhya, C., Sabu, A., Szakacs, G. and Pandey, A., "Process Optimization for Antifungal Chitinase Production by Trichoderma harzianum," Process Biochem., 39(11), 1583-1590(2004). 

  20. Betiku, E. and Adesina, O. A., "Statistical Approach to the Optimization of Citric Acid Production Using Filamentous Fungus Aspergillus niger Grown on Sweet Potato Starch Hydrolyzate," Biomass Bioenerg., 55, 350-354(2013). 

  21. Jianlong, W. and Ping, L., "Phytate as a Stimulator of Citric Acid Production by Aspergillus niger," Process Biochem., 33(3), 313-316(1998). 

  22. Lotfy, W. A., Ghanem, K. M. and El-Helow, E. R., "Citric Acid Production by a Novel Aspergillus niger isolate: I. Mutagenesis and Cost Reduction Studies," Bioresour. Technol., 98(18), 3464-3469(2007). 

  23. Dhillon, G. S., Brar, S. K., Verma, M. and Tyagi, R. D., "Utilization of Different Agro-industrial Wastes for Sustainable Bioproduction of Citric Acid by Aspergillus niger," Biochem. Eng. J., 54(2), 83-92(2011). 

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