본 연구에서는 Chlorella saccharophila의 배양을 통하여 바이오에너지 자원을 대량으로 확보하고자 배지 최적화 실험을 진행하였다. 최적화 인자로는 배양 형태, 초기 접종량, 탄소원 종류 및 농도, 질소원 종류 및 농도, 배양시간이다. 실험 결과, 배양 형태는 광원과 외부탄소원을 모두 공급하는 mixotrophic 배양이 적절하였다. 초기 접종량은 3% (v/v), 탄소원은 glucose 30 g/L, 질소원은 $NaNO_3$ 0.95 g/L를 첨가하는 것이 우수하였다. 최적 배지 조건으로 배양한 결과, oil의 함량은 12일에서 가장 높았으나, 회수되는 C. saccharophila의 biomass양과 chlorophyll의 양은 10일에서 가장 높았다. 위의 결과는 미세조류의 배지 최적화를 통하여 대량배양을 위한 기초자료로 사용될 수 있으리라 판단된다.
본 연구에서는 Chlorella saccharophila의 배양을 통하여 바이오에너지 자원을 대량으로 확보하고자 배지 최적화 실험을 진행하였다. 최적화 인자로는 배양 형태, 초기 접종량, 탄소원 종류 및 농도, 질소원 종류 및 농도, 배양시간이다. 실험 결과, 배양 형태는 광원과 외부탄소원을 모두 공급하는 mixotrophic 배양이 적절하였다. 초기 접종량은 3% (v/v), 탄소원은 glucose 30 g/L, 질소원은 $NaNO_3$ 0.95 g/L를 첨가하는 것이 우수하였다. 최적 배지 조건으로 배양한 결과, oil의 함량은 12일에서 가장 높았으나, 회수되는 C. saccharophila의 biomass양과 chlorophyll의 양은 10일에서 가장 높았다. 위의 결과는 미세조류의 배지 최적화를 통하여 대량배양을 위한 기초자료로 사용될 수 있으리라 판단된다.
In this study, the optimization of several factors for Chlorella saccharophila cultivation was investigated. The studied factors were medium type, culture type, inoculum size, sugar/nitrogen source type and concentrations. As a result, the optimized conditions for C. saccharophila cultivation were f...
In this study, the optimization of several factors for Chlorella saccharophila cultivation was investigated. The studied factors were medium type, culture type, inoculum size, sugar/nitrogen source type and concentrations. As a result, the optimized conditions for C. saccharophila cultivation were found to be the best at 3% (v/v) inoculum, 30 g/L glucose and 0.95 g/L $NaNO_3$ under mixotrophic culture. Under the optimized condition, the content of oil was high at 12 day, whereas, the amount of biomass and chlorophyll were high at 10 day.
In this study, the optimization of several factors for Chlorella saccharophila cultivation was investigated. The studied factors were medium type, culture type, inoculum size, sugar/nitrogen source type and concentrations. As a result, the optimized conditions for C. saccharophila cultivation were found to be the best at 3% (v/v) inoculum, 30 g/L glucose and 0.95 g/L $NaNO_3$ under mixotrophic culture. Under the optimized condition, the content of oil was high at 12 day, whereas, the amount of biomass and chlorophyll were high at 10 day.
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문제 정의
saccharophila는 배양 방법에 따라 10~47%의 lipid 함량을 가지며, 저농도의 glucose와 non-aerated 일 때 lipid 함량이 증가한다고 알려져 있다[18]. 본 연구에서는 유용물질을 생산하기 위해 녹조류 단세포의 일종인 Chlorella saccharophila를 대량으로 배양하고자 클로렐라 배양 배지 조건의 최적화와 유용물질의 생산 가능성을 알아보고자 하였다.
제안 방법
Autotroph과 mixotroph 배양 조건은 형광등 광원을 이용하여 약 100 µmol/m2 /s의 광량과 주간 16시간, 야간 8시간의 간격으로 빛을 조사하면서 배양하였다.
C. saccharophila의 대량 배양을 위한 배지 최적화 실험을 진행하였다. 실험 결과 기본 배지는 PG 배지가 적합하였으며, 배양 형태는 광원과 외부탄소원을 모두 공급하는 mixotrophic 배양이 적절하였다.
Chlorophyll의 함량(%)은 측정된 chlorophyll의 농도(mg/L)를 분석에 사용한 바이오매스의 초기 농도와 비교하여 % of dcw (chlorophyll 농도/초기 바이오매스 농도*100)을 계산하였다[21].
또한 대부분의 탄소원에서 12일 정도에 성장이 감소하였다. 그러나 본 실험에서는 경제적인 면과 C. saccharophila의 성장 등을 고려하여 fructose가 아닌 glucose를 탄소원으로 선택하였다. 이와 유사한 결과로는 Liang 등 [24]은 C.
그리고 초기 접종량은 3%로 하여 12일간 배양하였다. 그리고 glucose의 농도에 따른 클로렐라 배양 영향을 알아보기 위해 glucose를 10~40 g/L 포함하는 PG 배지에 초기 접종량을 3%로 하여 8일간 배양하였다.
초기 접종량은 3%로 하여 접종 후 8일간 배양하였다. 그리고 질소원의 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 질소원 종류 실험 결과를 토대로 선택된 NaNO3을 0.475 g/L, 0.950 g/L, 1.425 g/L로 설정하였으며, glucose 30 g/L를 첨가하였다. 초기 접종량은 3%로 하여 접종 후 10일간 배양하였다.
이는 heterotroph에서 한정된 탄소원만 제공될 때 필요 이상의 초기 접종량은 오히려 비효율적이었다. 따라서 본 실험에서 mixotroph이 이상적인 배양 형태임이 확인되었으며, 이러한 점들을 기초로 하여 이후 실험의 초기 접종량의 기준을 배지의 3% (v/v)로 결정하였다. Heidari 등 [25]은 C.
vulgaris 배양의 mixotroph 조건에서는 낮은 농도의 glucose (1~2%)에서 고농도의 glucose (5~10%)에 비하여 높은 세포 성장을 보고하였다. 따라서 본 실험에서는 가장 높은 성장을 보여준 30 g/L의 glucose 농도에서 다음 실험을 수행하였다.
01 g/L)에서 오히려 성장이 감소하는 것으로 보아 탄소원과 유사하게 기질저해 작용을 하는 것으로 보인다. 또한 1.90 g/L를 첨가한 다른 질소원 실험보다 NaNO3에서 수율이 좋으므로 질소원의 종류를 NaNO3로 결정하였다.
클로렐라의 배양 형태를 결정하기 위해 위 실험에서 선택된 PG 배지에광원과탄소원을선택적으로제공하였다. 먼저 광합성에 따른 성장을 보기 위해 탄소원을 제공하지 않고 광원만 제공한 autotroph, 빛이 없는 환경에서 탄소원을 소비하는 호흡에 대한 성장을 알아보기 위한 heterotroph, 그리고 광원과 탄소원 모두 제공한 mixotroph의 3가지 배양방법으로 배양하였다. Autotroph과 mixotroph 배양 조건은 형광등 광원을 이용하여 약 100 µmol/m2 /s의 광량과 주간 16시간, 야간 8시간의 간격으로 빛을 조사하면서 배양하였다.
Ltd, Korea)에서 진행하였으며, 배양 온도 25℃, 교반속도 120 rpm으로 고정하였다. 모든 배양은 조건마다 2회 반복 배양하였고, 일정 시간마다 샘플을 취하여 분석하였다.
배양 방법에 따른 C. saccharophila의 성장 정도를 알아보기 위해 3가지의 배양방법(autotroph, heterotroph 그리고 mixotroph)으로 배양 하였다(Fig. 2). 광원을 사용한 autotroph에서 다른 두 배양 형태보다 현저히 낮았고(0.
배양 배지 종류의 영향을 알아보고자 PG 배지(mg/L; KNO3 (1900), CaCl2·2H2O (440), MgSO4·7H2O (370), KH2PO4 (170), MnSO4·H2O (16.9), ZnSO4·7H2O (8.6), H3BO3 (6.2), KI (0.83), Na2MoO4·2H2O (0.25), CuSO4·5H2O (0.25), CoCl2·6H2O (0.25), FeSO4·7H2O (37.3), EDTA-Na2 (27.8), Myo-inositol (10), Glycine (0.2), Nicotinic acid (0.05), Pyridoxine HCl (0.05), Thiamine HCl (0.1)), JM(Jaworski’s Medium with fresh water [19]), JMS(Jaworski’s Medium with Sea water [19]), BG-11(Sigma-Aldrich, Co. Ltd.), f/2(Guillard’s f/2 medium [20])에 대하여 탄소원으로 glucose를 10 g/L 첨가하여 10일간 배양하였다.
배양한 클로렐라를 수확하기 위해 4,000 rpm에서 15분간 원심분리하여 배지와 클로렐라를 분리한 다음 증류수를 사용하여 수확한 클로렐라에 남아있는 배지를 제거하는 세척과정을 2회 반복하였다. 세척을 마친 클로렐라는 동결 건조한 후 분쇄하여 암소에서 냉장보관하면서 분석에 사용하였다[21].
오일 추출 방법은 Bligh and Dyer method [22]를 변형하여 사용하였다. 동결 건조된 클로렐라 10 mg에 5 mL의 증류수를 첨가하여 초음파 파쇄기를 사용하여 cell을 파쇄하였다.
질소원의 종류에 따른 영향을 알아보기 위해 질소원을 1.90 g/L 포함하는 PG 배지를 제작하였으며, 탄소원으로 30 g/L의 glucose를 첨가하였다. 사용한 질소원으로는 NH4NO3, urea (NH4)2SO4, casein, yeast extract, peptone, corn steep solid, KNO3 그리고 NaNO3이다.
질소원의 종류와 농도에 따른 C. saccharophila의 성장에 미치는 영향을 알아보기 위해 9가지의 질소원 (NH4NO3, urea, (NH4)2SO4, casein, yeast extract, peptone, corn steep solid, KNO3 그리고 NaNO3)과 glucose (30 g/L)를 포함하는 배지를 조제하여 초기 접종량 3%로 접종하여 8일간 배양하였다 (Fig. 6). 배양 결과 NaNO3를 0.
이후 chloroform과 증류수를 1:1 비율로첨가하여 5분간 vortexing 후 다시 2000 rpm에서 10분간 원심분리하여 층 분리를 하였다. 추출된 oil은 아래의 chloroform 층을 회수하여 열을 가하여 chloroform을 제거한 후 시료를 건조하여 oil의 무게를 측정하였다. 측정된 chloroform 층의 무게(oil 량)는 추출에 사용한 바이오매스의 초기 무게와비교하여 % of dcw (오일무게/건조중량*100)을계산하였다[21].
추출된 oil은 아래의 chloroform 층을 회수하여 열을 가하여 chloroform을 제거한 후 시료를 건조하여 oil의 무게를 측정하였다. 측정된 chloroform 층의 무게(oil 량)는 추출에 사용한 바이오매스의 초기 무게와비교하여 % of dcw (오일무게/건조중량*100)을계산하였다[21].
클로렐라의 배양 형태를 결정하기 위해 위 실험에서 선택된 PG 배지에광원과탄소원을선택적으로제공하였다. 먼저 광합성에 따른 성장을 보기 위해 탄소원을 제공하지 않고 광원만 제공한 autotroph, 빛이 없는 환경에서 탄소원을 소비하는 호흡에 대한 성장을 알아보기 위한 heterotroph, 그리고 광원과 탄소원 모두 제공한 mixotroph의 3가지 배양방법으로 배양하였다.
클로렐라의 성장을 측정하기 위해 일정 간격으로 채취한 시료를 분광광도계(SPEKOL 1300, Analytik Jena)를 사용해 흡광도를 660 nm에서 측정하여 표준곡선을 이용하여 건조 세포 농도로 환산하여 나타내었다. y = 0.
탄소원의 종류에 따른 C. saccharophila의 성장에 미치는 영향을 알아보기 위해 PG 배지에 8가지의 탄소원을 10 g/L가 되도록 첨가하여, 초기 접종량을 3%로 12일간 배양하여 얻은 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 실험에 사용한 탄소원은 fructose, mannose, lactose, sucrose, xylose, galactose, glycerol 그리고 glucose이다.
탄소원의 종류에 따른 클로렐라 배양 영향을 알아보기 위해 PG 배지에 8가지의 탄소원을 10 g/L 첨가하여 배양하였다. 사용된 탄소원은 fructose, mannose, lactose, sucrose, xylose, galactose, glycerol 그리고 glucose이다.
대상 데이터
그렇지만 대량 배양 및 product의 생산을 고려할 때 이 실험에서 cell growth rate가 큰 영향을 주지 않을 것이라고 판단하였다. 따라서 본 실험 이후에서는 C. saccharophila의 배양 실험에 PG 배지를 선택하였다.
배지 종류에 따른 클로렐라의 성장을 알아보기 위해 5가지 배지를 사용해 배양하였으며, Fig. 1에 그 결과를 나타내었다. 배양 결과 PG 배지에서 가장 높은 cell density (1.
본 연구에 사용한 클로렐라는 Chlorella saccharophila (Kruger) Migula KMMCC-195이며, 한국해양미세조류은행에서 분양받아 사용하였다.
사용된 탄소원은 fructose, mannose, lactose, sucrose, xylose, galactose, glycerol 그리고 glucose이다.
90 g/L 포함하는 PG 배지를 제작하였으며, 탄소원으로 30 g/L의 glucose를 첨가하였다. 사용한 질소원으로는 NH4NO3, urea (NH4)2SO4, casein, yeast extract, peptone, corn steep solid, KNO3 그리고 NaNO3이다. 초기 접종량은 3%로 하여 접종 후 8일간 배양하였다.
4에 나타내었다. 실험에 사용한 탄소원은 fructose, mannose, lactose, sucrose, xylose, galactose, glycerol 그리고 glucose이다. 배양 결과 fructose (6.
성능/효과
0.475~1.475 g/L 농도의 NaNO3 배지를 이용하여 10일간 배양하여 얻은 결과, 0.475, 0.950, 1.425 g/L의 NaNO3에서 각각 5.34±0.13, 7.34±0.06, 5.29±0.22 g/L의 cell density를 나타내어 0.950 g/L NaNO3에서 cell density가 가장 높음을 알 수 있으며, cell growth rate 면에서도 우수한 것을 확인하였다.
66 g/L)의 높은 cell density를 확인할 수 있었다. 3가지 배양 결과를 비교했을 때, C. saccharophila 배양에는 광원이나 탄소원을 단편적으로 제공하는 것 보다 모두 제공할 때 cell 성장의 효율이 가장 높은 것으로 판단 되었다. Cell growth rate 또한(4.
Cell growth rate 또한(4.53±0.72 day-1) 향상되는 것을 확인하였다.
광원을 사용한 autotroph에서 다른 두 배양 형태보다 현저히 낮았고(0.22±0.00 g/L), 초기 접종량과 비교했을 때 미량 증가한 cell density를 확인할 수 있었다.
광원을 제공하지 않고 탄소원만을 제공한 heterotroph에서는 어느 정도 높은 cell density (3.79±1.19 g/L)를 확인할 수 있었다.
그러나 1% (3.80±0.62 g/L)를 접종한 경우와 2% (5.82±0.66 g/L)를 접종한 경우를 비교했을 때 약 50%의 성장 차이를 보였으나, 3% (6.46±0.31 g/L)를 접종한 경우와 6% (7.35±0.01 g/L)를 접종한 경우를 비교할 때 약 14%의 성장을 차이를 보여 6%를 접종한 경우의 성장률은 접종량에 비해 효율이 현저히 낮음을 보였다.
그리고 빛과 외부 탄소원을 모두 제공한 mixotroph에서(5.83±0.66 g/L)의 높은 cell density를 확인할 수 있었다.
6). 배양 결과 NaNO3를 0.95 g/L 첨가한 배지(8.45 g/L)에서 C. saccharophila의 cell density가 가장 높았다. Cell growth rate 역시 7.
배양 결과 fructose (6.35±011 g/L)에서 가장 높은 cell density를 보였으며, 그 다음으로 glucose (5.48 g/L)가 높은 cell density를 보였다.
초기 접종량 역시 회수되는 클로렐라 양을 고려할 때 배 지의 3% 내외로 접종하는 것이 효율적이다. 배지에 첨가되는 질소원과 탄소원의 경우 탄소원은 glucose를 30 g/L를 첨가하고 질소원은 NaNO3으로 0.95 g/L를 첨가하는 것이 우수하였으며, 이를 초과할 경우 영양원에 의한 기질저해가 발생하는 것으로 판단되었다. 최적 배지 조건으로 배양한 결과 oil의 함량은 12일에서 가장 높았으나, 회수되는 C.
950 g/L NaNO3에서 cell density가 가장 높음을 알 수 있으며, cell growth rate 면에서도 우수한 것을 확인하였다. 본 실험의 결과를 바탕으로 클로렐라 배양시 질소원은 0.950 g/L의 NaNO3가 적절하다고 판단하였다. 반면에 Nigam 등[26]은 C.
saccharophila의 대량 배양을 위한 배지 최적화 실험을 진행하였다. 실험 결과 기본 배지는 PG 배지가 적합하였으며, 배양 형태는 광원과 외부탄소원을 모두 공급하는 mixotrophic 배양이 적절하였다. 초기 접종량 역시 회수되는 클로렐라 양을 고려할 때 배 지의 3% 내외로 접종하는 것이 효율적이다.
7에 나타냈다. 실험 결과 시간이 경과함에 따라 C. saccharophila의 cell density와 productivity는 증가하는 추세였으나, 10일 이후 감소하였다. 그러나 oil 함량의 경우에 는 12일까지 증가하는 것을 확인할 수 있다.
마찬가지로 cell growth rate가 접종량이 증가함에 따라 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 접종량을 2~4% (v/v)로 하여 heterotroph 조건에서 10일간 배양한 결과, heterotroph에서는 mixotroph과는 반대로 접종량이 증가할수록 성장이 감소하는 것으로 나타났다(data not shown). Productivity 또한 감소하는것으로 나타났다.
95 g/L를 첨가하는 것이 우수하였으며, 이를 초과할 경우 영양원에 의한 기질저해가 발생하는 것으로 판단되었다. 최적 배지 조건으로 배양한 결과 oil의 함량은 12일에서 가장 높았으나, 회수되는 C. saccharophila의 biomass양과 chlorophyll의 양은 10일에서 가장 높았다. 따라서 보다 많은 lipid를 회수하기 위해서 C.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해조류의 분류는?
이로 인해 생산성이 우수하며 더 나아가 해조류를 식량으로 이용하는 국가는 동아시아 일부에 국한되어 있으므로, 식량경쟁에서도 비교적 자유롭다. 해조류는 미세조류와 해조류로 나뉘며, 이들은 탄수화물 및 지질 함량과 구성 및 특성이 매우 다양하여 바이오매스로서 이용 가능성이 뛰어나다고 알려져 있다[5-8]. 미세조류는 염양염류의 제거[9,10], 이산화탄소 고정화[11], 중금속 흡착[12] 등의 특성을 이용하는 연구와 미세조류로부터 바이오디젤을 추출하고 이를 위한 배양 최적화 연구 역시 더불어 진행되고 있다[13-16].
Chlorella를 통한 바이오에너지 생산성을 증가시키기 위해서 무엇을 조절하는 연구가 진행되고 있는가?
최근에는 클로렐라 유래의 지질을 통하여 바이오에너지를 생산하고자 하는 연구가 이루어지고 있다[15-17]. 경제성을 확보하기 위하여 저렴한 탄소원을 이용하거나 배양방법, 배양조건 등을 다양하게 조절함으로써 생산성을 증가시키고자 하는 연구가 진행되고 있다[10,13,15,18].
해조류란?
해조류는 광합성을 하는 엽록소를 가지는 독립영양생물로 성장이 빠르고, 토지를 필요로 하는 육지 식물과는 다르게 물에서 자라므로 3차원적인 경작이 가능하다[5,6]. 이로 인해 생산성이 우수하며 더 나아가 해조류를 식량으로 이용하는 국가는 동아시아 일부에 국한되어 있으므로, 식량경쟁에서도 비교적 자유롭다.
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