Clostridium ljungdahlii 배양에서 배지 조성에 따른 균주 성장과 바이오에탄올 생산에 대한 영향 Effect of Medium Composition on Cell Growth and Bioethanol Production in Clostridium ljungdahlii Culture원문보기
무기탄소원으로부터 에탄올을 생산하는 acetogenic 박테리아인 Clostridium ljungdahlii 발효공정에서 배양 배지 조성에 따른 영향을 분석하여 균주 성장과 에탄올 생산 향상을 시도하였다. 균주 성장 및 에탄올 생산에 영향을 줄 수 있는 배지 구성성분으로 yeast extract, fructose, $NH_4Cl$, $K_2HPO_4$를 선정하였다. Yeast extract 농도가 증가할수록 균주 성장과 에탄올 생산이 증가하였으며 에탄올 비생산성은 yeast extract 기본 배지 농도보다 낮은 0.05 g/L에서 가장 높았다. Fructose 농도가 증가할수록 균주 성장은 증가하였지만 5 g/L을 초과하는 fructose 투입은 에탄올 생산을 감소시켰다. Yeast extract 5 g/L인 조건에서 fructose 5 g/L와 넣었을 때 에탄올 생산농도가 0.297 g/L로 가장 높았으나, fructose를 넣지 않았을 때 매우 낮은 균주 농도로 인해 에탄올 비생산성은 0.281 g/g DCW로 높았다. $NH_4Cl$은 균주 성장이나 에탄올 생산은 큰 차이를 보이지 않았으며 30 g/L 이상 과다 투입하면 성장저해가 나타났다. $K_2HPO_4$에 대해서는 농도가 증가할수록 균주 성장과 에탄올 생산이 모두 증가하였다. $NH_4Cl$과 $K_2HPO_4$를 사용한 경우 에탄올 비생산성은 yeast extract를 적게 사용한 경우 크게 나타났다.
무기탄소원으로부터 에탄올을 생산하는 acetogenic 박테리아인 Clostridium ljungdahlii 발효공정에서 배양 배지 조성에 따른 영향을 분석하여 균주 성장과 에탄올 생산 향상을 시도하였다. 균주 성장 및 에탄올 생산에 영향을 줄 수 있는 배지 구성성분으로 yeast extract, fructose, $NH_4Cl$, $K_2HPO_4$를 선정하였다. Yeast extract 농도가 증가할수록 균주 성장과 에탄올 생산이 증가하였으며 에탄올 비생산성은 yeast extract 기본 배지 농도보다 낮은 0.05 g/L에서 가장 높았다. Fructose 농도가 증가할수록 균주 성장은 증가하였지만 5 g/L을 초과하는 fructose 투입은 에탄올 생산을 감소시켰다. Yeast extract 5 g/L인 조건에서 fructose 5 g/L와 넣었을 때 에탄올 생산농도가 0.297 g/L로 가장 높았으나, fructose를 넣지 않았을 때 매우 낮은 균주 농도로 인해 에탄올 비생산성은 0.281 g/g DCW로 높았다. $NH_4Cl$은 균주 성장이나 에탄올 생산은 큰 차이를 보이지 않았으며 30 g/L 이상 과다 투입하면 성장저해가 나타났다. $K_2HPO_4$에 대해서는 농도가 증가할수록 균주 성장과 에탄올 생산이 모두 증가하였다. $NH_4Cl$과 $K_2HPO_4$를 사용한 경우 에탄올 비생산성은 yeast extract를 적게 사용한 경우 크게 나타났다.
In this work, effect of the culture medium composition on the fermentation process of Clostridium ljungdahlii, which is acetogenic bacteria to product ethanol from synthesis gas, was examined to improve the microbial growth and ethanol production. Components of the culture medium such as yeast extra...
In this work, effect of the culture medium composition on the fermentation process of Clostridium ljungdahlii, which is acetogenic bacteria to product ethanol from synthesis gas, was examined to improve the microbial growth and ethanol production. Components of the culture medium such as yeast extract, fructose, $NH_4Cl$, and $K_2HPO_4$ were selected as influence factors for the cell growth and ethanol production. As the concentration of yeast extract increased, both of the cell growth and ethanol production increased. And the ethanol productivity was the highest at an yeast extract of 0.05 g/L, which is lower than that of base medium. As the concentration of fructose increased, the cell growth increased, but the ethanol production decreased when the concentration of fructose was higher than that of base medium (5 g/L). In an experiment with the yeast extract of 5 g/L, produced ethanol concentration was the highest (0.297 g/L) when fructose concentration was 5 g/L, however, the specific ethanol productivity was higher (0.281 g/g DCW) when the fructose was not added due to very low cell mass. The cell growth and ethanol production were not significantly influenced by $NH_4Cl$ concentration, however the growth inhibition was observed at a 30 g/L of $NH_4Cl$. When the concentration of $K_2HPO_4$ increased, both of the cell growth and ethanol production increased. In experiments with $NH_4Cl$ and $K_2HPO_4$, specific ethanol productivities were higher when the low concentration of yeast extract was used.
In this work, effect of the culture medium composition on the fermentation process of Clostridium ljungdahlii, which is acetogenic bacteria to product ethanol from synthesis gas, was examined to improve the microbial growth and ethanol production. Components of the culture medium such as yeast extract, fructose, $NH_4Cl$, and $K_2HPO_4$ were selected as influence factors for the cell growth and ethanol production. As the concentration of yeast extract increased, both of the cell growth and ethanol production increased. And the ethanol productivity was the highest at an yeast extract of 0.05 g/L, which is lower than that of base medium. As the concentration of fructose increased, the cell growth increased, but the ethanol production decreased when the concentration of fructose was higher than that of base medium (5 g/L). In an experiment with the yeast extract of 5 g/L, produced ethanol concentration was the highest (0.297 g/L) when fructose concentration was 5 g/L, however, the specific ethanol productivity was higher (0.281 g/g DCW) when the fructose was not added due to very low cell mass. The cell growth and ethanol production were not significantly influenced by $NH_4Cl$ concentration, however the growth inhibition was observed at a 30 g/L of $NH_4Cl$. When the concentration of $K_2HPO_4$ increased, both of the cell growth and ethanol production increased. In experiments with $NH_4Cl$ and $K_2HPO_4$, specific ethanol productivities were higher when the low concentration of yeast extract was used.
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문제 정의
본 연구에서는 CO, CO2, H2로 구성된 합성가스로부터 에탄올을 생산할 수 있는 acetogenic bacteria인 C. ljungdahlii 배양에서 균주 성장 및 에탄올 생산성에 대한 배지 조성의 영향을 확인하였다. Yeast extract의 농도가 증가할수록 균주 성장은 향상되지만, 에탄올 비생산성은 yeast extract 0.
이러한 문제 해결을 위해 배지조성과 반응기 설계 최적화 등의 연구가 요구되고 있다[11]. 본 연구에서는 합성가스의 생물학적 전환을 위한 생체 촉매로 acetogenic 박테리아인 C. ljungdahlii 균주를 사용하여, 배양 배지의 조성에 따른 미생물 성장과 에탄올 생산에 대한 영향을 확인하였다. 배지 성분 중 yeast extract, fructose, NH4Cl, 그리고 K2HPO4의 농도의 변화에 따른 균주의 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.
제안 방법
5, 5, 10, 50 g/L의 6가지 농도에서 실험을 진행하였다. Fructose, NH4Cl, K2HPO4의 영향은 yeast extract 0.5,5 g/L의 두 농도에서 각 인자의 농도에 대하여 실험을 진행하였다. Fructose는 0, 5, 10, 15 g/L의 농도에서, NH4Cl은 1.
5,5 g/L의 두 농도에서 각 인자의 농도에 대하여 실험을 진행하였다. Fructose는 0, 5, 10, 15 g/L의 농도에서, NH4Cl은 1.0, 10, 30 g/L,K2HPO4는 0.33, 3.3, 33 g/L의 농도에서 실험을 수행하였다.
이 성분들이 균주 성장과 에탄올 생산에 끼치는 영향을 알아보기 위해 기본 배지에서 해당 영향인자의 조성을 달리하여 실험을 진행하였다. 기본 배지에서 농도가 0.5 g/L인 yeast extract는 기존 농도보다 높거나 낮은 0, 0.05, 0.5, 5, 10, 50 g/L의 6가지 농도에서 실험을 진행하였다. Fructose, NH4Cl, K2HPO4의 영향은 yeast extract 0.
완충 작용이 충분하지 않은 발효 배지는 유기산의 과도한 축적으로 미생물 성장이나 에탄올 생산에 해롭다[14,15]. 배양 배지 내 K2HPO4의 농도 변화가 C.ljungdahlii 균주 성장과 에탄올, 아세트산의 생산에 미치는 영향을 분석하였다. 기본 배양 배지에 K2HPO4의 농도를 0.
배양 배지 내 NH4Cl의 농도 변화에 따른 C. ljungdahlii 균주 성장과 에탄올, 아세트산의 생산에 미치는 영향을 분석하였다. 기본 배양 배지에 NH4Cl의 농도를 1, 10, 30 g/L로 달리하였을 때 균주의 성장 특성을 살펴보면(Figure 4(a)), NH4Cl의 농도가 1 또는 10 g/L일 때 균주 성장 특성은 거의 같았다.
배양액을 원심 분리하여 균주와 액상을 분리한 후, 상층액은 pore size 0.45µm인 syringe filter (6784-1304, Whatman, Germany)를 사용하여 여과하여 HPLC 분석에 사용하였다[12].
ljungdahlii 균주를 사용하여, 배양 배지의 조성에 따른 미생물 성장과 에탄올 생산에 대한 영향을 확인하였다. 배지 성분 중 yeast extract, fructose, NH4Cl, 그리고 K2HPO4의 농도의 변화에 따른 균주의 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.
90 g/L으로 증가하였다. 본 연구에서는 yeast extract의 농도 범위를 기존 연구에 비해 더 크게 하여 실험을 수행하였다.
배지 조성에 대한 영향을 분석하기 위한 성분으로는 yeast extract, fructose, NH4Cl 그리고 K2HPO4의 총 4가지를 사용하였다. 이 성분들이 균주 성장과 에탄올 생산에 끼치는 영향을 알아보기 위해 기본 배지에서 해당 영향인자의 조성을 달리하여 실험을 진행하였다. 기본 배지에서 농도가 0.
, Hercules, CA, USA)를 사용하며 온도는 60 ℃로 유지하였다. 이동상인 5 mM 황산 용액을 0.6 mL/min의 유량으로 설정하여 RI detector로 에탄올과 아세테이트 농도를 분석하였다. 배양액을 원심 분리하여 균주와 액상을 분리한 후, 상층액은 pore size 0.
대상 데이터
분석을 위한 시료 채취는 마개의 outlet에 주사기를 이용하여 수행하였다. 배지 조성에 대한 영향을 분석하기 위한 성분으로는 yeast extract, fructose, NH4Cl 그리고 K2HPO4의 총 4가지를 사용하였다. 이 성분들이 균주 성장과 에탄올 생산에 끼치는 영향을 알아보기 위해 기본 배지에서 해당 영향인자의 조성을 달리하여 실험을 진행하였다.
균주는 shaking incubator에서 배양온도 37 ℃, 200 rpm의 교반조건에서배양하였다. 분석을 위한 시료 채취는 마개의 outlet에 주사기를 이용하여 수행하였다. 배지 조성에 대한 영향을 분석하기 위한 성분으로는 yeast extract, fructose, NH4Cl 그리고 K2HPO4의 총 4가지를 사용하였다.
실험에 사용된 미생물은 Clostridium ljungdahlii PETC (55383)를 ATCC(American Type Culture Collection)에서 구입하여 사용하였다. 균주 배양을 위한 기본배지는 다음과 같은 조성으로 이루어져 있다.
33, 3.3, 10 g/L로 달리하였을 때 균주의 성장 특성을 살펴보면(Figure 5(a)), K2HPO4의 농도 증가에 따라 균주 성장이 비례하여 향상되는 현상이 관찰되었다. 기본 배양 배지보다 10배의 yeast extract 농도인 5 g/L을 적용한 실험 결과도 K2HPO4 농도에 비례한 균주 성장 향상 특성을 보였으며, 같은 K2HPO4 농도에서 yeast extract 농도를 0.
ljungdahlii 균주 성장과 에탄올, 아세트산의 생산에 미치는 영향을 분석하였다. 기본 배양 배지에 NH4Cl의 농도를 1, 10, 30 g/L로 달리하였을 때 균주의 성장 특성을 살펴보면(Figure 4(a)), NH4Cl의 농도가 1 또는 10 g/L일 때 균주 성장 특성은 거의 같았다. 하지만, NH4Cl의 농도를 30 g/L로 사용한 경우에는 성장 저해현상이 관찰되었다.
NH4Cl의 농도 변화에 대해서는 기본 배지의 30배인 30 g/L를 사용한 경우 성장 저해현상이 관찰되었으며 에탄올과 아세트산 생산농도에는 큰 차이가 관찰되지 않았다. K2HPO4 농도를 증가시키면 균주성장이 향상되는 결과를 보였으며, 에탄올 생산에 대한 영향은 크지 않고 아세트산은 의미 있는 생산농도 향상을 보였다. 본 연구의 결과를 종합적으로 검토하면 yeast extract, fructose,K2HPO4 농도 향상은 균주 성장 향상을 유도할 수 있었다.
5 g/L에서 5 g/L로 증가시키면 36 h 배양 후 균주 농도는 약 3배의 증가를 보였다(Figure 5(b)). K2HPO4의 농도를 달리하며 에탄올과 아세트산 생산성을 36 h 배양 후 비교하였을 때(Table 4), yeast extract의 농도가 0.5 또는 5 g/L인 경우 모두에서, K2HPO4의 농도가 증가할수록 에탄올과 아세트산 생산은 증가하였다. 또한, 같은 K2HPO4 농도에서는 yeast extract 농도에 따른 에탄올 생산 농도의 의미있는 차이가 관찰되지 않았지만, 아세트산 생산농도는 크게 증가하였다.
ljungdahlii의 배양에서 에탄올과 아세트산 생산농도(36 h에서)를 Table 2에 비교하였다. Yeast extract 농도가 0.5 g/L일 때 생산된 에탄올 농도와 비생산성, 그리고 에탄올/아세트산 비율은 fructose 5 g/L를 넣었을 때 가장 높았다. Yeast extract 농도가 5 g/L일 때에 생산된 에탄올 농도와 에탄올/아세트산 비율은 fructose 5 g/L를 넣었을 때 가장 높았으며,에탄올 비생산성은 fructose를 사용하지 않았을 때 가장 높았다.
5 g/L일 때 생산된 에탄올 농도와 비생산성, 그리고 에탄올/아세트산 비율은 fructose 5 g/L를 넣었을 때 가장 높았다. Yeast extract 농도가 5 g/L일 때에 생산된 에탄올 농도와 에탄올/아세트산 비율은 fructose 5 g/L를 넣었을 때 가장 높았으며,에탄올 비생산성은 fructose를 사용하지 않았을 때 가장 높았다. 결과적으로 yeast extract 추가에 의해 충분한 환원력이 공급된다는 가정하에서 fructose 농도의 증가는 에탄올 생산농도 증가로 이어지지만, 에탄올 비생산성과 에탄올/아세트산 생산 비율은 유기탄소원인 fructose를 적게 사용할 때 높아진다고 볼 수 있다.
05 g/L의 yeast extract를 첨가한 경우 균주 성장은 거의 이루어지지 않았다. Yeast extract 농도를 기본 배지농도인 0.5 g/L에서 5, 10, 50 g/L까지 증가시킬수록 균주의 OD는 최대 0.66, 1.12, 1.53, 2.82로 증가하였다. 50 g/L 이상의 yeast extract 첨가는 경제성 있는 배양공정을 위한 배지 제조에 부적합하여 실험하지 않았다.
ljungdahlii 배양에서 균주 성장 및 에탄올 생산성에 대한 배지 조성의 영향을 확인하였다. Yeast extract의 농도가 증가할수록 균주 성장은 향상되지만, 에탄올 비생산성은 yeast extract 0.05 g/L을 사용했을 때 가장 높게 나타났다. 유기탄 소원인 fructose 농도가 증가할수록 균주 성장과 아세트산 생산이 증가하지만, 에탄올 생산 농도는 fructose 농도 5 g/L를 초과하면 감소하는 것으로 나타났으며, fructose를 사용하지 않았을 때 에탄올 비생산성이 가장 높게 나타났다.
Yeast extract 농도가 5 g/L일 때에 생산된 에탄올 농도와 에탄올/아세트산 비율은 fructose 5 g/L를 넣었을 때 가장 높았으며,에탄올 비생산성은 fructose를 사용하지 않았을 때 가장 높았다. 결과적으로 yeast extract 추가에 의해 충분한 환원력이 공급된다는 가정하에서 fructose 농도의 증가는 에탄올 생산농도 증가로 이어지지만, 에탄올 비생산성과 에탄올/아세트산 생산 비율은 유기탄소원인 fructose를 적게 사용할 때 높아진다고 볼 수 있다.
797로 증가하다가 그 이상의 농도에서는 감소한다. 균주 건조질량당 에탄올 비 생산성을 비교하였을 때, yeast extract 5 g/L에서 최대인 1.143 g/gDCW를 얻었고, 그 이상의 yeast extract 첨가농도 증가는 에탄올 생산성을 오히려 감소시켰다.
기본 배양 배지보다 10배의 yeast extract 농도인 5 g/L을 적용한 실험 결과도 K2HPO4 농도에 비례한 균주 성장 향상 특성을 보였으며, 같은 K2HPO4 농도에서 yeast extract 농도를 0.5 g/L에서 5 g/L로 증가시키면 36 h 배양 후 균주 농도는 약 3배의 증가를 보였다(Figure 5
28 g/L로 증가하는 것을 관찰하였다. 또한, yeast extract 농도가 증가할수록 생산된 에탄올 농도는 1.05, 0.85, 0.40 g/L로 감소하였으며, 아세트산 농도는 3.20, 4.00, 4.90 g/L으로 증가하였다. 본 연구에서는 yeast extract의 농도 범위를 기존 연구에 비해 더 크게 하여 실험을 수행하였다.
K2HPO4 농도를 증가시키면 균주성장이 향상되는 결과를 보였으며, 에탄올 생산에 대한 영향은 크지 않고 아세트산은 의미 있는 생산농도 향상을 보였다. 본 연구의 결과를 종합적으로 검토하면 yeast extract, fructose,K2HPO4 농도 향상은 균주 성장 향상을 유도할 수 있었다. 하지만, 균주 성장 향상이 에탄올 생산농도, 특히 에탄올 비생산성의 향상으로 연결되지는 못하는 결과를 보였다.
배지 내 yeast extract의 농도가 높아질수록 에탄올과 아세트산의 생산농도는 모두 증가한다. 에탄올의 농도는 yeast extract를 첨가하지 않았을 땐 거의 생산되지 않았고, yeast extract의 농도가 0.05에서 50g/L로 증가할수록 0.036에서 0.587 g/L로 증가하였다. 하지만, 에탄올/아세트산 비율은 yeast extract의 농도가 5 g/L일 때까지 0.
05 g/L을 사용했을 때 가장 높게 나타났다. 유기탄 소원인 fructose 농도가 증가할수록 균주 성장과 아세트산 생산이 증가하지만, 에탄올 생산 농도는 fructose 농도 5 g/L를 초과하면 감소하는 것으로 나타났으며, fructose를 사용하지 않았을 때 에탄올 비생산성이 가장 높게 나타났다. NH4Cl의 농도 변화에 대해서는 기본 배지의 30배인 30 g/L를 사용한 경우 성장 저해현상이 관찰되었으며 에탄올과 아세트산 생산농도에는 큰 차이가 관찰되지 않았다.
Clostridium 속 균주 배양에서 yeast extract 농도에 대한 영향을 평가하는 연구가 보고된 바 있으며, 이를 통해 yeast extract가 균주 성장과 에탄올 생산에 영향을 끼친다는 사실이 알려져 있다[13]. 이 연구에서는 배지 내 yeast extract 농도를 0.5, 1, 2 g/L로 달리하며 실행한 실험에서 균주의 건조질량이 각각 0.20, 0.21, 0.28 g/L로 증가하는 것을 관찰하였다. 또한, yeast extract 농도가 증가할수록 생산된 에탄올 농도는 1.
8 내외로 비슷한 성장을 보였다(Figure 3(a)). 이는 유기탄소원인 fructose를 추가하더라도 기본 배지에서는 균주의 추가 성장이 이루어지지 못하는 것을 나타내며,이를 극복하기 위한 다양한 시도를 통하여 yeast extract를 추가 공급하여 대사과정의 환원력 부족을 해소할 경우 추가적인 성장이 가능함을 보였다. Figure 3(b)는 yeast extract를 기본 배지 조성의 10배인 5g/L를 사용한 실험의 결과이며, fructose 농도를 0, 5, 10, 15 g/L로 증가시킴에 따라 12 h에서의 OD가 0.
본 연구의 결과를 종합적으로 검토하면 yeast extract, fructose,K2HPO4 농도 향상은 균주 성장 향상을 유도할 수 있었다. 하지만, 균주 성장 향상이 에탄올 생산농도, 특히 에탄올 비생산성의 향상으로 연결되지는 못하는 결과를 보였다. 이로부터 균주 배양을 위한 최적 배지 조건과 에탄올 생산을 위한 최적 배양조건이 다름을 확인할 수 있었으며, 성장과 생산을 위한 각각의 최적화된 배양이 공정의 생산성 향상에 유용할 것으로 판단된다.
후속연구
하지만, 균주 성장 향상이 에탄올 생산농도, 특히 에탄올 비생산성의 향상으로 연결되지는 못하는 결과를 보였다. 이로부터 균주 배양을 위한 최적 배지 조건과 에탄올 생산을 위한 최적 배양조건이 다름을 확인할 수 있었으며, 성장과 생산을 위한 각각의 최적화된 배양이 공정의 생산성 향상에 유용할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오에탄올 생산의 단점은 무엇인가?
옥수수, 사탕수수와 같은 농업 원료를 기반으로 하는 곡물계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산은 경제적이며 사용시 오염물질 배출이 적어 대기 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있어 자원 고갈과 환경 오염에 대한 대책으로 상용화에 성공하였다[2]. 하지만 곡물계 바이오매스의 수확을 위해 큰 규모의 경작지가 필요하고 재배에 오랜 시간이 걸리며 식량 수급과 가격에 영향을 끼치는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 리그노셀룰로오즈 등 목질계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 방법이 제안되어 개발되어져 있다[3].
Clostridium ljungdahlii란 무엇인가?
무기탄소원으로부터 에탄올을 생산하는 acetogenic 박테리아인 Clostridium ljungdahlii 발효공정에서 배양 배지 조성에 따른 영향을 분석하여 균주 성장과 에탄올 생산 향상을 시도하였다. 균주 성장 및 에탄올 생산에 영향을 줄 수 있는 배지 구성성분으로 yeast extract, fructose, $NH_4Cl$, $K_2HPO_4$를 선정하였다.
gasification의 장점은 무엇인가?
이들의 분해 과정에는 리그닌을 제거하는 전처리 과정이 필요하여 공정이 복잡해지고 이에 따라 전체공정의 경제성을 악화시키는 문제가 있다. 산 가수분해나 효소 반응과는 달리 gasification은 리그닌을 비롯한 모든 바이오매스 성분을 합성 가스(synthesis gas)로 전환시킬 수 있으며, 주로 CO, CO2, H2 및 N2로 구성된 합성가스를 이용할 수 있는 능력을 가지는 박테리아에 의해 발효되어 에탄올 등 바이오연료로 전환 가능하다[5,6]. Clostridium ljungdahlii와 같은 acetogenic 박테리아는 혐기 조건에서 Wood-ljungdahl pathway를 통하여 에탄올과 아세트산 등의 유용산물을 생산할 수 있다(Figure 1)[7].
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