[논문]Clostridium autoethanogenum을 이용한 합성가스 발효에 대한 비타민과 황 공급원의 영향

임홍래; 안태광; 박소은; 김영기

doi:10.14478/ace.2019.1078

Clostridium autoethanogenum을 이용한 합성가스 발효에 대한 비타민과 황 공급원의 영향
Effect of Vitamin and Sulfur Sources on Syngas Fermentation Using Clostridium autoethanogenum 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.6, 2019년, pp.681 - 686

임홍래 (한경대학교 화학공학과) , 안태광 (한경대학교 화학공학과) , 박소은 (한경대학교 화학기술연구소) , 김영기 (한경대학교 화학공학과)

초록
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이 연구에서는 합성가스를 기질로 사용하는 Clostridium autoethanogenum 배양 공정에서 에탄올 생산성 향상을 위하여 배지 성분의 농도가 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 조사하였다. C. autoethanogenum 배양에 사용되는 기본 배지 구성 성분 중 비타민 종류인 D-Ca-pantothenate, vitamin B₁₂와 황 공급원인 sodium sulfide를 조사 대상 성분으로 선정하여 이 성분들의 농도를 달리하였을 때 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 확인하였다. D-Ca-pantothenate는 0.5, 5, 50, 500 mg/L 농도를 시험하였으며 0.5 mg/L에서 에탄올 생산량이 약간 증가하는 경향을 보였지만 시험한 농도 범위에서 균주의 성장이나 에탄올 생산에 대한 주목할 만한 영향은 관찰되지 않았다. Vitamin B₁₂는 0.1, 1.0, 10, 100 mg/L의 농도범위에서 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 관찰하였으며, 0.1 mg/L 농도에서 에탄올 생산농도가 일반적 기본배지 농도인 10 mg/L에서보다 245% 증가되는 것을 확인하였다. Sodium sulfide는 0.5, 5, 10 g/L 농도범위에서 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 분석하였으며, 기본배지의 사용농도인 0.5 g/L을 초과하여 과잉 공급하였을 때, 균주 성장 저해 현상이 관찰되었다. 결과적으로 연구에 사용된 세 가지 배지 성분 중, D-Ca-pantothenate와 sodium sulfide는 배지 내 성분 농도에 따른 에탄올 생산농도 향상을 이루지 못하였으나, vitamin B₁₂는 기본 배지 내 일반적인 농도의 1/100을 사용함으로써 에탄올 생산농도 향상을 이룰 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the effect of the culture medium composition on microbial growth and ethanol production in Clostridium autoethanogenum culture was investigated to enhance the ethanol productivity. D-Ca-pantothenate, vitamin B12 (as vitamins), and sodium sulfide (as sulfur source) were selected as examined components, and the effects of components' concentration on cell growth and ethanol production was investigated. For D-Ca-pantothenate concentrations varing from 0.5, 5, 50 and 500 mg/L, a slight increase in the ethanol production was observed at the 0.5 mg/L, but negligible differences in microbial growth and ethanol production were measured for the concentration ranges examined. The effect of vitamin B12 concentrations from 0.1, 1.0, 10, and 100 mg/L on the microbial growth and ethanol production was investigated, and it was found that the ethanol production using a 0.1 mg/L of vitamin B12 concentration increased by 245% compared to that of using the basic medium concentration (10 mg/L). The effect of sodium sulfide concentrations (0.5, 5, and 10 g/L) on the microbial growth and ethanol production was also studied, and the inhibition of microbial growth was observed when the sodium sulfide usage was over 0.5 g/L. In conclusion, changes in D-Ca-pantothenate and sodium sulfide concentrations did not affect the ethanol production, whereas even a 100 times lower concentration of vitamin B12 than that of the basic medium improved the production.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Basal Medium Composition for Clostridium autoethanogenum Culture
그림 Figure 1. Time course profile of (a) optical density (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various pantothenate addition (♦: 0.5 mg/L ,◊: 5 mg/L, ●: 50 mg/L ,○: 500 mg/L).
그림 Figure 2. Time course profile of (a) optical density (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various vitamin B₁₂ addition (♦: 0.1 mg/L ,◊: 1 mg/L , ●: 10 mg/L ,○: 100 mg/L).
그림 Figure 3. Time course profile of (a) optical density (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various sodium sulfide addition (♦: 0.5 g/L ,◊: 5g/L , ●: 10g/L).
표 Table 2. Comparison of Microbial Growth and Product Formation in C. autoethanogenum Culture at Various Concentration of D-Ca-pantothenate, Vitamin B₁₂, and Sodium Sulfide

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 합성가스를 이용하는 생물학적 촉매로서 acetogen의 일종인 Clostridium autoethanogenum을 이용하여 배양에 사용되는 배지의 조성을 변화시켜 미생물의 성장과 에탄올 생산 증가를 시도하였다. 연구에 사용된 배지 성분으로는 수용성비타민인 D-Ca-pantothenate,vitamin B₁₂와 황 공급원인 sodium sulfide를 선정하고 각 성분의 사용농도를 조절하여 균주 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 합성가스를 이용하는 생물학적 촉매로서 acetogen의 일종인 Clostridium autoethanogenum을 이용하여 배양에 사용되는 배지의 조성을 변화시켜 미생물의 성장과 에탄올 생산 증가를 시도하였다. 연구에 사용된 배지 성분으로는 수용성비타민인 D-Ca-pantothenate,vitamin B₁₂와 황 공급원인 sodium sulfide를 선정하고 각 성분의 사용농도를 조절하여 균주 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.

대상 데이터

균주 배양을 위한 기본배지의 조성은 Table 1에 표시하였다. 실험에 사용된 합성가스는 MS 동민가스(Pyeongtaek, Gyeonggi-Do, Korea)에서 주문 제조하여 공급되었으며 20 vol% CO, 20 vol% CO₂, 10 vol% H₂, 50 vol% N₂로 구성되어 있다.
실험에 이용된 미생물은 Clostridium autoethanogenum (DSM 10061)을 German Collection of Microorganisms and Cell Culture에서 구입하여 사용하였다. 균주 배양을 위한 기본배지의 조성은 Table 1에 표시하였다.

성능/효과

01배 공급하였을 때 에탄올 생산이 245% 증가되는 것을 확인하였다. 또한 sodium sulfide 0.5 g/L를 공급할 경우 균주 성장과 에탄올 생산량이 최대화 되었고, 과다한 고농도의 sodium sulfide 사용은 균주 성장 저해를 보였다.
autoethanogenum의 성장과 유용산물 생산에 대한 영향을 분석하였으며 그 결과를 Table 2에 요약하였다. 실험 결과로부터 pantothenate, vitamin B₁₂는 농도를 달리하여도 균주 성장에 뚜렷하게 영향을 보이지 않았으며,pantothenate 사용량은 에탄올 생산에도 크게 영향을 주지 않는데 비해 vitamin B₁₂를 기본 배지 농도의 0.01배 공급하였을 때 에탄올 생산이 245% 증가되는 것을 확인하였다. 또한 sodium sulfide 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2세대 바이오 에탄올 생산기술 공정의 종류는?	전통적인 2세대 바이오 에탄올 생산기술은 셀룰로오스를 가수분해하여 발효 가능한 당류로 변환하는 당화공정과 변환된 당을 효모나, 박테리아 등을 이용하여 에탄올로 전환하는 발효공정으로 이루어진다. 여기에서 당화공정은 속도와 효율이 낮아 전체 바이오 에탄올 생산공정의 효율을 제한하고 있으며, 생물학적 가수분해에 의한 당화는 리그닌을 분해하지 못하는 한계를 가지고 있다.
	바이오 에탄올 생산기술인 당화공정과 가스화 공정의 한계와 장점은 무엇입니까?	전통적인 2세대 바이오 에탄올 생산기술은 셀룰로오스를 가수분해하여 발효 가능한 당류로 변환하는 당화공정과 변환된 당을 효모나, 박테리아 등을 이용하여 에탄올로 전환하는 발효공정으로 이루어진다. 여기에서 당화공정은 속도와 효율이 낮아 전체 바이오 에탄올 생산공정의 효율을 제한하고 있으며, 생물학적 가수분해에 의한 당화는 리그닌을 분해하지 못하는 한계를 가지고 있다. 이에 비해 열화학적 공정인 가스화 공정은 바이오매스를 구성하는 모든 구성성분을 이용할 수 있게 해주는 장점을 가지고 있다[5,6]. 열화학적 공정을 활용하는 기술로, 바이오매스를 가스화하여 합성가스(syngas)를 생산하고 합성 가스의 주성분인 CO, CO2, H2를 기질로 사용할 수 있는 acetogen 미생물을 이용하여 낮은 온도와 압력에서 에탄올, 부탄올과 같은 바이오 연료를 생산하는 연구가 활발히 이루어지고 있다[7-11].
	바이오에탄올의 특징은?	화석연료의 과다한 사용으로 인한 환경오염의 발생과 화석연료 자원고갈 문제를 해결하기 위한 방안으로 바이오 연료 등 재생 가능한 에너지의 필요성이 증대되고 있다. 바이오 연료 중 바이오에탄올은 화석연료의 문제점들을 보완할 수 있는 차세대 에너지원으로 평가되어 가장 오래된 개발 역사를 가지고 있다[1-4]. 처음 개발되어 상용화 된 1세대 바이오 에탄올 생산기술은 곡물을 기반으로 하는 시스템이며, 공정이 비교적 간단한 장점이 있는 반면 식량자원인 곡물을 사용하는 한계를 가지고 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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