초록 ▼

숙신산을 과량 생산하는 통성혐기성 균주인 Actinobacillus succinogenes sp. 130Z와 Mannheimia succiniciproducens MBEL 55E를 연구대상으로 선정하여 효율적이며 산업적으로 경쟁력이 있는 생물학적 숙신산 생산공정의 개발을 위한 연구를 수행하였음. Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 생산공정개발을 위해 균주성장과 숙신산 생산에 영향을 미치는 생리적 및 환경인자에 대한 연구를 수행하였고 플라스크, 회분식, 유가식 및 세포재순환 연속발효를 수행하였음

숙신산을 과량 생산하는 통성혐기성 균주인 Actinobacillus succinogenes sp. 130Z와 Mannheimia succiniciproducens MBEL 55E를 연구대상으로 선정하여 효율적이며 산업적으로 경쟁력이 있는 생물학적 숙신산 생산공정의 개발을 위한 연구를 수행하였음. Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 생산공정개발을 위해 균주성장과 숙신산 생산에 영향을 미치는 생리적 및 환경인자에 대한 연구를 수행하였고 플라스크, 회분식, 유가식 및 세포재순환 연속발효를 수행하였음. Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 세포재순환 연속발효의 경우, 공정이 진행됨에 따라 주생산물이 숙신산에서 젖산으로 변경되는 대사회로의 전환이 발견되었음. 그래서 안정적이며 효율적인 숙신산 연속발효를 위해 Actinobacillus succinogenes MBEL 55E를 이용한 세포재순환 연속발효를 수행하여 기존의 회분식 배양에 비해 4-5배 증가한 세포농도와 3.5g/L/h의 안정적인 숙신산 생산성을 얻었음. 그리고 숙신산 생산균주의 회분식, 연속식, 전세포재순환 연속식 발효에 대한 동적거동을 모델링하였고 10L 스케일로의 스케일-업을 성공적으로 수행하였음. 절대혐기성 숙신산 균주와의 비교를 위해 대표적인 절대혐기성 균주인 Actinobacillus succinogenes을 이용한 연속발효를 수행하였음. 발효에 의해 생산된 숙신산의 효율적인 분리정제를 위하여 전기이온화(EDI) 공정, 탈염전기투석(DSED)공정, 물분해전기투석(WSED) 공정, 감압증발공정을 연구하였음. 탈염전기투석공정을 이용하여 98%의 숙신산염을 회수할 수 있었음. 탈염전기투석에 의해 1차로 정제된 숙신산염을 acidification시켜주기 위하여 물분해 전기투석을 해본 결과, 숙신산과 NaOH를 09%까지 회수할 수 있었다. 발효액내에 숙신산외에 부산물로 생성되는 아세트산, 포름산, 유산등의 부산물을 제거하고 결정상태의 숙신산을 얻기 위해 감압증발공정을 거친 결고, 부산물의 제거와 숙신산의 높은 회수가 가능함을 확인하였음. 탈염전기투석, 물분해 전기투석, 감압증발공정으로 이어지는 전단계 정제공정을 실제 발효액에 대해서 수행한 결과 85%의 회수율과 99.3%의 순도를 얻을 수 있었음. 연구계획외에 본 연구진이 가지고 잇는 새로운 정제기술인 나노여과를 이용하여 숙신산 발효액내 부산물을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였음. 마지막으로 본 연구에 대한 산업적 가능성을 확인해 보기 위하여 발효 및 분리정제 전 단계에 걸친 예비 경제성 평가를 수행해본 결과 $1/kg ~ $2/kg의 생산단가를 추정하였음.

Abstract ▼

Succinic acid is a common metabolite formed by plants, animals and microorganisms. It is a $C_{4}$ dicarboxylic acid produced as an intermediate of the tricarboxylic acid cycle (TCA) and also as one of the fermentation products of energy metabolism. Many anaerobic microorganisms produce s

Succinic acid is a common metabolite formed by plants, animals and microorganisms. It is a $C_{4}$ dicarboxylic acid produced as an intermediate of the tricarboxylic acid cycle (TCA) and also as one of the fermentation products of energy metabolism. Many anaerobic microorganisms produce succinic acid as the major end-product. Although the industrial potential for succinic acid fermentations was recognized as early as 1980, recently interest has focused on the biological production of succinic acid as an important industrial fermentation process. Green technology is becoming a driving force in the chemical industry because of the current needs to decrease pollution caused by petrochemical processes. While petrochemical processes often use fixed, non-renewable sources and cause global warming by increasing the total amount of carbon in the environment, biobased carbon processes use abundant carbon sources which are continuously recycled because plants or some microorganisms capture $CO_{2}$ in the atmosphere and convert it into their biomass. Consequently, biobased processes have net-zero impact on greenhouse gas emissions. So hydrocarbon, petrochemical based economy needs to be replaced with biobased carbohydrate economy, which is renewable, environmentally reasonable.

목차 Contents

• 제 1장 연구개발과제의 개요...19
• 제 2장 국내외 기술개발 현황...23
• 제 3장 연구개발수행 내용 및 결과...25
• 제 1 절 이론적, 실험적 접근방법...25
• 1. 숙신산의 발효...25
• 가. 숙신산 생산균주에 미치는 생리적 및 환경적 인자연구...25
• (1) Anaerobiospirillum succiniciproducens을 이용한 연속발효...26
• (2) Complex medium과 Semi-defined medium에서의 균주 성장 속도 비교...27
• (3) 초기 포도당 농동, pH 및 $CO_{2}$가 세포성장 및 숙신산 생산에 미치는 영향...27
• (4) 회분식 배양에서 초기 포도당 농도의 영향...27
• (5) 초기 yeast extract 농도 및 Phosphorous 농도의 영향...27
• (6) 수소가스 공급의 영향...28
• (7) 다양한 탄소원 및 질소원의 영향 및 평가...28
• 나. Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 유가식 배양...28
• (1) Constant feeding, intermittent feeding을 이용한 숙신산의 유가식 배양...29
• (2) 균주 성장에 대한 product inhibition...29
• 다. Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 연속배양...29
• (1) 다양한 회석률에서의 숙신산 연속 배양...30
• 라. 외부 막 세포재순환 숙신산 연속배양공정 개발...30
• (1) Actinobacillus succinogenes sp. 130Z를 이용한 막 재순환 연속공정...31
• (2) Mannheimia succiniciproducens MBEL 55E를 이용한 막 재순환 연속공정...31
• 마. 발효 스케일 업 & 리모델링...31
• (1) 발효 스케일-업...33
• (2) 숙신산 발효 공정 모델링...33
• 2. 숙신산의 정제공정...73
• 가. 탈염전기투석공정...73
• (1) 이온교환막의 선정...73
• (2) 한계전류밀도의 측정...73
• (3) 조업방식의 비교...73
• (4) 전류의 영향...74
• (5) Feed 농도의 영향...74
• (6) Permeate 농도의 영향...74
• (7) Feed pH의 영향...75
• (8) 부산물의 제거 및 영향...75
• 나. 물분해 전기투석공정...96
• (1) 전류의 영향...96
• (2) Feed 농도의 영향...96
• 다. 감압증발공정...96
• 라. 나노여과공정...102
• 마. 실발효액을 이용한 숙신산의 정제...102
• 바. 경제성평가...104
• 제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...106
• 제 5장 연구개발결과의 활용계획...109
• 제 6장 참고문헌...111