KR101075602B1 - Mutant Strain of Brettanomyces custersii and Method of Ethanol Production Using the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 갈락토오스 이용 발효능이 뛰어난 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미생물 균주는 갈락토오스 이용 효율이 매우 뛰어나므로, 갈락토오스 함량이 높은 바이오매스, 예컨대 해조류인 홍조류 등으로부터 에탄올을 생산하는 시간과 비용을 획기적으로 개선할 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to a Bretanomyces custersii mutant strain having excellent fermentation ability using galactose and a method for producing ethanol using the same, and the microbial strain according to the present invention has a very high galactose use efficiency, and has a high content of galactose. For example, there is an advantage that can significantly improve the time and cost of producing ethanol from algae, algae.
Description
본 발명은 브레타노마이세스 쿠스테르시이(Brettanomyces custersii) 변이 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갈락토오스 이용 발효능이 뛰어난 신규한 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention is Brettanomyces custersii ) The present invention relates to a mutant strain and a method for producing ethanol using the same, and more particularly, to a novel Bretanomyces custersii mutant strain having excellent fermentation ability using galactose and a method for producing ethanol using the same.
바이오연료는 바이오매스(biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로서, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. 바이오연료의 원료가 되는 물질인 바이오매스는 크게 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)로 나누어지는데, 당질계의 경우 원료를 비교적 간단한 전처리 과정 후 이어지는 발효 공정을 통해 곧바로 바이오연료로 전환이 가능하지만, 전분질계와 목질계의 경우에는 적절한 전처리 과정과 당화 공정을 거친 당화액을 이용한 발효 공정을 통해 바이오연료를 제조할 수 있다. 목질계는 도시 폐기물 형태의 폐목재나 삼림 곳곳에 흩어져 있는 임산 부산물을 원료로 이용할 수 있으며, 식량으로서 활용가치가 없어 원료 수급의 안정성은 확보될 수 있으나, 공정상 반드시 수반되어야 하는 리그닌 제거 전처리 공정으로 인한 공정비 상승과 함께, 목질계 셀룰로오스 기질의 특징인 수소결합으로 이루어진 crystalline 구조로 인해 당화 수율이 낮아 경제성이 낮은 단점이 있다.Biofuel is a generic term for energy obtained by using biomass as a raw material, and is obtained through direct combustion, alcohol fermentation, methane fermentation, and the like. Biomass, a raw material of biofuel, is divided into sugar-based (sugar cane, sugar beet, etc.), starch-based (corn, potato, sweet potato, etc.), and wood-based (wood, rice straw, waste paper, etc.). In the case of raw materials, biofuel can be directly converted into biofuel through a fermentation process following a relatively simple pretreatment process. However, in the case of starch and wood, biofuel is manufactured through fermentation process using saccharified liquid after proper pretreatment and saccharification process. can do. Wood-based materials can use waste wood in the form of urban waste or forest by-products scattered throughout the forest as raw materials, and there is no useful value as food, so the stability of supply and demand of raw materials can be secured, but the lignin removal pretreatment process must be accompanied in the process. Due to the increase in the process cost, due to the crystalline structure consisting of hydrogen bonds, which is a characteristic of the wood-based cellulose substrate, there is a disadvantage that the economic efficiency is low due to low saccharification yield.
바이오 에탄올은 2006년 기준으로 전세계적으로 약 513억 리터 규모로 생산되고 있다. 당질계를 이용한 바이오연료, 구체적으로 바이오에탄올의 전 세계 생산량은 약 187억 리터(2006년 기준)이고, 주요 생산국은 브라질, 인도, 대만이며, 이중 브라질이 178억 리터를 생산할 정도로 브라질이 주도하고 있다(글로벌바이오에너지파트너십(GBEP), 2006). 브라질은 풍부한 자원인 사탕수수를 원료로 수송용 바이오에탄올 생산이 활발히 진행되고 있으며, 실제 다양한 형태의 에탄올 혼합 가솔린(gasohol)이 보급되고 있다. 2003년에는 에탄올과 가솔린의 함량이 변화해도 운행이 가능한 FFV(Flexible Fuel Vehicle)이 판매되기 시작해으며, 2005년 5월 기준으로 총 승용차 판매수의 약 50%를 점유한 상태이다.
As of 2006, bioethanol is produced at around 50.1 billion liters worldwide. The world production of biofuels using saccharides, in particular bioethanol, is about 17.7 billion liters (as of 2006), and the main producers are Brazil, India and Taiwan. (Global Bio Energy Partnership (GBEP), 2006). Brazil is actively producing bioethanol for transportation using sugarcane, which is an abundant resource, and various types of ethanol-mixed gasoline (gasohol) are being spread. In 2003, FFV (Flexible Fuel Vehicle), which can operate even if the ethanol and gasoline contents change, began to be sold. As of May 2005, it occupied about 50% of the total sales of passenger cars.
한편, 해조류는 크게 대형조류(macroalgae)와 미세조류(microalgae)로 나누어지며 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 해조류의 생산량은 전 세계적으로 연간 약 1,400만 톤에 달하며 2020년에는 약 2,200만 톤 이상으로 증가될 것으로 예측되고 있다. 이러한 생산량은 전체 양식 생산량의 약 23%에 해당하는 것으로서, 이 중 90% 이상이 미역, 다시마 등의 갈조류와 김, 우뭇가사리, 꼬시래기 등의 홍조류로 이루어져 있다. 우리나라의 해조류 양식 생산량은 현재 약 50만 톤으로 90년대 중반의 약 70만 톤 보다는 다소 줄어들었으나, 양식 어장의 총 면적은 약 7만 ha로 90년대 중반의 약 6만 ha보다 증가하였다. 이들 해조류 중에서도 특히 홍조류는 생장성이 우수하고, 가용 재배 면적이 넓으며, 우리나라 근해에서 연 4회 수확이 가능하고, 동남아의 아열대 기후를 이용할 경우 연 6회까지 수확이 가능한 해양 유래 바이오매스이다. 또한, 담수, 토지, 비료 등 원가가 높은 자원의 사용이 적을 뿐 아니라, 목질계의 경우 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없으므로 제조공정이 간단하여 에탄올을 전분질계 수준으로 생산 가능할 것으로 예상되고 있다. 한 예로 모로코산 우뭇가사리인 겔리디움 아만시(Gelidium amansii, Morocco) 원초의 구성성분 중에 탄수화물(우무 및 섬유소)이 70-80%이며 비탄수화물(단백질, 지질 및 기타) 함량은 20-30%로 다른 해조류보다 탄수화물 함량이 높아 에탄올 생산 원료로서 가장 효율적으로 이용될 수 있다(표 1). 특히 갈락토오스(galactose)가 전체 건조 중량 중 26%, 탄수화물 중 34%를 차지하고, 글루코오스는 섬유소(cellulose)의 형태로 전체 건조 중량 중 17%, 탄수화물 중 22%를 차지하는 것으로 알려져 있다.On the other hand, algae are largely divided into macroalgae and microalgae, and large algae include red algae, brown algae, green algae, microalgae, chlorella and spirulina. Seaweed production is estimated at around 14 million tonnes per year worldwide and is expected to increase to more than 22 million tonnes by 2020. These production amounts to about 23% of the total aquaculture production, more than 90% of which consists of brown seaweed such as seaweed and kelp, and red algae such as laver, seaweed, and stalks. The production of algae farming in Korea is now about 500,000 tons, which is somewhat lower than about 700,000 tons in the mid-90s, but the total area of the farms is about 70,000 ha, which is higher than about 60,000 ha in the mid-90s. Among these algae, red algae are particularly marine-derived biomass that has excellent growth potential, wide available cultivation area, can be harvested four times a year in the waters of Korea, and can be harvested up to six times a year using the subtropical climate of Southeast Asia. In addition, the use of high cost resources such as freshwater, land, and fertilizers is low, and in the case of wood, there is no lignin component that must be removed, so the manufacturing process is simple and ethanol is expected to be produced at the starch level. For example, Gelidium, Gelidium , a Moroccan loot amansii , Morocco) 70-80% of carbohydrates (milk and fiber) and 20-30% of carbohydrates (protein, lipids, and other) are the most efficient as ethanol-producing raw materials. It can be used as (Table 1). In particular, galactose accounts for 26% of total dry weight and 34% of carbohydrates, and glucose is known to form 17% of total dry weight and 22% of carbohydrates in the form of cellulose.
(%)Cellulose (fiber)
(%)
(%)Other (protein, lipids, ash)
(%)
현재 에탄올 발효에 주로 이용되는 미생물인 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae), 브레타노마이세스 쿠스테르시이 등은 글루코오스에 비해 갈락토오스 이용 발효능이 낮은 것으로 보고되고 있다(Keating et al. (2004), Characterization of a unique ethanologenic yeast capable of fermenting galactose, Enzyme and Microbioal Technology, Vol. 35, pp. 242-253). 따라서, 홍조류와 같이 갈락토오스 함량이 높은 바이오매스를 에탄올로 효과적으로 전환시키기 위해서는 갈락토오스 이용능이 뛰어난 새로운 균주의 발굴이 요구되는 실정이다.
Currently, Saccharomyces cerevisiae and Bretanomyces custersii, microorganisms mainly used for ethanol fermentation, have been reported to have lower fermentation capacity using galactose than glucose (Keating et al. (2004). ), Characterization of a unique ethanologenic yeast capable of fermenting galactose, Enzyme and Microbioal Technology, Vol. 35, pp. 242-253). Therefore, in order to effectively convert biomass with a high content of galactose, such as red algae, to ethanol, it is necessary to discover a new strain having excellent galactose availability.
본 발명은 상기와 같은 종래 에탄올 발효 균주 및 이를 이용한 바이오연료 제조 방법상의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 종래 발효 시에 문제가 되었던 낮은 갈락토오스 이용률을 개선하여 갈락토오스 이용 발효능이 뛰어난 신규한 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention has been made to improve the problems of the conventional ethanol fermentation strain and the biofuel manufacturing method using the same, a novel strain having excellent galactose use fermentation ability by improving the low galactose utilization which was a problem in the conventional fermentation and It is an object to provide a method for producing ethanol using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소원을 이용하여 에탄올을 발효시킬 수 있는 브레타노마이세스 쿠스테르시이 종에 속하는 신규한 미생물 균주를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a novel microbial strain belonging to Bretanomyces custersii species that can ferment ethanol using a carbon source.
본 발명의 미생물 균주는 자연계로부터 발굴된 브레타노마이세스 쿠스테르시이 효모 모균주를 자외선 조사에 의해 돌연변이시켜 얻었으며, 상기 미생물 균주는 2009년 3월 5일자로 한국생명공학연구원 한국생물자원센터에 기탁되어 있다(수탁번호: KCTC18154P). 본 발명의 브레타노마이세스 쿠스테르시이 KCTC18154P 미생물 균주는 다음과 같은 균학적 성질을 갖는다.The microbial strain of the present invention was obtained by mutating Bretanomyces custersii yeast strains discovered from nature by ultraviolet irradiation, and the microbial strains were transmitted to the Korea Biotechnology Center of Korea Biotechnology Research Institute on March 5, 2009. Deposited (Accession Number: KCTC18154P). Bretanomyces custersii KCTC18154P microbial strain of the present invention has the following microbial properties.
가. 형태학적 특성end. Morphological characteristics
- 효모로서 난형 및 타원형이며 ,크기는 3-10×3-20 ㎛이다.-Yeast ovate and elliptical, 3-10 × 3-20 ㎛.
나. 배양시기의 특성I. Characteristics of incubation period
- 액상 배양시 구형, 난형, 원통, 타원형을 나타내며, 출아법으로 번식한다.-It shows spherical shape, ovoid shape, cylinder shape and oval shape in liquid culture and breeds by germination method.
다. 생리학적 특성All. Physiological properties
- 통기성-Breathable
- 생육 온도: 20-40℃-Growth temperature: 20-40 ℃
- 최적 생육 온도: 25-33℃-Optimum growth temperature: 25-33 ℃
- 생육 pH: 4.0-7.0-Growth pH: 4.0-7.0
- 최적 생육 pH: 4.8-5.5Optimum growth pH: 4.8-5.5
- 발효 최적 온도: 27-30℃-Optimum temperature for fermentation: 27-30 ℃
라. 이용하는 탄소원: 포도당, 설탕, 맥아당, 갈락토오스la. Carbon Sources Used: Glucose, Sugar, Maltose, Galactose
또한, 상기 탄소원으로는 단당류, 이당류, 다당류를 포함하는 임의의 조성물이 사용될 수 있다. 상기 단당류로는 갈락토오스, 글루코오스, 프룩토오스 등이 있고, 상기 이당류로는 수크로오스, 말토오스, 락토오스 등이 있으며, 상기 다당류로는 우무, 전분, 섬유소, 카라기난, 알긴산 등을 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 이외의 다른 탄소원들도 제한없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 이들 탄소원은 바이오매스, 예컨대 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등), 또는 해조류로부터 추출될 수 있다.
In addition, any composition including monosaccharides, disaccharides, and polysaccharides may be used as the carbon source. The monosaccharides include galactose, glucose, fructose, and the like, and the disaccharides include sucrose, maltose, lactose, and the like, and the polysaccharides include daikon radish, starch, fiber, carrageenan, alginic acid, and the like. However, other carbon sources may be used without limitation. Preferably these carbon sources can be extracted from biomass such as sugar based (sugar cane, sugar beets, etc.), starch based (corn, potatoes, sweet potatoes, etc.), wood based (wood, rice straw, waste paper, etc.), or seaweeds.
또한, 본 발명은 상기 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주를 이용한 에탄올 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing ethanol using the Bretanomyces custersii mutant strain.
본 발명의 에탄올 제조 방법은Ethanol production method of the present invention
(1) 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주(수탁번호: KCTC18154P)를 배양배지에 접종하여 전배양하는 단계; 및(1) preculturing by inoculating Bretanomyces custersii mutant strain (Accession Number: KCTC18154P) into the culture medium; And
(2) 상기 전배양액을 탄소원을 함유하는 발효조에 첨가하여 에탄올 발효시키는 단계를 포함한다.(2) adding the preculture to a fermenter containing a carbon source to ethanol fermentation.
단계 (1)에 있어서, 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주의 전배양은 20-40℃, 바람직하게는 약 30℃의 배양 온도에서 50-300 rpm, 바람직하게는 약 150 rpm으로 호기성 상태에서 배양하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 배양배지는 YEPD(yeast extract 10 g/ℓ, peptone 20 g/ℓ, dextrose 20 g/ℓ) 배지를 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 미생물 배양배지를 제한없이 사용할 수 있다.In step (1), the preculture of the Bretanomyces custersii variant strain is aerobic at 50-300 rpm, preferably about 150 rpm, at a culture temperature of 20-40 ° C., preferably about 30 ° C. It is preferable to culture. In addition, the culture medium is preferably YEPD (yeast extract 10 g / l, peptone 20 g / l, dextrose 20 g / l) medium, but is not limited to this, can be used without limitation microbial culture medium have.
단계 (2)에 있어서, 상기 에탄올 발효는 20-40℃, 바람직하게는 약 30℃의 배양 온도에서 혐기성 상태에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 초기 pH는 5.0 내지 5.5, 접종량은 20 내지 30% 중량부인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소원으로는 단당류, 이당류, 다당류를 포함하는 임의의 조성물이 사용될 수 있다. 상기 단당류로는 갈락토오스, 글루코오스, 프룩토오스 등이 있고, 상기 이당류로는 수크로오스, 말토오스, 락토오스 등이 있으며, 상기 다당류로는 우무, 전분, 섬유소, 카라기난, 알긴산 등을 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 이외의 다른 탄소원들도 제한없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 이들 탄소원은 바이오매스, 예컨대 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등), 또는 해조류로부터 추출될 수 있다. 상기 해조류로는 홍조류, 갈조류, 녹조류 등 대형조류가 제한없이 사용될 수 있다. 상기 홍조류로는 우뭇가사리, 김, 코토니, 개도박, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목, 지누아리 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이 중에서도 우뭇가사리를 사용하는 것이 바람직하다. 우뭇가사리는 홍조류중에서 종의 종류가 가장 다양하고 생장성이 우수하며, 건조중량 기준으로 셀룰로오스 성분인 섬유소가 약 15∼25%, 갈락탄이 주성분인 우무가 약 50∼70% 정도 차지하며, 이 외에 15% 미만의 단백질과 7% 미만의 지질로 구성되어 있다. 상기 갈조류로는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이, 톳 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 갈조류는 다세포체이고, 조류 중에서 가장 잘 분화되어 있다. 상기 녹조류로는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 녹조류는 엽록소를 갖고 있어 광합성에 의해 전분류를 만든다. 상기 갈조류와 녹조류의 구성성분을 살펴보면, 갈조류에는 알긴산이 약 30∼40%, 섬유소가 약 5∼6% 포함되어 있고, 녹조류에는 탄수화물이 주성분인 전분류가 약 40∼50%, 섬유소가 5% 미만 함유되어 있다.In step (2), the ethanol fermentation is preferably carried out in an anaerobic state at a culture temperature of 20-40 ℃, preferably about 30 ℃. In addition, the initial pH is preferably 5.0 to 5.5, the inoculation amount is 20 to 30% by weight, but is not necessarily limited thereto. In addition, any composition including monosaccharides, disaccharides, and polysaccharides may be used as the carbon source. The monosaccharides include galactose, glucose, fructose, and the like, and the disaccharides include sucrose, maltose, lactose, and the like, and the polysaccharides include daikon radish, starch, fiber, carrageenan, alginic acid, and the like. However, other carbon sources may be used without limitation. Preferably these carbon sources can be extracted from biomass such as sugar based (sugar cane, sugar beets, etc.), starch based (corn, potatoes, sweet potatoes, etc.), wood based (wood, rice straw, waste paper, etc.), or seaweeds. As the algae, large algae such as red algae, brown algae and green algae may be used without limitation. As the red algae, wood starfish, laver, kotoni, dog gambling, round stone laver, ox radish, buckwheat, green grass, walnut, jindubal, sesame gourd, spiny radish, silk grass, vulgaris, stone star, stone tree, jinari But it is not limited thereto, and among them, it is preferable to use a stump. The most popular species of red algae are the most diverse species, and the growth is excellent. The dry weight accounts for about 15-25% of cellulose, cellulose, and about 50-70% of galactan. It consists of less than 15% protein and less than 7% lipid. As the brown algae, seaweed, kelp, barn horse, folk eggplant, shellfish, hooked seaweed, seaweed, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, iron seaweed cousin, mabanban, hoesan mabanban, jichungyi, 톳 and the like may be used. It doesn't happen. Brown algae are multicellular bodies and are best differentiated among algae. The green algae may be used, but are not limited to Cheongtae, Hakkham, blue, auditory, bead hearing, jade, salt-jumping, and the like. Green algae have chlorophyll and make starch by photosynthesis. Looking at the components of brown algae and green algae, brown algae contain about 30-40% of alginic acid and about 5-6% of fibrin, and green algae contain about 40-50% of starch, the main component of carbohydrate, and 5% of fibrin. It contains less than.
상기 바이오매스로부터 우무, 섬유소, 전분, 카라기난, 알긴산 등과 같은 다당류 물질을 추출하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술분야에 알려진 어떠한 방법도 사용가능하다. 한 바람직한 구현예에 따르면, 바이오매스, 예컨대 해조류를 알칼리 수용액에 일정시간 침지시킨 후 물로 세척하고, 상기 세척된 해조류를 산성 약품으로 이루어진 추출용매에 일정시간 침지시켜 우무, 카라기난, 알긴산 성분을 추출한 후, 잔여 섬유소 및 전분류를 수집하는 단계를 통해 우무, 카라기난, 알긴산 성분 및 전분 또는 섬유소를 추출할 수 있다. 이때, 추출 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 80∼150℃ 범위인 것이 바람직하다. 상기 산성 약품으로는 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4 (perchloric acid), H3PO4 (phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) 또는 상용 고체산 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 알칼리 수용액으로는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아 수용액 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이와같이 추출된 우무, 전분, 섬유소, 카라기난, 알긴산 등과 같은 다당류 물질 추출물에 적절한 분해효소 및/또는 가수분해 촉매를 처리하여 당화시킴으로써 단당류를 얻을 수 있다.
The method for extracting polysaccharide materials such as radish, cellulose, starch, carrageenan, alginic acid and the like from the biomass is not particularly limited, and any method known in the art may be used. According to one preferred embodiment, the biomass, for example, seaweeds are immersed in an aqueous alkali solution for a predetermined time and then washed with water, and the washed seaweeds are immersed in an extraction solvent made of an acidic chemical for a predetermined time to extract the radish, carrageenan, and alginic acid components. The step of collecting residual fibrin and starch may extract the radish, carrageenan, alginic acid and starch or fiber. At this time, the extraction temperature is not particularly limited, but is preferably in the range of 80 to 150 ° C. The acidic agent may be H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 (perchloric acid), H 3 PO 4 (phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) or a commercial solid. Acids and the like, but is not necessarily limited thereto, and the alkali aqueous solution may include potassium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, aqueous ammonia solution, but is not necessarily limited thereto. The monosaccharide can be obtained by treating the polysaccharide substance extracts such as radish, starch, fibrin, carrageenan, alginic acid, and the like with appropriate enzymes and / or hydrolysis catalysts.
본 발명에 따른 미생물 균주는 갈락토오스 이용 효율이 매우 뛰어나므로, 갈락토오스 함량이 높은 바이오매스, 예컨대 해조류인 홍조류 등으로부터 에탄올을 생산하는 시간과 비용을 획기적으로 개선할 수 있다.
Since the microbial strain according to the present invention has excellent galactose utilization efficiency, it is possible to drastically improve the time and cost of producing ethanol from biomass having a high galactose content, such as algae red algae.
도 1은 본 발명의 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주를 이용한 고농도 갈락토오스/글루코오스 혼합당 발효 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 종래 브레타노마이세스 쿠스테르시이 균주를 이용한 고농도 갈락토오스/글루코오스 혼합당 발효 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주의 우뭇가사리 원초 당화액 발효 결과를 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing a fermentation result of a high concentration of galactose / glucose using the Bretanomyces custersii mutant strain of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the results of fermentation of high concentration of galactose / glucose using the conventional Bretanomyces custersii strain.
Figure 3 is a graph showing the results of fermentation of the native sugar saccharin of Bretanomyces custersii mutant strain of the present invention.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are only illustrative of the present invention in detail, and the content of the present invention is not limited by the examples.
실시예 1: 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주의 제조Example 1 Preparation of Bretanomyces Custersii Mutant Strains
섬유소계 바이오매스를 증기폭쇄하여 얻은 당화액-한천배지에서 배양된 모균주 브레타노마이세스 쿠스테르시이를 파장 245 ㎚의 자외선을 이용하여 1,200 erg/㎟의 에너지를 조사하여 인공 돌연변이를 유발시켰다. 이와 같이 처리된 배양액을 평판 배지(galactose 2%, yeast extract 1%, peptone 2%, agar 1.5%) 위에 접종 도말한 후, 30℃에서 3일간 배양하여 생장이 양호한 콜로니만을 분리하여 계대 배양하였다. 이로부터 분리된 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주와 모균주를 갈락토오스 2, 3, 4 wt% 당액을 이용하여 최적 발효조건에서 3일간 발효하여 발효 수율을 분석한 결과, 상기 변이 균주가 모균주에 비해 25% 이상 높은 발효 수율을 나타내었다. 또한, 유전적 안정성을 확인하기 위하여 20세대에 이를 때까지 계대 배양을 계속하면서 각 세대마다 갈락토오스 발효능을 확인한 결과, 상기 변이 균주는 20세대에 이를 때까지 1차 배양 변이 균주와의 발효성능이 동일한 수준인 것으로 나타났다. 본 발명자들은 상기 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주를 2009년 3월 5일자로 한국생명공학연구원 한국생물자원센터에 기탁하였다(수탁번호: KCTC18154P). 상기 브렌타노마이세스 쿠스테르시이 KCTC18154P 균주는 다음과 같은 균학적 특징을 갖는 것으로 나타났다.The mother strain Bretanomyces custersii cultured in the saccharified liquid-agar medium obtained by steam-exposure of fibrin-based biomass was irradiated with energy of 1,200 erg /
가. 형태학적 특성end. Morphological characteristics
- 효모로서 난형 및 타원형이며 ,크기는 3-10×3-20 ㎛이다.-Yeast ovate and elliptical, 3-10 × 3-20 ㎛.
나. 배양시기의 특성I. Characteristics of incubation period
- 액상 배양시 구형, 난형, 원통, 타원형을 나타내며, 출아법으로 번식한다.-It shows spherical shape, ovoid shape, cylinder shape and oval shape in liquid culture and breeds by germination method.
다. 생리학적 특성All. Physiological properties
- 통기성-Breathable
- 생육 온도: 20-40℃-Growth temperature: 20-40 ℃
- 최적 생육 온도: 25-33℃-Optimum growth temperature: 25-33 ℃
- 생육 pH: 4.0-7.0-Growth pH: 4.0-7.0
- 최적 생육 pH: 4.8-5.5Optimum growth pH: 4.8-5.5
- 발효 최적 온도: 27-30℃-Optimum temperature for fermentation: 27-30 ℃
라. 이용하는 탄소원: 포도당, 설탕, 맥아당, 갈락토오스
la. Carbon Sources Used: Glucose, Sugar, Maltose, Galactose
실시예Example 2. 2. 브레타노마이세스Bretanomyces 쿠스테르시이Custerssee 변이 균주와 종래 Mutant strains and conventional 브레타노마이세스Bretanomyces 쿠Ku 스테르시이 균주의 갈락토오스/글루코오스 Galactose / Glucose of Sterciy Strains 혼합당Mixed sugar 발효 비교 Fermentation comparison
본 발명의 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주와 종래 브레타노마이세스 쿠스테리시이 KCCM11490 균주와의 비교 실험을 동일한 고농도 혼합당 조건(초기 갈락토오스 75 g/ℓ, 글루코오스 25 g/ℓ)에서 수행하였다. 이를 위하여, 고형배지에 보존 중인 균주를 YEPD(yeast extract 10 g/ℓ, peptone 20 g/ℓ, dextrose 20 g/ℓ) 배지에 백금이로 접종한 후 30℃에서 150 rpm으로 교반하면서 24시간동안 호기성 상태에서 전배양하였다. 발효 실험은 전배양액 25%가 접종된 150 ㎖ 배지(yeast extract 10 g/ℓ, peptone 20 g/ℓ, galactose 50, 75, 100, 120 g/ℓ)에서 초기 pH 5.0-5.5, 온도 30℃에서 48시간 동안 혐기성 상태에서 진행하였다.Comparative experiments of the Bretanomyces custersii mutant strain of the present invention and the conventional Bretanomyces custerishi KCCM11490 strain were carried out under the same high concentration of mixed sugars (initial galactose 75 g / l, glucose 25 g / l). . To this end, the strain preserved in a solid medium was inoculated with platinum in YEPD (yeast extract 10 g / l, peptone 20 g / l, dextrose 20 g / l) medium, and stirred at 30 rpm at 150 ° C. for 24 hours. Preculture in aerobic state. Fermentation experiments were performed in 150 ml medium (yeast extract 10 g / l, peptone 20 g / l,
그 결과, 본 발명의 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주의 갈락토오스 소비율과 최대 에탄올 농도는 각각 90.6%와 40.3 g/ℓ로 나타났으며(도 1), 이와 대조적으로 종래 브레타노마이세스 쿠스테리시이 KCCM11490 균주의 갈락토오스 소비율과 최대 에탄올 농도는 각각 60.1%와 10.0 g/ℓ로 나타났다(도 2). 상기 결과로부터, 본 발명의 변이 균주가 종래 미생물 균주에 비해 에탄올 발효 효율이 월등히 높다는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 신규한 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주가 갈락토오스 함량이 높은 혼합당 조건에서의 에탄올 발효에 유용함을 확인하였다. 한편, 육탄당이 에탄올로 전환되는 최대값(0.51 g 에탄올/g 육탄당)을 기준으로 할 때(아래 식 참조), 본 실시예에서 확인된 에탄올 수율은 79.0%였다.As a result, the galactose consumption rate and the maximum ethanol concentration of the Bretanomyces custersii mutant strains of the present invention were 90.6% and 40.3 g / l, respectively (Fig. 1). In contrast, the conventional Bretanomyces costerie The galactose consumption rate and the maximum ethanol concentration of Shi KKCM11490 strain were 60.1% and 10.0 g / l, respectively (FIG. 2). From the above results, it can be seen that the mutant strain of the present invention is significantly higher in ethanol fermentation efficiency than the conventional microbial strain, through which the novel Bretanomyces custersii mutant strain of the present invention has high galactose content. It was found to be useful for ethanol fermentation in. On the other hand, based on the maximum value (0.51 g ethanol / g hex charcoal) is converted to ethanol (see formula below), the ethanol yield confirmed in this example was 79.0%.
C6H12O6 (갈락토오스 또는 글루코오스) → 2CH3CH2OH (에탄올) + 2CO2
C 6 H 12 O 6 (galactose or glucose) → 2CH 3 CH 2 OH (ethanol) + 2CO 2
실시예Example 3. 3. 브레타노마이세스Bretanomyces 쿠스테르시이Custersi 변이 균주의 우뭇가사리 원초 Root of the Mutant Strain 당화액Saccharification 발효율 조사 Investigation of efficiency
갈락토오스 함량이 높은 대표적인 바이오매스인 홍조류 중 우뭇가사리 원초 당화액으로부터 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주를 이용한 에탄올 발효를 수행하였다. 이를 위하여, 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주의 전배양액은 상기 실시예 2에서 기술한 바와 동일하게 제조하였으며, 발효 실험은 전배양액 25%가 접종된 우뭇가사리 당화액 150 ㎖를 온도 30℃에서 48시간 동안 혐기성 상태에서 진행하였다. 우뭇가사리 원초 당화액은 모로코산 우뭇가사리 원초를 산당화하여 제조하였다. 산당화 조건은 고체/액체 비(solid/liquid ratio) 15%, 150℃, 15 분이었으며, 촉매는 H2SO4 1%를 사용하였다. 초기 갈락토오스 및 글루코오스 농도는 각각 34.8, 9.5 g/ℓ였다.Ethanol fermentation was carried out using Bretanomyces custersii mutant strains from the root saccharin of red algae, a representative biomass with a high galactose content. To this end, the preculture of the Bretanomyces custersii mutant strain was prepared in the same manner as described in Example 2, and the fermentation experiment was carried out with 150 ml of saponin saccharified solution inoculated with 25% of the preculture solution at a temperature of 30 ° C. It proceeded in anaerobic state for hours. The root sugar saccharification liquid was prepared by acidifying the Moroccan root grass native. Acid glycosylation conditions were 15% solids / liquid ratio, 150 ° C., 15 minutes, and the catalyst used H 2 SO 4 1%. Initial galactose and glucose concentrations were 34.8 and 9.5 g / l, respectively.
그 결과, 48시간 발효 후 갈락토오스와 글루코오스는 각각 89.6%, 100% 소비되었으며, 최종 에탄올 농도는 18.2 g/ℓ였다 (도 3). 에탄올 수율은 80.4%로 나타나, 본 발명에서 제공하는 변이 균주와 에탄올 제조 방법이 갈락토오스를 함유한 바이오매스의 에탄올 발효에 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
As a result, after 48 hours of fermentation, galactose and glucose were consumed 89.6% and 100%, respectively, and the final ethanol concentration was 18.2 g / l (FIG. 3). Ethanol yield was 80.4%, it was confirmed that the variant strain and ethanol production method provided in the present invention can be useful for ethanol fermentation of biomass containing galactose.
Claims (17)
상기 탄소원은 단당류, 이당류 및 다당류로 구성된 군으로부터 선택되는 브레타노마이세스 쿠스테르시이 변이 균주.The method according to claim 1,
The carbon source is a Bretanomyces custersii variant strain selected from the group consisting of monosaccharides, disaccharides and polysaccharides.
(2) 상기 전배양액을 탄소원을 함유하는 발효조에 첨가하여 에탄올 발효시키는 단계를 포함하는 에탄올 제조 방법.(1) preincubation of the Bretanomyces custersy mutant strain (Accession Number: KCTC18154P) of claim 1 in a culture medium; And
(2) ethanol production method comprising the step of adding the pre-culture solution to the fermentation tank containing a carbon source to ethanol fermentation.
단계 (1)의 전배양은 20-40℃의 배양 온도에서 50-300 rpm으로 호기성 상태에서 배양하는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 3,
The pre-culture of step (1) is ethanol production method of culturing in aerobic state at 50-300 rpm at a culture temperature of 20-40 ℃.
단계 (1)의 배양배지는 YEPD(yeast extract 10 g/ℓ, peptone 20 g/ℓ, dextrose 20 g/ℓ) 배지인 에탄올 제조 방법.The method according to claim 3,
The culture medium of step (1) is ethanol production method of YEPD (yeast extract 10 g / l, peptone 20 g / l, dextrose 20 g / l) medium.
상기 에탄올 발효는 20-40℃의 배양 온도에서 혐기성 상태에서 수행하는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 3,
The ethanol fermentation is ethanol production method carried out in an anaerobic state at a culture temperature of 20-40 ℃.
상기 탄소원은 단당류, 이당류 및 다당류로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 3,
The carbon source is ethanol production method selected from the group consisting of monosaccharides, disaccharides and polysaccharides.
상기 단당류는 갈락토오스, 글루코오스 및 프룩토오스로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 7,
Wherein said monosaccharide is selected from the group consisting of galactose, glucose and fructose.
상기 이당류는 수크로오스, 말토오스 및 락토오스로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 7,
The disaccharide is ethanol production method selected from the group consisting of sucrose, maltose and lactose.
상기 다당류는 우무, 전분, 섬유소, 카라기난 및 알긴산으로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 7,
The polysaccharide is ethanol production method selected from the group consisting of radish, starch, fibrin, carrageenan and alginic acid.
상기 탄소원은 당질계, 전분질계, 목질계 및 해조류로 구성된 군으로부터 선택되는 원료로부터 추출되는 에탄올 제조 방법.The method according to any one of claims 7 to 10,
The carbon source is an ethanol production method is extracted from a raw material selected from the group consisting of sugar, starch, wood and algae.
상기 해조류는 홍조류, 갈조류 및 녹조류로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method of claim 11,
The seaweed is ethanol production method selected from the group consisting of red algae, brown algae and green algae.
상기 홍조류는 우뭇가사리, 김, 코토니, 개도박, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 및 지누아리로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method of claim 12,
The red algae are from the group consisting of woodworm, laver, kotoney, dog gambling, boulder, ox radish, buckwheat, buckwheat fern, pansy, jindubal, gambling gourd, spiny radish, silk grass, vulgaris, stone star, stone tree and zinnia Ethanol manufacturing method selected.
상기 갈조류는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이 및 톳으로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method of claim 12,
The brown algae is prepared from ethanol selected from the group consisting of brown seaweed, seaweed, sea bream, walnut malt, shellfish, falcon, seaweed, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, sesame seaweed cousin, mabanban, hoesan mabanban, worms Way.
상기 녹조류는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴 및 염주말로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method of claim 12,
The green alga is ethanol production method selected from the group consisting of Cheongtae, Hakkham, green, hearing, bead hearing, jade and salt jujube.
상기 해조류로 부터의 탄소원의 추출은 해조류를 알칼리 수용액에 침지시킨 후 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 해조류를 추출용매에 일정시간 침지시키는 단계를 통해 수행되는 에탄올 제조 방법.The method of claim 11,
Extraction of the carbon source from the algae is the step of immersing the algae in an aqueous alkali solution and washing with water; And ethanol production step of immersing the washed algae in an extraction solvent for a predetermined time.
상기 추출용매는 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4, H3PO4, PTSA 및 상용 고체산으로 구성된 군으로부터 선택되는 에탄올 제조 방법.The method according to claim 16,
The extractant is H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 , H 3 PO 4 , PTSA and a commercial solid acid is selected from the group consisting of solid acids.
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