KR101317421B1 - 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에 ｋｌ１７ 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법 - Google Patents

갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에 ｋｌ１７ 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토양으로부터 분리된 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17은 갈락토오스를 유일의 탄소원으로 하여 발효하는 특성을 지닌 균주로서 뛰어난 세포성장 및 에탄올 생산 효과를 가지며, 유전적으로 조작되지 않은 균주라는 점에서 높은 안정성을 가져 산업용 균주로서 적합하다.

Description

갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에 ＫＬ１７ 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법{Saccharomyces cerevisiae KL17 Having Ehtanol Producing Ability Using Galactose and Method for Producing Ethanol Using the Same}
본 발명은 토양으로부터 분리된 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
현재 우리나라의 에너지 수입의존도는 97%에 달하며(한국석유공사), 급격한 화석연료 사용량의 증가로 인해 세계 모든 지역의 원유 매장량이 급격하게 줄어들고 있고, 2007년 오일피크(oilpeak) 이후에는 원유 생산량이 감소할 뿐만 아니라 산유국이 생산량을 조절함에 따라 원유 가격의 상승은 더욱 가속화될 전망이다. 또한 전기수요가 증가하고, 산업이 발달함에 따라 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석에너지 소비량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 전망되고 있지만, 고갈되어 가는 화석연료 때문에 이들을 대체할 만한 재생연료의 개발이 시급한 것이 현실이다.
또한, 화석연료의 소비증가에 따라 대기로 배출되는 이산화탄소의 양도 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있으며, 인류의 산업 활동에 의한 온실가스의 증가는 지구에서 방사되는 열을 다시 흡수함으로써 지구의 온도를 올리게 되어 21세기 말의 극지의 온도는 현재보다 7~8도 정도 상승할 것으로 예측되고 있다. 이에 비해 재생가능한 연료인 바이오연료는 화석연료에 비해 상대적으로 매우 적은 양의 온실가스를 배출하며, 바이오연료의 원료인 식물은 햇빛과 대기 중 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하고, 산소를 생산해내므로 탄소 중립인 풍력, 조력, 지열, 태양열·태양광 등의 다른 신재생에너지보다 유리한 장점이 된다. 특히 현재 연구되고 있는 신재생에너지 부문 중 수송분야는 액체연료가 당분간 사용되어야 할 것으로 판단되어 바이오연료의 중요성은 더욱 부각되고 있다.
옥수수나 사탕수수를 발효하여 처리하면 수송용 연료를 대체할 수 있는 에탄올이 생기고, 콩이나 유채기름 및 열대식물인 자트로파에서 기름을 추출하여 차량 엔진에 사용할 수 있도록 기름의 성질을 약간만 변화시켜 주면 바이오디젤이 만들어진다. 그런데 옥수수, 콩 및 사탕수수 등은 인간이 필요로 하는 식량 원료이기 때문에 그 위험성을 내포하고 있다. 실제로 미국, 브라질 및 독일 등을 비롯한 선진국에서는 바이오에탄올 시장을 폭발적으로 형성시킨 결과, 전 세계 곡물 가격의 폭등으로 이어진 원인 중 하나가 되었다. 특히 미국의 경우에, 밀농사 가구가 옥수수의 판매 가격 상승에 편승하여 옥수수 농사로 전환하는 바람에 밀 생산이 대폭 감소하여 식량 원료의 부족사태 및 가격 상승을 부추기는 결과로 이어졌다. 우리나라 또한 국토가 좁아 식량 수급 및 가격 문제가 국가적인 이슈로 떠오르고 있다. 또한 녹색성장의 한축을 담당할 수 있는 육상작물 바이오연료의 개발과 소비를 충족하기 위해서는 넓은 경작 토지 면적과 지속적인 생산성을 갖추어 원료 공급의 안정성을 충족해야 한다.
한편, 바다에는 생태계 구성요인 중 가장 중요한 1차 생산자인 해양조류(해조류와 미세조류)가 풍부하다. 해양조류를 원료로 바이오연료를 개발할 경우, 육상식물 대비 단위면적당 생산량 100~150배 이상, 지역에 따라서는 연중 수확이 가능하므로 식량자원 수급불안 및 원재료 가격 상승 등 육상식물에 기반을 둔 바이오연료 개발의 한계를 극복할 수 있다. 기본적으로 해양조류의 가장 큰 특징은 광합성을 통해 이산화탄소를 제거하는 큰 효과(대형해조류는 육상식물의 3.5배, 미세조류는 50배 이상)가 있으며, 바이오에탄올의 원료인 다당류는 대부분의 대형해조류에서 건조 중량당 50% 이상을 저장하고 있으므로, 육상작물에 비해 상대적으로 높은 원료 공급원이 될 수 있다(Biosafety, 10:3, 2009).
대형해조류에는 녹조류(green algae), 갈조류(brown algae), 홍조류(red algae)의 세 종류가 있으며, 특히, 홍조류는 바다 속에 다량 존재하고 있으나 이용률이 높지 않은 수산자원으로 갈락탄 60%, 글루칸 20%, 단백질 10% 및 기타 10%로 구성되어 있어 에탄올 발효에 이용될 수 있는 탄수화물의 구성성분비가 높아 에탄올 생산에 적합하다. 홍조류에서 추출된 cellulose 섬유는 식물계 cellulose 섬유보다 상대적으로 일정한 지름을 가지기 때문에 식물성 cellulose의 단점으로 지적되고 있는, 하나의 섬유 내에서의 크기 불균형에 의한 복합재료 물성 변화에 대한 영향을 상대적으로 줄일 수 있어 홍조류 펄프는 기존의 펄프보다 월등한 품질을 가지는 것으로 보고되었다.
따라서, 홍조류 바이오매스를 기질로 이용하여 에탄올 발효를 수행하기 위해서는 당화 산물인 갈락토오스를 효과적으로 사용하는 바이오에탄올 생산균주의 개발이 최우선적으로 필요하다.
미국 등록특허 제 5744330 호에서는 유청으로부터 에탄올을 생산하기 위하여, 탄소원으로 갈락토오스를 이용하는 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)를 이용하였다. 그러나 상기 선행문헌의 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)는 글루코오스의 존재하에서만 갈락토오스를 탄소원으로 이용할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 갈락토오스로부터 바이오에탄올을 생산하는 신균주를 개발하고자 예의 노력한 결과, 갈락토오스를 유일의 탄소원으로 하여 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC11493P)을 배양할 경우, 높은 에탄올 생산 속도 및 세포성장 속도를 나타내는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)를 이용한 갈락토오스로부터 에탄올의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 균주를 배지에서 배양하여 에탄올을 생성시킨 다음, 배양액으로부터 에탄올을 회수하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 신균주 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17은 갈락토오스를 유일의 탄소원으로 하여 발효하는 특성을 지닌 균주로서 뛰어난 세포성장 및 에탄올 생산 효과를 가지며, 유전적으로 조작되지 않은 균주라는 점에서 높은 안정성을 가져 산업용 균주로서 적합하다.
도 1은 YP+갈락토오스 배지에서 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17의 세포 농도를 나타내는 흡광도 및 에탄올 생산량의 시간에 따른 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 18s rDNA 서열에 기초하여 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17의 위치를 보여주는 계통도를 나타낸 것이다.
본 발명은 일 관점에서, 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주는 토양 유래인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주의 18s rDNA는 서열번호 1의 염기서열을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17 균주는 토양에서 분리된 에탄올 생성균주로서 18s rDNA 염기서열 결정을 통해서 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)로 동정되었으며, 2010년 8월 11일 국가공인 국제기탁기관인 한국미생물보존센터에 제 10-17호 기탁번호 KFCC11493P로 기탁되었다.
본 발명은 다른 관점에서, 상기 균주를 배지에서 배양하여 에탄올을 생성시킨 다음, 배양액으로부터 에탄올을 회수하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 배지는 갈락토오스를 탄소원으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 토양으로부터 에탄올을 가장 많이 생성하는 균주를 선별하고, 18s rDNA 분석을 통하여 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17로 명명하였다.
본 발명의 다른 양태에서, 갈락토오스로부터 상기 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17 균주를 이용한 에탄올 생산 및 생장 속도를 확인하였다. 갈락토오스를 유일의 기질로하여 배양한 결과, 높은 에탄올 생산속도 및 세포성장 속도를 확인하였다 (도 1).
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
신균주 사카로마이세스 세레비지에( Saccharomyces cerevisiae )의 분리
균주의 배양은 YPD(1% yeast extract, 2% peptone, 2% glucose, 2% agar) 고체배지에 도말하여 배양하고 독립된 집락을 분리하여 순수 분리된 균주는 4주에 한번 계대 배양하면서 냉장보존(4℃)하며 사용하였다.
토양 샘플 1g을 99ml의 생리식염수에 넣어 잘 현탁한 다음 107배까지 희석하여 YPD 고체배지에 도말 후 30℃에서 3일 동안 배양하여 생성된 콜로니들을 수백 개 수집 후, 25% 포도당 함유 YP(1% yeast extract, 2% peptone) 액체배지에 1 loop 접종한 후 30℃에서 60시간 발효한 다음 에탄올을 가장 많이 생성하는 균주를 선별하였다. 상기 선별된 균주의 DNA를 분리하여, 18s rDNA sequencing을 수행하였으며, 상기 선별 균주의 18s rDNA 서열(서열번호 1)을 이용한 상동성 분석 결과, 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)와 99%의 상동성을 나타내어, 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17로 명명하였다 (도 2).
갈락토오스로부터 사카로마이세스 세레비지에( Saccharomyces cerevisiae ) KL17을 이용한 에탄올 생산 및 생장 속도
사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17 stock solution 200μl을 YPD 액체배지 10mL에 접종하고 15시간 동안 30℃에 키운 후 250ml flask에 50ml YP+Galactose(2%)를 넣고 흡광도(O.D.600)가 0.1이 되도록 접종하였다. 배양조건은 온도 30℃에서 교반 속도 160rpm으로 총 40시간으로 하였다.
그 결과, 표 1에 나타난 바와 같이, 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17의 최대 비생장 속도는 0.32(h-1), 에탄올 수율은 0.315(g / g Galactose) 및 에탄올 생산성은 1.71(g/ L / h)까지 증가하였다.
사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17의 생장속도 및 에탄올 생성능
Max. Specific Growth rate(h-1) Ethanol yield
(g / g Galactose)		 Ethanol Productivity
(g / L / h)
0.52 ± 0.03 0.315 ± 0.004 1.71 ± 0.09
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바. 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
한국미생물보존센터 KFCC11493P 20100811
서열목록 전자파일 첨부

Claims (5)

  1. 서열번호 1의 18s rDNA 염기서열을 가지는 것을 특징으로 하는, 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) KL17(기탁번호 KFCC 11493P) 균주는 토양 유래인 것을 특징으로 하는 균주.
  3. 삭제
  4. 제1항의 균주를 배지에서 배양하여 에탄올을 생성시킨 다음, 배양액으로부터 에탄올을 회수하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배지는 갈락토오스를 탄소원으로 하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
















KR1020110001475A 2011-01-06 2011-01-06 갈락토오스로부터 에탄올 고생성능을 가지는 사카로마이세스 세레비지에 ｋｌ１７ 및 이를 이용한 에탄올의 제조방법 KR101317421B1 (ko)

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