KR101352153B1 - Production of butyric acid through the culture of carbon dioxide fixing-bacteria in electrochemical bioreactor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적 환원력을 에너지원으로 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 생장하는 세균을 전기화학반응기에서 배양함으로써 부티릭산을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 클로스트리디움 속 균주를 생물전기화학반응기에서 전기화학적 환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 배양하는 것을 통한 부티릭산을 생산방법을 제공함으로써 경제적인 부티릭산의 생산방법을 제공할 수 있고, 이와 동시에 온실 가스인 이산화탄소를 제거하는데 유용하게 사용될 수 있다. The present invention relates to a method for producing butyric acid by culturing a bacterium that grows with electrochemical reducing power as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source in an electrochemical reactor, and more specifically, a strain of Clostridium in a bioelectrochemical reactor. By providing a method for producing butyric acid by culturing with electrochemical reducing power as an energy source and cultivating carbon dioxide as the only carbon source, it is possible to provide an economical method for producing butyric acid, and at the same time, useful for removing carbon dioxide, a greenhouse gas. Can be used.

Description

생물전기화학반응기에서 이산화탄소 고정화 세균의 배양을 통한 부티릭산의 생산 {Production of butyric acid through the culture of carbon dioxide fixing-bacteria in electrochemical bioreactor}Production of butyric acid through the culture of carbon dioxide fixing-bacteria in electrochemical bioreactor

본 발명은 이산화탄소 고정화 세균의 배양하는 과정을 포함한 부티릭산의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing butyric acid including culturing carbon dioxide immobilized bacteria.

부티릭산(butyric acid)은 바이오알콜인 부탄올(butanol)의 전구물질로 산업적으로 유용한 산물로, 종래에는 부티릭산을 생산하기 위해서는 클로스트리디움(Clostridium) 등의 균주를 이용하여 탄소원으로서 글루코스를 공급하여 줌으로써 부티릭산 발효공정을 거쳐 부티릭산을 생산하였다. 그러나 글루코스를 이용하여 부티릭산을 생산하는 공정은 값비싼 글루코스를 다량 공급해 줌으로써 경제성이 떨어짐과 동시에 글루코스를 확보하기 위해 다양한 식량자원을 필요로 하고, 또한 목재, 사탕수수 등으로부터 글루코스를 전환시키기 위한 효소 등이 부가적으로 필요한 비경제적인 과정이다. 따라서 이러한 글루코스 탄소원의 문제점을 해결하고자 자연계에서 풍부하게 존재하는 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 공급하여 줌으로써 부티릭산을 생산함과 동시에 이산화탄소를 동시에 제거하여 녹색 기술 확보에도 도움을 주는 친환경적 공법을 개발할 필요가 있다. Butyric acid (butyric acid) is a precursor of the bioalcohol butanol (butanol) is an industrially useful product, conventionally to produce butyric acid using a strain such as Clostridium ( Glycetridium ) to supply glucose as a carbon source By the butyric acid fermentation process to produce butyric acid. However, the process of producing butyric acid using glucose reduces the economics by supplying a large amount of expensive glucose and requires various food resources to secure glucose, and also an enzyme for converting glucose from wood and sugar cane. This is an additional, uneconomical process. Therefore, in order to solve the problem of the glucose carbon source, it is necessary to develop an eco-friendly method that helps to secure green technology by simultaneously producing butyric acid and simultaneously removing carbon dioxide by supplying carbon dioxide which is abundantly present in the natural world as the only carbon source.

이에, 본 발명자들은 전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 세균 배양하는 것을 통해 부티릭산을 생산하는 생물전기화학 공정을 개발하여, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have developed a bioelectrochemical process for producing butyric acid by culturing bacteria using electrochemical reduction power as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source, thereby completing the present invention.

일본특허공개번호 제 1994-165685호 (공개일 1994.06.14)Japanese Patent Publication No. 1994-165685 (Published Date 1994.06.14)

본 발명의 목적은 전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여, 균주를 배양하는 것을 통해 생산된 부티릭산의 생산방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing butyric acid produced by culturing a strain using electrochemical reduction power as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source.

상기 목적을 해결하기 위하여, 전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 클로스트리디움(Clostridium) 속 균주를 배양하는 과정을 포함한 부티릭산의 생산방법을 제공한다.In order to solve the above object, the present invention provides a method for producing butyric acid including culturing Clostridium spp. Using electrochemical reduction force as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source.

상기 배양은 생물전기화학반응기(electrochemical bioreactor)를 이용하여 이루어질 수 있다.The culturing can be accomplished using an electrochemical bioreactor.

상기 배양은 인산수소이나트륨 6~24g/L, 인산이수소칼륨 3~12g/L, 염화나트륨 0.05~2g/L, 염화암모늄 1~3g/L, 0.05~2mM 황산마그네슘 및 0.05~2mM 염화칼슘을 포함하는 배지를 사용할 수 있으며, 여기에 효모추출물(yeast extract) 0.05~0.2g/L 을 추가로 포함하는 배지를 사용할 수 있다.The culture comprises disodium hydrogen phosphate 6-24 g / L, potassium dihydrogen phosphate 3-12 g / L, sodium chloride 0.05-2 g / L, ammonium chloride 1-3 g / L, 0.05-2 mM magnesium sulfate and 0.05-2 mM calcium chloride A medium may be used, and a medium further comprising 0.05 to 0.2 g / L of yeast extract may be used.

상기 배양은 시드배양(seed culture)한 다음, 이를 생물전기화학반응기에 접종하여 본 배양할 수 있으며, 배양은 정치배양할 수 있다. The culture may be seed culture (seed culture), and then inoculated in a bioelectrochemical reactor, and the main culture, the culture can be cultured stationary.

상기 배양은 생물전기화학반응기의 전압은 1~3V, 배양온도는 15~35°C 에서 수행할 수 있으며, 이산화탄소를 0.1~0.4ml/min의 속도로 공급하는 조건에서 수행할 수 있다.The culture may be performed at a voltage of 1 ~ 3V, the culture temperature of 15 ~ 35 ° C of the bioelectrochemical reactor, can be carried out under the conditions of supplying carbon dioxide at a rate of 0.1 ~ 0.4ml / min.

본 발명에 따른 전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 균주를 배양하는 것을 통해 생산된 부티릭산의 생산방법은, 값비싼 글루코스를 사용하지 않아도 되고, 그에 따른 원료로부터 글루코스로의 전환공정 등과 같은 부가적이며 비경제적인 과정을 거치지 않을 수 있으므로, 산업적으로 유용한 부티릭산을 경제적으로 생산할 수 있다.The production method of butyric acid produced by culturing the strain using the electrochemical reduction force as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source according to the present invention does not require the use of expensive glucose, and thus from raw materials to glucose. It can be economically produced industrially useful butyric acid as it may not go through additional and uneconomical processes such as conversion process.

또한 이와 동시에 대표적인 온실 가스인 이산화탄소를 효과적으로 제거함으로써 이산화탄소를 저감하는데 필요한 녹색 기술의 실용화에 기여할 수 있다. At the same time, by effectively removing carbon dioxide, which is a representative greenhouse gas, it can contribute to the practical use of green technology required to reduce carbon dioxide.

도 1은 본 발명에 따른 부티릭산을 생산하기 위한 균주의 배양을 위한 생물전기화학반응기의 모식도이다.
도 2는 본발명에 따른 부티릭산을 생산하기 위한 균주의 배양을 위한 전기화학반응기의 단면도이다.
도 3은 정량된 부티릭산의 농도를 나타낸 그래프이다. C. aceto #1은 KCTC 1037균주에서 생산된 부티릭산 농도를 나타내고, C. aceto #2는 KCTC 5081 균주에서 생산된 부티릭산의 농도를 나타낸다.
도 4는 KCTC 1037의 배양액에서 부티릭산을 확인하기 위한 GC 분석데이터이다. 6.8분 근처의 피크에서 부티릭산을 확인할 수 있다
도 5는 KCTC 5081의 배양액에서 부티릭산을 확인하기 위한 GC 분석데이터이다. 6.8분 근처의 피크에서 부티릭산을 확인할 수 있다.
도 6은 KCTC 1037의 배양액에서 부티릭산의 생산을 확인할 수 있는 GC Mass 분석데이터이다.
도 7은 KCTC 5081의 배양액에서 부티릭산의 생산을 확인할 수 있는 GC Mass 분석데이터이다.1 is a schematic diagram of a bioelectrochemical reactor for culturing a strain for producing butyric acid according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of an electrochemical reactor for the cultivation of a strain for producing butyric acid according to the present invention.
3 is a graph showing the concentration of butyric acid quantified. C. aceto # 1 represents the butyric acid concentration produced in KCTC 1037 strain, C. aceto # 2 represents the concentration of butyric acid produced in KCTC 5081 strain.
4 is GC analysis data for identifying butyric acid in the culture of KCTC 1037. Butyric acid can be found at a peak near 6.8 minutes
5 is GC analysis data for identifying butyric acid in the culture of KCTC 5081. Butyric acid can be seen at a peak near 6.8 minutes.
Figure 6 is GC Mass analysis data that can confirm the production of butyric acid in the culture of KCTC 1037.
7 is GC Mass analysis data that can confirm the production of butyric acid in the culture medium of KCTC 5081.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여, 클로스트리디움(Clostridium) 속 균주를 배양하는 것을 통해 생산된 부티릭산의 생산방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing butyric acid produced by culturing Clostridium spp. With electrochemical reduction power as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source.

상기 클로스트리디움 속 균주는 클로스트리디움 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 상기 클로스트리디움 속 균주는 이산화탄소를 고정하여 부티릭산을 만드는 균주는 제한없이 사용할 수 있으며, 또한 상기 균주는 분양받거나 선별(screening)하여 사용할 수 있다. 균주의 선별은 전기화학반응기에서 이루어질 수 있다. The strain of the genus Clostridium is Clostridium acetobutylicum ( Clostridium a cetobutylicum ), but is not limited thereto. The strain of the genus Clostridium can be used without limitation the strain to make the butyric acid by fixing the carbon dioxide, the strain can also be used for pre-sale or screening (screening). The selection of strains can be made in an electrochemical reactor.

상기 클로스트리디움 아세토부틸리쿰은 기탁번호 KCTC 1037 및 KCTC 5081인 균주인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않는다. The Clostridium acetobutylicum is more preferably a strain having accession numbers KCTC 1037 and KCTC 5081, but is not limited thereto.

상기 균주의 배양은 생물전기화학반응기(electrochemical bioreactor)를 이용하여 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. Cultivation of the strain is preferably performed using a biochemical bioreactor, but is not limited thereto.

상기 생물전기화학반응기 안에서는 전기화학적 산화반응을 통하여 전기적 에너지가 생화학적 환원력으로 전환된다. 본발명에 사용된 생물전기화학반응기는 막에 의해 분리된 음극과 양극을 가지도록 설계되어져 있다. 이러한 전기화학반응기를 이용하여 전기적 에너지로부터 전기화학적 환원반응이 생산될 수 있다.In the bioelectrochemical reactor, electrical energy is converted into biochemical reducing power through an electrochemical oxidation reaction. The bioelectrochemical reactor used in the present invention is designed to have a cathode and an anode separated by a membrane. An electrochemical reduction reaction can be produced from electrical energy using such an electrochemical reactor.

도 1 및 도 2에 도시한 이산화탄소 고정화 세균의 배양을 위한 전기화학반응기는 이산화탄소와 전기화학적인 환원력을 각각 유일 탄소원과 에너지로 이용하여 생장할 수 있는 화학독립영양세균을 농화배양하기 위한 전기화학반응기로 전기화학적 환원력을 배지를 통해 세균에 전달하고 양극에서 발생하는 산소(산화력)는 외부로 배출되며, 세균은 배지에 포함된 전자전달 매개체를 통해 전기화학적 환원력을 공급받을 수 있다. 구체적으로 음극선과 양극선에 직류전원을 연결하면 음극 반응조에 구비된 무기물 배지의 화학독립영양세균은 환원력을 공급받고, 양극 반응조에서는 물이 전기분해되면서 수소와 산소가 발생하는데, 양극 반응조에서 발생하는 산소는 외부로 방출되고, 수소는 전자와 수소이온(proton)으로 분리되어 전자는 전원공급장치(power supply)의 전자 구동력(electric driving force)에 의해 음극을 통해 배지에 전달되고 수소이온은 분리막을 통해 배지에 전달된다. 배지에 전달된 전자는 전자전달 매개체를 환원시키고 환원된 전자전달 매개체는 세균의 세포대사에 작용하여 NAD를 NADH로 환원시킨다. 상기 과정에서 수소이온은 세포 내부로 유입되면서 ATP를 생성시키고 NAD와 반응하여 NADH 생성시키므로, NADH 생성에 필요한 수소이온의 공급원이 된다. 이때, 상기전기화학적 배양기의 음극선과 양극선 간의 직류전원은 1 내지 10 볼트 범위이다.The electrochemical reactor for culturing carbon dioxide immobilized bacteria shown in FIGS. 1 and 2 is an electrochemical reactor for enrichment and culture of independent chemical nutrients that can grow using carbon dioxide and electrochemical reducing power as the only carbon source and energy, respectively. The electrochemical reducing power is transferred to the bacteria through the medium, and oxygen (oxidative power) generated at the anode is discharged to the outside, and the bacteria may be supplied with the electrochemical reducing power through the electron transfer medium included in the medium. Specifically, when a DC power source is connected to a cathode and a cathode, the chemical-independent bacteria of the inorganic material medium provided in the anode reaction tank are supplied with reducing power, and in the anode reaction vessel, hydrogen and oxygen are generated as the water is electrolyzed. The hydrogen is separated into electrons and proton so that the electrons are transferred to the medium through the cathode by the electric driving force of the power supply, And is delivered to the medium. The electrons transferred to the medium reduce the electron transfer mediator and the reduced electron transfer mediates the bacterial cell metabolism and reduces NAD to NADH. In this process, hydrogen ions are introduced into the cell to generate ATP and react with NAD to generate NADH, which is a source of hydrogen ions necessary for NADH production. At this time, the DC power between the cathode ray and the anode ray of the electrochemical incubator is in the range of 1 to 10 volts.

화학독립영양세균은 특정의 화학반응 또는 광 에너지를 이용하여 이산화탄소에서 유기화합물을 합성하는 능력을 가지며 무기화합물만의 배지로 완전히 생활하여 증식하는 세균으로, 염화암모늄, 제2인산칼륨, 탄산수소나트륨, 흑연부직포, 전자전달 매개체 및 Mg, Ca, Mo, Ni, Se, Fe, Mn, Cu, Zn, Al 등의 미량원소를 포함하는 무기질 배지에 전기화학적 환원력이 생화학적 환원력으로 전환되어 세균에 전달되며 이산화탄소를 유일 탄소원으로 생장할 수 있으므로 세균을 농화배양할 수 있다. 상기에서 기술한 바와 같이, 분리된 산화반응과 환원반응은 화학독립영양세균의 생장을 위해 절대적으로 요구되는 생장환경이기 때문에 본 발명에 따른 이산화탄소 고정화 세균의 농화배양을 위한 전기화학반응기는 화학독립영양세균의 농화배양을 위해 유용하다.Chemical independent autotrophic bacteria have the ability to synthesize organic compounds from carbon dioxide using specific chemical reactions or light energy. They are bacteria that grow and survive completely in the medium of inorganic compounds only. They are ammonium chloride, potassium dibasic potassium phosphate, sodium hydrogen carbonate Electrochemical reductive power is converted to biochemical reductive power to an inorganic medium containing trace elements such as graphite nonwoven fabric, electron transfer medium and trace elements such as Mg, Ca, Mo, Ni, Se, Fe, Mn, Cu, Since carbon dioxide can be grown as a unique carbon source, bacteria can be concentrated and cultured. As described above, since the separated oxidation reaction and the reduction reaction are absolutely required growth environments for the growth of the chemically independent nutrient bacteria, the electrochemical reactor for the enrichment culture of the carbon dioxide- It is useful for cultivation of bacteria.

상기 부티릭산의 생산을 위한 균주의 배양은 시드배양(seed culture)한 다음, 이를 생물전기화학반응기에 접종하여 본 배양할 수 있다. 이 때, 시드 배양은 M9 최소(minimal) 배지에 효소 추출물을 0.05~2g/L 추가하고 초기 적응을 위해 이산화탄소를 주입하여 15~35°Ｃ에서 정치배양하는 것이 바람직하며, 1g/L의 효소추출물 추가, 25~30°Ｃ의 온도가 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 시드배양을 위한 M9 최소배지의 조성은 인산수소이나트륨(Na2HPO4) 6~24g/L, 인산이수소칼륨 (KH2PO4)3~12g/L, 염화나트륨(NaCl) 0.05~2g/L, 염화암모늄(NH4Cl) 1~3g/L, 0.05~2mM 황산마그네슘(MgSO4) 및 0.05~2mM 염화칼슘(CaCl2)을 포함할 수 있다. 그리고 시드배양은 약 한달 간 정치배양하는 것이 바람직하다. Cultivation of the strain for the production of butyric acid may be seed culture (seed culture), and then inoculated in a bioelectrochemical reactor, the main culture. At this time, the seed culture is preferably cultured at 15 ~ 35 ° C by adding 0.05 ~ 2g / L enzyme extract to M9 minimal medium and injecting carbon dioxide for initial adaptation, enzyme extract of 1g / L In addition, the temperature of 25 ~ 30 ° C is more preferred, but is not limited thereto. The composition of the M9 minimum medium for seed culture was 6 to 24 g / L disodium hydrogen phosphate (Na 2 HPO 4 ), 3 to 12 g / L potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), 0.05 to 2 g / L sodium chloride (NaCl) , Ammonium chloride (NH 4 Cl) 1 to 3 g / L, 0.05 to 2 mM magnesium sulfate (MgSO 4 ) and 0.05 to 2 mM calcium chloride (CaCl 2 ). The seed culture is preferably cultured for about one month.

이렇게 배양된 균주 배양액을 전기화학반응기에 모두 접종함으로써 본 배양하여 반응을 개시할 수 있다. 본 배양의 배지는 M9 최소 배지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 배지에 초기에 효소추출물을 0.05~0.2g/L 첨가하여 배양을 수행하는 것이 바람직하다. 본 배양시에 3L 생물전기화학반응기에 하기 조성의 배지를 2.5L 넣은 후 배양을 할 수 있으며, 정치배양하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. The incubation of the strain culture in this way by inoculating all of the electrochemical reactor can be initiated by the main culture. It is preferable to use M9 minimal medium for the culture medium. In addition, it is preferable to perform the culture by initially adding the enzyme extract 0.05 ~ 0.2g / L to the medium. At the time of the culture, 2.5L of the medium having the following composition is added to the 3L bioelectrochemical reactor, and the culture may be performed.

상기 배양을 위한 M9 최소배지의 조성은 인산수소이나트륨 6~24g/L, 인산이수소칼륨 3~12g/L, 염화나트륨 0.05~2g/L, 염화암모늄 1~3g/L, 0.05~2mM 황산마그네슘 및 0.05~2mM 염화칼슘을 포함하는 배지를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 배지 성분에 효모추출물(yeast extract) 0.05~2g/L 을 추가로 포함하는 배지를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The composition of the M9 minimum medium for the culture is 6-24 g / L disodium hydrogen phosphate, 3-12 g / L potassium dihydrogen phosphate, 0.05-2 g / L sodium chloride, 1-3 g / L ammonium chloride, 0.05-2 mM magnesium sulfate and It is preferable to use a medium containing 0.05-2 mM calcium chloride, but is not limited thereto. In addition, it is preferable to use a medium further comprising 0.05 ~ 2g / L yeast extract (yeast extract) in the medium component, but is not limited thereto.

상기 배양은 이산화탄소를 0.1~0.4ml/min의 속도로 공급하여 수행하는 것이 바람직하고 0.2ml/min의 속도로 공급하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 배양시 생물전기화학반응기의 전압은 1~10V이고, 배양온도는 15~35°C 의 조건에서 수행하는 것이 바람직하며, 전기화학반응기의 전압이 1~3V, 배양온도가 25~30°C인 조건이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The culture is preferably carried out by supplying carbon dioxide at a rate of 0.1 ~ 0.4ml / min, more preferably at a rate of 0.2ml / min. In addition, during the culture, the voltage of the bioelectrochemical reactor is 1 ~ 10V, the culture temperature is preferably carried out under the conditions of 15 ~ 35 ° C, the voltage of the electrochemical reactor 1 ~ 3V, the culture temperature is 25 ~ 30 ° C Phosphorus conditions are more preferred, but are not limited thereto.

본 발명에서 생물전기화학반응기의 탄소원으로 사용하는 이산화탄소는 가스백에 충진되어 있는 이산화탄소를 사용할 수 있으며, 연동펌프(peristaltic pump)를 사용하여 지속적으로 가스를 순환시켜 줌으로써 배지 내에 이산화탄소가 골고루 분산되도록 할 수 있다. 본 발명에서는 클로스트리디움 균주 배양을 위해 3L 전기화학반응기를 사용하였으며 더 많은 부티릭산의 생산을 위해 더 큰 부피에서의 배양이 가능하다. In the present invention, the carbon dioxide used as the carbon source of the bioelectrochemical reactor may use carbon dioxide filled in the gas bag, and the carbon dioxide is uniformly dispersed in the medium by continuously circulating the gas using a peristaltic pump. Can be. In the present invention, a 3L electrochemical reactor was used for culturing Clostridium strains, and culturing at a larger volume was possible for the production of more butyric acid.

본 발명자들은 배양 후에 적당량의 균주 배양액을 취하여 GC(gas chromatography)Mass를 이용하여 부티릭산을 정량 및 정성분석하였다. 그 결과 생산된 부티릭산을 확인할 수 있었다.(도 3 내지 7 참조)
The present inventors quantitatively and qualitatively analyzed butyric acid using GC (gas chromatography) Mass after taking an appropriate amount of strain culture medium after the culture. As a result, the produced butyric acid could be confirmed (see FIGS. 3 to 7).

이하, 본발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are illustrative of the present invention in detail, and the present invention is not limited to the examples.

<< 실시예1Example 1 > 생물전기화학반응기에서의 > In bioelectrochemical reactors 클로스트리디움Clostridium 균주의 배양 Culture of strain

한국 생명공학연구원 생명자원센터로부터 분양받은 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (KCTC1037 및 KCTC 5081)균주 각각을 100ml의 M9 최소배지에 효모추출물(yeast extract)를 0.1g/L 를 첨가하여 250ml 용량의 배지 병(medium bottle)에서 시드 배양하였으며, 초기 적응을 위해 이산화탄소를 주입한 후 약 한달 간 25~30°Ｃ에서 정치배양하였다. 이렇게 배양된 균주배양액을 생물전기화학반응기에 모두 접종함으로 반응을 개시하였다. Each strain of Clostridium acetobutylicum (KCTC1037 and KCTC 5081) obtained from the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology was added with 0.1 g / L of yeast extract to a minimum volume of 100 ml of M9. Seed culture in a bottle (medium bottle), and incubated at 25 ~ 30 ° C for about a month after injecting carbon dioxide for initial adaptation. The reaction was initiated by inoculating all the cultured strain culture in a bioelectrochemical reactor.

생물전기화학반응기는 3L용 생물전기화학반응기를 사용하였으며 배지를 2.5L 넣은 후 배양을 시작하였다, 탄소원으로는 가스 백(이산화탄소 저장소)에 충진된 이산화탄소를 사용하였으며, 연동 펌프를 사용하여 지속적으로 가스를 순환시켜 줌으로써 배지 내에 이산화탄소가 골고루 분산되도록 하였다. 이때 제공된 전압은 2V 였으며, 배양온도는 25~30°에서 수행하였다. 상기 배지는 M9 최소 배지를 사용하였으며 초기에 효모추출물을 0.1g/L 되게 첨가하여주었다. 사용된 M9 최소배지의 조성은 인산수소이나트륨 12g/L, 인산이수소칼륨 6g/L, 염화나트륨 1g/L, 염화암모늄 2g/L, 1mM 황산마그네슘 및 0.1mM 염화칼슘으로 구성된다. 본 배양은 정치배양하였다.
The bioelectrochemical reactor was used for 3L bioelectrochemical reactor and 2.5L of medium was used for incubation. The carbon source was carbon dioxide filled in a gas bag (carbon dioxide reservoir), and the gas was continuously used by using a peristaltic pump. By circulating to ensure that the carbon dioxide is evenly dispersed in the medium. At this time, the provided voltage was 2V, the incubation temperature was performed at 25 ~ 30 °. M9 minimal medium was used as the medium, and the yeast extract was initially added to 0.1 g / L. The composition of the M9 medium used was composed of 12 g / L disodium hydrogen phosphate, 6 g / L potassium dihydrogen phosphate, 1 g / L sodium chloride, 2 g / L ammonium chloride, 1 mM magnesium sulfate and 0.1 mM calcium chloride. This culture was stationary culture.

<< 실시예2Example 2 > 생산된 > Produced 부티릭산Butyric acid 확인 Confirm

KCTC 1037 및 KCTC 5081를 생물전기화학반응기에 접종한 후 <실시예1>의 방법으로 약 2주간 정치 배양한 후에 주사기를 이용하여 적당량의 균주 배양 혼합물(cell culture mixture)을 취해 GC(gas chromatography)-Mass를 이용하여 부티릭산을 정량 및 정성분석하였다. 본발명에서는 FID detector가 장착된 GC(Clarus 600 series, PerkinElmer)를 사용하였고, 컬럼은 DB-Wax(Agilent Technologies)을 사용하였다. 컬럼을 GC에 장착한 후 GC의 오븐온도는 60°Ｃ/3min, 20°Ｃ/min, 220°Ｃ/5min 로 하였고, 캐리어 가스는 He 이며 유량은 300ml/min, H2 30ml/min이다.
After inoculating KCTC 1037 and KCTC 5081 in a bioelectrochemical reactor, the cells were left to incubate for about two weeks using the method of <Example 1>, and then, an appropriate amount of cell culture mixture was taken by using a syringe, and then gas chromatography (GC) was used. Butyric acid was quantified and qualitatively analyzed using -Mass. In the present invention, a GC equipped with a FID detector (Clarus 600 series, PerkinElmer) was used, and the column was a DB-Wax (Agilent Technologies). After the column was mounted on the GC, the oven temperature of the GC was 60 ° C / 3min, 20 ° C / min, 220 ° C / 5min, the carrier gas was He, the flow rate was 300ml / min, and H2 30ml / min.

그 결과, GC 데이터를 통해 6.8분 근처의 피크에서 부티릭산의 생산을 확인할 수 있었다(도 4 및 도 5 참조). 또한 피크에 대한 MS 그래프를 통해 부티릭산을 확인할 수 있었다(도 6 및 도 7 참조).
As a result, the production of butyric acid at the peak near 6.8 minutes was confirmed through GC data (see FIGS. 4 and 5). In addition, butyric acid was confirmed through an MS graph of peaks (see FIGS. 6 and 7).

100: 음극반응조
110: 배지
120: 배양액
130: 샘플 포트
200: 양극 반응조
210: 물
300: 분리막
400: 음극반응조 커버
410: 외부 연결부
420: 음극연결부
421: 음극선
430: 양극 연결부
431: 산소 배출관
440: 이산화탄소 입출입구
441: 이산화탄소 스파저
442: 이산화탄소 배출관
500: 전기화학반응기
600: 가스 순환장치
700 이산화탄소 저장소100: cathode reaction tank
110: badge
120: culture
130: sample port
200: anode reactor
210: water
300: membrane
400: cathode reactor cover
410: external connection
420: cathode connection
421: cathode ray
430: anode connection
431: oxygen discharge pipe
440: carbon dioxide entry and exit
441: carbon dioxide sparger
442: Carbon dioxide discharge pipe
500: electrochemical reactor
600: gas circulation device
700 carbon dioxide storage

Claims (11)

전기화학적환원력을 에너지원으로 하고, 이산화탄소를 유일한 탄소원으로 하여 클로스트리디움 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum) 균주를 배양하는 과정을 포함하는 부티릭산의 생산방법.A method for producing butyric acid comprising culturing Clostridium acetobutylicum strains using electrochemical reduction power as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 클로스트리디움 아세토부틸리쿰은 기탁번호 KCTC 1037 및 KCTC 5081인 균주인 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법. The method of claim 1, wherein the Clostridium acetobutylicum is a strain having accession numbers KCTC 1037 and KCTC 5081. 제 1항에 있어서, 상기 배양은 생물전기화학반응기(electrochemical bioreactor)를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method for producing butyric acid according to claim 1, wherein the culturing is performed using an electrochemical bioreactor. 제 1항에 있어서, 상기 배양은 인산수소이나트륨 6~24g/L, 인산이수소칼륨 3~12g/L, 염화나트륨 0.05~2g/L, 염화암모늄 1~3g/L, 0.05~2mM 황산마그네슘 및 0.05~2mM 염화칼슘을 포함하는 배지를 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.According to claim 1, wherein the culture is disodium hydrogen phosphate 6 ~ 24g / L, potassium dihydrogen phosphate 3 ~ 12g / L, sodium 0.05 ~ 2g / L, ammonium chloride 1 ~ 3g / L, 0.05 ~ 2mM magnesium sulfate and 0.05 Method for producing butyric acid, characterized in that carried out using a medium containing ~ 2mM calcium chloride. 제 5항에 있어서, 상기 배지는 효모추출물(yeast extract) 0.05~2g/L을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 5, wherein the medium further comprises 0.05 ~ 2g / L yeast extract (yeast extract) production method of the butyric acid. 제 1항에 있어서, 상기 배양은 15~35 °C 온도에서 배양하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 1, wherein the culturing is a method for producing butyric acid, characterized in that the culture at 15 ~ 35 ° C. 제 1항에 있어서, 상기 배양은 정치배양하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 1, wherein the culturing is a butyric acid production method characterized in that the stationary culture. 제 1항에 있어서, 상기 배양은 이산화탄소를 0.1~0.4ml/min의 속도로 공급하여 수행하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 1, wherein the culturing is performed by supplying carbon dioxide at a rate of 0.1 to 0.4 ml / min. 제 1항에 있어서, 상기 배양 이전에 시드배양(seed culture)하는 단계 및 이를 생물전기화학반응기에 접종하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 1, comprising seeding (seed culture) and inoculating the bioelectrochemical reactor prior to the culturing. 제 10항에 있어서, 상기 시드배양은 15~35 °C 온도에서 정치배양하는 것을 특징으로 하는 부티릭산의 생산방법.The method of claim 10, wherein the seed culture is butyric acid production method characterized in that the stationary culture at a temperature of 15 ~ 35 ° C.
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