KR101618852B1 - Method for mass production of succinic acid with carbon dioxide aeration at early stage of cultivation - Google Patents

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    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/44Polycarboxylic acids
    • C12P7/46Dicarboxylic acids having four or less carbon atoms, e.g. fumaric acid, maleic acid

Abstract

본 발명은 배양 초기 이산화탄소 폭기를 통한 숙신산의 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 숙신산 생산능이 있는 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)를 배양할 시 배양 초기 이산화탄소를 집중 폭기하여 숙신산을 고농도로 생산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 고가의 배지성분인 이산화탄소를 고농도의 숙신산 생산을 전제로 하여 최단시간 폭기시킴으로써 생산단가의 혁신적인 절감을 가져 왔으며, 고가의 배지 성분 중 하나인 탄산마그네슘을 저가의 탄산마그네슘·헤비(magnesium carbonate·heavy)로 대체하여 경제성을 더욱 높였다.
The present invention relates to a method for producing succinic acid through initial carbon dioxide aeration, and more particularly, to a method for producing succinic acid by culturing actinobacillus succinogenes having succinic acid production ability, To a method for producing the same.
The present invention is based on the premise of production of a high concentration of succinic acid by carbon dioxide, which is an expensive medium component, and the shortest time aeration is carried out to reduce the production cost. The magnesium carbonate, which is one of the expensive medium components, · Heavy).

Description

배양 초기 이산화탄소 폭기를 통한 숙신산의 대량 생산방법 {Method for mass production of succinic acid with carbon dioxide aeration at early stage of cultivation}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for mass production of succinic acid through carbon dioxide aeration at the initial stage of culture,

본 발명은 배양 초기 이산화탄소 폭기를 통한 숙신산의 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 숙신산 생산능이 있는 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)를 배양할 시 배양 초기 이산화탄소를 집중 폭기하여 숙신산을 고농도로 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing succinic acid through initial carbon dioxide aeration, and more particularly, to a method for producing succinic acid by culturing actinobacillus succinogenes having succinic acid production ability, To a method for producing the same.

숙신산(succinic acid)은 의약, 식료품, 석유화학공정에서의 여러 분야에 걸쳐 적용될 수 있는 C4 계열의 유기산으로서, 연간 20조원 규모 이상의 국제적 시장이 형성되어 있어 그 가치가 매우 높게 평가되고 있다. 미국 에너지성에서는 미래 10대 중요한 물질로 선정한 바도 있다. Succinic acid is a C4-based organic acid that can be applied to various fields in medicine, foodstuffs, and petrochemical processes, and its value is very high because it forms an international market of more than 20 trillion won annually. In the US Department of Energy, it has been selected as one of the top ten most important substances in the future.

숙신산은 곧은 사슬 디카르복시산(HOOC-CH2CH2-COOH)이라고 불리며, 1550년 R.아그리콜라가 화석이 된 수지인 호박에서 얻었다는 기록이 있어, 호박산이라고도 불린다. 숙신산은 무색의 주상 또는 판상 결정으로 분자량 118.09, 녹는점 185 ℃, 끓는점 235 ℃, 비중 1.564이다. Succinic acid is called straight-chain dicarboxylic acid (HOOC-CH 2 CH 2 -COOH), and in 1550 there is evidence that R. agricola was obtained from amber, a fossilized resin, also called succinic acid. Succinic acid is a colorless, columnar or plate-like crystal with a molecular weight of 118.09, a melting point of 185 ° C, a boiling point of 235 ° C and a specific gravity of 1.564.

숙신산은 TCA회로를 구성하는 주요 유기산 중 하나로 카르복시산의 일종이다. TCA회로에서 숙신산은 알파케토글루타르산이 탈수소화, 탈카르복시화되어 숙시닐조효소 A(succinyl Co-A)를 형성한 후, 다시 숙신산으로 전환되어 생성되며, 숙신산은 숙신산탈수소효소에 의해 푸마르산으로 산화된다. Succinic acid is one of the major organic acids that constitute the TCA circuit and is a kind of carboxylic acid. In the TCA circuit, succinic acid is produced by dehydrogenation and decarboxylation of alpha-keto glutaric acid to form succinyl Co-A and then converted to succinic acid. Succinic acid is converted to succinic acid by fumaric acid by succinic acid dehydrogenase do.

숙신산(succinic acid)은 화학적 합성법과 미생물 발효에 의하여 생산되는데, 의약품, 식품의 첨가제 및 보존제 등 특수한 용도로 사용되는 소량의 숙신산만 미생물 발효법에 의하여 생산되고 있다. 반면, 산업적으로 사용되는 대부분의 숙신산은 미국, 유럽, 일본 및 중국의 거대 화학회사들에 의하여 원유나 액화천연가스에서 유래한 n-부탄(butane)과 아세틸렌(acetylene)으로부터 합성되고 있다. Succinic acid is produced by chemical synthesis and microbial fermentation. Only a small amount of succinic acid, which is used for specific purposes such as pharmaceuticals, food additives and preservatives, is produced by microbial fermentation. On the other hand, most of the industrially used succinic acid is synthesized from n-butane and acetylene derived from crude oil or liquefied natural gas by major chemical companies in the US, Europe, Japan and China.

그러나, 화학적 방법을 이용한 숙신산 합성공정은 제조과정에서 유해성 고형폐기물, 폐용액 및 폐가스(일산화탄소 포함) 등을 다량 배출한다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 자원의 고갈 가능성이 높은 화석원료를 기초물질로서 사용하는 문제점이 있다. 또한, 지속적인 유가상승으로 인해 생산원가가 지속적으로 증가하는 문제도 있다. However, the succinic acid synthesis process using a chemical method has a problem that a large amount of toxic solid waste, waste solution and waste gas (including carbon monoxide) are emitted during the manufacturing process, and there is a problem of using a fossil raw material, . In addition, there is a problem that the production cost continuously increases due to the continuous rise in oil prices.

따라서, 이를 대체할 수 있는 방법으로 미생물 발효를 이용한 숙신산 생산방법에 대한 연구개발이 시급한 실정이다. 최근 발효기술의 발전으로, 기존에 수소치환을 통하여 생산하던 종래의 프로세스를 대체할 수 있는 수준에 이르렀으며, 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 상황이다.
Therefore, it is urgent to research and develop a production method of succinic acid using microbial fermentation as a substitute method. Due to recent advances in fermentation technology, it has reached a level that can replace conventional processes that have been produced through hydrogen substitution, and a lot of research is underway in the world.

대한민국 등록특허 제10-1402659호 (발명의 명칭: 악티노바실러스 숙시노게네스 및 이를 이용한 숙신산의 제조 방법)에는, 숙신산의 생산성, 수율 및 공정 안정성이 우수하고, 대량 생산공정에 적용 가능한 신규주인 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes) KCTC 12233BP 및 이를 이용한 숙신산 제조 방법에 관한 것이 기재되어 있다.Korean Patent No. 10-1402659 (entitled "Actino Bacillus succinogenes and a method for producing succinic acid using the same"), which is excellent in the productivity, yield and process stability of succinic acid and is applicable to mass production processes, Actinobacillus succinogenes KCTC 12233BP and a method for producing succinic acid using the same are disclosed. 대한민국 공개특허 제10-2012-00115878호 (발명의 명칭: 숙신산 고생산성 배지)에는 숙신산 고생산성 배지에 있어서, 통계학적 방법을 통하여 개발된 것으로 탄소원으로 글루코스 및 질소원으로 고가의 효모 추출물과 저가의 옥수수 침지액을 최적의 비율로 조합함으로써 저렴한 비용으로 숙신산을 산업적 규모로 대량 생산할 수 있는 숙신산 생산균주 배양용 배지에 대해 기재되어 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-00115878 (titled "succinic acid high productivity medium") was developed through a statistical method in a succinic acid-high productivity medium. It was developed using glucose as a carbon source and an expensive yeast extract and a low- And a succinic acid-producing culture medium capable of mass-producing succinic acid on an industrial scale at a low cost by combining an immersion liquid at an optimum ratio.

본 발명은 숙신산을 생산함에 있어, 이산화탄소의 주입방식을 개선함으로써, 고농도로 숙신산을 생산할 수 있는 방법을 개발하여 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is an object of the present invention to develop and provide a method for producing succinic acid at a high concentration by improving the injection method of carbon dioxide in the production of succinic acid.

본 발명은 숙신산 생산능이 있는 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)를 배양하여 숙신산을 생산하는 방법에 있어서, 상기 배양은 배양 초기 3~6시간 동안만 이산화탄소 가스를 폭기시키고, 그 이후에는 폭기시키지 않는 것을 특징으로 하는 숙신산의 생산방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing succinic acid by cultivating actinobacillus succinogenes having succinic acid production ability, wherein the cultivation is carried out by aerating the carbon dioxide gas only for 3 to 6 hours in the initial stage of culture, And a method for producing succinic acid is provided.

기존의 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)를 이용한 발효공정은 48시간 동안 이산화탄소를 폭기시킴으로써, 혐기성 유도 및 숙신산 생산에 필수적인 이산화탄소를 공급하였다. 그러나, 이산화탄소는 가격이 매우 비싸 배양 전반에 걸쳐 지속적으로 공급하는 것은 산업화 적용 면에서 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 그렇다고 이산화탄소를 폭기시키지 않았을 경우에는 숙신산의 생산량이 감소하는 현상이 발생하는 문제가 발생하기 때문에, 이산화탄소를 최소량만 폭기시켜주면서도 숙신산을 고농도로 생산하는 전략의 개발이 필요한 것이었다. 그런데, 본 발명에서는 배양 초기 3~6시간 동안만 이산화탄소 가스를 폭기시킴으로써, 이산화탄소를 많이 사용하지 않으면서도 고농도로 숙신산을 생산할 수 있는 방법을 개발한 것이다. Actinobacillus < RTI ID = 0.0 > ( Actinobacillus < / RTI > succinogenes ) supplied carbon dioxide essential for anaerobic induction and succinic acid production by aerating the carbon dioxide for 48 hours. However, carbon dioxide is very expensive and it is disadvantageous in that it is not economically feasible to apply industrialization continuously. However, when the carbon dioxide is not augmented, the production of succinic acid decreases. Therefore, it is necessary to develop a strategy of producing succinic acid at a high concentration while aerating a minimum amount of carbon dioxide. However, in the present invention, a method of producing succinic acid at a high concentration without using a large amount of carbon dioxide was developed by aerating the carbon dioxide gas only for 3 to 6 hours in the initial stage of culture.

한편, 본 발명의 숙신산 생산방법에 있어서, 상기 이산화탄소는 바람직하게 배양 중 0.4~0.8 vvm (aeration volume/medium volume/minute)로 주입되는 것이 좋다. In the method for producing succinic acid according to the present invention, it is preferable that the carbon dioxide is injected at 0.4 to 0.8 vvm (aeration volume / medium volume / minute) during the culture.

한편, 본 발명의 숙신산 생산방법에 있어서, 상기 배양은 바람직하게 탄산마그네슘(MgCO)이 첨가된 배지를 사용하는 것이 좋다. 탄산마그네슘은 배양을 위해 필요한 탄산 이온의 우수한 공급원이 될 수 있기 때문이다. 이때, 상기 배지는 더욱 바람직하게 포도당, 효모 추출물, 옥수수 침지액 고형분, 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 배지는 바람직하게 포도당 100~110 g/L, 효모 추출물 10~15 g/L, 옥수수 침지액 고형분 15~20 g/L, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 8~12 g/L 및 탄산마그네슘 90~110 g/L로 조성되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 포도당 105~110 g/L, 효모 추출물 12~15 g/L, 옥수수 침지액 고형분 17~20 g/L, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 9~11 g/L 및 탄산마그네슘 95~105 g/L로 조성되는 것이 좋다. On the other hand, in the method for producing succinic acid according to the present invention, it is preferable to use a culture medium in which magnesium carbonate (MgCO 3 ) is added. This is because magnesium carbonate can be an excellent source of carbonate ions necessary for culture. At this time, the medium may further include glucose, yeast extract, solid matter of corn steep liquor, and sodium bicarbonate (NaHCO 3 ). At this time, the medium preferably contains 100 to 110 g / L of glucose, 10 to 15 g / L of yeast extract, 15 to 20 g / L of corn steep liquor solid, 8 to 12 g / L of sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ) And 90 to 110 g / L of magnesium. More preferably, it is more preferable that the solid content of the corn steep liquor is from 17 to 20 g / L, from 10 to 110 g / L of glucose, from 12 to 15 g / L of yeast extract, from 9 to 11 g / L of sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ) 105 g / L.

한편, 상기 본 발명의 배지 조성에 있어서, 탄산마그네슘은 일 예로 탄산마그네슘·헤비(magnesium carbonate·heavy)을 사용할 수 있다. 탄산마그네슘·헤비는 (MgCO3)4·(MgOH)2·5H2O의 화학식을 가지는데, 탄산마그네슘보다 저가이기 때문에 이의 사용을 통해 본 발명 생산 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다. On the other hand, in the medium composition of the present invention, magnesium carbonate can be used, for example, magnesium carbonate heavy. The magnesium carbonate heavier has a formula of (MgCO 3 ) 4. (MgOH) 2 .5H 2 O, which is lower in cost than magnesium carbonate, so that the productivity of the present invention production process can be improved through its use.

한편, 본 발명의 숙신산 생산방법에 있어서, 상기 배양은 회분식 배양일 수 있다. 회분식 배양은 공정이 다른 배양방법에 비해 간편하여 산업적으로 활용도가 매우 높은데, 본 발명은 단순한 배양방법인 회분식 배양을 통해서도 숙신산을 고농도로 생산할 수 있음을 밝혀냈다.
On the other hand, in the succinic acid production method of the present invention, the culture may be a batch culture. The batch culture is easier to use than the other cultivation methods and industrially, so that the present invention can produce succinic acid at a high concentration even by batch culture which is a simple culture method.

본 발명은 고농도의 숙신산 생산을 전제로 하여 고가의 배지성분인 이산화탄소를 최단시간 폭기시킴으로써 생산단가의 혁신적인 절감을 가져 왔으며, 고가의 배지 성분 중 하나인 탄산마그네슘을 저가의 탄산마그네슘·헤비(magnesium carbonate·heavy)로 대체하여 경제성을 더욱 높였다. 따라서, 본 발명은 산업화 적용에 상당한 경쟁력을 갖고 있으며, 플랫폼 케미칼인 숙신산의 국내 산업화에 대한 가능성을 한층 높여줄 것이라 기대한다.
The present invention is based on the production of a high concentration of succinic acid. The carbon dioxide, which is an expensive medium, is aesthetized for the shortest time, resulting in an innovative reduction in production cost. Magnesium carbonate, which is one of the expensive medium components, · Heavy). Therefore, the present invention has a considerable competitiveness in industrial application and is expected to further enhance the possibility of domestic industrialization of succinic acid as a platform chemical.

도 1은 이산화탄소가 물에 녹았을 때, 탄산 이온으로 전환하는 단계 및 그 전환 반응의 평형상수를 나타낸 것이다.
도 2는 5 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 숙신산 생산량의 변화 정도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 5 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 잔여 포도당 양을 나타낸 그래프이다.
도 4는 50 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 발효조 내의 숙신산 생산량의 변화 정도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 50 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 시간의 변화에 따른 잔류 포도당량을 나타낸 그래프이다.
1 shows the steps of converting carbon dioxide into carbonate ion when dissolved in water and the equilibrium constant of the conversion reaction.
FIG. 2 is a graph showing the degree of change of succinic acid production amount with aeration time when a carbon dioxide gas is aerated in various times in a 5 L fermentation tank. FIG.
3 is a graph showing the amount of residual glucose in a 5 L fermenter according to aeration time when carbon dioxide gas is aerated at various times.
4 is a graph showing the degree of change of succinic acid production amount in the fermentation tank with aeration time when a carbon dioxide gas is aerated in various times in a 50 L fermentation tank.
FIG. 5 is a graph showing the residual glucose amount with time in a 50 L fermentation tank when carbon dioxide gas is aerated at various times. FIG.

악티노바실러스 숙시노게네스를 이용한 숙신산 생산에는 이른바 총 탄산이온(total carbonate) 개념으로 볼 수 있는 탄산이온 및 이산화탄소의 효과적인 공급이 매우 중요하다 (도 1 참조). 도 1은 이산화탄소가 물에 녹았을 때, 탄산 이온으로 전환하는 단계 및 그 전환 반응의 평형상수를 나타낸 것이다. The production of succinic acid using Actino Bacillus succinogenes is very important for the effective supply of carbon dioxide and carbon dioxide, which is the so-called total carbonate concept (see FIG. 1). 1 shows the steps of converting carbon dioxide into carbonate ion when dissolved in water and the equilibrium constant of the conversion reaction.

실험실 규모 생산공정에서의 숙신산 생산연구에 가장 비용이 비싼 배지성분은 이산화탄소 가스이고, 따라서 산업용 규모에서는 이산화탄소 가스가 발생하는 플랜트와 연계하여 설계하기도 한다 (이를테면 알코올 생산 공장과의 연계를 들 수 있다). The most expensive medium for the study of succinic acid production in the laboratory scale production process is carbon dioxide gas, which is designed in conjunction with a plant that generates carbon dioxide gas on an industrial scale (such as linkage with an alcohol production plant) .

그러나, 상기와 같은 플랜트의 연계는 그 조건과 장소 등 다양한 한계점이 발생한다. 그러므로 판매가격이 저렴한 숙신산을 저가의 생산단가로 생산하기 위해선 이산화탄소 가스의 효과적인 공급이 필수적인데, 여기서 숙신산의 생산성은 유지되면서 이산화탄소 가스는 최소로 공급하는 조업 방법이 산업화로의 적용을 더욱 가능하게 할 것으로 예상하고, 이와 같은 방법을 개발하고자 한 것이다. However, the above-mentioned linkage of the plant causes various limitations such as the condition and the place. Therefore, it is essential to supply CO 2 gas efficiently to produce Succinic acid, which is cheap in sales price, at a low production cost. Here, productivity of succinic acid is maintained, and the operation method of supplying CO 2 gas to the minimum can be applied more industrially And to develop such a method.

또한, 본 발명에서는 산업화 적용을 위해 절대적으로 필요한 '경제성'을 고려한 숙신산 생산 공정을 개발하고자 하였는데, 하기 본 발명의 실시예에서는 생산배지 중 주요 중탄산이온 공급원인 MgCO3을 저가의 대량 화합물인 MgCO3·heavy로 사용하였다 (MgCO3·heavy: (MgCO3)4·(MgOH)2·5H2O). 산업용 저가 화합물인 MgCO3·heavy가 배지 중에 100 g/L 공급되지만, 100 g/L 속 MgCO3는 실제 약 70% 가량 존재한다.In the present invention, absolutely were to develop a succinic acid production process, considering the "economic" is required, for example in the main of the production medium bicarbonate ion of the present invention supply source of the MgCO 3 mass compounds of low MgCO 3 for industrial application Heavy (MgCO 3 heavy: (MgCO 3 ) 4 (MgOH) 2 .5H 2 O). Although 100 g / L of industrial low-cost compound MgCO 3 · heavy is supplied to the medium, 100 g / L MgCO 3 actually exists in about 70%.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments, and includes modifications of equivalent technical ideas.

[[ 실시예Example 1:  One: 악티노바실러스Actino Bacillus 숙시노게네스SuShinogenes ( ( ActinobacillusActinobacillus succinogenessuccinogenes )를 이용한 숙신산의 생산]) ≪ / RTI >

1. 실험방법 1. Experimental Method

(1) 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)의 확보 및 보관 (1) Actinobacillus Actinobacillus Succinogenes ) and storage

숙신산 생산 균주로는 ATCC(American Type Culture Collection)에서 구입한 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes) ATCC 55618로부터 유래된 돌연변이주, UK13 균주(KCTC 12233BP)를 사용하였다 (참조특허: 대한민국 특허등록번호 제10-1402659호).As succinic acid producing strains, Actinobacillus ( Actinobacillus ), purchased from the American Type Culture Collection (ATCC) succinogenes ) A mutant strain, UK13 strain (KCTC 12233BP) derived from ATCC 55618 was used (Korean Patent Registration No. 10-1402659).

고체배양은 TSA(tryptic soy agar) 배지 (pancreatic digest of casein 15 g, papaic digest of soybean 5 g, NaCl 5 g, 한천(agar) 15 g, 증류수 1 L)를 이용하였다. For solid culture, TSA (tryptic soy agar) medium (15 g of pancreatic digest of casein, 5 g of papaic digest of soybean, 5 g of NaCl, 15 g of agar and 1 L of distilled water) was used.

생산배양에 앞서 균체를 늘리기 위한 성장배양은, TSB (tryptic soy broth) 배지 (pancreatic digest of casein 17 g, papaic digest of soybean 3 g, 덱스트로오스 2.5 g, NaCl 5 g, K2HPO4 (potassium phosphate dibasic) 2.5 g, 증류수 1 L)를 사용하였다. 이를 통해 활성이 높은 균체를 얻어내었다. Production growth culture for increasing the microbial cells prior to culturing, TSB (tryptic soy broth) medium (pancreatic digest of casein 17 g, papaic digest of soybean 3 g, dextrose 2.5 g, NaCl 5 g, K 2 HPO 4 (potassium phosphate dibasic 2.5 g, distilled water 1 L) was used. This resulted in highly active microbes.

균주보관은 액상배양을 통해 얻은 균체를 4℃에 보관하거나, 20% 글리세롤 스탁(stock)을 만들어 -80℃에 보관하였고, 필요시마다 보관된 스탁(stock)을 꺼내 고체 계대배양 배지에 접종 후, 배양하여 사용하였다.
For storage of the strain, the cells obtained from the liquid culture were stored at 4 ° C. or 20% glycerol stock (stock), stored at -80 ° C., taken out as needed, and inoculated into a solid passage culture medium, And cultured.

(2) 숙신산 생산을 위한 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)의 배양 조건 (2) Cultivation conditions of Actinobacillus succinogenes for production of succinic acid

상기의 고체 배지에서 성장한 단일 콜로니를 무균적으로 수거한 후, 이를 액체배지에 1%(v/v)가 되도록 접종하였다.Single colonies grown in the above solid medium were aseptically collected and inoculated into liquid medium at 1% (v / v).

성장배양과 생산배양 모두 배양부피에 대하여 1%의 종균을 접종하였으며, 포도당 100 g/L, 효모추출물 10 g/L, 옥수수 침지액 15 g/L, 탄산수소나트륨 10 g/L 및 탄산마그네슘·헤비 100 g/L이 포함된 생산배지를 사용하였다.In both growth and production cultures, 1% of the seed culture was inoculated with respect to the culture volume, and 100 g / L of glucose, 10 g / L of yeast extract, 15 g / L of corn steep liquor, 10 g / L of sodium hydrogencarbonate, Production medium containing 100 g / L heavy was used.

최초 균체의 성장배양은 진탕 배양기에서 38 ℃, 200 rpm으로 1~2일간 배양하였고, 50 ml 유리튜브에 5 ml 배양부피로 수행되었다. 1차 성장배양은 12~15시간 배양하였으며, 그 후, 2차 성장배양은 250 ml 플라스크에서 배양부피 30 ml로 6~12시간 배양한 후, 발효조에 접종하였다.The growth of the first cells was performed in a shaking incubator at 38 ° C and 200 rpm for 1 to 2 days, and the cells were cultured in a 50 ml glass tube in a 5 ml culture volume. The primary growth culture was incubated for 12 to 15 hours, and then the secondary growth culture was inoculated into the fermenter after culturing for 6 to 12 hours in a 250 ml flask with a culture volume of 30 ml.

성장배양이 끝난 후, 생산배양은 5 L 교반탱크반응기(stirred tank reactor)에서 3 L의 배양부피로 진행하여 숙신산을 배양하였다.
After the growth culture, the production culture was carried out in a 5 L stirred tank reactor at a culture volume of 3 L to cultivate succinic acid.

(3) 숙신산의 생산량 분석  (3) Analysis of yield of succinic acid

악티노바실러스 숙시노게네스(Actinobacillus succinogenes)의 배양액에서 숙신산의 정량분석을 위해 1.5 ㎖ 마이크로 튜브에 시료를 채취하고, 연속 희석(serial dilution)을 통하여 희석한 다음 0.45 ㎛ 여과지를 이용하여 2번의 여과 과정을 수행한 후, HPLC를 이용하여 다음의 조건으로 분석하였다.For the quantitative analysis of succinic acid in the culture medium of Actinobacillus succinogenes , samples were taken in 1.5 ml microtube, diluted by serial dilution, and then filtered twice using 0.45 ㎛ filter paper And analyzed by HPLC under the following conditions.

- 분석 온도: 25℃- Analysis temperature: 25 ℃

- 유속: 0.8 ㎖/min - flow rate: 0.8 ml / min

- 이동상: 0.01N H2SO4 - Mobile phase: 0.01NH 2 SO 4

- 분석시간: 20분- Analysis time: 20 minutes

- 시료 주입량: 10 ㎕- Sample injection amount: 10 μl

- 칼럼: Organic acid column (Bio-Rad, Aminex HPX 87H, 125-0140 )Column: Organic acid column (Bio-Rad, Aminex HPX 87H, 125-0140)

- 검출기: UV detector- Detector: UV detector

- 검출파장 : 210 nm
- Detection wavelength: 210 nm

(4) 당 분석  (4) per-analysis

배양액 중 존재하는 당 분석을 위해 배양액을 12,000 rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상등액을 취하여 12,000 rpm에서 10분간 3회 원심분리를 반복 수행하여 상등액만을 취한 다음, 0.45 ㎛ HPLC용 여과지를 이용하여 여과하였다. HPLC를 이용한 당분석 조건은 다음과 같았다.The supernatant was centrifuged at 12,000 rpm for 10 minutes and the supernatant was centrifuged three times for 10 minutes at 12,000 rpm to obtain supernatant. Then, the supernatant was collected by filtration using a 0.45 μm HPLC filter paper, Respectively. The sugar analysis conditions using HPLC were as follows.

- 분석 온도: 40℃- Analysis temperature: 40 ℃

- 유속: 1.2 ㎖/min- Flow rate: 1.2 ml / min

- 이동상(mobile phase): 아세토니트릴 : 물 = 75 : 25 (v/v)- mobile phase: acetonitrile: water = 75: 25 (v / v)

- 분석 시간 : 15분- Analysis time: 15 minutes

- 시료 주입량 : 20 ㎕- Sample injection amount: 20 μl

- 칼럼 : Amine column (250 ㎜ × 46 ㎜, RS tech)- Column: Amine column (250 mm x 46 mm, RS tech)

- 검출기: RI detector
- Detector: RI detector

(5) 악티노바실러스 숙시노게네스의 균체량 확인  (5) Determination of the amount of bacterium of Actinobasilus suisinogenes

우선 발효조에서 배양되는 배양액을 회수하여 12000 rpm의 속도로 10분간 원심분리를 수행하고, 증류수나 saline water로 3번 이상 세척해 주었다. 이후에 100 ℃에서 10~12시간 건조하여 준 후 중량을 측정하였다. 또는, 회수된 배양액을 균일하게 섞어 준 후 660 nm에서 분광흡도계를 이용하여 흡광도를 측정해 주었다. First, the culture medium cultured in the fermenter was recovered, centrifuged at 12000 rpm for 10 minutes, and washed 3 times with distilled water or saline water. Then, after drying at 100 ° C for 10 to 12 hours, the weight was measured. Alternatively, the recovered culture was homogeneously mixed and the absorbance was measured at 660 nm using a spectrophotometer.

균체량은 탁도로 측정할 수 있는데 생산배지 중, 탄산마그네슘이 포함된 배양일 경우 1N 염산을 이용하여 원액을 50배 희석하는 과정을 통하여 탄산마그네슘을 완전히 녹인 후 흡광도를 측정하였다.
The amount of cells can be measured by turbidity. In the case of the culture containing magnesium carbonate in the production medium, the magnesium carbonate is completely dissolved by diluting 50 times with 1N hydrochloric acid to measure the absorbance.

2. 실험 결과 2. Experimental results

악티노바실러스 숙시노게네스(Actinobacillus succinogenes)를 배양할 때, 이산화탄소의 다양한 폭기 조건에 따른 숙신산 생산량의 변화를 확인하기 위해, 이산화탄소 가스를 전혀 공급하지 않은 대조군 ('0시간' 폭기군), 배양 시작부터 1.5, 3, 4.5, 6시간 동안만 각각 0.6 vvm으로 폭기시키는 실험군과 48시간 동안 꾸준히 이산화탄소를 0.6 vvm으로 공급하여 폭기시키는 실험군에 대한 배양 실험을 5 L 발효조에서 각각 수행하였다 (표 1). Actinobacillus Actinobacillus succinogenes ), the control group ('0 hour' aeration group) in which no carbon dioxide gas was supplied, 1.5, 3, 4.5, and 6% from the start of culture to confirm the change of succinic acid production according to the various aeration conditions of carbon dioxide (Fig. 1). The results are shown in Table 1 and Table 2, respectively.

배양 조건Culture conditions 배양 배지Culture medium 포도당 100 g/L, 효모추출물 10 g/L, 옥수수 침지액 15 g/L, 탄산수소나트륨 10 g/L 및 탄산마그네슘·헤비 100 g/L 함유 액상 배지Liquid medium containing 100 g / L of glucose, 10 g / L of yeast extract, 15 g / L of corn steep liquor, 10 g / L of sodium hydrogencarbonate and magnesium carbonate · Heavy 100 g / 균주Strain 악티노바실러스 숙시노게네스 UK13Actino Bacillus SUSHINOGENES UK13 배양기간Incubation period 48 시간48 hours 교반속도Stirring speed 300 rpm300 rpm 수소이온 농도Hydrogen ion concentration 6.8로 조정Adjust to 6.8 이산화탄소 폭기 시간Carbon dioxide aeration time 00 1.51.5 33 4.54.5 66 4848

상기의 다양한 조건에 해당된 시간 동안 이산화탄소 가스를 폭기시킨 후, 외부 공기가 발효조 내로 유입되지 않도록 차단함으로써 오염을 방지하였다. 또한, 대조군인 0시간 폭기군과 생산량 대비 가장 경제성 있을 것으로 예측한 3시간 폭기군은 특별히 각각 2번 배양하였다. After the carbon dioxide gas was aerated for a time corresponding to the various conditions described above, external air was prevented from flowing into the fermentation tank to prevent contamination. In addition, the 0 hour aeration group as the control group and the 3 hour aeration group as the most economical compared with the production amount were specifically cultured twice each.

실험 결과는 하기 표 2, 도 2 및 도 3에 나타내었다. 도 2는 5 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 숙신산 생산량의 변화 정도를 나타낸 그래프이다. 도 3은 5 L 발효조에서, 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 잔여 포도당 양을 나타낸 그래프이다. The experimental results are shown in Table 2, Fig. 2 and Fig. FIG. 2 is a graph showing the degree of change of succinic acid production amount with aeration time when a carbon dioxide gas is aerated in various times in a 5 L fermentation tank. FIG. 3 is a graph showing the amount of residual glucose in a 5 L fermenter according to aeration time when carbon dioxide gas is aerated at various times.

이산화탄소 폭기 시간Carbon dioxide aeration time 0시간 4) 0 hours 4) 1.5시간1.5 hours 3시간 4) 3 hours 4) 4.5시간4.5 hours 6시간6 hours 48시간48 hours 최종 균체량 (g/L)Final cell mass (g / L) 11.9011.90 11.9011.90 11.1811.18 11.1711.17 11.111.1 11.1811.18 숙신산 생산량 (g/L)Production of succinic acid (g / L) 53.0753.07 59.6959.69 85.5185.51 82.6482.64 85.7385.73 89.9889.98 잔여 포도당량 (g/L)Remaining glucose amount (g / L) 21.9321.93 9.749.74 0.070.07 00 00 00 생산성 (g/L/hr)Productivity (g / L / hr) 1.191.19 1.241.24 1.781.78 1.71.7 1.821.82 1.851.85 YP /S (g SA/g glu) 1) Y P / S (g SA / g glu) 1) 0.600.60 0.600.60 0.780.78 0.760.76 0.80.8 0.820.82 YX /S (g cell/g glu) 2) Y X / S (g cell / g glu) 2) 0.120.12 0.120.12 0.100.10 0.100.10 0.10.1 0.10.1 YP /X (g SA/g cell) 3) Y P / X (g SA / g cell) 3) 4.824.82 5.025.02 7.657.65 7.407.40 7.877.87 7.957.95

1) YP /S: 사용된 포도당 비 숙신산(SA)의 생산 수율1) Y P / S : Production yield of glucose non-succinic acid (SA) used

2) YX /S : 사용된 포도당 비 균체량의 성장 수율2) Y X / S : Growth yield of non-cell mass of glucose used

3) YP /X: 균체량 비 숙신산(SA) 생산 수율3) Y P / X : amount of bacterium Unsaturated (SA) production yield

4) 2번 배양한 배양 결과의 평균치
4) The average value of the culture results of the No. 2 culture

실험 결과, 상기 표 2 및 도 2에서 보는 바와 같이, 이산화탄소 가스가 폭기되지 않은 배양 (0시간 폭기)은 평균 53.07 g/L 수준으로, 숙신산의 생산량이 작은 것을 알 수 있었다. 배양 시작부터 1.5시간 동안만 폭기시킨 배양의 경우, 적은 수준으로 숙신산 생산량이 증가한 것을 관찰할 수 있었고, 그 증가폭 또한 크지 않았다. As a result of the experiment, as shown in Table 2 and FIG. 2, it was found that the culture (0 hour aeration) in which carbon dioxide gas was not aerated was 53.07 g / L on average and the production of succinic acid was small. In the case of culture aeration only for 1.5 hours from the start of culture, it was observed that the production of succinic acid was increased to a small level, and the increase was not great.

하지만, 배양 시작부터 3시간 동안만 이산화탄소 가스를 폭기시킨 배양의 경우, 숙신산의 생산량이 많이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 3시간 동안 이산화탄소 가스를 폭기시킨 배양에서는 평균 85.51 g/L의 숙신산이 생산되는 것을 확인할 수 있었으며, 1.78 g/L/hr의 생산성, 0.78 g/g의 포도당에 대한 숙신산의 수율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다 (표 2, 도 2). 이는 이산화탄소를 48시간 공급한 것과 비교하여 숙신산의 생산량 측면에서 실질적으로 거의 같게 나오는 것이었다. However, the production of succinic acid was significantly increased in the case of cultivation in which the carbon dioxide gas was aerated only for 3 hours from the start of culture. It was confirmed that succinic acid was produced at an average of 85.51 g / L in the culture in which carbon dioxide gas was aerated for 3 hours, and productivity of 1.78 g / L / hr and succinic acid yield of 0.78 g / g of glucose (Table 2, Fig. 2). Which was substantially the same in terms of the amount of succinic acid produced as compared with the supply of carbon dioxide for 48 hours.

한편, 이산화탄소 가스를 3시간 동안 폭기시킨 배양과 비교하여 4.5시간 및 6시간 공급해준 배양도 각각 82.64 g/L, 85.73 g/L의 숙신산 생산량을 나타내었는데, 이는 3시간 동안 폭기시킨 것과 비슷한 결과이다.On the other hand, the cultures fed for 4.5 hours and 6 hours showed 82.64 g / L and 85.73 g / L succinic acid production, respectively, as compared with those cultured with carbon dioxide gas for 3 hours .

한편, 상기와 같은 결과는 배양 초반에 이산화탄소 가스와 더불어 중탄산이온이 원활하게 공급되어 숙신산 대사과정이 좀 더 강력하게 작용하여 발생한 현상이라 풀이할 수도 있었다. 생산배지 조합 내 포함된 MgCO3·Heavy가 중탄산이온을 공급하고, 또한 가스 형태의 이산화탄소를 공급함으로써 접종된 균체에 총 탄산이온(total carbonate)이 풍부한 환경이 형성된다는 것이다 (도 1 참조). 그에 따라 상기 균체의 딸세포들이 좀 더 이산화탄소를 많이 이용하는 대사과정을 갖는 것으로 예측할 수 있었다. On the other hand, the above results could be solved by the fact that the bicarbonate ion is supplied smoothly together with the carbon dioxide gas in the early stage of cultivation, and the succinic acid metabolic process acts more strongly. MgCO 3 · Heavy contained in the production medium combination supplied bicarbonate ions and supplied gaseous carbon dioxide to form an environment rich in total carbonate in the inoculated cells (see FIG. 1). Therefore, it was predicted that the daughter cells of the above-mentioned cells had more metabolic processes using more carbon dioxide.

결론적으로 초반에 적은 시간의 이산화탄소 가스를 폭기하는 것만으로도, 이산화탄소 가스를 폭기시키지 않은 배양에 비하여 풍부한 탄산 이온의 공급환경을 조성하는 것을 알 수 있었고, 이를 통해 숙신산의 생산량이 약 1.3배가량 차이가 난 것으로 해석할 수 있었다. As a result, it was found that, by simply aeration of carbon dioxide gas for a short time in the early stage, the supply environment of abundant carbonic acid ions is improved compared with the culture without aeration of carbon dioxide gas. Thus, the production amount of succinic acid is about 1.3 times It is possible to interpret it as.

한편, 이산화탄소 폭기시 균체의 활발한 대사활성은 도 3에 제시된 잔여 포도당의 농도를 관찰함으로써 추가적으로 확인할 수 있었다. 이산화탄소 가스를 폭기하지 않은 배양은 포도당을 전부 이용하지 못하는 현상을 관찰할 수 있었으며, 이산화탄소 가스를 1.5시간 폭기시켜 주는 배양은 조금 더 이용한 것을 확인할 수 있다. 하지만, 3시간 이상 이산화탄소 가스를 폭기한 배양에서는 모두 포도당을 이용한 것을 관찰할 수 있었다.On the other hand, the active metabolic activity of the cells upon carbon dioxide aeration was further confirmed by observing the residual glucose concentration shown in Fig. The culture without carbon dioxide gas aeration showed that glucose could not be used at all, and it was confirmed that carbon dioxide gas was used for a further 1.5 hours aeration. However, it was observed that glucose was used in cultures in which carbon dioxide gas was aerated for 3 hours or more.

[[ 실시예Example 2: 배양 규모 확장을 통한  2: Through expansion of culture 악티노바실러스Actino Bacillus 숙시노게네스SuShinogenes ( ( ActinobacillusActinobacillus succinogenes succinogenes )의 숙신산 생산]) Succinic acid production]

상기 실시예 1의 결과가 실제 배양 규모가 확장된 조건에서도 같은 효과를 나타내는지 확인하기 위하여, 이산화탄소를 폭기시키지 않는 배양, 이산화탄소를 6시간 동안 0.6 vvm으로 폭기시키는 배양 및 이산화탄소를 48시간 동안 0.6 vvm으로 폭기시키는 배양을, 50 L 발효조에서 수행하였다. In order to confirm that the results of the above Example 1 show the same effect even under the expanded culture condition, the culture without carbon dioxide aeration, the culture in which carbon dioxide is aerated at 0.6 vvm for 6 hours, and the carbon dioxide at 0.6 vvm Were performed in a 50 L fermentor.

발효조를 키운 것 및 5L로 배양부피(working volume)을 키운 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 배양을 실행하였다. 실험 결과는 하기 표 3에 나타내었다. Cultivation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the fermentation tank was cultivated and a working volume of 5 L was cultivated. The experimental results are shown in Table 3 below.

배양 조건Culture conditions 0 hour0 hour 6 hours6 hours 48 hours48 hours Final cell mass (g/L)Final cell mass (g / L) 11.911.9 11.1411.14 11.1911.19 Final SA (g/L)Final SA (g / L) 62.2662.26 79.1679.16 74.9474.94 Residual glu. conc. (g/L)Residual glu. conc. (g / L) 30.7330.73 00 00 Productivity (g/L/hr)Productivity (g / L / hr) 1.301.30 1.651.65 1.561.56 YP /S (g SA/g glu) 1) Y P / S (g SA / g glu) 1) 0.800.80 0.720.72 0.690.69 YX /S (g cell/g glu) 2) Y X / S (g cell / g glu) 2) 0.150.15 0.100.10 0.100.10 YP /X (g SA/g cell) 3) Y P / X (g SA / g cell) 3) 5.235.23 7.117.11 6.706.70

1) YP /S: 사용된 포도당 비 숙신산의 생산 수율1) Y P / S : Production yield of glucose non-succinic acid used

2) YX /S : 사용된 포도당 비 균체량의 성장 수율2) Y X / S : Growth yield of non-cell mass of glucose used

3) YP /X: 균체량 비 숙신산 생산 수율
3) Y P / X : yield of bismuth non-succinic acid production

실험결과, 전체적으로 5 L 발효조와 같은 현상을 나타내는 것을 알 수 있었으며, 이산화탄소를 폭기하지 않은 배양은 최종 62.26 g/L의 숙신산이 생산되었고, 6시간 폭기한 배양은 79.16 g/L, 48시간 폭기한 배양은 74.94 g/L의 숙신산을 생산한 것으로 확인할 수 있었다. 이에 따라, 이산화탄소 가스를 6시간 폭기시킨 배양이 이산화탄소 가스를 폭기시키지 않은 배양보다 약 1.3배 많은 숙신산을 생산하는 것을 확인할 수 있었다 (표 4 및 도 4). 도 4는 50 L 발효조에서 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 발효조 내의 숙신산 생산량의 변화 정도를 나타낸 그래프이다. As a result, it was found that the 5-L fermenter as a whole exhibited the same phenomenon. In the culture without aeration of carbon dioxide, 62.26 g / L of succinic acid was produced, and the culture for 6 hours aeration was 79.16 g / It was confirmed that the culture produced 74.94 g / L of succinic acid. As a result, it was confirmed that the culture obtained by aerating the carbon dioxide gas for 6 hours produced about 1.3 times as much succinic acid than the culture not aerated with the carbon dioxide gas (Table 4 and FIG. 4). FIG. 4 is a graph showing the degree of change of succinic acid production amount in a fermenter according to aeration time when a carbon dioxide gas is aerated in a 50 L fermenter at various times. FIG.

한편, 잔여 포도당 농도의 변화량 또한 이산화탄소 가스를 폭기하지 않은 배양은 포도당을 전부 이용하지 못하는 것으로 확인할 수 있었다 (표 4 및 도 5). 도 5는 50 L 발효조에서 이산화탄소 가스를 다양한 시간으로 폭기시켰을 때, 폭기 시간에 따른 잔류 포도당 양을 나타낸 그래프이다. On the other hand, the change in the residual glucose concentration and the culture without aerating the carbon dioxide gas showed that glucose was not completely used (Table 4 and Fig. 5). FIG. 5 is a graph showing the amount of residual glucose according to aeration time when a carbon dioxide gas is aerated in a 50 L fermenter at various times. FIG.

본 발명의 실험 결과를 분석해 보면, 배양 초반, 균체의 적응기 기간에 균체들은 중탄산이온 흡수를 통하여 숙신산을 생합성하는 대사과정이 존재하고 이산화탄소 가스를 폭기시킴으로써 상승효과가 발생한다고 판단할 수 있었다. 결과적으로 10배 증가한 산업적 발효 규모에서도 같은 양의 숙신산을 생산할 수 있을 것으로 예측되며, 그 이상 배양규모가 확장되어도 동일한 효과를 보일 것으로 판단할 수 있었다. According to the results of the experiment of the present invention, it was concluded that there is a metabolic process of biosynthesizing succinic acid through the absorption of bicarbonate ions in the cells during the adaptation period of the cells, and a synergistic effect is caused by aeration of the carbon dioxide gas. As a result, it was predicted that the same amount of succinic acid could be produced even at an industrial fermentation scale of 10 times increase,

Claims (7)

숙신산 생산능이 있는 악티노바실러스 숙시노게네스 (Actinobacillus succinogenes)를 배양하여 숙신산을 생산하는 방법에 있어서,
상기 배양은 포도당 100~110 g/L, 효모 추출물 10~15 g/L, 옥수수 침지액 고형분 15~20 g/L, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 8~12 g/L 및 탄산마그네슘·헤비(magnesium carbonate·heavy) 90~110 g/L로 조성되는 배지를 사용하여, 배양 초기 3~6시간 동안만 이산화탄소 가스를 0.4~0.8 vvm (aeration volume/medium volume/minute)의 주입속도로 폭기시키고, 그 이후에는 폭기시키지 않는 것을 특징으로 하는 숙신산의 생산방법.
A method for producing succinic acid by culturing Actinobacillus succinogenes having succinic acid production ability,
The cultivation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 100 to 110 g / L of glucose, 10 to 15 g / L of yeast extract, 15 to 20 g / L of corn steep liquor solid, 8 to 12 g / L of sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ) magnesium carbonate · heavy) of 90 to 110 g / L, carbon dioxide gas was aerated at an infusion rate of 0.4 to 0.8 vvm (aeration volume / medium volume / minute) only for 3 to 6 hours in the initial stage of culture, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 배양은,
회분식 배양인 것을 특징으로 하는 숙신산의 생산방법.
The method according to claim 1,
The above-
Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > batch culture.
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