KR101816395B1 - 유기산 생산 균주 배양기 및 이를 이용한 유기산 생산 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기산을 생산하는 균주의 배양기 및 이를 이용하여 유기산을 생산하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 외부에서 추가적으로 유기산을 주입할 필요 없이, 배양기 간의 연속식 또는 재순환식 배양액 교환을 통해 높은 탄소수의 유기산을 산업적 생산에 가깝도록, 빠르고 효율적으로 생산할 수 있다.

Description

유기산 생산 균주 배양기 및 이를 이용한 유기산 생산 시스템{Apparatus for cultivating strain producing organic acid, and System for producing organic acid using the same}

본 발명은 유기산을 생산하는 균주의 배양기 및 이를 이용하여 유기산을 생산하는 시스템에 관한 것이다.

지구상에서 사용되는 에너지의 80%는 화석연료로부터 생산되며, 플라스틱 원료, 합성 고무, 용매, 페인트, 접착제와 같은 원료 물질들도 대부분 석유화학공정으로부터 생산되고 있다. 이에, 화석연료의 지속적 공급이 필요하나, 그 매장량의한계로 인해서, 새로운 대체연료의 개발이 시급한 실정이다.

현재, 이용 가능한 대체에너지로는 바이오 에너지, 태양열, 풍력, 지력, 조력발전 등이 대두되고 있으며, 그 중에서도 바이오 에너지는 수송용 연료로서 그 활용도가 높으며 환경오염 물질의 배출을 적게는 30% 이상, 많게는 90% 까지도 줄일 수 있는 장점으로 인하여, 전 세계적으로 높은 관심을 받고 있다. 바이오 에너지란 자연계에 있는 바이오매스(biomass)로부터 만들어지는 지속 가능한 에너지원을 말하는데, 옥수수, 사탕수수, 폐기용 셀룰로오스 등과 같은 식물이나 농업 및 환경 폐기물로부터 생산되기 때문에 지구 온난화의 주범이 되는 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 증가시키지 않고 각종 유기성 폐기물을 이용함으로써 폐기물을 줄이는 효과가 있다. 또한, 중금속 및 다른 유해물질을 포함하고 있지 않으며 액체 바이오 연료의 경우 기존의 자동차 액체 연료와 함께 혼합하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 재생 가능한 식물성 원료 물질에서 유래한 바이오 연료로는 C2 물질인 에탄올과 C4 물질인 부탄올이 수송용 연료로서 이미 많은 연구가 진행되고 있지만 항공용 연료 등은 더욱 높은 탄소수를 가진 물질을 필요로 하기 때문에 새로운 바이오 연료의 개발이 필요한 실정이다.

이에, 상기 바이오 연료의 전구물질인 유기산을 생산하는 균주들이 개발되고 있으며, 예를 들어 대표적인 C4 물질인 부티르산을 생산하는 균주로서 클로스트리디움 타이로부티리쿰 S1(KCTC 12103BP)가 개시된바 있으며(특허문헌 1), C6 물질인헥사노익산을 생산하는 균주로서 클로스트리듐 클루이베리, 메가스페라 엘스데니등이 개시된바 있다(비특허문헌 1).

그러나, 상기 언급한 균주들 모두 생산량이 충분하지 않아 바이오 연료의 생산 공정에 적용하기에는 미흡한 실정이며, 이들의 유기산 생산 효율을 높이기 위해서는 외부에서 추가적으로 유기산을 주입해주어야 한다는 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0077296호

B. H. Kim and G. M. Gadd, Bacterial physiology and metabolism. Cambridge University Press, Cambridge (2008)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서는 유기산을 생산하는 균주의 배양기 및 이를 이용하여 외부에서 추가적인 유기산을 주입하지 않고도 효율적으로 유기산을 생산하는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

내부에 유기산 생산 균주, 탄소원, 및 배양액이 수용되어, 상기 유기산 생산균주가 배양되고, 상기 탄소원을 이용해 상기 유기산 생산 균주가 유기산을 생산하는 반응실;

상기 반응실 하부에 인접 배치되고, 내부에 수용공간을 구비하는 분리실;

양단이 개방된 중공관 형상으로 형성되고, 외벽을 관통하는 다수의 세공을 구비하며, 양단은 상기 분리실 내부에 위치하고, 상기 세공은 상기 반응실 내부에 위치하도록, 고리 형상으로 배치되어, 상기 세공을 통해 상기 탄소원, 상기 배양액, 및 상기 유기산을 유입하여, 상기 분리실의 수용공간으로 유출시키는 필터; 및

상기 반응실과 상기 분리실 사이에 배치되어, 상기 반응실과 상기 분리실을 구획하고, 상기 필터를 고정하는 격벽;을 포함하는 배양기를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 세공의 직경은 상기 유기산 생산균주의 크기보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 반응실 내부와 연통되어, 상기 탄소원, 및 상기 배양액을 주입하는 주입구;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 분리실 내부와 연통되어, 상기 탄소원, 상기 배양액, 및 상기 유기산을 배출하는 배출구;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 필터는 다수 개일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 탄소원, 상기 배양액, 및 상기 유기산이 상기 필터 내부로 유입되도록, 상기 분리실의 수용공간을 진공상태로 조성하는 진공펌프;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 반응실 내부에 배치되어, 상기 배양액과 상기 유기산 생산균주를 혼합하는 마그네틱교반기;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명에 따른 상기 한 쌍의 배양기; 및

한 쌍의 상기 배양기 중 어느 하나인 제1 배양기의 분리실과 한 쌍의 상기 배양기 중 다른 하나인 제2 배양기의 반응실을 연결하는 공급라인;을 포함하고,

상기 제1 배양기의 반응실의 유기산 생산균주는 C_n(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이며, 생산되어 상기 제1 배양기의 분리실로 유출되는 산은 C_n 유기산이고,

상기 공급라인을 따라, 상기 제1 배양기의 배양액, 탄소원, 및 상기 C_n 유기산이 상기 제2 배양기의 반응실로 공급되며,

상기 제2 배양기의 반응실의 유기산 생산균주는 C_{n +2}(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이고, 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산으로부터 C_{n +2} 유기산을 생산하며,

상기 제2 배양기의 반응실로 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 생성된 상기 C_{n +2} 유기산은, 상기 제2 배양기의 필터를 통해, 상기 제2 배양기의 분리실로 이동하는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급라인을 따라 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산을 수송시키는 공급펌프;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배양기의 분리실과 상기 제1 배양기의 반응실을 연결하여, 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기로 순환시키는 순환라인;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 순환라인을 따라 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 수송시키는 순환펌프;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배양기의 분리실로부터 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_{n +2} 유기산을 공급받고, 유기용매를 가하여 상기 C_n+2 유기산을 추출한 후에, 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기의 반응실로 공급하는 추출부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 유기용매는 6-언데카논, 헥실헥사노에이트, 헥사놀, 헵탄, 도데카놀, 테트라데칸, 도데칸, 올레일알코올, 알라민336, 트리옥틸아민, 데트리데아민 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 탄소원은 프룩토스, 수크로스, 글루코스, 말토오스, 락테이트, 갈락티톨 및 목질계 바이오매스 당화액으로부터 생산된 복합 탄소원, 해조류 당화액으로부터 생산된 복합탄소원으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_n 유기산 생산균주는 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주, 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.) 및 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_n 유기산 생산균주는 클로스트리듐 타이로부틸리쿰(Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 부틸리쿰 (Clostridium butyeicum), 클로스트리듐 베이저링키아이 (Clostridium beijerinkii) 크렙시엘라 뉴모니아 (Klebsiella pneumoniae) 및 크렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_n 유기산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산 및 헥사노익산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.), 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 및 유박테리움 속 (Eubacterium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica)(KCCM11835P), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 크루이베리 (Clostridium kluyveri) 및 카프로이시프로듀센스 칼락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans)(KCCM10991P)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 C_{n +2} 유기산은 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산 및 옥타노익산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 외부에서 추가적으로 유기산을 주입할 필요 없이, 배양기 간의 연속식 또는 재순환식 배양액 교환을 통해 높은 탄소수의 유기산을 산업적 생산에 가깝도록, 빠르고 효율적으로 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배양기의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배양기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기산 생산 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기산 생산 시스템이 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유기산 생산 시스템의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템의 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템의 시간별 유기상 생산량을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어 지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라고 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배양기의 사진이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양기의 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따른 단면도이며, 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배양기의 단면도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기산 생산 균주의 배양기는 내부에 유기산 생산 균주(1), 탄소원(2), 및 배양액(3)이 수용되어, 상기 유기산 생산 균주(1)가 배양되고, 상기 탄소원을 이용해 상기 유기산 생산 균주(1)가 유기산(4: 미도시)을 생산하는 반응실(10); 상기 반응실(10) 하부에 인접 배치되고, 내부에 수용공간을 구비하는 분리실(20); 양단이 개방된 중공관 형상으로 형성되고, 외벽을 관통하는 다수의 세공(31)을 구비하며, 양단은 상기 분리실(20) 내부에 위치하고, 상기 세공(31)은 상기 반응실(10) 내부에 위치하도록, 고리 형상으로 배치되어, 상기 세공(31)을 통해 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3), 및 상기 유기산(4)을 유입하여, 상기 분리실(20)의 수용공간으로 유출시키는 필터(30); 및 상기 반응실(10)과 상기 분리실(20) 사이에 배치되어, 상기 반응실(10)과 상기 분리실(20)을 구획하고, 상기 필터(30)를 고정하는 격벽(40);을 포함한다.

본 발명에 따른 배양기는 유기산 생산 균주를 배양하는 배양기로서, 상기 배양기는 반응실(10), 분리실(20), 필터(30) 및 격벽(40)을 포함한다.

여기서 반응실(10)은 내부에 유기산 생산 균주(1), 탄소원(2), 및 배양액(3)이 수용되어 상기 유기산 생산 균주(1)가 배양되는 곳으로서, 상기 유기산 생산 균주(1)는 상기 반응실(10) 내에서 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3)을 이용하여 유기산(4)을 생산하게 된다.

분리실(20)은 상기 반응실(10) 하부에 인접 배치되며, 내부에 수용 공간을 구비하는 곳으로서, 상기 반응실(10) 내에 존재하는 탄소원(2), 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1)에 의해 생산된 유기산(4)이 상기 필터(30)에 의해 상기 분리실(20)의 수용공간으로 유입된다. 여기서, 상기 필터(30)는 양단이 개방된 중공관 형상으로 형성되고, 외벽을 관통하는 다수의 세공(31)을 구비하며, 양단은 상기 분리실(20) 내부에 위치하고, 상기 세공(31)은 상기 반응실(10) 내부에 위치하도록, 고리 형상으로 배치되어있다. 이때, 상기 필터(30)의 외벽을 관통하는 다수의 세공(31)들의 직경은 상기 유기산 생산 균주(1)의 크기보다 상대적으로 작게 형성되어 있는바, 상기 세공(31)을 통해 상기 반응실(10) 내에 존재하는 탄소원(2), 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1)에 의해 생산된 유기산(4)이 상기 필터(30) 내로 유입되며, 또한 상기 필터(30)는 양단이 개방된 중공관 형상으로서, 상기 필터(30)의 양단은 상기 분리실(20) 내부에 위치하는바, 상기 세공(31)을 통해 유입된 탄소원(2), 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1)에 의해 생산된 유기산(4)은 상기 필터(30)의 양단을 통해 상기 분리실(20)의 수용공간으로 유출된다.

또한, 격벽(40)은 상기 반응실(10)과 상기 분리실(20) 사이에 배치되어, 상기 반응실(10)과 상기 분리실(20)을 구획하고, 상기 필터(30)를 고정하는 역할을 수행한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 필터(30)의 세공(31)을 통해 유입되어 상기 필터(30)의 양단을 통해 상기 분리실(20) 내부로 유출되는 물질은 상기 반응실(10) 내에 존재하는 물질들 중 탄소원(2), 배양액(3) 및 유기산(4)인바, 상기 반응실(10) 내에 존재하는 유기산 생산 균주(1)가 상기 세공(31)을 통해 유입되지 않도록 상기 세공(31)의 직경은 상기 유기산 생산균주(1)의 크기보다 상대적으로 작게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배양기는 상기 반응실(10) 내부와 연통되어, 상기 반응실 내부로 상기 탄소원(2), 및 상기 배양액(3)을 주입하는 주입구(50)를 더 포함할 수 있으며, 또한 본 발명에 따른 배양기는 상기 분리실(20) 내부와 연통되어, 상기 필터(30)를 통해 상기 분리실(20)의 수용공간으로 유출된 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3), 및 상기 유기산(4)을 배출하는 배출구(60);를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배양기는 상기 반응실(10)에 존재하는 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1)에 의해 생산된 유기산(2)이 효율적으로 상기 분리실(20)의 수용공간으로 유출되도록, 상기 필터(30)를 다수 개 구비할 수 있다.

또한, 상기 반응실(10)에 존재하는 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1)에 의해 생산된 유기산(2)은 상기 반응실(10) 내부의 압력보다 상기 분리실(20)의 압력이 낮을 때에, 상기 필터(30)의 세공(31)을 통해 효율적으로 상기 필터(30) 내부로 유입되어, 상기 필터(30)의 양단을 통해 상기 분리실(20)로 유출될 수 있는바, 본 발명에 따른 배양기는 상기 분리실(20)의 수용공간을 상기 반응실(10) 내부의 압력보다 낮은 상태 또는 진공 상태로 조성할 수 있는 진공 펌프(70)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배양기는 상기 반응실(10) 내부에 존재하는 상기 필터(30)의 세공이 상기 반응실(10)에 존재하는 상기 탄소원(2), 상기 배양액(3) 및 상기 유기산 생산 균주(1) 및 이에 의해 생산된 유기산(4)들에 의해 막혀서 물질의 유입 효율이 떨어지는 현상을 방지하고, 상기 유기산 생산 균주(1)와 상기 탄소원(2) 및 상기 배양액(3)이 잘 혼합되도록 하여 유기산(4) 생산 효율을 증대시킬 수 있도록, 상기 반응실(10) 내부에 배치되어, 상기 배양액(3)과 상기 유기산 생산균주(1)를 혼합하는 마그네틱교반기(80);를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상술한 배양기를 이용하여 효율적으로 유기산을 생산할 수 있는 유기산 생산 시스템을 제공하는바, 하기 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유기산 생산 시스템의 구성도이며, 도 8은 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템의 사진을 나타낸 도면이다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 본 발명에 따른 상기 한 쌍의 배양기; 및 한 쌍의 상기 배양기 중 어느 하나인 제1 배양기(100)의 분리실과 한 쌍의 상기 배양기 중 다른 하나인 제2 배양기(200)의 반응실을 연결하는 공급라인(300);을 포함하고, 상기 제1 배양기(100)의 반응실의 유기산 생산균주는 C_n(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이며, 생산되어 상기 제1 배양기(100)의 분리실로 유출되는 산은 C_n 유기산이고, 상기 공급라인(300)을 따라, 상기 제1 배양기(100)의 배양액, 탄소원, 및 상기 C_n 유기산이 상기 제2 배양기(200)의 반응실로 공급되며, 상기 제2 배양기(200)의 반응실의 유기산 생산균주는 C_{n +2}(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이고, 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산으로부터 C_{n +2} 유기산을 생산하며, 상기 제2 배양기(200)의 반응실로 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 생성된 상기 C_{n +2} 유기산은, 상기 제2 배양기(200)의 필터를 통해, 상기 제2 배양기(200)의 분리실로 이동하는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템을 제공한다.

본 실시예에 따른 상기 유기산 생산 시스템에서 사용된 제1 및 제2 배양기의 구체적인 구성은 상기 배양기 부분에서 설명한 내용과 동일하다.

본 실시예에 따른 유기산 생산 시스템은 제1 배양기(100), 제2 배양기(200) 및 공급라인(300)을 포함한다.

여기서, 상기 제1 배양기(100)의 반응실에서 배양되는 유기산 생산균주는 C_n(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주로서, 상기 유기산 생산균주는 반응실 내에 존재하는 탄소원 및 배양액을 이용하여 C_n 유기산을 생산하며, 상기 제1 배양기의 반응실에 존재하는 탄소원, 배양액 및 C_n 유기산은 필터를 통해 상기 제1 배양기(100)의 분리실로 유출되며, 이들은 상기 제1 배양기(100)의 분리실과 제2 배양기(200)의 반응실을 연결하는 공급라인(300)을 따라 상기 제2 배양기(200)의 반응실로 공급된다. 또한, 상기 제2 배양기(200)의 반응실에서 배양되는 유기산 생산균주는 C_{n +2}(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주로서, 상기 유기산 생산균주는 상기 제1 배양기를 통해 상기 제2 배양기의 반응실로 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산으로부터 C_{n +2} 유기산을 생산하며, 상기 제2 배양기(200)의 반응실로 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 생성된 상기 C_{n +2} 유기산은, 상기 제2 배양기(200)의 필터를 통해, 상기 제2 배양기(200)의 분리실로 이동하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 상기 공급라인(300)을 따라 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산을 수송시키는 공급펌프(400);를 더 포함할 수 있다.

이처럼, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 최종 목적물질인 C_{n +2} 유기산을 생산하는 과정에서 외부에서 유기산을 주입하는 과정 없이, 제1 배양기로부터 생산된 C_n 유기산를 직접 공급받는바, 높은 탄소수의 유기산을 산업적 생산에 가깝도록, 빠르고 효율적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 상기 제1 배양기(100)의 반응실을 연결하여, 상기 제2 배양기(200)의 분리실로 이동된 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기(100)로 순환시키는 순환라인(500)을 더 포함함으로써 상기 배양액, 및 상기 탄소원이 상기 제1 배양기(100)와 상기 제2 배양기(200)를 순환하도록 함으로써, 유기산의 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 상기 순환라인(500)을 따라 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 수송시키는 순환펌프(600);를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 상기 제2 배양기(200)의 분리실로부터 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_{n +2} 유기산을 공급받고, 유기용매를 가하여 상기 C_{n +2} 유기산을 추출한 후에, 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기의 반응실로 공급하는 추출부(700);를 더 포함하여 C_{n +2} 유기산의 생산과 추출을 연속적이면서 동시에 수행할 수 있도록 함으로써, 유기산의 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

여기서, 상기 C_{n +2} 유기산을 추출하기 위한 유기용매는 당업계에서 유기산을 추출하기 위한 용도로 사용되는 용매라면 모두 사용가능하나, 바람직하게는 6-언데카논, 헥실헥사노에이트, 헥사놀, 헵탄, 도데카놀, 테트라데칸, 도데칸, 올레일알코올, 알라민336, 트리옥틸아민, 데트리데아민 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 유기 용매가 올레일 알코올과 알라민의 혼합 용매인 경우 상기 올레일 알코올과 알라민의 부피비는 9:1 내지 6:3인 것이 바람직하다. 이때, 상기 범위를 벗어나 알라민의 양이 너무 많아지면 미생물의 독성이 유발되어 생육이 저해될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템에서 상기 탄소원은 유기산 생산 균주가 유기산을 생산하기 위해 필요한 것으로 알려진 탄소원이라면 모두 가능하며, 예를 들어 프룩토스, 수크로스, 글루코스, 말토오스, 자일로스, 만노오스, 아라비노오스, 락테이트 또는 갈락티톨 및 목질계 바이오매스 당화액으로부터 생산된 복합 탄소원, 해조류 당화액으로부터 생산된 복합 탄소원일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템에서, 상기 제1 배양기의 반응실에서 배양되는 C_n 유기산 생산균주는 C1 내지 C6의 유기산을 생산할 수 있는 균주라면 모두 가능하나, 예를 들어 상기 C_n 유기산 생산균주는 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.), 및 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 구체적으로 상기 Cn 유기산 생산균주는 클로스트리듐 타이로부틸리쿰(Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 부틸리쿰 (Clostridium butyeicum), 클로스트리듐 베이저링키아이 (Clostridium beijerinkii), 크렙시엘라 뉴모니아 (Klebsiella pneumoniae) 및 크렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템에서, 상기 제1 배양기에서 배양되는 C_n 유기산 생산균주를 통해 생산되는 C_n 유기산은 C1 내지 C6에 속하는 유기산이라면 모두 가능하며, 예를 들어 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산, 헥사노익산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템에서, 상기 제2 배양기의 반응실에서 배양되는 C_{n +2} 유기산 생산균주는 상기 제1 배양기의 분리실을 통해 공급되는 탄소원, 배양액 및 C_n 유기산을 이용하여 C3 내지 C8의 유기산을 생산할 수 있는 균주라면 모두 가능하나, 예를 들어 상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.) 및 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 유박테리움 (Eubacterium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 구체적으로 상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica)(KCCM11835P), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 크루이베리 (Clostridium kluyveri) 및 카프로이시프로듀센스 칼락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans)(KCCM10991P)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica)(KCCM11835P)일 수 있다.

여기서, 상기 메가스파에라 헥사노이카는 유기산을 생산하는 균주가 다량 존재하는 소의 내장으로부터 분리된 균주로서, 구체적으로, 혐기적으로 처리된 RCM 배지에 헥사노익산을 첨가하여 미생물을 배양함으로써 헥사노익산에 내성이 있는 균주만을 선별하였다. 이어서 동일한 배지를 계대 배양하여 균주를 분리하였으며, 선별된 균주를 동정함으로써 선별된 균주가 메가스페라 속 균주임을 확인하였다. 미생물 기탁기관인 한국미생물보존센터에 2016년 4월 28일자로 기탁하였으며, 기탁번호 KCCM11835P를 부여받았다.

또한, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템에서, 상기 제2 배양기에서 배양되는 C_{n +2} 유기산 생산균주를 통해 생산되는 C_{n +2} 유기산은 C3 내지 C8에 속하는 유기산이라면 모두 가능하며, 예를 들어 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산 및 옥타노익산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

하기 도 9는 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템의 시간별 유기상 생산량을 나타내는 그래프이다.

여기서, 도 9는 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템을 실제 가동하여 시간별 유기산의 생산량을 나타낸 것이다. 구체적으로 제1 배양기에는 클로스트리듐 타이로부틸리쿰을, 제2 배양기에는 메가스파에라 헥사노이카를 배양했다. 양 반응기에 사용한 배양액 1 L에는 효모추출물 10 g; K₂HPO₄ 2 g; 암모늄아세테이트 2.2 g; cysteine-HCl x H₂O 0.5 g; salt solution 40 mL가 포함되었으며, salt solution 1 L에는 CaCl₂ x 2H₂O 0.25g; MgSO₄ x 7H₂O 0.5g; K₂HPO₄ 1g; KH₂PO₄ 1g; NaHCO₃ 10g; NaCl 2g가 포함되어있다. 탄소원은 프룩토스를 공통적으로 사용하였으며, 제1 반응기에는 60 g/L, 제2 반응기에는 20 g/L를 넣고 반응을 시작하였다. 접종 후 하루 동안은 독립된 반응기에서 배양이 진행되었고, 제1 반응기에서 butyric acid 농도가 8 g/L로 높아졌을 때, 배양액 교환을 시작하였다. 배양액 교환 후 하루 만에 butyric acid 농도는 1.6 g/L로 줄어들었으며 hexanoic acid 농도는 9.2 g/L로 증가하였다.

측정 결과, 가동 초기에는 C4 유기산인 부티르산의 생산량이 증가하다가, 가동 중반 이후에는 C6 유기산인 헥사노익산의 생산량이 계속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 그 최대 생산량은 9 g/L에 이르는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 가동 초기 독립적으로 배양시에는 제1 배양기에서 C4 유기산인 부티르산이 생산되며, 배양액 교환시에는 상기 생산된 부티르산과, 상기 제1 배양기에 존재하는 탄소원 및 배양액이 상기 제2 배양기로 공급되면서, 상기 제2 배양기에서 C6 유기산인 헥사노익산이 생산됨을 알 수 있고, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 제1 배양기와 제2 배양기에 사용된 탄소원 및 배양액이 계속적으로 순환하게 되는바, 시간이 지날수록 계속적으로 헥사노익산의 생산량이 증가한다는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 따른 유기산 생산 시스템은 외부에서 추가적으로 유기산을 주입할 필요 없이, 배양기 간의 연속식 또는 재순환식 배양액 교환을 통해 높은 탄소수의 유기산을 산업적 생산에 가깝도록, 빠르고 효율적으로 생산할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내기 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

기탁기관명 : 한국미생물보존센터(국외)

수탁번호 : KCCM11835P

수탁일자 : 20160428

기탁기관명 : 한국미생물보존센터(국외)

수탁번호 : KCCM10991P

수탁일자 : 20090216

1: 유기산 생산균주 2: 탄소원 3: 배양액 4: 유기산(미도시) 10: 반응실 20: 분리실 30: 필터 31: 세공 40: 격벽 50: 주입구 60: 배출구 70: 진공펌프 80: 마그네틱교반기 100: 제1 배양기 200: 제2 배양기 300: 공급라인 400: 공급펌프 500: 순환라인 600: 순환펌프 700: 추출부

Claims (20)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 한 쌍의 배양기; 및
   한 쌍의 상기 배양기를 연결하는 공급라인;을 포함하고,
   상기 배양기는,
   내부에 유기산 생산 균주, 탄소원, 및 배양액이 수용되어, 상기 유기산 생산균주가 배양되고, 상기 탄소원을 이용해 상기 유기산 생산 균주가 유기산을 생산하는 반응실;
   상기 반응실 하부에 인접 배치되고, 내부에 수용공간을 구비하는 분리실;
   양단이 개방된 중공관 형상으로 형성되고, 외벽을 관통하는 다수의 세공을 구비하며, 양단은 상기 분리실 내부에 위치하고, 상기 세공은 상기 반응실 내부에 위치하도록, 고리 형상으로 배치되어, 상기 세공을 통해 상기 탄소원, 상기 배양액, 및 상기 유기산을 유입하여, 상기 분리실의 수용공간으로 유출시키는 필터; 및
   상기 반응실과 상기 분리실 사이에 배치되어, 상기 반응실과 상기 분리실을 구획하고, 상기 필터를 고정하는 격벽;을 포함하며,
   상기 공급라인은, 한 쌍의 상기 배양기 중 어느 하나인 제1 배양기의 분리실과 한 쌍의 상기 배양기 중 다른 하나인 제2 배양기의 반응실을 연결하고,
   상기 제1 배양기의 반응실의 유기산 생산균주는 C_n(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이며, 생산되어 상기 제1 배양기의 분리실로 유출되는 유기산은 C_n 유기산이고,
   상기 공급라인을 따라, 상기 제1 배양기의 배양액, 탄소원, 및 상기 C_n 유기산이 상기 제2 배양기의 반응실로 공급되며,
   상기 제2 배양기의 반응실의 유기산 생산균주는 C_n+2(n은 1 내지 6의 정수임) 유기산 생산균주이고, 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산으로부터 C_n+2 유기산을 생산하며,
   상기 제2 배양기의 반응실로 공급된 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 생산된 상기 C_n+2 유기산은, 상기 제2 배양기의 필터를 통해, 상기 제2 배양기의 분리실로 이동하고,
   상기 제2 배양기의 분리실과 상기 제1 배양기의 반응실을 연결하여, 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기로 순환시키는 순환라인; 및
   상기 제2 배양기의 분리실로부터 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n+2 유기산을 공급받고, 유기용매를 가하여 상기 C_n+2 유기산을 추출한 후에, 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 상기 제1 배양기의 반응실로 공급하는 추출부;를 더 포함하고,
   상기 순환라인은, 상기 제2 배양기의 분리실로부터, 상기 추출부를 관류하고, 상기 제1 배양기의 반응실과 연결되는 유기산 생산 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 공급라인을 따라 상기 배양액, 상기 탄소원, 및 상기 C_n 유기산을 수송시키는 공급펌프;를 더 포함하는 유기산 생산 시스템.
10. 삭제
11. 제8항에 있어서,
    상기 순환라인을 따라 상기 배양액, 및 상기 탄소원을 수송시키는 순환펌프;를 더 포함하는 유기산 생산 시스템.
12. 삭제
13. 제8항에 있어서,
    상기 유기용매는 6-언데카논, 헥실헥사노에이트, 헥사놀, 헵탄, 도데카놀, 테트라데칸, 도데칸, 올레일알코올, 알라민336, 트리옥틸아민, 데트리데아민 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
14. 제8항에 있어서,
    상기 탄소원은 프룩토스, 수크로스, 글루코스, 말토오스, 락테이트, 갈락티톨 및 목질계 바이오매스 당화액으로부터 생산된 복합 탄소원, 해조류 당화액으로부터 생산된 복합 탄소원으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
15. 제8항에 있어서,
    상기 C_n 유기산 생산균주는 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주, 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.) 및 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 C_n 유기산 생산균주는 클로스트리듐 타이로부틸리쿰(Clostridium tyrobutyricum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 부틸리쿰 (Clostridium butyeicum), 클로스트리듐 베이저링키아이 (Clostridium beijerinkii) 크렙시엘라 뉴모니아 (Klebsiella pneumoniae) 및 크렙시엘라 옥시토카 (Klebsiella oxytoca)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
17. 제8항에 있어서,
    상기 C_n 유기산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산 및 헥사노익산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
18. 제8항에 있어서,,
    상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 속(Megasphaera sp.) 균주, 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주, 바실러스 속(Bacillus sp. ) 균주, 사카로마이세스 속 (Sacharomyces sp.) 균주, 대장균 속(Escherichia sp.) 균주, 코리네박테리움 속 (Corynebacterium sp.), 락토바실러스 속 (Lactobacillus sp.), 카프로이시프로듀센스 (Caproiciproducens sp.), 크렙시엘라 (Klebsiella sp.) 및 유박테리움 속 (Eubacterium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    상기 C_{n +2} 유기산 생산균주는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica)(KCCM11835P), 메가스파에라 엘스데니(Megasphaera elsdenii), 클로스트리듐 크루이베리 (Clostridium kluyveri) 및 카프로이시프로듀센스 칼락티토리보란스 (Caproiciproducens galactitolivorans)(KCCM10991P)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.
20. 제8항에 있어서,
    상기 C_n+2 유기산은 프로피온산, 부티르산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산 및 옥타노익산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기산 생산 시스템.

Images