KR101895683B1 - A high yield of methanol production method using covalent immobilized methylosinus sporium on the chitosan and a composition therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움을 이용한 고수율 메탄올 생산 방법 및 그 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 키토산에 공유 고정화된 M. sporium 세포를 사용함으로써, 메탄올 생산 동안 안정성을 높여주고, 6 사이클의 재사용 후에도 메탄올 생산 효율이 크게 저하되지 않으므로 여러 번 재사용할 수 있다. 또한, 배지의 pH, 배양온도, 교반속도, 인산염의 농도 등의 공정 파라미터의 최적화 및 MDH 저해를 통해 종래 미생물을 사용한 메탄올 생산 방법에 비해 메탄올 생산이 약 6.7배 향상되었고, 순수한 CH4 뿐만 아니라 합성 가스 혼합물로부터 효율적으로 메탄올을 생산할 수 있어 온실가스를 효과적으로 감축할 수 있다.The present invention relates to a high yield methanol production method and a composition thereof using methyl Rhosenerosporium spontaneously immobilized on chitosan. According to the present invention, by using M. sporium cells covalently immobilized on chitosan, stability during methanol production And the efficiency of methanol production is not significantly lowered even after 6 cycles of reuse, so it can be reused many times. In addition, pH, incubation temperature of the culture medium, stirring rate, was through optimization and MDH inhibition of the process parameters of density, such as phosphate methanol production increase of about 6.7 times that of methanol, the production method using the conventional micro-organisms, pure CH 4 as well as synthetic It is possible to efficiently produce methanol from the gas mixture, thereby effectively reducing the greenhouse gas.

Description

키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움을 이용한 고수율 메탄올 생산 방법 및 그 조성물{A high yield of methanol production method using covalent immobilized methylosinus sporium on the chitosan and a composition therefor}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high yield methanol production method using methylosynthosphospheres which are covalently immobilized on chitosan and a composition therefor,

본 발명은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium)을 이용한 고수율 메탄올 생산 방법 및 그 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high yield methanol using methylosinus sporium covalently immobilized on chitosan and a composition thereof.

메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 온실 가스(GHG)의 농도 증가는 세계적인 환경 문제이다. CH4는 가장 풍부한 천연 가스 중 하나로서, 풍부한 에너지원이지만, 상기 CH4는 1차 온실가스로서 심각하게 유해한 환경적 영향 때문에 최근 CO2보다 더 관심을 받고 있다. 따라서, CH4의 유해한 온실가스 효과를 줄이기 위해, CH4을 메탄올과 같은 부가가치 제품으로 전환하는 공정의 실행가능성을 탐색하는 것이 필요하다. Increasing concentrations of greenhouse gases (GHG) such as methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) are global environmental issues. CH 4 is one of the most abundant natural gases and is an abundant energy source, but the CH 4 is a primary greenhouse gas and has recently received more attention than CO 2 due to its severely harmful environmental impact. Therefore, to explore the feasibility of a process that in order to reduce the harmful effects of greenhouse gases CH 4, the CH 4 conversion to value-added products such as methanol are necessary.

메탄올은 넓은 범위의 화학적 합성 반응을 위한 기본 기질이며, 가솔린 혼합물 내의 연료로서 사용된다. 메탄올 보관 및 이동과 관련된 낮은 비용과 더불어, 상기 메탄올은 높은 에너지 밀도를 가지는데, 이는 CH4보다 약 400배 높다. Methanol is the basic substrate for a wide range of chemical synthesis reactions and is used as fuel in gasoline mixtures. In addition to lower costs associated with the storage and movement of methanol, the methanol is I have a high energy density, which is higher than about 400 times the CH 4.

그런데, CH4에서 메탄올로의 화학적 전환은 공정의 높은 비용 및 낮은 에너지 효율성 등의 문제가 있다. 이러한 화학적 방법과 비교할 때, 생물학적 공정은 더욱 자연친화적이고, 높은 전환율, 선택성, 및 낮은 자본/에너지 비용의 이점을 가진다. 따라서, CH4에서 메탄올로의 생물학적 전환을 위한 방법을 개발하기 위한 노력이 최근 증가되고 있다.However, chemical conversion of CH 4 to methanol has problems such as high cost of the process and low energy efficiency. Compared to these chemical methods, biological processes are more environmentally friendly and have the advantages of high conversion, selectivity, and low capital / energy costs. Thus, efforts to develop methods for the bioconversion of CH 4 to methanol have been increasing recently.

메탄산화세균(Methanotrophic bacteria)은 메탄을 탄소원 및 에너지원으로 사용하여 성장하는 세균집단을 통칭하는 것으로, 메틸로모나스(Methylomonas), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시누스(Methylosinus), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로미크로비움(Methylomicrobium) 및 메틸로시스티스(Methylocystis) 등이 있다. 상기 메탄산화세균은 메탄을 메탄올로 산화시키는 메탄 일원자산소화효소(methane monooxygenase, 이하 'MMO'라 칭함.) 및 메탄올을 포름알데히드로 산화시키는 메탄올 탈수소효소(methanol dehydrogenase, 이하 'MDH'라 칭함.) 등을 포함하고 있어 메탄가스를 산화시켜 이산화탄소로 전환시키는 역할을 한다. 구체적으로, 메탄산화세균은 메탄을 메탄올로 산화시키고, 메탄올을 다시 포름알데히드로 산화시킨다. 그리고 포름알데히드를 포름산으로 산화시켜 최종적으로 유해성이 적은 이산화탄소로 전환한다. 또한 상기 메탄산화세균은 다탄소 결합을 갖는 유기화합물을 성장물질로는 이용하지 못하지만 메탄을 산화할 때 생성되는 효소인 MMO의 효소작용으로 많은 알칸족과 방향족 화합물도 산화시킬 수 있다.Methanotrophic bacteria refers to a group of bacteria that grows by using methane as a carbon source and an energy source. Methylomonas, Methanomonas, Methylococcus, Methylosinus, Methylobacter, Methylomicrobium, and Methylocystis. The methanogenic bacteria are methane monooxygenase (hereinafter abbreviated as MMO), which oxidizes methane to methanol, and methanol dehydrogenase (hereinafter referred to as MDH), which oxidizes methanol to formaldehyde. ) To convert methane gas to carbon dioxide. Specifically, the methane oxidizing bacteria oxidize methane to methanol and oxidize the methanol again to formaldehyde. Then, formaldehyde is oxidized to formic acid, which ultimately converts to less toxic carbon dioxide. In addition, the methanogenic bacteria can not use an organic compound having a carbon-carbon bond as a growth material, but many alkanes and aromatics can be oxidized by the enzymatic action of MMO, an enzyme produced when methane is oxidized.

상기 MMO는 이들이 생산하는 MMO의 형태를 기초로 하기의 3개의 군으로 분류된다 - (i) I형 메탄산화세균, 이 메탄산화세균은 오직 미립자 MMO (pMMO)를 생산함, (ii) II형 메탄산화세균, 이 메탄산화세균은 pMMO 및 가용성 MMO (sMMO) 모두를 생산함, 및 (iii) X형 메탄산화세균, 이 메탄산화세균은 I형 및 II형 유기체에서 공통적인 특정 속성을 가진 MMO를 생산함[Fei Q, et al., Biotechnol Adv 2014;32:596-614]. pMMO는 막-결합 미립자 효소 시스템과 관련되는 반면, sMMO는 세포질 복합체 내에 위치한다. 이들 효소의 발현은 성장 배양액 내의 구리(Cu) 농도에 매우 의존한다. pMMO 발현은 Cu 수준이 높을수록 우세하고, sMMO은 Cu 농도가 낮을수록 우세하다. pMMO는 sMMO보다 CH4 산화에 대한 더 높은 친화력을 가진다.The MMOs are classified into three groups based on the type of MMO they produce: (i) Type I methanotrophic bacteria, which produce only particulate MMO (pMMO); (ii) Type II Methane oxidizing bacteria, the methane oxidizing bacteria produce both pMMO and soluble MMO (sMMO), and (iii) the type X methane oxidizing bacteria, the methane oxidizing bacteria are MMOs having specific properties common to the I and II organisms [Fei Q, et al., Biotechnol Adv 2014; 32: 596-614]. pMMO is associated with a membrane-bound microparticle enzyme system, while sMMO is located within the cytoplasmic complex. The expression of these enzymes is highly dependent on the copper (Cu) concentration in the growth medium. pMMO expression is dominant as Cu level is higher, and sMMO is predominant as Cu concentration is lower. pMMO has a higher affinity for CH 4 oxidation than sMMO.

IMV3011 [Xin J-Y, et al., Biocatal Biotransf 2004;22:225-9], NCIB 11131 [Mehta PK, et al., Biotechnol Bioeng 1991;37:551-6], 및 OB3b [Hwang IY, et al., J Microbiol Biotechnol 2015;25:375-80]를 포함하는 다양한 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium) 종에 의한 순수한 CH4로부터 메탄올의 생전환이 널리 연구되어 왔다. 그러나, 초기 메탄올 생산은 매우 낮았고, 최대 수율이 0.16-1.84 mM의 범위였다. 따라서, 메탄산화세균에 의한 메탄올의 생산 방법에 있어서, 메탄올 생산을 향상시킬 수 있는 개선된 방법이 필요하다.Et al., Biotechnol Bioeng 1991; 37: 551-6], and OB3b [Hwang IY, et al., Biochem Biotech 2004; , J Microbiol Biotechnol 2015; 25: 375-80] bioconversion of pure methanol from CH 4 by Sinners tricot sports Solarium (Methylosinus trichosporium) in various species, including methyl have been widely studied. However, the initial methanol production was very low and the maximum yield ranged from 0.16 to 1.84 mM. Therefore, there is a need for an improved method of improving methanol production in a method of producing methanol by methane oxidizing bacteria.

대한민국 특허 공개번호 제1020110006964호Korean Patent Publication No. 1020110006964 대한민국 특허 공개번호 제1020160026087호Korean Patent Publication No. 1020160026087

Xin J-Y, et al., Biocatal Biotransf 2004;22:225-9,Xin J-Y, et al., Biocatal Biotrans 2004; 22: 225-9, Mehta PK, et al., Biotechnol Bioeng 1991;37:551-6,Mehta PK, et al., Biotechnol Bioeng 1991; 37: 551-6, Hwang IY, et al., J Microbiol Biotechnol 2015;25:375-80Hwang IY, et al., J Microbiol Biotechnol 2015; 25: 375-80

본 발명은 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 메탄산화세균에 의해 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 메탄올을 고수율로 생합성하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for biosynthesizing methanol from a methane or syngas mixture with methane oxidizing bacteria at a high yield.

본 발명의 다른 목적은 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 고수율의 메탄올 생산용 조성물을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a composition for the production of methanol from a methane or syngas mixture in high yield.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium)을 이용한 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 고수율 메탄올 생산 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing high-yield methanol from a methane or syngas mixture using methylosinus sporium covalently immobilized on chitosan.

또한, 바람직하게는 상기 메탄올 생산 방법은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포와, 공급원료로서 메탄 또는 합성 가스 혼합물을 배양액에 넣고 교반시키면서 배양하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, preferably, the methanol production method may include the step of culturing the methylosynthosporium cells covalently immobilized on chitosan and a methane or syngas mixture as a feedstock in a culture solution while stirring.

또한, 바람직하게는 상기 배양액은 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 포함할 수 있다.In addition, preferably, the culture liquid may include a phosphate buffer solution and a nitrate mineral salt (NMS).

또한, 바람직하게는 상기 배양액은 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제 및 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 하나 이상을 더 포함할 수 있다.Further, preferably, the culture liquid may further include at least one member selected from the group consisting of Cu ion, MDH inhibitor and formate salt.

또한, 바람직하게는 상기 인산 완충액의 농도는 100 mM일 수 있다.Preferably, the concentration of the phosphate buffer solution may be 100 mM.

또한, 바람직하게는 상기 Cu 이온은 5 μM이고, 상기 포름산염의 농도는 40 mM일 수 있다.Preferably, the Cu ion is 5 [mu] M and the concentration of the formic acid salt is 40 mM.

또한, 바람직하게는 상기 MDH 저해제는 EDTA, MgCl2, NaCl 및 NH4Cl로 이루어지는 군으로부터 선택되며, 이때 최적 농도는 EDTA가 1.0 mM, MgCl2가 20 mM, NaCl이 80 mM, 및 NH4Cl이 15 mM일 수 있다.Preferably, the MDH inhibitor is selected from the group consisting of EDTA, MgCl 2 , NaCl and NH 4 Cl, wherein the optimum concentration is 1.0 mM EDTA, 20 mM MgCl 2 , 80 mM NaCl, and NH 4 Cl Can be 15 mM.

또한, 바람직하게는 상기 배양은 pH 6.8-7.0 및 25-30 ℃에서 150-180 rpm의 교반 속도로 24 시간 동안 수행할 수 있다.Preferably, the culture is carried out at a pH of 6.8-7.0 and at a stirring rate of 150-180 rpm at 25-30 ° C for 24 hours.

또한, 바람직하게는 최적 반응 부피 대 상부 공간 비율은 1:5이고, 공급원료 주입 농도는 30-50%일 수 있다.Also, preferably the optimum reaction volume to top space ratio is 1: 5 and the feedstock injection concentration may be 30-50%.

또한, 바람직하게는 상기 합성 가스 혼합물은 CH4, CO2, 및 H2를 6:3:1의 비율로 혼합하여 제조할 수 있다.Preferably, the syngas mixture may be prepared by mixing CH 4 , CO 2 , and H 2 in a ratio of 6: 3: 1.

또한, 본 발명은 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 메탄올을 제조하는 배양 배지에 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포, 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 유효성분으로 포함하는 고수율의 메탄올 생산용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention relates to a method for producing methanol from a methane or a syngas mixture, comprising the steps of: (a) cultivating a culture medium containing methanol as an active ingredient in a culture medium containing methyl rhinosporphosphate cells, phosphate buffer solution and nitrate mineral salt (NMS) By weight of methanol.

또한, 바람직하게는 상기 조성물은 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제 및 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 하나 이상을 더 포함할 수 있다.Preferably, the composition further comprises at least one member selected from the group consisting of Cu ion, MDH inhibitor and formate salt.

본 발명에 따르면, 키토산에 공유 고정화된 M. sporium 세포를 사용함으로써, 메탄올 생산 동안 안정성을 높여주고, 6 사이클의 재사용 후에도 메탄올 생산 효율이 크게 저하되지 않으므로 여러 번 재사용할 수 있다. 또한, 배지의 pH, 배양온도, 교반속도, 인산염의 농도 등의 공정 파라미터의 최적화 및 MDH 저해를 통해 종래 미생물을 사용한 메탄올 생산 방법에 비해 메탄올 생산이 약 6.7배 향상되었고, 순수한 CH4 뿐만 아니라 합성 가스 혼합물로부터 효율적으로 메탄올을 생산할 수 있어 온실가스를 효과적으로 감축할 수 있다.According to the present invention, by using the M. sporium cells covalently immobilized on chitosan, the stability is improved during methanol production, and the methanol production efficiency is not lowered even after 6 cycles of reuse, so that it can be reused many times. In addition, pH, incubation temperature of the culture medium, stirring rate, was through optimization and MDH inhibition of the process parameters of density, such as phosphate methanol production increase of about 6.7 times that of methanol, the production method using the conventional micro-organisms, pure CH 4 as well as synthetic It is possible to efficiently produce methanol from the gas mixture, thereby effectively reducing the greenhouse gas.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 인산염 완충액의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 인산염 완충액 내의 MDH 저해제의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 (a) 최적 저해제의 농도에서 MDH의 상대적 저해, (b) 포름산염 농도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 상이한 메탄 농도 및 배양 시간에 따른 메탄올 생산 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 5는 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)의 주사전자현미경(SEM) 사진이다((a) 단일 입자, (b) 고해상도 사진).
도 6은 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 자유로운 또는 고정화된 메틸로시너스 스포리움의 재사용성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 메틸로시너스 스포리움(M. sporium)에 의한 메탄올 생산에 있어서 합성 가스 혼합물로부터 메탄올 생산 프로파일을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a graph showing the effect of phosphate buffer in the production of methanol by M. sporium in one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the effect of MDH inhibitors in phosphate buffer in the production of methanol by M. sporium in one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the relative inhibition of MDH and (b) the concentration of formate salt in methanol production by methyl sporinum ( M. sporium ) of one embodiment of the present invention (a) at the optimal inhibitor concentration .
FIG. 4 is a graph showing the methanol production profile according to different methane concentration and incubation time in the production of methanol by M. sporium in one embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph ((a) single particle and (b) high resolution photograph) of methylosynthosporium ( M. sporium ) covalently immobilized on chitosan.
6 is a graph showing the reusability of free or immobilized methyl Rhosine spores in the production of methanol by M. sporium in one embodiment of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the methanol production profile from the syngas mixture in the methanol production by M. sporium in one embodiment of the present invention.

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

본 발명에 따른 고수율 메탄올 생산 방법은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium ; M. sporium)을 이용하는 것을 특징으로 한다.The method for producing high yield methanol according to the present invention is characterized in that methylosinus ( Methylosinus < RTI ID = 0.0 > sporium ; M. sporium ).

본 발명에 있어서, 상기 메틸로시너스 스포리움은 메탄산화세균 중의 하나로서, 대한민국 특허 공개번호 제1020160026087호에서 메탄올 생산 잠재력을 확인하기 위해 다양한 메탄산화세균들로부터 메탄올 생산량을 확인한 결과, 메틸로시너스 스포리움이 가장 높은 메탄올을 생산함으로써 최적 균주로 선별되었다.In the present invention, in order to confirm methanol production potential in Korean Patent Laid-Open Publication No. 1020160026087, methylene synthosphosphorium was identified as one of methanotrophic bacteria, and methanol production from various methanotrophic bacteria was examined. As a result, Leum was selected as the optimal strain by producing the highest methanol.

그러나, 이때 메틸로시너스 스포리움에 의한 최대 메탄올 생산수율은 473 μM로서, 매우 낮은 수치였으며, 다른 메탄산화세균인 다양한 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium) 종에 의한 순수한 CH4로부터 메탄올의 생전환 또한 최대 수율이 0.16-1.84 mM의 범위였다. However, in this case methyl maximum methanol yield by Sinners sports Solarium is a 473 μM, so was lower, Sinners tricot sports Solarium (Methylosinus trichosporium) species production of methanol from pure CH 4 by a different methane variety methyl-oxidizing bacteria The conversion also ranged from 0.16-1.84 mM in maximum yield.

따라서, 메탄산화세균에 의한 메탄올의 생산 방법에 있어서, 메탄올 생산을 향상시킬 수 있는 개선된 방법이 요구되었으며, 이에 본 발명자는 메틸로시너스 스포리움의 성장 조건, 생산 조건, 공정 파라미터, 및 MDH 저해제의 농도의 최적화를 통해 CH4로부터 메탄올 생산 수율을 향상시킬 수 있음을 확인하였고(도 1 내지 4 참조), 특히, 지지체 물질로서 키토산을 사용하여, 키토산 상에 상기 세포를 메틸로시너스 스포리움 세포를 고정화함으로써 메탄올 생산 수율 향상 뿐만 아니라 안정성 및 재사용성이 향상됨을 발견하였다(도 6 및 7 참조).Therefore, an improved method for improving methanol production in a method for producing methanol by methane-oxidizing bacterium has been desired, and the present inventors have found that the growth conditions, production conditions, process parameters, and MDH inhibitors through optimization of the concentration of was confirmed that this can improve the methanol yield from CH 4 (see Fig. 1 to 4), especially, using chitosan as the support material, with methyl the cells in the chitosan Sinners sports Solarium cells (See FIGS. 6 and 7). In addition, the present invention has been made in view of the above problems.

본 발명에 있어서, 키토산에 메틸로시너스 스포리움 세포를 고정화하는 방법은 공유 고정화가 바람직하며, 상기 공유 고정화는 먼저 키토산을 글루타르알데히드로 기능화시켜 알데히드기를 키토산 입자에 붙인 후, 인산 완충액 내에 기능화된 키토산과 메틸로시너스 스포리움 세포를 넣고 교반시킴으로써 수행할 수 있다. 상기 공유 고정화는 주사전자현미경 등을 통해 확인할 수 있다(도 5 참조).In the present invention, the method of immobilizing methylotrophosphate cells on chitosan is preferably a covalent immobilization. In the covalent immobilization, chitosan is first functionalized with glutaraldehyde to attach an aldehyde group to chitosan particles, and then functionalized Adding chitosan and methylosynthosphosphate cells and stirring. The shared immobilization can be confirmed by a scanning electron microscope or the like (see FIG. 5).

본 발명에 따른 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포는 공급원료로서 순수한 CH4를 사용한 경우, 메탄올 수율이 4.61 mM로써 지지체로서 고분자 매트릭스를 사용하여 캡슐화된 종래 방법(1.37-2.34 mM)에 비해 2-3.5배의 메탄올 수율 향상을 보였다. 또한, 공급원료로서 합성 가스 혼합물을 사용한 경우에는 6.12 mM의 메탄올 수율을 나타냄으로써 자유 세포에 의한 생산(5.80 mM)보다도 더 높은 메탄올 생산 수율을 나타내었다(표 3 참조).Methylosynergosporium cells covalently immobilized on the chitosan according to the present invention were prepared by the conventional method (1.37-2.34 mM) in which pure CH 4 was used as a feedstock and the methanol yield was 4.61 mM and encapsulated using a polymer matrix as a support The methanol yield was improved by 2-3.5 times as compared with the methanol productivity. In addition, when the synthesis gas mixture was used as the feedstock, the methanol yield was 6.12 mM, which was higher than the yield by free cell (5.80 mM) (see Table 3).

따라서, 본 발명에 따른 키토산에 공유 고정된 M. sporium을 사용한 메탄올 생산 방법은 순수한 CH4 및 합성 가스 혼합물 둘다로부터 현저하게 더 높은 메탄올 생산에 이르게 할 수 있다.Thus, the methanol production process using M. sporium covalently immobilized to the chitosan according to the present invention can lead to significantly higher methanol production from both pure CH 4 and the synthesis gas mixture.

본 발명에 있어서, 상기 메탄올 생산 방법은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포와, 공급원료로서 메탄 또는 합성 가스 혼합물을 배양액에 넣고 교반시키면서 배양하는 단계를 포함한다.In the present invention, the methanol production method includes a step of culturing the methylolated synthosphosphate cells covalently immobilized on chitosan and a methane or syngas mixture as a feedstock in a culture broth while stirring.

이때, 배양액은 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 포함하며, 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제, 포름산염 등을 더 포함할 수 있다.At this time, the culture solution contains phosphate buffer solution and nitrate mineral salt (NMS), and may further include Cu ion, MDH inhibitor, formate salt and the like.

본 발명에 있어서, 상기 인산 완충액의 농도는 100 mM인 것이 바람직하고, 상기 Cu 이온은 5 μM인 것이 바람직하며, 상기 포름산염의 농도는 40 mM인 것이 바람직하다.In the present invention, the concentration of the phosphate buffer solution is preferably 100 mM, the Cu ion is preferably 5 μM, and the concentration of the formic acid salt is preferably 40 mM.

본 발명에 있어서, 상기 MDH 저해제로는 EDTA, MgCl2, NaCl 또는 NH4Cl을 사용할 수 있으며, 이때 최적 농도는 EDTA가 1.0 mM, MgCl2가 20 mM, NaCl이 80 mM, 그리고 NH4Cl이 15 mM인 것이 바람직하다.In the present invention, EDTA, MgCl 2 , NaCl or NH 4 Cl may be used as the MDH inhibitor, wherein the optimum concentrations are 1.0 mM of EDTA, 20 mM of MgCl 2 , 80 mM of NaCl, and NH 4 Cl 15 mM.

본 발명에 있어서, 상기 배양액의 pH는 6.8-7.0인 것이 바람직하다.In the present invention, the pH of the culture liquid is preferably 6.8-7.0.

본 발명에 있어서, 상기 배양은 25-30 ℃에서 150-180 rpm의 교반 속도로 24 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the culturing is carried out at 25-30 DEG C for 24 hours at a stirring speed of 150-180 rpm.

본 발명에 있어서, 최적 반응 부피 대 상부 공간 비율은 1:5인 것이 바람직하고, 공급원료 주입 농도는 30-50%인 것이 바람직하다.In the present invention, the optimal reaction volume to space ratio is preferably 1: 5, and the feedstock injection concentration is preferably 30-50%.

본 발명에 있어서, 상기 합성 가스 혼합물은 CH4, CO2, 및 H2를 6:3:1의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the synthesis gas mixture is preferably mixed with CH 4 , CO 2 , and H 2 in a ratio of 6: 3: 1.

또한, 본 발명은 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 메탄올을 제조하는 배양 배지에 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포, 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 유효성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고수율의 메탄올 생산용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention relates to a method for producing a chitosan-containing microorganism which comprises, as an active ingredient, a methylhydrocinosphosphate cell, The present invention provides a high-yield composition for methanol production.

상기 조성물은 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제, 포름산염 등을 더 포함할 수 있다.The composition may further comprise Cu ions, MDH inhibitors, formates, and the like.

본 발명에 따른 조성물은 전술한 고수율의 메탄올 생산 방법에 사용되는 조성물로서, 양 발명의 공통된 내용은 반복 기재에 따른 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.The composition according to the present invention is a composition used in the above-mentioned high yield methanol production method, and the common description of both inventions is omitted in order to avoid excessive complexity of the specification according to the repeating material.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

<< 실시예Example 1> 키토산 상에 공유 고정화된  1> &lt; / RTI &gt; 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움을Sporeum 이용한 메탄으로부터 메탄올의 생산 Production of Methanol from Used Methane

(1) 키토산 상에 (1) On chitosan 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움의Sporium 공유 고정화 Sharing Immobilization

메틸로시너스 스포리움(M. sporium DSMZ 17706)을 독일 미생물 및 세포 배양 수집센터(German Collection of Microorganisms and Cell Cultures)로부터 입수하였고, (gL-1) 단위의 KH2PO4 (0.26), Na2HPO4 ·12H2O (0.716), KNO3 (1.0), CaCl2 (0.20), MgSO4·7H2O (1.0), Fe-EDTA (0.38), 및 Na2MO4·2H2O (0.026)를 포함하는 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS) 상에서 배양시켰다. 다음으로, ZnSO4·7H2O (0.40)(gL-1), H3BO3 (0.015), CoCl2·6H2O (0.050), Na2-EDTA (0.250), MnCl2·4H2O (0.020), 및 NiCl2·6H2O (0.010)를 함유하는 배양액(medium)에 미량 원소 용액(1 mL)을 첨가하였다. 1M H2SO4 및 1M NaOH를 이용하여 상기 배양액의 pH를 7.0으로 조정하였다. 모든 시약 제조에, 그리고 모든 측정에 밀리포어(Millipore) 수 (18 MX)를 사용하였다. 모든 화학물질은 분석등급이었고, Sigma-Aldrich 또는 다른 시판원에서 구입하였다. 상기 M. sporium 균주를 2주마다 2차 배양 함으로써 유지시켰고, NMS 아가 플레이트상에서 4 ℃에 저장하였다. R2 아가(Fluka, USA) 상에서 오염물질의 존재를 체크하였다. M. sporium DSMZ 17706 was obtained from the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures, and (gL -1 ) units of KH 2 PO 4 (0.26), Na 2 HPO 4 · 12H 2 O (0.716 ), KNO 3 (1.0), CaCl 2 (0.20), MgSO 4 · 7H 2 O (1.0), Fe-EDTA (0.38), and Na 2 MO 4 · 2H 2 O (0.026 ) On a nitrate mineral salt (NMS). Next, ZnSO 4 .7H 2 O (0.40) (gL -1 ), H 3 BO 3 (0.015), CoCl 2 .6H 2 O (0.050), Na 2 -EDTA (0.250), MnCl 2 .4H 2 O (0.020), and NiCl 2 .6H 2 O (0.010) was added to the culture medium. The pH of the culture was adjusted to 7.0 using 1M H 2 SO 4 and 1M NaOH. Millipore water (18 MX) was used for all reagent production and for all measurements. All chemicals were analytical grade and were purchased from Sigma-Aldrich or other commercial sources. The M. sporium strains were maintained by secondary culture every 2 weeks and stored at 4 DEG C on NMS agar plates. The presence of contaminants was checked on R2 agar (Fluka, USA).

다음으로, 지지체로서 키토산(90% 탈아세틸화, 게 껍질)을 Bio Basic Inc.(Canada)로부터 구입하였다. 상기 키토산(20 g)을 증류수로 2회 세척하고, 다음으로 인산 완충액(50 mM, pH 7.0)으로 세척하였다. 문헌[Patel SKS, et al., J Microbiol Biotechnol 2014;24:639-47]에 개시된 바와 같이 상기 키토산을 글루타르알데히드로 기능화시켜 알데히드기를 입자에 붙였다. 이후 키토산을 4000 rpm에서 30분 동안 원심분리로 분리시키고, 잔여 글루타르알데히드를 증류수로 3회 및 다음으로 인산 완충액(20 mM)으로 세척하여 제거하였다. 인산 완충액(50 mM, pH 7.0) 내에 기능화된 키토산 g당 100 mg의 M. sporium 세포를 넣고 4 ℃에서 100 rpm으로 밤새 교반시킴으로써 전체 세포들이 상기 키토산 상에 고정되었다. 미결합된 세포들은 4000 rpm로 20분 동안 원심분리하여 분리되었고, 고정된 세포들은 MgCl2(5 mM)을 함유하는 인산 완충액 (20 mM, pH 7.0)으로 2회 세척한 다음, 사용할 때까지 4 ℃에서 보관하였다.Next, chitosan (90% deacetylation, crab shell) as a support was purchased from Bio Basic Inc. (Canada). The chitosan (20 g) was washed twice with distilled water and then with phosphate buffer (50 mM, pH 7.0). The chitosan was functionalized with glutaraldehyde to attach aldehyde groups to the particles as described in Patel SKS, et al., J Microbiol Biotechnol 2014; 24: 639-47. The chitosan was then separated by centrifugation at 4000 rpm for 30 minutes and the remaining glutaraldehyde was removed by washing it with distilled water three times and then with phosphate buffer (20 mM). All cells were fixed on the chitosan by adding 100 mg of M. sporium cells per g of functionalized chitosan in phosphate buffer (50 mM, pH 7.0) and stirring overnight at 100 rpm at 4 ° C. Unbound cells were separated by centrifugation at 4000 rpm for 20 min. The fixed cells were washed twice with phosphate buffer (20 mM, pH 7.0) containing MgCl 2 (5 mM) &Lt; / RTI &gt;

1차 고정화를 위해 키토산 상에 공유적으로 고정된 M. sporium 세포를 카르노브스키 접착제 용액(Karnovsky’s fixative solution)에 이동시켰다. 다음으로, 시료들을 등급이 나뉜 에탄올(Duksan, South Korea; 30%, 50%, 70%, 80%, 90%, 및 100%; 각 4 ℃에서 10분 동안)로 탈수시키고, 실온에서 12 시간 동안 건조시키고, 백금으로 코팅시켰다. 전계 방출 주사전자현미경(JEOL, Japan)을 이용하여 영상들을 분석하여 도 5에 나타내었다.For primary immobilization, M. sporium cells covalently immobilized on chitosan were transferred to Karnovsky's fixative solution. Next, the samples were dehydrated in graded ethanol (Duksan, South Korea; 30%, 50%, 70%, 80%, 90%, and 100%; 10 min each at 4 ° C) Lt; / RTI &gt; and coated with platinum. The images were analyzed using a field emission scanning electron microscope (JEOL, Japan) and shown in FIG.

도 5에서, (a)는 단일 입자를 나타내며, (b)는 고해상도 이미지를 나타낸다.In Fig. 5, (a) represents a single particle and (b) represents a high-resolution image.

도 5에 나타낸 바와 같이, 키토산 입자 상에 M. sporium 세포가 안정적으로 공유 고정화되었음을 확인하였다. As shown in Fig. 5, on the chitosan particles, M. sporium Cells were stably immobilized.

(2) 키토산 상에 공유 고정화된 (2) a chitosan- 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움을Sporeum 이용한 메탄으로부터 메탄올의 생산 Production of Methanol from Used Methane

30% CH4를 함유하는 분위기 하에서 200 mL의 질산 무기염를 함유하는, 밀폐 스크류캡(screw cap) (Suba seal)이 장착된 1L의 플라스크 (Duran-Schott, Germany) 내에서 세포를 양성하였고, 30 ℃에서 200 rpm의 회전식 진동기(Lab Champion IS-971R, USA) 상에서 7일 동안 배양하여 메탄올을 생산하였다. 배양하는 동안, 30% CH4를 이틀 간격으로 첨가하였다.30% CH under 4 atmosphere containing containing yeomreul 200 mL of nitric acid, an inorganic, a closed screw cap (screw cap) (Suba seal) were positive cells in the attached 1L flasks (Duran-Schott, Germany), 30 (Lab Champion IS-971R, USA) at 200 rpm for 7 days to produce methanol. During the incubation, it was added to 30% CH 4 by two days interval.

생산된 메탄올 농도를 문헌[Wood PJ, et al., Anal Biochem 1971;39:418-28]에 따라 알코올 산화효소(Sigma-Aldrich, USA)에 의한 효소적 산화를 통해 분석하였다. 구체적으로, 상기 메탄올 농도를 HP-5 컬럼(Agilent 19091J-413, USA) 및 FID 검출기가 장착된 기체 크로마토그래피(GC; Agilent 7890A, USA)를 이용하여 분석하였다. 25 mL min-1의 유속의 H2 및 공기(300 mL min- 1)와 함께 헬륨이 캐리어 가스로서 사용되었다. 오븐 온도는 초기에는 35℃에서 5분 동안 유지하다가 5℃ min-1의 속도로 150℃까지 상승시켰고, 마지막으로 20℃ min-1의 속도로 250℃까지 상승시켰다. 주입기 및 검출기 온도를 각각 220℃ 및 250℃으로 세팅하였다.The methanol concentration produced was analyzed by enzymatic oxidation with alcohol oxidase (Sigma-Aldrich, USA) according to the method of Wood PJ, et al., Anal Biochem 1971; 39: 418-28. Specifically, the methanol concentration was analyzed using gas chromatography (GC (Agilent 7890A, USA) equipped with an HP-5 column (Agilent 19091J-413, USA) and an FID detector. Flow rate 25 mL of H 2 and air in min -1 - helium with (300 mL min 1) was used as a carrier gas. The oven temperature was initially maintained at 35 ° C for 5 minutes, then increased to 150 ° C at a rate of 5 ° C min -1 , and finally to 250 ° C at a rate of 20 ° C min -1 . The injector and detector temperatures were set at 220 ° C and 250 ° C, respectively.

그 결과, 키토산 상에 공유적으로 고정화된 M. sporium 세포에 의한 최대 메탄올 생산 수율은 4.61 mM 이었다(표 3 참조).As a result, the maximum yield of methanol production by M. sporium cells covalently immobilized on chitosan was 4.61 mM (see Table 3).

<< 실시예Example 2> 키토산 상에 공유 고정화된  &Lt; 2 &gt; &gt; 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움을Sporeum 이용한 합성 혼합 가스로부터 메탄올의 생산 Production of methanol from synthetic gas mixture

(1) 합성 혼합 가스의 제조(1) Production of synthesis gas mixture

NK Co. Ltd.(Busan, South Korea)로부터 얻은 순수한 CH4, CO2, 및 H2를 6:3:1의 비율로 혼합하여 합성 가스 혼합물을 제조하였다.NK Co. Syngas mixture was prepared by mixing pure CH 4 , CO 2 , and H 2 , obtained in a ratio of 6: 3: 1, obtained from Aldrich (Busan, South Korea).

(2) 키토산 상에 공유 고정화된 (2) a chitosan- 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움을Sporeum 이용한 메탄으로부터 메탄올의 생산 Production of Methanol from Used Methane

제조된 합성 가스 혼합물을 키토산에 공유적으로 고정화된 M. sporium 세포들에 의해 72시간까지 메탄올 생산을 하기 위한 공급원료로서 사용되었다. 메탄올 생산 동안 상부 공간에는 공기로 (1:1) 희석하여 유사한 CH4 양(30%)이 유지되었다.The prepared syngas mixture was used as feedstock for methanol production by M. sporium cells covalently immobilized on chitosan for up to 72 hours. For methanol production, the upper space in the air: this is similar to CH 4 amount (30%) was retained and diluted (1: 1).

그 결과, 키토산 상에 공유적으로 고정화된 M. sporium 세포에 의한 최대 메탄올 생산 수율은 6.12 mM 이었다(도 7, 표 3 참조).As a result, the maximum yield of methanol production by M. sporium cells covalently immobilized on chitosan was 6.12 mM (see FIG. 7 and Table 3).

<< 비교예Comparative Example 1> 다른 메탄산화세균에 의한 메탄올의 생산 1> Production of Methanol by Other Methane-oxidizing Bacteria

키토산에 공유적으로 고정화된 M. sporium 세포 대신 DEAE 셀룰로오스 상에 공유적으로 고정화된 M. trichosporium NCIB 111311 세포를 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건하에서 CH4로부터 메탄올 생산량을 측정한 결과, 20 mM 및 80 mM 인산 완충액 내에서 각각 0.40 및 2.10 μmol의 메탄올 h-1 mg-1을 생산하였다.Except that the immobilized on chitosan covalently M. sporium cells in place of the M. trichosporium NCIB 111311 cells immobilized covalently on DEAE cellulose, and a result of measurement of methanol output from CH 4 under the same conditions, 20 mM and 80 mM phosphate buffer to produce 0.40 and 2.10 μmol of methanol h -1 mg -1 , respectively.

<< 실험예Experimental Example 1> 메탄올 생산 공정 파라미터의 최적화 1> Optimization of methanol production process parameters

(1) 금속의 영향(1) Influence of metals

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 두 금속 이온, Cu2+ (1-10 μM) 및 Fe2 + (2.5-20 μM)의 보충에 대한 영향을 20 mM 인산 완충액 (pH 7.0) 내에서 알아보았다. 그 결과, Cu 농도가 0에서 5 μM으로 증가함에 따라 메탄올 생산은 0.86 mM에서 1.14 mM로 현저하게 향상되었다. 10 μM Cu에서는 생산량이 약간 감소하였으나(1.03 mM까지), 10 μM에서 Fe는 메탄올 생산을 1.02 mM까지 증가시켰다. 따라서, 두 금속 이온들 모두 메탄올 생산에 영향을 미치며, 이들 효과는 향상된 MMO 활성 때문인 것 같다.The effect of supplementation of two metal ions, Cu 2+ (1-10 μM) and Fe 2 + (2.5-20 μM) in the production of methanol by M. sporium according to the present invention was examined in 20 mM phosphate buffer (pH 7.0 ). As a result, the methanol production was significantly improved from 0.86 mM to 1.14 mM as the Cu concentration increased from 0 to 5 μM. At 10 μM Cu, yield slightly decreased (up to 1.03 mM), but at 10 μM Fe increased methanol production to 1.02 mM. Thus, both metal ions affect methanol production, and these effects appear to be due to improved MMO activity.

또한, M. sporium 세포 성장 및 sMMO 활성에 대한 Cu2 + 농도 (0-10 μM)의 영향을 이들 동일한 조건하에서 평가하였다. In addition, we evaluated the effect of Cu 2 + concentration (0-10 μM) for M. sporium Cell Growth and sMMO activity under these same conditions.

먼저, UV/Vis 분광광도계(JENWAY Scientific, UK)로 595 nm에서 흡광도(OD)를 결정함으로써 세포 성장을 측정하였다. 충분히 자란 세포들을 10,000 rpm의 원심분리(Gyrozen 1580 MGR, South Korea)를 통해 4℃에서 15분 동안 수집하였고, 다음으로 인산 완충액(20 mM, pH 7.0)으로 2번 세척하였다. 수집된 세포들을 사용할 때까지 4℃에서 저장하였다. 건조 세포 질량(DCM)을 70℃에서 48시간 배양 후 계산하였다.First, cell growth was measured by determining the absorbance (OD) at 595 nm with a UV / Vis spectrophotometer (JENWAY Scientific, UK). Well-grown cells were harvested at 10,000 rpm for 15 minutes at 4 ° C via centrifugation (Gyrozen 1580 MGR, South Korea) and then washed twice with phosphate buffer (20 mM, pH 7.0). The collected cells were stored at 4 ° C until use. Dry cell mass (DCM) was calculated after incubation at 70 ° C for 48 hours.

다음으로, 문헌[Brusseau GA, et al., Biodegradation 1990;1:19-29]에 따라 수정된 분석법을 사용하여 상대적인 sMMO 활성을 평가하기 위해 나프탈렌 산화가 사용되었다. 먼저, sMMO에 의해 나프탈렌이 산화되어 나프톨이 생성되었다. 나프톨 및 테트라아조화 o-디아니시딘(Sigma-Aldrich, USA)을 함유하는 보라색의 복합체의 존재를 UV/Vis 분광광도계를 사용하여 530 nm에서 분광광도법으로 측정하였다. 요약하면, 포름산 나트륨(2 mM)을 함유하는 인산 완충액(50 mM, pH 7.0) 내에 DCM의 휴지기 세포를 함유하는 현탁액을 사용하여 상기 분석법을 수행하였다. 다음으로, 소량의 나프탈렌 결정들을 첨가하였고, 반응물을 180 rpm에서 교반하면서 30 ℃에서 2 시간 동안 배양하였다. 배양 후, 10 mg mL-1 테트라아조화 o-디아니시딘을 첨가하여 색 변화를 관찰하였다.Next, naphthalene oxidation was used to evaluate relative sMMO activity using a modified assay according to Brusseau GA, et al., Biodegradation 1990; 1: 19-29. First, naphthalene was oxidized by sMMO to produce naphthol. The presence of a complex of violet containing naphthol and tetraazoa o-dianisidine (Sigma-Aldrich, USA) was determined spectrophotometrically at 530 nm using a UV / Vis spectrophotometer. Briefly, the assay was performed using a suspension containing DCM's resting cells in phosphate buffer (50 mM, pH 7.0) containing sodium formate (2 mM). Next, a small amount of naphthalene crystals were added, and the reaction was incubated at 30 DEG C for 2 hours with stirring at 180 rpm. After incubation, 10 mg mL- 1 tetrahedral o-dianisidine was added to observe the color change.

결과를 하기 표 1에 나타내었다.The results are shown in Table 1 below.

Cu
(μM)
Cu
(μM)
건조 세포 질량
(mg mL-1)
Dry cell mass
(mg mL -1 )
비성장속도
(h-1)
Non-growth rate
(h -1 )
나프탈렌 산화a Naphthalene oxide a 메탄올 생산량
(mM)
Methanol production
(mM)
00 0.281±0.0210.281 + 0.021 0.019±0.0020.019 ± 0.002 ++++++++ 1.44±0.121.44 ± 0.12 1One 0.300±0.0230.300 0.023 0.020±0.0020.020 0.002 ++++++ 1.65±0.131.65 + 0.13 2.52.5 0.320±0.0250.320 + 0.025 0.020±0.0020.020 0.002 ++++ 2.16±0.172.16 ± 0.17 55 0.358±0.0280.358 + 0.028 0.021±0.0020.021 0.002 ++ 2.52±0.212.52 0.21 1010 0.241±0.0200.241 + 0.020 0.018±0.0010.018 0.001 -- 2.18±0.192.18 ± 0.19 a 보라색 발달의 강도: +(존재) 및 -(부재)Strength of a purple development: + (presence) and - (absence)

표 1에 나타낸 바와 같이, 5 μM Cu에서, 비성장속도(specific growth rate)가 0.019 h-1 (0 μM Cu에서)에서 0.021 h-1로 증가하는 것이 관찰되었고, 이 Cu 농도에서, 메탄올 생산 수율은 2.52 mM까지 증가하였다. 10 μM Cu에서, 상기 비성장속도는 0.018 h-1까지 감소하였다. 5 μM Cu에서 M. sporium의 최대 비성장 속도는 공급원료로서 동일한 농도의 CH4(30%)에서 M. trichosporium OB3b에 대하여 보고된 0.059 h-1 값보다 낮았다[Hwang IY, et al.,J Microbiol Biotechnol 2015;25:375-80]. pMMO의 우세 때문에 나프탈렌산화에서 상대적 환원에 대한 Cu 농도의 유사한 효과가 관찰되었다[Takeguchi M, et al., Catal Surv Jpn 2000;4:51-63].As shown in Table 1, at 5 μM Cu, a specific growth rate was observed to increase from 0.019 h -1 (at 0 μM Cu) to 0.021 h -1 , and at this Cu concentration, methanol production The yield increased to 2.52 mM. At 10 μM Cu, the rate of non-growth decreased to 0.018 h -1 . 5 μM Cu in the maximum specific growth rate of M. sporium was lower than 0.059 h -1 The value reported by the CH 4 (30%) of the same concentration with respect to the M. trichosporium OB3b as feedstock [IY Hwang, et al., J Microbiol Biotechnol 2015; 25: 375-80]. A similar effect of Cu concentration on relative reduction in naphthalene oxidation was observed due to the dominance of pMMO [Takeguchi M, et al., Catal. Surv. Jpn 2000; 4: 51-63].

(2) 공정 파라미터의 최적화(2) Optimization of process parameters

메탄산화세균의 생리적 특성은 다양한 공정 파라미터 가령 pH, 온도, 및 성장 및 메탄올 생산 동안의 교반에 의해 강하게 영향을 받는다. 이에, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 공정 파라미터의 최적화를 수행하기 위해 pH, 온도 및 교반 조건에 대한 메탄올 생산량을 측정하여 최적 값을 결정하였다.The physiological characteristics of methanogenic bacteria are strongly influenced by various process parameters such as pH, temperature, and agitation during growth and methanol production. Thus, in order to optimize the process parameters in the methanol production by M. sporium according to the present invention, the methanol production amount was determined by measuring pH, temperature, and stirring conditions.

구체적으로, 24 시간 동안의 배양 후, pH 5.5-8.0의 아세트산 나트륨(pH 5.5) 및 인산염(pH 6.0-8.0) 완충액 내에 30% CH4를 공급원료로서 넣고, 150 rpm에서 교반하면서 M. sporium에 의한 메탄올 생산을 평가하였다. Specifically, after culturing for 24 hours, 30% CH 4 was added as a feedstock in sodium acetate (pH 5.5) and phosphate (pH 6.0-8.0) buffer, pH 5.5-8.0 , and added to M. sporium Methanol production.

그 결과, pH 6.8에서 최대 메탄올 생산량인 2.7 mM이 관찰되었다. 상기 pH를 벗어나는 경우, 예컨대 pH 5.5 및 8.0에서, 메탄올 생산량은 각각 최대값이 대략 12% 및 28% 으로 감소되었다. 이들 결과는 메탄올 생산이 거의 중성인 pH에서 최적화되었음을 시사하였다.As a result, a maximum methanol production of 2.7 mM was observed at pH 6.8. When the pH was outside the range, for example, at pH 5.5 and 8.0, the methanol yields were reduced to about 12% and 28%, respectively. These results suggested that methanol production was optimized at a pH near neutral.

또한, 배양물을 pH 6.8 및 상이한 온도(25-40 ℃)에서 배양시켰다.The cultures were also incubated at pH 6.8 and at different temperatures (25-40 ° C).

그 결과, 최적 온도는 30 ℃였으며, 상기 온도를 벗어나는 경우, 구체적으로, 30 ℃에서 25 ℃로의 온도 변화는 이동은 2.5 mM의 약간 낮은 수율을 초래하는 반면, 35 ℃ 및 40 ℃에서, 메탄올 수율은 최대값이 각각 44% 및 23%까지 현저히 감소하였다.As a result, the optimum temperature was 30 캜, and when the temperature was outside the above range, specifically, a temperature change from 30 캜 to 25 캜 resulted in a slightly lower yield of 2.5 mM, while at 35 캜 and 40 캜, The maximum values were significantly reduced to 44% and 23%, respectively.

24 시간의 배양 후 pH 6.8 및 30 ℃에서 메탄올 생산에 대한 상이한 교반 속도(90-200 rpm)의 영향을 평가하였다.The effect of different agitation speeds (90-200 rpm) on methanol production at pH 6.8 and 30 ° C after 24 hours of culture was evaluated.

그 결과, 최적 교반 조건은 150 rpm이었다. 만일 마찬가지로, 각각 150 rpm 및 180 rpm의 교반 속도에서 2.70 mM 및 2.68 mM 메탄올의 매우 유사한 수율이 관찰되었으나, 더 낮거나 (90) 및 더 높은 (200) rpm에서, 메탄올 수율의 감소가 관찰되었다.As a result, the optimum stirring condition was 150 rpm. Likewise, very similar yields of 2.70 mM and 2.68 mM methanol were observed at stirring ratios of 150 rpm and 180 rpm, respectively, but a decrease in methanol yield was observed at lower (90) and higher (200) rpm.

따라서, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산의 최적 조건은 pH 6.8-7.0, 25-30 ℃ 및 150-180 rpm인 것을 알 수 있다.Thus, it can be seen that the optimal conditions for methanol production by M. sporium according to the present invention are pH 6.8-7.0, 25-30 ° C and 150-180 rpm.

(3) 메탄올 (3) Methanol 생산에 대한 인산 완충액Phosphate buffer for production 농도의 영향 Effect of Concentration

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 인산 완충액 농도의 영향을 평가하였다. In methanol production by M. sporium according to the present invention, the effect of phosphate buffer concentration was evaluated.

구체적으로, 상이한 농도의 인산염 완충액(10-120 mM, pH 6.8)을 사용하여 최적 조건하에서 메탄올 생산에 대한 이의 영향을 측정하여 도 1에 나타내었다.Specifically, the effect on methanol production under optimum conditions was measured using phosphate buffer (10-120 mM, pH 6.8) at different concentrations and is shown in FIG.

그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 인산 완충액 농도가 20 mM에서 100 mM로 증가함에 따라 메탄올 생산은 2.70 mM에서 3.66 mM로 증가하였다. 그러나, 더 높은 농도(120 mM)에서, 메탄올 생산의 약간의 감소(3.48 mM)가 관찰되었다.As a result, as shown in Fig. 1, the methanol production increased from 2.70 mM to 3.66 mM as the concentration of the phosphate buffer increased from 20 mM to 100 mM. However, at a higher concentration (120 mM), a slight decrease in methanol production (3.48 mM) was observed.

따라서, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산의 최적 인산 완충액 농도는 100 mM임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the optimum concentration of phosphoric acid buffer for methanol production by M. sporium according to the present invention is 100 mM.

(4) 메탄올 생산에 대한 (4) for methanol production MDHMDH 저해제의 영향 Influence of inhibitor

메탄으로부터 메탄올을 고효율로 생합성하기 위해서는 MMO의 활성을 증가시킴과 동시에 생산된 메탄올이 포름알데히드로 산화되는 것을 억제하여야 한다. 즉 메탄올의 산화를 막기 위해서는 MDH의 활성을 저해시켜야 한다.In order to biosynthesize methanol efficiently from methane, it is necessary to increase the activity of MMO and to inhibit oxidation of the produced methanol to formaldehyde. In other words, the activity of MDH must be inhibited in order to prevent oxidation of methanol.

이에, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 메탄올 생산을 향상시키기 위해 MDH 저해제의 영향을 평가하였다.Thus, the effect of MDH inhibitors was evaluated in order to improve the production of methanol by M. sporium according to the present invention.

구체적으로, 24 시간 동안 배양 후 최적 조건하에서 30% CH4를 사용하여 상이한 MDH 저해제: EDTA (0.1-1.5 mM), MgCl2 (5-50 mM), NaCl (10-120 mM), 및 NH4Cl (5-25 mM)를 인산염 완충액(100 mM, pH 6.8)에 넣고, 메탄올의 생산량을 측정하여 도 2에 나타내었다.Specifically, different inhibitors to MDH After incubation for 24 hours using 30% CH 4 under optimum conditions: EDTA (0.1-1.5 mM), MgCl 2 (5-50 mM), NaCl (10-120 mM), and NH 4 Cl (5-25 mM) was added to phosphate buffer (100 mM, pH 6.8) and the amount of methanol produced was measured and shown in Fig.

도 2에 나타낸 바와 같이, MDH 저해제의 최적 농도(mM)는 EDTA가 1.0 mM, MgCl2가 20 mM, NaCl이 80 mM, 그리고 NH4Cl이 15 mM인 것으로 나타났다.As shown in FIG. 2, the optimum concentration (mM) of the MDH inhibitor was 1.0 mM for EDTA, 20 mM for MgCl 2 , 80 mM for NaCl, and 15 mM for NH 4 Cl.

상기, MDH 저해제의 저해 활성을 측정하기 위해, MDH 활성을 문헌[Kalyuzhnaya MG, et al., J Bacteriol 2008;190:3817-23]에 따라 600 nm에서 2,6-디클로로페놀린도페놀(DCPIP)의 페나진 메토설페이트-매개된 환원에 의해 유도된 흡광도의 변화에 따라 분광광도법으로 모니터링하여 그 결과를 도 3a에 나타내었다.To measure the inhibitory activity of the MDH inhibitors, MDH activity was assayed using 2,6-dichlorophenolindophenol (DCPIP) at 600 nm according to Kalyuzhnaya MG, et al., J Bacteriol 2008; 190: 3817-23. The results are shown in FIG. 3A, and the results are shown in FIG. 3A. FIG. 3A shows the results of spectrophotometric monitoring of the absorbance induced by phenazine methosulfate-mediated reduction.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 인산 완충액 내에서, 이들 저해제는 MDH 활성을 각각 38.7%, 32.5%, 30.2%, 및 26.4%까지 저해하였다. 이와 대조적으로, 인산 완충액 (100 mM) 단독으로는 MDH 활성을 단지 17.6%밖에 저해하지 못했다. 이들 저해제는 상이한 농도에서 메탄올 생산에 대한 혼합된 영향을 미쳤으며, 최적 조건하에서 24 시간의 배양 후, 메탄올 생산이 3.66 mM에서 4.20 mM로 증가하였다. 시험된 저해제 중에서, MgCl2(20 mM)의 첨가는 최대 메탄올 생산을 4.20 mM까지 이끌었다. 흥미롭게도, M. sporium에서 MDH 활성의 더 큰 저해(38.7%)는 EDTA의 존재를 유도하여 메탄올 생산을 향상시키지 못했으며, 이는 MMO 내의 금속 이온의 킬레이트화 때문인 것 같다.As shown in Figure 3A, in phosphate buffer, these inhibitors inhibited MDH activity by 38.7%, 32.5%, 30.2%, and 26.4%, respectively. In contrast, phosphate buffer (100 mM) alone inhibited MDH activity by only 17.6%. These inhibitors had a mixed effect on methanol production at different concentrations and after 24 hours of incubation under optimal conditions, the methanol production increased from 3.66 mM to 4.20 mM. Of the inhibitors tested, the addition of MgCl 2 (20 mM) led to maximum methanol production to 4.20 mM. Interestingly, the greater inhibition of MDH activity (38.7%) in M. sporium did not induce the presence of EDTA to improve methanol production, probably due to the chelation of metal ions in MMO.

(5) (5) 포름산염의Formic acid 영향 effect

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 메탄올 생산 동안 (10-120 mM에서) 공동 인자(NADH) 재생을 위한 포름산염의 가능한 지원 역할을 평가하였다.In methanol production by M. sporium according to the present invention, the possible supportive role of formate salt for co-factor (NADH) regeneration during methanol production (at 10-120 mM) was evaluated.

구체적으로, MgCl2(20 mM) 및 인산 완충액(100 mM)의 존재에서 포름산 나트륨의 농도(mM)에 따른 메탄올 생산량을 측정하여 도 3b에 나타내었다.Specifically, methanol production according to the concentration (mM) of sodium formate in the presence of MgCl 2 (20 mM) and phosphate buffer (100 mM) was measured and shown in FIG.

도 3b에 나타낸 바와 같이, 포름산염은 메탄올 생산에 대해 긍정적인 영향을 가지며, 40 mM의 포름산염에서 최대 메탄올 생산(5.4 mM)이 관찰되었다. 그러나, 포름산염 농도가 120 mM까지 증가하는 것은 메탄올 생산에 현저한 영향을 미치지 않았다.As shown in Figure 3b, formate had a positive effect on methanol production and maximum methanol production (5.4 mM) was observed in 40 mM formate. However, increasing the formate salt concentration to 120 mM did not significantly affect methanol production.

Mehta 등[Biotechnol Bioeng 1991;37:551-6]은 내인성 NADH2의 소모 때문에 시간이 지날수록 메탄올 생산 속도는 감소한다고 언급했다. 따라서, 고수율의 생전환을 유지하기 위해서는 보조인자 재생이 필요하다. 따라서, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 40 mM의 포름산염의 첨가는 메탄올 생산을 1.3배 향상시킬 수 있다.Mehta et al. [Biotechnol Bioeng 1991; 37: 551-6] noted that the rate of methanol production decreases over time because of the consumption of endogenous NADH 2 . Therefore, it is necessary to regenerate supplementary factors in order to maintain the high yield conversion. Therefore, in the methanol production by M. sporium according to the present invention, the addition of 40 mM formic acid salt can improve methanol production 1.3 times.

(6) 반응 부피 대 상부 공간 비율의 영향(6) Influence of reaction volume versus upper space ratio

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 메탄올 생산에 있어서, 5개의 상이한 비율(1:1, 1:3, 1:5, 1:7, 및 1:9)에서 반응 부피 대 상부 공간 비율의 영향을 평가하였다. 공급원료로서 30% CH4를 사용하여 최적 조건하에서 실험을 수행하였다. 이들 비율은 세럼 보틀(serum bottle) 내에서 반응 부피를 12 mL에서 60 mL로 변화시킴으로써 달성하였다.In the production of methanol by M. sporium according to the present invention, the methanol content in methanol production was measured at five different ratios (1: 1, 1: 3, 1: 5, 1: 7, and 1: The effect of space ratio was evaluated. Experiments were conducted under optimal conditions using 30% CH 4 as feedstock. These ratios were achieved by changing the reaction volume from 12 mL to 60 mL in a serum bottle.

그 결과, 상이한 비율에서, 3.63-5.40 mM 메탄올이 생산되었고, 최적 반응 부피 대 상부 공간 비율은 1:5였다. 흥미롭게도, 1:1 및 1:3의 더 높은 비율은 메탄올 생산을 각각 33% 및 23%로 감소시켰다. 1:7 및 1:9의 더 낮은 비율에서, 메탄올 생산은 일정했다. 이러한 결과는 높은 메탄올 생산을 달성하는데 적절한 반응 부피 대 상부 공간 비율이 필요함을 시사했다.As a result, at different ratios, 3.63-5.40 mM methanol was produced and the optimum reaction volume to top space ratio was 1: 5. Interestingly, higher ratios of 1: 1 and 1: 3 reduced methanol production to 33% and 23%, respectively. At lower ratios of 1: 7 and 1: 9, methanol production was constant. These results suggested that a suitable reaction volume to top space ratio is required to achieve high methanol production.

(7) 공급원료의 주입 농도의 영향(7) Influence of feed concentration of feedstock

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 공급원료의 주입 농도의 영향을 평가하였다.In the methanol production by M. sporium according to the present invention, the influence of the feed concentration of the feedstock was evaluated.

다양한 농도(10-50%)의 CH4를 주입하여 96 시간까지 배양시킴에 따라 M. sporium에 의한 메탄올 생산을 측정하여 도 4에 나타내었다.Methanol production by M. sporium was measured by injecting CH 4 at various concentrations (10-50%) and culturing until 96 hours, and is shown in FIG.

도 4에 나타낸 바와 같이, 배양 시간이 12 시간에서 24 시간으로 증가함에 따라 메탄올 생산은 증가하였고, 이후 96 시간의 배양에서는 급격하게 감소하였다. 또한. 30% CH4에서, 메탄올 생산은 2.78 mM (10% CH4에서)에서 5.40 mM로 급격하게 증가했고, 40% 및 50%의 더 높은 농도에서는, 24 시간의 배양 후 수율이 각각 5.74 mM 및 5.80 mM이었다. 이로부터 공급원료 주입 농도는 30-50%인 것이 바람직하고, 배양 시간은 24 시간이 바람직함을 알 수 있다.As shown in Fig. 4, the methanol production was increased as the incubation time increased from 12 hours to 24 hours, and then decreased sharply in the 96 hour culture. Also. At 30% CH 4 , the methanol production increased sharply from 2.78 mM (at 10% CH 4 ) to 5.40 mM and at 40% and 50% higher concentrations, yields after incubation for 24 hours were 5.74 mM and 5.80 mM. From this, it can be seen that the feedstock injection concentration is preferably 30-50%, and the incubation time is preferably 24 hours.

<< 실험예Experimental Example 2> 지지체 및 고정화 방법이 메탄올 생산에 미치는 영향 2> Effects of Support and Immobilization Methods on Methanol Production

본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 지지체 및 고정화 방법의 영향을 평가하였다.The effect of the support and immobilization method on the methanol production by M. sporium according to the present invention was evaluated.

구체적으로, 회분식 배양 조건 하에서 흡착 또는 공유 결합의 상이한 고정화 방법에 의해 다양한 지지체들, 가령 Amberlite XAD-2, XAD-4, 및 XAD-7HP 뿐만 아니라 Duolite A7 및 키토산 상에 M. sporium을 고정화하였다.Specifically, M. sporium was immobilized on various supports such as Amberlite XAD-2, XAD-4, and XAD-7HP as well as Duolite A7 and chitosan by different immobilization methods of adsorption or covalent bonds under batch culture conditions.

고정된 세포들은 MgCl2 (5 mM)을 함유하는 인산 완충액 (20 mM, pH 7.0)으로 2회 세척한 다음, 사용할 때까지 4 ℃에서 보관하였다. 고정화 수율(IY)은 하기 수학식 1에 따라 계산되었다:The immobilized cells were washed twice with phosphate buffer (20 mM, pH 7.0) containing MgCl 2 (5 mM) and stored at 4 ° C until use. The immobilization yield (IY) was calculated according to the following equation:

[수학식 1][Equation 1]

IY (%) = 지지체 상에 결합된 세포의 양/로딩된 전체 세포의 양×100IY (%) = amount of cells bound on the support / amount of total cells loaded 100

결과를 하기 표 2에 나타내었다.The results are shown in Table 2 below.

지지체Support 크기
(μm)
size
(μm)
표면적
(m2g-1)
Surface area
(m 2 g -1 )
고정화 수율(IY)
(%)a
Immobilization yield (IY)
(%) a
상대적 메탄올
(%)b
Relative methanol
(%) b
Amberlite XAD-2Amberlite XAD-2 682682 336336 19.5±1.419.5 ± 1.4 70.8±5.070.8 ± 5.0 Amberlite XAD-4Amberlite XAD-4 564564 725725 17.4±1.217.4 ± 1.2 64.9±4.764.9 ± 4.7 Amberlite XAD-7HPAmberlite XAD-7HP 580580 450450 18.1±1.318.1 ± 1.3 73.5±5.273.5 ± 5.2 Duolite A7Duolite A7 600-800600-800 3636 27.2±2.227.2 ± 2.2 80.0±5.580.0 ± 5.5 키토산Chitosan 45-16545-165 180180 33.5±3.433.5 ± 3.4 85.4±4.685.4 ± 4.6 a 지지체 g당 세포 로딩은 100 mg의 DCM임
b 5.40±0.42 mM의 자유 세포 메탄올 생산을 100%로 고려됨.
cell load per a support of 100 g was mg DCM Im
b 5.40 ± 0.42 mM of free-cell methanol production is considered 100%.

표 2에 나타낸 바와 같이, M. sporium의 최대 IY는 17.4-33.5%의 범위였다. 이들 세포 로딩 수율은 동일한 조건 하에서의 흡착(IY: 7.15-13.4%)보다 훨씬 더 높았다. 공유적으로 고정화된 세포들의 메탄올 생산 효율은 64.9-85.4%였다. 흡착된 세포들의 생산은 자유 세포들(100%)보다 훨씬 더 낮았다(40.7-69.3%). 이들 지지체들 중에서, 흡착 및 공유 고정화를 통해 키토산-고정화된 세포들은 가장 높은 메탄올 생산을 하였고, 이때 최대 세포 로딩량은 지지체 g당 각각 13.4 및 33.5 mg의 DCM이었다. 고정화된 세포들은 96 시간까지의 배양 동안 지지체들 상에서 안정하였다.As shown in Table 2, the maximum IY of M. sporium ranged from 17.4 to 33.5%. These cell loading yields were much higher than adsorption (IY: 7.15-13.4%) under the same conditions. Methanol production efficiency of covalently immobilized cells was 64.9-85.4%. Production of adsorbed cells was much lower (40.7-69.3%) than free cells (100%). Among these scaffolds, chitosan-immobilized cells through adsorption and covalent immobilization produced the highest methanol production, with a maximum cell loading of 13.4 and 33.5 mg DCM per gram of support, respectively. Immobilized cells were stable on supports during up to 96 hours of culture.

이로부터, 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, 공유 고정화를 통해 키토산에 고정된 M. sporium을 사용할 때, 종래 방법에 비해 향상된 고수율의 메탄올 생산을 할 수 있음을 알 수 있다.From this, it can be seen that when M. sporium immobilized on chitosan is used for methanol production by M. sporium according to the present invention, methanol production with improved yield can be obtained compared with the conventional method .

종래 기술 및 본 발명에 따른 M. sporium에 의한 메탄올 생산에 있어서, M. sporium의 종류, 고정화 방법 및 공급원료의 종류, 공정 파라미터에 따른 메탄올 수율을 정리하여 하기 표 3에 나타내었다.The prior art and according to the invention Methanol production by the M. sporium according to, are shown with the type of M. sporium, kind of immobilization method and the feedstock, to organize the methanol yield of the process parameters in Table 3.

균주Strain 공급원료
(%)
Feedstock
(%)
고정화Immobilization 모드mode 온도
(℃)
Temperature
(° C)
pHpH 메탄올
수율(mM)
Methanol
Yield (mM)
지지체Support 방법Way M.sporium B2119M.sporium B2119 CH4(22)CH 4 (22) 고분자 매트릭스Polymer matrix 캡슐화Encapsulation 회분식Batch 2828 7.07.0 1.681.68 M.sporium B2120M.sporium B2120 CH4(22)CH 4 (22) 고분자 매트릭스Polymer matrix 캡슐화Encapsulation 회분식Batch 2828 7.07.0 1.431.43 M.sporium B2122M.sporium B2122 CH4(22)CH 4 (22) 고분자 매트릭스Polymer matrix 캡슐화Encapsulation 회분식Batch 2828 7.07.0 1.371.37 M.sporium B2123M.sporium B2123 CH4(22)CH 4 (22) 고분자 매트릭스Polymer matrix 캡슐화Encapsulation 회분식Batch 2828 7.07.0 1.841.84 M.sporium B2121M.sporium B2121 CH4(22)CH 4 (22) 자유세포Free cell -a - a 회분식Batch 2828 7.07.0 1.561.56 M.sporium B2121M.sporium B2121 CH4(22)CH 4 (22) 고분자 매트릭스Polymer matrix 캡슐화Encapsulation 연속식Continuous 2828 7.07.0 2.342.34 M.sporium B2121M.sporium B2121 CH4(22)CH 4 (22) 자유세포Free cell -- 회분식Batch 2828 7.07.0 0.350.35 M.sporium B2121M.sporium B2121 CH4(22)CH 4 (22) 폴리비닐알코올Polyvinyl alcohol 캡슐화Encapsulation 회분식Batch 2828 7.07.0 1.941.94 M.sporium KCTC 22312M.sporium KCTC 22312 CH4:CO2(40)CH 4 : CO 2 (40) 자유세포Free cell -- 회분식Batch 3535 7.07.0 0.710.71 M.sporium DSMZ 17706M.sporium DSMZ 17706 CH4(50)CH 4 (50) 자유세포Free cell -- 회분식Batch 3030 6.86.8 5.805.80 M.sporium DSMZ 17706M.sporium DSMZ 17706 CH4:CO2:H2(50)CH 4 : CO 2 : H 2 (50) 자유세포Free cell -- 회분식Batch 3030 6.86.8 5.805.80 M.sporium DSMZ 17706M.sporium DSMZ 17706 CH4(30)CH 4 (30) 키토산Chitosan 공유share 회분식Batch 3030 6.86.8 4.614.61 M.sporium DSMZ 17706M.sporium DSMZ 17706 CH4:CO2:H2(50)CH 4 : CO 2 : H 2 (50) 키토산Chitosan 공유share 회분식Batch 3030 6.86.8 6.126.12 a 해당 없음 a Not applicable

표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 키토산에 공유 고정된 M. sporium을 사용한 메탄올 생산 방법은 공급원료를 순수한 CH4를 사용할 경우, 메탄올 수율이 4.61 mM로써 지지체로서 고분자 매트릭스를 사용하여 캡슐화된 종래 방법(1.37-2.34 mM)에 비해 2-3.5배의 메탄올 수율 향상을 보였다. 또한, 공급원료로서 합성 가스 혼합물을 사용한 경우에는 6.12 mM의 메탄올 수율을 나타냄으로써 자유 세포에 의한 생산(5.80 mM)보다도 더 높은 메탄올 생산 수율을 나타내었다.As shown in Table 3, the methanol production method using M. sporium covalently immobilized on the chitosan according to the present invention is characterized in that when the feed is pure CH 4 , the methanol yield is 4.61 mM, encapsulated using a polymer matrix as a support The methanol yield was improved by 2-3.5 times as compared with the conventional method (1.37-2.34 mM). In addition, when the synthesis gas mixture was used as the feedstock, the methanol yield was 6.12 mM, which was higher than the yield by free cell (5.80 mM).

따라서, 본 발명에 따른 키토산에 공유 고정된 M. sporium을 사용한 메탄올 생산 방법은 순수한 CH4 및 합성 가스 혼합물 둘다로부터 현저하게 더 높은 메탄올 생산에 이르게 할 수 있다.Thus, the methanol production process using M. sporium covalently immobilized to the chitosan according to the present invention can lead to significantly higher methanol production from both pure CH 4 and the synthesis gas mixture.

<< 실험예Experimental Example 3> 키토산 상에 공유 고정화된  3> Chitosan-bound &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 메틸로시너스Methyl rosiners 스포리움의Sporium 재사용성 Reusability

본 발명에 따른 M. sporium의 메탄올 생산에 있어서, 키토산 상에 고정화된 M. sporium의 재사용성을 평가하였다.In the production of methanol M. sporium according to the invention, it was evaluated in the re-usability of the M. sporium immobilized on the chitosan.

구체적으로, 자유 M. sporium 세포, 흡착을 통해 고정화된 M. sporium 세포, 및 공유 결합을 통해 고정화된 M. sporium 세포들에 의한 메탄올 생산의 각 사이클 후, 이들을 원심분리로 분리하여 인산 완충액으로 세척하여 다음 사이클에 접종원(inoculums)으로서 사용하였다. 메탄올 생산 효율은 초기(0) 사이클이 100%인 것으로 간주되었다.Specifically, the free M. sporium cells washed after each cycle of the methanol produced by the cells of M. sporium immobilized through M. sporium cells, and covalently bonded immobilized through adsorption, by separating them by centrifugation with phosphate buffer And used as inoculums in the next cycle. The methanol production efficiency was considered to be 100% for the initial (0) cycle.

결과를 도 6에 나타내었다.The results are shown in Fig.

도 6에 나타낸 바와 같이, 6 사이클의 재사용 후, 흡착 또는 공유 방법을 통해 고정화된 M. sporium 세포들은 각각 26.6% 및 63.4%의 생산 효율을 유지하였다.그러나, 동일한 조건하에서, 자유 세포들은 17.3%의 메탄올 생산율로 현저히 더 낮은 수율을 나타냈다. 이러한 결과들로부터 M. sporium의 공유 고정화는 향상된 안정성 및 재사용성에 매우 효과적임을 알 수 있다.As shown in Figure 6, the M. sporium cells immobilized through the adsorption or sharing method after 6 cycles of reuse maintained the production efficiencies of 26.6% and 63.4%, respectively. However, under the same conditions, the free cells were 17.3% Methanol yield of methanol was significantly lower than that of methanol. From these results, it can be seen that the shared immobilization of M. sporium is highly effective for improved stability and reusability.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (12)

키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium)을 이용한 메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 고수율 메탄올 생산 방법.
Process for the production of high yield methanol from a methane or syngas mixture using cetyl -immobilized methylosinus sporium in chitosan.
제 1 항에 있어서, 상기 메탄올 생산 방법은 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포와, 공급원료로서 메탄 또는 합성 가스 혼합물을 배양액에 넣고 교반시키면서 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the methanol production method comprises culturing the methylosynthosphospheric cells covalently immobilized on chitosan and a methane or syngas mixture as a feedstock in a culture medium while stirring.
제 2 항에 있어서, 상기 배양액은 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2, wherein the culture comprises a phosphate buffer and a nitrate mineral salt (NMS).
제 3 항에 있어서, 상기 배양액은 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제 및 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. The method of claim 3, wherein the culture further comprises at least one member selected from the group consisting of Cu ions, MDH inhibitors and formates.
제 3 항에 있어서, 상기 인산 완충액의 농도는 100 mM인 것을 특징으로 하는 방법.
4. The method according to claim 3, wherein the concentration of the phosphate buffer is 100 mM.
제 4 항에 있어서, 상기 Cu 이온은 5 μM이고, 상기 포름산염의 농도는 40 mM인 것을 특징으로 하는 방법.
5. The method of claim 4, wherein the Cu ion is 5 [mu] M and the concentration of the formic acid salt is 40 mM.
제 4 항에 있어서, 상기 MDH 저해제는 EDTA, MgCl2, NaCl 및 NH4Cl로 이루어지는 군으로부터 선택되며, 이때 최적 농도는 EDTA가 1.0 mM, MgCl2가 20 mM, NaCl이 80 mM, 및 NH4Cl이 15 mM인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 4, wherein the MDH inhibitors EDTA, MgCl 2, is selected from the group consisting of NaCl and NH 4 Cl, The optimal concentration of EDTA is 1.0 mM, MgCl 2 is 20 mM, NaCl is 80 mM, and NH 4 Cl &lt; / RTI &gt; is 15 mM.
제 2 항에 있어서, 상기 배양은 pH 6.8-7.0 및 25-30 ℃에서 150-180 rpm의 교반 속도로 24 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method according to claim 2, wherein the culture is carried out at a pH of 6.8-7.0 and a stirring speed of 150-180 rpm at 25-30 DEG C for 24 hours.
제 2 항에 있어서, 최적 반응 부피 대 상부 공간 비율은 1:5이고, 공급원료 주입 농도는 30-50%인 것을 특징으로 하는 방법.
3. The process of claim 2 wherein the optimum reaction volume to top space ratio is 1: 5 and the feedstock injection concentration is 30-50%.
제 2 항에 있어서, 상기 합성 가스 혼합물은 CH4, CO2, 및 H2를 6:3:1의 비율로 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 2, wherein the syngas mixture is prepared by mixing CH 4 , CO 2 , and H 2 in a ratio of 6: 3: 1.
메탄 또는 합성 가스 혼합물로부터 메탄올을 제조하는 배양 배지에 키토산에 공유 고정화된 메틸로시너스 스포리움 세포, 인산 완충액 및 질산 무기염(nitrate mineral salt; NMS)을 유효성분으로 포함하는 고수율의 메탄올 생산용 조성물.
A method for producing high yield methanol containing an active ingredient such as methylcellulose membrane, phosphate buffer, and nitrate mineral salt (NMS), which is covalently immobilized on chitosan, is added to a culture medium for producing methanol from a methane or syngas mixture. Composition.
제 11 항에 있어서, 상기 조성물은 추가적으로 Cu 이온, MDH 저해제 및 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.12. The composition of claim 11, wherein the composition further comprises at least one member selected from the group consisting of Cu ions, MDH inhibitors, and formates.
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