KR102350706B1 - Astaxanthin producing method using microalgae cultivation system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 옥외 배양 조건에서 미세조류를 배양하는 시스템을 이용한 아스타잔틴 생산방법에 관한 것으로, 2단 배양 공정을 이용하여 광 조건을 최적화하고, 생장기 동안 질소원을 첨가하며, 유도기 동안 화학적 유도제를 사용하여 태양광 조건에서도 효과적으로 아스타잔틴을 생산할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method for producing astaxanthin using a system for culturing microalgae in outdoor culture conditions, optimizing light conditions using a two-stage culture process, adding a nitrogen source during the growth period, and using a chemical inducer during the induction period Therefore, it has the advantage of being able to effectively produce astaxanthin even under sunlight conditions.

Description

미세조류 배양 시스템을 이용한 아스타잔틴 생산방법{Astaxanthin producing method using microalgae cultivation system}Astaxanthin producing method using microalgae cultivation system

본 발명은 옥외 배양 조건에서 미세조류를 배양하는 시스템을 이용하여 아스타잔틴을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing astaxanthin using a system for culturing microalgae in outdoor culture conditions.

에너지 생산을 위한 석탄, 석유 그리고 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소는 대기 중 CO2의 농도를 높이는 주요 원인이고, 이는 지구 온난화의 원인이 되고 있다. 이러한 CO2 배출 문제를 해결하기 위해 미세 조류를 이용한 CO2의 생물학적 전환 연구가 많이 이루어지고 있는 상황이다. 여러 종의 미세조류 중 Haematococcus pluvialis(헤마토코쿠스 플루비알리스)는 담수종으로서, Chlorophyceae 종, Volvocales 속, Haematococcacae 과에 속한다. 이전 연구에서 헤마토코쿠스는 생존에 적합하지 않은 환경에서, 예를 들면 영양 고갈 (질소, 인), 높은 광도, 염도 스트레스와 같은 환경에서 아스타잔틴을 대량으로 축적한다는 사실이 밝혀졌다. 최대 아스타잔틴 축적율은 5-6 %에 달하며 지구상에서 가장 풍부한 아스타잔틴의 원료이다.The combustion of fossil fuels such as coal, oil and natural gas for energy production is a major cause of increasing the concentration of CO 2 in the atmosphere, which is a cause of global warming. In order to solve this CO 2 emission problem, a lot of research on the biological conversion of CO 2 using microalgae is being conducted. Among several species of microalgae, Haematococcus pluvialis (Haematococcus pluvialis) is a freshwater species, and belongs to Chlorophyceae species, Volvocales genus, and Haematococcacae family. Previous studies have shown that Haematococcus accumulates large amounts of astaxanthin in environments unsuitable for survival, such as nutrient depletion (nitrogen, phosphorus), high luminosity, and salinity stress. The maximum astaxanthin accumulation rate reaches 5-6%, and it is the most abundant source of astaxanthin on the planet.

헤마토코쿠스는 형태적으로 확실히 구분되는 생활사를 가진다: 초록색의 flagellate cell 상태 (생장기)와 빨간색의 운동성이 없는 cyst(포낭) 상태의 아스타잔틴 유도기의 세포. 질소 결핍과 더불어 높은 광 조건은 아스타잔틴 유도에 가장 효과적인 방안이다. 그러므로, 아스타잔틴 생산성 증대를 위해 2단 배양법이 창안되었다: 생장기는 생장에 유리한 조건에서 진행되어 고농도 세포 배양을 가능하게 하고, 유도기에는 다양한 스트레스 조건을 주어 세포 내 아스타잔틴을 대량으로 축적하게 한다. 최근, 2단 배양 시스템은 헤마토코쿠스 산업 및 연구진에서 아스타잔틴 생산에 효율적인 시스템으로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 생장기 때 세포를 고농도로 배양하기는 어렵다. 그러므로, 생장기 세포를 대량으로 배양하고, 아스타잔틴을 최대로 생산하는 공정 개발이 필요할 것으로 예상된다.Haematococcus has a morphologically distinct life cycle: a green flagellate cell state (growth phase) and a red cell in the astaxanthin-induced phase of a non-motivating cyst (cyst) state. High light conditions along with nitrogen deficiency are the most effective methods for astaxanthin induction. Therefore, a two-stage culture method was devised to increase astaxanthin productivity: the growth phase proceeds under favorable conditions for growth, enabling high-concentration cell culture, and in the induction phase, various stress conditions are given to accumulate intracellular astaxanthin in large quantities. do. Recently, the two-stage culture system has been widely used as an efficient system for astaxanthin production in the Haematococcus industry and researchers. In general, it is difficult to culture the cells at a high concentration during the growth phase. Therefore, it is expected that it is necessary to develop a process for culturing cells in the growth phase in large quantities and maximally producing astaxanthin.

그러나, 헤마토코쿠스는 당 수송체(sugar transporter)가 없기 때문에, 당 첨가 조건에서 종속 영양 조건으로 잘 생장할 수 없다. 그러므로 당 섭취를 가능하게 하는 수송체가 없는 광 독립 영양 미세 조류는 유전자 도입을 통해 종속 영양 조건에서 자라게 하는 연구가 진행되었다. 구체적으로 미세 조류 Parachlorella kessleri (즉, Chlorella kessleri)로부터 Monosaccharide/H+ symporter 유전자를 도입한 미세 조류 Volvox carteri와 규조류 Phaeodactylum tricornutum은 헥소오스 섭취 단백질인 (hexose uptake protein) HUP1 생산 유전자를 가지고 있어서 암 조건에서 포도당을 소모하여 생장할 수 있다. 종속 영양 조건은 멸균된 환경에서 고농도 세포 배양을 가능하게 할 수 있다는 장점이 있다. 만약 헤마토코쿠스에 이러한 유전자를 도입한다면, HUP1 유전자를 가진 헤마코쿠스 플루비알리스는 독성이 있는 글루코오스인 2-deoxy glucose를 종속 영양 조건 (heterotrophic)에서 소모하여 아스타잔틴을 생산할 수 있다. 최대 바이오매스 생산량은 dry cell weight 기준 0.2 mg/L로 밝혀졌다. 그러나 이렇게 대사공학적으로 조작된 균주는 생산성이 낮아 대량 배양 현장에 적용하기는 어려운 문제점이 있다.However, since hematococcus does not have a sugar transporter, it cannot grow well under heterotrophic conditions under sugar addition conditions. Therefore, studies have been conducted to allow photoautotrophic microalgae without a transporter that enables sugar intake to grow in heterotrophic conditions through gene introduction. Specifically , the microalgae Volvox carteri and the diatom Phaeodactylum tricornutum in which the Monosaccharide/H + symporter gene was introduced from the microalga Parachlorella kessleri (that is, Chlorella kessleri ) have a hexose uptake protein HUP1 producing gene, It can grow by consuming glucose. Heterotrophic conditions have the advantage of enabling high-concentration cell culture in a sterile environment. If such a gene is introduced into Hematococcus, Hemacoccus fluvialis having the HUP1 gene can produce astaxanthin by consuming 2-deoxy glucose, a toxic glucose, under heterotrophic conditions. The maximum biomass yield was found to be 0.2 mg/L based on dry cell weight. However, the metabolically engineered strain has a low productivity, so it is difficult to apply it to a mass culture field.

한국특허공개공보 제10-2013-0038605호Korean Patent Publication No. 10-2013-0038605

본 발명의 목적은 옥외 배양조건에서 적용 가능한 야생형(wild-type) 미세조류를 이용하여 아스타잔틴을 생산하는 방법에 관한 것으로, 미세조류 생활사에 최적화된 2단 배양 공정을 적용하여 제1 반응기(green stage)에서 바이오매스의 생산량을 증대시키고, 제2 반응기(red stage)에서 화학적 유도제를 활용하여 바이오매스 내 아스타잔틴 축적 속도를 증가시켜 아스타잔틴을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention relates to a method for producing astaxanthin using wild-type microalgae applicable in outdoor culture conditions, and a first reactor ( To provide a method for producing astaxanthin by increasing the production of biomass in the green stage and increasing the astaxanthin accumulation rate in the biomass by using a chemical inducer in the second reactor (red stage).

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명은 제1 반응기 내부에 생장기 배지, 미세조류, 이산화탄소 및 질소원을 공급하여 바이오매스를 생장시키는 생장 공정; 및The present invention provides a growth process for growing biomass by supplying a growth phase medium, microalgae, carbon dioxide and nitrogen source to the inside of the first reactor; and

제1 반응기로부터 공급된 바이오매스를 포함하는 배양액에 유도기 배지 및 탄소원을 공급하여 태양광 존재 하에서 아스타잔틴을 생산하는 생산 공정을 포함하는 아스타잔틴 생산방법을 제공한다.It provides an astaxanthin production method comprising a production process for producing astaxanthin in the presence of sunlight by supplying an induction phase medium and a carbon source to a culture medium containing the biomass supplied from the first reactor.

도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템을 이용하여 아스타잔틴을 생산하는 방법을 나타낸 모식도이다. 도 1을 살펴보면, 제1 반응기는 생장기 배지, 미세조류, 이산화탄소 및 질소원을 공급하면서 가림막을 통해 낮은 광도의 광을 조사하여 바이오매스를 생장시키는 생장 공정이 진행되고, 제2 반응기는 제1 반응기로부터 이송된 바이오매스 배양액에 유도기 배지 및 화학적 유도제인 탄소원을 일정 농도로 공급하면서 태양광 존재 하에서 아스타잔틴을 생산할 수 있다. 또한, 제1 반응기의 배양액의 질소 농도가 고갈되어 기 설정 농도 이하가 되면 배양액의 일부를 제2 반응기로 이송하고, 제1 반응기에서 제2 반응기로 배양액이 완료되면, 제1 반응기에 생장기 배지를 배양액 배출량만큼 재공급하여 미세조류를 연속해서 생장시킬 수 있다. 이때, 제1 반응기 및 제2 반응기는 컬럼형 반응기를 사용할 수 있다.1 is a schematic diagram showing a method for producing astaxanthin using the microalgae culture system according to the present invention. Referring to Figure 1, the first reactor is a growth process of growing biomass by irradiating light of low intensity through a screen while supplying the growth phase medium, microalgae, carbon dioxide and nitrogen source, and the second reactor is from the first reactor. Astaxanthin can be produced in the presence of sunlight while supplying a carbon source, which is an induction phase medium and a chemical inducer, at a certain concentration to the transferred biomass culture medium. In addition, when the nitrogen concentration of the culture solution in the first reactor is depleted and becomes less than the preset concentration, a part of the culture solution is transferred to the second reactor, and when the culture solution is completed from the first reactor to the second reactor, the growth phase medium is added to the first reactor Microalgae can be continuously grown by re-supplying as much as the amount of culture medium. In this case, the first reactor and the second reactor may use a column-type reactor.

상기 미세조류는 아스타잔틴 또는 베타카로틴 등 카로테노이드를 2차 대사 산물로서 생산하는 미세조류 균주라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 미세조류는 헤마토코쿠스, 클로렐라 또는 두니리엘라일 수 있다.The microalgae are not particularly limited as long as they are microalgae strains that produce carotenoids such as astaxanthin or beta-carotene as secondary metabolites. Specifically, the microalgae may be Haematococcus, Chlorella or Duniriella.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 아스타잔틴 생산방법은 제1 반응기에 질소원은 무기 질산염 또는 무기 암모늄염이면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로 제1 반응기에 질소원은 질산칼륨(KNO3), 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산나트륨(NaNO3), 염화암모늄(NH4Cl) 또는 황산암모늄((NH4)2SO4)을 사용하여 생장 공정을 수행할 수 있고, 미세조류의 세포 생장이 대수기에 다다랐을 때 질소원을 공급할 수 있다. 구체적으로, 생장 공정은 질소원을 1 mM 내지 10 mM의 농도로 공급할 수 있고, 보다 구체적으로, 질소원을 1 mM 내지 8 mM, 2 mM 내지 8 mM, 3 mM 내지 8 mM, 3 mM 내지 6 mM 또는 2 mM 내지 4 mM의 농도로 공급할 수 있다. 예를 들어, 질소원을 2번 이상으로 나누어 추가 공급할 수 있다. 상기와 같이 질소원을 공급함으로써, 낮은 광 조건에서도 바이오매스의 생장을 증가시킬 수 있다.As an example, the astaxanthin production method according to the present invention is not particularly limited as long as the nitrogen source in the first reactor is an inorganic nitrate or an inorganic ammonium salt. Specifically, the nitrogen source in the first reactor is potassium nitrate (KNO 3 ), calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ), sodium nitrate (NaNO 3 ), ammonium chloride (NH 4 Cl) or ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ) can be used to perform the growth process, and a nitrogen source can be supplied when the cell growth of microalgae reaches the logarithmic phase. Specifically, the growth process may supply the nitrogen source at a concentration of 1 mM to 10 mM, more specifically, the nitrogen source may be supplied at a concentration of 1 mM to 8 mM, 2 mM to 8 mM, 3 mM to 8 mM, 3 mM to 6 mM or It can be supplied at a concentration of 2 mM to 4 mM. For example, the nitrogen source may be additionally supplied by dividing it into two or more times. By supplying the nitrogen source as described above, it is possible to increase the growth of biomass even under low light conditions.

또한, 생장 공정은 10 내지 80 μE/m2/s의 광조건에서 수행할 수 있다. 구체적으로, 생장 공정은 20 내지 80 μE/m2/s, 20 내지 70 μE/m2/s, 20 내지 50 μE/m2/s, 30 내지 80 μE/m2/s, 30 내지 60 μE/m2/s 또는 30 내지 50 μE/m2/s의 광 조건에서 수행할 수 있다.In addition, the growth process may be performed under light conditions of 10 to 80 μE/m 2 /s. Specifically, the growth process is 20 to 80 μE/m 2 /s, 20 to 70 μE/m 2 /s, 20 to 50 μE/m 2 /s, 30 to 80 μE/m 2 /s, 30 to 60 μE /m 2 /s or 30 to 50 μE/m 2 /s light conditions.

본 발명에 따른 아스타잔틴 생산방법은 제1 반응기의 배양액은 질소 농도가 고갈되어 기 설정 농도 이하가 되면 배양액의 일부를 제2 반응기로 이송할 수 있다. 구체적으로, 제1 반응기의 배양액의 질소 농도를 실시간으로 측정하여 바이오매스 생장이 종료되는 질소 농도 “0”에 도달하기 전에 배양액 이송 펌프를 제어하여 배양액 이송 라인을 통해 배양액의 일부를 제2 반응기로 이송할 수 있다.In the astaxanthin production method according to the present invention, when the nitrogen concentration of the culture medium in the first reactor is depleted and becomes less than a preset concentration, a part of the culture solution may be transferred to the second reactor. Specifically, by measuring the nitrogen concentration of the culture medium in the first reactor in real time, before reaching the nitrogen concentration “0” where biomass growth is terminated, a part of the culture medium is transferred to the second reactor by controlling the culture medium transfer pump. can be transported

추가적으로, 제1 반응기에서 제2 반응기로 배양액의 이송이 완료되면, 제1 반응기에 생장기 배지를 배양액 배출량만큼 재공급하여 미세조류를 연속해서 생장시킬 수 있다.Additionally, when the transfer of the culture medium from the first reactor to the second reactor is completed, the growth phase medium may be re-supplied as much as the amount of the culture solution to the first reactor to continuously grow microalgae.

또 하나의 예로서, 본 발명에 따른 아스타잔틴 생산방법은 에탄올 및 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 탄소원을 제2 반응기에 공급하여 생산 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 제2 반응기 내의 탄소원은 에탄올 또는 아세테이트일 수 있고, 높은 광 조건(200 μE/m2/s 이상)에서는 아세테이트를 탄소원으로 사용하고, 낮은 광 조건(200 μE/m2/s 이하)에서는 에탄올을 탄소원으로 사용할 수 있다. 의 광조건의 광조건상기와 같은 탄소원은 아스타잔틴 생산에 탄소원으로 사용되면서, 화학적 유도제로 바이오매스 세포 내 산화 스트레스를 증가시켜 아스타잔틴 생산을 촉진시키는 역할을 할 수 있다. 특히 탄소원으로 에탄올을 사용하는 경우는 낮은 광도 조건에서도 우수한 바이오매스(아스타잔틴) 생산효율을 나타낼 수 있다.As another example, in the astaxanthin production method according to the present invention, one or more carbon sources selected from the group consisting of ethanol and acetate may be supplied to the second reactor to perform the production process. Specifically, the carbon source in the second reactor may be ethanol or acetate, and in high light conditions (200 μE/m 2 /s or more), acetate is used as the carbon source, and in low light conditions (200 μE/m 2 /s or less) Ethanol can be used as a carbon source. While the carbon source as described above is used as a carbon source for astaxanthin production, it can serve to promote astaxanthin production by increasing oxidative stress in biomass cells as a chemical inducer. In particular, when ethanol is used as a carbon source, excellent biomass (astaxanthin) production efficiency can be exhibited even under low luminous conditions.

상기 생산 공정은 탄소원을 0.5 mM 내지 20 mM의 농도로 제2 반응기에 공급하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 생산 공정은 탄소원을 0.5 mM 내지 10 mM, 0.5 mM 내지 5 mM, 1 mM 내지 20 mM, 1 mM 내지 10 mM, 0.8 mM 내지 7 mM 또는 1 mM 내지 5 mM의 농도로 공급할 수 있다. 상기와 같은 탄소원을 공급함으로써, 낮은 광 조건에서도 아스타잔틴의 생산을 향상시킬 수 있다.The production process may be performed by supplying the carbon source to the second reactor at a concentration of 0.5 mM to 20 mM. Specifically, the production process may supply the carbon source at a concentration of 0.5 mM to 10 mM, 0.5 mM to 5 mM, 1 mM to 20 mM, 1 mM to 10 mM, 0.8 mM to 7 mM, or 1 mM to 5 mM. By supplying the carbon source as described above, it is possible to improve the production of astaxanthin even in low light conditions.

또한, 생산 공정은 100 내지 200 μE/m2/s의 광조건에서 수행할 수 있다. 구체적으로, 생장 공정은 100 내지 180 μE/m2/s, 100 내지 150 μE/m2/s, 130 내지 200 μE/m2/s, 130 내지 180 μE/m2/s, 130 내지 160 μE/m2/s 또는 130 내지 150 μE/m2/s의 광 조건에서 수행할 수 있다.In addition, the production process can be performed under light conditions of 100 to 200 μE/m 2 /s. Specifically, the growth process is 100 to 180 μE/m 2 /s, 100 to 150 μE/m 2 /s, 130 to 200 μE/m 2 /s, 130 to 180 μE/m 2 /s, 130 to 160 μE /m 2 /s or 130 to 150 μE/m 2 /s light conditions.

상기 제1 반응기 및 제2 반응기는 독립적으로 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 컬럼형 반응기 및 고분자 필름형 반응기 중 어느 하나일 수 있다. 구체적으로, 제1 반응기 및 제2 반응기는 동일한 용량을 가지는 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 컬럼형 반응기 또는 고분자 필름형 반응기일 수 있으며, 보다 구체적으로, 컬럼형 반응기일 수 있다.The first reactor and the second reactor may independently be any one of a stirred reactor, a plate reactor, a tubular reactor, a column reactor, and a polymer film reactor. Specifically, the first reactor and the second reactor may be a stirred reactor, a plate-type reactor, a tubular reactor, a column-type reactor, or a polymer film-type reactor having the same capacity, and more specifically, may be a column-type reactor.

본 발명에 따르면, 2단 배양 공정을 이용하여 광 조건을 최적화하고, 생장기 동안 질소원을 첨가하며, 유도기 동안 탄소원(화학적 유도제)를 공급함으로써, 태양광 조건에서도 배양기간이 단축되고 야생형 균주를 이용하여 효과적으로 아스타잔틴을 생산할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by optimizing light conditions using a two-stage culture process, adding a nitrogen source during the growth period, and supplying a carbon source (chemical inducer) during the induction period, the culture period is shortened even in sunlight conditions and wild-type strains are used. It has the advantage of effectively producing astaxanthin.

도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템을 이용하여 아스타잔틴을 생산하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 질소 농도에 따른 바이오매스의 농도(A), 잔류 질소 농도(B), 잔류 인 농도(C), 세포 내 단백질 농도(D) 및 카로테노이드/클로로필의 비(E)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 탄소원 종류 및 농도와 광도 조건에 따른 바이오매스 농도와 아스타잔틴 농도를 나타낸 그래프이다:(A)는 130~150μE/m2/s의 중간 광도 조건이고, (B)는 30~50μE/m2/s의 낮은 광도 조건이다.
도 4는 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 탄소원 종류별 세포 생장 곡선(바이오매스 농도(a-1,b-1), 아스타잔틴 농도(a-2,b-2), 잔류 탄소 농도(a-3,b-3)를 나타낸 그래프이다:(A)는 130~150μE/m2/s의 중간 광도 조건이고, (B)는 30~50의 μE/m2/s의 낮은 광도 조건이다.
도 5는 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 광도 세기 별, 탄소원 종류에 따른 총 지방산메틸에스테르(Total FAME) 양(A), 중간 광도(130~150μE/m2/s)에서의 FAME 구성요소의 양(B) 및 낮은 광도(30~50μE/m2/s)에서의 FAME 구성요소의 양(C)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 에탄올 농도별 시간에 따른 바이오매스의 농도(A)와 디클로로플루오레신(dichlorofluoresin)의 농도(B)를 나타낸 그래프이다. 이때, 광도 조건은 130~150μE/m2/s이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 광도 세기별 각각 자가 영양 조건과 에탄올 1mM 조건에서 각각 디클로로플루오레신의 농도(A)와 말론디알데하이드(malondialdehyde)의 농도(B)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 탄소원(아세테이트, 에탄올, 글루코오스) 1mM과 함께, 세사몰(sesamol) 또는 DCMU(3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea)을 주입한 경우의 시간에 따른 바이오매스의 농도(a-1,b-1), 디클로로플루오레신의 농도(a-2,b-2)와 말론디알데하이드의 농도(a-3,b-3)를 나타낸 그래프이다:(A)는 130~150μE/m2/s의 중간 광도 조건이고, (B)는 30~50의 μE/m2/s의 낮은 광도 조건이다.
도 9는 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 에탄올 첨가 유무별 시간에 따른 아스타잔틴 생합성과 관련된 유전자들의 전사량에 대한 그래프이고, (A)는 ipi-1, (B)는 ipi-2, (C)는 psy, (D)는 pds, (E) crtO, (F)는 crtR-b의 유전자에 관한 그래프이다. 이때, 광도 조건은 130~150 μE/m2/s이다.
1 is a schematic diagram showing a method for producing astaxanthin using the microalgae culture system according to the present invention.
Figure 2 is a biomass concentration (A), residual nitrogen concentration (B), residual phosphorus concentration (C), intracellular protein concentration (D) and carotenoid / chlorophyll according to the nitrogen concentration in the microalgal culture system according to the present invention It is a graph showing the ratio (E).
3 is a graph showing the biomass concentration and astaxanthin concentration according to the type and concentration of the carbon source and the light intensity condition in the microalgal culture system according to the present invention: (A) is a medium light intensity condition of 130-150 μE/m 2 /s , and (B) is a low luminous intensity condition of 30-50 μE/m 2 /s.
4 is a cell growth curve (biomass concentration (a-1, b-1), astaxanthin concentration (a-2, b-2), residual carbon concentration (a) for each type of carbon source in the microalgal culture system according to the present invention; -3,b-3) is a graph showing: (A) is a medium luminous intensity condition of 130 to 150 μE/m 2 /s, and (B) is a low luminous intensity condition of 30 to 50 μE/m 2 /s.
5 is a total fatty acid methyl ester (Total FAME) amount (A) according to each light intensity and carbon source type in the microalgae culture system according to the present invention, FAME components at medium light intensity (130 ~ 150 μE / m 2 /s) It is a graph showing the amount of FAME component (C) at low light intensity (30-50 μE/m 2 /s) (B).
6 is a graph showing the concentration of biomass (A) and the concentration of dichlorofluoresin (B) according to time for each ethanol concentration in the microalgae culture system according to the present invention. At this time, the light intensity condition is 130-150 μE/m 2 /s.
7 is a graph showing the concentration of dichlorofluorescein (A) and the concentration of malondialdehyde (B) under autotrophic conditions and ethanol 1mM conditions, respectively, by light intensity in the microalgal culture system according to the present invention (B).
Figure 8 is a carbon source (acetate, ethanol, glucose) in the microalgal culture system according to the present invention, along with 1 mM, sesamol (sesamol) or DCMU (3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea) injection The concentration of biomass (a-1,b-1), the concentration of dichlorofluorescein (a-2,b-2) and the concentration of malondialdehyde (a-3,b-3) over time in one case The graph is shown: (A) is a medium luminous intensity condition of 130 to 150 μE/m 2 /s, and (B) is a low luminous intensity condition of 30 to 50 μE/m 2 /s.
9 is a graph of the transcription amount of genes related to astaxanthin biosynthesis according to time according to the presence or absence of ethanol addition in the microalgal culture system according to the present invention, (A) is ipi-1, (B) is ipi-2, (C) is psy, (D) is pds, (E) crtO, (F) is a graph regarding the gene of crtR-b. At this time, the light intensity condition is 130-150 μE/m 2 /s.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example

본 발명에서 사용된 균주는 Haematococcus pluvialis NIES-144로서 National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan으로부터 구입하였다. 사용된 배지는 변형된 NIES-C 및 NIES-N 배지이며, 이의 구성성분은 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 자가 영양 조건에서 H. pluvialis 대량 배양 공정의 옥외 배양 조건은 아래에 나타내었다.The strain used in the present invention was purchased from the National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan as Haematococcus pluvialis NIES-144. The media used were modified NIES-C and NIES-N media, and the components thereof are shown in Table 1 below. In addition, the outdoor culture conditions of the H. pluvialis mass culture process under autotrophic conditions are shown below.

저밀도 폴리에틸렌 필름(LDPE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 무연신 폴리프로필렌 혼합 필름(PET+CPP, Filmax, CPP Film)으로 광합성 생물 반응기(높이:40cm, 가로:45cm, 측면:5cm, 용량:6L, “V”자 홈의 최대 내부 간격:15cm*3개)는 100L 부피의 기포탑(bubble column) 형식의 공기 방울을 이용하여 교반하는 것으로 제1 반응기와 제2차 반응기를 제작하였다.Photosynthetic bioreactor (height: 40cm, width:45cm, side:5cm, capacity:6L, “V”) The first reactor and the second reactor were manufactured by stirring using air bubbles in the form of a bubble column with a volume of 100L for the maximum internal spacing of the ruler groove: 15cm*3.

제작된 제1 반응기는 NIES-C 배지(자가영양배지, 목적: 생장)를 포함하고, 제2차 반응기는 NIES-N 배지(자가영양배지, 목적: 영양 결핍 스트레스를 통한 아스타잔틴 축적 유도)를 포함하였다.The prepared first reactor includes NIES-C medium (autotrophic medium, purpose: growth), and the second reactor includes NIES-N medium (autotrophic medium, purpose: induction of astaxanthin accumulation through nutrient deprivation stress) included.

- 가스 공급 : 옥외 배양 공정을 위해 한국 지역난방공사 판교지사에서 배출되는 배가스를 사용하였으며, 이 때 CO2 농도는 약 3~6%로 관찰됨.- Gas supply: For the outdoor culture process, flue gas from the Pangyo branch of the Korea District Heating Corporation was used, and the CO 2 concentration was observed to be about 3 to 6%.

- 주입 유량 : 0.1 vvm (vessel volume per minute)- Injection flow rate: 0.1 vvm (vessel volume per minute)

- 배양 온도 : 23±3 oC- Incubation temperature: 23±3 o C

- 광주기 : (대략적으로) 명암주기 12 : 12- Photoperiod: (roughly) light-dark period 12:12

-버퍼 조건은 10mM의 KOH 용액을 이용하여 배가스를 하루 정도 폭기시켜 버퍼 용액을 제조함- For buffer conditions, a buffer solution was prepared by aeration of the flue gas using 10 mM KOH solution for one day.

NIES-CNIES-C NIES-NNIES-N 성분ingredient 함량(/L)Content (/L) 성분ingredient 함량(/L)Content (/L) Ca(NO3)2 Ca(NO3) 2 0.15 g0.15 g CaCl2·2H2OCaCl 2 ·2H 2 O 0.13 g0.13 g KNO3 KNO 3 2mM
2mM + 2mM
4 mM
4mM + 4mM
8mM
2 mM
2mM + 2mM
4 mM
4mM + 4mM
8 mM
KClKCl 0.07 g0.07 g
버퍼 조건buffer condition KOH 10 mM
12 시간 이상 배가스 aeration
+phosphate buffer
KOH 10 mM
more than 12 hours flue gas aeration
+phosphate buffer
버퍼 조건buffer condition KOH 10 mM
12 시간 이상 배가스 aeration
+phosphate buffer
KOH 10 mM
more than 12 hours flue gas aeration
+phosphate buffer
MgSO4·7H2OMgSO 4 7H 2 O 0.04 g0.04 g MgSO4·7H2OMgSO 4 7H 2 O 0.04 g0.04 g ThiamineThiamine 0.01 ㎎0.01 mg ThiamineThiamine 0.01 ㎎0.01 mg BiotinBiotin 0.10 ㎍0.10 μg BiotinBiotin 0.10 ㎍0.10 μg Vitamin B12Vitamin B12 0.01 ㎍0.01 μg Vitamin B12Vitamin B12 0.01 ㎍0.01 μg PIV metal solution
(per liter)
Na2EDTA 1 g
FeCl3·6H2O 0.196 g
MnCl2·4H2O 0.036 g
ZnSO4·7H2O 0.022 g
CoCl2·6H2O 4 ㎎
Na2MoO4·2H2O 2.5 ㎎
PIV metal solution
(per liter)
1 g Na 2 EDTA
FeCl 3 6H 2 O 0.196 g
MnCl 2 .4H 2 O 0.036 g
ZnSO 4 7H 2 O 0.022 g
CoCl 2 6H 2 O 4 mg
Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 2.5 mg
3 ㎖3 ml PIV metal solution
(per liter)
Na2EDTA 1 g
FeCl3·6H2O 0.196 g
MnCl2·4H2O 0.036 g
ZnSO4·7H2O 0.022 g
CoCl2·6H2O 4 ㎎
Na2MoO4·2H2O 2.5 ㎎
PIV metal solution
(per liter)
1 g Na 2 EDTA
FeCl 3 6H 2 O 0.196 g
MnCl 2 .4H 2 O 0.036 g
ZnSO 4 7H 2 O 0.022 g
CoCl 2 6H 2 O 4 mg
Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 2.5 mg
3 ㎖3 ml

실험예 1-옥외 배양에서 고농도 세포 바이오매스 생장을 위한 fed-batch 개발Experimental Example 1 - Development of fed-batch for high-concentration cell biomass growth in outdoor culture

본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 질소원 농도와 탄소원 종류에 대한 영향을 평가하기 위해서, 하기와 같이 질소원 조건을 조성하였다. 배지는 변형된 NIES-C 배지를 사용하였으며, 질소원을 제외한 나머지 영양 조건은 NIES-C 배지와 같았으며, 상기 조건에서 배양한 결과는 도 2에 나타내었다.In order to evaluate the effect on the nitrogen source concentration and the type of carbon source in the microalgal culture system according to the present invention, nitrogen source conditions were created as follows. A modified NIES-C medium was used as the medium, and the nutrient conditions except for the nitrogen source were the same as those of the NIES-C medium, and the results of culturing under these conditions are shown in FIG. 2 .

- 초기 질소원 농도 : 1 mM (Control, 초기 공급), 2 mM (초기 공급), 2 mM (초기 공급) + 2 mM (추가 공급), 4 mM (초기 공급), 4 mM (초기 공급) +4 mM (추가 공급), 8 mM (초기 공급)- Initial nitrogen source concentration: 1 mM (Control, initial feed), 2 mM (initial feed), 2 mM (initial feed) + 2 mM (additional feed), 4 mM (initial feed), 4 mM (initial feed) +4 mM (additional feed), 8 mM (initial feed)

- Green stage에서 질소원 기질 추가 공급 시점 : 세포 접종 후 9일- Additional supply of nitrogen source substrate in Green stage: 9 days after cell inoculation

- 질소원 기질 농도 : 각각 2 mM, 4 mM- Nitrogen source substrate concentration: 2 mM, 4 mM, respectively

또한, 유도기에 접어들기 전 여러 탄소원을 이용하여 green resting cell로부터 아스타잔틴 축적 효율 및 축적 속도에 대한 실험을 진행하였으며, 그 결과는 도 3에 나타내었다.In addition, before entering the induction phase, experiments were performed on the astaxanthin accumulation efficiency and accumulation rate from the green resting cell using various carbon sources, and the results are shown in FIG. 3 .

초기 배양 조건은 1.0 g/L이고 300 ml 플라스크를 활용하였고, 배양 부피는 100 ml 이었다. 광 조건은 높은 광 조건 (130~150 μE/m2/s)과 낮은 광 조건 (30~50 μE/m2/s)을 각각 활용하였고 탄소원 종류는 포도당, 아세테이트, 에탄올, 그리고 대조군으로 NIES-N 배지 (자가영양조건)을 사용하였다. 탄소원 농도는 각각 1 mM, 5 mM, 10 mM, 20 mM씩 주입하였다.The initial culture condition was 1.0 g/L, a 300 ml flask was used, and the culture volume was 100 ml. For the light conditions, high light conditions (130~150 μE/m 2 /s) and low light conditions (30~50 μE/m 2 /s) were used, respectively, and carbon source types were glucose, acetate, ethanol, and NIES- as a control. N medium (autotrophic conditions) was used. Carbon source concentrations were injected at 1 mM, 5 mM, 10 mM, and 20 mM, respectively.

도 2는 발전소 연소 가스 및 태양광을 이용하여 미세조류 배양 시스템으로 미세조류를 배양하는 과정에서 생장기 동안의 세포 생장 곡선이다. 도 2를 살펴보면, 세포 생장이 대수기 (exponential phase)에 다다랐을 때, 세포 생장에 필수적인 제한 기질인 질소원을 각각 1 mM (control), 2 mM+2 mM. 4 mM, 4 mM+4mM, 8 mM을 공급하면서 각각의 질소 농도에 따른 바이오매스의 농도(A), 잔류 질소 농도(B), 잔류 인 농도(C), 세포 내 단백질 농도(D) 및 카로테노이드/클로로필의 비(E)를 측정하였다. 구체적으로, 1 mM 질소원 조건에서 배양이 진행됨에 따라 카로테노이드/클로로필 비는 최대 8.6 까지 올라가며 이는 세포가 flagellate 형태에서 cyst 형태로 변화하였음을 의미한다. 이 때 세포 내 질소원 농도는 거의 0에 가깝게 떨어지며, 이 때의 배양 기간을 기준으로 잡아 세포를 유도기 라인으로 이송한다. 도 2A에서 볼 수 있듯이 세포 바이오매스의 농도는 2mM+ 2mM, 4 mM 조건이 가장 높다. 그러나 초기에 배지 내 질소원 농도가 과도하면 세포 생장이 저해되고, 만약 배지 내 질소원이 전부 소모되지 못하면 유도기 때 아스타잔틴 축적 함량 및 그 축적 속도가 저해되므로 오히려 세포가 전부 소모할 수 없는 질소원 농도는 아스타잔틴 축적에 불리한 것을 알 수 있다.2 is a cell growth curve during the growth phase in the process of culturing microalgae with a microalgae culture system using power plant combustion gas and sunlight. Referring to FIG. 2 , when cell growth reached an exponential phase, nitrogen sources, which are essential limiting substrates for cell growth, were respectively 1 mM (control) and 2 mM+2 mM. Biomass concentration (A), residual nitrogen concentration (B), residual phosphorus concentration (C), intracellular protein concentration (D) and carotenoids according to each nitrogen concentration while supplying 4 mM, 4 mM+4 mM, and 8 mM The ratio (E) of /chlorophyll was determined. Specifically, as the culture proceeds in the 1 mM nitrogen source condition, the carotenoid/chlorophyll ratio rises to a maximum of 8.6, which means that the cells have changed from the flagellate form to the cyst form. At this time, the concentration of the nitrogen source in the cell drops to almost zero, and the cells are transferred to the induction phase line based on the incubation period at this time. As can be seen in Figure 2A, the concentration of cell biomass is the highest in the conditions of 2 mM + 2 mM and 4 mM. However, if the nitrogen source concentration in the medium is excessive at the beginning, cell growth is inhibited. It can be seen that it is unfavorable to astaxanthin accumulation.

도 3은 각 광도 조건별 탄소원 종류 및 농도에 따른 바이오매스 생산성 및 아스타잔틴 생산성에 대한 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 중간 광도 조건(130~150 μE/m2/s, 도 3A)에서 아세테이트는 우수한 탄소원이며, 10 mM, 및 20 mM 조건에서 각각 0.132 g/L/day, 0.126 g/L/day로 바이오매스 생산량 또한 높았다. 그러나 낮은 광 조건(130~150 μE/m2/s, 도 3B)에서 아세테이트 조건에서 바이오매스 생산량은 급격히 낮아졌다. 이를 통해 아세테이트를 탄소원으로 소모하기 위해서는 광량 확보가 필수적인 것을 확인할 수 있었다. 에탄올은 중간 광도 및 낮은 광도 조건에서 모두 효과적으로 탄소원으로 활용되었다. 특히 낮은 농도 (1 mM)에서 효과적으로 아스타잔틴 축적을 유도하였으며 오히려 높은 농도에서 과도한 활성 산소종 생산으로 인해 그 생산성이 저해되었다.3 is a graph for biomass productivity and astaxanthin productivity according to the type and concentration of the carbon source for each luminous intensity condition. Referring to FIG. 3, acetate is an excellent carbon source under medium light intensity conditions (130-150 μE/m 2 /s, FIG. 3A), and 0.132 g/L/day and 0.126 g/L/day at 10 mM and 20 mM conditions, respectively. day, the biomass production was also high. However, in the low light conditions (130-150 μE/m 2 /s, FIG. 3B), the biomass production was sharply lowered in the acetate condition. Through this, it was confirmed that securing the amount of light is essential in order to consume acetate as a carbon source. Ethanol was effectively utilized as a carbon source in both medium and low light conditions. In particular, it effectively induced the accumulation of astaxanthin at a low concentration (1 mM), and on the contrary, the productivity was inhibited due to excessive production of reactive oxygen species at a high concentration.

실험예 2-옥외 배양에서 탄소원의 효과Experimental Example 2 - Effect of a carbon source in outdoor culture

본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 탄소원 효과에 대한 영향을 평가하기 위해서, 하기와 같은 조건에서 탄소원 조건 최적화를 위한 실험을 진행하였다.In order to evaluate the effect on the carbon source effect in the microalgal culture system according to the present invention, an experiment for optimizing the carbon source conditions was conducted under the following conditions.

- 탄소원 조건 최적화를 위한 flask 실험- Flask experiment for optimizing carbon source conditions

1) 배양 부피: 300 ml 플라스크 이용, 100 ml 씩1) Culture volume: using 300 ml flask, 100 ml each

2) 배지 조건: NIES-N 배지2) Medium condition: NIES-N medium

3) 탄소원 공급 조건 : 포도당 (glucose), 아세테이트 (sodium acetate), 에탄올 (ethanol)을 조성된 bicarbonate buffer에 각각 1 mM, 5 mM, 10 mM, 20 mM 씩 주입3) Carbon source supply conditions: 1 mM, 5 mM, 10 mM, and 20 mM each of glucose, sodium acetate, and ethanol are injected into the bicarbonate buffer.

4) 광조건: 130~150 μE/m2/s (중간 광, 옥외 배양 광 부족 조건), 30~50 μE/m2/s (낮은 광)4) Light conditions: 130~150 μE/m 2 /s (medium light, outdoor culture lacking light conditions), 30~50 μE/m 2 /s (low light)

옥외 배양에서는 배지 내 탄소원이 외부 미생물 유입으로 인한 오염의 원인이 되므로 각각의 탄소원을 1 mM씩 적용하여 배양을 진행하였다. 먼저, 반응기 내 배지 조성을 위해 10 mM의 KOH 용액을 이용하여 배가스를 하루 정도 폭기시켜 버퍼 용액을 제조한다. 그 후 탄소원 및 NIES-N 배지 성분을 접종한 후 세포를 하기 도 1과 같이 이송하여 유도 공정을 진행하였다.In outdoor culture, carbon sources in the medium cause contamination due to inflow of external microorganisms, so 1 mM of each carbon source was applied to culture. First, for the composition of the medium in the reactor, a buffer solution is prepared by aeration of the exhaust gas using a 10 mM KOH solution for about one day. Then, after inoculating the carbon source and NIES-N medium components, the cells were transferred as shown in FIG. 1 to proceed with the induction process.

하기 도 4에 의하면 옥외 배양에서 탄소원 농도를 각각 중간 광도 및 낮은 광도로 조정한 실험군에 대해 바이오매스 생장, 아스타잔틴 생산, 잔류 탄소원 농도가 나타냈다. 도 4를 살펴보면, 포도당은 아스타잔틴 생산 및 바이오매스 생장에 유리한 탄소원이 아니며, 이는 포도당이 미세 조류 헤마토코쿠스 플루비알리스 내에서 탄소원으로 이용되지 못하기 때문이다. 아세테이트와 에탄올은 탄소원으로 사용되며, 아세테이트의 사용은 광도에 의존적이나 에탄올은 낮은 광도에서도 효과적인 탄소원으로 소모되는 것으로 나타났다. 보통 세포 내 C/N 비가 높아지면 광합성 전자 전달계가 저해될 뿐 아니라 세포 소기관이 손상되며 활성 산소종이 발생하며, 세포 내 NADP+가 NADPH로 환원되며 세포 내 산화 스트레스를 감소시키려 한다. 세포 내에서 과량 환원된 NADPH는 아스타잔틴 및 FAME 합성에 소모된다. 에탄올의 세포 내 활성 산소종 발생 효과는 세포 내에서 아스타잔틴 생합성 매커니즘을 발동시킬 뿐 아니라 NADPH를 과량 생산하고 이러한 효과는 광 조건에 관계 없이 일어나기 때문에 낮은 광도에서 에탄올은 우수한 바이오매스 생산성, 아스타잔틴 합성 효과를 나타낼 뿐 아니라 배양 기간 중 탄소원으로도 활용된다.According to FIG. 4 below, biomass growth, astaxanthin production, and residual carbon source concentration were shown for the experimental group in which the carbon source concentration was adjusted to medium and low light intensity, respectively, in outdoor culture. Referring to Figure 4, glucose is not a favorable carbon source for astaxanthin production and biomass growth, this is because glucose is not used as a carbon source in the microalgae Haematococcus fluvialis. Acetate and ethanol are used as carbon sources, and although the use of acetate depends on the light intensity, it has been shown that ethanol is consumed as an effective carbon source even at low light intensity. In general, when the intracellular C/N ratio increases, the photosynthetic electron transport system is inhibited, organelles are damaged, reactive oxygen species are generated, intracellular NADP + is reduced to NADPH, and intracellular oxidative stress is reduced. The excess reduced NADPH in the cell is consumed for astaxanthin and FAME synthesis. Ethanol's intracellular reactive oxygen species generation effect not only triggers the astaxanthin biosynthesis mechanism in the cell, but also excessively produces NADPH, and this effect occurs regardless of light conditions. Not only does it show the effect of tin synthesis, but it is also used as a carbon source during the culture period.

이러한 결과는 하기 도 5의 지방산 생산량과도 연관된다. FAME(지방산, fatty ethly methyl ester)은 아스타잔틴 축적량과 연관된다. 아세테이트와 에탄올 조건에서 FAME 축적량이 가장 높게 나타났다. 특히 에탄올을 공급하였을 때는 낮은 광 조건에서도 FAME 축적량이 우수했다. 헤마토코쿠스 내 지방산은 주로 C16과 C18이며, 비록 광량이 증가할수록 지질 축적에 유리하였으나(최대 22 %), 에탄올을 이용한 활성 산소종 발생 조건에서도 세포가 NADPH를 소모하며 지방산을 합성하므로 낮은 광 조건에서도 지질 생산이 아세테이트 조건보다 높게 나타났다.These results are also related to the fatty acid production of Figure 5 below. FAME (fatty acid, fatty ethly methyl ester) is associated with astaxanthin accumulation. Acetate and ethanol conditions showed the highest accumulation of FAME. In particular, when ethanol was supplied, the amount of FAME accumulation was excellent even under low light conditions. Fatty acids in hematococcus are mainly C16 and C18, and although it was advantageous for lipid accumulation as the amount of light increased (up to 22%), even under the condition of generating reactive oxygen species using ethanol, the cells consume NADPH and synthesize fatty acids, so the low light The lipid production was also higher than that of the acetate condition.

실험예 3-아스타잔틴 생합성 매커니즘 조사를 통한 에탄올 조건 최적화Experimental Example 3 - Optimization of ethanol conditions through the investigation of astaxanthin biosynthesis mechanism

본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템에서 아스타잔틴 생합성 매커니즘에 대해 알기 위해서, 하기와 같은 조건에서 실험을 진행하였다.In order to know about the astaxanthin biosynthesis mechanism in the microalgal culture system according to the present invention, the experiment was conducted under the following conditions.

- 최적화된 탄소원 조건을 이용한 red stage 배양- Red stage culture using optimized carbon source conditions

1) Red stage에서 bicarbonate buffer 조성 조건: 10 mM KOH 용액에 배가스 0.1 vvm으로 12시간 이상 aeration1) Conditions for composition of bicarbonate buffer in red stage: Aeration for more than 12 hours with 0.1 vvm of flue gas in 10 mM KOH solution

2) 탄소원 조건: 포도당 (glucose), 아세테이트 (sodium acetate), 에탄올 (ethanol)을 조성된 bicarbonate buffer에 각각 1 mM 씩 주입2) Carbon source conditions: 1 mM each of glucose, sodium acetate, and ethanol were injected into the bicarbonate buffer.

3) 광조건: 130~150 μE/m2/s (중간 광), 30~50 μE/m2/s (낮은 광)3) Light conditions: 130~150 μE/m 2 /s (medium light), 30~50 μE/m 2 /s (low light)

- rtPCR (real-time PCR) 유전자 프라이머 조건 [표 2]에 나타나 있음- rtPCR (real-time PCR) gene primer conditions are shown in [Table 2]

GeneGene Primer sequence (5'-3')Primer sequence (5'-3') 18S18S ForwardForward TGCCTAGTAAGCGCGAGTCATGCCTAGTAAGCGCGAGTCA ReverseReverse CCCACCGCTAAAGTCAATCCCCCACCGCTAAAGTCAATCC ipi-1ipi-1 ForwardForward GTGGACGAAGTCAGGTACGTGGACGAAGTCAGGTAC ReverseReverse CGTGTTTGTCAGTGTTTAGGCGTGTTTGTCAGTGTTTAGG ipi-2ipi-2 ForwardForward CACTGACAAACACGAGGATCACTGACAAAACACGAGGAT ReverseReverse AATATGATGCACCATTGACTCAATATGATGCACCATTGACTC psypsy ForwardForward ATGCCATTGAGAAGAATGACTAATGCCATTGAGAAGAATGACTA ReverseReverse TGACCACTTGCTGTTCTGTGACCACTTGCTGTTCTG pdspds ForwardForward GCCACCTCACAAACTCATGCCACCTCACAAACTCAT ReverseReverse ACCTCCTACCTGTCTTGGACCTCCTACCTGTCTTGG crtOcrtO ForwardForward GGAGAAGGAGAAGGAGGTGGAGAAGGAGAAGGAGGT ReverseReverse GAAGGTGGTGGCTTGTAGGAAGGTGGTGGCTTGTAG crtR-bcrtR-b ForwardForward TGAAGCCAACGACTTGTTTGAAGCCAACGACTTGTT ReverseReverse ATGCCGTATAGCGTGATGATGCCGTATAGCGTGATG

도 6에서 볼 수 있듯이 에탄올로 인한 활성 산소종 발생은 일정 농도일 때는 아스타잔틴 생합성을 유도하나, 과도한 양의 활성 산소종은 오히려 세포에 손상을 줄 수 있다. DCF 측정을 통해 세포 내부의 활성 산소종 양을 정량할 수 있는데, 에탄올 1 mM, 5 mM, 10 mM, 20 mM 조건에서 각각 바이오매스 생산량과 활성 산소종 농도를 측정했을 때, 에탄올 농도가 증가할수록 바이오매스 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 활성 산소종 농도는 인덕션 초기 0~2일 동안 높게 나타나며 그 이후 점차 세포 내에서 그 농도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 6 , the generation of reactive oxygen species due to ethanol induces astaxanthin biosynthesis at a certain concentration, but an excessive amount of reactive oxygen species may rather damage cells. The amount of reactive oxygen species inside the cell can be quantified through DCF measurement. When biomass production and reactive oxygen species concentration were measured in ethanol 1 mM, 5 mM, 10 mM, and 20 mM conditions, respectively, as the ethanol concentration increased, It can be seen that the biomass concentration decreases. It can be seen that the concentration of reactive oxygen species appears high during the initial 0 to 2 days of induction, and then gradually decreases in the cell.

이에 따라 세포 손상을 최소화하며 아스타잔틴 축적을 효율적으로 유도할 수 있는 에탄올 농도 최적화 조건이 도출되었으며, 자가 영양 조건과 에탄올 1 mM 첨가 조건을 비교하였다. 도 7에 나타난 바와 같이 활성 산소종 농도와 지질 과산화물 농도를 각각 측정하였으며, 자가 영양 조건과 비교하였을 때 에탄올 첨가 조건에서 활성 산소종과 활성 산소종으로 인한 polyunsaturated fatty acid 산화물인 MDA (malondialdehyde) 농도가 증가한 것을 확인할 수 있었고, 그 농도는 중간 광 조건에서 더 높았다. 이를 통해 활성 산소종은 광 조건에 따라 생성되는 정도가 다르며, 광 또한 세포의 산화 스트레스에 관여한다는 사실을 도출할 수 있었다. 낮은 광 조건은 비교적 세포에 적용되는 산화 스트레스가 낮기 때문에 아스타잔틴 축적에 불리하나, 에탄올과 같은 화학적 유도제를 사용하면 산화 스트레스의 정도를 증가시킬 수 있다.Accordingly, ethanol concentration optimization conditions that can efficiently induce astaxanthin accumulation while minimizing cell damage were derived, and autotrophic conditions and 1 mM ethanol addition conditions were compared. As shown in FIG. 7 , the concentration of reactive oxygen species and the concentration of lipid peroxide were measured, respectively, and the concentration of MDA (malondialdehyde), a polyunsaturated fatty acid oxide caused by reactive oxygen species and reactive oxygen species, was increased in the ethanol-added condition compared to the autotrophic condition. It was confirmed that the increase was confirmed, and the concentration was higher in the medium light condition. Through this, it was possible to derive the fact that the degree of generation of reactive oxygen species differs depending on the light conditions, and that light is also involved in the oxidative stress of cells. Low light conditions are disadvantageous for astaxanthin accumulation because oxidative stress applied to cells is relatively low, but the use of chemical inducers such as ethanol can increase the degree of oxidative stress.

도 8을 살펴보면, 산화 스트레스를 억제하는 sesamol과 광계 II를 억제하는 DCMU를 사용하였을 때, 세포 내 산화 스트레스는 급격히 감소한다. Sesamol은 항산화제로서 세포의 산화 스트레스를 억제하는 항산화 물질이며, 세포의 malic cycle을 저해하여 NADPH 공급량을 감소시킨다. 결과적으로 아스타잔틴 및 지질 합성에 소모될 수 있는 NADPH 양이 감소하게 된다. DCMU는 광계 Ⅱ의 활성을 억제하는데, 결과적으로 광 조건과 관계없이 세포는 생장할 수 없게 된다. 이를 통해 헤마토코쿠스 세포의 유도기 동안 광계 Ⅱ의 관여는 필수적이며, 일정 정도 이상의 광량 조사는 아스타잔틴 생산을 위해 필요하다는 사실을 도출할 수 있다.Referring to FIG. 8 , when sesamol, which inhibits oxidative stress, and DCMU, which inhibits photosystem II, are used, intracellular oxidative stress is rapidly reduced. Sesamol is an antioxidant that suppresses cellular oxidative stress and reduces NADPH supply by inhibiting the malic cycle of cells. As a result, the amount of NADPH that can be consumed for astaxanthin and lipid synthesis is reduced. DCMU inhibits photosystem II activity, resulting in the inability to grow cells regardless of light conditions. Through this, it can be deduced that the involvement of photosystem II during the induction phase of hematococcus cells is essential, and that irradiation with a certain amount of light is necessary for astaxanthin production.

도 9는 에탄올 첨가 조건에서 헤마토코쿠스의 아스타잔틴의 생합성에 관여하는 유전자의 활성을 관찰하였다. 자가 영양 조건과 비교하였을 때, rt-PCR 데이터를 통해 아스타잔틴 생합성에 관여하는 유전자의 전사 정도가 유도기 진입 후 초기 12시간 내 급격히 증가하는 것을 확인하였다. 아스타잔틴 생합성의 탄소원 기질을 제공하는 효소 (IPP isomerase)를 생산하는데 관여하는 유전자인 ipi 및 카로테노이드를 아스타잔틴으로 변형시키는데 관여하는 효소 (CRTR-B (β-carotene hydroxylase): β-carotene을 아스타잔틴으로 전환시키는 β-carotene ketolases/oxygenases)를 생산하는데 관여하는 유전자인 crtb-O의 활성이 각각 9 배, 17.5 배 증가하였다. 이를 통해 에탄올은 활성 산소종을 발생시키며 아스타잔틴 생합성에 관여하는 유전자의 활성을 증대시킴으로서 아스타잔틴 축적량 증대에 도움을 주며 에탄올을 화학적 유도제로 적절히 활용하였을 때, 옥외 광 부족 조건에서 아스타잔틴 생산을 증가시킬 수 있다.9 shows the observed activity of genes involved in the biosynthesis of astaxanthin in Haematococcus under the ethanol addition condition. Compared with autotrophic conditions, it was confirmed through rt-PCR data that the level of transcription of genes involved in astaxanthin biosynthesis rapidly increased within the first 12 hours after entering the induction phase. Ipi, a gene involved in producing an enzyme (IPP isomerase) that provides a carbon source substrate for astaxanthin biosynthesis, and an enzyme involved in transforming carotenoids into astaxanthin (CRTR-B (β-carotene hydroxylase): β-carotene The activity of crtb-O, a gene involved in the production of β-carotene ketolases/oxygenases that converts to astaxanthin), increased 9-fold and 17.5-fold, respectively. Through this, ethanol generates reactive oxygen species and helps to increase astaxanthin accumulation by increasing the activity of genes involved in astaxanthin biosynthesis. can increase production.

Claims (9)

제 1 반응기 내부에 생장기 배지, 미세조류, 이산화탄소 및 질소원을 공급하여 바이오매스를 생장시키는 생장 공정; 및
제 1 반응기로부터 공급된 바이오매스를 포함하는 배양액에 유도기 배지 및 탄소원을 공급하여 태양광 존재 하에서 아스타잔틴을 생산하는 생산 공정을 포함하는 아스타잔틴 생산방법:
상기 생장 공정에서, 질소원은 2 mM 내지 4mM로, 2회 이상 나누어 공급되며,
광 조건은 30μE/m2/s 내지 50μE/m2/s이며,
상기 생산 공정에서, 탄소원으로 에탄올이 0.5 mM 내지 5 mM로 공급되고,
광 조건은 130μE/m2/s 내지 150μE/m2/s이다.
a growth process of growing biomass by supplying a growth phase medium, microalgae, carbon dioxide and nitrogen sources to the inside of the first reactor; and
Astaxanthin production method comprising a production process for producing astaxanthin in the presence of sunlight by supplying an induction phase medium and a carbon source to a culture medium containing the biomass supplied from the first reactor:
In the growth process, the nitrogen source is supplied in 2 mM to 4 mM, divided into two or more times,
light conditions are 30 μE/m 2 /s to 50 μE/m 2 /s,
In the production process, ethanol is supplied at 0.5 mM to 5 mM as a carbon source,
Light conditions range from 130 μE/m 2 /s to 150 μE/m 2 /s.
제 1 항에 있어서,
제 1 반응기의 배양액은 질소 농도가 고갈되어 기 설정 농도 이하가 되면 배양액의 일부를 제 2 반응기로 이송하는 것을 특징으로 하는 아스타잔틴 생산방법.
The method of claim 1,
Astaxanthin production method, characterized in that when the nitrogen concentration of the culture solution in the first reactor is depleted and becomes less than the preset concentration, a part of the culture solution is transferred to the second reactor.
제 1 항에 있어서,
제 1 반응기에서 제 2 반응기로 배양액의 이송이 완료되면, 제 1 반응기에 생장기 배지를 배양액 배출량만큼 재공급하여 미세조류를 연속해서 생장시키는 것을 특징으로 하는 아스타잔틴 생산방법.
The method of claim 1,
When the transfer of the culture medium from the first reactor to the second reactor is completed, astaxanthin production method, characterized in that the microalgae are continuously grown by re-supplying the growth phase medium to the first reactor as much as the amount of the culture solution.
제 1 항에 있어서,
제 1 반응기 및 제 2 반응기는 독립적으로 교반형 반응기, 판형 반응기, 관형 반응기, 컬럼형 반응기 및 고분자 필름형 반응기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 아스타잔틴 생산방법.
The method of claim 1,
The first reactor and the second reactor are independently astaxanthin production method, characterized in that any one of a stirred reactor, a plate-type reactor, a tubular reactor, a column-type reactor, and a polymer film-type reactor.
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