KR102496351B1 - Culture medium microbial composition of gas fermentation for enhancing gas consumption - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 의한 가스 발효 배양 배지 조성물은 글루탐산 또는 글루탐산 염을 포함한다.A gas fermentation culture medium composition according to an embodiment of the present invention includes glutamic acid or glutamic acid salt.
Description
본 발명의 일 실시예는 가스 소모 증진을 위한 가스 발효 배양 배지 조성물에 관한 것이다. 구체적으로 가스를 기질로 사용하는 발효 시 미생물의 가스 소모 속도를 증진시켜 발효 공정초기 단계에 필요한 미생물의 활성을 확보하고, 더 나아가 미생물의 생장 및 발효에 의한 알콜 및 산 등의 산물 생산을 증가시키기 위한 배지 조성물에 관한 것이다. 특히 일산화탄소 함유 기질의 미생물 발효에 의한 에탄올, 아세트산 생산성 향상을 위한 배지 조성물에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a gas fermentation culture medium composition for enhancing gas consumption. Specifically, during fermentation using gas as a substrate, increase the gas consumption rate of microorganisms to secure the activity of microorganisms necessary for the initial stage of the fermentation process, and further increase the production of products such as alcohol and acid by microbial growth and fermentation It relates to a medium composition for In particular, it relates to a medium composition for improving ethanol and acetic acid productivity by microbial fermentation of a carbon monoxide-containing substrate.
전 세계적으로 기후변화 대응과 원유 의존성 감소의 목적으로 신재생에너지인 바이오연료를 수송용 연료에 의무적으로 혼합하여 사용하는 바이오연료 혼합의무제도(RFS, Renewable Fuel Standards)를 시행하고 있다. 비록 한국에서는 아직까지 혼합하는 바이오연료의 종류를 바이오디젤로 한정하고 있으나 미국, 브라질, 중국과 같은 다른 나라들은 다양한 종류의 바이오 연료 보급에 힘쓰고 있다. 특히 바이오 연료 중 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 바이오 에탄올은 브라질에서 가장 높은 의무혼합비율인 27%로 수송용 연료에 혼합되어 사용되고 있으며 최근에는 중국에서도 의무혼합비율을 10% 가까이 높이고자 하는 움직임을 보이고 있다.For the purpose of responding to climate change and reducing dependence on crude oil, the world is implementing the Renewable Fuel Standards (RFS), which mandatorily mixes biofuel, a renewable energy, with transportation fuel. Although Korea still limits the type of biofuel blended to biodiesel, other countries such as the United States, Brazil and China are working hard to supply various types of biofuel. In particular, bioethanol, which is used the most in the world among biofuels, has the highest compulsory blending ratio of 27% in Brazil and is used mixed with transportation fuel. .
현재 사용되고 있는 바이오 에탄올의 대부분은 옥수수나 사탕수수를 가공하여 얻어진 당을 가지고 전통적인 발효 공정에 의해 생산되고 있다. 하지만 공급되는 원료가 동물의 사료뿐 아니라 인류의 식량으로도 사용되고 있어 기아 문제와 상충되거나 공급 원료 단가의 불안정성으로 세계 여러 나라들이 안정적이고 지속 가능하게 바이오 에탄올을 생산하며 소비할 수 있도록 다양한 공급 원료를 찾고자 노력하고 있다.Most of the currently used bioethanol is produced by a traditional fermentation process with sugars obtained by processing corn or sugarcane. However, the supplied raw materials are used not only as animal feed but also as human food, which conflicts with the hunger problem or instability of the unit price of feedstock. are trying to find
그 노력의 일환으로 1세대 바이오매스인 초본계 바이오매스에서 생산하는 것 이외에 리그닌을 함유하고 있는 목질계 바이오매스 더 나아가 미세조류와 같은 해조류 유래 바이오 에탄올 생산의 연구들이 진행되고 있다.As part of that effort, in addition to production from herbaceous biomass, which is the first-generation biomass, studies on bioethanol production derived from algae such as microalgae, as well as lignocellulosic biomass containing lignin, are being conducted.
한편, 생물학적 가스 전환 공정의 경우 제철소와 발전소에서 발생하는 부생가스 및 합성가스(Syn gas)를 공급 원료로 이용하는 미생물을 통해 화학원료 및 수송용 연료를 생산하는 공정 기술로서 기존 화학 촉매 반응보다 낮은 반응속도에서 불구하고 높은 선택성, 높은 수율, 불순물 등에 대한 저항성 및 낮은 에너지 비용 등의 장점을 가지고 있어 세계적으로 많은 연구와 상업화를 위한 여러 노력들이 진행되고 있다.On the other hand, in the case of the biological gas conversion process, it is a process technology that produces chemical raw materials and fuel for transportation through microorganisms using syn gas and by-product gas generated from steelworks and power plants as feedstock, and the reaction is lower than the existing chemical catalytic reaction. Despite its speed, it has advantages such as high selectivity, high yield, resistance to impurities, etc., and low energy cost, so many studies and efforts for commercialization are being conducted worldwide.
위의 공정들에 사용되는 미생물로는 일산화탄소(CO)를 기질로 이용하는 우드-융달(Wood-Ljungdahl) 대사경로를 보유하고 있는 혐기성 세균인 아세토젠(Acetogen)이 있다. 대표적인 아세토젠으로는 클로스트리듐(Clostridium) 속에 속하는 클로스트리듐 륭달리이(Clostridium ljungdahlii) 균주와 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum) 균주, 클로스트리듐 카르복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) 균주 역시 다양한 가스로부터 에탄올을 생성하는 것으로 알려져 있다.Microorganisms used in the above processes include Acetogen, an anaerobic bacterium having a Wood-Ljungdahl metabolic pathway using carbon monoxide (CO) as a substrate. Representative acetogens include Clostridium ljungdahlii strains belonging to the genus Clostridium, Clostridium autoethanogenum strains , and Clostridium carboxidivorans strains. It is known to produce ethanol from gas.
이들은 기존 당을 기질로 이용하는 미생물들과 달리 합성가스 및 부생가스로 배출되는 부산물 가스인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2) 등을 이용하여 유기산과 알콜을 생산한다는 장점이 있지만 당과 달리 배지 내 공급되는 가스의 낮은 전달 속도가 우선적으로 해결되어야 하며 궁극적으로 미생물 산업에서 안정적인 발효를 수행하기 위한 미생물 성장 증대 및 가스 소모속도 증진을 위한 셀 활성 유지, 생산하고자 하는 산물들의 증대들의 기술들이 필요하다.Unlike microorganisms that use sugar as a substrate, these have the advantage of producing organic acids and alcohols using by-product gases such as carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen (H 2 ) emitted as synthesis gas and by-product gas. However, unlike sugar, the low delivery rate of gas supplied in the medium must be solved first, and ultimately, the growth of microorganisms to perform stable fermentation in the microbial industry, maintenance of cell activity to increase the rate of gas consumption, and increase in products to be produced their skills are needed.
본 발명의 일 실시예는 가스 소모 증진을 위한 가스 발효 배양 배지 조성물을 제공한다. 구체적으로 가스를 기질로 사용하는 발효 시 미생물의 가스 소모 속도를 증진시켜 발효 공정초기 단계에 필요한 미생물의 활성을 확보하고, 더 나아가 미생물의 생장 및 발효에 의한 알콜 및 산 등의 산물 생산을 증가시키기 위한 배지 조성물을 제공한다. 특히 일산화탄소 함유 기질의 미생물 발효에 의한 에탄올, 아세트산 생산성 향상을 위한 배지 조성물을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a gas fermentation culture medium composition for enhancing gas consumption. Specifically, during fermentation using gas as a substrate, increase the gas consumption rate of microorganisms to secure the activity of microorganisms necessary for the initial stage of the fermentation process, and further increase the production of products such as alcohol and acid by microbial growth and fermentation Provides a medium composition for In particular, a medium composition for improving ethanol and acetic acid productivity by microbial fermentation of a carbon monoxide-containing substrate is provided.
본 발명의 일 실시예에 의한 가스 발효 배양 배지 조성물은 글루탐산 또는 글루탐산 염을 포함한다.A gas fermentation culture medium composition according to an embodiment of the present invention includes glutamic acid or glutamic acid salt.
글루탐산 염은 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘을 포함할 수 있다.Glutamate may contain sodium, potassium, calcium or magnesium.
글루탐산 또는 글루탐산 염은 상기 배지 조성물 1 L에 대하여 0.5 내지 30 g 포함할 수 있다.Glutamic acid or glutamic acid salt may be included in an amount of 0.5 to 30 g based on 1 L of the medium composition.
배지 조성물 1 L에 대하여 미생물을 0.001 내지 5 g 더 포함할 수 있다.0.001 to 5 g of microorganisms may be further included per 1 L of the medium composition.
미생물은 클로스트리듐(Clostridium), 무렐라(Moorella), 피로코쿠스(Pyrococcus), 유박테리움 (Eubacterium), 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum), 카르복시도써무스(Carboxydothermus), 아세토제니움(Acetogenium), 아세토박테리움(Acetobacterium), 아세토안에어로비움(Acetoanaerobium), 부티리박테리움(Butyribacterium) 및 펩토스트렙토 코쿠스(Peptostreptococcus) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.Microorganisms are Clostridium , Moorella , Pyrococcus, Pyrococcus , Eubacterium , Desulfotomaculum , Carboxydothermus , Acetogenium ), Acetobacterium ( Acetobacterium ), Acetoaneerobium ( Acetoanaerobium ), Butyribacterium ( Butyribacterium ), and Peptostreptococcus ( Peptostreptococcus ).
보다 구체적으로 미생물은 클로스트리듐 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 및 클로스트리듐 카르복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.More specifically, the microorganism may include one or more of Clostridium ljungdahlii , Clostridium autoethanogenum , and Clostridium carboxidivorans.
배지 조성물 1 L에 대하여 인산염을 0.1 내지 5 g 더 포함할 수 있다.0.1 to 5 g of phosphate may be further included with respect to 1 L of the medium composition.
배지 조성물 1 L에 대하여 Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni 및 Na 중 1종 이상을 0.0001 내지 0.1 g 더 포함할 수 있다.0.0001 to 0.1 g of one or more of Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni, and Na may be further included per 1 L of the medium composition.
배지 조성물 1 L에 대하여 비오틴(Biotin), 엽산(Folic acid), 피리독신(Pyridoxine), 티아민(Thiamine), 리보플라빈(riboflavin), 니코틴산(Nicotinic acid), 판토텐산(Pantothenic acid), 시아노코발라민(cyanocobalamin), 파라아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 및 리포산(Lipoic acid) 중 1종 이상의 비타민을 0.0001 내지 0.1 g 더 포함할 수 있다.Biotin, Folic acid, Pyridoxine, Thiamine, Riboflavin, Nicotinic acid, Pantothenic acid, Cyanocobalamin per 1 L of medium composition , 0.0001 to 0.1 g of one or more vitamins selected from p-aminobenzoic acid and lipoic acid may be further included.
배지 조성물 1 L에 대하여, NaCl, MgSO4 CaCl2 및 NH4Cl 중 1종 이상을 포함하는 기본 배지 성분을 1 g 내지 20 g 더 포함할 수 있다.Based on 1 L of the medium composition, 1 g to 20 g of a basic medium component including at least one of NaCl, MgSO 4 CaCl 2 and NH 4 Cl may be further included.
본 발명의 일 실시예에 의한 발효 방법은 전술한 가스 발효 배양 배지 조성물을 준비하는 단계; 및 배지 조성물에 일산화탄소(CO) 이산화탄소(CO2) 또는 수소(H2)을 포함하는 가스를 공급하는 단계를 포함한다.Fermentation method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing the above-described gas fermentation culture medium composition; and supplying a gas containing carbon monoxide (CO) carbon dioxide (CO 2 ) or hydrogen (H 2 ) to the medium composition.
본 발명의 일 실시예에 따른 배지 조성 방법은 간단하게 추가적인 배지 성분을 공급하면서도 미생물의 가스 흡수율 증진을 통해 미생물의 생장을 높이고 미생물의 발효 대사 산물인 알콜 및 산 생산성을 향상시킬 수 있다.The medium composition method according to an embodiment of the present invention can increase the growth of microorganisms by increasing the gas absorption rate of microorganisms and improve the productivity of alcohol and acid, which are fermentation metabolites of microorganisms, while simply supplying additional medium components.
도 1은 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 성장을 측정한 결과이다.
도 2는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 가스 소모속도를 측정한 결과이다.
도 3은 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 알코올 생산량 측정 결과이다.
도 4는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 아세트산 생산량 측정 결과이다.
도 5는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 72시간 후 알코올 및 아세트산 생산량 측정 결과이다.1 is a result of measuring the growth of Clostridium autoethanogenum according to the concentration of glutamic acid.
Figure 2 is a result of measuring the gas consumption rate of Clostridium autoethanogenum according to the glutamic acid concentration.
3 is a measurement result of alcohol production of Clostridium autoethanogenum according to glutamic acid concentration.
4 is a measurement result of acetic acid production of Clostridium autoethanogenum according to glutamic acid concentration.
5 is a result of measuring the production of alcohol and acetic acid after 72 hours of Clostridium autoethanogenum according to the concentration of glutamic acid.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.Terms such as first, second and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only for referring to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising" as used herein specifies particular characteristics, regions, integers, steps, operations, elements and/or components, and the presence or absence of other characteristics, regions, integers, steps, operations, elements and/or components. Additions are not excluded.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being “on” or “on” another part, it may be directly on or on the other part or may be followed by another part therebetween. In contrast, when a part is said to be “directly on” another part, there is no intervening part between them.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries are additionally interpreted as having meanings consistent with related technical literature and currently disclosed content, and are not interpreted in ideal or very formal meanings unless defined.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
전통적인 당을 이용하는 미생물의 배양과 달리 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4) 등과 같은 가스를 기질로 이용하는 발효의 경우 배지 내 가스의 낮은 전달 속도로 인해 미생물의 생장이 느리고 가스 공급이 고갈될 경우 급격하게 미생물의 활성이 낮아지는 것으로 알려져 있다. 미생물 산업에서 가스를 기질로 이용하는 미생물을 통해 제품을 생산하는 공정이 경제성을 갖추기 위해서는 발효 공정에서 미생물의 생장과 연관이 있는 가스 소모 속도를 증진시키거나 발효 초기 종균 배양 (seed culture) 단계에서 높은 미생물의 활성을 유지하여 본 배양 (main culture)에서 미생물의 생장을 향상시키는 것과 또는 본 배양 (main culture)에서 목적 산물의 생산성을 높이는 방법들이 공정의 경제성을 향상시키는데 기여할 수 있다.Unlike the culture of microorganisms using traditional sugars, fermentation using gases such as carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and methane (CH 4 ) as substrates slows the growth of microorganisms due to the low gas transfer rate in the medium, It is known that the activity of microorganisms rapidly decreases when the supply is exhausted. In order for the process of producing products through microorganisms using gas as a substrate in the microbial industry to be economical, it is necessary to increase the rate of gas consumption related to the growth of microorganisms in the fermentation process or to increase the level of microorganisms in the initial seed culture stage of fermentation. Methods of improving the growth of microorganisms in the main culture by maintaining the activity of the main culture or increasing the productivity of the target product in the main culture can contribute to improving the economics of the process.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 단점들을 극복하기 위하여 미생물의 가스 소모 속도를 증진시켜 미생물의 생장을 높이고 원하는 목적 산물인 에탄올, 아세트산의 생산 증대 및 미생물 활성을 유지하고자 한다.In one embodiment of the present invention, in order to overcome the above disadvantages, it is intended to increase the growth of microorganisms by increasing the gas consumption rate of microorganisms, increase the production of ethanol and acetic acid, and maintain the activity of microorganisms.
본 발명의 일 실시예에 의한 가스 발효 배양 배지 조성물은 글루탐산 또는 글루탐산 염을 포함한다.A gas fermentation culture medium composition according to an embodiment of the present invention includes glutamic acid or glutamic acid salt.
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본 발명의 일 실시예에서 글루탐산은 미생물의 생장 뿐 아니라, 발효를 통한 알코올 및 아세트산의 생산 효율을 높일 수 있다.In one embodiment of the present invention, glutamic acid can increase the production efficiency of alcohol and acetic acid through fermentation as well as the growth of microorganisms.
글루탐산은 아미노산의 한 종류로 미생물 대사경로 중 하나인 TCA 회로에 α-케토글루타르산의 형태로 들어가 미생물의 생장에 도움을 주며, 미생물의 가스 흡수율을 높이고, 알코올 및 아세트산의 생산 효율을 높일 수 있다.Glutamic acid is a type of amino acid that enters the TCA cycle, one of the metabolic pathways of microorganisms, in the form of α-ketoglutaric acid to help the growth of microorganisms, increase the gas absorption rate of microorganisms, and increase the production efficiency of alcohol and acetic acid. there is.
글루탐산은 이온 또는 염 형태로도 포함될 수 있다. 글루탐산 염으로는 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘을 포함할 수 있다. 구체적으로 글루탐산 모노나트륨(MSG)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 글루탐산, 글루탐산 이온 및 글루탐산 염을 글루탐산으로 통칭한다.Glutamic acid can also be included in ionic or salt form. Salts of glutamate may include sodium, potassium, calcium or magnesium. Specifically, monosodium glutamate (MSG) may be included. In one embodiment of the present invention, glutamic acid, glutamate ion, and glutamic acid salt are collectively referred to as glutamic acid.
배지 조성물 1 L에 대하여 글루탐산 또는 글루탐산 염을 0.5 내지 30 g 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 배지 조성물의 부피에 대하여 각 성분의 함량을 상대적으로 정의한다. 예컨대, 배지 조성물 3 L에는 글루탐산 또는 글루탐산 염을 1.5 내지 90 g 포함할 수 있다. 글루탐산 또는 글루탐산 염이 너무 적으면, 본 발명의 일 실시예에서 의도하는 미생물의 생장 및 알코올 및 아세트산의 생산 효율을 충분히 높이기 어렵다. 글루탐산 또는 글루탐산 염이 너무 많으면, 알코올 및 아세트산의 생산 효율이 더 이상 증가하지 않으며, 알코올에 비해 아세트산이 다량 생성되어 비효율적일 수 있다. 또한, 추가적인 글루탐산 또는 글루탐산 염의 소비에 비해 알코올 및 아세트산의 생산양이 증가하지 못하여 비용 면에서도 비효율적일 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 글루탐산 또는 글루탐산 염을 1.0 내지 20 g 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 글루탐산 또는 글루탐산 염을 7.5 내지 15 g 포함할 수 있다.0.5 to 30 g of glutamic acid or glutamic acid salt may be included per 1 L of the medium composition. In one embodiment of the present invention, the content of each component is defined relative to the volume of the medium composition. For example, 1.5 to 90 g of glutamic acid or glutamic acid salt may be included in 3 L of the medium composition. If the amount of glutamic acid or glutamic acid salt is too small, it is difficult to sufficiently increase the efficiency of growth of microorganisms and production of alcohol and acetic acid, which is intended in one embodiment of the present invention. If there is too much glutamic acid or glutamic acid salt, the production efficiency of alcohol and acetic acid no longer increases, and a large amount of acetic acid is produced compared to alcohol, which may be inefficient. In addition, the amount of production of alcohol and acetic acid is not increased compared to the consumption of additional glutamic acid or glutamic acid salt, so it may be inefficient in terms of cost. More specifically, 1.0 to 20 g of glutamic acid or glutamic acid salt may be included per 1 L of the medium composition. More specifically, 7.5 to 15 g of glutamic acid or glutamic acid salt may be included per 1 L of the medium composition.
배지 조성물 1 L에 대하여 미생물을 0.001 내지 5 g 더 포함할 수 있다. 미생물이 너무 적으면, 알콜 및 산 생산이 충분히 이루어 지지 않으며, 미생물이 너무 많으면, 미생물의 적절한 생장이 이루어 지지 않으며, 알콜 및 산 생산의 효율이 오히려 떨어질 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 미생물을 0.1 내지 3 g 더 포함할 수 있다.0.001 to 5 g of microorganisms may be further included per 1 L of the medium composition. If there are too few microorganisms, alcohol and acid production may not be sufficiently performed, and if there are too many microorganisms, proper growth of microorganisms may not be achieved, and the efficiency of alcohol and acid production may decrease. More specifically, 0.1 to 3 g of microorganisms may be further included per 1 L of the medium composition.
미생물로는 일산화탄소(CO) 이산화탄소(CO2) 또는 메탄(CH4)을 포함하는 가스를 기질로 하여 발효를 통해 알코올 또는 아세트산을 생산하는 미생물이라면 제한 없이 사용할 수 있다.As the microorganism, any microorganism capable of producing alcohol or acetic acid through fermentation using a gas containing carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) or methane (CH 4 ) as a substrate may be used without limitation.
구체적으로 미생물은 클로스트리듐(Clostridium), 무렐라(Moorella), 피로코쿠스(Pyrococcus), 유박테리움 (Eubacterium), 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum), 카르복시도써무스(Carboxydothermus), 아세토제니움(Acetogenium), 아세토박테리움(Acetobacterium), 아세토안에어로비움(Acetoanaerobium), 부티리박테리움(Butyribacterium) 및 펩토스트렙토 코쿠스(Peptostreptococcus) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.Specifically, microorganisms are Clostridium , Murella, Moorella , Pyrococcus , Eubacterium , Desulfotomaculum, Carboxydothemus , Carboxydothermus, Acetogenium ( Acetogenium ), Acetobacterium ( Acetobacterium ), Acetoaneerobium ( Acetoanaerobium ), Butyribacterium ( Butyribacterium ), and Peptostreptococcus ( Peptostreptococcus ).
더욱 구체적으로 미생물은 클로스트리듐 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 및 클로스트리듐 카르복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.More specifically, the microorganism may include one or more of Clostridium ljungdahlii , Clostridium autoethanogenum , and Clostridium carboxidivorans.
더욱 구체적으로 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)을 포함할 수 있다. More specifically, Clostridium autoethanogenum may be included.
배지 조성물은 글루탐산 및 미생물 외에도 미생물의 생장 및 알코올 및 아세트산의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 물질을 더 포함할 수 있다.In addition to glutamic acid and microorganisms, the medium composition may further include substances capable of improving the growth of microorganisms and the production efficiency of alcohol and acetic acid.
구체적으로 배지 조성물은 인산염을 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 인산염은 시스테인 염산염 및 K2HPO4 중 1종 이상일 수 있다. 인산염은 배지 조성물 1 L에 대하여 0.1 내지 5 g 포함할 수 있다. 전술한 범위에서 미생물의 생장에 효과적일 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 0.3 내지 3 g 포함할 수 있다.Specifically, the medium composition may further include a phosphate. More specifically, the phosphate may be at least one of cysteine hydrochloride and K 2 HPO 4 . Phosphate may be included in an amount of 0.1 to 5 g per 1 L of the medium composition. It may be effective for the growth of microorganisms within the above range. More specifically, it may contain 0.3 to 3 g based on 1 L of the medium composition.
배지 조성물은 미생물의 생장 및 알코올 및 아세트산의 생산 효율 향상에 도움이 되는 금속 원소를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni 및 Na 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 이 들은 배지 조성물 1 L에 대하여 0.0001 내지 0.1 g 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 0.001 내지 0.01 g 더 포함할 수 있다. 상기 원소들은 각각의 공급원을 통해 배지에 공급될 수 있다. 이 들에 대해서는 널리 알려져 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.The medium composition may further contain a metal element that is helpful in improving the growth of microorganisms and the production efficiency of alcohol and acetic acid. Specifically, one or more of Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni, and Na may be further included. These may further contain 0.0001 to 0.1 g per 1 L of the medium composition. More specifically, 0.001 to 0.01 g may be further included with respect to 1 L of the medium composition. The elements may be supplied to the medium through respective sources. Since these are widely known, detailed descriptions are omitted.
배지 조성물은 미생물의 생장 및 알코올 및 아세트산의 생산 효율 향상에 도움이 되는 비타민을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 비오틴(Biotin), 엽산(Folic acid), 피리독신(Pyridoxine), 티아민(Thiamine), 리보플라빈(riboflavin), 니코틴산(Nicotinic acid), 판토텐산(Pantothenic acid), 시아노코발라민(cyanocobalamin), 파라아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 및 리포산(Lipoic acid) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 이 들은 배지 조성물 1 L에 대하여 0.0001 내지 0.1 g 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 배지 조성물 1 L에 대하여 0.01 내지 0.05 g 더 포함할 수 있다.The medium composition may further contain vitamins that are helpful in improving the growth of microorganisms and the production efficiency of alcohol and acetic acid. Specifically, biotin, folic acid, pyridoxine, thiamine, riboflavin, nicotinic acid, pantothenic acid, cyanocobalamin, para-aminobenzoic acid (p-aminobenzoic acid) and at least one of lipoic acid (Lipoic acid) may be further included. These may further contain 0.0001 to 0.1 g per 1 L of the medium composition. More specifically, it may further include 0.01 to 0.05 g per 1 L of the medium composition.
미량 원소, 비타민 외에 기본 배지(Basal medium) 성분을 더 포함할 수 있다.In addition to trace elements and vitamins, a basal medium component may be further included.
기본 배지 성분은 배지 조성물 1L에 대하여 1 g 내지 20 g 더 포함할 수 있다.The basic medium component may further include 1 g to 20 g based on 1 L of the medium composition.
기본 배지 성분은 NaCl, MgSO4 CaCl2, NH4Cl 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The basal medium component may include one or more of NaCl, MgSO 4 CaCl 2 , and NH 4 Cl.
배지 조성물은 미생물의 생장 및 발효가 원활하도록 pH 4.0 내지 7로 조절될 수 있다. 더욱 구체적으로 5.5 내지 6.5로 조절될 수 있다. 더욱 구체적으로 5.9 내지 6.1로 조절될 수 있다.The medium composition may be adjusted to a pH of 4.0 to 7 so that microorganisms can grow and ferment smoothly. More specifically, it may be adjusted to 5.5 to 6.5. More specifically, it may be adjusted to 5.9 to 6.1.
배지 조성물은 전술한 성분 외에 나머지로 물을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 전술한 성분 외에 추가 성분을 더 포함할 수 있으며, 추가 성분이 추가되는 경우를 제외하는 것은 아니다.The medium composition may include water as a remainder in addition to the above components. In one embodiment of the present invention, additional components may be further included in addition to the above-described components, but the case where additional components are added is not excluded.
본 발명의 일 실시예에 의한 발효 방법은 전술한 가스 발효 배양 배지 조성물을 준비하는 단계; 및 배지 조성물에 일산화탄소(CO) 이산화탄소(CO2) 또는 수소(H2)을 포함하는 가스를 공급하는 단계를 포함한다.Fermentation method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing the above-described gas fermentation culture medium composition; and supplying a gas containing carbon monoxide (CO) carbon dioxide (CO 2 ) or hydrogen (H 2 ) to the medium composition.
가스 발효 배양 배지 조성물에 대해서는 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.Since the gas fermentation culture medium composition has been described above, overlapping descriptions are omitted.
배지 조성물에 일산화탄소(CO) 이산화탄소(CO2) 또는 수소(H2)을 포함하는 가스를 공급한다. A gas containing carbon monoxide (CO) carbon dioxide (CO 2 ) or hydrogen (H 2 ) is supplied to the medium composition.
가스는 제철소 또는 발전소에서 발생하는 부생가스 또는 합성가스(Syn gas)일 수 있다.The gas may be by-product gas or syn gas generated from steelworks or power plants.
더욱 구체적으로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함할 수 있고, 이 때, 비율은 1:1 내지 5:1이 될 수 있다.More specifically, it may include carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), and in this case, the ratio may be 1:1 to 5:1.
실험은 혐기 조건으로 실시하고 공급가스가 1 내지 2 bar로 가압된 상태로 진행할 수 있다.The experiment may be conducted under anaerobic conditions and the supply gas is pressurized to 1 to 2 bar.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through experimental examples. However, these experimental examples are only for exemplifying the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실험예Experimental example
하기 표 1 내지 표 4에 정리된 것과 같이 배지 조성물을 준비하였다.Media compositions were prepared as summarized in Tables 1 to 4 below.
1 M MES, 1 M K2HPO4, 복합 비타민 군 용액을 제외한 모든 성분들을 실온에서 500 mL의 증류수에 혼합하였다. 이후 5 M NaOH 용액을 활용하여 pH를 6.0으로 조절하였다. Serum bottle에 각각 35.12 mL 만큼 분주 한 후 밀봉을 하였다. 밀봉된 serum bottle 배지 용액에 질소 가스를 40분간 퍼지 하였고 이후 일산화탄소 (CO)와 수소 (H2) 가스의 비율이 2 대 1이되는 혼합가스를 퍼지 하여 충분히 공급하여 주었다. 그 후 121℃에서 15분간 오토클레이브를 이용하여 멸균한 뒤, 멸균된 serum bottle을 실온으로 냉각시킨 후 혐기 챔버 내에서 1 M MES, 1 M K2HPO4, 복합 비타민 군 용액을 첨가하여 총 40 mL을 맞췄다. 추가적으로 공급되는 글루탐산 모노나트륨(MSG)는 배지 1 L에 대하여 각각 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g 및 첨가하지 않은(control) 배지를 준비하였다.All components except 1 M MES, 1 MK 2 HPO 4 , and complex vitamin group solutions were mixed in 500 mL of distilled water at room temperature. Then, the pH was adjusted to 6.0 using a 5 M NaOH solution. After dispensing as much as 35.12 mL each into a serum bottle, it was sealed. Nitrogen gas was purged for 40 minutes in the medium solution in a sealed serum bottle, and then a mixed gas in which the ratio of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) was 2:1 was purged and sufficiently supplied. Then, after sterilization using an autoclave at 121°C for 15 minutes, the sterilized serum bottle was cooled to room temperature, and 1 M MES, 1 MK 2 HPO 4 , and complex vitamin group solution were added in an anaerobic chamber to make a total of 40 mL. matched Monosodium glutamate (MSG) additionally supplied was prepared in 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g and no (control) medium, respectively, based on 1 L of the medium.
클로스트리듐 오토에타노게눔(수탁번호: DSM 10061)을 독일생물자원센터(DSMZ, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)로부터 얻었다.Clostridium autoethanogenum (accession number: DSM 10061) was obtained from the German Center for Biological Resources (DSMZ, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH).
각각의 배지에 대하여 클로스트리듐 오토에타노게눔의 성장, 가스 소모속도, 알코올 생산량, 아세트산 생산량 및 72시간 후 알코올 및 아세트산 생산량을 측정하여 도 1 내지 도 5에 나타내었다.For each medium, growth of Clostridium autoethanogenum, gas consumption rate, alcohol production, acetic acid production, and alcohol and acetic acid production after 72 hours were measured and shown in FIGS. 1 to 5.
도 1은 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 성장을 측정한 결과이다. 도 1에 나타나듯이, 글루탐산의 첨가량이 증가할수록 미생물의 성장도 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.1 is a result of measuring the growth of Clostridium autoethanogenum according to the concentration of glutamic acid. As shown in Figure 1, it can be seen that the growth of microorganisms increases proportionally as the amount of added glutamic acid increases.
도 2는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 가스 소모속도를 측정한 결과이다. 도 2에 나타나듯이, 글루탐산의 첨가량이 증가할수록 가스 소모속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 48시간 후 가스를 보충하여 소모속도를 측정하였으며, 48시간 이후, 글루탐산을 5 g 이상 첨가한 배지가 나머지 배지에 비해 가스 소모 속도가 월등함을 확인할 수 있다. 이를 통해 글루탐산이 알코올 및 아세트산의 생산 효율을 향상시킴을 확인할 수 있다.Figure 2 is a result of measuring the gas consumption rate of Clostridium autoethanogenum according to the glutamic acid concentration. As shown in FIG. 2, it can be seen that the gas consumption rate increases as the amount of glutamic acid added increases. After 48 hours, gas was replenished to measure the consumption rate. After 48 hours, it can be seen that the medium to which 5 g or more of glutamic acid was added has a superior gas consumption rate compared to the rest of the medium. Through this, it can be confirmed that glutamic acid improves the production efficiency of alcohol and acetic acid.
도 3은 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 알코올 생산량 측정 결과이다. 도 3에서 나타나듯이, 글루탐산 첨가량이 많아질수록 알코올의 생산량이 늘어남을 확인할 수 있다. 특히 글루탐산을 10 g 내지 20 g 첨가한 배지가 알코올 생산량이 현저히 늘어남을 확인할 수 있다. 48 시간에서 알코올 생산량이 감소하는데 이는 가스 내의 수소를 모두 소모하여, 미생물이 에탄올을 아세트 산으로 전환하였기 때문인 것으로 예상된다. 48시간 이후, 가스를 보충하여, 72시간에서는 다시 에탄올 생산이 증가함을 확인할 수 있다. 3 is a measurement result of alcohol production of Clostridium autoethanogenum according to glutamic acid concentration. As shown in Figure 3, it can be seen that the production of alcohol increases as the amount of glutamic acid added increases. In particular, it can be confirmed that the medium to which 10 g to 20 g of glutamic acid is added significantly increases alcohol production. Alcohol production decreased at 48 h, which is expected to be due to consumption of hydrogen in the gas and microorganisms converting ethanol to acetic acid. After 48 hours, gas was replenished, and it was confirmed that ethanol production increased again at 72 hours.
도 4는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 아세트산 생산량 측정 결과이다. 도 4에서 나타나듯이, 글루탐산 첨가량이 많아질수록 아세트산의 생산량이 늘어남을 확인할 수 있다. 특히 글루탐산을 5 g 내지 20 g 첨가한 배지가 아세트산 생산량이 현저히 늘어남을 확인할 수 있다.4 is a measurement result of acetic acid production of Clostridium autoethanogenum according to glutamic acid concentration. As shown in Figure 4, it can be confirmed that the production of acetic acid increases as the amount of glutamic acid added increases. In particular, it can be confirmed that the production of acetic acid is significantly increased in the medium to which 5 g to 20 g of glutamic acid is added.
도 5는 글루탐산 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노게눔의 72시간 후 알코올 및 아세트산 생산량 측정 결과이다. 도 5에서 나타나듯이, 글루탐산 첨가량이 많아질수록 알코올 및 아세트산의 생산량이 늘어남을 확인할 수 있다.Figure 5 is the result of measuring the production of alcohol and acetic acid after 72 hours of Clostridium autoethanogenum according to the concentration of glutamic acid. As shown in Figure 5, it can be confirmed that the production of alcohol and acetic acid increases as the amount of glutamic acid added increases.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in a variety of different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains may take other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it can be implemented as. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.
Claims (11)
글루탐산 나트륨을 5 내지 20 g을 포함하는 가스 발효 배양 배지 조성물을 준비하는 단계;
상기 배지 조성물 1 L에 대하여, 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum) 0.001 내지 5 g 첨가하는 단계; 및
상기 배지 조성물에 일산화탄소(CO) 이산화탄소(CO2) 또는 수소(H2)을 포함하는 가스를 공급하는 단계를 포함하는 발효 방법.For 1 L of the medium composition,
Preparing a gas fermentation culture medium composition containing 5 to 20 g of sodium glutamate;
Adding 0.001 to 5 g of Clostridium autoethanogenum to 1 L of the medium composition; and
Fermentation method comprising the step of supplying a gas containing carbon monoxide (CO) carbon dioxide (CO 2 ) or hydrogen (H 2 ) to the medium composition.
상기 배지 조성물은 상기 배지 조성물 1 L에 대하여 인산염을 0.1 내지 5 g 더 포함하는 발효 방법.According to claim 1,
The fermentation method further comprises 0.1 to 5 g of phosphate based on 1 L of the medium composition.
상기 배지 조성물은 상기 배지 조성물 1 L에 대하여 Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni 및 Na 중 1종 이상을 0.0001 내지 0.1 g 더 포함하는 발효 방법.According to claim 1,
The medium composition further comprises 0.0001 to 0.1 g of one or more of Fe, Mn, Co, Zn, Ca, Cu, B, Mo, Se, Ni and Na per 1 L of the medium composition.
상기 배지 조성물은 상기 배지 조성물 1 L에 대하여 비오틴(Biotin), 엽산(Folic acid), 피리독신(Pyridoxine), 티아민(Thiamine), 리보플라빈(riboflavin), 니코틴산(Nicotinic acid), 판토텐산(Pantothenic acid), 시아노코발라민(cyanocobalamin), 파라아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 및 리포산(Lipoic acid) 중 1종 이상의 비타민을 0.0001 내지 0.1 g 더 포함하는 발효 방법.According to claim 1,
The medium composition includes biotin, folic acid, pyridoxine, thiamine, riboflavin, nicotinic acid, pantothenic acid, and cyanide with respect to 1 L of the medium composition. A fermentation method further comprising 0.0001 to 0.1 g of at least one vitamin selected from cyanocobalamin, p-aminobenzoic acid and lipoic acid.
상기 배지 조성물은 상기 배지 조성물 1 L에 대하여 NaCl, MgSO4 CaCl2 및 NH4Cl 중 1종 이상을 포함하는 기본 배지 성분을 1 g 내지 20 g 더 포함하는 발효 방법.According to claim 1,
The medium composition further comprises 1 g to 20 g of a basic medium component including at least one of NaCl, MgSO 4 CaCl 2 and NH 4 Cl based on 1 L of the medium composition.
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| JOURNAL OF BACTERIOLOGY. 1986, Vol. 165, No. 1, pp. 315-318.* |
| Metabolic Engineering. 2017, vol. 41, pp. 202-211.* |
Also Published As
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|---|---|
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