KR20180059375A - A method for producing hexanoic acid using waste biomass and Megasphaera hexanoica strain - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음식물 쓰레기와 혐기성 소화 슬러지가 혼합된 폐바이오매스를 배양한 후, 상기 배양액에 메가스파에라 헥사노이카 균주를 접종 및 배양하여 헥사노익산을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hexanoic acid by culturing a pulmonary biomass mixed with food waste and anaerobic digestion sludge, and then inoculating and culturing megasparrahexanoic acid strain in the culture.
현재 세계 에너지 수요량의 86% 가량을 석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료에 의존하고 있는 실정이다. 광범위한 화석 연료의 사용은 심각한 환경 기후 변화와 화석 자원 고갈로 인한 에너지 및 자원 부족 문제를 야기할 수 있으므로, 이를 해결하기 위하여 재생 가능한 자원에서 연료를 생산하려는 노력이 증가되고 있다.Currently, 86% of world energy demand depends on fossil fuels such as petroleum, coal, and natural gas. The use of a wide range of fossil fuels can cause severe energy and resource shortages due to environmental climate change and depletion of fossil resources, and efforts to produce fuels from renewable resources are increasing to address them.
현재 이용 가능한 대체에너지로는 바이오 에너지, 태양열, 풍력, 지력, 조력 발전 등이 대두되고 있으며, 그 중에서도 바이오 에너지는 수송용 연료로서 그 활용도가 높으며 환경오염 물질의 배출을 적게는 30% 이상, 많게는 90% 까지도 줄일 수 있는 장점으로 인하여, 전 세계적으로 높은 관심을 받고 있다. 바이오 에너지란 자연계에 있는 바이오매스(biomass)로부터 만들어지는 지속 가능한 에너지원을 말하는데, 옥수수, 사탕수수, 폐기용 셀룰로오스 등과 같은 식물이나 농업 및 환경 폐기물로부터 생산되기 때문에 지구 온난화의 주범이 되는 온실가스인 이산화탄소 (CO2)를 증가시키지 않고 각종 유기성 폐기물을 이용함으로써 폐기물을 줄이는 효과가 있다. 또한 중금속 및 다른 유해물질을 포함하고 있지 않으며 액체 바이오 연료인 경우 기존의 자동차 액체 연료와 함께 혼합하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 재생 가능한 식물성 원료 물질에서 유래한 바이오 연료로는 C2 물질인 에탄올과 C4 물질인 부탄올이 수송용 연료로서 이미 많은 연구가 진행되고 있지만 항공용 연료 등은 더욱 높은 탄소수를 가진 물질을 필요로 하기 때문에 새로운 바이오 연료의 개발이 필요한 실정이다.Bio energy, solar power, wind power, intelligence, and tidal power generation are emerging as alternative energy sources currently available. Among them, bio-energy is highly utilized as transportation fuel, and the emission of environmental pollutants is less than 30% Due to its ability to reduce up to 90%, it has attracted worldwide attention. Bio-energy is a sustainable source of energy made from biomass in the natural world. It is produced from plants, agriculture and environmental waste such as corn, sugarcane, and waste cellulose, There is an effect of reducing waste by using various organic wastes without increasing carbon dioxide (CO 2 ). It also does not contain heavy metals and other harmful substances. In the case of liquid biofuels, it can be mixed with existing automotive liquid fuels. As a biofuel derived from such renewable vegetable raw materials, a lot of research has already been carried out on ethanol as a C2 material and butanol as a C4 material as a transportation fuel, but aviation fuel requires a material having a higher carbon number It is necessary to develop new biofuels.
한편, 헥사노익산은 6개의 탄소를 가지는 직선형의 지방산으로서 향수, 약, 윤활 그리스, 고무, 염료 등을 만드는데 사용되고 있으며, 단순 촉매 반응을 통해 헥사놀(hexanol)로 전환될 수 있다. 헥사놀은 에스테르화(esterification)를 통해서 가솔린, 디젤, 제트 연료로 사용할 수 있는바, 바이오 연료의 전구물질로서 헥사노익산을 생산하는 기술의 개발이 필요하다.On the other hand, hexanoic acid is a linear fatty acid having 6 carbons which is used to make perfumes, drugs, lubricating greases, rubbers, dyes, etc., and can be converted into hexanol through a simple catalytic reaction. Hexanol can be used as gasoline, diesel and jet fuel through esterification, and it is necessary to develop a technology to produce hexanoic acid as a precursor of biofuels.
미생물 발효를 이용한 헥사노익산 생산은 1942년에 발표된 혐기성 세균인 클로스트리디움 클루이베리(Clostridium kluyveri)를 이용한 헥사노익산 생산 관련 연구가 가장 많이 진행된 균 중에 하나이다. 위 균주는 에탄올과 아세테이트 혹은 숙시네이트를 이용하여 H2, 부티르산, 헥사노산을 생산할 수 있다. 아세트산이 과잉 될수록 헥사노익산이 주로 생산이 되는데 이들의 관계에서 부티르산이 헥사노익산 합성과정에서 중간 물질로 사용된다는 사실이 밝혀졌다.The production of hexanoic acid by microbial fermentation is one of the most advanced microorganisms for the production of hexanoic acid using the anaerobic bacterium Clostridium kluyveri (1942). The strain can produce H 2 , butyric acid, and hexanoic acid using ethanol, acetate or succinate. As the acetic acid is overproduced, hexanoic acid is mainly produced. In these relationships, it has been found that butyric acid is used as an intermediate in the synthesis of hexanoic acid.
Rodick et al.은 헥사노산의 생산량을 증가시키기 위해서 이온교환 수지인 amberlite IRA-400가 포함된 배양기에서 고정화된 메가스페라 엘스데니(Megasphaera elsdenii)를 유가 배양하여 헥사노산 생산 수율을 기존 6 g/L에서 19 g/L로 30% 증가시켰다고 보고한 바 있고, 종래 한국등록특허 제10-1316732호에서는 메가스페라 엘스데니 NCIMB 702410을 이용 및 추출발효를 통해 헥사노산의 생산량을 증가시키는 방법을 개시한 바 있으나, 생산량이 충분하지 않아 바이오 연료의 생산 공정에 적용하기에는 미흡한 실정이다.In order to increase hexanoic acid production, rodick et al. Reported that the yield of hexanoic acid production was increased to 6 g /
또한, 앞서 언급한 종래기술들은 일반적으로 인공배지를 사용하여 헥사노익산을 생산하는바 외부에서 아세트산, 부티르산을 공급해주어야 하며, 생산량 증가를 위해 효모 추출물, 미네랄 등을 첨가해야 하며 멸균 과정을 비롯한 추가적인 부가 공정들이 요구되는 등 생산방법이 번거롭고 생산 단가가 높다는 문제점이 있다. 또한, 인공배지를 사용하지 않고 폐바이오매스를 이용하여 헥사노익산을 생산하는 경우 생산속도가 느리고 생산량이 충분하지 않아 실용화하기 어렵다는 문제점이 있다.In addition, in the above-mentioned conventional techniques, acetic acid and butyric acid should be supplied from outside of the production of hexanoic acid by using an artificial medium, yeast extract, minerals and the like should be added to increase production, There is a problem that the production method is cumbersome and the production cost is high because additional processes are required. In addition, when hexanoic acid is produced using pulmonary biomass without using an artificial medium, the production speed is slow and the production amount is not sufficient, so that it is difficult to put into practice.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인공배지의 사용 없이 폐바이오매스 및 메가스파에라 헥사노이카 균주를 이용하여 헥사노익산을 높은 수율로 생산하는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of producing hexanoic acid at a high yield using lung biomass and megasparrahexanoic acid strains without using an artificial medium .
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, In order to solve the above problems,
(a) 음식물 쓰레기와 혐기성 소화 슬러지를 혼합하고 소정의 온도 및 혐기적 조건하에서 배양하여 아세트산과 부티르산이 생산된 1차 배양액을 생성하는 단계;(a) mixing food waste and anaerobic digestion sludge and culturing under predetermined temperature and anaerobic conditions to produce a primary culture medium in which acetic acid and butyric acid are produced;
(b) 상기 1차 배양액에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종 및 배양하여 2차 배양액을 생성하는 단계; 및(b) inoculating and culturing Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) in the primary culture to produce a secondary culture; And
(c) 상기 2차 배양액으로부터 헥사노익산을 회수하는 단계;를 포함하는 헥사노익산 생산방법을 제공한다.(c) recovering the hexanoic acid from the secondary culture.
본 발명에 따르면, 상기 혐기성 소화 슬러지는 -50 내지 -100 ℃에서 7일 이상 동결 후 해동된 것일 수 있다.According to the present invention, the anaerobic digestion sludge may be thawed after being frozen for more than 7 days at -50 to -100 ° C.
본 발명에 따르면, 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, (ⅰ) 상기 (a) 단계의 1차 배양액을 음식물 쓰레기와 혼합하여 혐기적 조건하에서 계대 배양을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.According to the present invention, there is provided a method for the production of a culture medium, comprising the steps (a) and (b) of: (i) carrying out subculturing under anaerobic conditions by mixing the primary culture medium of step (a) with food wastes .
이때, 상기 (i) 단계는 상기 (a) 단계의 1차 배양액에 포함된 부티르산의 농도가 6 g/L 이상이고, 아세트산의 농도가 2 g/L 이상일 때 수행될 수 있다.At this time, step (i) may be performed when the concentration of butyric acid contained in the primary culture liquid of step (a) is 6 g / L or more and the concentration of acetic acid is 2 g / L or more.
본 발명에 따르면, 상기 (a) 단계의 소정의 온도는 20 내지 40 ℃일 수 있다.According to the present invention, the predetermined temperature of the step (a) may be 20 to 40 ° C.
본 발명에 따르면, 상기 음식물 쓰레기의 농도는 50 내지 150 g/L일 수 있다.According to the present invention, the concentration of the food waste may be 50 to 150 g / L.
본 발명에 따르면, 상기 혐기성 소화 슬러지의 농도는 30 내지 70 mL/L일 수 있다.According to the present invention, the concentration of the anaerobic digestion sludge may be 30 to 70 mL / L.
본 발명에 따르면, 상기 (b) 단계는 상기 1차 배양액에 10 내지 30 g/L의 프룩토스(fructose)가 첨가된 조건하에서 수행될 수 있다.According to the present invention, the step (b) may be performed under the condition that 10 to 30 g / L of fructose is added to the primary culture.
본 발명에 따르면, 상기 (b) 단계에서 상기 1차 배양액에 접종되는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 증균 배양된 것일 수 있다.According to the present invention, the Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) inoculated into the primary culture in step (b) may be a yeast culture.
이때, 상기 증균 배양은 효모 추출물(Yeast extract) 8 내지 12 g/L, K2HPO4 1 내지 3 g/L, 염 용액(Salt solution) 30 내지 50 mL/L, 프룩토스 10 내지 30 g/L, 아세트산 나트륨(Sodium acetate) 1 내지 5g/L 및 시스테인-HCl 0.1 내지 1 g/L를 포함하는 배양액에서 수행될 수 있다.At this time, the enrichment culture is carried out in the presence of 8 to 12 g / L of yeast extract, 1 to 3 g / L of K 2 HPO 4 , 30 to 50 mL / L of salt solution, 10 to 30 g / L, 1 to 5 g / L of sodium acetate and 0.1 to 1 g / L of cysteine-HCl.
본 발명에 따르면, 인공배지 없이 폐바이오매스를 이용하는바 외부에서 아세트산과 부티르산을 공급할 필요 없이도 헥사노익산을 생산할 수 있고, 또한 헥사노익산의 생산속도, 생산성을 획기적으로 향상시킴과 동시에 생산 단가도 현저히 절감할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to produce hexanoic acid without the need to supply acetic acid and butyric acid outside, which uses pulverized biomass without an artificial medium, dramatically improves production speed and productivity of hexanoic acid, Significant savings can be achieved.
도 1은 본 발명에 따른 헥사노익산 생산 방법의 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 혐기성 소화 슬러지의 동결 시간에 따른 미생물의 군집 변화를 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 2-1에 따라 동결되지 않은 혐기성 소화 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합 후 배양시 생산되는 유기산의 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 4는 실시예 2-2에 따라 7일 동안 동결 후 해동한 혐기성 소화 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합 후 배양시 생산되는 유기산의 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 실시예 2-3에 따라 15일 동안 동결 후 해동한 혐기성 소화 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합 후 배양시 생산되는 유기산의 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 6은 실시예 2-4에 따라 32일 동안 동결 후 해동한 혐기성 소화 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합 후 배양시 생산되는 유기산의 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 7은 실시예 3에 따라 7일 동안 동결 후 해동한 혐기성 소화 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합 배양한 후, 상기 혼합 배양액을 음식물 쓰레기와 혼합하여 계대 배양시 생산되는 유기산의 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 8은 실시예 4에 따라 음식물 쓰레기와 혐기성 소화조 슬러지의 혼합 배양액에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종하여 배양시 헥사노익산 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 5에 따라 음식물 쓰레기와 혐기성 소화조 슬러지의 혼합 배양액에 프룩토스(Fructose)를 첨가한 후 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종하여 배양시 헥사노익산 생산량을 나타낸 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a process of a production method of hexanoic acid according to the present invention. FIG.
FIG. 2 is a graph showing the results of analyzing the microbial community change according to the freezing time of the anaerobic digestion sludge.
FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the content of organic acids produced when the anaerobic digestion sludge not frozen according to Example 2-1 was mixed with food waste and cultured. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the content of organic acids produced when the anaerobic digestion sludge thawed after freezing for 7 days according to Example 2-2 was mixed with food waste and cultured.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of the content of organic acids produced when the anaerobic digested sludge thawed after freezing for 15 days according to Example 2-3 was mixed with food waste and cultured.
FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the content of organic acids produced when the anaerobic digested sludge thawed after freezing for 32 days according to Example 2-4 was mixed with food waste and cultured. FIG.
FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the content of organic acids produced during subculture by mixing anaerobic digested sludge thawed after freezing for 7 days according to Example 3 with food waste, mixing the mixed culture with food waste, .
FIG. 8 is a graph showing the yield of hexanoic acid produced when a megasporea hexaenoic acid strain (KCCM11835P) was inoculated into a mixed culture of food waste and anaerobic digestion sludge according to Example 4.
9 is a graph showing the results of inoculation of megasporea hexanoic acid strain (KCCM11835P) after adding fructose to a mixed culture of food waste and anaerobic digestion sludge according to Example 5, Fig.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
종래, 미생물을 이용하여 바이오 연료인 헥사놀의 전구물질인 헥사노산을 생산하는 방법이 개시된 바 있으나, 일반적으로 인공배지를 사용하여 헥사노익산을 생산하는바 외부에서 아세트산, 부티르산을 공급해주어야 하며, 생산량 증가를 위해 효모 추출물, 미네랄 등을 첨가해야 하며, 혐기적 처리 및 멸균과정을 요구하고 있어 생산방법이 번거롭고 생산 단가가 높다는 문제점이 있었다. 또한, 인공배지를 사용하지 않고 폐바이오매스를 이용하여 헥사노익산을 생산하는 경우 생산속도가 느리고 생산량이 충분하지 않아 실용화하기 어렵다는 문제점이 존재하였다.Conventionally, a method for producing hexanoic acid which is a precursor of hexanol, which is a biofuel, has been disclosed. However, in general, acetic acid and butyric acid must be supplied from the outside of the production of hexanoic acid using an artificial medium. In order to increase the production amount, yeast extract, minerals and the like have to be added, and anaerobic treatment and sterilization process are required, resulting in cumbersome production method and high production cost. In addition, when hexanoic acid is produced using pulmonary biomass without using an artificial medium, there is a problem that the production speed is slow and the production amount is insufficient, making it difficult to put into practical use.
이에, 본 발명에서는 아세트산, 부티르산과 같은 외부 유기산의 첨가 없이도 헥사노익산의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 헥사노익산의 생산 단가도 현저히 절감할 수 있는 헥사노익산 생산방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a method for producing hexanoic acid which can remarkably improve the productivity of hexanoic acid without significantly adding an external organic acid such as acetic acid or butyric acid, and can significantly reduce the production cost of hexanoic acid.
따라서, 본 발명은 Therefore,
(a) 음식물 쓰레기와 혐기성 소화 슬러지를 혼합하고 소정의 온도 및 혐기적 조건하에서 배양하여 아세트산과 부티르산이 생산된 1차 배양액을 생성하는 단계;(a) mixing food waste and anaerobic digestion sludge and culturing under predetermined temperature and anaerobic conditions to produce a primary culture medium in which acetic acid and butyric acid are produced;
(b) 상기 1차 배양액에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종 및 배양하여 2차 배양액을 생성하는 단계; 및(b) inoculating and culturing Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) in the primary culture to produce a secondary culture; And
(c) 상기 2차 배양액으로부터 헥사노익산을 회수하는 단계;를 포함하는 헥사노익산 생산방법을 제공한다.(c) recovering the hexanoic acid from the secondary culture.
구체적으로 상기 (a) 단계는 음식물 쓰레기와 혐기성 소화 슬러지를 혼합하고 소정의 온도 및 혐기적 조건하에서 배양하여 아세트산과 부티르산이 생산된 1차 배양액을 생성하는 단계이다. 본 발명에 이용되는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 아세트산과 부티르산을 소비하여 헥사노익산을 생산하는 특징을 가지는바, (a) 단계에서 생산되는 아세트산과 부티르산은 헥사노익산 생산에 큰 영향을 끼치는 인자이다. Specifically, in the step (a), food waste and anaerobic digestion sludge are mixed and cultured under predetermined temperature and anaerobic conditions to produce a primary culture medium in which acetic acid and butyric acid are produced. Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) used in the present invention is characterized by producing hexanoic acid by consuming acetic acid and butyric acid. Acetic acid and butyric acid produced in step (a) are hexanoic acid It is a factor that has a great influence on Iksan production.
따라서, (a) 단계를 통해 아세트산과 부티르산의 생산량을 향상시킬 수 있는 조건을 수립할 필요성이 있다. 이를 위해 상기 혐기성 소화 슬러지는 가열, 동결, 알칼리 또는 산 처리 등의 전처리 과정을 수행한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 특히 동결 후 해동 과정을 수행한 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 동결 후 해동 과정과 같은 전처리 과정을 수행할 경우, 포자를 형성하지 않는 균 예를 들어 박테리아, 고세균, 메탄생산균 등이 억제되고, 유기물로부터 아세트산과 부티르산을 생산하는 포자형성균을 활성화시키게 된다. 즉, 메탄생산균과 같은 포자 미형성균은 억제되고, 아세트산과 부티르산을 생산하는 포자형성균이 활성화되는 등 혐기성 소화 슬러지 내에 존재하는 미생물의 군집이 변화하게 되며, 특히 -50 내지 -100 ℃에서 7일 이상 동결 후 해동될 경우 아세트산과 부티르산 생산에 적합한 미생물 군집을 형성하게 되어, 음식물 쓰레기와 혼합 배양 시 아세트산과 부티르산 생산량을 크게 향상시킬 수 있다.Therefore, there is a need to establish a condition capable of improving the production yield of acetic acid and butyric acid through step (a). For this, the anaerobic digestion sludge is preferably subjected to pretreatment such as heating, freezing, alkali or acid treatment, and it is more preferable to use a sludge subjected to thawing after freezing. When the pretreatment process such as the thawing process after the freezing is performed, bacteria that do not form spores, such as bacteria, archaea, and methanogenic bacteria, are inhibited and spore-forming bacteria that produce acetic acid and butyric acid from the organic matter are activated . In other words, the spore microorganisms such as methane-producing bacteria are suppressed and the microorganisms existing in the anaerobic digestion sludge are changed such that the spore-forming microorganisms producing acetic acid and butyric acid are activated. Especially, If thawed after more than one day, microbial communities suitable for the production of acetic acid and butyric acid are formed, and the production of acetic acid and butyric acid can be greatly improved when mixed with food waste.
다음으로, 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, (ⅰ) 상기 (a) 단계의 1차 배양액을 음식물 쓰레기와 혼합하여 혐기 조건하에서 계대 배양을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 계대 배양은 (a) 단계를 통해 생성된 1차 배양액 중 일부를 음식물 쓰레기와 혼합하여 혐기 조건하에서 배양한 후, 이 배양액 중 일부를 다시 음식물 쓰레기와 혼합하여 혐기 조건하에서 배양하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 계대 배양은 아세트산과 부티르산을 생산하는 미생물 군집을 우점화시켜 아세트산과 부티르산의 생산량을 극대화하기 위한 것으로, 이전 배양액 중 일부를 음식물 쓰레기와 혼합하여 배양하는 과정에서 아세트산과 부티르산의 생산량이 높은 시점에 다음 배양 과정으로 넘어가는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 통해 아세트산과 부티르산이 생산량이 높은 배양액을 계속적으로 생산할 수 있고, 결과적으로 메가스파에라 헥사노이카에 의해 생산되는 헥사노익산의 생산량을 극대화시킬 수 있다. 구체적으로 상기 (i) 단계는 상기 (a) 단계의 1차 배양액에 포함된 부티르산의 농도가 6 g/L 이상이고, 아세트산의 농도가 2 g/L 이상일 때 수행하는 것이 가장 바람직하다.Next, between step (a) and step (b), (i) a step of subculturing under anaerobic conditions by mixing the primary culture of step (a) with food wastes . Specifically, in the subculture, a part of the primary culture liquid produced through the step (a) is mixed with food waste, cultured under anaerobic conditions, and a part of the culture liquid is mixed with food waste and cultured under anaerobic conditions Lt; / RTI > In this case, the subculture is for maximizing the production of acetic acid and butyric acid by igniting the microbial community producing acetic acid and butyric acid. In the course of culturing a part of the previous culture with food waste, the yield of acetic acid and butyric acid is high It is preferable to proceed to the next cultivation process at the time point. Through this process, it is possible to continuously produce a culture liquid in which acetic acid and butyric acid are produced in a high yield, and consequently to maximize the production amount of hexanoic acid produced by megasparrahexanoic acid. More specifically, the step (i) is most preferably performed when the concentration of butyric acid contained in the primary culture liquid of step (a) is 6 g / L or more and the concentration of acetic acid is 2 g / L or more.
또한, 상기 (a) 단계는 소정의 온도 및 혐기조건에서 배양하는 것이 바람직하다. 이때, 소정의 온도는 20 내지 40 ℃의 중온일 수 있으며, 상기 온도 조건에서 혐기성 소화 슬러지내에 포함된 여러 균주 중 중온 조건에 적합한 아세트산과 부티르산 생산균들이 활성화되어 아세트산과 부티르산을 생산하게 되며, 특히 약 25 ℃의 상온 부근에서 아세트산과 부티르산 생산이 극대화된다.In addition, it is preferable that the step (a) is performed under a predetermined temperature and anaerobic condition. At this time, the predetermined temperature may be a middle temperature of 20 to 40 ° C. Among the various strains contained in the anaerobic digestion sludge under the temperature condition, acetic acid and butyric acid producing bacteria suitable for the medium temperature condition are activated to produce acetic acid and butyric acid The production of acetic acid and butyric acid is maximized near room temperature of about 25 ° C.
또한, 상기 (a) 단계 및 상기 (ⅰ) 단계에서 혼합되는 음식물 쓰레기의 농도는 50 내지 150 g/L인 것이 바람직하다. 상기 음식물 쓰레기의 농도가 상기 하한치 미만이면 혐기성 소화 슬러지 내에 존재하는 균주들의 생장에 필요한 충분한 탄소를 제공하지 못한다는 문제가 있고, 상기 상한치를 초과하면 음식물 쓰레기에 포함된 염의 농도가 커서 미생물 생장을 저해시킨다는 문제가 있다.In addition, the concentration of the food waste mixed in the step (a) and the step (i) is preferably 50 to 150 g / L. If the concentration of the food garbage is below the lower limit, there is a problem that sufficient carbon is not provided for the growth of the strains present in the anaerobic digestion sludge. If the concentration exceeds the upper limit, the concentration of the salt contained in the food garbage is large, There is a problem.
또한, 상기 (a) 단계에서 혼합되는 혐기성 소화 슬러지의 농도는 30 내지 70 mL/L인 것이 바람직하다. 상기 혐기성 소화 슬러지의 농도가 상기 하한치 미만이면 아세트산과 부티르산 생산균이 우점화되는데에 많은 시간이 걸려 아세트산과 부티르산 초기 생산속도가 떨어진다는 문제가 있고, 상기 상한치를 초과하면 아세트산과 부티르산 생산균보다 메탄 생산균이 우점화될 수 있다는 문제가 있다.The concentration of the anaerobic digestion sludge mixed in the step (a) is preferably 30 to 70 mL / L. When the concentration of the anaerobic digestion sludge is less than the lower limit, there is a problem that acetic acid and butyric acid producing bacteria take a long time to ignite rightward and the initial production rate of acetic acid and butyric acid decreases. If the concentration exceeds the upper limit, There is a problem that production bacteria may be ignited.
또한, 상기 1차 배양액에는 다양한 균주들이 존재하고 있어 이들에 의해 헥사노익산의 생산 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 상기 (b) 단계에서 상기 1차 배양액에 접종되는 접종 전에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 소정의 조건하에서 증균 배양과정을 거치는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 증균 배양은 효모 추출물(Yeast extract) 8 내지 12 g/L, K2HPO4 1 내지 3 g/L, 염 용액(Salt solution) 30 내지 50 mL/L, 프룩토스 10 내지 30 g/L, 아세트산 나트륨(Sodium acetate) 1 내지 5g/L 및 시스테인-HCl 0.1 내지 1 g/L를 포함하는 배양액에서 수행하는 것이 바람직하다.In addition, in order to prevent the production efficiency of hexanoic acid from being lowered due to the existence of various strains in the primary culture solution, it is preferable that, in step (b), before the inoculation into the primary culture liquid, megasparrahexanoyl It is preferable that the Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) undergoes a multiplication culturing process under predetermined conditions. Specifically, the enrichment culture is carried out in the presence of 8 to 12 g / L of yeast extract, 1 to 3 g / L of K 2 HPO 4 , 30 to 50 mL / L of Salt solution, 10 to 30 g of fructose / L, 1 to 5 g / L of sodium acetate and 0.1 to 1 g / L of cysteine-HCl.
또한, 상기 (b) 단계 수행시 메가스파에라 헥사노이카 균주에 의한 헥사노익산 생산량을 향상시키기 위해, 상기 1차 배양액에 10 내지 30 g/L의 프룩토스(fructose)를 첨가하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 프룩토스의 함량이 상기 하한치 미만이면 헥사노익산 생산 향상 효과가 미미하고, 상기 상한치를 초과하면 더 이상 생산 향상 효과가 나타나지 않는 문제가 있다.In order to improve the production of hexanoic acid by megasparrahexanoic acid in the step (b), 10 to 30 g / L of fructose is preferably added to the primary culture medium . At this time, if the content of fructose is less than the lower limit, the effect of improving hexanoic acid production is insignificant, and if the content exceeds the upper limit, the effect of further improving the production is not exhibited.
이하, 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the like. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided for further illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예Example 1. One. 메가스파에라Mega Spasera 헥사노이카Hexanoika 균주의 분리 Isolation of strain
헥사노익산을 생산하는 미생물을 분리하기 위해 대한민국 서울시 마장동에 위치한 우시장에서 위액이 포함된 소내장을 구매하고 이를 혐기적으로 처리하였다. 상기 혐기적으로 처리된 위액을 5 g/L hexanoic acid가 포함된 Reinforced Clostridia medium (difco)에 접종하여 37 ℃에서 3일간 증균 배양시켰다. 이 증균 배양액을 동일한 배지에 수차례 계대 배양하였다. 증균 배양한 배양액은 Reinforced Clostridia medium (difco)배지에 도말하여 콜로니를 형성시켰다.In order to isolate microorganisms producing hexanoic acid, small intestine containing gastric juice was purchased and processed anaerobically in the wuxi market in Majang-dong, Seoul, Korea. The anaerobically treated gastric juice was inoculated into Reinforced Clostridia medium (difco) containing 5 g / L hexanoic acid and incubated at 37 ° C for 3 days. This enrichment culture was subcultured several times in the same medium. The cultures were cultured in Reinforced Clostridia medium (difco) medium to form colonies.
선발된 각각의 콜로니들을 Reinforced Clostridia medium (difco) 액체 배지에 접종하여 37 ℃에서 3일간 배양 후, 기체 크로마토그래피(Gas chromatography, GC)를 이용하여 헥사노산 생산량을 측정하였다. 그 결과, 가장 많은 양의 헥사노산을 생산하는 미생물을 분리하였다. 분리된 미생물을 부다페스트 조약에 따른 미생물 기탁기관인 대한민국 한국미생물보존센터에 2016년 04월 28일자로 기탁하여 기탁번호 KCCM11835P를 부여받았다.Each of the selected colonies was inoculated into a Reinforced Clostridia medium (difco) liquid medium and cultured at 37 ° C for 3 days. Then, hexanoic acid production was measured by gas chromatography (GC). As a result, microorganisms producing the greatest amount of hexanoic acid were isolated. The separated microorganisms were deposited on April 28, 2016 with the deposit number KCCM11835P to the Korea Microorganism Conservation Center, a microorganism depository organization under the Budapest Treaty.
실시예Example 2. 혐기성 소화 2. Anaerobic Digestion 슬러지의Sludge 동결 조건에 따른 미생물 군집 변화 및 아세트산과 부티르산 생산량 측정 Changes in microbial community and measurement of acetic acid and butyric acid production according to freezing conditions
먼저, 혐기성 소화 슬러지의 동결 조건에 따른 미생물 군집 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.First, the microbial community change according to the freezing conditions of the anaerobic digestion sludge was observed, and the results are shown in FIG.
구체적으로 혐기성 소화 슬러지 50 mL/L를 동결 전(실시예 2-1), - 80 ℃에서 7일간 동결 후 상온에서 해동(실시예 2-2), - 80 ℃에서 15일간 동결 후 상온에서 해동(실시예 2-3), - 80 ℃에서 32일간 동결 후 상온에서 해동(실시예 2-4) 후에 음식물 쓰레기 150 g/L와 혼합 후 배양 5 일차의 미생물 군집을 Family level에서 관찰하였다.Specifically, 50 mL / L of anaerobic digestion sludge was thawed at room temperature after freezing for 7 days at -80 ° C. (Example 2-1), thawing at room temperature after freezing for 15 days at -80 ° C. (Example 2-3), microbial communities were observed at the family level after freezing at 80 ° C for 32 days, thawing at room temperature (Example 2-4), and mixing with food gut at 150 g / L for 5 days.
측정 결과, 동결하지 않은 슬러지의 경우 미생물 군집은 Ruminococcaceae가 1.81%로 낮은 비중을 차지한 반면, Veillonellaceae가 22.51%로 가장 큰 비중을 차지함을 확인하였다. 그러나 동결 7일차 이상일 경우 미생물 군집은 공통적으로 Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Clostridiaceae, Bifidobacteriaceae 등이 고르게 분포되어 있음을 확인하였다. As a result, it was confirmed that Ruminococcaceae has a low proportion of 1.81% in microbial communities, while Veillonellaceae has a greatest proportion in 22.51% of unfreezed sludge . However, in the case of more than 7 days of freezing , it was confirmed that Ruminococcaceae , Lachnospiraceae , Lactobacillaceae , Clostridiaceae and Bifidobacteriaceae were distributed evenly in the microbial community.
이를 통해 동결 7 일차 이후부터는 혐기성 소화 슬러지의 미생물 군집이 변화하여 아세트산과 부티르산 생산에 적합한 미생물 군집을 형성한다는 것을 확인하였다. From the 7th day after freezing, it was confirmed that the microbial community of anaerobic digestion sludge changed to form a microbial community suitable for the production of acetic acid and butyric acid.
다음으로, 상기 실시예 2-1 내지 2-4에 따른 혐기성 소화 슬러지 50 mL/L를 음식물 쓰레기 150 g/L와 혼합 후(총량 200 mL, pH 6.2-7.0), 상온 조건 및 150 rpm의 교반 조건 하에서 혐기 배양을 실시하였으며, 배양 시간에 따른 유기산 생산량을 측정하여 그 결과를 하기 도 3 내지 도 6에 나타내었다.Next, 50 mL / L of the anaerobic digestion sludge according to Examples 2-1 to 2-4 was mixed with 150 g / L of food waste (
측정 결과, 동결 전처리 과정을 거치지 않은 경우와 동결 전처리 과정을 거친 경우 모두 아세트산의 생산 속도 및 생산량은 배양 기간이 경과함에 따라 상승하는 경향을 보인 반면, 부티르산의 생산 속도 및 생산량은 동결 전처리 과정을 수행한 경우에 급격히 향상됨을 확인할 수 있었다.As a result of measurement, the production rate and production of acetic acid tended to increase with the lapse of incubation time in both of the case where the freeze pretreatment process and the freeze pretreatment process were performed, while the production rate and production amount of butyric acid It was confirmed that the improvement was rapid in one case.
실시예Example 3. 3. 계대Pass 배양에 따른 유기산 생산량 측정 Measurement of organic acid production by culture
상기 실시예 2-2에 따라 - 80 ℃에서 7일간 동결 후 상온에서 해동된 혐기성 소화 슬러지 50 mL/L를 음식물 쓰레기 150 g/L와 혼합 후 (총량 200 mL, pH 6.2-7.0), 상온 조건 및 150 rpm의 교반 조건하에서 혐기 배양한 배양액 중 10 ml를 음식물 쓰레기 150 g/L와 다시 혼합 및 배양하는 방식으로 계대 배양을 실시하였으며, 배양 기간 동안의 유기산 생산량 변화를 측정하여 그 결과를 하기 도 7에 나타내었다.In accordance with Example 2-2, 50 mL / L of anaerobic digested sludge thawed at room temperature after freezing at -80 ° C. for 7 days was mixed with 150 g / L of food waste (
측정 결과, 본 발명에 따른 계대 배양을 실시할 경우, 아세트산과 부티르산을 생산하는 미생물 군집이 우점화되어 배양기간 동안 아세트산과 부티르산의 생산량이 높은 배양액을 계속적으로 생산할 수 있음을 확인하였다. 또한, 아세트산과 부티르산 생산 미생물 군집의 우점화를 위해 부티르산과 아세트산 생산량이 급격히 상승하는 시점(부티르산의 농도가 6 g/L 이상이고, 아세트산의 농도가 2 g/L 이상일 때)에 계대 배양을 수행하는 것이 더욱 바람직함을 확인하였다. As a result of the measurement, it was confirmed that when the subculture according to the present invention was carried out, the microbial community producing acetic acid and butyric acid was ignited, and the culture medium with high production of acetic acid and butyric acid during the culture period could be continuously produced. In order to ignite the acetic acid and butyric acid-producing microbial communities, subculture was performed at the point where the production of butyric acid and acetic acid rapidly increased (when the concentration of butyric acid was 6 g / L or more and the concentration of acetic acid was 2 g / L or more) It was confirmed that it is more desirable to
실시예Example 4. 음식물 쓰레기와 혐기성 4. Food waste and anaerobic 소화조Digester 슬러지의Sludge 혼합 발효액에 In the mixed fermentation broth 메가스파에라Mega Spasera 헥사노이카Hexanoika (( MegasphaeraMegasphaera hexanoicahexanoica ) 균주() Strain KCCM11835PKCCM11835P )를 접종하여 배양시 헥), And cultured 사노익산Sano Iksan 생산량 측정 Production quantity measurement
상기 실시예 2-2에 따라 - 80 ℃에서 7일간 동결 후 상온에서 해동된 혐기성 소화 슬러지 50 mL/L를 음식물 쓰레기 150 g/L와 혼합 후 (총량 200 mL, pH 6.2-7.0), 상온 조건 및 150 rpm의 교반 조건하에서 혐기 배양하여 아세트산과 부티르산이 생산된 1차 배양액에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종 및 배양시 헥사노익산 생산량을 측정하여 그 결과를 하기 도 8에 나타내었다.In accordance with Example 2-2, 50 mL / L of anaerobic digested sludge thawed at room temperature after freezing at -80 ° C. for 7 days was mixed with 150 g / L of food waste (
이때, 상기 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 접종 전에 효모 추출물(Yeast extract) 10 g/L, K2HPO4 2 g/L, 염 용액(Salt solution) 40 mL/L, 프룩토스 20 g/L, 아세트산 나트륨(Sodium acetate) 3 g/L 및 시스테인-HCl 0.5 g/L를 포함하는 배지에서 증균 배양을 실시하였다.Before the inoculation, the Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) was added with 10 g / L of yeast extract, 2 g / L of K 2 HPO 4 , 40 mL / L of salt solution , 20 g / L of fructose, 3 g / L of sodium acetate and 0.5 g / L of cysteine-HCl.
도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법을 따를 경우, 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P) 배양 초기부터 헥사노익산 생산량이 증가하는 것을 확인하였으며, 최대 생산량은 약 3.5 g/L로 생산성이 매우 우수함을 확인하였다.As shown in FIG. 8, when the method of the present invention was followed, the production of hexanoic acid was found to increase from the early stage of the culture of Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P), and the maximum yield was about 3.5 g / L and the productivity was excellent.
실시예Example 5. 음식물 쓰레기와 혐기성 5. Food waste and anaerobic 소화조Digester 슬러지의Sludge 혼합 발효액에 In the mixed fermentation broth 프룩토스(Fructose)를Fructose 첨가하고 Add 메가스파에라Mega Spasera 헥사노이카Hexanoika (( MegasphaeraMegasphaera hexanoicahexanoica ) 균주(KCCM11835P)를 접종하여 배양시 ) Strain (KCCM11835P) was inoculated and cultured 헥사노익산Hexanoic acid 생산량 측정 Production quantity measurement
상기 실시예 2-2에 따라 - 80 ℃에서 7일간 동결 후 상온에서 해동된 혐기성 소화 슬러지 50 mL/L를 음식물 쓰레기 150 g/L와 혼합 후 (총량 200 mL, pH 6.2-7.0), 상온 조건 및 150 rpm의 교반 조건하에서 혐기 배양하여 아세트산과 부티르산이 생산된 1차 배양액에 프룩토스 20 g/L를 첨가하고, 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종 및 배양시 헥사노익산 생산량을 측정하여 그 결과를 하기 도 9에 나타내었다.In accordance with Example 2-2, 50 mL / L of anaerobic digested sludge thawed at room temperature after freezing at -80 ° C. for 7 days was mixed with 150 g / L of food waste (
이때, 상기 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 접종 전에 효모 추출물(Yeast extract) 10 g/L, K2HPO4 2 g/L, 염 용액(Salt solution) 40 mL/L, 프룩토스 20 g/L, 아세트산 나트륨(Sodium acetate) 3 g/L 및 시스테인-HCl 0.5 g/L를 포함하는 배지에서 증균 배양을 실시하였다.Before the inoculation, the Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) was added with 10 g / L of yeast extract, 2 g / L of K 2 HPO 4 , 40 mL / L of salt solution , 20 g / L of fructose, 3 g / L of sodium acetate and 0.5 g / L of cysteine-HCl.
도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 프룩토스 첨가 후 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P) 배양시 배양 초기부터 헥사노익산 생산량이 급격히 증가함을 확인하였으며, 최대 생산량은 약 8.5 g/L로 생산성이 현저히 향상됨을 확인하였다.As shown in FIG. 9, it was confirmed that the production of hexanoic acid from the initial stage of culture when the megaspaira hexanoica strain (KCCM11835P) was cultured after the addition of fructose according to the method of the present invention, Was about 8.5 g / L, indicating that the productivity was remarkably improved.
Claims (10)
(b) 상기 1차 배양액에 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)를 접종 및 배양하여 2차 배양액을 생성하는 단계; 및
(c) 상기 2차 배양액으로부터 헥사노익산을 회수하는 단계;를 포함하는 헥사노익산 생산방법.(a) mixing food waste and anaerobic digestion sludge and culturing under predetermined temperature and anaerobic conditions to produce a primary culture medium in which acetic acid and butyric acid are produced;
(b) inoculating and culturing Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) in the primary culture to produce a secondary culture; And
(c) recovering the hexanoic acid from the secondary culture.
상기 혐기성 소화 슬러지는 -50 내지 -100 ℃에서 7일 이상 동결 후 해동된 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the anaerobic digestion sludge is thawed after freezing for more than 7 days at -50 to -100 ° C.
상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에,
(ⅰ) 상기 (a) 단계의 1차 배양액을 음식물 쓰레기와 혼합하여 혐기적 조건하에서 계대 배양을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Between the steps (a) and (b)
(I) performing subculturing under anaerobic conditions by mixing the primary culture of step (a) with food waste; and
상기 (i) 단계는 상기 (a) 단계의 1차 배양액에 포함된 부티르산의 농도가 6 g/L 이상이고, 아세트산의 농도가 2 g/L 이상일 때 수행되는 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method of claim 3,
Wherein the step (i) is carried out when the concentration of butyric acid contained in the primary culture liquid of step (a) is 6 g / L or more and the concentration of acetic acid is 2 g / L or more .
상기 (a) 단계의 소정의 온도는 20 내지 40 ℃인 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined temperature of step (a) is 20 to 40 占 폚.
상기 음식물 쓰레기의 농도는 50 내지 150 g/L인 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the food waste has a concentration of 50 to 150 g / L.
상기 혐기성 소화 슬러지의 농도는 30 내지 70 mL/L인 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the anaerobic digestion sludge is 30 to 70 mL / L.
상기 (b) 단계는 상기 1차 배양액에 10 내지 30 g/L의 프룩토스(fructose)가 첨가된 조건하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (b) is performed under the condition that 10 to 30 g / L of fructose is added to the primary culture.
상기 (b) 단계에서 상기 1차 배양액에 접종되는 메가스파에라 헥사노이카(Megasphaera hexanoica) 균주(KCCM11835P)는 증균 배양된 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.The method according to claim 1,
Wherein the Megasphaera hexanoica strain (KCCM11835P) inoculated in the primary culture in step (b) is cultivated in an enriched manner.
상기 증균 배양은 효모 추출물(Yeast extract) 8 내지 12 g/L, K2HPO4 1 내지 3 g/L, 염 용액(Salt solution) 30 내지 50 mL/L, 프룩토스 10 내지 30 g/L, 아세트산 나트륨(Sodium acetate) 1 내지 5g/L 및 시스테인-HCl 0.1 내지 1 g/L를 포함하는 배양액에서 수행되는 것을 특징으로 하는 헥사노익산 생산방법.10. The method of claim 9,
The enrichment culture is carried out in the presence of 8 to 12 g / L yeast extract, 1 to 3 g / L K 2 HPO 4 , 30 to 50 mL / L salt solution, 10 to 30 g / L fructose, 1 to 5 g / L of sodium acetate and 0.1 to 1 g / L of cysteine-HCl in a culture medium containing hexanoic acid.
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