KR20180077972A - Method of producing formate using Acetobacterium woodii - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a formate production method comprises: a step of converting carbon monoxide contained in a carbon monoxide-containing gas into carbon dioxide; a step of bringing the carbon dioxide into contact with formate dehydrogenase (FDR) derived from microorganisms, Acetobacterium woodii; and a step of suppressing synthesis of sodium-dependent ATPase of the microorganisms, Acetobacterium woodii. Accordingly, the microorganisms, Acetobacterium woodii can be used to produce formate from CO, which can solve environmental problems and bring economic benefits.

Description

미생물 Acetobacterium woodii를 이용한 포르메이트(formate)의 생산 방법{Method of producing formate using Acetobacterium woodii}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for producing formate using microorganism Acetobacterium woodii (Acetobacterium woodii)

본 발명은 포르메이트(formate)의 생산 방법, 더욱 상세하게는 미생물 Acetobacterium woodii를 이용함으로써 일산화탄소(Carbon monoxide, CO)를 출발 물질로 하여 포르메이트를 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for the production of formates, and more particularly to a process for producing formate using carbon monoxide (CO) as a starting material by using the microorganism Acetobacterium woodii .

일산화탄소는 산소보다 혈중 적혈구 세포의 헤모글로빈에 대한 친화력이 높다. 이로 인하여 CO가 일정 농도 이상이 포함된 공기를 흡입할 경우 산소 부족현상으로 인하여 심장박동수 증가로 인한 혈압증가로 인한 혈관손상 및 최악의 경우 의식불명, 사망에까지 이를 수 있다. Carbon monoxide has a higher affinity for blood hemoglobin than for oxygen. Therefore, when CO is inhaled with air containing a certain concentration or more, it may cause vascular damage due to increase of blood pressure due to an increase in heart rate due to lack of oxygen, worst case unconsciousness and death.

가정이나 산업현장에서 탄소의 불완전한 연소로 상당히 많은 양의 CO가 발생한다. 그중에서도 제철 공장 등에서 생성되는 부생 가스에는 적게는 8%에서 많게는 60% 이상의 CO가 포함되어 있다. Incomplete combustion of carbon in homes or industrial sites generates a considerable amount of CO. Among them, the by-product gas generated from steel mills contains less than 8% and more than 60% CO.

한국 등록특허 제10-1524340호 (공고일 2015.06.04)Korean Patent No. 10-1524340 (Publication date 2015.06.04)

이러한 CO 포함 폐가스는 환경에 악영향을 끼치고, 처리하는 데 별도의 공정을 거쳐야 하므로, 막대한 비용이 소모된다. Such CO-containing waste gas adversely affects the environment and requires a separate process to be performed, so that a great cost is consumed.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 미생물 Acetobacterium woodii를 이용함으로써 일산화탄소(Carbon monoxide, CO)를 출발 물질로 하여 포르메이트(formate)를 생산하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. DISCLOSURE Technical Problem The present invention has been made to solve various problems including the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a microbial Acetobacterium It is an object of the present invention to provide a method for producing formate using carbon monoxide (CO) as a starting material by using woodii .

본 발명에 따른 포르메이트의 생산 방법은, 일산화탄소를 포함하는 기체의 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 단계; 상기 이산화탄소에 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 포르메이트 탈수소효소(formate dehydrogenase, FDR)를 접촉시켜 포르메이트를 생성하는 단계; 및 상기 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소(sodium-dependent ATPase)의 합성을 억제하는 단계;를 포함한다. The method for producing a formate according to the present invention comprises the steps of: converting the carbon monoxide of a gas containing carbon monoxide into carbon dioxide; Contacting the carbon dioxide with formate dehydrogenase (FDR) derived from microorganism Acetobacterium woodii to formate; And inhibiting the synthesis of the sodium-dependent ATP synthase of the microorganism Acetobacterium woodii .

상기 일산화탄소를 상기 이산화탄소로 변환시키는 단계는, 상기 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 일산화탄소 탈수소효소(carbon monoxide dehydrogenase; CODH)를 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. The step of converting the carbon monoxide into the carbon dioxide may include contacting carbon monoxide dehydrogenase (CODH) derived from the microorganism Acetobacterium woodii .

상기 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하는 단계는, 나트륨 이오노포어(sodium ionophore)를 이용하여 나트륨 이온을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. The step of inhibiting the synthesis of the sodium-dependent ATP synthase may include the step of removing sodium ions using sodium ionophore.

상기 나트륨 이오노포어는, ETH 157, ETH 227, ETH 2120 및 ETH 4120을 포함하는 그룹 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The sodium ionophor may include any one of the group including ETH 157, ETH 227, ETH 2120 and ETH 4120.

일 실시예에 따른 포르메이트의 생산 방법은, 상기 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하는 단계 전에 중탄산칼륨(KHCO3)을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of producing a formate according to an embodiment may further include adding potassium bicarbonate (KHCO 3 ) before the step of inhibiting the synthesis of the sodium-dependent ATP synthase of the microorganism Acetobacterium woodii .

상기 기체의 상기 일산화탄소의 부피비율은 40% 이상 60% 미만일 수 있다. The volume ratio of the carbon monoxide in the gas may be from 40% to less than 60%.

상기 기체는 철강 제조 공정에서 발생한 것일 수 있다. The gas may be generated in a steel manufacturing process.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명에 따르면, 즉 포름산의 음이온인 포르메이트를 독성을 가진 CO로부터, 특히 철강 제조 공정 등에서 발생한 CO를 포함하는 폐가스로부터 생산할 수 있다. 포르메이트는 산업적으로 높은 가치를 지니는 유기 물질이므로, 미생물 Acetobacterium woodii를 이용하여 CO로부터 포르메이트를 생산할 수 있어, 환경적인 문제를 해결하고 경제적인 이익을 가져다 줄 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the present invention, the formate which is the anion of formic acid can be produced from toxic CO, in particular, from waste gas including CO generated in a steel manufacturing process and the like. Since formate is an industrially valuable organic material, the microbial Acetobacterium woodii can be used to produce formate from CO, which can solve environmental problems and bring economic benefits. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 이산화탄소로부터 아세테이트(acetate, CH3COO-)를 생성하는 미생물 Acetobacterium woodii의 우드-융달 경로(Wood-Ljungdahl pathway)를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 포르메이트(formate)의 생산 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 CO의 농도에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 중탄산칼륨(KHCO3)의 첨가 여부 및 CO의 농도에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 미생물 Acetobacterium woodii의 셀(cell)의 양에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a view showing the Wood-Ljungdahl pathway of the microorganism Acetobacterium woodii producing acetate (CH 3 COO - ) from carbon dioxide.
2 is a flowchart showing a method of producing a formate according to the present invention.
3 is a graph showing the concentration of formate according to the concentration of CO.
4 is a graph showing the addition of potassium bicarbonate (KHCO 3 ) and the concentration of formate according to the concentration of CO.
Figure 5 shows the microbial Acetobacterium FIG. 2 is a graph showing the concentration of formate according to the amount of cells of woodii . FIG.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. The effects and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be implemented in various forms.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 같거나 대응하는 구성 요소는 같은 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components throughout the drawings, and a duplicate description thereof will be omitted .

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In the following examples, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.In the following embodiments, terms such as inclusive or possessive are intended to mean that a feature, or element, described in the specification is present, and does not preclude the possibility that one or more other features or elements may be added.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components throughout the drawings, and a duplicate description thereof will be omitted .

도 1은 이산화탄소(CO2)로부터 아세테이트를 생성하는 미생물 Acetobacterium woodii의 우드-융달 경로(Wood-Ljungdahl pathway)를 나타낸 그림이다.1 is a view showing a Wood-Ljungdahl pathway of a microorganism Acetobacterium woodii that produces acetate from carbon dioxide (CO 2 ).

Acetobacterium woodii는 혐기성(anaerobic) 미생물로써, 도 1의 우드-융달 경로를 통해 이산화탄소를 아세테이트 혹은 CO로 전환한 뒤 일산화탄소 탈수소효소/아세틸-CoA 합성효소(CO dehydrogenase/Acetyl-CoA synthase, CODH/ACS)를 통해 최종적으로 아세테이트를 생성한다. 도 1의 A 부분을 참조하면, 이 과정에서 중간 산물로 포르메이트가 생성된다. Acetobacterium woodii is an anaerobic microorganism that converts carbon dioxide to acetate or CO through the wood-firming pathway of FIG. 1 and then converts the carbon monoxide dehydrogenase / acetyl-CoA synthase (CODH / ACS) Lt; RTI ID = 0.0 > acetate. ≪ / RTI > Referring to Part A of FIG. 1, formate is formed as an intermediate product in this process.

포르메이트는 포름산(formic acid, HCOOH)의 음이온(anion)으로, HCOO-의 화학식을 가진다. 포름산은 독성이 있어 박테리아를 죽이기 위해 동물 사료에 첨가되거나, 고무 제조에서 응고제로 사용되는 등 쓰임새가 많은 유기산(organic acid)이다. Formate is an anion of formic acid (HCOOH) and has the formula HCOO - . Formic acid is a toxic organic acid used in animal feeds to kill bacteria or used as a coagulant in rubber manufacturing.

도 2는 본 발명에 따른 포르메이트의 생산 방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart showing a method for producing a formate according to the present invention.

본 발명에 따른 포르메이트의 생산 방법은, 일산화탄소를 포함하는 기체의 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 단계; 상기 이산화탄소에 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 포르메이트 탈수소효소(formate dehydrogenase, FDR)를 접촉시켜 포르메이트를 생성하는 단계; 및 상기 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소(sodium-dependent ATPase)의 합성을 억제하는 단계;를 포함한다. The method for producing a formate according to the present invention comprises the steps of: converting the carbon monoxide of a gas containing carbon monoxide into carbon dioxide; Contacting the carbon dioxide with formate dehydrogenase (FDR) derived from microorganism Acetobacterium woodii to formate; And inhibiting the synthesis of the sodium-dependent ATP synthase of the microorganism Acetobacterium woodii .

도 2의 (a)를 참조하면, CO가 CO2로 변환된다. 이러한 CO의 산화는 소량이지만 자발적으로 일어날 수 있다. CO가 CO2로 산화될 때, 2개의 전자와 2개의 양성자(proton)가 생성된다. 한편 도 2의 (b)와 같이 CO2가 포르메이트로 환원될 때는 2개의 전자와 양성자가 소모된다. 따라서 도 2의 (a) 및 (b)와 같이 CO에서 CO2로, CO2에서 포르메이트로 이어지는 연속적인 반응이 가능하게 된다. Referring to FIG. 2 (a), CO is converted to CO 2 . Such CO oxidation can occur spontaneously in small amounts. When CO is oxidized to CO 2 , two electrons and two protons are generated. On the other hand, when CO 2 is reduced to formate as shown in FIG. 2 (b), two electrons and protons are consumed. 2 (a) and 2 (b), a continuous reaction from CO to CO 2 and from CO 2 to formate is possible.

CO는 대기 중에서 안정한 상태로 존재하기 때문에 자발적인 산화 반응으로 CO2로 전환되는 비율은 낮다. 따라서 CO를 CO2로 전환시키기 위해서는 촉매를 이용한 접촉 산화 방식을 택하는 것이 바람직하다. Since CO exists in a stable state in the atmosphere, the rate of conversion to CO 2 by spontaneous oxidation is low. Therefore, in order to convert CO to CO 2 , it is preferable to employ a catalytic oxidation method.

일 실시예에 따르면, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 단계는, 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 일산화탄소 탈수소효소(carbon monoxide dehydrogenase; CODH)를 접촉시키는 단계를 포함한다. According to one embodiment, the step of converting carbon monoxide to carbon dioxide comprises contacting carbon monoxide dehydrogenase (CODH) derived from the microorganism Acetobacterium woodii .

미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 일산화탄소 탈수소효소(CODH, enzyme code: EC: 1.2.99.2)는 Acetobacterium woodii의 acsA 유전자에 의해 코딩된다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, CO를 CO2로 변환시키는 단계 및 CO2를 포르메이트로 변환시키는 단계에서 각각 CODH, FDR가 사용된다. 이러한 CODH가 존재하는 경우, CO에서 CO2로의 산화 반응이 활발하게 일어나므로, 최종 산물인 포르메이트의 생산량이 증가한다. 이때, Acetobacterium woodii은 양 효소를 모두 합성할 수 있으므로, 하나의 미생물만으로도 도 2의 모든 단계가 수행될 수 있다. Microorganism Acetobacterium a carbon monoxide dehydrogenase derived from woodii (CODH, enzyme code: EC : 1.2.99.2) was Acetobacterium It is encoded by the acase gene of woodii. Referring to Figures 2 (a) and 2 (b), CODH and FDR are used in the step of converting CO to CO 2 and the step of converting CO 2 to formate, respectively. When such CODH is present, the oxidation reaction from CO to CO 2 is actively carried out, so that the yield of the final product formate is increased. At this time, Acetobacterium Since woodii can synthesize both enzymes, all steps of Fig. 2 can be performed with only one microorganism.

한편, 도 2의 B 부분을 참조하면, Acetobacterium woodii는 나트륨-의존 ATP 합성 효소를 가지고 있어서, 나트륨 이온의 양에 비례하여 ATP를 합성한다. 합성된 ATP는 포르메이트가 다음 단계인 포르밀-THF(Formyl-THF)를 합성할 때 사용된다. 즉 ATP가 존재하는 경우 Acetobacterium woodii의 우드-융달 경로가 그대로 진행되므로, 포르메이트는 중간 산물로만 존재할 뿐 대량생산될 수 없다. 따라서, 만약 나트륨 이온을 제거할 수 있다면 도 2의 (c)와 같이 ATP의 합성이 저해되고, 결과적으로 도 2의 (d)와 같이 포르밀-THF 합성이 저해되어 포르메이트가 축적된다. 즉 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하여야만 포르메이트를 최종 산물로 생산할 수 있다. On the other hand, referring to part B of FIG. 2, Acetobacterium Woodii has a sodium-dependent ATP synthase that synthesizes ATP in proportion to the amount of sodium ions. The synthesized ATP is used to synthesize formyl-THF (Formyl-THF), the next step of formate. That is, when ATP is present, Acetobacterium Since the wood-firming pathway of woodii progresses intact, formate is present only as an intermediate product and can not be mass produced. Therefore, if the sodium ion can be removed, the synthesis of ATP is inhibited as shown in Fig. 2 (c), and as a result, formyl-THF synthesis is inhibited as shown in Fig. 2 (d), and formate is accumulated. That is, the microorganism Acetobacterium It is only necessary to inhibit the synthesis of sodium-dependent ATP synthase in woodii to produce formate as the final product.

일 실시예에 따르면, 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하는 단계는, 나트륨 이오노포어(sodium ionophore)를 이용하여 나트륨 이온을 제거하는 단계를 포함한다. 이오노포어는 이온(ion)과 결합할 수 있는 화학물질로, 보통 지질(lipid)에 용해되어 세포막(cell membrane)을 통과함으로써 이온을 전달하는 기능을 수행한다. According to one embodiment, the step of inhibiting the synthesis of a sodium-dependent ATP synthase comprises the step of removing sodium ions using sodium ionophore. Ionophor is a chemical substance that can bind to ions, usually dissolved in lipids and passes ions through the cell membrane.

일 실시예에 따르면, 나트륨 이오노포어는 ETH 157, ETH 227, ETH 2120 및 ETH 4120를 포함하는 그룹 중 어느 하나를 포함할 수 있다. ETH 157, ETH 227, ETH 2120 및 ETH 4120은 각각 아래의 [화학식 1] 내지 [화학식 4]를 갖는다. According to one embodiment, the sodium ionophor may comprise any one of the group comprising ETH 157, ETH 227, ETH 2120 and ETH 4120. ETH 157, ETH 227, ETH 2120 and ETH 4120 have the following Chemical Formulas 1 to 4, respectively.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 2](2)

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 3](3)

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

이와 같은 나트륨 이오노포어는 나트륨 이온과 결합하여 나트륨 이온을 제거함으로써, ATP 합성효소의 합성을 억제한다. 이에 따라 우디-융달 경로에서의 포르메이트의 대사가 억제되므로, 포르메이트를 최종 산물로 생산할 수 있다. Such sodium ionophores inhibit the synthesis of ATP synthase by binding sodium ions to remove sodium ions. This inhibits the metabolism of formate in the woody-firming pathway, so that the formate can be produced as a final product.

<< 실시예Example >>

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

1-1. 배양 조건1-1. Culture conditions

실험에 사용된 균주 Acetobacterium woodii (KCTC 1655)는 동결-건조 세포(freeze-dry cell)의 형태로 분양받아 사용하였다.The strain Acetobacterium woodii (KCTC 1655) were used in the form of freeze-dry cells.

균주의 배양을 위한 배지는 다음과 같은 조성으로 이루어져 있다. KH2PO4 0.2 g/L; NH4Cl 0.25 g/L; NaCl 1.16 g/L; MgSO4·7H2O 1.45 g/L; CaCl2 0.11 g/L; KCl 0.5 g/L; Yeast Extract 2.0 g/L; 0.5 ml/L 0.1% w/v resazurin solution; SL9 Trace element solution 1.0 ml/L; Selenite-Tungstate Solution 1.0 ml/L; 0.4 g/L Cysteine-hydrochloride monohydrate; 6.0 g/L KHCO3; 그리고 pH 7.0 - 7.1까지 HCl을 사용하여 적정한다. 그리고 20 ml/L DSMZ 141 vitamin solution을 필터 멸균(filter sterilization)하여 넣어준다. 배지(Medium)는 500ml 배양병(serum bottle)에 100ml을 넣고 N2/CO2 (80:20)로 헤드스페이스 퍼징(head space purging)하여 밀봉한다. The culture medium for the culture of the strain has the following composition. KH 2 PO 4 0.2 g / L; NH 4 Cl 0.25 g / L; NaCl 1.16 g / L; MgSO 4揃 7H 2 O 1.45 g / L; CaCl 2 0.11 g / L; KCl 0.5 g / L; Yeast Extract 2.0 g / L; 0.5 ml / L 0.1% w / v resazurin solution; SL9 Trace element solution 1.0 ml / L; Selenite-Tungstate Solution 1.0 ml / L; 0.4 g / L Cysteine-hydrochloride monohydrate; 6.0 g / L KHCO 3 ; And titrate with HCl to pH 7.0 - 7.1. Then add 20 ml / L DSMZ 141 vitamin solution by filter sterilization. Medium is prepared by placing 100 ml in a 500 ml serum bottle and head space purging with N 2 / CO 2 (80:20).

균주의 탄소 원(Carbon source)으로는 과당(Fructose, 20mM)을 사용하였으며, 배지(Medium)와는 별도로 필터 멸균(filter sterilization) 또는 고압증기 멸균(autoclave)하여 셀(cell)의 접종 전에 넣어준다.Fructose (20mM) was used as a carbon source of the strain and filter sterilization or autoclave was performed separately from the medium to be inoculated before cell inoculation.

셀(Cell)의 성장 시에 생성 혹은 소모되는 과당(fructose), 포르메이트, 아세테이트 등의 물질은 HPLC(High performance liquid chromatography; Agilent) 분석을 통해 측정하였다. Materials such as fructose, formate, and acetate, which are produced or consumed during cell growth, were measured by high performance liquid chromatography (Agilent) analysis.

1-2. 1-2. AcetobacteriumAcetobacterium woodiiwoodii 휴면 셀(Dormant cell ( restingresting cellcell )을 이용한 ) CO로부터의From CO 포르메이트Formate 생성 produce

OD600 = 1.5일 때 4℃, 11.300 g으로 10분간 원심 분리하여 셀을 수확한다. 수확된 셀은 50mM 이미다졸 완충용액(imidazole buffer: 50mM imidazole, 20mM MgSO4, 20mM KCl, 4mM dithioerythritol)을 사용하여 1회 워싱(washing)한 뒤에 같은 완충용액(buffer)에 필요에 따라 50mM 중탄산칼륨(KHCO3)을 첨가하여 준비하였다. 그 후 조성이 다른 CO 기체(10%, 50%, 100%, N2 혼합)를 헤드스페이스 퍼징(head space purging)한 뒤, 4℃, 100rpm의 항온수조(shaking water bath)에서 반응을 진행하였다. Cells were harvested by centrifugation at 4 ° C and 11.300 g for 10 min at OD600 = 1.5. The harvested cells were washed once with 50 mM imidazole buffer (50 mM imidazole, 20 mM MgSO 4 , 20 mM KCl, and 4 mM dithioerythritol), and then added to the same buffer solution as necessary using 50 mM potassium bicarbonate (KHCO 3 ). Subsequently, head space purging was performed on CO gas (10%, 50%, 100%, N 2 mixed) having different compositions and the reaction was carried out in a shaking water bath at 4 ° C. and 100 rpm .

모든 과정은 혐기성 챔버(anaerobic chamber, COY Laboratory)를 이용하여 절대 혐기성(strictly anaerobic) 조건에서 진행하였다. 생성되는 포르메이트 및 아세테이트는 위와 같이 HPLC 분석을 통해 측정하였다. 한편, ATP 합성효소의 합성을 억제하기 위하여 ETH 2120를 사용하였다. The entire process was carried out under strictly anaerobic conditions using an anaerobic chamber (COY Laboratory). The resultant formate and acetate were measured by HPLC analysis as above. On the other hand, ETH 2120 was used to inhibit the synthesis of ATP synthase.

2. 결과2. Results

2-1. 2-1. CO의Of CO 농도에 따른  Depending on concentration 포르메이트Formate 생산량 output

도 3은 CO의 농도에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다. 13mg 건조 셀(dry cell)에 100%, 50%, 10% CO (N2 혼합) 기체를 헤드스페이스 퍼징(head space purging)하여 CO의 농도에 따른 포르메이트 생산량의 변화를 관측하였다. 도 3에서 보듯, 50% CO 기체를 사용하였을 때가 100% CO 기체를 사용하였을 때 보다 약 2배 정도의 생산량을 보였으며, 10% CO 기체를 사용하였을 때는 25시간 후에 2mM이 생성된 뒤 더 이상 증가하지 않았다. 한편 아세테이트는 소량 생성된 뒤 더 이상 증가하지 않았다(미도시).3 is a graph showing the concentration of formate according to the concentration of CO. The changes in formate production with CO concentration were observed by head space purging 100%, 50%, 10% CO (N 2 mixed) gas in 13 mg dry cell. As shown in FIG. 3, when 50% CO gas was used, the yield was about twice that of 100% CO gas. When 10% CO gas was used, 2 mM was produced after 25 hours, Did not increase. Acetate, on the other hand, did not increase after small amounts (not shown).

CO의 농도가 100%에 가까워지는 경우 CO 자체의 독성(toxicity)에 의해 Acetobacterium woodii의 대사가 저해된다. 반면 10% CO의 경우는 출발물질(substrate)인 CO의 양 자체가 적기 때문에, 생산량이 일정 수준에서 증가하지 않게 된다. 따라서 포르메이트 생산에 있어서 최적(optimal) CO 농도가 존재한다. When the concentration of CO approaches 100%, metabolism of Acetobacterium woodii is inhibited by the toxicity of CO itself. On the other hand, in the case of 10% CO, the production amount does not increase at a certain level because the amount of CO as a starting material is small. There is therefore an optimal CO concentration in formate production.

일 실시예에 따르면, 일산화탄소의 부피비율은 40% 이상 60% 미만일 수 있다. 도 3을 참조하면, CO의 농도가 약 50% 일 때 포르메이트의 생산량이 최대가 되므로, 상기 값 근처에 포르메이트 생산 최적 CO 농도가 있다. 즉 CO의 농도가 50% 근처인 40% 이상 60% 미만인 경우, 포르메이트의 생산량이 최대가 될 수 있다. 한편 이러한 CO의 농도 조절은 CO 기체에 N2 를 혼합(balanced)하여 이루어질 수 있다. According to one embodiment, the volume ratio of carbon monoxide may be between 40% and less than 60%. Referring to FIG. 3, since the yield of formate is maximized when the concentration of CO is about 50%, there is an optimum CO concentration of formate near the above value. In other words, when the concentration of CO is less than 60%, which is about 50%, the yield of formate can be maximized. The concentration of CO can be controlled by mixing N 2 with CO gas.

2-2. 2-2. KHCOKHCO 33 유무에 따른  Depending on availability 포르메이트Formate 생산량 output

도 4는 중탄산칼륨(KHCO3)의 첨가 여부 및 CO의 농도에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다. 이때는 14mg 건조 셀(Dry cell), 5ml 이미다졸 완충용액(imidazole buffer)에 50mM KHCO3 첨가 여부를 달리하여 실험을 진행하였다. 이때 역시 위의 실험과 동일한 CO 가스 조성(10%, 50%, 100%)을 사용하였다. 첨가된 KHCO3은 CO2를 공급해주기 위한 것이다. 대조군으로, CO2만 단독으로 존재할 때의 영향을 보기 위해 CO2를 헤드스페이스 퍼징(headspace purging)한 세트(set)를 같이 실험하였으나 이 경우에는 포르메이트 생성이 관측되지 않았다. 이때, 50% CO gas에 50mM KHCO3를 첨가한 것이 190시간 후를 기준으로 40.47mM의 포르메이트를 생성하면서 가장 높은 생산량을 보였으며, 모든 세트에서 KHCO3를 넣어줬을 때 2~3배 가량의 포르메이트 생산량 증가를 보였다. 모든 세트에서 아세테이트는 소량 생성된 뒤 증가하지 않았다(미도시).4 is a graph showing the addition of potassium bicarbonate (KHCO 3 ) and the concentration of formate according to the concentration of CO. In this case, the experiment was carried out by varying the addition of 50 mM KHCO 3 to 14 mg dry cell and 5 ml imidazole buffer. At this time, the same CO gas composition (10%, 50%, 100%) was used as in the above experiment. The added KHCO 3 is intended to supply CO 2 . As a control, CO 2 man in this case was not observed formate produced but a single experiment the CO 2 purging the head space (headspace purging) a set (set) to see the effects of the presence of such a. At this time, nearly showed the highest yield and to the addition of 50mM KHCO 3 in 50% CO gas generated in the formate 40.47mM the basis of 190 hours, when put gave the KHCO 3 in every set of two or three times the Showed an increase in formate production. Acetate in all sets did not increase after small amounts were generated (not shown).

KHCO3를 첨가함에 따라 포르메이트의 생산량이 변화하는 이유는, CO2를 포르메이트로 변환시키는 포르메이트 탈수소효소(Formate dehyrdogenase, FDR)의 기질(substate)의 증가로 인한 것이다. 그러나 CO2만 단독으로 존재할 경우(도 3의 ◆ 그래프)에는 포르메이트가 생산되지 않는다. CO2가 포르메이트로 환원되는 과정에서 양성자와 전자가 필요한데, CO를 같이 사용할 경우에는 CO의 산화 시 발생하는 양성자와 전자를 사용할 수 있기 때문에 포르메이트가 생성될 수 있다. 그러나 CO2 단독으로는 어떠한 양성자 또는 전자를 얻을 수 없으므로 반응이 진행되지 않는다. The reason that the amount of formate produced changes with the addition of KHCO 3 is due to an increase in the substrate of formate dehyrdogenase (FDR), which converts CO 2 to formate. However, formate is not produced when only CO 2 exists alone (the graph in Fig. 3). In the process of reducing CO 2 to formate, protons and electrons are needed. When CO is used together, formate can be formed because protons and electrons generated when CO is oxidized can be used. However, since no proton or electron can be obtained with CO 2 alone, the reaction does not proceed.

한편, 중간 기질인 CO2가 증가하면 반응속도가 증가할 것으로 생각되어 KHCO3의 양을 50, 100, 200mM로 변화시키면서 반응을 진행하였는데, 포르메이트 생산량의 큰 차이는 관찰되지 않았다. 이는 존재하는 CO2를 환원시키는 데 필요한 양성자와 전자를 공급하는 CO의 산화율(oxidation rate)이 다소 낮기 때문인 것으로 생각된다. 따라서 CO의 산화율을 증가시키기 위해 Acetobacterium woodii 유래의 CODH를 첨가하는 경우, CO에서 CO2로의 변환이 활발해져 결과적으로 포르메이트의 생산량이 증가하게 된다. On the other hand, when CO 2 , which is an intermediate substrate, is increased, the reaction rate is expected to increase, and the reaction proceeds while changing the amount of KHCO 3 to 50, 100 and 200 mM. This is thought to be due to the somewhat lower oxidation rate of CO supplying the protons and electrons needed to reduce existing CO 2 . Therefore, in order to increase the CO oxidation rate, Acetobacterium woodii When the derived CODH is added, the conversion of CO to CO 2 becomes active, resulting in an increase in the amount of formate produced.

2-3. 셀(2-3. Cell ( cellcell ) 양에 따른 Depending on the amount 포르메이트Formate 생산량 output

도 5는 미생물 Acetobacterium woodii의 셀(cell)의 양에 따른 포르메이트의 농도를 나타낸 그래프이다.Figure 5 shows the microbial Acetobacterium FIG. 2 is a graph showing the concentration of formate according to the amount of cells of woodii . FIG.

마지막으로는 셀(cell)의 양을 달리하여(26mg, 77mg) 실험을 진행하였다. 두 경우 모두 이미다졸 완충용액(imidazole buffer)을 사용하였고, 50mM KHCO3를 첨가하였으며, 50% 농도의 CO 기체를 퍼징(purging)하였다. 이때, 24시간 후 각각 15.80mM, 42.64mM의 포르메이트를 생성하면서 반응이 꾸준히 진행되었으나 그 이후로는 생성 속도가 감소하여 91시간 후 각각 32.62mM, 84.34mM의 포르메이트를 생성하였다. 아세테이트는 각각 1.90mM, 5.80mM 생성된 뒤 더 이상 증가하지 않았다(미도시).Finally, the experiment was carried out by varying the amount of cells (26 mg, 77 mg). In both cases, imidazole buffer was used, 50 mM KHCO 3 was added, and 50% CO gas was purged. After 24 hours, the reaction proceeded steadily with the formation of 15.80 mM and 42.64 mM formate, respectively. After that, the formation rate was decreased to produce 32.62 mM and 84.34 mM formate after 91 hours, respectively. Acetate did not increase any more after 1.90 mM and 5.80 mM, respectively (not shown).

당연히 셀(cell)의 양을 증가시킨다면 생성되는 포르메이트가 증가한다. 그러나 셀(cell)당 포르메이트 생성속도를 비교해보면 26mg을 사용했을 때는 0.0253mM/hr mg-DCW (dry cell weight, 건조 균체량)이고 77mg일 때는 0.0231mg/hr mg-DCW로 거의 비슷한 속도를 보였다. 24시간 이후로 생성속도가 감소하는 이유는 두 가지로 생각해 볼 수 있다. 첫 번째는 반응이 진행됨에 따라 질량 전달(mass transfer)이 감소하여 생성속도가 줄어드는 것이고, 두 번째는 셀의 생존도(cell viability)가 감소하여 점차 기능하지 못하는 것이다. 우선 셀의 양을 증가시켜도 단위 셀 당 포르메이트 생성 속도가 큰 차이를 보이지 않는 것으로 보아 첫 번째의 질량 전달의 영향은 적은 것으로 판단된다. 따라서 셀의 생존도를 증가시켜 포르메이트 생성 속도를 증가시킬 수 있다. Naturally, increasing the amount of cells increases the amount of formate produced. However, the rate of formation of formate per cell was about 0.0253 mM / hr mg-DCW (dry cell weight) when using 26 mg and 0.0231 mg / hr mg-DCW at 77 mg . There are two reasons why the generation rate decreases after 24 hours. The first is that as the reaction progresses, the mass transfer decreases and the rate of production decreases. Second, the cell viability decreases and gradually fails to function. First, even if the amount of cells is increased, the rate of formation of formate per unit cell does not show a large difference. Therefore, it is considered that the effect of the first mass transfer is small. Thus, the viability of the cell can be increased to increase the rate of formate formation.

본 발명에 따르면, 즉 포름산의 음이온인 포르메이트를 독성을 가진 CO로부터, 특히 철강 제조 공정 등에서 발생한 CO를 포함하는 폐가스로부터 생산할 수 있다. 포르메이트는 산업적으로 높은 가치를 지니는 유기 물질이므로, 미생물 Acetobacterium woodii를 이용하여 CO로부터 포르메이트를 생산할 수 있어, 환경적인 문제를 해결하고 경제적인 이익을 가져다 줄 수 있다.According to the present invention, the formate which is the anion of formic acid can be produced from toxic CO, in particular, from waste gas including CO generated in a steel manufacturing process and the like. Since formate is an industrially valuable organic material, the microbial Acetobacterium woodii can be used to produce formate from CO, which can solve environmental problems and bring economic benefits.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (7)

일산화탄소(Carbon Monoxide, CO)를 포함하는 기체의 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 단계;
상기 이산화탄소에 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 포르메이트 탈수소효소(formate dehydrogenase, FDR)를 접촉시켜 포르메이트(formate)를 생성하는 단계; 및
상기 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소(sodium-dependent ATPase)의 합성을 억제하는 단계;를 포함하는, 포르메이트의 생산 방법.
Converting the carbon monoxide in the gas containing carbon monoxide (CO) to carbon dioxide;
The above-mentioned microorganisms Acetobacterium contacting a formate dehydrogenase (FDR) derived from woodii to produce a formate; And
The microorganism Acetobacterium inhibiting the synthesis of a sodium-dependent ATP synthase of woodii .
제1항에 있어서,
상기 일산화탄소를 상기 이산화탄소로 변환시키는 단계는,
상기 미생물 Acetobacterium woodii에서 유래한 일산화탄소 탈수소효소(carbon monoxide dehydrogenase; CODH)를 접촉시키는 단계를 포함하는, 포르메이트의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of converting the carbon monoxide into carbon dioxide comprises:
The microorganism Acetobacterium a carbon monoxide dehydrogenase derived from woodii; comprising the step of contacting the (carbon monoxide dehydrogenase CODH), the production method of the formate.
제1항에 있어서,
상기 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하는 단계는,
나트륨 이오노포어(sodium ionophore)를 이용하여 나트륨 이온을 제거하는 단계를 포함하는, 포르메이트의 생산 방법.
The method according to claim 1,
The step of inhibiting the synthesis of the sodium-dependent ATP synthase comprises:
A process for the production of formates, comprising the step of removing sodium ions using a sodium ionophore.
제3항에 있어서,
상기 나트륨 이오노포어는, ETH 157, ETH 227, ETH 2120 및 ETH 4120을 포함하는 그룹 중 어느 하나를 포함하는, 포르메이트의 생산 방법.
The method of claim 3,
Wherein the sodium ionophores comprise any one of the group consisting of ETH 157, ETH 227, ETH 2120 and ETH 4120.
제1항에 있어서,
상기 미생물 Acetobacterium woodii의 나트륨-의존 ATP 합성효소의 합성을 억제하는 단계 전에,
중탄산칼륨(KHCO3)을 첨가하는 단계를 더 포함하는, 포르메이트의 생산 방법.
The method according to claim 1,
The microorganism Acetobacterium Before the step of inhibiting the synthesis of sodium-dependent ATP synthase in woodii ,
Further comprising the step of adding potassium bicarbonate (KHCO 3 ).
제1항에 있어서,
상기 기체의 상기 일산화탄소의 부피비율은 40% 이상 60% 미만인, 포르메이트의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein a volume ratio of the carbon monoxide in the gas is 40% or more and less than 60%.
제1항에 있어서,
상기 기체는 철강 제조 공정에서 발생한 것인, 포르메이트의 생산 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the gas is generated in a steel manufacturing process.
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