KR20220046971A - Menufacturing method for organic acid using methanotrophs - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 일 실시예는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예는 메탄자화균의 가스 소모 속도를 증진시키고 동시에 유기산의 생산을 증가시키는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a method for producing an organic acid using a methanogen. Specifically, an embodiment of the present invention relates to a method for producing an organic acid using the methanogen, which improves the gas consumption rate of the methanogen and at the same time increases the production of the organic acid.
메탄가스는 천연가스와 셰일가스의 주성분이며 온실효과를 일으키는 원인 물질로 알려져있다. 석유로 대표되는 액체 탄화수소와는 달리 메탄은 그 자체만으로는 기체이기 때문에 고부가가치 사물로의 전환이 어렵고 연료로서의 사용 또한 어렵다고 평가된다. 그에 따라 메탄가스를 유용성을 지닌 화합물로 전환하고자 하는 노력이 계속 되어 왔다.Methane gas is the main component of natural gas and shale gas and is known as a causative agent of the greenhouse effect. Unlike liquid hydrocarbons represented by petroleum, methane by itself is a gas, so it is difficult to convert it into a high value-added thing and use it as a fuel is also difficult. Accordingly, efforts have been made to convert methane gas into useful compounds.
메탄자화균(Methanotrophic bacteria)은 메탄을 유일한 에너지원으로 생육할 수 있는 미생물로, 1906년에 Sohngen에 의해 처음으로 분리되었다. 그 후, 분류학적 연구로 세포의 형태, 정지기의 세포 또는 세포내막구조의 형태에 따라 25종으로 분류되었다. 이러한 메탄산화세균은 메탄 모노옥시게나아제(monooxygenases, MMO)라는 효소를 함유하고 있어 상온, 상압하에서도 용이하게 메탄을 메탄올로 전환할 수 있다. 메탄은 메탄 모노옥시게나아제에 의해 메탄올로 산화되고, 그 다음, 메탄올은 메탄올탈수소효소(methanol dehydrogenase, MDH)에 의해 포름알데히드(formaldehyde) 또는 포름산으로 산화되어 이산화탄소가 된다. 이러한 메탄으로부터 탄소화합물의 생합성은 리불로오스 일인산 회로(ribulose monophosphate cycle; RuMP cycle)와 세린 회로(serine cycle)에 의해 진행되고, 일반적으로 type I의 메탄산화세균은 리불로오스 일인산 회로를, type II의 메탄산화세균은 세린 회로를 이용하여 바이오매스를 합성한다고 알려져 있다(Biocatalytic Conversion of Methane to Methanol as a Key Step for Development of Methane-Based BiorefineriesJ. Microbiol. Biotechnol. In Yeub Hwang et al(2014), 24(12), 1597-605). 이러한 메탄산화세균이 갖는 생리학적 특성으로 인해, 메탄산화세균을 이용하여 메탄을 유기화합물로 전환시켜, 유해한 메탄가스를 절감시키려는 노력과 에너지원으로 활용하려는 노력이 계속되어 왔다.Methanotrophic bacteria are microorganisms that can grow on methane as the sole energy source, and were first isolated by Sohngen in 1906. After that, by taxonomic study, it was classified into 25 types according to the type of cell, the cell in the stationary phase, or the structure of the inner cell membrane. These methane-oxidizing bacteria contain an enzyme called methane monooxygenases (MMO), and can easily convert methane to methanol at room temperature and under normal pressure. Methane is oxidized to methanol by methane monooxygenase, and then methanol is oxidized to formaldehyde or formic acid by methanol dehydrogenase (MDH) to carbon dioxide. The biosynthesis of carbon compounds from methane proceeds by the ribulose monophosphate cycle (RuMP cycle) and the serine cycle, and in general, type I methane-oxidizing bacteria perform the ribulose monophosphate cycle. , it is known that type II methanoxidizing bacteria synthesize biomass using the serine cycle (Biocatalytic Conversion of Methane to Methanol as a Key Step for Development of Methane-Based Biorefineries J. Microbiol. Biotechnol. In Yeub Hwang et al (2014) ), 24(12), 1597-605). Due to the physiological characteristics of these methane-oxidizing bacteria, efforts to reduce harmful methane gas by converting methane into organic compounds using methane-oxidizing bacteria and to utilize it as an energy source have been continued.
한편, 탄소화합물 중 높은 유용성을 가진 것으로 알려진 숙신산(succinic acid)은 무색의 주상 또는 관상 결정을 가지는 유기산으로, TCA 회로를 구성하는 주요 유기산 중 하나이며 카르복시산의 일종이다. 숙신산은 식품, 농업, 고분자산업 등 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 약 150억 달러의 국제적 시장가치를 지닌 화합물로 판단되며, 생물공정을 이용하여 숙신산을 생산하는 방법이 계속 연구되고 있다.On the other hand, succinic acid, which is known to have high solubility among carbon compounds, is an organic acid having colorless columnar or tubular crystals, and is one of the major organic acids constituting the TCA cycle and is a type of carboxylic acid. Succinic acid can be used in various fields such as food, agriculture, and polymer industry, and it is judged to be a compound with an international market value of about 15 billion dollars, and a method for producing succinic acid using a biological process is continuously studied.
본 발명의 일 실시예는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법을 제공한다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예는 메탄자화균의 가스 소모 속도를 증진시키고 동시에 유기산의 생산을 증가시키는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a method for producing an organic acid using a methanogen. Specifically, an embodiment of the present invention provides a method for producing an organic acid using the methanogen, which improves the gas consumption rate of the methanogen and at the same time increases the production of the organic acid.
본 발명의 일 실시예에 의한 유기산의 제조 방법은 메탄자화균을 준비하는 준비 단계; 메탄자화균을 배지에 투입하여 30회 이상 배양하는 반복 배양 단계; 및 반복 배양 단계를 거친 메탄자화균을 메탄을 포함하는 반응용기에서 반응시켜 유기산을 생산하는 유기산 생산 단계를 포함한다.A method for producing an organic acid according to an embodiment of the present invention includes a preparation step of preparing methanogenic bacteria; Repeated culturing step of culturing 30 or more times by introducing methanogenic bacteria into the medium; and an organic acid production step of producing an organic acid by reacting the methanogenic bacteria that have undergone the repeated culture step in a reaction vessel containing methane.
메탄자화균은 메틸로모나스 속(Methylomonas), 메틸로박터 속(Methylobacter), 메틸로코커스 속(Methylococcus), 메틸로마이크로븀 속(Methylomicrobium), 메틸로스페라 속(Methylosphaera), 메틸로칼덤 속(Methylocaldum), 메틸로글로버스 속(Methyloglobus), 메틸로사르시나 속(Methylosarcina), 메틸로프로펀더스 속(Methyloprofundus), 메틸로썰머스 속(Methylothermus), 메틸로할로비우스 속(Methylohalobius), 메틸로게아 속(Methylogaea), 메틸로마리넘 속(Methylomarinum), 메틸로벌럼 속(Methylovulum), 메틸로마리노범 속(Methylomarinovum), 메틸로러브럼 속(Methylorubrum), 메틸로파라코커스 속(Methyloparacoccus), 메틸로시너스 속(Methylosinus), 메틸로시스티스 속(Methylocystis), 메틸로셀라 속(Methylocella), 메틸로캡사 속(Methylocapsa), 메틸로퍼룰라 속(Methylofurula), 메틸아시디필럼 속(Methylacidiphilum) 및 메틸아시디마이크로븀 속(Methylacidimicrobium)중 1종 이상을 포함할 수 있다. Methanobacteria are genus Methylomonas, genus Methylobacter, genus Methylococcus , genus Methylomicrobium , genus Methylosphaera , genus methylocaldum ( Methylocaldum ), genus methyloglobus ( Methyloglobus ), genus methylosarcina , genus methylopropundus ( Methyloprofundus ), genus methylothulmus ( Methylothermus ), genus methylohalobius ( Methylohalobius ) , genus Methylogaea , genus Methylomarinum , genus Methylovulum, genus Methylomarinovum , genus Methylorubrum , genus Methyloparacoccus ( Methyloparacoccus ), genus Methylosinus , genus Methylocystis , genus Methylocella , genus Methylocapsa, genus Methylofurula , genus Methylacidiphyllum ( Methylacidiphilum ) and methylacidimicrobium genus ( Methylacidimicrobium ) It may include one or more of.
메탄자화균은 메틸로모나스 속(Methylomonas) DH-1을 포함할 수 있다.The methanogen may include the genus Methylomonas DH-1.
반복 배양 단계에서 40 내지 60회 배양할 수 있다.It can be cultured 40 to 60 times in the repeated culture step.
반복 배양 단계에서 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함하는 분위기에서 배양할 수 있다.In the repeated culture step, it may be cultured in an atmosphere containing 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen.
반복 배양 단계에서 메탄자화균 투입시 OD600이 0.05 내지 0.5가 되도록 투입할 수 있다.In the repeated culture step, when methanogenic bacteria are introduced, OD600 may be added to 0.05 to 0.5.
반복 배양 단계에서 배양 1회시 OD600이 1 내지 2.5가 되도록 배양할 수 있다.In the repeated culture step, it can be cultured so that the OD600 is 1 to 2.5 per culture.
반복 배양 단계에서 배양 1회당 1 내지 5일간 배양할 수 있다.In the repeated culture step, it can be cultured for 1 to 5 days per culture.
유기산 생산 단계에서 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함하는 반응용기에서 반응시킬 수 있다.In the organic acid production step, the reaction may be carried out in a reaction vessel containing 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법은 장시간 동안 안정적으로 가스를 소모한다.The method for producing an organic acid using methanogens according to an embodiment of the present invention stably consumes gas for a long time.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법은 숙신산 및 아세트산의 생산을 동시에 증가시킬 수 있다.The method for producing an organic acid using methanogenic bacteria according to an embodiment of the present invention can increase the production of succinic acid and acetic acid at the same time.
도 1은 실시예 1에서 반복 배양시 배양 시간에 따른 OD600 그래프이다.
도 2는 실험예 1에서 (A) ALE 이전의 메탄 소모 속도, (B) ALE 이전 산소 소모 속도, (C) ALE 이후 메탄 소모 속도, (D) ALE 이후 산소 소모 속도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예 2에서 ALE 이전 및 이후의 (A) 미생물 생장 곡선 (OD600, linear scale) (B) 미생물 생장 곡선 (log scale) 그래프이다.
도 4는 실험예 3에서 (A) ALE 이전, (B) ALE 50번 이후의 유기산 생산 패턴 그래프이다.1 is a graph of OD600 according to incubation time during repeated culture in Example 1.
2 is a graph showing (A) methane consumption rate before ALE, (B) oxygen consumption rate before ALE, (C) methane consumption rate after ALE, and (D) oxygen consumption rate after ALE in Experimental Example 1;
3 is a graph of (A) microbial growth curve (OD600, linear scale) (B) microbial growth curve (log scale) before and after ALE in Experimental Example 2.
4 is a graph of the organic acid production pattern in Experimental Example 3 (A) before ALE, (B) after
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 for the purpose of referring to specific embodiments only, 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. As used herein, the meaning of "comprising" specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and the presence or absence of another characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component It does not exclude additions.
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 otherwise, all terms including technical 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. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.
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 of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명에서의 용어, “숙신산”은 HOOC-CH2CH2-COOH의 화학식을 갖는 무색의 주상 또는 관상 결정을 가지는 유기산이다. 숙신산은 TCA 회로를 구성하는 주요 유기산 중 하나로 카르복시산의 일종이다. TCA회로의 경우, 알파케토글루타르산이 탈수소화, 탈카르복시화되어 숙시닐조효소 A(succinyl Co-A)를 형성한 후, 다시 숙신산으로 전환되어 생성되며, 숙신산은 숙신산 탈수소효소에 의해 푸마르산으로 산화된다. 또한, 글리옥실산 회로의 경우, 이소시트르산이 이소시트르산 분해효소에 의해 숙신산 및 글리옥실산으로 전환되는 과정에서 숙신산이 생산되며, 글리옥실산은 글리옥실산 회로에 의해 말산, 옥살로아세트산, 시트르산의 과정을 거쳐 다시 이소시트르산으로 전환된다.As used herein, the term “succinic acid” is an organic acid having a colorless columnar or tubular crystal having a chemical formula of HOOC-CH 2 CH 2 -COOH. Succinic acid is one of the major organic acids constituting the TCA cycle and is a type of carboxylic acid. In the TCA cycle, alpha-ketoglutaric acid is dehydrogenated and decarboxylated to form succinyl co-enzyme A (succinyl Co-A), which is then converted to succinic acid and produced. Succinic acid is oxidized to fumaric acid by succinic acid dehydrogenase. do. In addition, in the case of the glyoxylic acid cycle, succinic acid is produced in the process in which isocitrate is converted to succinic acid and glyoxylic acid by isocitrate lyase, and glyoxylic acid is converted into malic acid, oxaloacetic acid, and citric acid by the glyoxylic acid cycle. Through the process, it is converted back to isocitric acid.
본 발명에서의 용어, “메탄자화균(methanotroph)”은 메탄을 주 탄소원 및 에너지원으로 사용하는 세균을 의미한다. 메탄의 산화경로를 이용하여 메탄을 CO2까지 완전히 산화함으로써 ATP를 획득한다. 메탄, 메탄올, 메틸아민 등의 탄소수 1개의 화합물을 에너지원으로 사용하는 메틸자화균(methylotroph) 중에서 메탄을 함께 사용할 수 있는 균주 또한 메탄자화균으로 간주한다.As used herein, the term “methanotroph” refers to bacteria using methane as a main carbon source and energy source. ATP is obtained by completely oxidizing methane to CO 2 using the oxidation pathway of methane. Among methylotrophs that use a compound having one carbon number, such as methane, methanol, or methylamine, as an energy source, strains that can use methane together are also considered methanogenic bacteria.
본 발명에서의 용어, “배양”은 목적하는 세포 또는 조직 등을 인공적으로 조절한 환경 조건에서 생육하는 것을 의미한다. 인공적으로 조절하는 환경 조건은 대표적으로 영양소, 온도, 삼투압, pH, 기체 조성, 빛 등이 있으나, 직접적인 영향을 주는 것은 배지이며, 크게 액체배지와 고체배지로 나뉜다.As used herein, the term “culture” refers to growth in environmental conditions artificially regulated, such as a target cell or tissue. The environmental conditions that are artificially controlled include nutrients, temperature, osmotic pressure, pH, gas composition, light, etc., but it is the medium that directly affects it, and it is largely divided into liquid medium and solid medium.
본 발명의 일 실시예에 의한 유기산의 제조 방법은 메탄자화균을 준비하는 준비 단계; 메탄자화균을 배지에 투입하여 30회 이상 배양하는 반복 배양 단계; 및 반복 배양 단계를 거친 메탄자화균을 메탄을 포함하는 반응용기에서 반응시켜 유기산을 생산하는 유기산 생산 단계를 포함한다.A method for producing an organic acid according to an embodiment of the present invention includes a preparation step of preparing methanogenic bacteria; Repeated culturing step of culturing 30 or more times by introducing methanogenic bacteria into the medium; and an organic acid production step of producing an organic acid by reacting the methanogenic bacteria that have undergone the repeated culture step in a reaction vessel containing methane.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.
먼저, 준비 단계에서는 메탄자화균을 준비한다.First, in the preparation stage, methanogenic bacteria are prepared.
메탄자화균은 메탄을 주 탄소원으로 사용하여 유기산을 생산하는 균주이다. 구체적으로 메틸로모나스 속(Methylomonas), 메틸로박터 속(Methylobacter), 메틸로코커스 속(Methylococcus), 메틸로마이크로븀 속(Methylomicrobium), 메틸로스페라 속(Methylosphaera), 메틸로칼덤 속(Methylocaldum), 메틸로글로버스 속(Methyloglobus), 메틸로사르시나 속(Methylosarcina), 메틸로프로펀더스 속(Methyloprofundus), 메틸로썰머스 속(Methylothermus), 메틸로할로비우스 속(Methylohalobius), 메틸로게아 속(Methylogaea), 메틸로마리넘 속(Methylomarinum), 메틸로벌럼 속(Methylovulum), 메틸로마리노범 속(Methylomarinovum), 메틸로러브럼 속(Methylorubrum), 메틸로파라코커스 속(Methyloparacoccus), 메틸로시너스 속(Methylosinus), 메틸로시스티스 속(Methylocystis), 메틸로셀라 속(Methylocella), 메틸로캡사 속(Methylocapsa), 메틸로퍼룰라 속(Methylofurula), 메틸아시디필럼 속(Methylacidiphilum) 및 메틸아시디마이크로븀 속(Methylacidimicrobium)중 1종 이상을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 메틸로모나스 속, 보다 구체적으로 기탁번호 KCTC18400P로 기탁된 메틸로모나스 속(Methylomonas sp.) DH-1일 수 있다. 더욱 구체적으로 야생형 균주 게놈에 cre 유전자가 삽입 되어 있고 여기에 succinate dehydrogenase 유전자가 결손되어 있으며 isocitrate lyase 유전자와 malate synthase 유전자를 지닌 균주일 수 있다. 전술한 재조합 메탄자화균은 한국등록특허 제10-1954530호에 구체적으로 설명되어 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.Methanogens are strains that produce organic acids using methane as the main carbon source. Specifically, Methylomonas , Methylobacter , Methylococcus , Methylomicrobium , Methylosphaera , Methylocaldum , genus Methyloglobus, genus Methylosarcina , genus Methyloprofundus , genus Methylothermus ( Methylothermus ), genus Methylohalobius ( Methylohalobius ) , methyl genus logea ( Methylogaea ), genus Methylomarinum ( Methylomarinum ), genus Methylovulum , genus Methylomarinovum ( Methylomarinovum ), genus Methylorubrum , genus Methyloparacoccus ) , Methylosinus , Methylocystis , Methylocella , Methylocapsa , Methylofurula , Methylacidiphilum And it may include one or more of the methyl acid di microbium genus ( Methylacidi microbium ). More specifically, it may be a methylomonas genus, and more specifically, it may be a methylomonas genus (Methylomonas sp.) DH-1 deposited with accession number KCTC18400P. More specifically, it may be a strain having a cre gene inserted into the genome of a wild-type strain, a deletion of the succinate dehydrogenase gene, and an isocitrate lyase gene and a malate synthase gene. Since the aforementioned recombinant methanogenic bacteria is described in detail in Korean Patent Registration No. 10-1954530, a detailed description thereof will be omitted.
다음으로, 반복 배양 단계에서는 메탄자화균을 배지에 투입하여 30회 이상 배양한다.Next, in the repeated culture step, methanogenic bacteria are introduced into the medium and cultured 30 times or more.
배지는 메탄자화균을 배양할 수 있는 배지이면 특별히 제한되지 않으며, 액체배지 또는 고체배지일 수 있다. 구체적으로 NMS (nitrate mineral salt solution) 배지일 수 있다.The medium is not particularly limited as long as it is a medium capable of culturing methanogenic bacteria, and may be a liquid medium or a solid medium. Specifically, it may be a nitrate mineral salt solution (NMS) medium.
본 발명의 일 실시예에서 30회 이상 반복 배양함으로써, 메탄자화균의 가스 소모 속도를 증진시키고, 동시에 유기산의 생산을 증가시킬 수 있다. 이는 메탄자화균을 반복배양하는 동안 미생물의 대사가 배양 조건에 좀 더 적합하도록 적응하였기 때문이다.In one embodiment of the present invention, by repeating culturing for 30 or more times, it is possible to increase the gas consumption rate of the methanogen and at the same time increase the production of organic acids. This is because the metabolism of microorganisms was more adapted to the culture conditions during repeated culturing of methanogenic bacteria.
배양 횟수는 메탄자화균의 배양 이후, 배지에서 분리하고, 새로운 배지로 투입하는 것을 기준으로 한다. 배양 횟수가 너무 적을 시 충분한 효과를 얻기 어려울 수 있다. 배양 횟수를 증가시키더라도 가스 소모 속도를 증진 및 유기산의 생산을 증가에 한계가 있을 수 있다. 더욱 구체적으로 30 내지 70회 반복 배양할 수 있다. 더욱 구체적으로 40 내지 60회 반복 배양할 수 있다. 더욱 구체적으로 45 내지 55회 반복 배양할 수 있다.The number of incubations is based on the separation from the medium after culturing of the methanogenic bacteria and introduction into a new medium. When the number of incubations is too small, it may be difficult to obtain a sufficient effect. Even if the number of cultures is increased, there may be a limit to increasing the gas consumption rate and increasing the production of organic acids. More specifically, the culture may be repeated 30 to 70 times. More specifically, the culture may be repeated 40 to 60 times. More specifically, the culture may be repeated 45 to 55 times.
반복 배양 단계에서 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함하는 분위기에서 배양할 수 있다.In the repeated culture step, it may be cultured in an atmosphere containing 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen.
메탄은 메탄자화균이 생장하는데 필요한 탄소원이 된다. 메탄이 너무 적으면 메탄자화균이 생장하기 어려울 수 있다. 더욱 구체적으로 메탄을 25 내지 35 부피% 포함할 수 있다.Methane is a carbon source necessary for the growth of methanogenic bacteria. If there is too little methane, it may be difficult for methanogens to grow. More specifically, it may contain 25 to 35% by volume of methane.
산소는 메탄을 메탄올로 전환하거나 미생물 대사에서 final electron accepter로 사용된다. 더욱 구체적으로 산소를 1 내지 20 부피% 포함할 수 있다.Oxygen is used to convert methane to methanol or as a final electron acceptor in microbial metabolism. More specifically, it may contain 1 to 20% by volume of oxygen.
나머지는 불활성 기체, 구체적으로 질소가 될 수 있다. 더욱 구체적으로 질소를 30 내지 80 부피% 포함할 수 있다.The remainder may be an inert gas, specifically nitrogen. More specifically, it may contain 30 to 80% by volume of nitrogen.
반복 배양 단계에서 메탄자화균 투입시 OD600이 0.05 내지 0.5가 되도록 투입할 수 있다. 메탄자화균이 너무 적거나, 너무 많이 투입되면, 메탄자화균의 생장에 악영향을 줄 수 있다. 더욱 구체적으로 메탄자화균 투입시 OD600이 0.07 내지 0.2가 되도록 투입할 수 있다. OD600에 대해서는 널리 알려져 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.In the repeated culture step, when methanogenic bacteria are introduced, OD600 may be added to 0.05 to 0.5. If there are too few or too many methanogenic bacteria, it may adversely affect the growth of methanogenic bacteria. More specifically, it may be added so that OD600 becomes 0.07 to 0.2 when methane magnetizing bacteria is added. Since OD600 is widely known, a detailed description thereof will be omitted.
반복 배양 단계에서 배양 1회시 OD600이 1 내지 2.5가 되도록 배양할 수 있다. 전술한 범위에서 배양함으로써, 메탄자화균의 가스 소모 속도를 더욱 증진시키고 유기산의 생산을 더욱 증가시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 OD600이 1.3 내지 2.3이 되도록 배양할 수 있다.In the repeated culture step, it can be cultured so that the OD600 is 1 to 2.5 per culture. By culturing in the above range, it is possible to further enhance the gas consumption rate of the methanogenic bacteria and further increase the production of organic acids. More specifically, it can be cultured so that the OD600 is 1.3 to 2.3.
전술한 OD600까지 배양하기 위해서는 배양 1회당 1 내지 5일간 배양할 수 있다.In order to culture up to the above-mentioned OD600, it can be cultured for 1 to 5 days per culture.
메탄자화균의 배양 온도는 15℃ 내지 45℃, 구체적으로 20℃ 내지 40℃, 보다 구체적으로 25℃ 내지 35℃일 수 있으며, 메탄과 메탄자화균의 원활한 접촉을 위해, 150rpm 내지 300rpm, 구체적으로 180rpm 내지 270rpm, 보다 구체적으로 200rpm 내지 250rpm으로 교반할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The culture temperature of the methanogenic bacteria may be 15 °C to 45 °C, specifically 20 °C to 40 °C, more specifically 25 °C to 35 °C, and for smooth contact between methane and methanogenic bacteria, 150rpm to 300rpm, specifically 180 rpm to 270 rpm, more specifically 200 rpm to 250 rpm may be stirred, but is not limited thereto.
다음으로, 유기산 생산 단계에서는 메탄자화균을 메탄을 포함하는 반응용기에서 반응시켜 유기산을 생산한다.Next, in the organic acid production step, the methanogenic bacteria are reacted in a reaction vessel containing methane to produce an organic acid.
이 때, 유기산은 숙신산 및 아세트산을 포함할 수 있다. In this case, the organic acid may include succinic acid and acetic acid.
이 때, 분위기는 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함할 수 있다.At this time, the atmosphere may contain 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen.
메탄은 유기산을 생산하는데 필요한 탄소원이 된다. 메탄이 너무 적으면 유기산을 적절히 생산하기 어려울 수 있다. 메탄이 너무 많으면 배양중 미생물에 의해 소비되지 못하고 버려지는 메탄가스양이 많아지는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 메탄을 25 내지 35 부피% 포함할 수 있다.Methane is the carbon source needed to produce organic acids. Too little methane can make it difficult to adequately produce organic acids. If there is too much methane, there may be a problem in that the amount of methane gas that is not consumed by microorganisms during culture and is discarded increases. More specifically, it may contain 25 to 35% by volume of methane.
산소는 메탄을 메탄올로 바꾸는데 필요하거나 또는 미생물 대사의 final electron accepter로 사용된다. 산소가 너무 많으면 배양중 미생물에 의해 소비되지 못하고 버려지는 산소양이 많아지는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 산소를 1 내지 20 부피% 포함할 수 있다.Oxygen is required to convert methane to methanol or is used as a final electron acceptor in microbial metabolism. If there is too much oxygen, there may be a problem in that the amount of oxygen that is not consumed by microorganisms during culture and is discarded increases. More specifically, it may contain 1 to 20% by volume of oxygen.
나머지는 불활성 기체, 구체적으로 질소가 될 수 있다. 더욱 구체적으로 질소를 30 내지 80 부피% 포함할 수 있다.The remainder may be an inert gas, specifically nitrogen. More specifically, it may contain 30 to 80% by volume of nitrogen.
전술한 혼합 가스를 100 내지 500mL/min의 속도로 공급할 수 있다.The above-described mixed gas may be supplied at a rate of 100 to 500 mL/min.
온도는 15℃ 내지 45℃, 구체적으로 20℃ 내지 40℃, 보다 구체적으로 25℃ 내지 35℃일 수 있으며, 메탄과 메탄자화균의 원활한 접촉을 위해, 500rpm 내지 1000rpm, 구체적으로 750rpm 내지 900rpm으로 교반할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The temperature may be 15° C. to 45° C., specifically 20° C. to 40° C., more specifically 25° C. to 35° C., and for smooth contact between methane and methanobacteria, stirring at 500 rpm to 1000 rpm, specifically 750 rpm to 900 rpm can, but is not limited to.
이 때, 생산되는 숙신산 및 아세트산의 중량 비율(숙신산:아세트산)은 1:0.7 내지 1:1일 수 있다.At this time, the weight ratio of the produced succinic acid and acetic acid (succinic acid: acetic acid) may be 1:0.7 to 1:1.
전술한 반복 배양 단계를 거치지 않은 메탄자화균에 비해 반복 배양 단계를 거친 메탄자화균이 숙신산을 1.5 내지 3배, 아세트산을 1.5 내지 3배 생산할 수 있다.Compared to the methanogenic bacteria that have not undergone the above-described repeated culture step, the methanogenic bacteria that have undergone the repeated culture step can produce succinic acid 1.5 to 3 times and acetic acid 1.5 to 3 times.
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 illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
하기 NMS 배지, 메탄자화균을 준비하였다.The following NMS medium, methanogenic bacteria was prepared.
NMS media (MgSO4·7H2O: 1.0 g/L, KNO3: 1.0 g/L, CaCl2·H2O 0.2 g/L, Fe-EDTA (wrapping by aluminum foil): 0.0038 g/L, NaMoO4·2H2O: 0.0005 g/L, FeSO4·7H2O: 0.0005 g/L, ZnSO4·7H2O: 0.0004 g/L, MnCl2: 0.00001 g/L, CoCl2·6H2O: 0.00005 g/L, NiCl2·6H2O: 0.00001 g/L, H3BO3 (boric acid) 0.000015 g/L, EDTA 0.00025 g/L, KH2PO4 0.26 g/L, Na2HPO4·7(H2O): 0.62 g/L, Biotin: 0.00002 g/L, Folic acid: 0.00002 g/L, Thiamine-HCl: 0.00005 g/L, Ca- pantothenate: 0.00005 g/L, Vitamin B12: 0.00001 g/L, Riboflavin: 0.00005 g/L, Nicotiamide: 0.00005 g/L) NMS media (MgSO4·7H 2 O: 1.0 g/L, KNO 3 : 1.0 g/L, CaCl 2 ·H 2 O 0.2 g/L, Fe-EDTA (wrapping by aluminum foil): 0.0038 g/L, NaMoO 4 2H 2 O: 0.0005 g/L, FeSO 4 7H 2 O: 0.0005 g/L, ZnSO 4 7H 2 O: 0.0004 g/L, MnCl 2 : 0.00001 g/L, CoCl 2 6H 2 O: 0.00005 g/L, NiCl 2 6H 2 O: 0.00001 g/L, H 3 BO 3 (boric acid) 0.000015 g/L, EDTA 0.00025 g/L, KH 2 PO 4 0.26 g/L, Na 2 HPO 4 7 (H 2 O): 0.62 g/L, Biotin: 0.00002 g/L, Folic acid: 0.00002 g/L, Thiamine-HCl: 0.00005 g/L, Ca-pantothenate: 0.00005 g/L, Vitamin B12: 0.00001 g/L L, Riboflavin: 0.00005 g/L, Nicotiamide: 0.00005 g/L)
Methylomonas sp . DH-1 (기탁번호 KCTC18400P) 야생형 균주 게놈에 cre 유전자가 삽입 되어 있고 여기에 succinate dehydrogenase 유전자가 결손되어 있으며 isocitrate lyase 유전자와 malate synthase 유전자를 지닌 균주. 이하 CS 균주로 표현. Methylomonas sp . DH-1 (Accession No. KCTC18400P) Wild-type strain strain with cre gene inserted into genome, succinate dehydrogenase gene deleted, and isocitrate lyase gene and malate synthase gene. Hereinafter expressed as CS strains.
반복 배양 Adaptive laboratory evolution (ALE)Repeat culture Adaptive laboratory evolution (ALE)
CS 균주를 initial OD600이 0.1이 되도록 NMS 배지에 접종하고 30v% CH4, 3.5v% O2, 66.5v% N2 가스로 serum bottle의 head space를 치환한다. Serum bottle을 30℃ shaking incubator에서 2 ~ 3일 배양 후 이를 새로운 NMS 배지에 접종하고 위와 동일한 조성의 가스로 head space를 치환한 다음 다시 2~3 일을 배양한다. 이와 같은 방법으로 배양을 50번 반복하였다. 도 1은 배양 시간에 따른 OD600 그래프를 나타내었다.The CS strain is inoculated into NMS medium so that the initial OD600 becomes 0.1, and the head space of the serum bottle is replaced with 30v% CH 4 , 3.5v% O 2 , and 66.5v% N 2 gas. After culturing the serum bottle in a shaking incubator at 30°C for 2-3 days, inoculate it in a new NMS medium, replace the head space with the gas of the same composition as above, and incubate for 2-3 days again. In this way, the culture was repeated 50 times. 1 shows a graph of OD600 according to incubation time.
미생물 gas fermentationmicrobial gas fermentation
50번 계대한 균주 2ml을 200ml NMS 배지를 포함한 baffled flask에 접종하고 flask의 head space를 30v% CH4, 3.5v% O2, 66.5v% N2 가스로 치환하였다. 이를 30℃ shaking incubator에서 200 rpm으로 shaking하면서 2~3일간 배양하여 OD600 1.5 이상으로 키웠다. 이렇게 키운 flask culture를 initial OD600 0.1로 설정하여 3L NMS 배지를 포함한 fermeter에 접종하였다. 30v% CH4, 3.5v% O2, 66.5v% N2 조성을 가진 혼합가스를 300 ml/min의 속도로 스파져를 통해 공급하였다. 30℃, 800 rpm의 stirring 속도를 유지하면서 배양을 계속하였다. UV Spectrophotometer를 이용해 OD600 값을 측정하여 미생물의 성장을 판단하고 Quadrupole Mass를 이용해 미생물이 공급된 가스를 소모하는 속도를 측정하였다. 배양 중 일부 샘플을 이용해 HPLC 분석을 수행하여 유기산의 생산량을 모니터링 하였다.2ml of the
실험예 1 : 가스소모속도 변화Experimental Example 1: Change in gas consumption rate
도 2에서는 (A) ALE 이전의 메탄 소모 속도, (B) ALE 이전 산소 소모 속도, (C) ALE 이후 메탄 소모 속도, (D) ALE 이후 산소 소모 속도를 나타내었다. 2 shows (A) methane consumption rate before ALE, (B) oxygen consumption rate before ALE, (C) methane consumption rate after ALE, and (D) oxygen consumption rate after ALE.
도 2에서 나타나듯이, ALE 이전의 메탄 가스 소모 속도의 경우 배양 ~ 27 hr 시점에 4.47 mmol/L/hr 까지 증가하였다. 이후 가스 소모 속도는 빠르게 감소하기 시작한다. 반면에 ALE 과정을 거친 셀을 배양하는 경우 배양 13 ~ 65 시간 사이에서 높은 가스 소모 속도가 유지 되며 그 최대 값은 6.30 mmol/L/h로 약 40% 증가하였다. As shown in FIG. 2, the methane gas consumption rate before ALE increased to 4.47 mmol/L/hr at the time of incubation ~27 hr. Then the gas consumption rate starts to decrease rapidly. On the other hand, in the case of culturing cells that have undergone the ALE process, a high gas consumption rate is maintained between 13 and 65 hours of culture, and the maximum value is 6.30 mmol/L/h, which is increased by about 40%.
실험예 1에서 나타나듯이, 장시간 안정적인 가스 소모 패턴은 메탄자화균을 산업적으로 응용함에 있어 매우 유용한 특징이다.As shown in Experimental Example 1, a stable gas consumption pattern for a long period of time is a very useful feature in industrial application of methanogens.
실험예 2 : 성장 변화Experimental Example 2: Growth change
미생물의 생장 곡선을 위해 UV spectrophotometer를 이용해 600 nm 파장에서 optical density (OD600)을 측정하였다. For the growth curve of microorganisms, optical density (OD600) was measured at a wavelength of 600 nm using a UV spectrophotometer.
도 3에서는 ALE 이전 및 이후의 (A) 미생물 생장 곡선 (OD600, linear scale) (B) 미생물 생장 곡선 (log scale)을 나타내었다.3 shows (A) microbial growth curve (OD600, linear scale) (B) microbial growth curve (log scale) before and after ALE.
도 3에서 나타나듯이, ALE 이전과 이후의 성장 곡선을 비교하였을 때 접종 후 7시간 전까지 생장 초반에는 큰 차이가 없는 것으로 보이나 이후 mid-exponential phase에서는 ALE 50번을 거친 미생물이 더 빠른 성장을 보이며 maximum OD600도 3.3에서 11.9로 3.6배 증가하였다.As shown in FIG. 3 , when comparing the growth curves before and after ALE, there appears to be no significant difference in the early growth period up to 7 hours after inoculation, but in the mid-exponential phase thereafter, the microorganisms that passed
실험예 3 : 유기산 생성 패턴 변화Experimental Example 3: Organic acid generation pattern change
도 4에서는 (A) ALE 이전, (B) ALE 50번 이후의 유기산 생산 패턴을 나타내었다.4 shows the organic acid production pattern before (A) ALE, (B) after
도 4에서 나타나듯이, ALE를 거치기 전의 미생물은 fermenter culture 중 숙신산 생산 maximum titer가 230 mg/L, 아세트산 생산 maximum titer는 143 mg/L로 측정되었다. 반면, 50번의 ALE를 거친 미생물을 seed로 사용한 경우 숙신산 titer가 최대 509 mg/L로 2.2배 증가하였고 아세트산이 419 mg/L로 2.93배 증가하는 패턴을 나타내었다. As shown in FIG. 4 , the microorganisms before ALE had a maximum titer of 230 mg/L for succinic acid production and 143 mg/L for acetic acid production in fermenter culture. On the other hand, when the microorganisms subjected to
이처럼, ALE와 실험방법에 쓰인 fermenter 배양을 통해 숙신산과 아세트산의 생산을 동시에 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.As such, it can be confirmed that the production of succinic acid and acetic acid can be simultaneously increased through fermenter culture used in ALE and experimental methods.
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 various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can 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, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (9)
상기 메탄자화균을 배지에 투입하여 30회 이상 배양하는 반복 배양 단계; 및
상기 반복 배양 단계를 거친 상기 메탄자화균을 메탄을 포함하는 반응용기에서 반응시켜 유기산을 생산하는 유기산 생산 단계를 포함하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.A preparatory step for preparing methanogens;
Repeated culturing step of introducing the methanogenic bacteria into the medium and culturing 30 or more times; and
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria, comprising a step of producing an organic acid by reacting the methanogenic bacteria that have undergone the repeated culturing step in a reaction vessel containing methane to produce an organic acid.
상기 메탄자화균은 메틸로모나스 속(Methylomonas), 메틸로박터 속(Methylobacter), 메틸로코커스 속(Methylococcus), 메틸로마이크로븀 속(Methylomicrobium), 메틸로스페라 속(Methylosphaera), 메틸로칼덤 속(Methylocaldum), 메틸로글로버스 속(Methyloglobus), 메틸로사르시나 속(Methylosarcina), 메틸로프로펀더스 속(Methyloprofundus), 메틸로썰머스 속(Methylothermus), 메틸로할로비우스 속(Methylohalobius), 메틸로게아 속(Methylogaea), 메틸로마리넘 속(Methylomarinum), 메틸로벌럼 속(Methylovulum), 메틸로마리노범 속(Methylomarinovum), 메틸로러브럼 속(Methylorubrum), 메틸로파라코커스 속(Methyloparacoccus), 메틸로시너스 속(Methylosinus), 메틸로시스티스 속(Methylocystis), 메틸로셀라 속(Methylocella), 메틸로캡사 속(Methylocapsa), 메틸로퍼룰라 속(Methylofurula), 메틸아시디필럼 속(Methylacidiphilum) 및 메틸아시디마이크로븀 속(Methylacidimicrobium) 중 1종 이상을 포함하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
The methanogenic bacteria are genus Methylomonas, genus Methylobacter , genus Methylococcus , genus Methylomicrobium , genus Methylosphaera , genus methylocaldum ( Methylocaldum ), methyloglobus ( Methyloglobus ), methylosarcina , methylopropundus genus ( Methyloprofundus ), methylothulmus genus ( Methylothermus ), methylohalobius genus ), Methylogaea , Methylomarinum , Methylovulum , Methylomarinovum, Methylorubrum , Methyloparacoccus ( Methyloparacoccus ), genus Methylosinus , genus Methylocystis , genus Methylocella , genus methylocapsa ( Methylocapsa ), genus Methylofurula , genus Methylacidiphyllum ( Methylacidiphilum ) and methylacidimicrobium genus ( Methylacidimicrobium ) Method for producing an organic acid using methanogenic bacteria including at least one of them.
상기 메탄자화균은 메틸로모나스 속(Methylomonas) DH-1을 포함하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
The method for producing an organic acid using the methanogenic bacteria, the methanogenic bacteria comprising the genus Methylomonas DH-1.
상기 반복 배양 단계에서 40 내지 60회 배양하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria culturing 40 to 60 times in the repeated culturing step.
상기 반복 배양 단계에서 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함하는 분위기에서 배양하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria, wherein in the repeated culturing step, methane is cultured in an atmosphere containing 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen.
상기 반복 배양 단계에서 메탄자화균 투입시 OD600이 0.05 내지 0.5가 되도록 투입하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria in which OD600 becomes 0.05 to 0.5 when methanogenic bacteria are added in the repeated culture step.
반복 배양 단계에서 배양 1회시 OD600이 1 내지 2.5가 되도록 배양하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria, which is cultured so that the OD600 becomes 1 to 2.5 during one culture in the repeated culture step.
반복 배양 단계에서 배양 1회당 1 내지 5일간 배양하는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogenic bacteria, which is cultured for 1 to 5 days per culture in the repeated culture step.
유기산 생산 단계에서 메탄을 20 내지 50 부피% 및 산소를 20 부피% 이하 포함하는 반응용기에서 반응시키는 메탄자화균을 이용한 유기산의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing an organic acid using methanogens in which the reaction vessel contains 20 to 50% by volume of methane and 20% by volume or less of oxygen in the organic acid production step.
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