KR20230143829A - Method for Producing Bio-Alcohol Using Clostridium sp. and Medium Comprising Acetate - Google Patents

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강성균
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이종민
권수재
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Abstract

본 발명은 클로스트리디움 속 균주 배양을 이용한 바이오 알코올의 생산방법 및 이를 위한 배지에 관한 것이다.
본 발명의 바이오 알코올의 생산방법은 아세트산이 첨가된 배지 조성물을 이용하여 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) 균주의 균체 생장 저해 및 CO 소모량 감소의 부작용 없이 고농도의 바이오 에탄올의 생산이 가능하다.
따라서, 본 발명의 바이오 알코올의 생산방법 및 이를 위한 배지 조성물은 합성 가스로부터 바이오 에탄올을 선택적으로 생산하는 공정에 유용하게 이용될 수 있다.
The present invention relates to a method for producing bioalcohol using culture of Clostridium strains and a medium for the same.
The bio-alcohol production method of the present invention uses a medium composition to which acetic acid is added, enabling the production of high-concentration bio-ethanol without the side effects of inhibiting bacterial growth of Clostridium sp. strains and reducing CO consumption.
Therefore, the method for producing bioalcohol and the medium composition for the same of the present invention can be usefully used in the process of selectively producing bioethanol from synthesis gas.

Description

클로스트리디움 속 균주 및 아세트산 함유 배지를 이용한 바이오 알코올의 생산방법{Method for Producing Bio-Alcohol Using Clostridium sp. and Medium Comprising Acetate}Method for producing bio-alcohol using Clostridium genus strain and acetic acid-containing medium {Method for Producing Bio-Alcohol Using Clostridium sp. and Medium Comprising Acetate}

본 발명은 클로스트리디움 속 균주 및 아세트산 함유 배지를 이용한 바이오 알코올의 생산방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 클로스트리디움 속 균주를 아세트산을 함유한 배지에서 배양함으로써 CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해 및 CO 소모량 감소 현상을 극복할 수 있는 바이오 알코올의 생산방법 및 이를 위한 배지 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing bioalcohol using a Clostridium genus strain and acetic acid-containing medium, and more specifically, by culturing Clostridium genus strains in acetic acid-containing medium, thereby inhibiting the growth of AWRP cells by CO gas and CO It relates to a method for producing bioalcohol that can overcome the phenomenon of reduced consumption and a medium composition for the same.

일산화탄소는 화석연료 연소 및 폐기물의 소각시 불완전 연소를 통해 생성되며, 제철소의 공정에서 사용되는 부생 가스나 합성 가스에 상당한 함량으로 존재한다. 일산화탄소는 대부분의 미생물에 유독한 기체이나, 일부 미생물에서는 일산화탄소를 단일 에너지원/탄소원으로 이용하여 생장 가능함이 잘 알려져 있다. 이러한 특성을 이용하여 각종 산업화 공정에서 발생하는 일산화탄소를 미생물 배양을 통하여 아세트산, 에탄올 등으로 전환하려는 연구가 활발하게 진행 중이다. 생물학적 일산화탄소 전환의 경우, 촉매를 이용한 화학적 전환 대비 저온, 저압에서 운전이 가능하며, 다양한 조성의 가스를 이용하여 생산이 가능하다는 이점이 있다. Carbon monoxide is generated through incomplete combustion during combustion of fossil fuels and incineration of waste, and is present in significant amounts in by-product gas or synthetic gas used in the steel mill process. Carbon monoxide is a toxic gas to most microorganisms, but it is well known that some microorganisms can grow using carbon monoxide as a single energy/carbon source. Using these characteristics, research is actively underway to convert carbon monoxide generated in various industrial processes into acetic acid, ethanol, etc. through microbial culture. Biological carbon monoxide conversion has the advantage that it can be operated at low temperature and pressure compared to chemical conversion using a catalyst, and can be produced using gases of various compositions.

특히, 아세토젠(acetogen) 미생물은 우드-륭달(Wood-Ljungdahl) 경로를 활용하여 일산화탄소 또는 이산화탄소를 빠르게 아세트산, 에탄올 및/또는 C2 이상의 화합물로 전환할 수 있는 것으로 알려져 있고, 생물학적 일산화탄소 전환 연구에 아세토젠 미생물이 널리 이용되고 있다.In particular, acetogenic microorganisms are known to be able to rapidly convert carbon monoxide or carbon dioxide into acetic acid, ethanol, and/or C 2 or higher compounds using the Wood-Ljungdahl pathway, and are used in biological carbon monoxide conversion research. Acetogenic microorganisms are widely used.

본 발명자들에 의해 새롭게 동정된 아세토젠 미생물인 클로스트리디움 속 신균주 AWRP는 알코올 선택적 생산능이 우수하고 알코올 생산과정에서 아세트산 축적에 의한 부작용이 없어 합성 가스로부터 바이오 에탄올을 선택적으로 생산하는 공정에 유용하게 이용될 수 있는 가장 유망한 균주임이 밝혀진바 있다(특허공개 제10-2021-0028504호, 2021.03.12).AWRP, a new strain of Clostridium genus, an acetogenic microorganism newly identified by the present inventors, has excellent alcohol selective production ability and has no side effects due to acetic acid accumulation during the alcohol production process, making it useful in the process of selectively producing bioethanol from synthesis gas. It has been shown to be the most promising strain that can be used effectively (Patent Publication No. 10-2021-0028504, March 12, 2021).

이러한 이점에도 불구하고, CO(이하 '일산화탄소'와 동일한 의미로 사용함)를 기질로 한 아세토젠 미생물의 배양은 CO의 용해도가 낮아 전환 속도가 낮고, 이로 인해 종래 사용되는 탄수화물, 당을 이용한 발효 대비 생산성이 떨어지는 것이 단점이 있어 산업적으로 응용되기에 어려움이 있었다. 이론적으로 내압 반응기를 이용하여 CO의 분압을 증가함으로써 개선이 가능하나, CO를 이용하는 아세토젠 미생물 또한 고농도의 CO에서는 생장의 저해가 발생하는 것이 잘 알려져 있다. Despite these advantages, the culture of acetogenic microorganisms using CO (hereinafter used in the same sense as 'carbon monoxide') as a substrate has a low conversion rate due to the low solubility of CO, compared to fermentation using conventional carbohydrates and sugars. The disadvantage was low productivity, making it difficult to apply it industrially. In theory, improvement is possible by increasing the partial pressure of CO using an internal pressure reactor, but it is well known that growth of acetogenic microorganisms using CO is also inhibited at high concentrations of CO.

특히, 아세토젠의 세포 내 대사에서 전자 전달 및 에너지 획득에 사용하는 수소화효소(hydrogenase)의 활성 저해가 가장 큰 원인인 것으로 알려져 있으며, 이와 관련하여 우드-륭달 경로의 중간 반응인 개미산 탈수소효소(formate dehydrogenase)가 저해되어 전체적으로 탄소 고정능과 생장속도가 감소하는 것으로 알려져 있다(Wang et al., J. Bacteriol.). In particular, it is known that inhibition of the activity of hydrogenase, which is used for electron transfer and energy acquisition in the intracellular metabolism of acetogen, is the biggest cause, and in relation to this, formic acid dehydrogenase (formate), an intermediate reaction of the Wood-Ljungdahl pathway, dehydrogenase) is known to be inhibited, thereby reducing overall carbon fixation ability and growth rate (Wang et al., J. Bacteriol.).

또한, 고농도의 CO 분압 하에서 아세토젠 미생물의 생장 저해 및 탄소 고정능 저해 현상은 액체 상(liquid phase)에서 낮은 균체량으로 인해 CO 가스의 전환 속도가 낮은 생장 초기에 주로 나타난다.In addition, inhibition of the growth of acetogenic microorganisms and inhibition of carbon fixation ability under high CO concentration partial pressure mainly occurs in the early stages of growth when the conversion rate of CO gas is low due to the low bacterial mass in the liquid phase.

현재 CO에 의한 생장 저해를 해결하는 방법으로 CO 분압을 점진적으로 증가시키면서 계대배양하여 적응 진화(adaptive evolution)시키는 방법이 알려져 있으나, 아직까지 이러한 방식으로 개발된 아세토젠 균주는 알려진 바 없다.Currently, as a method of solving growth inhibition by CO, a method of subculturing and adaptive evolution while gradually increasing the CO partial pressure is known, but there is no known acetogen strain developed in this way yet.

이에, 본 발명자들은 높은 CO 농도에서 탄소 고정능과 생장속도가 감소하는 아세토젠 균주의 한계를 극복하고자 예의 연구노력한 결과, 클로스트리디움 속 AWRP 균주를 아세트산(Acetate)을 함유하는 기본배지에서 배양하는 경우, CO 가스에 의한 균체 생장 저해 현상을 극복할 수 있고, 균주에 의한 배지의 CO 소모량을 증가시킬 수 있으며, 회분식 배양 조건에서는 83% 증가한 최대 비생장 속도(μmax) 및 생물반응기 조건에서는 약 2.6배 증가한 최대 비생장 속도(μmax)를 나타내고, 최종 생성되는 에탄올 및 2,3-부탄디올의 농도를 2~3배 증가시킬 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors made extensive research efforts to overcome the limitations of acetogen strains in which carbon fixation ability and growth rate decrease at high CO concentrations, and as a result, the AWRP strain of Clostridium was cultured in a basic medium containing acetic acid (Acetate). In this case, it is possible to overcome the inhibition of bacterial growth by CO gas and increase the CO consumption of the medium by the strain. The maximum specific growth rate (μmax) increased by 83% in batch culture conditions and about 2.6 in bioreactor conditions. The present invention was completed after confirming that the maximum specific growth rate (μmax) was increased twofold and that the final concentration of ethanol and 2,3-butanediol could be increased by two to three times.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 높은 CO 농도에서 탄소 고정능과 생장속도가 감소하는 부작용 없이 클로스트리디움 속 균주를 이용하여 합성 가스에서 바이오 에탄올을 고농도로 생산하는 방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the main purpose of the present invention is to provide a method for producing bioethanol at high concentration from synthesis gas using Clostridium strains without the side effect of reduced carbon fixation ability and growth rate at high CO concentration.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become clearer from the following detailed description, claims, and drawings.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 아세트산이 첨가된 배지 조성물에 일산화탄소를 포함하는 가스를 공급하여 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주를 배양하는 단계; 및 (b) 상기 배양물로부터 알코올을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention includes the steps of (a) cultivating a Clostridium genus AWRP (Accession number: KCTC 13908BP) strain by supplying a gas containing carbon monoxide to a medium composition to which acetic acid has been added; and (b) separating alcohol from the culture.

본 발명에서 상기 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주는 아세트산 대비 알코올의 선택적 생산이 가능한 것을 특징으로 한다. 이로 인해 아세트산 축적으로 인한 부작용으로 인하여 ATP 생산 효율이 감소하지 않으며, 아세트산 축적으로 인한 세포 생장 저해가 일어나지 않는다. 따라서, 본 발명의 상기 클로스트리디움 속 AWRP 균주는 아세트산 축적 없이 높은 알코올 생산 수율을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주가 생산하는 상기 알코올은 에탄올 및 2,3-부탄다이올인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the Clostridium AWRP (accession number: KCTC 13908BP) strain is characterized by the selective production of alcohol compared to acetic acid. As a result, ATP production efficiency is not reduced due to side effects caused by acetic acid accumulation, and cell growth is not inhibited due to acetic acid accumulation. Therefore, the Clostridium AWRP strain of the present invention is characterized by having a high alcohol production yield without acetic acid accumulation. The alcohol produced by the Clostridium AWRP (Accession Number: KCTC 13908BP) strain of the present invention is characterized in that it is ethanol and 2,3-butanediol.

또한, 본 발명에서는 아세토젠 미생물 중 클로스트리디움 속 AWRP 균주를 이용하여 높은 CO 농도에서 탄소 고정능과 생장속도가 감소하는 부작용을 개선하는 방법을 예시하였으나, 에탄올 생산이 가능한 다른 아세토젠 균주를 이용하여 유사한 배양 방법을 사용하는 것 역시 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.In addition, in the present invention, a method of improving the side effect of reduced carbon fixation ability and growth rate at high CO concentration was exemplified by using the AWRP strain of the Clostridium genus among acetogenic microorganisms, but other acetogen strains capable of producing ethanol were used. Therefore, it will also be obvious to those skilled in the art to use a similar culture method.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 (a) 단계의 배지 조성물의 아세트산 농도는 10mM 내지 80mM이고, 배지의 일산화탄소 분압은 50kPa 내지 250kPa 일 수 있다. 배지 조성물에 첨가되는 아세트산은 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 대사과정에서 일산화탄소(CO)의 전자 받개(electron donor)로 사용되게 되고, 이를 통해 일산화탄소를 소모하게 하며, 결과적으로 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 초반 생장 저해를 경감시켜 주는 역할을 한다. 따라서, 배지 조성물의 아세트산 농도와 일산화탄소의 분압을 일정비율로 유지시켜주는 것이 중요한데, 배지의 일산화탄소 분압이 50kPa 내지 170kPa인 경우에 아세트산 농도를 10mM 내지 80mM로 첨가하는 경우 일산화탄소의 독성을 경감시켜 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 생장을 원활하게 할 수 있다. In the method for producing bioalcohol of the present invention, the acetic acid concentration of the medium composition in step (a) may be 10mM to 80mM, and the partial pressure of carbon monoxide in the medium may be 50kPa to 250kPa. Acetic acid added to the medium composition is used as an electron donor for carbon monoxide (CO) in the metabolic process of the Clostridium AWRP strain, thereby consuming carbon monoxide, and as a result, the Clostridium AWRP strain It plays a role in alleviating early growth inhibition. Therefore, it is important to maintain the acetic acid concentration and the partial pressure of carbon monoxide in the medium composition at a constant ratio. When the partial pressure of carbon monoxide in the medium is 50 kPa to 170 kPa, adding acetic acid concentration to 10mM to 80mM reduces the toxicity of carbon monoxide and helps clostry. It can facilitate the growth of AWRP strains of the Dium genus.

본 발명에서 상기 용어 '가스'는 고체를 불완전 연소시켜 발생하는 일산화탄소를 포함하는 기체를 의미하며, '합성 가스'를 포함하는 개념이다.In the present invention, the term 'gas' refers to a gas containing carbon monoxide generated by incomplete combustion of solids, and is a concept that includes 'synthetic gas'.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 (a) 단계의 바이오 알코올 생산방법에 투입되는 가스는 일산화탄소를 필수적으로 포함하며, 바람직하게는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 및 질소 등의 가스를 포함할 수 있다.In the bio-alcohol production method of the present invention, the gas input to the bio-alcohol production method in step (a) essentially contains carbon monoxide, and may preferably include gases such as carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, and nitrogen. there is.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 (a) 단계의 가스는 50%(v/v) 내지 100%(v/v)의 일산화탄소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 50kPa 내지 250kPa, 바람직하게는 75kPa 내지 200kPa로 압축하여 연속적으로 공급할 수 있다.In the bioalcohol production method of the present invention, the gas in step (a) may contain 50% (v/v) to 100% (v/v) of carbon monoxide. Additionally, the synthesis gas containing carbon monoxide can be compressed to 50 kPa to 250 kPa, preferably 75 kPa to 200 kPa, and continuously supplied.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 (a) 단계의 배지는 RM 배지, PETC 배지, AM 배지 및 AMv2 배지에서 선택된 어느 하나의 배지를 사용하여 배양할 수 있으며, 바람직하게는 RM 배지 또는 PETC 배지를 사용하여 배양할 수 있다.In the method for producing bioalcohol of the present invention, the medium in step (a) can be cultured using any medium selected from RM medium, PETC medium, AM medium, and AMv2 medium, preferably RM medium or PETC medium. It can be cultured using medium.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 RM 배지는 리터 당 MgSO4·7H2O 0.2g; NaCl 1g; KCl 0.2g; 효모 추출물 0.5g; 인산 용액 10mL; 미량원소 I 용액 1mL; 미량원소 II 용액 1mL; 및 Wolfe’s 비타민 용액 10mL;을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인산 용액은 NaH2PO4·2H2O 0.8g/L; 및 K2HPO4 0.4g/L로 구성될 수 있고, 상기 미량원소 I 용액은 35% HCl 10mL/L; FeSO4·7H2O 27.8g/L; MnCl2·4H2O 9.9g/L; ZnCl2 4.09g/L; CoCl2·6H2O 11.9g/L; 및 NiCl2·6H2O 2.38g/L;로 구성될 수 있으며, 상기 미량원소 II 용액은 Na2MoO4·2H2O 0.24g/L; Na2SeO3·5H2O 1.32g/L; 및 Na2WO4·2H2O 3.3g/L;로 구성될 수 있고, 상기 Wolfe’s 비타민 용액은 바이오틴 2g/L; 엽산 2g/L; 피리독신·HCl 10g/L; 티아민·HCl 5g/L; 리보플라빈 5g/L; 니코틴산 5g/L; 칼슘 D-판토텐산염 5g/L; 비타민 B12 0.1g/L; p-아미노벤조산 5g/L; 및 리포산 5g/L로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the method for producing bioalcohol of the present invention, the RM medium contains 0.2 g of MgSO 4 ·7H 2 O per liter; NaCl 1g; KCl 0.2g; Yeast extract 0.5 g; 10 mL of phosphoric acid solution; 1 mL of trace element I solution; 1 mL of trace element II solution; and 10 mL of Wolfe's vitamin solution. Additionally, the phosphoric acid solution contains NaH 2 PO 4 ·2H 2 O 0.8 g/L; and K 2 HPO 4 0.4 g/L, and the trace element I solution is 35% HCl 10 mL/L; FeSO 4 ·7H 2 O 27.8 g/L; MnCl 2 ·4H 2 O 9.9g/L; ZnCl 2 4.09 g/L; CoCl 2 ·6H 2 O 11.9 g/L; and NiCl 2 ·6H 2 O 2.38 g/L; and the trace element II solution includes Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.24 g/L; Na 2 SeO 3 ·5H 2 O 1.32 g/L; and Na 2 WO 4 ·2H 2 O 3.3 g/L; and the Wolfe's vitamin solution contains 2 g/L biotin; Folic acid 2g/L; Pyridoxine·HCl 10g/L; Thiamine·HCl 5g/L; Riboflavin 5g/L; Nicotinic acid 5g/L; Calcium D-pantothenate 5g/L; Vitamin B12 0.1g/L; p-aminobenzoic acid 5g/L; and lipoic acid 5g/L, but is not limited thereto.

또한, 상기 PETC 배지는 리터 당 KH2PO4 0.1g; MgSO4·7H2O 0.2g; CaCl2·2H2O 0.02g; NaCl 0.8g; KCl 0.1g; 효모 추출물 0.5g; 미량원소 용액(ATCC 1754) 10mL; Wolfe’s 비타민 용액 10mL; 및 환원제 10mL;를 포함하고, 상기 미량원소 용액(ATCC 1754)은 니트릴로아세트산(nitrilotriacetic acid) 25g/L; MnSO4·H2O 15g; Fe(SO4)2(NH4)2·6H2O 0.85g; CoCl2·6H2O 0.25g; ZnSO4·7H2O 0.00025g; CuCl2·2H2O 0.000025g; NiCl2·6H2O 0.000025g; Na2MoO4·2H2O 0.000025g; Na2SeO4 0.000025g; Na2WO4 0.000025g;으로 구성되고, 상기 Wolfe’s 비타민 용액은 바이오틴 2g/L; 엽산 2g/L; 피리독신·HCl 10g/L; 티아민·HCl 5g/L; 리보플라빈 5g/L; 니코틴산 5g/L; 칼슘 D-판토텐산염 5g/L; 비타민 B12 0.1g/L; p-아미노벤조산 5g/L; 및 리포산 5g/L로 구성될 수 있다. Additionally, the PETC medium contains 0.1 g of KH 2 PO 4 per liter; MgSO 4 ·7H 2 O 0.2 g; CaCl 2 ·2H 2 O 0.02 g; NaCl 0.8g; KCl 0.1g; Yeast extract 0.5 g; 10 mL of trace element solution (ATCC 1754); 10 mL of Wolfe's vitamin solution; and 10 mL of reducing agent, wherein the trace element solution (ATCC 1754) contains 25 g/L of nitrilotriacetic acid; 15 g of MnSO 4 ·H 2 O; Fe(SO 4 ) 2 (NH 4 ) 2 ·6H 2 O 0.85 g; CoCl 2 ·6H 2 O 0.25 g; ZnSO 4 ·7H 2 O 0.00025 g; CuCl 2 ·2H 2 O 0.000025 g; NiCl 2 ·6H 2 O 0.000025 g; Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.000025 g; Na 2 SeO 4 0.000025 g; Na 2 WO 4 0.000025 g; and the Wolfe's vitamin solution contains 2 g/L biotin; Folic acid 2g/L; Pyridoxine·HCl 10g/L; Thiamine·HCl 5g/L; Riboflavin 5g/L; Nicotinic acid 5g/L; Calcium D-pantothenate 5g/L; Vitamin B12 0.1g/L; p-aminobenzoic acid 5g/L; and 5 g/L lipoic acid.

본 발명의 바이오 알코올의 생산방법에서, 상기 RM 배지는 배지의 pH를 일정 수준으로 유지시켜주는 환원제를 사용할 수 있으며, 환원제로는 30 내지 50mM 농도의 MES[2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid]를 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우 pH 4.5 내지 6.0, 가장 바람직하게는 pH 5.5를 유지할 수 있다.In the bioalcohol production method of the present invention, the RM medium can use a reducing agent that maintains the pH of the medium at a certain level, and the reducing agent is MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] at a concentration of 30 to 50mM. It is preferable to use, and in this case, pH can be maintained at 4.5 to 6.0, most preferably pH 5.5.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 RM 배지, PETC 배지, AM 배지 및 AMv2 배지에서 선택된 어느 하나의 배지를 기본배지로 하여 10 내지 80mM 농도의 아세트산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 50kPa 내지 250kPa의 일산화탄소 분압 조건에서 바이오 알코올 생산을 위한 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주 배양용 배지 조성물을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention uses any one medium selected from RM medium, PETC medium, AM medium and AMv2 medium as a base medium, and further contains acetic acid at a concentration of 10 to 80mM. Provides a medium composition for cultivating Clostridium genus AWRP (Accession number: KCTC 13908BP) strain for bio-alcohol production under carbon monoxide partial pressure conditions.

본 발명의 바이오 알코올 생산을 위한 배지 조성물에서, 상기 RM 배지는 리터 당 MgSO4·7H2O 0.2g; NaCl 1g; KCl 0.2g; 효모 추출물 0.5g; 인산 용액 10mL; 미량원소 I 용액 1mL; 미량원소 II 용액 1mL; 및 Wolfe’s 비타민 용액 10mL;을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인산 용액은 NaH2PO4·2H2O 0.8g/L; 및 K2HPO4 0.4g/L로 구성될 수 있고, 상기 미량원소 I 용액은 35% HCl 10mL/L; FeSO4·7H2O 27.8g/L; MnCl2·4H2O 9.9g/L; ZnCl2 4.09g/L; CoCl2·6H2O 11.9g/L; 및 NiCl2·6H2O 2.38g/L;로 구성될 수 있으며, 상기 미량원소 II 용액은 Na2MoO4·2H2O 0.24g/L; Na2SeO3·5H2O 1.32g/L; 및Na2WO4·2H2O 3.3g/L;로 구성될 수 있고, 상기 Wolfe’s 비타민 용액은 바이오틴 2g/L; 엽산 2g/L; 피리독신·HCl 10g/L; 티아민·HCl 5g/L; 리보플라빈 5g/L; 니코틴산 5g/L; 칼슘 D-판토텐산염 5g/L; 비타민 B12 0.1g/L; p-아미노벤조산 5g/L; 및 리포산 5g/L로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the medium composition for bioalcohol production of the present invention, the RM medium contains 0.2 g of MgSO 4 ·7H 2 O per liter; NaCl 1g; KCl 0.2g; Yeast extract 0.5 g; 10 mL of phosphoric acid solution; 1 mL of trace element I solution; 1 mL of trace element II solution; and 10 mL of Wolfe's vitamin solution. Additionally, the phosphoric acid solution contains NaH 2 PO 4 ·2H 2 O 0.8 g/L; and K 2 HPO 4 0.4 g/L, and the trace element I solution is 35% HCl 10 mL/L; FeSO 4 ·7H 2 O 27.8 g/L; MnCl 2 ·4H 2 O 9.9g/L; ZnCl 2 4.09 g/L; CoCl 2 ·6H 2 O 11.9 g/L; and NiCl 2 ·6H 2 O 2.38 g/L; and the trace element II solution includes Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.24 g/L; Na 2 SeO 3 ·5H 2 O 1.32 g/L; and Na 2 WO 4 ·2H 2 O 3.3 g/L; and the Wolfe's vitamin solution contains 2 g/L biotin; Folic acid 2g/L; Pyridoxine·HCl 10g/L; Thiamine·HCl 5g/L; Riboflavin 5g/L; Nicotinic acid 5g/L; Calcium D-pantothenate 5g/L; Vitamin B12 0.1g/L; p-aminobenzoic acid 5g/L; and lipoic acid 5g/L, but is not limited thereto.

본 발명의 바이오 알코올 생산을 위한 배지 조성물에서, 상기 배지 조성물은 환원제로서 30 내지 50mM 농도의 MES[2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid]를 더 포함할 수 있다. In the medium composition for bioalcohol production of the present invention, the medium composition may further include MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] at a concentration of 30 to 50mM as a reducing agent.

본 발명이 선행특허들과 차별화된 점의 하나로 아세토젠인 클로스트리듐 균주들은 배지 내 일산화탄소의 분압이 높은 경우에 균체 생장이 저해되고, 균주에 의한 배지의 CO 소모량이 감소되어 일산화탄소에서 알코올로 변환되는 알코올 생산량이 감소하나, 본 발명의 바이오 알코올 생산용 배지 조성물은 배지의 일산화탄소 분압이 50kPa 내지 250kPa인 고농도의 일산화탄소 조건에서도 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주의 배양에서 일산화탄소를 고농도로 공급할 때에도 세포 생장이 저해되지 않고, 알코올 전환 과정이 무리 없이 수행되어 최종 생성되는 에탄올 및 2,3-부탄디올을 고농도로 생산이 가능하다. One of the points that differentiates the present invention from previous patents is that in Clostridium strains, which are acetogens, cell growth is inhibited when the partial pressure of carbon monoxide in the medium is high, and CO consumption of the medium by the strain is reduced, converting carbon monoxide into alcohol. Although the alcohol production is reduced, the medium composition for bio-alcohol production of the present invention produces high concentrations of carbon monoxide in the culture of the Clostridium AWRP (Accession number: KCTC 13908BP) strain even under high-concentration carbon monoxide conditions where the carbon monoxide partial pressure of the medium is 50 kPa to 250 kPa. Even when supplied, cell growth is not inhibited, and the alcohol conversion process is carried out without difficulty, making it possible to produce the final ethanol and 2,3-butanediol at high concentrations.

본 발명의 실시예에서는 CO 분압이 증가할수록 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) AWRP 균주의 생장이 저해되고, CO 누적 소모량이 감소하나(도 1 참조), 배지에 아세트산(Acetate)을 첨가함에 따라서, CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해 현상을 극복할 수 있으며, AWRP 균주의 CO 소모량을 증가시킬 수 있고(도 2 참조), 회분식 배양 조건에서는 아세트산 미첨가 조건 대비 83% 증가한 최대 비생장 속도(μmax)를 나타내며(도 3 참조), 생물반응기 조건에서는 아세트산 첨가에 따라 최대 비생장 속도가 약 2.6배 증가하며, 최종 생성되는 에탄올 및 2,3-부탄디올의 농도가 2~3배 증가하는 것을 확인할 수 있었다(도 4 참조). In an embodiment of the present invention, as the CO partial pressure increases, the growth of the Clostridium sp. AWRP strain is inhibited and the cumulative CO consumption decreases (see Figure 1), but as acetic acid (Acetate) is added to the medium, , it is possible to overcome the inhibition of AWRP bacterial growth by CO gas and increase the CO consumption of AWRP strains (see Figure 2). In batch culture conditions, the maximum specific growth rate (μmax) increased by 83% compared to the condition without acetic acid. ) (see Figure 3), and under bioreactor conditions, the maximum specific growth rate increases by about 2.6 times with the addition of acetic acid, and the final concentration of ethanol and 2,3-butanediol produced increases by 2 to 3 times. There was (see Figure 4).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 바이오 알코올의 생산방법은 아세트산이 첨가된 배지 조성물을 이용하여 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) 균주의 균체 생장 저해 및 CO 소모량 감소의 부작용 없이 고농도의 바이오 에탄올의 생산이 가능하다. As described above, the bio-alcohol production method of the present invention uses a medium composition to which acetic acid is added to produce high-concentration bio-ethanol without the side effects of inhibiting bacterial growth of Clostridium sp. strains and reducing CO consumption. This is possible.

따라서, 본 발명의 바이오 알코올의 생산방법 및 이를 위한 배지 조성물은 합성 가스로부터 바이오 에탄올을 선택적으로 생산하는 공정에 유용하게 이용될 수 있다. Therefore, the method for producing bioalcohol and the medium composition for the same of the present invention can be usefully used in the process of selectively producing bioethanol from synthesis gas.

도 1은 배지 내 CO 분압 및 MES 첨가 유무에 따른 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 생장 변화와 CO 누적 소모량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 아세트산(Acetate), 개미산(Formate) 및 MES의 첨가 유무에 따른 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 CO 누적 소모량을 측정하여 나타낸 그래프이다(●: RM 배지, ▲: RM + Formate, ■: RM + Acetate, ○: RM + MES, □: RM + MES + Acetate).
도 3은 회분식 배양 조건에서 아세트산(Acetate)의 첨가 유무에 따른 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 CO 누적 소모량, 균체량 및 배양액 내의 대사산물의 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다
도 4는 생물반응기 배양 조건에서 아세트산(Acetate) 첨가 유무에 따른 클로스트리디움 속 AWRP 균주의 CO 누적 소모량, 균체량 및 배양액 내의 대사산물의 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다(●■▼▲ : 아세트산 첨가, ○□▽△: 아세트산 미첨가).
Figure 1 is a graph showing the growth change and cumulative CO consumption of Clostridium AWRP strains according to the partial pressure of CO in the medium and the presence or absence of MES.
Figure 2 is a graph showing the cumulative CO consumption of Clostridium AWRP strains with or without the addition of acetic acid (Acetate), formic acid (Formate), and MES (●: RM medium, ▲: RM + Formate, ■: RM + Acetate, ○: RM + MES, □: RM + MES + Acetate).
Figure 3 is a graph showing the cumulative CO consumption, cell mass, and concentration of metabolites in the culture medium of Clostridium AWRP strains with or without the addition of acetic acid under batch culture conditions.
Figure 4 is a graph showing the cumulative CO consumption, cell mass, and concentration of metabolites in the culture medium of Clostridium AWRP strains with or without the addition of acetic acid under bioreactor culture conditions (●■▼▲: addition of acetic acid, ○□▽△: No acetic acid added).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Since these examples are merely for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples.

실시예 1. 아세토젠 미생물에서의 CO 분압 증가에 따른 저해 확인Example 1. Confirmation of inhibition due to increase in CO partial pressure in acetogenic microorganisms

아세토젠 미생물로 본 발명자들에 의해 안산 갈대습지에서 분리한 신규 아세토젠 미생물인 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) AWRP 균주(수탁번호: KCTC 13908BP)(이하 AWRP 균주)를 사용하였다. AWRP 균주는 CO, CO2 및 H2 기체가 혼합된 합성 가스에서 우수한 에탄올 생성능을 가진 것으로 알려져 있다(Lee et al., Biotechnol. Biofuels).As an acetogenic microorganism, the present inventors used Clostridium sp. AWRP strain (accession number: KCTC 13908BP) (hereinafter referred to as AWRP strain), a new acetogenic microorganism isolated from Ansan reed wetlands. AWRP strain is known to have excellent ethanol production ability from synthetic gas mixed with CO, CO 2 and H 2 gases (Lee et al., Biotechnol. Biofuels).

먼저, AWRP 균주가 일산화탄소만을 이용하는 경우의 저해 정도를 확인하기 위하여 밀봉된 125mL 용량의 세럼 병(serum bottle)에 배지와 CO를 각각 75, 125 및 200kPa의 분압으로 첨가한 후 배양하여 AWRP 균주의 CO 이용 저해 정도를 비교하였다. 배양을 위한 배지로서 1g/L의 효모 추출물(yeast extract)이 첨가된 20mL의 RM 배지를 사용하였으며(Lee et al., Biotechnol. Biofuels), 미생물의 발효산물에 의한 배양 pH 감소를 억제하기 위한 완충제로서 40mM의 MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid, pH 5.5)를 사용하였다. 종배양(seed culture)은 기존 문헌에 준하여 동일하게 수행하였다. 배양 중 주기적으로 균체량(OD600)과 기체상의 CO 분압을 측정하여 [도 1]에 나타내었다.First, to confirm the degree of inhibition when the AWRP strain uses only carbon monoxide, medium and CO were added to a sealed 125 mL serum bottle at partial pressures of 75, 125, and 200 kPa, respectively, and cultured to determine the CO of the AWRP strain. The degree of inhibition of use was compared. As a culture medium, 20 mL of RM medium to which 1 g/L yeast extract was added (Lee et al., Biotechnol. Biofuels) was used, and a buffer to suppress the decrease in culture pH caused by microbial fermentation products. 40mM MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid, pH 5.5) was used. Seed culture was performed in the same manner as in the existing literature. During culture, the bacterial mass (OD 600 ) and gaseous CO partial pressure were measured periodically and are shown in [Figure 1].

측정된 CO 분압은 이상 기체 방정식을 이용하여 단위 배양액 부피당 누적 CO 소모량으로 환산하였으며, CO 분압 측정을 위한 가스크로마토그래피의 분석 조건은 아래와 같다.The measured CO partial pressure was converted to cumulative CO consumption per unit volume of culture medium using the ideal gas equation, and the gas chromatography analysis conditions for measuring CO partial pressure are as follows.

- Column : Molecular Sieve 13X + Porapack N- Column: Molecular Sieve 13X + Porapack N

- Gas flow rate : Argon 15mL/min- Gas flow rate: Argon 15mL/min

- Oven temperature : 40℃, 9.5 min- Oven temperature: 40℃, 9.5 min

- Injector temperature : 150℃- Injector temperature: 150℃

- Thermal conductivity detector temperature : 150℃- Thermal conductivity detector temperature: 150℃

- Flame ionization detector temperature : 250℃- Flame ionization detector temperature: 250℃

- Methanizer temperature: 350℃- Methanizer temperature: 350℃

실험 결과를 정리한 [도 1]을 참조하면, CO 분압이 증가할수록 동시간대의 균체량과 CO 누적 소모량이 감소하는 것을 확인하였으며, MES 미첨가 조건에서 CO 저해 효과가 강하게 나타나는 것을 확인하였다. MES는 세포 내에서 대사되지 않는 완충제로 잘 알려져 있으므로, 이러한 차이는 완충제의 첨가 유무에 따른 초기 pH 차이가 영향을 미치는 것으로 추정된다.Referring to [Figure 1], which summarizes the experimental results, it was confirmed that as the CO partial pressure increased, the amount of bacterial cells and cumulative CO consumption at the same time decreased, and it was confirmed that the CO inhibition effect was strong in the condition without MES. Since MES is well known as a buffer that is not metabolized within cells, it is assumed that this difference is caused by the difference in initial pH depending on whether or not the buffer is added.

상기 실험 결과를 통해 CO 분압이 증가할수록 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) AWRP 균주의 생장이 저해되고, CO 누적 소모량이 감소하며, 완충제인 MES 첨가로 이러한 저해 및 감소 현상이 완화되는 것을 확인할 수 있었다. Through the above experimental results, it can be confirmed that as the CO partial pressure increases, the growth of Clostridium sp. AWRP strains is inhibited, the cumulative CO consumption decreases, and the addition of MES, a buffer, alleviates this inhibition and reduction phenomenon. there was.

실시예 2. 배지 첨가물에 따른 CO 저해 개선 활성Example 2. CO inhibition improvement activity according to medium additives

클로스트리디움 속(Clostridium sp.) AWRP 균주의 배양 배지에 아세트산(Acetate) 또는 개미산(Formate)과 MES를 선택적으로 첨가하여 이들 물질이 갖는 CO 저해 개선 효과를 확인하였다. Acetic acid (Acetate) or formic acid (Formate) and MES were selectively added to the culture medium of Clostridium sp. AWRP strain, and the CO inhibition improvement effect of these substances was confirmed.

개미산의 경우 CO에 의한 균체의 생장 저해 현상을 일으키는 대표적인 원인인 개미산 탈수소효소(formate dehydrogenase)가 저해와 관련이 있으며, 균체 생장 저해와 관련된 표적 효소인 개미산 탈수소효소의 반응 산물인 개미산을 첨가해주는 경우 우드-륭달(Wood-Ljungdahl) 경로의 탄소 고정이 순조롭게 진행될 수 있음이 잘 알려져 있다.In the case of formic acid, it is related to the inhibition of formic acid dehydrogenase, which is a representative cause of bacterial growth inhibition by CO. When formic acid, which is the reaction product of formic acid dehydrogenase, the target enzyme related to bacterial growth inhibition, is added It is well known that carbon fixation in the Wood-Ljungdahl pathway can proceed smoothly.

아세트산(Acetate) 또는 개미산(Formate)은 NaOH를 첨가하여 1M의 pH 5.5 용액으로 조제하였고, 이를 배지에 최종 40mM로 희석하여 첨가하였다. 배양은 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였으며, CO는 125kPa의 분압으로 조정하였으며, 배양 중 주기적으로 CO 분압을 측정하여 누적 CO 소모량을 [도 2]에 나타내었다.Acetic acid (Acetate) or formic acid (Formate) was prepared as a 1M pH 5.5 solution by adding NaOH, which was diluted to a final concentration of 40mM and added to the medium. Cultivation was performed in the same manner as in Example 1, CO was adjusted to a partial pressure of 125 kPa, and CO partial pressure was measured periodically during cultivation, and the cumulative CO consumption is shown in [Figure 2].

실험 결과를 정리한 [도 2]를 참조하면, 유기산 또는 MES을 모두 첨가하지 않은 미첨가 조건에서는 CO 소모가 전혀 일어나지 않았다. 또한, 배지에 환원제인 MES만을 첨가한 조건에서는 CO 가스의 완전 소모에 약 13일이 소요되었으며, 이는 실시예 1의 실험에서 관찰한 결과와 일치한다. 그러나, 다른 아세토젠 미생물인 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii)의 경우와는 달리 개미산의 첨가는 CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해의 개선에 영향이 없음을 확인하였다.Referring to [Figure 2], which summarizes the experimental results, no CO consumption occurred under conditions without the addition of any organic acid or MES. In addition, under conditions in which only MES, a reducing agent, was added to the medium, it took about 13 days for CO gas to be completely consumed, which is consistent with the results observed in the experiment in Example 1. However, unlike the case of Acetobacterium woodii , another acetogenic microorganism, it was confirmed that the addition of formic acid had no effect on improving the inhibition of AWRP cell growth by CO gas.

한편, 배지에 아세트산만을 첨가한 경우, 배양 6일에 CO 가스의 소모가 완료되었으며, 이는 MES만을 첨가한 조건과 비교하여 배양 시간이 약 50% 단축된 것으로 단일 첨가 조건에서는 가장 우수한 효과를 나타내었다. 또한, 아세트산과 MES를 동시에 첨가해 주는 경우, 배양 시간이 4일까지 단축되는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, when only acetic acid was added to the medium, CO gas consumption was completed on the 6th day of culture, which shortened the culture time by about 50% compared to the condition in which only MES was added, showing the best effect in the single addition condition. . In addition, it was confirmed that when acetic acid and MES were added simultaneously, the culture time was shortened to 4 days.

배지에 MES만 첨가한 경우와 MES와 아세트산을 동시에 첨가한 경우에서 각각 배양 초반의 가스 소모 및 발생량을 측정하고 하기 표 1에 정리하였다. The gas consumption and generation amount at the beginning of the culture were measured when only MES was added to the medium and when MES and acetic acid were added simultaneously, and are summarized in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

우드-륭달 경로를 통해 CO로부터 AWRP 균주의 대사 산물인 아세트산, 에탄올, 그리고 2,3-부탄디올이 생성되는 경우의 알짜 반응식은 각각 하기 식과 같다.The net reaction equations when acetic acid, ethanol, and 2,3-butanediol, which are metabolites of the AWRP strain, are produced from CO through the Wood-Ljungdahl pathway are respectively as follows.

4 CO + 2 H2O → CH3COOH + 2 CO2 (CO2/CO = 50 mol%)4 CO + 2 H 2 O → CH 3 COOH + 2 CO 2 (CO 2 /CO = 50 mol%)

6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2 (CO2/CO = 67 mol%)6 CO + 3 H 2 O → C 2 H 5 OH + 4 CO 2 (CO 2 /CO = 67 mol%)

11 CO + 5 H2O → C4H10O2 + 7 CO2 (CO2/CO = 64 mol%)11 CO + 5 H 2 O → C 4 H 10 O 2 + 7 CO 2 (CO 2 /CO = 64 mol%)

[표 1]을 참조하면, 아세트산 첨가시의 배양 초기(0~1일)의 CO2/CO 비는 67% 이상이며, 이는 아세트산 첨가시 배양 초반에는 우드-륭달 경로를 통한 발효와 더불어 추가적인 CO의 산화가 일어났음을 의미한다. 특히, 0-1일차의 CO2/CO 비는 분석 오차를 감안하여 100%에 가까우며, 이는 CO가 우드-륭달 경로를 통해 탄소수 2 미만의 화합물(> C2 화합물)로 전환되지 않고 전자 공여체로서만 작용하여 CO2로 산화되었음을 의미한다. 아세트산 미첨가시에는 이론상 CO2/CO 범위에 근접하게 나타나며, 이는 우드-륭달 경로로만 CO 대사가 일어났음을 의미한다. 결론적으로 아세트산을 배양액에 첨가함으로써 CO의 산화가 촉진되며, 이를 통해 CO에 의한 세포의 대사 저해를 경감시켜 주는 것으로 해석할 수 있다. Referring to [Table 1], the CO 2 /CO ratio at the beginning of the culture (0 to 1 day) when acetic acid is added is more than 67%, which means that additional CO is produced along with fermentation through the Wood-Jjungdahl pathway at the beginning of the culture when acetic acid is added. This means that oxidation has occurred. In particular, the CO 2 /CO ratio on days 0-1 is close to 100% considering the analysis error, which means that CO is not converted to compounds with less than 2 carbon atoms (> C 2 compounds) through the Wood-Jjungdahl pathway, but rather acts as an electron donor. This means that it was oxidized to CO 2 through the action of When acetic acid is not added, it appears close to the theoretical CO 2 /CO range, which means that CO metabolism occurred only through the Wood-Ljungdahl pathway. In conclusion, the oxidation of CO is promoted by adding acetic acid to the culture medium, which can be interpreted as reducing the inhibition of cell metabolism by CO.

상기 실험 결과를 통해, 유기산으로 아세트산(Acetate)을 첨가하는 경우 CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해 현상을 극복할 수 있으며, AWRP 균주에 의한 CO 소모량을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. Through the above experimental results, it was confirmed that adding acetic acid (Acetate) as an organic acid can overcome the inhibition of AWRP cell growth by CO gas and increase CO consumption by the AWRP strain.

실시예 3. 회분식 배양에서 아세트산 첨가에 따른 CO 저해 현상 개선 효과Example 3. Effect of improving CO inhibition phenomenon by adding acetic acid in batch culture

플라스크를 이용한 회분식 배양 조건에서 아세트산 첨가에 따른 CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해의 개선 효과 확인하였다. The improvement in inhibition of AWRP bacterial growth by CO gas following the addition of acetic acid was confirmed under batch culture conditions using a flask.

실험은 1L 용량의 세럼병을 이용하여 아세트산 첨가 및 미첨가 조건의 비교실험을 수행하였다. 배양 중 pH의 완충을 위하여 100mL의 RM 배지에 40mM의 MES를 기본적으로 첨가하여 실험하였고, 종배양은 실시예 1 및 2와 동일한 조건으로 수행하였다. 기체상의 초기 CO 분압은 200kPa로 수행하였으며, 주기적으로 시료를 채취하여 기체상 내 CO 분압, 균체량, 배양액 내의 대사산물의 농도를 측정하여 측정 결과를 [도 3]에 나타내었다. CO 가스 농도의 측정은 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다. 배양 산물의 농도 측정에는 YL 9100 HPLC 시스템을 사용하였으며, 분석 조건은 아래와 같다.The experiment was conducted using a 1L capacity serum bottle to compare conditions with and without acetic acid. To buffer the pH during culture, 40mM MES was added to 100mL of RM medium for the experiment, and seed culture was performed under the same conditions as Examples 1 and 2. The initial CO partial pressure in the gas phase was set to 200 kPa, and samples were collected periodically to measure the CO partial pressure in the gas phase, the amount of bacteria, and the concentration of metabolites in the culture medium, and the measurement results are shown in [Figure 3]. Measurement of CO gas concentration was performed in the same manner as Example 1. The YL 9100 HPLC system was used to measure the concentration of the culture product, and the analysis conditions were as follows.

- Column : Rezex ROA(300 × 7.8 mm)- Column: Rezex ROA (300 × 7.8 mm)

- Mobile phase : 0.005N H2SO4 - Mobile phase: 0.005NH 2 SO 4

- Oven temperature : 60℃, 30min- Oven temperature: 60℃, 30min

- Injection volume: 20μL- Injection volume: 20μL

실험 결과를 정리한 [도 3]을 참조하면, 아세트산을 첨가하는 경우, CO 전환 및 균체 생장이 접종 직후부터 활발하게 일어나는 것을 확인하였으며, 배양 시간이 약 6일로 미첨가 조건 대비 50% 이하로 단축되는 것을 확인하였다(도 3a 내지 도 3d 참조). 특히 최대 비생장 속도(μmax)는 아세트산 첨가시 1.73d-1로 미첨가 조건의 0.95d-1 대비 83% 증가한 것을 확인하였다. 한편, 배양 종료 시점에서의 최종 균체량은 유의미한 차이가 없었다.Referring to [Figure 3], which summarizes the experimental results, it was confirmed that when acetic acid was added, CO conversion and bacterial growth actively occurred immediately after inoculation, and the incubation time was reduced to less than 50% compared to the unadded condition to about 6 days. It was confirmed that this was the case (see FIGS. 3A to 3D). In particular, the maximum specific growth rate (μmax) was confirmed to be 1.73d -1 when acetic acid was added, an 83% increase compared to 0.95d -1 in the condition without addition. Meanwhile, there was no significant difference in the final bacterial mass at the end of culture.

또한, 배지에 MES만 첨가한 경우와 MES와 아세트산을 동시에 첨가한 경우에서 각각 배양 초반의 가스 소모 및 발생량을 측정하고, 이를 대사산물 생산과 비교하여 하기 표 2에 정리하였다. In addition, gas consumption and generation at the beginning of the culture were measured when only MES was added to the medium and when MES and acetic acid were added simultaneously, and these were compared with metabolite production and summarized in Table 2 below.

[표 2][Table 2]

아세트산이 첨가되었을 경우 배양 직후 2일차까지 아세트산이 감소함과 동시에 에탄올의 생성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 기간의 CO2/CO 비율은 66~87%로 우드-륭달 경로를 통한 발효로 얻을 수 있는 최대치 67%를 상회하는 것이다. 결론적으로 아세트산이 CO의 전자 받개(electron donor)로 사용되어 CO를 소모함으로써 CO에 의한 초반 생장 저해를 경감시켜 주는 것으로 볼 수 있다.When acetic acid was added, it was confirmed that acetic acid decreased and ethanol production increased immediately after culture until the second day. The CO 2 /CO ratio during this period is 66 to 87%, which exceeds the maximum value of 67% that can be obtained through fermentation through the Oud-Ljungdahl route. In conclusion, it can be seen that acetic acid is used as an electron donor for CO and consumes CO, thereby alleviating the initial growth inhibition caused by CO.

실시예 4. 생물반응기를 이용한 CO 연속 공급 조건에서 CO 저해 현상 개선 효과Example 4. Effect of improving CO inhibition phenomenon under CO continuous supply conditions using a bioreactor

플라스크를 이용한 회분식 배양 조건과 마찬가지로 생물반응기를 이용한 CO 연속 공급 조건에서도 아세트산 첨가에 따라 CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해 및 CO 소모량 감소 현상을 극복할 수 있는지 확인하였다. Similar to the batch culture conditions using a flask, it was confirmed whether the inhibition of AWRP bacterial growth and reduction of CO consumption due to CO gas can be overcome by adding acetic acid under continuous CO supply conditions using a bioreactor.

배양은 2.5L 용량의 반응기에 2g/L의 효모 추출물이 첨가된 RM 배지 1L를 첨가하여 수행하였으며, 생물 반응기의 자동 pH 조절 기능을 사용하였으므로 MES는 첨가하지 아니하였다. 상세한 반응기의 운전 조건은 아래와 같다.Cultivation was performed by adding 1L of RM medium containing 2g/L yeast extract to a 2.5L reactor. MES was not added because the automatic pH control function of the bioreactor was used. The detailed operating conditions of the reactor are as follows.

- Agitation : 500 RPM- Agitation: 500 RPM

- Gas : 99.999% CO- Gas: 99.999% CO

- Inlet CO flow rate: 10mL/min through 1 microsparger- Inlet CO flow rate: 10mL/min through 1 microsparger

(turned on from 3 h after inoculation) (turned on from 3 h after inoculation)

- Temperature : 37℃- Temperature: 37℃

- Automatic pH adjustment : 5.5(7.5N NH4OH 및 2N HCl 이용)- Automatic pH adjustment: 5.5 (using 7.5N NH 4 OH and 2N HCl)

- Inoculum : 10%- Inoculum: 10%

실험 결과를 정리한 [도 4]를 참조하면, 아세트산 첨가 조건에서 AWRP 균주의 최대 비생장 속도(μmax)는 약 2.2d-1, 미첨가 조건에서는 약 0.83d-1로 나타나서 아세트산 첨가에 따라 최대 비생장 속도가 약 2.6배 증가한 것을 확인하였다. Referring to [Figure 4], which summarizes the experimental results, the maximum specific growth rate (μmax) of the AWRP strain was approximately 2.2 d-1 under acetic acid addition conditions, and approximately 0.83 d-1 under conditions without the addition of acetic acid. It was confirmed that the specific growth rate increased by about 2.6 times.

또한, 아세트산 첨가 조건에서의 최종 생성된 에탄올 농도는 232mM로, 아세트산 미첨가 조건에서의 80mM 대비 약 3배 증가하였다. 또한, 아세트산 첨가 조건에서의 최종 생성된 2,3-부탄디올의 농도도 23mM로 아세트산 미첨가 조건의 10mM 대비 2.3배 증가한 것을 확인하였다.In addition, the final concentration of ethanol produced under acetic acid addition conditions was 232mM, which was approximately 3 times higher than the 80mM under acetic acid-free conditions. In addition, the final concentration of 2,3-butanediol produced under acetic acid addition conditions was confirmed to be 23mM, a 2.3-fold increase compared to 10mM under acetic acid-free conditions.

상기 실험 결과들을 종합하면, CO 분압이 증가할수록 클로스트리디움 속(Clostridium sp.) AWRP 균주의 생장이 저해되고, CO 누적 소모량이 감소하나, 배지에 아세트산(Acetate)을 첨가함에 따라서, CO 가스에 의한 AWRP 균체 생장 저해 현상을 극복할 수 있으며, AWRP 균주의 CO 소모량을 증가시킬 수 있고, 회분식 배양 조건에서는 아세트산 미첨가 조건 대비 83% 증가한 최대 비생장 속도(μmax)를 나타내며, 생물반응기 조건에서는 아세트산 첨가에 따라 최대 비생장 속도가 약 2.6배 증가하며, 최종 생성되는 에탄올 및 2,3-부탄디올의 농도가 2~3배 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Summarizing the above experimental results, as the CO partial pressure increases, the growth of Clostridium sp. AWRP strains is inhibited and the cumulative CO consumption decreases. However, as acetic acid is added to the medium, CO gas increases. It can overcome the inhibition of AWRP bacterial cell growth by AWRP bacteria and increase the CO consumption of AWRP strains. In batch culture conditions, the maximum specific growth rate (μmax) is increased by 83% compared to the condition without acetic acid, and in bioreactor conditions, acetic acid Depending on the addition, the maximum specific growth rate increased by about 2.6 times, and the final concentration of ethanol and 2,3-butanediol produced increased by 2 to 3 times.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

한국생명공학연구원Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology KCTC13908BPKCTC13908BP 2019080620190806

Claims (10)

(a) 아세트산이 첨가된 배지 조성물에 일산화탄소를 포함하는 가스를 공급하여 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주를 배양하는 단계; 및
(b) 상기 배양물로부터 알코올을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
(a) cultivating Clostridium AWRP (accession number: KCTC 13908BP) strain by supplying gas containing carbon monoxide to a medium composition to which acetic acid was added; and
(b) separating alcohol from the culture. A method for producing bioalcohol, comprising:
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 배지 조성물의 아세트산 농도는 10 내지 80mM이고, 일산화탄소 분압은 50kPa 내지 250kPa인 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to paragraph 1,
A method for producing bioalcohol, characterized in that the acetic acid concentration of the medium composition in step (a) is 10 to 80mM, and the carbon monoxide partial pressure is 50kPa to 250kPa.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 일산화탄소를 포함하는 가스는 수소, 이산화탄소 및 질소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to paragraph 1,
A method for producing bioalcohol, wherein the gas containing carbon monoxide in step (a) further contains hydrogen, carbon dioxide, and nitrogen.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 가스는 50%(v/v) 내지 100%(v/v)의 일산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to paragraph 1,
A method for producing bioalcohol, wherein the gas in step (a) contains 50% (v/v) to 100% (v/v) of carbon monoxide.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 배지는 RM 배지, PETC 배지, AM 배지 및 AMv2 배지에서 선택된 어느 하나의 배지인 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to paragraph 1,
A method for producing bioalcohol, characterized in that the medium in step (a) is any one medium selected from RM medium, PETC medium, AM medium, and AMv2 medium.
제5항에 있어서,
상기 RM 배지는 리터 당 MgSO4·7H2O 0.2g; NaCl 1g; KCl 0.2g; 효모 추출물 0.5g; 인산 용액 10mL; 미량원소 I 용액 1mL; 미량원소 II 용액 1mL; 및 Wolfe’s 비타민 용액 10mL;을 포함하고,
상기 인산 용액은 NaH2PO4·2H2O 0.8g/L; 및 K2HPO4 0.4g/L로 구성되고,
상기 미량원소 I 용액은 35% HCl 10mL/L; FeSO4·7H2O 27.8g/L; MnCl2·4H2O 9.9g/L; ZnCl2 4.09g/L; CoCl2·6H2O 11.9g/L; 및 NiCl2·6H2O 2.38g/L;로 구성되고,
상기 미량원소 II 용액은 Na2MoO4·2H2O 0.24g/L; Na2SeO3·5H2O 1.32g/L; 및Na2WO4·2H2O 3.3g/L;로 구성되고,
상기 Wolfe’s 비타민 용액은 바이오틴 2g/L; 엽산 2g/L; 피리독신·HCl 10g/L; 티아민·HCl 5g/L; 리보플라빈 5g/L; 니코틴산 5g/L; 칼슘 D-판토텐산염 5g/L; 비타민 B12 0.1g/L; p-아미노벤조산 5g/L; 및 리포산 5g/L로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to clause 5,
The RM medium contained 0.2 g of MgSO 4 ·7H 2 O per liter; NaCl 1g; KCl 0.2g; Yeast extract 0.5 g; 10 mL of phosphoric acid solution; 1 mL of trace element I solution; 1 mL of trace element II solution; and 10 mL of Wolfe's vitamin solution;
The phosphoric acid solution contains NaH 2 PO 4 ·2H 2 O 0.8 g/L; and K 2 HPO 4 0.4 g/L,
The trace element I solution is 35% HCl 10mL/L; FeSO 4 ·7H 2 O 27.8 g/L; MnCl 2 ·4H 2 O 9.9g/L; ZnCl 2 4.09 g/L; CoCl 2 ·6H 2 O 11.9 g/L; and NiCl 2 ·6H 2 O 2.38 g/L;
The trace element II solution contains Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.24 g/L; Na 2 SeO 3 ·5H 2 O 1.32 g/L; and Na 2 WO 4 ·2H 2 O 3.3 g/L;
The Wolfe's vitamin solution contains 2 g/L of biotin; Folic acid 2g/L; Pyridoxine·HCl 10g/L; Thiamine·HCl 5g/L; Riboflavin 5g/L; Nicotinic acid 5g/L; Calcium D-pantothenate 5g/L; Vitamin B12 0.1g/L; p-aminobenzoic acid 5g/L; and a method for producing bioalcohol, characterized in that it consists of 5g/L lipoic acid.
제6항에 있어서,
상기 RM 배지는 환원제로 30 내지 50mM 농도의 MES[2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid]를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올의 생산방법.
According to clause 6,
The RM medium is a method for producing bioalcohol, characterized in that it further contains MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] at a concentration of 30 to 50mM as a reducing agent.
RM 배지, PETC 배지, AM 배지 및 AMv2 배지에서 선택된 어느 하나의 배지를 기본배지로 하여 10 내지 80mM 농도의 아세트산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 50kPa 내지 250kPa의 일산화탄소 분압 조건에서 바이오 알코올 생산을 위한 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주 배양용 배지 조성물.Cloth for bio-alcohol production under carbon monoxide partial pressure conditions of 50 to 250 kPa, characterized in that it further contains acetic acid at a concentration of 10 to 80mM using any one medium selected from RM medium, PETC medium, AM medium and AMv2 medium as a base medium. Medium composition for cultivating strains of Tridium genus AWRP (Accession number: KCTC 13908BP). 제8항에 있어서,
상기 RM 배지는 리터 당 MgSO4·7H2O 0.2g; NaCl 1g; KCl 0.2g; 효모 추출물 0.5g; 인산 용액 10mL; 미량원소 I 용액 1mL; 미량원소 II 용액 1mL; 및 Wolfe’s 비타민 용액 10mL;을 포함하고,
상기 인산 용액은 NaH2PO4·2H2O 0.8g/L; 및 K2HPO4 0.4g/L로 구성되고,
상기 미량원소 I 용액은 35% HCl 10mL/L; FeSO4·7H2O 27.8g/L; MnCl2·4H2O 9.9g/L; ZnCl2 4.09g/L; CoCl2·6H2O 11.9g/L; 및 NiCl2·6H2O 2.38g/L;로 구성되고,
상기 미량원소 II 용액은 Na2MoO4·2H2O 0.24g/L; Na2SeO3·5H2O 1.32g/L; 및Na2WO4·2H2O 3.3g/L;로 구성되고,
상기 Wolfe’s 비타민 용액은 바이오틴 2g/L; 엽산 2g/L; 피리독신·HCl 10g/L; 티아민·HCl 5g/L; 리보플라빈 5g/L; 니코틴산 5g/L; 칼슘 D-판토텐산염 5g/L; 비타민 B12 0.1g/L; p-아미노벤조산 5g/L; 및 리포산 5g/L로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올 생산을 위한 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주 배양용 배지 조성물.
According to clause 8,
The RM medium contained 0.2 g of MgSO 4 ·7H 2 O per liter; NaCl 1g; KCl 0.2g; Yeast extract 0.5 g; 10 mL of phosphoric acid solution; 1 mL of trace element I solution; 1 mL of trace element II solution; and 10 mL of Wolfe's vitamin solution;
The phosphoric acid solution contains NaH 2 PO 4 ·2H 2 O 0.8 g/L; and K 2 HPO 4 0.4 g/L,
The trace element I solution is 35% HCl 10mL/L; FeSO 4 ·7H 2 O 27.8 g/L; MnCl 2 ·4H 2 O 9.9g/L; ZnCl 2 4.09 g/L; CoCl 2 ·6H 2 O 11.9 g/L; and NiCl 2 ·6H 2 O 2.38 g/L;
The trace element II solution contains Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.24 g/L; Na 2 SeO 3 ·5H 2 O 1.32 g/L; and Na 2 WO 4 ·2H 2 O 3.3 g/L;
The Wolfe's vitamin solution contains 2 g/L of biotin; Folic acid 2g/L; Pyridoxine·HCl 10g/L; Thiamine·HCl 5g/L; Riboflavin 5g/L; Nicotinic acid 5g/L; Calcium D-pantothenate 5g/L; Vitamin B12 0.1g/L; p-aminobenzoic acid 5g/L; and 5 g/L of lipoic acid. A medium composition for cultivating Clostridium genus AWRP (Accession number: KCTC 13908BP) strain for bio-alcohol production.
제8항에 있어서,
환원제로서 30 내지 50mM 농도의 MES[2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid]를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 알코올 생산을 위한 클로스트리디움 속 AWRP(수탁번호: KCTC 13908BP) 균주 배양용 배지 조성물.
According to clause 8,
A medium composition for cultivating Clostridium genus AWRP (Accession number: KCTC 13908BP) strain for bio-alcohol production, further comprising MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] at a concentration of 30 to 50mM as a reducing agent.
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