발효공정에서 맨하이미아 균주의 숙신산 생산에 대한 공정 최적화
Fermentation for production of succinic acid by using Mannheimia succiniciproducens
- 주제(키워드) succinic acid , scale up , continuous fermentation
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이진원
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000044877
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구에서는 맨하이미아 LPK7 균주를 이용한 숙신산 생산 공정 연구를 수행하였고, 최적 숙신산 생산 공정 조건을 찾는 것을 목표로 하고 있다. 맨하이마 LPK7 균주의 최적 성장 조건 규명과 숙신산 생산성을 높이기 위해 연속발효 공정 연구 및 균주 농도의 극대화 연구를 수행하였고, 산업에의 응용에 대비한 스케일 업 연구를 수행하였다. 연속발효 공정 연구를 수행한 결과 희석 속도 0.2 h-1 에서 숙신산 수율 0.38 mol/mol, 생산성 1.77 g/l/h의 결과를 얻었고, 연속발효 공정 결과를 토대로 세포 내의 해당과정 (glycolysis)과 오탄당 회로 (pentose phosphate pathway)의 대사 흐름을 보기 위해서 대사 흐름 분석 (metabolic flux analysis)을 수행하였다. 숙신산 생산성을 높이기 위해 균주 농도의 극대화 연구를 수행한 결과 이전보다 약 10% 정도 균주의 농도가 증가한 결과를 얻었다. 또한, 산업에 적용하기 위해 스케일 업 연구를 수행하였다. 벤치 스케일에서 숙신산 발효 공정 연구를 수행한 결과 숙신산 농도는 15.4 g/l, 수율은 0.86 g/g 이라는 결과가 얻어졌다. 이 결과는 랩 스케일에서의 숙신산 발효 공정 결과와 비슷한 값이다. 이와 같은 결과로 보아 숙신산 생산 공정은 큰 스케일로 스케일 업 하는데 큰 문제가 없는 것으로 보이며, 산업에의 응용이 가능할 것으로 판단된다.
more초록/요약
To achieve a higher succinic acid productivity and evaluate the industrial applicability, this study used Mannheimia succiniciproducens LPK7 (knock-out: ldhA, pflB, pta-ackA), which was recently designed to enhance the productivity of succinic acid and reduce by-product secretion [29]. Process optimization was performed to enhance the production of succinic acid in lab scale. After optimization, anaerobic continuous fermentation of Mannheimia succiniciproducens LPK7 was carried out at different glucose feed concentrations and dilution rates. After repetitive fermentation experiments, a succinic acid yield and productivity of 0.38 mol/mol and 1.77 g/l/h, respectively, were achieved with glucose feed concentration of 18.0 g/l and 0.2 h-1 dilution rate. To improve productivity of succinic acid, experiments to reduce hydrogen ion effects have been performed. And protectants like as glutathione, biotin were protected cell against harmful environment factors [4, 23]. As results, cell concentrations were increased about 10%. To observe scale-up effects, bench scale fermentation was carried out at optimal conditions which were obtained from lab scale experiments. Final succinic acid concentration and yield were obtained as 15.4 g/l and 0.86 g/g. This result showed that a similar amount of succinic acid was obtained in lab scale fermentation and it would be possible to scale-up to larger size without problems.
more목차
1. 서론 = 1
1.1 숙신산 생산 발효공정의 필요성 및 중요성 = 1
1.2 숙신산의 이용과 시장 = 3
1.3 숙신산 생산 균주의 특징과 생산성 = 8
1.3.1 Anaerobiospirillum succiniciproducens = 9
1.3.2 Mannheimia succiniciproducens = 11
1.3.3 재조합 E. coli = 14
2. 이론 = 19
2.1 세포의 생장 = 19
2.2 회분식 배양과 연속 배양 = 22
2.3 양론식에 의한 네트워크 모델 = 25
2.3.1 기본적인 가정 = 25
2.3.2 대사 흐름 분석 (Metabolic flux analysis; MFA) = 30
2.4 대규모화 (scale-up)의 문제점 및 고려사항 = 32
3. 실험 재료 및 방법 = 34
3.1 균주 = 34
3.2 맨하이미아 균주의 배양 최적화 = 36
3.3 연속발표공정에서의 숙신산 생산 최적화 = 38
3.4 대사 네트워크 모델링 및 흐름 분석 = 39
3.5 pH와 보호제 (protectants)의 영향 실험 = 44
3.6 대규모화 (scale-up) 실험 = 45
3.7 분석방법 = 46
4. 연구 결과 및 토의 = 47
4.1 배양최적화 = 47
4.2 연속발효공정 = 54
4.2.1 연속발효공정 = 54
4.2.2 대사 흐름 분석 = 61
4.3 pH와 보호제 (protectants)의 영향 실험 = 65
4.4 대규모화 (scale-up) 실험 = 71
5. 결론 = 75
6. 참고문헌 = 77
그림차례
그림 1. 숙신산의 산업적 이용 = 7
그림 2. 미생물에서의 숙신산 생산경로 = 13
그림 3. Mannheimia succiniciproducens LPK7의 대사네트워크 = 35
그림 4. 주입포도당 농도 9.0 g/l 일 때의 연속발효공정 = 58
그림 5. 주입포도당 농도 18.0 g/l 일 때의 연속발효공정 = 59
그림 6. 주입포도당 농도 18.0 g/l, 희석속도 0.2 h^(-1) 일 때의 대사 흐름분석 (g/h) = 63
그림 7. 숙신산 생산 발효 공정의 pH 변화에 대한 영향 = 68
그림 8. 숙신산 생산 발효 공정에서 보호제 (protectants)에 따른 영향 - = 69
그림 9. 균 성장에 대한 pH 변화와 보호제 (protectants)의 영향 = 70
그림 10. 대규모화 (scale-up) 실험 = 73
그림 11. 벤치 스케일 (bench scale)에서 교반속도의 영향 = 74
표차례
표 1. 숙신산 생산 균주 = 18
표 2. Mannheimia succiniciproducens LPK7 네트워크에 대한 양론식 - = 41
표 3. 숙신산 생산에 대한 온도와 pH 영향 = 50
표 4. 숙신산 발효 공정에서의 pH 영향 = 51
표 5. 숙신산 생산에 대한 탄소원 영향 = 52
표 6. 숙신산 생산에 대한 질소원 영향 = 53
표 7. 연속발효공정에서 주입포도당 농도와 희석속도의 영향 = 60
표 8. 대사 흐름 분석 결과 = 64
