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Design of syntrophic photogranule with methanotrophs and phototrophs for methane conversion under anaerobic condition

  • 고한도 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

Oxygen-limitation was a major problem in methane-bio fermentation process, though value-added products such as PHB (polyhydroxy-butyrate), succinate and acetate was possible to obtain. In this manner, co-cultivation with autotrophic photosynthetic cyanobacteria in biological methane conversion process, was an imperative culture technique to explain for the oxygen-limitation. So far, the production of valuable chemical-feedstock was not shown under oxygen-limited conditions, because the nutritional metabolism has not clearly identified. In addition, most of them have attempted co-culture in oxygen containing environment without production of value-added chemicals. Therefore, we attempt to reduce greenhouse gases at once in limited-culture conditions with only a supplement of methane and carbon dioxide. Methylosinus trichosporium OB3b was selected as a model methanotrophs, which can produce biodegradable polymer(PHB) and cultured with filamentous cyanobacteria. Moreover, our co-cultivation system was a possible platform as a process of reducing greenhouse gases in oxygen limitation conditions. In the process, methanotrophs could be cultivated in the form of photo-granule by filamentous cyanobacteria for the convenience of process operation. The culture process was optimized with the productivity of gas uptake, cell growth, and polymer accumulation based on mass balance. Also, the ratio of each population was utilized for analysis and optimization of the syntrophic system. Finally, we developed the greenhouse conversion process based on the syntrophic granules of methanotrophs and filamentous cyanobacteria in oxygen-free conditions.

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초록/요약

생물학적 메탄전환공정의 경우, 저가 기질인 바이오가스 유래 메탄을 기질로 고부가가치 산물인 PHB(Polyhydroxybutyrate), 아세트산(Acetate), 숙신산(Succinic acid) 등을 생산할 수 있음에도 불구하고, 배양 과정에서 산소 공급 문제로 인해 공정 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 광합성을 통해 산소를 생성하는 광합성생물과 메탄자화균을 공생 배양하는 연구가 진행되고있다. 메탄자화균과 광합성생물을 공생 배양할 경우 생물학적 메탄전환공정 상용화의 가장 큰 걸림돌인 산소 공급 문제를 해결할 수 있다. 하지만 현재까지는 메탄자화균과 광영양생물의 공생 배양 과정에서 각 공생 군집의 영양학적 대사 과정이 명확히 밝혀지지 않아 대부분 산소가 포함된 환경에서 공생 배양을 시도하였다. 이에 본 연구에서는, 외부 산소 공급을 제한하고 메탄과 이산화탄소만을 공급한 배양환경에서 두 온실가스를 동시에 감축하고자 했다. 후보 메탄자화균으로는 생분해성고분자 계열인 PHB를 대사 산물로 생산할 수 있는 Methylosinus trichosporium OB3b 를 선정하였으며, 이를 섬유상 시아노박테리아와 공생 배양하여 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있는 가스 전환 공정 플랫폼을 개발하였다. 특별히 섬유상 시아노박테리아를 광합성생물로 사용함으로써 메탄자화균을 광 입상의 형태로 배양해서 공정 운전의 편리성을 증대시켰다. 배양 공정은 가스 섭취, 세포 성장 및 고분자 축적 생산성을 기반으로 최적화되었으며, 공생 군집 내 각 군집의 비율 변화 역시 공생 군집 최적화 및 해석에 응용되었다. 본 연구결과를 통해 산소 공급이 제한된 환경에서 메탄자화균 및 섬유상 시아노박테리아 영양공생입상 기반의 온실가스 전환 공정 개발에 성공했다.

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