Process development and its application of succinate-producing Mannheimia succiniciproducens were studied for the efficient production of succinic acid.
At the first, though the experiments for the various initial glucose concentrations were performed for reduction of substrate inhibition, cell growth rates were not changed in this study. With this result, we could conclude that fed-batch cultivation was not fitted well to this strain. Second, experiments for improvement of succinic acid productivity were performed though cell immobilization to the activated carbon. Activated carbon was selected for the support because it was cost-competitive material and productivity was 0.27 g $l^{-1}h^{-1}$ at that time. However working volume was only 25 ml. This factor confirmed that succinic acid productivity can be increased depending on the scale up of cell immobilization system.
At the last, continuous fermentation was performed for the improvement of succinic acid productivity. Although its volumetric productivity was 2.02 g $l^{-1}h^{-1}$, cell density was lower than that of batch because of continuous cell washout. Cell-recycle system using hollow fiber membrane was introduced to this system additionally for the higher cell density. However cell-recycle system showed drawbacks such as harmful effect due to the cell debris and membrane blocking. Because of these reasons, bleeding was added to this system and best results were acquired using this system, cell-recycle and bleeding. Volumetric productivity was 4.63 g $l^{-1}h^{-1}$, and it could be lasted for 88 h. It was the value corresponding more than 4 times higher than that of batch culture. Continuous culture and cell-recycle and bleeding system were applied to Mannheimia succiniciproducens LPK7 and its maximum volumetric productivity was 1.30 and 4.25 g $l^{-1}h^{-1}$, respectively. It was concluded that cell-recycle and bleeding system was the best system for the efficient production of succinic acid and that system could be applied to LPK7 strain.
숙신산(succinic acid)은 4개의 탄소로 이루어진 dicarboxylic acid로서 TCA 회로의 중간대사산물이며 많은 동식물과 미생물 내에 미량으로 존재하는 화학물질이다. 숙신산이나 그 유도체들은 생분해성 플라스틱, 식품, 의약품 및 화장품산업 등에서 광범위하게 이용되고 있으며 현재 화학적인 합성법으로 주로 생산된다. 그러나 현재는 보다 환경친화적인 생물학적 발효에 의한 숙신산 생산이 각광을 받고 있다. 발효에 의한 숙신산 생산의 경우 값싼 재생자원을 원료로 사용할 수 있고 이산화탄소를 원료로 사용하므로 보다 환경친화적인 장점이 있다.
본 연구에서는 효율적인 숙신산 발효 시스템을 개발하기 위해 높은 생산성을 보이는 생물학적 숙신산 생산에 대한 연구를 통성혐기성 균주인 Mannheimia succiniciproducens MBEL55E를 이용하여 수행하였다. 먼저 유가식 배양에 대한 향상성을 보기 위해 초기 실험으로 다양한 초기 포도당 농도에 대한 실험을 진행하였으나 세포 성장속도에 변화가 없음을 알 수 있었고 이를 통해 숙신산을 생산하는 균주는 유가식 배양에 적합하지 않음을 알 수 있었다. 두 번째로 물리적인 세포 부착을 통한 숙신산의 생산성 향상 실험을 시도하였다. 담체로는 가격경쟁력을 가진 활성탄이 사용되었으며 0.27 g $l^{-1}h^{-1}$ 의 숙신산 생산성을 얻을 수 있었다. 하지만 여기서 사용된 working volume이 25 ml이었다는 점으로 미루어 세포 부착을 통한 숙신산 생산성 향상의 가능성을 엿볼 수 있었다.
이후 생산성 향상을 위해 연속공정이 시도되었으며 숙신산 생산성은 최고 2.02 g $l^{-1}h^{-1}$ 에 달했지만 세포의 연속적인 제거로 인해 높은 세포농도를 유지하지는 못하였다. 따라서 중공사막 (hollow fiber membrane)을 이용하여 세포를 재순환시킴으로써 높은 세포 농도를 유지기 위한 실험이 진행되었으나 단순히 세포 재순환을 통한 연속공정은 오랫동안 유지되지 못하는 단점을 보였다. 하지만 막을 이용한 세포 재순환과 bleeding이 함께 도입됨으로써 결국 4.63 g $l^{-1}h^{-1}$ 의 높은 생산성을 88시간 동안 유지하는데 성공하였다. 이 때 생산성은 회분식 배양의 4배 이상이었으며 세포 농도는 4.63 g $l^{-1}$ 였다. 연속공정 및 bleeding을 사용한 세포 재순환은 engineered cell인 LPK7에도 똑같이 적용되었으며 최대 생산성이 각각 1.30 g $l^{-1}h^{-1}$, 4.25 g $l^{-1}h^{-1}$ 에 달하였다. 이 때 세포 재순환을 통한 생산성은 회분식 배양의 8배 이상이었으며 적용 시간은 121시간이었다. 이를 통해 bleeding을 통한 세포 재순환이 다양한 균주에 적용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
