Arabic date, which is overproduced in Saudi Arabia, is mostly composed of sugars (70 ~ 80 wt%) that can be easily converted to lactic acid by lactic acid bacteria without complicated pretreatments. However, most studies on lactic acid fermentation from Arabic date juice have been limited to batch fermentation with medium optimization, and have not focused on industrially-relevant fed-batch process. In this study, we report the development of fed-batch fermentation process by using kinetic model for the efficient production of lactic acid to a high concentration from Arabic date juice. First, batch fermentation of Lactobacillus rhamnosus on Arabic date juice was conducted, and its kinetic model was built to quantita-tively understand the fermentation characteristics. Also, we developed a quick and simple method for building a kinetic model in EXCEL spread sheet which does not require com-plicate computational languages. This method can solve a series of differential equation, and find the best fitting parameter set in short time. Thanks to this method, the kinetic models of batch fermentation and fed-batch fermentations were built. Finally, the fed-batch kinetic model allows feed-forward control of substrate concentration during the feeding, which resulted in the production of 171 g/L of lactic acid with the productivity and yield of 1.58 g/L h and 87%, respectively. After building a robust lactic acid system, production of lactic acid containing polymer in Lactobacillus was carried out. Although the results are not clear and impressive, it is good enough to report that Lactobacillus has great potential for one-step PLA producing strain, and the following strategies are helpful on further improving.
젖산은 화장품, 의약품 및 음료 산업과 폴리젖산의 단량체로 사용되고 있는 화합물이다. 최근 값싼 재료로부터 젖산을 생산하고자 하는 움직임에 따라, 아랍지역 대추 야자 열매 역시 같은 맥락에서 젖산생산의 시작 물질로써 주목 받고 있다. 사우디아라비아를 비롯한 아랍지역에서 풍부하게 생산되는 대추 야자 열매는 너무 많이 생산되거나 상품가치가 떨어져 버려지는 양이 많다. 또한, 대추 야자 열매는 총 질량의 70~80%이 당으로 구성되어 있으며, 이러한 종류의 당(포도당과 과당)은 젖산균에 의해 특별한 전처리과정 없이 젖산으로 전환 될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는, Lac-tobacillus rhamnosus를 이용하여 대추로부터 batch 공정을 통해 젖산생산을 시도하였고, 그 결과로부터 kinetic model을 구축 하였다. Kinetic model을 구축하는 과정에서 복잡한 컴퓨터 프로그래밍 없이 EXCEL로부터 연립미분방정식을 풀고, 실험값과 가장 가깝게 예측하는 parameter까지 찾는 방법이 개발되었다. 그 이후 pulse feeding, constant rate feeding, exponential feeding, modified exponential feeding fed-batch fermentation이 시도되었다. 이렇게 얻어진 Fed-batch 결과로부터 fed-batch kinetic model이 개발 되었으며, 모델을 통해 feed-forward control로 추가로 당이 투입되는 동안 당 농도를 낮은 상태로 유지되도록 하는 발효법이 개발되었고, 최고 높은 농도의 171.79g/L의 젖산이 87%의 수율과 1.58 g/lh의 생산량으로 생산되었다. 이렇게 젖산 생산을 위한 시스템을 개발 한 후, 락토바실러스에서 폴리젖산을 생산하는 연구가 수행되었다. 비록 그 결과가 모호하고 인상적이지 않지만, 폴리젖산 생산에 대한 락토바실러스의 가능성을 제시하고, 앞으로 추가 향상을 위한 대사공학적 전략을 보여주는데 의미가 있다고 하겠다.
