A new fermentation process of using a mixed sugar medium has been proposed for 2,3-butanediol (2,3-BDO) production. The medium contained seven different monosugars known to be contained in Nannochloropsis oceanica hydrolysate. The performance of each sugar when existing alone or together with glucose was evaluated. All the sugars except fucose were successfully metabolized for 2,3-BDO production. A 2,3-BDO yield of 0.31g/g was obtained with the mixed sugar medium, which was very close to that with glucose-only medium. However, 2,3-BDO productivity (0.28 g L-1 h-1) was found about 30 % lower than that with glucose implying, as easily expected, the existence of glucose repression on the uptake of other sugars. Strain development efforts are in need to remove such negative effect of glucose for improved process efficiency. Fucose with the lowest uptake rate and no contribution to 2,3-BDO production can be a very high value-added byproduct, once recovered and purified.
본 연구에서는 Nannochloropsis species 산 당화액으로 부터 얻을 수 있는 혼합당을 사용하여 Klebsiella oxytoca 균주를 발효하여 2,3-butanediol(2,3-BDO)를 생산하는 바이오리파이너리 공정에 대한 연구를 진행하였다.
미세조류는 거대분자(macromolecule)인 지질, 단백질, 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스로 구성되어 있다. 녹말과 글리코겐은 주로 세포질에 저장되어 있고 셀룰로오스는 미세조류의 세포벽을 구성한다. 이로 인해 미세조류를 산 촉매로 당화하면 이러한 성분들이 분해되어 여러 지질 성분, 아미노산과 함께 단당류들이 나오게 된다. 미세조류에는 헤미셀룰로오스가 거의 없으므로 산 당화액에는 여러 가지 단당류 중에서도 특히 글루코오스를 많이 함유하게 된다.
미세조류로부터 지질을 추출하여 바이오디젤을 효율적으로 생산하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 여전히 미세조류로부터 얻어지는 바이오디젤은 비경제적이다. 이를 극복하기 위해 공급원료인 미세조류로부터 최대한 유용한 물질들을 뽑아내어 바이오 상품으로 만드는 전략이 효과적이다(분자경영, molecule management). 한편 지질이 추출된 후 미세조류 잔여물들이 많이 쌓이게 되는데, 이를 효과적으로 사용하여 유용한 물질을 생산할 수 있다면 좀 더 경제적인 방향으로 미세조류를 사용하는 방법이 될 것이다.
Nannochloropsis oceanica 는 비교적 높은 지질(dry cell weight 대비 17.5 wt%)을 저장하는 미세조류이다. 지질이 추출된N. oceanica 잔여물을 수확하여 산을 처리해 주면 7가지 다양한 단당류(글루코오스, 갈락토오스, 자일로오스, 만노오스, 리보오스, 람노오스, 푸코오스)가 생산되게 된다. 7가지 단당류(혼합당)를 이용하여 유용한 바이오 화학 제품을 생산하기 위해서 다양한 육탄당과 오탄당을 탄소원으로 사용할 수 있다고 알려져 있는 K. oxytoca 를 적합한 균주로 선택하였다. K. oxytoca는 합성고무(1,3-butadiene)와 유기용매(methyl ethyl ketone)의 기본원료로 쓰일 수 있는 2,3-BDO를 생산하는 균주이다.
혼합당으로부터 2,3-butanediol을 생산하기 위해 크게 세가지 단계로 실험을 하였다. 먼저 K. oxytoca균주가 7 가지 단당류를 이용하여 잘 자라고 2,3-BDO를 생산하는지에 대한 실험을 했다. 이 실험을 통해 각각 단당류의 소모 속도, 2,3-BDO 수율, 2,3-BDO 생산 속도를 확인할 수 있었다. 글루코오스를 탄소원으로 사용했을 때, 2,3-BDO 수율; 0.31(g/g)과 2,3-BDO 생산 속도; 0.24(g L-1 -1가 가장 높게 나왔다. 2,3-BDO수율과 2,3-BDO 생산 속도를 기준으로 볼 때, 글루코오스 이외에 갈락토오스, 자일로오스, 만노오스, 리보오스, 푸코오스 순서대로 적합한 탄소원임을 확인하였다. 람노오스의 경우, 당 소모속도는 리보오스 보다 빨랐으나 2,3-BDO 수율이 낮았다. 그리고 K.oxytoca가 푸코오스를 탄소원으로 이용하여 자랄 수는 있지만, 2,3-BDO 를 생산하지는 않음을 확인하였다. h)
다음 단계로 탄소 이화 작용 산물 억제(Carbon catabolite repression)을 확인하기 위해 글루코오스와 함께 각각 단단류를 혼합한 배지(two-sugar medium)로 실험을 진행했다. 그 결과 6가지 단당류의 소모가 글루코오스에 의해 모두 지연됨을 확인하였다. 즉 글루코오스에 의해 2,3-BDO 생산속도가 느려짐을 알 수 있다. 갈락토오스, 자일로오스, 리보오스의 소모 속도는 글루코오스가 고갈된 이후에 다시 회복되지만 람노오스의 소모속도는 원래의 소모속도로 회복되지 않음을 확인하였다. 만노오스의 소모속도는 원래의 소모속도 보다 5배 정도 더 빠르게 소모 됨을 보였다.
최종적으로 7가지 단당류가 모두 포함된 혼합배지(10 g/L)를 사용하여 2,3-butanediol을 생산해 보았다. 생산된 2,3-BDO 농도(0.27 g/L)는 글루코오스(10g/L)배지로부터 생산된 2,3-BDO 농도(0.32 g/L)에 비해 낮았다. 한편 실험적으로 측정된2,3-BDO 수율(0.31 g/g)이 계산 식(Equation 4.1)으로 예측된 2,3-BDO 수율(0.27 g/g) 보다 높게 나왔고 세포수율은 예측 값보다 낮게 나왔다. 혼합당에서 푸코오스는 다른 단당류가 모두 소모되어 고갈된 이후부터 소모 되기 시작했다(10 h). 푸코오스는 2,3-BDO 생산에 기여하지 않으므로 2,3-BDO 농도가 최대가 되는 시점에서 배치를 종료한 이후 푸코오스를 따로 분리 정제하는 것이 경제적이다. 푸코오스는 이 후 값 비싼 모유성분인 푸코실락토오스로 전환될 수 있다. 또한 푸코오스 자체로도 노화방지, 알레르기 완화, 기억력 향상 등의 효과를 보이는 것으로 보고된 바 있다.
