A great deal of efforts for the economical production of microorganism-based products have been made in various fields of industry. Among them, bio-oils produced by oleaginous microorganisms have attracted increasing and particular attention on account of their distinctive and diverse utility and potentials, such as transportation fuels, dietary supplements, cosmetic and pharmaceutical products. Unbearably high production cost, however, deter it from being realized and commercially successful. It is this reason that cheap alternative feedstock like bio-wastes have been proposed as growth substrates and/or nutrient sources. In this thesis study, starch-enriched brewery waste (SBW), an unexplored low-cost feedstock, was employed and tested to cultivate oleaginous microalgae
SBW was first examined as a medium for the mixotrophic cultivation of Ettlia sp. YC001, which is rigorous and thus has been regarded as a candidate species for biodiesel production. For its maximum use, pretreatment means such as simple stirring, autoclaving and sonication were assessed, along with varied pH: stirring at $55^\circ C$ was found to be the best, in terms of not only starch hydrolysis and spent yeast cell disruption but also treatment cost. This simple stirring was thus chosen as representative of pretreated SBW medium (PSBW). A medium with 50% of PSBW showed the highest biomass production (9.26g/L), while the best lipid productivity (244.2mg/L/d) was obtained with 25% PSBW . Interestingly, PSBW helped the quality of lipid profile, to the biodiesel standard. It appeared that SBW is a promising low-cost feedstock for the cultivation for at least Ettlia sp. YC001.
The SBW was also explored to produce docosahexaenoic acid (DHA), omega-3 type fatty acids by means of a powerful omega-3 producer Aurantiochytrium sp. KRS101. To obtain the final product concentration to the highest level possible, which require elevated levels of glucose and other nutrition, a more effective pretreatment of the SBW, namely enzymatic treatment, was adopted (ESBW; Enzymatically pretreated Starch-enriched Brewery Waste medium) so that the medium contained up to 182g/L of glucose. It was found that the diluted ESBW with added sea-salts did better support the cultivation, yielding enhanced biomass production in comparison with the expensive conventional medium of Aurantiochytrium sp. KS101. The ESBW-added-general-medium showed remarkable biomass production (54.4g/L) in only a short period of time, and DHA productivity (2.15g/L/d) increased 2.17 times, compared to the general medium (0.99g/L/d). All this strongly supported that the SBW is indeed a great yet unutilized source in particular for Aurantiochytrium-based DHA production.
미생물을 통해 산업적으로 이용 가능한 고부가 가치 산물들을 개발하는 것은 경제적, 친환경적 측면은 물론 미래에 지속 가능한 기술이라는 점에 의해 또한 각광받고 있다. 특히 고지질함유 미생물은 건조 중량 대비 20% 이상의 지질을 축적 할 수 있는 미생물로서, 해당 미생물이 합성 가능한 지질의 성분에 따라 대체 수송 연료, 건강 보충제, 화장품 성분 등의 다양한 지질을 생산 할 수 있다. 하지만 이러한 미생물 유래 지질의 상용화를 막는 가장 큰 걸림돌은 미생물 배양 비용에 따른 비싼 생산 단가이다. 이에 따라 전 세계적으로 미생물 배양에 필요한 값비싼 기질을 대체 할 수 있는 폐자원 또는 저가기질을 발굴하기 위한 연구가 이어지고 있다. 본 연구에서는 세계 최초로 흔히 주박 또는 쌀지게미라 불려지는 막걸리(쌀 기반 주류) 폐자원을 고지질함유 미생물의 배지로서 활용하는 것을 고안하였다. 따라서, 막걸리 폐자원을 가장 효율적으로 사용 하기 위해 다양한 전처리 방법을 시행하였고, 이를 통해 만들어진 배지로 특정 미생물의 생장 및 타겟 산물의 생산성을 최적화하였다.
먼저, 수송 연료의 대표적인 친환경적 대체재인 바이오디젤을 생산 가능한 미생물 중에서, 최근 각광받고 있는 Ettlia sp. YC001에 막걸리 폐자원을 적용하였다. 광합성만을 통해 생장시키는 기존의 배양방법(독립영양, photoautotroph)이 지니는 낮은 생산성이라는 한계를 극복하기 위하여, 미세조류의 혼합영양(mixotroph or photoheterotroph) 배양을 시도하였다. 혼합영양에 필요한 유기 물질은 막걸리 폐자원을 활용하여 대체하였고, 그에 앞서 막걸리 폐자원을 효율적으로 사용하기 위한 다양한 전처리 방법들을 시행하여 비교하였다. 그 결과, 55℃에서 단순 교반시키는 것이 에너지 대비 가장 높은 효율성을 나타냈고, 이에 따라 대표 전처리 방법으로 선택되어 그 상등액이 Ettlia sp. YC001의 배지로서 활용되었다. 막걸리 폐자원을 전처리하여 얻어진 상등액을 다양한 비율로 희석하여 미생물 배양에 활용 한 결과, 50%로 섞은 경우 가장 큰 바이오매스 생산량(9.26g/L)을 나타내었고, 반면 최고 지질생산량(244.2mg/L/d)은 25%로 섞었을 경우 나타났다. 이어진 지질의 성분 분석을 통해, 독립영양조건에 비해 혼합영양조건에서 바이오디젤의 품질 향상에 기여하는 불포화지방산이 증가하는 것을 관찰하였다. 그리고 이에 따라 바이오디젤 기준에 더욱 부합한 지질을 얻을 수 있었다. 결과적으로, 막걸리 폐자원을 미세조류의 혼합영양에 적용시킴으로써, 훨씬 빨라진 미생물 생장 속도와 더 큰 바이오매스 생산량은 물론 향상된 퀄리티의 바이오디젤을 경제적으로 얻어 낼 수 있었다.
이어진 연구에서는 막걸리 폐자원 배지의 활용성을 높이기 위하여, 더욱 더 고부가가치 산물인 DHA(docosahexaenoic acids, 오메가3지방산의 일종)를 생산하는 Aurantiochytrium sp. KRS101의 배양에 이를 적용시켜 보았다. 매우 높은 농도의 배지 성분을 요구하는 해당 미생물의 기존배지를 대체하기 위해 전분당화효소를 교반 시 첨가하여 전처리 하였다. 그 결과, 182g/L의 포도당과 6.09g/L의 아미노산을 함유하는 매우 영양이 풍부한 상등액을 얻었다. 이를 배양에 활용함으로써, 해수종인 Aurantiochytrium sp. KRS101의 생장에 필수적인 sea-satls를 첨가해주기만 한다면 기존배지와 비슷한 DHA 생산성(1.11g/L/d)을 나타내며 이를 완벽하게 대체 할 수 있다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 기존배지에 효소로 전처리한 막걸리 폐자원 상등액을 첨가 해 줄 경우, DHA 생산성(2.15g/L/d)을 약 217% 향상시킬 수 있다는 것 또한 알아내었다.
본 연구를 통해, 버려지는 폐자원을 활용하여 바이오매스를 합성하였고, 또한 이로부터 고부가가치 산물 (DHA) 또는 친환경적 에너지 자원을 생산해냈다. 특히, 막걸리 페자원은 함유된 수분을 제외하고는 대부분 전분과 폐효모로 이루어져 있으므로, 미생물이 필요로 하는 탄소원 및 질소원은 물론 다양한 미량 원소들을 함유여, 미생물의 배지로서 탁월하다는 것을 확인하였다. 이에 따라, 현재 한국에서 대부분 폐기되는 막걸리 또는 쌀 기반 주류의 폐자원은 결코 버려지기는 아까운, 발굴되어야만 하는 고부가의 폐자원이라는 것을 증명하였다.
