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Carbon mass balance analysis of biosurfactant, scophorose lipid, fermentation by Torulopsis bombicola = Torulopsis bombicola에 의한 생물계면활성제, 소포로스 지질, 생산에 있어서의 물질수지분석
서명 / 저자 Carbon mass balance analysis of biosurfactant, scophorose lipid, fermentation by Torulopsis bombicola = Torulopsis bombicola에 의한 생물계면활성제, 소포로스 지질, 생산에 있어서의 물질수지분석 / Kyun-Hee Lee.
저자명 Lee, Kyun-Hee ; 이균희
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1993].
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초록정보

Biosurfactant fermentation was investigated using Torulopsis bombicola (ATCC 22214). Torulopsis bombicola produced the biosurfactant, sophorose lipid, to 80 g/l (Yp/s=0.33) in batch culture containing 11% glucose and 10% soybean-oil as carbon and energy sources. There was no considerable amount of by-products as alcohol, organic acid in the culture broth. From the result of carbon mass balance analysis using mass spectrometer for monitoring $CO_2$ evolved as a gas during culture, almost all, over 90%, of input carbon could have been accounted for, channeling to cell, product, and $CO_2$ gas. Carbon fraction channeled to cells and product was about 13% and 37%, respectively in batch culture containing 11% glucose and 10% soybean oil as carbon and energy sources and 1% soybean oil as a sole carbon source. However, in batch culture of 10% glucose as a sole carbon source, only 9% of input carbon was incorporated into the product and 27% of input carbon was incorporated into the cells. Oil intermittent feeding fed-batch culture was carried out to reduce the carbon fraction of $CO_2$ gas and increase the product conversion yield. From the result of oil intermittent feeding fed-batch culture, the carbon fraction of product was increased to 60% compared to 37% of batch culture, and that of $CO_2$ gas was decreased to about 30% from 50% of batch culture. From the oil continuous feeding fed-batch culture for understanding oil concentration effect on sophorose lipid production, the oil flow rate, i.e., oil concentration in the culture broth, influenced the product conversion yield and production rate. The greatest product conversion yield, 61%, was obtained at the slowest flow rate, 1.0ml/hr. The faster the flow rate the lower the product conversion yield. The volumetric and specific production rate was the highest at 2.1 ml/hr, and the faster flow rate than this decreased the production rate. The effect of specific growth rate and oil concentration on sophorose lipid production was studied in chemostat cultures. The specific growth rate, dilution rate, affected the specific production rate (Qp), the maximal specific production rate was obtained at 0.03 $hr^{-1}$. But the product conversion yield was influenced slightly by the dilution rate, the maximal 46% at the lowest dilution rate 0.01 $hr^{-1}$. The oil concentration influenced the product conversion yield and specific production rate significantly. The maximal product conversion yield, about 55%, was obtained at 4% oil concentration and the yield decreased in accordance with the oil concentration, minimal 37% at 10% at dilution rate 0.03 $hr^{-1}$. The specific oil uptake rate increased with increase of oil concentration to about 7% oil concentration, maintained constant maximal value, about 0.105 g-soybean oil/g-DCW/hr over 7% oil concentration. The specific glucose uptake rate was nearly constant, about 0.14 g-glucose/g-DCW/hr, irrespective of oil concentration. The Qp value increased with increase of oil concentration, but at the highest concentration, 10%, Qp value was decreased compared 8% oil concentration. So the high oil concentration seemed to repress the sophorose lipid production and excess oil over the sophorose lipid production capacity seemed to channel to fatty acid degradation pathway which resulted in increase of $CO_2$ gas.

생물계면활성제 발효생산시의 생산공정개발과 미생물의 생리기작을 연구하기 위해 생물계면활성제의 하나인 소포로스 지질을 만들수 있으며 그 생산수율이 높은것으로 보고된 Torulopsis bombicola(ATC 22214)로 회분식,유가식, 연속식 등의 발효배양 양식을 적용하였다. 배지중에 포도당 11%,콩기름 10%가 미생물의 탄소원 및 에너지원으로 들어있는 회분식배양에서 탄소원으로 배지에 넣어준 포도당과 유지의 균체생산, 소포로스 지질생산 및 이산화탄소발생으로의 분포되는 정도는 매스스펙트로미터로 배양중의 이산화탄소발생양을 측정하여 탄소원소에 대해 물질수지분석을 한결과 기질중 함유된 탄소량의 13%가 균체생산에 사용되고 37%가 소포로스 지질생산에, 나머지 50%는 배양중에 발생하는 이산화탄소로 소모됨을 알 수 있었다. 각각의 탄소원을 단독으로 이용하는 회분식 배양을 하여 같은 방법으로 탄소물질수지분석결과 10%의 포도당만 탄소원으로 사용한 배지에서는 기질중 탄소의 27%가 균체생산에 이용된 반면 소포로스 지질로는 9%에 불과하여 7g/l정도밖에 만들어 지지못했다. 이에 비하여 10%의 유지만을 탄소원으로 사용한 배지에서는 혼합물의 경우와 유사하게 13%는 균체생산, 37%는 소포로스 지질에 이용되어 배양액중 52g/l정도 축적되었으며 이산화탄소 발생으로는 두 경우가 비슷하여 포도당탄소원배지, 유지탄소원배지에서 각각 54%, 47%정도였다. 유가식배양의 한 경우로 초기 10%의 포도당탄소원 배지에서 배양하기 시작하여 24시간이 경과한뒤 부터 총 9%에 해당하는 양의 유지를 다섯번으로 나누어 1.8%씩 매 7시간마다 공급하였으며 나머지 한 경우는 저농도의 포도당의 영향을 함께 조사하기 위해 초기 3%의 포도당탄소원 배지에서 배양하기 시작하여 같은 방식으로 유지를 공급해 주었다. 실험결과 두경우의 유가식 배양간에는 별로 차이가 나지않았으나 회분식배양에 비하여 유가식배양에서는 기질탄소의 60%정도가 소포로스 지질생산에 이용되어 배양액중 120g/l의 농도로 소포로스 지질이 만들어지는 반면 이산화탄소의 발생으로 소모되는 탄소는 30%정도에 불과하였으며 균체생산에는 회분식배양과 비슷한 12%정도의 탄소가 이용되었다. 소포로스 지질생산에 미치는 유지농도영향을 자세히 조사하기위해 총 9%의 유지를 연속공급하되 공급속도를 1.0ml/시간-5.0ml/시간으로 변화시켜 실험한 유가식배양을 실험한 결과 유지의 공급속도가 커질수록 균체생산은 약간 증가하나 그 폭은 크지않아 가장 늦은 1.0ml유지/시간의 공급속도에서 27g/l, 가장 빠른 5.0ml유지/시간의 공급속도에서 30g/l정도로 나타났으나, 소포로스 지질생산의 경우 영향을 뚜렷히 받아 1.0ml유지/시간의 공급속도에서 120g/l정도 생산되어 기질탄소의 60%전환수율에 해당하는 반면 5.0ml유지/시간의 공급속도에서는 70g/l로서 기질탄소의 35%에 불과하였다. 2.1ml유지/시간, 3.6ml유지/시간의 공급속도에서는 각각 기질탄소의 53%, 43%로 밝혀졌다. 배양액의 단위부피당 소포로스 지질생산속도는 가장 느린 유지공급속도와 빠른 공급속도에서 떨어지며 2.1ml유지/시간의 조건에서 가장 높게 나타났으며 단위균체당 비생산속도 또한 이조건의 유지공급속도에서 가장높게 나타났다. 10%의 포도당과 10%의 유지를 탄소원으로 하는 연속배양실험결과 연속배양중의 희석속도, 즉 균체의 비중식속도가 소포로스 지질의 비생산속도에 영향을 미쳐 희석속도 0.03/시간에서 최대비생산속도 0.094g소포로스 지질/g건조균체/시간으로 나타났다. 그러나, 소모된 기질탄소의 소포로스 지질 전환수율은 희석속도에 크게 영향을 받지 않아서 희석속도 0.03/시간의 전환수율 38%에서 전환수율이 가장 높은 희석속도 0.01/시간의 경우 46%로 약간 증가하는데 그쳐 유가식배양에서의 전환수율인 60%에는 훨씬 못 미쳤다. 희석속도를 0.03/시간으로 고정하고 배지중 유지의 농도만을 2%에서 10%로 변화시키는 연속배양실험결과 균체생산은 유지의 농도변화에 관계없이 일정하였으며 단위균체당 포도당의 비흡수속도 또한 일정하였으나, 유지농도 10%에서 나타났던 기질탄소의 소포로스 지질전환수율은 유지의 농도가 감소할수록 증가하여 4%의 유지농도에서 가장 높은 55%로 유가식배양에서의 60%와 근사한 수율을 기록하였다. 유지농도 2%에서는 다시 감소하여 32%로 나타났다. 균체의 유지비흡수속도는 유지의 농도증가에 따라 증가하여 약 7%의 유지농도에 이르러 최대 0.105g 유지/g건조균체/시간의 값을 나타내며 그 이상의 유지농도에서는 변화가 없는 것으로 나타났다. 단위균체당 소포로스 지질의 비생산속도는 유지의 비흡수속도에 비례하여 7%의 유지농도까지 증가하다가 그 이상의 농도에서는 오히려 감소하는 추세로 나타났다. 이러한 연속배양실험 결과로부터 알 수 있는 것은 본 실험조건에서 7%의 유지농도까지는 균체내로의 유지흡수가 자유롭게 행해지나 2%정도의 유지농도까지는 흡수되는 유지가 균체의 활성유지에 보다 많이 쓰여 소포로스 지질의 생산수율이 낮은 반면 4%의 유지농도에서 균체내로 흡수된 유지의 가장 많은비율이 소포로스 지질생산에 이용되며 이 농도를 넘어서 7%까지의 유지농도에서는 균체내로 흡수된 유지중 균체의 소포로스 지질생산능력을 넘어서는 여분의 유지는 균체의 지방산 분해경로를 거쳐 이산화탄소로 분해되어 발효중 배기가스로 배출되는 것 같다는 것이다. 한편 7%이상의 유지농도에서는 균체내로 흡수되는 7%의 유지를 제외한 유지가 배지에 남아 균체의 소포로스 지질생산을 저해하여 결과적으로 균체당 소포로스 지질의 비생산속도가 감소하는 것을 알 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DBT 93003
형태사항 vii, 101 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이균희
지도교수의 영문표기 : Jung-Hoe Kim
지도교수의 한글표기 : 김정희
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생물공학과,
서지주기 Reference : p. 87-97
주제 Biosurfactants.
Fermentation.
Cell culture.
발효. --과학기술용어시소러스
세포 배양. --과학기술용어시소러스
지질. --과학기술용어시소러스
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