미호기성 Bacillus 속 분리 세균의 반연속 배양에 의한 수소 생성

Abstract

Semi-continuous cultures for Bacillus sp. Ⅰ-17 and Ⅰ-19 which enable to evolve hydrogen using biomass-derived substrates were performed. Optimal conditions and the feeding rate of glucose for hydrogen evolution of Bacillus sp. Ⅰ-17 were also investigated. In the case of the batch culture of Bacillus sp. Ⅰ-17 and Ⅰ-19, the hydrogen evolution rate was reduced at 7-9 hours of incubation time respectively. However, the rate of hydrogen evolution would be recovered d the amount of hydrogen evolution could monotonously increaed by semi-continuous feeding. In this study, the interval of replacement was shortened, as the replacement rate was lowered. These results indicated that a continuous fermentation system can be used in hydrogen evolution of Bacillus sp. Ⅰ-17 and Ⅰ-19. In addition, specific growth rate of Bacillus sp. Ⅰ-17 and Ⅰ-19 was considerably high and this result suggested that the immobilization procedure may be unnecessary for continuous culture of these strains. Optimal culture conditions for hydrogen evolution of Bacillus sp. Ⅰ-17 were investigated. Larger amount of molecular hydrogen w a s produced with an agitation speed of 200 rpm at 37℃ and optimum initial cell concentration was 0.05-0.23 mg of DCW/ml of culture. The influence of medium components on hydrogen evolution of Bacillus sp. Ⅰ-17 was examined. Organic sources of nitrogen and vitamins( Yeast extract and Peptone) were essential for cell growth and hydrogen. Cystein HCl reduced the amount of evolved hydrogen, while vitamins(Biotin and ρ-Aminobenzoic acid) did not affect the hydrogen evolution. Inorganic components led to enhancement in cell growth and hydrogen evolution. Optimum amount of yeast extract and peptone. and inorganic components supplied in semi-continuous culture was 50% level of normal concentration. In the case of replacement rate of 50% the highest hydrogen evolution rate was observed at glucose concentration of 6%. In the case of replacement rate of 30% and 20%, it was achieved at glucose concentration of 8%. The lower replacement rate, the higher utilization of glucose of high concentration. The hydrogen evolution Bacillus sp. Ⅰ-17 resulting from glutamate. which is amino acid contained in waste materials, was investigated. The optimum concentration of glutamate was 20mM in this study.;대체 에너지로서의 생물학적 방법에 의한 수소 생산 증대를 위해 Bacillus속 세균을 대상으로 반연속 배양을 수행하여 glucose와 xylose를 이용한 수소 생성 및 발효양상을 관찰했으며 최적 배양 조건과 효율적인 기질 공급 방법, 수소 생성 속도와 기질공급 속도를 조절하기 위한 조건을 검토하였다. 회분배양에 의한 수소 생성의 경우 Bcillus sp.Ⅰ-17 균주는 30℃에서 배양 7시간 이후부터 수소 생성 속도(㎕/㎎ of DCW/h)가 급격히 감소하였으며 I-19 균주의 경우에는 37℃에서 배양 9시간 이후에 수소 생성 속도의 감소를 보였으나 두 균주 모두 배지의 반연속적 치환에 의해 수소 생성 속도의 회복이 가능했고, 치환율을 50,40,30,20％ 의 수준으로 달리했을때 치환율이 적어질수록 치환의 시간 간격이 짧아졌다. 이는 미생물에 의한 수소 생성계는 불안정하여 세포자제를 이용한 연속적 수소생산이 어렵다는 Karube et al(1976) 의 보고와는 달리 Bcillus sp.Ⅰ-17과 Ⅰ-19를 이용한 연속 배양계의 가능성을 시사해 주는것이라 할 수 있다. 수소 생성 속도는 I-17의 경우 치환율 20％ 에서 가장 우수 했던 반면, Ⅰ-19의 경우에는 치환율 50％에서 수소 생성 속도가 가장 높았고, 기질 공급량에 따른 최고 수소 생성량은Ⅰ-17에서 47790.18㎕／300㎖ of cul./g of glucose supplied, Ⅰ-19의 경우에는 83896.00㎕／300㎖ of cul./g of xylose supplied로 나타났다. 두 균주의 비중식 속도는Ⅰ-17의 경우 배양 온도 30℃에서 0.800으로,Ⅰ-19의 경우에는 배양 온도 37℃에서 0.804로 관찰 되었으며, 이와 같이 빠른 생장 속도는 균체의 고정화 작업이 수반 되지 않아도 반연속 또는 연속 배양이 가능하다는 점에서 유리하게 작용할 것으로 기대된다. Bacillus sp.Ⅰ-17의 반연속 배양계에서 기질로서 공급되는 glucose의 최적농도를 살펴본 결과 치환율이 50％인 경우에는 6％ glucose농도에서, 치환율이 30％와 20％인 경우에는 모두 8％ glucose농도에서 수소 생성이 가장 우수했다. Bcillus sp.Ⅰ-17의 균체 증식과 수소 생성에 미치는 배지 조건을 배지 성분별로 검토하였다. Yeast extract와 Peptone의 경우 균체 증식과 수소 생성에 필수적이었으나 Yeast extract와 Peptone이 포함된 배지와 포함되지 않은 배지를 번갈아 공급해준 경우가 계속적으로 공급해준 경우보다 균체 증식과 수소 생성능이 더 좋았다. Cystein·HCl은 공급하지 않은 경우가 더 효율적이었으며 Biotin과 ρ-Aminobenzoicacid는 큰영향을 주지 않았고, 그 외의 무기성분들은 모두 플러스적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 반연속 배양계에서 공급해 주는 Yeast extract와 Peptone, 무기성분의 적정량은 정상적인 배지의 50％ 수준으로 희석된 배지의 경우가 가장 효율적이었다. 아미노산으로서 비교적 값이 싸고 유기 폐자원에 다량으로 포함되어 있는 glutamate에 의해서도 수소 생성이 가능했으며 glutamate농도 20mM 에서 수소 생성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.