일반기술

생분해성 고분자PHA의 유가식 발효생산방법

PHA(Polyhydroxyalkanoate)는 미생물의 체내에 에너지 저장물의 형태로 축적되는 폴리에스터로서, 그중의 하나인 PHB(polyhydroxybutyrate)가 1925년 레모이그네(Lemoigne)에 의해 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)으로부터 처음으로 발견되었다. PHA는 합성 고분자와 견줄만한 우수한 성질을 가진 생분해성 고분자로, 식품 포장용 및 일회용 제품포장용 등으로 사용된다면 합성고분자 물질의 난분해성으로 인한 심각한 공해문제를 해결할 수 있게 된다. PHB는 영국의 ICI사와 오스트리아의 Chimie Linz사에 의해 포도당, 설탕 등으로부터 상업적으로 생산되고 있으며, 이보다 물성이 우수한 P(HB-co-HV)(polyhydroxybutyrate-co-valerate) 공중합체는 포도당과 프로피온산의 혼합기질로부터 ICI 사에 의해 생산되고 있지만 현재의 높은 제조원가로는 기존의 비분해성 플라스틱을 대체하기가 어려운 실정이므로 제조원가를 절감하는 공정에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 종래, 산업계와 실험실에서 행해져 온 유가식 배양방법은 기질 농도를 측정할 수 있는 센서의 부족 또는 부재로 인해 경험적인 방법에 의존하거나 많은 시간과 노동력을 필요로 하는 방법들을 사용하므로서 최적 생산조건을 정확히 유지하는 것이 힘들었다. 따라서, 본 발명의 목적은 PHA를 고농도, 고수율로 제조하기 위한 유가식 발효 생산방법을 제공하는데 있다. 상기 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출되는 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 기질농도의 균일한 제어를 자동화하고 균체성장기와 PHA 생산기의 pH 조절용 알카리로 특정화합물을 사용하므로서 경제적으로 PHA를 얻을 수 있었다.본 발명의 생산공정에 따른 일련의 조작은 컴퓨터 프로그램으로서 자동으로 조절될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 계속해서 배양액중의 일부를 샘플링해야 하므로 발효액의 체적이 줄어드는 문제점이 나타날 수도 있지만, 주입기질(4)이 투입되므로서 해결될 수 있고, 샘플링양이 200ml 이내이므로 스케일업되어 발효조가 커지게 되면 큰 문제가 되지 않는 것이다. 한편, PHA와 생고분자의 생산에 있어서는 균체 성장기와 PHA 생산기로 구분되는 2단계 배양을 실시한다. 제1단계인 균체 성장기에서는 탄소원, 질소원을 비롯한 모든 영양분을 충분히 공급해 주어야 하며, 제2단계인 PHA 생산기에서는 질소원을 제한시키고 탄소원을 충분히 유지시켜 주어야 한다. 본 발명의 실시예에 이용된 균주인 Alcaligenes eutrophus의 예를들면, 탄소원으로 포도당, 질소원으로 암모니아를 이용하는 경우, 균체 성장기에 최적인 포도당 농도는 10∼20g/l로 알려져 있으며, 질소원이 제한되지 않도록 pH 제어용 알카리로서 암모니아수를 이용하여 암모니아를 공급한다. PHA 생산기에 최적 농도인 10∼30g/l의 포도당을 유지하고, 질소원을 제한 시키기 위해 pH 제어용 알카리를 암모니아수에서 NaOH 나 KOH로 바꾸어 주어야 한다. 또한, 기질농도가 너무 높으면 균체 성장 및 PHA 생산이 저해되므로 발효전 시간에 걸쳐서 탄소원의 농도를 일정하게 유지하여야 한다.