Optimization of Culture Conditions for 1,3-propanediol Production from Glycerol Using Klebsiella pneumoniae

글리세롤로부터 1,3-propanediol 생산을 위한 Klebsiella pneumoniae 배양 조건 최적화

To improve the productivity of 1,3-propanediol(1,3-PD) with K. pneumoniae DSM4799 using pure glycerol and crude glycerol derived from the biodiesel process, optimizing fermentation conditions was performed by changing environmental factors such as anaerobic/aerobic condition, temperature, glycerol concentration, and pH. When anaerobic conditions were maintained, there was an improved 1,3-PD production compared with that from aerobic/anaerobic 2-stage fermentation. From the results with temperature $26{\sim}37^{\circ}C$, the higher 1,3-PD production yield was observed at $30{\sim}33^{\circ}C$. For an initial glycerol concentration higher than 60 g/L, cell growth and 1,3-PD production were inhibited. When crude glycerol was used, the initial 1,3-PD production appeared to be inhibited. After 48 hr of incubation, however, 1,3-PD production with crude glycerol was even higher than that with pure glycerol, demonstrating the feasibility of 1,3-PD production using crude glycerol as a substrate. Fed-batch fermentation was applied for the high concentration of 1,3-PD without substrate inhibition. By regulating pH at 7 during the fed-batch with glycerol lower than 40 g/L, the yield of 1,3-PD was 25% higher than that without pH regulation(0.56 g/g vs. 0.45 g/g). In conclusion, based on our results, anaerobic conditions, temperature at $30^{\circ}C$, pure or crude glycerol lower than 40 g/L, and pH regulation at 7 were the optimized conditions for 1,3-PD production using K. pneumoniae DSM4799, making it more feasible to produce 1,3-PD at higher concentration and a lower price.

본 연구는 통성 혐기성 미생물인 K. pneumoniae DSM4799을 이용하여 순수 글리세롤과 국내 바이오디젤 생산공정에서 발생된 폐글리세롤로부터 1,3-PD을 생산하기 위한 연구로서, 혐기 및 호기 조건, 배양온도, 글리세롤 농도, pH에 따른 1,3-PD 생산성 비교를 통해 최적 배양조건을 찾고자 하였다. K. pneumoniae DSM4799를 혐기조건과 호기/혐기 2단계 배양을 한 결과, 혐기조건에서 더 효율적인 1,3-PD 생산이 이루어졌다. 배양 온도를 $26{\sim}37^{\circ}C$로 변화시키면서 배양한 결과, $30{\sim}33^{\circ}C$에서 높은 1,3-PD 생산성을 나타내었고, 글리세롤 농도는 글리세롤의 종류에 상관없이 60 g/L 이상에서 균주의 성장 및 1,3-PD 생산이 저해되는 현상을 관찰할 수 있었다. 폐글리세롤 사용시 순수 글리세롤에 비해 초기 1,3-PD 생산은 감소하였으나, 48시간 후에는 오히려 더 높은 농도의 1,3-PD를 생산하였다. 유가식 배양으로 글리세롤 농도를 40 g/L 이하로 조절하면서 pH 조절유무에 따른 1,3-PD 및 부산물의 변화를 살펴본 결과, pH를 7.0으로 유지시켰을 때 pH 조절을 하지 않은 경우보다 25% 향상된 1,3-PD 수율을 나타내었다(0.56 g/g vs. 0.45 g/g). 본 연구를 통해 K. pneumoniae DSM4799를 이용하여 1,3-PD 생산시 혐기조건, 온도 $30^{\circ}C$, 순수 또는 폐글리세롤 40 g/L 이하, pH 조절 등의 배양조건이 적합함을 알 수 있었으며, 최적화된 배양조건을 통해 보다 가격경쟁력이 있는 생물학적 1,3-PD 생산이 가능할 것으로 기대된다.