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영어

A scaling up study for the exopolysaccharide (EPS) production by submerged culture of Ganoderma lucidum was carried out in jar fermenter systems (2.6, 20 and 75 L) under bi-staged pH process. Profiles of dissolved oxygen (DO) and volumetric coefficient of oxygen transfer (kLa) as a function of operating variables (agitation speed and aeration rate) was investigated, and a correlation between kLa and operating variables was analysed statistically. Under bi-staged pH process, no limitation of DO was observed at agitation speeds tested in the range of 200 and 600 rpm, and the highest EPS production was obtained at the level of DO of 40~80%. From the regression analysis, the relation between kLa, gas velocity (Vs), stirrer speed (N) and impeller diameter (Di) could be expressed as : kLa = 0.555 × Vs0.42 × (N3×Di2)0.33 (R2= 0.925, p<0.05) It was found that under 2.6 L jar fermenter, the optimum agitation speed and aeration rate was 400 rpm and 1 vvm, respectively, obtaining the EPS production of 15.43 g/L. Under the submerged cultivation of G. lucidum in jar fermenters of 2.6~75 L, the similar EPS yields at each fermenter were achieved during scaling up based on kLa, and kLa value for maximum EPS production was 85.4 ± 26.70 h-1.

한국어

영지버섯 유래의 다당류는 점차 각종 기능성 식품소재 및 의약품 소재로의 잠재적 가능성이 매우 높은 것으로 인식되고 있으며, 산업적인 관심도 매우 고조되어 있는 실 정이다(1-4). 그러나 버섯의 자실체나 균사체 유래의 생리 활성 다당 류는 추출 공정이 복잡하고 수율이 낮기 때문에 최근에는 이들 단점을 극복할 수 있는 액체배양법에 의한 세포외 다당의 생산이 널리 시도되었고, 다당의 효율적 생산을 위 한 유망 대체수단으로 많은 관심을 받았다(5-11). 저자 등도 그동안 air-lift 또는 jar fermenter system을 이용하여 영지의 액체배양에 의한 세포외 다당 생산의 연구 를 수행하였고, 세포외 다당의 성분 및 구조규명, 배양 동력 학적 특성, 배지 및 배양 최적화, 생물활성 탐색, 균사의 형 태분석 등에 관한 각종의 연구결과를 보고하였다(12-24). 특히, 균사체 생육과 세포외 다당 생산의 최적 pH가 각각 3 및 6으로 크게 달랐으므로 초기 6시간 동안 pH 3으로 배양하다가 이후 pH 6으로 shift하여 배양하는 bi-staged pH process를 개발함으로써 세포외 다당의 생산을 크게 향상시키는 결과를 얻은 바 있다(16, 18, 23). 이들 연구 결 과에 따르면 영지 세포외 다당은 분자량 약 106 dalton의 1,6 가지를 갖는 β-1,3 glucan을 함유하는 heteropolysaccharide 로 항종양 다당 및 식유섬유로서의 성분특성을 나타내었으며, 겔화능이 우수하여 겔화제로서의 용도적성을 갖는다. 또 in vitro에 의한 생리기능의 조사결과, 포도당 및 bile acid에 의한 흡수지연효과를 나타내어 식이섬유소재로서의 혈당 및 콜레스테롤 저하식품소재로서의 가능성이 있다. 아울러, 이들 다당은 항암활성, 면역증강 기능, 세포증식 및 분화능 등을 나타내어 생리 기능성 다당소재로서의 잠재력 이 매우 높은 것으로 기대되었다. 하지만 아직도 산업적 생산 체제를 갖추기에는 미흡한 실정이어서 대량생산 공정의 개발을 위한 검토의 필요성이 높은 실정이다. 특히, 산업적 규모의 jar fermenter에 의한 발효생산은 실험실 규모 발효생산의 기질 전환율 및 생산성 과 일치하여야 하며, 이를 위해 scale up의 연구가 필요하다. Scale-up의 기준으로는 발효조 내의 전단력과 밀접한 관련을 갖는 impeller tip speed (πNDi), 단위용적당 소비 동력 (P/V) 및 Reynolds 수 (NRe) 등의 각종 인자들이 사용 된다. 일반적으로 산소요구도가 큰 호기적 미생물 발효의 scale-up에는 산소이동용량계수 (kLa)에 기준한 scale up의 방법이 가장 널리 이용된다(25, 26). 하지만 영지버섯의 액체배양에서 kLa를 기준으로 한 성공적인 scale up을 위해 서는 균체나 생성물이 전단에 영향을 받지 않는 것이 중 요하며, 따라서 이를 위한 적정 교반 및 통기조건의 확립 이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 영지 액체배양의 균사체 및 세 포외 다당의 대량생산을 위해 2.6, 20 및 75 L용량의 jar fermenter system을 사용하여 세포외 다당 생산의 현저한 향상이 가능하였던 bi-staged pH process(16)하의 배양을 통하여 통기 및 교반속도에 따른 용존산소 및 산소이동용량 계수 (kLa)의 변화를 조사하였다. 아울러, 이들의 상관관계 를 통계분석하여 해석함으로써 scale up의 조건을 확립하 였으며, 이로부터 영지의 액체배양에 의한 균사체 및 세포 외 다당 생산의 산업적 응용자료를 마련하고자 하였다.