Chapter 14. 응용미생물산업 알코올 제조 유기산 제조 정미성 뉴클레오타이드 제조 비타민, 호르몬, 의약품 제조

Chapter 14. 응용미생물산업 알코올 제조 유기산 제조 정미성 뉴클레오타이드 제조 비타민, 호르몬, 의약품 제조
항생물질 제조 백신 제조 효소 제제 미생물 단백질 생산 폐수처리 기타

I. 알코올 제조 1. 폐 당밀에서 알코올 제조 2. 녹말질 원료에서 알코올 제조
포도당 → 에탄올 (92g, 이론적 생산) + 이산화탄소 발효성 당 : 글루코스, 프락토스, 말토스, 슈크로스 공업적 원료 : 고구마, 폐당밀, 쌀, 타피오카, 쌀보리, 겉보리 1. 폐 당밀에서 알코올 제조 - 발효 배지조건 : 당 농도(15~20%), 황산암모늄, 과인산석회, pH 5~6 - 살균(110℃, 60분), 발효온도(30~33℃, 2~3일간) - 발효효모 : Saccharomyces formosencis - 발효후의 알코올 : 8~10%, 알코올 정류탑에서 분리, 정제 2. 녹말질 원료에서 알코올 제조 녹말 → 산 당화 법, 효소 법 → 발효성 당 조제 산 당화법 : 묽은 염산(0.3~0.5%, 3~4 기압, 40~60분 가열분해 1) Amylo 법 - Mucor delemar (곡류), Rhizopus japonicus (고구마) 속의 곰팡이를 사용하는 알코올 발효법

I. 알코올 제조 2) 코오지법 3) Amylo 액체국 절충법 3. 최근의 기술개발
- 당화효소로써 밀기울에 흑국균 등의 곰팡이를 번식시켜 코오지를 만든 후 익힌 녹말원료에 5~10% 첨가하여 당화시키는 방법 3) Amylo 액체국 절충법 - 아밀로법은 당화력은 강하나 녹말을 액화하는 α-amylase 가 약하고, 코오지법은 당화력은 조금 약한 것이 결점으로 두 가지 방법을 병용하는 절충법이 많이 이용 3. 최근의 기술개발 전분의 무증자 당화 : 생전분 분해효소 이용 - Aspergillus sp., Bacillus circulans, Streptococcus bovis 등 2) 고정화 효모에 의한 연속발효 3) 세균에 의한 알코올 발효 : Zymomonas mobilis - 효모에 비히여 비증식률, 당대사속도, 에탄올 생성속도 등이 높으나, 균체생성률은 낮고, 주정 수율이 우수, Z. mobilis 혐기적으로 증식 4) Cellulose에서의 직접 발효 5) 유전공학의 응용

II. 유기산 발효 1. 초산 (acetic acid) 발효 초산균 - 생육 및 산의 생성속도가 빠르며 수율이 높고 내산성
- 생육 및 산의 생성속도가 빠르며 수율이 높고 내산성 - 초산 외의 방향성 물질을 생성하고, 초산을 산화하지 않아야 한다 - Acetobacter aceti, Acet. Acetosum, Aceti. oxydans, Aceti. rancens 2) 초산발효 기작 - 호기적조건 : 에탄올 → 아세트알데히드 → 초산 - 혐기적조건 : 2 에탄올 → 2 아세트알데히드 → 초산 + 알코올 - 초산산화 : CO2 + H2O 3) 생산방법 ① 정치법(orleans process) : 발효통을 사용 - 대패밥, 목편, 콜크 등을 채워 공기 접촉면적을 넓혀준다 - 수율이 낮고 기간도 길다 ② 속양법(generator process) : 발효탑을 사용 - Frings 속초법, 대패밥을 상부까지 채운다 ③ 심부배양법(submerged aeration process) - 원료와 초산균 혼합물에 공기를 주입교반하여 급속히 발효덧을 초산화

2. 글루콘산( gluconic acid) 발효
유기산발효 2. 글루콘산( gluconic acid) 발효 포도당을 산소(1/2 mol)로 산화하여 생성 글루콘산은 구연산과 젖산의 대용으로 산미제 및 피혁공업에 사용 생산균 - 곰팡이 : Aspergillus niger, Asp. Oryzae, Penicillium chrysogenum Pen. perpurogenum. - Aceto. gluconicum, Aceto. Oxydans, Gluconobacter, Pseudomonas 2) 발효기작 - D-glucose → D-glucono-δ-lactone → D-gluconic acid Glucose oxidase 비효적인 3. Lactic acid 발효 1) 젖산균 ① Lactobacillus, Streptococcus, Pedicoccus, Leuconostoc ② 젖산은 L-형이 인체에 이용된다.

4. Citric acid 발효 유기산발효 2) 젖산생성 : 5탄당과 6탄당이 이용
① 정상젖산발효 (homo lactic acid fermentation) : 당으로부터 젖산만 생성 - 생성균 : Lac. delbruckii, L. bulgaricus, L. casei, streptococcus lactis ② 이상젖산발효 (hetero lactic acid fermentation) : 당으로부터 젖산 + 부산물 - 생성균 : L. fermentum, L. heterohiochii, Leuconostoc mensentroides 3) 젖산생성조건 - 10% 당농도, pH , 온도 45-50℃: 소비당의 80-90%의 젖산생성 4. Citric acid 발효 구연산은 식품과 의약품에 사용, 산미료, 특히 탄산음료에 사용 1) 생산균 - Aspergillus niger, Asp saitoi, Asp awamori 2) 구연산 생성기작 - Acetyl-CoA + Oxaloactic acid → citrate 3) 구연산 생산조건 ① 강한 호기적 조건, 강한 교반, 수율(106.7%) ② 당농도 : 10-20%, 무기영양원 : N, P. K. Mg, 황산염 ③ 최적온도 : 26-35℃, pH :

5. 호박산 (succinic acid) 발효 6. Fumaric acid 발효 7. Propionic acid 발효
유기산발효 5. 호박산 (succinic acid) 발효 호박산은 식품조미료 , 향료 및 염료공업에 사용 생산균 : Mucor rouxii, E. coli, Aerobacter aerogenes, Brevi. flavum 2) 호박산(숙신산) : TCA 회로의 역방향, 수율(30%) 6. Fumaric acid 발효 합성수지의 원료, aspartic acid의 제조에 사용 생산균 - Rhizopzus nigricans, Asp. Fumaricus, 수율(60%) 7. Propionic acid 발효 향료, 곰팡이 억제제, 치즈숙성에 관여 1) 생산균 ① Propionibacterium freudenreichii, Prop. shermanii ② succinic acid → propionic acid. 8. 사과산(malic aicd) 발효 1) 생산균 - Asp. flavus, Lac. brevis - fumaric acid → malic aicd - 산미성분, 독특한 향미를 가지고 있으며, 천연에 존재하는 것은 L-형

III. 아미노산발효 아미노산은 단백질을 구성하는 기본화합물이다 1. 아미노산 발효형식 직접법 - 야생균주에 의한 방법
ex) glutamate, valine, alanine, glutamine - 돌연변이주(영양요구변이주)에 의한 방법 미생물 돌연변이원 : UV, 60Co 2) 전구체의 첨가법 - 전구체를 첨가하여 대사의 방향을 조절하여 목적하는 아미노산 발효 ex) isoleucine, threonine, tryptophan, aspartic acid 3) 효소적방법 - 특정기질에 효소를 작용시켜 아미노산 발효 ex) aspartic acid, tyrosine, phenylalanine

2. Glutamic acid 발효 3. Lysine 발효 1) 생산균
아미노산발효 2. Glutamic acid 발효 1) 생산균 - Corynebacterium glutamicum, Brev. flavum, Brev. Lactofermentum Microb. ammoniaphilum, Brev. thiogentalis 2) 생 산 Glutamic acid 의 축적은 통기량, pH, NH3의 양, acetic acid 양에 영향 biotin 의 양에 큰 영향을 받음 3. Lysine 발효 1) 생산균 - Corynebacterium glutamicum, 으로부터 UV, Co60 에 의하여 homo serine 영양요구 변이주를 만들어 사용 2) 발 효 One stage process : 변이주를 직접 발효시켜 lysine생산 (탄소원 : 폐당밀, 질소원 : 암모늄염 Two stage process : E. coli의 lysine 영양요구 변이주로 다량의 diamino pimelic acid를 생산 (1단계) - 탄소원 : glycerol, 질소원 : ammonium phosphate Aerbacter aerogenes 균체의 diaminopimelate decarboxylase에 의하여 diamino pimelate를 탈탄산시켜 lysine 생산(2단계)

IV. 핵산발효 1. 핵산과 정미성분 2. 정미성 핵산물질의 생산방법 (1) RNA를 미생물효소로 분해하는 법
핵산관련물질 : 5’-IMP, 5’-GMP, 6-hydroxy-5’purine nucleotide가 정미성을 가짐 Msg(mono sodium glutamate)에 소량 첨가 함으로써 감칠맛이 더욱 상승 ① Nucleoside, 염기에는 정미성을 가진 것이 없고, nucleotide만이 정미성분을 가진다 ② purine계 염기만이 정미성이 있고, pyrimidine계의 것은 정미성이 없다. ③ 당은 ribose나 deoxyribose에 관계없이 정미성을 가진다. ④ 인산은 당의 5’의 위치에 있지 않으면 정미성이 없다 ⑤ purine 염기의 6의 위치 탄소에 –OH가 있어야 정미성이 있다 2. 정미성 핵산물질의 생산방법 RNA를 미생물효소로 분해하는법/ 발효와 합성을 결합하는법/ 직접발효법(de novo) (1) RNA를 미생물효소로 분해하는 법 1) 제조공정 ① Candida 속 효모를 배양시키면 RNA를 함유한 효모균체가 된다 ② 효모 RNA를 5’-phosphodiesterase로 RNA를 분해하면 AMP, GMP, UMP, CMP가 생성 ③ GMP는 직접조미료로 사용, AMP는 adenilate deaminase로 deamination시켜 IMP를 얻어 조미료로 사용 (2) RNA 분해효소 생산균 : Penicillium citrinium, Streptomyces aureus

IV. 핵산발효 (3) 직접발효법 (2) 발효와 합성을 결합하여 조제 제조공정 - de novo 합성 / Salvage 합성
(신합성) (재합성회로) 2) 사용 균주 : Bacillus subtilis (3) 직접발효법 1) Feedback 저해효과를 제거 생성된 nucleotide 분해효소 활성을 약화(phosphatase, nucleotidase) 균체내에서 생성된 nucleotide를 균체외로 분비 촉진 ex) 사용균주 : Corynrbacterium glutamicum, Brevibacterium ammoniagenes

V. 미생물에 의한 효소생산 효소생산미생물 : 세균, 방선균, 곰팡이, 효모, 조균류, 자낭균류
1. 효소의 생산방식 : 고체배양과 액체배양 액체배양법 - 통기배양과 정치배양 통기배양은 잡균의 오염이 적고, 배양조건조절이 용이, 생산량이 높다 2) 고체배양법 - Tray method, 회전드럼식 - 온도관리 중요, 고농도효소회수 2. 효소의 분리 정제 : 코지에서의 효소추출 : 코오지 분쇄, 연속추출장치 이용 2) 균체에서 효소의 추출 ① 자가소화법 : 균체에 ethyl acetate, toluene 첨가 → 자가소화(20∼30℃) ② 동결 용해법 : Dry ice 동결 건조 후, 용해, 원심분리(세포조각제거) ③ 초음파처리법 : 초음파로 균체 파괴(10∼60KHz) ④ 기계적 파괴법 : homogenizer이용 ⑤ 건조균체의 조제 : 아세톤을 가한 후 건조, 동결균체를 동결건조

V. 미생물에 의한 효소생산 3. 고정화 효소(효소의 고체 촉매화) 효소생산 3) 효소의 정제
- 유기용매에 의한 침전 , 염석에 의한 침전, 이온교환 chromatography, 특수침전(등전점 침전, 특수시약에 의한 침전), gel 여과, 전기영동, 초원심분리기 등 3. 고정화 효소(효소의 고체 촉매화) 담체에 효소를 물리,화학적 방법으로 부착시켜 만든 고정화 효소를 이용 1) 담체결합법 : 불용성의 담체에 효소를 결합시키는 법 ① 공유결합법 : Diazo법/ peptide 법/ Alkyl 화법 ② 이온결합법 : 이온교환담체(DEAE-, CM-, TEAE-cellulose, Sephadex, Dowex 50 등) + 효소 → 이온결합 ③ 물리적 흡착법 : 담체(활성탄, 산성백토, kaolinite) + 효소단백질 → 물리적 흡착 2) 가교법(cross linking method) - 2 개의 관능기를 가진 시약에 의하여 효소단백질 자체를 가교화시켜 고체촉매화 3) 포괄법(entrapping method) - 효소자체는 결합반응을 일으키지 않는다 - 격자형 : gel의 가는 격자중에 효소를 삽입하는 격자형 - microcapsule 형 : 반투막성의 polymer의 피막으로 효소를 피복시키는

4. 효소생산 5. 미생물 효소제제 생산 효소생산 1) 균주선별 : 효소의 활성이 높은 균주 screening
2) 효소의 특징 : 최적온도, pH, 열안정성 3) 배지조성과 배양조건 4) 구성효소와 유도효소 5) 배양법 - 액체배양법 : 통기배양법과 정치배양법 - 고체배양법 : 국상자법, 퇴적배양법, 회전 drum 식 배양법 5. 미생물 효소제제 생산 1) Amylase * 종류 : α-amylase, β-amylase, glucoamylase, pullulanase * 기질 : Starch (amylose + amylopectin), glycogen * 기능 : α-1,4-glucoside, α-1,6-glucoside 결합을 가수분해 ① α-amylase (endoamylase) - α-1,4-glycosidic bond를 randomly(임의적으로) 가수분해 - 전분의 점도는 급격히 저하 - 분해산물 : dextrin, maltose, 소량의 glucose - 타액, 췌액, 맥아 등에 존재 - Bacillus subtilis, Aspergillus에 많이 존재

V. 미생물효소제제 생산 효소생산 ※ 세균 amylase - Ca2+의 첨가에 의해서 효소의 내열성은 증가된다.
※ 곰팡이 amylase - 내산성 amylase를 생산 (pH 2.0) 한다. ② β-amylase (당화형 amylase) - 전분의 α-1,4-glycosidic bond를 비환원성 말단부터 β-형의 맥아당을 생산한다. - α-1,6 결합의 분기점에 이르러 작용이 정지된다. - 환원당은 증가, 점도는 잘 저하되지 않고, 요오드반응은 적갈색 ※ 세균의 β-amylase 는 식물β-amylase 보다 내열성이 높고 최적 pH 는 7.0이다. ③ Glucoamylase (당화형 amylase) - 전분의 비환원성 말단에서 포도당 단위로 α-1, 4 bond 및 α-1, 6 결합을 분해하는 exo-형의 효소다. - 생산균 : Aspergillus niger(전분을 70-80% 분해) Rhizopus delemar(전분을 100% 분해)

V. 미생물효소제제 생산 효소생산 ④ Isoamylase (pullulanase, R효소)
- Amylopectin, glycogen의 α-1, 6 결합을 특이적으로 분해하여 직쇄 의 dextrin을 생산한다. - 요오드 반응에서 적자색에서 청색으로 변한다. - isoamylase 는 효모에서 처음 발견, - 식물의 isoamylase를 R-enzyme 이라고 한다 - Aerobacter aerogenes 효소는 pullulan에 작용하여 pullulanase라고불린다 ⑤ Cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase) - Bacillus marcerans에서 처음 발견 - 전분에 작용하여 α-1,4 결합을 분해 (Cyclization) Cyclodextrin 생성(포도당 6-8개로 구성) α-CD, β-CD, γ-CD 2) Cellulase Cellulose의 β-1,4 glucoside 결합을 가수분해 β-1,4 glucanase (cellulase) Cellobiose + glucose 생성

V. 미생물효소제제 생산 효소생상 - endo-β-1,4 glucanase : Cx
- exo-β-1,4 glucanase C (cellobiohydrolase) : C1 - β-glucosidase (cellobiase) * Carboxy methyl cellulose (CMC) : 수용성 cellulose 가수분해효소 : CMC ase (Cx 효소) * 불용성 cellulose 분해효소 : C1 효소 * Cx + C1 complex는 상승적으로 불용성 cellulose를 분해 3) Hemicellulase * Hemicelluase는 식물의 세포벽에 존재하며, 알칼리로 추출되는 다당류의 총칭 * Xylanase, galactanase, mannase, arabinase의 4종류로 분류한다. 4) Invertase (sucrase, saccharase) * Sucrose → glucose + fructose Invertase 1) β-Fructosidase : fructose 측에서부터 절단 2) α-glucosidase : glucose 로 부터 절단

V. 미생물효소제제 생산 효소생산 5) Lactase (β-galactosidase)
* Lactose → glucose + galactose β-galactosidase 6) Melibiase (α-galactosidase) * Mellibiose, raffinose, stachyose같은 당류의α-galactoside를 가수분해 효소 7) Naringinase * Naringin : 감귤류의 쓴맛의 주성분 ↓ naringinase Rhamnose + naringenin-7-glucoside(prunin) ↓ β-glucosidase Glucose + naringenin 8) Hesperidinase Hesperidin : 밀감류에 존재, 비타민 P, 의약용으로 사용, 통조림 조제시 백탁의 원인 Hesperidinase : Hesperidin의 Rhamnose-glucose(α-1,6결합을 가수분해)

V. 미생물효소제제 생산 효소생산 ① 최적 pH 또는 작용 pH에 의한 분류 - 산성, 중성, 알칼리성 protease로 분류
② 작용위치에 의한 분류 - Endopeptidase (proteinase) - exopeptidase : 말단의 α-amino 기, α-carboxyl 기에 작용 ex) aminopeptidase, carboxylpeptidase, dipeptidase ③ 활성화 양식에 따른 분류 - Serine protease : serine 잔기가 효소 활성에 관여 - Thio protease : thio 기가 관여 - 금속 protease : 효소활성에 금속이 관여 ◎ 미생물 protease ① 곰팡이 protease : 산성(pH3) 중성(pH6-7), 알칼리성(pH8-10) ② 세균 protease : 중성, 알칼리성 protease 가 존재 - Subtilisin : Bacillus subtilis의 protease ③ 방사선균 protease - Streptomyces griseus : 배지중에 protease를 대량으로 생산 - 최적 pH 7-8, Ca2+에 의해 안정화

5. 미생물효소제제 생산 효소생산 10) 미생물 응유효소 * Rennet : 송아지에서 얻어진 protease
- 우유 단백질을 응고시키는 데 사용 * 최근 미생물 응유효소개발 : Endothia parasitica 11) Pectinase * Protopectinase : 불용성의 천연 pectin을 가용성 pectin * Pectin esterase : pectin의 methyl ester를 분해 pectic acid 생산 * Polygalacturonase : pectin의 α-1, 4결합을 분해 end-과 exo-형 생산 12) Lipase : Lipid → fatty acid + glycerol * 용도 : 소화제, 세제, 지방산제조, 유제품에 작용 13) Glucose oxidase : Glucose 산화 → glucolactone + H2O2 생산 14) Glucose isomerase : D-Glucose → D-Fructose * 용도 : 제과, 제빵, 통조림 15) Catalase : 과산화 수소를 분해 16) Tannase : Tannin의 ester 결합을 분해, 홍차, 맥주의 혼탁방지 17) Penicillinase : penicillin의 β-lactam 환의 peptide 결합을 분해

VI. 미생물의 균체 생산 1. 식 · 사료 효모 원 료 - 탄소원 : 폐당밀, 아황산펄프폐액, 목재 당화액, 낙농폐액, n-paraffin 2) 균 류 - Endomyces, Hansenula, Saccharomyces, Candida, Torulopsis, Oidium 속 - Candida utilis, Torulopsis utilis, Torulopsis utilis Var. major 3) 배 양 - 질소원 : 암모니아수, 요소, 과인산석회, KCl, MgSO4 등의 무기염 첨가 - 산소 요구량이크다, Waldhof형 발효조에서 배양 4) 영양적 가치 - 아황산펄프폐액원료 : 단백질, 비타민, 당류, 무기물이 풍부 - 단백질 함량 : Saccharomyces (42-53%), Torulopsis utilis(50%) - lysine 함량이 높다, 소화율 80% 5) 미생물 균체성분 - 성분 : 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산, 회분, 비타민 (수분, %) - 핵산성분 : 정미성 nucleotide 생산에 이용 - 균체성분 : 미생물의 배지조성, 배양조건, 생육시기 등에 따라 변한다.

6) 단백자원으로서의 미생물 균체 - 미생물 단백질 이용 : 아미노산의 강화에 의한 단백질 영양효율의 개선 - 장점 : 증식속도 빠르고, 생산효율이 높고 공업적 생산 가능, 기후조건의 영향을 받지 않는다. - 원료가 경제적이어야 하고, 원료에 따른 적합한 균주 선정 - 적당한 배지조성, 배양장치, 배양방법 및 회수공정 등이 확립 ① 아황산펄프폐액 - 약 3%의 발효성 당 함유 - 효모제조 원료로 활용, 폐액처리(BOD의 저하)의 목적 달성 ② 석유계 탄화수소 - 단백질 함량이 많고 균체의 분리가 용이한 효모가 공업적으로 유리 ③ Methane - 천연가스의 주성분, 순수한 상태로 균체 생산 가능 ④ Methanol - naphtha, methane, 천연가스 등을 원료로 합성 - 현재 SCP 생산을 위한 가장 중요한 기질의 하나 ⑤ Ethanol - 균체이용의 안정성을 고려 ⑥ 셀룰로오스 - 천연자원, 목재 폐기물, 폐신문지로부터 cellulose가 SCP 및 에탄올의 생산에 이용

VI. 미생물 균체 생산 2. 빵효모 생산 원 료 - 폐당밀 : 사탕수수당밀 > 사탕무우 당밀
2. 빵효모 생산 원 료 - 폐당밀 : 사탕수수당밀 > 사탕무우 당밀 - 보리 : 종효모 배양에 사용(폐당밀 : 보리 = 9 : 1) - 맥아근 : asparagine 함유 → 술덧의 여과를 도와주는 원료 - 무기질(부원료) : 황산암모늄, 암모니아수, 요소 등을 첨가 균 주 - Saccharomyces cerevisiae 3) 배 양 - 충분한 공기 공급 - 배양온도 : 25 ∼ 26℃, 30℃ 이상 증식저해 - 잡균오염방지 : pH 4∼5로 일정하게 유지 4) 효모의 분리 - 배양액 원심분리 : 3000 rpm, 10 min - 균체 → 압착 , 탈수 → 성형(물, 레시틴, 식물성기름, 지방산 에스테르) - 빵효모의 수분함량 : 66 ∼68%, 0 ∼ 4℃냉장고에 저장

VI. 미생물 균체 생산 빵효모 제조공정

3. 미생물 유지 유지미생물 유지미생물 유지생산조건 ① 질소원의 농도와 C/N 비
- 질소화합물이 많으면 단백질함량이 높고, 탄수화물농도가 높으면 유지축적 증가 ② 충분한 산소공급 ③ 온도 : 미생물의 생육최적온도와 일치 ④ pH : 미생물의 종류에 따라 다르다 ex) 효모류 : 3.5∼6.0 ⑤ 염류 : Na, K, Mg, SO4, PO4 등의 이온비 조절 → 유지함량증대 ⑥ 기타 : ethanol, acetic acid 유지의 함량을 증대, 비타민 B 그룹요구주도 있음

4. 단세포 녹조류 균체 생산 태양에너지 이용하여 CO2를 고정하고 질소, 무기질 등을 동화하여 증식하는 독립영양군
우주항공식품으로 연구, 배기가스 등에 의한 공해오염방지에 이용 ※ Chlorella 배양 : 옥외에서 배양, 실내의 탱크에서 배양 - pH 5 - 7(하루 1회 조절), 25℃ - CO2 공급과 동시에 교반이나 순환에 의해서 조류의 침강 방지 - 배양지의 깊이 10~15cm, 농도 0.1~0.5% - 클로렐라가 배양되면 일정시간마다 원심분리하고 다시 배양기로 보낸다 - 식․사료의 강화용으로 유용(단백질, 지방, 비타민 함유량이 높다)

5. 식용버섯 1) 성분 : - 수분 70~95%, 5~30%가 고형물, 단백질, 조지방, 탄수화물 존재
5. 식용버섯 1) 성분 : - 수분 70~95%, 5~30%가 고형물, 단백질, 조지방, 탄수화물 존재 버섯의 맛과 자실체 형성에 중요한 역할 2) 생리상태 - 다른 생물로부터 영양분 섭취 - 활물기생균 : 송이버섯 - 사물기생균 : 표고, 느타리, 목이, 팽이 등의 버섯 3) 버섯의 배지 : 원목, 톱밥, 볏짚, 퇴비 4) 자실체의 발생과 환경조건 - 버섯의 포자발아 → 1차 균사와 다른 1차 균사와 융합 → 2차 균사 형성 → 생육, 적당한 온도, - 수분, 광선 등의 환경조건에 두면 자실체 형성 5) 식용버섯의 생산 : 봄과 가을 2번 발생하여 수확, 수년간 생산이 가능

VII. 미생물의 특수한 이용 1. 폐수처리 ◎ 폐수의 오염도
1. 폐수처리 ◎ 폐수의 오염도 - BOD (biochemical oxygen demand, 생화학적 산소요구량) : ppm : 미생물에 의해서 폐수중의 유기물이 분해될 때 소비되는 산소량 20 ℃에서 5일간 배양 분해하여 측정 - COD (chemical oxygen demand, 화학적 산소요구량 ◎ 폐수처리법 - 물리적 처리법, 화학적 처리법 - 생물학적 처리법 : 호기적 처리법, 혐기적 처리법 ◎ 호기적 처리법 ① 활성오니법 - 응집상태의 호기적 미생물군(활성오니)을 이용하여 유기물 분해, 처리 → 오니를 침전 → 상등액을 방류 - 대도시하수처리장, 제약․식품공장, 처리가 어려운 폐수 ② 살수여상법 - 폐수 중의 유기물이 흡착되어 정화 ③ 혐기적 처리법 - 유기물 농도가 높은 폐수(BOD ,000)처리에 이용 - 먼저 혐기적 처리법으로 전처리 후 활성오니법으로 처리

VII. 미생물의 특수한 이용 2. 미생물 정련 (Bacterial leaching)
미생물을 이용하여 품위가 낮은 광석으로부터 유용한 금속을 용출시켜 효과적으로 회수하는 것 3. 미생물 분해 유기합성, 석유화학 등으로부터 합성된 신규물질을 미생물에 의해 분해 1) 중성 세제 - 직쇄형구조를 가진 alkyl benzene sulfornate(LAS) 사용 2) 농 약 3) 기타의 물질 - 유해물질(phenol, cyan), 합성고분자물질(PVC, PVA), 발암성 원인물질(아민류) 4. 미생물 살충제 (Microbial insecticide) 나무나 농작물에 자라는 해충을 선택적으로 죽이는 미생물 5. 바이오센서 (Biosensor) 각종의 생체물질이 가지는 분자식별기능을 이용해서 화학물질을 예측하는 기구와 장치 ex) 효소센서, 면역센서, organelle sensor 등 6. 미생물화학전지 (Microbial fuel cell) 간단한 유기, 무기화합물을 영양원으로 하고 미생물의 작용에 의하여 기질의 화학에너지를 얻어 이것을 전기에너지로 변환하도록 한 것

VIII. 비타민, 호르몬, 의약품제조 1.비타민 및 호르몬 제조 비타민 B2(리보플라빈, riboflavin)
① 기능 : 전자전달계에 작용 ② 생산방법 - 화학합성법(20%) - 반합성법 : glucose →D-ribose(Bacillus pumilus) D-ribose에서 리보플라빈 합성 - 직접발효법 : 자낭균류(Eremothecium ashbyii, Ashbya gossypii) 플라빈을 균체내에 축적 2) 비타민 B12 ① 기능 : 동물의 성장에 필요하며 악성빈혈의 인자 ② 생산방법 : 고등식물이나 동물에서 합성되지 않음 - 생산균주 : Pseudomonas denitrificans (60mg/L) Propionibacterium shermanii (30-40mg/L)

- 성호르몬, 부신피질 호르몬 (탄수화물, 무기질 대사조절에 중요)
3) 비타민 C (L-ascorbic acid) ① 기능 : 의약용, 산화방지제 등 ② 생산방법 : D-glucose → D-sorbitol → Acetobacter suboxydans → L-sorbose → → L-ascorbic acid 4) 지버렐린 (gibberellin) ① 기능 : 식물호르몬의 일종으로 식물의 성장과 성숙을 촉진 종자의 휴면을 깨는 작용 ② 생산 균주 : Gibberella fujikuroi (곰팡이) 표 9-8 주요식물조절제 (p 423 참조) 5) 스테로이드 호르몬 - 성호르몬, 부신피질 호르몬 (탄수화물, 무기질 대사조절에 중요) - 관련 균주 : Rhizopus, Streptomyces, Septomixa, Athrobactor 6) 덱스트란(dextran) ① 기능 : 수혈시 혈장 증량제로 사용, 그 황산 ester는 혈액응고 방지제 ② 생산방법 : Leuconostoc mensentroides를 설탕이 함유된 배지에 배양

2. 항생물질의 제조 1) 항생물질의 공업화 방식 2) 주요 항생물질과 그 제조
곰팡이, 방선균, 세균, 지의류, 동물, 식물 등이 만드는 항생물질은 8,000종 이상이 보고, 대부분이 유해하여 실용화 되고 있는 것은 13종 1) 항생물질의 공업화 방식 ① 생산균의 분리 : 분리용 배지에서 배양한 후 콜로니를 분리 ② 항균력시험 : 검정균에 대하여 clear zone이 형성되는 균을 선별 ③ 독성시험 : 실험동물을 이용하여 경구투여, 정맥주사, 피하주사 등으로 독성의 유무 조사 ④ 중간공업시험 : 배양조건 및 항생물질 추출방법 연구 ⑤ 공업생산법 : 대량생산 및 항생제의 분리 정제한다 2) 주요 항생물질과 그 제조 ① 페니실린 - 최초로 공업화된 항생물질) : Penicillium chrysogenum ② 스트렙프토마이신 - 그람음성균 및 결핵균에 유효 : S. griseus ③ 테트라사이클린 - 광법위 항생물질 : S. aureofaciens, S. rimosus ④ 클로람페니콜 – 그람음성, 양성 외에 리케차에 유효 : S. venezuelae ⑤ 카나마이신 – streptomycin과 구조유사 : S. kanamyceticus ⑥ 농업용항생물질 – blasticidin S 도열병 항균력 : S. grieseochromogenes ⑦ 항암성 항생물질 – 대분은 인체에 독성 : bleomycin(피부암, 식도암)에 특효, 암 화학요법의 길을 개척, Streptomyces verticillus

3. 백신제조(vaccine) - 세균 백신, 리케차 백신, 바이러스 백신
백신은 미생물의 균체나 그 생산물을 재료로 하여 만들어지며, 인체에 접종하면 특이적인 면역이 생기므로 질병감염예방의 목적으로 사용 1) 백신제조에 사용되는 미생물의 종류에 따라 : - 세균 백신, 리케차 백신, 바이러스 백신 2) 백신의 형태에 따라 불활화 백신과 생 백신 - 불활화 백신 : 면역원으로서의 성질을 잃지 않는 조건으로 미생물 균체를 formalin등의 약제나 저온 가열 등의 물리적 방법으로 처리한 제제 - 생 백신 : 사람에 대한 병원성만 잃은 채 면역력을 가지고 있는 미생물이 살아 있는 제제 Toxoid 란 : 미생물이 만든 독소를 그 면역원성에 변화를 주지 않게 처리하여 무독화시킨 제제 3) 백신제조공정 배양준비 →접종 배양 → 균체(또는 독소) 수집 → 농축, 정제, 불활성화 등 가공 → 백신 원액 →역가조정 → 분주 → 저장 → 제품 국가검정 국가검정 선발시험

전형적인 발효공정의 일반체계 주발효조 상위공정 하위공정 보존균주 종균배양 배양액 균체 종균발효조 무세포 상등액 배지살균
생산물 추출 폐수처리 배지조제 생산물 정제 배지원료 상위공정 하위공정 제품포장

발효공정의 일반체계(5단계) 1) 배지조제 - 발효의 종류, 원료의 차이에 의존
배지조제, 살균, 종균배양, 본 배양, 미생물의 분리정제, 폐수․폐기물처리 1) 배지조제 - 발효의 종류, 원료의 차이에 의존 2) 살균공정 - 무균상태(배지, 장치, 공기) - 가압수증기 살균, 증기살균 3) 배양 - 온도, pH 조절, 통기 ① 종균배양 ② 본 배양 (발효조) 4) 배양물의 분리 정제공정 : 제품조제 5) 폐수․폐기물처리

발효생산물의 분리정제공정의 기본구성 1. 회수공정 ○ 멸균 → 회수공정 ○ 목적물의 위치에 따라 변화 ◎ 균체 그 자체인가
- 회수공정 : 집균 조작 - 빵효모, SCP ◎ 균체내에 존재하는가 - 인슐린, 성장호르몬, 인터페론, 세포내효소 생산 - 세포내 목적물질의 존재형태에 따라 → 회수공정변화 ◦ 과립(inclusion body) 상태로 존재 ◦ 용해되어 존재 ◦ 용제에 의해서 추출될 수 있는가 ◎ 배양액 중에 분비되어 있는가? - 아미노산발효, 세포외 효소 - 회수공정 : 침강, 원심분리, 여과 → 제균 2. 분리공정 ○ 목적물질 분리․농축 ○ 단백질의 활성손실방지 ○ 저분자물질의 제거 ○ Chromatography에 의한 분리조작이 많이 사용 3. 정제공정 : 순도를 높인다. ○ 단백질 : gel filtration, 소수성 및 친수성 chromatography, 전기영동 ○ 보관 : 동결건조

Chapter 14. 응용미생물산업 알코올 제조 유기산 제조 정미성 뉴클레오타이드 제조 비타민, 호르몬, 의약품 제조

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