광합성 혼합 배양에서 PHA 생산 효율 극대화 전략

초록

본 연구는 광합성 혼합 배양(PMC)에서 PHA 축적을 위한 accumulator reactor의 운영 조건을 최적화하였다. 초기 아세트산 농도 < 30 CmM, 광 강도 ≈ 20 W/gX, 그리고 잔류 질소 제거가 최적 조건으로 확인되었으며, 이때 PHB 수율은 0.83 ± 0.07 Cmol‑PHB/Cmol‑Acet, 특정 생산 속도는 2.21 ± 0.07 Cmol‑PHB/Cmol‑X·d에 달했다. 또한 발효 치즈유청(FCW)을 원료로 사용해 12 % HV 함량의 PHA를 생산함으로써 폐기물 활용 가능성을 입증하였다.

상세 분석

본 논문은 광합성 혼합 배양(PMC) 시스템에서 PHA 축적 효율을 높이기 위한 세 가지 핵심 변수, 즉 초기 아세트산 농도, 광 강도, 그리고 잔류 질소의 존재 여부를 체계적으로 조사하였다. 첫 번째 실험에서는 초기 아세트산 농도를 고농도(≈ 60 CmM)와 저농도(≈ 15 CmM) 두 그룹으로 나누어 5 h 동안 축적 반응을 진행하였다. 결과는 저농도 조건에서 PHB 저장 효율이 현저히 상승했으며, 이는 아세트산이 과잉 공급될 경우 세포 내 전자 전달 체계가 과부하되어 PHA 합성 경로가 억제된다는 기존 메커니즘과 일치한다. 두 번째 변수인 광 강도는 1.1, 4.7, 10.6, 20.7 W/L 네 단계로 조절했으며, 광 강도가 20 W/gX 수준에 도달했을 때 특정 PHB 생산 속도(q_PHA)가 2.21 Cmol‑PHB/Cmol‑X·d로 최대치에 도달했다. 이는 광합성 세포가 광 에너지를 ATP와 NAD(P)H로 전환하는 효율이 빛 강도 10–20 W/gX 구간에서 최적화됨을 의미한다. 세 번째 실험에서는 원심분리 후 상층액을 제거해 질소를 완전히 배제한 상태와 질소가 남아 있는 상태를 비교하였다. 질소가 제거된 경우, 아세트산 펄스 투입 시 급격한 PHB 축적이 관찰되었으며, PHA 함량이 15 %에서 30 %로 4 시간 이내에 두 배 증가했다. 이는 질소 제한이 세포 내 탄소 흐름을 PHA 합성 경로로 전환시키는 ‘Feast‑Famine’ 전략과 유사한 효과를 나타낸다. 또한, 발효 치즈유청(FCW)을 직접 투입한 실험에서는 12 %의 3‑하이드록시부티레이트(HV) 함유 PHA가 생산되었으며, 이는 기존에 합성 원료만을 사용하던 연구와 차별화된 결과이다. 전체적으로, 저농도 아세트산, 적정 광 강도, 질소 제한이라는 세 가지 조건이 상호 보완적으로 작용해 PHA 축적 효율을 3배 이상 향상시켰으며, 실제 폐기물(FCW) 활용 가능성을 입증하였다.