효과적인 PHA 생산을 위해서는 박테리아 대사를 관리하기 위해 반응기 내에서 엄격한 2단계 제어 전략이 필요합니다. 처음에는 매개변수가 최대 바이오매스를 위해 탄소 및 필수 영양소 수준을 높게 유지해야 하며, 이후에는 폴리머 축적을 유발하기 위해 질소 또는 인과 같은 특정 영양소를 제한해야 합니다.
높은 PHA 수율을 달성하려면 반응기가 뚜렷한 대사 변화를 촉진해야 합니다. 이 공정은 배양을 세포 복제를 촉진하는 풍부한 환경에서 영양 스트레스 환경으로 전환하는 데 의존하며, 이는 박테리아가 탄소를 세포 내 폴리머로 저장하도록 강제합니다.
1단계 최적화: 바이오매스 축적
1단계의 주요 목표는 "공장" 즉, 박테리아 세포 자체를 배양하는 것입니다.
탄소원 유지
반응기는 포도당 또는 과당과 같은 탄소원의 지속적이고 충분한 공급을 제공해야 합니다.
이 단계 동안 탄소는 저장보다는 주로 에너지 생성 및 세포 구조 구성 요소에 사용됩니다.
높은 비성장률 지원
탄소 외에도 반응기는 복제에 필요한 모든 필수 영양소를 공급해야 합니다.
제어 시스템은 어떤 영양소도 성장을 제한하지 않도록 하여 배양이 높은 비성장률과 최대 바이오매스 축적을 달성하도록 해야 합니다.
2단계 최적화: PHA 생합성
충분한 바이오매스가 생성되면 반응기 매개변수를 변경하여 박테리아의 생리 상태를 바꿔야 합니다.
필수 영양소 제한
제어 시스템은 가장 일반적으로 질소 또는 인과 같은 특정 영양소 공급을 엄격하게 제한해야 합니다.
이 고갈은 박테리아에게 분열을 멈추고 생존 메커니즘을 시작하도록 신호를 보내는 생물학적 트리거 역할을 합니다.
스트레스 반응 유발
필수 영양소를 공급하지 않으면서 탄소 공급을 유지함으로써 반응기는 박테리아 스트레스 반응을 유발합니다.
이는 세포가 탄소 흐름을 번식에서 벗어나 에너지 저장으로 PHA의 효율적인 생합성으로 전환하도록 지시합니다.
공정 절충점 이해
이 두 가지 뚜렷한 단계를 전환하는 것을 관리하는 것은 공정 제어에 특정 과제를 제시합니다.
영양소 제한 시점
제어 시스템이 너무 일찍 질소 또는 인을 제한하면 바이오매스 축적이 저해됩니다.
이는 PHA로 가득 차 있더라도 총 부피 수율이 높지 않은 소수의 세포 집단을 초래합니다.
스트레스와 생존력 균형
영양소 제한은 스트레스 반응을 유발할 만큼 충분히 심각해야 하지만, 세포 생존력이 붕괴될 정도로 절대적이어서는 안 됩니다.
반응기는 분열을 위한 영양소 부족에도 불구하고 세포가 탄소를 중합할 수 있을 만큼 대사적으로 활성인 환경을 유지해야 합니다.
제어 전략 설계
생물 공정의 효율성을 극대화하려면 각 단계의 특정 목표에 제어 매개변수를 집중하세요.
- 주요 초점이 빠른 바이오매스 성장인 경우: 반응기가 조기 스트레스 신호를 방지하기 위해 탄소와 필수 영양소 모두의 과잉 상태를 유지하도록 하십시오.
- 주요 초점이 최대 폴리머 함량인 경우: 두 번째 단계에서 과잉 탄소 가용성을 유지하면서 질소 또는 인을 급격히 제한하도록 공정 제어를 보정하십시오.
PHA 생산의 성공은 궁극적으로 박테리아 환경을 성장 상태에서 저장 상태로 조작하는 정밀도에 달려 있습니다.
요약표:
| 생산 단계 | 주요 목표 | 탄소원 상태 | 핵심 영양소 제어 (N, P) | 대사 결과 |
|---|---|---|---|---|
| 1단계: 성장 | 바이오매스 극대화 | 지속적 공급 | 제한 없음 (과잉) | 세포 복제 |
| 2단계: 합성 | PHA 축적 | 과잉 가용성 | 엄격하게 제한 (고갈) | 탄소 저장 (PHA) |
| 전환 목표 | 높은 부피 수율 | 대사 흐름 유지 | 스트레스 반응 유발 | 성장에서 저장으로 전환 |
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참고문헌
- Amandeep Girdhar, Archana Tiwari. Process Parameters for Influencing Polyhydroxyalkanoate Producing Bacterial Factories: An Overview. DOI: 10.4172/2157-7463.1000155
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