Production of pullulan by Aureobasidium pullulans with agro-industrial byproducts as the substrate : 농업부산물을 이용한 Aureobasidium pullulans에 의한 Pullulan의 생산

서형필 The Graduate School of Dong A University 2000 국내박사

농업부산물을 미생물의 기질로 사용하여 Aureobasidium pullulans HP-2001으로부터 pullulan을 생산하는 연구가 진행되었다. 풀루란은 Aureobasidum pullulan에서 생산되는 수용성 점질 다당류이며, maltotriose와 maltotetraose가 α-1,6 와 α-1,4 결합으로 이루어져 있는 고분자 중합체이다. 분자량의 차이에 의해서 물성의 차이가 나게 되며 그 정도에 따라 식품, 의약, 화장품, 환경산업 등에 널리 쓰일 수 있다. 구체적으로 식품산업에서의 식품첨가물이나 산소투과성이 거의 없는 필름의 가공과 식품포장재료로서의 이용, 접착제, 일반공업 등에 이용되고 있다. 본 실험에서는 우선 탄소원과 질소원의 최적 첨가 농도를 밝히고, 높은 수율로 고분자 중합체를 생산할 수 있는 탄소원과 질소원과의 첨가비율 상관관계에 대해서 알아보았다. 그리고 배양말기에 탄소원이 고갈되는 시점에 나타나는 색소 문제를 피하기 위하여 고농도의 당에서도 기질저해를 받지 않고 생육할 수 있는 균주를 선별하였다. 그리고, 균주 배양과 고분자 중합체의 생산에 가장 큰 비중을 차지하고 있는 탄소원과 질소원을 농업부산물로 대체하여 생산비용을 최소화하고, 유용가치가 높은 고분자 중합체를 보다 많이 생성할 수 있는 연구를 수행하였다. 전통음료인 식혜의 제조 공정에서 나오는 부산물(AIB-A)은 미생물이 탄소원으로 이용가치가 높은 glucose, maltose, dextrin, maltotriose 등이 다량 혼합 함유되어 있고, 포도당보다 더 높은 생산성을 보이고 있으며, 생산된 pullulan의 분자량에 있어서도 2.11∼4.79 × 10^(6)으로 포도당을 사용한 pullulan의 분자량인 0.90 × 10^(6)보다 더 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 사과쥬스 제조 시 남은 사과박(AIB-B)을 건조하여 미생물의 탄소원을 대체하였을 경우도 AIB-A와 마찬가지로 포도당을 탄소원으로 사용하였을 때와 유사한 생산성을 보였고, 분자량 또한 5.62∼6.27 × 10^(6)으로 높은 중합체 생산성을 보였다. 대규모 간장 발효 공정의 부산물인 대두박(AIB-C)으로 미생물이 탄소원, 질소원으로 이용 가능한지를 알아보았다. AIB-C의 주성분은 탄수화물, 단백질, 지방, 그리고 회분 등으로 pullulan의 생산배지에 질소원으로 첨가되는 yeast extract를 대체할 수 있는 물질로 가능성을 보였다. AIB-C를 질소원 대체로 0.35%(w/v) 첨가한 배지에서 생산된 pullulan의 분자량은 5.66 × 10^(6)으로 기존의 질소원으로 yeast extract를 첨가했을 때 보다 높음을 알 수 있었다. AIB-A, B 그리고 C는 적절한 농도로 pullulan 생산배지에 첨가하였을 때 기존의 탄소원과 질소원을 사용할 때보다 높은 생산성과 분자량을 보임으로서 미생물의 기질로 이용될 수 있는 우수한 자원으로 확인되었다. Production of pullulan by Aureobasidium pullulans HP-2001 with agro-industrial byproducts was investigated. Agro-industrial byproducts from the rice processing industry for the traditional Korean food (AIB-A), apple juice production (AIB-B), and soybean sauce production (AIB-C) were used for carbon and nitrogen source for production of pullulan. Major components of AIB-A were glucose, maltose, maltotriose, and dextrin. AIB-A and B were found to be good substitute to glucose as carbon source. Productivity of pullulan with AIB-A and B as carbon source was similar to that glucose. Molecular weight of pullulan produced with AIB-A and B was higher than that with glucose. Major components of AIB-B and C were carbohydrate, protein, fat and ash. AIB-C was also a good substitute to yeast extract as nitrogen source. Some of physiological conditions were examined for the large scale production of pullulan.

Singly curved phased reflector for RCS reduction

서형필 Graduate School, Yonsei University 2013 국내석사

This thesis discusses the singly curved phased reflector for reduced RCS pattern, which has minimized RCS level at boresight with a null by phase cancelation and the lowered RCS level of main beam by splitting the main beam into multi directions. Considering the reduced level of boresight and main beam compared to the same sized reference PEC, this proposed multi-beam reflector can be adopted in the bi-static radar environment. The proposed reflector is designed on singly curved surface, which is a cylindrical arc shaped. Using circular array theory, it is possible to synthesize a desired RCS pattern. The reflection phases are calculated to synthesize steered beam pattern by considering parameters that are composed of element position, element width, and curvature (or curvature radius). In this methodology, it is needed to compensate the reflection phase due to different path lengths between wave front of normally incident plane wave and each element by adjusting the square patch which has optimal reflection phase on the position of each cell. The proposed reflector is multi-beam reflector, which have different phase distributions at each row for different steering angle. It is designed through an intermediate stage of a single and dual-beam reflector. The behaviors of the designed reflectors are verified through full-wave simulation and experiment. The reflectors are designed in the frequency of 10 GHz and it has a size 240×180 mm2 (8×6 λ2) with the curvature k=3.3, 6.67 and 10. From the measured results, the proposed reflectors reduce the reflected power by 17, 12 and 11 dB at boresight with respect to the same size of PEC with curvature k=3.3, 6.67 and 10, respectively. Simulated bandwidth is 4.75%, 3.8% and 6.8% with the same order as above, respectively. It will be a future work due to the narrow bandwidth. Although the conventional reflectors for the RCS reduction cannot control the reflection angle, the proposed reflector can change the reflected angle to control the RCS pattern by adjusting the phase and distance between neighboring elements. The proposed reflectors are cylindrical arc shape. So, it is expected that the proposed reflectors can be applied to singly curved surfaces which are components of military platform for RCS reduction and the conformal reflector antenna system as a representative with small mass, low manufacturing cost, and ease of fabrication.

Production of pullulan by Aureobasidium pullulans with agro-industrial by products as the substrate : 농업부산물을 이용한 Aureobasidium pullulans에 의한 Pullulan의 생산

서형필 동아대학교 대학원 2000 국내박사

농업부산물을 미생물의 기질로 사용하여 Aureobasidium pullulans HP-2001으로부터 pullulan을 생산하는 연구가 진행되었다. 풀루란은 Aureobasidum pullulans에서 생산되는 수용성 점질 다당류이며, maltotriose와 maltotetraose가 α-1,6 와 α-1,4 결합으로 이루어져 있는 고분자 중합체이다. 분자량의 차이에 의해서 물성의 차이가 나게 되며 그 정도에 따라 식품, 의약, 화장품, 환경산업 등에 널리 쓰일 수 있다. 구체적으로 식품산업에서의 식품첨가물이나 산소투과성이 거의 없는 필름의 가공과 식품포장재료로서의 이용, 접착제, 일반공업 등에 이용되고 있다. 본 실험에서는 우선 탄소원과 질소원의 최적 첨가 농도를 밝히고, 높은 수율로 고분자 중합체를 생산할 수 있는 탄소원과 질소원과의 첨가비율 상관관계에 대해서 알아보았다. 그리고 배양말기에 탄소원이 고갈되는 시점에 나타나는 색소 문제를 피하기 위하여 고농도의 당에서도 기질저해를 받지않고 생육할 수 있는 균주를 선별하였다. 그리고, 균주 배양과 고분자 중합체의 생산에 가장 큰 비중을 차지하고 있는 탄소원과 질소원을 농업부산물로 대체하여 생산비용을 최소화하고, 유용가치가 높은 고분자 중합체를 보다 많이 생성할 수 있는 연구를 수행하였다. 전통음료인 식혜의 제조 공정에서 나오는 부산물(AIB-A)은 미생물이 탄소원으로 이용가치가 높은 glucose, maltose, dextrin, maltotriose 등이 다량 혼합 함유되어 있고, 포도당보다 더 높은 생산성을 보이고 있으며, 생산된 pullulan의 분자량에 있어서도 2.11~4.79 × 10^(6)으로 포도당을 사용한 pullulan의 분자량인 0.90 × 10^(6)보다 더 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 사과쥬스 제조 시 남은 사과박(AIB-B)을 건조하여 미생물의 탄소원을 대체하였을 경우도 AIB-A와 마찬가지로 포도당을 탄소원으로 사용하였을 때와 유사한 생산성을 보였고, 분자량 또한 5.62~6.27 × 10^(6)으로 높은 중합체 생산성을 보였다. 대규모 간장 발효 공정의 부산물인 대두박(AIB-C)으로 미생물이 탄소원, 질소원으로 이용 가능한지를 알아보았다. AIB-C의 주성분은 탄수화물, 단백질, 지방, 그리고 회분 등으로 pullulan의 생산배지에 질소원으로 첨가되는 yeast extract를 대체할 수 있는 물질로 가능성을 보였다. AIB-C를 질소원 대체로 0.35%(w/v) 첨가한 배지에서 생산된 pullulan의 분자량은 5.66 × 10^(6)으로 기존의 질소원으로 yeast extract를 첨가했을 때 보다 높음을 알 수 있었다. AIB-A, B 그리고 C는 적절한 농도로 pullulan 생산배지에 첨가하였을 때 기존의 탄소원과 질소원을 사용할 때보다 높은 생산성과 분자량을 보임으로서 미생물의 기질로 이용될 수 있는 우수한 자원으로 확인되었다. Production of pullulan by Aureobasidium pullulm HP-2001 with agro-industrial byproducts was investigated. Agro-industrial byproducts from the rice processing industry for the traditional Korean food (AIB-A), apple juice production (AIB-B), and soybean sauce production (AIB-C) were used for carbon and nitrogen source for production of pullulan. Major components of AIB-A were glucose, maltose, maltotriose, and dextrin. AIB-A and B were found to be good substitute to glucose as carbon source. Productivity of pullulan with AIB-A and B as carbon source was similar to that glucose. Molecular weight of pullulan produced with AIB-A and B was higher than that with glucose. Major components of AIB-B and C were carbohydrate, protein, fat and ash. AIB-C was also a good substitute to yeast extract as nitrogen source. Some of physiological conditions were examined for the large scale production of pullulan.

Studies on the Production of Pullulan by Aureobasidium Pullulans : Aureobasidium pullulans에 의한 pullulan의 생산에 관한 연구

서형필 東亞大學校 大學院 2004 국내박사

고분자 중합체인 pullulan을 생산하는 균주인 Aureobasidium pullulans을 최적의 배양조건 하에서 회분식 배양을 실시하였고, A. pullulans의 배양특성 및 생산성 향상에 관한 연구를 수행하였다. 나아가 연속배양을 통한 최적의 pullulan 생산조건에 관한 연구도 수행하였다. 우선 UV 조사에 의해 선별한 돌연변이주인 A. pullulans HP-2001을 탄소원으로 glucose를 사용하여 미생물의 성장과 생산성에 미치는 영향을 동시에 확인하였다. Glucose농도가 15% (w/v)까지 증가함에 따라 생산성도 증가하였고, 이상적인 탄소원과 질소원의 비율은 glucose와 yeast extract의 농도가 10% (w/v), 0.25%(w/v)일 때이며, 27.14 g/l의 pullulan을 얻을 수 있었다. 7L 발효조를 이용하여 최적의 탄소원과 질소원 농도 하에 A. pullulans HP-2001을 배양한 결과, 배양 72시간째 32.12 g/l의 pullulan을 얻을 수 있었다. 그리고, 동일한 배지조건 하에 100L 발효조의 내압을 0.4 kgf/㎠로 유지하여 배양한 결과 36.87 g/l의 pullulan을 얻을 수 있었다. 100L 발효조의 내압이 증가할수록 배지내의 용존산소량이 증가하였고, A. pullulans HP-2001의 pullulan 생산성이 향상되었다. 높은 당농도 하에서 sucrose가 pullulan 생산에 가장 적합한 탄소원으로 선정되었다. 플라스크 실험에서 10% (w/v)의 sucrose와 0.25% (w/v)의 yeast extract 농도 하에서 39.95 g/l의 pullulan과 최대생산성을 얻을 수 있었다. 생산된 pullulan의 평균분자량은 질소원으로 사용된 yeast extract의 농도에 따라 좌우되는데, 6.50 × 10^(3)에서 5.87 × 10^(6)에 이르렀다. 교반속도는 발효조 내의 용존산소량에 영향을 끼쳤으며, 더욱 높은 교반속도는 pullulan의 생산을 향상시켰다. 최적화된 배지조성으로 7L 발효조의 교반속도를 600rpm으로 배양했을 경우, 72시간에 이르러 60.80 g/l의 pullulan을 얻을 수 있었다. A. pullulans HP-2001에 의한 pullulan의 생산은 식품산업의 부산물을 탄소원과 질소원으로 대체하여도 생산성이 향상되는 사실을 확인할 수 있었다. 식품산업에 있어서 간장을 담고 남는 간장박 (AIB-A)을 질소원으로, 식혜음료의 부산물인 밥당화액 (AIB-B)과 사과쥬스 제조시 발생되는 사과박(AIB-C)을 A. pullulans의 탄소원으로 사용하였다. 이러한 부산물로 배양했을 경우, 생산성과 분자량이 기존의 배지성분보다 높았다. A. pullulans HP-2001을 이용하여 7L 발효조에서 연속배양법을 수행하였다. 최적의 연속배양 조건을 찾기 위해서 첨가배지의 조성, 희석률과 첨가배지의 당농도가 생산성과 미생물의 생장 그리고 분자량에 미치는 영향을 조사하였다. 회분식 배양에서는 96시간에 57.90 g/l의 pullulan을 얻을 수 있었다. 첨가배지의 조성은 0.25% (w/v)의 sucrose와 0.25% (w/v)의 yeast extract, 그리고 무기질 성분들을 모두 포함한 경우에 pullulan의 생산성은 76.55 g/l이었다. 최적의 희석률은 0.015 h^(-1)이었고, 그 이상일 때는 정상상태에서의 미생물 농도의 세출현상과 pullulan 농도의 감소현상이 발생하였다. 연속배양을 통해 생산된 pullulan의 중량 평균 분자량은 2.98 × 10^(5)에서 5.40 × 10^(5)이었다. 첨가배지의 sucrose 농도를 다양하게 변화시켜 배양한 결과, A. pullulans HP-2001은 첨가배지의 sucrose 농도가 20% (w/v)에 이를 때까지 기질저해를 받지 않고 정상상태를 유지하는 것으로 확인되었다. For the production of pullulan by Aureobasidium pullulans HP-2001, the cultural characteristics of A. pullulans and to overproduce the pullulan in a batch culture using 7L and 100L bioreactors through an optimization of the fermentation process were investigated. Furthermore the optimal conditions of pullulan fermentation by continuous culture was examined. First experiment was the cell growth and production of pullulan by A. pullulan HP-2001, the UV-induced mutant of A. pullulans ATCC 42023, using glucose as a carbon source. Regarding the productivity of pullulans, the optimal concentrations of glucose and yeast extract for the mass production of pullulan were determined to be 10.0 and 0.25% (w/v), respectively, the production of pullulan and its conversion rate were 27.14 g/l and 0.27, respectively. Maximal production of pullulan with optimized concentrations of a carbon and nitrogen sources by A. pullulans HP-2001 in a 7L bioreactor was 32.12 g/l for 72 hr culture and that in a 100L bioreactor with the inner pressure of 0.4 kgf/㎠ was 36.87 g/l. Increased the inner pressure of a 100L bioreactor resulted in higher concentration of dissolved oxygen in the medium, which might enhance the production of pullulan by A. pullulans HP-2001. Among various carbon sources, sucrose was found to be the best carbon source for the production of pullulan in high concentration of sugar. The agitation speed affected dissolved oxygen in the 10% (w/v) sucrose medium of a bioreactor and higher agitation speed elaborated production of pullulan. The production of pullulan by A. pullulan HP-2001 was enhanced by yeast extract as a nitrogen source as well as soybean pomace (AIB-A). Agro-industrial by products from the rice processing industry for the traditional Korean food (AIB-B) and apple juice production (AIB-C) were used for carbon source for the production of pullulan. The productivity of pullulan with AIB-B and C as a carbon source was similar to that produced with glucose and molecular weight of pullulan produced with AIB-B and C were higher than that produced with glucose. AIB-B and C were found to be good substitute to glucose as a carbon source. Continuous culture of A. pullulans HP-2001 for the production of pullulan was investigated in a 7L bioreactor. The optimal conditions of pullulan fermentation were determined by the investigation on the effect of composition of the feed solution, dilution rate and sucrose concentration of feed solution on production of pullulan, biomass and molecular weight of products. In a batch culture of A. pullulans HP-2001, maximal production of pullulan was 57.90 g/l at 96 hr. The maximal production of pullulan with 76.55 g/l occurred when substituted solution was 10% (w/v) sucrose, 0.25%(w/v) yeast extract and mineral salts. The optimal dilution rate for the production of pullulan was 0.015 h^(-1) and higher dilution rate caused a wash out of cells and a decrease of concentration of pullulan at a steady-state. The average molecular weights of pullulans produced by a continuous culture ranged from 2.98 × 10^(5) to 5.40 × 10^(5). In the case of varying feed concentration of sucrose, A. pullulans HP-2001 seemed to overcome the catabolite repression against sucrose up to 20% (w/v) in the feed solution.