Earticle

광학적으로 순수한 의약품의 생산이 중요해짐에 따라 광학분할기술은 향후 급속도로 발전할 것으로 예상되고 있으며 향후 신약개발 만큼이나 중요한 분야가 될 것으로 예상된다. 특히 생명공학의 급속한 발전으로 효소를 이용한 광학분할기술은 기존의 화학합성공정을 빠른 속도로 대체할 것으로 예상된다. 따라서 본 총설은 효소에 의한 광학분할의 중요성과 특성, 최근 연구동향, 그리고 산업적 응용 예에 초점을 맞추어 기술하였다.

Enzymatic resolution is becoming increasingly important in the production of optically active pharmaceutical drugs and is now challenging the traditional synthetic methods for production of a variety of chiral intermediates and products. This article reviews the recent advances in chirotechnology using enzymes as a catalyst to resolve chiral compounds. The review focuses on the recent trends in chirotechnology and the application of enzymes to the production of industrially valuable pharmaceutical drugs.

바이오센서의 구조와 기능 그리고 종류에 대해 소개하였다. 이 분야의 연구가 과거 15년간 각국에서 경쟁적으로 연구하였으나 glucose sensor가 상품화되었을 뿐 연구결과를 상품화한 것은 극히 적은 수였다. 그러나 최근 몇 년간 특히 포켓용 i-STAT point-of-care system의 도입 그리고 surface plasmon resonance와 evanescent wave 측정장치의 출현으로 상품화된 바이오센서의 수가 크게 증가하는 추세에 있다. 이들 중 의료임상과 생물공정 그리고 환경오염 측정용으로 응용되고 있는 몇 가지 상품에 대하여 약술하였다.

Intense research on biosensors has been performed in a number of different institution over the past 15 years, but relatively few commercial products have resultingly, the blood glucose sensor is a good example of a product which penetrated the market. However recently, the development of electrochemical and optical technologies has accelerated the turnover of the research as is illustrated by a rapid increase in the number of point-of-care diagnostic systems and analytical devices. Examples of such biosensors used in the fields of medical diagnostics, bioprocess control, and environmental monitoring are described, and summarized in an introduction to their characteristics, structures, and functions, given.

희수 (Camptotheca acuminata) 현탁세포배양에서 최근 항암제로서 관심을 끌고있는 camptothecin을 얻기 위하여 연구를 수행하였다. 현탁세포배양에서 exponential phase의 최고 생장속도는 0.269day-1이었으며 배가시간이 2.58일이었다. Camptothecin은 배양초기에 생성되지 않고 exponential phase 말기부터 서서히 생성되어 stationary phase 초기에 최고를 나타내고 이후 급격히 감소하였다. Camptothecin의 생산을 촉진하기 위하여 elicitor를 사용하였다. 여러 elicitor 중 jasmonic acid와 cellulase가 camptothecin의 생성을 증가시켰다. Elicitor는 접종과 동시에 투여했을 때 가장 효과가 좋았으며, jasmonic acid와 cellulase의 combination으로 효과가 더욱 증진했는데 대조구에 비하여 약 20배 정도 증가한 20.42×10-3 mg/ℓ의 camptothecin이 생성되었다. 이것은 생산량을 증가시킨 것뿐만 아니라 생산기간도 약 1/4로 단축시키는 결과를 얻을 수 있었다.

Cell cultures of Camptotheca acuminata, which is known to produce the anticancer indole alkaloid camptothecin and its derivatives, were made to enhance the productivity of camptothecin. In suspension cultures, the maximum cell growth rate in exponential growth phase was 0.269day-1 which was correlated to 2.58days of cell doubling time. The production of camptothecin was non-growth associated. The camptothecin production was the highest at 11th day form inoculation and then it decreased. Various elicitors were applied to enhance the production of camptothecin. Both of jasmonic acid and cellulase increased the production of camptothecin. The optimal dosing time of elicitor was the beginning of the cultures. The combination of two elicitors was more effective to produce camptothecin than single applications. 20.42×10-3㎎/ℓ of camptothecin was obtained with combined application of two elicitors in two days.

국내에 자생하는 개비자 나무 (Cephalotaxus koreana)에서의 알칼로이드 (homoharringtonine, harringtonine와 cephalotaxine)의 함량과 조성을 분석하였다. 알칼로이드의 함량은 지역과 개체군에 따라 큰 차이를 보였는데, 건중량의 11.8 mg/g에서 195.2 mg/g의 범위 내에 존재하였다. 알칼로이드의 함량은 남부 지방에서 자생하는 수목에서 더 높게 존재하는 경향을 보였다. 알칼로이드의 성분 조성은 homoharringtonine이 총 알칼로이드의 40%로 가장 많은 부분을 차지하고, harringtonine (32%), cephalotaxine (28%) 순이었다. 개비자 나무의 잎에서의 총 알칼로이드와 homoharringtonine 함량은 줄기에 비해 약 2배 정도 높게 존재하였다. 계절에 따라 알칼로이드의 함량이 차이를 보였는데 겨울에 가장 높고, 여름에 가장 적게 함유되어 있었다. 다른 Cephalotaxus 종과 비교한 결과 C. koreana는 C. harringtonia 등과 달리 비교적 높은 homoharringtonine를 함유하고 있었다. 이 결과로 볼 때 C. koreana는 homoharringtonine의 생산에 적합한 원료로 사용될 수 있다.

The contents and composition of alkaloids including homoharringtonine, harringtonine, and cephalotaxine were determined in Korean native plumyew tree (Cephalotaxus koreana) collected from 17 different sites in Korea. The alkaloid contents of C. koreana varied with locations and plant populations from 11.8 mg/g to 195.2 mg/g of dry weight while C. koreana in southern area had higher alkaloid contents. The alkaloid compositions in C. koreana were highest with homoharringtonine (40%) and followed harringtonine (32%) and cephalotaxine (28%). Total alkaloids and homoharringtonine contents in needles were higher than those of stem by 2 fold. Alkaloid contents of C. koreana were the highest in winter, and the lowest in summer. Comparison of alkaloid contents and composition with other species of Cephalotaxus revealed that C. koreana was different to C. harringtonia, and contents of homoharringtonine were higher than other species. C. koreana could be potential source for homoharringtonine and related alkaloids.

맥주의 숙성기간을 단축시키기 위해 네 종류의 고정화용담체를 활용한 고정화 효모 반응기를 시험하였다. 전발효가 끝난 Green Beer (GB)를 효모를 제거하고 열처리할 경우 처리온도가 높을수록 전구체인 α-acetolactate의 diacetyl로의 전환율이 낮고 전환속도도 빨라 70℃이상의 온도에서는 4분이면 충분하였다. GB 중의 산소농도는 전구체에서 DA로의 변환율에 매우 큰 영향을 끼쳤는데 그 농도가 낮을수록 전환율이 낮았으며 0.1 ppm 이하의 농도에서는 거의 대부분의 전구체가 DA이외의 물질로 전환되었다. 열처리한 전발효 맥주를 HAN, G-2, FLO, GDC 담체 column에 3～5℃, 체류시간 80～150분으로 통과시킬 경우 diacetyl 농도를 상품 맥주의 품질로 적합한 0.1 ppm이하로 떨어뜨릴 수 있어서 시험한 담체 모두 맥주 숙성용 효모고정화용 담체로의 실용화 가능성이 있었다. 이 때 세라믹 담체 column의 경우 GDC 담체 column에 비해 미발효된 잔당의 발효에 의한 새로운 DA 전구체의 생성이 많았다. 위와 같은 방법으로 생산한 맥주를 공장에서 기존의 방법으로 생산한 맥주와 맛을 비교한 결과 미세한 차이가 있으나 불쾌한 느낌을 주는 이취등은 발견되지 않아 고정화 효모 반응기에 의한 고속 숙성공정의 현장적용 가능성이 높음을 확인할 수 있었다.

Continuous processes using immobilized yeast were investigated in order to shorten beer maturation time. Three silica-based ceramic media and one cellulose-based medium were used. Diacetyl (DA) was one of the most distinctive compounds causing immature flavors. Heat treatment of green beer (GB) to convert α-acetolactate to DA was essential to shorten the time for beer maturation. The longer heat treatment time was needed at the lower temperature. Oxygen concentration in GB had a large influence on the conversion of α-acetolactate to DA. The lower the oxygen concentration in GB, the lower conversion ratio to DA. Heat treated GB was fed continuously to four kinds of immobilized yeast columns. DA concentration after immobilization columns was reduced to less than 0.1ppm at 3~5℃ and 80~150 minutes retention time in all columns tested. This concentration is enough to fit the quality speification of commercialized product. Formation of α-acetolactate from residual sugars was higher in ceramic media column than cellulose media cloumn. The taste of beers from test processes were not the same as that of traditionally produced beer, but no off-flavors were detected in test samples, which shows that immobilized yeast columns have potentials as rapid processes for beer maturation.

Nonliving methanotrophic biomass was used as biosorbent to remove lead which is one of representative pollutants in metal-bearing wastewater. Solution pH, maximum uptake, biosorbent dose and ionic strength were considered as major factors for adsorption experiments. The optimum pH range for lead removal was increased 3.8～11.0 for methanotrophic biomass compared to biosorbent-free control, pH of 8.4～11.2. Removal efficiency of lead by methanotrophic biomass was pH dependent, but less sensitive than that of control. In isotherm experiments with 0.2 g biosorbent/L at initial solution pH 5.0, methanotrophic biomass took up lead from aqueous solutions to the extent of 1085 mg/g biomass. Removal amount of lead increased with an increase of biomass dose. According to biomass dose for initial 1000 mg Pb/L at initial pH 5.0, the optimum amount of biomass for maximum lead removal per unit methanotrophic biomass was 0.2 g biomass/L. As a result of scanning electron microscope (SEM) micrographs equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS), lead removal by methanotrophic biomass seemed to be through adsorptions on the surface of methanotrophic biomass and exopolymers around the biomass. EDS spectra confirmed that lead adsorption appeared on the biomass and exopolymers that may be effective to lead removal comparing before and after contact with lead. Removal efficiency of lead was slightly affected by ionic strength up to 2.0 M of NaCl and NaNO3, respectively.

Buffer의 특성에 맞는 체류인자에 관한 모델식을 얻기 위해서는 buffer와 양이온의 농도에 관한 관련식을 실험으로 결정해야 한다. 또한 model 식에서 비이온과 음이온의 체류인자를 나타내는 k0와 k-의 값이 일정한 경향을 나타내고 있기 때문에 buffer의 농도와 modifier의 농도를 동시에 고려한 model 식이 가능하게 된다. 본 연구에서 제안한 모델식 (식(7))을 이용하여 임의의 buffer의 농도에 따른 시료의 체류시간을 예측할 수 있다. 이러한 모델식을 이용하여 buffer를 이용한 RP-HPLC의 분석 및 분리조건을 예측할 수 있고 시행오차적인 방법보다 빠른 시간 내에 최적의 분석 및 분리조건을 얻을 수 있다.

Due to the advantage of RP-HPLC with a variety of compositions of mobile phases, experiments on water-soluble charged species were examined. The samples were mononucleotides (5'-CMP, 5'-UMP, 5'-GMP, 5'-IMP, 5'-AMP), and the buffers used were sodium phosphate monobasic and acetic acid. The concentrations of buffers ranged from 0.01 to 10 mM, while that of the methanol, an additive to the mobile phase was 5 to 20 vol.%. To predict the retention factor of a sample in terms of its methanol composition (M, vol.%) and buffer(CB, mM), the following nonlinear equation is suggested, k =a + b C B( 1+ c C B ) M d where a, b, c, and d were experimentally determined constants. The regression coefficients were above 0.96, and the agreement between experimental and calculated retention factors were relatively good.

섬유성바이오매스로부터 초산을 생산하기 위한 동시당화 및 추출발효공정의 성능과 조업특성을 조사하였다. 본 연구에 사용된 homoacetate 미생물은 Clostridium thermoaceticum(ATCC 49707)이었다. 온도 55℃와 pH 5.5에서 α-cellulose를 사용한 회분식 SSF 실험결과 초산수율이 40%이었으며, 유가식 SSF 실험결과 초산수율이 50%로서 최대 25 g/L의 초산을 생산하였다. 최종산물의 저해를 최소화하고 정제비용을 줄이기 위하여 SSF반응 도중에 초산을 분리 제거하는 공정이 필요하며, 이를 위하여 유기산 분리에 효과적으로 사용되고 있는 이온교환수지를 이용한 동시당화추출발효(Simultaneous Saccharification and Extractive Fermentation, SSEF) 공정을 도입하였다. 200 g/L의 IRA-400 이온교환수지를 사용한 SSEF공정은 48%의 초산수율을 보였다. 이것은 유가식 SSF 공정의 초산생성속도 0.15 g/L-hr 보다도 빠른 0.20 g/L-hr로서 본 연구에서 시도된 이온교환수지를 이용한 SSEF공정을 유가식으로 수행한다면 정제비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 생산성도 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

Production of acetic acid from cellulosic biomass by Simultaneous Saccharification and Extractive Fermentation (SSEF) was investigated. The homoacetate organism used in this study was a strain of Clostridium thermoaceticum, ATCC # 49707. A batch operation of Simultaneous Saccharification and Fermentation(SSF) using α-cellulose at pH 5.5 and 55℃ yielded 40% conversion of cellulose to acetic acid, while a fed-batch SSF operation produced a maximum acetic acid concentration of 25 g/L, with 50% overall yield. In-situ extractive fermentation to reduce the end-product inhibition on both bacteria and enzyme was carried out. In a batch SSEF using 200 g/L IRA-400 resin, acetic acid concentration reached to 23.9 g/L and acetic acid yield and productivity were observed to be 48% and 0.20 g/L-hr, respectively.

땅콩(Arachis hypogaea)껍질의 MeOH 추출물은 항균 및 항산화 활성을 보여 땅콩껍질에 함유된 활성물질의 탐색을 시도하였다. MeOH 추출물을 solvent fractionation, silica gel adsorption column chromatography, Sephadex LH-20 column chromatography, ODS column chromatography 등으로 정제하고 HPLC에 의해 활성물질을 분리하였다. 분리된 두 활성물질은 LC-MS, GC-MS분석에 의해 4-hydroxybenzoic acid와 3-methoxy-4-hydroxybenzoic acid로 동정되었으며 두 물질은 땅콩껍질에 각각 3.96 mg/kg, 9.73 mg/kg정도 함유되어 있었다.

The methanol extract of Arachis hypogaea shell showed antioxidative and antimicrobial activity. The methanol extract was successively purified by solvent fractionation, silica gel adsorption column chromatography, Sephadex LH-20 column chromatography and octadecylsilane column chromatography. The purified active substances were isolated by high performance liquid chromatography, and were identified as 3-methoxy-4-hydroxybenzoic acid and 4-hydroxybenzoic acid by LC-MS and GC-MS. The amount of 3-methoxy-4-hydroxybenzoic acid and 4-hydroxybenzoic acid were 3.8 mg and 9.8 mg per kg of shell, respectively.

본 연구는 실험실 규모의 biofilter를 이용하여 공기 중에 혼합되어 있는 대표적인 휘발성 유기화합물인 toluene기체를 제거하는 실험이다. 생물여과실험은 일반적인 조건하에서 오염된 공기를 바이오필터의 상단으로부터 하단으로 흐르게 하여 수행하였다. 반응기 컬럼의 내부는 peat와 calstone (부피비 5:3) 혼합물로 충진 되었으며, 충진재는 반응기에 채우기 전에 미생물 (Pseudomonas putida type A)과 잘 혼합하였다. 접종된 미생물은 충진 고체층에 고정화되어 생물막을 형성하게 된다. 바이오필터는 다양한 톨루엔 농도와 유속조건에서 약 90일 이상 운전 되었으며, 최대 제거량은 유입 toluene량 30 g/m3hr에서 20 g/m3hr 임을 알 수 있었다. 오염된 공기는 체류시간 1~2 min에서 제거율이 20~90%까지 변화하는 것을 보여 주었다. 한편 운전중에 발생하는 압력강하는 1.062 cmH2O/m 정도로서 반응기 전체를 통하여 무시할 수 있을 정도로 낮았다.

We studied the removal of toluene vapors in a lab-scale biofilter. Biofiltration was performed in a column fed in a downflow manner with contaminated air at ambient conditions. The column was packed with a mixture of peat and calstone(5:3 vol. Ratio), which was inoculated with microbes of selected stains(Pseudomonas putida type A). The microorganisms were immobilized on the filter media and biofilms were formed. The biofilter was operated at various inlet toluene concentrations for 90 days, and treated up to a maximum elimination capacity of 20 g/m3hr at an inlet load of 30 g/m3 hr, which corresponds to removal efficiencies in the range 20~90% and a gas retention time of 1 to 2 min. The pressure drop was almost negligible over the biofilter columns, amounting to only 1.062 cmH2O/m and appreciably smaller than other studies. The effects of operating conditions such as flow rate, inlet toluene concentration and moisture content on the performance of the biofilter were sequentially investigated.

Burkholderia cepacia G4에 의한 TCE의 공동대사적 생분해에 미치는 성장기질의 영향을 분석하였다. 회분식 실험에서 toluene의 농도를 0.5～2 ppm, phenol 농도를 0.1～0.5 ppm정도의 저농도로 공급해준 경우 TCE 분해속도가 1～2.5배 향상됨을 알 수 있었고, 3 ppm toluene 농도, 0.94 ppm phenol 농도 이상에서는 성장기질의 경쟁적 저해로 인하여 TCE 분해속도가 감소됨을 알 수 있었다. Monooxygenase 발현을 유도하는능력이 없으면서 NADH는 공급할 수 있는 n-octanol 및 gluconic acid를 공급해 준 경우에서도 TCE 분해속도가 증가된 결과로부터 적절한 양의 성장기질 공급을 통한 reducing power의 제공은 TCE 분해 효율 향상에 중요한 역할을 할 수 있음을 알 수 있었다. 연속적인 TCE 처리 시스템인 TBR에서도 phenol을 0.94～4.7 ppm 정도로 공급해준 경우, 58.1%정도의 보다 향상된 TCE 제거효율을 유지시킬 수 있었다. 따라서, TCE 처리를 위한 생물막 반응기의 효율 향상 및 안정적인 장기간 운전을 위해서는 최적 농도의 성장기질 공급이 필요함을 알 수 있었다.

The effects of growth substrates such as toluene and phenol on cometabolic biodegradation of trichloroethylene (TCE) by Burkholderia cepacia G4 were investigated. The dual effects of primary substrate on TCE biodegradation, stimulatory effects of toluene and phenol at low concentrations (0.5～2 ppm & 0.1～0.5 ppm, respectively) and a competitive inhibition at high concentration, were observed in batch experiments. These stimulatory effects of toluene and phenol were found to be due to the increments in the amount of reducing power like NADH which could be generated during the assimilation of toluene and phenol as the carbon and energy source. The efficiency of TCE biodegradation in trickling biofilm reactor (TBR) could be also enhanced up to the TCE removal efficiency of 58.1% by the supply of appropriate amounts of phenol (0.94～4.7 ppm).

유전자 재조합 대장균을 이용하여 pyruvate dehydrogenase complex-E2 특이성 인간 모노클론 항체의 Fab부분이 생산되었다. 재조합 대장균의 고밀도 배양과 이를 통한 재조합 인간 항체의 고생산성을 확보하기 위한 최적 전략을 개발하기 위해 포도당과 초산의 영향에 대해 조사하였다. 포도당의 농도가 높을수록 세포의 성장속도는 빨라지고 포도당의 소모속도도 빨라짐을 알 수 있었다. 이때 포도당의 소모속도가 빨라질수록 초산의 대사 부산물로서의 생성속도도 빨라졌다. 그러나 포도당이 고갈되면 일단 축적된 초산은 에너지원으로 소모되기 시작하고 이때의 소모속도는 배지내의 포도당의 농도에 의존함을 알 수 있었다. 즉 초기 포도당의 농도가 어느 정도 높아 잔존 포도당의 농도가 높은 경우, 초산의 생성 속도는 높고 에너지원으로 소모되는 속도는 느려져서 초산의 축적현상이 기하급수적으로 증가한다. 이렇게 높은 포도당 농도에 따라 축적된 초산은 항체 생산을 저해하였고, 저해를 위한 임계 초산 농도는 0.6 g/ℓ이었다. 발현에 의해 항체를 생산하는 시기에서는, 포도당 농도가 높을수록 세포성장이 증대되나 초산에 의한 저해 현상 및 catabolic repression의 영향으로 항체 생산이 감소하였다. 따라서 발현 후 항체의 생산을 증진시키기 위해서는 포도당과 초산의 농도를 가능한 한 낮게 유지하는 것이 중요하다. 그러므로 고밀도 배양과 재조합 인간 항체의 높은 생산성을 확보하기 위해서는 배양액내의 포도당과 초산의 농도를 정밀하게 조절하는 것이 절실히 요구된다.

The Fab fraction of PDC-E2 specific human monoclonal antibody was produced using recombinant E. coli, and the effects of glucose and acetate were investigated to develop an optimal strategy for recombinant human antibody production. Higher glucose concentration in the culture media resulted in higher cell growth and glucose consumption rate, which in turn resulted in an increased acetate production rate. When glucose was depleted, cells began to consume acetate as an energy source, and this consumption rate depended on the glucose concentration. When the residual glucose concentration was high, the accumulation of acetate was accelerated due to an increase in the acetate production rate and a decrease in the acetate consumption rate. Futhermore, it was found that a high accumulation of acetate, accompanied by a high glucose concentration, inhibited human antibody formation; the critical acetate concentration was 0.6 g/ℓ. During production, a high glucose concentration enhanced cell growth, but inhibited antibody formation due to catabolic repression. Therefore, it is important to keep the concentration of both glucose and acetate as low as possible to increase antibody production after induction. Accordingly, it is important to accurately control the concentration of glucose and acetate in the culture media to obtain high cell densities and high productivity levels of recombinant human antibody.

고농도 유전자 재조합 대장균을 이용하여 pyruvate dehydrogenase dehydrogenase complex-E2 특이성 인간 모노클론 항체의 Fab 부분을 효율적으로 생산하기 위해 회분식, 이단 연속식, 반 유가식, two-stage cyclic fed-batch 등 여러 가지 배양 방법이 조사되었다. 먼저 플라스미드 안정성 문제를 극복하기 위해 growth stage와 production stage를 분리하는 two-phase 회분식 배양과 이단 연속식 시스템을 시도하였다. 그 결과 two-phase 회분식 배양보다는 이단 연속식 배양에서의 세포농도와 항체 생산성이 우수하였다. 또한 이단 연속식 배양에서의 세포 성장과 항체 생산성은 용존산소를 제어한 경우가 그렇지 않은 경우보다 월등하게 높았다. 그리고 plasmid 안정성에 있어서 는 실험기간 내에 거의 100%를 유지하여 높은 안정도를 보여주었다. 유가식 공정에 적합한 공급 배지로 변형된 M9 배지가 최적배지로 선정되었고 이 배지 중 최적의 C/N 비율을 조사한 결과 2:3으로 결정되었다. 반 유가식 시스템에서 constant feeding 전략을 사용할 경우 최적 공급속도는 0.6 g/ℓ/hr이었다. 또한 pulse에 의해 공급배지를 공급할 경우에는 총 공급량이 같을 경우 소량으로 자주 공급해 주는 것이 공급배지를 한꺼번에 많은 양을 공급해주는 것 보다 바람직하였다. 여러 가지 feeding 전략을 조사해 본 결과 linear feeding 방법이 가장 효과적이었다. 하지만 linear feeding 방법마저도 고농도 세포배양에 한계가 있었기 때문에 pH-stat 방법을 이용한 two-stage cyclic fed-batch 시스템을 시도하여 54 g/ℓ의 세포 를 얻을 수 있었다. 따라서 이 방법이 일단 생산성 향상을 위한 세포의 고농도 배양에는 조사한 여러 배양 시스템 중에 가장 효율적인 시스템임을 알 수 있었다. 하지만 이 시스템에서 포도당을 낮은 level로 유지할 수 있었으나, 초산의 과도한 축적으로 항체 생산성의 향상은 예상에 비해 크지 않았다.

Several culture systems including batch, two-stage CSTR, semi-fed batch, and two-stage cyclic fed-batch were investigated for the efficient production of the Fab fraction of PDC-E2 specific human monoclonal antibody using high cell density recombinant E. coli. A two-phase batch system and a two-stage continuous system were examined to overcome plasmid instability problems, by separating the growth and the production stages. The cell density and productivity of the two-stage continuous culture was better than that of the two-phase batch fermentation. In the two-stage continuous culture system with DO-stat, the cell growth and the productivity were superior to those of the system without the DO control. Also, almost total plasmid stability was maintained in the two-stage continuous culture system. Modified M9 medium was selected as an optimum feeding medium for the fed-batch process, and the optimum C/N ratio determined to be 2:3. The optimum feeding rate was 0.6 g/ℓ/hr for a constant feeding strategy in semi-fed batch system. When the feeding medium was fed by pulsing, it was observed that more frequent pulsing resulted in improved cell growth. The linear feeding method was the most efficient of the various feeding methods tested. Finally, high cell density culture using a two-stage cyclic fed batch system with pH-stat was tried because the linear feeding method showed limitations in terms of obtaining high cell densities, and a cell density of 54 g/ℓ was achieved. It was concluded that the two-stage cyclic fed batch system was the most efficient system for high cell density culture of the systems tested. However, productivity improvements were lower than expected due to the extremely high accumulations of acetate, although the low levels of residual glucose were maintained.

Avidin의 금속표면에 대한 강한 결합력과 avidin-biotin의 강한 결합력을 이용하여 금속 표면 위에 리포좀과 같은 유기분자막의 다층 형성 과정을 수정진동자를 이용하여 분석하였다. 금속 표면위에 적층되는 유기 분자막에 대한 정보를 수집하고 그 가능성을 검토하여 바이오 센서에서 감도를 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시하고자 하였다.

Liposomes and proteoliposomes, artificial membranes, can interact with many solutes, such as drugs, peptides and proteins. The immobilization of (proteo)liposomes as supramolecular aggregates on gold surfaces have potential applications in nano and biosensor technology. We demonstrated a quartz crystal analyzer (QCA) based method to monitor the construction of multi-layers of unilamellar liposomes based on avidin-biotin binding on gold surfaces using a quartz crystal microbalance (QCM). Thus, the QCA provides an on line and efficient method of detecting the construction of protein membranes, which has applications in biosensing systems.

소규모의 생물여과기에 compost와 peat를 생물학적 충진물로 사용하여 기체상태로 만들어진 휘발성 유기화합물의 제거를 평가하였다. 휘발성 유기화합물의 유입농도 변화, 온도변화, 여상매체 등을 생물여과의 운영 매개변수로 고려하였다. 26일 정도의 적응기가 소요되었고, 25℃와 45℃에서 휘발성 유기화합물 총유입농도를 30에서 72 mg/m3으로 증가시켜도 90%이상 제거되었다. 40여일 생물여과기를 운영 후, isoprene은 96～99%, toluene은 91～93%, m-xylene은 91～93% 분해되었다. 온도의 변화 (25℃와 45℃)는 휘발성 유기화합물의 제거에 영향을 미치지 못했다. 생물여과기 매체의 pH는 6.5에서 7 정도로 안정하게 유지되었다. 생물여과기 운영 36일 후, 총세균의 개체수가 1.12×108 cells/g로 증가하여 휘발성 유기화합물의 분해에 따라 총세균의 개체수가 증가하는 것으로 나타났다.

A bench-scale air biofilter was evaluated for the removal of volatile organic compounds (VOCs) from a gas stream. Compost and peat were used as the biological attachment media. Biofilter operating parameters such as incoming VOCs concentrations, temperature, and packing materials were examined. After 26 days of acclimation periods, at 25oC and 45oC, the biofilter removed more than 90% of 30 to 72 mg/m3 of total VOC. After 40 days of operation, the concentrations of isoprene, toluene, and m-xylene were reduced to 96～99, 91～93, and 91～93% of the original concentrations. VOC removal efficiency was not affected by the temperature. The medium pH was maintained near neutral (pH 6.5～7.1). After 37 days of operation, the total bacteria count in the biofilter media increased to 1.12×108 cells/g of medium.

고지혈증 치료제인 lovastatin을 Aspergillus terreus로부터 생산하기 위해 발효조 배양실험에서 교반속도와 pH에 대한 영향을 조사하였다. 최적 교반속도는 400 rpm이었고 pH는 5.8로 유지하였을 때 lovastatin 생산이 최대였으며, 교반속도보다 pH가 lovastatin 생산에 더 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. L-tryptophan과 L-histidine의 첨가시기에 따른 lovastatin 생산량을 실험한 결과, 둘다 발효초기부터 첨가하여 배양하는 것이 효과적이었다. L-tryptophan을 발효초기에 첨가한 최적배지와 최적 환경조건인 교반속도 400 rpm, pH 5.8에서 회분식 배양을 수행한 결과 기본배지를 이용하여 실험한 배양 결과보다 약 10배 정도 많은 836 mg/L이었고, 생산성은 3.5 mg/L․hr였다.

The biosynthesis of lovastatin, a cholesterol lowering agent formed by the filamentous fungus Aspergillus terreus, was examined in a 2.5 L jar fermenter. In batch bioreactor cultures conducted at various agitation rates, 400 rpm showed the best result in terms of lovastatin production. Notably, the effect of pH on lovastatin biosynthesis was found to be significant: when the pH was controlled at around 5.8 during the whole fermentation period, lovastatin concentration reached 598 mg/L, which is much higher than the amounts obtained by pH-uncontrolled and pH 7.4-controlled fermentations. In addition, both L-histidine and L-tryptophan were observed to be favorable amino acids for the enhancement of lovastatin production when 6 g/L of the respective amino acids were supplemented at the beginning of the fermentation period. By further optimization of the production media and the physical environment, lovastatin production was increased to 836 mg/L (3.5 mg/L/hr) which is approximately 10 times higher than the productivity of the basic control culture.

유동상 생물막 반응기에 polysulfone 재질의 hollow fiber 이중층 생물막 담체를 이용하여 유기탄소와 같이 유입되는 폐수중의 암모니아성 질소의 질산화와 탈질을 동시에 진행하는 반응을 연구하였다. Hollow fiber 담체의 외부와 내부는 각각 호기성 및 무산소 조건을 유지할 수 있어 질산화와 탈질에 적합한 조건을 갖추고 있다. 본 담체를 이용하였을 때 암모니아성 질소 부하에 따라 질산화율은 안정적으로 거의 80% 이상을 유지하였다. 탈질율은 유기물 부하나 C/N 비에 따라 달라짐을 확인할 수 있었다. 동시 질산화 탈질 실험에서 free ammonia 농도가 높거나 용존산소 농도가 적은 경우는 아질산이 축적되면서 바로 탈질되어 유기탄소의 탈질 이용효율이 높았다. 이러한 담체 특성을 이용한 동시 질산화탈질은 반응기 규모의 축소 외에도 유기탄소의 탈질 이용효율이 높아지는 장점이 있다.

Simultaneous nitrification and denitrification of ammonia and organic compounds-containing wastewater were performed in a fluidized bed biofilm reactor with polysulfone(PS) hollow fiber as a double layer biomass carrier. The PS hollow fiber fragment has both aerobic and anoxic environments for the nitrifiaction and denitrification at the shell and lumen-side respectively. The reactor system showed about 80% nitrification efficiency stably throughout the ammonia load conditions applied in the experiment. Denitrification efficiency depended on organic load and C/N ratio. High free ammonia concentration and low dissolved oxygen resulted in nitrite accumulation which leads to enhance organic carbon efficiency in denitrification when compared to nitrate denitrification. The simultaneous nitrification and denitrification reactor system has an economic advantages in reduced chemical cost of organic carbon for denitrification as well as compact reactor configuration.

순수 증류수 속에서 순수한 금속은에 일정한 전류를 통하게 하여 Ag+ 용액을 만들 수 있었다. 이 이온 용액은 10ppm Ag+ 농도에서부터 Gram 양성, 음성세균에서는 상당한 항균활성을 보였으며, 같은 농도에서 효모 Candida albicans ATCC 102321에 대해서도 90% 이상의 높은 항균 활성을 나타내었다. 제조된 Ag+ 용액은 4℃～37℃의 온도에서 4주간 보관하여도 항균활성과 Ag+의 농도에는 전혀 변화가 없었다. 그리고 같은 조건에서 pH 변화도 없었으며, pH 5.5～pH 6.5를 유지함으로써 이 Ag+ 용액은 안정성이 높은 것으로 사료된다.

An Ag+ solution was made by supplying pure metal silver in filtrated distilled at constant voltage. The solution at an Ag+ concentration of 10 ppm showed specific activity against Gram positive and negative bacteria, and more than 90% activity against Candida albicans ATCC 102321 at the same concentration. The ionic solution produced was stable with regard to antibacterial activity and an Ag+ Concentration in the temperature range of 4℃～37℃ for more than 4 weeks. In addition, the no pH change was observed under there conditions and the solution was confirmed stable by adjusting pH from 5.5 to 6.5.

Taxus chinensis 세포배양 중의 FCW/DCW ratio, 세포내, 외 단백질 생산 및 peroxidase 활성의 변화를 배양시기별로 조사하였다. 조사 결과, 배지내 잔류당이 고갈되기 직전인 배양 14일째에 FCW/DCW ratio 는 12로 가장 낮은 수치를 나타내었고 DCW를 기준으로 한 세포 외에서의 protein 생산도 14일째 가장 낮은 수치인 4.3 mg/g DCW 였다. 배양시기별 POD 활성도는 단백질 생산 pattern과 유사하였다. 이 결과들은 flask에서 활발하게 증식 중인 세포들을 이용하여 측정한 것으로 대량배양 시, 공정제어를 위한 자료 및 세포가 받는 stress 정도를 나타내는 지표로 활용할 수 있다.

Time course monitoring of FCW/DCW ratio, production of intra and extracellular protein, and peroxidase activity were performed during suspension culture of Taxus chinensis cells. The observed FCW/DCW ratio was 12 at day 14, which was the lowest value during cultivation, and the specific protein production, based on dry cell weight, was also the lowest at day 14, which showed 4.3 mg/g DCW. The pattern of POD activity was similar to that of protein production. The results in this report were obtained using actively growing cells in flasks, therefore it is possible to use those results to control the process and indicate the stresses imposed on cells during large-scale cultivation.

투과 증발에 의한 부탄올 추출발효시스템에서 실험결과와 수학적 모델링의 결과를 비교하였다. 모듈내의 용매와 유기산의 혼합액을 투과증발 실험한 결과 튜빙내의 공기 흐름속도값은 1.5 L/min-tubing이 적정하였다. 부탄올 발효특성을 예측하는 모델은 미생물 생장, 용매(부탄올, 아세톤 및 에탄올)의 생성 및 유기산(acetate와 butyrate)의 생산을 포함하였으며 투과증발을 하지않은 회분식 실험과 투과증발을 한 회분식 실험에 대하여 세포생장, 포도당 소모 및 용매와 유기산의 농도에 대한 실험치를 잘 예측하였다. 막표면적의 증가와 막두께의 감소는 포도당의 소모를 증가시켰고 잔류부탄올의 농도를 감소시켰으며 최적 막 표면적과 최적 두께는 각각 0.34 m2와 120 μm이었다.

Results from experiments and mathematical modeling were compared for pervaporative butanol fermentation. The developed model includes expressions to predict characteristics of butanol fermentation, such as, microbial growth, solvent (butanol, acetone, and ethanol) formation and organic acid (acetate and butyrate) production. Butanol diffusivity was 1.15×10-7 m2/hr at 1.5 L/min-tubing of air flow rate using a pervaporative module. The model correlated well with experimental results (cell growth, glucose consumption and concentrations of solvents and organic acids) for batch fermentation with and without pervaporation. Larger surface area and thinner module tubing resulted in an increased glucose consumption and a decreased residual butanol concentration. Optimum membrane area and thickness were 0.34 m2 and 120 μm, respectively.

일반적으로 paclitaxel과 유사한 구조를 가진 복잡한 유도체의 분리나 최종 제품에서의 엄격한 규정 등으로 인하여 한 단계의 HPLC system으로 정제하는 것은 상당히 어렵다. 이러한 이유로 두 단계 HPLC system으로 식물세포 배양액으로부터 paclitaxel의 대량 정제를 수행하였다. 즉, 첫번째 단계에서 reverse-phase HPLC column, 두번째 단계에서 normalphase HPLC column을 사용하여 최종 제품을 얻었다. 또한 최종 정제된 paclitaxel 내에 포함되어 있는 불순물 profile 확인, 함량 분석, 그리고 이들 물질들에 대한 분리, 정제 및 동정을 실시하였다. 이들 불순물들 중에서 0.1% 이상되는 것은 모두 6종 (side chain derivative, baccatin III, 10-deacetyltaxol, cephalomannine, taxane derivative, 7-epitaxol)이며 NMR과 MS를 사용하여 화학구조를 분석한 결과 이미 알려진 paclitaxel유도체 또는 전구체와 동일한 물질로 밝혀 졌다. 본 연구 결과는 결국 paclitaxel 생산을 위한 품질관리 (quality control) 와 허가를 위한 자료로 유용하게 사용되어 진다.

In developing a HPLC purification process, it was hoped that a single chromatographic system would be sufficient to obtain pure paclitaxel in high yield. However, no such system was found, due in part to the complex taxoid profile of crude paclitaxel and to the rigorous nature of the product specification. A two step HPLC purification was adopted using reverse-phase separation on C18 as a first step, and normal-phase separation on silica as the final polishing step. Impurity profiles were established and maintained for paclitaxel, which identified and quantified each impurity observed in purified paclitaxel from these two steps, all impurities at or above 0.1% were identified. Results provide information for improving the quality control of paclitaxel production.