KR101009000B1

KR101009000B1 - Astaxanthin production method

Info

Publication number: KR101009000B1
Application number: KR1020030044391A
Authority: KR
Inventors: 박종문; 윤영상; 최윤이
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교; 주식회사 포스코
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2011-01-17
Also published as: KR20050005341A

Abstract

본 발명은 아스타잔틴의 생산 방법에 관한 것으로서, 이 생산 방법은 Haematococcus pluvialis를 0.05 μE m^-2 s^-1/분 내지 0.08 μE m^-2 s^-1/분의 증가율로 광 조사량을 증가시키는 조건 하에서 배양하고; 상기 배양 생성물을 최소 500μE m^-2 s^-1 이상의 광 조사량에서 수집하는 공정을 포함한다.The present invention relates to a method for producing astaxanthin, wherein the production method is a condition for increasing the dose of light Haematococcus pluvialis at an increase rate of 0.05 μE m ^-2 s ^-1 / min to 0.08 μE m ^-2 s ^-1 / min Incubated under; Collecting the culture product at a light dosage of at least 500 μE m ⁻² s ⁻¹ or greater.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 H. pluvialis의 성장시 광 조사량을 점진적으로 증가시켜 효과적인 H. pluvialis의 성장뿐만 아니라 아스타잔틴의 생산량도 효과적으로 증가시킬 수 있다.As described above, the present invention can effectively increase the production of astaxanthin, as well as the growth of H. pluvialis effectively by increasing the light irradiation amount during the growth of H. pluvialis gradually.

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Description

Production method of astaxanthin {METHOD OF PRODUCING ASTAXANTHIN}

도 1은 본 발명에서 사용한 광생물 반응기의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a photobioreactor used in the present invention.

도 2는 도 1에 나타낸 광생물 반응기의 평면도.도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 방법에 따른 H. pluvialis의 성장량을 나타낸 그래프.Figure 2 is a plan view of the photobioreactor shown in Figure 1. Figure 3 is a graph showing the growth amount of H. pluvialis according to the method of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 방법에 따른 아스타잔틴의 생산량을 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the production amount of astaxanthin according to the method of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 아스타잔틴의 생산 방법에 관한 것으로서, 미세 조류인 Haematococcus pluvialis를 이용한 아스타잔틴의 생산 방법에 관한 것이다.[종래 기술]The present invention relates to a method for producing astaxanthin and to a method for producing astaxanthin using Haematococcus pluvialis, which is a microalgae.

아스타잔틴(astaxanthin)이란 자연계에 존재하는 지용성 색소인 카로테노이드(Carotenoids)의 일종으로 연어나 송어 등의 육질의 홍색 빛깔, 갑각류 등의 적색 빛깔의 원인이 되는 물질이다. 이러한 어류나 갑각류 등은 아스타잔틴을 자가 합성하지 못하기 때문에 먹이 사슬을 통해 섭취해야하므로 인공 양식장에서는 사료로 첨가해주어야 한다. Astaxanthin is a kind of carotenoids, a fat-soluble pigment that exists in nature, and is a substance that causes fleshy red color such as salmon or trout, and red color such as crustacean. Since these fish and crustaceans cannot self-synthesize astaxanthin, they must be consumed through the food chain.

또한 최근에는 아스타잔틴을 양어장 등의 사료 외에 건강식품, 항암제등으로 개발하려는 시도가 미국의 Aquasearch나 Cyanotech 등의 회사 등에 의해서 시도되고 있으므로 아스타잔틴의 경제성이 날로 증가할 것으로 예상된다.In addition, recently, astaxanthin is being attempted to develop astaxanthin as a health food and an anticancer agent in addition to feed for fish farms, etc. As a result, astaxanthin is expected to increase economically.

이러한 아스타잔틴을 자가합성하여 생산할 수 있는 자연계의 생물체로는 이스트의 일종인 Phaffia rhodozyma, 식물체인 Adonis annua의 꽃, 그리고 미세조류인 Haematococcus pluvialis 등이 있다. 상기 생물체 중에서 식물체인 Adonis annua의 꽃을 이용한 방법은 축적량이 미량이여서 시도된 바가 적다. 따라서 Phaffia rhodozyma나 Haematococcus pluvialis를 이용한 방법이 주로 시도되고 있으며, 특히 이 중에서도 Phaffia rhodozyma의 경우 에는 축적량이 건조 중량 당 0.5 중량% 정도인데 반하여 Haematococcus pluvialis의 경우 축적량이 4%로 기존까지 보고된 생물체중 축적량이 가장 높은 장점이 있다. 그러나 Haematococcus pluvialis는 성장이 낮은 단점이 있어 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다.이러한 미세 조류인 H. pluvialis는 전세계적으로 고르게 분포되어 있는 조류로서, 비우호적인 환경에 처해지면 빠르게 휴면 단계로 들어감에 따라 다른 조류에 비하여 극한 상황에서 생존이 가능하다. 상기 미세 조류인 H. pluvialis는 생활사 교대를 통하여 아스타잔틴을 축적하는데, 우호적인 환경에서는 축적량이 거의 없이 녹색인 세포를 유지하면서 성장을 계속하다가 비우호적인 환경에서 일종의 방어 기작으로 성장을 멈추고 적색의 카로티노이드 계통의 색소인 아스타잔틴을 축적한다. 따라서 H. pluvialis를 이용한 아스타잔틴의 생산 방법은 상기 두 단계의 생활사를 고려한 이단계 반응기 공정이 적절한 것으로 알려졌다. 그러나 아직까지는 미세 조류 H. pluvialis를 만족할 만한 정도의 고농도로 배양하여 아스타잔틴을 생산하는 정도에는 미치지 못하고 있는 실정이다.Natural organisms that can produce and synthesize astaxanthin include Phaffia rhodozyma , a kind of yeast , flowers of Adonis annua , and Haematococcus pluvialis , a microalgae. Among the organisms, the method using a flower of the plant Adonis annua has a small amount of accumulation and has not been attempted. Therefore, the method using Phaffia rhodozyma or Haematococcus pluvialis is mainly tried. Especially, Phaffia rhodozyma accumulates about 0.5 wt% per dry weight, whereas Haematococcus pluvialis accumulates 4% of the accumulated biomass. This has the highest advantage. However, Haematococcus pluvialis has a low growth disadvantage, and studies to overcome it are being conducted. H. pluvialis , a microalgae, is distributed evenly around the world and rapidly enters the dormant phase when it is in an unfriendly environment. As a result, they can survive in extreme conditions compared to other birds. The microalgae, H. pluvialis , accumulate astaxanthin through life-cycle alternation, and continue to grow while maintaining green cells with little accumulation in a friendly environment, but then stop growth as a kind of defense mechanism in an unfriendly environment. Accumulates astaxanthin, a carotenoid pigment. Therefore, the method of producing astaxanthin using H. pluvialis is known to be suitable for the two-stage reactor process considering the two stages of life history. However, it is still not enough to produce astaxanthin by cultivating microalgae H. pluvialis at a high enough level to satisfy.

또한 오늘날 대부분의 미세 조류 배양 시스템은 가격 등의 경제적인 측면을 고려하여 개방형-호수 시스템(open-pond system)을 이용하고 있다. 하지만 고가의 산물 등을 생산할 수 있는 미세조류의 상업적 가능성을 생각하여 보면 폐쇄형(Closed systems)인 광생물 반응기(photobioreactor)가 점점 더 사람들의 관심을 끌고 있고 또한 종래 사계절이 있는 나라에서는 외부 기온에 따라서 내부 온도를 유지할 수 없어서 광합성 조류의 배양이 불가능하다. 그럼에도 불구하고 폐쇄형 시스템(Closed systems)에서 미세조류인 H. pluvialis를 이용하려는 시도는 거의 없었다.In addition, most microalgal culture systems today use an open-pond system in consideration of economic aspects such as price. However, considering the commercial possibilities of microalgae that can produce expensive products, closed systems, photobioreactors, are increasingly attracting people's attention. Therefore, the internal temperature can not be maintained, cultivation of photosynthetic algae is impossible. Nevertheless, few attempts have been made to use microalgae H. pluvialis in closed systems.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 미세 조류 H. pluvialis를 대량 생산하여 아스타잔틴을 대량 생산할 수 있는 아스타잔틴의 생산 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a method for producing astaxanthin which can mass produce astaxanthin by mass production of microalgae H. pluvialis .

본 발명의 다른 목적은 광생물 반응기를 이용한 아스타잔틴의 생산 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing astaxanthin using a photobioreactor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Haematococcus pluvialis를 0.05 μE m^-2 s^-1/분 내지 0.08 μE m^-2 s^-1/분의 증가율로 광 조사량을 증가시키는 조건 하에서 배양하고; 상기 배양 생성물을 최소 500μE m^-2 s^-1 이상의 광 조사량에서 수집하는 공정을 포함하는 아스타잔틴의 생산 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to cultivate Haematococcus pluvialis under the conditions of increasing the light irradiation at an increase rate of 0.05 μE m ^-2 s ^-1 / min to 0.08 μE m ^-2 s ^-1 / min; Provided is a method for producing astaxanthin comprising collecting the culture product at a light dosage of at least 500 μE m ⁻² s ⁻¹ or greater.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 미세 조류 H. pluvialis를 사용하여 고가의 색소체인 아스타잔틴을 대량 생산할 수 있는 아스타잔틴의 생산 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용한 미세 조류인 H. pluvialis는 자연계에 존재하는 생물체중 아스타잔틴의 축적량이 가장 높으나 그 성장이 낮은 단점이 있었다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 성장 과정에서 광 조사량을 조절하여 H. pluvialis의 생산량을 증가시켜 결과적으로 아스타잔틴을 대량 생산할 수 있었다.본 발명의 아스타잔틴의 생산 방법은 먼저 Haematococcus pluvialis를 0.05 μE m^-2 s^-1/분 내지 0.08 μE m^-2 s^-1/분의 증가율로 광 조사량을 증가시키면서 배양한다. 이 단계에서 광 조사량을 제외하고는 배양 조건 및 배양 배지는 당해 분야에 널리 알려져 있는 조건 및 배지를 그대로 이용하면 되며 본 발명의 특징이 아니므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 물론 이러한 내용은 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있는 내용이다.The present invention relates to a method for producing astaxanthin capable of mass-producing astaxanthin, an expensive pigment, using microalgae H. pluvialis . The microalgae H. pluvialis used in the present invention had the highest accumulation of astaxanthin among living organisms present in nature, but had a low growth rate. In the present invention, by increasing the production of H. pluvialis it could consequently produce large quantities of astaxanthin by controlling the light irradiation amount in the growth process in order to solve such a problem. The method for producing astaxanthin of the present invention is first Haematococcus pluvialis Incubate with increasing light dose at an increase rate of 0.05 μE m ⁻² s ⁻¹ / min to 0.08 μE m ⁻² s ⁻¹ / min. Except for the amount of light irradiation in this step, the culture conditions and the culture medium may be used as conditions and medium that are well known in the art as it is not a feature of the present invention will not be described in detail herein. Of course, such information is widely understood by those in the field.

상기 광 조사량을 증가시키는 비율이 0.005 μE m^-2 s^-1/분보다 낮을 경우에는 아스타잔틴 생성 문제점이 있고, 0.08 μE m^-2 s^-1/분의 증가율보다 클 경우에는 성장 저해 문제점이 있다. When the increase rate of light irradiation is lower than 0.005 μE m ^-2 s ^-1 / min, there is a problem of astaxanthin production, and when the rate of increase is greater than 0.08 μE m ^-2 s ^-1 / min, growth inhibition problem occurs. have.

상기 배양 공정은 폐쇄형인 광생물 반응기에서 실시하는 것이 보다 경제적이고 광 조사량을 효과적으로 간편하게 점진적으로 증가시킬 수 있어 좋다. 상기 광생물 반응기의 대표적인 예의 단면도를 도 1에, 평면도를 도 2에 각각 나타내었다. 도 1에 나타낸 광생물 반응기는 내부 광원을 갖춘 반응기로서 미세 조류 배양 반응기의 효과적인 빛 에너지 공급인자로 중요한 S/V 값(빛을 받을 수 있는 표면/반응기 부피)를 효과적으로 늘릴 수 있고, 조류 성장의 제한 인자인 빛을 효과적으로 분산시킬 수 있다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 광생물 반응기는 광생물 반응기 내부에 빛 에너지를 공급하는 내부 광원(1), 상기 광생물 반응기의 온도를 일정 범위 내로 유지시키기 위한 항온 유지 수단(3), 상기 내부 광원이 연결된 부착시키는 내부 도관(draft tube, 5) 및 상기 광생물 반응기로 이산화탄소 함유 기체를 유입시킬 수 있는 기체 유입구(sparger, 7)을 포함한다. 상기 내부 광원(1)이 광생물 반응기에 위치한 모습을 좀더 자세히 나타내기 위하여 광생물 반응기의 평면도를 도 2에 나타내었다. 상기 내부 광원(1)은 유리관에 형광등을 삽입하여 내부 도관(5) 내부에 하나 이상 정열시킬 수 있다. 본 발명에서는 미세 조류인 H. pluvialis의 성장량을 최대로 하기 위하여 최대 7개까지 정렬하였다. 상기 내부 광원(1)은 스터드(stud, 9)를 통해 상기 내부 도관(5)에 고정되어 있으며, 이를 통해 연결 및 분리가 용이하게 되어 있다. 상기 내부 도관(5)은 반응기 하단의 기체 주입구(7) 로 기체가 유입되어 조류-현탁액의 상부로 올라가는 중앙의 상승 영역(도 1에서 ↑ 영역)과 바깥의 하강 영역(도 1에서 ↓ 영역)으로 분리되게 구성되어 있다.The culturing process is more economical to perform in a closed photobioreactor and can easily and gradually increase the light irradiation amount effectively and simply. Sectional drawing of the typical example of the said photobioreactor is shown in FIG. 1, and the top view is shown in FIG. The photobioreactor shown in FIG. 1 is a reactor with an internal light source and can effectively increase the important S / V value (surface / reactor volume that can receive light) as an effective light energy supply factor of the microalgae culture reactor, The limiting factor can effectively disperse light. As shown in FIG. 1, the photobioreactor includes an internal light source 1 for supplying light energy into the photobioreactor, a constant temperature maintaining means 3 for maintaining a temperature of the photobioreactor within a predetermined range, and the internal light source. The connected attaching draft tube 5 and a gas spar 7 capable of introducing carbon dioxide containing gas into the photobioreactor. A plan view of the photobioreactor is shown in FIG. 2 to show the internal light source 1 located in the photobioreactor in more detail. The internal light source 1 may be aligned with one or more inside the inner conduit 5 by inserting a fluorescent light into the glass tube. In the present invention, in order to maximize the growth of the microalgae H. pluvialis was arranged up to seven. The internal light source 1 is fixed to the internal conduit 5 via a stud 9, thereby facilitating connection and disconnection. The inner conduit 5 has a central ascending region (↑ region in FIG. 1) and an outer falling region (↓ region in FIG. 1) where gas enters the gas inlet 7 at the bottom of the reactor and rises to the top of the algae-suspension. It is configured to be separated.

상기 항온 유지 수단으로는 냉각 코일이나 또는 워터 자켓(water jaket)으로 구성된 것을 사용할 수 있으며, 상기 항온 유지 수단은 광합성에 사용되지 않은 빛 에너지는 열 에너지로 전환되어 반응기의 온도에 영향을 미치게 되므로 반응기 내부의 항온을 유지하는 역할을 한다.As the constant temperature maintaining means, a cooling coil or a water jacket may be used, and the constant temperature maintaining means is used because the light energy not used for photosynthesis is converted into thermal energy and affects the temperature of the reactor. It plays a role in maintaining a constant temperature inside.

일정 농도 배양 후, 예를 들어 약 1g/L의 배양 농도 배양 후에는 최대한 가능한 다량의 빛, 즉 최소 500μE m^-2 s^-1 이상을 조사하여, H. pluvialis 를 비우호적인 환경 조건에 놓여지게 한다. 상기 빛 조사량은 500μE m^-2 s^-1 이상이기만 하면 되며 이보다 크면 모두 가능하므로 최대값을 한정할 필요는 없다. 이와 같이 비우호적인 환경에 놓여지면, 아스타잔틴을 축적, 즉 아스타잔틴을 생산하게 되므로 배양 생성물을 수집하여 아스타잔틴을 얻을 수 있다.이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.After constant concentration incubation, for example about 1 g / L, the maximum amount of light possible, i.e. at least 500 μE m ^-2 s ^-1 or more, is irradiated to place H. pluvialis under unfavorable environmental conditions. . The light irradiation amount only needs to be 500 μE m ⁻² s ⁻¹ or more, and all of the light doses may be larger than this, and thus the maximum value is not necessary. In this unfavorable environment, astaxanthin accumulates, that is, astaxanthin is produced, and astaxanthin can be obtained by collecting culture products. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1) (Example 1)

도 1에 나타낸 반응기에 내부 광원인 형광등을 하나 삽입하고, 교반 배양기에서 배양한 배양액 200ml을 5L 배지에 전체 부피가 5.2L 되도록 접종하였다. 이어서, 22℃의 온도에서 5% (V/V)의 이산화탄소를 2L/분으로 유입하면서 배양하였다. 배양 시간의 경과에 따라 이후 순차적으로 배양 5일까지는 하나, 8일까지는 두 개, 13일까지는 네 개, 13일 이후부터는 7개로 광원 삽입의 개수를 늘려나갔다.One fluorescent lamp as an internal light source was inserted into the reactor shown in FIG. 1, and 200 ml of the culture solution incubated in a stirred incubator was inoculated in a 5 L medium so that the total volume was 5.2 L. Subsequently, 5% (V / V) of carbon dioxide was incubated at 2 L / min at a temperature of 22 ° C. As the incubation time progressed, the number of light source insertions was sequentially increased to one up to 5 days, two up to 8 days, four up to 13 days, and seven up to 13 days.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

내부 광원인 형광등을 하나만 사용하여 전체 배양 공정을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It carried out similarly to Example 1 except having performed the whole culture process using only one fluorescent lamp which is an internal light source.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

내부 광원인 형광등을 두개를 사용하여 전체 배양 공정을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the entire culture step was performed using two fluorescent lamps as internal light sources.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

내부 광원인 형광등을 일곱 개를 사용하여 전체 배양 공정을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.It carried out similarly to Example 1 except having carried out the whole culture process using seven fluorescent lamps which are internal light sources.

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 방법에 따른 H. pluvialis의 성장 및 아스타잔틴의 생산성을 측정한 결과를 도 3 및 4에 각각 나타내었다. 도 3 및 4에 나타낸 것과 같이, 광 조사량을 처음부터 끝까지 동일하게 하여 배양할 경우에는 광 조사량을 증가시키더라도 그 성장량 및 생산량이 큰 폭으로 증가하지 않았으며, 또한 과도하게 증가시킨 비교예 3의 경우에는 오히려 감소하는 경향이 보였다. 그에 반하여 광 조사량을 점진적으로 증가시킨 실시예 1의 경우에는 성장량 및 생산량이 모두 매우 크게 증가하였음을 알 수 있다.The results of measuring the growth of H. pluvialis and the productivity of astaxanthin according to the method of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. 3 and 4, in the case of culturing with the same amount of light irradiation from the beginning to the end, even if the light irradiation amount was increased, the growth amount and the production amount did not increase significantly, and the excessive increase of Comparative Example 3 In the case, it tended to decrease. In contrast, in the case of Example 1 in which the light irradiation amount was gradually increased, it can be seen that both the growth amount and the production amount increased greatly.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 H. pluvialis의 성장시 광 조사량을 점진적으로 증가시켜 효과적인 H. pluvialis의 성장뿐만 아니라 아스타잔틴의 생산 량도 효과적으로 증가시킬 수 있다.As described above, the present invention can gradually increase the amount of light irradiation during the growth of H. pluvialis to effectively increase the production of astaxanthin as well as the growth of H. pluvialis .

Claims

An internal light source for supplying light energy to the photobioreactor, a constant temperature maintaining means for maintaining the temperature of the internal light source photobioreactor within a predetermined range, an internal conduit to which the internal light source is connected, and a carbon dioxide-containing gas to flow into the photobioreactor; In the astaxanthin production method for producing astaxanthin by culturing Haematococcus pluvialis in a photobioreactor comprising a gas inlet,

The Haematococcus pluvialis is incubated under conditions that increase the light dosage at a rate of 0.05 μE m ⁻² s ⁻¹ / min to 0.08 μE m ⁻² s ⁻¹ / min per 5.2 liter of photobioreactor;

Collecting the culture product at a light dosage of at least 500 μE m ⁻² s ⁻¹

Astaxanthin production method comprising a process.

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