Cell Growth and Lipid Production from Fed-batch Cultivation of Chlorella minutissima according to Culture Conditions

The culture condition of growing Chlorella minutissima was optimized to produce biodiesel for fed-batch cultivation. First, under heterotrophic cultivation, the optimum level of glucose was determined to be 10 g/L for 20 days. After, three cultivation conditions were operated: autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic growth. The lipid level and the maximum cell concentration from the fed-batch heterotrophic process were 32.0 (%, v/v) and 15.0 (g-dry wt./L) in 20 L flask, respectively. In addition, since the relatively constant specific lipid production rate was observed as 0.040 (% lipid/g-dry wt./day) at the latter period of cultivation time, the fed-batch process could maintain continuous lipid production. Fed-batch process is higher than those values from the batch process. The lipids from the fed-batch process contained over 38% of $C_{18}$, known as the suitable composition for the biodiesel application. For mixotrophic and heterotrophic growth under fed-batch condition, glucose was proved to be an appropriate carbon source for a large scale outdoor cultivation. For fed-batch cultivation, the feeding rate of seawater medium containing glucose was decided to be 0.5 L/day. The mixotrophic cultivation maintained maximum cell concentration of 24 (g-dry wt./L) and the lipid level of 43 (%, w/w). The lipid composition from this process was also proved to be suitable for the biodiesel production. The fatty acids from the mixotrophic growth contains 18% of $C_{17}$ and 49% of $C_{18}$, implying It also tells that C. minutissima is a suitable resource of biodiesel. Especially, the mixotrophic cultivation with fed-batch process might be useful for the large scale cultivation for the biodiesel production.

유가식 배양에서 배양조건에 따른 Chlorella minutissima의 생육 및 지질생산

본 연구는 다양한 조건에서의 실험을 위한 C. minutissima의 500 mL flask의 종 배양을 통해 고농도의 균주 획득 후, 가장 효율적인 배양 방식을 보인 fed-batch를 통한 autotrophic, heterotrophic, mixotrophic 조건하에서 바이오디젤용 지질 생산의 최적 배양 조건을 찾아야했다. 먼저, fed-batch의 Heterotrophic 배양 시 유기 탄소 원으로 glucose의 가장 효율적인 안정한 초기농도가 10 g/L임을 확인했다. 이 후, 20 L 배양기를 이용한 batch, fed-batch의 heterotrophic 배양에서 fed-batch배양의 경우 지질 생성양이 1.62배 정도 더 높았으며, 최대 균체량 역시 4 (g-dry wt./L)정도 높으며, 또한 디젤용 지질로 적합한 $C_{18}$의 조성 역시 49%이상 차지하여, 옥외 대량 배양 시 유기탄소 원으로 적절한 glucose의 이용을 통한 효율적인 배양방법임을 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로, glucose를 포함한 배지를 0.5 L/day로 공급하여 유가 식 배양을 각 배양 조건에 따라 비교 실시했다. 그 결과 mixotrophic의 경우 다른 배양 조건에 비해 각각 24 (g-dry wt./L)의 최대 군체 농도와 함께 43 (%, w/w)의 높은 지질 생성량을 보였다. 또한 생성되는 지질의 조성이 균체 당 바이오 디젤용 양질의 지질 생성이 가능하였다. 또한 fed-batch 배양 이후 0.047 (% lipid/g-dry wt./day)의 비 생산 속도를 유지하며, 일정 균체 농도를 유지하는 경우 지속적인 지질 생성이 가능함을 보여주었다. 이러한 세 가지 배양 조건하에서 지질 추출을 통한 지방산 조성을 살펴본 결과 mixotrophic 배양 하에 디젤용으로 잘 알려진 $C_{17}$, $C_{18}$의 지방산 조성은 각각 18%와 49%의 생성을 보여주었다. 이 결과들을 바탕으로 이 균주를 이용해 옥외 배양이나 배양 조에서 대량 배양이 가능함을 확인했으며, 특히, 옥외배양을 위한 혼합영양 배양조건하에 배양 공정의 scale-up에 대한 추가적인 연구를 통해 C. minutissima 미세조류로부터 바이오 디젤의 보다 경제적 생산이 가능하도록 하고자 한다.