KR100866032B1 - 맥주발효 부산물을 이용한 바이오에탄올의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥주 발효 폐효모액으로부터 에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 5~12% 정도 에탄올이 함유되어 있는 맥주 발효 폐효모액으로부터 분별증류를 통해 에탄올만 추출한다. 바람직하게는 그 다음 에탄올을 추출한 맥주 발효 폐효모액을 배양액으로 하여 발효과정을 거쳐 셀룰로오스를 생성시킨 뒤, 이 생성물질을 가수분해와 발효과정을 거쳐 에탄올로 전환시킨다. 또한, 맥주발효 폐효모액에 바이오메스를 투입하여 에탄올을 제조하는 에탄올 제조방법을 제공한다.

맥주 발효, 폐효모액, 바이오에탄올

Description

맥주발효 부산물을 이용한 바이오에탄올의 제조방법{Production Method of Bio-ethanol from by-product of Beer Fermentation}

본 발명은 맥주발효 폐효모액, 맥아 껍질 등의 맥주발효 부산물으로부터 바이오에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 5~12% 정도 에탄올이 함유되어 있는 맥주 발효 폐효모액으로부터 분별증류를 통해 에탄올만 추출한다. 바람직하게는 그 다음 에탄올을 추출한 맥주 발효 폐효모액을 배양액으로 하여 발효과정을 거쳐 셀룰로오스를 생성시킨 뒤, 이 생성물질을 가수분해와 발효과정을 거쳐 에탄올로 전환시키는 방법에 관한 것이다.

고유가와 에너지안보, 온실가스 규제강화를 배경으로 대체에너지 개발이 전지구적 화두로 떠오른 가운데, 전세계적으로 차세대 연료로서 바이오에탄올(Bioethanol) 보급이 급속히 진행되고 있다. 부시 행정부는 2017년까지 석유소비를 20% 줄이는 대신 바이오에탄올 등 대체에너지 이용을 확대하겠다고 천명했으며, 일본·중국·아세안 국가도 바이오에탄올 생산확대 정책을 추진 중이다.

바이오에탄올은 사탕수수, 옥수수 등 식물에서 추출한 연료로, 휘발유와 혼합하거나 단독으로 자동차연료로 투입될 수 있어 바이오디젤과 더불어 대표적인 재 생자원 에너지로 각광받고 있다. 바이오에탄올은 수입원유에 대한 의존도를 낮춰주는 것은 물론, 에탄올 연소시 발생하는 이산화탄소는 교토의정서에서 규정한 온실가스 계산에서 예외 적용을 받아 온실가스 감축효과도 올릴 수 있다. 또한 보급에 별도의 인프라(충전소 등) 구축이 필요한 다른 청정연료와는 달리 기존 인프라(주유소)에서 보급이 가능해 조기 상용화가 용이하다. 이와 같이 바이오에탄올에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 바이오에탄올의 생산량도 조금씩 증가하는 추세이다.

그러나, 바이오에탄올이 대체에너지로 부상하면서 원료가 되는 옥수수, 사탕수수, 밀 등에 대한 수요가 급증해 곡물가격 급등의 한 요인이 되고 있다. 블룸버그가 브라질, 미국, 캐나다의 에탄올 생산업체들을 대상으로 실시한 조사에 따르면 가동중인 에탄올시설은 2006년 11월 현재 3개국 합계 448개이며, 생산량은 100억 3,450만 갤런이다. 이 중 브라질에는 전체 생산량의 39.4%에 해당하는 에탄올시설이 있으며 원료는 전량 사탕수수이다. 한편 동 58.8%를 차지하는 미국에서는 원료의 99.7%가 옥수수다. 캐나다도 생산량 점유율은 1.7%로 낮지만 원료는 모두 옥수수를 사용한다.

미국의 에탄올업계 단체인 재생가능연료협회(RFA)에 따르면 미국에서는 현재48개 에탄올시설이 건설 중이고 7개 시설은 확장공사를 진행하고 있다. 이에 따라 2007년에는 미국 내 에탄올 생산능력이 약 69억 갤런으로 늘어날 전망인데, 이를 옥수수로 환산하면 약 24억 8,000만 부셀(1부셀은 25.4kg)로 미국 전체 2006/07년도 예상 생산량의 약 23%에 해당된다. 미국에서는 향후에도 에탄올 제조의 원료로 서 경쟁력이 있는 농산물인 옥수수의 이용이 확대될 전망이어서 바이오연료의 생산확대는 옥수수 수요의 증대로 이어질 전망이다. 그리고 이와같은 옥수수 수요의 증대는 축산·양계 농가 및 곡물을 원재료로 사용하는 음·식료품업체 등의 원가상승 요인으로 작용해 결과적으로 식품, 축산품 전반의 소비자가격 상승을 초래할 수 있을 것으로 예상된다.

따라서 이와 같은 석유자원의 대체에너지 자원으로서의 바이오에탄올을 생산하면서도 곡물가격 급등이라는 부작용을 유발하지 않기 위해서는 바이오에탄올의 원료를 기존의 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 다른 자원으로 다양화 할 필요성이 절실히 요구된다.

한편, 기존에 맥주를 발효하고 난 후, 맥주발효 폐효모액은 일반적으로 폐기물로 분류하여 폐기처리하는 것이 일반적이었다. 이와 같이 폐기처리하는데에는 추가적인 비용과 환경오염의 문제를 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하면서 에탄올을 용이하게 생산하는 방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 맥주 제조 후 발생하는 맥주발효 폐효모액으로부터 바이오에탄올을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 즉, 맥주발효과정 중에는 맥주발효 효모폐액, 맥아 껍질 등의 여러가지 부산물이 발생하는데 기존에는 이와 같은 부산물은 폐기물로 처리하였기 때문에 부가적인 비용발생과 환경파괴의 우려가 있었다.

본 발명의 한 실시예에서 맥주발효 폐효모액 또는 상기 맥주발효 폐효모액을 증류하여 에탄올을 추출하여 에탄올을 제조한다. 더 나아가, 상기 에탄올을 추출한 후 남은 맥주발효 폐효모액은 미생물이 필요로 하는 영양성분을 여전히 가지고 있기 때문에 셀룰로오스 생성 균주를 접종하여 셀룰로오스를 생성시키고 생성된 셀룰로오스로부터 종래에 공지된 방법에 의하여 에탄올을 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 종래에 옥수수, 사탕수수 등의 바이오메스로부터 에탄올을 제조하는 과정에 있어서 상기 맥주발효 폐효모액을 발효균주로 이용할 수 있다. 종래에 바이오메스를 가수분해하여 단당류를 생성하고 이로부터 효모를 이용하여 에탄올을 제조할 경우, 제조 원가의 약 20% 정도가 효모의 비용인데 본 발명에서와 같이 맥주발효 폐효모액을 발효균주로 이용하면 이러한 비용도 줄이고 맥주발효 폐효모액을 폐기물로 처리하는 문제도 해결되는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 바이오메스로부터 에탄올을 제조하는 과정에서 상기 부산물인 맥아 껍질을 바이오매스로 이용할 수 있다. 맥주의 제조과정에서 맥아 껍질은 상당히 많이 발생하고 이를 폐기물의 형태로 처리하는 것보다는 에너지원으로 이용하는 장점이 있다. 맥아 껍질에는 셀룰로오스 등의 성분이 함유되어 있으므로 이를 분해하여 에탄올 제조의 원료로 사용할 수 있다.

종래의 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 맥주 제조 후 발생하는 맥주발효 폐효모액이나 맥아 껍질을 이용하여 바이오에탄올을 제조하는 방법이므로 식량자원 가격의 상승 및 경작지 투기와 산림훼손 등의 문제를 유발하지 않고, 종 래에 문제가 되었던 맥주 제조 과정에서 발생하는 여러가지 폐기물 처리 문제를 해결하는 장점이 있다.

아래에서는 본 발명의 실시태양에 대하여 구체적으로 설명하며 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 감마선 조사를 하여 멸균 시킨 맥주 발효 효모액으로부터 고농도 에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.

맥주 발효 효모는 사용횟수에 따라 효모의 상태와 발효액의 성분이 달라지기 때문에 filtering 공정을 통해 효모 및 원료의 잔류물을 제거하여 맥주를 대량생산하는 맥주 공장에서는 보통 4회 정도를 이용하고 폐기하고 있으며, 소규모로 매장 내에서 자체 맥주제조 설비를 갖추고 맥아, 호프, 효모 등의 원료와 고유의 제조방법으로 맥주를 직접 생산하여 판매하는 하우스맥주 전문점에서는 맥주의 발효 정도에 따라 효모를 교체하거나 더 첨가한다.

먼저 맥주 발효 폐효모액의 조성을 알아보기 위해 elemental analyzer(EA 1108CHNS-O, Fisons)로 C, H, N, S 그리고 O의 성분을 조사하여 보았다.

표 1에서 기재된 바와 같이 맥주 발효 폐효모액의 성분에는 C와 O가 약 80% 정도를 차지하고 있으나 맥주 발효 폐효모액에는 S가 미량 포함되어 있다. 건조중량을 비교해 보면 4회 이용한 후 맥주 발효 폐효모액과 7회 이용한 후 맥주 발효 폐효모액에는 성분상의 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 맥주 발효 효모의 사용횟수가 증가할수록 맥주 발효 폐효모액의 성분비와 건조중량이 변한다는 것이다. 또한, C, H, N, S, O 이외에 Na, K, Fe, Ca, Mg, P 등의 무기염류가 미량 함 유되어 있음을 ICP-Atomic Emission Spectrometer(JY 38 Plus, Jobin-Yvon)를 통해서 확인하였다.

그리고 본 발명에 중요한 맥주 발효 폐효모액에 함유되어 있는 에탄올과 아세트산의 농도를 구하여 표 2에 나타내었다.

표 2를 보면 본 발명에서 사용한 맥주 발효 폐효모액의 에탄올 및 아세트산의 농도 또한 사용횟수와 종류에 따라 다르게 나타났다. 4회를 사용한 맥주 발효 폐효모액에는 에탄올이 약 4.58% 함유되어 있었고 아세트산는 없었으나 7회를 이용한 맥주 발효 폐효모액에는 에탄올 및 아세트산 농도가 각각 약 12.42%와 약 13.82%로 가장 높았으며, 하우스 맥주 전문점의 맥주 발효 폐효모액에는 에탄올 및 아세트산농도가 각각 약 5.42%와 약 0.11% 함유되어 있었다.

맥주발효 폐효모액의 성분분석
	성분(%)					전체(%)
	C	H	N	S	O
4회	41.35[23.64]	6.26[3.58]	4.91[2.81]	0.28[0.16]	44.01[25.38]	97.21[55.57]
7회	41.14[91.71]	7.09[15.81]	10.86[24.21]	0.69[1.54]	38.87[86.65]	98.65[219.92]
House beer	34.55[22.20]	5.68[3.65]	6.46[4.15]	0.37[0.24]	44.74[28.75]	91.8[58.99]
[ ] : Dry weight(g/L)

가스 크로마토그래피 분석에 의한 맥주발효 폐효모액에서의 에탄올 및 아세트산의 농도
	조성(V/V%)
	에탄올	아세트산
4 회 발효	4.58	0
7 회 발효	12.42	13.82
House beer	5.42	0.11

이어서 바이오에탄올을 추출한 맥주발효폐효모액으로부터 리그닌이나 헤미셀룰로오스가 함유되지 않은 순수한 셀룰로오스로 생성시킨 뒤 발효과정을 거쳐 바이오에탄올을 제조하는 과정에 대하여 설명한다.

맥주발효폐효모액으로부터 순수한 셀룰로오스를 생산할 수 있는 미생물로는 아세토박터(Acetobacter) 속, 아그로박테리움(Agrobacterium) 속, 리조비움(Rhizobium) 속, 슈도모나스(Pseudomonas) 속, 사르시나(Sarcina) 속 등이 보고되어 있다. 이 중 아세토박터 속은 진핵생물에서 발견되는 세포벽 고분자(cell wall polymer)가 아닌 세포외 섬유소(extracellular fibril)로서 분비되는 셀룰로오스를 대량으로 생산할 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.

또한 미생물 셀룰로오스를 생산하기 위해서는 정치배양 보다는 교반배양이 더 경제적이나 일반적으로 미생물 셀룰로오스 생산 균주는 진탕 또는 교반배양을 실시할 경우 배양기내에서 발생하는 전단응력(shear stress)으로 인하여 셀룰로오스를 생산하지 못하는 돌연변이주가 발생하고, 이 돌연변이주는 미생물 셀룰로오스 생산균주보다 증식 속도가 빠르기 때문에 연속적인 통기 교반 배양에서는 생산주가 도태되어 비생산주가 배양의 주체로 되는 문제(Valla, S. and Kjosbakken, J., J. General Microb. 128:1401-8, 1981)로 인하여 종래에는 생산성이 매우 낮지만 긴 배양시간과 많은 노동력을 필요로 하는 정치배양을 이용하여 미생물 셀룰로오스를 생산하였다.

따라서 교반배양 조건에서도 전술한 변이주가 발생되지 않거나 발생빈도를 감소시킬 수 있는 배양조건의 개발 및 미생물 셀룰로오스의 생산원가를 절감시킬 수 있는 배지대체 물질의 개발이 절실하게 필요한 실정이다.

한편, 펩톤, 효모추출물, 포도당, 구연산, 에탄올 등을 포함하는 배지에서 아세토박터 자일러넘을 교반배양하여 미생물 셀룰로오스를 생산하는 방법이 알려져 있으나, 이는 셀룰로오스 생산 배지로 고가의 펩톤, 효모 추출물 등을 사용하여 경제성이 낮은 단점이 있다(대한민국 특허공개 1998-067009).

이에 본 발명자에서는 이전의 출원에서 에탄올로 변환할 수 있는 셀룰로오스를 전단응력이 있는 배양 조건에서도 셀룰로오스를 생산하지 못하는 돌연변이주의 발생없이 미생물 셀룰로오스를 경제적으로 생산하여 바이오 에탄올을 고수율로 생산할 수 있는 방법을 개발하였다.(대한민국 특허공개 10-2005-0022591)

이와 같은 방법을 이용하고 본 발명의 한 실시예에 따른 맥주발효 폐효모액으로부터 셀룰로오스를 생산하고 이를 가수분해하여 당을 생성한 후에 에탄을을 발효 제조하는 방법을 하기 실시예 2에서 기재하고 있다.

이어서 현재 바이오에탄올의 주 원료가 되고 있는 옥수수, 사탕수수 등의 바이오메스를 가공한 뒤, 발효균주로서 맥주발효폐효모액을 이용하여 바이오에탄올을 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 일반적으로, 이들 물질은 다음과 같은 3가지 주성분, 즉 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 약 4 : 3 : 3의 비율로 함유한다. 그러나, 이와 같은 비율은 대략치이며, 예를 들면, 연질 목재는 약 42 : 25 : 28의 비율로, 그리고 옥수수 속대는 약 40 : 36 : 13의 비율로 되며, 이외에 추가된 당일 당류 약 8%를 함유하는 반면에 시에서 버리는 쓰레기는 약 75-90%의 셀룰로오스를 함유한다. 이중 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 에탄올로의 전환이 가능하다. 먼저 이들 원료를 탈리그닌화 공정을 통해 리그닌과 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스를 분리시킨다.

분리된 셀룰로오스는 상기에서 기재된 맥주발효 폐효모액으로부터 생성된 셀룰로오스를 가수분해하여 에탄올을 생성시키는 방법과 동일한 방식으로 에탄올로 생성시킨다.

다음으로 헤미셀루로오스는 D-글루코스, D-만노스, D-갈락토스, D-크실로스, L-아라비노스 및 우론산 등의 중합체이며 구성 성분에 따라 D-갈락탄, D-만난, D-크실란 등으로 분류된다. 그러나, 이들은 보통 동질의 글리칸으로 존재하는 것이 아니라 다양한 당을 함유하는 헤토로글리칸로 존재한다. 또한 헤미셀룰로오스는 주로 식물체의 세표벽의 중간 라멜라 층에 분포되어 있으며, 셀룰로오스와 리그닌과 밀접하게 결합되어 있다. 헤미셀룰로오스의 형태나 양은 식물체, 조직의 형태, 생육의 상태와 환경, 생리조건, 저장 추출방법 등에 따라 매우 다양하기 때문에 헤미셀룰로오스의 전형적인 당 조성비를 얻기는 어렵다. 일반적으로 가장 풍부하게 존재하는 헤미셀룰로오스 형태는 D-크릴로스 골격에 측쇄로서 L-아라비노스를 가지는 것이다. 일년생 식물이나 낙엽수에 있어서는 크실란이 헤미셀룰로오스의 가장 큰 비중을 차지하나 식물체에 따라 다소의 차이가 있다. 일반적으로 활엽수의 크실란 함량(11-25%)은 침엽수(3-8%)의 경우보다 높다. 농업 부산물의 지배적인 헤미셀룰로오스성 탄수화물은 D-크실로스이며 옥수수 부산물의 크실란 함량은 17-31%이다. (Fengel, D. and Wegner G. 1984. Wood chemistry, ultrastructure, reactions Berlin, Walter de Gruyter Co., Berlin, p106)

하기 실시예 3에서는 바이오메스로부터 헤미셀룰로오스를 분리하고 이로부터 에탄올을 제조하는 방법을 기재한다.

일반적으로 셀룰로오스로부터 에탄올의 발효는 잘 알려져 있다(Wilke, C.R. and Blach, H.W. 1979. Lawence Berkeley Lab., Univ. of California, Berkey, Ca. LbL-9909).

실시예 1

에탄올의 함량이 가장 많은 7회 사용 후 폐기되는 맥주 발효 폐효모액을 이용하여 바이오에탄올을 추출한 예이다.

7회 사용 된 맥주 발효 폐효모액의 상기 표 2에서 보는 바와 같이 12.42%의 에탄올과 13.82%의 아세트산를 함유하고 있다.

상기 7회 사용 후 폐기되는 맥주 발효 폐효모액(하이트맥주 마산공장) 1L를 상압식 증류방식으로 추출하였다.

그 결과, 약 120ml의 바이오에탄올과 약 135ml의 아세트산을 수득하였다.

실시예 2

맥주발효 폐효모액을 4000rpm으로 원심분리한 후 상등액을 채취하여 250mL 삼각 플라스크에 50mL를 넣고 121℃서 15분간 멸균하였다. 여기에 미생물셀룰로오스 생산균주인 글루콘아세토박터 한세니(Gluconacetobacter hansenii)PJK균주를 접종하여 진탕 배양기에서 30℃에서 200 rpm의 속도로 회전시키면서 1일간 전배양하였다. 그후, 전배양 용액의 상등액을 250mL 삼각플라스크에 1%(v/v)에탄올이 포함된 새로운 배지용액 50mL에 5%(v/v) 접종하여 30℃에서 200rpm의 속도로 회전시키면서 5일간 진탕배양 하였다. 배양후 배양액을 회수하여 4000 rpm으로 20분간 원심분리하였다. 그 후, 상등액을 제거하고 증류수 세척 및 상기의 방법과 같이 원심분리 과정을 2회 거치고 영하 50℃에서 동결시켜 균체가 포함된 미생물 셀룰로오스의 건조중량을 구하였다. 그후, 균체가 포함된 셀룰로오스에 20mL의 0.3N 수산화나트륨용액을 첨가하여 5분간 끓임으로써 균체를 모두 용해시켰다. 세포가 제거된 순수 미생물 셀룰로오스는 중성이 될 때까지 충분히 세척한 후 다시 동결 건조하여 건조중량을 측정하였다. 균체가 포함된 미생물 셀룰로오스의 건조중량과 순수 미생물 셀룰로오스의 건조중량의 차이로 균체의 건조중량을 측정하였다. 측정결과 배지에서의 균체 및 미생물 셀룰로오스의 건조중량은 각각 3.13g/L 및 2.5g/L를 나타내었다.

이와 같이 생성된 셀룰로오스를 1% 염산 용액과 1% 수산화나트륨(중화용)을 사용하여 시료 분말1g에 각각의 추출용매 15mL를 첨가한 후, 100℃에서 1시간동안 가수분해 하여 당분으로 전환시켰다.

이어서 맥주발효폐효모액(하이트맥주 마산공장)을 상기 가수분해 된 당에 첨가하여 상온에서 밀폐된 상태에서 10일간 발효하여 에탄올을 약 2 ml를 생성시켰다.

실시예 3

대표적인 에탄올 원료인 옥수수 1m³를 분쇄하여 물에 혼합하면서 pH를 조절하고, 열을 가하여 100℃에서 1시간 정도 가수분해 시킨 뒤 온도를 60℃정도로 낮추면서 당화효소인 아밀로글루코시다제를 첨가하여 당화시킨다. 일정한 당화과정을 거친 원료에 맥주발효 폐효모액(하이트맥주(주) 마산공장으로부터 입수)을 접종하여 상온에서 발효하여 에탄올 350ml를 얻었다.

실시예 4

먼저 맥아 껍질 1kg을 100 mesh까지 마쇄한 후 약 90 ~ 100 ℃에서 약 50분간 1% 황산에서 가수분해 한다. 이 현탁액을 냉각 후 여과, 세척, 압착 단계를 거친 후 건조한다. 건조는 용매화단계에서 이용되는 황산이 묽어지는 것을 방지하는데 필요하다. 잔류산을 함유한 여액은 석회로 중화시켰다. 중화된 용액에 맥주발효 폐효모액을 첨가하여 상온 밀폐된 상태에서 10일간 발효하여 에탄올 92ml을 생성하였다.

본 발명은 종래의 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 맥주 제조 후 발생하는 맥주발효 폐효모액이나 맥아 껍질을 이용하여 바이오에탄올을 제조하는 방법이므로 식량자원 가격의 상승 및 경작지 투기와 산림훼손 등의 문제를 유발하지 않고, 종래에 문제가 되었던 맥주 제조 과정에서 발생하는 여러가지 폐기물 처리 문제를 해결하는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 맥주발효과정 중에서 발생하는 부산물인 맥주발효 폐효모액을 증류하여 에탄올을 추출하는 단계를 포함하는 바이오에탄올의 제조방법.
3. 삭제
4. 바이오매스로부터 에탄올을 제조하는 과정에서 맥주발효과정 중에서 발생하는 부산물인 맥주발효 폐효모액을 발효균주로 이용함을 특징으로 하는 바이오에탄올의 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 바이오매스는 옥수수 및 사탕수수로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오에탄올의 제조방법.
6. 바이오매스로부터 에탄올을 제조하는 과정에서 맥주발효과정 중에서 발생하는 부산물인 맥아 껍질을 바이오매스로 이용함을 특징으로 하는 바이오에탄올의 제조방법.