KR101010183B1 - 홍조류를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홍조류(red algae, Rhodophyta), 특히 우뭇가사리(Gelidium amansii)로부터 당화합물(saccharides) 및 바이오에탄올(bio-ethanol)을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 기존에 사용되던 육상식물과 같은 제약을 갖지 않으며 해양으로부터 간단한 방법으로 풍부하게 얻을 수 있을 뿐 아니라, 목본류 또는 초본류에 비해 리그닌 함량이 낮고 조직이 치밀하지 않아 당화가 상대적으로 용이한 홍조류를 이용하여 당화합물 및 바이오에탄올을 효율적이고 경제적으로 방대한 양으로 얻을 수 있다.

바이오에탄올, 바이오에너지, 홍조류, 우뭇가사리, 당화합물, 표백, 당화, 효소 당화

Description

홍조류를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법{Processes for producing saccharides and bio-ethanol from red algae}

도 1은 일반적인 바이오매스로부터 에탄올로의 생물학적 전환공정을 보여주는 모식도이다.

본 발명은 홍조류(red algae, Rhodophyta)를 이용한 당화합물(saccharides) 및 바이오에탄올(bio-ethanol)의 생산에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 홍조류, 특히 우뭇가사리(Gelidium amansii)로부터 당화합물 및 바이오에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

종래 당화합물은 식물이나 해조류의 천연물 또는 미생물의 배양에 의해 생산되어 식품이나 의약 분야에서 다양하게 이용되어 왔다. 최근에는 지구 온난화에 의한 온실효과와 석유고갈 문제를 해결하기 위하여 당화합물을 이용한 바이오에너지(bio-energy) 생산에 많은 관심이 집중되고 있다. 일반적으로 바이오에너지, 즉 바이오에탄올 생산을 위한 탄수화물원으로서 사탕수수 즙 또는 옥수수 전분이 이용 되어 왔다. 이러한 제1세대 옥수수 에탄올 생산을 위한 원료들은 식품 및 가축사료와의 경쟁, 재배 면적의 포화 등 많은 문제에 봉착해 있다.

이를 극복하기 위하여, 목본 및 초본류의 재생가능한 리그노셀룰로스(lignocellulose)로부터 생산하는 제2세대 셀룰로스 에탄올에 관한 연구가 미국을 중심으로 진행되고 있다. 전처리가 끝난 목질계 바이오매스로부터 연료용 에탄올을 생산하는 반응 메커니즘은 크게 두 가지로 '당화(saccharification)'와 '발효(fermentation)'라 할 수 있다. '당화'는 셀룰로스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코스로 전환되는 과정이며, 셀룰라제(cellulase)가 셀룰로스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로스를 셀로바이오스(cellobiose)로 바꾸는 과정과 이렇게 생성된 셀로바이오스가 β-글루코시다제(β-glucosidase)의 효소반응에 의해 글루코스로 전환되는 과정으로 나눌 수 있다. '발효'는 당화 과정에 의해 생성된 글루코스가 효모 등의 미생물에 의해 혐기성 조건 하에서 에탄올과 이산화탄소로 전환되는 과정을 일컫는다. 일반적인 바이오매스로부터 에탄올로의 생물학적 전환공정을 도 1에 나타내었다. 그러나 목본 및 초본류들은 리그닌, 헤미셀룰로스, 셀룰로스와 같은 이성물질들로 구성되어 있으며, 높은 리그닌 함량으로 인해 옥수수 전분이나 사탕수수에 비해 당화가 훨씬 까다로운 편이다.

한편, 해조류(algae)는 낮은 리그닌 함량과 치밀하지 않은 조직을 가져 육상식물인 목본류나 초본류에 비해 상대적으로 당화가 매우 용이하며, 생산량도 매우 방대한 편이다. 또한 많은 제약이 따르는 육상 바이오매스에 비해 상대적으로 풍부한 해양자원을 활용할 수 있어 대단한 잠재력을 가지고 있다. 그러나 아직까지 바이오에탄올 생산을 위한 탄수화물원으로서 해조류에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.

본 발명자들은 바이오에탄올 생산을 위한 탄수화물원으로서 해조류를 이용하는 기술을 개발하기 위하여 지속적인 연구를 수행해온 결과, 홍조류, 특히 우뭇가사리를 효율적으로 전처리하고 당화하는 방법을 개발해내고, 이로부터 얻어진 당화합물이 바이오에탄올 생산에 적합함을 확인하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서 본 발명의 목적은 탄수화물원으로서 홍조류, 특히 우뭇가사리를 이용하여 당화합물을 생산하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄수화물원으로서 해양식물인 홍조류, 특히 우뭇가사리를 이용하여 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

첫째, 본 발명은

1) 탄수화물원으로서 홍조류를 표백처리하고;

2) 표백처리된 홍조류를 당화시키는:

단계를 포함하는, 홍조류로부터 당화합물을 생산하는 방법에 관한 것이다.

둘째, 본 발명은 탄수화물원으로서 홍조류를 당화 및 발효시키는 단계를 포함하는, 홍조류로부터 바이오에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 홍조류는 우뭇가사리속(Gelidium)의 해조류, 특히 우뭇가시리(Gelidium amansii)인 것이 바람직하고, 표백처리(bleaching), 특히 아염소산 나트륨(NaClO₂)으로 표백처리되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 당화효소, 예를 들어 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 당화효소를 사용하여 당화를 수행할 수 있으며, 당화효소는 홍조류 100 중량부에 대하여 1~20 중량부, 특히 3~10 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 당화와 발효를 단일 반응기 내에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 탄수화물원으로서 홍조류를 이용하여 당화합물을 생산하는 방법 및 바이오에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, '홍조류'는 엽록소 외에 홍조소와 남조소를 함유하고 있어 붉은빛 또는 자줏빛을 띤 해초를 가리키는 것으로서, 분류학 상 홍조류로 분류되는 모든 해조류를 포함하는 개념이다. 예를 들어, 김, 우뭇가사리, 해인초, 풀가사리 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 우뭇가사리과(Gelidiaceae)의 해조류, 보다 바람직하게는 우뭇가시리속(Gelidium)의 해조류, 가장 바람직하게는 우뭇가시리(Gelidium amansii)를 사용할 수 있다.

본 발명에서, 홍조류는 당화공정 전 전처리 과정을 거치는 것이 바람직한 바, 특히 표백처리되는 것이 바람직하다. 홍조류의 표백처리를 위해서는 통상적으로 표백제로 사용되는 어떠한 것도 사용가능하나, 예를 들어 하이포아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO₂) 등 염소화합물류, 특히 아염소산나트륨을 사용 하는 것이 바람직하다. 표백제는 홍조류 100 중량부에 대하여 10~120 중량부, 바람직하게는 40~80 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 표백처리는 70~80 ℃의 온도에서 2~6 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 당화공정은 통상적인 방법에 따라 산 당화(acid saccharification)에 의해 수행될 수도 있으나, 효소 당화(enzymatic saccharification)에 의해 수행되는 것이 보다 바람직하다. 효소 당화를 위해서는, 예를 들어, 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 당화효소를 사용하는 것이 바람직하다. 대표적으로, 당화효소로는 중량비 1~2:1~2:1~2, 특히 1:1:1의 셀룰라제, 자일라나제 및 β-글루코시다제로 이루어지는 혼합효소를 사용할 수 있다. 당화효소는 홍조류 100 중량부에 대하여 1~20 중량부, 특히 3~10 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 당화공정은 40~45 ℃의 온도에서 6~24 시간, 특히 8~12 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 바이오에탄올 생산을 위하여, 당화과정과 발효과정을 각각 다른 반응기에서 수행하는 '분리 당화발효(Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF) 공정'과 하나의 반응기에서 당화과정과 발효과정을 동시에 수행하는 '동시 당화발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF) 공정' 중 어느 것도 사용가능하다. 분리 당화발효 공정은 당화과정과 발효과정에서 효소와 효모에 대해 각각 최적화된 조건 하에 반응시킬 수 있다는 장점이 있는 반면, 효소반응은 그 중간생성물과 최종생성물인 셀로바이오스와 글루코스에 의해 억제영향을 받기 때문에 반응이 진행됨에 따라 축적된 글루코스의 농도가 높아지면 반응이 종결되는 단점이 있으며, 이를 극복하기 위해 효소의 양을 늘려야만 하므로 경제적이지 못한 측면이 있다. 이에 비해, 동시 당화발효 공정에서는 당화과정에서 글루코스가 생성되자마자 효모가 발효과정에 의해 글루코스를 바로 제거하고 반응기 내에 당의 축적을 최소화할 수 있으므로, 분리 당화발효 공정에서 나타나는 최종 생성물의 억제작용을 방지할 수 있고 효소의 가수분해 반응을 향상시킬 수 있으며, 부가적으로 장치비의 절감과 낮은 효소 투입량에 의한 비용감소 효과를 볼 수 있고, 반응기 내에 에탄올이 존재하므로 오염문제를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명에서는 동시 당화발효 공정을 사용하는 것이 바람직하다.

바이오에탄올 생산을 위한 발효균주로는 효모, 예를 들어 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)를 사용할 수 있으며, 높은 당 농도에서도 발효를 수행할 수 있는 내당성 균주와 효소 당화의 최적온도인 40~45 ℃ 부근에서도 에탄올 전환이 가능한 내열성 균주, 고가의 효소 사용량 절감과 고농도의 에탄올 생산을 위해 당화 및 발효를 동시에 수행할 수 있는 재조합 균주, 예를 들어, 크렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca) P2, 브레타노마이세스 커스터시(Brettanomyces curstersii), 사카로마이세스 우브즈런(Saccharomyces uvzrun), 캔디다 브래시카에(Candida brassicae) 등 당업계에 알려진 통상적인 균주 중 어느 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들어 10~20 g/ℓ의 양으로 사용할 수 있다. 발효공정은 당화공정과 별도로 수행 시 25~30 ℃, 특히 29 ℃의 온도에서 10~20 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.

참고예 1: 천연 우뭇가사리의 화학성분 분석

시중에 시판되고 있는 우뭇가사리를 구입하여 아염소산법과 크라손 리그닌법(Klason lignin method)을 이용하여 화학성분을 분석하였다. 이때 우뭇가사리는 다량의 염분을 함유하고 있으므로 맑은 물에서 충분히 탈염한 후 사용하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

우뭇가사리의 화학성분

성분	함량(%)
회분	3.2±0.1
홀로셀룰로스	33.9±0.7
리그닌	1.5±0.6

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 우뭇가사리는 높은 셀룰로오스 함량을 가짐에 비해 상대적으로 낮은 리그닌 함량을 가져 당화과정을 수행하기 위한 탄수화물원으로 매우 적합함을 알 수 있었다.

실시예 1: 우뭇가사리의 전처리 및 효소 당화

우뭇가사리 50 ㎎에 아염소산나트륨 40 ㎎를 가하여 75 ℃의 온도에서 5 시간동안 표백처리하였다. 무처리(대조구) 및 표백처리된(실험구) 우뭇가사리에 각각 셀룰라아제(Cel5C) 1 ㎎, 자일라나아제(XynT) 1 ㎎ 및 β-글루코시다아제 1 ㎎을 가하고 40 ℃의 온도에서 12 시간 동안 당화공정을 수행하였다. 당화 후 우뭇가사리 분해산물의 환원당을 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법을 사용하여 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

효소 당화 후 생성된 환원당

	대조구	실험구
OD550	0.000	1.575

한편, 당화 후 미분해산물의 당분석을 GC(gas chromatography)를 사용하여 수행하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

효소 당화 후 우뭇가사리의 당 조성(g/㎏)

우뭇가사리	아라비노스	자일루로스	만노스	갈락토스	글루코스	합계
천연	-	14.6	12.3	234.1	168.3	429.3
효소처리	-	15.9	17.9	232.9	162.8	429.5
표백처리	-	5.7	32.5	15.9	587.5	641.6
표백처리+효소처리	-	17.6	14.8	253.8	183.1	469.3

상기 표 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 우뭇가사리는 표백처리 후 약 1500배 이상 당화수율이 향상되며, 효소 당화 시 주로 글루코스의 가수분해가 일어남을 알 수 있었다. 이러한 결과는 바이오에탄올 생산을 위한 우뭇가사리의 사용가능성을 명확히 보여주는 것이라 할 수 있다.

실시예 2: 우뭇가사리를 이용한 바이오에탄올의 생산

우뭇가사리 50 ㎎에 아염소산나트륨 40 ㎎를 가하여 75 ℃의 온도에서 5 시간동안 표백처리하였다. 무처리(대조구) 및 표백처리된(실험구) 우뭇가사리에 각각 셀룰라아제(Cel5C) 1 ㎎, 자일라나아제(XynT) 1 ㎎ 및 β-글루코시다아제 1 ㎎을 가하였다. 여기에 바이오에탄올 생산을 위한 발효균주로 사카로마이세스 세레비지에 15 g/ℓ를 가하여, 29 ℃의 온도에서 15 시간 동안 동시 당화발효 공정을 수행하여 바이오에탄올을 생산하였다.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되던 육상식물과 같은 제약을 갖지 않으며 해양으로부터 간단한 방법으로 풍부하게 얻을 수 있을 뿐 아니라, 목본류 또는 초본류에 비해 리그닌 함량이 낮고 조직이 치밀하지 않아 당화가 상대적으로 용이한 홍조류를 이용하여 당화합물 및 나아가 바이오에탄올을 효율적이고 경제적으로 방대한 양으로 얻을 수 있다. 이러한 본 발명은 육상식물이 아닌 전혀 새로운 수상 바이오매스를 활용한 바이오에너지의 생산가능성을 보여주는 것이라 할 수 있다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 1) 탄수화물원으로서 우뭇가사리속(Gelidium) 해조류를 아염소산나트륨(NaClO₂)으로 표백처리하는 단계;

   2) 표백처리된 우뭇가사리속 해조류를 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 당화효소를 사용하여 당화시키는 단계 및 발효시키는 단계:

   를 포함하며, 당화와 발효는 단일 반응기 내에서 수행됨을 특징으로 하는, 우뭇가사리속 해조류로부터 바이오에탄올을 생산하는 방법.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 우뭇가사리속 해조류는 우뭇가사리(Gelidium amansii)인 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제2항에 있어서, 당화효소는 우뭇가사리속 해조류 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 양으로 사용하는 방법.
10. 삭제

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