KR101011244B1

KR101011244B1 - 수박씨를 이용하여 바이오 에탄올을 생산하는 방법

Info

Publication number: KR101011244B1
Application number: KR1020100081535A
Authority: KR
Inventors: 송백영
Original assignee: 송백영
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2011-02-07
Also published as: US8642300B2; CN102373240A; US20120045810A1

Abstract

본 발명은 수박씨를 이용하여 바이오 에탄올을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가정, 마트, 농장 등에서 쉽게 수집할 수 있는 음식 쓰레기의 일종인 수박씨를 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균하는 단계; 멸균된 수박씨를 잘게 분쇄하는 단계; 분쇄된 수박씨에 빙초산을 처리하여 수박씨에 포함된 리놀레산을 제거하는 단계; 및 리놀레산이 제거된 수박씨에 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 등의 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 25-35℃에서 100-300rpm으로 5-15일 동안 교반하면서 발효시키는 단계를 포함함으로써 높은 수율로 바이오 에탄올을 생산할 수 있고 이산화탄소, 포름알데히드 등의 유해 물질의 배출량을 현저히 감소시킬 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라 옥수수, 사탕수수 등의 식량의 낭비가 없어 경제적인 바이오 에탄올의 생산 방법에 관한 것이다.

Description

수박씨를 이용하여 바이오 에탄올을 생산하는 방법 {Method for preparing bioethanol from watermelon seeds}

본 발명은 가정이나 마트, 농장 등에서 버려지는 수박씨를 이용하여 효과적으로 바이오 연료를 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다.

바이오 에탄올은 식물의 당 또는 셀룰로이드 성분들을 발효시켜서 추출되는 친환경 연료이다. 바이오 에탄올은 디젤류 제품의 첨가물로 사용되는 바이오 메탄올과 달리 가솔린 제품의 첨가물로 사용될 수 있어 더 주목을 받고 있다.

바이오 에탄올의 개발 연구는 주로 미국과 브라질을 중심으로 1970년대부터 진행되어 왔다. 브라질의 경우 국책 사업으로 사탕수수를 이용한 바이오에탄올을 육성하여 2004년에 이르러 전체 차량 연료 소비량의 약 30%를 바이오 에탄올로 대체하는데 성공하였고, 미국의 경우 2008년 대통령의 연두교서에서 2017년까지 석유소비를 20% 줄이는 대신 바이오에탄올 등 대체에너지 이용을 확대하겠다고 천명한바 있으며, 일본·중국·아세안 국가도 바이오 에탄올 생산 확대 정책을 추진 중이다. 이와 같이 전 세계적인 바이오 에탄올에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 바이오 에탄올의 생산량도 조금씩 증가하는 추세이다.

1970년대 석유파동에 이어 대체 에너지 개발의 일환으로 시작된 바이오 에탄올의 연구 및 생산은 주로 옥수수와 사탕수수를 중심으로 한 작물계 바이오 매스 및 목재 자원을 중심으로 한 목질계 바이오 매스를 원료를 중심으로 진행되었다. 실제로 브라질의 경우 풍부한 사탕수수 재배지를 근간으로 하여 바이오 에탄올의 연료 상업화에 성공하였으며, 미국의 경우에도 풍부한 옥수수 및 목재자원을 활용한 바이오 에탄올 생산의 상당한 상업화 기술을 축적하고 있다.

그러나 최근 작물계 바이오 매스의 경우 귀중한 식량자원을 연료로 쓴다는 윤리적인 문제가 제기되고 있을 뿐 아니라 2008년 초 곡물가격의 급등으로 인하여 원료수급 및 가격 경쟁력의 측면에서 작물계 바이오 매스를 이용한 에탄올 생산에 문제점이 있는 것으로 분석되었다.

또한 목질계 바이오 매스의 경우 자원이 풍부하고 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 비율이 약 75% 이상이어서 에탄올 생산량이 높은 장점이 있지만, 작물계 바이오 매스에 비해 물리적, 화학적으로 훨씬 견고한 구조로 존재하고 있어 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 당화를 위한 화학적, 효소적 접근이 어려우며, 다수의 소수성 방향족 화합물들로 이루어진 리그닌이 약 15~25% 포함되어 있어 이를 제거하기 위한 전처리 과정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한 바이오 매스를 공급하기 위한 산림파괴 역시 지구 온난화 가속 및 자연환경의 훼손으로 인해 친환경적인 연료 생산이라는 당위성에 위배되는 환경 윤리적인 문제가 있다.

따라서 인류가 처한 에너지 고갈 문제를 극복하면서 윤리적인 문제를 해결하기 위해서는 기존의 작물계 또는 목질계 바이오 매스를 대체할 수 있는 고효율의 새로운 바이오 매스를 확보하는 것이 절실한 상황이다.

본 발명은 음식 쓰레기의 일종인 수박씨를 활용한 친환경적인 바이오 에탄올 생산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 수박씨의 에탄올 발효 전에 리놀레산을 제거함으로써 바이오 에탄올을 고효율로 수득할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기존의 작물계 또는 목질계 바이오 매스를 활용할 때와 달리 식량자원을 낭비한다는 윤리적인 문제 없이 바이오 에탄올을 생산하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 수박씨의 바이오 에탄올 생산에 가장 효과적인 효모 균주와 그 균주로 발효시킴으로써 바이오 에탄올 생산을 극대화할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 수박씨를 멸균하는 단계; 멸균된 수박씨를 잘게 분쇄하는 단계; 분쇄된 수박씨에 빙초산을 처리하여 수박씨에 포함된 리놀레산을 제거하는 단계; 및 리놀레산이 제거된 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 25-35℃에서 100-300rpm으로 5-15일 동안 교반하면서 발효시키는 단계를 포함하는 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명은 위 생산 방법에 있어서 에탄올 발효능이 있는 균주로 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352, 또는 사카로마이세스 사케 KFCC 11513를 사용하는 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명은 위 생산 방법에 있어서 에탄올 발효능이 있는 균주가 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129를 증류수 1OOOml에 펩톤 5g, 이스트 추출물 5g 및 글루코스 5g이 첨가된 액체 배지에서 진탕 배양시켜 얻은 배양액 형태인 것을 특징으로 하는 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명은 위 생산 방법에 있어서 리놀레산이 제거된 수박씨와 에탄올 발효능이 있는 균주의 중량비가 1:8-12인 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명은 위 생산 방법에 있어서 멸균된 수박씨와 빙초산의 중량비가 1:1-3인 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명은 위 생산 방법에 있어서 리놀레산이 제거된 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 교반시킬 때 물 1리터당 (NH₄)₂SO₄ 1.0g, KH₂PO₄ 1.0g, K₂HPO₄ 1.0g, MgSO₄·H₂O 0.2g, 이스트 추출물 0.1g, FeSO₄ 10.0mg, CaCl₂ 2.0mg, MgSO₄ 2.0mg 및 ZnSO₄ 2.0mg이 포함된 미네랄 용액을 함께 넣는 바이오 에탄올의 생산 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 옥수수, 포플러 등과 동등 또는 그 이상의 바이오 에탄올 생산 수율을 나타내는 친환경적인 바이오 매스의 확보가 가능하다. 본 발명에 따르면 공업적 방법으로 에탄올을 제조할 때보다 이산화탄소 배출량을 최대 90% 이상 감축할 수 있으며 연소시 포름알데하이드, 벤젠, 일산화탄소 등의 유독 물질의 방출량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

본 발명은 음식 쓰레기의 일종인 수박씨를 활용함으로써 인류에게 유용한 에탄올 연료를 확보함과 동시에 음식 쓰레기를 줄일 수 있는 친환경적인 바이오 에탄올 생산 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 기존의 작물계 또는 목질계 바이오 매스를 활용할 때와 달리 식량자원을 낭비한다는 윤리적인 문제를 야기시키지 않는다.

본 발명을 통해 수박씨의 바이오 에탄올 생산에 가장 효과적인 발효 조건 및 발효 균주가 확인됨으로써 고효율의 바이오 에탄올 생산이 가능해진다.

본 발명은 가정, 마트, 농장 등에서 쉽게 수집할 수 있는 음식 쓰레기의 일종인 수박씨를 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균하는 단계; 멸균된 수박씨를 잘게 분쇄하는 단계; 분쇄된 수박씨에 빙초산을 처리하여 수박씨에 포함된 리놀레산을 제거하는 단계; 및 리놀레산이 제거된 수박씨에 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 등의 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 25-35℃에서 100-300rpm으로 5-15일 동안 교반하면서 발효시키는 단계를 포함함으로써 높은 수율로 바이오 에탄올을 생산할 수 있고 이산화탄소, 포름알데히드 등의 유해 물질의 배출량을 현저히 감소시킬 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라 옥수수, 사탕수수 등의 식량의 낭비가 없어 경제적인 바이오 에탄올의 생산 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 음식 쓰레기의 일종인 수박씨로부터 바이오 에탄올을 생산한다. 수박씨는 원산지에 따라 차이가 있을 수 있으나 일반적으로 자당, 포도당, 과당 등의 당질 약 41.6%, 지방산 약 27.4%, 단백질 약 18.9%와 나머지의 무기질, 비타민 등을 포함하고 있다. 이 중 당질 부분이 에탄올 발효능이 있는 효모의 무기 호흡을 통해 에탄올로 변환된다.

수박씨는 먼저 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균된다. 위 혐기성 조건에서 적절히 멸균되지 않으면 이후 공정에서 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 효모가 접종되었을 때 곰팡이가 많이 발생되고 에탄올 생성량이 줄어든다.

멸균된 수박씨는 분쇄기 등에서 잘게 분쇄된다. 수박씨를 잘게 분쇄하지 않으면 효모와 수박씨에 포함된 당질이 효과적으로 반응하지 못하거나 빙초산에 의해 리놀레산을 제거할 때 충분히 반응이 일어나지 않을 수 있다.

분쇄 방법 및 분쇄 조건은 당업계에서 널리 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며 특정의 것들로 한정되지 아니한다.

분쇄된 수박씨에 빙초산을 처리하여 리놀레산을 추출한다. 리놀레산은 탄소수가 많아서 분자가 안정하기 때문에 효모가 탄소원으로 이용할 수 없어 바이오 에탄올 생산에 도움이 되지 않는다. 리놀레산은 알콜 등으로 추출하여 제거할 수도 있으나 빙초산이 보다 효과적이다. 빙초산은 분쇄된 수박씨 중량의 1 내지 3배 정도 가해지는 것이 바람직하다.

리놀레산을 제거한 후, 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨다. 균주는 에탄올 발효능이 있는 효모이면 특별히 한정되지 않으나, 수박씨를 바이오 매스로 할 때에는 수율 면에서 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352, 또는 사카로마이세스 사케 KFCC 11513이 바람직하고, 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129가 보다 바람직하다.

에탄올 발효능이 있는 균주를 접종한 후에는 25-35℃에서 100-300rpm으로 서서히 저어주면서 5-15일 동안 방치한다. 발효 온도가 위 범위를 벗어나면 균주의 번식 속도가 떨어지는 경향이 있어 적합하지 않다. 또한, 균주가 5일 이상 충분히 당질을 섭취할 수 있도록 하여야 에탄올 생성에 유리하고, 15일을 초과하면 무기 호흡에 적합하지 않을 수 있어 피하는 것이 좋다.

에탄올 발효능이 있는 균주는 그 종류에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나 리놀레산이 제거된 수박씨 중량에 대하여 1:8-12의 비율로 혼합되는 것이 좋다. 특히 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352, 또는 사카로마이세스 사케 KFCC 11513은 위 비율로 혼합되면 최적의 에탄올 생산이 가능하다. 위 비율을 넘어서면 균주가 활용할 수 있는 당질 성분의 함량이 부족하여 수율이 떨어진다.

에탄올 발효능이 있는 균주는 통상 균주를 증류수 1OOOml에 펩톤 5g, 이스트 추출물 5g 및 글루코스 5g이 첨가된 액체 배지에서 진탕 배양시켜 얻은 배양액 형태로 접종된다. 또한, 균주의 생장 속도 증진을 위해 교반시킬 때 물 1리터당 (NH₄)₂SO₄ 1.0g, KH₂PO₄ 1.0g, K₂HPO₄ 1.0g, MgSO₄·H₂O 0.2g, 이스트 추출물 0.1g, FeSO₄ 10.0mg, CaCl₂ 2.0mg, MgSO₄ 2.0mg 및 ZnSO₄ 2.0mg이 포함된 미네랄 용액을 함께 넣어주는 것이 좋다.

위 방법에 따라 생산된 에탄올은 통상의 분리 방법(분별 증류 등)에 따라 수집될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실시예

실시예 1. 수박씨로부터 바이오 에탄올 생산이 가능한지 확인

사카로마이세스 사케(KFCC 11513)와 사카로마이세스 세레비지에(KCCM 1129)를 25-30℃의 실온에 두어 활성화시켰다. 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균된 수박씨를 분쇄기로 분쇄한 후 전자저울로 20g 씩 2개로 분류하였다.

분쇄된 수박씨를 페트리 접시에 놓고 한쪽에는 사카로마이세스 사케(KFCC 11513) 배양액 100g을, 다른 한쪽에는 사카로마이세스 세레비지에(KCCM 1129) 배양액 100g을 접종시킨 후 양쪽 접시에 모두 충분한 물을 넣은 후 밀봉하여 실온에 두었다.

약 7일간 방치한 후 각 접시에서 발생된 에탄올을 분별 증류를 통해 수집하여 정량하였다. 그 결과 사카로마이세스 사케(KFCC 11513) 배양액을 접종한 접시에서는 10.2 ml의 에탄올이 수집되었고, 사카로마이세스 세레비지에(KCCM 1129) 배양액을 접종한 접시에서는 11.4 ml의 에탄올이 수집되어 수박씨에서 바이오 에탄올 생산이 가능함을 확인하였다.

실시예 2. 수박씨에서 리놀레산을 제거한 후 바이오 에탄올 생산

위 실험에서 수박씨로부터 바이오 에탄올이 생산될 수 있음은 확인되었으나 그 수율을 극대화시킬 수 있는 방법을 찾아보았다. 수박씨의 성분들 중 리놀레산이 바이오 에탄올 생산 수율에 영향을 미치는지 여부를 확인해 보았다.

사카로마이세스 세레비지에(KCCM 1129)를 25-30℃의 실온에 두어 활성화시켰다. 수박씨는 실시예 1과 동일한 방법으로 멸균 및 분쇄하였다. 그 후, 깔대기에 거름종이를 넣고 클램프와 스탠드를 이용하여 비커 위에 고정시킨 후 분쇄된 수박씨 20g을 거름종이 위에 올리고 빙초산 60ml를 유리막대를 이용하여 부었다.

두 개의 페트리 접시를 준비하여 한 쪽에는 리놀레산이 제거된 수박씨를 놓고 다른 한 쪽에는 리놀레산이 제거되지 않은 수박씨를 동량 놓은 후 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 에탄올 생산량을 비교하였다. 그 결과, 리놀레산이 제거된 수박씨를 사용한 접시에서는 12.3ml의 에탄올이 생산된 반면, 리놀레산이 포함된 통상의 수박씨를 사용한 접시에서는 11.0ml의 에탄올이 생산되었다.

위 실험을 통해 수박씨를 에탄올 분해능이 있는 효모로 발효시키기 전에 리놀레산을 제거하는 것이 에탄올 생산 수율을 증가시킬 수 있는 방법임이 확인되었다.

실시예 3. 균주 종류에 따른 바이오 에탄올 생산 수율 차이

사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352, 및 사카로마이세스 사케 KFCC 11513를 각각 25-30℃의 실온에 두어 활성화시켰다. 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균된 수박씨를 분쇄기로 분쇄한 후 빙초산과 반응시켜 리놀레산을 추출한 후 전자저울로 10g 씩 3개로 분류하였다.

준비된 수박씨를 페트리 3개에 접시에 각각 담고 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129 배양액 100g, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352 배양액 100g 및 사카로마이세스 사케 KFCC 11513 배양액 100g을 각각 접종하고 1차 증류수 900g을 섞은 후 30℃, 180rpm으로 10일간 발효시켰다.

그 결과, 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129를 접종한 접시에서는 42.5ml의 에탄올이, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352를 접종한 접시에서는 36.5ml의 에탄올이, 사카로마이세스 사케 KFCC 11513을 접종한 접시에서는 38.2ml의 에탄올이 분리되었다.

따라서 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129가 수박씨를 원료로 한 에탄올 생산 공정에 가장 적합함을 알 수 있었다.

또한, 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129가 생산한 에탄올은 결국 4.25ml/g인데, 수박 수확량은 대략 37.2217t/ha이고 수박 1개당 평균무게가 8kg, 수박씨가 수박 1개당 20g정도 나온다고 볼 때 수박씨의 수확량은 대략 930542.5g/ha이므로, 수박씨에 의한 바이오 에탄올의 생산량은 4187.5L/ha가 되어 생산량이 3100~4000L/ha인 옥수수에 비해 우수한 효율을 나타냄을 알 수 있었다.

실시예 4. 균주와 수박씨의 중량비에 따른 바이오 에탄올 생산 수율 차이

사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129를 25-30℃의 실온에 두어 활성화시켰다. 121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균된 수박씨를 분쇄기로 분쇄한 후 전자저울로 5, 10g, 20g으로 3개로 분류하였다.

준비된 수박씨를 페트리 3개에 접시에 각각 담고 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129 배양액 100g 씩을 접종하고 1차 증류수 900g을 섞은 후 30℃, 180rpm으로 10일간 발효시켰다.

그 결과, 수박씨가 5g 포함된 접시에서는 9.7 ml의 에탄올이, 수박씨가 10g 포함된 접시에서는 22.6ml의 에탄올이, 수박씨가 20g 포함된 접시에서는 11.4 ml의 에탄올이 수집되었다.

따라서 수박씨와 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129가 1:10의 중량비로 반응한 경우가 수박씨를 원료로 한 에탄올 생산 공정에 가장 적합함을 알 수 있었다. 수박씨가 5g 포함된 접시의 경우에는 효모 균주가 에탄올 발효에 사용할 당질이 충분치 않았던 것으로 판단되고, 수박씨가 20g 포함된 접시의 경우에는 화학적으로 안정한 리놀레산이 에탄올 생성 반응에 악영향을 준 것으로 보인다.

Claims

121℃, 혐기성 조건에서 10-20분간 멸균되는 단계; 그 후 잘게 분쇄되는 단계; 및 그 후 빙초산을 처리하여 그 속에 포함된 리놀레산이 제거되는 단계를 거쳐 준비된 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시키는 것을 포함하는 바이오 에탄올의 생산 방법.

삭제

청구항 1에 있어서, 리놀레산이 제거된 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 25-35℃에서 100-300rpm으로 5-15일 동안 교반하면서 발효시키는 단계를 포함하는 바이오 에탄올의 생산 방법.

청구항 1에 있어서, 에탄올 발효능이 있는 균주는 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129, 사카로마이세스 세레비지에 KFCC 11352, 또는 사카로마이세스 사케 KFCC 11513인 바이오 에탄올의 생산 방법.

청구항 1에 있어서, 에탄올 발효능이 있는 균주는 사카로마이세스 세레비지에 KCCM 1129를 증류수 1OOOml에 펩톤 5g, 이스트 추출물 5g 및 글루코스 5g이 첨가된 액체 배지에서 진탕 배양시켜 얻은 배양액 형태인 바이오 에탄올의 생산 방법.

청구항 3에 있어서, 리놀레산이 제거된 수박씨와 에탄올 발효능이 있는 균주의 중량비는 1:8-12인 바이오 에탄올의 생산 방법.

청구항 1에 있어서, 멸균된 수박씨와 빙초산의 중량비는 1:1-3인 바이오 에탄올의 생산 방법.

청구항 3에 있어서, 리놀레산이 제거된 수박씨에 에탄올 발효능이 있는 균주를 접종시킨 후 교반시킬 때 물 1리터당 (NH₄)₂SO₄ 1.0g, KH₂PO₄ 1.0g, K₂HPO₄ 1.0g, MgSO₄·H₂O 0.2g, 이스트 추출물 0.1g, FeSO₄ 10.0mg, CaCl₂ 2.0mg, MgSO₄ 2.0mg 및 ZnSO₄ 2.0mg이 포함된 미네랄 용액을 함께 넣는 바이오 에탄올의 생산 방법.