KR101345772B1 - Method for Producing Mixed VFA from Algae - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 호기성 발효 및 혐기성 발효를 통하여 갈조류, 녹조류 및 홍조류를 포함하는 해조류로부터 초산, 부틸산, 프로피온산 등의 휘발성 유기산을 생산하는 방법에 관한 것이다.
상기 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법은(a) 해조류에 호기성 미생물인 비브리오 종(Vibrio sp.)를 첨가하고, 호기성 발효시키는 단계; 및 (b) 상기 호기성 발효된 해조류에 혐기성 미생물을 첨가하고, 혐기성 발효시켜 휘발성 유기산을 생산하는 단계를 포함한다.
본 발명을 이용할 경우, 해조류로부터 고수율로 휘발성 유기산 생산할 수 있으며, 생산된 유기산은 그 자체로 최종제품으로 사용될 수도 있고 혹은 화학적 수소첨가 반응을 통하여 혼합 알코올로 전환하여 휘발유 대체 액체연료로 사용될 수도 있다.
The present invention relates to a method of producing volatile organic acids from algae, and more particularly, to a method of producing volatile organic acids such as acetic acid, butyric acid, propionic acid from algae including brown algae, green algae and red algae through aerobic and anaerobic fermentation. It is about.
Method for producing a volatile organic acid from the algae comprises (a) adding aerobic microorganism Vibrio sp. To the seaweed, and aerobic fermentation; And (b) adding anaerobic microorganisms to the aerobic fermented algae and anaerobic fermentation to produce volatile organic acids.
When using the present invention, it is possible to produce volatile organic acids in high yield from seaweeds, and the organic acids produced may be used as final products themselves or converted to mixed alcohols through chemical hydrogenation reactions and used as gasoline replacement liquid fuels. .

Description

해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법{Method for Producing Mixed VFA from Algae}Method for Producing Volatile Organic Acids from Seaweeds {Method for Producing Mixed VFA from Algae}

본 발명은 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 호기성 발효 및 혐기성 발효를 통하여 갈조류, 녹조류 및 홍조류를 포함하는 해조류로부터 초산, 부틸산, 프로피온산 등의 휘발성 유기산을 생산하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of producing volatile organic acids from algae, and more particularly, to a method of producing volatile organic acids such as acetic acid, butyric acid, propionic acid from algae including brown algae, green algae and red algae through aerobic and anaerobic fermentation. It is about.

바이오매스로부터 전환되어 생산되는 바이오 연료는 화석연료를 대체하고 온실가스 문제를 해결하는 방법으로 전 세계적으로 관심이 모아지고 있다. 바이오에탄올, 바이오디젤 및 바이오가스 등의 바이오연료는 당질계 (사탕수수, 사탕무우, sweet sorghum 등), 전분질계 (곡물, 옥수수, 감자,고구마, 카사바 등), 목질계 (나무, 풀, 볏짚, 농산부산물 등) 등의 바이오매스로부터 생산된다. 당질계 및 전분질계의 바이오매스는 비교적 간단한 생물학적 전환공정으로 바이오연료를 생산할 수 있다. 그러나, 이들 당질계 및 전분질계는 식품 또는 축산 사료로 사용되기 때문에 식량문제와 더불어 높은 비용이 문제가 되고 있다. 반면에 식품과 경쟁하지 않는 목질계 바이오매스는 구조적으로 약 20% 정도의 리그닌이 셀룰로스를 감싸고 있기 때문에 전환공정에서 리그닌을 제거하여야 하며, 또한 결정성을 갖고 있는 셀룰로스를 효소침투가 용이하도록 하는 전처리 공정이 요구된다. 이와 같이 기존의 바이오매스는 높은 원료비용 또는 공정비용을 유발하는 문제를 갖고 있다. Biofuels, converted from biomass, are attracting global attention as a way to replace fossil fuels and solve greenhouse gas problems. Biofuels, such as bioethanol, biodiesel and biogas, include sugars (sugar cane, beets, sweet sorghum, etc.), starch (grains, corn, potatoes, sweet potatoes, cassava, etc.), and wood (grass, grass, and straw). , Agricultural by-products, etc.). Glucose and starch biomass can produce biofuels in a relatively simple biological conversion process. However, since these sugar and starch systems are used as food or livestock feed, high cost is a problem in addition to food problems. On the other hand, wood-based biomass, which does not compete with food, has about 20% of lignin structurally surrounding cellulose, so lignin must be removed in the conversion process, and pretreatment to facilitate enzyme penetration of crystalline cellulose is easy. Process is required. As such, the conventional biomass has a problem of causing high raw material costs or process costs.

반면에, 육상식물에 비하여, 해조류는 리그닌 함량이 낮고, 치밀하지 않은 조직을 가지고 있어 그 처리가 용이하며, 단위 면적당 높은 생산성을 나타내고, 육상 자원에 비하여 미개척 분야로서 커다란 잠재력을 지니고 있으며, 한정된 육지가 아니라 넓은 바다를 활용하고, 강우량과 토양오염의 문제가 없는 등의 장점도 갖고 있다. On the other hand, compared to terrestrial plants, algae have low lignin content, have a dense structure, are easy to process, have high productivity per unit area, have great potential as an unexplored field compared to terrestrial resources, and have limited land. It also has advantages such as utilizing the open sea and having no problems with rainfall and soil pollution.

해조류는 나타나는 색깔에 따라 녹조류(green algae), 갈조류(brown algae), 홍조류(red algae)로 나뉘며 하기 표 1과 같은 조성적 특징을 가진다. Seaweeds are divided into green algae, brown algae, and red algae according to the color of the algae, and have a compositional characteristic as shown in Table 1 below.

갈조류Brown algae 홍조류Red algae 녹조류Green algae 대표적인 종Representative species 미역, 다시마, 모자반Seaweed, kelp, maternity 김, 우뭇가사리Laver 파래, 청각Blue, hearing 함수율Moisture content 75-90 중량%75-90 wt% 70-80 중량%70-80 wt% 70-85 중량%70-85 wt% 미네랄mineral 30-50 중량%30-50% by weight 25-35 중량%25-35 wt% 10-25 중량%10-25% by weight 탄수화물
(주성분)
carbohydrate
(chief ingredient)
30-50 중량%
(알긴산, 후코이단)
30-50% by weight
(Alginic acid, fucoidan)
30-60 중량%
(한천, 카라기난)
30-60 wt%
(Agar, carrageenan)
25-50 중량%
(셀룰로오스, 녹말)
25-50% by weight
(Cellulose, starch)
단백질protein 7-15 중량%7-15% by weight 7-15 중량%7-15% by weight 10-15 중량%10-15 wt% 지방Fat 2-5 중량%2-5% by weight 1-5 중량%1-5% by weight 1-5 중량%1-5% by weight

그러나 해조류는 육상 바이오매스에 비하여 바이오 연료로 전환되는 탄수화물 함량이 낮고 대신에 단백질 함량이 높다. 따라서 해조류로부터 통상적인 바이오연료인 에탄올로 전환하는 기술의 적용은 제한적으로만 가능하다. 이와 같은 이유로 해조류로부터는 에탄올 대신에 탄수화물 이외의 유기성분들까지도 종합적으로 이용할 수 있는 혐기성 소화 공정에 의하여 휘발성 유기산을 생산하는 기술이 제시된 바 있다 (대한민국등록특허 제10-1039432호). However, algae have a lower carbohydrate content and higher protein content than biomass on land. Therefore, the application of the technology to convert from seaweed to ethanol, which is a conventional biofuel, is limited. For this reason, techniques have been proposed to produce volatile organic acids by anaerobic digestion, which can comprehensively use organic components other than carbohydrates instead of ethanol (Korea Patent No. 10-1039432).

휘발성 유기산이란 상대적으로 비등점이 낮은 저분자 유기산으로서 초산 (C2; 탄소 2개가 포함된 분자라는 의미), 프로피온산 (C3), 부틸산(C4) 등을 포함한다. 휘발성 유기산은 염의 형태로 회수하여 친환경성 제설제로 사용되거나, 촉매를 사용한 화학반응을 거쳐 연료용 혼합 알코올로 사용될 수 있다. Volatile organic acids are low molecular organic acids having a relatively low boiling point and include acetic acid (C2; a molecule containing two carbons), propionic acid (C3), butyric acid (C4), and the like. Volatile organic acids can be recovered in the form of salts and used as eco-friendly snow removers, or can be used as mixed alcohols for fuels through chemical reactions using catalysts.

상기 대한민국등록특허 제10-1039432호에는 전처리 방법으로서 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리만 적용하였으며, 생물학적 전처리에 대해서는 가능성은 언급하였으나 구체적인 방법 및 효과에 대해서는 전혀 제시하지 않고 있다.In the Republic of Korea Patent No. 10-1039432, only thermal treatment, physical treatment, and chemical treatment were applied as pretreatment methods. The possibility of biological pretreatment was mentioned, but no specific methods and effects are presented.

따라서 본 발명자들은 해조류의 주성분을 이루는 알긴산, 한천, 셀룰로스 등 다당류를 효과적으로 분해하는 호기성 미생물로 발효시킨 다음 혐기성 미생물로 다시 발효시킬 경우, 휘발성 유기산의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
Therefore, the present inventors confirmed that when fermented into an aerobic microorganism that effectively decomposes polysaccharides such as alginic acid, agar and cellulose, which are the main components of seaweed, and then fermented back into anaerobic microorganisms, the productivity of volatile organic acids can be significantly improved. The invention was completed.

본 발명의 목적은 해조류로부터 초산, 부틸산, 프로피온산 등의 휘발성 유기산을 생산하는데 있어서 효과적인 발효방법을 제공하는데 있다.
An object of the present invention is to provide an effective fermentation method for producing volatile organic acids such as acetic acid, butyric acid, propionic acid, etc. from seaweeds.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 해조류에 호기성 미생물인 비브리오 종(Vibrio sp.)를 첨가하고, 호기성 발효시키는 단계; 및 (b) 상기 호기성 발효된 해조류에 혐기성 미생물을 첨가하고, 혐기성 발효시켜 휘발성 유기산을 생산하는 단계를 포함하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (a) adding aerobic microorganism Vibrio sp. And (b) adding anaerobic microorganisms to the aerobic fermented algae, and anaerobic fermentation to produce volatile organic acids.

본 발명은 해조류로부터 고수율로 휘발성 유기산 생산하는 방법을 제시함으로써, 유기산 생산의 경제성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 생산된 유기산은 그 자체로 최종제품으로 사용될 수도 있고 혹은 화학적 수소첨가 반응을 통하여 혼합 알코올로 전환하여 휘발유 대체 액체연료로 사용될 수도 있다.
The present invention can improve the economics of organic acid production by providing a method for producing volatile organic acids in high yield from seaweeds. The organic acid thus produced may be used as a final product by itself or may be converted to mixed alcohol through chemical hydrogenation and used as a gasoline substitute liquid fuel.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비브리오 종(Vibrio sp.)을 이용한 호기성 발효시간에 따른 휘발성 유기산의 생산량을 확인한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비브리오 종(Vibrio sp.)을 이용한 호기성 발효시 접종액에 따른 휘발성 유기산의 생산량을 확인한 그래프이다.
1 is a graph confirming the production of volatile organic acids according to aerobic fermentation time using a Vibrio sp. According to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph confirming the production amount of volatile organic acids according to the inoculum during aerobic fermentation using Vibrio sp. According to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 해조류의 주성분인 알긴산, 한천 등의 다당류들이 지상 식물들에는 포함되지 않는 고분자 형태로 존재하여 셀룰로스가 주성분인 목질계 바이오매스나 음식물 쓰레기 등의 분해에 적응된 미생물 군집을 가진 통상적인 혐기성 소화로 분해시 장시간이 소요되거나 분해 자체가 되지 않는다는 점에 착안하여, 해조류에 포함된 알긴산을 특정 호기성 미생물로 빠른 시간에 분해시키는 호기성 발효 공정을 도입함으로써 전체적인 공정의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 예측하였다.In the present invention, polysaccharides such as alginic acid and agar, which are the main components of seaweed, exist in the form of a polymer that is not included in the above-ground plants, and thus, conventional anaerobic microorganisms having microorganisms adapted to decompose cellulose-based biomass or food waste. Taking into account that digestion takes a long time or does not occur in itself, it is expected that the efficiency of the overall process can be improved by introducing an aerobic fermentation process that rapidly decomposes alginic acid in algae into specific aerobic microorganisms. It was.

본 발명의 일 실시예에서는 해조류를 혐기성 발효시키기 전에 호기성 미생물인 비브리오 하베이(Vibrio harveyi)로 호기성 발효를 시킬 경우, 보다 높은 수율로 휘발성 유기산을 제조할 수 있음을 확인하였다. In one embodiment of the present invention, when the aerobic fermentation with aerobic microorganism Vibrio harveyi before the anaerobic fermentation of seaweed, it was confirmed that the volatile organic acid can be produced in a higher yield.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 해조류에 호기성 미생물인 비브리오 종(Vibrio sp.)를 첨가하고, 호기성 발효시키는 단계; 및 (b) 상기 호기성 발효된 해조류에 혐기성 미생물을 첨가하고, 혐기성 발효시켜 휘발성 유기산을 생산하는 단계를 포함하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention in one aspect, (a) adding aerobic microorganism Vibrio sp. To the seaweed, and aerobic fermentation; And (b) adding anaerobic microorganisms to the aerobic fermented algae and anaerobic fermentation to produce volatile organic acids.

본 발명에서 사용되는 해조류는 그 종류가 제한되지 아니하여 녹조류, 갈조류, 홍조류를 포함하는 모든 종류의 해조류가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 다시마속(Laminaria), 도박(Pachymeniopis elliptica), 실파래(Enteromorpha crinite) 미역(Undaria pinnatifida), 모자반(Sargassum fulvellum), 꼬시래기(Gracilaria verrucosa), 톳(Hizikia fusiforme) 또는 우뭇가사리(Gelidium amansii)를 사용할 수 있다. Algae used in the present invention is to not be that kind it is limited green algae, brown algae, can be used with all kinds of algae containing red algae, preferably seaweed in (Laminaria), gambling (Pachymeniopis elliptica), room palette (Enteromorpha crinite) may be used wakame (Undaria pinnatifida), Sargassum (Sargassum fulvellum), kkosiraegi (Gracilaria verrucosa), fusiformis (Hizikia fusiforme) or agar (Gelidium amansii).

본 발명에 있어서, 상기 비브리오 종(Vibrio sp.)은 특별히 제한되지 않으나, 비브리오 하베이(Vibrio harveyi)를 이용하는 것이 가장 바람직하다. In the present invention, the Vibrio sp. Is not particularly limited, but Vibrio harveyi is most preferably used.

상기 비브리오 종(Vibrio sp.)을 이용한 호기성 발효는 해조류 건조중량 1.0 g당 3.0×107~ 4.0×107 CFU의 비브리오 종(Vibrio sp.)을 접종하고, 30~54시간 배양하는 것을 특징으로 한다. Aerobic fermentation using the Vibrio species (Vibrio sp.) Is characterized by inoculation of Vibrio species × 10 7 3.0 per seaweed dry weight of 1.0 g ~ 4.0 × 10 7 CFU (Vibrio sp.) , And 30 to 54 hours of incubation do.

상기 비브리오 종(Vibrio sp.)의 접종량 및 배양시간이 상기 범위를 벗어날 경우, 유기산 생산량이 낮아지는 문제점이 있다.
When the inoculation amount and incubation time of the Vibrio sp. Is out of the range, there is a problem that the organic acid production is lowered.

비브리오 하베이(Vibrio harveyi)에 의한 해조류의 호기성 발효가 완료되면, 혐기성 미생물로 혐기성 발효를 수행하는데 이때 휘발성 유기산이 생성된다.When the aerobic fermentation of algae by Vibrio harveyi is completed, anaerobic fermentation is performed with anaerobic microorganisms, where volatile organic acids are produced.

혐기성 발효란 산소가 거의 없는 무산소 상태에서 분해 가능한 유기물을 분해하는 과정을 말하며, 가수분해와 산발효를 거쳐 최종적으로 메탄으로 전환된다. 현재 혐기성 발효는 폐수 혹은 폐기물 처리와 동시에 메탄을 에너지로 회수하기 위하여 적용되고 있다. Anaerobic fermentation refers to the process of decomposing organic matter that can be decomposed in an oxygen-free state with little oxygen, and is finally converted to methane through hydrolysis and acid fermentation. Anaerobic fermentation is currently being applied to recover methane as energy at the same time as wastewater or waste treatment.

본 발명에 있어서, 혐기성 미생물은 특정 미생물로 한정되지 아니하며, 혐기성 조건하에서 유기산을 생성할 수 있는 모든 혐기성 미생물을 사용할 수 있다. 혐기성 조건에서, 유기물을 가수분해하고 유기산을 생성하는 균으로는 클로스트리디움 속(Clostridium sp.), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 셀레노모나스 루민티움(Selenomonas rumintium), 프로피오니박테리움 아라비노숨(Propionibacterium arabinosum), 부티리박테륨 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 락토바실루스 아밀로필루스(Lactobacillus amylophilus) 등을 예시할 수 있다.In the present invention, the anaerobic microorganism is not limited to a specific microorganism, and any anaerobic microorganism capable of producing an organic acid under anaerobic conditions may be used. Under anaerobic conditions, bacteria that hydrolyze organic matter and produce organic acids include Clostridium sp ., Acetobacterium woodii , Selenomonas rumintium , and Propionibacterium ara. Propionibacterium arabinosum , Butyribacterium methylotrophicum , Lactobacillus amylophilus and the like.

상기 혐기성 미생물은 통상 사용되는 소, 염소 등의 초식동물의 내장이나 분뇨, 메탄생산의 산발효조, 메탄 발효조, 음식물쓰레기 혐기소화조 등 유기물 분해 활성이 높은 곳에서 분리할 수 있다.The anaerobic microorganisms can be separated from a high organic matter decomposition activity such as organs or manure of herbivores such as cattle and chlorine, acid fermentation tanks for methane production, methane fermentation tanks, and food waste anaerobic digestion tanks.

상기 혐기성 미생물을 이용하여 혐기성 발효시, 배양액의 pH, 삼투압의 조절에 중요한 작용을 하는 무기염류를 첨가하는 것이 바람직하며, 무기염류로는 암모늄염, 칼슘염, 마그네슘염, 나트륨염 등을 예시할 수 있다. In the anaerobic fermentation using the anaerobic microorganism, it is preferable to add an inorganic salt which plays an important role in the control of the pH, osmotic pressure of the culture medium, and examples of the inorganic salts include ammonium salt, calcium salt, magnesium salt, sodium salt and the like. have.

혐기성 발효에 의하여 아세트산을 비롯하여 프로피온산, 부티르산 등의 유기산이 생성되며, 생성되는 유기산의 분포는 pH, 온도, 사용되는 해조류의 종류 등의 조건에 의하여 달라질 수 있다.By anaerobic fermentation, organic acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid are produced, and the distribution of the generated organic acids may vary depending on conditions such as pH, temperature, and the type of seaweed used.

일반적으로 혐기성 발효시 유기산이 생성됨과 동시에 이산화탄소와 수소도 함께 부산물로서 생성되는 것으로 알려져 있다. 생성되는 수소의 경우 활성탄, 제올라이트와 같은 흡착제로 불순물들을 제거하거나 적절한 분리막을 이용하여 고순도로 분리 가능하며, 분리된 수소는 후술하는 수소첨가반응에 사용될 수 있다. 다만 상기 유기산의 생성 후 메탄 생성균에 의하여 유기산이 메탄과 물로 분해되는 메탄생성과정이 진행될 수 있으나, 본 발명에서는 유기산을 얻는 것이 목적이므로 유기산으로부터 메탄으로의 추가적인 메탄생성과정을 억제하는 것이 바람직하다. 상기 메탄생성과정은 메탄발효 억제제를 배지 조성물에 첨가함으로써 억제될 수 있으며, 상기 메탄 발효 억제제로는 요오드포름(iodoform), 브로모포름 (bromoform), 브로모에탄술폰산 (bromoethanesulfonic acid) 등이 사용될 수 있다.
In general, anaerobic fermentation is known to produce organic acids and carbon dioxide and hydrogen together as by-products. In the case of generated hydrogen, impurities can be removed with an adsorbent such as activated carbon or zeolite or separated with high purity using an appropriate separator, and the separated hydrogen can be used in a hydrogenation reaction described later. However, the methane production process in which the organic acid is decomposed into methane and water by the methane-producing bacteria after the production of the organic acid may proceed, but it is preferable to suppress the further methane production process from the organic acid to methane because the present invention is to obtain an organic acid. The methane production process can be suppressed by adding a methane fermentation inhibitor to the medium composition, the methane fermentation inhibitor may be used, such as iodoform (bromoform), bromoethanesulfonic acid (bromoethanesulfonic acid) have.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

비교예 1 : 혐기성 발효에 의한 유기산의 생성 Comparative Example 1 Production of Organic Acid by Anaerobic Fermentation

각 해조류의 혐기성 발효에 의한 유기산 생성 정도를 확인하기 위하여 다음과 같이 실험을 진행하였다. 공기 중에서 건조된 해조류(다시마, 도박, 실파래)를 1 mm 정도의 크기로 분쇄하였다. 250mL 삼각플라스크에 분쇄한 해조류 1.0g (건조중량)을 넣고, 표 2와 같은 조성을 가진 무기염 용액 10mL을 첨가한 후, 증류수로 최종 부피를 100mL로 만든 후 pH 조절을 위하여, 칼슘카보네이트(CaCO3) 1.0g을 첨가하였다. 최종적으로 10분간 질소 가스로 폭기하여 용액 중의 산소를 제거하였다.In order to confirm the degree of organic acid generation by anaerobic fermentation of each seaweed, the experiment was carried out as follows. Seaweeds dried in air (kelp, gambling, green seaweed) were ground to a size of about 1 mm. Into a 250mL Erlenmeyer flask, 1.0g (dry weight) of crushed seaweed was added, 10mL of an inorganic salt solution having the composition shown in Table 2 was added, and the final volume was made to 100mL with distilled water, followed by calcium carbonate (CaCO 3 ) 1.0 g was added. Finally, the oxygen in the solution was removed by aeration with nitrogen gas for 10 minutes.

이 후 성남 폐수처리장의 혐기성 소화조 슬러지 상등액 10mL을 가한 후, 100 rpm으로 조정된 교반배양기에서 35℃, 5일간 배양하여 생성된 아세트산과 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등을 포함하는 총유기산의 양을 Biorad Aminex HPX-87H column을 이용하여 HPLC로 측정하였다.After adding 10 mL of anaerobic digester sludge supernatant from Seongnam wastewater treatment plant, the total amount of organic acid including acetic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, etc., produced by incubating for 5 days at 35 ° C. in a stirred incubator adjusted to 100 rpm was measured. It was measured by HPLC using HPX-87H column.

상기 사용된 혐기성 소화조의 슬러지 상등액에 우점종으로 포함된 미생물은 클로스트리디움 써모아세티쿰(Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 포르미코아세티쿰(Clostridium formicoaceticum), 클로스트리디움 써모오토트로피움(Clostridium thermoautotropium), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii) 및 셀레노모나스 루민티움(Selenomonas rumintium)이었다. 생성된 유기산의 양을 측정한 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The microorganism included as a dominant species in the sludge supernatant of the anaerobic digester used was Clostridium thermoaceticum , Clostridium formicoaceticum , Clostridium thermoautotropium ), Acetobacterium woodii and Selenomonas rumintium . The results of measuring the amount of organic acid produced are shown in Table 3 below.

성분ingredient 농도 (g/L)Concentration (g / L) 성분ingredient 농도 (g/L)Concentration (g / L) NH4HCO3 NH 4 HCO 3 2020 Na2MoO4.2H2ONa 2 MoO 4 .2H 2 O 0.10.1 KH2PO4 KH 2 PO 4 1010 CaCl2.2H2OCaCl 2 .2H 2 O 0.10.1 MgSO4.7H2OMgSO 4 .7H 2 O 1One MnSO4.7H2OMnSO 4 .7H 2 O 0.150.15 NaClNaCl 0.10.1 FeCl2 FeCl 2 0.0280.028 IodoformIodoform 0.10.1


1일(g/L)1 day (g / L) 3일(g/L)3 days (g / L) 5일(g/L)5 days (g / L)
아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 다시마Kelp 0.700.70 1.291.29 1.121.12 1.811.81 1.501.50 2.202.20 도박gambling 0.320.32 0.430.43 0.750.75 1.141.14 1.001.00 1.431.43 실파래Blue 0.700.70 0.900.90 1.051.05 1.271.27 1.231.23 1.331.33

실시예 1 : 호기성 발효 및 혐기성 발효에 의한 유기산 생산Example 1 Organic Acid Production by Aerobic Fermentation and Anaerobic Fermentation

먼저, Vibrio harveyi (ATCC 14126)를 25℃에서 48시간동안 호기성 조건에서 배양하였다. 배양액의 조성은 다음과 같다: Bactotryptone 5g/L, yeast extract 2.5g/L, glycerol phosphate 23.5g/L, NH4Cl 0.3g/L, MgSO4·7H2O 0.3 g/L, FeCl3 0.01g/L, CaCO3 1.0g/L, KH2PO4 3.0g/L, NaCl 30g/L. First, Vibrio harveyi (ATCC 14126) was incubated at 25 ° C. for 48 hours in aerobic conditions. The composition of the culture was as follows: Bactotryptone 5g / L, yeast extract 2.5g / L, glycerol phosphate 23.5g / L, NH 4 Cl 0.3g / L, MgSO 4 7H 2 O 0.3 g / L, FeCl 3 0.01g / L, CaCO 3 1.0g / L, KH 2 PO 4 3.0g / L, NaCl 30g / L.

공기 중에서 건조된 해조류(다시마, 도박, 실파래)를 1 mm 정도의 크기로 분쇄시키고, 250mL 삼각플라스크에 분쇄한 해조류 1.0g (건조중량) 및 증류수 100mL을 넣은 후, 약 3.3×107 CFU의 Vibrio harveyi (ATCC 14126)를 접종시키고, 48시간 호기성 조건에서 발효시켰다.The dried seaweeds (Kashima, gambling, green seaweed) dried in air are crushed to a size of about 1 mm, and 1.0 g (dry weight) of crushed seaweeds and 100 mL of distilled water are added to a 250 mL Erlenmeyer flask, and about 3.3 × 10 7 CFU Vibrio harveyi (ATCC 14126) was inoculated and fermented under aerobic conditions for 48 hours.

호기성 발효 후, 성남 하수처리장에서 발생하는 혐기성소화 슬러지를 호기성 발효액에 대하여 10% 부피비율로 접종하고, 비교예 1과 동일한 방법으로 혐기성 발효를 수행하였다. 배양 시간에 따라 배양액의 유기산 농도를 Biorad Aminex HPX-87H column을 이용하여 HPLC로 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. After aerobic fermentation, anaerobic digestion sludge generated in Seongnam sewage treatment plant was inoculated at 10% by volume with respect to aerobic fermentation broth, and anaerobic fermentation was carried out in the same manner as in Comparative Example 1. The organic acid concentration of the culture medium was measured by HPLC using a Biorad Aminex HPX-87H column according to the incubation time, and the results are shown in Table 4.


1일(g/L)1 day (g / L) 3일(g/L)3 days (g / L) 5일(g/L)5 days (g / L)
아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 다시마Kelp 3.503.50 4.084.08 3.703.70 3.393.39 3.183.18 4.204.20 도박gambling 1.531.53 1.891.89 2.232.23 3.043.04 2.002.00 2.202.20 실파래Blue 1.421.42 1.761.76 1.241.24 1.921.92 1.171.17 1.841.84

표 4로부터, 해조류의 혐기성 발효 전에 호기성 발효를 먼저 수행할 경우, 유기산의 생산성이 시료에 따라 약 2배까지 증가하는 것을 확인하였다.
From Table 4, it was confirmed that when aerobic fermentation was first performed before anaerobic fermentation of seaweeds, the productivity of organic acids increased by about two times depending on the sample.

실시예 2: 호기성 발효 균주의 선별Example 2: Screening of Aerobic Fermentation Strains

Vibrio harveyi (ATCC 14126) 대신에 Vibrio alginolyticus (ATCC 17749)를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 해조류를 발효시켰다. Vibrio harveyi, instead of (ATCC 14126), except that using a Vibrio alginolyticus (ATCC 17749) was fermented seaweed in the same manner as in Example 1.

Vibrio alginolyticus (ATCC 17749)는 해조류의 호기성 발효 전에 Peptone, 5.0g/L, yeast extract 1.0g/L, ferric citrate 0.1g/L, NaCl 19.45g/L, MgCl2 8.8g/L, Na2SO3 3.24g/L, CaCl2 ·2H2O 2.38g/L, KCl 0.55g/L, NaHCO3 0.16g/L, KBr 80mg/L, SrCl2 ·6H2O 57mg/L, H3BO3 22mg/L, Na2SiO3 ·5H2O 2.4 mg/L, NaF 57mg/L, NH4NO3 1.6mg/L, Na2HPO4 ·12H2O 20mg/L를 포함하는 배양액에서 30℃ 조건으로 48시간동안 호기성 조건에서 배양시켰다. Vibrio alginolyticus (ATCC 17749) contains Peptone, 5.0g / L, yeast extract 1.0g / L, ferric citrate 0.1g / L, NaCl 19.45g / L, MgCl 2 8.8g / L, Na 2 SO 3 before aerobic fermentation of seaweed. 3.24 g / L, CaCl 2 · 2H 2 O 2.38 g / L, KCl 0.55 g / L, NaHCO 3 0.16 g / L, KBr 80 mg / L, SrCl 2 · 6H 2 O 57 mg / L, H 3 BO 3 22 mg / L, Na 2 SiO 3 · 5H 2 O 2.4 mg / L, NaF 57mg / L, NH 4 NO 3 1.6mg / L, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O 20mg / L in a culture medium containing 30 mg 48 The cells were incubated in aerobic conditions for a period of time.

호기성 발효 후, 성남 하수처리장에서 발생하는 혐기성소화 슬러지를 호기성 발효액에 대하여 10% 부피비율로 접종하고, 비교예 1과 동일한 방법으로 혐기성 발효를 수행하였다. 배양 시간에 따라 배양액의 유기산 농도를 Biorad Aminex HPX-87H column을 이용하여 HPLC로 측정하고, 그 결과를 표 5에 나타내었다. After aerobic fermentation, anaerobic digestion sludge generated in Seongnam sewage treatment plant was inoculated at 10% by volume with respect to aerobic fermentation broth, and anaerobic fermentation was carried out in the same manner as in Comparative Example 1. The concentration of the organic acid in the culture medium was measured by HPLC using a Biorad Aminex HPX-87H column according to the incubation time, and the results are shown in Table 5.


1일(g/L)1 day (g / L) 3일(g/L)3 days (g / L) 5일(g/L)5 days (g / L)
아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 아세트산Acetic acid 총유기산Total Organic Acid 다시마Kelp 2.022.02 3.963.96 2.592.59 3.203.20 3.283.28 3.963.96 도박gambling 0.300.30 0.470.47 1.141.14 1.451.45 1.281.28 1.381.38 실파래Blue 1.011.01 1.191.19 1.501.50 1.591.59 1.481.48 1.841.84

표 5로부터, Vibrio alginolyticus 보다 Vibrio harveyi를 이용할 경우, 유기산 생성이 더 증가된 것을 알 수 있었다. 즉 같은 비브리오 속이어도 종에 따라서 해조류의 호기성 발효능의 차이가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
From Table 5, when using the Vibrio harveyi than Vibrio alginolyticus, it was found that the organic acid produced a further increase. That is, even in the same Vibrio genus, it was confirmed that there is a difference in the aerobic fermentation capacity of seaweed according to species.

실시예 3: 호기성 발효조건의 최적화Example 3: Optimization of Aerobic Fermentation Conditions

호기성 발효조건을 최적화하기 위하여, 발효시간과 접종액의 부피 비율의 영향을 조사하였다. 실험방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였고, 호기성 발효시간에 따른 휘발성 유기산의 생산량을 확인하여 도 1에 나타내었고, 호기성 발효시 접종액에 따른 휘발성 유기산의 생산량을 확인하여 도 2에 나타내었다.In order to optimize aerobic fermentation conditions, the effect of fermentation time and volume fraction of inoculum was investigated. Experimental method was carried out in the same manner as in Example 1, confirming the production of volatile organic acids according to the aerobic fermentation time is shown in Figure 1, and the production of volatile organic acids according to the inoculum during aerobic fermentation is shown in Figure 2.

도 1 및 2에 나타난 바와 같이, Vibrio harveyi (ATCC 14126)를 약 3.3×107 CFU로 접종하고, 48시간동안 발효시켰을 때, 가장 높은 유기산이 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
1 and 2, Vibrio harveyi (ATCC 14126) was inoculated at about 3.3 × 10 7 CFU and fermented for 48 hours, it was confirmed that the highest organic acid was produced.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (7)

(a) 해조류에 호기성 미생물인 비브리오 종(Vibrio sp.)를 첨가하고, 호기성 발효시키는 단계; 및
(b) 상기 호기성 발효된 해조류에 혐기성 미생물을 첨가하고, 혐기성 발효시켜 휘발성 유기산을 생산하는 단계를 포함하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
(A) adding aerobic microorganism Vibrio sp. to the seaweed, and aerobic fermentation; And
(b) adding anaerobic microorganisms to the aerobic fermented algae, and anaerobic fermentation to produce volatile organic acids.
제1항에 있어서, 상기 비브리오 종(Vibrio sp.)은 비브리오 하베이(Vibrio harveyi) 인 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
The method of claim 1, wherein the Vibrio sp. Is Vibrio harveyi .
제2항에 있어서, 상기 비브리오 하베이(Vibrio harveyi)는 비브리오 하베이(Vibrio harveyi) ATCC 14126인 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
3. The method of claim 2, wherein Vibrio Harvey (Vibrio harveyi) is a method of producing volatile organic acids from algae, characterized in that the Vibrio Harvey (Vibrio harveyi) ATCC 14126.
제1항에 있어서, 상기 호기성 발효는 해조류 건조중량 1g당 3.0×107 ~ 4.0×107 CFU의 비브리오 종(Vibrio sp.)을 접종하고, 30~54시간 배양하는 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
According to claim 1, wherein the aerobic fermentation is inoculated with Vibrio sp. ( Vibrio sp. ) Of 3.0 × 10 7 ~ 4.0 × 10 7 CFU per 1 g dry weight of seaweed, volatile from seaweeds, characterized in that incubated for 30 to 54 hours How to produce organic acid.
제1항에 있어서, 상기 혐기성 미생물은 클로스트리디움 써모아세티쿰(Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 포르미코아세티쿰(Clostridium formicoaceticum), 클로스트리디움 써모오토트로피움(Clostridium thermoautotropium), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 셀레노모나스 루민티움(Selenomonas rumintium), 프로피오니박테리움 아라비노숨(Propionibacterium arabinosum), 부티리박테륨 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum) 및 락토바실루스 아밀로필루스(Lactobacillus amylophilus)로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 미생물을 우점종으로 하는 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
The method of claim 1, wherein the anaerobic microorganisms are Clostridium thermoaceticum ( Clostridium thermoaceticum ), Clostridium formicoaceticum ( Clostridium formicoaceticum ), Clostridium thermoautotropium (Acetobacterium) Acetobacterium woodii , Selenomonas rumintium , Propionibacterium arabinosum , Butyribacterium methylotrophicum and Lactobacillus amylocillus amylous A method for producing volatile organic acids from seaweeds, characterized in that the dominant species is one or two or more microorganisms selected from the group consisting of.
제1항에 있어서, 상기 해조류는 갈조류, 홍조류 또는 녹조류인 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.
The method of claim 1, wherein the algae is brown algae, red algae or green algae.
제1항에 있어서, 상기 유기산은 아세트산, 프로피온산 및 부티르산을 포함하는 것을 특징으로 하는 해조류로부터 휘발성 유기산을 생산하는 방법.The method of claim 1 wherein the organic acid comprises acetic acid, propionic acid and butyric acid.
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