KR101396594B1 - 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 - Google Patents
식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101396594B1 KR101396594B1 KR1020130071831A KR20130071831A KR101396594B1 KR 101396594 B1 KR101396594 B1 KR 101396594B1 KR 1020130071831 A KR1020130071831 A KR 1020130071831A KR 20130071831 A KR20130071831 A KR 20130071831A KR 101396594 B1 KR101396594 B1 KR 101396594B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- bio
- colony
- biomass
- water
- plant biomass
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
- C12N1/38—Chemical stimulation of growth or activity by addition of chemical compounds which are not essential growth factors; Stimulation of growth by removal of a chemical compound
Abstract
본 발명은 식물 바이오매스를 이용하여 미생물의 성장을 촉진하고 에너지 공급원으로 최적화된 바이오 콜로니를 제조함으로써, 미생물에 의한 음식물 쓰레기, 생활 또는 산업 오·폐수 또는 폐기물 등의 유기물의 분해율과 처리 효율을 향상시킴으로써 환경 오염을 예방 또는 개선시키는 등의 효과를 갖는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법은 바이오매스를 원료로 하여 제조되되, 미생물의 에너지 공급원으로 활용되고 미세공 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법은 바이오매스 원료를 분류하고 세척, 건조 및 파쇄하는 전처리 S1 단계, S1 단계에서 얻어진 원료를 가수분해하는 S2 단계, S2 단계에서 얻어진 용액을 여과 및 농축하는 S3 단계, S3 단계에서 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균 및 농축하는 S4 단계 및 S4 단계에서 얻어진 최종 농축물을 숙성하고 건조하는 S5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법은 바이오매스 원료를 분류하고 세척, 건조 및 파쇄하는 전처리 S1 단계, S1 단계에서 얻어진 원료를 가수분해하는 S2 단계, S2 단계에서 얻어진 용액을 여과 및 농축하는 S3 단계, S3 단계에서 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균 및 농축하는 S4 단계 및 S4 단계에서 얻어진 최종 농축물을 숙성하고 건조하는 S5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 식물성 바이오매스를 이용하여 미생물의 성장을 촉진하고 에너지 공급원으로 최적화된 바이오 콜로니를 제조함으로써, 미생물에 의한 음식물 쓰레기, 생활 또는 산업 오·폐수 또는 폐기물 등의 유기물의 분해율과 처리 효율을 향상시키는 등의 효과를 갖는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법에 관한 것이다.
바이오매스(Biomass)는 에너지 전용의 식물과 산림수목, 농산물과 사료작물, 농산 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기 등의 산업폐기물, 기타 상기 폐기물에서 추출된 재생 가능한 유기물로 현재 에너지원으로 사용되고 있는 유기성 물질을 총칭한다.
각종 바이오매스로는 식물 바이오매스, 동물 바이오매스(소정의 동물 부산물, 동물 폐기물 등) 및 도시 쓰레기 바이오매스(제거된 금속 및 유리 등의 재활용가능한 것으로 주거 및 경공업의 상업적 쓰레기) 등으로 나누어질 수 있다.
상기 식물 바이오매스는 사실상 환경 친화적 기준에서 에너지에 이용가능한 소정의 식물 유래의 유기물(목재 혹은 비목재)을 의미한다. 식물 바이오매스는 옥수수 여물, 밀짚, 볏짚, 사탕수수 바가스 등의 농작물 폐기물 및 잔류물을 들 수 있지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한 식물 바이오매스는 나무, 목재 에너지 작물, 목재 폐기물 및 잔류물(예를들어, 나무껍질 폐기물, 톱밥, 종이/펄프 산업 폐증기, 목재 섬유) 등을 포함할 수 있다.
일반적으로 바이오매스는 직접적으로 사용되거나 또는 당 기술분야에서 알려진 통상의 방법들을 사용하여 예비 처리될 수 있다. 이러한 예비처리들은 화학적, 물리적 및 생물학적 예비처리들을 포함한다. 예로서, 물리적 예비처리 기술들은 각종 유형의 분쇄, 파쇄, 스팀처리/스팀 폭발, 방사선조사 및 수소화열분해(hydrothermolysis)를 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 화학적 예비처리 기술들은 희석 산, 알칼리 화제, 유기용매, 암모니아, 이산화황, 이산화탄소 및 pH-제어된 수소화열분해를 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 생물학적 예비처리 기술들은 리그닌-가용화 미생물의 적용을 포함하며, 이에 제한되지는 않는다.
한편, 바이오매스(biomass)의 주 성분들은 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스이다. 셀룰로오스는 보다 높은 차수의 섬유상 구조로 조직화되는 β-1,4-결합된 글루코오스 잔기들의 중합체들로 이루어진다. 헤미셀룰로오스들은 글루코시드성 결합 뿐 아니라 에스테르 결합들에 의해서도 서로 연결된 D-자일로오스, L-아라비노오스, D-만노오스, D-글루코오스, D-갈락토오스 및 4-O-메틸-D-글루쿠론산과 같은 글루코오스 외의 단당류를 포함하는 이종성다당류(heteropolysaccharides)이다. 헤미셀룰로오스의 조성 및 구조는 셀룰로오스보다 더욱 복잡하고, 각종 목질 식물종들, 풀 및 곡물들에 따라 정량적 및 정성적으로 다양할 수 있다.
상기 셀룰로오스는 글루코오스와 같은 당으로 전환될 수 있으며, 산업적 목적을 위해 세균, 효모 및 진균을 포함하는 수많은 미생물에 의해 에너지 공급원으로서 사용될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 식물, 동물 및 도시 쓰레기 유래의 폐기물을 그대로 바이오매스로서 이용할 수는 없으며, 그 폐기물에 특정한 처리를 실시할 필요가 있다. 예를 들어, 종래 유기성 폐기물을 발효 처리하는 과정에서 발생하는 암모니아, 아민 등의 악취 가스의 생물학적 처리법으로서, 특허문헌 1에 기재되는 특정한 미생물을 사용한 처리 방법이 알려져 있다. 특허문헌 1은, 바실루스·스미티 등의 미생물을 이용하여 암모니아 등의 악취 화합물을 동화시킴으로써 악취의 발생을 방지하는 방법을 개시한다.
그러나, 특허문헌 1에 개시되는 처리 방법에서는, 암모니아 등의 동화에 의한 처리 과정에 있어서 메탄 가스 및 일산화 2질소가 발생한다는 문제가 있었다. 공지된 질화 및 탈질법에 의해 악취의 발생을 방지하는 방법에서는, 적어도 2 종류의 질화균 및 1 종류의 탈질균의 합계 3 종류의 미생물과, 2 개의 처리조(혐기적 처리용 처리조, 및 호기적 처리용 처리조)가 필요하다는 문제가 있다. 또한, 질화균의 생육 속도는 매우 느리므로, 처리에 장시간을 필요로 한다는 문제도 있다.
이에, 바이오매스를 활용함에 있어 미생물을 성장을 촉진하고, 바이오매스를 에너지 공급원으로 사용하기 위한 최적의 조건 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물의 분해에 이용되는 독립영향 미생물에 유효 영양소를 제공하고, 이에 따라 미생물의 성장을 촉진시키며, 분해하고자 하는 유기물의 분해율 향상과 함께 처리 효율을 높이는 등의 효과를 갖는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적은, 식물성 바이오매스를 원료로 하여 제조되되, 미세공 구조를 갖고 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 식물성 바이오매스는 쌀, 보리, 콩, 흑미, 서리태, 대두, 밀, 조, 수수, 옥수수, 호밀, 볏짚, 밀짚, 옥수수속(corn cobs), 옥수수대(corn stover), 벼껍질, 종이 제품, 목재, 톱밥, 농업 폐기물, 잔디, 사탕수수 찌꺼기(bagasse), 면(cotten), 아마(flax), 대나무, 마닐라삼(abaca), 조류(algae), 과일껍질 및 해조류로 구성된 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 바이오 콜로니는 미생물의 성장을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 바이오 콜로니는 미생물의 동화작용을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 미세공 구조는 미생물의 서식지로 이용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 바이오 콜로니는 음식물 쓰레기, 오·폐수 또는 폐기물 중 적어도 어느 하나를 분해하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 바이오 콜로니는 바이오매스를 발효하여 에탄올, 메탄올, 수소, 디젤 중 적어도 어느 하나의 바이오 에너지를 생산하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적은 식물성 바이오매스 원료를 분류하고 세척, 건조 및 파쇄하는 전처리 S1 단계, S1 단계에서 얻어진 원료를 가수분해하는 S2 단계, S2 단계에서 얻어진 용액을 여과 및 농축하는 S3 단계, S3 단계에서 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균 및 농축하는 S4 단계 및 S4 단계에서 얻어진 최종 농축물을 숙성하고 건조하는 S5 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 바이오 콜로니 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, S1 단계는 식물성 바이오매스 원료를 10 이상 100㎜ 이하 크기로 균일하게 파쇄 및 절단하는 것을 특징으로 한다.
여기서, S2 단계의 가수분해는 1 이상 5% 이하의 과산화수소 용액을 이용하여 60 이상 80℃ 이하의 온도, 90 이상 100bar 이하의 고압, pH 4 이상 6 이하의 약산성 조건에서 8 내지 12 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, S3 단계는 가수분해 용액이 1 내지 10㎛ 세공 정밀여과막으로 0.01 MPa 운전 압력하에 분리 정제되어 여과수 및 농축수를 얻는 1 단계, 1단계의 농축수를 1000 내지 10000 Dalton 분리능의 한외여과로 0.01 MPa 운전압력하에 분리 정제하여 여과수 및 고농도 농축액비를 얻는 2단계 및 1단계의 여과수와 2단계의 여과수를 1㎚ 세공의 나노여과로 0.1MPa 운전압력하에 분리 정제하여 처리수 및 농축수를 얻는 3단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 3단계의 처리수는 방류 혹은 잡용수로 재이용되고, 3단계의 농축수는 1단계로 반송 회수되어 재이용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 1 내지 3단계를 진행함에 따라 상기 각 단계별 농축수를 건조한 분말의 입자 굵기가 작아지고 조밀도는 높아지며, 입자표면이 점성구조에서 가교형의 거칠기가 높은 미세공 구조로 변형되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, S4 단계는 S3 단계의 고농도 농축액비를 150 내지 200℃ 온도에서 3 내지 5시간 동안 교반 가열하여 최종 농축물을 얻는 것을 특징으로 한다.
여기서, S5 단계는 최종 농축물을 5 내지 10℃ 온도에서 15 내지 20일간 숙성하고 동결건조 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 위의 기재된 내용에 따라 바이오 콜로니가 제조되되, 바이오 콜로니는 미생물의 성장을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 바이오 콜로니는 음식물 쓰레기, 오·폐수 또는 폐기물 중 적어도 어느 하나를 분해하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 바이오 콜로니는 바이오매스를 발효하여 에탄올, 메탄올, 수소, 디젤 중 적어도 어느 하나의 바이오 에너지를 생산하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 식물 바이오매스를 이용하여 미생물의 성장을 촉진하고 에너지 공급원으로 최적화된 바이오 콜로니를 제조함으로써, 미생물에 의한 음식물 쓰레기, 생활 또는 산업 오·폐수 또는 폐기물 등의 유기물의 분해율과 처리 효율을 향상시키는 등의 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 콜로니를 이용하여 미생물의 성장을 촉진시킴으로써, 바이오 에너지 생산을 위한 미생물 발효 촉진 및 깨끗한 바이오 에너지 생산량 증가 등의 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 콜로니 제조방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 S3 단계의 세부 공정도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x80) 실험 결과이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x1000) 실험 결과이다.
도 5a, 5b, 5c 및 5d는 본 발명에 따른 시료의 함량분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명에 따른 시료의 지방 성분에 대한 함량비 분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 시료별 미생물 생장 비교 실험 그래프이다.
도 2는 본 발명의 S3 단계의 세부 공정도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x80) 실험 결과이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x1000) 실험 결과이다.
도 5a, 5b, 5c 및 5d는 본 발명에 따른 시료의 함량분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명에 따른 시료의 지방 성분에 대한 함량비 분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 시료별 미생물 생장 비교 실험 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
본 발명은 독립영양 미생물의 에너지 공급원으로 활용되어 미생물의 동화작용이 활발하게 일어나도록 촉진시킬 수 있는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바이오 콜로니는 미세공 구조로 형성되어 미생물 서식지를 제공할 수 있으며, 미생물의 성장을 촉진시킬 수 있다.
여기서, 상기 미생물은 음식물 쓰레기, 생활 또는 산업 오·폐수 및 폐기물 등의 처리에 이용될 수 있는 것으로, 상기 유기물을 분해하여 환경 오염을 줄이는데 이용될 수 있다. 바이오 콜로니 및 미생물을 이용하여 분해하는 유기물은 상기에 기재된 것들에 한정되지 않으며, 미생물을 이용하여 환경 오염을 예방 및 개선하는 모든 분야에 적용 가능하다.
또한 상기 미생물은 에너지원으로 활용되는 바이오매스를 발효하여 에탄올, 메탄올, 수소 및 디젤과 같은 바이오 에너지를 생산하는 것일 수 있다. 상기 바이오 에너지는 미생물 발효에 의해 얻어지는 것으로 상기에 기재된 것들에 한정되지는 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 바이오 콜로니는 미생물 성장 및 활성을 촉진시킬 수 있는 유효 영양소, 탄수화물, 단백질, 지방, 핵산, 호르몬 등과 같은 유효 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 바이오 콜로니 제조에 활용되는 바이오매스 원료는 쌀, 보리, 콩, 흑미, 서리태, 대두, 밀, 조, 수수, 옥수수, 호밀, 볏짚, 밀짚, 옥수수속(corn cobs), 옥수수대(corn stover), 벼껍질, 종이 제품, 목재, 톱밥, 농업 폐기물, 잔디, 사탕수수 찌꺼기(bagasse), 면(cotten), 아마(flax), 대나무, 마닐라삼(abaca), 조류(algae), 과일껍질 및 해조류 등으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다. 또한 바이오매스 원료는 실시자에 의해 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
다음의 설명은 본 발명에 따른 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 콜로니 제조방법의 공정도이다.
도 1의 바이오 콜로니의 제조방법은 크게 5 단계로 구성된다.
먼저, 바이오 콜로니를 제조하기 위한 바이오매스 원료를 분류하고 세척, 건조 및 파쇄하는 전처리 S1 단계, 전처리 된 바이오매스 원료를 가수분해하는 S2 단계, 가수분해하여 얻어진 용액을 여과 및 농축하는 S3 단계, 농축을 통해 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균 및 최종 농축하는 S4 단계 및 상기 최종 농축물을 숙성하고 건조하는 S5 단계의 공정 단계로 구성된다.
상기 S1 단계는 쌀, 보리, 및, 조, 수수, 옥수수 및 호밀과 같은 바이오매스 원료를 탄수화물, 지방, 단백질 곡물로 분류하는 과정을 포함할 수 있다. 이와 같이 분류된 바이오매스 원료의 불순물을 제거하고 성상 균질화를 위하여 수돗물로 1 내지 2시간 동안 살수 세척을 진행한다. 또한, 바이오매스 원료를 원료가 가진 특성 및 성질에 따라 10 이상 100㎜ 이하 크기로 균일하게 파쇄 및 절단하여 준비할 수 있다.
본 발명에서 바이오매스를 분쇄하는 공정은 당업계에 공지된 다양한 방법으로 물리적으로 잘게 부수는 예컨대, 전단(shearing), 밀링(milling) 또는 그라인딩방법을 포함하고, 밀, 나이프 커터 또는 믹서기를 이용하여 바이오매스를 분쇄할 수 있다.
상기 S2 단계는 상기 S1 단계에서 준비된 바이오매스 원료를 가수분해하는 단계이다. 상기 가수분해는 1 이상 5% 이하의 과산화수소 용액을 이용하여 교반을 통해 반응시킬 수 있다. 또한, 60℃ 이상 80℃ 이하의 온도, 90 이상 100bar 이하의 압력, pH 4 이상 6 이하의 약산성 조건에서 8 내지 12 시간 동안 진행될 수 있다. 상기의 조건은 바이오매스 원료를 충분히 가수분해하기 위한 조건이며, 원료에 따라 상기 범위 내에서 조절이 가능하다.
상기 S3 단계는 상기 S2 단계에서 얻어진 가수분해 용액을 분리, 여과, 정제 및 농축하는 단계로, 도 2에 의해 설명될 수 있다.
도 2는 본 발명의 S3 단계의 세부 공정도이다.
도 2를 보다 구체적으로 설명하면, 하기의 설명과 같이 3 단계로 나누어 구성될 수 있다.
첫째로, 1 단계는 상기 S2의 가수분해 용액으로 가수분해하여 얻은 바이오매스 용액을 1 내지 10㎛ 세공 정밀여과막(Microfiltration Membrane, MF)에 넣고, 0.01 MPa 운전 압력하에 분리 정제한다. 이때의 분리 정제는 격자흐름 방식으로 3 내지 5시간 동안 진행할 수 있으며, 1 단계를 통해 여과수와 농축수를 얻을 수 있다.
다음으로 2 단계는, 상기 1단계에서 얻은 농축수를 1000 내지 10000 Dalton 분리능의 한외여과(Ultrafiltration Membrane, UF)로 0.01 MPa 운전압력하에 분리 정제한다. 이때의 분리 정제는 격자흐름 방식으로 10 내지 15시간 동안 진행할 수 있으며, 2 단계를 통해 여과수 및 고농도 농축액비를 얻을 수 있다.
상기 2 단계의 한외여과는 Polysulfonate 또는 Polyvinyl alcohol 재질이 바람직하다.
마지막으로 3 단계는, 상기 1단계의 여과수와 상기 2단계의 여과수를 1㎚ 세공의 나노여과(Nanofiltration Membrane, NF)로 0.1MPa 운전압력하에 분리 정제될 수 있다. 상기 3 단계는 Polysulfonate 또는 Polyvinyl alcohol 재질, 공칭 탈염율 30% 내외의 나노여과를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 격자흐름 방식으로 5 내지 10시간 동안 처리할 수 있으며, 이를 통해 처리수 및 농축수를 얻을 수 있다.
상기 3단계의 처리수는 방류 혹은 잡용수로 재이용되고, 상기 3단계의 농축수는 상기 1단계로 반송 회수되어 분리 정제에 재이용될 수 있다.
한편, 2 단계에서 얻어진 고농도 농축액비는 바이오 콜로니 제조방법 공정의 S4 단계로 진행된다.
도 1의 S4 단계는 상기 S3 단계에서 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균하여 최종 농축하는 과정이다. 이때 150 내지 200℃ 온도에서 3 내지 5시간 동안 교반 가열하여 최종 농축물을 얻을 수 있다.
마지막으로 S5 단계는 숙성 및 건조하는 단계이다. 상기 S4의 최종 농축물을 무균 항온실에서 5 내지 10℃ 온도로 15 내지 20일간 숙성하고, 0℃ 이하의 냉장고에서 동결건조 할 수 있다. 이렇게 얻어진 바이오 콜로니는 무균팩에 넣어져 보관될 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 바이오 콜로니 제조
하기 표 1의 곡물 혼합물을 수돗물로 2시간 세척한 뒤 건조 및 고액분리를 하였다. 건조된 곡물 혼합물을 파쇄 분쇄조에 넣어 10 내지 100㎜ 크기로 파쇄/절단하였다.
하기의 표 1에는 곡물 혼합물의 종류와 함량을 나타내었다.
| 구분 | 투입량(g) | 함량(%) |
| 옥수수 분말 | 400 | 16 |
| 쌀겨(부산물) | 350 | 14 |
| 완두콩 분말 | 350 | 14 |
| 겉보리 분말 | 300 | 12 |
| 찰보리 분말 | 300 | 12 |
| 쌀가루 | 300 | 12 |
| 흑미 분말 | 200 | 8 |
| 서리태 분말(검정콩) | 150 | 6 |
| 대두 분말( 두부콩 ) | 150 | 6 |
| 합계 | 2500 | 100 |
파쇄된 원료 1000g을 교반 반응 용기에 넣고, 5% 과산화수소 수용액(성광제약(주)) 1L를 주입하여 가수분해하였다. 이때의 가수분해는 온도 80℃, 압력 100bar, pH 6의 조건에서 12 시간 동안 교반 반응하였다.
가수분해가 완료되면, 일부를 샘플링하여 보관하고 나머지 용액을 정밀여과막 분리 농축조로 옮기고 분리 정제를 진행하였다. 1 단계 분리 정제에서는 상기 용액을 10㎛ 세공 정밀여과막에 넣고, 0.01 MPa 운전 압력하에 5시간 동안 분리 정제하였다. 1 단계를 통해 얻은 여과수와 농축수의 일부를 샘플링하여 보관하였다.
다음으로, 1 단계에서 얻은 농축수를 10000 Dalton 분리능의 한외여과로 0.01 MPa 운전압력하에 15시간 동안 분리 정제하였다. 2 단계를 통해 얻은 여과수 및 고농도 농축액비를 샘플링하여 보관하였다.
마지막 3 단계에서, 1단계의 여과수와 2단계의 여과수를 1㎚ 세공의 나노여과로 0.1MPa 운전압력하에 10시간 동안 분리 정제하였다. 3 단계를 통해 처리수 및 농축수를 얻을 수 있었으며, 일부를 샘플링하여 보관하였다.
상기 2 단계에서 얻은 고농도 농축액비를 200℃ 고온 교반기에 넣어 5시간 동안 교반 가열을 통해 멸균처리하였다. 또한 함수율 10% 이하가 되도록 최종 농축을 진행하였다.
최종 농축을 통해 얻은 농축액을 10℃ 무균 항온실에서 20일 동안 인큐베이션하여 숙성하였다. 숙성이 완료된 최종 산물을 -5℃ 이하의 무균 냉장실에서 동결 건조하고, 무균팩에 포장하여 5℃에서 보관하였다.
[
실시예
2] 미생물 생장 비교
미생물 생장 비교는 ATP(Adenosine tri phosphate) 측정을 통해 확인하였다.
ATP 측정은 DKK TOA사의 AF-50을 사용하여 측정하였다.
측정 시료는 곡물 혼합물을 가수분해한 후 샘플링한 시료(3a), 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3b), 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3c) 및 최종 농축액을 사용하였다.
각각의 측정 시료 1g을 1% 황산 용액 10㎖에 용해시키고, 증류수로 100배 희석한 다음, 용액의 상등수 200㎕를 샘플링하여 ATP를 측정하였다.
[
실험예
1] 표면분석 비교
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x80) 실험 결과이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명에 따른 시료의 표면분석(x1000) 실험 결과이다.
도 3a 및 4a는 곡물 혼합물을 가수분해한 후 샘플링한 시료이고, 3b 및 4c는 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료이며, 3c 및 4c는 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료이다. 각각의 시료를 고온멸균 및 최종 농축하여 동결 건조 후 SEM 전자주사현미경(Hitachi Co, Hitachi siroganecho, Japan, S2380N)으로 분석하였다.
각각 시료의 입자 굵기를 살펴보면 3a는 500~1000㎛, 3b는 50~100㎛ 및 3c는 10~100㎛로 농축 단계를 더 많이 진행할수록 입자 굵기가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
또한 입자의 표면 거칠기를 살펴보면 4a는 곡물계 유지질의 전형적인 점성 구조를 보이고, 4b는 1차 분리정제 후의 표면이 안정화된 구조를 보이며 불순물이 제거되었다. 4c는 높은 조밀도의 거친 구조로 재구성되었음을 확인할 수 있었다.
따라서, 농축단계를 2 단계로 진행함에 따라 입자 굵기가 작아지고 조밀도가 높아지며, 입자 표면이 일반 곡물계 점성구조에서 가교형, 거칠기가 높아짐으로써 미생물 서식이 유리한 미세공 구조로 변형되는 것을 확인할 수 있었다.
[
실험예
2] 유효 영양소 함량
유효 영양소 함량 비교는 곡물 혼합물을 가수분해한 후 샘플링한 시료(3a), 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3b), 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3c) 및 최종 농축액을 동결 건조한 시료 샘플 각각을 분석하였다.
각각의 시료를 영양소군, 당류, 미네랄 및 기타 성분으로 나누어 분석하였으며, 하기의 표 2와 같은 결과를 얻었다.
하기의 표 2에는 함량분석 결과를 나타내었다.
| 구분 | 3a | 3b | 3c | 최종농축액 | |
| 열량(kcal) | 388.20 | 371.20 | 365.70 | 369.30 | |
| 영양소 | 탄수화물(g) | 75.90 | 82.30 | 80.50 | 81.50 |
| 단백질(g) | 15.40 | 9.96 | 10.30 | 10.40 | |
| 지방(g) | 2.56 | 0.23 | 0.29 | 0.18 | |
| 당류 | fructose(g) | 0.40 | 0.60 | 1.40 | 0.80 |
| sucrose(g) | 3.30 | 4.10 | 7.20 | 7.00 | |
| inositol(g) | 5.50 | 8.50 | 11.10 | 12.50 | |
| 당류계 | 9.20 | 13.20 | 19.70 | 20.30 | |
| 미네랄 | 나트륨(㎎) | 26.1 | 54.6 | 57.3 | 55.6 |
| 칼슘(㎎) | 88.5 | 93.6 | 95.7 | 91.8 | |
| 철(㎎) | 4.9 | 2.01 | 2.25 | 2.11 | |
| 기타 | 수분(g) | 3.31 | 2 | 3.21 | 2.2 |
| 회분(g) | 2.86 | 5.49 | 5.72 | 5.68 | |
| 포화지방산(g) | 0.49 | 0.07 | 0.11 | 0.05 | |
| 트랜스지방(g) | 0 | 0 | 0 | 0 | |
도 5a, 5b, 5c 및 5d는 본 발명에 따른 시료의 함량분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 5a는 각 시료의 열량 분석 결과이고, 도 5b는 탄수화물, 지방 및 단백질의 영양소 함량 분석 결과이다. 또한, 도 5c는 fructose, sucrose, inositol 및 당류계의 함량 분석 결과이고, 5d는 나트륨, 칼슘 및 철의 함량 분석 결과이다.
각각 시료의 함량 분석 결과를 살펴보면, 유효 영양소 및 미네랄은 최종 농축액까지 함량이 유지되는 것을 확인할 수 있으며 당류는 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
[
실험예
3] 지방 성분에 대한 함량비 비교
지방 성분에 대한 함량비 비교는 곡물 혼합물을 가수분해한 후 샘플링한 시료(3a), 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3b), 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3c) 및 최종 농축액으로 진행하였다.
각 샘플의 지방성분에 대한 열량, 영양소, 미네랄 성분비를 하기의 표 3에 기재하였다.
하기의 표 3에는 지방 성분에 대한 함량비 결과를 나타내었다.
| 구분 | 3a | 3b | 3c | 최종농축액 | |
| 열량(kcal) | 151.64 | 1613.91 | 1261.03 | 2051.67 | |
| 영양소 | 탄수화물(g) | 29.65 | 357.83 | 277.59 | 452.78 |
| 단백질(g) | 6.02 | 43.30 | 35.52 | 57.78 | |
| 지방(g) | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | |
| 당류 | fructose(g) | 0.16 | 2.61 | 4.83 | 4.44 |
| sucrose(g) | 1.29 | 17.83 | 24.83 | 38.89 | |
| inositol(g) | 2.15 | 36.96 | 38.28 | 69.44 | |
| 당류계 | 3.59 | 57.39 | 67.93 | 112.78 | |
| 미네랄 | 나트륨(㎎) | 10.20 | 237.39 | 197.59 | 308.89 |
| 칼슘(㎎) | 34.57 | 406.96 | 330.00 | 510.00 | |
| 철(㎎) | 1.91 | 8.74 | 7.76 | 11.72 | |
| 기타 | 수분(g) | 1.29 | 8.70 | 11.07 | 12.22 |
| 회분(g) | 1.12 | 23.87 | 19.72 | 31.56 | |
| 포화지방산(g) | 0.19 | 0.30 | 0.38 | 0.28 | |
| 트랜스지방(g) | - | - | - | - | |
도 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명에 따른 시료의 지방 성분에 대한 함량비 분석 결과를 도시화한 그래프이다.
도 6a는 각 시료의 열량비 분석 결과이고, 도 6b는 탄수화물, 지방 및 단백질의 함량비 분석 결과이다. 또한, 도 6c는 fructose, sucrose, inositol 및 당류계의 함량비 분석 결과이고, 6d는 나트륨, 칼슘 및 철의 함량비 분석 결과이다.
각각 시료별 지방 성분에 대한 함량비 분석 결과, 농축 단계가 진행됨에 따라 물질 농도비가 높아지며 미생물 활동도 높일 수 있는 유리한 바이오 콜로니 성분을 나타내는 것으로 확인되었다. 가수분해액(3a) 대비 최종 농축액의 지방 성분에 대한 비율이 열량은 13.5배, 탄수화물은 15.3배, 단백질 9.6배, 당류계 31.4배, 나트륨 30.3배, 칼슘 14.8배 및 철분 6.1배로 증가되었음을 확인하였다.
따라서, 농축 단계가 진행됨에 따라 열량, 영양소, 미네랄 성분비가 상승되고, 이에 미생물의 활동에 유효한 비율로 효소가 제조되는 것을 확인하였다.
[
실험예
4] 미생물 생장 비교
미생물 생장 비교는 곡물 혼합물을 가수분해한 후 샘플링한 시료(3a), 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3b), 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3c) 및 최종 농축액을 이용하여 미생물 생장 특성을 비교하였다.
미생물 생장 비교는 ATP를 측정하여 비교하였다.
도 7은 본 발명에 따른 시료별 미생물 생장 비교 실험 그래프이다.
ATP 측정 결과, 가수분해한 후 샘플링한 시료(3a)는 18 pmol/L, 정밀여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3b)는 42 pmol/L, 한외여과 후 얻은 농축수의 샘플링 시료(3c)는 40 pmol/L 및 최종 농축액은 53 pmol/L로, 최종 농축액의 ATP가 가장 높았다.
이는 실험예 2 내지 3과 비교하여 열량, 영양소, 미네랄 성분비가 상승한 실험과 상관성 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
S1. 전처리 단계 S2. 가수분해 단계
S3. 여과 및 농축 단계 S4. 고온 농축 단계
S5. 숙성 및 건조 단계
S3. 여과 및 농축 단계 S4. 고온 농축 단계
S5. 숙성 및 건조 단계
Claims (18)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 식물성 바이오매스 원료를 분류하고 세척, 건조 및 파쇄하는 전처리 S1 단계;
상기 S1 단계에서 얻어진 원료를 가수분해하는 단계로서, 1 이상 5% 이하의 과산화수소 용액을 이용하여 60 이상 80℃ 이하의 온도, 90 이상 100bar 이하의 고압, pH 4 이상 6 이하의 약산성 조건에서 8 내지 12 시간 동안 진행되는 S2 단계;
상기 S2 단계에서 얻어진 용액을 여과 및 농축하는 S3 단계;
상기 S3 단계에서 얻어진 고농도 농축액비를 고온 멸균 및 농축하는 S4 단계; 및
상기 S4 단계에서 얻어진 최종 농축물을 숙성하고 건조하는 S5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 S1 단계는 상기 식물성 바이오매스 원료를 10 이상 100㎜ 이하 크기로 균일하게 파쇄 및 절단하는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 삭제
- 제 8항에 있어서,
상기 S3 단계는,
상기 가수분해 용액이 1 내지 10㎛ 세공 정밀여과막으로 0.01 MPa 운전 압력하에 분리 정제되어 여과수 및 농축수를 얻는 1 단계;
상기 1단계의 농축수를 1000 내지 10000 Dalton 분리능의 한외여과로 0.01 MPa 운전압력하에 분리 정제하여 여과수 및 고농도 농축액비를 얻는 2단계; 및
상기 1단계의 여과수와 상기 2단계의 여과수를 1㎚ 세공의 나노여과로 0.1MPa 운전압력하에 분리 정제하여 처리수 및 농축수를 얻는 3단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 11항에 있어서,
상기 3단계의 처리수는 방류 혹은 잡용수로 재이용되고, 상기 3단계의 농축수는 상기 1단계로 반송 회수되어 재이용되는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 삭제
- 제 8항에 있어서,
상기 S4 단계는 상기 S3 단계의 고농도 농축액비를 150 내지 200℃ 온도에서 3 내지 5시간 동안 교반 가열하여 최종 농축물을 얻는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 S5 단계는 상기 최종 농축물을 5 내지 10℃ 온도에서 15 내지 20일간 숙성하고 동결건조 하는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
상기 바이오 콜로니는 미생물의 성장을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 16항에 있어서,
상기 바이오 콜로니는 음식물 쓰레기, 오·폐수 또는 폐기물 중 적어도 어느 하나를 분해하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법. - 제 16항에 있어서,
상기 바이오 콜로니는 바이오매스를 발효하여 에탄올, 메탄올, 수소, 디젤 중 적어도 어느 하나의 바이오 에너지를 생산하는 미생물의 에너지 공급원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130071831A KR101396594B1 (ko) | 2013-06-21 | 2013-06-21 | 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130071831A KR101396594B1 (ko) | 2013-06-21 | 2013-06-21 | 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101396594B1 true KR101396594B1 (ko) | 2014-05-20 |
Family
ID=50894564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130071831A KR101396594B1 (ko) | 2013-06-21 | 2013-06-21 | 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101396594B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101155306B1 (ko) | 2009-10-07 | 2012-06-12 | 서울대학교산학협력단 | 유기용매 전처리에 의한 바이오매스에 대한 효소가수분해 개선방법 |
-
2013
- 2013-06-21 KR KR1020130071831A patent/KR101396594B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101155306B1 (ko) | 2009-10-07 | 2012-06-12 | 서울대학교산학협력단 | 유기용매 전처리에 의한 바이오매스에 대한 효소가수분해 개선방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Velásquez-Riaño et al. | Production of bacterial cellulose from alternative low-cost substrates | |
| Negro et al. | The biorefinery concept for the industrial valorization of residues from olive oil industry | |
| US20170226535A1 (en) | Specialized Activated Carbon Derived From Pretreated Biomass | |
| US6835560B2 (en) | Process for ozonating and converting organic materials into useful products | |
| EP3480217A1 (en) | Processing biomass | |
| JP2019117798A (ja) | 燃料電池に用いるためのバイオマスの加工 | |
| CN103620042A (zh) | 消化有机物质的方法 | |
| Schimpf et al. | Industrial by-products from white-rot fungi production. Part II: Application in anaerobic digestion for enzymatic treatment of hay and straw | |
| Almaraz-Sánchez et al. | Processing agroindustry by-products for obtaining value-added products and reducing environmental impact | |
| CN109790556A (zh) | 一种微生物共培养制备生物质单体的系统 | |
| KR20210151343A (ko) | 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 효소 및 그 제조방법 | |
| EP3469086B1 (en) | Process for treating and generating energy from biomasses | |
| KR101396594B1 (ko) | 식물성 바이오매스를 이용한 바이오 콜로니 제조방법 | |
| Edor et al. | Cellulase activity of Aspergillus niger in the biodegradation of rice husk | |
| Mishra et al. | Comparative pretreatment method for efficient enzymatic hydrolysis of Salvinia cucullata and sewage treatment in ponds containing this biomass | |
| CN102010883A (zh) | 一种利用造纸污泥生产燃料乙醇的方法 | |
| Kassim et al. | Enzymatic saccharification of dilute alkaline pre-treated microalgal (Tetraselmis suecica) biomass for biobutanol production | |
| JP2014090707A (ja) | リグノセルロース含有バイオマスの酵素糖化処理方法及びリグノセルロース含有バイオマスからのエタノール製造方法 | |
| Ghasemzadeh et al. | Analysis of biological pretreatment of rapeseed straw with white rot fungi for enzymatic hydrolysis | |
| CN107815472B (zh) | 一种利用秸秆清洁制备车用燃料乙醇的方法 | |
| Vassilev et al. | Plant lignocellulose and decomposition by fungi: from nature to industrial use | |
| JP6528928B2 (ja) | リグノセルロース系原料からのエタノール製造方法 | |
| KR20220154443A (ko) | 곡물계 바이오매스를 이용한 유기물 분해 미생물 담체 제조방법 | |
| KR101254662B1 (ko) | 그물말과 조류 바이오매스로부터 글루코오스 고함유 당화액의 제조방법 | |
| JP2014132052A (ja) | 燃料組成物 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| A302 | Request for accelerated examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170512 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |