KR101454856B1

KR101454856B1 - 효모를 이용한 에탄올의 제조방법

Info

Publication number: KR101454856B1
Application number: KR1020140031032A
Authority: KR
Inventors: 류희규
Original assignee: 류희규
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-10-28
Also published as: WO2015141942A1; US20160376612A1; AU2015232307A1

Abstract

본 발명에 따른 에탄올의 제조방법은 발효원료를 가열하는 증자공정;
상기 증자된 발효원료에 조효소를 투입하고 당화하는 당화공정; 및
상기 당화된 발효원료에 혼합 균주 배양액을 투입하여 발효시키는 발효공정을 포함하며,
상기 혼합 균주 배양액은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액인 것을 특징으로 하여,
잡균의 생장을 저해시킴으로써, 효모의 생장, 생육 및 발효 수율을 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 순수-알코올의 생성비율이 높아 불순물의 증류비용을 절감하는데도 효과적이다.

Description

효모를 이용한 에탄올의 제조방법{Method for producing ethanol using the yeast}

본 발명은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액을 발효과정에서 투입하여 생산 수율이 향상된 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 에탄올 발효공정은 내당성 또는 내온도 등의 특성을 가지는 한 종류의 효모를 사용함으로써 최적의 발효 조건을 찾거나, 수율의 향상에 효과적인 효모를 발효에 사용하는 것에 중점을 두었으나, 최근에는 발효원료 내에 존재하는 잡균(오염균)에 의한 문제점을 제거하기 위한 노력이 확산되고 있다.

더욱 상세하게는, 전술한 잡균은 발효 시 효모의 생장을 늦추며, 이는 에탄올 생산 수율에 저해를 가져올 뿐만 아니라 막대한 원료손실로 이어지므로 금전적인 손실 및 추후 발효에 관여하지 못한 당 등으로 인하여 최종 폐수처리과정에서도 추가비용이 발생하는 문제점을 나타낸다. 구체적으로 전술한 잡균을 제거하기 위하여 발효과정 중 고온스팀에 의한 살균 및 청소 등을 실시하고, 발효탱크, 주모탱크, 당화조, 증자기 및 수송관 등을 청결하게 유지하고 있으나, 발효원료인 현미, 백미 등은 보관 중 외부공기와 접촉되므로 교차 오염의 가능성이 커지게 된다. 또한, 주로 사용되는 타피오카, 고구마 등의 땅속 열매전분 발효원료는 쉽게 썩거나 수분증가로 인하여 오염확률의 상승으로 물로 씻어서 보관할 수 없고 일정량의 흙이 묻어 있으므로 원료 수급단계에서 오염된다. 뿐만 아니라 현미, 백미 등도 원료수급의 사정상 장시간 보관되거나 계절에 관계없이 장기간 외부 방치됨으로써, 곡물 자체의 외부에 미생물들이 많이 분포하고 번식해 있는 실정이다. 이러한 미생물들은 효모와 비슷한 생장온도, pH, 혐기성 및 호기성을 가지므로 번식하기 쉬운 환경에 노출되어 있으며, 단백질 분해성균들을 포함하여 술 맛을 변화시키는 주요인으로도 작용하여 문제가 제기되고 있다.

대한민국특허 공개공보[특1988-0005273]에는 항생제를 직접 투입하여 잡균 및 오염균을 차단하여 생산성을 향상시키는 것을 제안하고 있으나, 발효 시작 전에 투입될 경우, 항생제 남용의 요인이 되며, 중간생산단계에서는 발생한 이산화탄소는 압력이 1~2kgf/㎠(0.1~0.2 Mpa)정도로 발효 말기까지 유지되어 중간 생산단계의 오염상태가 확인이 되더라도 고압 상태에서는 항생제 투입이 매우 어려우며 오염원 처리 방법이 전무한 실정이다.

본 발명의 목적은 잡균의 생장을 저해시켜 효모의 생장, 생육 및 발효 수율을 향상시키는데 효과적인 에탄올의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 양상은 발효원료를 가열하는 증자공정,

상기 증자된 발효원료에 조효소를 투입하고 당화하는 당화공정 및

상기 당화된 발효원료에 혼합 균주 배양액을 투입하여 발효시키는 발효공정을 포함하며,

상기 혼합 균주 배양액은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액인 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 발효원료는 전분인 것이 바람직하다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 증자공정은 발효원료를 80~110℃의 온도로 1~5시간 동안 가열하는 것이 바람직하다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 조효소는 글루코아밀라제 또는 알파아밀라제 이거나 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 발효공정은 30~40℃의 온도에서 10시간 ~5일 동안 발효시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 에탄올의 제조방법은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액을 발효과정에서 투입함으로써, 잡균의 생장을 저해하여 효모의 생장, 생육 및 발효 수율을 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낸다.

또한, 순수-알코올의 생성비율이 높아 불순물의 제거를 위한 증류비용을 절감하는데도 효과적이다.

도 1은 실시예를 통해 제조되는 에탄올의 발효 경과시간에 따른 변화를 관찰한 현미경 사진이다.
도 2는 비교예 1을 통해 제조되는 에탄올의 발효 경과시간에 따른 변화를 관찰한 현미경 사진이다.
도 3은 실시예를 통해 제조된 에탄올의 순수-알코올 생성비율을 가스크로마토그래피를 이용하여 측정한 결과이다.
도 4는 비교예 1을 통해 제조된 에탄올의 순수-알코올 생성비율을 가스크로마토그래피를 이용하여 측정한 결과이다.
도 5는 비교예 2를 통해 제조된 에탄올의 순수-알코올 생성비율을 가스크로마토그래피를 이용하여 측정한 결과이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 에탄올의 제조방법은 발효원료를 가열하는 증자공정, 전술한 증자된 발효원료에 조효소를 투입하고 당화하는 당화공정 및 전술한 당화된 발효원료에 혼합 균주 배양액을 투입하여 발효하는 발효공정을 포함하며, 전술한 혼합 균주 배양액은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액인 것을 특징으로 한다.

전술한 증자공정은 발효원료를 80~110℃의 온도로 1~5시간 동안 가열하여 증자하는 것이 바람직한데, 80℃ 미만으로 가열하면 효소 활성의 적정 온도가 유지되지 않으며, 오염균에 대한 살균의 효과가 저하되고, 110℃를 초과하여 가열하는 경우에는 발효원료 즉, 당의 탄화로 인하여 효모의 에너지원이 상실되므로 수율이 저하되는 문제점을 초래한다.

더욱 상세하게는, 전술한 발효원료는 전분을 포함하며, 전술한 온도로 가열함으로써 전분이 호화되는 것이 바람직하며, 전분을 포함하는 발효원료로는, 예를 들어 백미, 현미 및 타피오카 등을 들 수 있으며, 이에 제한하는 것은 아니다.

전술한 당화공정은 증자된 발효원료를 당화하는 공정으로, 액상정제효소 조효소 등을 사용하여 당류로 전환하는 것이 바람직하며, 전술한 조효소는 글루코아밀라제(Glucoamylase) 또는 알파아밀라제(α-Amylase)이거나 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

전술한 조효소는 발효원료 총 중량에 대하여, 0.01~10중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 0.01중량%미만이면 당화공정이 잘 이루어지지 않으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 고가의 효소를 다량 첨부함에 따라 생산비용이 증가하는 문제점을 나타낸다.

전술한 발효공정은 당화된 발효원료에 혼합 균주 배양액을 투입하여 30~40℃의 온도에서 10시간~5일 동안 발효시키는 것이 바람직한데, 상기 온도범위를 벗어나는 경우에는 균주에 의한 발효가 원활하게 이루어지지 않는다. 더욱 바람직하게는 전술한 발효공정의 초기온도를 10~60시간 동안 34~36℃로 유지하는 것이 바람직한데, 이는 혼합 균주로 인한 알코올의 생성율을 향상시키는데 효과적인 역할을 할 뿐만 아니라, 종래기술의 발효온도보다 높은 온도에서 발효공정을 실시함에 따라, 냉각을 위한 공정비용을 절감하는데도 효과적이다.

더욱 상세하게는, 전술한 혼합 균주 배양액은 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae) 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액인 것이 바람직한데, 전술한 배양액은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양함으로써 생성된 항생물질을 포함하여, 잡균의 생장을 저해시키는데 효과적인 역할을 한다.

구체적으로, 전술한 사카로미세스 세레비시아 균주를 2종 이상 동시에 배양하여 생육시키면 일차적으로 서로의 성장을 위한 경합을 하는데, 이러한 과정에서 다량의 항생물질이 만들어지며, 전술한 항생물질은 항균특성을 가지므로, 잡균의 생장을 저해시켜 균주에 의한 발효수율을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 전술한 항생물질은 미생물에서 유래 되었기 때문에 병원성으로 간주 되지 않으며, 식품 등의 보존료로도 사용될 수 있다.

전술한 잡균은 곰팡이 독소, 젖산생성균(Lactics) Bacillus 속의 구균 및 간균, 즉 Lactobacteri(streptococcus속. Leuconostoc속. pediococcus속) 등이 있으며, 식초산 생성균 (Acetics)은 에탄올을 산화하여 식초산 아세트산을 생성하는 Acetobacter속. Acetomonas속이 있다. 전술한 곰팡이 독소는 곡류 및 두류의 대표적인 누룩곰팡이를 들 수 있으며, 이러한 곰팡이는 유기산을 발생시키며 고온에서도 제거되지 않는 아플라톡신을 생성한다. 또한, 이러한 잡균은 단백질 분해성균(Proteolytic bacteria)으로써, 세포 밖으로 proteinase를 분비하여 단백질 분해력을 강하게 하는데, 이는 술맛을 변화시키는 주요인으로 작용한다.

또한, 전술한 발효공정은 전술한 사카로미세스 세레비시아 균주를 2종 이상 동시에 배양한 배양액을 사용함으로써, 알코올의 생산성 향상뿐만 아니라, 알코올을 회수하는 증류공정의 경제성에 있어서도 중요한 역할을 한다. 구체적으로, 알코올의 발효공정 중에는 다양한 Fusel-Oil 들이 생성되어 증류비용이 높아지며, 특히 순수-알코올(ethanol)과 유사한 비점을 나타내는 이소프로필알코올(iso-propyl)이 함께 발생하는데, 이는 최종적으로 제조되는 알코올의 맛과 향을 저해하므로, 이를 제거하기 위하여 별도의 증류공정을 필요로 하므로 제조공정의 비용이 증가하는 문제점을 나타낸다.

이하에서는 본 발명에 따른 에탄올의 제조방법을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

< 실시예 >

혼합 균주의 배양

사카로미세스 세레비시아 균주 2종(SD1055 및 SD1056) 0.1~0.5g을 YPD 액체배지에 34℃의 온도에서 분체 접종하고 12시간 동안 배양하여 배양액을 얻은 후, 수득한 각 10㎖의 배양액을 삼각플라스크에 함께 투입하고 액체 배지 300㎖를 주입하여 34℃의 온도에서 12시간 동안 재배양하여 혼합된 균주의 배양액을 수득하였다.

(단, 사카로미세스 세레비시아 균주는 한국생명공학연구원에 기탁된 기탁번호 SD1055 및 SD1056을 사용하였으며, YPD 배지 1L 에는 1% yeast extract, 1% polypeptone, 2% glucose를 함유하고 pH는 4.8로 조절하여 사용하였다.)

알코올의 제조

발효원료 100g에 역가 12000SP 이상인 알파아밀라제 0.04㎖를 투입하고 80~110℃의 온도로 4시간 동안 가열한 후 냉각하여, 역가 4000SP 이상, 수분이 10%미만인 글루코아밀라제 성분이 포함된 조효소제 0.7g을 투입한 후, 60℃의 온도에서 1시간 동안 당화공정을 거친 후, 전술한 혼합균주 배양액 각 10㎖를 투입하여 36℃의 온도에서 40시간 동안 유지하고, 이후에는 34℃의 온도에서 발효시켜 알코올을 제조하였다.

(단, 발효원료는 타피오카(수입 베트남산 수분 12.9%)를 사용하였다.)

< 비교예1 >

전술한 실시예와 동일하게 실시하되, 하기와 같이 배양된 균주의 배양액을 이용하여 알코올을 제조하였다.

균주의 배양

사카로미세스 세레비시아 균주인 SD1055 0.1~0.5g을 YPD 액체배지에 34℃의 온도에서 분체 접종하고 12시간 동안 배양하여 배양액을 얻은 후, 수득한 배양액 20㎖을 삼각플라스크에 투입하고 액체 배지 300㎖를 주입하여 34℃의 온도에서 12시간 동안 재배양하여 균주 SD1055의 배양액을 수득하였다.

< 비교예2 >

균주의 배양

사카로미세스 세레비시아 균주인 SD1056 0.1~0.5g을 YPD 액체배지에 34℃의 온도에서 분체 접종하고 12시간 동안 배양하여 배양액을 얻은 후, 수득한 배양액 20㎖을 삼각플라스크에 투입하고 액체 배지 300㎖를 주입하여 34℃의 온도에서 12시간 동안 재배양하여 균주 SD1055의 배양액을 수득하였다.

< 시험예 1>

전술한 실시예 및 비교예 1~2를 통해 제조된 알코올의 발효가 완료된 시점에서 발생하는 이산화탄소의 양, 순수-알코올의 생성비율 및 아이소프로필 알코올(iso-propyl alcohol)을 측정하여 그 결과를 하기 표 1~2에 나타내었다.

(단, 이산화탄소의 발생량은 에탄올의 생산량과 0.955:1의 일정비율을 나타내므로, 이산화탄소의 발생량을 토대로 에탄올의 생산량을 계산하였다.)

발효경과시간	이산화탄소(CO₂)의 발생량(g)
발효경과시간	실시예	비교예1	비교예2
102hrs	38.830	35.570	38.210

구분	발효경과시간	실시예	비교예1	비교예2
순수-alcohol 생성비율(%)	102 hrs	99.06427	98.20333	99.01810
Iso-propyl alcohol 생성비율(%)	102 hrs	0.014860	0.024990	0.017690

< 시험예 2>

전술한 실시예 및 비교예 1~2를 통해 제조되는 알코올의 발효가 시작된 시점(0hr) 및 발효가 경과된 시점(95hrs)의 아플라톡신 검출시험을 진행하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

(단, 아플라톡신 검출시험은 충남대학교 농업과학연구소에 의뢰하여 진행하였다.)

아플라톡신 검출량(ppb)	실시예	비교예1	비교예2
0hr	7.11	7.11	7.11
95hrs	불검출	0.160	0.610

전술한 표 2에서 보는 바와 같이, 혼합 균주의 배양액을 이용하여 제조된 실시예는 순수-알코올의 생성비율이 비교예 1~2에 비하여 0.04614~0.86094%가 증가한 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 년 평균 10만 D/M 중 약 1% 이상의 생산량이 증가하는 효과를 나타내며, 약 4%이상의 에너지 사용량을 감소시킬 뿐만 아니라, pH조절제 등의 제비용을 감소시키는데도 효과를 나타낸다. 반면에, 아이소프로필 알코올의 생성량은 오히려 감소함에 따라, 불순물을 제거하기 위한 별도의 증류비용을 절감하는데도 효과적임을 확인할 수 있다.

전술한 도면 4~5를 살펴보면, 단일 균주를 이용한 비교예 1의 경우에는 잡균의 생장이 오히려 증가하였으나, 혼합균주를 이용한 실시예의 경우에는 발효공정을 통해 잡균의 생장이 억제된 것을 육안으로 확인할 수 있다.

또한, 전술한 표 3에서 보는 바와 같이, 실시예를 통해 제조된 알코올은 발효가 시작된 시점으로부터 95시간이 경과한 후에는 아플라톡신이 전혀 검출되지 않음에 따라, 곰팡이 독소를 제거하는데도 효과적임을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 에탄올의 제조방법은 사카로미세스 세레비시아 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액을 발효과정에서 투입함으로써, 잡균의 생장을 저해하여 효모의 생장, 생육 및 발효 수율을 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 순수-알코올의 생성비율이 높아 불순물의 제거를 위한 증류비용을 절감하는데도 효과적이다.

Claims

발효원료를 가열하는 증자공정;
상기 증자된 발효원료에 조효소를 투입하고 당화하는 당화공정; 및
상기 당화된 발효원료에 혼합 균주 배양액을 투입하여 발효시키는 발효공정을 포함하며,
상기 혼합 균주 배양액은 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae) 균주 2종 이상을 동시에 배양하여 얻어진 배양액인 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 발효원료는 전분을 포함하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 증자공정은 발효원료를 80~110℃의 온도로 1~5 시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 조효소는 글루코아밀라제 또는 알파아밀라제이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 발효공정은 30~40℃의 온도에서 10시간~5일 동안 발효시키는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.