KR101476348B1 - Method for manufacturing of ligno cellulo bio ethanol - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing ligno-cellulosic bio-ethanol. A waste liquid generated during a step of producing a carbonized pellet by semi-carbonizing a ligno-cellulosic biomass is collected and fermented using yeasts, so that bio-ethanol is produced. Accordingly, a sustainable and industrially usable producing technique can be provided.

Description

목질계 바이오에탄올 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING OF LIGNO CELLULO BIO ETHANOL}METHOD FOR MANUFACTURING OF LIGNO CELLULO BIO ETHANOL [0002]

본 발명은 일반적으로 목질계 바이오에탄올 제조 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 목질계 바이오매스를 반탄화하여 탄화펠릿을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액을 수거하여 바이오에탄올을 제조함으로써, 지속가능하며 상업적으로 이용가능한 제조 기술을 제공할 수 있는 새로운 목질계 바이오에탄올 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates generally to a wood-based bio-ethanol manufacturing technology, and more particularly, to a bio-ethanol production method for producing bio-ethanol by recovering a waste liquid produced during the production of carbonized pellets by semi-carbonizing a woody biomass, To a new method for producing wood-based bio-ethanol capable of providing usable manufacturing techniques.

현재 대부분의 연료 에탄올은 효모(Saccharomyces cerevisiae)(맥주 또는 포도주 발효 효모)를 이용하여 옥수수전분이나 사탕수수 시럽 등의 6탄당으로부터 생산되고 있다. 그러나 이러한 당들은 생물원료 당으로서는 비교적 비싼 공급원이며 식품으로서의 경쟁적인 가치도 가지고 있다. 전분과 당은 식물 중 총 탄화수소의 단지 일부를 차지할 뿐이다. 줄기, 잎, 외피, 깍지, 속대 등에 존재하는 식물 탄화수소의 주된 형태는 구조적 세포벽, 중합체, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스이다. 따라서, 옥수수나 사탕수수가 아니라 식물 또는 나무의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌 등의 리그노셀룰로오스로부터 에탄올을 생산하는 기술에 대한 요구가 있다.Currently, most of the fuel ethanol is produced from hexoses such as corn starch and sugar cane syrup using yeast (Saccharomyces cerevisiae) (beer or wine fermented yeast). However, these sugars are a relatively expensive source of raw materials and have competitive value as food. Starch and sugars are only a fraction of total hydrocarbons in plants. The main types of plant hydrocarbons present in stems, leaves, shells, pods, hulls, etc. are structural cell walls, polymers, cellulose and hemicellulose. Thus, there is a need for a technique for producing ethanol from lignocellulose such as cellulose, hemicellulose, and lignin from plants or trees, rather than from corn or sugarcane.

목질계 탄화수소 즉 리그노셀룰로오스를 당화시키는 현재의 방법은 산 이용 및 효소이용 가수분해를 포함한다. 그러나, 산 가수분해는 대개 열을 필요로하며, 에너지의 사용, 산성 폐기물의 생성 및 후속되는 미생물 발효를 방해하는 독성 화합물의 생성을 포함하는 몇가지 단점이 있다. 따라서, 효소 가수분해가 바람직한 대체 방법이다.Current methods of saccharifying woody hydrocarbons, i.e., lignocelluloses, include acid utilization and enzyme-assisted hydrolysis. Acid hydrolysis, however, usually requires heat and has several disadvantages including the use of energy, the generation of acidic wastes, and the generation of toxic compounds that interfere with subsequent microbial fermentation. Thus, enzyme hydrolysis is a preferred alternative.

그러나 자연에는 리그노셀룰로오스를 분해하는 미생물이 없으므로, 예컨대 종래에 국내 특허 등록 10-0292079 "제조합 숙주에 의한 에탄올생산"의 등록공보에는 유전자 형질전환 기술을 이용하여 피루베이트를 에탄올로 전환시키는 미생물을 제공하는 기술이 제안되어 있다. 하지만, 헤미셀룰로오스로부터 유래하는 자일로오스(xylose), 아라비노스(arabinose) 등의 오탄당으로부터 피루베이트까지 분해하는 미생물은 알려지지 않고 있다. 또한 많은 연구 그룹이 자일로오스 이용 유전자를 6탄당 분해 효모로부터 발현시키고자 시도하였으나 성공하지 못하고 있다.However, since there is no microorganism decomposing lignocellulose in nature, for example, a patent document 10-0292079 entitled " Ethanol Production by a Combination Host "has heretofore been used as a microorganism for converting pyruvate to ethanol by using a gene transformation technique Is proposed. However, microorganisms such as xylose and arabinose, which are derived from hemicellulose, and which decompose from pentose to pyruvate are not known. In addition, many research groups have attempted to express xylose-utilizing genes from hexose degrading yeast, but they have not succeeded.

[참고문헌][references]

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7. Miller GL. Use of dinitrosalicylic acid regent for determination of reducing sugar. Anal. Chem. 31: 426-428 (1959)7. Miller GL. Use of dinitrosalicylic acid regent for determination of reducing sugar. Anal. Chem. 31: 426-428 (1959)

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9. Seo HB, Han JG, Choi WS, Lee OK, Lee SM, Choi SH, Lee HY, Jung KH. Bioethanol production from wood biomass hydrolysate with supercritical water treatment. Korean J. Biotechol. Bioeng. 23: 494-498 (2008)9. Seo HB, Han JG, Choi WS, Lee OK, Lee SM, Choi SH, Lee HY, Jung KH. Bioethanol production from wood biomass hydrolysate with supercritical water treatment. Korean J. Biotechol. Bioeng. 23: 494-498 (2008)

10. Ha SJ, Kim SR, Kim HJ, Du J, H.D.Cate J, Jin YS. continuous co-fermentation of cellobiose and xylose by engineered saccharomyces cerevisiae. Bioresource technology. 149: 525-531 (2013)10. Ha SJ, Kim SR, Kim HJ, Du J, H.D. Cate J, Jin YS. continuous co-fermentation of cellobiose and xylose by engineered saccharomyces cerevisiae. Bioresource technology. 149: 525-531 (2013)

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 보완하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 안출된 것으로서, 특히 목질계 바이오매스(Ligno cellulo biomass)를 반탄화(Torrefaction)하여 탄화펠릿(Torrefied pellet)을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액을 수거하여 바이오에탄올을 제조함으로써, 지속가능하며 상업적으로 이용가능한 제조 기술을 제공할 수 있는 새로운 목질계 바이오에탄올 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art described above and to provide various additional advantages. Specifically, the present invention relates to a process for producing a carbonized pellet The present invention aims to provide a novel woody bioethanol production method capable of providing a sustainable and commercially available production technology by collecting the waste liquid produced in the production of bioethanol.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 목질계 바이오에탄올 제조 방법에 의하여 달성된다.The above object is achieved by a method for producing wood-based bio-ethanol provided according to the present invention.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 목질계 바이오에탄올 제조 방법은, 목질계 바이오매스(Ligno cellulo biomass)를 반탄화(Torrefaction)하여 탄화펠릿(Torrefied pellet)을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액을 수거하고, 25 ~ 32℃에서 효모를 이용하여 발효시킴으로써 바이오에탄올을 제조할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing wood-based bio-ethanol, comprising collecting a waste liquid generated during the production of a carbonized pellet by subjecting a ligno cellulo biomass to a torrefaction process, , And fermentation using yeast at 25 to 32 ° C to produce bioethanol.

일 실시예에 있어서, 상기 목질계 바이오매스는 셀룰로오스, 세미셀룰로오스, 및 리그닌을 포함하는 목질계 톱밥이며; 상기 반탄화는 산소결핍 조건에서 220 ~ 280℃의 열을 가하는 공정에 의해 이루어지며; 상기 탄화펠릿의 주성분은 셀룰로오스 및 리그닌이고; 상기 폐액은 헤미셀룰로우스가 열에 의해 분해되어 생성되는 5탄당 성분을 포함할 수 있다.In one embodiment, the woody biomass is woody sawdust comprising cellulose, semicellulose, and lignin; The semi-carbonization is carried out by a process of applying heat at 220 to 280 ° C under oxygen depletion conditions; The main components of the carbonized pellets are cellulose and lignin; The waste liquid may contain a pentose component which is produced by decomposing hemicellulose by heat.

다른 실시예에 있어서, 상기 폐액에 포함되어 있는 5탄당은 자일로오스 또는 아라비노오스를 포함할 수 있다.In another embodiment, the pentose contained in the waste solution may comprise xylose or arabinose.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 효모는, 피치아 스티피티스(Pichia stipitis) 균주, 파치솔렌 타노필루스(Pachysolen tannophilus) 균주, 캔디다 세하타에 변종 인섹토사(Candida shehatae var.insectosa) 균주, 및 캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis) 균주로 이루어진 5탄당 분해 균주들 중 적어도 하나일 수 있다.In another embodiment, the yeast is selected from the group consisting of Pichia stipitis strain, Pachysolen tannophilus strain, Candida shehatae var. Insectosa strain, And may be at least one of the pentose degrading strains consisting of the Candida tropicalis strain.

그리고 또 다른 실시예에 있어서, 상기 효모는, 사카로미세스 바야누스(Saccharomyces bayanus) 균주, 및 사카로미세스 세레비시아에(Saccharomyces cerevisiae) 균주로 이루어진 6탄당 분해 균주들 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In yet another embodiment, the yeast further comprises at least one of six saccharide degrading strains consisting of a Saccharomyces bayanus strain and a Saccharomyces cerevisiae strain .

상술한 구성을 가지는 본 발명은, 목질계 바이오매스를 반탄화하여 탄화펠릿을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액을 수거하여 바이오에탄올을 제조함으로써, 지속가능하며 상업적으로 이용가능한 제조 기술을 제공할 수 있는 새로운 목질계 바이오에탄올 제조 방법을 구현하는 등의 현저한 효과를 제공한다.The present invention having the above-mentioned constitution can provide sustainable and commercially available manufacturing technology by producing bioethanol by collecting waste liquid produced in the process of producing carbonized pellets by semi-carbonizing woody biomass And a novel woody bioethanol production method is realized.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 목질계 바이오에탄올 제조 방법을 보여주는 흐름도.
도 2는 목질계 바이오매스의 구성 성분을 설명하는 참고도.
도 3은 5탄당 및 6탄당의 혼합당으로부터 에탄올을 제조하는 중간 산물들을 예시하는 흐름도.
도 4는 반탄화 조건에 따른 목질계 성분의 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 글루코오스와 자일로오스의 혼합 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프.
도 6은 글루코오스와 자일로오스의 혼합 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프.
도 7은 글루코오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프.
도 8은 글루코오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프.
도 9는 자일로오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프.
도 10은 자일로오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프.
도 11은 반탄화 공정에서 발생하는 폐액에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프.
도 12는 반탄화 공정에서 발생하는 폐액에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart showing a method for producing woody bio-ethanol according to an embodiment of the present invention; FIG.
Figure 2 is a reference diagram illustrating the constituents of woody biomass.
Figure 3 is a flow chart illustrating intermediate products for the production of ethanol from mixed sugar of pentane and hexane.
4 is a graph showing changes in wood-based components according to semi-carbonation conditions.
FIG. 5 is a graph showing changes in sugar content according to fermentation period using six yeasts in a mixed model system of glucose and xylose.
FIG. 6 is a graph showing the change of reducing sugar according to fermentation period using six yeasts in a mixed model system of glucose and xylose.
FIG. 7 is a graph showing changes in sugar content according to fermentation period using six yeasts in a glucose model system. FIG.
FIG. 8 is a graph showing changes in reducing sugar according to fermentation period using six yeasts in a glucose model system. FIG.
9 is a graph showing changes in sugar content according to fermentation period using six yeasts in a xylose model system.
10 is a graph showing the change of reducing sugar according to fermentation period using six yeasts in a xylose model system.
11 is a graph showing changes in sugar content according to fermentation period using six yeasts in a waste liquid generated in a half-carbonization process.
FIG. 12 is a graph showing changes in reducing sugar according to fermentation period using six yeasts in a waste liquid generated in a half-carbonization process. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 목질계 바이오에탄올 제조 방법(100)을 보여주는 흐름도이다.1 is a flow chart showing a method 100 for producing woody bio-ethanol according to an embodiment of the present invention.

도시된 예에서 목질계 바이오에탄올 제조 방법(100)은, 목질계 바이오매스(Ligno cellulo biomass)(110)를 원료로 반탄화(Torrefaction) 처리(120)하여 탄화펠릿(Torrefied pellet)(130)을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액(140)을 수거하여 발효(150)함으로써 에탄올(160)을 제조한다.In the illustrated example, the woody bioethanol production method 100 is a method of producing a carbonized pellet 130 by using a ligno cellulo biomass 110 as a raw material and subjecting it to a torrefaction treatment 120 The waste liquid 140 produced in the manufacturing process is collected and fermented (150) to produce ethanol (160).

반탄화 과정(120)은 목질계 바이오매스를 무산소 또는 산소결핍 환경에서 220 ~ 280℃의 고온으로 처리함으로써 탄화시키는 과정이다. 이 반탄화 과정에 의해, 목질계 바이오매스 내의 셀룰로오스 및 리그닌 성분은 고열량, 저흡수성을 갖는 탄화펠릿(130)으로 제조될 수 있다. 또한 반탄화 과정에서 발생되는 가스는 에너지원으로 재활용될 수 있다. 그리고, 본 발명에 따라 반탄화 과정(120)에서 분해되는 헤미셀룰로오스 성분으로부터 오탄당(pentose)을 함유하고 있는 폐액(140)을 수거한다. 이 폐액은 오탄당, 육탄당 등이 혼합되어 있는 용액이다. 이 폐액(140)에 오탄당 및 육탄당을 분해할 수 있는 효모 균주를 접종시키고 약 30℃에서 발효시킴으로써 바이오에탄올을 제조성(160)할 수 있다.The semi-carbonization process 120 is a process in which woody biomass is carbonized by treating it at a high temperature of 220 to 280 ° C in an oxygen-deficient or oxygen-deficient environment. By this semi-carbonization process, the cellulose and lignin components in the woody biomass can be made of carbonized pellets 130 having high calorie and low absorption. In addition, the gas generated during the semi-carbonization process can be recycled as an energy source. The waste liquid 140 containing pentose is collected from the hemicellulose component decomposed in the semi-carbonization process 120 according to the present invention. This waste solution is a mixture of pentane and hexane. The bioethanol can be prepared (160) by inoculating a yeast strain capable of degrading pentose and hexose into the waste solution (140) and fermenting at about 30 ° C.

도 2는 목질계 바이오매스의 구성 성분을 설명하는 참고도이다. 목질계 바이오매스는 도시된 참고도에서와 볼 수 있는 바와 같이 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin) 등으로 구성되며, 셀룰로오스는 포도당이 -1,4-결합으로 연결된 선형의 중합체이고, 헤미셀룰로오스는 포도당이 -1,4 또는 -1,6-결합으로 연결되고, 오탄당인 자일로스(xylose)와 아라비노스(arabinose)가 각각 중합된 자일란(xylan)과 아라비난(arabinan)이 혼합된 중합체이며, 리그닌은 다양한 방향족 화합물의 중합체로 식물체의 골격을 유지시키는 t성분이다.Fig. 2 is a reference diagram illustrating the constituents of woody biomass. Fig. The woody biomass may be selected from the group consisting of cellulose, hemicellulose, lignin, Cellulose is a linear polymer in which glucose is linked by a -1,4-bond. Hemicellulose is linked to glucose by a -1,4 or -1,6-bond. Xylose, which is an orthophosphate, Arabinose is a polymer in which xylenes and arabinan are polymerized, and lignin is a polymer of various aromatic compounds and is a t component that keeps the plant skeleton.

아래 표 1은 목질계 바이오매스의 구성성분들의 특징을 정리하고 있다.Table 1 below summarizes the characteristics of the constituents of woody biomass.

구성 물질Constituent material 특성characteristic 중합도Degree of polymerization 셀룰로오스
(cellulose)
cellulose
(cellulose)
포도당 중합체, B-1,4 결합되어 선형 microfibril을 이루고 선형구조가 다시 수소 결합을 가진 결정 구조Glucose polymer, B-1,4 bonded to form a linear microfibril and linear structure again hydrogen bond crystal structure 300-15,000300-15,000
헤미셀룰로스
(hemicellulose)
Hemicellulose
(hemicellulose)
xylose이 주요 성분이며 이외 소량의 arabinos, mannose, galactose 등도 포함, 분지형(branched) 구조xylose is the main component and also contains a small amount of arabinos, mannose, galactose, etc., branched structure 70-20070-200
리그닌
(lignin)
Lignin
(lignin)
Coniferyl, coumaryl, sinapyl 알콜의 중합체로 복잡한 구조를 가진 polyphenolic 물질Coniferyl, coumaryl, polyphenolic materials with complex structure as a polymer of sinapyl alcohol --

헤미셀룰로오스 분해 결과 생성된 주요 성분인 자일로오스는 5탄당이다. 바이오에탄올을 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 효모(Saccharomyces cerevisiae)는 6탄당을 에너지원으로 이용하여 에탄올을 생산하는 반면에 5탄당은 분해하지 못한다는 문제가 있었다.Xylose, a major component of the resulting hemicellulose degradation, is pentose. Saccharomyces cerevisiae , which is generally used to produce bioethanol, has a problem that it produces ethanol by using hexose as an energy source, but does not decompose pentose.

목질계 바이오매스를 이용한 목재칩, 우드펠릿 등은 탄소중립적이고 실용화가 비교적 어렵지 않은 장점이 있어 최근 유럽을 중심으로 급속히 보급되고 있으며, 2009년 이후에는 우드펠릿의 발열량 및 흡습성을 개선한 탄화펠릿산업으로 급속히 대체되고 있는 형편이다. 탄화펠릿의 경우 이미 유럽에서 다수의 양산공장이 가동 중으로 비교적 빠른 실용화 속도를 보이고 있으나 반탄화공정에서 분해되는 헤미셀룰로오스의 에너지회수율이 낮아 에너지수율이 80% 내외에 머무르고 있는 실정이다. 이는 헤미셀룰로오스 분해 성분 중 기체 성분은 회수되어 공정에서 재활용되나 자일로스(xylose), 아라비노스(arabinose) 등 오탄당이 함유되어 있는 액상분해물은 재활용 되지 못하고 있는데 기인한다. 따라서 탄화펠릿의 실용화 속도 가속화를 위해서는 폐기되고 있는 액상 폐액에 대한 에너지회수율을 높이는 기술개발을 통한 에너지수율 제고 및 제조원가 절감이 요구되고 있다.Wood chips and wood pellets using woody biomass are carbon-neutral and relatively difficult to put into practical use. Recently, they are rapidly spreading in Europe, and since 2009, carbon pellets industry has improved the heat generation and hygroscopicity of wood pellets Which is rapidly replacing. In the case of carbonized pellets, a large number of mass-production plants are already in operation in Europe, and the pelletization rate is relatively fast. However, the energy recovery rate of hemicellulosic is low at 80% because of the low hemicellulose recovered in the semi-carbonization process. This is due to the fact that gas components in hemicellulose decomposition components are recovered and recycled in the process but liquid decomposition products containing ozone sugar such as xylose and arabinose are not recycled. Therefore, in order to accelerate the practical use rate of carbonized pellets, it is required to improve the energy yield and reduce the manufacturing cost by developing a technology for raising the energy recovery rate of the waste liquid waste.

본 발명은, 목질계 바이오매스의 반탄화 공정과 연계하여 당성분이 함유되어 있는 반탄화 생성물을 원료로 바이오에탄올 생산하는 방법을 구현한다. 이에 따라, 기존의 목질계 바이오알코올 생산 기술에서 전처리, 당화 공정이 생략되어 생산비용이 절감될 뿐만 아니라, 반탄화 공정의 에너지 회수율을 높일 수 있는 바이오에탄올 생산 기술을 제공한다.The present invention implements a method for producing bio-ethanol from a semi-carbonized product containing a sugar component in association with a semi-carbonization process of a woody biomass. Accordingly, the present invention provides bio-ethanol production technology that can reduce the production cost by omitting the pre-treatment and saccharification processes in the existing wood-based bio-alcohol production technology and can increase the energy recovery rate of the semi-carbonization process.

도 3은 5탄당 및 6탄당의 혼합당으로부터 에탄올을 제조하는 중간 산물들을 예시하는 흐름도이다.Figure 3 is a flow chart illustrating intermediate products for the production of ethanol from pentoses and hexoses.

반탄화 공정에서 회수되는 폐액은 주로 헤미셀룰로오스의 분해 산물로 이루어지며, 자일로오스 및 아라미노오스 등의 5탄당과 글루코오스 등의 6탄당이 혼합되어 있다. 이들은 각각 효모 균주에 의해 피루베이트(Pyruvate)로 분해되고, 피루베이트는 아세트알데히드를 거쳐 에탄올로 변환될 수 있다. 본 발명은 오탄당 발효 균주들(Pichia stiptis, Candida tropicalis)과 육탄당 발효 균주들(Saccharomyces cerevisiae)을 이용한다. 이들 균주들은 탄화펠릿 제조 후에 수거되는 폐액의 조건에서 생육이 가능하고 발효 능력이 우수한 효모들이다.The waste liquid recovered in the semi-carbonization process consists mainly of degradation products of hemicellulose, and pentoses such as xylose and arabinose are mixed with hexoses such as glucose. They are each degraded to pyruvate by yeast strain, and pyruvate can be converted to ethanol via acetaldehyde. The present invention utilizes Pichia stiptis (Candida tropicalis) and Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces cerevisiae). These strains are yeasts which are capable of growing under the conditions of waste liquid collected after the production of carbonized pellets and have excellent fermentation ability.

본 발명에 의해 제공되는 효모는 다음과 같다. 6탄당 발효에는 이이스트 스트레인(Yeast strain) 중에서 사카로미세스 바야누스(Saccharomyces bayanus) 균주, 및 사카로미세스 세레비시아에(Saccharomyces cerevisiae) 균주로 이루어진 6탄당 분해 균주들 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 5탄당 발효에는 이이스트 스트레인 중에서 피치아 스티피티스(Pichia stipitis) 균주, 파치솔렌 타노필루스(Pachysolen tannophilus) 균주, 캔디다 세하타에 변종 인섹토사(Candida shehatae var.insectosa) 균주, 및 캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis) 균주로 이루어진 5탄당 분해 균주들 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 이 외에, 알코올 발효 효모로서, 와인, 맥주, 막걸리 제조에 이용되는 효모 (6종)와 천연물로부터 분리된 다른 효모들도 포함될 수 있다.The yeast provided by the present invention is as follows. Six-sugar fermentation can utilize at least one of six saccharide degrading strains consisting of Saccharomyces bacillus strain and Saccharomyces cerevisiae strain among the yeast strains . In the 5-valent fermentation, Pichia stipitis strain, Pachysolen tannophilus strain, Candida shehatae var. Insectosa strain, and Candida tropicallis strain, And at least one of the pentose degrading strains consisting of the Candida tropicalis strain may be used. In addition, the alcohol fermenting yeast may include yeast (6 kinds) used for manufacturing wine, beer, and makgeolli, and other yeasts isolated from natural products.

일 실시예에 따라, 편백나무 톱밥을 반탄화하여 회수된 폐액을 발효하여 에탄올이 제조된다.According to one embodiment, the recycled waste wood is fermented to produce ethanol by semi-carbonizing the plain wood sawdust.

이 예에서 사용된 편백나무톱밥은 전라남도 화순군 소재 수인재재소에서 구매하여 105℃에서 4시간 건조한 후 30mesh 이하로 분쇄하여 사용하였다. 원소분석은 자동원소분석기(Vario MACRO/elementar)에 17mg 내외의 반탄화 톱밥을 투입하여 C,H,N,S 구성비를 분석하였으며, 발열량은 폭발열량계(리코코리아, AC-350) 에 0.3g의 시료를 투입하여 3회 고위발열량을 측정한 후 평균값을 사용하였다. 흡습율은 Mechanical oven(HB-502M)을 이용하여 105에서 4시간 건조한 후 상대습도 75% 항온항습기(한백과학, HB-105LP)에 48시간 동안 저장한 후 포장용실리카겔건조제 흡습율 시험방법(KST 1084 : 2008)을 준용하여 측정하였다.The white wood sawdust used in this example was purchased from a water reclamation site in Hwasun Gun, Jeollanam-do and dried at 105 ° C for 4 hours and then pulverized to 30mesh or less. Elemental analysis was performed by injecting semi-carbonized sawdust (about 17 mg) into an automatic element analyzer (Vario MACRO / elementar). The composition ratio of C, H, N and S was analyzed. The sample was injected, and the average calorific value was measured after three high calorific values were measured. The moisture absorption rate was measured by using a mechanical oven (HB-502M) at 105 for 4 hours and then stored in a relative humidity of 75% (HB-105LP) : 2008).

반탄화 공정은, 교반식 로스터(동광유압, D-1692)를 예열하여 하부에 위치한 열판의 온도를 300℃에 도달하게 한 후 톱밥을 투입하고 톱밥의 온도가 반탄화 목표온도(260℃, 270℃, 280℃, 290℃)에 도달한 후 30분간 반탄화함으로써 이루어졌다. 반응이 종료된 후 진공이송기를 이용하여 저장탱크로 이송하여 100℃ 이하로 냉각시켰다. 반응시간 동안 생성된 가스는 열교환기를 이용하여 냉각하여 1차 포집하고 스크러버를 이용하여 세척함으로써 악취를 제거하였으며, 스크러버를 통과한 비응축성 가스는 건조용 열원에 투입하여 소각하였다. 반응기간 동안 질소는 투입하지 않았으며, 톱밥의 1회 투입량은 20kg, 함수율은 5% 내외, 발생가스의 배출량은 1.5m3/min 였다.In the semi-carbonization process, a stirrer (D-1692) was preheated and the temperature of the heat plate at the bottom was set to reach 300 ° C. Then sawdust was introduced and the temperature of the sawdust was set to a half- ° C, 280 ° C, 290 ° C) and then half-carbonized for 30 minutes. After the completion of the reaction, the vacuum was transferred to the storage tank using a transfer device and cooled to below 100 ° C. The gas produced during the reaction time was cooled by using a heat exchanger, and the collected odor was removed by primary collection and scrubbing using a scrubber. Non-condensable gas passed through the scrubber was incinerated by a heat source for drying. The nitrogen was not added during the reaction period, one dose of sawdust is 20kg, the water content of the emissions was 5%, the generated gas is 1.5m 3 / min.

최적 열분해 조건을 도출하기 위하여 교반형 로스터(제일공업사, JIS-E04)를 사용하였으며, 열판온도가 설정온도에 도달하였을 때 2kg의 톱밥을 투입하고 시료온도가 설정온도에 도달한 후 10분 동안 열분해하였으며, 반응시간은 10분으로 고정하고 반응온도(시료온도기준)를 210℃, 220℃, 230℃로 변경하면서 열분해에 따른 각 실험군의 발열량 변화를 분석하였다. 열분해시 발생하는 가스는 송풍기를 이용하여 강제 배기하였고 열분해후 대기중에 방치하는 경우 착화현상이 발생함에 따라 착화를 방지하기 위하여 열분해후 밀폐된 용기에서 냉각하였다.A stirrer type roaster (JIS-E04) was used to obtain optimum pyrolysis conditions. When the temperature of the hot plate reached the set temperature, 2 kg of sawdust was introduced, and after the sample temperature reached the set temperature, The reaction time was fixed to 10 minutes. The change of the reaction temperature (sample temperature) was changed to 210 ℃, 220 ℃ and 230 ℃. The gas generated during pyrolysis was forcibly evacuated using a blower, and when it was allowed to stand in the air after pyrolysis, it was cooled in a closed container after pyrolysis in order to prevent ignition.

230℃까지의 열분해 시료의 발열량 제고 효과가 미미함에 따라 반응시간을 30분으로 고정하고 반응온도를 260℃, 270℃, 280℃, 290℃로 변경하면서 열분해를 실시하고 발열량, 회분, 에너지수율, 헤미셀룰로오스 분해도, 흡수성, 무기물성분 변화 등을 평가하여 최적 반응온도를 도출하는 한편, 최적 반응시간을 도출하기 위하여 열분해 온도를 도출된 최적 반응온도인 260℃로 고정하고 반응시간을 10, 20, 30, 40분으로 변화시키면서 열분해를 실시하고 발열량, 회분, 에너지수율, 원소구성 변화, 흡수성(저장성)을 평가하여 최적 반응시간을 도출하였다.The reaction time was fixed to 30 minutes and the reaction temperature was changed to 260 ° C., 270 ° C., 280 ° C. and 290 ° C., and the pyrolysis was carried out to measure the amount of heat, ash, energy yield, In order to derive the optimal reaction time, the pyrolysis temperature was fixed at 260 ℃, which is the derived optimum reaction temperature, and the reaction time was 10, 20, 30, 40 minutes, and the optimum reaction time was derived by evaluating the calorific value, ash, energy yield, element composition change, and absorptivity (storage stability).

목질계 성분인 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 변화를 분석하기 위하여 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스는 Van Soest법을 이용하여 정량하였고 리그닌은 72% 황산가수분해법(TAPPI method T222 om-88)에 의해 정량하였으며, Van Soest법에 의한 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스는 다음의 식 (1)과 (2)를 이용하여 계산하였다. 회분함유량 분석은 목재펠릿품질규격에 기술된 방법에 의하여 측정하였다.Hemicellulose and celluloses were assayed by Van Soest method to analyze changes in hemicellulose, cellulose and lignin, lignin was quantified by 72% sulfuric acid hydrolysis method (TAPPI method T222 om-88), Van Soest method Hemicellulose and cellulose were calculated using the following equations (1) and (2). The ash content analysis was carried out by the method described in the wood pellet quality standard.

Hemicellulose(%) = NDF(%) - ADF(%) (1)Hemicellulose (%) = NDF (%) - ADF (%) (1)

Cellulose(%) = ADF(%) - Ligin(%) (2)Cellulose (%) = ADF (%) - Ligand (%) (2)

사용된 균주는 4가지 균주(Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Candida shehatae var. insectosa, Candida tropicalis)를 KCTC로부터 분양받아 사용하였으며, 와인 제조에 주로 사용하는 2가지 균주(Saccharomyces bayanus EC-1118, Saccharomyces cerevisiae K1-V1116)를 추가로 사용하였다. 시트 컬쳐(seed culture)는 YM(yeast extract 0.3%, malt extract 0.3%, peptone 0.5%, glucose 1%) 배지에 접종하여 30℃의 인큐베이터(incubator)에서 48시간 배양한 후 접종하였다.Four strains ( Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Candida shehatae var. Insectosa, Candida tropicalis ) were purchased from KCTC. Two strains ( Saccharomyces bayanus EC-1118, Saccharomyces cerevisiae K1 -V1116) was further used. The seed culture was inoculated in YM (yeast extract 0.3%, malt extract 0.3%, peptone 0.5%, glucose 1%) medium and incubated in an incubator at 30 ° C for 48 hours.

각 효모별 글루코오스와 자일로오스의 이용 능력을 알기 위해 모델계(model system)을 제조하여 실험하였다. 모델계는 증류수 40mL에 yeast extract 1%, peptone 2%를 첨가하였고, glucose 3%와 xylose 3%를 넣고 1N NaOH를 이용하여 pH를 5.5로 맞추었다. 또한 각 균주별 glucose와 xylose 단당류의 개별적인 이용능력을 알기 위해 glucose 3%와 xylose 3%를 각각 첨가하여 당의 소모 패턴을 측정하였다. 배양부피의 10%에 해당하는 seed culture를 접종한 후, 30℃의 incubator에서 배양하여 0, 2, 4, 6, 10, 14일로 sample을 채취하였다.A model system was constructed and tested for the ability to use glucose and xylose for each yeast. In the model system, yeast extract 1% and peptone 2% were added to 40 mL of distilled water, 3% of glucose and 3% of xylose were added, and the pH was adjusted to 5.5 with 1N NaOH. In addition, glucose consumption and xylose monosaccharide content of each strain were separately measured by adding glucose (3%) and xylose (3%). After seeding culture of 10% of the culture volume was inoculated, samples were collected at 0, 2, 4, 6, 10, and 14 days after incubation at 30 ℃.

반탄화 과정에서 회수한 폐액 즉 가수분해물 40mL에 yeast extract 1%, peptone 2%를 첨가 후 1N NaOH를 이용하여 pH를 5.5로 맞추었다. 배양부피의 10%에 해당하는 seed culture를 접종한 후, 30의 incubator에서 배양하여 0, 2, 4, 6, 10, 14일로 sample을 채취하여 당의 소모량을 측정하였다.After adding 1% yeast extract and 2% peptone to 40 mL of the recovered waste solution or hydrolyzate, the pH was adjusted to 5.5 with 1N NaOH. The seed culture corresponding to 10% of the culture volume was inoculated, and the sample was collected at 0, 2, 4, 6, 10, and 14 days after culturing in a 30 incubator.

발효 과정 중 채취한 sample을 원심분리기(Combi 514R, Hanil Science Industrial, Kangreung, Korea)를 이용하여 원심분리(4, 4000 rpm, 10 min)한 후 상등액을 취해 디지털 굴절계(PR-32, Atago, Tokyo, Japan)를 사용하여 를 측정하였고, pH는 pH meter(pH-250L, ISTEK, Seoul, Korea)기를 이용하였으며, 총산도는 0.1 N NaOH로 적정하여 이 때의 소비된 NaOH 함량을 tartaric acid(%)로 환산하여 계산하였다. 환원당 함량은 DNS(dinitrosalicylic acid)에 의한 비색법으로 측정하였다. 배양 상등액을 취하고 50배로 희석하였으며, 희석액 1mL에 DNS 시약 3mL를 가하여 교반한 뒤, 100℃에서 5분간 반응시키고 바로 냉각시켜 발색된 용액을 분광광도계(UV-1601, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하여 550nm에서 흡광도를 측정하였으며, 이 측정치를 glucose을 이용하여 표준곡선(y=3.1107x-0.2845, r2=0.994)을 작성하였다. 알코올 함량은 와인을 체로 걸러 시료 100 mL를 취하고 증류 방법을 통해 측정하였다. 증류액은 70 mL 이상 취한 뒤 3차 증류수를 첨가하여 100 mL로 용량을 보정하고, 주정계(Scale: 0-10; 10-20, Deakwang Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 비중을 측정하였으며, Gay-Lussac 표를 이용하여 15로 보정하여 알코올 함량을 %(v/v) 농도로 나타내었다.After centrifugation (4, 4000 rpm, 10 min) using a centrifuge (Combi 514R, Hanil Science Industrial, Kangreung, Korea), the supernatant was taken and analyzed using a digital refractometer (PR-32, The total acidity was measured by titration with 0.1 N NaOH, and the amount of NaOH consumed was measured by using tartaric acid (%). The pH was measured with a pH meter (pH-250L, ISTEK, Seoul, Korea) ). Reducing sugar content was measured by colorimetric method using dinitrosalicylic acid (DNS). The culture supernatant was diluted 50-fold. Diluted solution (1 mL) was added with 3 mL of a DNS reagent, followed by reaction at 100 ° C for 5 minutes. The solution was immediately cooled to obtain a colorimetric solution using a spectrophotometer (UV-1601, Shimadzu, Kyoto, Japan) The absorbance was measured at 550 nm and the standard curve (y = 3.1107x-0.2845, r2 = 0.994) was generated using glucose. Alcohol content was measured by distillation method in which 100 mL of the sample was sieved by sieving the wine. The specific gravity of the distilled solution was measured by using a distillation scale (Scale: 0-10; 10-20, Deakwang Inc., Seoul, Korea) after adjusting the volume to 100 mL by adding tertiary distilled water. Alcohol content was expressed as% (v / v) concentration by calibration with 15 using a Gay-Lussac table.

발효 2일째와 14일째의 샘플을 채취하여 에탄올 함량을 분석하였다. 바이오 에탄올 함량은 gas charomatography (HP6890, Agilent)를 이용하여 분석하였다. 이때 FID (flame inonization detector)를 이용하여 검출하였고, INNOWax column (30 mmm, 0.25 m, Agilent 19091N-113)을 사용하였고, 오븐온도는 150℃, injector와 FID 온도는 250℃로 조절하였다. N2를 carrier gas로 50 mL/min로 흘려주었다.Samples from the 2nd and 14th days of fermentation were collected and analyzed for ethanol content. Bioethanol content was analyzed by gas charmatography (HP6890, Agilent). The oven temperature was adjusted to 150 ° C and the injector and FID temperature were adjusted to 250 ° C. In this case, a flame inonization detector (FID) was used and INNOWax column (30 mm, 0.25 m, Agilent 19091N-113) was used. N 2 was flowed with carrier gas at 50 mL / min.

톱밥원료의 원소분석 및 발열량 분석결과는 아래 표 2와 같다. 톱밥원료의 발열량은 4883.58kcal/kg, 회분함량은 0.28%, 함수율은 38.6%로 측정되었다. Elemental analysis and calorific value analysis of sawdust material are shown in Table 2 below. The calorific value of the sawdust was 4883.58 kcal / kg, the ash content was 0.28% and the water content was 38.6%.

원소element N(%)N (%) C(%)C (%) S(%)S (%) H(%)H (%) Calorific value (Kcal/kg)Calorific value (Kcal / kg) 톱밥sawdust 0.6360.636 51.5051.50 0.1900.190 5.1645.164 4883.584883.58

탄화펠릿 제조과정에서 발생하는 가수분해물의 바이오에탄올 생산 가능성을 검증하기 위하여 반탄화 공정 전후 목질계 바이오매스의 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 셀룰로오스(cellulose) 변화를 분석한 결과를 아래 3에 나타내었다.The hemicellulose and cellulose changes of woody biomass before and after the semi-carbonization process are shown below in order to verify the bioethanol production potential of the hydrolyzate produced in the manufacturing process of carbonized pellets.

헤미셀룰로오스는 260℃ 30분 반탄화시 무처리군 27.42%에서 5.44%까지 감소하였으며 270℃ 30분 반탄화시 0.71%까지 감소하여 97%이상 분해되었고 셀룰로오스는 무처리군 11.7%에서 260℃ 10.06%, 270℃ 4.52%로 감소하였으며, 리그닌은 반응온도가 상승함에 따라 증가하여 무처리군 17.51% 대비 260℃ 30분 처리군 75.42%, 270℃ 30분 처리군 79.18%까지 함유율이 증가하였다. 발열량, 회분, 에너지수율, 원소구성 변화, 흡수성(저장성)을 평가하여 최적 조건을 260℃ 30분 처리로 결정하였다. 260℃, 30분 처리군의 폐액내 57g/L의 환원당이 생성된 것으로 분석되어 효모를 이용하여 발효를 진행하였다.Hemicellulose decreased from 27.42% to 5.44% at 260 ℃ for 30 minutes, and decreased to 0.71% at 270 ℃ for 30 minutes. The cellulase was degraded more than 97% 270 ℃ and 4.52%, respectively. The content of lignin increased with the increase of reaction temperature. The contents of lignin increased up to 75.42% at 260 ℃ for 30 minutes and 79.18% at 270 ℃ for 17 hours. Heat value, ash, energy yield, element composition change, and absorptivity (storability) were evaluated and optimum conditions were determined at 260 ℃ for 30 minutes. The reducing sugar of 57 g / L in the waste solution of the treated group at 260 ° C for 30 minutes was analyzed to be fermented using yeast.

TemperatureTemperature Hemicellulose
(%)
Hemicellulose
(%)
Cellulose
(%)
Cellulose
(%)
Lignin
(%)
Lignin
(%)
Ash
(%)
Ash
(%)
unknown
(%)
unknown
(%)
Gravimetric yield(%)Gravimetric yield (%)
CONCON 27.4227.42 11.7011.70 17.5117.51 1.571.57 41.8041.80 -- 260260 5.445.44 10.0610.06 75.4275.42 3.673.67 5.415.41 69.1169.11 270270 0.710.71 4.524.52 79.1879.18 4.034.03 11.5611.56 62.0562.05

*반응시간은 시료온도가 설정온도 도달후 30분* The reaction time is 30 minutes after the sample temperature reaches the set temperature

도 4는 반탄화 조건에 따른 목질계 성분의 변화를 보여주는 그래프이다. 5탄당 이용 균중인 Candida tropicalis 균주와 6탄당 이용 균주인 Saccharomyces cerevisiae 효모를 이용하여 30℃에서 발효를 7일간 진행하였으며 그 결과는 아래 표 4와 같다.Fig. 4 is a graph showing the change of the wood-based component according to the semi-carbonization condition. The fermentation was carried out at 30 ° C for 7 days using Candida tropicalis strain and Saccharomyces cerevisiae strain, which is a hexane-utilizing strain, and the results are shown in Table 4 below.

발효 전 가수분해물의 pH는 4.37에서 발효 후에는 4.29와 4.32로 약간 낮아진 반면, 총산도는 0.19%에서 0.31%와 0.28%로 증가하였다. 당도는 6.4에서 4.8와 5.4로 낮아졌으며, 환원당 함량은 57g/L에서 31g/L, 48g/L로 감소하였다. 5탄당 이용 균중인 Candida tropicalis 균주가 6탄당 이용 균주인 Saccharomyces cerevisiae 효모보다 가수분해물에서 당류의 이용 정도가 높은 것으로 판단되었으며, 가수분해물 밑에 효모가 많이 침전하는 것으로 보아 가수분해물 환경에서 효모의 증식과 발효가 잘 일어날 수 있음이 확인되었다.The pH of the hydrolyzate before fermentation was slightly lowered from 4.37 to 4.29 and 4.32 after fermentation, while the total acidity increased from 0.19% to 0.31% and 0.28%. Sugar content decreased from 6.4 to 4.8 and 5.4. Reducing sugar content decreased from 57g / L to 31g / L and 48g / L. 5 Candida tropicalis strains were higher than those of Saccharomyces cerevisiae yeast strains, and the yeast was found to be precipitated under the hydrolyzate, suggesting that yeast growth and fermentation Was found to occur well.

Before fermentationBefore fermentation After fermentationAfter fermentation Candida tropicalisCandida tropicalis Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae pHpH 4.374.37 4.294.29 4.324.32 Total acidity(%)Total acidity (%) 0.190.19 0.310.31 0.280.28 Soluble solids()Soluble solids () 6.46.4 4.84.8 5.45.4 Reducing sugar(g/L)Reducing sugar (g / L) 5757 3131 4848

각 효모별 glucose와 xylose의 이용 능력을 알기 위해 model system을 제조하여 실험하였다. model system은 증류수 40mL에 yeast extract 1%, peptone 2%를 첨가하였고, glucose 3%와 xylose 3%를 넣고 1N NaOH를 이용하여 pH를 5.5로 맞추었다. 발효 전 model의 당도는 8.5였으며, Model system에서 발효과정 동안의 변화를 도 5에 나타내었다. 도 5는 글루코오스와 자일로오스의 혼합 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프이다.A model system was constructed and tested to determine the ability of glucose and xylose for each yeast. The model system was prepared by adding 1% yeast extract and 2% peptone to 40 mL of distilled water, adding 3% glucose and 3% xylose, and adjusting the pH to 5.5 with 1N NaOH. The sugar content of the pre-fermentation model was 8.5, and the change during the fermentation process in the model system is shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing changes in sugar content according to a fermentation period using six yeasts in a mixed model system of glucose and xylose.

Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae 균주를 이용한 실험구는 발효 시작 후 2일째, Candida tropicalis 균주를 이용한 실험구는 발효 4일째 6.5이하의 값을 보였으며, 이후로는 큰 변화를 보이지 않았다. Pachysolen tannophilus 균주와 Candida shehatae 균주는 발효 10일째까지 지속적으로 당이 소모되어 발효 14일째 6.7의 값을 나타내었다. Pachysolen tannophilus 균주와 Candida shehatae 균주는 당을 소모하는 속도는 느리지만 발효 14일째까지 본다면 최종적인 당의 함량은 큰 차이를 보이지 않았다. 반면 Pichia stipitis는 발효기간 동안 1미만의 당도 변화를 보였다. Saccharomyces bayanus and Saccharomyces cerevisiae strains were used on the 2nd day of fermentation and Candida tropicalis strain on the 4th day of fermentation was less than 6.5. Pachysolen tannophilus strains and Candida shehatae strains were continuously consumed until 10th day of fermentation and showed a value of 6.7 on the 14th day of fermentation. The Pachysolen tannophilus strain and Candida shehatae strain consumed the sugar slowly, but the final sugar content did not show any significant difference until the 14th day of fermentation. On the other hand, Pichia stipitis showed a sugar change of less than 1 during the fermentation period.

Model system에서 6가지 효모를 이용한 발효 과정 중의 환원당의 변화를 ㄷ도 6에 나타내었다. 도 6은 글루코오스와 자일로오스의 혼합 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프이다.Figure 6 shows the changes in reducing sugar during the fermentation process using six yeasts in the model system. FIG. 6 is a graph showing changes in reducing sugar according to fermentation period using six yeasts in a mixed model system of glucose and xylose. FIG.

발효 0일 째는 6.3%의 환원당의 함량을 보였으며, Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae 균주를 이용한 실험구는 발효 2일 후 2.9-3.4%의 환원당 함량을 보였으며, 14일이 경과한 뒤 최종 환원당의 함량은 2.6-2.9%였다. Pachysolen tannophilus 균주와 Candida shehatae 균주는 발효 속도가 상대적으로 느렸지만, 발효 14일째는 2.8%의 환원당의 함량을 보여 발효 속도가 빠른 균주와 비교했을 때의 최종 환원당의 함량은 비슷했다. 6가지 균주 중 Pichia stipitis는 발효기간 동안 환원당의 변화가 가장 적었으며, 이는 를 측정한 결과와 유사하였다.On the 0th day of fermentation, the content of reducing sugar was 6.3%, and the content of reducing sugar of Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus and Saccharomyces cerevisiae was 2.9-3.4% after 2 days of fermentation. After 14 days, The content of reducing sugar was 2.6-2.9%. The Pachysolen tannophilus and Candida shehatae strains showed relatively low fermentation rate, but on the 14th day of fermentation, the content of reducing sugar was 2.8%. Among 6 strains, Pichia stipitis showed the least change of reducing sugar during fermentation period, which is similar to that of.

각 균주별 glucose와 xylose 단당류의 개별적인 이용능력을 알기 위해 glucose 3%와 xylose 3%를 각각 첨가하여 새로운 model system을 제조하였다. glucose만을 첨가한 model system에서의 와 환원당의 변화를 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7은 글루코오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 8은 글루코오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프이다.A new model system was prepared by adding 3% of glucose and 3% of xylose to each individual glucose and xylose monosaccharide. 7 and 8 show changes in the reducing sugar and the reducing sugar in the model system containing only glucose. FIG. 7 is a graph showing changes in sugar content according to fermentation periods using six yeasts in a glucose model system, and FIG. 8 is a graph showing changes in reducing sugar according to fermentation periods using six yeasts in a glucose model system.

발효 초기 Model system의 초기 당의 함량은 6값을 보였다. 발효 4일째에는 Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae 균주를 첨가한 실험구에서는 4.3의 값을 보였고 이후 발효가 종료된 모습을 보였다. Pachysolen tannophilus Candida shehatae 균주를 첨가한 실험구에서는 발효 8일째까지 당의 소모가 관찰되었고 이는 glucose와 xylose를 동시에 첨가한 model system에서의 당 소모 패턴과 유사하다. 발효기간 동안 환원당의 함량은 의 변화와 유사한 모습을 보였다. Pichia stipitis 균주를 제외한 5가지 균주들은 발효 속도의 차이가 있지만 glucose 3% 농도에서는 glucose를 잘 이용하여 발효할 수 있는 것으로 판단된다.The initial sugar content of the initial model system showed 6 values. On the 4th day of fermentation , the values of Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus and Saccharomyces cerevisiae were 4.3 and then the fermentation was completed. In the experimental group supplemented with Pachysolen tannophilus and Candida shehatae , glucose consumption was observed until the 8th day of fermentation, which is similar to the glucose consumption pattern in the model system in which glucose and xylose were simultaneously added. During the fermentation period, the content of reducing sugar was similar to that of. Five strains except Pichia stipitis had different fermentation rates, but it was concluded that fermentation can be performed using glucose at the concentration of 3% glucose.

xylose만을 유일한 탄소원으로 첨가한 model system에서의 와 환원당의 변화를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9는 자일로오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 10은 자일로오스 모델계에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프이다.The changes in the reducing sugar and in the model system in which only xylose was added as the only carbon source are shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 9 is a graph showing the change of sugar content according to the fermentation period using six yeasts in the xylose model system, and FIG. 10 is a graph showing the change in reducing sugar according to the fermentation period using six yeasts in the xylose model system to be.

발효 4일째까지는 모든 실험구에서 와 환원당의 변화가 거의 없었지만 발효 8일째에는 Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces bayanus, Pichia stipitis 균주를 첨가한 실험구를 제외한 나머지 실험구에서 당의 소모가 관찰되었다. glucose 이용 능력이 좋았던 Saccharomyces 균주들은 당의 변화가 거의 없었으며 이는 xylose를 소모하지 못하기 때문이다. 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산에서는 hemicellulose의 가수분해물인 cellobiose와 단당류 형태의 xylose를 이용할 수 있는 균주의 선발이 중요하므로 일반적으로 술을 제조하는 데 사용이 되는 Saccharomyces 균주들을 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 사료된다. 반면 Candida tropicalis, Pachysolen tannophilus, Candida shehatae 균주를 첨가한 실험구들은 모두 발효 8일째 4.6이하의 값을 보였으며 환원당은 0.6% 미만의 값을 보였다. 또한 Pichia stipitis 균주를 첨가한 실험구는 발효 8일째 의 변화는 거의 없었지만 환원당의 함량은 1.8%로 감소하였다. 특이한 점은 발효 12일째 와 환원당의 함량이 다시 높아졌으며 이는 xylose 대사 과정에서 발생한 대사물질이 실험결과에 영향을 준 것으로 보인다.There was almost no change of reducing sugar in all experimental groups until the 4th day of fermentation. However, sugar consumption was observed at the 8th day after fermentation except Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces bayanus, and Pichia stipitis . Saccharomyces strains with good glucose utilization did not change sugar significantly because they did not consume xylose. In the bioethanol production using biomass, it is important to select strains that can utilize hemicellulose hydrolyzate cellobiose and monosaccharide xylose, so it is generally considered to be difficult to apply Saccharomyces strains used for manufacturing wine . On the other hand , all of the experimental groups added with Candida tropicalis, Pachysolen tannophilus and Candida shehatae showed less than 4.6 on the 8th day of fermentation and less than 0.6% of reducing sugar. In addition, the Pichia stipitis strain showed little change on the eighth day of fermentation, but the content of reducing sugar decreased to 1.8%. Unusual was the increase in the content of reducing sugar on the 12th day of fermentation, suggesting that the metabolites generated during the xylose metabolism affected the test results.

탄화펠릿 제조과정에서 발생하는 폐액 즉 가수분해물의 발효 패턴을 파악하기 위해 6가지 균주를 이용하여 발효를 진행하였으며, 그 결과는 도 11 및 도 12와 같다. 도 11은 반탄화 공정에서 발생하는 폐액에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 당도의 변화를 보여주는 그래프이며, 도 12는 반탄화 공정에서 발생하는 폐액에서 6종의 효모를 이용한 발효기간에 따른 환원당의 변화를 보여주는 그래프이다.Fermentation was carried out using six strains in order to grasp the fermentation pattern of the waste liquid, hydrolyzate, generated in the process of manufacturing carbonized pellets. The results are shown in FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a graph showing the change in sugar content according to the fermentation period using six yeasts in the waste liquid generated in the semi-carbonization process, and FIG. 12 is a graph showing changes in the sugar content during the fermentation period using six yeasts It is a graph showing the change of reducing sugar.

가수분해물의 초기 당도는 8.5였으며 Saccharomyce bayanus, Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis 균주를 이용한 실험구들은 발효 2일만에 5.6이하로 떨어졌으며, 이후 변화가 없었다. Pachysolen tannophilus, Candida shehatae 균주를 이용한 실험구들은 발효 10일까지 계속적으로 당을 소모하였고 최종 당도는 6내외였다. 반면 Pichia stipitis를 이용한 실험구는 당을 거의 소모하지 못했으며 최종 당도는 7.5였다. 가수분해물을 이용한 발효에서 환원당의 함량도 변화와 비슷한 모습을 보였다. Saccharomyce bayanus, Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis 균주를 이용한 실험구들은 발효 2일만에 3% 내외의 환원당 함량을 보였고, 이후 큰 변화가 없었다. Pachysolen tannophilus, Candida shehatae 균주를 이용한 실험구들은 발효 14일째까지 환원당의 함량이 감소하였으며, 최종 환원당의 함량은 3% 내외의 값을 보였다. Pichia stipitis 균주는 최종 환원당의 함량이 5% 이상으로 가장 높은 값을 나타내었다.The initial sugar content of the hydrolyzate was 8.5, and the experimental groups using Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae, and Candida tropicalis decreased to less than 5.6 after 2 days of fermentation. Pachysolen tannophilus and Candida shehatae strains consumed glucose continuously until 10th day of fermentation and final sugar content was around 6. On the other hand, the experimental group using Pichia stipitis consumed almost no sugar and the final sugar content was 7.5. In the fermentation using hydrolyzate, the content of reducing sugar was similar to the change. Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae, and Candida tropicalis strains showed 3% reduction sugar content in 2 days after fermentation. The contents of reducing sugar decreased by 14 days after fermentation and the content of final reducing sugar was about 3% in the experimental groups using Pachysolen tannophilus and Candida shehatae strains. The Pichia stipitis strain showed the highest value of more than 5% in the final reducing sugar content.

가수분해물의 발효 결과 생성되는 에탄올의 함량을 아래 표 5에 나타내었다. 발효 2일째 샘플에서는 Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae 균주를 이용한 실험구에서 에탄올 함량이 1.56% 이상의 값을 보였으며, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Candida shehatae 균주를 이용하여 발효한 실험구들은 0.31% 이하의 값을 보였다. 발효 14일째에는 Pichia stipitis 균주를 제외한 모든 실험구에서 에탄올의 함량이 1.68-1.84%의 값을 보였으며 Saccharomyces bayanusSaccharomyces cerevisiae를 이용하여 발효한 실험구들의 에탄올 함량이 가장 높았다. 이상의 결과를 종합하면 Pichia stipitis 균주를 제외한 5가지 효모들이 모두 가수분해물을 이용한 바이오에탄올 생산을 위한 효모로 사용가능함이 확인되었으며, 특히 발효속도를 고려한다면 Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis 균주를 사용하는 것이 효율적일 것으로 사료된다.The content of ethanol produced as a result of fermentation of the hydrolyzate is shown in Table 5 below. In the second day of fermentation, the ethanol content of Candida tropicalis, Saccharomyces bayanus, and Saccharomyces cerevisiae was higher than 1.56% , and the fermentation rates of Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus and Candida shehatae were 0.31% or less Respectively. On the 14th day of fermentation, ethanol content was 1.68-1.84% in all experimental groups except Pichia stipitis . Ethanol content of the fermented group was highest in Saccharomyces bayanus and Saccharomyces cerevisiae . These results indicate that all of the five yeasts except for Pichia stipitis can be used as yeast for the production of bioethanol using hydrolyzate. Especially, considering the fermentation rate, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis strains are used Would be efficient.

YeastYeast Ethanol (%)Ethanol (%) Day 2Day 2 Day 14Day 14 Pichia stipitisPichia stipitis 0.180.18 0.380.38 Pachysolen tannophilusPachysolen tannophilus 0.240.24 1.761.76 Candida shehataeCandida shehatae 0.310.31 1.751.75 Candida tropicalisCandida tropicalis 1.561.56 1.681.68 Saccharomyces bayanusSaccharomyces femaleus 1.841.84 1.831.83 Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae 1.631.63 1.841.84

유럽, 미국 등 선진국은 2002년부터 신재생에너지 발전의무비율 할당제(RPS : Renewable Portfolio Standards)를 도입하여 목재펠릿연료의 혼소비율을 지속적으로 확대함에 따라 산림계 바이오매스가 공급 부족 현상을 겪고 있음에도 불구하고 유채대, 해바라기대, 옥수수대 폐버섯배지 등 농업부산물과 폐목재 같은 도시폐기물 등은 부가가치가 낮은 퇴비로 활용되거나 산림 바이오매스 대비 발열량이 낮고 회분함유량이 높아 에너지자원으로 활용되지 못하고 있다. 유채대, 해바라기대, 옥수수대 폐버섯배지 등 농업부산물 등은 목재 대비 헤미셀룰로오스 함유량이 상대적으로 높아 오탄당 전환율 및 바이오에탄올 수율이 더욱 높을 것으로 예상된다.Developed countries such as Europe and the US have introduced Renewable Portfolio Standards (RPS) since 2002, and despite the fact that forest-based biomass is in short supply due to the continuous expansion of the proportion of wood pellet fuel Agricultural waste such as oilseed rape, sunflower stand, cornstalks and waste mushroom badges are used as compost with low added value, or have low calorific value compared to forest biomass and high ash content and are not utilized as energy resources. Agricultural products such as oilseed rape, sunflower barn, and cornstalks are expected to have a higher hemicellulose content than wood, resulting in a higher rate of ozone conversion and bioethanol yield.

현재까지 목질계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 기술은 셀룰로오스의 당화 및 글루코스 등 육탄당을 발효하기 위한 기술개발에 집중되어 있으며, 헤미셀룰로오스로부터 유래되는 오탄당의 당화 및 발효를 위한 기술개발은 상대적으로 미흡한 수준이며, 현재까지 가장 많이 알려진 에탄올 생산 미생물은 효모 계열의 사카로미세스 세레비시아로, 이들은 높은 에탄올 전환율을 보이지만 헤미셀룰로오스의 분해산물인 자일로즈는 이용할 수 없는 단점이 있었다. 본 발명은 육탄당 뿐만 아니라 오탄당의 당화 및 발효를 가능하게 하므로 목질계 바이오에탄올의 수율 향상 및 본격적인 상업화에 기여할 수 있다.Up to now, bio-ethanol production technology using woody biomass has been focused on the development of a technology for fermenting hexose, such as saccharification of cellulose and glucose, and development of technology for saccharification and fermentation of pentose derived from hemicellulose is relatively inadequate . The most known ethanol-producing microorganisms to date are yeast-derived Saccharomyces cerevisiae, which have a high ethanol conversion rate but have a disadvantage in that xylose, which is a degradation product of hemicellulose, can not be used. The present invention enables saccharification and fermentation of pentose sugar as well as pentose sugar, thereby contributing to improvement of the yield of the woody bio-ethanol and commercialization of the bio-ethanol.

현재 바이오에탄올은 브라질이나 미국을 중심으로 이미 상용화되었고 또 그 생산량도 크게 증가하고 있으나 이는 모두 사탕수수나 옥수수와 같은 식량계 바이오매스로부터 생산되는 것으로서 이미 곡물 가격의 불안정을 초래하고 있고 곡류의 가격 상승은 곧 바로 바이오에탄올의 단가를 상승시키게 되므로 연료 가격과 더불어 심지어는 연료 공급 문제까지 야기할 여지가 높다.Currently, bioethanol has been commercialized mainly in Brazil and the US, and its production has increased greatly. However, all of these products are produced from biomass such as sugar cane or corn, which has already caused unstable grain prices. Will increase the unit price of bioethanol as soon as possible, so there is room for fuel price and even fuel supply problem.

목질계 성분의 대부분을 차지하는 셀룰로오스는 지구상에 가장 풍부하게 존재하는 고분자이며, 옥수수와 사탕수수에 존재하는 녹말이나 당분과는 다르게 인간이 소화시킬 수 없는 성분으로 목질계를 기반으로 하는 에탄올 연료는 식량공급에 사용되는 것을 연료 생산에 사용하지 않기 때문에 농업용 경작지와의 경쟁 완화 및 식량자원 가격 및 수급 안정화에도 기여 할 수 있을 것으로 전망된다.Cellulose is the most abundant polymer on the planet, and it is an ingredient that can not be digested by humans unlike starch or sugar which is present in corn and sugarcane. It is based on wood-based ethanol fuel, Since it does not use the feedstock for fuel production, it is expected to contribute to easing competition with agricultural land and stabilizing food resource prices and supply and demand.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양하고 변형된 구성이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art. Therefore, it should be pointed out that the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, but should be construed according to the appended claims.

Claims (5)

목질계 바이오매스(Ligno cellulo biomass)를 반탄화(Torrefaction)하여 탄화펠릿(Torrefied pellet)을 제조하는 과정에서 생성되는 폐액을 수거하고, 25 ~ 32℃에서 효모를 이용하여 발효시킴으로써 바이오에탄올을 제조하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오에탄올 제조 방법. The waste liquid produced during the production of carbonized pellets by the torrefaction of Ligno cellulo biomass is collected and fermented using yeast at 25 to 32 ° C to produce bioethanol ≪ / RTI > 제1항에 있어서,
상기 목질계 바이오매스는 셀룰로오스, 세미셀룰로오스, 및 리그닌을 포함하는 목질계 톱밥이며;
상기 반탄화는 산소결핍 조건에서 220 ~ 280℃의 열을 가하는 공정에 의해 이루어지며;
상기 탄화펠릿의 주성분은 셀룰로오스 및 리그닌이고;
상기 폐액은 헤미셀룰로우스가 열에 의해 분해되어 생성되는 5탄당 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오에탄올 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the woody biomass is woody sawdust comprising cellulose, semi-cellulose, and lignin;
The semi-carbonization is carried out by a process of applying heat at 220 to 280 ° C under oxygen depletion conditions;
The main components of the carbonized pellets are cellulose and lignin;
Wherein the waste liquid comprises a pentose component produced by decomposition of hemicellulose by heat.
제2항에 있어서,
상기 폐액에 포함되어 있는 5탄당은 자일로오스 또는 아라비노오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오에탄올 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the pentane contained in the waste solution comprises xylose or arabinose. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제3항에 있어서,
상기 효모는,
피치아 스티피티스(Pichia stipitis) 균주,
파치솔렌 타노필루스(Pachysolen tannophilus) 균주,
캔디다 세하타에 변종 인섹토사(Candida shehatae var.insectosa) 균주, 및
캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis) 균주
로 이루어진 5탄당 분해 균주들 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 목질계 바이오에탄올 제조 방법.
The method of claim 3,
The yeast,
Pichia stipitis strain,
Pachysolen tannophilus strain,
A Candida shehatae var. Insectosa strain,
Candida tropicalis strain
Wherein the biodegradable microorganism is at least one selected from the group consisting of five degrading bacteria.
제4항에 있어서,
상기 효모는,
사카로미세스 바야누스(Saccharomyces bayanus) 균주, 및
사카로미세스 세레비시아에(Saccharomyces cerevisiae) 균주
로 이루어진 6탄당 분해 균주들 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오에탄올 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The yeast,
Saccharomyces bayanus strain, and
Saccharomyces cerevisiae strain
Wherein the biodegradable microorganism further comprises at least one of six-sugar-degrading strains of the plant.
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