KR101497225B1 - 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법 - Google Patents

전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법에 관한 것으로, 전분질 바이오매스를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 바이오매스를 호화 및 액화하는 단계; 상기 액화된 바이오매스로부터 고상 및 액상으로 분리하는 단계; 및 상기 고상이 분리된 액상을 동시 당화 발효하여 제1 발효 생성물을 획득하는 단계를 포함하는 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 고효율적이고, 경제적인 발효 생성물의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법{Manufacturing method of the fermentation product from starchy biomass}
본 발명은 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
바이오화학 분야에서, 바이오매스(biomass)는 식물, 미생물 등의 생물체로부터 유래된 유기체이며, 통상적으로 열분해시키거나 발효시켜 메탄올, 에탄올, 수소 등과 같은 바이오 에너지를 생산한다. 또한, 바이오매스(biomass)는 매년 방대한 양으로 공급되고 있어 고갈의 염려가 없으며, 화학 공업의 원료물질 공급원(chemical feedstocks)의 역할까지 수행할 수 있는 자원이다. 하지만, 상기 바이오매스(biomass)를 이용하는 에너지 생산 방법은 공정 비용이 너무 높고, 특히, 바이오매스의 당화 수율이 낮아 바이오매스 자원을 효과적으로 이용하는데 어려움이 있다.
최근 바이오화학 분야에서 주목받는, 2,3-부탄디올은 용매, 부동액(anti-freeze solution), 가소제 (plasticizer)의 합성뿐만 아니라, 화학적인 전환을 통해 합성고무 제조에 사용되는 부타디엔(1,3-butadiene), 액체연료 첨가제(liquid fuel additive)인 MEK(methyl ethyl ketone), 식품 첨가제 향료로써 사용되는 아세토인(acetoin)과 디아세틸(diacetyl), 폴리우레탄의 전구체 등의 생산에 이용된다.
2,3-부탄디올은 생물학적 방법으로 생산이 가능하며, 포도당을 탄소원으로 이용하는 경우, pyruvate와 acetoin을 거쳐 2,3-부탄디올이 생산되거나 diacetyl을 거치는 butanediol cycle을 통해 2,3-부탄디올이 생산되는 선택적 경로가 보고되고 있다.
또한, 2,3-부탄디올은 세 가지의 이성질체, D(-), L(+), 그리고 meso(±)를 갖고 있으며 생산하는 균주에 따라 D(-), L(+), meso(±) 2,3-부탄디올을 선택적으로 또는 혼합하여 생산되는 것으로 알려져 있으며, 광학활성 2,3-부탄디올을 선택적으로 생산하도록 대사공학을 통한 균주개발이 보고된 바 있다.
특히, 생물학적 2,3-부탄디올 생산 기술을 C-Zero 바이오화학 산업의 기반 기술로 개발하기 위해서는 2,3-부탄디올의 주된 시장이라고 할 수 있으며, 또한 현재 석유화학공정으로 생산되는 부타디엔(1,3-butadiene), 메틸에틸케톤((methyl ethyl ketone) 등의 유도체의 생산 단가 수준으로 또는 보다 경제적으로 생산할 수 있어야 한다.
이러한 경제적인 2,3-부탄디올 생산을 위해 2,3-부탄디올의 생물학적 생산 경로를 인위적으로 바꾸고 최적화하는 대사공학 기술과, 보다 저렴한 기질 (substrate)을 확보할 수 있어야 하며 2,3-부탄디올 산물로의 전환율 또한 최대화할 수 있어야 한다. 생물학적인 발효 경로를 통해 생산되는 2,3-부탄디올을 순수하게 대량으로 생산하기 위해서는 부산물 생산을 최소화하고 고효율로 2,3-부탄디올을 생산하는 균주 개발, 배양조건, 탄소원, 운전조건 최적화를 통한 고농도, 고생산성 발효 공정 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 필요를 충족시키기 위한 것으로, 전분질 바이오매스를 이용하여 경제적인 비용으로 고농도의 발효 생성물을 제조할 수 있는, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면은, 전분질 바이오매스를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 바이오매스를 호화 및 액화하는 단계; 상기 액화된 바이오매스로부터 고상 및 액상으로 분리하는 단계; 및 상기 고상이 분리된 액상을 동시 당화 발효하여 제1 발효 생성물을 획득하는 단계를 포함하는 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 전분질 바이오매스는 카사바, 옥수수, 밀, 쌀, 보리 및 감자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 호화 및 액화하는 단계는 90 내지 100 ℃ 온도에서 1 내지 2 시간 동안 실시될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는 제1 pH에서 당화 발효하고, 이어서 제2 pH에서 당화 발효하며, 상기 제1 pH 및 제2 pH는 서로 상이한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제1 pH는 미생물 생장을 유도하는 pH이고, 상기 제2 pH는 당화 효소 활성을 유도하는 pH일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제1 pH는 pH 6.0 내지 7.0이고, 상기 제2 pH는 pH 4.5 내지 6.0일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제2 pH는 미생물 농도 OD@660 값이 15 이상; 당농도 10 g/L 이하; 및 동시 당화 발효 이후 12 내지 20 시간 이내; 중 어느 하나 이상의 조건에서 적용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제1 발효 생성물은, 2, 3-부탄디올일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 분리된 고상을 당화 및 발효, 또는 동시 당화 발효하여 제2 발효 생성물을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 제2 발효 생성물은, 바이오 메탄올, 바이오 에탄올 및 바이오 수소 중 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 분리된 고상을 건조하여 사료 원료를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 바이오매스 발효 생성물을 고효율 및 경제적인 방법으로 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 방법은 다양한 발효 생성물을 제조할 수 있으므로, 바이오매스의 효과적인 활용이 가능하다. 보다 구체적으로, 본 발명은 바이오매스 발효 생성물로서, 2,3-부탄디올 화합물을 고농도로 제공할 수 있을 뿐 아니라, 2,3-부탄디올 화합물의 제조 공정에서 분리된 고형분을 바이오 에너지, 사료 원료 등의 제조에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 발효 생성물의 제조방법을 간략하게 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 발효의 성상을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따른 당화량의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3에 따른 포도당 소모량 및 2,3-부탄디올 생산량을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 포도당 소모량 및 2,3-부탄디올 생산량을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법을 제공하는 것이며, 상기 제조방법은 액화된 바이오매스의 당화 및 발효 공정의 효율을 증가시키고, 고농도의 발효 생성물을 경제적인 비용으로 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 제조방법은, 분쇄하는 단계; 호화 및 액화하는 단계; 고상 및 액상으로 분리하는 단계; 및 제1 발효 생성물을 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제조방법은 제2 발효 생성물을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
분쇄하는 단계
상기 분쇄하는 단계는, 바이오매스를 1 mm 이하의 크기로 분쇄하는 단계이고, 상기 분쇄는 습식 또는 건식 분쇄이며, 본 발명의 기술분야에서 적용 가능한 분쇄 방법이라면, 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 바이오매스는 식물에서 유래된 것이며, 바람직하게는 전분질 바이오매스일 수 있다. 상기 전분질 바이오매스는 곡물, 감자 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 카사바, 옥수수, 밀, 쌀, 보리, 감자 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
호화 및 액화하는 단계
상기 호화 및 액화하는 단계는 분쇄된 바이오매스에 물 및 액화 효소를 주입하고 50 내지 120 ℃온도, 바람직하게는 90 내지 100 ℃에서 1시간 내지 2시간 동안 호화 및 액화하는 단계이다. 상기 분쇄된 바이오매스는 300 내지 400 g/L의 조성으로 물과 혼합되고, 상기 액화 효소는 α-아밀라제 등일 수 있고, 예를 들어, Termamyl, Liquozyme, Amylex 등과 같은 제품을 이용할 수 있다.
고상 및 액상으로 분리하는 단계
상기 고상 및 액상으로 분리하는 단계는 액화된 바이오매스를 여과 또는 원심분리하여 액화액에서 고형분을 분리하는 단계이다. 상기 분리된 고상 및 액상은 원하는 발효 생성물에 따라 다양한 후처리 공정으로 처리될 수 있으며, 예를 들어, 하기에서 설명되는 당화, 발효, 건조 등일 수 있다. 상기 분리된 액상은 상기 액화된 바이오매스에서 90 % 이상, 바람직하게는 94 % 이상의 고형분이 분리된 액화액이며, 섬유소, 재 등을 포함하는 고형분이 제거되므로, 액화액의 점도를 낮추어 교반 효율을 개선시키고, 발효 생성물의 생산량을 증대시킬 수 있다.
제1 발효 생성물을 획득하는 단계
상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는 상기 분리하는 단계에서 고상이 분리된 액상을 제1 반응기에서 동시당화발효하여 제1 발효 생성물을 획득하는 단계이다. 바람직하게는, 상기 제1 발효 생성물은 2,3-부탄디올일 수 있다.
상기 동시 당화 발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation; SSF)는 고상이 분리된 액상에 발효 균주 및 당화 효소를 첨가한 이후, 제1 pH로 조정하여 당화 발효하고, 이어서 제2 pH로 조정하여 당화 발효한다.
이는 제1 pH 조건에서 균주 생장이 충분히 이루어지고, 포도당 소모속도가 가속화되는 시점에서 당화 효소 활성에 적합한 제2 pH 조건으로 변화시켜 당화 발효를 진행하는 것이다. 예를 들어, 상기 제2 pH 조건은 제1 발효 생성물을 획득하는 단계에서 미생물 농도 OD@660 값(OD: Optical density, 빛파장 660nm)이 15 이상, 바람직하게는 15 내지 25; 당농도가 10 g/L 이하; 동시당화발효를 실시한 이후 12 내지 20시간 이내; 등과 같은 조건 중 하나 이상을 만족할 때 적용될 수 있다.
상기 제1 pH 및 제2 pH는 서로 상이하고, 제1 발효 생성물의 제조에 적용되는 균주, 당화 효소 등에 따라 그 범위가 적절하게 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 pH는 제1 발효 생성물의 발효 조건에서 미생물 생장을 유도하는데 적합한, pH 6.0 내지 7.0일 수 있다. 상기 제2 pH는 전분질 바이오매스의 당화효소 활성을 유도하는데 적합한, pH 4.5 내지 6.0, 바람직하게는 4.5 내지 5.5일 수 있다.
상기 pH는 황산, 염산, 아세트산 등의 산용액과 수산화나트륨, 암모니아수 등의 알카리용액을 이용하여 조절될 수 있다. 상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는 20 ℃ 내지 40 ℃ 온도, 바람직하게는 37 ℃에서 15 내지 100 시간 동안 이루어질 수 있다.
상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계에서 발효 균주는 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 클렙시엘라 뉴모니아에(Klebsiella pneumoniae), 아에로박터 아에로게네스(Aerobacter aerogenes), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 세라티아 마르세센스(Serratia marcescens), 엔터로박터 속(Enterobacter sp), 바실러스 속(Bacillus sp), 로도코커스 속(Rhodococcus sp), 파에니바실러스 속(Paenibacillus sp) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca)이다.
상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계에서 당화 효소는 글루코-아밀라아제(gluco-amylase), 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제, 풀루라나아제(pullulanase) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 예를 들어, AMG 300 L, Spirizyme Plus FG, Promozyme D2, Dextrozyme, Spirizyme Fuel 등과 같은 제품을 이용할 수 있고, 바람직하게는 Spirizyme Fuel 일 수 있다. 상기 당화 효소는 상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계에서 미생물의 포도당 소비 속도 및 포도당이 배출되는 당화 속도에 따라 투입량 및 투입 회수를 조절할 수 있다.
상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계 이후에 제1 발효 생성물의 분리 정제하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 방법을 이용할 수 있다.
제2 발효 생성물을 획득하는 단계
본 발명은 상기 고상 및 액상으로 분리하는 단계 이후에 상기 제2 발효 생성물을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 발효 생성물을 획득하는 단계는 상기 분리된 고형분을 제2 반응기에서 당화 및 발효하거나 또는 동시 당화 발효하여 제2 발효 생성물을 획득하는 단계이다. 상기 제2 발효 생성물을 획득하는 단계는 당화 효소 및 발효 균주를 이용하고, 상기 당화 효소는 상기 언급한 바와 같고, 발효 균주는 사카로마이세스(Saccaromyces) 속, 피치(Pichi) 속, 자이모모나스(Zymomonas) 속, 클루이베로마이세스(Kluyveromyces) 속, 스키조사카로미세스 (Schizosaccharomyces) 속, 클렙시엘라(Klebsiella) 속, 브레타노마이세스(Brettanomyces) 속, 칸디다(Candida) 속, E. coli, 메타노박테리움(Methanobacterium) 속, 메타노브레빌박터(methanobrevilbacter)속, 메타노쿡쿠스(methanocuccus) 속, 메타노제니움(Methanogenium) 속, 메타노스피릴룸(Methanospirillum) 속, 메타노살시나(Methanosarcina) 속, 메타노사르시나(Methanosarcina) 속, 메타노트릭스(Methanothrix) 속 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제2 발효 생성물을 획득하는 단계는 20 내지 40 ℃ 온도에서 15 내지 100 시간 동안 이루어질 수 있다.
상기 분리된 고형분은 상당량의 발효성 당(포도당, 말토오스, 말토올리고당 등)을 포함하고 있으며, 이를 이용하여 제2 발효 생성물로서 바이오 에너지를 제조할 수 있다. 상기 바이오 에너지는 바이오 메탄올, 바이오 에탄올, 바이오 수소 등일 수 있으며, 바람직하게는 바이오 에탄올일 수 있다.
상기 제2 발효 생성물을 획득하는 단계 이후에 제2 발효 생성물의 분리 정제하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 방법을 이용할 수 있다.
본 발명은 상기 고상 및 액상으로 분리하는 단계 이후에 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 건조하는 단계는 분리된 고형분을 건조하는 단계이며, 건조된 고상은 사료의 원료로 사용될 수 있다.
하기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[ 제조예 1] 액화액의 제조
카사바(1000 g, 포도당산출량 776 g, 전분 함량 70%)를 1 mm 이하로 분쇄된 분말을 320(g/L)조성으로 물과 혼합하고, 여기에 액화효소(Termamyl SC, 120 KNU-S g-1, Novozymes, Denmark) 0.08 %를 첨가하여 100 ℃에서 90 분간 액화반응을 하여 카사바 액화액을 제조하였다.
[ 실험예 1]
(1) 고액 여과 및 2,3- 부탄디올의 생산량 비교
상기 제조예 1의 카사바 액화액(3,240 ml)을 25μm의 screen으로 고액 여과하여 여과액(2,680ml)을 획득하였다. 여과 전후 고형분의 함량 및 점도는 하기의 표 1에 제시하였다.
이어서 여과하지 않은 액화액 및 고액 여과한 액화액을 발효온도인 37 ℃로 냉각시키고 당화효소(Spirizyme Fuel, 750 AUG g-1, Novozymes, Denmark)를 카사바의 0.2 % 첨가하고 2,3-부탄디올 생산균주로서 10시간 배양한 클렙시엘라 옥시토카 재조합 (K. oxytoca ATCC43863 ΔldhA) 균주 배양액 8 %를 접종하여 최적 발효조건인 pH 6.5로 조절하면서 교반 배양하였다. 상기 발효배지 조성으로 K2HPO4 8.66 g/L, KH2PO4 6.85 g/L, MgSO4·7H2O 0.25 g/L, 그리고 질소원으로 에탄올 스틸리지 농축액 2 % 또는 효모추출물 5 g/L를 포함하고 있다. 0 내지 14 시간의 발효 시간 동안 생산된 2,3-부탄디올의 함량을 도 2에 제시하였다.
구성 여과 전 여과 후
점도(cp) 8.5 3.4
고형분 함량(%) 3.4 0.2
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 고액 여과를 통하여 액화액에서 94 %의 고형분이 제거된 것을 확인할 수 있고, 여과 이후에 점도가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 발효 14시간 경과 후 여과하지 않은 액화액 및 고액 여과한 액화액의 배지에서 생산된 2,3-부탄디올이 각각 17.6 g/L 및 34.7 g/L이고, 이는 여과에 의해서 2 배 이상의 생산 속도가 향상될 수 있음을 보여주는 것이다.
[ 실험예 2] pH 조건에 따른 카사바 당화 특성
제조예 1의 카사바 액화액을 25μm의 screen을 이용하여 고액 여과하였다. 수산화나트륨 알카리용액을 이용하여 여과액의 pH 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0로 조절하고, 50 ℃에서 카사바의 0.2 %의 당화효소(Spirizyme Fuel, 750 AUG g-1, Novozymes, Denmark)를 각각 첨가하고 48 시간 동안 당화시켰다. 당화 과정에서 포도당 농도를 측정하여 각각의 당화율을 구하고, pH가 당화에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과는 도 3에 제시하였다.
도 3을 살펴보면, pH 4.5, 5.0, 5.5의 경우는 당화 24시간 만에 모두 90 % 이상의 당화율을 보여주었고 48시간 후에는 각각 96.9, 96.3, 95.6 %의 당화율을 나타내어 최적의 당화조건 임을 알 수 있었다. 한편 pH 6.5, 7.0은 당화 12시간 후 당화 활성이 급격히 떨어지면서 최종적으로 72.8, 61.5 %의 당화율을 나타내어 효율적인 전분질 바이오매스 사용이 어려움을 보여 주었다. 반면, pH 6.0의 경우 당화 48 시간에 92.6 %의 당화율을 보여주긴 하였으나, 당화 12 시간 이후부터는 당화속도가 떨어지고, 48 시간까지 서서히 당화가 진행되는 것을 확인할 수 있다. 이는 당화속도가 미생물이 소비하는 포도당 소모속도에 미치지는 못함을 보여주는 것이다.
[ 실험예 3] pH 조건에 따른 카사바 동시당화발효 특성
제조예 1의 카사바 액화액을 25μm의 screen을 이용하여 고액 여과하였다. 여과액의 pH 5.5, 6.0, 6.5로 각각 조절한 것 외에는 실험예 1과 동일한 방법으로 동시당화발효를 실시하였다. 2,3-부탄디올의 동시당화발효에 따른 포도당 소비 및 2,3-부탄디올의 생산량을 도 4에 제시하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이, pH 6.0과 6.5의 경우 동시당화발효가 시작됨에 따라 당화가 시작되고 미생물에 의해 포도당 소비가 진행됨에 따라 포도당 농도가 초반에 증가하지만, 발효 30시간과 24시간 이후에는 0 g/L 수준에 머무르는 결과를 나타내었다. 이는 당화에 의해 생성된 포도당의 생성속도보다 미생물에 의해 소비되는 포도당 소비속도가 더 빠르기 때문이며 정상적인 2,3-부탄디올 발효가 이루어지지 못함을 보여주는 결과이다. 한편 pH 5.5의 경우는 당화조건에 유리한 조건이어서 충분한 포도당이 존재함에도 불구하고 2,3-부탄디올 생산속도가 78시간의 발효시간에 71.1 g/L의 낮은 생산농도를 보이는 것은 미생물의 생장 pH조건이 최적조건이 아니기 때문이다. 따라서 단일 pH 조건에서 전분질 바이오매스를 이용한 고농도 2,3-부탄디올의 생산이 어려움을 보여주고 있다.
[ 실시예 1]
(1) 동시당화발효에 의한 카사바로부터 2,3- 부탄디올의 생산
실험예 1과 동일한 방법으로 카사바 액화액(3,240 ml, 고형분 3.4 %)을 준비하고, 고액 여과하여 고형분 및 액화액(2,680 ml, 고형분 0.2 %, 포도당 656.6 g)을 분리하였다. 이어서, 37 ℃에서 카사바의 0.2 %의 당화효소(Spirizyme Fuel, 750 AUG g-1, Novozymes, Denmark)를 첨가하고, 2,3-부탄디올 생산균주로서 10시간 배양한 클렙시엘라 옥시토카 재조합 (K. oxytoca ATCC43863 ΔldhA) 균주 배양액 8 %를 접종하여 초기 pH 조건을 2,3-부탄디올 생산 미생물의 최적 조건인 6.5로 하고, 90 시간 동안 교반 배양하였다. 다음으로, 14시간 발효 후 미생물 농도 OD@660 값이 15 이상이고, 당농도 10 g/L 이하로 떨어질 즈음 pH를 당화효소 활성에 적합한 5.5로 변환하면서 동시당화발효를 진행하였다. 48 시간의 발효후 102.3 g/L(전체 발효액: 2.89 L)의 2,3-부탄디올을 2.13 g/L/h의 부피생산성으로 생산하였고, 카사바 당화율은 95.3 %이였다. 그 결과는 도 5에 제시하였다.
도 5에 제시한 바와 같이, pH 변환공정을 도입한 전분질 바이오매스 동시당화발효 단계를 적용할 경우에, 초기 미생물 성장을 위한 최적 조건과 후기 전분 당화를 위한 최적 조건으로 pH를 변환시켜줌으로서 전분질 바이오매스를 효율적으로 이용할 수 있고 고농도 2,3-부탄디올을 생산할 수 있음을 확인할 수 있다.
[ 실시예 2] 에탄올 생산
상기 실시예 1에서 분리된 고형분(518g, 수분, 64.5%, 건조중량 34.5%, 포도당 119.1 g)과 고형분 대비 300 %의 물을 혼합하여 포도당 기준 약 60 g/L 조성의 혼합물을 제조하였다. 이어서, 산출 포도당량의 0.2 %의 당화효소(Spirizyme Fuel, 750 AUG g-1, Novozymes, Denmark)를 첨가하고 에탄올 생산균주로서 10시간 배양한 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae CHY1011, KCTC 11250BP) 균주 배양액 5 %를 접종하여 32 ℃에서 24시간 진탕배양하여 3.2 %(v/v)의 에탄올(발효액 2.6 L, 에탄올 58.5 g)을 제조하였다.
[ 실시예 3] 사료 원료
상기 실시예 1에서 분리된 고형분(518g, 수분, 64.5%, 건조중량 34.5%, 포도당 119.1 g)을 80℃ 온도에서 24 시간 동안 건조하여, 사료 원료(178 g)를 제조하였다.

Claims (16)

  1. 전분질 바이오매스를 분쇄하는 단계;
    상기 분쇄된 바이오매스를 호화 및 액화하는 단계;
    상기 액화된 바이오매스로부터 고상 및 액상으로 분리하는 단계; 및
    상기 고상이 분리된 액상을 동시 당화 발효하여 제1 발효 생성물을 획득하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는 제1 pH에서 당화 발효하고, 이어서 제2 pH에서 당화 발효하며, 상기 제1 pH 및 제2 pH는 서로 상이한 것인,
    전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전분질 바이오매스는, 카사바, 옥수수, 밀, 쌀, 보리 및 감자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이오매스를 분쇄하는 단계는, 바이오매스를 1 mm 이하로 분쇄하는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 호화 및 액화하는 단계는 90 내지 100 ℃ 온도 및 1 내지 2 시간 동안 실시되는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 pH는 미생물 생장을 유도하는 pH이고, 상기 제2 pH는 당화 효소 활성을 유도하는 pH인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 pH는 pH 6.0 내지 7.0이고,
    상기 제2 pH는 pH 4.5 내지 6.0인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 pH는 미생물 농도 OD@660 값이 15 이상; 당농도 10 g/L 이하; 및 동시 당화 발효 이후 12 내지 20 시간 이내; 중 어느 하나 이상의 조건에서 적용되는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는, 15 내지 100시간 및 20 ℃ 내지 40 ℃온도에서 이루어지는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발효 생성물을 획득하는 단계는 발효 생성물의 발효 균주 및 당화 발효 효소를 이용하는 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발효 균주는, 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 클렙시엘라 뉴모니아에(Klebsiella pneumoniae), 아에로박터 아에로게네스(Aerobacter aerogenes), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 세라티아 마르세센스(Serratia marcescens), 엔터로박터 속(Enterobacter sp), 바실러스 속(Bacillus sp), 로도코커스 속(Rhodococcus sp), 파에니바실러스 속(Paenibacillus sp)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 당화 발효 효소는 글루코-아밀라아제, 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 풀루라나아제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서
    상기 제1 발효 생성물은, 2, 3-부탄디올인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 고상을 당화 및 발효, 또는 동시 당화 발효하여 제2 발효 생성물을 획득하는 단계를 더 포함하는, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 발효 생성물은, 바이오 메탄올, 바이오 에탄올 및 바이오 수소 중 1종 이상인 것인, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 고상을 건조하여 사료 원료를 획득하는 단계를 더 포함하는, 전분질 바이오매스로부터 발효 생성물의 제조방법.
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