KR101511370B1 - 식물성 폐기물을 이용한 바이오 에탄올의 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐 빵 또는 폐 빵과 폐 과실의 혼합물을 포함하는 배지에서 생전분 분해효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 처리에 어려움이 있었던 폐빵류 및 폐과실을 이용하여 고수율로 바이오 에탄올을 생산할 수있으며, 기존에 에탄올의 생산기질로 사용되어 왔던 곡류 외의 폐기물을 사용함으로서 식량자원의 절약뿐만 아니라 폐기물 처리 비용 절감효과가 있다.

Description

식물성 폐기물을 이용한 바이오 에탄올의 생산 방법{Method for Preparing Ethanol Using Vegetable Waste}

본 발명은 폐 빵 또는 폐 빵과 폐 과실의 혼합물을 포함하는 배지에서 생전분 분해효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.

바이오매스 자원이 부족한 우리나라와 같은 경우에 있어서는 연료용 에탄올의 생산을 위하여 다양한 자원을 이용하여 바이오 에탄올의 생산에 대한 시도가 이루어지고 있는 실정으로 폐기물들을 이용한 바이오 에탄올의 생산에 대한 기질의 다양화를 추구할 필요가 있다.

식자원 폐기물 중 유통기한 경과 등의 이유로 폐기되는 폐빵은 전국적으로 한 해 25,683톤(한국식량안보연구제단 보고서 2011.11.30, 2009년 기준)에 달하며 이로 인해 발생하는 제품손실비용은 약 380억원으로 추산하고 있다. 또한 이들 폐 빵류에는 평균 37% 가량의 탄수화물이 포함되어 있어 이를 에탄올 발효의 기질로 활용할 경우, 연간 6,292 KL (100% 에탄올 기준)의 에탄올을 얻을 수 있다.

각종 폐 빵류의 전분질 탄수화물 및 수분 함량

	식빵	단팥빵	크림빵	고로케
수분(%)	34.4	32.1	38.4	37.9
탄수화물(%)	47.25	40.9	32.3	27

일반적으로 전분질계 및 당질계를 바이오 에탄올 생산의 원료로 사용함에 있어서 전분질계에 있어서는 당화효소의 반응 최적 조건을 위하여 가열, 호화, 증숙, 산분해 혹은 알칼리 분해 등의 과정에 소요되는 시간 및 에너지와 이를 다시 효모가 증식, 생장할 수 있는 상온으로 냉각시키거나 분해에 사용된 산 혹은 알칼리를 중화시키는 시간 및 에너지의 투입이 필요하여 에탄올 생산의 공정을 복잡하게 하는 동시에 에너지의 낭비를 초래하고 있으며 이는 폐기물의 활용을 통한 신재생에너지의 생산에도 부적합한 공정이다. 또한 당질계인 페과실등을 이용한 바이오 에탄올 생산에 있어서는 전분질계와 달리 효모만을 이용하여 바이오 에탄올을 생산할수 있으나, 국내에서 재배되는 과실들이 내포하고 있는 당분의 함량 적은 편으로 이들을 이용하여 바이오 에탄올을 생산함에 있어서 효고 처리등의 방법으로 바이오 에탄올의 생산량의 증대 방법등의 해결 방안의 모색은 필요한 사항이다.

이에 본 발명자들은 식물성 폐기물을 이용하여 효율적으로 바이오 에탄올을 생산하는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 유통기한등의 경과등으로 인하여 폐기되는 빵류에 포함되어 있는 전분과 상품성 가치가 떨어지는 폐과실등을 단독 또는 혼합 기질로 하여 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami를 이용한 당화와 효모를 이용한 발효를 동시에 수행하면 고수율로 바이오 에탄올 생산할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 식품 폐기물을 이용하여, 단일공정으로 고수율로 에탄올을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐 빵을 포함하는 배지에서 생전분 분해 효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 폐 빵 및 폐 과실로 구성된 당원료를 포함하는 배지에서 생전분 분해 효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 처리에 어려움이 있었던 폐빵류 및 폐과실을 이용하여 고수율로 바이오 에탄올을 생산할 수있으며, 기존에 에탄올의 생산기질로 사용되어 왔던 곡류 외의 폐기물을 사용함으로서 식량자원의 절약뿐만 아니라 폐기물 처리 비용 절감효과가 있다.

도 1은 종류별 폐 빵류에 Rhizopus sp. 배양체와 효모를 가한 후 얻어진 에탄올 농도를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 폐 과실을 대상으로 Rhizopus sp. 배양체와 Aspergillus usami 배양체 간의 에탄올 생산능을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 Rhizopus sp. 배양체와 Aspergillus usami 배양체가 지닌 각 분해 효소의 비활성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 종류별 폐 빵류와 폐 사과의 혼합물에 Rhizopus sp. 배양체와 효모를 가한 후 얻어진 에탄올 농도를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.

일 관점에서, 본 발명은 폐 빵을 포함하는 배지에서 생전분 분해 효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서, 상기 전분분해효소를 생산하는 균주는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 전분분해효소를 생산하는 균주는 Rhizopus sp. 및 Aspergillus usami 균주의 혼합균주를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 에탄올 제조에 사용되는 배지는 별도의 가열 과정과 별도의 산 분해 혹은 알칼리 분해 과정이 없이 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 전분분해효소를 생산하는 균주는 고상배양물 형태로 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 발효시의 온도는 28~33℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 배지의 급수는 90~100%로 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 잡균의 오염을 방지하고 당화력을 높이기 위하여, 초기 배지의 pH는 3~4인 것이 바람직하다.

다른 관점에서, 본 발명은 폐 빵 및 폐 과실로 구성된 당원료를 포함하는 배지에서 생전분 분해 효소를 생산하는 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.

상기 폐 과실에 사용되는 과실류는 당분이 많은 과실류인 것이 바람직하며, 예를 들면, 딸기, 배, 사과, 복숭아, 포도, 바나나, 수박, 감, 참외 등을 들 수 있으며, 상기 과실은 폐과실인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태에서, 폐 빵과 폐 과실의 전처리는 폐 빵(혹은 폐 빵과 폐 과실의 혼합물)에 동량의 물 (100% 중량)을 가하여 분쇄기를 통하여 10 mesh 이상의 균질화 작업을 진행한 후 Rhizopus sp. 배양체 또는 Rhizopus sp. 배양체 와 Aspergillus usami 배양체의 1:1 혼합물을 폐 빵(혹은 폐 빵과 폐 과실의 혼합물)의 4% 중량 첨가함과 동시에 효모를 접종한 후 교반을 통해 균질화를 진행하였다.

본 발명의 다른 양태에서, 균질화를 수행한 폐 빵과 폐과실을 이용한 발효공정은 당화와 알코올 발효의 원활한 진행을 위해 24시간 간격으로 1분 동안 교반을 진행하며 25 ~30℃의 온도를 유지하여 주며, 재료를 혼합한 후 72 시간 동안 진행하였으며, 알코올 측정은 주류분석 규정에 따라 다음과 같이 진행하였다.

즉, 500ml 삼각플라스크에 시료 100ml과 물 100ml을 가한 후 이를 증류하여 증류액 80ml을 회수하여 이를 증류수로 100ml이 되게 한 후 주정계로 측정하였다.

본 발명에서 Rhizopus sp의 고상배양물은 펙티나아제(pectinase)와 셀룰레이즈(cellulase)를 다량 함유하고 있어, Rhizopus sp의 고상배양물과 Aspergillus usami의 고상배양물의 효소제를 조합하여 사용하면, 펙틴 및 셀룰로오스가 다량 포함되어 있는 폐과실 보다 효율적으로 폐과실의 당화를 수행할 수 있다.

실질적으로, 본 발명의 본 발명의 일양태에서는 Rhizopus sp. 및 Aspergillus usami 의 고체 배양물을 폐사과 대비 각각 2%를 첨가하여 상기와 동일하게 발효후의 에탄올 농도를 측정한 결과, 도 2에서 나타내는 바와 같이, 효소제(균주고상배양물) 무첨가군보다 고상배양물을 첨가한 군에서 보다 효율적으로 에탄올이 생산되었으며, 또한 효소구성비가 다른 상기 두 종류의 고상 배양물을 함께 사용한 군이 보다 높은 에탄올 생성능을 나타내었다.

마찬가지로, 본 발명의 다른 양태에서는 폐 빵류와 폐 사과의 혼합물에 Rhizopus sp. 의 고상배양체와 Aspergillus usami 의 고상배양체를 동시 첨가한 결과 Rhizopus sp. 배양체만을 첨가한 경우에 비해 전체적인 최종 에탄올 농도가 상승하는 결과를 나타내었으며, 평균적으로 산출하였을 때 에탄올의 생산량은 두 종류의 고상배양물을 사용하였을때가 에탄올 농도가 약 1.5% 증가하는 것으로 확인되었다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것이 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 폐 빵을 이용한 에탄올 발효 조건의 확립

유통기한이 경과된 폐 식빵 10 kg을 동량의 물(10 L)과 혼합한 후 분쇄하여 10 mesh 이상의 체를 이용하여, 균질화시킨 후, 폐 식빵 대비 4% 중량 (400 g)의 Rhizopus sp .(KFCC-11279)의 고체 배양물과 효모(Saccharomyces cerevisiae, KCCM-10685P)를 첨가하여 72시간 발효 후 생성되는 에탄올의 농도를 측정하였다.

이때, 사용한 폐 식빵을 유통기한이 경과한 폐 단팥빵, 폐 크림빵, 폐 고로케로 대체하여 동일한 방법으로 발효를 진행하여 그 에탄올 농도를 비교하였다.

그 결과, 도 1에 나타난 바와 같이, 폐 빵의 종류에 따른 최종 에탄올 농도의 차이는 있으나 평균 12.3%로 유통기한 경과 등의 이유로 폐기되는 폐빵류도 바이오 에탄올 생산에 적합한 기질로 판단되었다.

실시예 2: 폐 과실을 이용한 에탄올 발효 조건의 확립

부패가 시작된 폐 사과 10 kg과 동량의 물(10 L)을 첨가하고 분쇄하여 10 mesh 이상의 체를 사용하여, 균질화시킨 후 폐 사과 대비 4% 중량 (400 g)의 Rhizopus sp. (KFCC-11279)의 고체배양물 또는 Aspergillus usami (KCTC8750P)의 고체 배양물를 첨가하였다.

또한 이와 별도로 각각의 고체 배양물의 혼합 사용에 따른 에탄올 생산량에 미치는 영향을 검토하기 위하여 Rhizopus sp. 및 Aspergillus usami 의 고체 배양물을 폐사과 대비 각각 2%를 첨가하여 상기와 동일하게 발효후의 에탄올 농도를 측정하였다. 폐사과와 물을 1:1로 혼합한 기질 용약에 효소제를 첨가하지 않은 조건과 Rhizopus sp.의 고상배양물을 첨가한 조건, Aspergillus usami의 고상배양물을 첨가한 조건 및 두종류의 고상배양물을 혼합하여 첨가한 조건에서 생산되는 에탄올의 함량은 도 2에서 나타내는 바와 같이, 효소제(균주고상배양물) 무첨가군보다 고상배양물을 첨가한 군에서 보다 효율적으로 에탄올이 생산되었으며, 또한 효소구성비가 다른 상기 두 종류의 고상 배양물을 함께 사용한 군이 보다 높은 에탄올 생성능을 나타내었다.

이는 도 3에서 나타난 바와 같이, Rhizopus sp의 고상배양물의 pectinase와 cellulase와 Aspergillus usami의 고상배양물의 효소제와의 조합을 통하여 과실에 포함되어 있는 펙틴 및 셀룰로오스가 더욱 잘 분해되어 나타난 결과로 판단된다.

실시예 3: 폐 빵과 폐 과실의 혼합물을 이용한 에탄올 발효 조건의 확립

유통기한이 경과된 폐 식빵을 5 kg 준비하여 부패가 시작된 폐 사과 5 kg과 혼합한 후 동량의 물(10 L)을 첨가하고 분쇄하여 10 mesh 이상의 체를 이용하여ㅛ 균질화시킨 후 폐 식빵과 폐 사과의 혼합물 대비 4% 중량 (400 g)의 Rhizopus sp.(KFCC-11279) 배양체를 첨가하였다. 그 후 동결건조 효모모(Saccharomyces cerevisiae, KCCM-10685P)를 첨가하여 발효를 진행하였으며 72시간 후에 에탄올 농도를 측정하였다. 또한 두 고상배양물의 혼합 사용에 대한 효과를 확인하기 위하여 기질 중량 대비 2% (200 g)의 Rhizopus sp. 배양체와 기질 중량 대비 2% (200 g)의 Aspergillus usami 배양체를 혼합하여 발효 종료 후의 에탄올 농도를 측정하였다.

이 때 사용한 폐 식빵을 유통기한이 경과한 폐 단팥빵, 폐 크림빵, 폐 고로케로 대체하여 동일한 방법으로 발효를 진행하여 그 에탄올 농도를 비교하였다.

폐 빵류와 폐 사과의 혼합물에 Rhizopus sp . 의 고상배양체와 Aspergillus usami 의 고상배양체를 동시 첨가한 결과 Rhizopus sp. 배양체만을 첨가한 경우에 비해 전체적인 최종 에탄올 농도가 상승하는 결과를 나타내었으며, 평균적으로 산출하였을 때 에탄올의 생산량은 두 종류의 고상배양물을 사용하였을때가 에탄올 농도가 약 1.5% 증가하는 것으로 나타났다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

1. 다음 단계를 포함하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 폐 빵으로부터의 에탄올 제조방법:
   (a) 폐 빵과 물을 혼합하여 분쇄한 후 균질화하는 단계;
   (b) 상기 혼합물에 전분분해효소를 생산하는 리조퍼스 속(Rhizops sp.), 아스퍼질러스 우사미(Aspergillus usami) 또는 이들의 혼합 균주의 고체배양물과 효모를 첨가하여 당화와 발효를 동시에 수행하는 단계; 및
   (c) 상기 반응에서 생성되는 에탄올을 분리하는 단계.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 배지는 별도의 가열 과정이 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 배지는 별도의 산 분해 혹은 알칼리 분해 과정이 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 삭제
7. 다음 단계를 포함하는 당화 및 발효의 동시 공정을 통한 폐 빵 및 폐 과실로 구성된 당원료로 부터의 에탄올 제조방법:
   (a) 폐 빵, 폐 과실 및 물을 혼합하여 분쇄한 후 균질화하는 단계;
   (b) 상기 혼합물에 전분분해효소를 생산하는 리조퍼스 속(Rhizops sp.), 아스퍼질러스 우사미(Aspergillus usami) 또는 이들의 혼합 균주의 고체배양물과 효모를 첨가하여 당화와 발효를 동시에 수행하는 단계; 및
   (c) 상기 반응에서 생성되는 에탄올을 분리하는 단계.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 제7항에 있어서, 상기 배지는 별도의 가열 과정이 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
    
11. 제7항에 있어서, 상기 배지는 별도의 산 분해 혹은 알칼리 분해 과정이 없이 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
12. 삭제

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