KR101543067B1 - 혼합균주를 이용한 해조류의 생물학적 전처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해조류의 생물학적 전처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 갈조류로부터 유용한 바이오 에너지 및 유용산물을 생산하기 위한 갈조류의 생물학적 전처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 갈조류를 포함하는 바이오매스를 고액분리하고, 분리된 고상을 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 생물학적으로 전처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바이오매스로부터 분리된 생분해성 유기 고상 혼합물을 전처리하여 당화액을 회수함에 있어서 중온호기 조건에서의 혼합균주를 이용하여 생물학적 전처리를 수행하여 하기와 같은 당화 및 부가 효과를 나타낸다.
첫째, 기존 물리적, 화학적 전처리 조건에서 요구되는 고온, 고압의 가혹한 조건이 필요하나 생물학적 전처리의 경우 상온, 상압에서 연속적 당화공정이 가능하다. 둘째, 바이오매스로부터 분리된 생분해성 유기 고상 혼합물을 생물학적 전처리함에 있어서 고농도의 산과 염기를 사용하지 않고 친환경적으로 진행할 수 있다. 이 경우, 수반되는 pH의 적정과정이 없으며 반응 후 당화물이 산에 오랫동안 존재하게 될 때 발생되는 과분해 산물이 발생을 억제할 수 있다. 셋째, 기존 갈조류를 원료의 전처리방법과 달리 가용화가 쉽게 이루어지는 만니톨을 분리하여 고농도의 고상을 전처리 시 당화원료의 처리효율을 극대화 할 수 있다.

Description

혼합균주를 이용한 해조류의 생물학적 전처리 방법{BIOLOGICAL PRETREATMENT MEHTODS FOR SEA ALGAE USING MIXED MICROORGANISM}

본 발명은 해조류의 생물학적 전처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 갈조류로부터 유용한 바이오 에너지 및 유용산물을 생산하기 위한 갈조류의 생물학적 전처리 방법에 관한 것이다.

고갈되어 가는 화석 기반의 석탄, 석유 연료 및 범지구적 온난화가 증가하고 있는 가운데, 지속가능하며 효율적인 바이오 기반의 연료 및 유용한 화합물을 얻기 위한 연구가 이루어지고 있다.

이에 필요한 바이오 유용산물을 얻기 위해 원료로 사용되는 바이오 매스의 경우 당질계(사탕수수), 전분질계(옥수수, 감자 등)로써 제 1세대 바이오매스가 사용되었으나 당질 및 전분은 식용자원으로 곡물을 이용한 바이오 유용 산물 생산에 있어서 식량자원 수급에 악영향을 끼칠 수 있기 때문에 최근 1세대 바이오매스의 사용에 대해서 회의적이다. 또한 실제로 바이오 유용 산물의 생산이 가능해짐에 따라 농작물의 수요가 증가하였으며 농작물의 가격이 상승에 영향을 주어 농작물을 이용한 생산에 있어서 바이오매스의 비용상승이 문제화되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 목질계 자원인 리그노셀룰로오스를 이용한 제 2 세대 바이오 유용 산물의 생산 및 개발이 연구되고 있다. 그러나, 리그노셀룰로오스는 난분해성 방향족 중합체인 리그닌과 탄수화물인 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 복합체로서, 리그닌을 분리 및 제거하기 위한 복잡하고 고비용의 전처리 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있다. 또한 바이오 매스의 생산 공간에 있어 제한이 있다. 한정된 토지에서 목질계 바이오매스만을 이용하여 바이오 유용산물을 생산할 때 육상 바이오매스 만을 대상으로 하는 것은 제조면적의 포화로 인해 친환경적이지 못할 뿐만 아니라 경제적이지 못하다. 또한, 한국공개특허 10-2007-0035562 및 10-2008-0016523에서 제 2세대 바이오매스를 석회 또는 생석회 및 산소로 장기간 전처리기법을 이용한 리그닌의 제거공정을 제시하였지만, 리그닌의 제거를 위해 오랜 전처리시간을 요구하며, 전처리 공정을 위해서는 넓은 전처리 공간을 필요로 하는 문제점이 있으며, 부산물처리에 대한 환경적 문제가 있다.

한정적 육상 바이오매스에 대한 문제를 해결하기 위해 제 3 세대 해양 바이오매스를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 해양 바이오매스는 생육이 빠르며 이용면적대비 생산의 효율성이 높을 뿐만 아니라 제 2세대 바이오매스가 지닌 난분해성 리그닌이 없으므로 바이오 유용산물 생산에 있어서 이용성이 높다 할 수 있다.

해양 바이오매스로 대표적인 갈조류의 경우 알긴산(alginate), 라미나란(laminaran) 등의 난분해성 다당류와 만니톨(mannitol) 등의 단당류가 주요 탄수화물이며 이 중 알긴산과 만니톨이 건조 중량대비 구성함량이 높다. 이에 따라, 갈조류를 해양바이오 매스로 이용할 경우, 물리화학적 전처리나 생물학적 전처리나 생물학적 전처리를 통해 다당류를 분해하여 당화 효율을 높이는 것이 요구된다.

다당류의 생물학적 분해의 어려움으로 인해 산이나 열을 이용한 물리화학적 전처리가 선호되는데, 산을 이용한 처리의 경우 후속공정으로 산의 중화 공정이 요구되며, 열을 이용한 처리의 경우 온도를 올려주기 위한 다량의 에너지 소비가 필요로 한다는 문제가 있다.

한편, 갈조류 다당류의 생물학적 분해의 어려움에도 불구하고 갈조류의 분쇄물에 특정 미생물을 투여하거나 유전자 조작된 대장균을 투여하는 방식들이 개발되고 있는데, 여전히 분해속도가 늦고 다당류를 분쇄하기 위해서 만니톨과 같은 유용한 단당류가 소비되는 문제가 있으면 이어지는 당화 공정에서 영향을 미칠 수 있으며, 유전자 변형 균주의 경우 오염 우려가 있어 왔다.

대한민국 공개특허 제 10-2010-0093253호에서는 해조류 바이오 매스의 당화 과정에서 물리적, 화학적 전처리를 이용하는 방법에 대해 연구되었다. 기존의 액체 산뿐만 아니라 고체산에 대한 물리적 화학적 전처리를 연구한 장점이 있다. 그러나 상기 방법은 기존의 물리적 화학적 전처리와 같이 열적에너지와 산처리에 대한 중화과정에 대한 비용적 측면에서에 문제가 있다. 또한 고온의 열적 전처리시 Hydroxymethylfurfural (HMF)과 같은 부산물의 생성에 의해 이어지는 발효 공정시 생산 효율이 낮아질 수 있는 문제점을 일으킬 수 있다.

또한, 대한민국 특허등록 제919299호에서는 만니톨을 함유하는 해조류 당화액의 전처리연구가 진행되었다. 하지만 액상에 쉽게 가용화 되는 만니톨의 경우 전처리 당화 산물 중 하나인 알긴산과 함께 발효 균주의 활동성에 저해를 주어 생산성을 떨어트리는 문제가 있다.

이에 따라, 보다 효율적으로 갈조류의 다당류를 분해하여 당화시킬수 있도록 하는 새로운 전처리 방법에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 효율적인 갈조류 처리 공정을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 갈조류의 다당류를 효율적으로 전처리 공정을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 갈조류의 다당류를 효율적으로 처리할 수 있는 다양한 배양 공정을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 갈조류를 포함하는 바이오매스를 고액분리하고, 분리된 고상을 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 생물학적으로 전처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 갈조류(褐藻類, Phaeophyceae 또는 Brown algae)는 해양성의 다세포 조류에 속하는 군(群)을 의미하는 것으로서, 한정적이지는 않지만 예를 들어 다시마, 모자반, 톳, 감태, 미역, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 괭생이모자반, 지충이 등을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 갈조류를 포함하는 바이오매스는 갈조류로 이루어지거나 갈조류를 포함하는 것을 의미하며, 상기 갈조류는 바이오매스의 50 중량% 이상, 바람직하게는 60 중량% 이상, 보다 바람직하게는 70 중량% 이상 포함하는 것으로 이해된다.

본 발명에 있어서, 상기 고액 분리는 이론적으로 한정되는 것은 아니지만 갈조류에 포함하는 유용 성분인 만니톨과 같은 단당류가 난분해성 다당류의 생물학적 처리과정에서 소모되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 고액 분리는 파쇄된 바이오매스에서 만니톨과 같은 물에 녹을 수 있는 유용성분을 추출할 수 있도록 물에 가용화하여 침강시켜 분리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 고상은 만니톨과 같은 단당류를 용해할 수 있는 극성 추제(extraction solvent), 일 예로 물에 의해 추출되고 남은 물질로서, 추제에 의해서 가용성이 없는 잔류물로 이해된다. 상기 고상은 알긴산과 같은 다당류를 다수 포함하며, 만니톨과 같은 단당류의 함량은 극성 추제에 의해 가용화되는 당 대비 5 중량% 이하를 형성한다.

본 발명에 있어서, 상기 침강은 중력에 의한 자연침강이나 원심력에 의한 침강을 포함하며, 바람직하게는 분리속도와 효율을 높일 수 있도록 원심분리기(초 원심분리)를 통해서 분리하는 것이 좋다.

상기 원심 분리에 의한 고상과 액상분리는 갈조류 혼합액을 4,000 ~ 15,000 rpm에서 10~30분간 원심 분리하여 얻어질 수 있으며, 자연 침강에 의한 고상과 액상의 분리는 갈조류 혼합액을 8 ~ 24시간 정치하여 고상과 액상을 분리할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 중온 호기성 균주라 함은 중온, 바람직하게는 30~40 ℃에서 배양되는 호기성 균주로 이해된다.

본 발명에 있어서, 상기 혼합 균주라 함은 둘 이상의 균주로 이루어진 혼합 균주를 의미한다. 상기 중온 호기성 균주는 Prevotella maculosa, Dialister succinatiphilus, Rahnella aquatilis, Bifidobacterium thermacidophilum, Bacteroides uniformis, Yersinia intermedia, Shewanella baltica, Pseudomonas veronii, Clostridium celerecrescens, Spirochaeta coccoides, Enterobacter ludwigii, Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium xylanolyticum, Clostridium saccharolyticum, Raoultella terrigena, Xanthomonas oryzae 등으로 이루어진 균주에서 2 이상 선택될 수 있다. 위의 균주는 상기 갈조류(褐藻類, Phaeophyceae 또는 Brown algae)를 분해할 수 있는 미생물 세포에 속하는 종(種)을 의미하는 것으로서, 상기에 언급한 혼합균주에 한정적이지는 않는다.

본 발명에 있어서, 상기 중온 호기성 혼합 균주는 갈조류를 분해할 수 있는 2 이상의 균주들을 포함하고, 바람직하게는 다시마와 같은 갈조류를 먹고 번식할 수 있는 균주를 사용한다.

본 발명의 실시에 있어서, 갈조류를 분해할 수 있는 중온 호기성 혼합 균주는 하수처리 슬러지에서 얻어지는 다양한 혼합 균주를 갈조류를 포함하는 반응기에 투입하여 배양시켜 얻을 수 있다. 상기 배양은 혐기 또는 호기 조건에서 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 혐기에서 1차 배양 후, 호기에서 2차 증균 배양하여 얻을 수 있다. 상기 증균 배양은 30 ~ 35℃의 온도에서, pH적정 없이 1.0~5.0 L/min의 공기를 에어 펌프로 넣어주는 조건으로 이루어질 수 있다. 상기 1차 배양을 위한 반응기는 본 발명에서 전체로 참고문헌으로 도입된 선행 연구결과(Park, H.R. 2012. “Production of organic acid from seaweed biomass (Laminaria japonica) using a continuous mixed culture system”. M.S. Thesis, Graduate School of Pohang University of Science and Technology.)에 기재된 VFA 반응기를 사용하여 얻을 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 혼합 균주를 이용한 생물학적 전처리는 증균 배양된 혼합 미생물군을 이용해 30~35℃에서 12~ 72시간 동안 pH적정 없이 1.0~5.0 L/min의 공기를 에어펌프로 넣어 주는 중온호기 조건에서 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 전처리는 회분식 배양, 유가식 배양, 회분 연속식 배양 및 연속식 배양을 포함하는 다양한 방법을 통해서 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전처리 공정은 물리적 및/또는 화학적 전처리가 추가로 이루어질 수 있다. 상기 화학적 처리를 위해서 생물학적 처리된 바이오매스를 산을 이용해서 추가로 처리할 수 있으며, 상기 산은 황산, 염산, 인산, 질산 및 유기산을 사용할 수 있으며, 상기 화학적 처리와 함께 열처리를 통한 물리적 처리가 동시에 이루어질 수 있다. 상기와 같이 산을 이용한 화학적 처리가 이루어질 경우, 수산화 나트륨(NaOH), 염화 칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na₂CO₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 소석회(Ca(OH)₂), 생석회(CaO) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)와 같은 중화제로써 pH 7.0을 적정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 갈조류를 포함하는 배양조에서 증균 배양된 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 알긴산(alginate)을 포함하는 다당류를 분해하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명은 다른 일 측면에 있어서, 갈조류를 포함하는 바이오매스를 분쇄하여 단당류를 물로 추출하고 고액분리하는 단계; 고액 분리된 고상을 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 호기성 조건하에서 상기 고상이 1일 이상 체류하도록 생물학적으로 연속적으로 전처리하여 당화액을 회수하는 단계; 및 상기 당화액을 이용하여 바이오에너지 또는 유용산물을 생산하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 바이오에너지 또는 유용산물은 생물학적으로 전처리된 고상 유래 당화액을 발효시켜 에탄올, 아세트산, 부틸산, 숙실산, 포름산 등의 바이오에너지 및 바이오 유래 유용 산물로 변환시키는 것으로 이해된다. 당화액을 이용한 발효공정은 혼합균주 혹은 단일균주를 이용하여 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스로부터 분리된 생분해성 유기 고상 혼합물을 전처리하여 당화액을 회수함에 있어서 중온호기 조건에서의 혼합균주를 이용하여 생물학적 전처리를 수행하여 하기와 같은 당화 및 부가 효과를 나타낸다.

첫째, 기존 물리적, 화학적 전처리 조건에서 요구되는 고온, 고압의 가혹한 조건이 필요하나 생물학적 전처리의 경우 상온, 상압에서 연속적 당화공정이 가능하다.

둘째, 바이오매스로부터 분리된 생분해성 유기 고상 혼합물을 생물학적 전처리함에 있어서 고농도의 산과 염기를 사용하지 않고 친환경적으로 진행할 수 있다. 이 경우, 수반되는 pH의 적정과정이 없으며 반응 후 당화물이 산에 오랫동안 존재하게 될 때 발생되는 과분해 산물이 발생을 억제할 수 있다.

셋째, 기존 갈조류를 원료의 전처리방법과 달리 가용화가 쉽게 이루어지는 만니톨을 분리하여 고농도의 고상을 전처리 시 당화원료의 처리효율을 극대화 할 수 있다.

도 1 는 중온 호기조건에서 혼합균주를 이용하여 회분식 배양으로 시간에 따라 가용성 당화의 회수를 나타내는 그래프이다.
도 2 은 중온 호기조건에서 혼합균주를 이용하여 연속회분식 배양으로 시간에 따라 가용성 당화의 회수를 연속적으로 보여주는 그래프이다.
도 3 는 각각의 생물학적, 물리적, 화학적 전처리를 수행시 고상의 표면적 변화를 전자 주사 현미경을 이용해 관찰한 사진이다.
도 4 는 본 발명에 따른 생물학적 전처리 회분공정을 나타낸 개략도이다.
도 5 은 본 발명에 따른 생물학적 전처리 연속공정을 나타낸 개략도이다.
도 6 은 중온 호기조건에서 혼합균주를 이용하여 연속식 배양에서 수리학적체류시간의 변화를 주어 최적 당화조건을 보여주는 그래프이다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다. 아래 명시된 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.

실시예

혼합균주군의 생산

갈조류를 바이오매스로 한 반응조에 하수처리장의 혐기슬러지를 혼합균주군으로 접종하여 35 ℃의 온도와 pH 7.0에서 200rpm에서 교반하며 혐기의 조건으로 운전되는 CSTR 반응기에서 배양하였다.

상기 반응기의 유출수 500ml과 하기 실시예 1에 기재된 최종 고상 유기물 바이오매스 500ml을 1:1 (v/v) 혼합 후 7일 동안 집적배양을 수행하였다. 혼합균주군의 생산을 위한 반응조의 조건은 분당 1.5L의 공기를 에어펌프로 주입하였으며 35 ℃의 온도를 주었다. 또한 300rpm에서 교반을 하였고 pH는 조절해 주지 않았다. 그리고 배양된 혼합균주액 100ml (10% v/v)과 함께 최종 고상 유기물 바이오매스 900ml 혼합 후 상기와 같은 조건으로 7일 간격의 집적배양을 4회 수행하였다. 다음과 같이 수득한 혼합균주군을 해조류 바이오매스의 생물학적 전처리에 이용하였다.

실시예 1. 해조류 바이오매스 고상의 생물학적 전처리

갈조류 중 대표적인 바이오매스인 다시마를 이용해 생물학적 전처리와 물리적, 화학적 전처리의 당화효율을 비교하기 위해 다음과 같이 실험을 진행하였다. 건조중량 180g의 다시마와 물 6리터를 반응조에 넣고 교반을 300rpm에서 30분간 수행한 후, 초 원심분리기를 이용해 4000rpm, 10분, 온도 5 ℃에서 침강을 하였다.

그 후, 액상과 고상을 각각 분리하여 고상을 총 부피 2L가 되도록 증류수로 다시 조정한 후 다시 300 rpm에서 고상을 혼합하여 균일한 농도를 갖는 최종 고상 유기물 바이오매스를 제조하였다.

위의 고상의 총 부피를 2L 가 되도록 증류수로 재조정해 준 것은 건조중량 180g의 다시마와 물 6리터를 반응조에 넣고 30분간 300 rpm에서 교반한 후 자연침강법을 24시간 수행을 하면 액상 67%와 고상 33%으로 중력에 의한 분리가 일어나게 되며 액상 4L와 2L의 고상을 분리할 수 있기 때문이다.

도 4와 같이, 상기 고상을 1L 규모의 실험용 발효기(바이오트론)에 900ml을 넣은 후 35 ℃의 온도조건을 주어 300rpm에서 교반을 하며 해조류 기반 바이오유용물질 생산 반응조의 유출수로부터 유래된 혼합균주군을 100ml(10% v/v) 가한 후 반응기에서 생물학적 전처리를 수행하였다.

본 생물학적 전처리는 중온 호기성의 조건으로써 분당 1.5L의 공기를 에어펌프로 주입해 주었으며 120 시간 동안 전처리를 수행 후 반응액의 당량을 측정하였다.

전처리 후 가용화 된 당은 페놀황산법 및 DNS (3,5-dinitrosalicylic acid) 환원당측정 방법을 이용하였다. 또한 유기물의 함량변화를 측정하기 위해 TS(total solid) 와 VS(volatile solid)를 측정하였으며 고상으로부터 가용화 효율을 확인하기 위해 TCOD(total chemical oxygen demand)와 SCOD(soluble chemical oxygen demand)를 측정하였다. 또한 전처리의 수행에 있어 생성되는 부산물을 확인하기 위해 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)를 이용하였다. 상기 실험에 사용된 HPLC는 agilent사의 기기와 바이오래드 유기산컬럼을 사용하였다. 측정된 수치를 표 1에 나타내었다.

비교실시예 1. 해조류 바이오매스 고상의 물리적, 화학적 전처리에서 당화.

생물학적 전처리에서 당 생성량을 비교하기 위해 실시예 1에서 하기 조건으로 물리적, 화학적 전처리가 이루어진 것을 제외하고는 동일한 조건에서 수행되었다. 가수분해 촉매를 이용해 높은 열과 산에 의해 가수반응이 진행되었다. 염산 0.1몰 및 황산 0.25%, 0.5% (v/v)을 상기 고상에서 1 시간 동안 각각 25, 60, 100 ℃ 온도조건에서 전처리를 수행하였으며 반응이 수행된 후 NaOH 5몰로 pH가 7.0이 되도록 중화하였다. 그 후 반응액의 당량을 측정하였다. 측정된 수치를 표 1에 나타내었다.

실시예와 비교실시예의 비교

상기 실시예 1에서 고상은 생물학적 전처리를 수행 시 36시간에서 20.73 g/l로 가장 높은 가용화 당량을 얻었으며 환원당 또한 1.42 g/l의 측정치를 얻었다. 비교실시예 1의 물리적 화학적 전처리에서 가장 높은 가용화 당량 조건에서의 측정치와 비교해 볼 때, 1.23배 높은 가용성 탄수화물과 1.27배 높은 환원당을 획득 할 수 있었다.

상기 실험을 통하여, 본 발명에 의한 혼합균주를 이용한 생물학적 전처리 방법이 고농도의 고상으로부터 기존의 물리적, 화학적 전처리 보다 높은 수율로 당량을 얻을 수 있음이 확인되었다.

상기 생물학적 당화과정은 기존 물리적, 화학적 당화과정에서 필수 불가결한 중화과정을 거치지 않고 전처리가 가능하며 당화에 대한 생성량 또한 물리적, 화학적 전처리에 경쟁력이 있는 수율을 얻을 수 있다.

생물학적 전처리는 파쇄된 해조류 바이오매스에 가수분해 촉매 및 높은 열을 투입하지 않고 상온에서 자체 생성되는 당화효소에 의해 가용화 되지 않던 고상 바이오매스로부터 호기성 혼합 미생물을 이용해 가용성의 단당 및 올리고당 그리고 다당체로 가수분해 함으로써 발효공정에 사용될 배지로써 사용이 용이하게 전처리 할 수 있는 장점이 있다.

또한 생물학적 전처리를 연속공정으로 당화를 할 시 당화액의 연속적 생산이 가능하며 당화액 생산의 효율성 또한 기존의 물리적, 화학적 전처리 공정과 비교할 때 경쟁력이 있다.

실시예 2: 해조류 바이오매스의 고상을 생물학적 전처리에서 연속회분식 공정을 이용한 당화

실시예 1에서 사용된 것과 동일한 원료를 연속회분식 공정에서 당화실험을 412시간동안 수행하였다. 동일한 원료에 10% (v/v)의 중온성 혼합 미생물을 접종원으로 하여 생물학적 당화를 처리하였으며 148, 292시간에서 반응액 중 10% (v/v)를 취하여 다시 동일한 고상 원료에 접종하여 연속적 회분공정을 수행하였다.

실험 조건은 상기 고상을 1L규모의 실험용 발효기(바이오트론)에 900ml넣은 후 35˚C의 온도조건을 주어 300rpm에서 교반을 하며 해조류 유기산 반응조의 유출수로부터 유래된 혼합 균주군을 100ml 가한 후(10 v/v %) 반응기에서 생물학적 전처리를 수행하였다.

또한 본 생물학적 전처리는 중온 호기성의 조건으로써 분당 3L의 공기를 에어펌프로 주입하였다. 분석방법은 실시예 1에서 언급한 페놀황산법과 DNS (3,5-dinitrosalicylic acid) 환원당측정 방법을 사용하였다.

연속회분식 공정을 수행할수록 당화의 최고 시점이 점차 짧아지며 최대 당화를 이루었을 때의 측정수치는 가용화 탄수화물은 60시간에서 21.9 g/l였으며 환원당의 경우 196시간에서 2.34 g/l의 당화를 얻었다.

60시간에서 VS기준의 고상바이오매스 34.6 g/l로부터 최대 가용화된 탄수화물은 63.2% 였으며 196시간에서 생물학적 전처리에 의해 가용화된 탄수화물 중 에서 가용화된 환원당은 16.6%였다.

중온 호기조건에서 혼합미생물에 의한 생물학적 전처리는 당화에 있어서 상기 도 2와 같은 당화의 경향성을 보였으며 당화생산에 있어 연속공정을 도입할 수 있음을 확인하였다.

특히 고농도로 농축된 고상바이오매스를 처리함에 있어 위의 생물학적 전처리를 수행시 당화의 가용성을 높이며 생물학적 전처리 수행 후 기존 물리적, 화학적 전처리를 병행할 수 있으며 당화 전처리공정에 있어 다양한 응용이 가능한 전처리 방법이라 할 수 있다.

실시예 3: 고상바이오매스의 전처리 산물을 전자주사현미경으로 관찰

실시예 1에서 사용된 것과 동일한 전처리 산물을 전자주사현미경을 이용해 고상바이오매스의 표면성질변화를 확인하였다. 생물학적, 물리적, 화학적 전처리를 수행한 후 JEOL-JSM-6510 scanning electron microscope를 이용하여 전처리 산물을 고 해상도에서 확인하였다.

도 3에서 생물학적 전처리에 의해 고상바이오매스는 가수분해되어 전처리 이전의 표현성질보다 골격구조가 연화된 모습을 확인하였다. 마찬가지로 물리적, 화학적 전처리를 수행한 산물의 경우 산과 열에 의해 구조적 변화가 있는 모습을 확인할 수 있었으며 산과 열에 의해 바이오매스가 연화되면서 가용성 당이 생산되었음을 알 수 있었다.

상기 실험을 토대로 고상바이오매스에 있어 생물학적 전처리는 미생물에 의한 가수분해가 활발히 진행되었음을 확인할 수 있으며 생물학적 전처리의 당화과정에 있어 혼합중온호기미생물이 해당 고상 바이오매스의 처리에 관여하고 있음을 표면성질변화를 통해 확인하였다.

실시예 4: 해조류 바이오매스의 고상을 연속식 생물학적 전처리공정을 이용한 당화

실시예 1에서 사용된 것과 동일한 원료를 연속식 공정에서 당화 실험을 127일 동안 수행하였다. 동일한 원료에 10% (v/v)의 중온성 혼합 미생물을 접종원으로 하여 생물학적 당화를 수행하였다. 본 생물학적 연속 전처리는 중온 호기성의 조건으로써 분당 1.5L의 공기를 에어펌프로 주입하였다. 분석방법은 실시예 1에서 언급한 페놀황산법과 DNS (3,5-dinitrosalicylic acid) 환원당측정 방법을 사용하였다. 연속식 공정에서 수리학적 체류 시간을 4일부터 순차적으로 2일, 1일, 0.5일로 낮추어 가며 최적의 당화가 이루어지는 시점을 확인하였다.

수리학적 체류시간을 4일로부터 절반씩 시간을 낮출수록 당화는 점차 증가하는 양상을 보였다. 연속식 공정을 수행했을 때 1일의 수리학적 체류 시간의 조건에서 당화의 최고 시점을 이루었으며 반응기가 안정화된 후 17.96 g/L의 가용화된 탄수화물과 4.30 g/L의 환원당이 측정되었다.

하지만 수리학적 체류시간을 0.5일로 낮추었을 때 반응기로 유입되는 고상 바이오매스의 당화효율이 급격히 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다. 이것은 유입되는 고상 바이오매스가 미생물에 의해 분해되는 당화 속도보다 빠르며, 빠르게 유출되는 전처리 산물 중에 당화에 관련된 미생물이 다수 포함되어 있음을 예상할 수 있다.

또한 당화의 효율이 급격히 떨어지는 원인중 하나로써 고농도의 고상 바이오매스에서 액화되는 비율이 상당히 줄어들기 때문에 교반에 의한 산소 전달 효율이 급격히 떨어진다. 이에 따라 분해가 덜 이루어진 고상 바이오 매스가 상당수 남아 있게 되며 수용화되는 당화 효율이 줄어들게 된다.

표 1에서와 같이 당화가 가장 잘 일어나는 수리학적 체류시간 1일에서의 가용화된 탄수화물은 황산 0.25%와 100 ℃ 물리화학적 전처리의 수행결과와 비교했을 때 수용화 되는 탄수화물의 경우 1.08배 증가하였으며 환원당의 경우 3.84배 증가된 현상을 확인하였다. 이는 생물학적 연속 전처리의 가능성을 확인할 수 있는 결과이며 기존의 물리적 화학적 방법이 아닌 다른 접근에서의 효율적인 전처리 방법이라 할 수 있다.

[표 1]

Claims (19)

1. 갈조류를 포함하는 바이오매스를 고액분리하고, 분리된 고상을 하수슬러지에서 유래된 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 생물학적으로 전처리하고,
   여기서 상기 중온 호기성 혼합 균주는 Clostridium tyrobutyricum, Prevotella maculosa, Dialister succinatiphilus, Rahnella aquatilis, Bifidobacterium thermacidophilum, Bacteroides uniformis, Yersinia intermedia, Shewanella baltica, Pseudomonas veronii, Clostridium celerecrescens, Spirochaeta coccoides, Enterobacter ludwigii, Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium xylanolyticum, Clostridium saccharolyticum, Raoultella terrigena, Xanthomonas oryzae 으로 이루어진 군에서 2 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 갈조류의 생물학적 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 갈조류는 다시마, 모자반, 톳, 감태, 미역, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 괭생이모자반, 지충이에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 고액분리는 바이오매스를 파쇄하여 단당류를 용매로 추출하는 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 단당류는 만니톨이며, 용매는 물인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고액분리는 침강 또는 원심분리 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 전처리는 30~35℃에서 12~72시간 동안 1.0~5.0 L/min의 공기를 에어펌프로 넣어 주는 중온호기 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 전처리는 연속식 배양을 통해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 연속식 배양에서 고상의 체류시간은 1일 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 물리화학적 처리가 추가로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 중온 호기성 혼합균주는 갈조류를 포함하는 배양조에서 증균 배양된 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 생물학적으로 전처리된 당화액을 이용하여 바이오에너지 또는 유용산물을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
14. 갈조류를 포함하는 배양조에서 증균 배양된 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 알긴산(alginate)을 포함하는 다당류를 분해하고, 여기서 상기 중온 호기성 혼합균주는 하수 슬러지에서 유래된 것을 특징으로 하는 갈조류 다당류 전처리 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 다당류는 공기 폭기조가 구비된 30~35 ℃의 온도로 유지되는 반응기에서 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 삭제
17. 제14항에 있어서, 상기 중온 호기성 혼합균주는 혐기성 하수슬러지를 혐기조건에서 1차 배양된 후, 호기 조건하에서 2차 증균 배양되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 갈조류를 포함하는 바이오매스를 분쇄하여 단당류를 물로 추출하고 고액분리하는 단계;
    고액 분리된 고상을 중온 호기성 혼합균주를 이용하여 호기성 조건하에서 상기 고상이 1일 이상 체류하도록 생물학적으로 연속적으로 전처리하여 당화액을 회수하는 단계; 및
    상기 당화액을 이용하여 바이오에너지 또는 유용산물을 생산하는 단계;를 포함하고, 여기서 상기 중온 호기성 혼합균주는 Clostridium tyrobutyricum, Prevotella maculosa, Dialister succinatiphilus, Rahnella aquatilis, Bifidobacterium thermacidophilum, Bacteroides uniformis, Yersinia intermedia, Shewanella baltica, Pseudomonas veronii, Clostridium celerecrescens, Spirochaeta coccoides, Enterobacter ludwigii, Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium xylanolyticum, Clostridium saccharolyticum, Raoultella terrigena, Xanthomonas oryzae 으로 이루어진 군에서 2 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 갈조류 처리 방법.
19. 삭제

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