KR101605483B1 - 고농도 발효성당의 제조장치, 이를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오화학물질 - Google Patents

고농도 발효성당의 제조장치, 이를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오화학물질 Download PDF

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Abstract

전처리된 바이오매스를 공급하는 원료 공급기, 그리고 상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화 또는 동시당화발효 시키고 교반기를 포함하는 당화발효기를 포함하고, 상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 고농도 발효성당의 제조장치, 이를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오화학물질이 제공된다.

Description

고농도 발효성당의 제조장치, 이를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오화학물질{DEVICE FOR PRDUCING FERMENTABLE SUGAR HAVING HIGH CONCENTRATION, METHOD OF PRODUCING FERMENTABLE SUGAR HAVING HIGH CONCENTRATION USING THE SAME, AND BIO CHEMICAL MATERIAL PRODUCED USING THE SAME}
고농도 발효성당의 제조장치, 이를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 제조된 바이오화학물질에 관한 것이다.
최근 화석연료 기반의 산업체계로 인해 환경 문제와 화석연료의 고갈에 대한 우려로 바이오매스 기반의 산업체계로 재개편되고 있으며 바이오화학물질에 대한 관심이 증가하고 있다. 바이오매스 중에서도 식량자원과의 사회적 문제를 피하고, 원료 비용의 부담을 줄일 수 있는 섬유질계 바이오매스를 이용한 바이오화학물질에 대한 관심과 연구가 증대하고 있다.
상기 섬유질계 바이오매스는 억새, 보릿짚, 폐목재 등으로 식량으로 사용할 수 없는 바이오매스로서, 상기 섬유질계 바이오매스를 원료로 하여 전처리 공정을 거친 다음 효소 당화 후 미생물을 이용한 발효를 통해 바이오화학물질이 얻어진다. 주로 농·임산 폐자원과 같은 섬유질계 바이오매스를 활용하므로 원료가격이 당질계, 전분질계 바이오매스에 비해 매우 저렴하나, 섬유질계 바이오매스로부터 발효성당을 얻어내는 전처리 공정 및 당화 공정에 있어 상대적으로 많은 비용이 발생하여 산업화에 어려움이 따르고 있다.
통상적으로 섬유질계 바이오매스는 산·염기 처리, 암모니아수 처리, 열수 처리, 증기 폭쇄 처리 등 별도의 전처리 공정을 통해 조직의 결정을 와해시킨 후, 셀룰레이즈, 헤미-셀룰레이즈, 베타-글루코시데이즈와 같은 복합 당화 효소의 작용으로 발효성당을 얻어낸다. 발효성당을 얻어낸 이후에는 미생물을 이용한 전분질 또는 당질계의 바이오화학물질 발효 공정과 크게 다르지 않으나, 전처리 및 당화에 들어가는 비용이 섬유질계 바이오화학물질 생산비용의 절반을 상회하므로 당화 기술의 개발과 효율적인 공정 기술 개발이 요구되고 있다.
섬유질계 바이오매스는 수분을 흡수하는 특성을 가지고 있어 고농도의 바이오매스의 당화시 또는 동시당화발효시 바이오매스가 효소 등을 흡수하여 교반이 잘 이루어지지 않게 되며, 이 경우 바이오매스의 표면에 효소가 접근하기 어려워 반응의 속도가 늦어지게 되고 반응시간이 길어짐에 따라서 효소활성이 떨어진다. 섬유질계 당화효소는 전분질계 또는 당질계 당화효소에 비하여 활성이 빠르게 저하되는 특성으로 인하여, 고농도 바이오매스의 당화 또는 동시당화발효 시 추가적인 당화시간 및 효소 공급이 필요하게 되어 오히려 당화 공정의 운영비가 증가한다. 낮은 바이오매스의 농도에서는 효소와 바이오매스의 접촉이 원활하여 당화 및 발효속도가 빠르나 후속공정인 정제공정의 설비 및 운용비용이 높아 상업적인 한계가 있다. 따라서 고농도 바이오매스를 당화 또는 동시당화발효시키는 기술 개발이 절실한 실정이다.
선행문헌 1: 한국공개특허공보 제10-2010-0011494호 (2010. 2. 3. 공개)
일 구현예는 보다 고농도의 발효성당을 생산할 수 있고, 당화 또는 동시당화발효의 속도를 증가시킬 수 있고, 정제공정의 설비 운전 비용의 절감이 가능한 고농도 발효성당의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성당의 제조장치를 이용한 고농도 발효성당의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성당의 제조장치를 이용하여 제조된 바이오화학물질을 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 전처리된 바이오매스를 공급하는 원료 공급기; 및 상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화 또는 동시당화발효 시키고 교반기를 포함하는 당화발효기를 포함하고, 상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 고농도 발효성당의 제조장치를 제공한다.
상기 당화발효기는 상부 투입구 및 하부 투입구를 포함할 수 있다.
상기 원료 공급기는 상기 당화발효기의 상부 투입구 또는 하부 투입구에 연결될 수 있다.
상기 교반기는 하프 패들(half-paddle)형일 수 있다.
다른 일 구현예는 전처리된 바이오매스를 공급하는 원료 공급기; 상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화시키는 당화기; 및 상기 당화된 바이오매스를 당화발효 시키는 당화발효기를 포함하고, 상기 당화기 및 상기 당화발효기 중 적어도 하나는 교반기를 포함하고, 상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 고농도 발효성당의 제조장치를 제공한다.
상기 당화기는 바닥면으로부터 5° 내지 60°의 각도로 기울어져 배치될 수 있다.
상기 당화기의 상부와 상기 당화발효기의 상부가 연결될 수 있다.
또 다른 일 구현예는 전처리된 바이오매스를 원료 공급기에 공급하는 단계; 및 상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 교반기를 포함하는 당화발효기에서 당화 또는 동시당화발효 시키는 단계를 포함하고, 상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 고농도 발효성당의 제조방법을 제공한다.
또 다른 일 구현예는 전처리된 바이오매스를 원료 공급기에 공급하는 단계; 상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화기에서 당화시켜 당화액을 얻는 단계; 및 상기 당화액을 당화발효기에서 당화발효 시키는 단계를 포함하고, 상기 당화기 및 상기 당화발효기 중 적어도 하나는 교반기를 포함하고, 상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 고농도 발효성당의 제조방법을 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 고농도 발효성당의 제조장치를 이용하여 제조된 바이오화학물질을 제공한다.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
상기 고농도 발효성당의 제조장치를 이용하여 고농도 발효성당을 제조할 경우, 보다 고농도의 발효성당을 생산할 수 있고, 당화 또는 동시당화발효의 속도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 당화 또는 동시당화발효의 후속 공정인 정제공정의 설비 운전 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 원료 공급기 및 당화발효기를 포함하는 고농도 발효성당의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 2a는 일 구현예에 따른 교반기를 나타내는 사시도이다.
도 2b는 일 구현예에 따른 교반기를 나타내는 측면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 다양한 교반기의 측면 모식도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 원료 공급기, 당화기 및 당화발효기를 포함하는 고농도 발효성당의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
일 구현예에 따른 고농도 발효성당의 제조장치의 일부를 개략적으로 나타낸 도 1 내지 3을 참고하여 고농도 발효성당의 제조방법을 함께 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 원료 공급기 및 당화발효기를 포함하는 고농도 발효성당의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 고농도 발효성당의 제조장치(100)는 원료 공급기 및 당화발효기(110)를 포함할 수 있다. 이때 원료 공급기는 상기 당화발효기(110)의 상부 투입구(111)로 공급하기 위한 원료 공급기(101), 그리고 상기 당화발효기(110)의 하부 투입구(112)로 공급하기 위한 원료 공급기(102)가 도시되어 있다.
바이오매스는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 리그닌(lignin) 등의 결정화 구조로 구성된다.
상기 바이오매스, 구체적으로 섬유질계 바이오매스로부터 발효성당을 얻기 위해서는 당화 공정 또는 당화발효 공정 전에 산·염기 처리, 암모니아수 처리, 열수 처리, 증기 폭쇄 처리 등의 전처리 공정을 거친다. 상기 전처리 공정을 통하여 상기 바이오매스를 구성하는 성분들이 발효가 가능한 단당류의 형태로 전환될 수 있도록 조직을 분해시킬 수 있다.
상기 원료 공급기(101)는 이와 같이 전처리된 바이오매스를 상기 당화발효기(110)로 공급해주는 곳이다. 상기 원료 공급기(101)에서는 상기 당화발효기(110)로 전처리된 바이오매스를 연속적으로 공급해줄 수 있다.
상기 원료 공급기(101)로부터 공급된 바이오매스를 상기 당화발효기(110)에서 당화 또는 동시당화발효(simultaneous saccharification and fermentation, SSF)시킴으로써 고농도의 발효성당을 얻을 수 있다.
상기 당화발효기(110)는 상부 투입구(111) 및 하부 투입구(112)를 포함할 수 있다.
상기 원료 공급기(101)와 상기 당화발효기(110)는 순차적으로 연결될 수 있으며, 상기 원료 공급기(101)는 상기 당화발효기(110)의 상부 투입구(111) 또는 하부 투입구(112)에 선택적으로 연결될 수 있다. 다시 말하면, 상기 원료 공급기로부터 바이오매스를 상기 당화발효기의 상부 또는 하부로 공급할 수 있다. 또한 하부로 공급하더라도 당화발효액의 역류 현상은 원료 공급기 공급부(103)를 통하여 막을 수 있다. 구체적으로 상기 원료 공급기로부터 바이오매스를 상기 당화발효기의 하부로 공급할 수 있다. 바이오매스를 하부로 공급할 경우 전처리된 바이오매스와 효소가 포함된 당화액의 접촉 속도가 빨라서 당화속도 및 당화율이 높다. 바이오매스를 상부로 투입할 경우에는 바이오매스와 효소가 함유된 당화액의 점도 및 비중차이로 원활한 교반이 이루워지지 않기 때문에 추가적으로 당화액과 바이오매스를 혼합해줄 수 있는 혼합기(104)가 필요할 수 있다. 이에 따라 고농도의 바이오매스를 용이하게 투입할 수 있어 상부보다는 하부로 투입하는 것이 고농도의 당을 생산할 수 있다.
상기 당화발효기(110)는 내부에 교반기(120) 및 교반기 구동모터(121)가 장착되어 있으며, 상기 교반기(120)는 하프 패들(half-paddle)형일 수 있다.
구체적으로 상기 교반기는 도 2a 및 도 2b를 통해 설명한다.
도 2a는 일 구현예에 따른 교반기를 나타내는 사시도이고, 도 2b는 일 구현예에 따른 교반기를 나타내는 측면도이다.
도 2a를 참고하면, 일 구현예에 따른 교반기(10)는 축(11)과 임펠러(12)로 구성되며, 상기 임펠러(12)는 다수 개 존재할 수 있다. 상기 임펠러(12)는 평탄면(a)을 가지는 판형일 수 있다. 이때 상기 축(11)의 길이방향과 평행한 평탄면을 기준면으로 정의할 때, 상기 임펠러(12)의 평탄면(a)은 상기 기준면으로부터 소정의 각도로 기울어진 것일 수 있다.
구체적으로 도 2b를 참고하면, 상기 임펠러(12)의 평탄면(a)은 상기 축(11)의 길이방향과 평행한 기준면(b)으로부터 5° 내지 45°의 각도(θ)로 기울어질 수 있고, 구체적으로는 20° 내지 40°의 각도(θ)로 기울어질 수 있다.
고농도 바이오매스의 당화발효시 당화발효기 내의 바이오매스는 고점도의 슬러리 형상으로 상하부 교반이 원활하지 않으며, 효소활성 저하속도가 다른 효소에 비해 빠른 섬유질계 당화효소의 특성 때문에 당화발효 시간이 길어지면서 당화발효가 완료되기 전에 효소의 활성이 떨어져 당화발효율이 낮아지게 된다. 따라서 상기 임펠러는 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진 평탄면을 가짐으로써 이러한 임펠러를 포함하는 교반기가 당화발효기 내에 포함되는 경우 상하부 교반을 균일하게 함으로써 보다 효율적으로 고농도의 바이오매스를 당화 또는 동시당화발효 시킬 수 있다. 또한 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 미만의 각도로 기울어진 경우에는 종래의 교반기와 비교하여 상하부 교반력에 차이가 없으며, 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 45° 초과의 각도로 기울어진 경우에는 수평 교반력이 급격히 낮아져 당화발효를 진행하기 어렵게 된다.
도 3은 일 구현예에 따른 다양한 교반기의 측면 모식도이다.
도 3을 참고하면, (a)형 내지 (c)형은 일 구현예에 따른 하프패들형 교반기의 측면을 보여주는 것으로, 각각 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 15°, 30° 및 45°의 각도로 기울어진 형태이다.
도 4는 일 구현예에 따른 원료 공급기, 당화기 및 당화발효기를 포함하는 고농도 발효성당의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참고하면, 일 구현예에 따른 고농도 발효성당의 제조장치(200)는 원료 공급기(210), 당화기(220) 및 당화발효기(230)를 포함할 수 있다.
상기 원료 공급기(210)는 전처리된 바이오매스를 상기 당화기(220)로 공급해주는 곳이다. 상기 원료 공급기(210)에서는 상기 당화기(220), 구체적으로는 상기 당화기(220)의 하부 투입구로 전처리된 바이오매스를 연속적으로 공급해줄 수 있다. 상기 원료 공급기(210)로부터 공급된 바이오매스를 상기 당화기(220)에서 당화시킴으로써 고농도의 발효성당을 얻을 수 있다.
상기 당화기(220)에서 적어도 일부 당화된 바이오매스를 상기 당화발효기(230)에서 추가로 당화시킴으로써 고농도의 발효성당을 얻을 수 있다.
상기 원료 공급기(210), 상기 당화기(220) 및 상기 당화발효기(230)는 서로 순차적으로 연결될 수 있으며, 상기 당화기(220)의 상부와 상기 당화발효기(230)의 상부가 서로 연결될 수 있다. 상기 당화기(220)와 상기 당화발효기(230)의 상부가 서로 연결될 경우 당화액이 넘쳐 자연적으로 상기 당화발효기(230)로 이송이 가능하다.
상기 당화기는 바닥면으로부터 5° 내지 60°의 각도로, 구체적으로는 10° 내지 30°의 각도로 기울어져 배치되어 상기 당화발효기(230)의 상부와 연결될 수 있다. 종래의 당화기는 당화 중인 액상으로 바이오매스를 직접 공급하여 당화효소와 접촉을 높여 당화속도를 빠르게하는 장점이 있으나, 원료공급기 끝단의 스크류에서 압력을 발생시켜 당화액의 역류방지가 필요하며, 스크류 특성상 압력 발생에 한계가 있어 당화기의 규모를 키우는데 한계가 있다. 일 구현예에서와 같이 기울어진 당화기는 당화기 용량에 비하여 당화액에서 발생되는 역류압력이 낮아 대규모 설비에 적합할 수 있다.
상기 당화기(220) 및 상기 당화발효기(230) 중 적어도 하나는 내부에 교반기(240)를 포함할 수 있다. 도 3에서는 상기 교반기(240)가 상기 당화기(220) 내부에 장착되어 있으나, 도 3은 이해를 돕기 위해 일 예를 제시한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 교반기(240)는 전술한 교반기(120)에 대한 설명과 동일하다.
상기 전처리 공정, 상기 동시당화발효 공정을 거쳐 얻어진 발효성당을 가수분해액으로 이용하여 균주를 배양하여 바이오화학물질을 제조할 수 있다.
상기 균주로는 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae), 피치아 스티피티스(Pichia stipitis), 캔디다브라시케(Candida brassicae), 자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), 클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 타이로부티리컴(Clostridium tyroburyricum), 락토바실러스 파라카세이(Lactobacillus paracasei), 크렙시엘라 뉴모니아 (Klebsiella pneumonia ) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 바이오화학물질의 예로는 알칸류, 알켄류, 알코올류, 아미노산계 물질, 유기산계 물질, 효소계 물질, 생분해성 고분자계 물질 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 이때 상기 알칸류는 C1 내지 C10의 알칸류, 상기 알켄류는 C1 내지 C10의 알켄류, 상기 알코올류는 C1 내지 C10의 알코올류, 아미노산계 물질, 유기산계 물질, 효소계 물질, 생분해성 고분자계 물질 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
바이오매스로, 셀룰로오스 41.2 중량%, 헤미셀룰로오스 21.2 중량%, 리그닌 25.1 중량% 및 재(ash) 1.5 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 셀룰로오스 56.3 중량%, 헤미셀룰로오스 23.3 중량%, 8.5 중량% 및 재(ash) 2.0 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 억새는 원료 공급기를 이용하여 당화발효기의 하부 투입구로 8시간 동안 연속으로 공급하였고, 상기 당화발효기 내의 교반기는 도 3의 (a)형과 같이 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 15°의 각도로 기울어진 형태를 사용하여, 72시간 동안 동시당화발효를 시켰다.
이때 상기 당화발효기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스와 7% Saccharomyces cerevisiae CHY1011을 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 33℃에서 동시당화발효시켰다. 이 경우 바이오매스의 농도가 25%이고 글루코오스 1.7 g/L, 자일로오스 43.1 g/L 및 에탄올 71.7 g/L를 함유하는 발효액을 얻었고, 에탄올 전환율은 90.6% 이었다. 발효율 80%는 39 시간 때에 도달하였으며, 전체 고형분(total solid, TS)은 92.0 g/L 이었다.
실시예 2
바이오매스로, 셀룰로오스 41.2 중량%, 헤미셀룰로오스 21.2 중량%, 리그닌 25.1 중량% 및 재(ash) 1.5 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 56.3 중량%, 헤미셀룰로오스 23.3 중량%, 8.5 중량% 및 재(ash) 2.0 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 억새는 원료 공급기를 이용하여 당화발효기의 하부 투입구로 8시간 동안 연속으로 공급하였고, 상기 당화발효기 내의 교반기는 도 3의 (b)형과 같이 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 30°의 각도로 기울어진 형태를 사용하여, 72시간 동안 동시당화발효를 시켰다.
이때 상기 당화발효기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스와 7% Saccharomyces cerevisiae CHY1011을 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 33℃에서 동시당화발효를 시켰다. 이 경우 바이오매스의 농도가 25%이고 글루코오스 1.0 g/L, 자일로오스 47.3 g/L 및 에탄올 73.5 g/L를 함유하는 발효액을 얻었고, 에탄올 전환율은 92.8% 이었다. 발효율 80%는 36시간 때에 도달하였으며, 전체 고형분(total solid, TS)은 83.2 g/L 이었다.
실시예 3
바이오매스로, 셀룰로오스 41.2 중량%, 헤미셀룰로오스 21.2 중량%, 리그닌 25.1 중량% 및 재(ash) 1.5 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 56.3 중량%, 헤미셀룰로오스 23.3 중량%, 8.5 중량% 및 재(ash) 2.0 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 억새는 원료 공급기를 이용하여 당화발효기의 하부 투입구로 8시간 동안 연속으로 공급하였고, 상기 당화발효기 내의 교반기는 도 3의 (c)형과 같이 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 45°의 각도로 기울어진 형태를 사용하여, 72시간 동안 동시당화발효를 시켰다.
이때 상기 당화발효기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스와 7% Saccharomyces cerevisiae CHY1011을 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 33℃에서 동시당화발효시켰다. 이 경우 바이오매스의 농도가 25%이고 글루코오스 0.6 g/L, 자일로오스 43.1 g/L 및 에탄올 70.3 g/L를 함유하는 발효액을 얻었고, 에탄올 전환율은 88.8% 이었다. 발효율 80%는 42시간 때에 도달하였으며, 전체 고형분(total solid, TS)은 90.6 g/L 이었다.
실시예 4
바이오매스로, 셀룰로오스 41.2 중량%, 헤미셀룰로오스 21.2 중량%, 리그닌 25.1 중량% 및 재(ash) 1.5 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 56.3 중량%, 헤미셀룰로오스 23.3 중량%, 8.5 중량% 및 재(ash) 2.0 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 억새는 원료 공급기를 이용하여 당화기의 하부 투입구로 연속으로 공급하였고, 24시간 이후에는 당화발효기로 넘어가기 시작하였다. 이때 상기 당화기 내의 교반기는 도 3의 (b)형과 같이 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 30°의 각도로 기울어진 형태를 사용하였고, 상기 당화기는 바닥면으로부터 15°의 각도로 기울어져 배치되어 상기 당화발효기의 상부와 연결되어 있다. 상기 당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스를 투입하였고, 상기 당화발효기로 넘어간 당화액에는 글루쿠오스 98.5g/L, 자일로오스 44.5g/L를 함유하고 있다. 상기 당화발효기에는 7% S. cerevisiae CHY1011을 투입하여, 상기 이송된 당화액을 33℃에서 당화발효를 시켰다. 상기 발효액에는 글루코오스 1.2g/L, 자일로오스 44.5g/L 및 에탄올 70.1g/L 를 함유하고 있다. 발효율 80%는 40시간 때에 도달하였으며, 전체 고형분(total solid, TS)은 91.4 g/L 이었다.
실시예 5-1
바이오매스로, 셀룰로오스 36.8 중량%, 헤미셀룰로오스 23.1 중량%, 리그닌19.7 중량% 및 재(ash) 1.6 중량%를 포함하는 보릿짚을 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 전처리된 보릿짚은 셀룰로오스 51.87 중량%, 헤미셀룰로오스 18.97 중량%, 리그닌 15.24 중량% 및 재(ash) 0.31 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 보릿짚은 원료 공급기를 이용하여 당화발효기의 하부 투입구로 8시간 동안 연속으로 공급하였고, 상기 당화발효기 내의 교반기는 도 3의 (b)형과 같이 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 30°의 각도로 기울어진 형태를 사용하여, 72시간 동안 당화시켰다.
당화기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스를 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 50℃에서 150rpm으로 당화시켰다. 이 경우 글루코오스 161g/L 및 자일로오스 37g/L를 함유하는 고농도 발효성당이 함유된 당화액을 얻었다.
실시예 5-2: 바이오 젖산 제조
상기 실시예 5-1에서 제조된 글루코스 161 g/L 의 고농도 당화액을 이용하여 Lactobacillus paracasei subsp. paracasei CHB2121 균주 배양액을 3% 비율로 접종하여 젖산을 제조하였다.
배양 온도는 37℃로 조정하였다. 72 시간 배양 후 젖산 농도는 138 g/L 이었다.
실시예 5-3: 2,3- 부탄디올 제조
상기 실시예 5-1에서 제조된 글루코스 161 g/L 의 고농도 당화액을 이용하여 Klebsiella pneumonia 균주 배양액을 10% 비율로 접종하여 젖산을 제조하였다.
배양 조건은 pH 6.0, 37℃로 조정하였다. 50 시간 배양 후 2,3-부탄디올의 농도는 58 g/L 이었다.
비교예 1
실시예 1 에서 전처리한 억새를 원료 공급기를 거치지 않고 회분식으로 동시당화발효를 진행하였다.
구체적으로, 상기 전처리한 억새, 즉, 바이오매스를 회분식 당화기에 투입하고 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스와 7% S. cerevisiae CHY1011을 함께 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 33℃에서 동시당화발효를 시켰다. 상기 바이오매스의 농도는 25%로 맞추었으며 150rpm으로 72시간 동안 동시당화발효를 시켰다. 상기 발효액은 글루코오스 1.3g/L, 자일로오스 40.2g/L 및 에탄올 60.6g/L를 함유하는 발효액을 얻었고, 에탄올 전환율은 77.4% 이었고, 전체 고형분(total solid, TS)은 113.5 g/L 이었다.
비교예 2
바이오매스로, 셀룰로오스 41.2 중량%, 헤미셀룰로오스 21.2 중량%, 리그닌 25.1 중량% 및 재(ash) 1.5 중량%를 포함하는 억새를 이용하였다.
상기 바이오매스를 전처리를 수행한 후 56.3 중량%, 헤미셀룰로오스 23.3 중량%, 8.5 중량% 및 재(ash) 2.0 중량%를 포함하고 있다.
상기 전처리한 억새는 원료 공급기를 이용하여 당화발효기의 하부 투입구로 8시간 동안 연속으로 공급하였고, 상기 당화발효기 내의 교반기는 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 0°의 각도로 기울어진 형태를 사용하여, 72시간 동안 동시당화발효를 시켰다.
이때 상기 당화발효기에 셀룰라아제 30 FPU/g 셀룰로오스와 7% Saccharomyces cerevisiae CHY1011을 투입하여, 상기 공급된 바이오매스를 33℃에서 동시당화발효를 시켰다. 이 경우 바이오매스의 농도가 25%이고 글루코오스 1.4g/L, 자일로오스 46.8g/L 및 에탄올 66.9g/L를 함유하는 발효액을 얻었고, 에탄올 전환율은 84.8% 이었다. 발효율 80%는 48 시간 때에 도달하였으며, 전체 고형분(total solid, TS)은 100.6 g/L 이다
평가 1: 에탄올 농도 평가
상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따라 제조된 최종 에탄올의 농도와 에탄올 전환율이 80%에 도달한 시간을 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
최종 에탄올 농도(g/L) 71.7 73.5 70.3 70.7 60.2 66.9
에탄올 전환율 80%에 도달한 시간(h) 39 36 42 40 - 48
발효액 TS(g/L) 92.6 83.9 90.2 91.4 113.5 100.6
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따라 당화발효기를 이용한 경우, 각각 71.7g/L, 73.5g/L, 70.3g/L 및 70.7g/L의 에탄올을 생산하였다. 또한 실시예 1 내지 4의 경우 에탄올 전환율이 각각 39시간, 36시간, 42시간 및 40시간 후에 80%에 도달함을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1에 따라 회분식 공정을 이용한 경우, 60.2g/L 의 에탄올을 생산하였고, 최종에탄올 전환율이 76.3%로 72시간 동안에 80%에도 도달하지 못하였다.
또한 비교예 2에 따라 임펠러의 평탄면이 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 0°의 각도로 기울어진 교반기가 장착된 당화발효기를 이용한 경우, 66.9g/L 의 에탄올을 생산하였고, 에탄올 전환율이 48시간 후에 80%에 도달함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 고농도 발효성당의 제조장치
101, 102, 210: 원료 공급기
103: 원료 공급기 공급부
104: 혼합기
110, 230: 당화발효기
111: 상부 투입구
112: 하부 투입구
120, 240: 교반기
121: 교반기 구동모터
220: 당화기

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전처리된 바이오매스를 공급하는 원료 공급기;
    상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화시키는 당화기; 및
    상기 당화된 바이오매스를 당화발효 시키는 당화발효기
    를 포함하고,
    상기 당화기 및 상기 당화발효기 중 적어도 하나는 교반기를 포함하고,
    상기 당화기는 바닥면으로부터 5° 내지 60°의 각도로 기울어져 배치되고,
    상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고,
    상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진
    고농도 발효성당의 제조장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 당화기의 상부와 상기 당화발효기의 상부가 연결되는 고농도 발효성당의 제조장치.
  6. 삭제
  7. 전처리된 바이오매스를 원료 공급기에 공급하는 단계;
    상기 원료 공급기로부터 공급된 바이오매스를 당화기에서 당화시켜 당화액을 얻는 단계; 및
    상기 당화액을 당화발효기에서 당화발효 시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 당화기 및 상기 당화발효기 중 적어도 하나는 교반기를 포함하고,
    상기 당화기는 바닥면으로부터 5° 내지 60°의 각도로 기울어져 배치되고,
    상기 교반기는 축 및 임펠러를 포함하고,
    상기 임펠러는 평탄면을 가지는 판형이며, 상기 평탄면은 축의 길이방향과 평행한 기준면으로부터 5° 내지 45°의 각도로 기울어진
    고농도 발효성당의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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