KR101826964B1

KR101826964B1 - 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법 및 이를 위한 당화 반응기

Info

Publication number: KR101826964B1
Application number: KR1020160107029A
Authority: KR
Inventors: 유주현; 엄인용; 홍경식
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-02-07

Abstract

본 발명의 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 기술은 셀룰라아제 복합효소 제제를 이용한 바이오매스의 효소당화로 고농도 당화물을 제조할 때 당화 초기부터 종료까지 바이오매스 전처리물의 총 부하량을 건물중 기준으로 15% 이상 유지하면서도 바이오매스 전처리물의 부하량을 건물중 기준으로 15% 미만으로 할 때와 유사한 짧은 당화 시간과 높은 당화율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 소요되는 에너지의 총량을 크게 줄일 수 있다.

Description

목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법 및 이를 위한 당화 반응기{Method of high solid enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass and saccharification reactor therefor}

본 발명은 적은 양의 물과 적은 양의 효소만으로도 짧은 시간 동안에 높은 당수율을 기대할 수 있는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스 전처리물에 효소를 가하여 섬유소를 당화할 때 먼저 당화하여 얻은 당화물에 당화용 기질과 효소를 연속적으로 가하고 추가 당화함으로써 물과 효소를 덜 사용하면서 작은 에너지와 짧은 당화 시간으로도 높은 당수율을 얻을 수 있는 방법과 이를 구현할 수 있는 장치에 관한 것이다.

석유와 석탄 등 화석연료의 대체 자원으로서 재생 가능한 자원인 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)는 수송용 연료인 바이오알콜과 산업용 발효당인 목질계 슈가(lignocellulosic sugar)로의 전환을 통하여 바이오경제(biobased economy)로 이행하는데 가장 중요한 수단으로 평가되고 있다. 이미 미국을 비롯한 몇 개의 선진국에서 목질계 바이오매스를 원료로 하는 바이오에탄올의 상업적 생산이 시작되었으며, 전분당을 대체하여 산업 전반에 기초 원료로 사용할 수 있는 목질계 슈가의 상업적 제조를 앞두고 있다. 미국의 스위트워터(Sweetwater)와 에데니크(Edeniq)는 2017년부터 목질계 바이오매스로부터 산업용 발효당의 상업적 생산을 시작한다고 한다. 여기에 사용되는 목질계 바이오매스 자원은 나무와 옥수수 리파이너리 부산물 등이며, 이 바이오매스가 구조적 성분으로 가지고 있는 셀룰로오스가 바이오알콜 혹은 산업용 발효당의 직접적인 원료가 된다.

목질계 바이오매스가 함유하는 셀룰로오스를 포도당으로 전환하기 위해서는 바이오매스의 전처리에 의해 얻은 셀룰로오스 주성분의 전처리물에 셀룰레이즈 등 당화효소를 가하여 특정한 온도에서 일정 시간 동안 당화한다. 이 당화로 바이오매스 당화물은 대부분의 미생물이 영양원으로 하여 생장할 수 있는 포도당을 다량 함유하게 되며, 고액분리, 정제 및 농축 과정을 거쳐 전분당을 대체할 수 있는 산업용 발효당으로 제조될 수 있다.

바이오매스를 원료로 하는 산업용 발효당인 바이오슈가는 옥수수 전분을 원료로 하는 전분당과는 달리 제조 과정이 복잡하고, 많은 분리 정제 공정을 거쳐야 하므로 시장에서 가격 경쟁력을 확보하기가 쉽지 않다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 바이오슈가의 제조 과정에서 가장 비용이 많이 드는 공정은 고온과 고압 하에서 수행하는 전처리 공정이지만 그 후에 이어지는 효소당화 공정은 효소의 높은 가격과 장시간의 운전으로 비용이 적지 않다.

일반적으로 목질계 바이오매스의 효소당화 시 당화효율 또는 당화율(digestibility 혹은 conversion rate)은 셀룰로오스 단위중량당 혹은 바이오매스 단위중량당 효소의 역가로 표시되는 효소 사용량(예, 10 FPU/g cellulose)에서 셀룰로오스가 가수분해되어 포도당으로 전환되는 비율로 표시된다. 예를 들면 옥수수 줄기를 묽은산 전처리하여 얻은 전처리물의 효소당화에는 바이오매스 1g 당 최소한 약 2 내지 5 FPU의 효소가 사용되는데(덴마크 Novozymes의 자료 참고), 이는 포도당 1 kg을 제조하는데 드는 당화효소의 구입비용으로 환산할 때 전체의 수십 %를 차지할 만큼 그 비중이 크다.

바이오매스 중의 셀룰로오스가 당화효소에 의해 포도당으로 전환되는 효율을 증대하기 위해 효소당화 전에 바이오매스를 물리적, 화학적, 열화학적으로 처리하는 것이 일반적이다. 이 기술은 바이오매스의 전처리(biomass pretreatment)로 잘 알려져 있으며, 물을 가하고 고온에서 가수분해하는 열수 전처리(autohydrolysis, hydrothermolysis, liquid hot water treatment), 묽은 산을 사용하는 묽은 산 전처리(dilute acid pretreatment), 수산화나트륨과 같은 강알칼리를 사용하는 알칼리 전처리(alkaline pretreatment), 석회를 사용하는 석회 전처리(lime pretreatment), 암모니아를 사용하는 다양한 기술(ammonia pretreatment) 등을 들 수 있다. 각각의 기술은 적용하는 방법에 따라 요구되는 효소량이 다를 수 있지만, 일반적으로 전처리에 의해 효소당화할 기질의 헤미셀룰로오스 혹은 리그닌의 제거율이 높을수록 효소 사용량은 감소할 수 있다고 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 바이오매스의 당화에 필요한 효소의 사용량 절감 기술은 여전히 연구 개발 대상이다.

바이오매스 전처리물을 섬유소 가수분해효소로 당화하여 미생물 발효용 발효당을 제조할 때 당화율 혹은 당수율에 영향을 미칠 수 있는 다른 하나의 인자는 당화기질의 부하량이다. 예를 들어, 산 촉매 전처리하여 얻은 해바라기 줄기 전처리물을 바이오매스 1 g 수준으로 삼각플라스크에 달아 넣고 효소와 완충액, 방부제 등을 가하여 40 ml로 만든 후 공전 교반기에 설치하여 200 rpm으로 교반하여 당화하는 경우 교반 효율이 높고, 생성되는 단당류의 농도 또한 낮아 높은 당화율을 기대할 수 있다(정찬덕 등, Biores Technol, 2013, 138, 1-7). 반면에, 옥수수 줄기 전처리물을 효소당화한 후 효모를 사용하여 바이오에탄올을 제조하고자 할 때 고농도 포도당 용액을 제조할 수 있도록 당화 기질로서 전처리물의 부하량을 높이는 것이 매우 중요하다. 이는 포도당의 발효로 제조되는 에탄올의 농도를 높여서 에탄올의 증류에 소요되는 에너지량을 줄일 수 있게 할 뿐만 아니라, 폐수의 처리비용, 설비비 및 운전비용을 절약할 수 있기 때문이다. 또한, 범용성 발효당을 제조하기 위해 바이오매스 전처리물을 효소당화할 때에도 상기 비용 절약 목적 이외에도 고농도 당의 높은 삼투압을 이용하여 잡균의 발생을 억제하기 위해서 10% 이상의 단당류 농도를 얻을 수 있는 고부하 당화가 필요하다. 이러한 높은 기질 부하량을 고부하(high solid loading)라고 부르며, 통상적으로 고체/액체의 비율이 15% 이상일 때를 지칭한다(Biomass and Bioenergy, 2013, 56, 526-544). 이런 당화용 기질을 당화기에 많이 넣는 고부하는 유동성 부족을 초래하여 교반(mixing)을 어렵게 한다. 이러한 고부하에 의한 점도 증가는 효소가 기질과 만나는 기회를 제한할 뿐만 아니라 생성물과 반응물의 이동과 확산을 저해하므로 당화속도가 현저히 느려지게 된다. 당화속도가 느려서 당화시간이 길어질수록 당화 과정에서 노출된 당화잔사의 리그닌에 효소가 비가역적으로 흡착(irreversible adsorption)되어 효소의 역동성(enzyme mobility)을 떨어뜨리므로 이로 인한 효소 활성 저하도 불가피하다. 또한, 생성되는 포도당의 농도가 높아질수록 효소의 활성이 억제되어(feedback inhibition) 당화효율이 크게 저하된다고 알려져 있다.

바이오매스의 효소당화에서 당화율 혹은 당화속도에 영향을 미칠 수 있는 또 하나의 요인은 사용하는 당화효소의 종류와 양이다. 통상적으로 바이오매스의 효소당화에 적용하는 셀룰라아제 복합효소는 셀룰로오스 가수분해효소와 헤미셀룰로오스 가수분해효소, 펙틴 가수분해효소 등을 함유하며, 사용량이 많을수록 효소반응을 마칠 수 있는 시간이 짧아지고 또한 높은 당화율을 기대할 수 있다. 하지만, 적절한 수준의 효소 사용량, 예를 들어 바이오매스 전처리물의 당화율이 80% 내외가 되는 효소량에서 통상적인 당화 시간은 72시간 내외인 것으로 알려져 있다.

이와 같은 당화효소의 이화학적 특성은 바이오매스의 고부하 당화를 어렵게 하므로, 이를 극복하기 위해 여러 가지 시도를 하게 된다. 먼저, 고부하 당화기질을 사용하는 효소당화에서 높은 점성을 극복하고 효소와 당화기질의 접촉 기회를 늘리기 위해 반응기의 교반효율을 극대화하는 기술이 많이 연구되었다(Alicia A. Modenbach et al., Biomass and Bioenergy, 2013, 56, 526-544, 한국 공개특허공보 KR2015-0117599A). 하지만, 효소당화 공정에서 당화기질의 부하량이 15%에서 30%까지 증가할 때 에너지 소모량은 10배 이상 증가한다는 보고(Yu Zhang et al., BioResource, 2012, 7, 345-353.)가 있을 만큼 이 교반기의 운전에 사용되는 전기 에너지의 사용량 저감도 하나의 중요한 연구 목표가 되고 있다.

또한, 효소 당화시 사용되는 효소량을 절감하기 위한 방법으로 일본 공개특허공보 JP2014-103949호에는 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 효소당화 반응 중에 효소에 의한 반응물의 분해반응이 20 내지 60 중량%에 이르렀을 때 반응 혼합물에서 당화액의 일부를 회수한 후, 반응 혼합물에 리그노셀룰로오스 바이오매스 및 물을 추가해 당화반응을 재개하는 방법이 기재되어 있고, 효소당화 후 당화액으로부터 고액 분리 후 당용액을 회수하고 남은 리그노셀룰로오스 찌꺼기를 효소당화에 재이용하는 기술은 일본 공개특허 JP2010-098951A에 기재되어 있다.

그러나 이러한 효소의 재활용을 위한 기술은 아직까지도 최초 당화반응에 투입한 바이오매스의 효소에 의한 당화반응이 충분히 완료되지 않은 상태에서 추가로 바이오매스를 투입하거나 또는 효소당화 반응이 완료되고 이로부터 당용액과 찌거기를 고액분리한 후 당화잔사에 흡착되어 잔류하는 일부 효소만을 재활용하고 있는 것에 불과한 것으로 실질적인 당효율 향상 및 고부하에서의 효율적인 당화 및 효소의 재활용을 위한 방법을 제공하지 못하고 있다.

본 발명자들은 목질계 바이오매스를 원료로 하여 효모 등 여러 가지 산업용 미생물의 배양에 적합한 범용성 발효당인 바이오슈가를 제조하고자 많은 연구를 수행하였다. 그 과정에서 당화기질을 건물중 기준 15 중량% 이상을 사용하는 고부하 효소당화는 바이오에탄올 등의 동시당화 발효(simultaneous saccharification and co-fermentation)와는 달리 당화 초기의 교반에 에너지가 소모가 매우 크므로 특수한 장비가 필요하며, 당화 개시 후 120시간이 경과하여도 당화율이 목표치에 이를 수 없다는 것을 알게 되었다. 당화기질의 효소당화 시 관찰되는 이러한 여러 가지 현상으로부터 고부하 당화기질을 사용하지만 효소 당화율과 효소 이용률을 극대화하면서도 당화시간과 소요 에너지를 최소화할 수 있는 방법을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

한국 공개특허공보 KR2015-0117599A 일본 공개특허공보 JP2014-103949A 일본 공개특허공보 JP2010-098951A

Chan-Duck Jung, Ju-Hyun Yu*, In-Yong Eom, Kyung-Sik Hong, Sugar yields from sunflower stalks treated by hydrothermolysis and subsequent enzymatic hydrolysis, Bioresource Technology, 2013, 138, 1-7. Alicia A. Modenbach et al., Enzymatic hydrolysis of biomass at high-solids loadings - A review, Biomass and Bioenergy, 2013, 56, 526-544. Jian Zhang et al., Simultaneous saccharification and ethanol fermentation at high corn stover solids loading in a hellical Stirring bioreactor, Biotechnology and Bioengineering, 2010, 105, 718-728. Yu Zhang et al., Saccharification at high solids, BioResource, 2012, 7, 345-353.

본 발명은 당화과정 중 높은 삼투압을 이용하여 미생물 발생을 억제하고, 작은 당화기와 적은 에너지로 짧은 시간 내에 당화를 완결함으로써 바이오슈가 제조비용을 절감하기 위해, 15% 이상의 고부하 당화기질을 사용하여 최종 당화물 중의 포도당 농도가 높은 목질계 바이오매스 원료 발효당을 제조할 수 있는 효소당화에 있어서 전처리물을 고형분 중량으로 15% 미만으로 사용할 때와 동일하거나 약간 많은 효소를 사용하고, 동일한 수준 또는 약간 더 긴 시간 동안 당화함으로써 높은 당화율로 당화물을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 최종 당화물 중의 포도당 농도 또한 높일 수 있는 고부하 효소당화 방법 및 이를 위한 당화 반응기를 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 대류 교반(convectional mixing)과 방사상 교반(radial mixing)이 동시에 이루어지는 실린더 타입의 당화기에 당화하고자 하는 전처리물과 효소를 일정시간 동안 연속적으로 부하하고 일정시간 동안 당화하여 바이오매스 1차 당화물을 먼저 제조하고, 이 당화물 중 일부 혹은 전부를 매질로 하여 기질과 효소를 추가하여 당화하기를 1회 이상 반복함으로써 당화 수율을 극대화할 수 있는 바이오매스의 효소 당화 기술과, 이를 구현하기 위한 장치를 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명은 출력이 큰 모터로 구동되는 당화기에 목질계 바이오매스 전처리물과 당화효소를 일정시간 동안 연속적으로 투입하고 일정시간 동안 당화함으로써 애벌당화물을 제조하고; 이 애벌당화물을 출력이 작은 모터로 구동되는 당화기로 이송한 후; 일정 시간 동안 당화하여 1차 당화물을 제조하고; 이 당화물의 일정량을 회수한 후 다시 목질계 바이오매스 전처리물과 섬유소 가수분해효소를 일정시간 동안 당화기에 연속적으로 투입하고 일정시간 동안 당화하기를 1회 이상 반복함으로써; 생성되는 당화물이 고농도 당농도를 유지하면서도 당화시간이 72 시간 내외로 단축될 수 있는, 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 기술을 제공한다.

또한, 본 발명은 바이오매스 고부하로 인한 고점도 교반이 가능한 출력이 큰 애벌당화용 당화기와, 당농도를 높은 상태로 유지하면서도 고부하 교반이 가능한 출력이 작은 본당화용 당화기가 세트로 구성된, 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화용 당화장치를 추가로 제공한다.

본 발명의 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 기술은 셀룰라아제 복합효소 제제를 이용한 바이오매스의 효소당화로 고농도 당화물을 제조할 때 당화 초기부터 종료까지 바이오매스 전처리물의 총 부하량을 건물중 기준으로 15 중량% 이상 유지하면서도 바이오매스 전처리물의 부하량을 건물중 기준으로 15 중량% 미만으로 할 때와 유사한 짧은 당화 시간과 높은 당화율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 소요되는 에너지의 총량을 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 고부하 당화기질을 사용하여 최종 당화물 중의 포도당 농도가 높은 목질계 바이오매스 전처리물을 제조할 수 있는 효소당화에 있어서 종래의 포도당 농도가 매우 낮은 당화물을 제조할 때와 동일하거나 약간 많은 효소를 사용하고, 동일한 수준 또는 약간 더 긴 시간 당화방법을 사용하여도 높은 당화율로 당화물을 제조할 수 있어 최종 당화물 중의 포도당 농도 또한 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 종래의 효소 재활용 기술에서 필수적으로 사용하는 많은 에너지가 사용되는 고액분리 공정을 필요로 하지 않으면서 당화물뿐만 아니라 당화잔사에 남아있는 활성이 있는 효소 전부를 반복되는 당화에 재활용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 당화용 기질의 당화반응에 있어서 첨가된 효소에 의한 당화반응이 실질적으로 완료된 후에 활성이 남아있는 효소를 재이용하는 방법이므로 사용되는 효소의 양을 보다 줄일 수 있는 경제적인 방법이다.

도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스의 고부하 효소당화 방법의 순서도 및 공정의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스의 고부하 효소당화기의 교반기 배치 예를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 팜 공과방의 고부하 효소당화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 구현 예에 따른 거대억새의 고부하 효소당화와 비교예 1에 따른 거대억새의 저부하 효소당화 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “바이오매스 효소당화(enzymatic saccharification of biomass)”는 목질계 바이오매스를 섬유소 분해효소, 즉 당화효소로 가수분해함으로써 포도당 혹은 목당을 함유하는 당화물을 제조하는 과정을 의미하며, 통상적으로 바이오매스 전처리물을 물에 분산시키고 섬유소 가수분해효소로서 셀룰라아제 복합효소를 가한 후 일정한 산도와 온도를 유지하면서 교반하는 방법이다. “당화용 기질 혹은 당화기질(substrate for enzymatic hydrolysis)”은 섬유소 가수분해효소로 가수분해함으로써 단당류로 전환하기 위한 대상물질인 바이오매스 혹은 그 전처리물을 말하며, 당화기질의 “총 글루칸 함량(total glucan content)”은 당화기질이 함유하는 셀룰로오스의 총량을 의미한다. 또한 “기질 부하량(substrate loading)”은 상기 바이오매스 효소당화를 위해 당화기 내에 투입하는 바이오매스의 총량을 의미하며, 전체 당화계 중량에 대한 바이오매스 전처리물의 건물중 비율로 표시될 수 있다. 본 명세서에서 바이오매스의 효소당화를 위해 당화기 내에 당화용 기질을 투입할 때 사용하는“유가식(fed-batch)”방법은 당화가 진행 중인 당화기에 기질을 추가로 투입하는 방식을 의미하며, 당화 시작과 함께 당화기질 총량을 1회에 모두 투입하는 회분식 방법과 대비되는 개념이다. “당화율(conversion rate of cellulose to glucose)”이라 함은 바이오매스의 효소당화 결과 당화용 기질이 함유하는 셀룰로오스의 포도당 전환율을 말하며, 포도당으로 환산한 셀룰로오스 총량에 대한 효소 가수분해로 생성된 포도당의 총량의 비율(%)로 산출한다. 또한, 본 발명에서 모든 물질의 양은 특별한 언급이 없는 한 중량 혹은 중량비를 의미한다.

본 발명은 애벌당화기에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식(fed batch)으로 투입하여 효소당화를 시작하는 애벌당화 단계; 상기 애벌당화 단계를 거친 바이오매스 애벌당화물을 본당화기로 이송하여 효소당화용 당화물을 제조하는 본당화 단계; 상기 본당화 단계를 거친 효소당화가 완료된 당화물의 일부를 당용액 회수 단계를 통하여 당용액을 회수하는 당용액 회수단계; 상기 당용액 회수단계에서 잔류된 효소당화가 완료된 당화물에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식(fed batch)으로 재투입하여 효소당화를 시작하는 반복당화 단계; 상기 반복당화 단계를 거쳐 효소당화가 완료된 당화물의 일부를 당용액 회수 단계를 통하여 당용액을 회수하는 당용액 회수단계; 및 상기 반복당화 단계 및 이후 당용액 회수단계를 1회 이상 반복하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 대한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스의 고부하 효소당화 방법의 순서도 및 공정의 개념도로 도 1에서는 본당화 단계를 거친 효소당화가 완료된 당화물의 1/2을 당용액 회수 단계를 통하여 당용액을 회수하고, 이후 2차와 3차 당화에서도 효소당화가 완료된 당화물의 1/2을 당용액 회수 단계를 통하여 회수하는 것으로 반복당화 단계 및 이후 당용액 회수단계를 2회 반복한 것을 나타낸 것이다.

본 발명에서 당화효소를 사용하여 단당류로 전환하고자 하는 당화용 기질은 셀룰로오스 혹은 헤미셀룰로오스를 다량 함유하고 있는 목질계 바이오매스 전처리물로, 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 팜 공과방과 팜 수간 등 농업 부산물, 억새와 갈대 등 에너지 작물, 유칼리, 아카시아, 버드나무, 포플라 교잡종 등을 예로 들 수 있지만, 셀룰로오스 가수분해효소의 대상 기질로 사용될 수 있다면 특별히 한정할 필요는 없다.

본 발명에서 사용하는 당화용 기질은 이 목질계 바이오매스의 효소에 의한 반응성을 높이기 위해 효소당화 전에 이화학적 혹은 생물학적으로 전처리한 것이며, 그 전처리 방법으로는 분쇄(comminution), 열수전처리(autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis), 묽은산 전처리(dilute acid pretreatment), 석회전처리(lime pretreatment), 알카리 전처리(alkaline pretreatment), 암모니아 전처리(ammonia pretreatment), 폭쇄법(steam explosion) 등을 들 수 있다. 이들 전처리 기술은 바이오매스 중 헤미셀룰로오스 혹은 리그닌을 주로 녹여내는 전처리 효과를 통해 셀룰로오스가 보다 가수분해효소에 잘 반응할 수 있게 만드는데, 바이오매스의 종류와 반응조건에 따라서 전처리 효율이 크게 달라질 뿐만 아니라 전처리 혹은 당화 과정에서 새롭게 생성되는 당 이외의 물질의 종류와 양 또한 크게 달라진다.

본 발명의 일 구현예에 따르면 바이오매스 당화용 기질은 열수전처리된 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서는 이러한 바이오매스 전처리물을 가수분해함으로써 단당류로 전환하기 위해 섬유소 가수분해효소 제제, 즉 당화효소를 사용하게 되는데, 이 당화효소는 셀룰로오스 가수분해효소를 중심으로 헤미셀룰로오스 가수분해효소, 전분 가수분해효소 및 펙틴 가수분해효소 등을 포함할 수 있다. 이러한 효소의 대표적인 예로는 Novozymes(덴마크)의 Celluclast 1.5L, Celluclast BG, Cellic CTec, Cellic CTec2, Cellic CTec3, Cellic HTec2, Cellic HTec3, 셀루자임(Celluzyme®), 세레플로(Cereflo®) 및 울트라플로(Ultraflo®)의 혼합제제 등, Genencor Int.의 엑셀러라제(Acellerase^TM), 라미넥스(Laminex®) 및 스페자임(Spezyme®) 혼합물, 로하멘트(Rohament®; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있지만 이는 단지 예시에 불과하므로 특별히 한정할 필요는 없다.

본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서, 사용하는 바이오매스 당화용 기질의 수 불용성 고형분의 양은 당화용 기질의 전체 중량을 기준으로 15 내지 30 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에서 효소로 당화하고자 하는 바이오매스 당화용 기질은 상기 목질계 바이오매스의 전처리물이며, 함수율이 다를 수 있지만, 당화 후 이미 투입된 당화기질 총량이 건물중으로 당화물의 30% 이하가 되도록 조절할 수 있어야 한다. 보다 바람직하게는 바이오매스 당화용 기질의 수 불용성 고형분의 양은 당화용 기질의 전체 중량을 기준으로 15 내지 30 중량%이다. 이 비율보다 높은 당화기질을 부하하면 당화로 생성되는 당화물 중에 너무 많은, 예컨대 14% 이상의 당화잔사가 남게 되어 본 발명의 2차 효소당화의 교반을 어렵게 하여 당화시간이 길어지고 당화율이 저하되므로, 저에너지로 72시간 내외에 최대의 당화율을 얻고자 하는 본 발명의 목적을 달성하기 어렵게 된다. 기질로 사용할 전처리물은 효소당화 전에 효소의 당화에 최적인 산도로 미리 조절하는 것이 바람직하며, 예컨대 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm, EFB) 열수 전처리로 제조한 전처리물은 pH가 3.5 내외가 되는데, 이것을 당화효소인 Novozymes의 Cellic CTec3로 가수분해하여 포도당을 제조하기 위해 먼저 수산화칼슘이나 수산화나트륨을 가하여 pH를 5.0 내외로 조절하는 것이다. 이는 당화기 내에서 즉각적으로 효소 가수분해를 일으키기 위한 것으로, 효소의 바이오매스 표면에 대한 비가역적 흡착으로 인한 활성저하 방지에 매우 효과적이다.

본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서, 상기 애벌당화 단계 및 반복당화 단계에서 바이오매스 당화용 기질과 효소는 효소당화 시간의 1/3 이내의 시간 동안에 나누어서 유가식(fed batch)으로 투입 또는 재투입될 수 있다.

본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 전처리물을 상기 당화효소로 가수분해하기 위해 사용하는 당화 기술은 당화기질의 유가식(fed-batch) 공급에 의한 반 연속식(semi-continuous) 당화이다. 본 발명에서 당화기는 사용하는 당화효소의 최적 활성 조건에서 운용되며, 예를 들면 Cellic CTec3를 효소로 사용할 때 당화계는 pH 4.5 내지 6.0, 온도는 45 내지 55 ^oC이다.

본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서, 상기 반복당화 단계에서 잔류된 효소당화가 완료된 당화물의 비율은 전체 효소당화가 완료된 당화기 내 당화물의 중량을 기준으로 30 내지 70 중량% 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서, 상기 본당화 단계 및 반복당화 단계의 당화시간은 48 내지 72시간이 바람직하다.

보다 구체적으로 본 발명의 당화 방법에서는 당화기질의 큰 부하량으로도 짧은 시간 동안에 높은 당화 효율을 얻기 위해 3 단계 이상의 순차적인 당화 기술을 사용한다. 즉, 처음 애벌 당화기에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식으로 투입하고 센 힘으로 교반함으로써 매우 점도가 높아 유동성이 거의 없는 상태에서 효소당화를 시작하여 약 24 시간 동안 지속하는 애벌 당화(1단계)와, 애벌 당화에서 제조한 유동성이 향상된 당화물을 동일한 구조의 출력이 작은 본당화기로 이송하고 교반함으로써 바이오매스의 연속적 효소당화용 당화물을 제조하는 1차 당화(2단계), 1차 당화에서 제조한 당화물의 일부분을 당용액 회수 공정으로 이송하고 남은 당화물에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식으로 투입하고 작은 힘으로 일정 시간 동안 교반함으로써 당화율이 향상된 당화물을 제조하는 2차 당화(3단계), 필요한 경우 2차 당화로 제조한 당화물을 일부분 당용액 회수 공정으로 이송하고 남은 당화물에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식으로 투입하고 작은 힘으로 일정 시간 동안 교반함으로써 당화율이 극대화된 당화물을 제조하는, 2차 당화를 되풀이하여 바이오매스의 효소당화를 연속적으로 수행할 수 있다. 본 발명에서 애벌 당화와 1차 혹은 2차 당화에 구조는 동일하거나 유사하지만 구동모터의 출력이 다른 당화기를 사용하는 것이 바람직하며, 애벌당화기는 본당화기 출력의 2배 이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 효소당화 방법에서 바이오매스의 애벌당화는 당화 개시 단계에서 사용될 수 있으며, 유동성이 전혀 없는 당화기질에 유동성을 부여하기 위한 액화기능을 담당한다. 이 단계에서 기질은 목표로 하는 부하량을 유가식 방법으로 당화기 내에 부하하며, 모터에 과도한 부하가 걸려서 교반이 불가능해지지 않는 한 그 방법이 연속적이거나 단속적이어도 무방하다. 또한, 당화효소는 초기에 모두 투입하거나 몇 번으로 나누어 유가식으로 투입하여도 무방하다. 애벌 당화에서 당화시간을 단축하거나 당화율을 높이기 위해 2차 이상의 당화에서 당화기질의 최적 당화에 필요한 양보다 더 많은 당화효소도 사용될 수도 있다. 이는 애벌 당화에서 24 시간 이상 당화하여 유동성이 좋아진 당화물이 제조된 후 당화물 전체를 본당화기로 이송하여 당화를 지속함으로써 2차, 3차 당화에 의한 연속적인 당화를 실현하기 위한 하나의 전처리 과정이기 때문이다.

본 발명의 본당화는 애벌 당화로 제조한 유동성이 향상되었지만, 아직 점도가 높은 당화물을 출력이 작은 모터로 24 시간 내지 72시간 교반함으로써 당화기질의 당화율을 극대화하는 방법으로, 높은 당농도에서 유동성을 최대치로 끌어올리기 위한 공정이다. 본 발명의 2차 당화는 1차 당화로 제조한 당화물의 일부를 당용액 회수 공정으로 이송하고, 남은 당화물에 새로운 당화기질과 당화효소를 일정 시간 동안 연속적으로 부하하고 이후 일정 시간 동안 작은 출력으로 교반하여 당화물을 제조한다. 이 단계에서 1차 당화로 제조된 당화물 중 2차 당화로 이월되는 당화물의 비율은 30 내지 70 중량%가 바람직하며, 40 내지 60 중량%가 더욱 바람직하다. 즉, 잔류된 효소당화가 완료된 당화물의 비율은 전체 효소당화가 완료된 당화기 내 당화물의 중량을 기준으로 30 내지 70 중량%가 바람직하고, 40 내지 60 중량%가 더욱 바람직하다.

이는 이월되는 당화물의 비율이 작으면 2차 당화를 위해 유가식으로 투입하는 당화기질에 의해 쉽게 점도가 증가하므로, 애벌 당화에서 볼 수 있는 당화 지체 현상이 심하게 나타나게 되어 당화율의 저하를 초래할 뿐만 아니라 이월되는 당화물에 남아있는 효소활성이 너무 낮아져서 새로운 기질의 액화가 늦어지기 때문이다. 반면에 이월되는 당화물의 비율이 커지면 새로운 기질을 유가식으로 투입하여도 점도는 크게 증가하지 않으면서 남아있는 효소 활성에 의한 액화가 더 빨리 일어나므로 당화율이 증가하지만, 첨가할 수 있는 새로운 기질의 양이 적어지므로 더 많은 당화기를 사용하여야만 한다. 이와 같은 이유로 이월 당화물 비율을 적당히 조절하여 3차 당화를 반복함으로써 큰 당화기질 부하량에도 불구하고 짧은 당화 시간 내에 당화율이 극대화된 당화물을 제조할 수 있다.

본 발명의 효소당화 기술을 초본계 바이오매스 열수전처리물에 적용하여 각각 72 시간 동안 당화하는 경우 1차와 2차 당화로 진행될수록 당화율이 지속적으로 증가하고, 2차 혹은 3차 당화 이후에는 당화율이 일정하게 유지되는 특징을 보인다. 따라서 본 발명의 기술을 사용하여 상기 2, 3차 당화에 의한 연속적인 당화를 실현하기 위해서는 본당화기를 3대 이상 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 2차 당화에 새로운 기질을 투입하는 시간을 12 시간 내지 24 시간으로 제한하고, 2차 당화를 36 시간 내지 48 시간으로 조절할 때 필요한 본당화기는 3 대(24 시간 당화기질 주입 후 48 시간 당화하는 경우) 내지 6대(12 시간 당화기질 주입후 60 시간 당화하는 경우)가 된다. 이 때 사용하는 당화기의 수는 당화기질의 총 글루칸의 함량, 최종 당화물에 대한 이월 당화물의 비율, 새로운 당화기질의 주입시간 및 총 당화시간에 따라 조절이 가능하다. 즉, 2차 당화에서 새로운 당화기질의 총 글루칸 함량이 50% 내외이고, 당화기질 주입 전에 당화기에 이미 존재하는 이월 당화물의 비율이 총 당화물의 50%일 경우 당화기질의 연속 주입 시간은 12시간 내지 24시간이 바람직하다. 이는 기존 당화물의 유동성을 이용하여 새로운 당화기질을 투입하더라도 새로운 기질의 연속적인 투입에 의해 점차 유동성이 저하되는데, 그 비율이 기존 당화물의 양을 크게 초과할 경우 유동성이 심각하게 저하되어 교반 효율이 급속하게 떨어지므로 적은 양의 효소로는 48 시간 내지 72 시간 동안에 최대의 당화율을 얻기 어렵기 때문이다. 이런 이유로 연속적인 당화를 위해서는 3개 내지 6개의 당화기가 바람직하다.

본 발명에서 당화기질의 총 글루칸 함량이 예컨대 40% 내외와 같이 50%에 크게 미치지 못할 경우 동일한 양의 기질을 투입하여도 일정 시간 동안 효소에 의해 가수분해될 수 있는 부분이 적으므로 불용성 고체 비율이 급격하게 증가하게 된다. 그 결과 유동성이 보다 빨리 저하되므로 2차 당화에 필요한 당화기의 수를 늘리는 것이 바람직하다. 반대로 당화기질의 총 글루칸 함량이 예컨대 60% 내외와 같이 50%를 크게 초과할 경우 동일한 양의 기질을 투입하여도 섬유소 가수분해에 의한 액화속도가 빠르고, 그로 인하여 유동성 저하가 적으므로 2차 당화에 필요한 당화기의 수를 줄일 수 있다.

목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법에 있어서 사용하는 당화기는 애벌당화기와 본당화기로 구성할 수 있으며, 본 발명에 따른 애벌당화기와 본당화기는 수직 방향의 실린더형 반응기; 상기 반응기 내부에 구비되는 교반기; 및 상기 교반기를 구동하는 교반모터를 포함하여 구성되고, 상기 교반기는 대류교반(convectional mixing)과 방사상 교반(radial mixing)이 동시에 이루어질 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 애벌당화기의 교반 모터는 본당화기의 교반모터보다 출력이 2배 이상인 것을 제외하면 본질적으로 차이가 없다.

보다 구체적으로 본 발명에 따른 당화기는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 교반기는 방사상 교반이 이루어지도록 교반기 축(1)에서 방사상으로 돌출되고 교반기의 축과 평행한 면을 가지는 다수의 날개를 가지고 축방향으로 서로 이격되어 다수개로 구성되는 방사상 교반날개(2); 상기 교반기 축의 기저부에 구성되며 반응기 하부의 당화물을 상부로 밀어 올릴 수 있도록 교반기 축(1)과 소정 각도의 피치를 가지는 스크류형 교반날개(2); 및 상기 교반기 축의 하부에서 축과 수직방향으로 서로 대향하도록 돌출되어 반응기의 위쪽 방향으로 절곡부를 가지는 지지부재(3)와 접촉하면서 상단에서 하단으로 나선형으로 연결되는 소정의 폭을 가지는 리본형 교반날개(4)를 포함하여 구성되어 대류교반(convectional mixing)과 방사상 교반(radial mixing)이 동시에 이루어질 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 애벌 당화기 및 본당화기는 산도(pH) 측정 수단(9) 및 산도(pH) 조절수단(7) 및 자동온도조절장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 애벌당화기와 본당화기는 모두 당화계의 점도에 따라 회전 속도의 조절이 가능하여, 점도가 높아 유동성이 작은 당화초기에는 빠르게 회전하고, 이후 점도가 낮아짐에 따라 단계적으로 회전 속도를 줄일 수 있다.

이하, 본 발명의 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

구현예 1. 목질계 바이오매스 효소당화용 당화기

본 발명에서 바이오매스의 효소당화에 애벌당화기와 본당화기를 구분하여 설치하였다. 그러나 애벌당화기의 교반 모터가 100 Wh로 본당화기의 교반모터 50 Wh보다 출력이 2배 이상인 것을 제외하면 본질적으로 차이가 없다. 도 2와 같이 산도 측정을 위한 전극, 산과 알칼리 자동공급장치 및 자동온도장치가 부가된 7리터 용량의 수직형 실린더(Stirred tank reactor) 당화기에, 교반기 축의 기저부에 구성되며 반응기 하부의 당화물을 상부로 밀어 올릴 수 있도록 교반기 축(1)과 소정 각도의 피치를 가지는 스크류형 교반날개(2)를 장착한 후 이것의 바로 상부에 연결하여 용기 높이의 2/3까지 미치면서 용기 벽에 근접하여 회전할 수 있는 상기 교반기 축의 하부에서 축과 수직방향으로 서로 대향하도록 돌출되어 반응기의 위쪽 방향으로 절곡부를 가지는 지지부재(3)와 접촉하면서 상단에서 하단으로 나선형으로 연결되는 소정의 폭을 가지는 리본형 교반날개(4)와 교반기 축의 하부를 균등하게 3등분하는 두 개의 지점에 각각 중앙 원판이 없는 교반기 축(1)에서 방사상으로 돌출되고 교반기의 축과 평행한 면을 가지는 다수의 날개를 가지고 축방향으로 서로 이격되어 다수개로 구성되는 방사상 교반날개(5)를 동시 장착하였다. 애벌당화기와 본당화기는 모두 30 내지 300 rpm 내에서 회전 속도의 조절이 가능하였다.

실시예 1. 팜 공과방 열수 전처리물의 고부하(Solid 19%)당화

습윤 상태의 팜공과방(empty fruit bunch of oil palm, 수분 65%) 분쇄물(20 메시 이하, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공)을 연속고압반응기(SuPR2G, Advancebio 제품, 미국)에 주입하여 191 ^oC에서 20분간 열수전처리하였다. 전처리물(수분 함량 70%, w/w) 일부를 취하여 4배의 물을 가하여 혼합하였다. 이 혼합물을 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하고 수분함량이 약 50%가 될 때까지 고액분리하여 고형분 시료를 얻었다. 여기에 비이온수와 수산화칼슘 현탁액(10%, 무게/무게)을 가하고 혼합하여 pH 5.5의 물에 녹지 않는 고형분이 24%이고, 총 글루칸 함량이 포도당 기준으로 10.8(중량%)인 효소당화용 기질을 준비하였다. 100 wh의 모터를 연결한 용량 7리터의 상기 실시예1의 애벌당화기를 50±1 ^oC, pH 5.40±0.05, 교반속도 200rpm을 유지하면서 당화기질 5461.1 g과 당화효소 셀릭씨텍3(Cellic CTec3, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 53 ml를 각각 12 등분하여 12시간 동안 연속적으로 가하였다. 이후 12시간 동안 더 당화하여 애벌 당화물을 제조하였다. 이 당화기의 모터를 50 wh 모터로 교체하고 48 시간 동안 더 당화하여 1차 당화물을 제조하였다. 1차 당화물의 절반은 다른 한 개의 본당화기에 옮기고 동일한 조건에서 72 시간 동안 당화를 지속하였다. 당화물의 절반이 남아있는 본당화기에 상기 새로운 당화 기질 2,731 g과 셀릭시텍3 27 ml를 12등분하여 12 시간 동안 연속적으로 가하였다. 이후 60 시간 동안 더 당화하여 2차 당화물을 제조하였다. 2차 당화물 중 절반을 또 다른 한 개의 본당화기에 옮기고 24 시간 더 당화하였다. 당화물의 절반이 남아있는 본당화기에 상기 새로운 당화 기질 2,731 g과 셀릭시텍3 27 ml를 12등분하여 12 시간 동안 연속적으로 가하였다. 이후 60 시간 동안 더 당화하여 3차 당화물을 제조하였다. 모든 당화 실험에서 당화 중에 24시간 간격으로 시료를 채취하여 고속액체크로마토그래프(HPLC, Waters 제품, 미국)로 포도당 농도를 측정한 후 당화율을 산출하였다. 그 결과는 표 1, 도 3에 나타내었다.

실시예 2. 거대억새 전처리물의 고부하 (Solid 25%) 당화

습윤 상태의 거대억새(Miscanthus saccharicum, 수분 55%) 분쇄물(한국 산)을 연속고압반응기(SuPR2G, Advancebio 제품, 미국)에 주입하여 200 ^oC에서 10분간 열수전처리하였다. 전처리물(수분 함량 70%, w/w) 일부를 취하여 4배의 물을 가하여 혼합한 후 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하여 수분함량이 약 50%가 될 때까지 고액분리하여 고형분 시료를 얻었다. 여기에 비이온수와 수산화나트륨 수용액(50%, 무게/무게)을 가하고 혼합하여 수분 함량이 74.6%, 총 글루칸 함량이 포도당 기준으로 17%인 효소당화용 기질을 준비하였다. 용량 7리터의 상기 실시예1의 1차 당화기를 50±1 ^oC, pH 5.40±0.05, 교반속도 200rpm을 유지하면서 당화기질 4,924 g과 당화효소 셀릭씨텍3(Cellic CTec3, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 56 ml를 각각 12등분하여 1시간에 1회분씩 첨가하는 방법으로 12 시간 동안 첨가하여 당화하였다. 이후 12시간 동안 더 당화하여 애벌당화물을 제조하였다. 이 당화기의 모터를 50 wh 모터로 교체하여 본당화기로 개조하고 48 시간 동안 더 당화하여 1차 당화물을 제조하였다. 1차 당화물의 절반은 다른 한 개의 본당화기에 옮기고 동일한 조건에서 72 시간 동안 당화를 지속하였다. 당화물의 절반이 남아있는 본당화기에 상기 새로운 당화 기질 2,472 g과 셀릭시텍3 28 ml를 12등분하여 12 시간 동안 연속적으로 가하였다. 이후 60 시간 동안 더 당화하여 2차 당화물을 제조하였다. 2차 당화물 중 절반을 또 다른 한 개의 본당화기에 옮기고 24 시간 더 당화하였다. 당화물의 절반이 남아있는 본당화기에 상기 새로운 당화 기질 2,472 g과 셀릭시텍3 28 ml를 12등분하여 12 시간 동안 연속적으로 가하였다. 이후 60 시간 동안 더 당화하여 3차 당화물을 제조하였다. 모든 당화 실험에서 당화 중에 24시간 간격으로 시료를 채취하여 고속액체크로마토그래프(HPLC, Waters 제품, 미국)로 포도당 농도를 측정한 후 당화율을 산출하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.

비교예 1. 거대억새 전처리물의 저부하량 (Solid 11.4%) 회분식 당화

상기 실시예2의 1차 당화기를 50±1 ^oC, pH 5.45±0.05, 교반속도 200rpm을 유지하면서 상기 실시예 3의 효소당화용 기질 2,364 g, 비이온수 2,599 g, 당화효소 셀릭씨텍3(Cellic CTec3, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 27 ml를 일시에 가하고 72시간 동안 당화하였다. 당화 중 24시간 간격으로 소량의 당화물을 채취하여 당농도를 측정하고 이 당농도로부터 당화율을 추산한 다음 그 결과를 표 1에 표시하였다.

또한, 도 4에 실시예 2의 고부하 효소당화(Solid 25%)와 비교예 1(Solid 11.4%)에 따른 거대억새의 저부하 효소당화 결과를 비교하여 나타내었다.

구분	바이오매스 전처리물	기질 부하율 (건물중 %)	72 시간 후 당화율(%)
구분	바이오매스 전처리물	기질 부하율 (건물중 %)	1차당화	2차당화	3차당화
실시예 1	팜 공과방	19%	73	78	81
실시예 2	거대억새	25%	75	82	81
비교예 1	거대억새	11.4%	88	-	-

표 1과, 도 3 및 도 4는 고부하 효소당화의 경우 1차, 2차 및 3차로 진전될수록 당화율이 증가하는 것을 보여주며, 그 효과는 팜 공과방과 거대억새 모두에서 잘 발휘되었다. 또한, 이러한 결과는 저부하 당화의 당화율과 큰 차이가 나지 않는 결과로써 본 발명의 고부하 효소당화 방법이 당화 기질 부하율이 높아도 짧은 시간의 당화에도 불구하고 당화율이 크게 저하되지 않는 효과적인 기술이라는 것을 알 수 있다.

1: 교반기 축, 2: 스크류형 교반날개, 3: 지지부재, 4: 리본형 교반날개,
5: 방사상 교반날개; 6: 산도(pH) 측정수단, 7: 산도(pH) 조절수단

Claims

바이오매스 당화용 기질을 효소당화에 적합한 pH로 산도를 조절하고 수 불용성 고형분의 양이 당화용 기질의 전체 중량을 기준으로 15 내지 30 중량%가 되도록하는 당화용 기질 준비단계;
애벌당화기에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식(fed batch)으로 투입하여 효소당화를 시작하는 애벌당화 단계;
상기 애벌당화 단계를 거친 바이오매스 애벌당화물을 본당화기로 이송하여 효소당화용 당화물을 제조하는 본당화 단계;
상기 본당화 단계를 거친 효소당화가 완료된 당화물의 일부를 당용액 회수 단계를 통하여 당용액을 회수하는 당용액 회수단계;
상기 당용액 회수단계에서 잔류된 효소당화가 완료된 당화물에 바이오매스 당화용 기질과 효소를 유가식(fed batch)으로 재투입하여 효소당화를 시작하는 반복당화 단계;
상기 반복당화 단계를 거쳐 효소당화가 완료된 당화물의 일부를 당용액 회수 단계를 통하여 당용액을 회수하는 당용액 회수단계; 및
상기 반복당화 단계 및 이후 당용액 회수단계를 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스 당화용 기질은 분쇄(comminution), 열수전처리(autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis), 묽은산 전처리(dilute acid pretreatment), 석회전처리(lime pretreatment), 알카리 전처리(alkaline pretreatment), 암모니아 전처리(ammonia pretreatment), 폭쇄법(steam explosion)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 이화학적 혹은 생물학적 전처리를 행하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 애벌당화 단계 및 반복당화 단계에서 바이오매스 당화용 기질과 효소는 효소당화 시간의 1/3 이내의 시간 동안에 나누어서 유가식(fed batch)으로 투입 또는 재투입되는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 반복당화 단계에서 잔류된 효소당화가 완료된 당화물의 비율은 전체 효소당화가 완료된 당화기 내 당화물의 중량을 기준으로 30 내지 70 중량% 인 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 본당화 단계 및 반복당화 단계의 당화시간은 48 내지 72시간인 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 애벌 당화기 및 본당화기는 수직 방향의 실린더형 반응기; 상기 반응기 내부에 구비되는 교반기; 및 상기 교반기를 구동하는 교반모터를 포함하여 구성되고,
상기 교반기는 대류교반(convectional mixing)과 방사상 교반(radial mixing)이 동시에 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 교반기는 방사상 교반이 이루어지도록 교반기의 축에서 방사상으로 돌출되고 교반기의 축과 평행한 면을 가지는 다수의 날개를 가지고 축방향으로 서로 이격되어 다수개로 구성되는 방사상 교반날개;
상기 교반기 축의 하부에 구성되며 반응기 하부의 당화물을 상부로 밀어 올릴 수 있도록 교반기 축과 소정 각도의 피치를 가지는 스크류형 교반날개; 및
상기 교반기 축의 하부에서 축과 수직방향으로 서로 대향하도록 돌출되어 반응기의 위쪽 방향으로 절곡부를 가지는 지지부재와 접촉하면서 상단에서 하단으로 나선형으로 연결되는 소정의 폭을 가지는 리본형 교반날개를 포함하여 구성되어 대류교반(convectional mixing)과 방사상 교반(radial mixing)이 동시에 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 애벌당화기의 교반모터는 본당화기의 교반모터보다 출력이 2배 이상인 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 애벌당화기 및 본당화기는 산도(pH) 측정 및 조절수단 및 자동온도조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스의 고부하 효소당화 방법.