KR102108097B1 - Method for saccharification of biomass - Google Patents

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Abstract

본 발명의 방법은 바이오매스를 아황산염으로 20 내지 90 ℃에서 멸균하는 단계; 및 상기 반응물에 산화제를 가하여, 상기 아황산염을 무독화하는 단계;를 포함함으로써, 당화과정에서 발생할 수 있는 미생물 오염을 억제 혹은 방지할 수 있으므로 효소당화에 의한 포도당 수율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 발효당 품질 저하를 방지하는데 효과적인 바이오매스의 당화 방법에 관한 것이다.The method of the present invention comprises the steps of sterilizing the biomass at 20 to 90 ° C with sulfite; And by adding an oxidizing agent to the reactant, the step of detoxifying the sulfite; By including, it is possible to suppress or prevent microbial contamination that may occur during the saccharification process, as well as to maximize the glucose yield by enzymatic saccharification as well as fermentation sugar It relates to a method for saccharification of biomass effective to prevent quality degradation.

Description

바이오매스의 당화 방법{METHOD FOR SACCHARIFICATION OF BIOMASS}METHOD FOR SACCHARIFICATION OF BIOMASS

본 발명은 바이오매스의 당화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for saccharifying biomass.

최근 온실가스에 의한 지구 온난화와 화석연료의 고갈 문제에 대처하기 위해, 전세계적으로 재생가능한 바이오매스로부터 수송용 연료 및 산업용 화학물질을 생산하고자 하는 연구와 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 특히 잠재적 식량문제를 야기할 수 있는 옥수수와 사탕수수 등의 식용 바이오매스를 원료로 하는 바이오화학산업이 미생물 발효용 탄소원으로서 기존의 전분당 혹은 원당을 팜 공과방, 거대억새, 옥수수 줄기 등 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass) 원료 발효당으로 전환하고자 많은 연구 개발이 이루어져서 목질계 발효당의 시장 개장을 눈앞에 두고 있다. In order to cope with the global warming caused by greenhouse gases and the depletion of fossil fuels, research and development have been actively conducted to produce transportation fuels and industrial chemicals from renewable biomass worldwide. In particular, the biochemical industry, which uses edible biomass, such as corn and sugarcane, which can cause potential food problems, is a carbon source for microbial fermentation. A lot of research and development has been conducted to convert the fermentation sugar of biomass (lignocellulosic biomass) to the market, and the market of wood-based fermentation sugar is in the forefront.

목질계 바이오매스는 크게 셀룰로오스(cellulose, 20 내지 50%), 헤미셀룰로오스(hemicellulose, 15 내지 35%), 리그닌(lignin, 10 내지 30%) 및 기타 성분(수용성 전분, 유리당, 단백질, 지질, 펙틴, 탄닌, 알칼로이드, 유기산 및 각종 무기염 등)으로 구성되는데, 이중 셀룰로오스가 발효균주의 주요한 영양원인 포도당으로 이루어져 있으므로, 이를 발효당으로 전환하는 것이 산업 기술의 핵심이 될 것이다. Woody biomass is largely cellulose (cellulose, 20 to 50%), hemicellulose (15 to 35%), lignin (10 to 30%) and other ingredients (water soluble starch, free sugar, protein, lipid, pectin, Tannins, alkaloids, organic acids, and various inorganic salts, etc.). Since cellulose is composed of glucose, which is the main nutrient source of fermentation strain, conversion to fermentation sugar will be the core of industrial technology.

목질계 바이오매스로부터 포도당을 제조할 때 바이오매스가 분쇄된 형태만으로는 셀룰로오스가 쉽게 포도당으로 전환되지 않으므로 전처리(pretreatment)와 당화(saccharification) 공정을 순차적으로 행하는 것이 일반적이다. 바이오매스 전처리는 바이오매스의 각 구조적 성분을 분획이 용이한 상태로 만들기 위해 미리 분쇄 혹은 파쇄된 바이오매스를 이화학적인 방법으로 처리하는 공정이다. 바이오매스의 당화는 이미 전처리 과정에서 셀룰로오스를 둘러싸고 있는 헤미셀룰로오스나 리그닌의 일부 또는 전부가 분해 또는 용해되어 나옴으로써, 보다 가수분해가 용이한 상태로 변한 셀룰로오스를 이화학적 혹은 생화학적 방법을 통해 포도당으로 전환하는 공정이다.When producing glucose from a wood-based biomass, it is common to sequentially perform a pretreatment and a saccharification process because cellulose is not easily converted into glucose only in a form in which the biomass is crushed. Biomass pre-treatment is a process of treating biomass that has been previously crushed or shredded in a physicochemical manner to make each structural component of the biomass easy to fractionate. Saccharification of biomass converts cellulose, which has changed into a more easily hydrolyzed state, into glucose through physicochemical or biochemical methods by dissolving or dissolving some or all of hemicellulose or lignin surrounding cellulose in the pretreatment process. Process.

바이오매스의 효소적 당화(enzymatic hydrolysis)는 전처리 공정에 의해 보다 가수분해가 용이한 상태로 전환된 셀룰로오스에 효소인 셀룰로오스 가수분해효소(cellulase)를 가하여 포도당을 제조하는 공정이다. 이때 셀룰로오스의 가수분해 작용을 촉진하기 위해서 셀룰로오스 가수분해효소는 헤미셀룰로오스 가수분해효소(hemicellulase), 전분 가수분해효소(amylase) 및 펙틴 가수분해효소(pectinase) 등 여러 가지 효소를 추가로 함유한다. 일반적으로 효소당화는 45 내지 55°C의 고온에서 이뤄지는데, 이는 효소당화물의 점도 감소를 통한 원활한 당화반응 촉진과 효소당화 공정 동안 발생할 수 있는 미생물 오염을 방지하기 위함이다. Enzymatic hydrolysis of biomass is a process of producing glucose by adding an enzyme, cellulase, to the cellulose converted to a more easily hydrolyzed state by a pretreatment process. At this time, in order to promote the hydrolysis action of cellulose, cellulose hydrolase further contains various enzymes such as hemicellulase, hemicellulase, amylase, and pectin hydrolase. In general, enzymatic saccharification is performed at a high temperature of 45 to 55 ° C. This is to promote smooth saccharification reaction through reduction in the viscosity of enzymatic saccharide and prevent microbial contamination that may occur during the enzymatic saccharification process.

그러나, 이와 같은 고온의 효소당화 조건에서도 예상치 못한 미생물의 오염이 종종 발생한다. 본 발명자들은 미생물이 오염된 당화물을 분석하였을 때 젖산이 다량 검출되었고, 오염 미생물을 동정한 결과 호열성 균주인 바실러스 코아귤런스(Bacillus coagulans)임을 밝혀냈다. 바실러스 코아귤런스의 최적 생장온도는 50 내지 55°C로서, 이는 효소당화의 반응온도와 거의 일치한다. 이 미생물에 의해 당화물이 오염되었을 경우 당화 과정에서 생성되는 포도당을 미생물이 섭취 대사함으로써 당수율(sugar yield)을 감소시킬 뿐만 아니라, 대사산물로서 젖산이 다량 생성됨으로써 발효당의 품질이 저하된다. 이와 같이 당화과정에서 발생되는 미생물의 오염은 발효당 제조에 여러 문제점을 야기하기 때문에 반드시 방지해야만 한다. However, even under such high temperature enzymatic saccharification, unexpected microbial contamination often occurs. The present inventors discovered that lactic acid was detected in a large amount when the microorganisms were contaminated with saccharides, and as a result of identifying the contaminating microorganisms, they were Bacillus coagulans, a thermophilic strain. The optimal growth temperature of Bacillus coagulance is 50 to 55 ° C, which is almost identical to the reaction temperature of enzyme glycosylation. When the sugars are contaminated by the microorganisms, not only the sugar yield is reduced by the microorganism ingesting and metabolizing the glucose produced during the saccharification process, but also the quality of the fermentation sugar is deteriorated by producing a large amount of lactic acid as a metabolite. As described above, contamination of microorganisms generated in the saccharification process must be prevented because it causes various problems in the production of fermented sugar.

목질계 바이오매스를 원료로 하여 바이오에탄올을 제조할 때 덴마크의 인비콘(Inbicon)은 바이오매스의 전처리에서 생성된 초산과 furfural, 바닐린 등 페놀계 분해산물을 일정량 이상 다시 넣어줌으로써 젖산균의 발생이 과도하지 않도록 조절하는 기술을 보여주었으며, 미생물의 발생을 억제할 목적으로 호프산, virginiamycin, 등을 사용하는 벙법이 제시된 바 있다. 하지만, 이러한 물질을 바이오매스의 효소당화에 첨가할 경우 생성된 발효당의 용도에 제한이 발생하는 것은 자명하다. 따라서, 바이오매스를 원료로 하면서 여러 가지 미생물의 발효에 두루 사용될 수 있는 범용성 발효당을 제조하기 위해 효소당화를 수행하는 경우에는 이러한 미생물 억제물질을 사용하더라도 최종적인 발효당 제품에는 함유되지 않도록 제거할 수 있어야만 한다. 하지만, 이러한 기술은 아직 보고된 바 없다. When producing bioethanol using wood-based biomass as a raw material, Inbicon in Denmark generates excessive lactic acid bacteria by re-injecting phenolic decomposition products such as acetic acid, furfural, and vanillin produced in the pretreatment of biomass over a certain amount. It has shown a technique to control not to be used, and the method of using hop acid, virginiamycin, etc. has been suggested for the purpose of suppressing the generation of microorganisms. However, it is obvious that when these substances are added to enzymatic saccharification of biomass, there is a limitation in the use of the fermented sugar produced. Therefore, when enzymatic saccharification is performed to produce a general purpose fermented sugar that can be used for fermentation of various microorganisms while using biomass as a raw material, even if such a microorganism inhibitor is used, it is removed so as not to be contained in the final fermented sugar product. Must be able to. However, this technique has not been reported.

아황산염(sulfite)은 18세기 후반부터 와인 제조 시 발생할 수 있는 미생물의 오염을 방지하기 위해서 와인산업에 광범위하게 이용되어왔다. 이 아황산염은 물과 반응하여 이산화황을 발생시키고 이 가스가 살균작용을 한다. 이러한 기작에 의해 포도를 발효하기 전에 아황산염을 가하고 하루 동안 유지한 후 효모를 가하여 와인을 제조하는 방식이 널리 사용되어왔다. 이렇게 아황산염은 잔류독성이 매우 적으므로 오래 동안 인류의 식품 산업에 사용되어왔지만, 본 발명자들의 연구에서 이 아황산염을 효소당화 공정에 사용할 경우 잔류하는 아황산염이 당화효소를 불활성화시킴으로써 당수율을 저하시킬 수 있다는 것도 알게 되었다. 이러한 점을 고려하여 본 발명자들은 이 아황산염을 목질계 바이오매스의 효소당화에 적용하는 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울임으로써 본 발명을 완성하게 되었다. Sulfite has been widely used in the wine industry since the late 18th century to prevent contamination of microorganisms that may occur during wine production. This sulfite reacts with water to generate sulfur dioxide and this gas sterilizes. A method of producing wine by adding sulfite, maintaining it for one day, and adding yeast before fermenting grapes by this mechanism has been widely used. As such, sulfite has very little residual toxicity, and has been used in the human food industry for a long time. However, in the present inventors' study, when this sulfite is used in the enzyme saccharification process, the residual sulfite inactivates the saccharifying enzyme, thereby lowering the sugar yield. I also found out. In view of this, the present inventors have completed the present invention by putting a lot of effort to develop a technique for applying this sulfite to enzymatic saccharification of woody biomass.

한국공개특허 제2015-0093483호Korean Patent Publication No. 2015-0093483

본 발명은 목질계 바이오매스를 원료로 하여 다양한 미생물의 배양에 사용할 수 있는 발효당을 제조하기 위한 바이오매스의 안전한 당화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a safe saccharification method of biomass for producing fermented sugar that can be used for cultivation of various microorganisms using wood-based biomass as a raw material.

1. 바이오매스를 아황산염으로 20 내지 90 ℃에서 멸균하는 단계; 및1. Sterilizing the biomass at 20 to 90 ° C with sulfite; And

상기 반응물에 산화제를 가하여, 상기 아황산염을 무독화하는 단계;를 포함하는, 바이오매스의 당화 방법.Including the step of detoxifying the sulfite by adding an oxidizing agent to the reactant, the method of saccharification of biomass.

2. 위 1에 있어서, 상기 바이오매스는 산성 조건인, 바이오매스의 당화 방법.2. The method of 1 above, wherein the biomass is an acidic condition, a method for saccharification of biomass.

3. 위 2에 있어서, 상기 산성 조건은 pH 5 이하인, 바이오매스의 당화 방법.3. The method of 2 above, wherein the acidic condition is pH 5 or less, a method for saccharification of biomass.

4. 위 1에 있어서, 상기 바이오매스에 산을 가하여, pH를 5 이하로 조절하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스의 당화 방법.4. In the above 1, further comprising the step of adjusting the pH to 5 or less by adding an acid to the biomass, the method for saccharification of biomass.

5. 위 1에 있어서, 상기 멸균은 30 내지 60 ℃에서 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.5. In the above 1, wherein the sterilization is performed at 30 to 60 ℃, the method of saccharification of biomass.

6. 위 1에 있어서, 상기 아황산염은 아황산나트륨, 메타중아황산나트륨, 티오황산나트륨, 아황산칼륨, 메타중아황산칼륨, 티오황산칼륨, 아황산칼슘, 메타중아황산칼슘 및 티오황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 것인, 바이오매스의 당화 방법.6. In the above 1, the sulfite is selected from the group consisting of sodium sulfite, sodium metabisulfite, sodium thiosulfate, potassium sulfite, potassium metabisulfite, potassium thiosulfate, calcium sulfite, calcium metabisulfite and calcium thiosulfate. , Biomass saccharification method.

7. 위 1에 있어서, 상기 멸균은 1시간 이내로 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.7. The method of 1 above, wherein the sterilization is performed within 1 hour, the method for saccharification of biomass.

8. 위 1에 있어서, 상기 멸균은 상기 바이오매스에 포함된 바실러스 코아귤런스(Bacillus coagulans)를 포함하는 미생물을 멸균하는 것인, 바이오매스의 당화 방법.8. In the above 1, wherein the sterilization is to sterilize microorganisms containing Bacillus coagulans ( Bacillus coagulans ) contained in the biomass, the method for saccharification of biomass.

9. 위 1에 있어서, 상기 산화제는 산소, 과산화수소수 또는 오존인, 바이오매스의 당화 방법.9. The method of 1 above, wherein the oxidizing agent is oxygen, hydrogen peroxide or ozone, a method for saccharification of biomass.

10. 위 1에 있어서, 상기 산화제를 아황산염의 0.2배 내지 2배 당량 가하는, 바이오매스의 당화 방법.10. The saccharification method of biomass according to the above 1, wherein the oxidizing agent is added in an amount of 0.2 to 2 times equivalent of sulfite.

11. 위 1에 있어서, 상기 무독화는 20 내지 90 ℃에서 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.11. The method of 1 above, wherein the detoxification is performed at 20 to 90 ° C., a method for saccharifying biomass.

12. 위 1에 있어서, 상기 무독화 후에, 당화 효소를 가하여 바이오매스를 당화하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스의 당화 방법.12. The method of 1, further comprising the step of saccharifying the biomass by adding a glycosylating enzyme after the detoxification.

본 발명의 방법은 아황산염을 이용해 목질계 바이오매스 원료 발효당 제조를 위한 당화과정에서 발생할 수 있는 미생물 오염을 억제 혹은 방지할 수 있으므로 효소당화에 의한 포도당 수율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 발효당 품질 저하를 방지하는데 효과적이다. The method of the present invention can inhibit or prevent microbial contamination that may occur during the saccharification process for the production of fermented sugar of wood-based biomass using sulfite, thereby not only maximizing glucose yield due to enzymatic saccharification but also lowering fermentation sugar quality It is effective in preventing.

도 1은 발효당 생산을 당화과정시, 미생물의 오염이 발생하지 않은 경우와 발생한 경우, 포도당의 생성농도 (도 1-1)와 젖산의 생성농도 (도 1-2)를 시간별로 측정한 그래프이다 (Open symbol : 미생물의 오염이 발생하지 않은 경우, Closed symbol : 미생물의 오염이 발생한 경우).
도 2는 미생물의 오염이 발생한 경우, 당화반응 0시간째와 74시간째, 당화액을 HPLC로 분석한 그래프이다. 당화반응 74시간째는 젖산이 생성되었음을 보여준다.
도 3은 미생물 오염이 발생한 당화반응기에서, 미생물을 분리하였고, 이 균주에 대한 16s rDNA를 분석하여 동정한 결과, 바실러스 코아귤런스 (Bacillus coagulans) 임을 밝혀낸 그림을 보여준다.
FIG. 1 is a graph measuring the production concentration of glucose (FIG. 1-1) and lactic acid production concentration (FIG. 1-2) over time during the saccharification process of fermentation sugar production and when microbial contamination does not occur. (Open symbol: When microbial contamination does not occur, Closed symbol: When microbial contamination occurs).
2 is a graph of the analysis of the saccharification solution by HPLC at 0 and 74 hours of saccharification when contamination of microorganisms occurs. The glycation reaction at 74 hours shows that lactic acid was produced.
FIG. 3 shows a figure in which a microorganism was isolated from a saccharification reactor in which microbial contamination occurred, and 16s rDNA was analyzed and identified for this strain, and as a result, Bacillus coagulans was found.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “목질계 바이오매스”는 주로 지상식물 전체를 의미하며, 화학적으로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 구조적 성분(structural components)으로 가지는 바이오매스를 통칭한다. 이 목질계 바이오매스의 예로써 옥수수 줄기, 밀짚, 보리짚, 볏짚, 팜 공과방, 해바라기 줄기, 수수 및 단수수 등 농업 부산물(agricultural byproducts), 갈대, 억새, 버드나무 교잡종 등의 에너지 작물(energy crops) 및 아카시아, 유칼립투스, 자작나무, 소나무 등 목본계 바이오매스(woody biomass)를 들 수 있다. The term “wood-based biomass” used throughout the present specification mainly refers to the entire ground plant, and chemically refers to a biomass having cellulose, hemicellulose, and lignin as structural components. Examples of this wood-based biomass include agricultural byproducts such as corn stalk, straw, barley, rice straw, farm workshop, sunflower stalk, sorghum and singular, energy crops such as reeds, silver grass, and willow hybrids. crops) and woody biomass such as acacia, eucalyptus, birch, and pine.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 목질계 바이오매스의 “전처리”는 목질계 바이오매스의 효소당화를 용이하게 하기 위해 이화학적 혹은 생물학적 방법으로 바이오매스의 구조적 성분 중 헤미셀룰로오스나 리그닌을 일부 혹은 전부 제거하는 과정을 의미한다. 이 전처리는 크게 나누어 헤미셀룰로오스를 주로 가수분해하는 열수전처리(autohydrolysis, liquid hot qater treatment 혹은 hydrothermolysis), 묽은산 전처리(dilute acid treatment)를 포함하는 산 촉매 전처리, 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼슘 등 알칼리 시약을 사용하여 리그닌을 주로 녹여내는 알칼리 전처리(alkaline treatment), 기계적으로 분쇄하여 셀룰로오스 표면적을 넓히는 물리적 전처리(physical treatment) 및 증기폭쇄(steam explosion) 등 효소를 이용한 셀룰로오스의 가수분해를 목적으로 수행하는 모든 처리를 포함한다. The term "pre-treatment" of xylem-based biomass, which is a term used throughout this specification, partially or all of hemicellulose or lignin among structural components of biomass by physicochemical or biological methods to facilitate enzymatic saccharification of xylem-based biomass. It means the process of removal. This pretreatment is largely divided into acid catalyst pretreatment including autohydrolysis, liquid hot qater treatment or hydrothermolysis, which mainly hydrolyzes hemicellulose, and alkali reagents such as ammonia, sodium hydroxide, and calcium hydroxide. All treatments for the purpose of hydrolysis of cellulose using enzymes, such as alkali treatment, which mainly dissolves lignin, physical treatment that mechanically crushes to increase the surface area of cellulose, and steam explosion, etc. Includes.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “섬유소 가수분해효소”혹은 “당화효소”는 셀룰라제류, 엔도글루카나제류, 엑소글루카나제류, 셀로비오하이드로라제류, β-글루코시다제류를 포함하는 셀룰로오스 가수분해 효소 또는 자일라나제류, 엔도자일라나제류, 엑소자일라나제류, β-자일로시다제류, 아라비노자일라나제류, 만나제류, 갈락타제류, 펙티나아제류, 글루쿠로니다제류를 포함하는 헤미셀룰로오스 가수분해 효소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소를 포함하는 효소제제이다. 이러한 효소당화용 효소복합제제로의 예로는 Celluclast® 1.5L 혹은 Celluclast® conc BG와 NovozymeTM 188의 혼합제제, Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 혼합물 혹은 Cellic CTec3와 Cellic HTec3와의 혼합물, 셀루자임(Celluzyme®), 세레플로(Cereflo®) 및 울트라플로(Ultraflo®)의 혼합제제(이상 덴마크 Novozymes 제품), 액셀러라제(AcelleraseTM), 라미넥스(Laminex®) 및 스페자임(Spezyme®) 혼합물(이상 Genencor Int. 제품), 로하멘트(Rohament®; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있다.The terms “fibrin hydrolase” or “glycosylase” used throughout this specification include cellulase, endoglucanase, exoglucanase, cellobiohydrolase, and β-glucosidase. Cellulose hydrolase or xylanases, endozylanases, exolylanases, β-xyloxidases, arabinoxylanases, mannase, galactases, pectinases, glucuronidases It is an enzyme preparation containing at least one enzyme selected from the group consisting of hemicellulose hydrolase containing. Examples of such enzyme complexes for enzyme glycosylation include Celluclast® 1.5L or Celluclast® conc BG and NovozymeTM 188 mixture, Cellic CTec2 and Cellic HTec2 mixture, or Cellic CTec3 and Cellic HTec3 mixture, Celluzyme®, Serenity Mixtures of Cereflo® and Ultraflo® (above from Novozymes, Denmark), AccelleraseTM, Laminex® and Spezyme® mixtures (above Genencor Int.) And Rohament® (manufactured by Rohm GmbH).

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. The term “enzymatic saccharification of biomass”, which is used throughout this specification, produces a sugar or glucose containing sugar by hydrolyzing the woody biomass with a fibrinolytic enzyme, that is, a glycosylation enzyme. It means a process, and is usually a method of dispersing the biomass pretreatment in water and adding cellulase complex enzyme as a fibrinolytic enzyme, followed by stirring while maintaining a constant acidity and temperature.

“당화용 기질 혹은 당화기질(substrate for enzymatic hydrolysis)”은 섬유소 가수분해효소로 가수분해함으로써 단당류로 전환하기 위한 대상물질인 바이오매스 혹은 그 전처리물을 말하며, “당화계(saccharification system)”는 바이오매스의 효소당화에 사용하는 당화장치의 당화조 내부와 여기에 투입된 당화기질을 포함한 모든 물질을 통칭한다. 당화기질의 “총 글루칸 함량(total glucan content)”은 당화기질이 함유하는 셀룰로오스의 총량을 의미하며, 경우에 따라서 이 양은 가수분해로 생성될 포도당의 양을 의미할 수 있다. 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. “Substrate for enzymatic hydrolysis” refers to biomass or its pre-treatment material, which is a target substance for conversion to monosaccharides by hydrolysis with fibrinolytic enzyme, and “saccharification system” is bio It refers to all substances including the saccharification substrate and the saccharification tank inside the saccharification tank of the saccharification device used for the enzyme saccharification of the mass. The “total glucan content” of the saccharifying substrate means the total amount of cellulose contained in the saccharifying substrate, and in some cases, this amount may mean the amount of glucose to be produced by hydrolysis. In addition, “substrate loading” means the total amount of biomass that is introduced into the saccharifier for saccharification of the biomass enzyme, and may be expressed as the ratio of the building material of the biomass pretreatment to the total saccharification weight.

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.In the present specification, the “fed-batch” method used when injecting a substrate for saccharification into a saccharification group for enzymatic saccharification of biomass refers to a method of additionally injecting a substrate to a saccharification in progress of saccharification. It is a concept that contrasts with the batch method, in which the total amount of saccharification substrate is added at once with the start. The term “conversion rate of cellulose to glucose” refers to the glucose conversion rate of cellulose contained in the substrate for saccharification as a result of enzymatic saccharification of biomass, and the glucose produced by enzymatic hydrolysis of the total amount of cellulose converted to glucose. Calculate as a percentage of the total amount. In addition, all materials in the present invention mean weight or weight ratio unless otherwise specified.

본 발명에서 멸균제로 멸균 대상물에 아황산염을 가하여 멸균하고 당화효소를 첨가하기 전에 행하는 “무독화”는 아황산염이 당화효소의 활성을 감소시키는 작용을 경감 내지 제거하는 과정을 의미하며, 아황산염의 미생물에 대한 독성과는 다른 의미에서 사용된 개념이다.In the present invention, “detoxification” performed before sterilization by adding sulfite to an object to be sterilized with a sterilizing agent and adding saccharification enzyme refers to a process of reducing or eliminating the action of sulfite to reduce the activity of saccharification enzyme, and for the microorganisms of sulfite It is a concept used in a different sense from toxicity.

본 발명의 바이오매스의 당화 방법은 바이오매스를 아황산염으로 20 내지 90 ℃에서 멸균하는 단계; 및 상기 반응물에 산화제를 가하여, 상기 아황산염을 무독화하는 단계;를 포함한다.The method for saccharifying biomass of the present invention comprises sterilizing biomass at 20 to 90 ° C with sulfite; And adding an oxidizing agent to the reactant to detoxify the sulfite.

본 발명에서 바이오매스 전처리물의 효소당화 전에 당화계를 멸균하는 데 사용하는 아황산염은 미생물에 유해한 이산화황을 생성함으로써 미생물을 사멸시킬 수 있는 화학약품을 포함하며, 예를 들면 아황산나트륨 (sodium sulfite), 메타중아황산나트륨 (sodium metabisulfite), 티오황산나트륨 (sodium thiosulfate), 아황산칼륨 (potassium sulfite), 메타중아황산칼륨 (potassium metabisulfite), 티오황산칼륨 (potassium thiosulfate), 아황산칼슘 (calcium sulfite), 메타중아황산칼슘 (calcium metabisulfite) 및 티오황산칼슘 (calcium thiosulfate) 등이다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.In the present invention, the sulfite used to sterilize the saccharification system before enzymatic saccharification of the biomass pretreatment includes chemicals capable of killing microorganisms by generating sulfur dioxide harmful to microorganisms, for example, sodium sulfite, meta Sodium metabisulfite, sodium thiosulfate, potassium sulfite, potassium metabisulfite, potassium thiosulfate, calcium sulfite, calcium bisulfite ( calcium metabisulfite) and calcium thiosulfate. These may be used alone or in combination of two or more.

아황산염은 건조된 약품 형태 혹은 비이온수에 녹인 수용액 형태로 당화계로 투입될 수 있다. 미생물에 대해 멸균력을 나타내는 농도는 화합물의 종류에 따라 조금씩 다르고, 당화계의 기질 농도가 높을수록 높아야 하므로 크게 한정할 수 없지만, 연구 결과에 의하면 당화기 내 총 당화기질 부하량이 25 g/L 이상, 300 g/L 이하일 때 2 μM 내지 40 μM의 아황산염을 사용할 수 있다. 예컨대, 팜 공과방 열수전처리물을 당화기질로 할 때 건물중으로 25 g/L 부하한 당화계를 메타중아황산나트륨으로 멸균하기 위해서는 5 μM의 농도로 처리하지만, 125 g/L로 부하한 당화기질에는 메타중아황산나트륨으로 멸균하기 위해서는 16 μM의 농도로 처리할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The sulfite can be introduced into the saccharification system in the form of a dried drug or an aqueous solution dissolved in non-ionic water. The concentration showing the sterilizing power for microorganisms is slightly different depending on the type of the compound, and the higher the substrate concentration of the saccharification system should be, so it cannot be greatly limited, but according to the research results, the total saccharification substrate load in the saccharification machine is 25 g / L or more, When 300 g / L or less, sulfites of 2 μM to 40 μM can be used. For example, in the case of using palm farming room hydrothermal treatment as a saccharification substrate, the saccharification system loaded with 25 g / L in the building is treated at a concentration of 5 μM to sterilize with sodium metabisulfite, but the saccharification substrate loaded at 125 g / L In order to sterilize with sodium metabisulfite, it can be treated at a concentration of 16 μM, but is not limited thereto.

아황산염으로는 1분자당 1개의 이산화황이 발생하는 아황산나트륨 등보다 2개의 이산화황이 발생할 수 있는 메타중아황산염 등이 보다 소량으로 사용가능하므로 바람직하다.As the sulfite, meta-bisulfite, which can generate two sulfur dioxides, can be used in a smaller amount than sodium sulfite, which generates one sulfur dioxide per molecule, so it is preferable.

바이오매스가 포함할 수 있는 미생물, 또는 그 포자의 멸균을 위해서는 아황산염으로부터 이산화황이 다량으로 발생하는 조건에서 멸균하는 것이 유리하다. 이러한 측면에서 멸균은 20 ℃ 내지 90 ℃로 수행될 수 있다. 온도가 20 ℃ 미만이면 이산화황 생성 속도가 낮아서 보다 장시간의 멸균이 요구되고, 90 ℃를 초과하면 온도 증가에 의한 이산화황 생성 증가 정도가 미미하고, 증기압에 견디는 고압반응기를 사용하여야만 하므로 비효율적이다. 이러한 측면에서 바람직하게는 30 내지 60 ℃에서 수행될 수 있다.In order to sterilize microorganisms or their spores that may be contained in biomass, it is advantageous to sterilize under conditions in which sulfur dioxide is generated in large quantities from sulfite. In this aspect, sterilization may be performed at 20 ° C to 90 ° C. If the temperature is less than 20 ° C, the rate of sulfur dioxide production is low, so long-term sterilization is required. If it exceeds 90 ° C, the degree of sulfur dioxide production by temperature increase is negligible, and it is inefficient because a high pressure reactor that withstands vapor pressure must be used. In this aspect, it may be preferably carried out at 30 to 60 ℃.

또한, 상기 이산화황 다량 발생의 측면에서, 산성 조건의 바이오매스를 아황산염으로 멸균할 수 있다. 산성 조건은 예를 들면 pH 5 이하일 수 있다. pH 5를 초과하면 이산화황 생성이 미미할 수 있다. pH가 낮을수록 이산화황 발생은 촉진되지만 산 사용량이 과다해지고, 그러한 경우 당화 직전에 산성을 중화시키기 위한 중화제의 사용량도 크게 증가해지므로, 이러한 측면에서 바람직하게는 pH는 2 내지 5일 수 있다.In addition, in terms of generating a large amount of sulfur dioxide, the biomass under acidic conditions can be sterilized with sulfite. Acidic conditions can be, for example, pH 5 or less. Above pH 5, sulfur dioxide production may be negligible. The lower the pH, the faster the generation of sulfur dioxide, but the amount of acid used is excessive, and in this case, the amount of the neutralizing agent used to neutralize the acid immediately before saccharification is also greatly increased, so in this respect, the pH may be preferably 2 to 5.

본 발명의 방법은 바이오매스의 pH가 산성 조건이 아닌 경우에는, 바이오매스에 산을 가하여 산성화하는 단계를 더 포함할 수 있다. pH는 5 이하, 바람직하게는 pH 2 내지 5로 산성화할 수 있다. 가할 수 있는 산으로는 예를 들면 황산, 염산, 인산 및 질산 등의 무기산을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.If the pH of the biomass is not an acidic condition, the method of the present invention may further include acidifying the biomass by adding an acid. The pH can be acidified to 5 or less, preferably pH 2 to 5. As the acid that can be added, for example, inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, and nitric acid can be used, but are not limited thereto.

이산화황 생성 촉진의 측면에서 멸균은 교반 하에 수행될 수 있으며, 짧은 시간 내에 이산화황 생성 촉진을 위해 아황산염 수용액을 가할 수 있다.In terms of promoting sulfur dioxide production, sterilization can be performed under stirring, and a sulfite aqueous solution can be added to promote sulfur dioxide production within a short time.

멸균은 예를 들면 1시간 이내로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Sterilization may be performed, for example, within 1 hour, but is not limited thereto.

멸균 대상은 예를 들면, 상기 바이오매스에 포함된 바실러스 코아귤런스(Bacillus coagulans)와 그 포자를 포함하는 모든 미생물이 될 수 있다.The sterilization target may be, for example, all microorganisms including Bacillus coagulans and its spores included in the biomass.

상기 아황산염의 독성은 교반과 함께 시간이 지남에 따라 자연스럽게 감소하지만, 긴 시간 동안 기다려야만 한다. 바이오매스의 연속적인 효소당화를 위해서는 멸균을 위해 첨가한 아황산염의 독성을 빠른 시간 내에 효소에 무해한 수준으로 제거할 수 있어야 한다.The toxicity of the sulfite naturally decreases over time with stirring, but you have to wait for a long time. For the continuous enzymatic saccharification of biomass, the toxicity of sulfite added for sterilization must be able to be removed at a level that is harmless to the enzyme in a short time.

이를 위해, 본 발명의 방법은 상기 멸균 반응물에 산화제를 가하여 아황산염을 무독화하는 단계를 포함한다. 산화제는 이산화황을 산화시켜서 황산염을 생성하는 물질로서, 예를 들면 산소, 과산화수소수, 오존 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.To this end, the method of the present invention includes the step of detoxifying sulfite by adding an oxidizing agent to the sterile reactant. The oxidizing agent is a substance that oxidizes sulfur dioxide to produce sulfate, and examples thereof include oxygen, hydrogen peroxide, and ozone. These may be used alone or in combination of two or more.

산화제는 예를 들면 아황산염의 0.2배 내지 2배 당량을 가할 수 있다. 예컨대, 팜 공과방 열수전처리물의 멸균에 메타중아황산나트륨을 1 g(5.3 mmole) 사용하였다면 과산화수소수는 3% 수용액으로 2.4 g 내지 24 g(0.0053×2×34/0.03)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The oxidizing agent can add 0.2 to 2 times the equivalent of sulfite, for example. For example, if 1 g (5.3 mmole) of sodium metabisulfite was used for sterilization of the farm water treatment room hydrothermal pretreatment, 2.4 g to 24 g (0.0053 x 2 x 34 / 0.03) of hydrogen peroxide can be used as a 3% aqueous solution, but is not limited thereto. It does not work.

무독화는 예를 들면 20 ℃ 내지 90 ℃에서 수행할 수 있다. 온도가 20℃ 미만이면 이산화황의 발생 속도가 느려져서 산소와 결합하여 발생하는 무독화 속도도 현저하게 느려질 수 있고, 90 ℃를 초과하면 온도 증가에 의한 무독화 속도 증가 정도가 미미하고, 압력으로 인하여 고압반응기를 사용해야 하므로 비효율적일 수 있다.Detoxification can be carried out, for example, at 20 ° C to 90 ° C. When the temperature is less than 20 ° C, the rate of sulfur dioxide generation is slowed, and the rate of detoxification generated in combination with oxygen may be remarkably slowed. If it exceeds 90 ° C, the degree of increase in detoxification rate due to temperature increase is negligible, and the pressure is high due to pressure. This can be inefficient as a reactor must be used.

무독화는 후속 효소당화를 위해 첨가되는 효소의 안전을 위한 것으로서 그 시간을 길게 두는 것이 좋지만, 효소당화 공정의 연속성을 유지하기 위해 24 시간 이내에 완수하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 12시간 이내, 가장 바람직하게는 2시간 이내에 완결하는 것이 좋다.Detoxification is for the safety of the enzyme added for the subsequent enzymatic saccharification, and it is recommended that the time is long, but it is desirable to complete it within 24 hours to maintain the continuity of the enzymatic saccharification process, more preferably within 12 hours, Most preferably, it should be completed within 2 hours.

본 발명의 방법은 이후, 멸균된 바이오매스에 당화 효소를 넣어, 바이오매스를 당화하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of the present invention may further include a step of glycating the biomass by adding a glycosylation enzyme to the sterilized biomass.

본 발명의 방법에서, 효소당화 단계는 바이오매스를 바이오매스에 함유되어 있는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 포도당(glucose)과 자당(xylose) 등의 단당류로 전환하는 공정이다. 이때 당화 과정에서 외부 미생물에 의해 오염되지 않게 하기 위해 당화계는 밀폐상태를 유지해야 한다.In the method of the present invention, the enzymatic saccharification step is a process of converting biomass into cellulose and hemicellulose contained in biomass into monosaccharides such as glucose and xylose. At this time, in order to prevent contamination by external microorganisms in the saccharification process, the saccharification system must be kept closed.

셀룰라아제 복합효소를 첨가하고 당화할 때 물을 추가로 사용할 수 있지만 당화 후 고농도의 당용액을 얻기 위해서 그 양을 제한하는 것이 좋다. 따라서 효소당화시 고형분에 대한 물의 비율은 고형분의 건조중으로 환산하여 1:3 내지 1:10의 중량비가 바람직하다.Water can be additionally used for saccharification by adding the cellulase complexase, but it is good to limit the amount to obtain a high concentration of sugar solution after saccharification. Therefore, the ratio of water to solid content during enzymatic saccharification is preferably 1: 3 to 1:10 by weight in terms of drying during solid content.

상기 효소당화에는 헤미셀룰라아제를 함유하는 셀룰라아제 복합효소가 사용되며, 그 예로는 셀루클라스트(Celluclast®) 1.5L 혹은 Celluclast® conc BG와 NovozymeTM188의 혼합제제, Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 혼합물 혹은 Cellic CTec3와 헤미셀룰라아제와의 혼합물, 셀루자임(Celluzyme®), 세레플로(Cereflo®) 및 울트라플로(Ultraflo®)의 혼합제제(이상 덴마크 Novozymes 제품), 액셀러라제(Acellerase TM), 라미넥스(Laminex®) 및 스페자임(Spezyme®) 혼합물(이상 Genencor Int. 제품), 로하멘트(Rohament®; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있다. Cellulase complex enzyme containing hemicellulase is used for the enzyme glycosylation, for example, Cellullast® 1.5L or a mixture of Celluclast® conc BG and NovozymeTM188, a mixture of Cellic CTec2 and Cellic HTec2, or Cellic CTec3 and Mixtures with hemicellulase, mixtures of Celluzyme®, Cereflo® and Ultraflo® (above from Novozymes, Denmark), AccelleraseTM, Laminex® And Spezyme® mixtures (above Genencor Int.), Rohament® (manufactured by Rohm GmbH), and the like.

바이오매스에 함유된 헤미셀룰로오스의 가수 분해를 위해 헤미셀룰라아제를 첨가할 수 있으며, 셀룰라아제와 헤미셀룰라아제의 혼합비는 대략 9:1 내지 10:0 정도가 바람직하다. 또한 바이오매스 건조중 1 g당 셀룰라아제 복합효소의 사용량은 0.001 g 내지 0.5 g이 바람직하다.For hydrolysis of hemicellulose contained in biomass, hemicellulase may be added, and the mixing ratio of cellulase and hemicellulase is preferably about 9: 1 to 10: 0. In addition, the amount of cellulase coenzyme per 1 g during biomass drying is preferably 0.001 g to 0.5 g.

효소당화는 상기 가수분해효소가 최대의 활성을 나타내는 조건, 즉 Cellic CTec2와 Cellic HTec2 혼합물의 경우 pH 4.8 내지 5.2, 온도 50±5℃를 유지하는 것이 좋으며, 미생물의 오염이 없는 한 당화는 24시간 내지 96시간 이상 지속하는 것이 바람직하다.Enzymatic saccharification is recommended to maintain pH 4.8 to 5.2 and temperature 50 ± 5 ° C for the conditions in which the hydrolase exhibits maximum activity, that is, a mixture of Cellic CTec2 and Cellic HTec2, and saccharification is 24 hours unless there is contamination of microorganisms. It is preferable to last for at least 96 hours.

필요에 따라, 본 발명의 방법은 상기 공정 외에 바이오매스 당화를 위해 필요한 알려진 공정들을 더 포함할 수 있다.If necessary, the method of the present invention may further include known processes required for biomass saccharification in addition to the above processes.

예를 들면, 바이오매스의 전처리; 효소당화 이후의 당 용액의 회수; 당 용액의 여과, 농축, 불순물 제거; 등의 공정을 들 수 있다.For example, pretreatment of biomass; Recovery of sugar solution after enzymatic saccharification; Filtration of sugar solution, concentration, removal of impurities; And the like.

바이오매스의 전처리 공정으로는 예를 들면 바이오매스의 조분쇄물 혹은 분말을 수화시키는 단계; 얻어진 고형분을 열수 전처리하는 단계; 열수 전처리물을 고액분리하여 고형분을 얻는 단계를 포함할 수 있다.The pretreatment process of biomass includes, for example, hydrating a coarse pulverized product or powder of biomass; Pre-treatment of the obtained solid content with hot water; It may include the step of solid-liquid separation of the hot water pretreatment to obtain a solid content.

상기 바이오매스의 수화 단계는 예를 들면 목질계 바이오매스 조분쇄물 혹은 분말에 물을 가하고 혼합한 후 탈수하여 수행될 수 있다.The hydrating step of the biomass may be performed, for example, by adding water to a coarse wood-based biomass or powder and mixing it, followed by dehydration.

상기 공정은 이후 전처리물의 효소당화시 초본계 바이오매스에 다량 함유되어 있는 무기염류 등 셀룰로오스 가수분해효소의 활성을 저해할 수 있는 물질의 양을 최소화함으로써 당화율(saccharification rate)과 당수율(sugar yield)을 증대시킴과 동시에, 효소당화 후 당용액의 정제 공정에서 불순물 부하량을 줄임으로써 공정비용을 낮추는 데 효과적이다. 또한, 이 공정은 바이오매스 중에 추출성 물질로 함유되어 있는 녹말과 유리당, 단백질, 지질, 펙틴, 탄닌, 다양한 생리활성을 나타낼 수 있는 알칼로이드, 유기산 및 무기염류 등 유용물질을 회수하여 자원화하는 동시에, 전처리 과정 중에 이러한 물질들이 분해, 축합, 변형 등의 반응으로 쓸모없게 변하거나 마이야르 반응(maillard reaction) 등으로 단백질이 독성 물질로 변할 가능성을 낮춘다.In the process, the saccharification rate and sugar yield are minimized by minimizing the amount of substances capable of inhibiting the activity of cellulose hydrolase, such as inorganic salts, which are contained in a large amount in the herbal biomass when enzymatic saccharification of the pretreatment. ) And at the same time, it is effective to reduce the process cost by reducing the impurity load in the purification process of sugar solution after enzyme saccharification. In addition, this process recovers and recycles useful substances such as starch, free sugars, proteins, lipids, pectins, tannins, alkaloids that can exhibit various physiological activities, organic acids, and inorganic salts contained in extractable substances in biomass, During the pre-treatment process, these substances become useless by reactions such as decomposition, condensation, and modification, or they reduce the likelihood of proteins becoming toxic by a Maillard reaction.

상기 공정은 바이오매스를 물에 침지한 다음 통상적으로 물질의 수용해도가 극대가 되는 온도의 물로 추출하여 추출성 성분을 회수 혹은 제거할 수 있다. 바람직하게는, 바이오매스를 물에 침지한 다음 1 내지 60분간 교반하고 고액분리를 통하여 수용액을 제거할 수 있다. 이 과정에서 바이오매스가 함유하고 있던 추출성 성분들이 대부분 제거될 수 있는데, 이 공정에는 향류 추출(counter-current extraction), 병류 추출(co-current extraction), 반-회분식 추출(semibatch type extraction) 및 회분식 추출(batch type extraction) 등의 다양한 추출 방식이 사용될 수 있다.In the above process, the biomass is immersed in water and then extracted or extracted with water at a temperature at which the water solubility of the substance is maximized. Preferably, the biomass is immersed in water, then stirred for 1 to 60 minutes and the aqueous solution can be removed through solid-liquid separation. In this process, most of the extractable components contained in the biomass can be removed, including counter-current extraction, co-current extraction, semi-batch type extraction, and the like. Various extraction methods such as batch type extraction can be used.

이 공정의 목적은 바이오매스로부터 최소한의 온수로 추출성 물질을 최대한 추출 제거하는 것이다. 회분식 추출의 경우, 바이오매스 분쇄물을 추출기에 넣고 온수를 가하여 추출한 후 고액분리하여 액상물을 제거하는데, 이때 추출성 물질의 제거효율은 대략 1:4의 중량비부터 시작하는 고액비(바이오매스와 물의 비율)가 증가함에 따라 높아진다. 예컨대, 바이오매스 1 kg을 물 20 L에 넣고 50 ℃로 가열한 후 고액분리를 수행하여 3 kg의 건더기와 18 L의 수용액을 얻은 경우 추출성 성분의 90%가 제거되고 나머지 10%만이 후속 전처리 공정에 들어간다. 그러나 바이오매스 분획의 측면에서 추출물을 이용하고자 할 때 탈수비용과 수처리 비용을 고려하여 고액비는 1:20을 넘지 않는 것이 바람직하다.The purpose of this process is to extract and remove as much of the extractable material as possible with minimal hot water from the biomass. In the case of batch extraction, the biomass pulverized material is placed in an extractor, hot water is added for extraction, and solid-liquid separation is performed to remove the liquid material. At this time, the removal efficiency of the extractable material starts at a weight ratio of approximately 1: 4 (biomass and As the proportion of water increases). For example, when 1 kg of biomass is added to 20 L of water and heated to 50 ° C., solid-liquid separation is performed to obtain 3 kg of dry matter and 18 L of aqueous solution, 90% of the extractable components are removed, and only the remaining 10% is pretreated. Enter the fair. However, when using the extract in terms of the biomass fraction, it is preferable that the liquid-liquid ratio does not exceed 1:20 in consideration of dehydration cost and water treatment cost.

바이오매스의 온수추출에 의한 추출성 물질의 제거 효율은 추출시 온도와 고액분리 시 온도가 높아질수록 증가한다. 또한 바이오매스의 입도가 고울수록 침지시간이 단축되지만, 분쇄시 에너지 비용과 향류 추출의 효율을 감안할 때 바이오매스의 전처리용 원료로 사용될 수 있는 크기, 예를 들면 평균입경 0.1 mm 내지 50 mm를 가지도록 먼저 파쇄 혹은 분쇄하는 것이 유리하다.The removal efficiency of extractables by hot water extraction of biomass increases with increasing temperature during extraction and solid-liquid separation. In addition, the higher the particle size of the biomass, the shorter the immersion time, but considering the energy cost and the efficiency of countercurrent extraction during grinding, it has a size that can be used as a raw material for pretreatment of the biomass, for example, has an average particle size of 0.1 mm to 50 mm. It is advantageous to crush or crush first.

추출성 물질 추출 후의 고형분의 함수율은 사용하는 방식과 적용기기에 따라 달라지지만 50% 내지 90% 정도가 바람직하다. 필요한 경우 추출 공정 후의 고액분리에 최대한 탈수된 고형분을 얻기 위해서 연속원심분리기(continuous centrifugal separator), 필터프레스(filter press), 드럼 필터(drum filter) 혹은 스크류 프레스(screw press) 등도 사용될 수 있다.The water content of the solid content after extraction of the extractable material varies depending on the method used and the application equipment, but is preferably 50% to 90%. If necessary, a continuous centrifugal separator, a filter press, a drum filter, or a screw press may be used to obtain the dehydrated solid content as much as possible after the extraction process.

본 발명의 방법에서, 바이오매스의 열수 전처리 단계는 미생물 저해물질의 생성을 최소화하는 동시에 당수율을 극대화하기 위한 것으로서, 열수전처리 결과 얻어진 전처리물 모두를 효소당화하였을 때 자일로오스와 자일란 등 헤미셀룰로오스 당 수율이 최대가 되는 조건에서 물을 가하여 수행하는 열수 전처리이다.In the method of the present invention, the hydromass pretreatment step of biomass is to maximize the sugar yield while minimizing the generation of microbial inhibitors. It is a hot water pre-treatment performed by adding water under the condition that the yield is maximized.

상기 공정은 함수시켜 얻어진 고형분에 물을 가하고 170 내지 210℃에서 1분 내지 30분간 전처리함으로써 달성될 수 있다. 상기 열수 전처리는 회분식(batch type)이나 연속식 전처리(continuous pretreatment)에 의해 수행될 수 있다. 열수 전처리에서 원료에 대한 수분 첨가량, 즉 고액비는 바이오매스의 가수분해 반응을 수행하기에 적당한 양 이상이면 크게 한정되지는 않지만, 본 발명에서는 전처리 후 반응물을 별도로 세척하지 않으므로 전처리 효율과 전처리 중에 생성된 미생물 생육저해 물질의 후속 공정으로의 이월을 고려할 때 원료 대 수분의 비율이 1:3 내지 1:15의 중량비인 것이 바람직하다. 예를 들어, 범용적 발효당 제조를 위하여 초본계 바이오매스를 회분식 열수 전처리하는 경우, 해바라기 줄기 분말을 함수시켜 회수한 고형분에 물혹은 물과 점토광물을 가하여 고형분 비율을 8%로 맞춘 다음 이를 고압반응기에 넣고 190℃에서 5분간 반응시킬 수 있다(대한민국 공개공보 제2012-73087호 및 국제공개공보 제WO/2012/087068호 참조). 이 온도에서 헤미셀룰로오스의 가수분해에 의해 생성되는 자일로오스와 자일란의 수율은 최대가 되는 반면, 과분해되기 쉬운 퍼퓨랄과 셀룰로오스의 과분해로 인해 생성되는 HMF의 양은 최소가 된다. 한편, 전처리 후 효소당화에서 생성될 수 있는 포도당의 수율은 더 격렬한 조건에서 전처리한 경우보다 낮으므로 당수율을 증대하기 위해 효소당화시 점토광물(대한민국 공개공보 제2012-73087호 및 국제공개공보 제WO/2012/087068호) 혹은 폴리에틸렌글리콜(미국특허 제7,972,826호)등을 사용하는 기술을 사용할 수 있다.The above process can be achieved by adding water to the solid content obtained by hydration and pretreatment at 170 to 210 ° C for 1 to 30 minutes. The hot water pretreatment may be performed by a batch type or continuous pretreatment. The amount of water added to the raw material in the hot water pre-treatment, that is, the solid-liquid ratio is not particularly limited as long as it is an amount suitable for carrying out the hydrolysis reaction of the biomass, but in the present invention, the reactants are not washed separately after the pre-treatment, thus producing during the pre-treatment efficiency and pre-treatment. It is preferable that the ratio of raw materials to moisture is a weight ratio of 1: 3 to 1:15 in consideration of carry-over of the microbial growth inhibitory substances to a subsequent process. For example, in the case of batch-type hot water pretreatment of herbal biomass for general purpose fermentation sugar production, water or water and clay minerals are added to the solids recovered by moistening the sunflower stem powder, the solids ratio is adjusted to 8%, and then this is high pressure. It can be placed in a reactor and reacted at 190 ° C. for 5 minutes (refer to Republic of Korea Publication No. 2012-73087 and International Publication No. WO / 2012/087068). At this temperature, the yield of xylose and xylan produced by hydrolysis of hemicellulose is maximized, while the amount of HMF produced by overlysis of perfural and cellulose that is easily decomposed is minimal. On the other hand, since the yield of glucose that can be produced in enzymatic saccharification after pretreatment is lower than that in pre-treatment under more intense conditions, clay minerals during enzymatic saccharification (Republic of Korea Publication No. 2012-73087 and International Publication No. WO / 2012/087068) or polyethylene glycol (US Patent No. 7,972,826) can be used.

본 발명의 방법에서, 고액분리 단계는 얻어진 열수 전처리물로부터 고액분리에 의해 소량의 액상물을 포함하는 고형분을 얻는 단계이다. 상기 고액분리 과정은 당업계에 통상적으로 사용되는 모든 고액분리 공정에 따라 수행될 수 있으며, 그 예로서 원심분리, 흡인 여과 및 가압여과 등을 들 수 있다. 상기 고액분리로 얻은 전처리 고형분은 건물중의 약 2 내지 4배의 전처리 액상물을 함유할 수 있는데, 본 발명의 발효당 제조 방법에서는 많은 연구논문에서처럼 온수로 전처리 고형분을 세척하지 않고 그대로 후속 셀룰라아제 복합효소에 의한 당화공정에 투입된다. 고액분리 후의 고형분에 함유되어 있는 전처리 액상물은 전처리 직후 전처리물에 포함되어 있는 액상물의 5% 내지 30%를 함유하도록 조절되는 것이 바람직하다. 상기 액상물은 셀룰로오스 가수분해효소의 최적 작용온도인 50℃ 내외에서 젖산균 등 공기 중으로부터 흔히 오염될 수 있는 미생물의 생장을 억제하기에 적당한 양의 미생물 생육억제 물질을 함유하고 있어서 별도의 멸균처리 없이 전처리물을 72시간 이상 효소당화할 수 있는 장점을 가지고 있다. In the method of the present invention, the solid-liquid separation step is a step of obtaining a solid content containing a small amount of liquid material by solid-liquid separation from the obtained hot water pretreatment. The solid-liquid separation process may be performed according to all solid-liquid separation processes commonly used in the art, and examples thereof include centrifugation, suction filtration, and pressure filtration. The pre-processed solids obtained by the solid-liquid separation may contain about 2 to 4 times the pre-processed liquid in the building. In the fermentation sugar production method of the present invention, as in many research papers, the pre-processed solids are not washed with hot water, but the subsequent cellulase complex remains Enzyme is added to the saccharification process. It is preferable that the pre-treatment liquid contained in the solid content after solid-liquid separation is adjusted to contain 5% to 30% of the liquid contained in the pre-treatment immediately after pre-treatment. The liquid material contains an appropriate amount of microbial growth inhibitory material to suppress the growth of microorganisms that can be frequently contaminated from the air, such as lactic acid bacteria, at and around 50 ° C, the optimal working temperature of cellulose hydrolase, without any sterilization. It has the advantage of enzymatic saccharification for more than 72 hours.

상기 고액분리에 의해 회수된 전처리 액상물은 헤미셀룰로오스의 가수분해로 생성된 소량의 자일로오스, 다량의 자일로올리고당, 아세트산, 미량의 퍼퓨랄 및 수용성 리그닌 분해산물을 함유하면서, 전술한 본 발명의 단계 1에 의해 불순물이 대부분 제거되어 자일리톨 혹은 식이섬유 등으로의 재가공을 위한 우수한 원료로 사용될 수 있다.The pre-treated liquid material recovered by the solid-liquid separation contains a small amount of xylose, a large amount of xylo-oligosaccharides, acetic acid, traces of perfural, and water-soluble lignin decomposition products produced by hydrolysis of hemicellulose, and Most of the impurities are removed by step 1 and can be used as an excellent raw material for reprocessing with xylitol or dietary fiber.

본 발명의 방법에서, 당 용액 회수 단계는 얻어진 당화물로부터 고액분리와 추출의 반복 과정을 통해 당 용액을 회수하는 단계이다. 상기 회수 단계에는 연속식 원심분리, 필터프레스(filter press), 회분식 원심분리 등의 방법이 사용될 수 있다. 회분식 회수과정을 예로 들면, 당화물을 원심분리하여 상징액을 회수하고, 당화잔사는 동일 부피의 물에 희석한 다음 원심분리하여 당용액을 회수하기를 3 내지 5회 반복함으로써 효소당화로 생성된 당을 99% 이상 회수할 수 있다.In the method of the present invention, the step of recovering the sugar solution is a step of recovering the sugar solution from the obtained saccharide by repeating solid-liquid separation and extraction. In the recovery step, methods such as continuous centrifugation, filter press, and batch centrifugation may be used. For example, in the batch recovery process, the sugar produced by enzymatic saccharification is repeated 3 to 5 times to recover the supernatant by centrifuging the saccharide and diluting the saccharified residue in water of the same volume and centrifuging to recover the sugar solution. Can recover more than 99%.

본 발명의 방법에서, 농축 단계는 얻어진 당 용액을 여과, 농축, 및 불순물을 제거하는 단계이다. 당 용액 회수에 의해 얻어진 당 용액의 최종 당 농도는 당의 회수과정에서 희석되어 초기 농도의 50% 내외까지 낮아져서 약 60 g/L 내지 150 g/L가 되는데, 이렇게 낮은 농도의 당 용액은 막분리 기술을 이용한 농축공정을 통하여 30% 이상의 당 농도까지 높아질 수 있다. 상기 농축 공정은 당해 기술분야에 널리 알려진 역삼투 여과(reverse osmosis), 나노여과(nanofiltration) 등을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 당용액 중에 함유되어 있는 효소를 재사용하기 위하여 한외여과(ultrafiltration)를 이용하여 회수하거나, 가열하여 변성시켜 침전물을 만든 후 고액분리 기술을 이용하여 제거할 수도 있다.In the method of the present invention, the concentration step is a step of filtering, concentrating, and removing impurities from the obtained sugar solution. The final sugar concentration of the sugar solution obtained by the recovery of the sugar solution is diluted in the process of sugar recovery and lowered to about 50% of the initial concentration, resulting in about 60 g / L to 150 g / L. Through the concentration process using can be increased to a sugar concentration of 30% or more. The concentration process may be performed using reverse osmosis, nanofiltration, etc., which are well known in the art. In addition, to reuse the enzyme contained in the sugar solution, it may be recovered using ultrafiltration, or heated to denature to make a precipitate and then removed using solid-liquid separation technology.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, examples will be described in detail to specifically describe the present invention.

실시예Example

제조예Manufacturing example . 팜 . Palm 공과방Classroom 효소당화Enzymatic saccharification 기질의 조제 Preparation of temperament

건조된 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm) 파쇄물(10 mm 이하) 10 kg에 물을 가하여 함수율 65%의 열수전처리용 바이오매스를 조제하였다. 이 바이오매스를 연속고압반응기(SuPR2G, Advancebio 제품, 미국)에 주입하고 200 ℃에서 10분간 열수전처리하였다. 열수전처리물에 물을 가하여 100 kg의 곤죽을 조제한 다음 필터프레스(태영필트레이션 제품, 한국)로 고액분리하였다. 케익 상태로 얻은 고형분을 커팅밀로 부수고, 여기에 수산화칼슘 현탁액을 가하고 혼합하여 고형분 함량이 24.4 중량%이고, 동결건조하였을 때 셀룰로오스를 포도당으로 환산한 비율이 57.8 g 함유하는 당화용 기질을 제조하였다.Water was added to 10 kg of dried fruit bunch of oil palm (10 mm or less) to prepare biomass for hydrothermal treatment with a water content of 65%. This biomass was injected into a continuous high pressure reactor (SuPR2G, Advancebio product, USA) and subjected to a thermo-hydrotreating at 200 ° C for 10 minutes. Water was added to the preheated water treatment to prepare 100 kg of goonjuk, followed by solid-liquid separation with a filter press (Taeyoung Filtration, Korea). The solid obtained in the cake state was crushed with a cutting mill, and a calcium hydroxide suspension was added thereto and mixed to prepare a substrate for saccharification containing a solid content of 24.4% by weight and a ratio of 57.8 g of cellulose to glucose when lyophilized.

시험예Test example 1. 팜  1. Palm 광과방의Broad-spectrum 효소당화Enzymatic saccharification

제조예 1의 효소당화용 기질을 260 g씩 취하여 3개의 발효기(CNS, 한국)의 발효조로 옮긴 후 비이온수를 가하여 총량을 2 L가 되게 하였다. 이후, 셀룰로오스 가수분해 효소로서 Cellic CTec2 4.5 mL 및 Cellic HTec2 0.5 mL을 가한 후, 발효조를 50±0.5 ℃ 및 pH 5.5±0.1로 유지하면서 200 rpm으로 교반하였다. 효소당화 후 72 시간 동안 일정한 시간 간격으로 1 mL의 시료를 채취하여 Agilent Hi-Plex H 컬럼과 굴절률계 (Refractivity index detector)가 장착된 Agilent HPLC (1260 series)로 분석하여 포도당과 기타 당의 농도를 산출하였다. 260 g of the enzyme saccharification substrate of Preparation Example 1 was taken and transferred to a fermenter of three fermenters (CNS, Korea), and then nonionic water was added to make the total amount of 2 L. Thereafter, 4.5 mL of Cellic CTec2 and 0.5 mL of Cellic HTec2 were added as cellulose hydrolase, and the fermenter was stirred at 200 rpm while maintaining at 50 ± 0.5 ° C. and pH 5.5 ± 0.1. After enzymatic saccharification, samples of 1 mL are taken at regular time intervals for 72 hours and analyzed by Agilent HPLC (1260 series) equipped with an Agilent Hi-Plex H column and a refractivity index detector to calculate the concentration of glucose and other sugars. Did.

두 개의 당화반응기에서 당화 개시 72시간 후에 약 23 g/L의 포도당이 생성되었는데, 한 개의 당화반응기에서 약 18 g/L의 포도당만이 생성되었으며(도 1), 미생물 대사산물인 젖산도 함께 검출되었다(도 2). 이 당화물을 MRS 고체배지 (Bacto peptone 10 g/L, beef extract 10 g/L, yeast extract 5 g/L, K2HPO4 2 g/L, MgSO47H2O 0.2 g/L, MnCl4 H2O 0.05 g/L, Glucose 20 g/L, agar 15 g/L)에 도말해 37 ℃에서 배양함으로써 미생물의 존재 여부를 확인하였다. 그 결과, 미생물이 존재하는 것을 확인하였고, 16s rDNA를 분석하여 동정한 결과, 호열성 균주인 바실러스 코아귤런스 (Bacillus coagulans)임을 밝혀냈다(도 3). 이 바실러스 코아귤런스의 최적생장온도는 50~55 ℃로서 당화효소의 최적온도와 거의 일치하였다. 이로써 팜 공과방 당화기질의 효소당화에서 포도당 생성농도가 감소한 만큼 오염된 바실러스 코아귤런스의 대사작용에 의해 포도당이 젖산으로 변환되었다는 것을 확인할 수 있었다. About 23 g / L of glucose was generated 72 hours after the initiation of saccharification in two saccharification reactors, and only about 18 g / L of glucose was produced in one saccharification reactor (Fig. 1), and lactic acid, a microbial metabolite, was also detected. Became (Fig. 2). MRS solid medium (Bacto peptone 10 g / L, beef extract 10 g / L, yeast extract 5 g / L, K 2 HPO 4 2 g / L, MgSO 4 7H 2 O 0.2 g / L, MnCl 4 H 2 O 0.05 g / L, Glucose 20 g / L, agar 15 g / L) were plated and cultured at 37 ° C. to confirm the presence of microorganisms. As a result, it was confirmed that microorganisms were present, and as a result of analysis and identification of 16s rDNA, it was found that the thermophilic strain was Bacillus coagulans (FIG. 3). The optimum growth temperature of this Bacillus coagulant was 50 ~ 55 ℃, which was almost identical to the optimum temperature of the glycosylase. As a result, it was confirmed that glucose was converted into lactic acid by metabolism of contaminated Bacillus coagulance, as the concentration of glucose production was decreased in enzymatic saccharification of palm co-fermentation glycosylation substrate.

시험예Test example 2. 인위적으로  2. Artificially 바실러스Bacillus 코아귤런스로Core regulation 오염시킨  Contaminated 당화계에Saccharification 대한 아황산염의 살균 효과 Antiseptic effect of sulfite on

바이오매스의 효소당화 과정에서 바실러스 코아귤런스가 오염되었을 때 오염균을 사멸시키는 용도로 메타중아황산나트륨 (sodium metabisulfite), NaHSO3, Na2SO3, Na2S2O4, 메타중아황산칼륨 (potassium metabisulfite) 등 5종의 아황산염이 사용될 수 있는지 실험을 통해 확인하였다. 바실러스 코아귤런스를 600ml MRS배지가 포함된 1 L 플라스크 4 개에 55 ℃, 250 rpm으로 배양하다가 OD600이 3.0(약 1 × 106 CFU/ml)에 도달하였을 때, 멸균한 24 개의 250 ml 플라스크에 세포배양액을 100 ml씩 분주한 다음, 각각 10 g/L로 제조된 5 종의 아황산염 용액을 25 mg/L 내지 100 mg/L 농도로 각 플라스크에 첨가하였다. 배양기 내에서 배양하면서 배양 시간 동안 균주의 생장량을 측정하였다. Sodium metabisulfite, NaHSO 3 , Na 2 SO 3 , Na 2 S 2 O 4 , potassium metabisulfite () Potassium metabisulfite) and five other sulfites can be used through experiments. Bacillus coagulants were cultured at 4 ° C and 250 rpm in 4 1 L flasks containing 600 ml MRS medium, and when OD 600 reached 3.0 (about 1 × 106 CFU / ml), 24 sterilized 250 ml flasks Then, 100 ml of the cell culture solution was dispensed, and 5 sulfite solutions prepared at 10 g / L each were added to each flask at a concentration of 25 mg / L to 100 mg / L. While culturing in the incubator, the growth amount of the strain was measured during the culture time.

아황산염을 100 mg/L 의 농도로 첨가하였을 때 바실러스 코아귤런스를 완전히 사멸시킬 수 있었으며, 50 mg/L 의 농도로 첨가하였을 때는 아황산염의 종류에 따라 사멸능력이 달랐는데, 이 중 메타중아황산나트륨 (sodium metabisulfite)이 가장 사멸능력이 좋았다. 이 실험으로써 5종의 아황산염은 모두 바실러스 코아귤런스에 대한 사멸능력이 있다는 것을 확인하였다.When sulfite was added at a concentration of 100 mg / L, Bacillus coagulance could be completely killed, and when added at a concentration of 50 mg / L, the killing ability was different depending on the type of sulfite, among which sodium metabisulfite ( sodium metabisulfite) had the best killing ability. As a result of this experiment, it was confirmed that all five sulfites have the ability to kill Bacillus coagulance.

실시예Example 1.  One. 바실러스Bacillus 코아귤런스를Core regulation 오염시킨  Contaminated 당화계에Saccharification 대한 아황산염의 멸균 효과  Sterilization effect of sulfite on

두 개의 발효기를 사용하여 시험예 1과 같이 공과방 전처리 고형분을 기질로 하여 효소당화할 때 먼저 1 × 106 CFU/ml의 바실러스 코아귤런스를 오염시키고 30시간 동안 배양하였다. 바실러스 코아귤런스의 생장에 의해 당화물에서 0.1 g/L의 젖산이 검출되었을 때 하나의 발효기에는 메타중아황산나트륨을 2,000 mg/L가 되도록 시약으로 첨가하였다. 이후 당화를 계속하면서 당화 도중에 1 ml씩 시료를 채취하여 포도당 및 젖산의 생성농도를 측정하였다. 그 결과 효소당화 72시간 후, 메타중아황산나트륨을 첨가하지 않은 당화물의 경우 약 15 g/L의 포도당과 2.5 g/L의 젖산이 생성되었다. 그러나 메타중아황산나트륨을 첨가한 당화물의 경우 포도당이 약 20.5 g/L로 증가하여 미생물이 오염되지 않은 시험구의 포도당 농도에 비해 약간 작았고, 젖산은 0.1 g/L로 더 이상 증가하지 않았다. 또한 메타중아황산나트륨을 첨가한 당화물에서는 바실러스 코아귤런스가 검출되지 않았다. When using two fermenters to enzymatically saccharify the pre-processed solids as a substrate as in Test Example 1, the Bacillus coagulant of 1 × 10 6 CFU / ml was first contaminated and cultured for 30 hours. When 0.1 g / L of lactic acid was detected in saccharide by growth of Bacillus coagulance, sodium metabisulfite was added as a reagent to 2,000 mg / L in one fermenter. Subsequently, while continuing saccharification, 1 ml of each sample was taken during saccharification to measure the concentration of glucose and lactic acid. As a result, after 72 hours of enzyme glycosylation, about 15 g / L of glucose and 2.5 g / L of lactic acid were generated in the case of a saccharide without sodium metabisulfite. However, in the case of the saccharide added with sodium metabisulfite, the glucose increased to about 20.5 g / L, which was slightly smaller than the glucose concentration of the microorganism-free test group, and the lactic acid did not increase further to 0.1 g / L. In addition, Bacillus coagulability was not detected in the saccharides to which sodium metabisulfite was added.

실시예Example 2.  2. 효소당화Enzymatic saccharification 전 아황산염을 첨가한  Pre-sulfite 당화계의Saccharified 효소당화Enzymatic saccharification

시험예 1과 같이 효소당화용 기질을 260 g씩 취하여 3개의 발효기(CNS, 한국)의 발효조로 옮긴 후 비이온수를 가하여 총량을 2 L가 되게 하였다. 발효조를 발효기에 장착하고 1 × 106 CFU/ml의 바실러스 코아귤런스 활성균주를 첨가하였다. 산도를 측정하면서 황산 수용액(1 N)을 가하여 pH를 3.5로 조정하였고, 발효기의 온도를 60 ℃로 올린 후 메타중아황산나트륨을 1,000 mg/L 농도가 되도록 첨가하였다. 분당 100회의 속도로 교반하여 10분간 유지하였다. 이후 과산화수소수(3 중량 %) 27 ml를 가하고 1시간 동안 교반하여 아황산염의 독성을 제거하였다. 발효기를 50±0.5 ℃ 및 pH 5.5±0.1로 조절한 후 셀룰로오스 가수분해 효소로서 Cellic CTec2 4.5 mL 및 Cellic HTec2 0.5 mL를 가하여 72시간 동안 당화하였다. 당화 중 24 시간 간격으로 당화물을 1ml씩 취하여 포도당 및 젖산의 생성농도를 측정하였다. 또한, 이 당화물을 MRS 고체배지 (Bacto peptone 10 g/L, beef extract 10 g/L, yeast extract 5 g/L, K2HPO4 2 g/L, MgSO47H2O 0.2 g/L, MnCl4 H2O 0.05 g/L, Glucose 20 g/L, agar 15 g/L)에 도말해 37 ℃에서 배양함으로써 미생물의 존재 여부를 확인하였다.As in Test Example 1, 260 g of enzyme saccharification substrates were taken at a time and transferred to a fermenter of three fermenters (CNS, Korea), followed by adding non-ionized water to make a total amount of 2 L. A fermenter was mounted on the fermenter and 1 × 10 6 CFU / ml of Bacillus coagulant active strain was added. While measuring the acidity, an aqueous solution of sulfuric acid (1 N) was added to adjust the pH to 3.5, and the temperature of the fermenter was raised to 60 ° C. and then sodium metabisulfite was added to a concentration of 1,000 mg / L. The mixture was stirred at a rate of 100 times per minute and held for 10 minutes. Then, 27 ml of hydrogen peroxide (3% by weight) was added and stirred for 1 hour to remove the toxicity of sulfite. After the fermenter was adjusted to 50 ± 0.5 ° C and pH 5.5 ± 0.1, 4.5 mL of Cellic CTec2 and 0.5 mL of Cellic HTec2 were added as cellulose hydrolase, and saccharification was performed for 72 hours. During the saccharification, 1 ml of saccharide was taken at 24 hour intervals, and the concentrations of glucose and lactic acid were measured. In addition, this saccharide is a MRS solid medium (Bacto peptone 10 g / L, beef extract 10 g / L, yeast extract 5 g / L, K2HPO4 2 g / L, MgSO 4 7H 2 O 0.2 g / L, MnCl 4 H 2 O 0.05 g / L, Glucose 20 g / L, agar 15 g / L) and cultured at 37 ° C. to confirm the presence of microorganisms.

그 결과 효소당화 72시간 후 포도당은 약 22 g/L 생성되었고, 젖산은 검출되지 않았다. 또한 미생물 배양 실험에서 콜로니가 전혀 관찰되지 않았다. 이로써 메타중아황산나트륨이 바이오매스의 효소당화에서 미생물의 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다.As a result, about 72 g / L of glucose was generated after 72 hours of enzymatic saccharification, and lactic acid was not detected. In addition, colonies were not observed at all in the microbial culture experiment. As a result, it was confirmed that sodium metabisulfite effectively inhibits the generation of microorganisms in enzymatic saccharification of biomass.

실시예Example 3.  3. 당화기질Saccharification 부하량이 높은  High-load 당화계에Saccharification 대한 아황산염의  For sulfite 코아귤런스Core regulation 오염 방지 효과  Pollution prevention effect

실시예 2와 유사하지만 효소당화용 기질을 3배량인 약 780 g(260 g × 3)씩 취하여 3개의 발효기(CNS, 한국)의 발효조로 옮긴 후 비이온수를 가하여 총량을 2 L가 되게 하였다. 발효조를 발효기에 장착하고 1 × 105 CFU/ml의 바실러스 코아귤런스 활성균주를 첨가하였다. 산도를 측정하면서 황산 수용액(1 N)을 가하여 pH 3.5로 조정하였고, 발효기의 온도를 60 ℃로 올린 후 메타중아황산나트륨을 2,000 mg/L 농도가 되도록 첨가하였다. 분당 100회의 속도로 교반하여 10분간 유지하였다. 이후 과산화수소수(3 중량 %) 54 ml를 가하고 1시간 동안 교반하여 아황산염의 독성을 제거하였다. 발효기를 50±0.5 ℃ 및 pH 5.5±0.1로 조절한 후 셀룰로오스 가수분해 효소로서 Cellic CTec2 13.5 mL 및 Cellic HTec2 1.5 mL를 가하여 72시간 동안 당화하였다. 당화 중 24 시간 간격으로 당화물을 1ml씩 취하여 포도당 및 젖산의 생성농도를 측정하였다. 또한, 이 당화물을 MRS 고체배지 (Bacto peptone 10 g/L, beef extract 10 g/L, yeast extract 5 g/L, K2HPO4 2 g/L, MgSO47H2O 0.2 g/L, MnCl4 H2O 0.05 g/L, Glucose 20 g/L, agar 15 g/L)에 도말해 37 ℃에서 배양함으로써 미생물의 존재 여부를 확인하였다.Similar to Example 2, but the enzyme saccharification substrate was taken at a concentration of about 780 g (260 g × 3), and transferred to a fermenter of three fermenters (CNS, Korea), followed by adding non-ionized water to make a total amount of 2 L. A fermenter was mounted on the fermenter and 1 × 10 5 CFU / ml of Bacillus coagulant active strain was added. While measuring the acidity, an aqueous solution of sulfuric acid (1 N) was added to adjust the pH to 3.5, and the temperature of the fermenter was raised to 60 ° C. and then sodium metabisulfite was added to a concentration of 2,000 mg / L. The mixture was stirred at a rate of 100 times per minute and held for 10 minutes. Thereafter, 54 ml of hydrogen peroxide (3% by weight) was added and stirred for 1 hour to remove the toxicity of sulfite. After the fermenter was adjusted to 50 ± 0.5 ° C and pH 5.5 ± 0.1, 13.5 mL of Cellic CTec2 and 1.5 mL of Cellic HTec2 were added as cellulose hydrolase and saccharification was performed for 72 hours. During the saccharification, 1 ml of saccharide was taken at 24 hour intervals, and the concentrations of glucose and lactic acid were measured. In addition, this saccharide is a MRS solid medium (Bacto peptone 10 g / L, beef extract 10 g / L, yeast extract 5 g / L, K 2 HPO 4 2 g / L, MgSO 4 7H 2 O 0.2 g / L, MnCl 4 H 2 O 0.05 g / L, Glucose 20 g / L, agar 15 g / L) was plated and cultured at 37 ° C. to confirm the presence of microorganisms.

그 결과 효소당화 72시간 후 포도당은 약 40 g/L 생성되었고, 젖산은 검출되지 않았다. 또한 미생물 배양 실험에서 콜로니가 전혀 관찰되지 않았다. 이로써 메타중아황산나트륨이 바이오매스의 효소당화에서 미생물의 발생을 효과적으로 억제한다는 것을 확인할 수 있었다.As a result, after 72 hours of enzyme glycosylation, glucose was produced at about 40 g / L, and lactic acid was not detected. In addition, colonies were not observed at all in the microbial culture experiment. As a result, it was confirmed that sodium metabisulfite effectively inhibits the generation of microorganisms in enzymatic saccharification of biomass.

Claims (12)

바이오매스를 아황산염으로 20 ℃ 내지 90 ℃에서 멸균하는 단계;
상기 반응물에 산화제를 가하여, 상기 아황산염을 무독화하는 단계; 및
상기 무독화 후에, 당화 효소를 가하여 바이오매스를 50±5℃에서 당화하는 단계;를 포함하고,
상기 멸균은 상기 바이오매스에 포함된 바실러스 코아귤런스(Bacillus coagulans)를 포함하는 미생물을 멸균하는 것인, 바이오매스의 당화 방법.
Sterilizing the biomass at 20 ° C to 90 ° C with sulfite;
Detoxifying the sulfite by adding an oxidizing agent to the reactant; And
After the detoxification, the step of saccharifying the biomass at 50 ± 5 ℃ by adding a saccharifying enzyme; includes,
The sterilization is to sterilize microorganisms containing Bacillus coagulans contained in the biomass, a method for saccharifying biomass.
청구항 1에 있어서, 상기 바이오매스는 산성 조건인, 바이오매스의 당화 방법.
The method of claim 1, wherein the biomass is an acidic condition.
청구항 2에 있어서, 상기 산성 조건은 pH 5 이하인, 바이오매스의 당화 방법.
The method of claim 2, wherein the acidic condition is pH 5 or less.
청구항 1에 있어서, 상기 바이오매스에 산을 가하여, pH를 5 이하로 조절하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스의 당화 방법.
The method for saccharifying biomass according to claim 1, further comprising adjusting the pH to 5 or less by adding an acid to the biomass.
청구항 1에 있어서, 상기 멸균은 30 내지 60 ℃에서 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.
The method according to claim 1, wherein the sterilization is performed at 30 to 60 ℃, the method of saccharification of biomass.
청구항 1에 있어서, 상기 아황산염은 아황산나트륨, 메타중아황산나트륨, 티오황산나트륨, 아황산칼륨, 메타중아황산칼륨, 티오황산칼륨, 아황산칼슘, 메타중아황산칼슘 및 티오황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 것인, 바이오매스의 당화 방법.
The method according to claim 1, The sulfite is selected from the group consisting of sodium sulfite, sodium metabisulfite, sodium thiosulfate, potassium sulfite, potassium metabisulfite, potassium thiosulfate, calcium sulfite, calcium metabisulfite and calcium thiosulfate. The method of mass saccharification.
청구항 1에 있어서, 상기 멸균은 1시간 이내로 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.
The method of claim 1, wherein the sterilization is performed within 1 hour.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 산화제는 산소, 과산화수소수 또는 오존인, 바이오매스의 당화 방법.
The method of claim 1, wherein the oxidizing agent is oxygen, hydrogen peroxide or ozone.
청구항 1에 있어서, 상기 산화제를 아황산염의 0.2배 내지 2배 당량 가하는, 바이오매스의 당화 방법.
The method for saccharifying biomass according to claim 1, wherein the oxidizing agent is added in an amount of 0.2 to 2 times equivalent of sulfite.
청구항 1에 있어서, 상기 무독화는 20 내지 90 ℃에서 수행되는, 바이오매스의 당화 방법.
The method according to claim 1, The detoxification is carried out at 20 to 90 ℃, the method of saccharification of biomass.
삭제delete
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014090707A (en) * 2012-11-06 2014-05-19 Oji Holdings Corp Method for enzymatic saccharification of biomass containing lignocellulose and method of producing ethanol with biomass containing lignocellulose
KR101409213B1 (en) * 2012-12-20 2014-06-19 대상 주식회사 Method for decreasing sulfurous acid included in by-products of corn wet-milling
WO2016144881A1 (en) * 2015-03-06 2016-09-15 Api Intellectual Property Holdings, Llc Methods for reducing contamination during enzymatic hydrolysis of biomass-derived cellulose

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102136842B1 (en) 2014-02-07 2020-07-24 한국과학기술원 Methods for Pretreating Lignocellulosic Biomass

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014090707A (en) * 2012-11-06 2014-05-19 Oji Holdings Corp Method for enzymatic saccharification of biomass containing lignocellulose and method of producing ethanol with biomass containing lignocellulose
KR101409213B1 (en) * 2012-12-20 2014-06-19 대상 주식회사 Method for decreasing sulfurous acid included in by-products of corn wet-milling
WO2016144881A1 (en) * 2015-03-06 2016-09-15 Api Intellectual Property Holdings, Llc Methods for reducing contamination during enzymatic hydrolysis of biomass-derived cellulose

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Applied and Environmental Microbiology, Vol. 63, No. 1, Pages 1-6(공개일: 1997. 1.)*

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