KR102131849B1 - 고지질 함유 효모를 이용한 갈조류로부터의 바이오 연료 및 알긴산 동시 생산 방법 - Google Patents

고지질 함유 효모를 이용한 갈조류로부터의 바이오 연료 및 알긴산 동시 생산 방법 Download PDF

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Abstract

갈조류를 기질로 하여 효모 기반 바이오 연료와 알긴산을 동시에 생산하는 방법에 관한 것으로,
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료와 알긴산 동시 생산방법은 저가이면서도 효모 배양에 필요한 영양분을 함유하고 있는 갈조류를 기질로 선택함으로 인해 가격 경쟁력이 우수하고 친환경적이다. 또한, 바이오 연료와 알긴산을 동시에 생산하여, 산업경쟁력을 높일 수 있으므로, 효모 기반 바이오 연료 생산이 성공적으로 이루어지는데 큰 기여를 할 수 있다.

Description

고지질 함유 효모를 이용한 갈조류로부터의 바이오 연료 및 알긴산 동시 생산 방법{Co-production of biofuel and alginate from brown algae by using oleaginous yeast}
본 발명은 갈조류를 기질로 하여 성장하는 고지질 함유 효모로부터 바이오 연료를 생산하고, 이와 동시에 갈조류 잔사에서 산업적으로 유용한 물질인 알긴산을 추출하는 방법에 관한 것이다.
화석연료의 무분별한 사용으로 인한 지구온난화 문제로 우리나라를 비롯한 전 세계 국가들이 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 정치·경제적으로 노력하고 있다. 그러나 급격한 세계 인구 및 에너지 소비량 증가로 인해 무작정 화석연료의 사용량을 줄일 수도 없는 실정이므로, 세계 각국은 이를 해결할 수 있는 여러 가지 대체 에너지에 관심을 기울이고 있다.
여러 대체 에너지 중, 바이오디젤은 현재의 액체 화석 연료를 대체할 수 있는 대안으로 급부상 중이나, 기존의 바이오디젤 생산에는 식량으로도 쓰이는 식물성 원료들(옥수수, 팜, 유채 등)이 주로 사용되고 있어 윤리적이지 못하다는 평가를 받고 있다. 또한 이러한 식물들을 연료용으로 다량 재배함에 따라 여러 부가적인 문제들(농약의 사용으로 인한 환경적 문제, 광대한 농경지 및 관개용수 필요)이 발생하게 된다.
이에 대한 대안으로 차세대 바이오디젤인 미생물에 기반을 둔 바이오디젤이 각광받고 있는데, 이는 미생물 내 지질을 추출하여 연료로 활용하는 방식이다.
미생물을 이용한 바이오디젤 생산은 크게 미세조류와 효모에 의한 두 가지 방법으로 나뉘게 되는데, 미세조류 기반 바이오디젤은 광합성을 통한 이산화탄소 고정 효과로 조금 더 친환경적이다 평가받고 있으나(특허문헌 1, 한국 특허출원 제10-2012-0068993호), 그 생산성이 너무 낮아 현재의 기술로는 상업화하기 어려운 실정이다. 반면, 효모 기반 바이오디젤은 수백 년간 이어온 발효공학을 바탕으로 하여 높은 생산성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이러한 효모 기반 바이오디젤 생산에도 문제점은 있는데, 그것은 효모 배양에 필요한 기질의 공급 문제이다. 종속영양생물인 효모의 배양을 위해서는 유기탄소원의 공급이 필수적인데, 이에 순수한 포도당을 쓰기에는 경제성이 맞지 않아 적절한 저가의 기질을 찾는 것이 요구된다.
그러나 기존의 저가 기질원으로 제시된 원료의 경우, 단단한 구조의 다당체로부터 효모가 활용 가능한 일탄당을 획득하기 위해서는 산이나 염기와 같은 화학물질의 첨가와 더불어 고온 고압의 전처리가 필수적인 제한점이 있다.
또한, 전체 공정의 경제성을 증진시키기 위해서는 바이오연료 생산과 접목하여 추가적으로 산업적으로 유용한 물질을 생산하는 것이 요구된다. 바이오디젤 자체만으로는 산업경쟁성이 낮기 때문에 이를 극복하기 위해, 화학제품을 동시에 생산하는 것이 필수적으로 수반되어야 한다.
결과적으로, 고지질 효모 기반 바이오디젤 생산이 성공적으로 이뤄지기 위해서는 (1) 저가의 기질 탐색 및 (2) 바이오디젤과 더불어 생산 가능한 화학물질의 탐색이 요구되는 바이다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은,
효모 기반 바이오디젤 생산에서 문제가 되어온 고비용의 기질을 저가의 기질인 갈조류로 대체하여 경제성을 갖추고, 동시에 다양한 산업에서 유용한 알긴산을 추출하여 산업경쟁성을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 바이오 연료와 알긴산의 동시 생산방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 측면은 갈조류(brown algae)를 전처리하여 액상과 고상으로 분리하는 단계; 상기 분리한 액상에 효모를 배양하는 단계; 상기 배양한 효모에서 지질을 추출하는 단계; 상기 추출한 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계; 및 상기 고체상으로부터 알긴산을 회수하는 단계; 를 포함하는, 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법은 다시마 표면에 존재하는 수용성의 만니톨을 주 탄소원으로 활용함으로써, 추가적인 화학 물질의 도움 없이 간단한 멸균 조건만으로도 효과적인 전처리를 할 수 있어, 경제적이며 친환경적이다. 뿐만 아니라, 저가의 기질로부터 바이오 연료와 더불어 고부가가치 산물인 알긴산을 동시에 생산할 수 있다는 점에서 전체 공정의 산업경쟁성이 우수하다.
도면 1은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법의 전체 공정도를 나타내는 도면이다.
도면 2는 다시마 전처리 액을 고지질 함유 효모인 Cryptococcus curvatus의 배양 배지로 활용하였을 때의 성장곡선과 이때, Cryptococcus sp.가 함유한 최종 바이오 디젤로 활용할 수 있는 형태의 지방산을 의미하는 FAME(fatty acid methyl ester)의 함량을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
한편, 본 발명의 실시 형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 효모 기반 바이오디젤 생산은 오랜 발효공학을 바탕으로 높은 생산성을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 종속영양생물인 효모를 배양하기 위해서는 유기탄소원의 공급이 필수적인데, 이에 순수한 포도당을 쓰기에는 경제성이 맞지 않은 단점 또한 존재한다. 이를 위해 다양한 저가 기질이 탐색되어 왔으나, 기존의 저가 기질을 효모가 활용가능한 단당류로 전처리하기 위해서는 산이나 염기 용액을 첨가하거나 고온 고압의 조건을 적용해야 한다는 문제점이 있어 적절한 저가의 기질을 찾는 것이 요구되고 있다.
또한, 각광받는 대체 에너지인 바이오 연료의 생산도 그 자체의 생산만으로는 산업경쟁성이 낮기 때문에, 추가적으로 산업적으로 유용한 물질을 생산하는 것이 요구된다. 현재 미세조류 및 효모 기반 바이오 연료 생산 시스템은 주로 바이오 리파이너리(bio-refinery) 공정을 채택하고 있는데, 이는 바이오매스를 원료로 하여 바이오 연료와 화학 제품을 동시에 생산하는 기술을 일컫는다. 바이오디젤 자체만으로는 산업경쟁성이 낮기 때문에 이를 극복하기 위해, 화학제품을 동시에 생산하는 것이 필수적으로 수반되어야 한다.
본 발명의 일 측면은 상기 효모 기반 바이오 연료 생산에 있어서 기질 선택의 문제점을 해결하기 위하여, 저가의 기질로서 갈조류를 선택하였다. 갈조류 표면에 존재하는 수용성 만니톨을 주 탄소원으로 활용하기 때문에 추가적인 화학물질의 도움 없이 간단한 멸균 조건만으로도 효과적인 전처리를 할 수 있다.
갈조류의 일종으로서 다시마(Laminaria japonica)를 기질로 실시해 본 결과 멸균 전처리만으로도 효모 배양에 필수적인 탄소, 질소, 인을 비롯한 각종 미네랄을 확보할 수 있었고, 전처리액을 사용하여 고지질 함유 효모를 배양한 후 그로부터 지질을 추출하여 바이오디젤인 FAME으로 전환하여 생산성을 평가해 본 결과, 다시마 멸균 전처리 액을 이용하여 성공적으로 바이오 연료를 생산할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로, 본 발명은 저가의 갈조류를 바이오 연료 생산의 기질로 선택하고, 바이오 연료와 동시에 산업상 유용한 알긴산을 생산하는 방법을 제공하여 경제성이 뛰어난 전체 공정을 설계하는데 크게 기여할 수 있다.
본 발명의 일 측면은,
갈조류(brown algae)를 전처리하여 액상과 고상으로 분리하는 단계;
상기 분리한 액상에 효모를 배양하는 단계;
상기 배양한 효모에서 지질을 추출하는 단계;
상기 추출한 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계; 및
상기 고체상으로부터 알긴산을 회수하는 단계; 를 포함하는,
바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법에 있어서, 단계 1은 갈조류(brown algae)를 전처리하여 액상과 고상으로 분리하는 단계이다.
이때, 상기 갈조류는 다시마, 미역, 녹미채, 대황, 넓패, 채찍말, 뜸부기, 부채말, 톳 및 모자반등의 단독, 또는 2 이상의 조합일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 구체예로 상기 갈조류는 다시마(Laminaria japonica)일 수 있다.
상기 전처리는 갈조류를 용매에 침지하고, 80 내지 160℃에서 10 내지 120분 동안 멸균한 후, 원심분리하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 측면에서의 상기 멸균 온도는 90 내지 160℃ 범위일 수 있고, 100 내지 160℃ 범위일 수 있고, 110 내지 160℃ 범위일 수 있고, 120 내지 160℃ 범위일 수 있고, 80 내지 150℃ 범위일 수 있고, 80 내지 140℃ 범위일 수 있고, 80 내지 130℃ 범위일 수 있고, 80 내지 120℃ 범위일 수 있고, 90 내지 150℃ 범위일 수 있고, 100 내지 140℃ 범위일 수 있고, 110 내지 130℃ 범위일 수 있고, 115 내지 125℃ 범위일 수 있다. 다른 측면에서의 상기 멸균 시간은 15 내지 120분일 수 있고, 20 내지 120분일 수 있고, 10 내지 100분일 수 있고, 10 내지 80분일 수 있고, 10 내지 60분일 수 있고, 10 내지 40분일 수 있고, 10 내지 20분일 수 있고, 15 내지 25분일 수 있다.
상기 원심분리는 1500 내지 4500 rpm에서 1 내지 20분 동안 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 측면에서의 상기 원심분리 rpm 범위는 1700 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 1900 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 2100 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 2300 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 2500 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 2700 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 2900 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 3000 내지 4500 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 4300 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 4100 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3900 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3700 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3500 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3300 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3100 rpm 범위일 수 있고, 1500 내지 3000 rpm 범위일 수 있고, 1700 내지 4300 rpm 범위일 수 있고, 1900 내지 4100 rpm 범위일 수 있고, 2100 내지 3900 rpm 범위일 수 있고, 2300 내지 3700 rpm 범위일 수 있고, 2500 내지 3500 rpm 범위일 수 있고, 2700 내지 3300 rpm 범위일 수 있고, 2900 내지 3100 rpm 범위일 수 있다. 다른 측면에서의 상기 원심분리 시간 범위는 2 내지 20분 범위일 수 있고, 3 내지 20분 범위일 수 있고, 4 내지 20분 범위일 수 있고, 5 내지 20분 범위일 수 있고, 1 내지 15분 범위일 수 있고, 1 내지 10분 범위일 수 있고, 1 내지 5분 범위일 수 있고, 3 내지 7분 범위일 수 있고, 4 내지 6분 범위일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법에 있어서, 단계 2는 상기 분리한 액상에 효모를 배양하는 단계이다.
이때, 상기 효모는 지질을 함유하는 효모라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 몇 가지 구체예를 들면 크립토코쿠스(Cryptococcus), 야로이야(Yarrowia), 로도토룰라(Rhodotorula), 트리코스포론(Trichosporon), 리포마이시스(Lipomyces), 로도스포리디움(Rhodosporidium), 사카로마이시스(Saccharomyces), 한젠누라(Hansenula), 피치아(Pichia), 캔디다(Candida), 스키조사카로마이시스(Schizosaccharomyces), 스포로볼로마이시스(Sporobolomyces), 불레라(Bullera), 불레로마이시스(Bulleromyces), 필로바시디엘라(Filobasidiella) 등을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 배양은 15 내지 40℃에서 150 내지 300 rpm에서 배양할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 다른 측면에서, 상기 배양 온도는 20 내지 40℃ 범위일 수 있고, 25 내지 40℃ 범위일 수 있고, 30 내지 40℃ 범위일 수 있고, 15 내지 35℃ 범위일 수 있고, 15 내지 30℃ 범위일 수 있고, 20 내지 35℃ 범위일 수 있고, 25 내지 33℃ 범위일 수 있고, 28 내지 32℃ 범위일 수 있고, 29 내지 31℃ 범위일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 배양 rpm은 160 내지 300 rpm 범위일 수 있고, 170 내지 300 rpm 범위일 수 있고, 180 내지 300 rpm 범위일 수 있고, 190 내지 300 rpm 범위일 수 있고, 200 내지 300 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 290 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 280 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 270 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 260 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 250 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 240 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 230 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 220 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 210 rpm 범위일 수 있고, 150 내지 200 rpm 범위일 수 있고, 170 내지 250 rpm 범위일 수 있고, 190 내지 210 rpm 범위일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법에 있어서, 단계 3은 상기 배양한 효모에서 지질을 추출하는 단계이다.
이때, 상기 지질을 추출하는 단계는 공지의 지질 추출법에 따라 수행될 수 있다. 상기 지질을 추출하는 단계는 유기용매를 사용하여 화학적 방법으로 지질을 추출할 수 있으며, 용매 추출법, 초음파 분쇄, 삼투현상 및 비드 비터와 같은 방법으로 지질을 추출할 수 있다. 상기 화학적 방법에 있어서 적절한 용매는 당업자들에게 의해 결정할 수 있으며, 극성 지질은 일반적으로 극성 용매로 추출하며 또한 중성지질은 일반적으로 비극성 용매로 추출한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법에 있어서, 단계 4는 상기 추출한 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계이다.
이때, 상기 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계는 공지된 전환법에 따라 수행될 수 있다. 상기 전환하는 단계는 에스테르 교환반응을 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 에스테르 교환반응으로 염산, 메탄올 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 생산되는 바이오 연료란 에너지원으로 사용되는 모든 것을 포함하는 것으로, 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및/또는 바이오 플라스틱일 수 있으며, 바람직하게는 바이오 디젤일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법에 있어서, 단계 5는 상기 고체상으로부터 알긴산을 회수하는 단계이다.
이때, 상기 알긴산을 회수하는 단계는, 상기 단계 1에서 분리한 고체상을 열수, 탄산나트륨, 수산화나트륨 및/또는 수산화칼륨 용액으로 교반하여 추출할 수 있다.
본 발명이 제공하는 바이오 연료와 알긴산의 동시 생산방법은 저가의 기질 선택 및 바이오 연료와 산업적으로 유용한 화학제품을 동시 생산하여 생산 시스템의 경쟁력을 향상시키는데 큰 기여를 할 수 있으며, 이는 후술하는 실시예, 실험예에 의해 직접적으로 뒷받침된다.
이하, 본 발명에서 제공하는 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법을 실시예와 실험예를 통해 상세히 설명한다.
단, 후술하는 실시예와 실험예는 본 발명의 일부를 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산
단계 1: 다시마를 멸균 전처리하여 고지질 함유 효모 배양에 필요한 탄소, 질소, 인 등의 필수 영양분을 획득하는 단계
저가 기질원으로 다시마(학명: Laminaria japonica / 원산지 : 완도산 / 성분: 탄소 29.4%, 산소 33.5%, 수소 4.8%, 질소 1.8%, 황 0.5%, 기타 염류 30%)를 준비하였다.
다시마로부터 고지질 효모 배양에 필요한 필수 영양소를 회수하기 위하여 40 g/L의 다시마 용액을 멸균기를 사용하여 120℃, 20분 조건으로 전처리하였다. 보다 구체적으로, 다시마 용액은 다시마를 믹서기로 분쇄한 후 35 mesh-sieve로 거른 분말 40g을 증류수에 넣어 준비하였다.
멸균기를 사용한 전처리가 완료되면, 3000 rpm에서 5분간 원심분리하여 가라앉은 고체상의 다시마 잔사를 따로 분리해내고, 상등액만을 배양액으로 활용하였다. 배양액은 0,2μm PES filter를 이용하여 멸균해 주었다.
단계 2: 분리한 액상(배양액)에 효모를 배양하는 단계
상기 단계 1에서 얻어진 다시마 멸균 전처리액을 배양액으로 하여 대표적인 고지질 함유 효모 중 하나인 Cryptococcus curvatus(KCTC 27583)를 배양하였다. 구체적으로, 90 mL의 다시마 배양액에 10 mL의 Cryptococcus sp.를 접종하였으며, 30℃에서 200 rpm으로 약 100 시간 동안 배양하였다.
단계 3: 배양한 효모에서 지질을 추출하는 단계
상기 단계 2에서 생산한 Cryptococcus sp. 바이오매스 내에 함유된 지질 성분을 추출하여 바이오디젤에 해당하는 FAME (Fatty acid methyl ester)으로 전환하는 실험을 수행하였다.
보다 구체적으로, 상기 단계 2의 배양액을 2000 rpm 10분 조건으로 원심분리 한 후, 가라앉은 균체 건더기를 액체질소에서 20분간 냉동시킨 후, 이틀 동안 -52℃에서 동결건조하여 동결건조된 Cryptococcus sp. 바이오매스를 얻었다.
동결건조된 Cryptococcus sp. 바이오매스 10 mg에 2 mL의 클로로포름:메탄올(2:1, v/v) 용액을 넣어준 후, 20분 동안 vortexing 하여 지질을 추출하였다.
단계 4: 추출한 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계
상기 단계 3에서 얻어진 지질에 1 mL의 메탄올과 300 μL의 황산을 첨가하여 100℃에서 20분간 반응시키고, 상온까지 수냉하였다. 1 mL의 증류수를 첨가하여 5분간 vortexing 한 용액을 4000 rpm에서 10분간 원심분리하여, 유기 용매 층으로부터 바이오디젤(FAME, Fatty acid methyl ester)을 얻었다.
단계 5: 고체상으로부터 알긴산을 회수하는 단계
상기 단계 1에서 분리하였던 고체상의 다시마 잔사로부터 탄산나트륨 (Na2CO3)를 이용하여 알긴산을 추출하였다.
보다 구체적으로, 다시마 잔사에 20 g/L (2%(wt%))의 탄산나트륨을 첨가한 후, 60℃에서 5시간 동안 교반시켜 주었는데, 이 과정을 통해 다시마 잔사에 포함되어있던 알긴산이 용액 속으로 녹아 나오게 된다. 반응 후 3000 rpm에서 15분간 원심분리를 하여 알긴산이 빠져나온 고체상의 다시마 잔사를 버리고, 상등액에 녹아있는 알긴산을 회수하였다. 알긴산을 회수하기 위해서는 상등액의 pH가 1이 되도록 황산을 첨가해 주었으며, 이때 침전되는 알긴산을 3000 rpm에서 5분간 원심분리하여 회수하였다. 증류수로 세척하는 과정을 거친 후 50℃ 오븐에서 건조하여, 최종 알긴산을 확보하였다.
< 실험예 1> 멸균 전처리 후 얻은 배양액 영양분의 성분 확인
효모 기반 바이오디젤 생산에서 종속영양생물인 효모의 배양을 위해서는 유기탄소원의 공급이 필수적이다.
이에, 본 발명 실시예 1 단계 1에서 다시마를 멸균 전처리한 후 얻은 배양액의 영양분 조성을 확인하였다.
보다 구체적으로, 만니톨의 농도는 HPLC의 reflective index detector (Agilent 1260 infinity, USA)를 사용하여 분석하였으며, Hi-Plex H column (Agilent, USA)과 이동상으로는 4 mM 황산을 사용하여 분석하였다. TN과 TP의 농도는 Humas 사의 수질키트(HS-TP-L, HS-TN-L(CA))를 사용하여 UV-Vis spectrophotometer (DR 5000, HACH)로 측정하였다. 기타 이온의 농도는 inductively coupled plasma Optical Emission Spectroscopy (Agilent, USA)를 통해 분석하였다.
그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112019007256891-pat00001
상기 표 1에 나타난 바와 같이,
본 발명의 실시예 1, 단계 1의 간단한 멸균 전처리만으로도 효모 배양에 필요한 필수 영양분인 탄소, 질소, 인을 비롯한 각종 미네랄을 확보할 수 있었다. 여타 다른 저가 기질과 비교하여 산이나 염기 용액을 첨가하거나 고온·고압의 조건을 적용하지 않고도 효율적인 영양분의 회수가 가능한 것은 고지질 함유 기반 바이오디젤 생산에 있어서 큰 장점으로 작용할 것이다.
< 실험예 2> 바이오매스 , FAME 및 알긴산 생산성 평가
본 발명 실시예 1 단계 2~4에서 생산되는 Cryptococcus sp. 바이오매스의 양과 FAME의 양, 그리고 단계 5에서 생산되는 알긴산의 양을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
Cryptococcus sp. 바이오매스 생산량은, 배양 시간(hr)에 따른 바이오매스 농도(g/L) 증가량을 그래프로 도출하여 평가하였고, FAME 양은 가스 크로마토그래피를 통해 상기 실시예 1 단계 4에서 얻어지는 유기 용매 층을 분석하여 도출하였다.
최종 전환된 양을 그래프로 도출하여 평가하였다.
그 결과를 도 2와, 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112019007256891-pat00002
도 2와 상기 표 2에 나타난 바와 같이,
배양을 통해 최종적으로 약 6 g/L의 Cryptococcus sp. 바이오매스 농도를, 그리고 1.84 g L-1 d- 1의 바이오매스 생산성이 확보되는 것을 알 수 있다. 또한, 다시마 배양액에서 생산된 Cryptococcus sp. 바이오매스에 30.37%의 FAME이 포함되어 있음을 확인하였고, 이는 0.56 g L-1 d-1의 FAME 생산성을 나타낸다.
나아가, 다시마 건조 중량의 21.06%에 해당하는 알긴산을 회수할 수 있었다. 일반적으로 다시마에 포함된 알긴산의 함량이 약 14.6-29.5%인 것을 감안했을 때, 유의미한 양의 알긴산을 성공적으로 회수했음을 알 수 있다.
결과적으로, 다시마를 멸균 전처리한 후 발생하는 액상을 이용하여서는 고지질 함유 효모를 배양하여 바이오디젤을 생산하고, 고상을 이용하여서는 알긴산을 추출할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

Claims (10)

  1. 다시마를 용매에 침지하고, 110 내지 130℃에서 15 내지 25분 동안 멸균한 후, 2700 내지 3300 rpm에서 1 내지 10분 동안 원심분리하여 액상과 고상으로 분리하는 단계;
    상기 분리한 액상에 효모 Cryptococcus curvatus(KCTC 27583)를 15 내지 40℃, 170 내지 300 rpm에서 배양하는 단계;
    상기 배양한 효모에서 지질을 추출하는 단계;
    상기 추출한 지질을 바이오 연료로 전환하는 단계; 및
    상기 고상으로부터 알긴산을 회수하는 단계; 를 포함하는,
    바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법으로써,
    상기 알긴산을 회수하는 단계는, 고상을 탄산나트륨 용액으로 추출하고, 산을 첨가하여 침전되는 알긴산을 원심분리하여 회수하는 것인, 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지질을 추출하는 단계는 용매 추출법, 초음파 분쇄, 삼투현상 및 비드비터로 이루어진 군으로부터 선택되는 추출법을 통해 지질을 추출하는 것을 특징으로 하는, 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 연료로 전환하는 단계는 에스테르 교환반응으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 연료는 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및 바이오 플라스틱으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 바이오 연료 및 알긴산의 동시 생산방법.
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130015178A (ko) * 2011-08-02 2013-02-13 단국대학교 산학협력단 바이오 에너지 생산을 위한 갈조류의 전처리 방법 및 이를 이용한 바이오 에너지 생산 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bioresource Technology, Vol. 169, pp. 455-461 (2014.07.11.)* *
int. J. Biol. Macromol., Vol. 8, pp. 380-386 (1986.) *
Oceanogr. Mar. Biol. Annu. Rev., Vol. 26, pp. 259-315 (1988.) *

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