KR19990069971A

KR19990069971A - 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법

Info

Publication number: KR19990069971A
Application number: KR1019980004570A
Authority: KR
Inventors: 정봉환; 김세규; 이용화; 정승식; 김영국
Original assignee: 정봉환
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-09-06

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기를 원료로 하여 에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이며, 가정 또는 음식점으로부터 발생되는 음식물 쓰레기를 가수분해효소, 상기 가수분해효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 쓰레기액을 효모로 에탄올 발효시키는 공정; 및 에탄올 발효된 음식물 쓰레기액으로부터 에탄올을 분리 및 정제하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법이 제공되고, 이로써 매립 또는 소각되는 음식물 쓰레기의 양을 줄임으로써 음식물 쓰레기에 의한 환경오염을 줄일 수 있고, 저렴한 비용으로 청정 연료나 화학 원료로 사용하는 에탄올과, 유기질 비료 및 사료를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법

(기술분야)

본 발명은 음식물 쓰레기를 원료로 하여 에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 효모를 이용하여 음식물 쓰레기를 발효시켜 에탄올을 생산하고 그 부산물은 사료나 비료로 활용할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

(배경기술)

가정이나 음식점으로부터 발생하는 각종 음식물 쓰레기는 자원낭비의 측면에서뿐만 아니라 그 처리에 있어서도 여러 가지 문제점을 유발하고 있다. 최근 들어 환경에 대한 사회적 관심이 집중되면서 쓰레기 분리수거를 통해 자원을 재활용하고자 하는 운동이 확산되고 있지만, 여전히 재활용 가능한 많은 쓰레기가 그대로 처분되고 있는 실정이다.

각종 유기물과 수분을 주성분으로 하는 음식물 쓰레기는, 전통적으로 손쉽고 경제적이었던 단순매립방법에 의해 처리되는 것이 일반적이었으나, 매립지 부족과 침출수로 인한 토양과 수질오염 등의 문제로 인하여, 최근에는 소각처리나 비료 또는 사료 등으로의 활용방안 쪽으로 나가고 있는 추세이다(한국 유기성 폐기물 자원화 협의회지, 2(1), 51-64 (1994)).

그러나, 음식물을 소각처리하는 경우 비록 다른 건조한 쓰레기들과 혼합하여 소각한다고 하더라도, 음식물에 함유된 수분으로 인하여 보조연료를 사용할 수밖에 없기 때문에 소각효율이 저하될 뿐만 아니라 저온 소각시 발생하는 다이옥신이 공해 문제로 대두되는 등 또 다른 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 최근에는 상기한 바와 같은 여러 가지 문제점을 안고 있는 음식물 쓰레기의 매립 또는 소각과 같은 단순 폐기방법으로부터 음식물에 포함된 유기물을 적절히 이용하는 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 이런 연구의 대부분은 음식물 쓰레기로부터 유기질 비료나 사료를 생산하는 것이며, 그 대표적인 예로서는 바실러스속 미생물을 이용하여 음식물 쓰레기를 유기질 비료로 제조하는 방법이다. 그러나, 지금까지 개발된 음식물 쓰레기의 재활용 방법의 대부분은 퇴비나 사료를 생산하는 것에 한정되어 있었다.

바이오매스(biomass)로부터 생산할 수 있는 에너지원으로는 에탄올, 메탄가스, 수소가스 등이 있는 바, 이들 중에서 에탄올은 바이오매스를 에탄올 발효시켜 얻을 수 있다. 에탄올은 완전연소가 가능하여 대기오염 문제를 유발하지 않으며, 특히 가솔린 대신에 자동차 연료로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 공업용 화학물질의 합성원료로도 사용되는 등 그 용도가 다양하다.

브라질, 일본, 미국, 유럽 등에서는 바이오매스를 이용한 다각적인 바이오 에탄올 생성에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 이미 미국과 브라질 등에서는 에탄올과 가솔린을 혼합한 가소홀(gasohol)을 자동차 연료로 사용하여 석유를 대체하고 있다.

가솔린과 혼합된 에탄올은 옥탄가를 높여주는 역할을 하여 연료 효율을 증가시키며 대기오염도 감소시켜주는 부수적 효과를 가진다. 최근 미국에서 'Clean Air Act'가 발효되면서 석유소비를 억제하고 깨끗한 에너지인 생물에너지 소비를 유도하는 노력을 범국가적인 차원에서 진행되고 있다.

미생물에 의한 에탄올의 산업적인 생산 공정은 원료인 기질의 전처리 공정, 에탄올 발효 공정, 분리 및 정제 공정의 3단계로 대별할 수 있다. 일반적으로 에탄올 생성 기질로는 카사바(cassava), 사탕수수, 옥수수, 당밀 등이 이용되는데, 이러한 발효 공정은 주로 하기식으로 나타낸 바와 같이, 바이오매스에 포함된 6탄당 또는 5탄당 등을 효모로 발효시켜 에탄올로 전환시키는 것이며, 6탄당의 경우 실제 발효수율은 이론수율의 약 90%인 0.46g ethanol/g glucose 정도이다.

C₆H₁₂O₆→ 2C₂H₅OH + 2CO₂

3C₅H₁₀O₅→ 5C₂H₅OH + 5CO₂

이와 같은 식물원료를 이용한 에탄올의 생산에는 원료비가 에탄올 생산단가의 약 30-60%를 차지하고 있으므로, 보다 경제적인 에탄올 생산을 위해서는 값싼 원료를 이용하고 동시에 원료에 대한 에탄올 수율도 향상시켜야 하며, 생성속도도 증가시켜야 한다.

국내에서도 에탄올 생산에 대해 활발한 연구들이 수행되고 있고, 바이오매스를 이용한 공업용 에탄올 생산을 위한 시험공장 규모의 연구도 진행되고 있다.

본 발명의 목적은 심각한 환경 문제를 야기하고 있는 음식물 쓰레기들을 보다 효율적으로 활용함으로써 음식물 쓰레기에 관련된 환경문제를 해결하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 효모에 의해 음식물 쓰레기를 발효시켜 에탄올을 생산하는 방법을 제공하여, 에탄올을 보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있도록 함과 동시에 에탄올 수득 후 발생하는 부산물을 다량의 효모를 함유한 양질의 비료나 사료로 사용할 수 있도록 하는 기술을 확립하므로써, 음식물 쓰레기를 보다 효율적으로 처리 및 이용하고자 하는 것이다.

도1은 효모(Saccharomyces cerevisiae)에 의한 에탄올 발효의 시간대별 진행을 보여주는 그래프.

도2는 효모(Pichia stipitis)에 의한 에탄올 발효의 시간대별 진행을 보여주는 그래프.

본 발명에 따라, 효모를 이용하여 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하고 부산물로 사료 및 비료를 생산하는 방법이 제공되며, 발효 원료로 사용되는 음식물 쓰레기를 액화 및 당화하여 전처리하는 공정, 전처리된 음식물 쓰레기를 효모로 에탄올 발효하는 공정, 및 생성된 에탄올을 분리 및 정제하는 공정에 의해 에탄올을 생산하며, 그 부산물은 사료 또는 비료를 생산하는 원료로 사용한다.

본 발명에서 음식물 쓰레기라 함은 일반적으로 가정이나 음식점 등에서 발생되는 탄수화물, 단백질, 지방, 및 섬유소 등을 주성분으로 하는 밥, 면류, 과실류, 채소류, 생선류, 고기류 등을 포함하고 있어서 본 발명에 따른 방법에 의해 에탄올을 생성할 수 있는 음식물 찌꺼기를 의미한다.

전처리 공정은, 음식물 쓰레기를 분쇄기로 분쇄하여 증기로 찐(증자한) 후에 가수분해효소나 이들 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정이다. 에탄올 발효공정은 전처리된 음식물 쓰레기액을 멸균한 후 활성이 강한 효모를 사용해 에탄올을 생산하는 공정이고, 분리 및 정제 공정은 효모에 의해 에탄올 발효된 음식물 쓰레기액으로부터 에탄올을 증류하여 무수에탄올을 얻는 공정이다. 에탄올 수득 후 부산물로 발생하는 음식물 쓰레기는 다량의 효모를 함유하고 있어 건조시키는 것만으로 또는 통상적인 약간의 가공으로 양질의 비료나 사료로 사용할 수 있다.

전처리 공정에서, 음식물 쓰레기들은 가수분해반응의 효율을 높이기 위하여 가능한 한 작은 크기가 되도록 통상의 분쇄기를 사용하여 잘게 분쇄한다. 분쇄된 음식물 쓰레기를 고온(예, 100℃)의 증기로, 예컨대 40분간 쪄서 음식물 쓰레기의 조직을 연하 증자한 다음, 가수분해효소로 분해하여 음식물 쓰레기에 포함된 유기물을 액화 및 당화시킨다.

액화 및 당화를 위한 가수분해처리 방법으로서는, 전분과 (헤미)설룰로스를 포도당과 크실로스로 가수분해하는 α-아밀라제(α-amylase), 글루코아밀라제(glucoamylase), 크실란아제(xylanase), 셀룰라제(cellulase)와 같은 산업용 가수분해효소의 단독 또는 혼합물로 처리하는 방법, 묽은 황산으로 처리하는 방법, 및 상기 효소들을 생산할 수 있는 곰팡이를 포함하는 누룩으로 처리하는 방법을 들 수 있다. 본 가수분해처리는 분쇄된 기질(음식물 쓰레기)에 적당량의 가수분해효소원을 투입하여 가열하거나 효소의 활성온도(예, 50℃)에서 배양하므로써 이루어진다.

본 발명에 사용하는 누룩은, 곰팡이, 효모, 세균 등의 미생물들(예,Aspergillussp.,Rhizopussp.,Penicilliumsp.,Mucorsp.,Absidiasp.,Saccharomyces.,Bacillussp.,Candidasp., 젖산 박테리아 등)을 함유하고, 이들 미생물에 포함된 아밀라제(α-amylase, glucoamylase), 프로테아제 등의 효소작용으로 당과 아미노산 등의 분해산물을 생성하고, 효모에 의한 에탄올 발효가 동시에 행하여지는 병행복합발효를 일으키는 시중으로부터 구입가능한 통상의 누룩을 의미한다.

음식물 쓰레기 원료의 전처리(액화 및 당화) 공정이 끝나면, 전처리된 원료를 고온(예, 121℃)에 소정시간(예, 15분) 유지하여 멸균처리한 후, 예를 들어 사카로마이세스 세레비시아에(Saccharomyces cerevisiae:기탁번호 ATCC 3967) 또는 피치아 스티피티스(Pichia stipitis:기탁번호 CBS 5776)와 같은 활성이 강한 효모를 접종하고, 효모의 활성 온도(30℃)로 발효 온도를 유지하여 에탄올 발효를 시킨다. 이 과정에서 전처리된 음식물 쓰레기에 포함된 당성분이 발효되어 에탄올이 생성된다.

다음에, 에탄올 발효된 음식물 쓰레기로부터 통상의 증류 방법으로 에탄올을 분리 및 정제한다. 일반적으로 에탄올은 수용액 상태일 때 95%에서 공비혼합물(azeotrope)을 만들기 때문에 95%까지는 에탄올이 물에 비해 휘발성이 강하지만 95%를 지나서는 물과 에탄올의 휘발도가 같아져 보통의 증류 방법으로는 분리가 되지 않는다. 따라서 무수에탄올을 얻기 위해서는 전단계로 95%의 공비혼합물을 얻고 후단계로 무수에탄올을 얻는 2단 증류가 필요하다. 본 발명에서는 전단계에서 진공 펌프를 사용한 감압 증류로 95%의 공비혼합물을 얻어 주정으로 사용하고, 후단계에서 휘발유(gasoline)를 용매로 사용한 추출 증류법으로 99.5%의 에탄올을 얻는 방법을 사용할 수 있다. 99.5% 이상의 순도라면 가스홀(gasohol)로 만들어서 자동차 연료로 사용할 수 있는 순도이다.

전단계 증류 후 잔류하는 음식물 쓰레기 부산물은, 건조 과정을 거친 후 바로 비료나 사료로 사용할 수 있으며, 필요에 따라 약간의 가공을 통하여 원하는 비료나 사료를 생산하는 데 활용할 수 있다. 특히, 이렇게 생산된 사료에는 에탄올 발효를 위해 사용한 효모(예,Saccharomyces cerevisiae)가 다량 함유되어 있으므로, 사료의 효율을 높이기 위해 효모를 사료에 첨가해주던 기존의 사료와 동일한 효능을 갖게 된다.

일반적으로 사료에 효모가 함유될 경우 이를 먹이로 사육된 소, 돼지 및 닭 등의 가축에 있어서, 유량이 증가하고, 증체율이 향상되며, 산란율이 높아지는 등의 효능을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 얻는 것과 동시에 부가적으로 양질의 사료(또는 비료) 원료를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

실시예1 : 누룩에 의한 음식물 쓰레기의 액화 및 당화

음식물 쓰레기를 잘게 분쇄한 후, 121℃의 증기로 15분간 처리하여 멸균 및 조직을 부드럽게 한 다음, 품온이 24℃-28℃ 정도로 떨어졌을 때 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 시판의 누룩 종균을 여러 가지 농도로 접종하였다. 이때 효소반응의 기질로서는 물 1L에 200g(건조질량)의 음식물 쓰레기를 균일하게 혼합한 것을 사용하였다. 24℃-28℃에서 80-90% 이상의 습도를 유지하면서 2일간 배양하여 액화 및 당화 반응이 일어나도록 하였다. 이 배양물을 가지고 당농도를 측정해 표1과 같은 결과를 얻었다.

당을 정량은, 먼저 50㎖의 증류수에 4g의 NaOH를 녹이고, 이 용액에 0.25g의 3,5-디니트로살리실산과 75g의 주석산나트륨칼륨을 녹여 증류수에 의해 250㎖로 맞춘 시약을 제작하고, 1㎖의 시약에 당화된 샘플 100㎕을 첨가하여 100℃에서 10분간 가열한 후, 다시 상온으로 급냉하여 570㎚에서 흡광도를 측정한 다음, 표준곡선으로부터 당농도를 구하는 방법(DNS법)을 사용하였다.

누룩	환원당(g/L)
0.1 %	50.3
0.5 %	82.1
1.0 %	101.7
5.0 %	112.5

실시예2 : 가수분해효소처리에 의한 음식물 쓰레기의 액화 및 당화

분쇄기를 사용하여 음식물 쓰레기를 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 산업용으로 시판되는 가수분해효소인 α-아밀라아제, 글루코아밀라제, 크실란아제, 및 셀룰라제를 각각 사용하여 가수분해반응을 시킨 다음, 실시예1과 동일한 방법으로 당화 정도를 측정하였다(표 2). 이때 각 효소반응의 기질로서는 물 1L에 200g(건조질량)의 음식물 쓰레기를 균일하게 혼합한 것을 사용하였고, 50℃로 맞춘 진탕배양기에서 170rpm으로 18시간 동안 반응시켰다. 표2에 나타난 것처럼 글루코아밀라제를 처리했을 때 당화율이 가장 좋은 것으로 나타났다.

가수분해효소	환원당(g/L)
α-amylase	47.7
glucoamylase	58.3
xylanase	41.1
cellulase	43.5

실시예3 : 묽은 황산에 의한 음식물 쓰레기의 액화 및 당화

음식물 쓰레기를 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 여러 가지 농도의 묽은 황산을 첨가하여 가수분해반응을 진행시키고 전술한 방법으로 당화 정도를 측정하였다(표3). 이때의 반응은 물 1L에 200g(건조질량)의 음식물 쓰레기를 균일하게 혼합한 것을 사용하여 121℃에서 15분간 진행하였다.

묽은 황산	환원당(g/L)
0.01 %	44.9
0.05 %	45.8
0.10 %	48.0
0.50 %	52.5
1.00 %	59.5

실시예4 : 효모( Saccharomyces cerevisiae )에 의한 에탄올 발효

실시예1에 따라 누룩으로 액화 및 당화시킨 음식물 쓰레기에 ATCC(미국)에 기탁된 기탁번호 ATCC 3967의 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 접종하여 진탕배양기에서 30℃의 200rpm으로 에탄올 발효를 3일간 진행시켰으며, 그 결과를 도1에 나타내었다. 도1에 도시된 바와 같이, 발효가 0, 24, 48, 72시간 경과함에 따라, 효모량(g/L)은 0.2에서 13.3, 16.7, 17.5로 증가하였고, 쓰레기액의 당성분(sugar: g/L)은 91에서 46.7, 27.1, 25.9로 감소하였으며, 에탄올의 양(g/L)은 0에서 17.5, 22.9, 16.3으로 변하였다. 최대 에탄올 농도는 22.9 g/L, 이 때의 에탄올 수율은 0.36이었다.

실시예5 : 효모( Pichia stipitis ) 의한 에탄올 발효

실시예1에 따라 누룩으로 전처리한 음식물 쓰레기에 CBS(네덜란드)에 기탁된 기탁번호 CBS 5776의 효모(Pichia stipitis)를 접종하여 진탕배양기에서 30℃의 200rpm으로 에탄올 발효를 진행시켰으며, 그 결과를 도2에 나타내었다. 도2에 도시된 바와 같이, 발효가 0, 24, 48, 72시간 경과함에 따라, 효모량(g/L)은 0.2에서 14.5, 18.5, 18.7로 증가하였고, 쓰레기액의 당성분(g/L)은 91에서 39.8, 7.1, 5.7로 감소하였으며, 에탄올의 양(g/L)은 0에서 19.1, 33.9, 33.5로 변하였다. 최대 에탄올 농도는 33.9 g/L, 이때의 에탄올 수율은 0.40이었다.

실시예5와 실시예6에 있어서, 에탄올의 정량은 불꽃 이온화 검출기(flame ionization detector)를 이용한 가스 크로마토그래피(PYE UNICAM PU 4500, Philips, Netherlands)로 측정하였다. 이때 칼럼은 2HWP/10PEG20M을 사용하였고, 가스 크로마토그래피의 작동온도는 200℃, 오븐의 온도는 160℃로 했다.

도1과 도2에서 효모량(g/L)은 스펙트로포토메터(Hitachi U-1100, Japan)로 600㎚에서 흡광도를 측정하여, 미리 측정해 둔 효모의 양과 흡광도 사이의 상관곡선을 이용하여 환산하여 얻었다.

실시예6 : 에탄올의 분리, 정제 및 잔류물의 사료화

에탄올 발효된 음식물 쓰레기를 압착기로 압착하고, 모아진 발효액을 증류장치에 넣어 진공펌프를 이용하여 60-70cmHg로 감압하고, 발효액을 60-70℃로 가열하여 에탄올을 증류하였다. 가스 크로마토그래피를 사용하여 증류된 에탄올의 농도를 측정한 결과 94.8%임이 확인되었다. 에탄올 발효액이 압착된 음식물 쓰레기들 및 에탄올을 증류하고 남은 쓰레기들을 혼합하여 수분함량이 10%이하로 되게 진공건조하였으며, 이렇게 건조된 음식물 쓰레기는 사료와 비료로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법에 의하면, 매립 또는 소각되는 음식물 쓰레기의 양을 줄임으로써 음식물 쓰레기에 의한 환경오염을 줄일 수 있고, 저렴한 비용으로 청정 연료나 화학 원료로 사용하는 에탄올과, 유기질 비료 및 사료를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims

가정 또는 음식점으로부터 발생되는 음식물 쓰레기를 가수분해효소, 상기 가수분해효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩, 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 쓰레기액을 효모로 에탄올 발효시키는 공정; 및 에탄올 발효된 음식물 쓰레기액으로부터 에탄올을 분리 및 정제하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 액화 및 당화 공정 이전에 음식물 쓰레기를 분쇄 및 증자하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 가수분해효소는 α-아밀라제, 글루코아밀라제, 크실란아제, 및 셀룰라제로부터 선택되는 적어도 하나의 효소인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효모는 사카로마이세스 세레비시아에(ATCC 3967) 및 피치아 스티피티스(CBS 5776) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 비료 또는 사료로 사용할 수 있도록 에탄올을 분리 및 정제한 음식물 쓰레기를 건조시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 방법.