KR20010058065A - 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도에탄올 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 목질계 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는데 있어서 기존 공정에서 사용하는 고온 멸균대신에, 저온 멸균법을 이용하여 일반적인 방법에 의해 생산 가능한 에탄올 농도 이상을 얻을 뿐만 아니라 생산성이 높은 회분식 및 연속식 목질계 에탄올 생산공정을 제공하는데 있다.

본 발명의 제공에 의하여 에탄올을 고농도, 고생산성으로 생산할 수 있어 에탄올 생산 전체 공정 중 발효 및 정제에 소요되는 비용을 낮출 수 있는데, 본 발명의 회분식 및 연속식 발효에 의하면, 에탄올 농도와 생산성이 각각 67 g/L, 1.0 g/L/h 와, 76.9 g/L, 16.9 g/L/h를 달성할 수 있었다.

본 방법은 전세계적으로 풍부하게 있고 환경 측면에서도 중요한 자원인 목재, 도시유기성 폐기물 등 목질계 바이오매스를 이용하여 환경 친화적인 생물학적 방법을 통하여 높은 농도 및 생산성으로 에탄올을 생산할 수 있기 때문에 환경 및 경제적 측면에서 장점을 갖는 공정이다.

Description

저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법{Process for producing ethanol with high concentration from wood hydrolysate using low-temperature sterilization}

본 발명은 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게 설명하자면 나무, 폐목재, 도시유기성 폐기물의 당화액에 존재하는 포도당으로부터 효모인사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae)를 이용하여 에탄올을 생산하는데 있어서, 기존의 멸균법과는 다른 저온 멸균을 통해 목질계 바이오매스(cellulosic biomass)로부터 생기는 미생물에 유해한 여러 독성물질의 생성을 억제하도록 하고 상기 효모를 이용하여 목질계 바이오매스로부터 고농도로 에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

목질계 바이오매스는 환경친화성과 값싸고 풍부하게 존재한다는 이유로 인해 이들 물질을 이용하여 에탄올 등 유용한 물질을 생산하고자 하는 연구가 최근에 관심을 끌고 있다(참조: Lynd et al., Science, 251: 1318-1323 (1991)).

미생물을 이용하여 목질계 바이오매스로부터 유용한 물질을 생산하기 위해서는 포도당 등 미생물이 이용할 수 있는 형태의 당으로 목질계 바이오매스를 전처리하는 것이 필요하다.

그러나 목질계 바이오 매스를 전처리하는 과정에서 많은 종류의 미생물의 성장에 나쁜 독성물질들이 생성된다.

일반적으로 미생물을 이용하여 에탄올 등 유용물질을 생산하는 경우 정제 등에 드는 비용을 고려할 때 미생물로부터 생산된 에탄올 등 유용물질의 농도가 높을수록 경제성이 있다.

그러나 목질계 바이오매스를 이용하는 경우, 이러한 독성물질들로 인해 에탄올 등의 유용물질을 고농도로 생산할 수 없었다.

그리하여 이들 독성물질들을 활성탄, 석회(lime) 등을 이용하여 화학적으로 처리하여 독성을 줄이는 연구가 있어 왔다(Parajo et al., Bioresource Technol., 57: 179-185 (1996), Rivard et al., Appl. Biochem. Biotechnol., 57-58: 183-191 (1996)).

그러나 이들 화학적 처리는 첨가 물질의 분리 등 또 다른 문제점을 야기하고 있으며 또한 그 처리 능력도 물질, 방법에 따라 차이가 있어 목질계 바이오 매스로부터 경제적으로 에탄올을 생산하기 위해서는 이들 문제점을 해결할 수 있는 또 다른 방법의 개발이 필요하였다.

또한 에탄올 등 범용 화학제품을 목질계 바이오매스로부터 경제적으로 생산하기 위해서는 생산된 에탄올 농도뿐만 아니라 발효기의 생산성도 매우 중요하여 효율적인 발효공정의 개발도 필요하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 목질계 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는데 있어서 기존 공정에서 사용하는 고온 멸균대신에, 저온 멸균법을 이용하여 일반적인 방법에 의해 생산 가능한 에탄올 농도 이상을 얻을 뿐만 아니라 생산성도 높게 에탄올을 생산할 수 있는 회분식 및 연속식 에탄올 발효 공정을 제공하는데 있다.

도 1은 고온 멸균시(121℃) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프이다.

도 2는 활성탄 처리 후 고온 멸균시(121℃) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프이다.

도 3은 저온 멸균시(60℃) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력(a: 포도당 농도, b: 에탄올 농도)을 나타낸 그래프이다.

도 4는 활성탄 처리(0.2 g 활성탄/g 포도당) 후 저온 멸균시(60℃) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력(a: 포도당 농도, b: 에탄올 농도)을 나타낸 그래프이다.

도 5는 연속발효를 위한 내부여과 반응기 시스템의 모식도이다

도 6은 저온 멸균시(60℃) 목질계 당화액으로부터 내부여과 반응기를 이용한 연속 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 내부여과기 모듈을 장착한 발효기

(2) : 모터

(3) : 압력게이지

(4) : 백플러싱(backflushing) 장치

(5) : 당화액 저장 탱크

(6) : 발효액 저장 탱크

(7) : 잉여액 보관 용기(bleed chamber)

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 본 발명의 실시예를 그 구성과 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스를 전처리·효소당화하여 당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

당화액의 멸균시 저온 멸균법을 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하여 에탄올을 발효 생산하는 회분식 방법과,

또한 본 발명은 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스를 전처리·효소당화하여 당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

당화액의 멸균시 저온 멸균법과 활성탄 처리를 병행 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후 당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하여 에탄올을 발효 생산하는 회분식 방법과,

또한 본 발명은 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스를 전처리·효소당화하여 당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

당화액의 멸균시 저온 멸균법을 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후 당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하여 내부여과기 모듈을 장착한 발효기를 이용하여 에탄올을 연속식으로 생산하는 방법으로 구성된다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 기술하면 다음과 같다.

실시예 1

: 저온 멸균법에 의한 목질계 바이오 매스로부터 고농도 에탄올 생산(회분식)

본 발명에 사용한 균주는 산업균주인 사카로마이세스 세레비제로 이 균주는 서영주정으로부터 분양받았다.

접종을 위해 사용한 배지의 조성은 0.3% 이스트 익스트랙트(yeast extract), 0.3% 멀트 익스트랙트(malt extract), 0.5% 박토 펩톤(bacto peptone), 2% 포도당을 기본으로 하였으며 필요에 따라 농도를 조절하여 사용하였다.

이때 사용한 목질계 당화액은 참나무를 우선 8L 증기폭쇄기를 이용하여 215℃에서 15분간 폭쇄하고, 30L 반응기를 이용하여 20 유닛(unit)의 필터페이퍼 활성도(filter paper activity)와 30유닛의 베타글루코시데이즈 활성도(β-glucosidase activity)를 가지게 조절한 셀룰라제(cellulase)와 베타글루코시데이즈 효소를 투여하여 50℃에서 3일간 당화한 후, 진공증발기를 이용하여 원하는 포도당 농도로 농축하여 사용하였다.

목질계 당화 농축액을 이용한 에탄올 발효는 25ml의 농축액이 들어있는 100ml 플라스크를 이용하여 진탕배양기(shaking incubator)에서 발효를 수행하였다.

조업은 30℃, 150rpm에서 행하였으며 초기 pH는 5.0으로 일정하게 조절하였다.

발효는 따로 영양배지를 첨가하지 않고 결과에 명시한 적절한 포도당 농도를 가지게 희석한 폭쇄재 당화액만을 사용하였다.

도 1은 상기와 같이 준비한 당화액을 고온 멸균시(121℃) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프인데, 일반적인 고온 멸균을 행한 경우 목질계 당화액의 농도가 높아짐에 따라 발효속도가 늦어지고 접종량에 따라 원액을 포함하여 약 90g/L까지만 사용한 당을 모두 소모하였으며, 100g/L 이상에서는 발효가 수행되지 않았다.

이는 전처리 공정 중 생기는 발효저해물질 때문이다(참조: Palmqvist et al., Enzyme Microb. technol., 20: 286-293 (1997)).

도 2는 당화액을 고온 멸균(121℃)후 활성탄 처리시 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프인데, 저해물질의 영향을 감소시키기 위해 자주 사용되는 활성탄을 처리해준 경우 어느 정도 효과가 있었으나 목질계 당화액의 포도당 농도 100 g/L이상에서는 역시 발효가 이루어지지 않았다.

그러나 도 3 (a, b)에서 당화액을 저온 멸균(60∼70℃, 30∼120분)을 하고 발효를 수행한 결과 고온 멸균(121℃, 15분)시 발효가 이루어지지 않은 100g/L 기질뿐만 아니라 140 g/L까지도 정상적 발효가 가능함을 보여주었다.

즉, 도 3 (a, b)는 저온 멸균시(60 ∼ 70℃, 30 ∼ 120분) 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력(a: 포도당 농도, b: 에탄올 농도)을 나타낸 그래프인데, 특히 140 g/L 기질사용시 사카로마이세스 세레비제를 20%(v/v) 접종하여준 경우 발효가 2일 후 거의 완료됨을 알 수 있었으며, 이때 발효생성된 에탄올 농도와 생산성은 각각 67g/L와 1.0 g/L/h이었다.

도 4 는 저온 멸균후(60 ∼ 70℃) 활성탄 처리(0.2 g 활성탄/g 포도당)시 목질계 당화액으로부터 에탄올 발효능력(a: 포도당 농도, b: 에탄올 농도)을 나타낸그래프인데, 기질농도 170 g/L를 사용할 때에도 100시간 이상의 적응기(lag period)가 존재하였지만 발효가 이루어져 기존의 고온 멸균법에 비해 발효가 효과적이었으며 활성탄 처리를 추가하면 더욱 효과적이었다.

실시예 2

: 저온 멸균법을 이용한 내부여과기 모듈을 장착한 발효기에서의 고농도, 고생산성 에탄올 생산 방법(연속식)

도 5는 연속발효를 위한 내부여과기 모듈을 장착한 발효기 시스템의 모식도인데, 동 실시예 2에서는 실시예 1에 예시한 회분식과 비교하여 저온 멸균법을 이용하여 내부여과기 모듈을 장착한 발효기에서 연속식 발효를 수행하여 에탄올의 생산성 향상효과를 관찰하였다.

사용한 3L 발효기(1)의 발효액의 부피는 1.5L이고, 연속식 발효시 발효기에 공급할 새로운 배지는 포도당 100 ∼ 180 g/L가 포함된 목질계 당화액 만을 사용하였다.

발효기(1) 내부에 장착된 여과기 모듈은 내부반경, 외부반경, 높이가 각각 8, 11, 80 mm인 13개의 원통형 세라믹 튜브로 구성되어 있어, 여과 표면적이 360 cm²이었다.

이때 사용한 여과기의 재질은 세라믹이었으며, 기공크기(pore size)는 0.3㎛이하로 구성되어 있고 여과 표면적이 발효액 내부에 배치된다.

부호 (2)는 발효기를 교반하는 모터, (3)은 여과기 모듈을 빠져 나오는 액체의 부압을 측정하는 압력게이지, (4)는 여과기 모듈이 폐색될 시 여과층을 거꾸로 불어내는 백플러싱(backflushing) 장치, (5)는 당화액 저장 탱크, (6)은 생산물인 발효액 저장탱크, (7)은 백플러싱 등을 실시할 때 발생하는 잉여액 보관 용기이다.

당화액 저장 탱크(5)에 보관된 고농도 당화액(100g/L∼180g/L)은 펌프를 통하여 발효기(1)로 투입되고 모터(2)로 교반되면서 사카로마이세스 세레비제에 의하여 에탄올로 발효된다. 동시에 발효기(1) 내부의 액은 여과기 모듈을 통하여 발효액 저장탱크(6)로 연속적으로 빠져 나오며 내부에 자라난 사카로마이세스 세레비제 균체와 고형물은 여과기 모듈에서 여과된다.

이와 같이 연속발효를 계속하면 여과기 모듈에 고형물이 침적되어 압력게이지(3)가 마이너스로 떨어지며 발효액의 배출이 힘들어지게 되는데 주기적으로 백플러싱(backflushing) 장치(4)를 가동하여 여과층을 역세함으로서 발효액의 배출이 용이하도록 한다.

연속식 발효는 먼저 회분식으로 발효를 수행한 뒤에 기질이 전부 소모된 후 희석속도(dilution rate) 0.22 h^-1이상으로 운전하였다.

발효는 30 ℃에서 수행하였으며, 발효기내의 세포의 활성을 높게 유지하기 위해 0.5 ∼ 1.0vvm으로 공기를 공급하며 발효액중의 효모 균체를 내부여과 하였다.

도 6은 저온 멸균시(60℃) 목질계 당화액으로부터 내부여과기 모듈을 장착한발효기를 이용하여 에탄올 발효능력을 나타낸 그래프인데, 발효기를 이용하여 저온 멸균한 목질계 당화액으로부터 연속 발효를 수행한 결과 포도당 137g/L과 180 g/L가 포함된 당화액의 경우 세포 농도와 에탄올 농도가 각각 1.4 ×10⁹cells/ml, 1.5 ×10⁹cells/ml와 58.8 g/L, 76.9 g/L에 이르러, 기존 방법에 비교하여 매우 높은 세포 농도와 에탄올 농도를 얻을 수 있었다.

이때 에탄올 생산 수율은 0.43 g 에탄올/g 포도당이었다.

또한 이때의 에탄올 생산성은 최고 16.9 g/L/h로 실시예 1에 예시한 회분식 배양에서의 값(1.0 g/L/h)나 고온 멸균에 의한 발효기에서의 값(6.7 g/L/h, 참조: Lee et al., Korean J. of Chem, Eng., 13: 453-456 (1996))보다 월등히 높은 결과이다.

저온 멸균법을 이용한 회분식 배양에서처럼, 내부여과기 모듈을 장착한 발효기를 이용한 연속 배양에서도 저온 멸균에 의한 오염문제는 발생하지 않아 목질계 당화액을 이용한 에탄올 등 유용물질 생산에 있어서 매우 효율적인 공정이었으며, 이를 폐목재, 도시유기성 폐기물로부터 에탄올 생산에 응용하는 경우 생산성이 높으므로 경제적인 측면에서 매우 긍정적인 결과를 얻었다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명은 저온 멸균을 이용하여 목질계 바이오 매스로부터 고농도 에탄올을 생산하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명에 의하면, 기존의 고온 멸균법을 사용하여서는 발효가 불가능한 180g/L 포도당 농도의 고농도 목질계 당화액을 저온 멸균법과 내부여과기를 장착한 연속 발효기를 이용하여 기존 방법으로는 얻을 수 없는 76.9g/L의 에탄올 농도와 16.9 g/L/h의 에탄올 생산성을 얻을 수 있었다.

따라서 본 발명은 미생물을 이용하여 목질계 바이오매스로부터 유용한 물질을 생산하기 위해 필수적인 목질계 바이오매스의 전처리, 당화 및 멸균시 생기는 독성물질의 영향을 저온 멸균과 고생산성 발효로 최소화하여 유용물질 생성률을 향상시켜 값싸고 풍부한 목질계 바이오매스로부터 미생물을 이용하여 에탄올 등을 포함한 유용물질을 생산하는 공정의 산업화에 기여할 것이다.

Claims (7)

1. 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스의 전처리·당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

   당화액의 멸균시 저온 멸균법을 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후 당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하여 에탄올을 발효 생산하는 회분식 방법을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법
2. 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스의 전처리·당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

   당화액의 멸균시 저온 멸균법과 활성탄 처리를 병행 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후 당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하여 에탄올을 발효 생산하는 회분식 방법을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법
3. 폐목재, 도시유기성 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스를 전처리·당화액중의 포도당과 미생물을 반응시켜 에탄올을 생산하는 방법에 있어서,

   당화액의 멸균시 저온 멸균법을 사용하여 독성물질을 줄이는 단계를 거친 후 당화액중의 포도당에 산업균주인 사카로마이세스 세레비제를 접종하고 내부여과기 모듈을 장착한 발효기를 이용하여 에탄올을 연속식으로 생산하는 방법을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법
4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 저온 멸균법은 당화액의 멸균을 60℃∼70℃로 30∼120분간 행하는 것을 특징으로 하는 저온 멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법
5. 제 3항에 있어서,

   내부여과기 모듈을 장착한 발효기를 이용한 연속식 에탄올 생산 방법은 연속식 발효는 먼저 회분식으로 발효를 수행한 뒤에 기질이 전부 소모된 후 적정한 희석속도 0.22 h^-1이상으로 운전하면서 배지를 공급하여 발효를 수행하고, 발효기내의 세포의 활성을 높게 유지하기 위해 0.5 ∼ 1.0 vvm으로 공기를 공급하며 발효액중의 효모 균체를 내부여과 하는 것을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서

   상기 배지는 포도당 180 g/L이하가 포함된 목질계 당화액 만을 사용한 것을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 발효기 내부에 장착된 여과기 모듈은 원통형 다공성 세라믹 튜브(기공크기 0.3 미크론 이하)로 구성되어 있고 여과 표면적이 발효액 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 저온멸균법을 이용한 목질계 당화액으로부터 고농도 에탄올 제조 방법.