KR20020072326A - 음식물 찌꺼기를 이용한 고농도의 에탄올 생산을 위한발효 기술 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물 찌꺼기를 원료로 하여 에탄올을 생산함에 있어 고농도 에탄올을 생산하기 위한 발효 기술에 관한 것이다. 고체상의 음식물 쓰레기에 누룩을 사전 배양한 후, 효모를 첨가하여 1차 발효를 실시하고, 연속적으로 음식물 찌꺼기를 첨가함으로 동시ㆍ당화 발효를 통하여 고농도의 에탄올을 생산하는 것을 특징으로 하는 발효기술로 에탄올 생산에 있어 음식물 찌꺼기라는 저가의 원료를 이용하매여 고농도의 에탄올을 생산함으로, 저렴한 비용으로 청정 연료나 화학원료로 사용되는 에탄올을 생산하며, 또한 음식물 쓰레기에 의한 환경오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

음식물 찌꺼기를 이용한 고농도의 에탄올 생산을 위한 발효 기술{Fermentation Technique for the Production of High Concentration Ethanol from Food Wastes}

(1) 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 음식물 찌꺼기를 원료로 하여 에탄올을 생산함에 있어 고체상의 음식물 찌꺼기에 누룩을 배양하여 당화를 시킨 후, 효모(Saccharomycescerevisiae)를 첨가하여 발효를 실시하며, 연속적으로 음식물 찌꺼기를 첨가해 줌으로 누룩에 의한 당화와 효모에 의한 발효가 연속적으로 일어나 고농도의 에탄올을 생산할 수있는 발효 기술에 관한 것이다.

(2) 배경 기술

각종 유기물과 수분을 주성분으로 하는 음식물 찌꺼기는 손쉽고 경제적이었던 단순 매립 방법에 의해 처리되는 것이 일반적이었으나, 매립지 부족과 침출수로 인한 토양과 수질 오염 등의 문제로 인하여 최근에는 소각처리나 유기질 비료 또는 사료 등으로 재활용하는 방안들이 나오고 있다.

그러나 음식물 찌꺼기를 소각 처리하는 경우, 다른 건조한 쓰레기들과 혼합하여 소각하더라도 음식물 찌꺼기에 함유된 수분으로 인하여 소각 효율이 저하될 뿐만 아니라 저온 소각시 발행하는 다이옥신이 공해를 일으키는등 또 다른 문제점을 발생시키고 있다.

이로 인하여 최근에는 매립 또는 소각과 같은 단순 폐기 방법으로부터 음식물에 포함된 유기물을 적절히 이용하는 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 연구의 대부분이 음식물 찌꺼기로부터 유기질비료나 사료를 생산하는 것으로 부가가치가 대체로 미흡한 편이다.

바이오매스(biomass)로부터 생산할 수 있는 에너지원으로는 에탄올, 메탄가스, 수소가스 등이 있으며, 이들 중에서 에탄올은 바이오매스를 에탄올 발효시켜 얻을 수 있다. 에탄올은 완전 연소가 가능하여 대기오염 문제를 유발하지 않으며, 특히 가솔린 대신에 자동차 연료로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 공업용 화학 물질의 합성 원료로도 사용되는 등 그 용도가 다양하다.

이미 미국과 브라질 등에서는 에탄올과 가솔린을 혼합한 가소홀(gasohol)을자동차 연료로 사용하여 석유를 대체하고 있으며, 바이오매스(biomass)로부터 발효를 통하여 에탄올 생산하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다..

가솔린과 혼합된 에탄올은 옥탄가를 높여주는 역할을 하여 연료 효율을 증가시키며 대기오염도 감소시켜주는 부수적 효과를 가진다. 미국에서는 'Clean Air Act'가 발표되면서 석유소비를 억제하고 깨끗한 에너지인 생물에너지 소비를 유도하는 노력이 범국가적인 차원에서 진행하고 있다.

미생물에 의한 에탄올의 산업적인 생산 공정은 원료인 기질의 전처리공정, 에탄을 발효 공정, 분리 및 정제 공정의 3단계로 대별할 수 있다. 일반적으로 에탄올 생성 기질로는 카사바(Cassaval, 사탕수수, 옥수수, 당밀 등이 이용되는데, 이러한 발효 공정은 주로 아래의 화학식과 같이 바이오매스에 포함된 6탄당 또는 5탄당을 효모로 발효시켜 에탄올로 전환시키는 것이며, 6탄당의 경우 실제 발효 수율은 이론 수율의 약 90%인 0.46g ethanol/g glucose 정도이다.

이와 같은 식물 원료를 이용한 에탄올의 생산에는 원료비가 에탄올 생산 단가의 약 30∼60%를 차지하고 있는데 보다 경제적인 에탄올 생산을 위해서는 값싼 원료를 이용하는 것이 필수이며, 동시에 원료에 대한 에탄올 수율 향상 및 생성속도의 증가가 동반되어야 한다.

그러나 기존의 효모만을 이용한 단순 발효기술은 음식물 찌꺼기를 원료로 사용할 경우, 음식물 찌꺼기의 특성상 효모에 의한 에탄올 발효에 있어 그리 효율적인 기질이 되지 못하였다.

본 발명의 목적은 값싼 원료를 이용하여 저가의 에탄올을 생산하여 대체 에너지를 개발하고 또한 심각한 환경 문제를 야기하고 있는 음식물 쓰레기들을 보다 효율적으로 활용함으로써 음식물 쓰레기에 관련된 환경 문제를 해결하는데 기여하고자 하는 것이다.

본 발명은 음식물 찌꺼기를 원료로 하여 에탄올을 생산함에 있어 음식물 찌꺼기에 함유된 유기물 이용의 극대화을 통하여 고농도의 에탄올 생산을 위하여 음식물 찌꺼기에 직접적으로 누룩을 배양하여 효모에 의한 에탄올 발효 효율이 최적화를 이룰 수 있는 조건을 제공하는 연속적 발효 기술이다.

도1은 1차 발효를 시작한 후, 5일이 경과한 시점에서 전처리한 음식물 찌꺼기와 일반 음식물 찌꺼기의 첨가

도2는 1차 발효를 시작한 후, 24시간과 48시간이 경과한 시점에서 일반음식물 찌꺼기의 첨가

도3은 1차 발효를 시작한 후 24시간이 경과한 시점에서 전처리한 음식물 찌꺼기와 일반 음식물 찌꺼기를 첨가

본 발명에 따라, 음식물 찌꺼기를 원료로 하여 에탄올을 생산함에 있어 고체상의 음식물 찌꺼기에 누룩을 사전 배양하고 효모에 의한 발효를 시킬 때 연속적으로 음식물 찌꺼기를 첨가함으로 누룩과 효모의 순차적 동시 당화ㆍ발효와 연속적 발효 기술이 제공된다.

본 발명에서 음식물 찌꺼기라 함은 가정, 음식점, 집단 급식소 등에서 발생되는 탄수화물, 지방, 단백질 및 섬유소 등을 주성분으로 하는 밥, 면류, 과실류, 채소류, 생선류, 고기류 등을 포함하고 있어서 본 발명에 따른 방법에 의해 에탄올을ㆍ생성할 수 있는 음식물 찌꺼기를 의미한다.

1단계 공정은 음식물 찌꺼기를 증기로 증자하여 건조시킨 후, 누룩을 배양하는 당화 과정이다.

2단계 공정은 누룩을 충분히 배양한 음식물 찌꺼기에 효모를 첨가하여 효모에 의한 1차 발효가 일어나도록 하는 공정이다.

3단계 공정은 에탄올 발효가 어느 정도 일어나면 음식물 찌꺼기를 첨가하며 최종적으로 에탄올 농도를 높이는 공정이다.

1단계 공정에서 물기를 제거한 음식물 찌꺼기를 누룩의 배양에 용이하도록 적당한 크기로 분쇄한다. 분쇄된 음식물 찌꺼기를 고온(100℃)의 증기로, 40분간 쪄서 음식물 찌꺼기의 조직이 연하여지도록 증자한 다음, 음식물 찌꺼기을 접종하여 배양한다.

본 발명에 사용하는 누룩은 곰팡이, 효모, 세균 등의 미생물들(예,Aspegillussp.,Rhizopussp.,Penicilliumsp.,Mucorsp.,Absidiasp.,Bacillussp.,Candidasp.,Saccaromyces, Lactic acid bacteria 등)을 함유하고, 이들 미생물에 포함된 α,β-amylase, Glucoamylase, Maltase, Invertase, Cellulase, Inulinase, Lipase, Protease 등의 효소 작용으로 음식물 찌꺼기 중에 함유되어 있는 탄수화물, 지방, 단백질 등을 단당류, 지방산, 글리세롤, 아미노산 등으로 분해하고, 비타민 B₁과 B₂등을 생성하며 각종 유기산(Kojic acid, Gluconicacid, Lactic acid, Fumaric acid, Citric acid, Acetic acid, Succinic acid, Malic acid, Oxalic acid 등)을 만들어 에탄올 발효를 위한 최적 환경을 조성한다.

2단계 공정은 종국의 배양이 끝난 시점에서 효모(Saccharomycescerevisiae)를 접종하고 효모의 활성 온도(30℃)로 발효 온도를 유지하며 1차발효를 실시한다.1차 발효시에에는 종국 배양시 만들어진 당을 효모가 이용하여 에탄올을 만들면서 효모의 활성화가 일어나도록 하는 공정이다.

3단계 공정은 효모에 의해 당이 거의 소모된 시점에 음식물 찌꺼기를 첨가해 줌으로 발효조 내에서 당화와 발효가 동시에 이루어지는 공정, 즉 새로이 첨가된 음식물 찌꺼기를 누룩이 당화하여 당을 만들면 효모가 바로 이용하여 에탄올을 만들고 소모된 당은 누룩에 의해 다시 생산되는 공정이다.

실시예 1 : 누룩에 의한 당화 및 효모에 의한 연속적 발효

물기를 제거한 음식물 찌꺼기를 적당히 분쇄한 후 100℃의 증기로 40분간 처리하여 멸균 및 조직을 부드럽게 한 다음, 품온이 20∼26℃ 정도로 떨어졌을 때 누룩의 종국을 접종하여 26℃에서 72시간동안 배양하였다.

이와 같이 누룩의 종국을 직접 배양한 음식물 찌꺼기 200g에 지하수를 첨가하여 1,00ml이 되도록 하였다.

효모를 1.0%로 첨가하여 30℃에서 배양을 실시하였고 120시간이 지난후 당화시킨 음식물 찌꺼기와 일반 음식물 찌꺼기를 각각 200g/L로 첨가하여 도1과 같은 결과를 얻었으며, 일반 음식물 쓰레기 200g/L를 각각 24시간, 48시간 후에 첨가하여 도2와 같은 결과를 얻었으며, 당화시킨 음식물 찌꺼기와 일반 음식물 쓰레기를 각각 200g/L로 첨가하여 도3과 같은 결과를 얻었다.

에탄올의 정량은 FID(Flame lonization Detector)를 이용한 가스 크로마토그래피(DS6200, 도남, 한국)로 측정하였다. 이 때 컬럼은 Porapak Q를 사용하였고, 가스 크로마토그래피의 주입부, 검출기, 오븐의 온도는 모두 200℃로하였다.

이상에서 설명한 본 발명에 따라 물기를 제거한 고체상의 음식물 찌꺼기에 누룩의 종국을 직접 배양한 것을 효모에 의하여 1차 발효시킨 후, 일반음식물 찌꺼기를 첨가하여 순차적 동시 당화ㆍ발효 및 연속적으로 발효하는 기술은 음식물 찌꺼기를 원료로 한 에탄올 생산에 있어 고농도의 에탄올 생산이 가능하도록 하여 저렴한 비용으로 청정연료나 화학원료로 사용하는 에탄올을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 원료물질로 음식물 찌꺼기를 이용함으로 음식물 쓰레기에 의한 환경 오염을 줄일 수도 있는 효과가 있다

Claims (2)

1. 음식물 찌꺼기를 원료로 하여 에탄올을 생산함에 있어 물기를 제거한 고체상의 음식물 찌꺼기에 누룩의 종국을 직접 배양하는 전처리 방법
2. 효모를 첨가하여 1차 발효를 실시한 후, 음식물 찌꺼기를 첨가하여 본 발효를 실시하는 연속적 발효 방법