KR20100024665A - Method of producing hydrolysate from sea algae using acidic ionic liquid catalysts - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for preparing sea algae-derived saccharification liquid using an ion liquid and a method for manufacturing bio fuel are provided to suppress or minimize the generation of 5-HMF(5-hydroxymethylfurfural) and to lower processing costs. CONSTITUTION: A saccharification liquid is prepared by treating acidic ion liquid to polysaccharide extracted from sea algae. The acidic ion liquid is imidzolium, phosphonium, ammonium, morpholinium, or choline. The polysaccharide is gelidium jelly, starch, carrageenan, alginic acid, or cellulose. The sea algae are large seaweed or microalgae. The monosaccharide is galactose, galactose derivative, 3,6-anhydro galactose, glucose, fucose, rhamnose, xylose, or mannose. A method for manufacturing biofuel comprises: a step of treating acidic ion liquid catalyst to polysaccharide extracted from sea algae to obtain monosaccharide; and a step of fermenting the monosaccharide using microorganisms. The biofuel is C1-C4 alcohol or C2-C4 ketone.

Description

산성 이온성 액체를 촉매로 이용한 해조류 유래 당화액의 제조 방법{Method of producing hydrolysate from sea algae using acidic ionic liquid catalysts}Method of producing hydrolysate from sea algae using acidic ionic liquid as catalyst

본 발명은 이온성 액체를 산당화 촉매로 이용한 해조류 유래 당화액의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해조류를 원료로 산당화 시 발효 저해 물질인 5-HMF(5-hydroxymethylfurfural)의 생성을 억제 또는 최소화할 수 있도록 이온성액체를 촉매로 이용하여 당화액을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a seaweed-derived saccharified solution using an ionic liquid as an acid glycosylation catalyst, and more particularly, inhibits or minimizes the production of 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural), which is a fermentation inhibiting substance when acid alkalizing is used as a raw material. The present invention relates to a method for preparing saccharified solution using an ionic liquid as a catalyst.

바이오연료는 바이오매스(biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로서, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. 바이오연료의 원료가 되는 물질인 바이오매스는 크게 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)로 나누어지는데, 당질계의 경우 원료를 비교적 간단한 전처리 과정 후 이어지는 발효 공정을 통해 곧바로 바이오연료로 전환이 가능하지만, 전분질계와 목질계의 경우에는 적절한 전처리 과정과 당화 공정을 거친 당화액을 이용한 발효 공정을 통해 바이오연료를 제조할 수 있다. 목질계는 도시 폐기물 형태의 폐목재나 삼림 곳곳에 흩어져 있는 임산 부산물을 원료로 이용할 수 있으며, 식량으로서 활용가치가 없어 원료 수급의 안정 성은 확보될 수 있으나, 공정상 반드시 수반되어야 하는 리그닌 제거 전처리 공정으로 인한 공정비 상승과 함께, 목질계 셀룰로오스 기질의 특징인 수소결합으로 이루어진 crystalline 구조로 인해 당화 수율이 낮아 경제성이 낮은 단점이 있다.Biofuel is a generic term for energy obtained by using biomass as a raw material, and is obtained through direct combustion, alcohol fermentation, methane fermentation, and the like. Biomass, a raw material of biofuel, is divided into sugar-based (sugar cane, sugar beet, etc.), starch-based (corn, potato, sweet potato, etc.), and wood-based (wood, rice straw, waste paper, etc.). In the case of raw materials, biofuel can be directly converted into biofuel through a fermentation process following a relatively simple pretreatment process. However, in the case of starch and wood, biofuel is manufactured through fermentation process using saccharified liquid after proper pretreatment and saccharification process. can do. Wood-based materials can use waste wood in the form of urban waste or forest by-products scattered throughout the forest as raw materials, and there is no useful value as food, so the stability of supply and demand of raw materials can be secured, but the lignin removal pretreatment process must be accompanied in the process. Due to the increase in the process cost, due to the crystalline structure consisting of hydrogen bonds, which is a characteristic of the wood-based cellulose substrate, there is a disadvantage that the economic efficiency is low due to low saccharification yield.

수송용 대체연료로서 바이오연료의 성공적인 상업화는 가솔린 대비 바이오연료, 예컨대 바이오에탄올의 가격 경쟁력 확보에 있다. 통상적으로 바이오연료 제조 단가 중 원료비와 공정비가 차지하는 비율은 바이오매스의 종류와 공정에 따라서 편차가 크다. 예컨대, 사탕수수나 사탕무를 이용하는 당질계의 경우 원료비 : 공정비가 약 75 : 25 정도인 반면, 옥수수, 감자, 카사바 등의 전분질계는 약 50 : 50 이고, 목질계의 경우는 약 25 : 75 정도이다.The successful commercialization of biofuels as an alternative fuel for transportation lies in securing the price competitiveness of biofuels such as bioethanol over gasoline. In general, the ratio of raw material costs and process costs among biofuel manufacturing costs varies widely depending on the type and process of biomass. For example, in case of sugar system using sugar cane or sugar beet, raw material cost: process cost is about 75: 25, while starch system of corn, potato, cassava, etc. is about 50: 50, and in case of wood system, about 25: 75 to be.

그러나, 목질계를 제외하고는 현재 상용화된 바이오연료 생산 기술은 인간이 식량으로 사용할 수 있는 당질계 또는 전분질계 원료를 사용하므로 식량을 에너지원으로 사용한다는 문제뿐만 아니라, 앞으로 식량 수요가 늘어날 경우 원료 수급 문제가 발생할 수 있으며, 경제적인 측면에서도 곡물을 사용하는 것은 원료비용 측면에서 문제가 된다. 또한, 옥수수 재배는 상당량의 농약과 질소비료를 필요로 할 뿐 아니라 다른 작물에 비해 토양을 심하게 부식시키거나 이산화탄소를 배출하는 등 환경적인 단점도 존재한다.However, except for the wood-based biofuel production technology that is currently commercialized, it uses the sugar- or starch-based raw materials that humans can use as food. Supply-demand problems can occur, and economically, using grains is a problem in terms of raw material costs. In addition, corn cultivation requires a considerable amount of pesticides and nitrogen fertilizers, as well as environmental disadvantages such as severely corroding the soil or emissions of carbon dioxide compared to other crops.

바이오 에탄올은 2006년 현재 전세계적으로 약 513억 리터 규모로 생산되고 있다. 당질계를 이용한 바이오연료, 구체적으로 바이오에탄올의 전 세계 생산량은 약 187억 리터(2006년 기준)이고, 주요 생산국은 브라질, 인도, 대만이며, 이중 브라질이 178억 리터를 생산할 정도로 브라질이 주도하고 있다(글로벌바이오에너지파 트너십(GBEP), 2006). 브라질은 풍부한 자원인 사탕수수를 원료로 수송용 바이오에탄올 생산이 활발히 진행되고 있으며, 실제 다양한 형태의 에탄올 혼합 가솔린(gasohol)이 보급되고 있다. 2003년에는 에탄올과 가솔린의 함량이 변화해도 운행이 가능한 FFV(Flexible Fuel Vehicle)이 판매되기 시작했으며, 2005년 5월 현재 총 승용차 판매수의 약 50%를 점유한 상태이다.Bioethanol is produced in 2006 at about 50.1 billion liters worldwide. The world production of biofuels using saccharides, in particular bioethanol, is about 17.7 billion liters (as of 2006), and the main producers are Brazil, India and Taiwan. (Global Bio Energy Partnership (GBEP), 2006). Brazil is actively producing bioethanol for transportation using sugarcane, which is an abundant resource, and various types of ethanol-mixed gasoline (gasohol) are being spread. In 2003, FFV (Flexible Fuel Vehicle), which can operate even if the ethanol and gasoline contents change, began to be sold, and as of May 2005, it accounted for about 50% of the total sales of passenger cars.

옥수수를 이용한 바이오에탄올의 전 세계 생산량은 약 198억 리터(2006년 기준)이고 주요 생산국은 미국, 유럽, 중국이며 이중 미국이 185억 리터를 생산할 정도로 주도하고 있다(표 1 참조). 미국은 오일쇼크 직후인 1978년에 에너지세법(Energy Tax Act)를 제정하여 에탄올 10% 이내를 함유하는 가솔린에 대해 갤런당 4 $의 연방세 감세혜택을 주어 보급을 확대하고 있다. 이와 같이 미국은 넓은 경작지와 풍부한 자원인 옥수수를 원료로 수송용 바이오연료의 생산이 활발히 진행되고 있고, 신재생에너지 기술개발을 통해 석유의존 경제에서 탈피할 고급 에너지 기술을 개발하고 있으며, 대체 에너지 개발의 일환으로 에탄올 생산기술의 개발을 추진하고 있고, 옥수수를 이용한 연료용 에탄올 생산 기반이 확대되는 추세이다.Global production of corn-based bioethanol is about 19.8 billion liters (as of 2006), with major producers in the United States, Europe and China, with the United States producing 18.5 billion liters (see Table 1). The United States enacted the Energy Tax Act in 1978, shortly after the oil shock, to expand the supply of gasoline containing less than 10% ethanol to a federal tax cut of $ 4 per gallon. As such, the United States is actively producing biofuels for transportation based on corn, which is a large cropland and abundant resources, and developing advanced energy technologies to escape the oil-dependent economy through the development of renewable energy technologies. As part of its efforts to develop ethanol production technology, the ethanol production base for corn fuel is expanding.

목질계를 이용한 바이오연료 제조기술은 아직 상용화 단계까지 이르지 못했으므로 관측된 산업동향은 없다. 하지만 캐나다의 Iogen 사의 경우 목질계 바이오매스를 이용한 제조기술을 활발히 개발하고 있고, 미국은 차세대 바이오매스로서 농업 폐기물 및 식물 원료로부터 에탄올을 추출하는 기술을 2012년까지 상용화하기 위해 2007년 예산에 150백만불을 투입할 예정이며, 이를 통해 전체 수송연료의 30% 를 에탄올로 대체하는 것을 추진 중에 있다.Biofuel manufacturing technology using wood based materials has not yet reached the commercialization stage, so there are no observed industrial trends. However, Canada's Iogen is actively developing manufacturing technology using wood-based biomass, and the US is the next generation biomass, with a budget of $ 150 million in 2007 to commercialize the technology to extract ethanol from agricultural waste and plant raw materials by 2012. The company plans to replace ethanol with 30% of the total transportation fuel.

한편, 해조류는 크게 대형조류(macroalgae)와 미세조류(microalgae)로 나누어지며 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 해조류는 종래의 여타 바이오매스에 비해 생장성이 훨씬 우수하고(아열대 지방의 경우 연 4~6회 수확 가능), 드넓은 바다를 이용할 수 있으므로 가용재배 면적이 넓으며, 담수, 토지, 비료 등 원가가 높은 자원의 사용이 적다는 장점이 있다. 또한, 목질계의 경우 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없으므로 바이오연료의 제조 공정이 간단하고, 총에너지 전환 수율도 높다. 뿐만 아니라 해조류는 이산화탄소 연간 흡수량이 ha당 36.7톤으로서 목질계보다 5~7배 높은 장점이 있으며, E20(20% 에탄올이 첨가된 휘발유)을 사용한다고 가정할 때 연간 온실가스 저감율은 약 27%로, 이를 금액으로 환산 시 약 3,000억원의 탄소세 절감효과를 거둘 수 있다(표 1).On the other hand, algae are largely divided into macroalgae and microalgae, and large algae include red algae, brown algae, green algae, microalgae, chlorella and spirulina. Algae have much better growth than other biomass in the past (4 to 6 times a year in the subtropical region), and because of the large seas available, the available cultivation area is large, and the cost of fresh water, land, fertilizer, etc. Has the advantage of using less resources. In addition, in the case of wood, there is no lignin component to be removed, so the manufacturing process of the biofuel is simple, and the total energy conversion yield is high. In addition, algae have an annual uptake of 36.7 tons of carbon dioxide, which is 5 to 7 times higher than that of wood, and the annual greenhouse gas reduction rate is about 27% assuming that E20 (20% ethanol-added gasoline) is used. This translates into approximately $ 300 billion in carbon tax savings (Table 1).

[표 1] 육상식물과 해양식물의 특징 비교[Table 1] Comparison of Characteristics of Land Plants and Marine Plants

구 분division 육상식물Land plants 해양식물Marine plants 당/전분질계Sugar / Starch System 목질계Wood 해조류Seaweed 원료Raw material 사탕수수, 옥수수Sugar cane, corn 목재류Timber 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니Barley, flied, kotoni 원료 생산 주기Raw material production cycle 1년에 1~2회1 ~ 2 times a year 최소 8년 이상At least 8 years 1년에 4~6회4 to 6 times a year 단위면적당 원료 생산량(톤/ha) Raw material production per unit area (tons / ha) 180180 99 565565 단위면적당 CO2 흡수량(톤/ha)CO 2 absorption per unit area (tons / ha) 5-105-10 4.64.6 36.736.7 제조 공정Manufacture process 간단simple 복잡(리그닌 제거)Complex (Leignin Removal) 간단(리그닌 부재)Simple (no lignin) 재배환경Cultivation environment 태양광, CO2, 담수, 토지, 비료Solar, CO 2 , Freshwater, Land, Fertilizer 태양광, CO2, 담수, 토지, 비료Solar, CO 2 , Freshwater, Land, Fertilizer 태양광, CO2, 해수Solar, CO 2 , Seawater

그러나, 해조류는 지금까지 주로 전기영동 시약, 비료, 유화제, 항암제 등 정밀화학 소재 및 의학 소재에 이용하거나, 식용, 약용 등 건강식품류로만 활용되어 왔을 뿐, 이를 이용한 바이오연료 개발에 관한 연구는 전무한 실정이다.However, until now, algae have been mainly used in fine chemicals and medical materials such as electrophoretic reagents, fertilizers, emulsifiers, and anticancer agents, or used only as health foods such as edible and medicinal products. to be.

본 발명은 상기와 같은 종래 바이오연료 제조 방법상의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것이다. 종래 바이오연료의 원료로 사용되던 당질계, 전분질계 또는 목질계 원료 대신 해조류를 원료로 사용함으로써 기존 원료 사용 시 나타나는 낮은 당화 효율을 극복하고 산성기를 갖는 이온성 액체를 산당화 촉매로 이용하여 당화 시 발효저해 물질인 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural)의 생성을 억제 혹은 최소화 할 수 있는 당화액의 제조방법 및 이의 당화액을 이용한 바이오연료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to improve the problems in the conventional biofuel manufacturing method as described above. By using seaweed as a raw material instead of sugar, starch or wood based raw materials, which are used as raw materials for conventional biofuels, it overcomes the low glycosylation efficiency that occurs when using existing raw materials and uses fermentation upon saccharification using an ionic liquid having acidic groups as an acid glycosylation catalyst. An object of the present invention is to provide a method for preparing a saccharified solution capable of inhibiting or minimizing the production of 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural) as an inhibitor and a method for producing a biofuel using the saccharified solution thereof.

본 발명은 해조류 원초 또는 해조류에서 추출한 다당류 물질에 산성 이온성 액체 촉매를 처리하여 단당류를 생성시키는 당화액의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a saccharified solution that generates monosaccharides by treating an acidic ionic liquid catalyst with a polysaccharide material extracted from seaweeds or seaweeds.

또한, 본 발명은 상기 산성 이온성 액체 촉매가 하기 화학식 1~5로 표시되는 이미다졸륨, 포스포늄, 암모늄, 모폴리늄, 콜린으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다:In addition, the present invention is a method for producing a saccharified solution, characterized in that the acidic ionic liquid catalyst is selected from the group consisting of imidazolium, phosphonium, ammonium, morpholinium, choline represented by the following formula (1-5) to provide:

Figure 112008060747411-PAT00001
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Figure 112008060747411-PAT00004
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Figure 112008060747411-PAT00005
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(상기 식에서 R1, R2, R3, R4는 각각 독립적으로 C1~C8의 알킬, 페닐, 벤질 또 는 플루오르화 알킬이고, A는 SO4,SO3, BH3, n(AlCl3) (n = 1 또는 2), CF3COO, CH3COO, HPO4, p-CH3(C6H4)SO3 등의 브뢴스테드 산성도를 가질 수 있는 분자).Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently C 1 to C 8 alkyl, phenyl, benzyl or fluorinated alkyl, and A is SO 4 , SO 3 , BH 3 , n (AlCl 3 ) (n = 1 or 2), molecules that may have Bronsted acidity such as CF 3 COO, CH 3 COO, HPO 4 , p-CH 3 (C 6 H 4 ) SO 3, and the like.

또한, 본 발명은 상기 산성 이온성 액체 촉매가 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is the acidic ionic liquid catalyst [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C It provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that selected from the group consisting of 1 ~ C 8 ).

또한, 본 발명은 상기 추출시의 추출용매가 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4, H3PO4, PTSA 및 상용 고체산으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is that the extraction solvent at the time of extraction is selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 , H 3 PO 4 , PTSA and commercial solid acid Provided is a method for producing a saccharified solution.

또한, 본 발명은 상기 다당류 물질이 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a saccharified solution, wherein the polysaccharide material is selected from the group consisting of agar, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin.

또한, 본 발명은 상기 해조류가 대형조류 또는 미세조류인 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that the algae is a large algae or a microalgae.

또한, 본 발명은 상기 대형조류가 홍조류, 갈조류 및 녹조류로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that the large algae is selected from the group consisting of red algae, brown algae and green algae.

또한, 본 발명은 상기 홍조류가 우뭇가사리, 코토니, 개도박, 김, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 및 지누아리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, the red algae wormwood, kotoni, dog gambling, laver, round seaweed, ox radish, buckwheat, green leaf starfish, stalks, jindubal, sesame gambling, spiny radish, silk grass, scabbard, stone star, stone and Jinu It provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that selected from the group consisting of Ari.

또한, 본 발명은 상기 갈조류가 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이 및 톳으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention the brown alga is a group consisting of seaweed, kelp, barn horse, minji horse, shellfish, hooked seaweed, seaweed iron, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, iron seaweed cousin, mabanban, hoesaeng mabanban, jichung and 이 It provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that selected from.

또한, 본 발명은 상기 녹조류가 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴 및 염주말로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a saccharified solution, wherein the green alga is selected from the group consisting of Cheongtae, Hakkham, green onion, hearing, bead hearing, jade and salt sake.

또한, 본 발명은 상기 단당류가 갈락토오스, 갈락토오스 유도체, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that the monosaccharide is selected from the group consisting of galactose, galactose derivatives, 3,6-anhydrogalactose, glucose, fucose, rhamnose, xylose and mannose. to provide.

또한, 본 발명은 상기 단당류가 우무에 대해 0.05~30% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~200℃ 온도에서 0 초과 ~ 6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a saccharified solution, characterized in that the monosaccharide is produced by reacting with aerosol at 0 ~ 6 hours at a temperature of 60 ~ 200 ℃ using an acidic ionic liquid catalyst of 0.05 ~ 30% concentration. to provide.

또한, 본 발명은 상기 단당류가 섬유소에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 80~300℃의 온도에서 0 초과 ~ 6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for producing a saccharified liquid, characterized in that the monosaccharide is produced by reacting the fiber with an acidic ionic liquid catalyst at a concentration of 0.05 to 50% at a temperature of 80 to 300 ℃ more than 0 to 6 hours. To provide.

또한, 본 발명은 상기 단당류가 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~300℃ 온도에서 0 초과~6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for producing a saccharified liquid, characterized in that the monosaccharide is produced by reacting with the acidic ionic liquid catalyst at a concentration of 0.05 to 50% with respect to the raw seaweeds at 60 to 300 ℃ temperature for more than 0 to 6 hours To provide.

또한, 본 발명은 상기 단당류가 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~300℃ 온도에서 0 초과~6시간 동안 반응시킨 후, 잔류 섬유소 혹은 전분을 대상으로 상기 반응조건에서 2차 혹은 3차 당화반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, after the monosaccharide is reacted with the acidic ionic liquid catalyst of 0.05 ~ 50% concentration to the algae vinegar at 60 ~ 300 ℃ temperature for more than 0 to 6 hours, the target for the remaining cellulose or starch Provided is a method for producing a saccharified solution, which is produced by a secondary or tertiary saccharification reaction under reaction conditions.

또한, 본 발명은 해조류 원초 또는 해조류에서 추출한 다당류 물질에 산성 이온성 액체 촉매를 처리하여 단당류를 생성하는 단계; 및In addition, the present invention comprises the steps of treating the acidic ionic liquid catalyst to the polysaccharide material extracted from seaweeds or algae to produce monosaccharides; And

또한, 본 발명은 상기 단당류를 미생물에 의해 발효시키는 단계를 포함하는 바이오연료의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a biofuel comprising the step of fermenting the monosaccharides by a microorganism.

또한, 본 발명은 상기 바이오연료가 C1 내지 C4의 알코올 및 C2 내지 C4의 케톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a biofuel, characterized in that the biofuel is selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and C 2 to C 4 ketone.

또한, 본 발명은 상기 발효 미생물이 사카로마이세스 세레비시애, 사르시나 벤트리큘리, 클루이베로마이세스 프라질리스, 자이고모모나스 모빌리스, 클루이베로마이세스 막시아너스 IMB3, 브레타노마이세스 쿠스테르시이, 클로스트리디움 아세토부틸리쿰, 클로스트리디움 바이예링키, 클로스트리디움 아우란티부틸리쿰 및 클로스트리디움 테타노모르퓸으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is the fermentation microorganisms Saccharomyces cerevisiae, Sarcina ventriculum, Kluyberomyces prasilis, Zygomonas Mobilis, Kluyberomyces maxianus IMB3, Bretanomyces custersii , Clostridium acetobutylicum, Clostridium Baierinkie, Clostridium aurantibutyllicum and Clostridium tetanomorphium are provided. .

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

본 발명의 당화액의 제조 방법 또는 바이오연료의 제조 방법은,Method for producing saccharified solution of the present invention or method for producing biofuel,

해조류 원초 또는 해조류에서 추출한 다당류 물질에 산성 이온성 액체 촉매를 처리하여 단당류를 생성하는 단계; 및Treating the acidic ionic liquid catalyst with a polysaccharide material extracted from seaweed grass or seaweed to produce monosaccharides; And

상기 단당류를 미생물에 의해 발효시키는 단계를 포함한다.Fermenting the monosaccharide by a microorganism.

본 발명에 있어서, 상기 바이오연료로는 C1 내지 C4의 알코올, C2 내지 C4의 케톤 등이 될 수 있으며, 이중에서 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 아세톤인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 다당류 물질로는 우무, 전분, 섬유소, 카라기난, 알긴산 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the biofuel may be C 1 to C 4 alcohol, C 2 to C 4 ketone, and the like, of which methanol, ethanol, propanol, butanol or acetone is preferable, but is not limited thereto. It is not. In addition, the polysaccharide material may include, but is not limited to, radish, starch, fiber, carrageenan, alginic acid, and the like.

본 발명의 바이오연료의 제조 방법에서 사용되는 해조류로는 대형조류 또는 미세조류가 제한 없이 사용될 수 있으며, 상기 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류 등이 있고, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 상기 홍조류로는 우뭇가사리, 김, 코토니, 개도박, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목, 지누아리 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이 중에서도 우뭇가사리를 사용하는 것이 바람직하다. 우뭇가사리는 홍조류중에서 종의 종류가 가장 다양하고 생장성이 우 수하며, 건조중량 기준으로 셀룰로오스 성분인 섬유소가 약 15~25%, 갈락탄이 주성분인 우무가 약 50~70% 정도 차지하며, 이 외에 15% 미만의 단백질과 7% 미만의 지질로 구성되어 있다. 상기 갈조류로는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이, 톳 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 갈조류는 다세포체이고, 조류 중에서 가장 잘 분화되어 있다. 상기 녹조류로는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 녹조류는 엽록소를 갖고 있어 광합성에 의해 전분류를 만든다. 상기 갈조류와 녹조류의 구성성분을 살펴보면, 갈조류에는 알긴산이 약 30~40%, 섬유소가 약 5~6% 포함되어 있고, 녹조류에는 탄수화물이 주성분인 전분류가 약 40~50%, 섬유소가 5% 미만 함유되어 있다.Algae used in the biofuel production method of the present invention can be used without limitation large algae or microalgae, the large algae include red algae, brown algae, green algae and the like, chlorella, spirulina and the like. As the red algae, wood starfish, laver, kotoni, dog gambling, round stone laver, ox radish, buckwheat, green grass, walnut, jindubal, sesame gourd, spiny radish, silk grass, vulgaris, stone star, stone tree, jinari But it is not limited thereto, and among them, it is preferable to use a stump. The most diverse species of red algae are the most diverse and excellent in their growth ability.The dry weight of wormwood is about 15-25% of cellulose, cellulose, and about 50-70% of galaxan-based radish. In addition, it consists of less than 15% protein and less than 7% lipid. As the brown algae, seaweed, kelp, barn horse, folk eggplant, shellfish, hooked seaweed, seaweed, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, iron seaweed cousin, mabanban, hoesan mabanban, jichungyi, 톳 and the like may be used. It doesn't happen. Brown algae are multicellular bodies and are best differentiated among algae. The green algae may be used, but are not limited to Cheongtae, Hakkham, blue, auditory, bead hearing, jade, salt-jumping, and the like. Green algae have chlorophyll and make starch by photosynthesis. Looking at the components of brown algae and green algae, brown algae contain about 30-40% of alginic acid and about 5-6% of fibrin, and green algae contain about 40-50% of starch, the main component of carbohydrate, and 5% of fibrin. It contains less than.

우무는 갈락토오스 폴리머로 이루어진 갈락탄이 주성분이며, 갈락탄은 적절한 저분자화 과정을 통해 갈락토오스 및 3,6-안하이드로갈락토오스 등의 단당류로 전환될 수 있다. 섬유소는 셀룰로오스로 이루어진 물질로서, 우뭇가사리의 경우 전체 성분의 약 15~25%를 차지한다. 상기 셀룰로오스는 적절한 효소나 산 촉매를 이용한 당화 공정을 통해 단당류인 글루코오스로 전환될 수 있다. 상술한 갈락토오스와 글루코오스는 발효 공정을 통해 바이오연료로 전환될 수 있는 전구체로 사용된다.Daikon is the main component of galactan composed of galactose polymer, and galactan can be converted into monosaccharides such as galactose and 3,6-anhydrogalactose through proper low molecular weighting process. Fibrin is a cellulose-based material, which is about 15-25% of the total content of woodworms. The cellulose may be converted into glucose, a monosaccharide, through a saccharification process using an appropriate enzyme or an acid catalyst. The above-described galactose and glucose are used as precursors that can be converted into biofuels through the fermentation process.

전분은 녹말이라고도 불리며, 녹색 식물의 엽록체 안에서 광합성으로 만들어져 저장되는 탄수화물로서, 글루코오스를 구성단위로 하는 다당류이다. 상기 전분 은 적절한 효소나 산 촉매를 이용한 당화 공정을 통해 단당류인 글루코오스로 전환될 수 있다.Starch, also called starch, is a carbohydrate that is made and stored photosynthesically in the chloroplasts of green plants. It is a polysaccharide composed of glucose. The starch may be converted into glucose, a monosaccharide, through a saccharification process using an appropriate enzyme or an acid catalyst.

상기 해조류에서 우무, 섬유소, 전분, 카라기난, 알긴산 등과 같은 다당류 물질을 추출하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술분야에 알려진 어떠한 방법도 사용가능하다. 한 바람직한 구현 예에 따르면, 해조류를 알칼리 수용액에 일정시간 침지시킨 후 물로 세척하고, 상기 세척된 해조류를 산성 약품으로 이루어진 추출용매에 일정시간 침지시켜 우무, 카라기난, 알긴산 성분을 추출한 후, 잔여 섬유소 및 전분류를 수집하는 단계를 통해 우무, 카라기난, 알긴산 성분 및 전분 또는 섬유소를 추출할 수 있다. 이때, 추출 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 80~150℃ 범위인 것이 바람직하다. 상기 산성 약품으로는 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4 (perchloric acid), H3PO4 (phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) 또는 상용 고체산 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 알칼리 수용액으로는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아 수용액 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The method for extracting polysaccharide materials such as radish, cellulose, starch, carrageenan, alginic acid and the like from the seaweed is not particularly limited, and any method known in the art may be used. According to one preferred embodiment, the seaweeds are immersed in an aqueous alkaline solution for a certain time and washed with water, and the washed seaweeds are immersed in an extraction solvent made of an acidic drug for a predetermined time to extract the radish, carrageenan, alginic acid component, and then remaining fibrin and The step of collecting starch may extract the radish, carrageenan, alginic acid and starch or fiber. At this time, the extraction temperature is not particularly limited, but is preferably in the range of 80 ~ 150 ℃. The acidic agent may be H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 (perchloric acid), H 3 PO 4 (phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) or a commercial solid. Acids and the like, but is not necessarily limited thereto, and the alkali aqueous solution may include potassium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, aqueous ammonia solution, but is not necessarily limited thereto.

우무, 전분, 섬유소, 카라기난, 알긴산 등과 같은 다당류 물질 추출물에 적절한 산성 이온성 액체를 포함하는 가수분해 촉매를 처리하여 당화시킴으로써 단당류를 얻을 수 있다. 상기 단당류로는 갈락토오스, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스, 만노오스 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Monosaccharides can be obtained by treating and saccharifying a hydrolysis catalyst containing an acidic ionic liquid suitable for extracting polysaccharides such as radish, starch, fibrin, carrageenan, alginic acid and the like. The monosaccharides include galactose, 3,6-anhydrogalactose, glucose, fucose, rhamnose, xylose, mannose, and the like, but are not limited thereto.

상기 본 발명의 당화 공정은 크게 직접 당화법과 간접 당화법으로 나눌 수 있으며, 이하 상기 2가지 당화 공정과 이를 통해 얻어진 당화액을 이용한 바이오연료 발효 방법에 대해 설명한다.The saccharification process of the present invention can be broadly divided into a direct saccharification method and an indirect saccharification method. Hereinafter, the two saccharification processes and a biofuel fermentation method using the saccharification liquid obtained therefrom will be described.

먼저, 간접 당화법이란 해조류 원초로부터 다당류 물질을 추출한 후 이 다당류 물질을 단당류로 만드는 방법이다. 간접 당화법을 이용한 당화 방법의 한 예로서, 우무를 출발 물질로 이용하여 당화하는 방법에 대해 설명한다. 우무는 갈락토오스 폴리머인 갈락탄이 성분의 대부분을 차지하고 있으며, 상기 갈락탄은 적절한 당화 공정(저분자화 공정)을 통해 발효가능한 단당류인 갈락토오스 또는 3,6-안하이드로갈락토오스로 전환될 수 있다. 이때, 당화 공정에 사용되는 방법으로는 산성 이온성 액체 촉매로 하는 가수분해법을 이용하는데, 사용 가능한 촉매로는 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8) 등이 있다. 이때, 사용된 산의 농도 및 반응 온도와 반응 시간 등을 잘 설정함으로써 갈락토오스의 당화 수율이 최대가 됨과 동시에 생성된 갈락토오스가 과분해되어 5-HMF가 생성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단당류는 우무에 대해 0.05~30% 농도의 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8)와 같은 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~200℃ 온도에서 0~6시간 반응시킴으로써 생성된다.First, the indirect glycosylation method is a method of extracting a polysaccharide material from the seaweed herb and then making the polysaccharide material into a monosaccharide. As an example of the saccharification method using the indirect saccharification method, a method of saccharification using a radish as a starting material will be described. In the radish, galactan, a galactose polymer, comprises most of the components, and the galactan may be converted into fermentable monosaccharide galactose or 3,6-anhydrogalactose through an appropriate saccharification process (low molecular weight process). In this case, a hydrolysis method using an acidic ionic liquid catalyst is used for the saccharification process, and as a catalyst which can be used, [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [ HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 ). At this time, it is preferable that the concentration of the used acid, the reaction temperature and the reaction time are well set so that the saccharification yield of galactose is maximized and the resulting galactose is not decomposed to produce 5-HMF. According to a preferred embodiment of the present invention, the monosaccharide is [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium) at a concentration of 0.05 to 30% relative to radish. hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl- It is produced by reacting for 0-6 hours at a temperature of 60-200 ℃ using an acidic ionic liquid catalyst such as 3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 ).

간접 당화법을 이용한 당화 방법으로서, 섬유소를 출발 물질로 이용하여 당화하는 방법을 살펴본다. 섬유소는 셀룰로오스로 이루어진 물질로서 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 가수분해되어 글루코오스로 전환될 수 있다. 셀룰로오스를 가수분해하는 촉매로는 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8) 등이 사용될 수 있으며, 이때 사용된 산의 농도 및 반응 온도와 반응 시간 등을 잘 조절함으로써 글루코오스의 당화 수율이 최대가 됨과 동시에 생성된 글루코오스가 과분해되어 5-HMF가 생성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단 당류는 섬유소에 대해 0.05~50% 농도의 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8)) 등의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 80~300℃의 온도에서 0 초과~6시간 반응시킴으로써 생성된다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면,As a saccharification method using the indirect saccharification method, a method of saccharification using fiber as a starting material will be described. Fibrin is a substance made of cellulose and can be hydrolyzed using an acidic ionic liquid catalyst to be converted into glucose. Catalysts for hydrolyzing cellulose include [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 to C 8 ) In this case, it is preferable that the glycation yield of glucose is maximized by controlling the concentration of the acid used, the reaction temperature and the reaction time, and the resulting glucose is not decomposed to produce 5-HMF. According to one preferred embodiment of the invention, the monosaccharide is [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] -methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1- It is produced by reacting with an acidic ionic liquid catalyst such as alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 )) at a temperature of 80 to 300 ° C. over 0 to 6 hours. According to another preferred embodiment of the invention,

간접 당화법을 이용한 당화 방법으로서, 전분을 출발 물질로 이용하여 당화하는 방법을 살펴본다. 전분은 글루코오스로 이루어진 물질로서 전분을 가수분해하는 산성 이온성 액체 촉매로는 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8) 등이 사용될 수 있으며, 이때 사용된 산의 농도 및 반응 온도와 반응 시간 등을 잘 조절함으로써 글루코오스의 당화 수율이 최대가 됨과 동시에 생성된 글루코오스가 과분해되어 5-HMF가 생성되지 않도록 하는 것이 바람직하다.As a saccharification method using the indirect saccharification method, a method of saccharification using starch as a starting material will be described. Starch is a substance composed of glucose. Acidic ionic liquid catalysts that hydrolyze starch include [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate). , [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3- methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 ) can be used, and by controlling the acid concentration, reaction temperature, and reaction time, etc., the maximum glycosylation yield is maximized while glucose is overly degraded. Preferably, 5-HMF is not produced.

직접 당화법을 이용한 당화 방법은, 섬유소 및/또는 우무, 카라기난이 모두 포함된 해조류 또는 전분 및/또는 알긴산, 섬유소가 모두 포함된 해조류 원초를 출발 물질로 이용하여 상기 물질들을 별도로 다당류 물질의 추출없이 직접 단당류로 당화하는 방법이다. 이때 산성 이온성 액체를 촉매로 이용하는 가수분해법을 이용할 수 있는데 이미 상술한 바와 같이 간접 당화 공정에서 사용되는 산성 이온성 액체 촉매계가 사용될 수 있다. 이때, 산 촉매의 농도와 반응 온도 및 반응 시간을 적절히 조절함으로써 생성된 글루코오스와 갈락토오스의 당화 수율이 최대가 되는 조건 및 생성된 단당류가 과분해되어 5-HMF가 생성되지 않도록 하는 반응 조건을 찾는 것이 중요하다. 해조류 원초를 출발 물질로 하여 당화하는 경우에는 채취된 해조류를 수세 과정을 통해 불순물 제거와 세척 과정을 수행한 다음, 열풍건조기 또는 자연건조법을 이용해 완전히 건조시키고, 건조된 해조류를 원료분쇄기를 이용하여 잘게 부수어 입자가 고운 파우더 형태로 변환한 후 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단당류는 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8)와 같은 산성 이온성 액체 촉매계를 이용하여 60~300 ℃ 온도에서 0 초과~6시간 반응시킴으로써 생성된다. 본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단당류는 다단계 당화법을 이용하여 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8) 산성 이온성 액체로 구성된 군으로부터 선택되는 촉매를 이용하여 60~300℃ 온도에서 0 초과~6시간 동안 반응시킨 후, 잔류 섬유소 혹은 전분을 대상으로 상기 반응조건에서 2차 혹은 3차 당화반응시킴으로써 생성된다.The saccharification method using the direct saccharification method uses seaweeds containing all of fibrin and / or agar, carrageenan, or seaweeds containing starch and / or alginic acid and fiber as starting materials, and extracts the above materials without extracting polysaccharides. It is a method of saccharifying directly to monosaccharides. In this case, a hydrolysis method using an acidic ionic liquid as a catalyst may be used. As described above, an acidic ionic liquid catalyst system used in an indirect glycosylation process may be used. At this time, by appropriately adjusting the concentration of the acid catalyst, the reaction temperature and the reaction time, it is necessary to find the conditions for the saccharification yield of the produced glucose and galactose to the maximum, and the reaction conditions for preventing the resulting monosaccharides from being over-degraded to produce 5-HMF. It is important. In the case of saccharifying the algae raw material as a starting material, the collected seaweeds are washed with water to remove impurities and washed. Then, the dried seaweeds are completely dried using a hot air dryer or a natural drying method, and the dried seaweeds are chopped using a raw material grinder. It is preferable to use after converting the particle into a fine powder form. According to one preferred embodiment of the present invention, the monosaccharide is [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] -methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1- It is produced by reacting more than 0 to 6 hours at a temperature of 60 to 300 ℃ using an acidic ionic liquid catalyst system such as alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 ). According to another preferred embodiment of the present invention, the monosaccharide is [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] at a concentration of 0.05 to 50% relative to the algae raw material by using the multistage saccharification method. [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 ~ C 8 ) was reacted for more than 0 to 6 hours at a temperature of 60 ~ 300 ℃ using a catalyst selected from the group consisting of acidic ionic liquid Then, it is produced by secondary or tertiary glycosylation reaction on the remaining cellulose or starch under the above reaction conditions.

상술한 바와 같이 생성된 갈락토오스, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스 또는 그 혼합물을 포함하는 당화액은 바이오연료 발효용 균주, 예컨대 효모를 이용하여 바이오알코올로 전환될 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 발효용 효모로는 클로스트리디움 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 바이예링키(Clostridium beijerinckii), 클로스트리디움 아우란티부틸리쿰(Clostriduim aurantibutylicum) 또는 클로스트리디움 테타노모르퓸(Clostridium tetanomorphum) 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이들은 부탄올 및 아세톤 발효에 있어서 보다 바람직하다. 또한, 사카로마이세스 세레비시애(Saccharomyces cerevisiae), 사르시나 벤트리큘리(Sarcina ventriculi), 클루이베로마이세스 프라질리스(Kluyveromyces fragilis), 자이고모모나스 모빌리스(Zygomomonas mobilis) 또는 클루이베로마이세스 막시아너스(Kluyveromyces marxianus) IMB3, 브레타노마이세스 쿠스테르시이(Brettanomyces custersii) 등이 사용될 수 있으며, 이들은 에탄올 발효에 있어서 보다 바람직하다.The saccharified solution comprising galactose, 3,6-anhydrogalactose, glucose, or a mixture thereof produced as described above can be converted to bioalcohol using a strain for biofuel fermentation such as yeast. Fermented yeast that can be used in the present invention is Clostridium acetobutylicum (Clostridium acetobutylicum), Clostridium Bayeringki (Clostridium beijerinckii), Clostridium aurantibutylicum (Clostriduim aurantibutylicum) Or Clostridium Tetanomorph (Clostridium tetanomorphum) And the like, but are not limited thereto, and they are more preferable in butanol and acetone fermentation. In addition, Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces cerevisiae), Sarcina Ventriculy (Sarcina ventriculi), Kluyveromyces pragilis (Kluyveromyces fragilis), Zagomonas Mobiles (Zygomomonas mobilis) Or Kluiberomyces maximans (Kluyveromyces marxianus) IMB3, Bretanomyces Custersy (Brettanomyces custersii) May be used, and these are more preferred for ethanol fermentation.

특히, 바이오연료 중에서 휘발유와 유사한 성분을 갖는 바이오부탄올은 에너지 밀도, 휘발성 제어, 충분한 옥탄가, 낮은 불순물 등과 같은 특성을 포함한 주요 특성들이 좋은 연료의 기준을 만족시키고, 10% 정도 혼합된 바이오부탄올 연료 혼합물의 성능이 가솔린 연료와 매우 비슷하며, 바이오부탄올의 에너지 밀도도 무연 휘발유에 거의 근접한다. 바이오부탄올은 바이오에탄올과는 달리 물이 존재하더라도 상 분리가 발생하지 않으며, 산소 함유량이 낮아 휘발유에 고농도의 바이오부탄올을 혼합시킬 수 있다는 장점이 있다.In particular, biobutanol having a gasoline-like component in biofuel is a biobutanol fuel mixture in which the main characteristics satisfy the criteria of a good fuel, including properties such as energy density, volatility control, sufficient octane number, low impurities, etc. Is very similar to gasoline fuel, and the energy density of biobutanol is close to that of unleaded gasoline. Biobutanol, unlike bioethanol, does not generate phase separation even if water is present, and has a low oxygen content, so that biobutanol may be mixed with gasoline at a high concentration.

본 발명에 따른 이온성 액체를 산당화 촉매로 이용한 당화액의 제조 방법은 기존의 황산을 이용한 해조류의 산 가수분해에 의한 당화방법에 비해 후속 미생물 발효시 저해물질로 알려진 5-HMF(5-hydroxymethylfurfural)의 생성을 억제 또는 최소화함으로서 기존의 당화액을 이용한 바이오연료의 제조 수율을 극대화 시킬 수 있다. 또한, 종래 목질계 원료의 이용시 필수적으로 수반되는 리그닌 제거 공정이 필요하지 않아 공정 비용을 낮출 수 있으며, 글루코오스 이외에 갈락토오스, 3,6-안하이드로갈락토오스 등 해조류에 포함된 대부분의 당성분이 바이오연료로 전환될 수 있어 연료의 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있으므로 에너지 자원 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라, 해조류의 경우 CO2 흡수 능력이 탁월하여 범국가적인 온실가스 저감에 기여하고 국제 환경 규제에 적극적으로 대처할 수 있어 경제적이고 또한 환경적으로도 매우 유리하다.The method for preparing a saccharified solution using the ionic liquid as an acid saccharification catalyst according to the present invention is 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural), which is known as an inhibitor during subsequent microbial fermentation, compared to the conventional saccharification method by acid hydrolysis of seaweed using sulfuric acid. By suppressing or minimizing the production of biofuel using the conventional saccharification liquid can be maximized. In addition, the use of conventional wood-based raw materials do not require the lignin removal process, which is essential, can reduce the process cost, and in addition to glucose, most of the sugar components contained in seaweed such as galactose, 3,6-anhydrogalactose as biofuel It can be converted to lower the production cost of fuel, which can solve the energy resource problem. In addition, the algae has excellent CO 2 absorption capacity, which contributes to the reduction of nationwide greenhouse gas and actively respond to international environmental regulations. It is economically and environmentally advantageous.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

본 실시예에서는 하기와 같은 당화 장치, 실험 재료 및 분석 방법을 사용하여 실험을 수행하였다.In this example, the experiment was performed using the following saccharification device, experimental materials, and analytical methods.

1. One. 당화Saccharification 장치 Device

당화 실험을 수행하기 위한 반응기와 콘트롤 박스로 구성된 당화장치 시스템이 도 1에 나타나 있다. 반응기는 500 ㎖ 용량(유효 용적: 400 ㎖)의 원통형으로 내부높이 12.5 cm, 내경 7 cm로 제작하였으며, 온도 재킷을 설치하여 설정된 반응 온도에 도달할 수 있도록 하였다. 반응기 내부 온도를 측정하기 위해 열전대(thermocouple)를 장착하였고, 과열되는 것을 방지하기 위해 반응기 외부에 냉각수가 순환 공급되도록 하였다. 반응 도중 샘플 채취를 용이하게 하기 위해 반응기 외부로부터 고압의 N2 가스가 유입될 수 있도록 하였고, N2 가스 저장소와 샘플 포트를 장착하였으며, 콘트롤 박스에는 RPM meter와 디지털 온도 조절기, 압력 게이지를 장착하였다.A saccharification system consisting of a reactor and a control box for carrying out saccharification experiments is shown in FIG. 1. The reactor was made into a cylinder of 500 ml capacity (effective volume: 400 ml) with an inner height of 12.5 cm and an inner diameter of 7 cm, and a temperature jacket was installed to reach a set reaction temperature. A thermocouple was fitted to measure the temperature inside the reactor and a coolant was circulated to the outside of the reactor to prevent overheating. In order to facilitate sampling during the reaction, high-pressure N 2 gas can be introduced from the outside of the reactor, an N 2 gas reservoir and a sample port are installed, and a control box is equipped with an RPM meter, a digital temperature controller, and a pressure gauge. .

2. 실험 재료2. Experimental Materials

2.1. 기질2.1. temperament

본 실시예에서는 홍조류로 모로코산 우뭇가사리, 제주산 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니를 사용하였고, 녹조류로는 청각을 사용하였으며, 갈조류로서는 다시마를 사용하였다.In this embodiment, Moroccan loot, Jeju loot, Kotani, kotoni were used as red algae, auditory was used as green alga, and kelp was used as brown algae.

본 실시예에서는 우뭇가사리를 원료로 직접 이용한 직접당화법과 우뭇가사리로부터 분리/추출된 섬유소 및 우무를 원료로 이용한 간접당화법으로 나누어 실험을 진행하였다. 직접당화법을 위해서는 우뭇가사리를 증류수로 세척한 후, 40℃에서 건조하여 분쇄하고, 106, 300 mesh로 분체하여 사용하였다. 간접당화법을 위하여, 우무는 모로코산 우뭇가사리를 KOH 수용액에 일정시간 침지시켰다가 증류수로 세척하여 반 건조시킨 후 증류수 또는 에틸알코올이나 메틸알코올을 이용하여 추출한 후 40℃에서 건조하고 분쇄하여 사용하였고, 섬유소는 우무를 추출한 후 잔류하는 섬유소를 O3로 2회(1h/1회) 표백하고 60℃에서 CIO2로 2회(1.5h/1회) 표백한 후, 80℃에서 H2O2로 2회(1h/1회) 표백하여 사용하였다.In this embodiment, the experiment was conducted by dividing into direct glycosylation method using the urticaria as a raw material and indirect glycosylation method using the fibrin and the radish separated / extracted from the urticaria as a raw material. For direct saccharification, after washing the distilled water with distilled water, dried at 40 ℃ and pulverized, it was used by powdering into 106, 300 mesh. For the indirect glycosylation method, Umbrella was immersed in a solution of Moroccan loach for a certain time in KOH aqueous solution, washed with distilled water and then semi-dried, extracted with distilled water or ethyl alcohol or methyl alcohol, dried and pulverized at 40 ° C. fibrin is the residual fibrin that two times (1h / 1 times) after the bleaching and twice (1.5h / 1 times) bleached with CIO 2 eseo 60 ℃, H 2 O 2 at 80 ℃ with O 3 after the extraction of the agar Bleached twice (1h / 1 time) was used.

2.2. 균주 및 배지2.2. Strains and Media

본 실시예에서는 사카로마이세스 세레비시애 DKIC413 및 브레타노마이세스 쿠스테르시이(Brettanomyces custersii) kccm 11490 를 사용하였고,<한국종균협회에서 구입> 배양배지로서 YEPD 배지(yeast extract 10 g/ℓ, peptone 20 g/ℓ, dextrose 20 g/ℓ)를 사용하였다. 배지는 고압반응기(Woosung Scientific co., Korea)에서 121℃, 15분간 멸균한 후 사용하였다.In this example, Saccharomyces cerevisiae DKIC413 and Bretanomyces custersii kccm 11490 were used, and <YAPD medium (yeast extract 10 g / ℓ), as a culture medium <purchased by the Korean spawn association> peptone 20 g / l, dextrose 20 g / l). The medium was used after sterilization at 121 ° C. for 15 minutes in a high pressure reactor (Woosung Scientific co., Korea).

3. 분석 방법3. Analysis method

3.1. 당 분석3.1. Sugar analysis

당화액은 전류도 검출기가 장착된 HPLC (ICS-3000, Dionex Co., USA)를 사용하여 분석하였으며, Carbopac PA 1(4250 ㎜, Dionex Co., USA)과 Carbopac PA 1(450 ㎜, Dionex Co., USA)을 칼럼으로 사용하였다. 이동상은 16 mM NaOH 용액을 사용하였고, 흐름 속도는 1 ㎖/분, 칼럼 온도는 30℃로 하였다. 글루코오스, 갈락토오스의 농도는 표준물질의 교정 곡선을 이용하여 정량 분석되었으며, 글루코오스 및 갈락토오스의 수율은 식 1에 따라 건조 원료에 포함된 총 탄수화물 대비 생성된 글루코오스 및 갈락토오스의 수율로 계산하였다.The saccharified solution was analyzed using HPLC equipped with a current detector (ICS-3000, Dionex Co., USA), Carbopac PA 1 (4250 mm, Dionex Co., USA) and Carbopac PA 1 (450 mm, Dionex Co.) , USA) was used as a column. The mobile phase used a 16 mM NaOH solution, the flow rate was 1 ml / min and the column temperature was 30 ° C. Glucose and galactose concentrations were quantitatively analyzed using calibration curves of standards, and the yields of glucose and galactose were calculated as the yields of glucose and galactose produced relative to the total carbohydrates contained in the dry feed according to Equation 1.

Figure 112008060747411-PAT00006
Figure 112008060747411-PAT00006

C = 글루코오스 또는 갈락토오스의 농도(g/ℓ)C = concentration of glucose or galactose (g / l)

V = 당화에 이용된 총 용매량(ℓ)V = Total amount of solvent used for saccharification (ℓ)

S = 건조 원료에 포함된 총 탄수화물의 양(g)S = total carbohydrate in dry ingredients (g)

3.2. 단백질 분석(3.2. Protein analysis SemiSemi -- micromicro KjeldahlKjeldahl 법)method)

단백질을 분석하기 위해, 시료 0.5 g을 취하여 단백질 분해관에 넣은 후 분해관에 황산 20 ㎖과 분해 촉진제 (K2SO4 : CuSO4ㆍ5H20 = 9 : 1) 5 g을 넣어 단백질을 분해하였다. 분해가 끝난 후 증류수 70 ㎖를 가하고, 증류기에 32%의 NaOH 75 ㎖을 넣은 후, 단백질 증류장치를 이용하여 증류하였다. 증류에 의해 발생된 암모니아를 3% 붕산 100 ㎖로 포집한 다음 0.1N HCl로 적정하여 식 2에 따라 총 질소 함량을 계산하였다.To analyze the protein, 0.5 g of the sample was taken and placed in a protein digestion tube, whereupon 20 ml of sulfuric acid and a decomposition promoter (K 2 SO 4 : CuSO 4 5H 2 0 = 9: 1) 5 g was added to decompose the protein. After the decomposition was completed, 70 ml of distilled water was added, 75 ml of 32% NaOH was added to the distillation, and then distilled using a protein distillation apparatus. Ammonia generated by distillation was collected with 100 ml of 3% boric acid and then titrated with 0.1 N HCl to calculate the total nitrogen content according to Equation 2.

Figure 112008060747411-PAT00007
Figure 112008060747411-PAT00007

V0= 공시료의 0.1 N HCl 소비량(㎖)V 0 = 0.1 N HCl consumption of blank sample (ml)

V1 = 본 시료의 0.1 N HCl 소비량(㎖)V 1 = 0.1 N HCl consumption (mL) of this sample

f = 0.1 N HCl의 Factorf = Factor of 0.1 N HCl

N = 질소 계수N = nitrogen coefficient

s = 시료량(㎎)s = sample amount (mg)

0.0014 : 0.1 N HCl 1 ㎖에 상당하는 질소량(g)0.0014: Nitrogen amount (g) corresponding to 1 ml of 0.1 N HCl

3.3. 회분 분석(건식회화법)3.3. Ash analysis (dry painting method)

도가니를 항량이 될 때까지 550℃ 회화로에서 가열 후, 데시게이터에서 방냉하여 칭량하였다. 칭량한 도가니에 시료 2 g을 넣고 550℃ 회화로에서 백색 또는 회백색 재가 남을 때까지 회화한 후, 회화로 내에서 200℃로 방냉시키고, 데시게이터로 옮겨 실온으로 방냉하였다. 회분함량(%)은 식 3에 따라 계산하였다.The crucible was heated in a 550 ° C. incineration furnace until weighed, then cooled in a desiccator and weighed. 2 g of the sample was placed in a weighed crucible and incubated in a 550 ° C. incinerator until white or off-white ash remained, then cooled to 200 ° C. in the incinerator, transferred to a desiccator, and cooled to room temperature. Ash content (%) was calculated according to equation (3).

Figure 112008060747411-PAT00008
Figure 112008060747411-PAT00008

W1 = 용기의 항량(g)W 1 = Container dose in grams

W0 = 회화 후 용기 + 회분량(g)W 0 = Container after ashing + ash (g)

S = 시료 중량(g)S = sample weight (g)

3.4. 균체 농도 측정3.4. Cell concentration measurement

균체 농도는 분광광도계(Genesys 10-S, Thermo electron corp., USA)를 사용하여 600 ㎚에서 측정하였다. 균체 건조량은 시간별로 채취한 배양액을 원심분리기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용하여 3,500 rpm에서 10분 동안 원심분리한 후, 증류수로 세척하여 재 원심분리한 농축액을 50℃에서 24시간 건조하여 측정하였다. 균체 건조량(dry cell weight)은 사카로마이세스 세레비시애의 경우 균체건조량 = 0.3135 흡광도 + 0.1811(상관계수=0.994), 브레타노마이세스 쿠스테르시이의 경우 균체건조량 = 0.1292 흡광도 + 0.8554(상관계수=0.999)의 관계를 이용하여 계산하였다.Cell concentration was measured at 600 nm using a spectrophotometer (Genesys 10-S, Thermo electron corp., USA). The amount of the dried cells was centrifuged at 3,500 rpm for 10 minutes using a centrifuge (VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea), and the concentrated solution was washed again with distilled water and centrifuged. It measured by drying at 50 degreeC for 24 hours. The dry cell weight is the dry cell weight of Saccharomyces cerevisiae = 0.3135 absorbance + 0.1811 (correlation coefficient = 0.994), and the dry cell weight of Bretanomyces custersii = 0.1292 absorbance + 0.8554 (correlation coefficient) = 0.999).

3.5. 에탄올 분석3.5. Ethanol analysis

배양액 중의 에탄올 농도는 RI 검출기가 장착된 HPLC (Breeze HPLC system, Waters Co., USA)를 사용하여 분석하였으며, 칼럼은 Aminex HPX-87H (3007.8 ㎜, Bio-rad)를 사용하였다. 이동상은 5 mM의 황산수용액을 사용하였고, 흐름 속도는 0.6 ㎖/분, 칼럼 및 RI 검출기의 온도는 50℃로 설정, 분석하였으며 에탄올 농도는 표준물질의 교정 곡선을 이용하여 정량 분석하였다.Ethanol concentration in the culture was analyzed using HPLC equipped with RI detector (Breeze HPLC system, Waters Co., USA), the column was Aminex HPX-87H (3007.8 mm, Bio-rad). 5 mM sulfuric acid solution was used for the mobile phase, the flow rate was 0.6 ml / min, the temperature of the column and the RI detector was set to 50 ° C, and the ethanol concentration was quantitatively analyzed using the calibration curve of the standard.

실시예Example 1. 해조류 종류에 따른 섬유소 및  1. Fibers according to seaweeds and 갈락탄Galactan 성분 분석 Ingredient analysis

해조류(모로코산 우뭇가사리, 제주산 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니, 청각, 미역, 다시마) 0.3 g과 황산 수용액 3 ㎖를 유리 튜브에 넣어 30℃에서 2시간 동안 반응시켰다(1차 가수분해). 이 때 글루코오스와 D-갈락토오스의 정량은 72% 황산농도를 사용하였고, 3,6-안하이드로갈락토오스의 정량을 위해서는 과분해되는 것을 방지하기 위해 1%의 황산농도를 사용하였다. 반응이 끝난 후, 반응액을 250 ㎖ 병에 넣어 증류수 84 ㎖를 첨가하고 고압반응기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용, 121℃에서 1시간 동안 가수분해하였다(2차 가수분해). 가수분해가 끝나면 고압반응기 내부 온도가 50℃일 때 병을 꺼내어 실온에서 방치, 냉각하고, 이 중 1 ㎖를 취하여 CaCO3로 중화한 후 원심분리기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용, 8,000 rpm에서 10분 동안 원심분리한 후 셀룰 로오스 및 갈락탄 성분을 분석하였다.0.3 g of seaweeds (moroccan loaf, Jeju loaf, skewer, kotoni, auditory, seaweed, kelp) and 3 ml of sulfuric acid solution were added to a glass tube and reacted at 30 ° C. for 2 hours (first hydrolysis). At this time, the glucose and D-galactose were used for the determination of 72% sulfuric acid concentration, and for the determination of 3,6-anhydrogalactose, sulfuric acid concentration of 1% was used to prevent overdegradation. After the reaction, the reaction solution was placed in a 250 ml bottle and 84 ml of distilled water was added and hydrolyzed at 121 ° C. for 1 hour using a high pressure reactor (VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea) (2 Secondary hydrolysis). After the hydrolysis, take out the bottle when the internal temperature of the high-pressure reactor is 50 ℃, leave it at room temperature, cool it, take 1 ml of this, neutralize with CaCO 3 and centrifuge (VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea), and centrifuged at 8,000 rpm for 10 minutes to analyze the cellulose and galactan components.

그 결과, 표 2에 나타난 바와 같이, 해조류의 종류에 따라, 같은 종일지라도 채취 장소에 따라 성분의 함량 차이를 보였으며, 탄수화물 함량은 우뭇가사리(모로코산, 제주산)가 70~80%로 가장 높았고, 미역이 41%로 가장 낮았다. 또한, 비탄수화물(단백질, 지질 및 기타) 함량은 미역이 59%로 가장 높았고 우뭇가사리(모로코산, 제주산)가 20~28%로 가장 낮아 홍조류인 우뭇가사리가 에탄올 생산원료로서 가장 효율적으로 이용되어 질 수 있음을 확인하였다. 따라서, 이후 실험에서는 탄수화물 함량이 상대적으로 높은 모로코산 우뭇가사리를 선택하여 당화/발효실험을 수행하였다.As a result, as shown in Table 2, depending on the type of seaweed, even the same species showed the difference in the content of the components, the carbohydrate content was the highest in the 70 ~ 80% of the larvae (Morocco, Jeju) Seaweed was the lowest at 41%. In addition, the content of non-hydrated carbohydrate (protein, lipid and other) was the highest in seaweed (59%), and the lowest in the woodworm (Moroccosan, Jeju) was 20-28%, so the red algae was most efficiently used as an ethanol production source. Confirmed that it can. Therefore, in the subsequent experiments, a saccharification / fermentation experiment was performed by selecting a Moroccan loot with a relatively high carbohydrate content.

[표 2] 해조류의 화학적 조성[Table 2] Chemical Composition of Seaweeds

해조류Seaweed 셀룰로오스 (%)Cellulose (%) 갈락탄 (%)Galactan (%) (탄수화물) (%)(carbohydrate) (%) 단백질 (%) protein (%) 기타 (지질, 회분)(%)Other (geological, ash) (%) 홍조류Red algae 우뭇가사리 (모로코)Lobsterfish (Morocco) 16.616.6 58.6 (Gal: 25.6%, AHG: 33.0%)58.6 (Gal: 25.6%, AHG: 33.0%) 75.275.2 17.917.9 6.96.9 우무Wumu 00 88.5 (Gal: 37.5%, AHG: 51.0%)88.5 (Gal: 37.5%, AHG: 51.0%) 88.588.5 7.17.1 4.44.4 섬유소fibrin 99.799.7 00 99.799.7 0.20.2 0.10.1 우뭇가사리 (제주)Utsukasari (Jeju) 23.023.0 56.456.4 79.479.4 11.811.8 8.88.8 꼬시래기Flirt 19.719.7 54.454.4 74.174.1 11.011.0 14.914.9 코토니Kotoni 7.17.1 43.443.4 50.550.5 4.94.9 44.644.6 녹조류Green algae 청각ear 10.910.9 47.847.8 58.758.7 34.734.7 6.66.6 갈조류Brown algae 미역Seaweed 2.42.4 38.738.7 41.141.1 24.224.2 34.734.7 다시마Kelp 6.76.7 40.040.0 46.746.7 12.212.2 38.138.1

실시예Example 2. 황산촉매와 이온성 액체  2. Sulfate Catalyst and Ionic Liquid 당화Saccharification 실험 비료 Experimental fertilizer

2.1. 2.1. 간접당화Indirect glycosylation

2.1.1. 촉매의 종류에 따른 영향2.1.1. Influence by type of catalyst

분리된 건조 우무를 기질로 하여 촉매 종류에 따른 당화 수율을 비교하였다. 기질이 우무이므로 생성될 수 있는 단당류는 갈락토오스와 3,6-안하이드로갈락토오스(3,6-AHG)이다. 기질 5 g (S/L = 5%) 또는 10 g (S/L = 10%)과 원료 대비 10.7, 13.8 wt%의 [bmim][HSO4](Abdol R. Hajipour et al., Catalyst communication 9, 89-96, 2008) 또는 황산, 물 100 ㎖를 250 ㎖ 삼각플라스크에 넣어 121℃에서 15분 동안 반응을 진행하였으며, 반응 종결 후 상온으로 낮춘 당화액을 중화하여 HLPC(ICS-3000, Dionex Co., USA)로 분석하였다[여기서 S/L은 고액비율(solid/liquid ratio)이다]. 표 3은 121℃ 15분간의 조건에서 촉매의 종류에 따른 갈락토오스와 3,6-안하이드로갈락토오스 및 생성된 5-HMF의 수율을 비교한 것이다. 수율은 우무 중 구성성분 분석결과인 D-갈락토오스 37.5%, 3,6-안하이드로갈락토오스 51%를 기준 (표 2)으로 계산된 전환 가능한 최대 농도를 S/L = 5%의 경우, D-갈락토오스 27.3 g/L, 3,6-안하이드로갈락토오스 37.1 g/L를 수율 100%로 하고, S/L 10%의 경우, D-갈락토오스 36.41 g/L, 3,6-안하이드로갈락토오스 49.52 g/L를 수율 100%로 하여 도출하였다. The yield of saccharification according to the type of catalyst was compared using the separated dried radish as a substrate. The monosaccharides that can be produced because of the substrate are galactose and 3,6-anhydrogalactose (3,6-AHG). 5 g (S / L = 5%) or 10 g (S / L = 10%) of substrate and 10.7, 13.8 wt% of [bmim] [HSO4] (Abdol R. Hajipour et al., Catalyst communication 9, 89-96, 2008) or 100 ml of sulfuric acid and water were placed in a 250 ml Erlenmeyer flask, and the reaction was carried out at 121 ° C. for 15 minutes. , USA), where S / L is the solid / liquid ratio. Table 3 compares the yields of galactose, 3,6-anhydrogalactose and 5-HMF produced according to the type of catalyst under conditions of 121 ° C. for 15 minutes. Yield is the maximum convertible concentration calculated based on the component analysis results of D-galactose 37.5% and 51,3,6-anhydrogalactose 51% in radish (Table 2), when S / L = 5%, D-galactose 27.3 g / L, 3,6-anhydrogalactose 37.1 g / L in yield 100%, for S / L 10%, D-galactose 36.41 g / L, 3,6-anhydrogalactose 49.52 g / L Was derived with a yield of 100%.

실험 결과를 살펴보면, S/L = 5%에서 황산을 촉매로 사용하였을 때 갈락토오스 및 3,6-안하이드로갈락토오스의 생성량은 촉매 10.7 wt%에서 24.3 g/L (16.6 g/L + 7.70 g/L), 촉매 13.8 wt%에서 20.04 g/L (17.81 g/L + 2.23 g/L)이지만, [bmim][HSO4](1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate)을 사용하였을 때의 생성량은 촉매 10.7 wt%에서 31.4 g/L (10.70 g/L + 20.70 g/L), 촉매 13.8 wt%에서 36.5 g/L (13.8 g/L + 22.65 g/L)로 1.8배 높을 뿐 아니라, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때 발효 억제유발물질인 5-HMF의 생성량도 황산을 사용하였을 경우 보다 현격하게 줄어듦을 알 수 있다 (4.29~5.10 g/L → 0.05~0.08 g/L). 이러한 경향은 S/L = 10%일 경우에도 동일하게 나타났다 (표 3 및 4).Experimental results showed that when sulfuric acid was used as a catalyst at S / L = 5%, the production of galactose and 3,6-anhydrogalactose was 24.3 g / L (16.6 g / L + 7.70 g / L) at 10.7 wt% of the catalyst. ), 20.04 g / L (17.81 g / L + 2.23 g / L) at 13.8 wt% of catalyst, but the yield when using [bmim] [HSO 4 ] (1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate) was 10.7 Not only is 1.8 times as high as 31.4 g / L (10.70 g / L + 20.70 g / L) at wt% and 36.5 g / L (13.8 g / L + 22.65 g / L) at 13.8 wt% of catalyst, but also [bmim] [ When HSO 4 ] is used, the amount of 5-HMF, a fermentation-inducing substance, is also significantly reduced when sulfuric acid is used (4.29-5.10 g / L → 0.05 ~ 0.08 g / L). This trend was also the same when S / L = 10% (Tables 3 and 4).

[표 3] 우무를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 5%)[Table 3] Comparison of Monosaccharide and 5-HMF Formation Using Sulfuric Acid Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Substrate (S / L = 5%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-galactoseD-galactose 3,6-L-AHG3,6-L-AHG 5-HMF5-HMF H2SO4 H 2 SO 4 10.710.7 91.4 (16.60)91.4 (16.60) 31.1 (7.70)31.1 (7.70) 10.0 (4.29)10.0 (4.29) 13.813.8 97.9 (17.81)97.9 (17.81) 9.0 (2.23)9.0 (2.23) 11.9 (5.10)11.9 (5.10) [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 10.710.7 58.8 (10.70)58.8 (10.70) 83.6 (20.70)83.6 (20.70) 0.1 (0.05)0.1 (0.05) 13.813.8 73.5 (13.38)73.5 (13.38) 91.5 (22.65)91.5 (22.65) 0.2 (0.08)0.2 (0.08)

[표 4] 우무를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 10%)[Table 4] Production of Monosaccharides and 5-HMF using Sulfuric Acid Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Substrates (S / L = 10%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-galactoseD-galactose 3,6-L-AHG3,6-L-AHG 5-HMF5-HMF H2SO4 H 2 SO 4 10.710.7 88.2 (32.11)88.2 (32.11) 30.8 (11.44)30.8 (11.44) 11.5 (9.88)11.5 (9.88) 13.813.8 89.6 (32.62)89.6 (32.62) 8.8 (3.27)8.8 (3.27) 13.8 (11.86)13.8 (11.86) [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 10.710.7 61.0 (22.21)61.0 (22.21) 75.6 (28.08)75.6 (28.08) 0.3 (0.23)0.3 (0.23) 13.813.8 71.8 (26.14)71.8 (26.14) 77.6 (28.82)77.6 (28.82) 0.4 (0.37)0.4 (0.37)

2.1.2. 산성 이온성 액체 종류에 따른 영향2.1.2. Effects of Acidic Ionic Liquid Types

산성 이온성 액체의 종류에 따른 생성당 수율을 비교하기 위해 당화 촉매로 [bmim][HSO4] (1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1- methylimidazolium hydrogensulfate), [bmim][HSO4] (1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate) 을 S/L = 10%, 121℃에서 15분 동안 고압반응기에서 수행하였다(표 5). To compare the yield per product according to the type of acidic ionic liquid, [bmim] [HSO 4 ] (1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [bmim] [HSO 4 ] (1-butyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate) was carried out in an autoclave for 15 minutes at S / L = 10%, 121 ° C. (Table 5).

[표 5] 우무를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 10%)[Table 5] Production of Monosaccharides and 5-HMF using Sulfuric Acid Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Substrates (S / L = 10%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-galactoseD-galactose 3,6-L-AHG3,6-L-AHG 5-HMF5-HMF [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 10.710.7 61.0 (22.21)61.0 (22.21) 75.6 (37.44)75.6 (37.44) 0.3 (0.26)0.3 (0.26) [Ammonium][HSO4][Ammonium] [HSO 4 ] 62.3 (22.68)62.3 (22.68) 76.6 (37.93)76.6 (37.93) 0.2 (0.17)0.2 (0.17) [Phosphonium][HSO4][Phosphonium] [HSO 4 ] 63.0 (22.94)63.0 (22.94) 77.6 (38.43)77.6 (38.43) 0.3 (0.26)0.3 (0.26) [choline][HSO4][choline] [HSO 4 ] 60.8 (22.14)60.8 (22.14) 74.8 (37.04)74.8 (37.04) 0.2 (0.17)0.2 (0.17)

2.2. 섬유소를 이용한 2.2. Fibrin 간접당화Indirect glycosylation

분리된 건조 섬유소를 기질로 하여 촉매 종류에 따른 당화 수율을 비교하였다. 기질이 우무이므로 생성될 수 있는 단당류는 글루코오스이다. 기질 20 g (S/L = 5%)과 원료 대비 10 wt%의 [bmim][HSO4] 또는 황산, 물 400 ㎖를 500 ㎖ 고압반응기에 넣어 210℃에서 15분 동안 반응을 진행하였으며, 반응 종결 후 상온으로 낮춘 당화액을 중화하여 HLPC(ICS-3000, Dionex Co., USA)로 분석하였다. 표 6은 촉매의 종류에 따른 글루코오스와 생성된 5-HMF의 수율을 비교한 것이다. D-글루코오스의 수율은 섬유소 중 구성성분 분석결과인(표 2) D-글루코오스 99.7%를 기준으로 계산된 전환 가능한 최대 농도인 48 g/L를 100%로 도출하였다. 즉, 원료 섬유소 50 황산을 촉매로 사용하여 당화했을 때 D-글루코오스의 생성량은 22.79 g/L로 47.5% 의 수율을 나타내었지만, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때의 생성량은 28.96 g/L로 60.3%의 수율을 보여주었으며, 5-HMF의 생성량은 황산을 촉매로 사용하였을 때 6.8 g/L, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때는 0.41 g/L 로 현저히 줄어듦을 알 수 있다 (표 6). Using the isolated dry fibers as a substrate, the saccharification yield according to the catalyst type was compared. Since the substrate is unagar, the monosaccharide that can be produced is glucose. 20 g of the substrate (S / L = 5%) and 10 wt% of [bmim] [HSO 4 ] or sulfuric acid and 400 ml of water were added to a 500 ml autoclave for 15 minutes at 210 ° C. After termination, the saccharified solution lowered to room temperature was neutralized and analyzed by HLPC (ICS-3000, Dionex Co., USA). Table 6 compares the yield of glucose and 5-HMF produced according to the type of catalyst. The yield of D-glucose was derived from 100 g of 48 g / L, the maximum convertible concentration calculated on the basis of 99.7% of D-glucose (Table 2), which is a component analysis result in the cellulose. In other words, the amount of D-glucose produced when the saccharification was performed using the raw fiber 50 sulfuric acid as a catalyst yielded a yield of 47.5% at 22.79 g / L, but the amount produced when [bmim] [HSO 4 ] was used was 28.96 g / L. The yield of 60.3% was shown as L, and the amount of 5-HMF produced was significantly reduced to 6.8 g / L when sulfuric acid was used as catalyst and 0.41 g / L when [bmim] [HSO 4 ] was used. (Table 6).

[표 6] 섬유소를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 5%)[Table 6] Production of Monosaccharides and 5-HMF using Sulfate Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Fiber Substrate (S / L = 5%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-glucoseD-glucose 5-HMF5-HMF H2SO4 H 2 SO 4 1010 47.5 (22.79)47.5 (22.79) 14.1 (6.8)14.1 (6.8) [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 60.3 (28.96)60.3 (28.96) 0.9 (0.41)0.9 (0.41)

2.3. 원초를 이용한 다단계 2.3. Multi-level using raw grass 당화Saccharification

모로코산 우뭇가사리를 기질로 하여 촉매 종류에 따른 당화 수율을 비교하였다. 기질이 우뭇가사리 원초이므로 생성될 수 있는 단당류는 D-갈락토오스와 3,6-안하이드로갈락토오스(3,6-AHG), D-글루코노스이다. 기질 10 g (S/L = 10%)과 원료 대비 10 wt%의 [bmim][HSO4] 또는 황산, 물 100 ㎖를 250 ㎖ 삼각플라스크에 넣어 121℃에서 60분 동안 반응을 진행하였으며, 반응 종결 후 상온으로 낮춘 당화액을 중화하여 HLPC(ICS-3000, Dionex Co., USA)로 분석하였다. 표 7은 121℃ 60분간의 조건에서 촉매의 종류에 따른 갈락토오스, 글루코오스와 3,6-안하이드로갈락토오스 및 생성된 5-HMF의 수율을 비교한 것이다. 단당류의 수율은 원초 중 구성성분 분석결과인 D-글루코오스 16.6%, D-갈락토오스 25.6%, 3,6-안하이드로갈락토오스 33.0%를 기준 (표 2)으로 계산된 전환 가능한 최대 농도인 D-글루코오스 15.5 g/L, D-갈락토오스 23.8 g/L, 3,6-안하이드로갈락토오스 30.7 g/L를 수율 100%로 하여 도출하였다. 황산을 촉매로 사용하여 당화했을 때 D-글루코오스 및 D-갈락토오스 및 3,6-안하이드로갈락토오스의 생성량은 각각 0.19 g/L, 19.1 g/L, 6.23 g/L인 반면, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때의 생성량은 각각 0.17 g/L, 20.1 g/L, 27.8 g/L로 약 2배 높을 뿐 아니라, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때 발효 억제유발물질인 5-HMF의 생성량 또한 황산을 사용하였을 경우 보다 97% 줄어듦을 알 수 있다 (7.35 g/L → 0.21 g/L) (표 7). 그러나 D-글루코노스의 경우, 당화온도가 섬유소 당화조건 (약 200~220 ℃)을 만족시키지 못하는 이유로 수율이 1 % 정도로 매우 낮았으므로, 미반응 잔류 섬유소를 대상으로 표 8과 같이 2차 당화를 실시한 결과를 표 8에 나타내었다. 실험 결과, 표 8에서 보는 바와 같이, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때의 생성량은 27.91 g/L로 57.9%의 수율을 보여주었으며, 5-HMF의 생성량은 황산을 촉매로 사용하였을 때 7.85 g/L, [bmim][HSO4]을 사용하였을 때는 0.34 g/L 로 96% 감소함을 알 수 있다. Saccharification yield according to catalyst type was compared using Moroccan loot as a substrate. Monosaccharides that can be produced because the substrate is a native fern are D-galactose, 3,6-anhydrogalactose (3,6-AHG), D-glucose. 10 g of the substrate (S / L = 10%) and 10 wt% of [bmim] [HSO 4 ] or sulfuric acid and 100 ml of water were added to a 250 ml Erlenmeyer flask, followed by reaction at 121 ° C. for 60 minutes. After termination, the saccharified solution lowered to room temperature was neutralized and analyzed by HLPC (ICS-3000, Dionex Co., USA). Table 7 compares the yields of galactose, glucose and 3,6-anhydrogalactose and 5-HMF produced according to the type of catalyst at 121 ° C. for 60 minutes. The yield of monosaccharide was calculated as the maximum convertible concentration of D-glucose 15.5 based on the component analysis results of D-glucose 16.6%, D-galactose 25.6%, 3,6-anhydrogalactose 33.0% g / L, D-galactose 23.8 g / L, 3,6-anhydrogalactose 30.7 g / L were derived as the yield 100%. When glycosylated using sulfuric acid as a catalyst, the amounts of D-glucose and D-galactose and 3,6-anhydrogalactose were 0.19 g / L, 19.1 g / L, and 6.23 g / L, respectively, while [bmim] [HSO 4 ] was about twice as high as 0.17 g / L, 20.1 g / L, and 27.8 g / L, respectively. In addition, when [bmim] [HSO 4 ] was used, 5- The production of HMF is also 97% lower than when using sulfuric acid (7.35 g / L → 0.21 g / L) (Table 7). However, in the case of D-glucose, the yield was very low (1%) because the saccharification temperature did not satisfy the fiber saccharification conditions (about 200-220 ° C.). The results are shown in Table 8. As a result, as shown in Table 8, when [bmim] [HSO 4 ] is used, the yield was 27.91 g / L, yielding 57.9%, and 5-HMF was produced when sulfuric acid was used as a catalyst. When 7.85 g / L and [bmim] [HSO 4 ] were used, it was found that the reduction was 96% to 0.34 g / L.

[표 7] 원초를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 5%)[Table 7] Production of Monosaccharides and 5-HMF using Sulfate Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Raw Materials (S / L = 5%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-glucoseD-glucose D-galactoseD-galactose 3,6-L-AHG3,6-L-AHG 5-HMF5-HMF H2SO4 H 2 SO 4 4.84.8 1.2 (0.19)1.2 (0.19) 80.3 (19.1)80.3 (19.1) 20.3 (6.23)20.3 (6.23) 10.5 (7.35)10.5 (7.35) [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 4.84.8 1.1 (0.17)1.1 (0.17) 84.6 (20.1)84.6 (20.1) 90.6 (27.8)90.6 (27.8) 0.3 (0.21)0.3 (0.21)

[표 8] 잔류 섬유소를 기질로 황산촉매와 이온성 액체촉매를 이용한 단당류와 5-HMF의 생성량 비교 (S/L = 5%)[Table 8] Comparison of Monosaccharide and 5-HMF Production using Sulfate Catalyst and Ionic Liquid Catalyst as Residual Fiber as Substrate (S / L = 5%)

촉매catalyst 수율, % (g/L)Yield,% (g / L) 종류Kinds wt%wt% D-glucoseD-glucose 5-HMF5-HMF H2SO4 H 2 SO 4 1010 40.6 (19.60)40.6 (19.60) 16.3 (7.85)16.3 (7.85) [bmim][HSO4][bmim] [HSO 4 ] 57.9 (27.91)57.9 (27.91) 0.7 (0.34)0.7 (0.34)

실시예Example 3. 에탄올 생산 배양 3. Ethanol Production Culture

3.1. 3.1. 당화방법에On the saccharification method 따른 발효 균주의 성장 특성 확인 Growth Characteristics of Different Fermentation Strains

실시예 2에서 제조된 황산을 이용한 당화액과 본 발명의 이온성 액체를 이용한 당화액에 대한 에탄올 생산 균주인 브레타노마이세스 쿠스테르시이의 성장패턴을 비교하는 실험을 진행하였다. 도 3은 황산을 이용한 당화액과 [bmim][HSO4]를 이용한 당화액을 대상으로 브레타노마이세스 쿠스테르시이의 성장곡선을 나타낸 것이다. 황산을 이용한 당화액 (5-HMF 농도: 4.29 g/L)의 경우에는 균체의 농도가 1.4 (O.D.600 nm)로 낮은 성장률을 보였으나, [bmim][HSO4]를 이용한 당화액 (5-HMF 농도: 0.05 g/L)을 대상으로 실험 시 균체의 농도가 4 (O.D.600 nm)로 높은 성장률을 보여주므로 5-HMF의 농도가 높은 황산을 이용한 당화액의 경우 이온성 액체를 이용한 것 보다 발효저해물질인 5-HMF의 존재로 인해 균주의 성장이 저해됨을 확인하였고, 이에 반해 이온성 액체를 이용한 당화액은 이러한 발효억제작용 없이 균주가 잘 성장하는 것을 확인하였다. An experiment was performed to compare the growth pattern of the ethanol producing strain, Bretanomyces custersii, for the saccharified solution using sulfuric acid prepared in Example 2 and the saccharified solution using the ionic liquid of the present invention. Figure 3 shows the growth curve of Bretanomyces custersii in the saccharification solution using sulfuric acid and the saccharification solution using [bmim] [HSO 4 ]. In the case of saccharified solution using sulfuric acid (5-HMF concentration: 4.29 g / L), the cell concentration was 1.4 (OD600 nm). However, saccharified solution using [bmim] [HSO 4 ] was used. Concentration: 0.05 g / L) showed a high growth rate of 4 cells (OD600 nm) in the experiment, so that saccharified solution using sulfuric acid with high concentration of 5-HMF was less fermented than ionic liquid. It was confirmed that the growth of the strain is inhibited due to the presence of the substance 5-HMF, whereas the saccharified solution using the ionic liquid was confirmed that the strain grows well without such fermentation inhibitory action.

3.2. 3.2. 당화액을Saccharification 이용한 발효 Fermentation

도 4 및 5는 황산을 이용한 당화액과 본 발명의 촉매인 [bmim][HSO4]를 이용한 당화액을 대상으로 브레타노마이세스 쿠스테르시이를 균주로 사용하였을 때의 발효결과를 나타낸 것이다. 황산을 이용한 당화액 (5-HMF 농도: 4.29 g/L)의 경우에는 D-글루코오스 및 갈락토오스 (D-갈락토오스+3,6-AHG)의 농도의 합이 50 g/L에서 48 시간 이후 15 g/L로 소모 되면서 에탄올이 6.2 g/L로 생성되었으나, [bmim][HSO4]를 이용한 당화액 (5-HMF 농도: 0.05 g/L)을 대상으로 실험 시 황산을 이용한 당화액을 이용한 경우보다 단당류가 더 빨리 소비되는 패턴을 보이면서 단당류의 농도가 50 g/L에서 48 시간 이후 3.2 g/L로 소모 되면서 에탄올이 12.3 g/L로 2배 정도 많이 생성되었다. 5-HMF의 농도가 높은 황산을 이용한 당화액의 경우 이온성 액체를 이용한 것 보다 발효저해물질인 5-HMF의 존재로 인한 균주의 성장저해 효과로 에탄올의 생성이 감소됨을 확인하였고, 이에 반해 이온성 액체를 이용한 당화액의 경우, 이러한 억제작용 없이 에탄올이 생성됨을 확인하였다. 4 and 5 show the results of fermentation when the brethan solution using sulfuric acid and the brethan solution using the catalyst [bmim] [HSO 4 ] of the present invention as a strain. In the case of saccharified solution using sulfuric acid (5-HMF concentration: 4.29 g / L), the sum of the concentrations of D-glucose and galactose (D-galactose + 3,6-AHG) is 15 g after 50 hours at 50 g / L. Ethanol was produced at 6.2 g / L while being consumed as / L, but when the saccharified solution using sulfuric acid was used in the experiment on the saccharified solution (5-HMF concentration: 0.05 g / L) using [bmim] [HSO 4 ] As the monosaccharide was consumed faster, the monosaccharide concentration was consumed as 3.2 g / L after 48 hours at 50 g / L, resulting in twice as much ethanol as 12.3 g / L. In the case of saccharified solution using sulfuric acid with high concentration of 5-HMF, it was confirmed that the production of ethanol was reduced due to the growth inhibition effect of the strain due to the presence of 5-HMF, which is a fermentation inhibitor, than the ionic liquid. In the case of saccharification liquid using a sex liquid, it was confirmed that ethanol was produced without this inhibitory effect.

도 1은 당화 장치를 보여주는 개략도로서, (a) 배치 반응기, (b) 샘플링 포 트, (c) 압력 게이지, (d) N2 가스 조절기, (e) N2 가스 통, (f) 콘트롤 박스, (g) N2 가스 보관기를 나타낸다.1 is a schematic representation of a glycosylation device, comprising: (a) batch reactor, (b) sampling port, (c) pressure gauge, (d) N 2 gas regulator, (e) N 2 gas cylinder, (f) control box and (g) a N 2 gas reservoir.

도 2는 아가로스의 결합구조를 보여주는 화학 구조식이다.2 is a chemical structural formula showing the binding structure of agarose.

도 3은 황산을 이용한 당화액과 본 발명의 촉매인 [bmim][HSO4]를 이용한 당화액을 대상으로 브레타노마이세스 쿠스테르시이의 성장곡선을 나타낸다.3 shows a growth curve of Bretanomyces custersii in a saccharified solution using sulfuric acid and a saccharified solution using [bmim] [HSO 4 ] as a catalyst of the present invention.

도 4 및 도 5는 각각 황산을 이용한 당화액과 [bmim][HSO4]를 이용한 당화액을 대상으로 브레타노마이세스 쿠스테르시이를 균주로 사용하였을 때의 에탄올 발효결과를 나타낸다. 도에서 글루코오스는 D-글루코오스를 나타낸 것이고, 갈락토오스는 D-갈락토오스와 3,6-AHG의 합을 나타낸 것이다.4 and 5 show ethanol fermentation results when Bretanomyces custerssie was used as a strain for saccharification solution using sulfuric acid and saccharification solution using [bmim] [HSO 4 ], respectively. In the figure, glucose represents D-glucose, and galactose represents the sum of D-galactose and 3,6-AHG.

Claims (18)

해조류 원초 또는 해조류에서 추출한 다당류 물질에 산성 이온성 액체 촉매를 처리하여 단당류를 생성시키는 당화액의 제조방법.A method of producing a saccharified solution in which monosaccharides are produced by treating an acidic ionic liquid catalyst with a polysaccharide material extracted from seaweeds or seaweeds. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 산성 이온성 액체 촉매는 하기 화학식 1~5로 표시되는 이미다졸륨, 포스포늄, 암모늄, 모폴리늄, 콜린으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법:The acidic ionic liquid catalyst is a method for producing a saccharified solution, characterized in that selected from the group consisting of imidazolium, phosphonium, ammonium, morpholinium, choline represented by the following formula 1-5: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112008060747411-PAT00009
Figure 112008060747411-PAT00009
[화학식 2][Formula 2]
Figure 112008060747411-PAT00010
Figure 112008060747411-PAT00010
[화학식 3][Formula 3]
Figure 112008060747411-PAT00011
Figure 112008060747411-PAT00011
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112008060747411-PAT00012
Figure 112008060747411-PAT00012
[화학식 5][Formula 5]
Figure 112008060747411-PAT00013
Figure 112008060747411-PAT00013
(상기 식에서 R1, R2, R3, R4는 각각 독립적으로 C1~C8의 알킬, 페닐, 벤질 또는 플루오르화 알킬이고, A는 SO4,SO3, BH3, n(AlCl3) (n = 1 또는 2), CF3COO, CH3COO, HPO4, p-CH3(C6H4)SO3 등의 브뢴스테드 산성도를 가질 수 있는 분자).Wherein R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently C 1 to C 8 alkyl, phenyl, benzyl or fluorinated alkyl, and A is SO 4 , SO 3 , BH 3 , n (AlCl 3 ) (n = 1 or 2), molecules that may have Bronsted acidity such as CF 3 COO, CH 3 COO, HPO 4 , p-CH 3 (C 6 H 4 ) SO 3, and the like.
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 산성 이온성 액체 촉매는 [Rmim][HSO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin][HSO4] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin][TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate), [Rmim][H2PO4] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim][Al2Cl6] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C1~C8)로 구성된 군으로부터 선택되는 것 을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The acidic ionic liquid catalyst is [Rmim] [HSO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium hydrogenesulfate), [Hmin] [HSO 4 ] (1-methylimidazolium hydrogensulfate), [Rmin] [TFA] (1-alkylimidazolium triflouroacetate ), [Rmim] [H 2 PO 4 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphate), [Rmim] [Al 2 Cl 6 ] (1-alkyl-3-methylimidazolium chloroaluminate) (R = C 1 -C 8 ) Method for producing a saccharified solution, characterized in that selected from the group consisting of. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 추출시의 추출용매는 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4, H3PO4, PTSA 및 상용 고체산으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The extraction solvent in the extraction is H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 , H 3 PO 4 , PTSA and a saccharified solution, characterized in that selected from commercial solid acids Method of preparation. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 다당류 물질은 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The polysaccharide material is a method of producing a saccharification liquid, characterized in that selected from the group consisting of agar, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 해조류는 대형조류 또는 미세조류인 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The seaweed is a method of producing a saccharification liquid, characterized in that large algae or microalgae. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 대형조류는 홍조류, 갈조류 및 녹조류로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The large alga is a method of producing a saccharification liquid, characterized in that selected from the group consisting of red algae, brown algae and green algae. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7, 상기 홍조류는 우뭇가사리, 코토니, 개도박, 김, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 및 지누아리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The red algae is from the group consisting of wood starfish, kotoni, dog gambling, laver, round stone seaweed, daikon radish, buckwheat, green grass fern, pods, jindubal, sesame gourd, thorn radish, silk grass, vinegar, stone star, stone tree and zinnia Method for producing a saccharified solution, characterized in that selected. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7, 상기 갈조류는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이 및 톳으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The brown alga is characterized in that selected from the group consisting of brown seaweed, kelp, barn horse, folk eggplant, shellfish, hooked seaweed, seaweed, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, iron seaweed cousin, mabanban, hoesan mabanban, jichung and 톳 The manufacturing method of the saccharification liquid made into. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7, 상기 녹조류는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴 및 염주말로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The green alga is a method of producing a saccharification liquid, characterized in that selected from the group consisting of Cheongtae, Hakkham, green, hearing, bead hearing, jade and salt juju. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단당류는 갈락토오스, 갈락토오스 유도체, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The monosaccharide is a method of producing a saccharification liquid, characterized in that selected from the group consisting of galactose, galactose derivatives, 3,6- anhydrogalactose, glucose, fucose, rhamnose, xylose and mannose. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단당류는 우무에 대해 0.05~30% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~200℃ 온도에서 0 초과 ~ 6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The monosaccharide is a method for producing a saccharification solution, characterized in that produced by reacting with aerosol in the presence of 0 to 6 hours at 60 ~ 200 ℃ temperature using an acidic ionic liquid catalyst of 0.05 ~ 30% concentration. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단당류는 섬유소에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 80~300℃의 온도에서 0 초과 ~ 6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The monosaccharide is a method for producing a saccharification solution, characterized in that produced by reacting the fiber with an acidic ionic liquid catalyst at a concentration of 0.05 to 50% at a temperature of 80 to 300 ℃ more than 0 to 6 hours. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단당류는 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~300℃ 온도에서 0 초과~6시간 반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The monosaccharide is a method for producing a saccharified solution, characterized in that produced by reacting with an acidic ionic liquid catalyst at a concentration of 0.05 to 50% with respect to the raw seaweeds at a temperature of 60 to 300 ℃ more than 0 to 6 hours. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단당류는 해조류 원초에 대해 0.05~50% 농도의 산성 이온성 액체 촉매를 이용하여 60~300℃ 온도에서 0 초과~6시간 동안 반응시킨 후, 잔류 섬유소 혹은 전분을 대상으로 상기 반응조건에서 2차 혹은 3차 당화반응시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 당화액의 제조 방법.The monosaccharide was reacted with an acidic ionic liquid catalyst at a concentration of 0.05 to 50% with respect to the algae raw material at 60 to 300 ° C. for more than 0 to 6 hours, and then, in the reaction conditions for the remaining cellulose or starch, Or a saccharification solution produced by tertiary saccharification. 해조류 원초 또는 해조류에서 추출한 다당류 물질에 산성 이온성 액체 촉매를 처리하여 단당류를 생성하는 단계; 및Treating the acidic ionic liquid catalyst with a polysaccharide material extracted from seaweed grass or seaweed to produce monosaccharides; And 상기 단당류를 미생물에 의해 발효시키는 단계를 포함하는 바이오연료의 제조방법.Fermenting the monosaccharides by the microorganisms. 청구항 16에 있어서,18. The method of claim 16, 상기 바이오연료는 C1 내지 C4의 알코올 및 C2 내지 C4의 케톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조 방법.The biofuel is a method of producing a biofuel, characterized in that selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and C 2 to C 4 ketone. 청구항 16에 있어서,18. The method of claim 16, 상기 발효 미생물은 사카로마이세스 세레비시애, 사르시나 벤트리큘리, 클루이베로마이세스 프라질리스, 자이고모모나스 모빌리스, 클루이베로마이세스 막시아너스 IMB3, 브레타노마이세스 쿠스테르시이, 클로스트리디움 아세토부틸리쿰, 클로스트리디움 바이예링키, 클로스트리디움 아우란티부틸리쿰 및 클로스트리디움 테타노모르퓸으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조 방법.The fermentation microorganisms are Saccharomyces cerevisiae, Sarcina ventriculum, Kluyveromyces pragilis, Zygomonas mobilis, Kluyberomyces maximaus IMB3, Bretanomyces custersii, Clostridium aceto A method for producing a biofuel, characterized in that it is selected from the group consisting of butyricum, Clostridium Baieringki, Clostridium aurantibutylricum and Clostridium tetanomorphium.
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