KR20100064756A - 양조 폐기물을 이용한 에탄올의 제조방법 - Google Patents

양조 폐기물을 이용한 에탄올의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양조폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주를 이용한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래 활용도가 낮고, 처리에 어려움이 있었던 양조 폐기물(주박) 및 폐과실을 이용하여, 고수율로 에탄올을 생산할 수 있으며, 에탄올 제조의 원료로 사용되어 왔던 종래 곡류 등 식량자원을 절약할 수 있는 효과가 있다.
양조 폐기물, 생전분분해효소, 병행복발효, 폐과실, 에탄올

Description

양조 폐기물을 이용한 에탄올의 제조방법{Method for Preparing Ethanol Using Residual Product of Rice Brewery}
본 발명은 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주를 이용한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
우리나라와 같이 바이오매스 자원이 부족한 국가는 에탄올 생산원료의 다변화가 필요하다. 목재의 셀룰로스의 구조는 전분계의 구조와는 달리 단단한 구조를 가지고 있어 당의 고분자인 셀룰로스를 먼저 분리하고 효소에 의해 당으로 전환하여 효모의 에탄올 발효를 유도하여야 하는 어려운 점이 있다. 이와는 달리 전분계의 곡류등은 효소제의 처리에 의하여 쉽게 당으로 분해되며 전분이 당화됨과 동시에 효모의 발효가 일어나는 병행복발효가 가능한 이점을 갖고 있다. 균주를 이용하여 생물학적으로 에탄올을 생산할 수 있는 전분계 폐기물의 경우 양조 폐기물인 주박, 폐과일, 폐고구마, 폐곡류 등과 같이 다양한 기질이 존재하며, 식물성폐기물을 에탄올 생산원료로 재활용하기 위해서는 상기 폐기물을 분해 및 당화하여 에탄올을 효율적으로 생산할 수 있는 유용미생물 및 상기 유용미생물의 최적 발효조건의 검색이 필수적으로 선행되어야한다.
전분계의 곡류 등은 효소제의 처리에 의하여 쉽게 당으로 분해되며 전분이 당화됨과 동시에 효모의 발효가 일어나는 병행복발효가 가능한 이점을 갖고 있으나2), 기존의 에탄올 발효 생산 공정은 기질의 액화, 당화, 그리고 발효의 3공정으로 이루어져 있어 시간이 오래 걸리고 생산비가 높아 석유의 대체 에너지로서의 경제성에 문제가 제기되고 있다.
곡류를 이용한 양조 (쌀 발효 후) 폐기물(주박)은 각종 영양분과 에탄올을 생산할 수 있는 탄수화물 (34%)을 포함하고 있으나, 현재에는 양돈사료, 비료로 일부 사용되고 있을 뿐 활용도가 매우 낮다.
또한, 복숭아, 고구마, 배, 감, 감자 등의 국내 연간생산량은 수백톤에 이르며, 이들 중 폐기되는 것은 농산물 유통저장 중 썩는 것, 낙과, 새떼에 의한 파손 등에 의한 손실, 상품성이 없는 것을 합치면 상당량이 될 것으로 추정된다.
상기 식물성 폐기물들을 에탄올 생산 원료기질로 사용하면, 원료비가 거의 들지 않는다는 장점을 가지고 있다. 에탄올 생산비의 70%가 원료비라는 점을 감안하면 매우 매력적인 원료기질이라 할 수 있다. 이들 식물성 폐기물들에는 1) 부패되거나 상품성이 없는 각종 곡류, 감자, 고구마 그리고 토마토, 감, 복숭아, 배 등의 각종 과일 폐기물; 2) 청주, 약주, 탁주 등 양조 발효 후 20% 잔존하는 주박; 3) 곡류가공 후의 잔존 폐기물 등의 식용에 부적합한 식물성 폐기물들이 포함된다.
이에, 본 발명자들은 폐기물을 이용하여 효율적으로 에탄올을 생산할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 양조의 부산물로서 발생되고 있는 전분계 발효 폐기물에 포함되어 있는 미발효된 전분과 낙과등의 농산폐기물에 등을 기질로 하여, Rhizopus sp.및/또는 Aspergillus usami 균주와 효모를 이용하여 병행복발효(동시당화발효)에 의한 단일 1공정을 수행하면, 고수율로 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 양조 폐기물(주박)을 이용하여, 단일공정으로 고수율의 에탄올을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 복숭아, 고구마 및 복분자주박으로 구성된 군에서 선택되는 식물성당원료와 양조 폐기물(주박)을 이용하여, 단일공정으로 고수율의 에탄올을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 복숭아, 고구마 및 복분자주박으로 구성된 군에서 선택되는 식물성당원료와 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp.및/또는 Aspergillus usami 균주를 이용한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 과실류를 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래 활용도가 낮고, 처리에 어려움이 있었던 양조 폐기물(주박) 및 폐과실을 이용하여, 고수율로 에탄올을 생산할 수 있으며, 에탄올 제조의 원료로 사용되어 왔던 종래 곡류 등 식량자원을 절약할 수 있는 효과가 있다.
일 관점에서, 본 발명은 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 양조 폐기물인 주박은 수분57%, 탄수화물 34%, 조단백 5.5% 조지방0.6%, 조섬유 2.4% 조회분 0.4%, 비타민 등으로 구성되며, 높은 탄수화물 함량을 나타내고 있어, 에탄올 발효에 유리하다.
본 발명에 있어서, 발효시의 온도는 28~33℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 배지의 급수는 90~100%로 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 잡균의 오염을 방지하고 당화력을 높이기 위하여, 초기 배지의 pH는 3~4인 것이 바람직하다.
주박을 이용한 알코올의 생산에 있어서, 대한민국 등록특허 제10-0311093호에서는 주박을 이용하여 소주를 제조함에 있어서, 주박에 사카로마이세스 균주를 접종하고, 급수율을 150%로 하여, 발효 7일후의 8.5%의 에탄올을 수득하였으나, 본 발명에서는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주와 사카로마이세스 균주를 사용하여, 급수량을 100%로 하여 발효를 실시하여, 발효 5일후에 13.5%의 에탄올을 생산하였으며, 사용균주 및 발효 조건에 차이가 있으며, 에탄올 수득율에 있어서 큰 차이를 나타내고 있다.
다른 관점에서, 본 발명은 복숭아, 고구마 및 복분자주박으로 구성된 군에서 선택되는 식물성당원료와 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 복숭아 및 고구마는 수확과정에서 손상된것, 농산물 유통저장 중 썩는 것, 낙과, 새떼에 의한 파손 등에 의한 손실, 상품성이 없는 것 등의 폐기물을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 발효시의 온도는 28~33℃에서 수행하는 것이 바람직하다.배지의 급수는 90~100%로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 잡균의 오염을 방지하고 당화력을 높이기 위하여, 초기 배지의 pH는 3~5인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 식물성 당화원료가 고구마 및/또는 복숭아인 경우에는 Aspergillus usami 균주를 사용하는 것을 특징할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 양조 폐기물(주박) 90%와 고구마 10%를 함유하는 배지에서 Aspergillus usami 균주의 고상 배양물과 효모를 이용한 경우, 11.8%의 에탄올을 수득하였다.
본 발명의 다른 실시예에서는 양조 폐기물(주박) 90%와 복숭아 10%를 함유하는 배지에서 Aspergillus usami 균주의 고상 배양물과 효모를 이용하여 11.6%의 에탄올을 수득하였다.
본 발명에 있어서, 식물성 당화원료가 복분자주박인 경우에는 Rhizopus sp. 균주 와 Aspergillus usami 균주의 고상 배양물 함께 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 양조 폐기물(주박) 90%와 복분자주박 10%를 함유하는 배지에서 Rhizopus sp. 균주의 고상 배양물(50%)와 Aspergillus usami 균주의 고상 배양물(50%)를 함께 사용한 경우, 11.5%의 에탄올을 수득하였다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 과실류를 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법을 제공한다.
상기 과실류는 당분이 많은 과실류인 것이 바람직하며, 예를 들면, 딸기, 배, 사과, 복숭아, 포도, 바나나, 수박, 감, 참외 등을 들 수 있으며, 상기 과실은 폐과실인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것이 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 복합기질을 이용한 에탄올 생산조건의 확립
생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp.(KFCC-11279) 및 생전분분해효소, 셀룰라제, 펙치나아제 등의 다양한 효소를 생산하는 Aspergillus usami (KCTC8750P)를 이용하여, 복합기질에서 에탄올 생산하였다.
현재 양조주의 제조에 사용되는 효모는 외국에서 건조 효모 상태로 수입하여 사용하고 있으나, 본 발명에서는 연료용 에탄올의 경제성을 증진시키기 위하여, 종균 배양한 효모( Saccharomyces serevisiae, KCCM-10685P)를 본 배양에 사용하였다. 이를 위하여, 10L jar 발효기를 이용하여 효모의 생육에 미치는 미네랄 성분과 첨가량, 일정한 air의 공급하에서 교반 속도를 검토하였다.
그 결과, 최적조건은 파쇄미 당화액 배지에서 30℃, 24h, 50 rpm, MgSO4·7H2O 0.1%, glucose 3.0%, 2.0 kgf/cm2 조건 일때, 1.6x108 cfu/ml이었다 (도 1).
단독기질의 발효시에는 주박을 사용한 경우에는 Rhizopus sp.에서 에탄올 생성능이 가장 우수하였고, 고구마 및 복분자 주박을 각각 사용한 경우에는Rhizopus sp. 및 Aspergillus usami의 비율이 50:50 (기질대비 1%)에서 에탄올 생성이 가장 우수하였다 (도 2).
또한, 고체 배양물을 효모 발효에 직접 첨가하는 방법과 침출하여 침출액만을 사용하는 방법에 따른 효모의 에탄올 발효에 미치는 영향을 검토한 결과, 침출하여 첨가하는 방법과 직접 첨가하는 방법에 있어서 에탄올 생성능에는 큰 영향을 미치지 않았다 (도 2).
다음으로 발효시 미생물의 오염을 방지하기 위하여 효소제 첨가시의 초기 pH를 3.0과 3.5로 조정하여 발효일차별에 따른 에탄올의 생성량에 대한 검토와 에탄올의 생산 수율을 높이기 위한 방법으로 기질과 물량과의 적절한 비율을 실험한 결과 모든 실험 군에서 급수를 100% 했을때 가장 안정적으로 에탄올이 생산되었다.
복합원료 사용에 따른 에탄올 발효조건의 검토를 위해 주박을 기본으로 하고 다양한 부원료를 첨가사용하며 고체 배양물의 효소 역가를 고려하여 고체 배양물의 배합 비율에 따른 에탄올 생성량에 미치는 영향을 검토하였다.
주박 90% + 고구마 10%, 주박 90%+ 복숭아10% 복합 기질은 Aspergillus usami를 100%(기질 대비 1%) 사용하고 초기 pH 3.5로 했을때 11.8%, 11.6%의 에탄올을 얻었고, 나머지 주박 90% + 복분자 주박 10%는 Rhizpus sp. 50% + Aspergillus usami 50%(기질 대비 1%)를 사용하고 pH 3.5로 했을 때 최종 에탄올 11.5%가 생산 되었다.
최종적으로 복합 기질을 이용한 발효에서는 에탄올을 11.0% 이상으로 생산하였다 (도 3).
실시예 2: 원료에 대한 최적 당화 조건 확립
본 실시예에서는 주박을 기본으로 하여 발효주의 원료로 사용될 수 있는 다양한 기질을 복합적으로 사용하여 원료 당화의 조건을 확립하였다.
먼저, 주박을 기질로하여 당화 시에, 미생물의 오염을 방지하기 위하여 항생제 및 아황산 등을 처리함으로써 미생물을 억제하고자 하였다. 그 결과, 아황산을 300ppm까지 처리했을때 미생물(주로 세균)은 발견되지 않았고, 효모는 2.4x106까지 생육이 억제되었다 (도 4). 6가지 항생제 처리에서도 ampicillin의 경우가 가장 많은 미생물을 억제 하였지만 그 효과는 아황산 보다 약했다 (표 1).
항생제 처리에 따른 주박의 미생물 변화

Sodium propionate
[4mg/ml]		 Streptomycin
[50μg/ml]		 Ampicillin
[50μg/ml]		 Erythromycin
[20μg/ml]		 Actinomycin
[50μg/ml]		 Kanamycin
[50μg/ml]		 Control
미생물
(세균)		 7.9x101 9.1x102 6.1x101 7.7x102 9.2x102 8.8x102 2.4x103
효모 3.1x107 1.5x108 3.0x107 1.6x108 2.0x101 9.7x107 2.2x108
주박 기질의 전처리 방법으로 다양한 강산(황산, 염산 등)을 처리하는 실험을 수행하였으나, 강산은 처리 후에 당화에 사용되는 효소제에 영향을 주어서 사용하지 않았다.
10L의 발효조를 이용하여 기질의 당화율 실험에서 주박 당화시의 온도와 pH의 영향을 조사한 결과 온도는 30℃, pH는 4.0에서 각각의 고체 배양물에서의 당화율이 우수하였다 (도 5 및 표 2).
초기 pH에 따른 주박의 당화율 비교
pH

시간
3.0
3.5
4.0
5.0
Rhizopus sp. 3 20.1 21.2 23.5 25.2
18 48.5 51.2 58.8 53.1
24 60.1 69.6 81.7 72.1
Aspergillus usami
3 19.5 22.3 25.0 23.2
18 49.2 50.1 52.1 48.1
24 59.2 67.6 76.6 69.2
다음으로 주박에 다른 식물성 기질 첨가에 대한 당화 조건을 검토하기 위해 먼저 각 기질의 전 처리 실험을 실시한 결과 복숭아는 압착기로 압착 후 효소를 2시간 처리한 후에 사용하는 방법과 고구마의 경우는 고구마를 민서기(분쇄기의 일종)를 이용하여 분쇄한 후에 사용하는 방법을 선택하였다.
다음으로 각 기질에 대한 고체 배양물의 반응 조건 검토로 반응액의 pH와 반응 온도를 검토한 결과 모든 기질에 대해서 온도 30℃가 최적 조건이었고 이때 고구마, 복숭아에서는 Rhizopus sp., Aspergillus usami 첨가시 pH 4.0이 최적 조건이었고 복숭아는 Rhizopus sp. 첨가시 pH 3.5가 최적조건 이었다 (표 3).
각 기질에 대한 최적 pH조건
시간[h] pH 3.0 pH 3.5 pH 4.0 pH 5.0


Rhizopus sp. 		고구마
[당화율 %]		 3 20.5 23.8 25.3 25.2
18 42.1 51.0 59.5 56.4
24 65.2 68.5 72.2 68.9
복숭아
[g/L]		 3 15.6 21.2 22.7 22.2
18 23.9 33.0 32.6 24.7
24 19.1 20.2 20.8 18.9


Aspergillus usami 		고구마
[당화율 %]		 3 18.2 21.8 25.0 24.0
18 35.2 48.0 56.2 52.4
24 60.2 65.5 74.5 71.0
복숭아
[g/L]		 3 24.9 26.2 29.7 30.5
18 33.6 39.0 40.2 27.4
24 26.6 35.5 32.6 21.4
복합 고체배양물 사용에 따른 각 기질의 당화율은 두 종류의 고체배양물로부터 사용비율에 따라 각 기질의 전화율을 측정하였다. 그 결과, 주박은 Rhizopus sp.를 100%(기질대비 1%) 첨가했을 때 81.5%의 당화율을 나타내었고, 고구마와 복숭아는 각각 Aspergillus usami 100% 첨가했을 때 당화율이 최고를 나타내었다.
복합원료 기질에 대한 최적의 당화 조건의 검토로 두 종류의 고체 배양물 비율별로 혼합하여 당화율을 측정한 결과, 주박 90% + 고구마 10%는 Rhizopus sp.를 100% 첨가하였을 때, 72.0%의 당화율을 나타내었고, 주박 90% + 복숭아 10%는 Rhizopus sp.를 100% 첨가하였을 때 71.5%의 당화율을 나타내었다.
정해진 기질 농도와 효소 배합비율을 토대로 이들의 반응에 영향을 미치는 pH 및 온도에 대한 영향에 대하여 검토한 결과, 모든 혼합 기질에서 pH 4.0, 온도 30℃의 최적 조건이었을때, 주박 90% + 고구마 10%와 주박 90% + 복숭아 10%의 당화율이 모두 80%를 넘었다 (표 4).
복합 기질에 대한 온도 조건 [당화율]
시간[h] 20℃ 30 ℃ 45 ℃
Rhizopus sp. 주박 90% + 고구마 10% 3 20.9 26.0 31.8
18 43.1 58.3 50.3
2 50.0 83.3 67.6
주박 90% + 복숭아 10% 3 21.1 25.6 31.3
18 40.3 48.5 49.0
24 55.8 81.0 61.8
Aspergillus usami 주박 90% + 고구마 10% 3 28.2 27.7 30.3
18 29.1 58.0 29.7
24 22.2 86.5 28.2
주박 90% + 복숭아 10% 3 33.8 25.9 28.6
18 32.2 50.6 43.1
24 27.6 80.2 62.2
다음으로 20L의 발효조를 사용하여 최적 온도와 pH의 범위내에서 교반속도 및 교반시간에 따라 생성되는 당량을 측정한 결과 Rhizopus sp.와 Aspergillus usami의 경우 복합 기질의 당화 온도는 30℃였고 pH는 4.0이었고 당화율도 80%를 넘었다. 그러나 교반 속도에 의한 당화의 차이는 정치 당화와 큰 차이가 없었다.
실시예 4: 주박을 기질로 하는 대량 알코올발효조건 확립
실시예 2의 결과를 토대로, 주박을 기질로 하는 대량 알코올 발효를 위하여, 효모균주는 YPD 액상 배지를 30℃, 150rpm 조건으로 48시간 배양하였으며, 주박을 이용한 100L 배양액에 0.5x107cfu/ml의 효모를 접종하였다. 약주주박(규조토 주박) 90% + 복분자 주박 10%를 기질로 하여 급수량을 100%로 하고 초기 pH를 3.5 로 조정하여 발효를 실시한 결과, 13.5%의 에탄올이 생산되었다 (도 6).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 효모의 생육에 미치는 교반속도의 영향을 확인한 그래프이다.
도 2는 고체 배양물 첨가 방법에 따른 에탄올 발효 조건을 확인한 그래프이다.
도 3는 복합기질을 이용한 에탄올 생산능을 확인한 그래프이다.
도 4은 주박을 기질로한 당화 시 아황산의 농도별 처리에 따른 미생물 억제효과를 확인한 그래프이다.
도 5은 당화온도에 따른 효소역가를 측정한 그래프이다.
도 6는 대용량배양을 통한 에탄올 생산을 측정한 그래프이다.

Claims (9)

  1. 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배지의 초기 pH는 3~4이고, 상기 당화 및 발효는 28~33℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 배지의 급수는 배지기질에 대하여 90~100%로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 복숭아, 고구마 및 복분자주박으로 구성된 군에서 선택되는 식물성당원료와 양조 폐기물(주박)을 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배지의 초기 pH는 3~5이고, 상기 당화 및 발효는 28~33℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주는 고상배양물 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서, 식물성 당화원료가 고구마 및/또는 복숭아인 경우에는 Aspergillus usami 균주를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 식물성 당화원료가 복분자주박인 경우에는 Rhizopus sp. 균주와 Aspergillus usami 균주를 함께 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 과실류를 함유하는 배지에서 생전분분해효소를 생산하는 Rhizopus sp. 및/또는 Aspergillus usami 균주에 의한 당화와 효모에 의한 발효를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 에탄올의 제조방법.
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