KR20100112691A

KR20100112691A - 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법

Info

Publication number: KR20100112691A
Application number: KR1020090031097A
Authority: KR
Inventors: 차인수; 최정식; 박세준; 도윤호; 박지현; 강기운
Original assignee: 동신대학교산학협력단
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-10-20

Abstract

본 발명은 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법에 관한 것으로, 폐기 처분되는 농산폐기물을 이용하여 바이오 에탄올을 제조함으로써 에탄올의 제조 원가와 폐기물의 처리비용을 절감함을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법은, 농산폐기물의 외과피를 준비하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 준비된 농산폐기물의 외과피 1g에 대하여 증류수 45 내지 55mL을 혼합하고, 상기 외과피와 증류수 혼합물 100부피%에 대하여 glucoamylase 효소와 복합 carbohydrases 효소 중 어느 하나를 2.5 내지 3.5부피% 첨가하여 상기 농산폐기물의 외과피를 효소 가수 분해함으로써 농산폐기물 당화 액을 제조하는 제2단계와; 그리고, 상기 제2단계를 통해 제조된 농산폐기물 당화 액 100부피%에 대하여 균주 1.8 내지 2.2부피% 첨가하여 발효에 의해 에탄올을 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.

바이오 에탄올, 농산폐기물, 효소 가수분해, 발효

Description

농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BIO-ETHANOL FROM AGRICULTURAL WASTE}

본 발명은 바이오 에탄올 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐기 처분되는 농산폐기물을 이용하여 바이오 에탄올을 제조함으로써 에탄올의 제조 원가를 절감할 수 있는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법에 관한 것이다.

고유가와 에너지안보, 온실가스 규제강화를 배경으로 대체에너지 개발이 전지구적 화두로 떠오른 가운데, 전세계적으로 차세대 연료로서 바이오에탄올(Bioethanol) 보급이 급속히 진행되고 있다. 부시 행정부는 2017년까지 석유소비를 20% 줄이는 대신 바이오에탄올 등 대체에너지 이용을 확대하겠다고 천명했으며, 일본ㅇ중국ㅇ아세안 국가도 바이오에탄올 생산확대 정책을 추진 중이다.

바이오에탄올은 사탕수수, 옥수수 등 식물에서 추출한 연료로, 휘발유와 혼합하거나 단독으로 자동차연료로 투입될 수 있어 바이오디젤과 더불어 대표적인 재생자원 에너지로 각광받고 있다.

바이오 에탄올은 수입원유에 대한 의존도를 낮춰주는 것은 물론, 에탄올 연소시 발생하는 이산화탄소는 교토의정서에서 규정한 온실가스 계산에서 예외 적용을 받아 온실가스 감축효과도 올릴 수 있다. 또한 보급에 별도의 인프라(충전소 등) 구축이 필요한 다른 청정연료와는 달리 기존 인프라(주유소)에서 보급이 가능해 조기 상용화가 용이하다.

이와 같이 바이오에탄올에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 바이오에탄올의 생산량도 조금씩 증가하는 추세이다.

그러나, 바이오에탄올이 대체에너지로 부상하면서 원료가 되는 옥수수, 사탕수수, 밀 등에 대한 수요가 급증해 곡물가격 급등의 한 요인이 되고 있다. 블룸버그가 브라질, 미국, 캐나다의 에탄올 생산업체들을 대상으로 실시한 조사에 따르면 가동중인 에탄올시설은 2006년 11월 현재 3개국 합계 448개이며, 생산량은 100억 3,450만 갤런이다. 이 중 브라질에는 전체 생산량의 39.4%에 해당하는 에탄올시설이 있으며 원료는 전량 사탕수수이다. 한편 동 58.8%를 차지하는 미국에서는 원료의 99.7%가 옥수수다. 캐나다도 생산량 점유율은 1.7%로 낮지만 원료는 모두 옥수수를 사용한다.

미국의 에탄올업계 단체인 재생가능연료협회(RFA)에 따르면 미국에서는 현재48개 에탄올시설이 건설 중이고 7개 시설은 확장공사를 진행하고 있다. 이에 따라 2007년에는 미국 내 에탄올 생산능력이 약 69억 갤런으로 늘어날 전망인데, 이를 옥수수로 환산하면 약 24억 8,000만 부셀(1부셀은 25.4kg)로 미국 전체 2006/07년도 예상 생산량의 약 23%에 해당된다. 미국에서는 향후에도 에탄올 제조의 원료로 서 경쟁력이 있는 농산물인 옥수수의 이용이 확대될 전망이어서 바이오연료의 생산확대는 옥수수 수요의 증대로 이어질 전망이다. 그리고 이와 같은 옥수수 수요의 증대는 축산ㅇ양계 농가 및 곡물을 원재료로 사용하는 음ㅇ식료품업체 등의 원가상승 요인으로 작용해 결과적으로 식품, 축산품 전반의 소비자가격 상승을 초래할 수 있을 것으로 예상된다.

따라서 이와 같은 석유자원의 대체에너지 자원으로서의 바이오에탄올을 생산하면서도 곡물가격 급등이라는 부작용을 유발하지 않기 위해서는 바이오에탄올의 원료를 기존의 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 다른 자원으로 다양화 할 필요성이 절실히 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 농가, 가정, 식당, 과수원 등에서 발생되어 폐기 처분되고 있는 농산폐기물을 이용하여 바이오 에탄올을 제조하여 폐기물의 처리비용을 절감하고 바이오 에탄올의 제조 원가를 절감할 수 있는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 농산폐기물을 이용 한 바이오 에탄올 제조방법은, 농산폐기물의 외과피를 준비하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 준비된 농산폐기물의 외과피 1g에 대하여 증류수 45 내지 55mL을 혼합하고, 상기 외과피와 증류수 혼합물 100부피%에 대하여 glucoamylase 효소와 복합 carbohydrases 효소 중 어느 하나를 2.5 내지 3.5부피% 첨가하여 상기 농산폐기물의 외과피를 효소 가수 분해함으로써 농산폐기물 당화 액을 제조하는 제2단계와; 그리고, 상기 제2단계를 통해 제조된 농산폐기물 당화 액 100부피%에 대하여 균주 1.8 내지 2.2부피% 첨가하여 발효에 의해 에탄올을 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법에 의하면, 옥수수나 사탕수수 같은 곡물자원이 아닌 농산폐기물을 원료로 하여 식량자원 가격의 상승 및 경작지 투기와 산림훼손 등의 문제를 유발하지 않고, 저렴한 비용으로 농산폐기물을 구입하여 바이오 에탄올의 제조원가를 절감할 수 있다. 그리고, 농산폐기물의 폐기 처분을 위한 비용을 절감할 수 있고 폐기물에 의한 환경오염을 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.

본 발명에 의한 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법은 다음과 같다.

(S10) 원료 준비.

농산폐기물(배, 사과, 감 등)은 소위 껍질의 외과피, 과육의 중과피, 씨앗 등의 내과피로 구분된다. 본 발명에서는 외과피(중과피와 내과피도 사용이 가능하지만 중과피와 내과피는 폐기되는 양이 적기 때문에 외과피가 주로 사용될 것이다)를 바이오 에탄올의 원료로 사용하며, 이를 위하여 칼 등이 박피기를 이용하여 농산폐기물에서 외과피를 벗겨 낸다.

선별된 외과피는 수분을 함유하고 있는데, 이 수분은 바이오 에탄올의 품질 저하할 수 있으므로 건조를 거친다. 상기 건조 공정은 100℃ 이상(105 내지 110℃)의 온도에서 3시간 30분 내지 4시간 30분간 이루어질 수 있다.

건조된 외과피는 다양한 크기로 파생되기 때문에 입도를 일정하게 맞추기 위하여 파쇄와 입도 선별을 거친다. 건조된 외과피를 파쇄기에 넣고 파쇄하고 200메쉬(mesh)로 선별한다.

(S20) 효소 가수분해.

농산폐기물로부터 에탄올의 생산을 위해서는 균종 S. cersvisiae가 대사할 수 있는 단당류 또는 이당류로의 전환이 가장 중요한 요소라 할 수 있다.

또한 가수분해는 biomass를 이용한 에탄올 발효에서 가장 핵심 부분이라 할 수 있다. 본 발명에서는 농산폐기물 중의 전분질 성분의 효율적인 가수분해를 위해 glucoamylase를 사용하였다. 또한 농산폐기물 중의 섬유소 성분의 가수 분해를 위해 복합 carbohydrases를 사용하였다.

본 실험에서는 건조 농산폐기물 단위 g당 상기 두 가지 산업용 효소를 각각 첨가하여 개별 가수분해를 실시하였다. 대조군과 효소 반응 후에 환원당(reducing sugar)의 농도 변화 및 생성된 glucose를 표 1에 나타내었다.

표 1. 효소 가수분해에 의한 환원당과 생성된 포도당의 양

효소가수분해 이전 (Mean±S.D, mg/ml glucose)		after (평균±S.D, mg/ml glucose)
배	175.7±0.1	배	674.01±0.1
사과	98.4±0.1	사과	445.65±0.1
감	242.2±0.2	감	587.964±0.3

본 발명에서는 glucoamylase의 중 Spirizyme^® Plus FG가 사용되며, 복합 carbohydrases 중 Viscozyme^® L가 사용되는 것을 예로 들어 설명한다.

Spirizyme^® Plus FG는 Aspergillus niger 유래 1,4-alpha-D-glucan-glucohydrolase(EC3.2.1.3)이며, 이 효소는 액화된 starch 함유 기질 중 1,4- 및 1,6-alpha 결합을 가수분해하며 발효를 위해 분쇄된 시료의 당화에 사용되는 효소의 일종이다. 이 효소의 최적 활성 범위는 pH 4.2∼4.6 및 60∼63℃ 이다.

반면 Viscozyme^® L은 Aspergillus aculeatus 유래 다중복합효소로서 arabanase, cellulase, β-glucanase, hemicellulase, xylanase 등을 포함하는 광범위 carbohydrases의 한 종류이다.

최적 활성 조건은 pH 3.3∼5.5, 25∼55℃ 이며, 주로 곡물이나 야채류의 처리를 위해 또는 식물체로부터 유용 물질 추출을 위해 식물 세포벽을 가수 분해하기 위해 주로 사용되는 효소이다. 또한 비 전분질계 폴리사카라이드를 분해하여 전분 의 발효를 촉진, 점도 감소 및 추출율을 증가시키기 위해 사용된다.

전술한 2종의 효소는 개별적으로 사용될 수도 있고 혼합되어 사용될 수도 있지만 에탄올의 발효율을 볼 때 어느 하나가 선택되어 개별 사용되는 것이 바람직하다.

상기 효소는 전처리된 농산폐기물의 효소 가수분해시 부피비로 농산폐기물(실질적으로는 농산폐기물과 증류수의 혼합물(농산폐기물 1g에 대하여 증류수 45 내지 55mL 혼합, 알코올 발효 시 영향을 미칠 수 있는 무기물이 함유된 일반 물의 사용을 자제하고 또한 농산폐기물과 증류수의 혼합 부피비는 당도에 영향을 미치므로 45내지 55mL 범위로 한다)의 부피에 대하여 2.5 내지 3.5부피%, 바람직하게 3부피% 혼합된다.

효소의 혼합비율은 효소활성도에 영향을 주고 있으며, 2.5부피% 이하일 경우 효소의 활성도가 낮아 가수분해율이 낮아지고 3.5부피%이상일 경우 가수분해율에 비해 사용되는 효소의 양이 과다하게 첨가되므로 경제성이 떨어진다.

효소의 활성화를 위하여 pH를 4.5±0.2로 조절한 후 45 내지 55℃, 바람직하게 50℃온도의 조건에서 2시간 40분 내지 3시간 20분 동안 180 내지 220rpm, 바람직하게 200rpm의 속도로 교반하여 효소 가수분해를 실시한다.

이와 같이 효소 가수분해를 거치면 농산폐기물 당화 액이 생성된다.

(S30) 에탄올 발효.

효소 가수분해를 거쳐 생성된 농산폐기물 당화 액은 균주에 의한 발효를 통 해 분해되어 에탄올을 제조한다.

본 발명에 사용된 에탄올 생산 균주는 농산폐기물 당화 액을 분해하여 에탄올을 생성할 수 있는 모든 균주가 사용 가능하며, 예컨대, 동신대학교 친환경농식품산업화센터에서 배양시킨 Sacchar-omyces cerevisiae COAFI 8111이 사용되고, YPD agar slant에 계대 배양하여 활성을 증가시켰다. 계대 배양한 균을 15mL YPD broth에 식균하여 23 내지 25시간동안 28 내지 32℃, 바람직하게 24 시간동안 30℃에서 정치 배양하여 균주의 활성을 높인 후 각각의 에탄올 발효 실험을 위한 종균으로 사용하였다.

S. cerevisiae의 배양을 위해 YPD agar 및 broth(Difco)를 사용하였고, YPD 배지는 yeast extract 2.5g/L, peptone 2.5g/L, glucose 100g/L, MaSO₄·7H₂O 0.25g/L, K₂HPO₄ 1g/L를 함유한 배지로서 에탄올 발효를 위해 전 배양 및 seed 접종을 위한 기본 배지로 사용하였다.

고무마개가 장착된 250mL Erlenmeyer 플라스크에 150mL의 농산폐기물 당화 액에 1.8 내지 2.2부피%, 바람직하게 2부피%(균주의 혼합비율은 발효효율에 영향을 미치며, 1.8부피% 이하일 경우 균주의 활성도가 낮아 발효율이 낮아지고 2.25부피%이상일 경우 발효율에 비해 사용되는 효소의 양이 과다하게 첨가되므로 경제성이 떨어진다)의 균주를 첨가하여 초기 pH 4.5에서 28 내지 32℃를 유지한 상태에서 90 내지 110 rpm의 속도로 23 내지 25시간 동안 진탕 배양하였다.

농산폐기물의 복합 효소 가수 분해물에 S. cerevisiae를 식종하여 24 시간 동안 에탄올 발효를 실시한 결과, S. cerevisiae의 균체수는 약 2 시간의 지체기를 거쳐 10 시간을 전후하여 직선적으로 증가하여 약 15 시간을 전 후하여 정체기를 나타내었다. 정체기 이후에는 약간의 감소 현상을 보였는데 이것은 발효 기질 중의 영양분이 고갈되었음을 의미하고 있다. 주요 기질인 glucose 및 환원당은 균체수의 증가에 따라 급격히 감소하여 15 시간 후에는 거의 대부분이 소모되어 에탄올로 전환됨을 알 수 있었다.

에탄올의 발효 이전에 농산폐기물 당화 액에 포함된 균을 제거하기 위하여 멸균 공정을 거칠 수 있다. 멸균은 예컨대 121℃에서 15 분간 진행될 수 있다.

이러한 공정을 통해 에탄올을 생산하며, 에탄올 생산율은 에탄올 yield (YE/S)를 근거로 하여 하기의 식 1로 계산할 수 있다.

<실시예>

1. 원료 준비.

농산폐기물(배, 사과, 감)을 수거하여 박피기를 이용하여 외과피를 벗겨낸다.

외과피를 건조기에 넣고 105℃의 온도에서 4시간 동안 건조하였다.

건조된 외과피를 파쇄기에 넣고 파쇄하고, 200메쉬 선별채를 통해 파쇄물을 선별하였다. 200메쉬 이상 입도의 외과피를 상기 파쇄기에 넣고 다시 파쇄하는 방법으로 모든 외과피를 200메쉬 입도 이하로 맞추었다.

2. 효소 가수분해.

1. 원료 준비 공정을 통해 획득한 원료 중 5g을 정량하여 준비하고, 효소는 Spirizyme^ㄾ Plus FG를 준비하였다.

250mL Erlenmeyer플라스크에 원료 5g과 증류수 250mL을 가하여 혼합하고 3N NaOH로 pH를 4.5로 조절하였다.

pH가 조절된 원료와 효소를 진탕배양기(예컨대, DSK 512, Daeil engineering, Korea)에 넣고 상기 진탕배양기의 온도를 50℃로 셋팅한 상태에서 200 rpm의 교반 속도로 3시간 동안 교반하였다.

이로써 농산폐기물 당화 액이 만들어진다.

3. 에탄올 발효.

농산폐기물 당화 액을 멸균기에 넣고 121℃에서 15 분간 멸균하고, 고무마개가 장착된 250mL Erlenmeyer 플라스크에 멸균된 농산폐기물 당화 액 150mL의 전술한 균주 3mL를 넣고 상기 플라스크의 온도를 30℃로 셋팅한 상태에서 100 rpm 속도로 24 시간 동안 진탕 배양하여 에탄올을 제조하였다.

상기 그래프는 원료별 에탄올 사용량을 보인 것으로 과실폐기물은 본 발명의 농산폐기물을 의미한다.

기존에 바이오 에탄올을 생산하는데 사용된 재료별 생산량과 본 발명에서 사용된 과실폐기물(농산폐기물)의 바이오 에탄올 생산량을 비교한 결과 당밀과 옥수수가 가장 높은 생산율을 보이고 사탕수수와 짚(밀) 순으로 나타났다. 본 발명에서 사용된 과실폐기물의 경우 사탕수수보다 높은 바이오 에탄올 생산율을 보였으며 재료의 특성이 유사한 음식물 쓰레기에 비해 높은 것으로 나타났다. 따라서 과실폐기물을 이용한 바이오 에탄올 생산은 효율성 및 경제성이 뛰어난 것으로 판단된다.

Claims

농산폐기물의 외과피를 준비하는 제1단계와;

상기 제1단계에서 준비된 농산폐기물의 외과피 1g에 대하여 증류수 45 내지 55mL을 혼합하고, 상기 외과피와 증류수 혼합물 100부피%에 대하여 glucoamylase 효소와 복합 carbohydrases 효소 중 어느 하나를 2.5 내지 3.5부피% 첨가하여 상기 농산폐기물의 외과피를 효소 가수 분해함으로써 농산폐기물 당화 액을 제조하는 제2단계와; 그리고,

상기 제2단계를 통해 제조된 농산폐기물 당화 액 100부피%에 대하여 균주 1.8 내지 2.2부피% 첨가하여 발효에 의해 에탄올을 제조하는 제3단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 glucoamylase 효소는 Spirizyme^® Plus FG가 사용되며, 복합 carbohydrases 효소는 Viscozyme^® L이 사용되는 것을 특징으로 하는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제2단계에서는 상기 외과피와 증류수 혼합물의 pH를 4.5±0.2로 조절한 후 45 내지 55℃ 조건에서 2시간 40분 내지 3 시간 20분 동안 180 내지 220rpm의 속도로 교반하면서 상기 효소를 첨가하여 효소 가수분해를 유도하는 것을 특징으로 하는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법.
청구항 3에 있어서, 상기 제3단계에서는 상기 균주를 첨가하여 초기 pH 4.5에서 28 내지 32℃를 유지한 상태에서 90 내지 110 rpm의 속도로 23 내지 25시간 동안 진탕 배양하는 것을 특징으로 하는 농산폐기물을 이용한 바이오 에탄올 제조방법.