KR20100119698A

KR20100119698A - 해조류로부터 바이오 화학물질을 생산하는 방법

Info

Publication number: KR20100119698A
Application number: KR1020090038771A
Authority: KR
Inventors: 장호남; 김낙종
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2010-11-10
Also published as: KR101039432B1

Abstract

본 발명은 해조류로부터 바이오 화학물질을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 갈조류, 녹조류 및 홍조류를 포함하는 해조류로부터 휘발성 유기산, 유기산 에스테르 및 알코올을 포함하는 바이오 화학물질을 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 해조류로부터 유기산을 생산하는 방법은 (a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 리그닌을 가지지 않는 해조류 기반의 휘발성 유기산 생산공정을 제시함으로써 목질계 기반의 휘발성 유기산 생산공정에서 요구되는 장기간의 전처리 및 토지 소요 문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 유기산, 유기산 에스테르, 알코올 등의 바이오 화학물질을 고수율로 생산하는 방법을 제시하여 경제성을 향상시킬수 있다.

해조류, 유기산, 발효, 알코올

Description

해조류로부터 바이오 화학물질을 생산하는 방법{Method for Producing Bio-Chemicals Derived from Algal Biomass}

본 발명은 해조류로부터 바이오 화학물질을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 갈조류, 녹조류 및 홍조류를 포함하는 해조류로부터 휘발성 유기산, 유기산 에스테르 및 알코올을 포함하는 바이오 화학물질을 생산하는 방법에 관한 것이다.

바이오 연료는 바이오매스(biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로서, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. 바이오 연료의 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 바이오 연료를 제조할 수 있다. 목질계는 도시 폐기물 형태의 폐목재나 삼림 곳곳에 흩어져 있는 임산 부산물을 원료로 이용할 수 있으며, 식량으로서 활용가치가 없어 원료 수급의 안정성은 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.

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 부식시키는 환경적인 단점도 존재한다.

또한, 홀채플 등은 한국등록특허 10-0321678, 한국공개특허 10-2007-0035562 및 10-2008-0016523에서 목질계 바이오매스(lignocellulose)를 석회 또는 생석회 및 산소로 장기간 전처리하여 리그닌을 제거하고, 이를 휘발성 유기산 생산에 이용하는 공정을 제시하였으나, 이들은 리그닌 제거를 위해 장시간동안 전처리를 수행하여야 할 뿐만 아니라, 전처리 수행을 위해서는 넓은 공간의 전처리 장소를 필요로 하는 문제점과 상기 방법을 이용할 경우, 유기산을 선택적으로 생산할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 해조류는 생육이 빠르고, 바다의 깊이에 따라 상층에 녹조류, 중층에 갈조류, 하층에 홍조류가 주로 자라기 때문에 복합 배양을 통해 육상 바이오매스 보다 높은 생산성을 가질 수 있다. 또한 해조류는 목질계 바이오매스에서 가지는 난분해성 리그닌이 없기 때문에 분해하기 쉬운 장점이 있다.

하지만 해조류는 수분함량이 80% 이상으로 높고, 염분농도가 건조중량의 20-30%를 차지하며, 구성하는 단백질(10-15%)과 지방(1-5%)의 함량이 높다. 건조중량의 25-50%를 차지하는 탄수화물 조성도 육지 식물과 큰 차이를 보인다. 따라서, 기존의 효모나 박테리아를 이용하여 탄수화물을 에탄올 또는 부탄올 등을 생산하는 공정을 해조류에 적용할 경우 당함량이 높은 해조류만을 선별하여 사용해야 하는 단점이 있으며, 대상 해조류로부터 높은 수율의 당을 얻기 위한 당화기술의 개발 및 생산된 복합당들을 동시에 이용할 수 있는 미생물 균주의 개발 또한 필요하다. 예를들어, 한국공개특허 2008-0113990에서는 홍조류를 염소 화합물류로 전처리 한 후, 당화합물 및 바이오에탄올을 생산하는 방법을 개시한 바 있다.

이에 반해 해조류를 간단한 전처리를 거쳐 탄수화물, 단백질, 지방을 동시에 휘발성 유기산으로 전환하는 공정은 단일 균주를 배양하기 위한 살균이 필요 없고, 해조류에 적용하기에 용이한 장점이 있다. 하지만 그동안 해조류로부터 휘발성 유기산(VFA)의 효과적 생산을 위해 전처리 및 발효 방법의 연구가 없었다. 예를 들어, 유럽등록특허 0167984에서는 해조류를 소다로 처리한 후, 전처리 산물을 당화시키고, 미생물을 이용하여 메탄가스로 전환하는 메탄가스 생산방법을 개시하였으나, 이들은 해조류로부터 메탄가스 생산을 목적으로 하였으며, 휘발성 유기산을 선택적으로 생산하지 못할 뿐만 아니라, 생성되는 휘발성 유기산의 수율이 낮은 문제점이 있었다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 개선하고자 예의 노력한 결과, 다양한 방법으로 전처리된 해조류에 미생물을 첨가하고, 발효시킬 경우, 해조류의 종류에 구애 받지 않고 유기산을 생성할 수 있으며, 생산된 유기산을 이용하여, 유기산 에스테르 및 알코올 등의 바이오 화학물질을 고수율로 제조할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 해조류로부터 유기산, 유기산 에스테르 및 알코올을 포함하는 바이오 화학물질을 생산하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계를 포함하는 해조류로부터 유기산을 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 생성된 유기산으로부터 알코올을 제조하는 단계를 포함하는 해조류로부터 알코올을 생산하는 방법을 제공한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 리그닌을 가지지 않는 해조류 기반의 휘발성 유기산 생산공정을 제시함으로써 목질계 기반의 휘발성 유기산 생산공정에서 요구되는 장기간의 전처리 및 토지 소요 문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 유기산, 유기산 에스테르, 알코올 등의 바이오 화학물질을 고수율로 생산하는 방법을 제시하여 경제성을 향상시킬수 있다.

본 발명에서는 목질계 바이오매스 대신에 해조류를 이용할 경우, 리그닌 제거를 위해 장시간동안 전처리를 수행하지 않아도 되기 때문에 처리과정이 간단할 뿐만 아니라, 미이용되는 해양자원을 효율적으로 이용할 수 있을 것으로 예측하였다.

본 발명의 일 실시예에서는 해조류를 전처리 시킨 후, 전처리된 해조류를 발효시켜 유기산을 생성하고, 생성된 유기산을 이용하여, 유기산 에스테르 및 알코올을 고수율로 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 일관점에서, (a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계를 포함하는 해조류로부터 유기산을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, ‘바이오 화학물질’이란 바이오매스 공급원으로부터 추출된 상업용 또는 산업용 생성물들을 의미하는 것으로, 유기산, 유기산 에스테르, 알코올 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 해조류는 녹조류, 갈조류, 홍조류 등의 대형조류를 예시할 수 있으나, 클로렐라, 스피루니나 등의 미세조류를 예시할 수 있다.

상기 녹조류로는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 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. 또한, 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 아니다.

본 발명에 있어서, 해조류의 전처리는 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리를 각각 단독으로 수행할 수도 있지만, 이들을 복합적으로 수행하는 것이 바람직하다.

상기 열적 처리는 50~200℃ 온도에서 해조류를 가열하는 것으로, 열적 처리의 온도가 50℃ 미만인 경우, 해조류의 분해가 제대로 이루어지지 않으며, 200℃를 초과할 경우 특별한 처리장치 및 과도한 에너지 비용이 소모되는 문제가 있다.

상기 물리적 처리는 볼밀 또는 칼을 이용하여 해조류를 분쇄 또는 절단하는 것을 예시할 수 있으나, 해조류를 분쇄 또는 절단할 수 있는 것이라면 제한없이 이용될 수 있다. 상기 분쇄 또는 절단은 해조류를 가로 및 세로의 길이가 0.5㎝ 미만이 되도록 수행하는 것이 바람직하다.

상기 화학적 처리는 알카리 또는 산을 해조류에 처리하는 것으로서, 알카리 로는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 등을 예시할 수 있으며, 산으로는 아세트산, 붕산, 탄산, 염산, 황산, 질산, 인산 등을 예시할 수 있으나, 염산, 황산, 질산, 인산 등의 강산을 처리하는 것이 바람직하다. 상기 강산은 0.01~0.3 노르말 농도인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 강산의 농도가 0.3 노르말 농도를 초과할 경우 전처리효과가 크게 증가하지 않으며 처리 후 중화를 위해 많은 양의 염기를 첨가해야 하는 문제가 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전처리는 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리를 단독 또는 복합적으로 수행한 후, 생물학적 처리를 추가적으로 수행할 수 있다.

상기 생물학적 처리는 곰팡이 또는 박테리아를 직접 해조류에 처리하거나, 곰팡이 유래의 효소 또는 박테리아 유래의 효소를 해조류에 처리하는 것으로서, 상기 곰팡이로는 Aspergillus sp., Trichoderma sp. 등의 곰팡이를 예시할 수 있으며, 상기 곰팡이 유래 효소로는 Aspergillus oryzae 및 Trichoderma reesei 유래 셀룰라제(cellulase), Aspergillus aculeatus 유래의 베타글루카나제(beta-glucanase), Aspergillus niger 유래의 아밀로글루코시다제(amyloglucosidase), Trichoderma reesei 유래의 엔도글루카나제(endo-glucanase) 등을 예시할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 박테리아는 갯벌 유래 박테리아 또는 전복 유래 박테리아인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 생물학적 처리를 추가적으로 수행할 경우, 해조류를 더욱 분해시키거나, 당화시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발효는 암모니아, 질산염, 요소, 옥수수 침지액, 효모 추출액, 음식물 쓰레기 및 활성 슬러지로 구성된 군에서 선택되는 질소원을 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 추가로 첨가한 후, 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 질소원을 추가시키고 발효시킬 경우 탄소와 질소의 함량비가 100:1에서 10:1 사이로 조절되어 유기물의 생분해도가 높아지는 장점이 있다. 상기 질소원의 사용량은 사용되는 질소원의 종류에 달라질 수 있다. 즉, 암모니아의 경우 극미량으로 질소 함량을 높일 수 있지만, 슬러지, 음식물 쓰레기 등은 발효액의 10~25% 정도 첨가할 수 있다.

상기 유기산 생산발효를 위한 미생물은 통상적인 혐기성 소화 균주를 제한없이 이용할 수 있으나, 내염성을 가지는 혐기성 소화 균주인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 혐기성 균주는 통상 사용되는 소, 염소 등의 초식동물의 내장이나 분뇨, 메탄생산의 산발효조, 메탄 발효조, 음식물쓰레기 혐기소화조, 갯벌 등 유기물분해 활성이 높은 곳에서 분리할 수 있으며, Clostridium sp., Acetogenium sp., Peptococcus sp., Acetobacterium sp., Propionobacterium sp. 등을 예시할 수 있다.

상기 발효에 의하여 생산되는 유기산은 탄소수 7 이하의 휘발성 유기산인 것을 특징으로 하며, 상기 휘발성 유기산은 초산, 프로피온산, 낙산, 발레르산, 카프로익산 등을 예시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발효는 전처리된 해조류 고형물을 0.1~25% 함유하는 용액, 보다 바람직하게는 2-20%을 대상으로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 해조류 고형물의 함량이 0.1% 미만인 경우 생산되는 유기산의 농도가 낮아 회수비용이 많이 드는 문제가 있고, 25%를 초과할 경우 해조류의 추가적 건조과정이 필요하고, 발효시 교반과 온도 등의 전달현상이 나빠지며 유기산 수율이 낮아지는 문제가 있다. 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액은 해수, 인공해수 등을 포함할 수 있다.

화학적으로 초산은 에탄올로, 낙산은 부탄올로 전환하기에 용이하다. 유기산 생산에 있어서 최종 산물은 초산이므로 초산을 생산하는 것은 상대적으로 쉬우나 낙산을 선택적으로 생산하는 것은 상대적으로 어렵다. 프로피온산은 일반적으로 전체 유기산 중에서 차지하는 비중이 낮기 때문에 낙산의 선택적 생산 조건은 초산 생산의 억제 조건이 되며, 초산의 선택적 생산은 낙산 생산의 억제 조건이 될 수 있다. 부탄올은 휘발유에 가까워 수송용연료로 에탄올보다 적합하기 때문에 낙산의 선택적 생산은 매우 중요하다.

본 발명에서는 또한, 전처리된 해조류에 미생물을 첨가하고, 발효조건을 달리하여 발효를 수행할 경우, 목적하는 유기산(초산 또는 낙산)을 선택적으로 생산할 수 있을 것으로 예측하였다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 온도, pH, 해조류 농도 및 염 농도 등의 발효조건을 달리하여 발효를 수행하고, 상기 발효조건에 따라 생산되는 유기산의 종류 및 생산량이 조절되는 것을 확인하였다.

본 발명에 있어서, 상기 낙산을 50% 이상 함유하는 유기산을 생성하기 위한 발효조건은 해조류 농도 7~25%, 바람직하게는 8~15%, pH 6~10, 바람직하게는 pH 7~9, 온도 35~55℃, 바람직하게는 45~55℃ 및 염 농도 1-10%, 바람직하게는 1~3%이다.

또한, 상기 초산을 50% 이상 함유하는 유기산을 생성하기 위한 발효조건은 해조류 농도 0.1~7%, 바람직하게는 1~3%, pH 5~9, 바람직하게는 pH 5~6.5, 온도 35~55℃, 바람직하게는 45~55℃ 및 염 농도 1~10%, 바람직하게는 1~3%이다. 상기 각각의 조건들은 상호 영향을 미치고 있지만, 낙산 또는 초산의 함량을 결정짓는 주요인자는 해조류 농도, pH, 온도, 염 농도 순이다.

본 발명에 있어서, 상기 유기산은 발효액의 물을 증발시켜 농축 후 분리하거나, 통상적으로 알려진 바와 같이, 나노여과(nanofiltration), 한외여과(ultrafiltration), 역삼투(reverse osmosis), 퍼베퍼레이션(pervaporation), 전기투석(electrodialysis), 침전, 용매추출(solvent extraction), 증류 등의 방법으로 분리할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 생성된 유기산으로부터 알코올을 제조하는 단계를 포함하는 해조류로부터 알코올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

상기 알코올은 통상적으로 알려진 바와 같이, 유기산에 수소첨가 반응용 촉매를 첨가하는 수소첨가반응에 의하거나, 유기산에 탄소수 1~10의 알코올을 첨가하 여 유기산 에스테르를 생성한 후, 수소화분해 반응용 촉매를 첨가하는 수소화분해반응에 의하여 생산할 수 있다.

즉, 해조류로부터 생성된 유기산에 Cu/ZnO촉매, Cu/Cr 촉매, MgO-NH₂-Ru complex 촉매(Polym. Adv. Technol., 14, 278-281, 2003), 비결정성 합금에 고정된 Ni, Fe 또는 Ni-Fe 촉매를 가한 후, 200-300atm의 수소압력, 150-250℃에서 반응시키면 수소첨가반응에 의해 알코올을 생산할 수 있다.

상기 알코올은 발효에 의하여 생산된 유기산의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 상기 생산되는 알코올로는 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 등을 예시할 수 있다.

예를들어, 상기 유기산이 낙산을 50% 이상 함유하는 유기산인 경우, 부탄올을 50% 이상 함유하는 혼합 알코올이 생산되며, 상기 유기산이 초산을 50% 이상 함유하는 유기산인 경우, 에탄올을 50% 이상 함유하는 혼합 알코올을 생산할 수 있다.

한편, 상기 유기산에 탄소수 1~10의 알코올 및 에스테르화 반응용 산촉매를 첨가하면 유기산 에스테르를 생산할 수 있다. 상기 탄소수 1~10의 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올 등을 예시할 수 있으며, 상기 에스테르화 반응에 이용되는 산촉매는 황산, 질산 등의 강산촉매 또는 고체 산촉매(solid acid catalyst)를 예시할 수 있다.

상기 유기산 에스테르는 생산된 유기산의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 상 기 생산되는 유기산 에스테르로는 초산 에스테르, 프로피온산 에스테르, 낙산 에스테르, 발레르산 에스테르, 카프로익산 에스테르 등을 예시할 수 있다.

상기 생성된 유기산 에스테르는 알코올로 전환시키거나, 그 자체를 직접 이용할 수도 있다. 본 발명에 있어서, 상기 유기산 에스테르에 환원된 CuO/ZnO를 포함하는 촉매(WO 82/03854)나 Copper chromite를 첨가하고, 10-250atm의 수소압력, 150-350℃에서 반응시키면 수소화분해반응(hydrogenolysis)에 의해 1차 알코올을 생산할 수 있다.

예를들어, 부틸 낙산, 에틸 초산 등의 유기산 에스테르에 환원된 CuO/ZnO 혼합물 촉매를 첨가하고, 수소화분해 반응시킴으로써, 부탄올, 에탄올 등을 생산할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 해조류의 화학적 전처리

해조류는 홍조류인 우뭇가사리, 녹조류인 파래, 갈조류인 다시마와 모자반을 대상으로 하였다. 먼저 볼밀(ball mill)을 이용하여 해조류를 가로 및 세로의 길이 가 0.5㎝ 이하가 되도록 파쇄시켰다.

파쇄된 해조류에 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 염산, 황산을 농도별(0.05, 0,1, 0.15, 0.2, 0.3 노르말 농도)로 처리하고, 121℃에서 15분간 열처리하였다.

그 결과, 염기 처리된 우뭇가사리는 열처리 과정에서 겔화에 의해 엉겨붙어 염기처리는 우뭇가사리의 전처리방법으로 적절치 못한 것을 확인하였으며, 파래, 다시마, 모자반의 경우 염기처리는 분해에 큰 영향을 주지 못하는 것을 확인하였다.

산처리된 해조류의 전처리 효과는 Biorad Aminex HPX-87H column을 이용하여 HPLC로 정량함으로써 확인하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

강산	노르말 농도	건조중량 대비 당함량 (% w/w)
강산	노르말 농도	다시마	모자반	파래	우뭇가사리
황산	0	2.2	0.4	1.8	2.9
	0.05	5.9	3.4	6.8	5.8
	0.10	8.1	4.3	6.5	9.5
	0.15	6.9	6.1	6.8	9.7
	0.20	6.4	5.8	6.6	9.8
	0.30	5.6	5.2	5.4	8.7
염산	0	2.2	0.4	1.8	2.9
	0.05	6.8	3.8	7.8	5.5
	0.10	9.4	5.3	7.1	11.6
	0.15	7.8	7.1	6.9	10.9
	0.20	7.3	6.6	7.9	11.0
	0.30	6.7	5.5	6.8	9.7

표 1로부터, 황산과 염산을 해조류에 처리할 경우, 해조류가 분해되어 생성된 당의 함량이 증가하였으며, 특히 0.1~0.2 노르말 농도의 염산을 처리할 경우, 해조류 분해가 가장 활발하게 이루어졌음을 확인하였다.

실시예 2: 해조류의 효소 당화

실시예 1과 동일한 방법으로 파쇄된 해조류(다시마, 모자반, 파래, 우뭇가사리)에 0.1 노르말 농도의 염산을 처리하고, 121℃에서 15분간 열처리하였다.

생물학적 처리를 추가적으로 수행하기 위하여 하기 표 2의 효소(Novozymes사)를 최종 농도 1%가 되도록 첨가하고, 50℃, pH 5에서 150rpm으로 12시간동안 반응시켰다. 생물학적으로 처리된 해조류의 전처리 효과는 생성된 당을 Biorad Aminex HPX-87H column을 이용하여 HPLC로 정량함으로써 확인하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

효 소	상품명	유래 미생물	50g 해조류로부터 생성된 당 (g)
효 소	상품명	유래 미생물	다시마	모자반	파래	우뭇 가사리
셀룰라제 (cellulase)	Novoprime^® B959	Trichoderma reesei	12.7	3.1	6.9	19.2
셀룰라제 (cellulase)	Novoprime^® B969	Trichoderma reesei, Aspergillus oryzae	18.8	4.1	9.7	28.3
베타글루카나제 (beta-glucanase)	Viscozyme^® L	Aspergillus aculeatus	7.5	2.0	3.9	11.5
아밀로글루코시다제 (amyloglucosidase)	AMG^® 300 L	Aspergillus niger	4.1	2.4	3.2	5.7
엔도글루카나제 (endo-glucanase)	elluclast^®® 1.5L	Trichoderma reesei	16.2	4.8	9.2	27.1

표 2로부터, Novoprime^® B 959, Novoprime^® B 969 및 Celluclast^® 1.5L의 해조류 분해활성이 우수하였다. 반면, Viscozyme^® L 및 AMG^® 300 L은 당화효과가 미미하였다. 사용된 효소는 엔도글루카나제 또는 셀룰라제를 주 활성으로 가지는 효소들이었으며 당화 효과가 우수한 효소는 공통적으로 Trichoderma 유래의 효소를 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 해조류를 산처리 후 Trichoderma 유래의 효소를 처리하는 것은 당화에 효과적이라는 것을 확인하였으며, 해조류 중 당 수율이 높은 것은 다시마와 우뭇가사리로 건조중량의 37.5%와 56.5%였다.

실시예 3: 해조류로부터 휘발성 유기산의 생산

실시예 1과 동일한 방법으로 파쇄된 해조류(우뭇가사리, 파래, 다시마, 모자반)에 하기 표 4에 나타난 방법으로 단순 열처리(121℃, 15분)하거나 수산화칼슘(Ca(OH)₂)(파쇄된 해조류 1g당 0.1g) 또는 염산(0.1 노르말 농도) 처리후 121℃에서 15분간 열처리하였다.

각각의 전처리물 10g/L에 효모추출액(BD, USA) 1g/L 및 pH를 7.5-8.0으로 유지하기 위해 탄산나트륨 10g/L을 첨가한 후, 카이스트 구내식당에 설치된 음식물쓰레기 혐기성 소화조로부터 얻어진 혐기성 미생물을 총부피의 10% 접종하고, 37℃, 150 rpm에서 72시간동안 배양한 후, 생산된 유기산의 수율을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.

[표 3]

유기산 발효	녹조류			갈조류						홍조류
	파래			다시마			모자반			우뭇가사리
	-	HCl	Ca(OH)₂	-	HCl	Ca(OH)₂	-	HCl	Ca(OH)₂	-	HCl	Ca(OH)₂
유기산 (g/L)	6.48	5.40	5.54	7.27	7.85	7.10	4.26	5.30	4.91	2.99	5.22	5.10
수율 (%)	59	49	50	66	71	65	39	48	45	27	47	46

표 3으로부터, 파래는 단순 열처리시킨 것의 수율이 염산 또는 수산화칼슘을 처리한 것보다 높게 나타났으며, 다시마, 모자반, 우뭇가사리는 0.1 노르말의 염산을 처리한 경우, 유기산 생산수율이 단순 열처리시킨 것에 비하여 각각 7.5%, 23%, 74% 증가되었음을 알 수 있다.

해조류 및 효모추출액을 포함한 건조 중량에 대하여 50% 이상의 유기산 수율은 생화학적으로 유기산을 연료용 알코올로 전환했을 때 해조류 건조 중량 톤당 500L 이상의 알코올이 생산 가능한 것을 의미한다. 생물연료 상업적 생산에서 목질계 바이오매스를 이용할 경우 톤당 목표수율이 300L인 것을 감안하면 50% 이상의 수율은 유기산 및 해조류 이용공정의 장점을 단적으로 보여주는 결과로 볼 수 있다.

실시예 4: 낙산 또는 초산의 선택적 생산

유기산의 선택적 생산을 확인하기 위하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 파쇄된 다시마 200g에 염산(최종 0.1 노르말)을 처리하고, 121℃에서 15분간 열처리하였다. 발효를 위한 미생물을 대신하여 전라남도 완도지역의 갯벌 및 카이스트 구내식당에 설치된 음식물쓰레기 처리시설로부터 얻은 혐기소화액을 접종하고, 발효온 도, pH, 다시마의 농도, 염 농도를 달리하여 120시간동안 발효시킨 후, 발효물로부터 생성된 유기산의 종류 및 양을 확인하고, 그 결과를 하기 표 4~7 및 도 2에 나타내었다.

표 4는 해조류(다시마) 농도 100g/L, 효모추출물 1g/L 및 탄산칼슘 10g/L를 혼합, pH 8.0, 온도 55℃인 조건에서 접종균에 따른 유기산 생산 결과이다.

[표 4]

접종균	해조류 농도 (g/L)	숙신산 (g/L)	초산 (g/L)	프로피온산 (g/L)	낙산 (g/L)	산 농도 (g/L)	낙산 함량 (%)
갯벌 유래 균주 접종	100	1.93	1.00	0.37	14.16	17.46	81
음식물 혐기소화액 접종	100	-	5.25	1.81	8.84	15.9	55

표 4로부터, 발효를 위한 접종균에 따라 유기산의 함량이 차이가 있는 것으로 나타났으나, 두 경우 모두 낙산을 50% 이상 생산한 것을 확인하였다.

즉, 갯벌 유래 균주를 접종한 것이 음식물 혐기소화액을 접종한 것보다 함량 80% 이상의 높은 농도의 낙산을 생산하였으며, 초산의 선택적 생산을 위해서는 도 2와 같이 해조류의 함량을 낮추고 pH와 온도를 조절하여 달성할 수 있으나 표 4에서와 같이 음식물쓰레기 혐기성 소화액을 접종균으로 이용하는 것이 보다 유리할 것으로 예측된다.

표 5는 해조류 농도 3%, 효모추출물 0.1% 및 탄산칼슘 1%를 혼합, pH 8.0, 갯벌을 5% 접종한 조건에서, 온도에 따른 유기산 생산 결과이다.

[표 5]

온도 (℃)	초산 (g/L)	프로피온산 (g/L)	낙산 (g/L)	총 유기산 (g/L)
30	2.36	2.07	2.27	6.70
35	4.22	1.42	3.84	9.48
40	4.92	0.4	4.53	9.85
45	6.05	1.8	4.31	12.16
50	7.4	0.5	5.1	13.0
55	7.9	0.62	4.2	12.72
60	3.1	0.3	0.8	4.2

표 5에 나타난 바와 같이, 해조류 농도가 3%인 경우, 온도가 35~55℃인 경우 초산의 선택적 생산에 유리하지만 온도가 60℃ 이상에서는 총 유기산 농도가 현격이 저하되며 미생물 성장이 저해됨을 확인 하였다.

표 6은 해조류 농도 3%, 효모추출물 0.1% 및 탄산칼슘 1%를 혼합, 갯벌을 5% 접종, 온도 50℃의 조건에서 pH에 따른 유기산 생산 결과이다.

[표 6]

접종 pH	젖산 (g/L)	초산 (g/L)	프로피온산 (g/L)	낙산 (g/L)	총 유기산 (g/L)	낙산 비 (%)	초산 비 (%)
4	6	0.9	0.2	0.4	7.5	5.3	12.0
5	1.4	5.87	1.3	2.03	10.6	19.2	55.4
6	0	8.7	0.9	3.8	13.4	28.4	64.9
7	0	8.35	1.2	4.95	14.5	34.1	57.6
8	0	7.4	0.5	5.1	13	39.2	56.9
9	0	3.5	3.6	5.2	12.3	42.3	28.5
10		2.1	0.2	1.5	3.8	발효불량	-
11	-	-	-	-	발효불가	-	-

표 6에 나타난 바와 같이, pH가 5~8인 경우, 초산의 선택적 생산에 유리함을 확인할 수 있었다. pH 5 이하에서는 젖산 생성이 많아지고, pH 8 이상에서는 해조류 농도에 따라 다르지만 낙산이 증가하기 때문에 초산의 선택적 생산을 위해서는 pH 5-8이 적당하다는 사실을 확인하였다.

표 7은 효모추출물 0.1% 및 탄산칼슘 1%를 혼합, 갯벌을 5% 접종, 온도 55℃, pH 8.0의 조건에서 해조류 농도에 따른 유기산 생산 결과이다.

[표 7]

해조류 농도 (%)	초산 (g/L)	프로피온산 (g/L)	낙산 (g/L)	유기산 농도 (g/L)	낙산 비 (%)	초산 비 (%)
2.1	6.45	0.72	3.09	10.26	30.2	62.8
4.2	9.14	1.08	5.15	15.36	33.5	59.5
5.9	8.15	1.77	7.78	17.70	44.0	46.0
6.3	7.57	1.89	7.74	17.20	45.0	44.0
8.4	1.01	1.17	12.42	14.60	85.1	6.9
10	1.13	0.42	12.55	14.10	89.0	8.0

표 7에 나타난 바와 같이, 해조류의 농도가 낮을 경우 초산의 함량이 높고, 해조류 농도가 높을 경우 낙산의 함량이 높아진다는 사실을 확인하였다.

상기 초산 또는 낙산의 선택적 생산은 해조류 농도, pH, 발효온도, 균주 등이 상호 영향을 미치고 있으나, 표 4~7 및 도 2로부터, 통계적 처리를 통해 해조류(다시마)의 농도(함량) 7% 이상, pH 6 이상, 온도 35℃ 이상에서 낙산의 함량을 50~90%로 생산 가능함을 알 수 있었다. 반면, 해조류(다시마)의 농도(함량) 7% 미만, pH 8 이하, 온도 35℃ 이상인 경우, 초산의 함량이 50~70%이었음을 알 수 있었다.

한편, 발효액의 염 농도는 염화나트륨을 첨가하여 조절할 수 있는데, 해조류의 함량이 5%를 초과할 경우 해조류 자체에 많은 염분이 포함되어 있으므로, 별도 의 염화나트륨을 첨가하지 않아도 되지만, 5% 미만인 경우 발효액의 염 농도가 1~10%가 되도록 염화나트륨을 첨가하는 것이 수율향상을 위해 바람직하다.

실시예 5: 유기산의 추출

산 발효물의 주요 생성물인 유기산을 아민 추출제인 Alamine 336을 이용하여 물상(발효액)으로부터 유기상(추출제)을 추출하였다. 실험용 등급의 순수한 유기산을 이용하여 모사된 발효액(아세트산:프로피온산:부틸산 = 6:3:4)을 만들었으며, 사용된 아민 추출제(Alamine 336)는 octanol을 희석제로 이용하여 25%의 농도에서 사용하였다. 유기산의 농도는 4.69~91.76 g/L사이로 적용하였다. 각각 4mL의 물상과 유기상을 플라스크에서 혼합한 후 수 초간 교반하고, 원심분리기를 이용하여 7000 rpm에서 3분간 분리하였다.

그 결과, 표 8에서 나타난 바와 같이 VFA 최소 농도 4.7 g/L에서 분배계수가 최대 20이었고, 유기산 최대 농도 91.8g/L에서 분배계수가 최소 3.5 이었다. 발효액 중 유기산의 농도가 높아질수록 분배계수가 점차 감소하였지만, 최대농도 91.8 g/L에서도 유기상의 유기산농도가 71.5로 유지되며 추출이 잘 진행됨을 알 수 있었다.

[표 8]

적용된 유기산 농도 (g/L)	물상 (g/L)	유기상 (g/L)	분배계수 (유기상/물상)
4.7	0.22	4.46	20
9.6	0.59	8.98	15.3
29.0	2.48	26.5	10.7
56.0	8.30	47.7	5.8
91.8	20.2	71.5	3.5

실시예 6: 유기산 에스테르의 알코올로의 전환

대상 에스테르로 낙산과 부탄올이 결합된 부틸 낙산(butyl butyrate)과 에탄올과 초산이 결합된 에틸 초산을 각각 부탄올와 에탄올로 전환하는 수소화분해 반응을 수행하였다. 먼저, 16g의 Cu(OAc)₂H₂O와 34g의 Zn(OAc)₂H₂O을 증류수 500ml에 녹여 70℃에서 교반시켰다. 용액이 맑게 되었을 때 증류수 400ml에 용해시킨 (NH₄)₂CO₃ 40g의 용액을 pH 7.0을 유지하면서 서서히 첨가하였다. 생성된 침전물을 거름종이로 거르고 증류수로 세척하였다. 세척된 침전물을 120℃에서 17시간동안 건조하고 450℃에서 8시간동안 소성하였다. 생성된 CuO/ZnO를 200℃에서 5% 수소를 함유한 질소가스로 12시간 동안 흘려주고 다시 수소로 12시간 동안 흘려주어 환원시켜, 수소화분해 반응에 필요한 환원된 CuO/ZnO 촉매를 제조하였다.

부틸 낙산 10g, 부탄올 20g 및 환원된 CuO/ZnO 촉매 1g을 고압 수소반응기에 넣고 250℃, 수소압력 80기압, 600 rpm의 조건에서 3시간 동안 반응시켰다. 또한, 부틸 낙산 대신에 에틸 초산 10g을 사용한 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 반응시켰다.

반응결과, 최종적으로 51%의 부탄올과 48%의 에탄올 수율을 각각 얻을 수 있었다. 상기 수소화 분해반응 수율은 CuO/ZnO를 기반하는 촉매의 제조방법을 개선함으로써 이미 알려진 바와 같은 95% 이상의 수율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 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 본 발명에 따른 해조류로부터 유기산, 유기산 에스테르, 알코올을 포함하는 바이오 화학물질을 생성하는 공정을 도식화한 도면이다.

도 2는 해조류로부터 높은 함량의 초산 또는 낙산을 생산한 결과를 보여주는 그래프이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 해조류로부터 유기산을 생산하는 방법:

(a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계; 및

(b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계.
상기 열적 처리는 50~200℃ 온도에서 해조류를 가열하고, 상기 물리적 처리는 볼밀 또는 칼을 이용하여 해조류를 분쇄 또는 절단하고, 상기 화학적 처리는 염산, 황산, 질산, 인산 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 강산을 해조류에 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전처리 후, 생물학적 처리를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 생물학적 처리는 곰팡이, 박테리아, 곰팡이 유래의 효 소 및 박테리아 유래의 효소로 구성된 군에서 선택되는 것을 해조류에 단독 또는 복합적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 발효는 암모니아, 질산염, 요소, 옥수수 침지액, 효모 추출액, 음식물 쓰레기 및 활성 슬러지로 구성된 군에서 선택되는 질소원을 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 추가로 첨가한 후, 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유기산 생산 발효를 위한 미생물은 내염성 또는 혐기성 소화균주인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유기산은 초산, 프로피온산, 낙산, 발레르산, 카프로익산 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 발효조건이 해조류 농도 7~25%, pH 6~10, 온도 35~55℃ 및 염 농도 1~10%이고, 상기 유기산은 낙산을 50% 이상 함유하는 유기산인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 발효조건이 해조류 농도 0.1~7%, pH 5~9, 온도 35~55℃ 및 염 농도 1~10%이고, 상기 유기산은 초산을 50% 이상 함유하는 유기산인 것을 특징으로 하는 방법.
다음 단계를 포함하는 해조류로부터 알코올을 생산하는 방법:

(a) 해조류를 열적 처리, 물리적 처리 및 화학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 전처리하는 단계;

(b) 상기 전처리된 해조류를 함유하는 용액에 미생물을 첨가하고, 발효시켜 유기산을 생성하는 단계; 및

(c) 상기 생성된 유기산으로부터 알코올을 제조하는 단계.
제10항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 유기산에 수소첨가 반응용 촉매를 첨가하는 수소첨가반응에 의하여 수행되거나, 상기 유기산에 탄소수 1~10의 알코올을 첨가하여 유기산 에스테르를 생성한 후, 수소화분해 반응용 촉매를 첨가하는 수소화분해반응에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 알코올은 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.