KR20120013964A - 에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법 - Google Patents

에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법 Download PDF

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Abstract

에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법은 물을 담은 재배조에 수생 식물을 심는 단계 및 수조 내에 수생 식물이 무산소 과정을 개시하는 산소 결핍 조건을 발생시키는 단계를 포함한다. 수생 식물은 크기가 증가하며 무산소 과정 동안 저장된 탄수화물의 대사를 통해 에탄올을 방출한다. 산소 공급 조건이 이후 재배조 내에 생성되어 유산소 과정을 개시한다. 수생 식물은 유산소 과정 동안 탄수화물을 발생시키고 저장한다. 산소 결핍 및 산소 공급 조건을 생성하는 단계가 반복되어 수생 식물의 크기 증가 및 에탄올의 방출을 증진시킨다.

Description

에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법{METHOD OF STIMULATING ETHANOL PRODUCTION AND GROWTH OF AQUATIC PLANTS}
본 공개는 에탄올 생산 방법에 대한 것이며 더욱 구체적으로는 산소 결핍 대사 동안 유리 에탄올을 발생하여 식물 성장과 에탄올 생산의 자급자족 사이클을 형성하는 식물에 의한 식물 성장을 촉진시키기 위한 신규한 에탄올 생산 방법에 대한 것이다.
본 공개의 한 구체예는 물을 담은 재배조(cell)에 수생 식물을 심는 단계 및 수생 식물이 무산소 과정을 개시하는 산소 결핍 조건을 수조 내에 발생시키는 단계를 일반적으로 포함하여 상기 제시된 요구를 충족시킨다. 수생 식물은 크기가 증가하며, 무산소 과정 동안 저장한 탄수화물의 대사를 통해 에탄올을 방출한다. 산소 공급 조건이 이후 재배조 내에 발생되어 유산소 과정을 개시한다. 수생 식물은 유산소 과정 동안 탄수화물을 발생하고 저장한다. 산소 결핍 및 산소 공급 조건을 발생시키는 단계가 반복되어 수생 식물의 크기 증가 및 에탄올의 방출을 증진시킨다.
따라서 본 공개의 더욱 중요한 특징들은 이어지는 상세한 설명이 더 잘 납득될 수 있도록, 그리고 당해 분야에 본 기여가 더 잘 인식될 수 있도록 다소 광범하게 개괄되었다. 본 공개의 추가적인 특징은 이후 설명될 것이고, 여기에 첨부된 청구 범위의 요지를 구성할 것이다.
본 공개의 목적은, 본 공개를 특징짓는 신규성의 다양한 특징과 함께, 특히 본 공개에 첨부되고 본 공개의 일부를 구성하는 청구범위에서 지적된다.
여기서 이어지는 상세한 설명을 고려할 때 본 공개는 더 잘 이해될 것이고 상기 제시된 것 이외의 목적이 명백해질 것이다. 이들 설명은 첨부된 도면에 대해 언급하는데, 첨부 도면에서:
도 1은 본 공개의 한 구체예에 따른 에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법의 개략도이다.
이제 도면, 특히 도 1을 참고로 하여, 본 공개의 구체예의 원리 및 개념을 구체화하고 참조 번호 10에 의해 일반적으로 명시되는 신규한 에탄올 생산 방법이 기재될 것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 에탄올 생산 및 수생 식물의 성장을 증진시키는 방법 10은 일반적으로 호수 또는 연못에서 수생 식물을 수확하고 이후 재배조로 가져오는 것을 포함한다. 방법 10이 수행되는 경우, 이는 수생 식물이 미래의 재배조를 위해 또는 교체 목적을 위해 필요한 만큼 수생 식물 성장 및 제공에 이용될 수 있다. 재배조는 물을 담을 수 있게 구성되며, 재배조를 받치는 바닥 표면으로 액체나 공기가 통하는 것을 막기 위해 덧대지거나 덧대지지 않을 수 있다. 미세입자(fine particulate)를 재배조에 깔고 수생 식물을 재배조에 넣어 이들이 미세입자에서 서로 고정될 수 있게 한다. 미세 입자는 수생 식물의 입장에서는 입자 내부로 뿌리를 내리는데 더 적은 에너지 소비를 촉진할 수 있고, 입자의 표면 위로 더 높은 백분율로 식물질(plant matter)을 보유하기 때문에 사용된다.
재배조의 개수 및 이들의 크기는 본 방법에 있어서 중요하지 않으며 각 개수 및 크기는 가용한 지대 면적, 원재료 입수 방법 및 비용 조절에 의해 조정될 수 있으나, 본 방법은 단일 재배조로 실시될 수 있다는 점을 유념해야 한다. 재배조는 선택한 수생 식물이 적절하게 성장하기 위해 필요한 임의의 깊이를 가질 수 있다. 그러나, 식물 성장을 제한하는 것을 예방하기 위해 재배조가 10 cm 내지 7 m의 깊이를 가질 수 있음이 발견되었다. 재배조는 또한 온도 제어될 수 있으며 특히 재배조는 수생 식물을 죽일 수 있는 냉해로부터 보호되어야 한다. 재배조를 위한 열은 인접한 에탄올 발생 식물 또는 임의의 다른 편리한 폐열원에서 방출되는 폐열로부터 분리될 수 있다.
수생 식물은 직접적으로 물에서 또는 지속적으로 젖어있는 토양에서와 같은 수생 환경에서 쉽게 생존할 수 있는 많은 수생 식물 중에서 선택될 수 있다. 또한, 한 가지 종류 이상의 수생 식물이 단일 재배조 내에서 사용될 수 있다. 수생 식물은 예를 들면 가령, 솔잎가래(Potamogeton pectinatus), 말즘(Potamogeton crispus), 줄말(Ruppia maitima), 이삭물수세미(Myriophyllum spicatum), 검정말(Hydrilla verticillato), 아나카리스(Elodea densa), 쇠뜨기말풀(Hippuris vulgaris), 아포노게톤 보이비니아누스(Aponogeton boivinianus), 아포노게톤 리기디폴리우스(Aponogeton rigidifolius), 아포노게톤 롱기프로물로서스(Aponogeton longiplumulosus), 디디플리스 디안드라(Didiplis diandra), 싱가폴모스(Vesicularia dubyana), 투텐플루(Hygrophilia augustifolia), 라지펄그라스(Micranthemum umbrosum), 물옥잠(Eichhornia azurea), 삼백초(Saururus cernuus), 크립토코리네 링구아(Cryptocoryne lingua), 하이드로트리체 호토니플로라(Hydrotriche hottoniiflora), 네덜란드 플랜트(Eustralis stellata), 레드 발리스네리아(Vallisneria rubra), 물잎풀(Hygrophila salicifolia), 사이페루스 헬페리(Cyperus helferi), 크립토코리네 펫치(Cryptocoryne petchii), 스크루 발리스네리아(Vallisneria Americana), 발리스네리아 토타(Vallisneria torta), 하이드로트리체 호토니플로라(Hydrotriche hottoniiflora), 진주란(Crassula helmsii), 구와말(Limnophila sessiliflora), 넓은잎말(Potamogeton perfoliatus), 로탈라 왈리키(Rotala wallichii), 크립토코리네 베케티(Cryptocoryne becketii), 올챙이자리(Blyxa aubertii) 및 워터위스테리아(Hygrophila difformmis)을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 잠수성 수생 초본인 조류, 가령, 개구리밥(Spirodela polyrrhiza), 분개구리밥(Wolffia globosa), 스타개구리밥(Lemna trisulca), 좀개구리밥(Lemna gibba), 작은개구리밥(Lemna minor), 및 좀분개구리밥(Landoltia punctata)을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 개구리밥류, 이에 제한되지 않지만 물상추(Pistia stratiotes)와 같은 물배추, 이에 제한되지 않지만 미나리아재비(Ranunculus)와 같은 미나리아재비류, 이에 제한되지 않지만 네마름(Trapa natans) 및 유전마름(Trapa bicornis)과 같은 마름류, 타이거로터스(Nymphaea lotus), 수련과(Nymphaeaceae) 및 수련속(Nelumbonaceae)과 같은 수련, 이에 제한되지 않지만 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 볼비티스 휴델로티(Bolbitis heudelotii) 및 어항마름속(Cabomba)과 같은 부레옥잠, 및 가령, 헤테란테라 조스테리폴리아(Heteranthera zosterifolia), 포시도니아과(Posidoniaceae), 거머리말과(Zosteraceae), 자라풀과(Hydrocharitaceae), 및 키모도케아과(Cymodoceaceae)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 말(seagrasses)을 포함한다. 또한, 다양한 구체예 중 하나에서, 숙주 조류는 녹조류, 홍조류, 갈조류, 규조류, 해조류, 담수조류, 단세포 조류, 다세포 조류, 해초, 내한성 조류변종(cold-tolerant algal strains), 내열성 조류변종(heat-tolerant algal strains), 에탄올-내성 조류변종, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된다.
일반적인 수생 식물은 또한 가래과(Potamogetonaceae), 붕어마름과(Ceratophyllaceae), 개미탑과(Haloragaceae), 및 줄말과(Ruppiaceae)를 포함하는 식물과(科) 중 하나로부터 선택될 수 있다. 더욱 상세하게는, 선택된 수생 식물은 유산소 CO2 생산 대비 무산소 CO2 생산의 비율을 증가시키는 큰 파스퇴르 효과(Pasteur effect)를 가져야 한다. 전형적으로 이 비율은 대개 1:3와 비슷하지만, 예를 들어 일반적으로 솔잎가래라고 알려진 포타모게톤 펙티네이터스(Potamogeton pectinatus)와 같은 수생 식물은 "Anoxia tolerance in the aquatic monocot Potamogeton pectinatus: absence of oxygen stimulates elongation in association with an usually large Pasteur effect," Journal of Experimental Botany, Volume 51, Number 349, pp. 1413-1422, August 2000에 설명된 바와 같이 이 비율을 2:1까지 증가시킬 수 있으며, 상기 문서는 여기에 참고문헌으로 포함된다. 산소 결핍 환경에서 일어나는 생장 과정 동안, 식물은 생장하여 세포 공간을 형성하고, 이것은 이후 수생 식물의 유산소 과정을 통한 유산소 대사 동안 형성된 탄수화물을 저장하는데 사용될 것이다. 이들 탄수화물은 이후 수생 식물의 무산소 과정을 통한 무산소 대사 동안 에탄올을 방출시키는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 공식은 다음과 같다:
유산소 식물 대사: 6CO2+6H2O→6O2+C6H12O6
무산소 식물 대사: C6H12O6→2CO2+ 2C2H5OH
일단 수생 식물이 재배조에 있게 되면, 산소 결핍 물을 재배조로 처음부터 또는 나중에 도입함에 의해 재배조의 물이 산소 결핍 조건에 놓인다. 대안적으로, 물에서 산소를 없애기 위해 옥수수 및/또는 박테리아를 물에 첨가할 수 있다. 물의 산소 부족은 수생 식물에서 무산소 과정을 개시하고, 식물의 생장과 에탄올 생산을 일으킨다. 이것은 화학적 촉매 및 CO2의 도입에 의해 활성화될 수 있다. 포함될 수 있는 한 화학적 촉매는 2,4-디클로로페녹시아세틱 애시드이다. 수생 식물의 성장을 촉진하기 위해 추가적인 양분 및 염 가령, 칼륨, 질소 및 인의 염이 또한 첨가될 수 있다. 또한, 활용되는 수생 식물의 종에 따라서, 슈크로오스, 글루코오스 및 아세테이트와 같은 것들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 유기 배지(organic substrate)가 또한 재배조에 추가될 수 있다.
무산소 과정 동안, 수생 식물은 크기가 급격히 증가할 것이며, 원래의 길이보다 최대 10배 이상의 길이 생장을 달성할 수 있다. 여기서 용어 '크기'는 더 많은 양의 탄수화물을 저장하게 하는 식물 물질의 부피 증가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이 생장은 이후에 수생 식물에 의해 형성될 탄수화물을 수용하기 위한 세포의 공간을 제공한다. 이에 더해 무산소 과정 동안, 에탄올이 수생 식물에 의해 세포외로 방출된다. 이 에탄올은 이후 종래의 방법으로 제거될 때까지 재배조 내의 물에 수용된다. 하기에서 더욱 설명되는 바와 같이, 재배조는 처음 사용되는 경우 실시되는 특정 방법에 따라 결정될 최소의 에탄올 농도를 달성하도록 허용될 수 있다. 이 최소 농도는 본 방법의 진행을 거치며 증가될 것이다. 이 단계는 1 내지 수 일 동안 진행될 수 있지만 솔잎가래(Potamogeton pectinatus)의 경우에는 총 6일이 충분할 것이다. 요구되는 시간은 빛 전달 및 양분의 이용가능성과 같은 많은 요인에 의존적일 것이다.
다음 단계는 재배조 내에 산소 공급 조건을 만들어 무산소 과정을 정지시키는 것으로, 이는 유산소 과정을 개시할 것이다. 이것은 산소 공급 물을 재배조 내로 도입하는 것 및 산소 결핍 물을 제거하는 것에 의해 달성될 수 있다. 유산소 과정 동안, 상기 지적한 바와 같이, 수생 식물은 대사 과정을 통해 탄수화물을 발생하고 이후 이 탄수화물을 이들의 생장된 구조 내에 보관한다. 방법 10의 폐바이오매스와 같은 폐기물, 산업폐기물, 일반폐기물 등이 수생 식물에 양분을 제공하기 위해 재배조에 추가될 수 있다. 추가적으로, 최대 일광 여광(filtration)은 온도 조절이 수생 식물의 성장을 촉진하므로 권장된다. 또한, 재배조의 pH는 재배조의 CO2 산과다(acidosis)를 막기 위해 반드시 관찰되어야 한다. 이것은 탄산칼슘 및 염소산칼슘과 같은 칼슘 완충 화합물로써 중화될 수 있으나, 결과적으로 재배조의 특정 수생 식물 종의 내성에 의존적이게 될 것이다. 유산소 과정의 지속 기간 역시 많은 요인에 의존적이나, 전형적으로 탄수화물의 생산이 느려지기 시작하면 종료될 것이다. 솔잎가래(Potamogeton pectinatus)의 경우, 유산소 과정의 지속기간은 재배조 내의 환경 조건에 따라 2일 및 14일 사이일 수 있다.
산소 결핍 및 산소 공급 물의 사용은 또한 재배조 내의 열적 층(stratum)의 사용과 조합될 수 있다. 특히, 재배조의 바닥에 위치하게 될 가장 냉한 층은 산소 결핍로 유지되어 성장을 활성화시킬 수 있는 반면, 위쪽의 따뜻한 물 층은 유산소 과정을 활성화하는 산소 공급물을 포함할 수 있다.
일단 최대 탄수화물 형성이 달성되면 산소 공급 물이 제거되고 다시 산소 결핍 물로 교체되어 생장 과정 및 에탄올 형성이 시작된다. 산소 결핍 물 및 산소 공급 물의 추가 단계는 이후 반복되어 계속해서 생장 및 에탄올 생산을 촉진하고 이후 탄수화물 생산을 촉진한다. 이것은 식물 노화로 없어진 식물질 및 에탄올 생산의 확립된 내성을 더 이상 충족시키지 못하는 식물 모두를 보충하기 때문에 자급자족 사이클을 발생한다. 보충 목적 또는 또 다른 재배조를 위한 식물 물질을 제공하기 위해 사용될 수 없는 추가적인 식물 성장은 종래의 방법을 이용하여 제거되고 발효되어 또한 에탄올을 생산할 수 있다. 발효 과정 동안 방출된 이산화탄소는 포획되고 재배조로 되돌려져 탄수화물 생산을 촉진시킬 수 있다. 발효 과정의 전과 후의 식물 폐기물은 또한 재배조에 양분 보충을 위해 사용될 수 있고/있거나 에탄올 및 디젤 바이오연료, 의약품, 화장품, 염료, 페인트 등에서와 같은 생화학 산업 용도를 위해 처리될 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 산소 결핍 물은 유지되고 적어도 이의 에탄올 함량이 수생 식물의 치사 농도에 도달할 때까지 다시 사용될 수 있다. 이 농도는 사용되는 수생 식물뿐 아니라 활용되는 재배조의 수에 의존적이며 이는 무산소 과정이 일어날 수 있는 회수에 영향을 줄 수 있다. 전형적으로 방법은 복수의 재배조로 실시될 것이며, 여기서 산소 결핍 물 및 산소 공급 물은 산소 결핍 조건 및 산소 공급 조건을 바꾸기 위해 필요한 경우 재배조 간에 순환된다. 예를 들면, 복수의 재배조의 활용 과정은 2% 에탄올을 함유하는 산소 결핍 물을 가지는 첫 번째 재배조를 포함할 수 있고, 이 물은 앞서 산소 공급된 두 번째 재배조로 이동된다. 산소 결핍 물은 두 번째 재배조에서 제거된 산소 공급 물과 교환되어 두 번째 재배조에 산소 결핍 조건을 만든다. 이후 두 번째 재배조 내의 식물 성장 및 에탄올 생산은 증진된다. 두 번째 재배조에서 처음부터 에탄올을 갖는 것이 (산소 결핍 물이 첫 번째 재배조의 무산소 과정으로부터 유래한 에탄올을 함유하기 때문에) 수생 식물이 물에서 에탄올을 감지할 때 에탄올 생산을 더욱 활성화시킬 수 있다는 것이 주목된다. 두 번째 재배조에서 에탄올 농도는 예를 들면, 최대 4%까지 증가될 수 있다. 산소 결핍 물이 새로운 재배조로 이동할 때마다, 이들 식물의 생장 및 에탄올 생산이 증진된다. 일단 산소 결핍 물의 에탄올 농도가 예를 들어 10부피%와 같이 사전결정된 수준에 도달하면, 산소 결핍 물이 현재 속해 있던 재배조로부터 제거되고 종래의 수단을 이용하여 물에서 에탄올이 추출된다.
복수의 재배조 사용은 사이클을 닫힌 순환 내에서 사용될 수 있게 하는데, 이 닫힌 순환은 다시 자급자족이며 탄수화물의 형성 동안 이산화탄소를 분리시킬 것이다. 방법 10은 신규한 수생 식물을 이들이 노화되어 줄어드는 것보다 더 빨리 성장시켜 새롭게 성장한 수생 식물을 신규한 재배조에 심을 수 있게 한다. 더욱 중요하게는, 모든 식물 폐기물은 발효를 통해 에탄올로 활용되고, 생화학 산업을 위해 처리되거나 또는 재배조에 공급 물질로 재투입될 수 있다.
이후에 상기 설명과 관련하여, 크기, 재료, 모양, 형태, 기능 및 작업 방식, 조합 및 용도의 변형을 포함하는 본 공개에 의해 가능하게 된 구체예의 부분을 위한, 최적 차원의 관계가 당업자에게 쉽게 명백하고 분명하게 여겨진다는 것, 및 도면에 도시되고 명세서에 기재된 것들에 대한 모든 동등한 관계가 본 공개의 구체예로 포함되는 것이 의도된다는 것이 인식되어야 한다.
따라서, 상기 내용은 단지 본 공개의 원리를 예시한 것으로 여겨진다. 또한, 당업자에게 있어 많은 변형 및 변화는 손쉬울 것이므로, 본 공개를 나타나고 기재된 것과 똑같은 구성 및 작업에 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적절한 변형 및 등가물이 본 공개의 범위에 속하는 것으로 호소될 수 있다.

Claims (11)

  1. 에탄올의 형성을 유도하는 방법, 상기 방법은 다음 단계를 포함함:
    수생 식물을 물을 포함하는 재배조에 심는 단계;
    상기 수생 식물이 무산소 과정을 개시하도록 상기 수조 내에 산소 결핍 조건을 방출시키는 단계, 상기 무산소 과정 동안 상기 수생 식물은 크기가 증가하고 저장된 탄수화물의 대사로 에탄올을 방출함;
    상기 수생 식물이 유산소 과정을 개시하도록 상기 수조 내에 산소 공급 조건을 생성하는 단계, 상기 수생 식물은 상기 유산소 과정 동안 탄수화물을 만들어 저장함; 그리고
    수생 식물의 크기 증가 및 에탄올 방출 증가를 증진하기 위해 산소 결핍 및 산소 공급 조건의 발생을 반복하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재배조로부터 에탄올을 제거하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 산소 결핍 대사를 증가시키기 위해 촉매를 도입하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 유산소 대사 및 탄수화물 형성을 증가시키기 위해 CO2를 추가하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 촉매를 도입하는 단계는 2,4-디클로로페녹시아세틱 애시드를 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 수생 식물을 재배조에 심는 단계는 가래과(Potamogetonaceae) 중에서 선택된 수생 식물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 다음 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    상기 산소 결핍 조건을 생성하는 단계는 상기 재배조에 산소 결핍 물을 가지는 것을 포함하고;
    상기 산소 공급 조건을 생성하는 단계는 상기 재배조에 산소 공급 물을 가지는 것을 포함하고; 그리고
    상기 산소 결핍 물이 상기 산소 공급 물로 대체된 이후 상기 산소 결핍 물은 유지되는 단계 및 상기 산소 결핍 물은 또 다른 산소 결핍 조건을 적어도 한 번 개시하도록 재사용되는 단계.
  8. 제7항에 있어서, 다음 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    수생 식물을 복수의 재배조에 심는 단계; 그리고
    상기 산소 결핍 물을 상기 재배조 간에 전달하여 상기 산소 결핍 물에서 에탄올의 농도를 증가시키는 단계.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유산소 과정 동안 탄수화물의 발생을 증가시키기 위해 상기 재배조로 식물 양분을 도입하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 다음 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    과량의 식물 물질을 제거하여 생화학 산업에서 사용되거나, 수생 식물 공급 물질로서 사용되거나, 또는 신규한 재배조에 심기 위해 사용할 수 있도록 하는 단계.
  11. 제1항에 있어서, 다음 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    노화된 식물 물질을 제거하여 생화학 산업에서 사용되거나, 수생 식물 공급 물질로서 사용할 수 있도록 하는 단계.
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