KR20140067714A - 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁시키고, 전분 가수분해효소를 가하여 전분을 가수분해하는 단계; 상기 가수분해물을 고액분리(solid-liquid separation)에 의해 포도당과 고형분으로 분리하고, 포도당을 회수하는 단계; 상기 고형분을 이화학적으로 전처리하는 단계; 및 상기 전처리물을 셀룰라아제 또는 산에 의해 당화하여 단당류를 회수하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 전분을 함유하는 바이오매스의 당 전환율과 당수율을 극대화하는 동시에 발효균주의 생육을 저해하는 물질의 발생을 최소화할 수 있으므로 발효당의 제조에 효과적으로 사용될 수 있다.

Description

전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법 {METHOD OF IMPROVING SUGAR YIELD FROM STARCH-CONTAINING BIOMASS}
본 발명은 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전분을 함유하는 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)로부터 높은 수율로 단당류를 제조하는 방법에 관한 것이다.
바이오매스에는 지상 식물체를 주로 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스와 물에서 자라는 조류를 주로 포함하는 조류 바이오매스 등이 있다. 바이오매스는 식물체 내 대사를 위해 이동할 수 있는 당으로서 포도당(glucose)과 자당(fructose)의 축합물인 설탕(sucrose), 포도당 중합체로서 셀룰로오스와 전분 등[이를 모두 포도당으로 환산하여 '총 글루칸(total glucan)'이라 칭함]을 함유하고 있으며, 이러한 총 글루칸으로부터 얻어지는 포도당은 바이오에탄올 또는 바이오부탄올과 같은 바이오알콜과 생고분자(biopolymer) 합성용 단량체 및 아세톤, 인슐린 등의 발효산물의 발효공학적 제조에서 발효균주의 주요한 탄소원으로 사용되고 있다.
이러한 포도당 중합체 중 하나인 셀룰로오스는 자일로오스 등의 오탄당을 주로 함유하는 헤미셀룰로오스 및 페놀성 물질의 중합체인 리그닌과 여러 가지 화학적 결합 등으로 치밀하게 연결되어 있어 쉽게 분획되지 않는다. 또한 전분을 함유하는 바이오매스의 경우에는 열화학적으로 비교적 안정한 전분이 헤미셀룰로오스 및 리그닌과 함께 셀룰로오스를 감싸고 있어서 셀룰로오스의 분획이 더욱더 용이하지 않다.
또한 바이오매스가 사탕수수, 단수수 혹은 일찍 수확한 옥수수 줄기와 같이 유리당을 다량 함유하는 경우에는 먼저 유리당을 회수하지 않으면 유리당이 전처리 중에 소실되거나 과분해됨으로써 당수율이 크게 저하될 수 있다.
리그노셀룰로오스계 바이오매스의 분획을 위하여 여러 가지 종류의 전처리 기술(biomass pretreatment)이 사용되고 있다. 바이오매스의 전처리에 가장 널리 적용되고 있는 기술로서 열수 전처리(autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis), 산 전처리(acid pretreatment), 알칼리 전처리(alkaline pretreatment), 암모니아 전처리(ammonia recycled precolation) 및 증기 폭쇄법(steam explosion) 등을 들 수 있으며, 이들 전처리 기술은 셀룰로오스를 노출시키기 위해 헤미셀룰로오스 혹은 리그닌 중 한 가지를 주로 녹여내는 것으로 알려져 있다. 산을 촉매로 하는 경우 헤미셀룰로오스가 먼저 가수분해되어 바이오매스 입자가 스폰지처럼 표면적이 매우 넓어지는 것으로 여겨지지만, 리그닌은 산 가수분해에 많은 영향을 받지 않는다. 반면에 수산화나트륨이나 석회와 같은 염기로 처리하는 경우 주로 리그닌이 분해되어 용출되지만 이 과정에서 헤미셀룰로오스가 일부 가수분해되어 나오므로 회수가 어려워서 손실이 있는 것으로 알려져 있다.
바이오매스가 전분을 함유할 때는 일반적인 리그노셀룰로오스와 달리 전처리와 당화에 많은 제약이 있다. 전분은 열수 전처리 과정 중에 일부분이 물에 녹아나오기도 하지만 많은 부분이 식물 조직 중에 남게 된다. 이러한 전분은 전처리 과정 중 헤미셀룰로오스의 가수분해를 저해하여 상대적으로 더 많은 양의 헤미셀룰로오스를 남길 뿐만 아니라, 셀룰로오스 섬유의 노출 비율이 감소하므로 이어지는 효소 가수분해에 의한 단당류 전환율[이하, '당수율(sugar yield)']이 낮아진다. 이는 동시에 당수율을 향상시키기 위해서는 더 많은 효소를 사용해야 한다는 것을 의미한다. 또한, 산을 이용하여 전처리물 중의 셀룰로오스를 포도당으로 전환하는 경우에는 셀룰로오스보다 열화학적으로 약한 전분 잔류물과 헤미셀룰로오스가 과분해되어 각각 5-하이드록시메틸퍼퍼랄(5-hydroxymethylfurfural, HMF)과 퍼퍼랄(furfural)이 다량 생성되므로 당수율이 저하될 뿐만 아니라 분리 정제 공정의 부하량이 증가하는 결과를 초래할 수 있다.
전분이 함유된 바이오매스 중 가장 주목을 받는 것 중 하나인 오일팜 수간(oil palm trunk)의 연구 사례를 보더라도 이러한 제약은 분명히 알 수 있다. 산 전처리에 이은 산 당화 연구[K. O. Lim 등(1997), A note on the conversion of oil-palm trunks to glucose via acid hydrolysis, Bioresource Technology, 59, 33-35; K. L. Chin 등(2011), Production of glucose from oil palm trunk and sawdust of rubber wood and mixed hardwood, Applied Energy, 88, 4222-4228]에서는, 통상적인 팜 수간의 총 글루칸 함량인 50 내지 55 g보다 적은 48 g의 당이 얻어졌고, 이론 당수율도 80%를 넘지 않았다. 또한, 암모니아 전처리에 이은 효소당화 연구[Young Hoon Jung 등(2011), Ethanol production from oil palm trunks treated with aqueous ammonia and cellulase, Bioresource Technology, 102, 7307-7312]에서는 전처리 후 당화율(enzymatic digestibility)이 효소첨가량이 증가함에 따라서 95%까지 높아졌으나 전처리 과정에서 20% 정도의 글루칸 손실이 발생하여 총 당수율이 80%를 넘지 않았다.
이러한 낮은 당수율은 전분을 함유하는 바이오매스의 이용효율을 떨어뜨리고, 공정 부산물의 이용을 어렵게 할 뿐만 아니라 폐기물의 처리 비용을 증가시킴으로써 관련 산업의 경쟁력을 저하시키는 가장 중대한 원인이 되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 바이오매스 자원의 탄수화물 이용효율을 증대시키기 위해 전분을 함유하는 바이오매스로부터 포도당의 수율 혹은 이를 이용한 미생물 발효에서 당 전환율을 극대화할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1) 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁시키고, 전분 가수분해효소를 가하여 전분을 가수분해하는 단계; 2) 상기 가수분해물을 고액분리(solid-liquid separation)에 의해 포도당과 고형분으로 분리하고, 포도당을 회수하는 단계; 3) 상기 고형분을 이화학적으로 전처리하는 단계; 및 4) 상기 전처리물을 셀룰라아제 또는 산에 의해 당화하여 단당류를 회수하는 단계를 포함하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 전분을 함유하는 바이오매스를 최대의 수율로 포도당으로 전환하는 동시에 탄수화물의 과분해로 생성될 수 있는 독성물질의 발생을 최소화할 수 있으므로 산업용 균주의 배양을 위한 발효당의 제조 및 이화학적 전환을 통한 화학물질의 생산을 위한 단당류 원료의 제조에 효과적이다.
본 발명은 전분을 함유하는 바이오매스를 원료로 할 때 당 과분해물의 생성을 최소한으로 억제하면서 단당류로의 전환율을 극대화하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법은, 1) 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁시키고, 전분 가수분해효소를 가하여 전분을 가수분해하는 단계; 2) 상기 가수분해물을 고액분리(solid-liquid separation)에 의해 포도당과 고형분으로 분리하고, 포도당을 회수하는 단계; 3) 상기 고형분을 이화학적으로 전처리하는 단계; 및 4) 상기 전처리물을 셀룰라아제 또는 산에 의해 당화하여 단당류를 회수하는 단계를 포함한다.
본원에 사용된 용어 "전분을 함유하는 바이오매스"는 바이오매스 내에 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 이외에 전분을 하나의 구성요소로 함유하고 있는 바이오매스를 말한다. 상기 전분을 함유하는 바이오매스의 구체적인 예로는 오일팜(oil palm), 사고팜(sago palm) 등의 팜 나무(palm tree)의 수간(trunk)과 잎자루(frond); 카사바(cassava)와 고구마 등과 같이 뿌리에 다량의 전분을 함유하면서 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 구성성분으로 함유하는 식량 작물; 및 쌀겨, 밀겨, 옥수수겨 및 보리겨 등과 같이 곡물의 도정 과정에서 생성되는 부산물 등을 들 수 있다.
상기 전분을 함유하는 바이오매스는 곱게 분쇄할수록 전분 가수분해 효소에 의한 가수분해 속도가 빠르고 가수분해 효율이 높아진다. 또한, 조분쇄된 바이오매스라 할지라도 끓는 물로 멸균하는 과정에서 전분이 호화 및 팽윤하므로 효소에 의한 가수분해 속도와 가수분해 효율이 높아질 수 있다. 그러나 반응속도와 수율의 향상을 위해 그리고 후속 공정인 바이오매스의 전처리시 전처리 장치에 투입하는데 불편함이 없도록 하기 위해, 바이오매스는 직경 0.1 mm 내지 40 mm 이하의 크기로 파쇄 또는 분쇄되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 사용된 용어 "전분 가수분해"는 바이오매스 중에 함유된 전분을 전분 가수분해효소(amylase complex)로 가수분해하는 것을 의미하며, 옥수수나 감자의 전분을 가수분해하는 것과 크게 다르지 않다. 다만, 바이오매스마다 각기 다른 종류의 탄수화물을 서로 다른 비율로 함유하고 있으므로 적용하는 전분 가수분해효소의 구성과 첨가비가 다소 다를 수 있다. 상기 전분 가수분해효소의 예로는 α-아밀라아제, β-아밀라아제, 아밀로글루코시다아제, 인버타아제 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당업계에 통상적으로 사용되는 여러 전분 가수분해효소가 사용될 수 있다. 상기 전분 가수분해 공정은 바이오매스 중에 함유된 전분을 먼저 가수분해함으로써 후속되는 이화학적 전처리에서 목질계 바이오매스에 함유된 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 분해를 용이하게 한다. 상기 공정은 바이오매스 분말을 물에 현탁시키고 전분 가수분해효소를 가한 후 산도를 일정하게 유지하면서 30 내지 70℃, 바람직하게는 50℃에서 일정시간 동안 교반하는 것을 포함한다. 상기 공정은 가수분해 과정 중 원치 않는 미생물의 번식을 억제하기 위해 바이오매스 분말 현탁액에 효소를 첨가하기 전에 가온 멸균하는 과정을 추가로 포함할 수 있으며, 미생물이 번식할 수 있는 시간을 주지 않기 위해 더 많은 양의 전분 가수분해효소를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 사용된 용어 "바이오매스의 전처리"는 바이오매스의 당화 공정에서 셀룰로오스 혹은 헤미셀룰로오스가 쉽게 가수분해되도록 바이오매스의 전분 가수분해에 이어 열화학적으로 처리하는 공정을 의미하며, 셀룰로오스 가수분해효소에 의한 단당류화 공정(enzymatic hydrolysis), 산 첨가에 의한 단당류화 공정(acid hydrolysis), 혹은 효소와 발효균주를 함께 넣어 수행하는 동시당화발효 공정(saccharification and co-fermentation)의 이전 단계를 지칭한다. 이 단계는 바이오매스의 전분 가수분해물로부터 포도당을 회수하여 얻어진 나머지 고형분을 이화학적으로 처리하거나, 상기 전분 가수분해물을 그대로 이화학적으로 처리함으로써 셀룰로오스의 반응성을 높이는 공정이다. 상기 이화학적 전처리는 열수 전처리(hydrothermolysis), 산 전처리(acid pretreatment), 알칼리 전처리(alkaline pretreatment), 암모니아 전처리(ammonia recycled precolation) 또는 증기 폭쇄법(steam explosion)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명에 사용된 용어 "효소 당화"는 소위 셀룰라아제 복합효소를 사용하여 전처리된 바이오매스에 함유되어 있는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 포도당(glucose)과 자당(xylose) 등의 단당류로 전환하는 공정을 의미한다. 상기 “셀룰라아제 복합효소(cellulase complex)”는 셀룰로오스 분해효소 이외에도 헤미셀룰로오스 가수분해효소, 전분 가수분해효소 등을 함유하는 복합효소를 지칭하는 것으로서, 탄수화물, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스를 소화가 용이한 단당류로 전환시키는 역할을 한다. 이러한 효소의 예로는 셀루클라스트(Celluclast) 1.5L 또는 Celluclastconc BG와 NovozymTM 188의 혼합제제, Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 혼합제제, 셀루자임(Celluzyme), 세레플로(Cereflo) 및 울트라플로(Ultraflo)의 혼합제제(이상 덴마크 Novozymes 제품), 아셀러라제(AccelleraseTM), 라미넥스(Laminex) 및 스페자임(Spezyme)의 혼합제제(이상 Genencor Int. 제품), 로하멘트(Rohament; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있다. 상기와 같이 최소한 전분 가수분해효소, 셀룰로오스 가수분해효소 및 헤미셀룰로오스 가수분해효소를 함유하는 복합효소는 덴마크, 미국 등 국내외 많은 단백질 제조회사에 의해 제조되고 있으며, 상업적으로 이용가능하다.
또한 본 발명에 사용된 용어 "산 당화"는 상기 효소 당화에서 전처리물 중의 셀룰로오스 혹은 헤미셀룰로오스를 단당류로 가수분해하기 위해 효소 대신 염산, 황산, 인산 등의 산을 사용하는 공정을 의미한다.
본 발명에 따른 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 있어서, 단계 1은 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁시키고, 전분 가수분해효소를 가하여 전분을 가수분해하는 단계이다.
상기 단계 1에서 사용되는 전분 가수분해 방법은 전분 가수분해효소를 이용하는 효소 당화를 의미한다. 이 효소를 이용한 전분 가수분해 방법은 옥수수나 감자 전분을 효소 가수분해할 때와 유사한 방법으로 수행될 수 있다. 즉, 상기 가수분해 방법은 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁한 후 끓여 호화(젤라틴화)시킨 다음, 알파-아밀라아제(α-amylase), 아밀로글루코시다아제(amyloglucosidase) 및 인버타아제(invertase) 등의 혼합 효소를 첨가하고 이 효소의 최적 작용온도와 산도를 유지하면서 1시간 내지 72시간 동안 교반하는 과정을 포함하며, 상기 방법을 통해 바이오매스 중에 함유된 전분을 90% 이상 가수분해하는 경우 바이오매스로부터의 당수율을 극대화하는데 매우 효과적이다. 상기 과정 중 바이오매스 현탁액을 끓여서 호화시킴으로써 바이오매스를 멸균시켜 미생물의 작용을 미리 방지함과 동시에 전분 분해효소의 작용을 촉진할 수 있지만, 전분 가수분해효소의 첨가량을 늘려 가수분해 시간을 단축시킬 수 있는 경우, 상기 호화 과정을 생략할 수도 있다.
본 발명에 따른 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 있어서, 단계 2는 단계 1에서 얻은 가수분해물을 고액분리(solid-liquid separation)에 의해 포도당과 고형분으로 분리하고, 포도당을 회수하는 단계이다.
상기 단계 2의 고액분리 과정은 포도당을 함유하는 액상물과 고형분을 분리함으로써 이후 단계 3의 전처리에 포도당을 함유하는 액상물이 가능한 적게 들어가게 하기 위한 것이다. 포도당을 함유하는 액상물이 전처리 과정에 다량 포함되는 경우, 상당량의 포도당이 전처리 과정 중에 분해되어 5-하이드록시메틸퍼퍼랄(HMF)로 전환될 수 있으며, 그 결과 상기 과분해산물이 당수율을 크게 저하시킬 뿐만 아니라 산업용 발효균주의 배양시 생육억제물질로 작용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 단계 2는 포도당을 함유하는 액상물을 별도로 회수함으로써 전술한 문제를 방지할 수 있다.
상기 고액분리 과정은 당업계에 통상적으로 사용되는 모든 고액분리 공정에 따라 수행될 수 있으며, 그 예로서 원심분리, 흡인 여과 및 가압여과 등을 들 수 있다. 또한, 고액분리 효율을 증대시키기 위하여 향류 추출(counter-current extraction), 병류 추출(co-current extraction), 반-회분식 추출(semi-batch type extraction) 및 회분식 추출(batch type extraction) 등의 다양한 추출 방식을 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 있어서, 단계 3은 단계 2에서 포도당을 회수하고 남은 고형분을 이화학적으로 전처리하는 단계이다.
상기 단계 3의 바이오매스를 전처리하는 과정은 일반적인 열화학적 전처리와 크게 다르지 않다. 즉, 전분 가수분해효소에 의해 생성된 포도당을 함유하는 액상물을 고형분으로부터 분리 및 회수하여 남은 고형분에 물 혹은 시약 수용액을 가한 다음, 열화학적 방법으로 전처리할 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 상기 열화학적 전처리 전에 고액분리를 수행함으로써 포도당이 과분해되는 현상을 최소화할 수 있으며, 후속되는 셀룰라아제에 의한 가수분해(당화) 과정의 반응산물인 포도당에 의한 효소활성 억제를 최소화할 수 있으므로 적은 양의 효소를 사용하여도 고형분 중의 셀룰로오스를 거의 전량 당화할 수 있다.
상기 단계 3의 전처리 과정에는 통상적으로 알려진 기술들, 예를 들어, 시약을 첨가하지 않고 고온과 고압에서 헤미셀룰로오스를 주로 가수분해하는 열수 전처리(hydrothermolysis), 약산 혹은 강산을 첨가하는 산 전처리(acid pretreatment), 약품을 사용하거나 사용하지 않는 증기 폭쇄(steam explosion), 열화학적 전처리 후 액상물의 제거가 가능한 알칼리 전처리(alkaline pretreatment), 즉 가성소오다 등 강염기를 사용하여 리그닌을 녹여내는 방법, 석회 전처리(lime pretreatment) 및 암모니아 전처리(ammonia recycled precolation) 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법에 있어서, 단계 4는 단계 3에서 얻은 전처리물을 셀룰라아제 또는 산에 의해 당화하여 단당류를 회수하는 단계이다.
상기 단계 4의 당화 공정은 산 당화, 효소 당화, 및 효소 당화와 함께 동시에 산업용 균주를 첨가하여 발효하는 동시 당화발효를 포함한다. 전분 가수분해 과정에서 포도당으로 전환되어 액화된 전분과, 전처리 과정에서 상당 부분 혹은 대부분 제거된 헤미셀룰로오스 혹은 리그닌에 의한 방해가 거의 없는 상태로 남아 있는 셀룰로오스는 산 혹은 효소에 의해 쉽게 가수분해될 수 있고, 그 결과 높은 당 전환율과 함께 과분해산물의 생성을 최소화할 수 있다.
본 발명의 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법을 통해 통상적인 전처리 및 당화 기술에 비해 훨씬 높은 수율로 발효당을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 오일팜 수간을 원료로 한 당 용액의 제조
식품분쇄기(잘만성 분쇄기, 대화정밀 제품, 한국)를 이용하여 20 메쉬 이하로 분쇄한 오일팜 수간[인도네시아 코린도 농장 생산, 건물중 100 g당 조성: 글루칸 52.8 g(효소 가수분해성 전분 26.2 g, 셀룰로오스 26.6 g), 자일란 19.8 g, 아라반 4.1 g, 아세틸기 3.3 g]을 건물중으로 120 g을 칭량하여 발효조에 넣고 증류수를 가하여 1,500 g이 되게 하였다. 이를 습식멸균기(autoclave)에 넣어 멸균한 다음 실온까지 식혔다. 알파아밀라아제(Sigma A8220) 240 ㎕와 글루코아밀라아제(Sigma A7095) 240 ㎕를 초산완충액(0.1M, pH 5.0) 11.52 ml에 녹이고, 0.22 ㎛ 멤브레인 여과기로 여과하여 전분 가수분해효소를 준비하였다. 시료에 전분 가수분해효소를 모두 첨가한 후 50℃에서 150 rpm으로 교반하면서 24시간 동안 가수분해하였다. 상기 가수분해물을 4,400 rpm으로 1시간 동안 원심분리(한일과학 모델 Combi-514R, 한국)하여 상징액을 취하였다. 잔류물에 1배 부피의 증류수를 가하여 잔류물을 현탁시킨 후, 다시 원심분리하여 상징액 모으기를 3회 반복하여 유리당을 모두 회수한 다음, 앞서 원심분리한 가수분해물 상징액과 합하였다. 상기 회수된 상징액 중의 포도당 농도를 HPLC로 분석하여 수율을 산출하였다. 또한, 남은 고형분 무게를 재고 원재료 무게 120 g으로 나누어 원재료 1 g 상당량을 산출하였다.
이어서, 소형 반응기(100 mL 용)에 원재료 1 g 상당분의 상기 고형분을 넣고 증류수를 가하여 20 g이 되게 하였다. 반응기를 200℃의 오일수조에 넣고 가열하여 약 175℃가 되었을 때 180℃의 다른 오일수조에 옮기고 180℃가 된 직후부터 30분간 유지하여 전처리하였다. 전처리 직후 반응기를 흐르는 물에 담가 상온까지 급속하게 식힌 다음 전처리물을 125 mL 삼각플라스크로 옮겼다. 여기에 시트르산 완충액(pH 5.0, 1M) 2 mL와 소디움 아자이드 수용액(sodium azide, 1%) 1.3 mL를 넣고, 가수분해효소로 Cellic CTec2(Novozymes 제품, 덴마크) 0.09 mL, Cellic HTec2 0.01 mL(Novozymes 제품, 덴마크) 및 Novozyme 188(Novozymes 제품, 덴마크) 0.02 mL를 가하였다. 산도를 5.0으로 조정한 다음 비이온수를 추가하여 내용물의 중량을 40 g으로 맞추었다. 삼각플라스크를 항온 진탕기에 넣어 50℃, 200 rpm에서 72시간 동안 반응시켜서 전처리물을 효소 가수분해하였다. 이상의 실험을 세 개의 반복을 두어 실시하였다. 가수분해물 1 mL를 취하여 11,000 rpm으로 20분간 원심분리하고 전분 가수분해물과 함께 BioRad Aminex HPX-87H 컬럼과 굴절률계(refractive index detector)가 장착된 Waters 고속액체크로마토그래프로 분석하여 상징액 중의 각종 당과 초산 등 미생물 생육저해인자의 농도를 측정하였다. 효소당화물의 포도당 농도, 당화물의 무게 및 시료로 사용한 팜 수간 분말의 무게로부터 당수율을 산출하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1: 통상적인 열수 전처리와 효소당화에 의한 팜 수간 당 용액의 제조
실시예 1에서 바이오매스의 가수분해 및 고액 분리를 통한 포도당 회수를 제외한, 통상적인 열수 전처리와 효소당화로 팜 수간 당 용액을 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1의 팜 수간 분말 1 g을 소형 반응기(100 mL 용)에 넣고 증류수를 가하여 20 g이 되게 한 후, 12시간 이상 상온에서 침지하였다. 반응기를 200℃의 오일수조에 넣고 가열하여 약 175℃가 되었을 때 180℃의 다른 오일수조에 옮기고 180℃가 된 직후부터 30분간 유지하여 전처리하였다. 전처리 직후 반응기를 흐르는 물에 담가 상온까지 급속하게 식힌 다음 내용물을 125 mL 삼각플라스크로 옮겼다. 여기에 시트르산 완충액(pH 5.0, 1M) 2 ml와 소디움 아자이드 수용액(sodium azide, 1%) 1.3 mL를 넣고, 가수분해효소로 Cellic CTec2(Novozymes 제품, 덴마크) 0.09 mL, Cellic HTec2 0.01 mL(Novozymes 제품, 덴마크) 0.09 mL 및 Novozyme 188(Novozymes 제품, 덴마크) 0.02 mL를 가하였다. 산도를 5.0으로 조정한 다음 비이온수를 추가하여 내용물의 중량을 40 g으로 맞추었다. 삼각플라스크를 항온 진탕기에 넣어 50℃, 200 rpm에서 72시간 동안 반응시켜서 전처리물을 효소 가수분해하였다. 이상의 실험을 세 개의 반복을 두어 실시하였다. 가수분해물 1 ml를 취하여 11,000 rpm으로 20 분간 원심분리하고 BioRad Aminex HPX-87H 컬럼과 굴절률계(refractive index detector)가 장착된 Waters 고속액체크로마토그래프로 분석하여 상징액 중의 각종 당과 초산 등 미생물 생육저해인자의 농도를 측정하였다. 효소당화물의 포도당 농도, 당화물의 무게 및 시료로 사용한 팜 수간 분말의 무게로부터 당수율을 산출하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 2: 팜 수간을 물로 추출하고 통상적인 열수 전처리와 효소당화에 의한 팜 수간 당 용액의 제조
실시예 1에서 바이오매스를 효소를 이용하여 가수분해하는 대신 물로 추출하여 용해된 전분을 회수한 다음, 통상적인 열수 전처리와 효소당화를 수행하여 팜 수간 당 용액을 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 바이오매스의 가수분해 및 고액 분리를 통한 포도당 회수를 제외한, 통상적인 열수 전처리와 효소당화로 팜 수간 당 용액을 제조하였다.
팜 수간 분말을 건물중으로 50 g 달아서 2 L 용량의 배양병에 넣고 증류수를 가하여 800 g으로 만들었다. 병을 밀봉하여 냉장고에 넣어 12 시간 동안 침지한 다음 121℃에서 20분간 가열하여 전분을 추출하였다. 추출물을 500 mL 원심관에 옮기고 4,400 rpm으로 1시간 동안 원심분리하여 상징액을 회수하였다. 여기에 다시 300 mL의 증류수를 가하고 진탕한 다음 원심분리하여 상징액을 회수하기를 3회 반복하여 상징액을 취하여 원액과 합하였다. 추출액의 전체 무게를 잰 후 5 mL를 취하여 15 mL 내압튜브에 넣고 약 8%의 황산 수용액 5 mL를 가하였다. 마개를 막고 121℃ 오일수조에 담가서 80분간 가수분해한 다음 HPLC로 분석하여 포도당 농도를 측정하였다. 추출 후 남은 고형분의 전체 무게를 측정한 다음 원재료 1 g 상당량을 산출하였다. 소형 반응기(100 mL 용)에 1 g 상당량을 넣고 증류수를 가하여 20 g이 되게 하였다. 반응기를 200℃의 오일수조에 넣고 가열하여 약 175℃가 되었을 때 180℃의 다른 오일수조에 옮기고 180℃가 된 직후부터 30분간 유지하여 전처리하였다. 전처리 직후 반응기를 흐르는 물에 담가 상온까지 급속하게 식힌 다음 내용물을 125 mL 삼각플라스크로 옮겼다. 여기에 시트르산 완충액(pH 5.0, 1M) 2 ml와 소디움 아자이드 수용액(sodium azide, 1%) 1.3 mL를 넣고, 가수분해효소로 Cellic CTec2(Novozymes 제품, 덴마크) 0.09 mL, Cellic HTec2 0.01 mL(Novozymes 제품, 덴마크) 0.09 mL 및 Novozyme 188(Novozymes 제품, 덴마크) 0.02 mL를 가하였다. 산도를 5.0으로 조정한 다음 비이온수를 추가하여 내용물의 중량을 40 g으로 맞추었다. 삼각플라스크를 항온 진탕기에 넣어 50℃, 200 rpm에서 72시간 동안 반응시켜서 탄수화물을 가수분해하였다. 가수분해물 1 ml를 취하여 11,000 rpm으로 20분간 원심분리하고 BioRad Aminex HPX-87H 컬럼과 굴절률계(refractive index detector)가 장착된 Waters 고속액체크로마토그래프로 분석하여 상징액 중의 각종 당과 초산 등 미생물 생육저해인자의 농도를 측정하였다. 효소당화물의 포도당 농도, 당화물의 무게 및 시료로 사용한 팜 수간 분말의 무게로부터 당수율을 산출하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
성분 수율
(g/100g 건물중, 원료 대비 %)
원재료 실시예 1 비교예 1 비교예 2
포도당 52.8 51.9
(98.3%)		 42.2
(79.9%)		 44.8
(84.8%)
기타당 23.9 15.3 15.4 18.4
초산 3.3 3.4 3.6 3.4
HMF 0 0.0 0.3 0.2
퍼퍼랄 0 0.2 0.5 0.5
상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 경우, 팜 수간의 전분을 효소 가수분해하여 포도당 26.2 g을 회수하고, 남아있는 전분 미함유 바이오매스를 전처리와 효소당화함으로써 포도당 25.7 g을 회수하여, 총 51.9 g의 포도당을 얻었다. 이는 팜 수간이 함유하는 총 글루칸의 98.3%에 해당하는 매우 높은 당수율이다. 또한, 실시예 1의 경우 당의 과분해산물인 HMF와 furfural의 생성량도 극히 적어서 미생물 배양용 발효당의 제조에 적합함을 알 수 있다. 이는 바이오매스의 조직 구석구석에 박혀 있는 전분을 효소로 먼저 녹여 내어 회수함으로써 헤미셀룰로오스가 후속 전처리 과정에서 열화학 반응에 더욱 민감하게 반응하였음을 보여준다.
이에 반해, 팜 수간 분말의 통상적인 열수전처리 후 효소당화로 얻은 비교예 1의 경우, 당수율이 42.2 g으로써 이론 당수율의 79.9% 정도에 불과하였다. 또한 비교예 1의 경우, 미생물 생육저해물질인 HMF와 furfural도 과량으로 생성되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 팜 수간을 먼저 물로 추출하여 용해된 전분을 회수하고 남은 고형분을 열수 전처리하고 효소로 당화한 비교예 2의 경우에서도 당수율은 84.8%에 불과하였으며, HMF와 furfural의 생성량도 많았다. 이는 전분을 함유하는 바이오매스를 온수로 추출하는 방법은 추출이 불충분하여 상당량의 전분이 바이오매스 중에 남게 되므로, 높은 당수율을 달성하는데 부적합하다는 것을 보여준다.

Claims (5)

1) 전분을 함유하는 바이오매스를 물에 현탁시키고, 전분 가수분해효소를 가하여 전분을 가수분해하는 단계;
2) 상기 가수분해물을 고액분리(solid-liquid separation)에 의해 포도당과 고형분으로 분리하고, 포도당을 회수하는 단계;
3) 상기 고형분을 이화학적으로 전처리하는 단계; 및
4) 상기 전처리물을 셀룰라아제 또는 산에 의해 당화하여 단당류를 회수하는 단계;
를 포함하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전분을 함유하는 바이오매스가 오일팜(oil palm) 또는 사고팜(sago palm)의 수간(trunk) 또는 잎자루(frond), 또는 카사바(cassava), 고구마, 쌀겨, 밀겨, 옥수수겨 또는 보리겨인 것을 특징으로 하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전분 가수분해효소가 α-아밀라아제, β-아밀라아제, 아밀로글루코시다아제, 인버타아제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고액분리가 원심분리, 흡인여과, 가압여과, 향류 추출, 병류 추출, 반-회분식 추출 또는 회분식 추출에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전처리가 열수 전처리(hydrothermolysis), 산 전처리(acid pretreatment), 알칼리 전처리(alkaline pretreatment), 암모니아 전처리(ammonia recycled precolation) 및 증기 폭쇄법(steam explosion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전분을 함유하는 바이오매스로부터 당수율을 향상시키는 방법.
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