KR20150071300A - 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도 당에 순치 배양된 발효 미생물을 이용하여 전처리된 해조류를 배양함으로써 높은 효율로 바이오연료를 제조할 수 있는 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법{METHOD OF PRODUCING BIOFUEL USING SEA ALGAE}

본 발명은 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도 당에 순치 배양된 발효 미생물을 이용하여 전처리된 해조류를 배양함으로써 높은 효율로 바이오연료를 제조할 수 있는 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법에 관한 것이다.

화학산업의 세계적인 흐름의 하나로서 최근에 괄목할만한 움직임은 식물, 해조류, 유기성폐기물 등 바이오매스 자원을 이용한 바이오화학 산업의 성장이다. 바이오매스를 이용한 바이오화학 기술은 바이오매스를 효소나 미생물 등 생촉매를 이용한 생물공학적 전환기술이나 화학촉매나 열분해 등의 물리 화학적 전환을 이용한 전환기술을 통해 바이오연료나 바이오기반 화학제품을 생산하는 기술을 의미한다.

바이오연료는 바이오매스(biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로서, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. 바이오연료의 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. 그에 따라 목질계를 이용한 바이오연료 제조기술은 아직 상용화 단계까지 이르지 못했으므로 관측된 산업동향은 없다.

한편, 해조류는 크게 대형조류(macroalgae)와 미세조류(microalgae)로 나누어지며 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 해조류의 생산량은 전 세계적으로 연간 약 1,400만 톤에 달하며 2020년에는 약 2,200만 톤 이상으로 증가될 것으로 예측되고 있다. 이러한 생산량은 전체 양식 생산량의 약 23％에 해당하는 것으로서, 이 중 90％ 이상이 미역, 다시마 등의 갈조류와 김, 우뭇가사리, 꼬시래기 등의 홍조류로 이루어져 있다. 우리나라의 해조류 양식 생산량은 현재 약 50만 톤으로 90년대 중반의 약 70만 톤 보다는 다소 줄어들었으나, 양식 어장의 총 면적은 약 7만 ha로 90년대 중반의 약 6만 ha보다 증가하였다.

해조류는 여타 바이오매스에 비해 생장성이 훨씬 우수하고(아열대 지방의 경우 연 4-6회 수확 가능), 드넓은 바다를 이용할 수 있으므로 가용재배 면적이 넓으며, 담수, 토지, 비료 등 원가가 높은 자원의 사용이 적다는 장점이 있다. 또한, 목질계의 경우 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없으므로 바이오연료의 제조 공정이 간단하고, 총에너지 전환 수율도 높다. 뿐만 아니라 해조류는 이산화탄소 연간 흡수량이 ha당 36.7톤으로서 목질계보다 5～7배 높은 장점이 있으며, E20(20％ 에탄올이 첨가된 휘발유)을 사용한다고 가정할 때 연간 온실가스 저감율은 약 27％로, 이를 금액으로 환산 시 약 3,000억원의 탄소세 절감효과를 거둘 수 있다.

그러나, 해조류는 지금까지 주로 전기영동 시약, 비료, 유화제, 항암제 등 정밀화학 소재 및 의학 소재에 이용하거나, 식용, 약용 등 건강식품류로만 활용되어 왔을 뿐, 이를 이용한 바이오연료 개발에 관한 연구는 거의 없는 실정이다.

본 발명은 해조류를 이용하여 높은 효율로 바이오연료를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

해조류를 미세 분말화하는 제 1 단계;

상기 분말화된 해조류를 100 내지 150 ℃ 에서 산성 용매에 30분 내지 1시간 동안 반응시켜서 산촉매열가수분해시키는 제 2 단계;

상기 산촉매열가수분해물의 pH 를 조절하는 제 3 단계;

상기 pH가 조절된 산촉매열가수분해물에 분해 효소를 첨가하여 단당류를 생성시키는 제 4 단계;

미생물을 순치 배양 시키는 제 5 단계;

상기 순치 배양된 미생물에 의해 상기 단당류를 발효시키는 제 6 단계;를 포함하는 바이오연료의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 바이오연료의 제조 방법에 있어서, 상기 미생물을 순치 배양 시키는 제 5 단계에서는 특정 단당류 농도가 10 내지 30 g/L 인 제 1 배양액에서 1차 배양 후, 순치를 위한 종배양 배지의 특정 단당류의 농도가 110 내지 130 g/L 인 제 2 배양액에서 2차 배양하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 바이오연료의 제조 방법에 있어서, 상기 미생물은 우뭇가사리, 코토니, 개도박, 김, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 및 지누아리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 바이오연료의 제조 방법에 있어서, 상기 미생물은 Pichia stipitis(KCTC 7228), Pichia angophorae (KCTC 17574), Kluyveromyces marxianus (KCTC 7150), Candida tropicalis (KCTC 7212) 및 Saccharomyces cerevisiae (KCCM 1129) 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 바이오연료의 제조 방법에 있어서, 상기 분해 효소는 β-아가라제, β-갈락토시다제, β-글루코시다제, 엔도-1,4-β-글루카나제 및 셀룰라제로 구성된 그룹으로부터 선택되는 복수개인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 바이오연료의 제조 방법에 있어서, 상기 단당류는 갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스 (만니톨)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 것을 바이오연료의 제조 방법은 발효 미생물을 순치 배양함으로써 해조류로부터 높은 효율로 바이오연료를 제조할 수 있다.

도 1은 실시예 1-3에 따른, 제조된 단당류를 분석한 결과를 나타낸다.
도 2는 실시예 1-3에 따른, 첨가되는 해조류 슬러리 및 반응시간에 따라 형성되는 단당류를 나타낸다.
도 3은 실시예 1-5에 따른, 시간에 따라 배지 내에서의 당류의 농도 변화를 나타낸다.
도 4는 실시예 2-2에 따른, 첨가되는 효소에 따라 생성되는 글루코스의 농도를 나타낸다.
도 5는 실시예 2-5에 따른, Pichia stipitis KCTC 7228에 대한 시간에 따른 배지 내에서의 당류의 농도 변화를 나타낸다.
도 6은 실시예 2-5에 따른, Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129에 대한 시간에 따른 배지 내에서의 당류의 농도 변화를 나타낸다.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 돌미역을 이용한 바이오에탄올 제조

<실시예 1-1> 돌미역 시료의 제조

돌미역(undaria pinnatifida) 를 기장 시장에서 구입하고, 건조후에 200 메시가 되도록 분쇄하였다. AOAC method 에 의해 단백질, 지방, 탄수화물 함량을 조사하고, 에테르 추출법으로 지방산 함량을 조사하였다.

조사결과 우뭇가사리는 carbohydrate 45.77%, crude fiber 3.10%, 20.88% crude protein, 1.03% crude lipid, 및 27.25% crude ash를 포함하고, 셀룰로오스를 포함한 상기 carbohydrate 함량은 48.8% 로 나타났다.

< 실시예 1-2> 산가수분해

고체/액체 비율이 8% 가 되도록 91 mM 의 황산 수용액에 돌미역 분말을 첨가하고, 효과적인 산가수 분해를 위하여 고온에서도 효소활성이 안정한 Termamyl 120 L (Novozymes)를 추가하여 오토클레이브에서 121℃ 에서 45분간 산가수분해 하였다. 이후 pH 조절 후 추가적인 효소당화를 위해 AMG 300L, Viscozyme L 과 Celluclast 1.5 L (Novozymes, Bagsvæd, Denmark) 혼합 효소를 추가하여 반응시켰다.

<실시예 1-3> 효소에 의한 단당류 생성

상기 산가수분해 된 13% (w/v) 돌미역 슬러리 30 mL 에 효소로서 AMG 300 L, Viscozyme L 및 Celluclast 1.5 L 를 혼합하고, 24시간 동안 45℃ 에서 150 rpm 으로 교반하면서 반응시켰다.

첨가되는 효소에 따라 제조된 단당류를 분석한 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 효소로 처리 후에 열 가수 분해하는 경우 좀더 효과적으로 단당류를 생성하는 것을 알 수 있다.

엔도아밀라아제로서 Termamyl 120 L 를 산촉매 열가수분해 전처리에 첨가한 경우 높은 열 안전성 및 pH 수용성으로 단당류 생성 효율이 더 높아지는 것을 확인할 수 있다.

첨가되는 해조류 슬러리 및 반응시간에 따라 형성되는 단당류를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 슬러리 농도가 15% 이상이고 60분간 반응시켰을 때 이론적인 값의 50.1% 에 해당하는 33.1g/L 의 단당류가 생성되었다.

<실시예 1-4> 미생물 순치 배양

P. angophorae KCTC 17574 는 D-만니톨, D-글루코오스, D-자일로스 및 라미나린 등의 단당류로 에탄올을 생성할 수 있다고 알려져 있다.

Pichia angophorae KCTC 17574 를 (10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone, 20 g/L dextrose, and 15 g/L agar)를 포함하는 yeastpeptone- dextrose (YPD) agar plates 배양한 후, 콜로니를 분리하여 (10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone, and 20 g/L dextrose를 포함하는 YPD 배양액에서 제 1 배양하였다. 제 1 배양된 배양액을 종균으로 5% 첨가하고 YPMG medium (10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone, 및 120 g/L galactose) 에서 30℃ 에서 24시간 동안 제 2 배양하였다.

< 실시예 1-5> 순치 배양 미생물에 의한 해조류 발효

상기 실시예 1-3 에서 제조된 전처리된 돌미역 슬러리에 10 N NaOH 를 추가하여 pH 를 6.7 로 조정하였다. 상기 실시예 1-4 에서 순치 배양된 미생물을 0.35 g dry cell weight/L 의 농도로 접종시킨 후 28 ℃ 에서 200 rpm 으로 72 시간 동안 발효시켰다.

비교예로서 상기 실시예 1-4 와 같은 순치 배양을 하지 않은 P. angophorae KCTC 17574 로 전처리된 돌미역을 발효시켰으며, 각각의 경우 시간에 따른 배지 내에서의 당류의 농도 변화를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 비교예 A 의 경우 순치 배양을 하지 않은 P. angophorae KCTC 17574 가 단당류를 uptake 하지 않아서 에탄올 생산량이 증가하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 의한 B 의 경우 발효 초기부터 순치 배양된 P. angophorae KCTC 17574 가 단당류를 uptake 하여 에탄올 생산량이 크게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

<실시예 2> 우뭇가사리를 이용한 바이오에탄올 제조

<실시예 2-1> 우뭇가사리 시료의 제조

우뭇가사리(gelidium amansii)를 기장 시장에서 구입하고, 건조후에 200 메시가 되도록 분쇄하였다. AOAC method 에 의해 단백질, 지방, 탄수화물 함량을 조사하고, 에테르 추출법으로 지방산 함량을 조사하였다.

조사결과 우뭇가사리(gelidium amansii)은 carbohydrate 62.8%, crude protein 18.1%, crude lipid 0.2 %, fiber 11.6% 및 crude ash 7.3% 를 포함하였다.

< 실시예 2-2> 산가수분해

고체/액체 비율이 8% 가 되도록 91 mM 의 황산 수용액에 우뭇가사리(gelidium amansii) 분말을 첨가하고, 오토클레이브에서 121℃ 에서 60 분간 산가수분해 하였다.

<실시예 2-3> 효소에 의한 단당류 생성

상기 산가수분해 된 8% (w/v) 우뭇가사리 슬러리 250 mL 에 효소로서 Viscozyme L 과 Celluclast 1.5 L 를 혼합한 효소를 48시간 동안 45℃ 에서 130 rpm 으로 교반하면서 반응시켰다.

첨가되는 효소에 따라 생성되는 글루코스의 농도를 측정하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 단일 효소보다는 효소 혼합물을 사용하는 경우 글루코스 생성량이 가장 많은 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 2-4> 미생물 순치 배양

Pichia stipitis KCTC 7228 와 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 (10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone, 20 g/L dextrose, and 15 g/L agar)를 포함하는 yeastpeptone- dextrose (YPD) agar plates 배양한 후, 콜로니를 분리하여 10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone, and 20 g/L dextrose를 포함하는 YPD 배양액에서 제 1 배양하였다.

제 1 배양된 배양액을 종균으로 5% 첨가하고 YPMG medium (10 g/L yeast extract, 20 g/L peptone and 120 g/L galactose) 에서 30℃ 에서 18시간 동안 제 2 배양하였다.

< 실시예 2-5> 순치 배양 미생물에 의한 해조류 발효

상기 실시예 2-3 에서 제조된 전처리된 8% (w/v) 우뭇가사리 슬러리에 10 N NaOH 를 추가하여 pH 를 6.4 로 조정하였다. 상기 실시예 -4 에서 순치 배양된 미생물을 0.35 g dry cell weight/L 의 비율로 접종시킨 후 30 ℃ 에서 200 rpm 으로 96 시간 동안 발효시켰다.

비교예로서 상기 실시예 2-4 와 같은 순치 배양을 하지 않은 Pichia stipitis KCTC 7228 (도 5) 와 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 (도 6)로 해조류를 발효시켰으며, 각각의 경우 시간에 따른 배지 내에서의 당류의 농도 변화를 측정하고 그 결과를 도 5와 도 6에 나타내었다.

도 5와 도 6에서 비교예 A 의 경우 순치 배양을 하지 않은 Pichia stipitis KCTC 7228 와 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 가 단당류를 uptake 하지 않아서 에탄올 생산량이 증가하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에 의한 B 의 경우 발효 초기부터 순치 배양된 Pichia stipitis KCTC 7228 와 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 가 단당류를 uptake 하여 에탄올 생산량이 크게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

Claims (7)

1. 해조류를 분말화하는 제 1 단계;
   상기 분말화된 해조류를 100 내지 150 ℃ 에서 산성 용매에 30분 내지 1시간 동안 반응시켜서 산촉매열가수분해시키는 제 2 단계;
   상기 산촉매열가수분해물의 pH 를 조절하는 제 3 단계;
   상기 pH가 조절된 산촉매열가수분해물물에 분해 효소를 첨가하여 단당류를 생성시키는 제 4 단계;
   미생물을 순치 배양 시키는 제 5 단계;
   상기 순치 배양된 미생물에 의해 상기 단당류를 발효시키는 제 6 단계;를 포함하는 바이오연료의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 미생물을 순치 배양 시키는 제 5 단계에서는 특정 단당류의 농도가 10 내지 30 g/L 인 제 1 배양액에서 1차 배양 후, 순치를 위한 종배양 배지의 단당류의 농도가 110 내지 130 g/L 인 제 2 배양액에서 2차 배양하는 것을 특징으로 하는 것인, 바이오연료의 제조 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 배양액이 포함하는 단당류와 상기 제 2 배양액이 포함하는 단당류는 갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스 (만니톨)로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 효소를 이용한 당당류의 생산을 통한 것인, 바이오연료의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 미생물은 우뭇가사리, 코토니, 개도박, 김, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 및 지누아리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것인, 바이오연료의 제조 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 미생물은 Pichia stipitis(KCTC 7228), Pichia angophorae (KCTC 17574), Kluyveromyces marxianus (KCTC 7150), Candida tropicalis (KCTC 7212) 및 Saccharomyces cerevisiae (KCCM 1129)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인, 바이오연료의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 분해 효소는 β-아가라제, β-갈락토시다제, β-글루코시다제, 엔도-1,4-β-글루카나제 및 셀룰라제로 구성된 그룹으로부터 선택되는 복수개인 것인 효소를 이용한 단당류의 생산을 통한 것인, 바이오연료의 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 바이오연료는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 아세톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것인, 바이오연료의 제조 방법.

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