KR20150093705A - 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 산 및 효소적 가수분해와 대조적으로 환경 친화적이고 경제적으로 실행가능한 방법을 사용하여 알콜로 전환시킬 당을 수득하기 위해 미생물 공동체를 사용하여 하나 이상의 발효 단계를 거쳐 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법에 관한 것이다.

Description

리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법 {METHOD FOR OBTAINING BIOFUEL FROM LIGNOCELLULOSIC AND/OR AMYLACEOUS BIOMASS}
본 발명은 종래 산 및 효소적 가수분해와 대조적으로 환경 친화적이고 경제적으로 실행가능한 방법을 사용하여 알콜로 전환시킬 당을 수득하기 위해 미생물 공동체를 사용하여 하나 이상의 발효 단계를 거쳐 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법에 관한 것이다.
오늘날 바이오연료의 중요성에 대한 인식은 점점 더 증가하고 있다. 이는 유기물로부터 유도된 재생가능한 에너지원이며, 오일 유도체와 같은 화석 연료보다 유의하게 더 적은 양의 오염물질을 대기로 방출한다.
현재, 사탕수수 에탄올은 수크로스의 알콜 발효에 의해 제조된다 - 1세대 에탄올. 따라서, 식물 세포벽 폴리사카라이드로부터 제조되는 셀룰로스 에탄올은 2세대 에탄올로 명명된다. 그러나, 산 또는 염기성 용매를 사용하여 식물 세포벽 중합체를 이완시키고 분해함으로써 발효가능한 모노- 및 올리고사카라이드를 방출시키는 세포벽의 화학적 가수분해 단계가 셀룰로스 에탄올을 제조하는데 필요하다. 그러나, 사용되는 화학 제품의 비용 이외에도, 부수적 화학 잔류물이 제조될 수 있다 (Marcos S. Buckeridge, Marco S. Santos, Wanderley D. dos Souza, Amanda P. The paths for cellulosic ethanol in Brazil. USP. 2012).
수년간에 걸쳐, 셀룰로스 물질의 가수분해에 대한 여러 방법이 제안되어 왔다. 그들 모두에 공통된 특징은, 입자 크기를 감소시키고 매질과 접촉하는 물질의 표면을 증가시키기 위해 물질을 먼저 기계적으로 파쇄시켜야 한다는 점이다.
가수분해는 보통 2가지 방식으로 수행된다. 산 가수분해의 경우, 다량의 산을 사용하면, 매질은 산 가수분해로부터 생성되는 당을 에탄올로 발효시키는 임의의 미생물이 서식하는데 적합한 상태가 되는 바, 이에 산이 없는 상태가 될 수 있도록 매질 회수 단계가 필요하게 된다. 이는 상기 방법의 가장 큰 단점 중 하나인데, 그 이유는 회수가 다량의 에너지를 필요로 하는 공정으로서, 이로 인해 상기 단계에는 많은 비용이 들기 때문이다. 게다가, 산은 부식성을 띠는 바, 파이프 및 열 교환기에 고가의 합금 사용이 요구된다.
셀룰로스에서 에탄올로의 효소적 가수분해의 경우, 리그닌을 제거하고, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 셀룰라제 효소 작용에 노출시키기 위한 전처리 절차가 있다. 그러나, 셀룰로스를 분해할 수 있는 효소 (셀룰라제)의 사용은, 그 비용이 고가이고 (Nguyen, Q.A.; Sadler, J. N. (1991) Biores. Technol., 35, 275-282), 생산성이 낮고, 환경상 위험이 수반되고, 효소를 바이오매스 처리장으로 수송하기 위해서는 물류 자원이 필요하기 때문에 여전히 실행불가능하다.
선행 기술에는 기본적으로 2가지 경로: 산 가수분해 및 효소적 가수분해를 포함하는, 에탄올을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
CN101544990에는 셀룰라제-생산 미생물을 접종함으로써 발효되는 리그노셀룰로스 바이오매스를 사용하여 연료를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
BRPI0706009에는 수크로스, 글루코스 및 프룩토스를 함유하는 식물성 바이오매스를 사용하여, 생물반응기에서 응집성 효모 균주를 사용하는 알콜 발효 방법이 개시되어 있다.
US2006177917에는 물리적 및 화학적 전처리, 효소적 가수분해, 미생물 사용에 의한 가수분해물 발효, 및 알콜 분리 및 정제와 같은 단계를 포함하는, 가수분해물의 에탄올 발효로부터의 잔류물을 사용하고 2세대 에탄올 제조 방법을 통합함으로써 셀룰로스분해 효소 및/또는 헤미셀룰로스분해 효소를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
비록 글루코스를 발효시킴으로써 에탄올을 수득하는 방법에 관한 기술 문헌이 존재하기는 하지만, 미생물 (진균 및 박테리아)을 사용하여 세포벽을 제거하는 환경 친화적이고 경제적으로 실행가능한 방법을 사용함으로써 바이오매스로부터 발효가능한 당을 수득하는 것이 도전 과제이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 바이오매스 분해에 필요한 조건하에서 효소를 생산할 수 있는 미생물 공동체를 사용함으로써, 바이오매스 전처리 단계 및 단리된 효소의 사용을 배제할 수 있으며, 알콜로 전환시킬 당을 확실하게 수득할 수 있는, 하나 이상의 발효 단계를 거쳐 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법이다.
한 측면에서, 리그닌, 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 전분을 분해하고 당을 알콜 및 산으로 전환시키기 위한 하나 이상의 발효 단계를 포함하는, 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 미생물을 사용하여 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법을 제공한다.
추가의 측면에서, 산, 알칼리 및 단리된 효소를 사용하는 바이오매스 전처리 단계를 배제하는, 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법을 제공한다.
추가의 또 다른 측면에서, 모든 원료를 전부 사용하여 환경 친화적이고 경제적으로 실행가능한 방법을 제공하는, 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법을 제공한다.
추가의 또 다른 측면에서, 평균적으로 8% w/v를 수득하는 종래 방법과는 대조적으로 약 30% w/v의 96% 에탄올을 제공하는, 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법을 제공한다.
본 발명의 목적을 위해, "효소 생산의 조절"이라는 표현은 유기체가 존재하는 매질에 따라 효소를 생산할 수 있는 (증가, 감소 또는 변경시킬 수 있는) 유기체의 능력을 의미하여야 한다.
본 발명의 대상인 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스를 사용하여 바이오연료를 수득하는 방법은, 접촉 표면적을 증가시키기 위해 바이오매스, 예컨대 특히 사탕수수 및 바나나 작물 잔류물의 입자 크기를 감소시키는 제1 단계를 포함한다.
임의로, 분획화된 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스에 대해 멸균 단계가 이어진다.
리그노셀룰로스 바이오매스를 멸균시키면, 오염물질 발생이 억제된다. 오염은 기질 경쟁 및 대사물 방출을 통해 본 방법에서 사용될 수 효모 사카로미세스(Saccharomyces) 및 다른 미생물을 억제시키는 위험을 증가시키며, 이는 수율 및 생산성을 감소시킬 수 있다 (Naves, Raquel Ferreira, Fernandes, Fernanda de Souza; Pinto, Osvaldo Gomes and Naves, Plinio Lazaro Faleiro. Microbial contamination in the processing steps and its influence on the fermentation yield at alcohol plants).
당화액 발효를 위해, 온도를 10℃ 내지 80℃로, 및 pH를 2.0 내지 12.0으로 유지시키면서, 리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 분해하는 효소를 생산 및 생산 조절할 수 있는 하나 이상의 미생물이 바람직하게 사용된다.
리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스분해 후, 당화액에 분산되어 있는 당 및 단백질을 수득하여 당화액 중 가용성 고체의 양을 증가시킨다. 상기 절차에서, 파네로카에테 아종(Phanerochaete ssp .), 글로에오필룸 아종(Gloeophylum ssp .), 펠리누스 아종(Phellinus ssp .), 코리올롭시스 아종(Coriolopsis ssp .), 클로스트리디움 아종(Clostridium ssp .), 아르밀라리아 아종(Armillaria ssp .), 카에토미움 아종(Chaetomium ssp .), 세르풀라세아에 아종(Serpulaceae ssp .), 피브로포리아 아종(Fibroporia ssp .), 코니오포라 아종(Coniophora ssp .), 아스페르길루스 아종(Aspergillus ssp .) 또는 트리코더마 아종(Trichoderma ssp .)과 같은 상기 미생물 종이 바람직하게 사용된다.
원하는 농도의 환원당을 수득한 후, 오염물질 제거를 위해 당화액에 대해 멸균 단계를 수행할 수 있다.
이어서, 온도를 10℃ 내지 50℃로, 및 pH를 2.0 내지 12.0으로 유지시켜 알파-아밀라제 효소가 글리코시드 연결의 가수분해를 촉매화시키도록 하면서, 하나 이상의 전분분해 미생물, 바람직하게는 바실루스 아종(Baccilus spp .) 속의 것을 사용하여 계속해서 당화액을 발효시킨다.
임의로, 1.0 내지 10.0% w/v의 암모늄 염 조성물을 첨가한다.
임의로, 원하는 농도의 환원당을 수득한 후, 당화액에 대해 멸균 단계를 수행할 수 있다.
온도를 10℃ 내지 60℃로, 및 pH를 2.0 내지 12.0으로 유지시키면서, 2.0 내지 10.0%의 하나 이상의 사카로미세스 아종 속의 미생물을 사용하여 계속해서 당화액을 발효시켜, 당화액 중에 존재하는 당을 알콜, 바람직하게는 에탄올로 전환시킨다.
원하는 농도의 환원당을 수득한 후, 당화액에 대해 알콜 추출 공정을 수행한다.
임의로, 1단계 발효를 위해 전분분해 및/또는 셀룰로스분해 및 헤미셀룰로스분해 미생물을 하나 이상의 사카로미세스 아종 속의 미생물과 함께 당화액에 첨가할 수 있다.
당화액 중 미생물과의 접촉 시간 양에 기인하여 발효 공정 동안 시트르산, 아세트산 및 락트산이 제조된다.
실험:
사탕수수 폐기물 (찌꺼기 및 짚), 및 으깬 바나나 과실, 줄기, 위경 및 잎으로부터의 리그노셀룰로스 물질을 어떤 종류의 전처리도 없이 본 실험에서 사용하였다.
미생물을 선택하여 리그노셀룰로스 물질을 발효가능한 당으로 분해하였다.
Figure pct00001
표 1에 제시된 바와 같이, 발효 공정 동안 발효가능한 당의 양 (브릭스도로 표시)이 대규모로 증가하였으며, 이는 리그노셀룰로스 물질을 분해하고 당을 제조하기 위해 미생물이 그의 효소 생산을 조절할 수 있다는 것을 의미한다.
독성 부산물의 생산 없이, 30%의 96° GL 에탄올을 수득하였으며, 따라서 이는 청정 방법이라는 것을 의미한다.

Claims (5)

  1. a) 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스의 입자를 감소시키는 단계;
    b) 10℃ 내지 80℃의 온도 및 2.0 내지 12.0의 pH에서 리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 분해하는 효소를 생산 및 생산 조절할 수 있는 하나 이상의 미생물을 사용하여 당화액을 발효시킨 후, 10℃ 내지 50℃의 온도 및 2.0 내지 12.0의 pH에서 하나 이상의 미생물, 바람직하게는 바실루스 아종(Baccilus spp .) 속의 것, 및 10℃ 내지 60℃의 온도 및 2.0 내지 12.0의 pH에서 2.0 내지 10.0%의 하나 이상의 사카로미세스 아종(Saccharomyces spp .) 속의 미생물을 사용하여 발효시키는 단계;
    c) 알콜을 추출하는 단계
    를 포함하는, 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 임의로, 상기 분획화된 리그노셀룰로스 또는 전분질 바이오매스에 대해 멸균 단계를 수행하는 것인, 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스가 하기 속: 파네로카에테 아종(Phanerochaete ssp .), 글로에오필룸 아종(Gloeophylum ssp .), 펠리누스 아종(Phellinus ssp .), 코리올롭시스 아종(Coriolopsis ssp .), 클로스트리디움 아종(Clostridium ssp .), 아르밀라리아 아종(Armillaria ssp .), 카에토미움 아종(Chaetomium ssp .), 세르풀라세아에 아종(Serpulaceae ssp .), 피브로포리아 아종(Fibroporia ssp .), 코니오포라 아종(Coniophora ssp .), 아스페르길루스 아종(Aspergillus ssp .) 또는 트리코더마 아종(Trichoderma ssp .) 중 하나 이상의 미생물에 의해 분해되는 것인, 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전분분해 미생물이 바람직하게는 바실루스 아종 속의 것인, 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 전분분해 미생물을 사용하면서, 바람직하게는 1.0 내지 10.0% w/v의 암모늄 염 조성물을 발효 동안 첨가하는 것인, 리그노셀룰로스 및/또는 전분질 바이오매스로부터 바이오연료를 수득하는 방법.
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