KR20200097418A

KR20200097418A - 고농도, 고수율의 에탄올 생산용 효모

Info

Publication number: KR20200097418A
Application number: KR1020190014748A
Authority: KR
Inventors: 김명동; 배영우
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-19

Abstract

본 발명은 에탄올을 고농도, 고수율로 생산할 수 있는 효모 균주에 관한 것으로, 본 발명의 효모는 고농도의 에탄올을 고수율로 생산할 수 있는 특징이 있다. 현재의 에탄올생산방식은 단위 발효용적당 생산성이 좋지 않기 때문에 에탄올 함량이 낮아 증류비용이 많이 요구된다. 따라서, 본 효모의 이용으로 에탄올생산성 향상은 물론 공정개선, 증류비용 감소의 효과를 기대할 수 있다.

Description

고농도, 고수율의 에탄올 생산용 효모 {Yeast for production of ethanol with high yield and high concentration}

본 발명은 에탄올을 고농도, 고수율로 생산할 수 있는 효모 균주에 관한 것이다.

에탄올은 알코올의 한 종류로, 화학식 C₂H₅OH, C₂H₆O, CH₃CH₂OH로 표현하며, 에틸 알코올이라고도 부르고, 술의 주성분이기 때문에 주정(酒精)이라고도 부른다. 에탄올은 공업적으로는 석유에서 뽑아낸 에텐(에틸렌)과 물을 반응시켜 만들어낸다. 300℃ 정도의 뜨거운 상태에서 촉매로 황산을 넣어주면 에탄올과 황산이 섞여나오고, 이를 식혀서 액화한 후 증류하면 에탄올을 얻어낼 수 있다. 이것은 불순물(산 촉매로 인한 디에틸에테르나 폴리에틸렌)이 생기므로 정제과정을 한 번 더 거쳐야 하는 문제가 있다.

고전적인 방법으로는 수은과 황산을 이용하여 황산수은을 사용하며, 에텐을 산화수은화한 후, 은을 탈수화하는 것으로 만들 수 있는데, 99.8% 정도로 에탄올의 수득률이 높고, 다른 부반응이 거의 생기지 않지만 잔류 유기수은이 문제가 된다. 이외에도 황산구리나 황산니켈과 같은 금속촉매를 이용하여 에텐에서 물 첨가반응으로 제조하는 방법도 있지만, 수은에 비해서는 수득률이 떨어지는 한계가 있다.

식용 에탄올은 곡물이나 과일의 탄수화물을 효모를 이용해서 발효시켜 만들게 된다. 막걸리나 맥주, 포도주 등은 이 발효 과정을 이용하여 빚으며, 그 결과물을 가열 증류하면 증류주가 된다. 물과 에탄올을 그냥 증류하면 순도 95.6% 이상의 에탄올을 얻을 수 없다. 이 혼합물은 끓는점이 하나뿐이라서 에탄올이 먼저 끓어 증기로 올라오지 않고, 끓을 때 나오는 증기 역시 순도 95.6%의 에탄올과 물 혼합물에 불과하다. 물을 더 빼기 위해서는 특수한 증류 방법이 필요하다.

현재 주정생산업체의 에탄올 생산은 회분식 발효로서 곡물, 타피오카 등으로부터 3일간 발효시 에탄올 8-10％(v/v)를 생산하고 있으며, 더 높은 기질 농도로부터 발효 시에는 오랫동안 발효하여도 더 이상 발효되지 않고, 잔당이 많이 남게 된다. 즉 종래의 에탄올 발효에서는 10％ 이상의 고농도에탄올 발효시 기질 농도를 높이면 발효액 내에 어느 정도 에탄올 생산 농도는 높아지나, 높은 기질농도와 생성된 에탄올에 의해 효모세포의 대사가 억제를 받아 발효가 저하되어 발효되지 않은 당이 많이 남게 되고, 따라서 사용된 원료기질 단위 무게당 에탄올 생산수율은 낮아지는 결과를 나타낸다. 이에, 주정업체에서는 발효기질을 최대한 에탄올로 전환하기 위한 적정 농도인 10％ 내외의 에탄올을 생산해오고 있다. 따라서, 고농도, 고수율의 에탄올을 생산하는 균주의 확보가 매우 절실한 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2015-0006709호(2015.01.19)에는, 자일로스로부터 에탄올을 생산할 수 있는 재조합 효모 및 이를 이용한 에탄올 생산방법에 관하여 기재되어 있다. 대한민국등록특허 제10-1102460호(2011.12.28)에는, 글리세롤을 발효원으로 하는 바이오 에탄올 생산능이 향상된 재조합벡터, 형질전환체 및 그 전환체를 이용한 에탄올 생산방법에 관하여 기재되어 있다.

본 발명에서는 에탄올을 고농도, 고수율로 생산할 수 있는 효모를 발굴하여 제공하고자 한다.

본 발명은 고농도, 고수율로 에탄올을 생산하는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735를 제공한다.

본 발명은 미생물을 배양하여 에탄올을 생산함에 있어, 상기 미생물로, 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 생산 방법을 제공한다.

본 발명의 에탄올 생산 방법에 있어, 상기 배양은, 바람직하게 포도당이 2~20%(w/w) 첨가된 배지에서 배양하는 것이 좋다.

본 발명의 효모는 고농도의 에탄올을 고수율로 생산할 수 있는 특징이 있다. 현재의 에탄올 생산방식은 단위 발효용적당 생산성이 좋지 않기 때문에 에탄올 함량이 낮아 증류비용이 많이 요구된다. 따라서, 본 효모의 이용으로 에탄올 생산성 향상은 물론 공정개선, 증류비용 감소의 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 대조군 균주와 본 발명 균주의 에탄올 생성능을 비교한 결과이다.
도 2는 포도당 농도에 따른 본 발명 균주의 에탄올 생성능을 비교한 결과이다.

우리나라에서는 에탄올이 주로 희석식 소주원료로 쓰이는 데 반해, 전 세계적으로는 전체 생산량의 2/3가 자동차 등의 수송용 연료로 사용되며, 1/5이 산업용이고, 음료용으로는 단지 1/7 정도만 사용되고 있다. 에탄올은 현미·보리·밀·옥수수·고구마·감자와 같은 전분질계 작물, 사탕수수와 같은 당질계 원료로부터 생산되어 음료용과 산업용으로 사용되어 왔다. 1970년대 석유파동 때부터 전 세계적으로 석유 대체 연료로서 자동차 수송 연료용 에탄올에 관한 관심이 고조되어 왔는데, 이와 더불어 에탄올 산업은 더욱 활성화될 것으로 전망된다. 따라서, 고농도 고수율 에탄올 생산 우수 균주의 확보가 매우 절실한 실정이다.

이에 본 발명은 고농도, 고수율로 에탄올을 생산하는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735를 발굴하여 제공하고자 하는 것이다.

한편, 본 발명은 미생물을 배양하여 에탄올을 생산함에 있어, 상기 미생물로, 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 생산 방법을 제공한다.

본 발명의 에탄올 생산 방법에 있어, 상기 배양은, 바람직하게 포도당이 2~20%(w/w) 첨가된 배지에서 배양하는 것이 좋은데, 해당 농도에서 에탄올을 고농도로 생산할 수 있음을 하기 실험을 통해 확인하였다.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예 또는 실험예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예 또는 실험예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.

[ 실시예 1: 본 발명 균주의 선별]

꽃 및 전통발효식품으로부터 분리한 효모 2,500점에 대한 에탄올 생산성 우수 균주 선별 실험을 수행하였다. 꽃 및 전통발효식품으로부터 효모를 분리하기 위한 배지는 클로람페니콜(Chloramphenicol)이 함유된 YEPD 배지(yeast extract 10g/ℓ, peptone 200g/ℓ, glucose 200g/ℓ)를 사용하였다. 균질화된 시료 1㎖를 펩톤 수용액(peptone water) 9㎖에 현탁한 후, 10배씩 4번 희석하였다. 그 후, 현탁액 200㎕를 YEPD 배지에 도말하고 정체배양기를 사용하여 30℃의 온도에서 48시간 동안 배양하였다. 이후, 단일 집락을 15% 글리세롤(glycerol)을 함유하도록 첨가하여 초저온냉동고(-80℃)에 보관하였다.

에탄올 생산성 우수 균주 선별을 위한 효모용 배지는 2% 포도당이 첨가된 YEPD 배지(yeast extract 10g/ℓ, peptone 20g/ℓ, glucose 20g/ℓ)를 사용하였다. 배양은 5㎖의 YEPD 배지에 단일 콜로니를 접종하고, 진탕배양기를 사용하여 30℃의 온도에서 48시간 동안 200 rpm으로 교반하여 실험을 수행하였다.

배지 중의 에탄올 함량은 시중에서 판매되고 있는 에탄올 어세이 키트(Ethanol assay kit; Bioassay system, USA)를 사용하였다. 배양액을 1분 동안 13,200 rpm으로 원심분리하여 회수한 상등액을 에탄올 함량 측정에 사용하였다.

실험 결과, 2500점의 효모 중 막걸리에서 분리한 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae) MBY/L5735 균주에서 1.75 ±0.03 g/l로 높은 에탄올 생성능을 확인하였다.

[ 실험예 1: 에탄올 생성능 비교]

본 발명의 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae) MBY/L5735 균주의 에탄올 생성능을 확인하기 위하여, 대조군 균주(S. cerevisiae KCTC 7905)와 에탄올 생성능을 비교하고자 하였다.

배지는 2% 포도당이 첨가된 YEPD 배지(yeast extract 10g/ℓ, peptone 20g/ℓ, glucose 20g/ℓ)를 사용하였다. 배양은 5㎖의 YEPD 배지에 단일 콜로니를 접종하고, 진탕배양기를 사용하여 30℃의 온도에서 48시간 동안 200 rpm으로 교반하여 실험을 수행하였다. 배지 중의 에탄올 함량은 시중에서 판매되고 있는 에탄올 어세이 키트(Ethanol assay kit; Bioassay system, USA)를 사용하였다.

실험 결과, 본 발명의 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae) MBY/L5735 균주는 1.75±0.03 g/l으로, 1.51±0.12 g/l의 에탄올 생성능을 보인 대조군 균주에 비해 높은 에탄올 생성능을 보임을 확인할 수 있었다 (도 1). 도 1은 대조군 균주와 본 발명 균주의 에탄올 생성능을 비교한 결과이다.

[ 실험예 2: 포도당 농도에 따른 본 발명 균주의 에탄올 생성능 비교]

포도당 농도에 따른 본 발명 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae) MBY/L5735 균주의 에탄올 생성능을 비교하기 위하여, 5㎖의 YEPD 배지에 단일 콜로니를 접종하고, 진탕배양기를 사용하여 30℃의 온도에서 48시간 동안 200 rpm으로 교반하여 실험을 수행하였다. 이후, 원심분리하여 균체를 회수한 후 2, 10, 20%의 포도당이 각각 첨가된 YEPD 배지에 초기 세포흡광도(OD₆₀₀)를 0.1로 하여 접종한 후, 30℃의 온도에서 48시간 동안 200rpm으로 배양하여 실험을 수행하였다.

실험 결과, 본 발명 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae) MBY/L5735 균주의 에탄올 생성능은 포도당 농도 의존적으로 증가하였으며, 더욱 구체적으로 10%(w/v) 포도당을 첨가한 배지에서는 32.15±0.19g/ℓ, 20%(w/v) 포도당을 첨가한 배지에서는 50.18±0.20g/ℓ의 에탄올 함량을 나타내었다 (도 2). 도 2는 포도당 농도에 따른 본 발명 균주의 에탄올 생성능을 비교한 결과이다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 균주는 비교적 고 포도당 농도에서 포도당 대사 및 에탄올 생성이 가능함을 확인할 수 있었다.

Claims

고농도, 고수율로 에탄올을 생산하는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735.
미생물을 배양하여 에탄올을 생산함에 있어서,
상기 미생물로, 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) MBY/L5735를 사용하는 것을 특징으로 하는 에탄올 생산 방법.
제2항에 있어서,
상기 배양은,
포도당이 2~20%(w/w) 첨가된 배지에서 배양하는 것을 특징으로 하는 에탄올 생산 방법.