KR20210006222A - Method for producing of bio-alcohol - Google Patents

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KR20210006222A
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박소은
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Abstract

The present invention relates to a method for producing a bio-alcohol. Particularly, the present invention relates to a method for producing a bio-alcohol at a lower cost than the prior art by culturing microorganisms using a plant extract as a medium nitrogen source, wherein the plant extract is less expensive than a yeast extract, has the growth rate of a strain and the production yield of ethanol and acetic acid being similar to those of the yeast extract, and has one or more plants selected from the group consisting of malt, soybean, pea and cottonseed.

Description

바이오알코올의 제조방법{Method for producing of bio-alcohol} Method for producing bio-alcohol {Method for producing of bio-alcohol}

본 발명은 바이오알코올의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 보다 적은 비용으로 바이오알코올을 제조할 수 있게 된다.The present invention relates to a method for producing bioalcohol, and according to the present invention, it is possible to manufacture bioalcohol at a lower cost.

바이오에너지는 화석연료를 대체할 수 있는 가능성을 가진 에너지로서 최근 가장 널리 개발, 활용되고 있다. Bioenergy is an energy that has the potential to replace fossil fuels, and is recently most widely developed and utilized.

1세대 바이오에너지 생산기술은 곡물류의 전분이나 당을 이용하는 기술로서, 식량과의 경쟁관계로 인한 한계를 가지고 있었다(Buckeridge et al., 2012; Rass-Hansen et al., 2007). 이를 극복하기 위한 2세대 바이오에너지 생산기술은 식량자원이 아닌 리그노셀룰롤오스계 바이오매스를 원료로 하는 기술이며, 당화-발효공정이 일반적으로 사용되고 있다. 이 중 당화공정은 일반적으로 전처리 과정이 요구되며 공정이 복잡하고 효율이 낮아 생산효율을 저해하는 역할을 한다(Kootstra et al., 2009). 이에 따라 가스화-발효공정이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 가스화-발효 공정에서는 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 가스화 과정을 거쳐 합성가스(syntheses gas, 또는 syngas, CO, CO2, H2를 주성분으로 함)로 전환시킨 후, 합성가스 발효과정을 통해 바이오에탄올 등의 바이오알코올이나 유용 화학물질로 변환시킨다(Balat, 2011; Liua et al., 2014; Wilkins and Atiyeh, 2011). 또한 가스화-발효공정은 바이오매스 외에도 도시유기폐기물, 농업부산물 및 폐기물 등으로 원료를 확장하는 것이 가능하며, 제철소의 폐가스도 직접 활용이 가능한 장점을 가진다(Arafat and Jijakli, 2013; Nipattummakul et al., 2012). The first-generation bioenergy production technology uses starch or sugar from cereals, and has limitations due to competition with food (Buckeridge et al., 2012; Rass-Hansen et al., 2007). The second generation bioenergy production technology to overcome this is a technology that uses lignocellulosic biomass, not food resources, as a raw material, and saccharification-fermentation processes are generally used. Among them, the saccharification process generally requires a pretreatment process, and the process is complex and the efficiency is low, which hinders production efficiency (Kootstra et al., 2009). Accordingly, the gasification-fermentation process is emerging as a new alternative. In the gasification-fermentation process, lignocellulosic biomass is converted into syngas (syntheses gas, or syngas, CO, CO 2 , H 2 as the main components) through a gasification process, and then bioethanol through the syngas fermentation process. And other bioalcohols or useful chemicals (Balat, 2011; Liua et al., 2014; Wilkins and Atiyeh, 2011). In addition, the gasification-fermentation process can expand raw materials to urban organic waste, agricultural by-products, and waste in addition to biomass, and has the advantage of directly utilizing waste gas from steel mills (Arafat and Jijakli, 2013; Nipattummakul et al., 2012).

상기 발효공정에서 이용되는 미생물인 아세토젠 세균(acetogenic bacteria)은 합성가스를 탄소원 및 에너지원으로 활용하여 아세트산, 바이오알코올 등의 유용산물을 생산할 수 있다(Michael Kopke et al., 2010; Jamal Abrini et al., 1994; Yanwen Shen 2017; A.M. Henstra et al., 2007; Kundiyana DK 2011; Chang et al., 2001). 구체적으로, 아세토젠 세균은 acetyl-CoA pathway(Wood-Ljungdahl pathway)에 의해 CO, CO2 등을 아세트산 및 에탄올 등으로 전환시킬 수 있다. 합성가스로부터 아세트산과 에탄올이 생산되는 전체 반응과정은 아래와 같다(Ukpong et al., 2012; Vega et al., 1989):Acetogenic bacteria, which are microorganisms used in the fermentation process, can produce useful products such as acetic acid and bioalcohol by using syngas as a carbon source and energy source (Michael Kopke et al., 2010; Jamal Abrini et al. al., 1994; Yanwen Shen 2017; AM Henstra et al., 2007; Kundiyana DK 2011; Chang et al., 2001). Specifically, acetogen bacteria can convert CO, CO 2 and the like into acetic acid and ethanol by the acetyl-CoA pathway (Wood-Ljungdahl pathway). The overall reaction process for the production of acetic acid and ethanol from syngas is as follows (Ukpong et al., 2012; Vega et al., 1989):

Figure pat00001
Figure pat00001

합성가스의 발효가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 상용화에 걸림돌이 되는 약점은 합성가스의 액체배지로의 물질전달 제한, 고가의 배지, 낮은 생산속도 등이 있다(Sun et al., 2018). 그런데, 합성가스의 물질전달 속도를 높이려는 시도는 다양하게 이루어져 왔지만, 배지 조성의 최적화를 위한 노력은 상대적으로 적게 이루어져 왔다. 배지 조성의 최적화를 위한 시도로는 트립티케이스(Trypticase) 또는 바이오차(biochar) 등을 이용하여 공정 효율을 높이려는 시도, 또는 고가의 완충용액을 대체하려는 시도 등이 있었다(Gao et al., 2013; Maddipati et al., 2011; Kundiyana et al., 2010; Cotter et al., 2009; Sun et al., 2018). Despite the many advantages of syngas fermentation, weaknesses that hinder commercialization include restrictions on the transfer of materials to liquid media of syngas, expensive media, and low production rates (Sun et al., 2018). However, various attempts have been made to increase the mass transfer rate of syngas, but relatively little effort has been made to optimize the composition of the medium. Attempts to optimize the composition of the medium include attempts to increase process efficiency by using trypticase or biochar, or attempts to replace expensive buffer solutions (Gao et al., 2013; Maddipati et al., 2011; Kundiyana et al., 2010; Cotter et al., 2009; Sun et al., 2018).

한편, 합성가스의 발효를 위한 배지 성분 중에서 완충용액을 제외하면 효모 추출물(yeast extract)이 배지의 제조비용에서 차지하는 비중이 가장 크다. On the other hand, among the medium components for fermentation of syngas, yeast extract occupies the largest proportion in the production cost of the medium except for the buffer solution.

따라서, 합성가스 발효에 일반적으로 사용되는 고가의 효모 추출물을 대체할 수 있는 원료를 확보하는 것이 경제성 향상을 위해 매우 중요한 실정이다.Therefore, securing a raw material that can replace expensive yeast extract generally used for syngas fermentation is a very important situation for improving economic efficiency.

KR 2010-0095012 AKR 2010-0095012 A

본 발명의 목적은 합성가스를 발효시켜 바이오알코올을 제조하는 방법에 있어서, 합성가스의 발효를 위한 배지에 일반적으로 포함되는 고가의 효모 추출물을, 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물로 대체함으로써 보다 경제적으로 바이오알코올을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention in a method for producing bioalcohol by fermenting syngas, an expensive yeast extract generally included in a medium for fermentation of syngas, 1 selected from the group consisting of malt, soybeans, peas, and cotton seeds. It is to provide a method for producing bioalcohol more economically by replacing it with an extract of more than one species.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 합성가스를 발효시켜 바이오알코올을 제조하는 방법에 있어서, 상기 발효를 위한 액체배지는 질소원으로서 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물을 0.1 내지 10 g/L로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a method for producing bioalcohol by fermenting synthetic gas, wherein the liquid medium for fermentation is a nitrogen source of at least one plant selected from the group consisting of malt, soybeans, peas, and cotton seeds. It provides a method for producing a bioalcohol, characterized in that it comprises 0.1 to 10 g / L extract.

본 발명에 따르면, 합성가스 발효에 일반적으로 사용되는 고가의 효모 추출물 대신 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물을 이용함으로써 바이오알코올의 생산 단가를 저감시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, the advantage of reducing the production cost of bioalcohol by using extracts of one or more plants selected from the group consisting of malt, soybeans, peas, and cotton seeds instead of expensive yeast extracts generally used for syngas fermentation. There is this.

도 1은 본 발명의 비교예 1의 효모 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 맥아 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3의 완두콩 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing a yeast extract of Comparative Example 1 of the present invention.
2 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing the malt extract of Example 1 of the present invention.
3 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing the pea extract of Example 3 of the present invention.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 합성가스를 발효시켜 바이오알코올을 제조하는 방법에 있어서, 상기 발효를 위한 액체배지는 질소원으로서 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물을 0.1 내지 10 g/L로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, in the method for producing bioalcohol by fermenting syngas, the liquid medium for fermentation is a nitrogen source, at least one selected from the group consisting of malt, soybeans, peas, and cotton seeds. It provides a method for producing bioalcohol, comprising 0.1 to 10 g/L of plant extract.

상기 식물 추출물은 효모 추출물의 대체제로서 상기 액체배지에 0.1 내지 10 g/L, 바람직하게는 0.2 내지 5.0 g/L, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2.0 g/L로 포함될 수 있다.The plant extract may be included in the liquid medium in an amount of 0.1 to 10 g/L, preferably 0.2 to 5.0 g/L, more preferably 0.2 to 2.0 g/L, as a substitute for the yeast extract.

상기 액체배지 내의 상기 식물 추출물의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 미생물의 생장이 더뎌지게 될 뿐만 아니라 바이오에탄올의 생산량이 현저히 적어지게 되며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 미생물의 생장이나 바이오에탄올의 생산량에 크게 영향을 주지 못하면서 배지 제조비용만 증가하게 된다.When the content of the plant extract in the liquid medium is less than the lower limit, not only the growth of microorganisms is slowed, but also the production amount of bioethanol is significantly reduced, and when it exceeds the upper limit, the growth of microorganisms or the production amount of bioethanol It does not have a significant effect and only increases the cost of manufacturing the medium.

상기 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물은 바람직하게는 상기 식물의 효소 가수분해 추출물 또는 산 가수분해 추출물일 수 있다. The extract of at least one plant selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds may preferably be an enzyme hydrolyzed extract or an acid hydrolyzed extract of the plant.

상기 식물 추출물은 통상의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 일예로 상기 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물을 물 또는 30 내지 99.9 중량%의 주정으로 추출하는 단계; 상기 추출물의 100 중량부에 대하여 단백질 분해효소, 바람직하게는 펙티나아제(pectinase)를 0.1 내지 2.0 중량부로 혼합하고 40 내지 60 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 효소처리하는 단계; 상기 효소처리 추출물을 여과 및 농축하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. The plant extract may be prepared by a conventional method, for example, extracting one or more plants selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds with water or 30 to 99.9% by weight of alcohol; Mixing 0.1 to 2.0 parts by weight of a proteolytic enzyme, preferably pectinase, based on 100 parts by weight of the extract, and enzymatic treatment at 40 to 60° C. for 1 to 5 hours; Filtering and concentrating the enzyme-treated extract; can be prepared by a method comprising.

또는, 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물을 물 또는 30 내지 99.9 중량%의 주정으로 추출하는 단계; 상기 추출물에 염산, 질산 또는 황산을 0.1 내지 5 중량% 농도로 혼합하고 100 내지 150℃, 바람직하게는 110 내지 130 ℃에서 30 내지 80분, 바람직하게는 40 내지 70분 동안 산 가수분해하는 단계; 상기 산 가수분해 추출물을 여과 및 농축하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. Alternatively, extracting at least one plant selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds with water or 30 to 99.9% by weight of alcohol; Mixing hydrochloric acid, nitric acid, or sulfuric acid to the extract at a concentration of 0.1 to 5% by weight, and acid hydrolysis at 100 to 150°C, preferably 110 to 130°C for 30 to 80 minutes, preferably 40 to 70 minutes; Filtering and concentrating the acid hydrolyzed extract; can be prepared by a method comprising.

상기 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물은 다른 식물의 추출물에 비해 바이오에탄올의 생산량 증대 측면에서 현저히 우수한 효과가 있다.The extract of at least one plant selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds has a remarkably excellent effect in terms of increasing the production of bioethanol compared to extracts of other plants.

또한, 상기 발효를 위한 액체배지는 트립톤 0.1 내지 10 g/L, 바람직하게는 0.2 내지 5.0 g/L, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2.0 g/L를 추가로 포함할 수 있다.In addition, the liquid medium for fermentation may further contain tryptone 0.1 to 10 g/L, preferably 0.2 to 5.0 g/L, and more preferably 0.2 to 2.0 g/L.

트립톤의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 목적하는 효과를 달성할 수가 없게 되고, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 트립톤 함량의 증대에도 효과의 증대는 미미하여 경제성이 나빠지게 된다.When the content of tryptone is less than the lower limit, the desired effect cannot be achieved, and when the content of the tryptone exceeds the upper limit, the increase in the effect is negligible even when the tryptone content is increased, resulting in poor economy.

특히, 발효를 위한 액체배지 내에 트립톤의 함량이 0.2 내지 2.0 g/L의 범위 내인 경우에는 바이오알코올의 생산성이 크게 증가할 뿐만 아니라, 에탄올/아세트산 생산비 또한 증가하게 된다.In particular, when the content of tryptone in the liquid medium for fermentation is within the range of 0.2 to 2.0 g/L, not only the productivity of bioalcohol is greatly increased, but the ethanol/acetic acid production cost is also increased.

한편, 상기 트립톤은 바이오알코올 생산을 위한 액체배지 내에 본 발명의 식물 추출물과 함께 병용하는 경우, 바이오알코올 생산량 증대에 크게 기여하는 것을 구체적인 실험을 통해 확인하였다.On the other hand, when the tryptone is used in combination with the plant extract of the present invention in a liquid medium for bioalcohol production, it was confirmed through a specific experiment that it greatly contributes to the increase in bioalcohol production.

본 발명에서 상기 발효를 위한 바람직한 액체배지 조성의 구체예로는, 액체배지 1 L에 대하여 NH4Cl 0.5 내지 2.0 g, K2HPO4 0.1 내지 0.5 g, MgCl2 0.1 내지 2.0 g, CaCl2ㅇ2H2O 0.05 내지 0.2 g, KCl 0.1 내지 0.5 g, NaCl 0.5 내지 2.0 g, NaHCO3 0.5 내지 2.0 g, 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물 0.25 내지 7.5 g, 트립톤 0.1 내지 10 g/L, resazurin 0.0005 내지 0.002 g, L-cysteine HCl 0.1 내지 2.0 g, Na2Sㅇ9H2O 0.1 내지 2.0 g, 1 M phosphate buffer solution 5 내지 15 mL, trace metal solution 5 내지 15 mL, vitamin solution 0.5 내지 2.0 mL를 포함하는 것일 수 있다.In the present invention, as a specific example of a preferred liquid medium composition for the fermentation, 0.5 to 2.0 g of NH 4 Cl, 0.1 to 0.5 g of K 2 HPO 4 , 0.1 to 2.0 g of MgCl 2 , CaCl 2 per 1 L of liquid medium 2H 2 O 0.05 to 0.2 g, KCl 0.1 to 0.5 g, NaCl 0.5 to 2.0 g, NaHCO 3 0.5 to 2.0 g, 0.25 to 7.5 g of extracts of one or more plants selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds, Tryptone 0.1 to 10 g/L, resazurin 0.0005 to 0.002 g, L-cysteine HCl 0.1 to 2.0 g, Na 2 SO9H 2 O 0.1 to 2.0 g, 1 M phosphate buffer solution 5 to 15 mL, trace metal solution 5 To 15 mL and 0.5 to 2.0 mL of vitamin solution.

상기 액체배지 조성에서, 전이금속 용액(trace metal solution)은 전이금속 용액 1 L에 대하여 니트릴로트리아세트산(Nitrilotriacetic acid) 1.0 내지 2.0 g, MgSO4ㅇ7H2O 1 내지 5 g, MnSO4ㅇH2O 1.0 내지 2.0 g, NaCl 0.5 내지 2.0 g, FeSO4ㅇ7H2O 0.05 내지 0.2 g, CoSO4ㅇ7H2O 0.1 내지 0.5 g, CaCl2ㅇ2H2O 0.05 내지 0.2 g, ZnSO4ㅇ7H2O 0.1 내지 0.5 g, CuSO4ㅇ5H2O 0.005 내지 0.02 g, KAl(SO4)2ㅇ12H2O 0.01 내지 0.05 g, H3BO3 0.005 내지 0.02 g, Na2MoO4ㅇ2H2O 0.005 내지 0.02 g, NiCl2ㅇ6H2O 0.01 내지 0.05 g, Na2SeO3ㅇ5H2O 0.0001 내지 0.0005 g, Na2WO4ㅇ2H2O 0.0001 내지 0.001 g를 포함하는 것일 수 있다.In the liquid medium composition, the trace metal solution is 1.0 to 2.0 g of nitrilotriacetic acid, 1 to 5 g of MgSO 4 ㅇ7H 2 O, MnSO 4 ㅇH 2 per 1 L of the transition metal solution. O 1.0 to 2.0 g, NaCl 0.5 to 2.0 g, FeSO 4 o7H 2 O 0.05 to 0.2 g, CoSO 4 o7H 2 O 0.1 to 0.5 g, CaCl 2 o2H 2 O 0.05 to 0.2 g, ZnSO 4 o7H 2 O 0.1 to 0.5 g, CuSO 4 ㅇ5H 2 O 0.005 to 0.02 g, KAl(SO 4 ) 2 ㅇ12H 2 O 0.01 to 0.05 g, H 3 BO 3 0.005 to 0.02 g, Na 2 MoO 4 ㅇ2H 2 O 0.005 To 0.02 g, NiCl 2 ㅇ6H 2 O 0.01 to 0.05 g, Na 2 SeO 3 ㅇ5H 2 O 0.0001 to 0.0005 g, Na 2 WO 4 ㅇ2H 2 O 0.0001 to 0.001 g.

또한, 상기 액체배지 조성에서, 비타민 용액(vitamin solution)은 비타민 용액 1 L에 대하여 Biotin 10 내지 30 mL, folic acid 10 내지 30 mg, pyridoxine HCl 50 내지 200 mg, thiamine HCl 10 내지 100 mg, riboflavin 10 내지 100 mg, nicotinic acid 10 내지 100 mg, D-Ca-pantothenate 10 내지 100 mg, p-aminobenzoic acid 10 내지 100 mg, vitamine B12 5 내지 20 mg, lipoic acid 10 내지 100 mg를 포함하는 것일 수 있다.In addition, in the liquid medium composition, the vitamin solution is biotin 10 to 30 mL, folic acid 10 to 30 mg, pyridoxine HCl 50 to 200 mg, thiamine HCl 10 to 100 mg, riboflavin 10 per 1 L of vitamin solution. To 100 mg, nicotinic acid 10 to 100 mg, D-Ca-pantothenate 10 to 100 mg, p- aminobenzoic acid 10 to 100 mg, vitamine B 12 5 to 20 mg, lipoic acid 10 to 100 mg. .

본 발명에서 합성가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 질소 중에서 선택되는 어느 하나의 가스 또는 2 이상이 혼합된 가스일 수 있다. 상기 합성가스는 폐가스 또는 배가스일 수 있고, 석탄 또는 바이오매스를 가스화시킴으로써 제조되거나 상기 폐가스 또는 배가스를 방사선조사, 초음파분해 및 열분해 중의 하나 이상으로 처리하여 제조된 것일 수 있다. In the present invention, the synthesis gas may be any one gas selected from hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and nitrogen, or a mixture of two or more. The synthesis gas may be waste gas or exhaust gas, and may be produced by gasifying coal or biomass, or by treating the waste gas or exhaust gas with at least one of irradiation, ultrasonic decomposition, and pyrolysis.

본 발명의 합성가스의 구체예로는, CO 10 내지 60 vol%, CO2 10 내지 30 vol%, H2 5 내지 30%, N2 10 내지 60 vol%의 조성을 가지는 것일 수 있다.As a specific example of the syngas of the present invention, it may have a composition of 10 to 60 vol% CO, 10 to 30 vol% CO 2 , 5 to 30% H 2 , and 10 to 60 vol% N 2 .

상기 바이오알코올을 생산하기 위한 미생물에는 혐기성 박테리아가 사용되며 크로스트리듐 융달리(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리듐 오토에타노제눔(Clostridium autoethanogenum), 크로스트리듐 써모아세티쿰(Clostridium thermoaceticum), 크로스트리듐 아세티쿰(Clostridium aceticum), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 써모아나에로박테리움 키뷔(Thermoanaerobacterium kivui), 부티리박테리움 메티로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 크로스트리듐 아세토부티리쿰(Clostridium acetobutylicum), 크로스트리듐 포르미카세티쿰(Clostridium formicacetricum), 크로스트리듐 클루이베리(Clostridium kluyveri), 크로스트리듐 테르모셀륨(Clostridium thermocellum), 크로스트리듐 테르모사카로리티쿰(Clostridium thermosaccharolyticum), 유박테리움 리모섬(Eubacterium limosum) 및 펩토스트렙토코커스 프로덕터스(Peptostreptococcus productus)는 일산화탄소와 이산화탄소를 탄소원으로 하고 수소를 전자 제공원으로 이용하여 에탄올과 아세트산을 생산하는 대표 생체촉매이다. Anaerobic bacteria are used as the microorganisms for producing the bioalcohol , and Crosstridium ljungdahlii , Clostridium autoethanogenum , Clostridium thermoaceticum , and cross Tridium aceticum , Acetobacterium woodii , Thermoanaerobacterium kivui , Butyribacterium methylotrophicum , Crosstridium acetobutyricum ( Clostridium acetobutylicum ), Clostridium formicacetricum , Clostridium kluyveri , Clostridium thermocellum , Clostridium thermosaccharolyticum , Eubacterium limosum and Peptostreptococcus productus are representative biocatalysts that produce ethanol and acetic acid using carbon monoxide and carbon dioxide as carbon sources and hydrogen as electron sources.

본 발명에 기재된 바이오알코올 제조방법에서, 특정 발효 공정은 상기 발효 조건이 충족되는 한 특별히 제한되지 않는다. 바꿔 말해, 발효 공정은 배치 발효, 배치-페드 발효, 연속 발효, 인-시츄(in-situ) 추출 발효, 또는 인-시츄(in-situ) 가스 추출 발효 등과 같은 당업계에서 통상적으로 사용되는 임의의 발효 공정 일 수 있다. 각 과정의 특정 작업 단계는 통상의 기술자에게 공지되어 있으며 여기에서 더 이상 설명하지 않을 것이다. In the bioalcohol production method described in the present invention, a specific fermentation process is not particularly limited as long as the fermentation conditions are satisfied. In other words, the fermentation process is any commonly used in the art such as batch fermentation, batch-ped fermentation, continuous fermentation, in-situ extraction fermentation, or in-situ gas extraction fermentation, etc. It may be a fermentation process. The specific working steps of each process are known to the person skilled in the art and will not be described further here.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It is natural that such modifications and modifications fall within the appended claims.

<실시예><Example>

실시예 1 : 맥아 추출물을 이용한 바이오에탄올의 제조Example 1: Preparation of bioethanol using malt extract

1-1. 미생물 균주 및 액체배지1-1. Microbial strain and liquid medium

클로스트리듐 오토에타노제눔(Clostridium autoethanogenum)(DSM 10061)은 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen end Zellkulturen(DSMZ) GmbH(Braunschweig, Germany)에서 구입하여 사용하였으며, 질소원으로서 맥아 추출물이 포함된 기본 액체배지를 이용하여 유지하였다. 상기 맥아 추출물은 Sigma-Aldrich Co.(MO, USA)(product no. 105391)에서 구입하였다. 다른 화합물은 시약등급 제품을 구입하여 사용하였다. Clostridium autoethanogenum (DSM 10061) was purchased and used from Deutsche Sammlung von Mikroorganismen end Zellkulturen (DSMZ) GmbH (Braunschweig, Germany), and a basic liquid medium containing malt extract was used as a nitrogen source. And maintained. The malt extract was purchased from Sigma-Aldrich Co. (MO, USA) (product no. 105391). Other compounds were used by purchasing reagent grade products.

상기 액체배지 1L에 포함된 구성성분은 다음과 같다. Components contained in 1L of the liquid medium are as follows.

NH4Cl 1.0 g, K2HPO4 0.33 g, MgCl2 0.52 g, CaCl2ㅇ2H2O 0.1 g, KCl 0.33 g, NaCl 1.0 g, NaHCO3 1.0 g, 맥아 추출물 0.5 g 또는 5 g, 레자주린(resazurin) 0.001 g, L-cysteine HCl 0.5 g, Na2Sㅇ9H2O 0.5 g, 1 M 인산염 버퍼용액(phosphate buffer solution) 10 mL, 전이금속 용액 10 mL, 비타민 용액 1 mL.NH 4 Cl 1.0 g, K 2 HPO 4 0.33 g, MgCl 2 0.52 g, CaCl 2 ㅇ2H 2 O 0.1 g, KCl 0.33 g, NaCl 1.0 g, NaHCO 3 1.0 g, malt extract 0.5 g or 5 g, rezazurin (resazurin) 0.001 g, L-cysteine HCl 0.5 g, Na 2 SO9H 2 O 0.5 g, 1 M phosphate buffer solution 10 mL, transition metal solution 10 mL, vitamin solution 1 mL.

상기 전이금속 용액은 1 L에 다음의 성분을 포함하도록 제조하였다. The transition metal solution was prepared to contain the following components in 1 L.

니트릴로트리아세트산 1.5 g, MgSO4ㅇ7H2O 3.0 g, MnSO4ㅇH2O 0.5 g, NaCl 1.0 g, FeSO4ㅇ7H2O 0.1 g, CoSO4ㅇ7H2O 0.18 g, CaCl2ㅇ2H2O 0.10 g, ZnSO4ㅇ7H2O 0.18 g, CuSO4ㅇ5H2O 0.01 g, KAl(SO4)2ㅇ12H2O 0.02 g, H3BO3 0.01 g, Na2MoO4ㅇ2H2O 0.01 g, NiCl2ㅇ6H2O 0.03 g, Na2SeO3ㅇ5H2O 0.0003 g, Na2WO4ㅇ2H2O 0.0004 g.Nitrilotriacetic acid 1.5 g, MgSO 4 o7H 2 O 3.0 g, MnSO 4 oH 2 O 0.5 g, NaCl 1.0 g, FeSO 4 o7H 2 O 0.1 g, CoSO 4 o7H 2 O 0.18 g, CaCl 2 o2H 2 O 0.10 g, ZnSO 4 ㅇ7H 2 O 0.18 g, CuSO 4 ㅇ5H 2 O 0.01 g, KAl(SO 4 ) 2 ㅇ12H 2 O 0.02 g, H 3 BO 3 0.01 g, Na 2 MoO 4 ㅇ2H 2 O 0.01 g, NiCl 2 o6H 2 O 0.03 g, Na 2 SeO 3 o5H 2 O 0.0003 g, Na 2 WO 4 o2H 2 O 0.0004 g.

또한 상기 비타민 용액은 1 L에 다음의 성분을 포함하도록 제조하였다.In addition, the vitamin solution was prepared to contain the following components in 1 L.

Biotin 20 mL, folic acid 20 mg, pyridoxine HCl 100 mg, thiamine HCl 50 mg, riboflavin 50 mg, nicotinic acid 50 mg, D-Ca-pantothenate 50 mg, p-aminobenzoic acid 50 mg, vitamine B12 10 mg, lipoic acid 50 mg.Biotin 20 mL, folic acid 20 mg, pyridoxine HCl 100 mg, thiamine HCl 50 mg, riboflavin 50 mg, nicotinic acid 50 mg, D-Ca-pantothenate 50 mg, p- aminobenzoic acid 50 mg, vitamine B 12 10 mg, lipoic acid 50 mg.

상기 액체배지의 제조방법은 ATCC에서 추천하는 절대혐기성 배지 제조방법을 따랐다.The method for preparing the liquid medium followed the method for preparing an absolute anaerobic medium recommended by ATCC.

합성가스는 실제 조성과 유사하게 CO 20 vol%, CO2 20 vol%, H2 10%, N2 50 vol%의 조성을 가지는 것을 인공적으로 제조하여 사용하였다.Synthesis gas is similar to the actual composition CO 20 vol%, CO 2 20 vol%, it was used to manufacture the artificially with H 2 10%, N 2 composition of 50 vol%.

1-2. 배양실험1-2. Culture experiment

클로스트리듐 오토에타노제눔(Clostridium autoethanogenum)은 절대혐기성 세균으로 배양실험은 혐기성 조건 하에서 실시되었다. Clostridium autoethanogenum is an absolute anaerobic bacterium, and culture experiments were conducted under anaerobic conditions.

배양은 150 mL serum bottle에 25 mL 액체배지를 채우고, butyl rubber sopper를 이용하여 밀봉한 후 알루미늄캡을 씌워서 수행하였다. 상기 액체배지에 10 부피%에 해당되는 계대배양된 배양물을 접종한 후 serum bottle의 헤드스페이스의 압력이 약 240 kPa이 되도록 합성가스를 주입하였다. 배양은 진탕배양기를 이용하여 온도 37 ℃, 교반속도 200 rpm에서 수행하였다. 합성가스는 24 시간마다 5 분간 합성가스로 퍼징한 후 serum bottle의 헤드스페이스에 합성가스를 추가로 주입하며 14일간 배양을 수행하였다. 시료 채취는 2일마다 수행하였다.Incubation was carried out by filling a 150 mL serum bottle with 25 mL liquid medium, sealing it with a butyl rubber sopper, and putting an aluminum cap on it. After inoculating the subcultured culture equivalent to 10% by volume in the liquid medium, syngas was injected so that the pressure of the headspace of the serum bottle was about 240 kPa. Cultivation was performed at a temperature of 37° C. and a stirring speed of 200 rpm using a shaking incubator. Syngas was purged with syngas every 24 hours for 5 minutes, and then incubated for 14 days by additionally injecting syngas into the headspace of the serum bottle. Sample collection was performed every 2 days.

실시예 2 : 맥아 추출물 및 트립톤을 이용한 바이오에탄올의 제조Example 2: Preparation of bioethanol using malt extract and tryptone

실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 액체배지는 트립톤 0.5 g을 더 첨가하여 제조하였으며, 이를 이용하여 바이오에탄올을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, the liquid medium was prepared by adding 0.5 g of tryptone, and bioethanol was prepared using this.

실시예 3 : 완두콩 추출물을 이용한 바이오에탄올의 제조Example 3: Preparation of bioethanol using pea extract

실시예 1과 동일하게 실시하되, 질소원으로서 상기 맥아 추출물 대신 완두콩 추출물을 이용하여 바이오에탄올을 제조하였다. 상기 완두콩 추출물은 Sigma-Aldrich Co.(MO, USA)(product no. 04316)에서 구입하였다. It was carried out in the same manner as in Example 1, but bioethanol was prepared using pea extract instead of the malt extract as a nitrogen source. The pea extract was purchased from Sigma-Aldrich Co. (MO, USA) (product no. 04316).

실시예 4 : 완두콩 추출물 및 트립톤을 이용한 바이오에탄올의 제조Example 4: Preparation of bioethanol using pea extract and tryptone

실시예 3과 동일하게 실시하되, 상기 액체배지는 트립톤 0.5 g을 더 첨가하여 제조하였으며, 이를 이용하여 바이오에탄올을 제조하였다.It was carried out in the same manner as in Example 3, but the liquid medium was prepared by adding 0.5 g of tryptone, and bioethanol was prepared using this.

비교예 1: 효모 추출물을 이용한 바이오에탄올의 제조Comparative Example 1: Preparation of bioethanol using yeast extract

실시예 1과 동일하게 실시하되, 질소원으로서 상기 맥아 추출물 대신 효모 추출물을 이용하여 바이오에탄올을 제조하였다. 상기 효모 추출물은 Becton, Dickinson and Co.(NJ, USA)(product no. 212750)에서 구입하였다. In the same manner as in Example 1, but using yeast extract instead of the malt extract as a nitrogen source to prepare bioethanol. The yeast extract was purchased from Becton, Dickinson and Co. (NJ, USA) (product no. 212750).

<실험예><Experimental Example>

분석방법Analysis method

세포질량농도Cell mass concentration

세포질량농도는 UV-visible spectrophotometer(Optizen POP, Mecasys Co, Seoul, Korea)를 이용하여 600 nm에서 optical density(OD)를 측정하여 표시하였다. 균주건조질량(dry cell mass)은 검량곡선식을 이용하여 optical density로부터 계산하여 표시하였다. The cell mass concentration was expressed by measuring the optical density (OD) at 600 nm using a UV-visible spectrophotometer (Optizen POP, Mecasys Co, Seoul, Korea). The dry cell mass was calculated and expressed from the optical density using a calibration curve equation.

에탄올 및 아세트산의 농도Concentration of ethanol and acetic acid

에탄올과 아세트산의 농도는 분석기로 flame ionization detector(FID)가 부착된 가스크로마토그래피(7890B, Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 분석하였다. 컬럼은 capillary column(HP-5 column, 30m ㅧ 0.32mm, Agilent, USA)을 사용하였고, 주입구 온도는 225 ℃, split ratio 50:1, FID 온도 250 ℃로 운전하였다. Carrier gas로는 수소를 이용하여 초기유속 2 mL/min, holding time 1.5분 유지 후에, ramping rate 0.5 mL/min에서 유속을 4 mL/min으로 증가시켰다. 오븐의 초기온도는 90 ℃였으며 상승속도 40 ℃/min으로 250 ℃까지 상승시켰다.The concentrations of ethanol and acetic acid were analyzed using gas chromatography (7890B, Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA) attached to a flame ionization detector (FID) with an analyzer. A capillary column (HP-5 column, 30m ㅧ 0.32mm, Agilent, USA) was used as the column, and the inlet temperature was operated at 225 ℃, split ratio 50:1, and FID temperature 250 ℃. As a carrier gas, hydrogen was used to maintain an initial flow rate of 2 mL/min and a holding time of 1.5 minutes, and the flow rate was increased to 4 mL/min at a ramping rate of 0.5 mL/min. The initial temperature of the oven was 90 °C and the temperature was increased to 250 °C at a rate of 40 °C/min.

성분 분석Ingredient analysis

실시예 및 비교예에 기재된 추출물의 성분 분석을 위해 다음의 분석을 수행하였다. 미네랄 성분의 분석은 inductively coupled plasma-optical emission spectrometer(ICP-OES, Optima 5300 DV, PerkinElmer Inc., USA)를 사용하였다. 아미노산의 성분 분석은 high-performance liquid chromatography(HPLC, Dionex Ultimate 3000, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하였고, carbohydrates는 페놀황산 발색방법을 이용하였다.The following analysis was performed for component analysis of the extracts described in Examples and Comparative Examples. The mineral component was analyzed using an inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES, Optima 5300 DV, PerkinElmer Inc., USA). Amino acid component analysis was performed using high-performance liquid chromatography (HPLC, Dionex Ultimate 3000, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA), and carbohydrates were phenolic sulfuric acid color development method.

실험예 1: 성분 분석Experimental Example 1: Component Analysis

먼저, 실시예 또는 비교예에서 사용된 맥아 추출물, 완두콩 추출물 및 효모 추출물의 성분분석을 수행하여 하기 표 1에 나타내었다. First, component analysis of the malt extract, pea extract, and yeast extract used in Examples or Comparative Examples is performed, and is shown in Table 1 below.

성분ingredient 맥아 추출물Malt extract 완두콩 추출물Pea extract 효모 추출물Yeast extract Dry mass(wt%)Dry mass(wt%) 9898 9797 9898 Carbohydrate(wt%)Carbohydrate(wt%) 7676 1111 1515 Amino acids(wt%)Amino acids (wt%) 3.63.6 17.617.6 35.235.2 Total minerals(wt%)Total minerals(wt%) <0.3<0.3 <5.6<5.6 <6.4<6.4 CaCa 0.010.01 <0.05<0.05 0.0870.087 CoCo <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 CuCu <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 FeFe <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 KK 0.2950.295 1.3601.360 4.0944.094 MgMg 0.0270.027 <0.05<0.05 0.0750.075 MnMn <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 NaNa 0.2380.238 3.0843.084 0.4790.479 SnSn <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 ZnZn <0.05<0.05 <0.05<0.05 <0.05<0.05 PP 0.0570.057 0.7720.772 1.3841.384

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 맥아 추출물의 성분분석 결과를 보면 아미노산 3.6 중량% 이하, 미네랄 0.9 중량%이하로 효모 추출물의 각각 35.2 중량%, 6.4 중량%와는 상당한 차이를 보인다. 반면에 탄수화물의 함량은 76 중량%로 효모 추출물의 15 중량%보다 월등히 높다.As shown in Table 1, when the component analysis results of the malt extract show a significant difference from 35.2% by weight and 6.4% by weight of the yeast extract, with an amino acid of 3.6% by weight or less and a mineral of 0.9% by weight or less. On the other hand, the content of carbohydrates is 76% by weight, much higher than 15% by weight of yeast extract.

또한, 완두콩 추출물의 성분분석 결과를 보면 아미노산 함량은 17.6 중량%로 효모 추출물의 35.2 중량%와는 큰 차이를 나타내지만 이것이 균주의 성장과 생성물 생산에 결정적인 영향을 끼치지는 않는 것으로 판단된다.In addition, when looking at the results of the component analysis of the pea extract, the amino acid content is 17.6% by weight, which shows a large difference from 35.2% by weight of the yeast extract, but it is judged that this does not have a decisive effect on the growth of the strain and the production of the product.

실험예 2: 균주 성장과 생성물 생산에 미치는 영향Experimental Example 2: Effect on strain growth and product production

효모 추출물의 저가 대체제로 맥아 추출물의 유용성을 검증하기 위하여, 클로스트리듐 오토에타노제눔 배양공정에서 각각의 성분이 미생물 성장과 에탄올 및 아세트산 생산에 미치는 영향을 분석하였다.In order to verify the usefulness of malt extract as a low-cost substitute for yeast extract, the effects of each component on the growth of microorganisms and production of ethanol and acetic acid in the Clostridium autoethanogenum culture process were analyzed.

도 1은 본 발명의 비교예 1의 효모 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing a yeast extract of Comparative Example 1 of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 14일 배양 후의 optical density는 0.5 g/L의 효모 추출물을 사용했을 때 1.48이었으며, 5 g/L의 효모 추출물을 사용했을 때에는 1.64였다. 에탄올 생산농도는 0.5 g/L의 효모 추출물을 사용할 때 2.16 g/L이며, 5 g/L의 효모 추출물을 사용하는 경우 1.69 g/L로 감소하였다. 아세트산의 생산 농도는 0.5 g/L 효모 추출물을 사용할 때 1.64 g/L이며, 5 g/L의 효모 추출물을 사용하면 2.85 g/L로 증가하였다.As shown in FIG. 1, the optical density after 14 days culture was 1.48 when 0.5 g/L of yeast extract was used, and 1.64 when 5 g/L of yeast extract was used. The ethanol production concentration was 2.16 g/L when 0.5 g/L of yeast extract was used, and decreased to 1.69 g/L when 5 g/L of yeast extract was used. The production concentration of acetic acid was 1.64 g/L when 0.5 g/L yeast extract was used and increased to 2.85 g/L when 5 g/L yeast extract was used.

이러한 실험 결과로부터 효모 추출물의 배지 내 농도 증가가 균주의 성장과 아세트산의 생산량은 증가시키지만 에탄올의 생산량은 감소시킨다는 것을 확인할 수 있다. From these experimental results, it can be confirmed that increasing the concentration of yeast extract in the medium increases the growth of the strain and the production of acetic acid, but decreases the production of ethanol.

도 2는 상기 효모 추출물의 대체제로 실시예 1의 맥아 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 전체적으로는 도 1과 크게 상이하지 않다.2 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing the malt extract of Example 1 as a substitute for the yeast extract. Overall, it is not significantly different from FIG. 1.

도 2에 나타낸 바와 같이, 14일 배양 후의 optical density는 0.5 g/L의 맥아 추출물을 사용했을 때 1.37이었으며, 5 g/L의 맥아 추출물을 사용했을 때에는 1.61이었다. 에탄올 생산농도는 0.5 g/L의 맥아 추출물을 사용할 때 3.37 g/L로 같은 농도의 효모 추출물을 사용한 경우의 2.16 g/L에 비해 크게 향상되었고, 5 g/L의 맥아 추출물을 사용하는 경우 2.93 g/L로 소폭 감소하였다. 아세트산의 생산 농도는 0.5 g/L 맥아 추출물을 사용할 때 3.11 g/L이며, 5 g/L의 맥아 추출물을 사용하면 4.17 g/L로 증가하였다.As shown in FIG. 2, the optical density after 14 days culture was 1.37 when 0.5 g/L of malt extract was used, and 1.61 when 5 g/L of malt extract was used. The ethanol production concentration was 3.37 g/L when 0.5 g/L of malt extract was used, which was significantly improved compared to 2.16 g/L when the same concentration of yeast extract was used, and 2.93 when 5 g/L of malt extract was used. It decreased slightly to g/L. The production concentration of acetic acid was 3.11 g/L when 0.5 g/L malt extract was used, and it increased to 4.17 g/L when 5 g/L malt extract was used.

도 3은 상기 효모 추출물의 대체제로 실시예 3의 완두콩 추출물을 포함하는 액체배지를 이용한 배양 공정에서의 세포 질량, 에탄올 생산 농도, 아세트산 생산 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing changes in cell mass, ethanol production concentration, and acetic acid production concentration in a culture process using a liquid medium containing the pea extract of Example 3 as a substitute for the yeast extract.

도 3에 나타낸 바와 같이, 14일 배양 후의 optical density는 0.5 g/L의 완두콩 추출물을 사용했을 때 1.71이었으며, 5 g/L의 완두콩 추출물을 사용했을 때에는 1.65이었다. 에탄올 생산농도는 0.5 g/L의 완두콩 추출물을 사용할 때 3.76 g/L로 같은 농도의 효모 추출물을 사용한 경우의 2.16 g/L에 비해 74% 향상되었고, 5 g/L의 완두콩 추출물을 사용하는 경우 2.04 g/L로 소폭 감소하였다. 아세트산의 생산 농도는 0.5 g/L 완두콩 추출물을 사용할 때 2.58 g/L이며, 5 g/L의 완두콩 추출물을 사용하면 2.99 g/L로 증가하였다.As shown in FIG. 3, the optical density after 14 days culture was 1.71 when 0.5 g/L pea extract was used, and 1.65 when 5 g/L pea extract was used. The ethanol production concentration was 3.76 g/L when 0.5 g/L pea extract was used, which was 74% higher than 2.16 g/L when the same concentration of yeast extract was used, and when 5 g/L pea extract was used. It decreased slightly to 2.04 g/L. The production concentration of acetic acid was 2.58 g/L when 0.5 g/L pea extract was used, and increased to 2.99 g/L when 5 g/L pea extract was used.

전체적으로 균주 성장 특성은 효모 추출물을 사용한 경우와 크게 다르지 않았으나, 양적으로는 향상된 결과를 나타내었다. Overall, the strain growth characteristics were not significantly different from the case of using the yeast extract, but showed improved quantitative results.

실험예 3: 트립톤에 의한 에탄올 생산성 향상Experimental Example 3: Improvement of ethanol productivity by tryptone

합성 가스의 발효를 위한 배약액에 트립톤을 포함시키는 경우 에탄올 생산성에 어떠한 영향을 끼치는지를 확인하고자 하였다. 이를 위하여, 합성 가스의 발효를 위해 일반적으로 이용되는 효모 추출물을 포함하는 비교예 1의 액체배지에 트립톤을 첨가하여 실험을 진행하였다. 이후, 비교예 1의 방법으로 클로스트리듐 오토에타노제눔 아세톤젠을 합성가스 발효에 사용하고, 균주 성장과 에탄올 및 아세트산 생산에 미치는 영향을 분석하여 하기 표 2에 나타내었다. 트립톤 투입농도는 0.5, 2.5, 5.0 g/L로 달리하여 트립톤을 투입하지 않은 대조군과 비교해 보았다.In the case of including tryptone in the fermentation liquid for fermentation of synthetic gas, it was attempted to determine how it affects ethanol productivity. To this end, an experiment was conducted by adding tryptone to the liquid medium of Comparative Example 1 containing a yeast extract generally used for fermentation of synthetic gas. Thereafter, Clostridium autoethanogenum acetonegen was used for syngas fermentation by the method of Comparative Example 1, and the effects on strain growth and ethanol and acetic acid production were analyzed and shown in Table 2 below. The tryptone input concentration was varied at 0.5, 2.5, and 5.0 g/L, and compared with the control group without the tryptone.

트립톤(g/L)Trypton (g/L) 00 0.50.5 2.52.5 55 ODOD 1.481.48 1.431.43 1.561.56 1.511.51 Dry cell mass(g/L)Dry cell mass(g/L) 0.5750.575 0.5570.557 0.6050.605 0.5850.585 Ethanol concentration(g/L)Ethanol concentration(g/L) 2.162.16 6.016.01 1.251.25 1.791.79 Acetic acid concentration(g/L)Acetic acid concentration(g/L) 1.641.64 1.381.38 5.475.47 4.784.78 Ethanol volumetric productivity(g/Lㅇd)Ethanol volumetric productivity (g/Lㅇd) 0.1540.154 0.4290.429 0.0890.089 0.1280.128 Acetic acid volumetric productivity(g/Lㅇd)Acetic acid volumetric productivity(g/Lㅇd) 0.1170.117 0.0990.099 0.3910.391 0.3410.341 Ethanol specific productivity(g/gㅇd)Ethanol specific productivity(g/gㅇd) 0.2680.268 0.7720.772 0.1470.147 0.2180.218 Acetic acid specific productivity(g/gㅇd)Acetic acid specific productivity(g/gㅇd) 0.0540.054 0.0160.016 0.3130.313 0.1910.191 Ethanol/acitic acid ratioEthanol/acitic acid ratio 1.321.32 4.354.35 0.230.23 0.370.37

표 2에 나타낸 바와 같이, 균주 성장에 대해서는 트립톤을 사용하지 않은 대조군이나 0.5, 2.5, 5.0 g/L를 사용한 실험군에서 큰 차이를 보이지 않았다. As shown in Table 2, for strain growth, there was no significant difference in the control group without tryptone or the experimental group using 0.5, 2.5, 5.0 g/L.

그러나, 에탄올 및 아세트산 생산 특성을 살펴보면, 0.5 g/L의 트립톤을 투입한 경우에는 아세트산의 생산량은 감소하고 에탄올 생산량은 증가하는 반면, 2.5, 5.0 g/L의 트립톤을 투입한 경우에는 아세트산의 생산이 두배 이상 증가되고 에탄올 생산량은 감소하는 것을 확인할 수 있다. However, when looking at the production characteristics of ethanol and acetic acid, when 0.5 g/L of tryptone is added, the production of acetic acid decreases and ethanol production is increased, whereas when 2.5 and 5.0 g/L of tryptone are added, acetic acid It can be seen that the production of ethanol more than doubles and the ethanol production decreases.

특히 트립톤 0.5 g/L을 투입하는 경우, 에탄올의 부피생산성이 증가할 뿐만 아니라, 에탄올/아세트산 생산비가 대조군의 1.32에서 4.35로 크게 증가하는 것을 확인하였다.In particular, when 0.5 g/L of tryptone was added, not only the volume productivity of ethanol was increased, but also the ethanol/acetic acid production ratio was significantly increased from 1.32 to 4.35 in the control group.

실험예 4: 에탄올 및 아세트산 생산성 및 경제성 비교Experimental Example 4: Comparison of productivity and economy of ethanol and acetic acid

실시예 및 비교예에 따른 에탄올 및 아세트산의 부피생산성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. The volume productivity of ethanol and acetic acid according to Examples and Comparative Examples were measured and shown in Table 3 below.

비고Remark 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 1Comparative Example 1 0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
5
(g/L)
5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
5
(g/L)
5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
0.5
(g/L)
5
(g/L)
5
(g/L)
ODOD 1.371.37 1.611.61 1.441.44 1.711.71 1.651.65 1.681.68 1.481.48 1.641.64 Dry cell mass(g/L)Dry cell mass(g/L) 0.5320.532 0.6230.623 0.5590.559 0.6620.662 0.6400.640 0.6520.652 0.5750.575 0.6350.635 Ethanol concentration(g/L)Ethanol concentration(g/L) 3.373.37 2.932.93 6.566.56 3.763.76 2.042.04 6.616.61 2.162.16 1.691.69 Acetic acid concentration(g/L)Acetic acid concentration(g/L) 3.113.11 4.174.17 1.981.98 2.582.58 2.992.99 2.232.23 1.641.64 2.852.85 Volumetric productivity(g/L·d) Volumetric productivity(g/L·d) EthanolEthanol 0.2410.241 0.2090.209 0.4690.469 0.2690.269 0.1460.146 0.4720.472 0.1540.154 0.1210.121 Acetic acidAcetic acid 0.2220.222 0.2980.298 0.1410.141 0.1840.184 0.2140.214 0.1590.159 0.1170.117 0.2040.204 Specific productivity(g/g·d) Specific productivity(g/g·d) EthanolEthanol 0.4530.453 0.3360.336 0.8390.839 0.4060.406 0.2280.228 0.7250.725 0.2680.268 0.1900.190 Acetic acidAcetic acid 0.0660.066 0.1020.102 0.0220.022 0.0490.049 0.1050.105 0.0240.024 0.0540.054 0.1200.120

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 0.5 g/L의 맥아추출물을 포함하는 액체배지가 5 g/L의 맥아추출물을 포함하는 액체배지에 비해 더욱 바람직한 것으로 나타나, 실시예 2에서는 맥아추출물 0.5g/L에 대한 실험만을 수행하였다. 또한, 실시예 3의 경우에도 0.5 g/L의 완두콩 추출물을 포함하는 액체배지가 5 g/L의 완두콩 추출물을 포함하는 액체배지에 비해 더욱 바람직한 것으로 나타나, 실시예 4에서는 완두콩 추출물 0.5g/L에 대한 실험만을 수행하였다.As shown in Table 3, in the case of Example 1, a liquid medium containing 0.5 g/L of malt extract was found to be more preferable than a liquid medium containing 5 g/L of malt extract, and in Example 2, malt Only an experiment was performed on 0.5 g/L of the extract. In addition, even in the case of Example 3, the liquid medium containing 0.5 g/L of pea extract appeared to be more preferable than the liquid medium containing 5 g/L of pea extract, and in Example 4, 0.5 g/L of pea extract Only the experiment was performed.

상기 표 3의 실시예 2 및 실시예 4를 통해, 바이오알코올 생산을 위한 액체배지 내에 본 발명의 식물추출물과 트립톤을 병용하는 경우, 바이오알코올의 생산량이 현저히 증가하는 것을 알 수 있다.From Examples 2 and 4 in Table 3, it can be seen that when the plant extract of the present invention and tryptone are used in combination in a liquid medium for bioalcohol production, the production amount of bioalcohol is significantly increased.

한편, 배지 가격이 전체 배양공정의 비용에서 차지하는 비중은 매우 크다. 합성가스 발효에 사용되는 일반적인 배지에서 효모 추출물이 차지하는 비중은 배지 가격의 32%에 달한다(Gao et al., 2013). 본 실험에 사용된 맥아 추출물, 완두콩 추출물 및 효모 추출물의 구입가격은 각각 500 g 당 $52.40, $101.10 및 $141이다. 즉, 맥아 추출물은 효모 추출물 대비 62.8% 저렴하며, 전체 배지 제조비용으로는 약 20%의 절감이 가능하다. 또한, 완두콩 추출물은 효모 추출물 대비 28.3% 저렴하며, 전체 배지 제조비용으로는 약 10%의 절감이 가능하다.On the other hand, the proportion of the medium price to the cost of the entire culture process is very large. Yeast extract accounts for 32% of the cost of the medium in the general medium used for syngas fermentation (Gao et al., 2013). The purchase price of malt extract, pea extract and yeast extract used in this experiment is $52.40, $101.10 and $141 per 500 g, respectively. That is, malt extract is 62.8% cheaper than yeast extract, and it is possible to reduce the cost of manufacturing the entire medium by about 20%. In addition, pea extract is 28.3% cheaper than yeast extract, and it is possible to reduce the total cost of manufacturing the medium by about 10%.

상기 완두콩 추출물의 경우에는 배지 제조비용의 감소폭이 맥아 추출물에 비해 적지만 생산성 증가율을 고려하면 발효공정의 경제성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.In the case of the pea extract, the reduction in the cost of manufacturing the medium is less than that of the malt extract, but it is considered that it can greatly contribute to the economic improvement of the fermentation process when the productivity increase rate is considered.

비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예로서 설명되었으나, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 또한, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.Although the present invention has been described as the above-mentioned preferred embodiment, it is possible to make various modifications or variations without departing from the gist and scope of the invention. In addition, the appended claims include such modifications or variations that fall within the gist of the present invention.

Claims (7)

합성가스를 발효시켜 바이오알코올을 제조하는 방법에 있어서,
상기 발효를 위한 액체배지는 질소원으로서 맥아, 대두, 완두콩 및 목화씨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 식물의 추출물을 0.1 내지 10 g/L로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
In the method for producing bioalcohol by fermenting synthetic gas,
The liquid medium for fermentation comprises 0.1 to 10 g/L of extracts of one or more plants selected from the group consisting of malt, soybeans, peas and cotton seeds as a nitrogen source.
제1항에 있어서,
상기 액체배지는 트립톤 0.1 내지 10 g/L를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing bioalcohol, characterized in that the liquid medium further comprises 0.1 to 10 g/L of tryptone.
제1항에 있어서,
상기 합성가스는 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소 중에서 선택되는 어느 하나의 가스 또는 2 이상이 혼합된 가스인 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The synthesis gas is a method of producing bioalcohol, characterized in that any one gas selected from hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide, or a mixture of two or more.
제1항에 있어서,
상기 합성가스는 석탄 또는 바이오매스를 가스화시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The synthesis gas is a method for producing bioalcohol, characterized in that produced by gasifying coal or biomass.
제1항에 있어서,
상기 합성가스는 폐가스 또는 배가스를 방사선 조사, 초음파 분해 및 열분해 중에서 선택된 방법으로 처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The synthesis gas is produced by treating waste gas or exhaust gas by a method selected from radiation irradiation, ultrasonic decomposition, and pyrolysis.
제1항에 있어서,
상기 액체배지는 크로스트리듐 융달리(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리듐 오토에타노제눔(Clostridium autoethanogenum), 크로스트리듐 써모아세티쿰(Clostridium thermoaceticum), 크로스트리듐 아세티쿰(Clostridium aceticum), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 써모아나에로박테리움 키뷔(Thermoanaerobacterium kivui), 부티리박테리움 메티로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 크로스트리듐 아세토부티리쿰(Clostridium acetobutylicum), 크로스트리듐 포르미카세티쿰(Clostridium formicacetricum), 크로스트리듐 클루이베리(Clostridium kluyveri), 크로스트리듐 테르모셀륨(Clostridium thermocellum), 크로스트리듐 테르모사카로리티쿰(Clostridium thermosaccharolyticum), 유박테리움 리모섬(Eubacterium limosum) 및 펩토스트렙토코커스 프로덕터스(Peptostreptococcus productus) 중에서 선택되는 1종 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The liquid medium is Crostridium ljungdahlii , Clostridium autoethanogenum , Clostridium thermoaceticum , Clostridium aceticum , Acetobacterium woodii , Thermoanaerobacterium kivui , Butyribacterium methylotrophicum , Clostridium acetobutylicum , and Crosstridium formica Clostridium formicacetricum , Clostridium kluyveri , Clostridium thermocellum , Clostridium thermosaccharolyticum , Eubacterium limosum And Peptostreptococcus productus ( Peptostreptococcus productus ) a method for producing a bioalcohol , characterized in that it contains at least one selected from the.
제1항에 있어서,
상기 바이오알코올은 에탄올인 것을 특징으로 하는 바이오알코올의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing bioalcohol, characterized in that the bioalcohol is ethanol.
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