KR20230171667A - An integrated process for conversion of spent coffee grounds into value-added biochemicals and biofuel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오매스로부터 바이오연료 및 바이오화합물을 생산할 수 있는 바이오리파이너리공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 버려지는 커피찌꺼기로부터 커피오일, 바이오에탄올, 만노스, 만노올리고당, 카페스톨 및 카월을 한 번의 공정으로 생산할 수 있는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정, 상기 공정으로 생산된 바이오화합물 및 바이오연료에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 커피찌꺼기로부터 생산되는 바이오연료 및 바이오화합물의 생산수율을 현저하게 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a biorefinery process that can produce biofuel and biocompounds from biomass, and more specifically, to produce coffee oil, bioethanol, mannose, manno-oligosaccharides, cafestol and carwell from discarded coffee grounds in one process. It relates to a biorefinery process of coffee grounds that can be produced by, and biocompounds and biofuel produced by the process. According to the present invention, the production yield of biofuel and biocompounds produced from coffee grounds can be significantly improved.

Description

커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정, 상기 공정으로 생산된 바이오화합물 및 바이오연료{An integrated process for conversion of spent coffee grounds into value-added biochemicals and biofuel} Biorefinery process of coffee grounds, biocompounds and biofuel produced by the process {An integrated process for conversion of spent coffee grounds into value-added biochemicals and biofuel}

본 발명은 바이오매스로부터 바이오연료 및 바이오화합물을 생산할 수 있는 바이오리파이너리공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 버려지는 커피찌꺼기로부터 커피오일, 바이오에탄올, 만노스, 만노올리고당, 카페스톨 및 카월을 한 번의 공정으로 생산할 수 있는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정, 상기 공정으로 생산된 바이오화합물 및 바이오연료에 관한 것이다. The present invention relates to a biorefinery process that can produce biofuel and biocompounds from biomass, and more specifically, to produce coffee oil, bioethanol, mannose, manno-oligosaccharides, cafestol and carwell from discarded coffee grounds in one process. It relates to a biorefinery process of coffee grounds that can be produced by, and biocompounds and biofuel produced by the process.

바이오디젤의 보급 활성화는 식물성 기름의 가격 상승과 수급 불안정 문제, 그리고 식량자원과의 충돌 문제를 야기하고 있다. 국내 바이오디젤 생산 원료로 사용되는 대두, 유채, 해바라기, 팜 등은 모두 식용시장과 수급 균형을 형성하고 있어 바이오디젤의 생산이 증가하게 되면 식용 오일 시장의 수급균형이 깨져 오일 곡물 가격의 변동을 초래하게 될 것이다. 따라서, 종래 바이오연료를 생산하기 위해 사용되는 식량자원을 대체할 수 있는 비식량자원인 바이오매스에 대한 연구가 필요하다. The growing distribution of biodiesel is causing a rise in the price of vegetable oil, unstable supply and demand, and conflict with food resources. Soybeans, rapeseeds, sunflowers, and palms, which are used as raw materials for domestic biodiesel production, all form a supply and demand balance with the edible market. If biodiesel production increases, the supply and demand balance in the edible oil market will be broken, causing fluctuations in oil grain prices. It will be done. Therefore, research is needed on biomass, a non-food resource that can replace food resources used to produce conventional biofuel.

한편, 전 세계적으로 커피의 소비량이 증가함에 따라 커피찌꺼기의 폐기량 또한 매년 증가하고 있다. 아메리카노 한 잔을 만들기 위해 약 15g의 커피 원두가 사용되는데 이 중 14.97g 즉 99.8%의 원두는 커피찌꺼기로 버려진다. 현재 우리나라에서 커피찌꺼기는 폐기물로 쓰레기로 배출되고 있으며, 수분 함량이 높아 부패로 인한 환경오염을 야기시킨다. 2019년 커피찌꺼기 발생량 기준 쓰레기봉투 가격으로만 약 41억원이 사용된 것으로 파악되었다. Meanwhile, as coffee consumption increases worldwide, the amount of coffee grounds disposed of is also increasing every year. About 15g of coffee beans are used to make a cup of Americano, of which 14.97g, or 99.8%, are discarded as coffee grounds. Currently, coffee grounds are discharged as waste in Korea, and their high moisture content causes environmental pollution due to rot. Based on the amount of coffee grounds generated in 2019, it was found that about 4.1 billion won was spent just on the price of garbage bags.

커피 찌꺼기는 유기성 바이오매스로서 글루칸과 갈락토만난을 포함하는 탄수화물, 조지방, 조섬유, 조단백질, 조회분 등과 같이 다양한 유용성분을 포함하고 있다. 또한, 커피 찌꺼기에는 다양한 다당류를 함유하고 있으며 그 중 만노스의 중합체인 만난의 함량이 기타 식물에 비하여 매우 높게 함유하고 있다. 만난을 효소 가수분해하면 단량체인 만노스 뿐만 아니라 이량체, 삼량체, 사량체 등의 만노-올리고당을 생산할 수 있는데 항균, 항산화, 혈당 감소, 프리바이오틱 (prebiotic) 그리고 보습 등 다양한 효과로 의학 및 미용 산업에 활용되고 있다. 특히 만노-올리고당은 인간의 장 내에서 소화되지 않는 난소화성이기에 정장효과를 나타내며, 장 내 유익 세균의 활성을 돕는 프리바이오틱스로서의 기능성뿐만 아니라 인간 체지방의 저감작용에 효과가 있어 비만을 억제에 효과적인 것으로 알려져 있다. 하지만 현재 시판되고 있는 만노올리고당(manno-oligosachharide, MOS)은 효모 세포벽 추출물로서 고순도 조성물이 아니며 일관된 조성을 갖지 않고 있다. Coffee grounds are organic biomass and contain various useful components such as carbohydrates including glucan and galactomannan, crude fat, crude fiber, crude protein, and ash. In addition, coffee grounds contain various polysaccharides, and among them, the content of mannan, a polymer of mannose, is very high compared to other plants. Enzymatic hydrolysis of mannan can produce not only the monomeric mannose, but also manno-oligosaccharides such as dimers, trimers, and tetramers. It has various effects such as antibacterial, antioxidant, blood sugar reduction, prebiotic, and moisturizing properties in medicine and beauty. It is used in industry. In particular, manno-oligosaccharides are indigestible and cannot be digested in the human intestines, so they have an intestinal digestion effect. In addition to being functional as prebiotics that help the activity of beneficial bacteria in the intestines, they are also effective in reducing human body fat, making them effective in suppressing obesity. It is known that However, currently commercially available manno-oligosachharide (MOS) is a yeast cell wall extract and is not a highly pure composition and does not have a consistent composition.

이와 같이 커피 찌꺼기는 복잡한 구성성분 때문에 특성에 맞는 전환 기술을 적용시켜야 효율을 향상시킬 수 있는 단점이 있지만 비식량자원으로서 바이오리파이너리 공정에 적용 가능한 재활용 가치가 높은 유기성 자원이다. In this way, coffee grounds have the disadvantage that efficiency can be improved only by applying conversion technology appropriate for their characteristics due to their complex composition, but as a non-food resource, it is an organic resource with high recycling value that can be applied to the biorefinery process.

더욱이, 카페스톨(cafestol)과 카월(kahweol)은 직장암 관련 위험 감소, 비만 예방, 파킨슨병 진행 억제 등의 기능을 하는 것으로 보고되고 있는데, 이들은 디테르펜(diterpenes) 분자로 알려진 지용성 화합물로서 커피에 함유되어 있는 것으로 알려져 있지만, 아직까지 커피로부터 이러한 유용성분이 분리되고 있지 않다. Moreover, cafestol and kahweol are reported to have functions such as reducing the risk of rectal cancer, preventing obesity, and suppressing the progression of Parkinson's disease. These are fat-soluble compounds known as diterpenes molecules, which are contained in coffee. Although it is known that these useful components have not yet been separated from coffee.

국내등록특허번호 제10-1763064호Domestic registered patent number 10-1763064

본 발명자들은 상술된 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 커피찌꺼기로부터 바이오연료 뿐만 아니라 다양한 바이오화합물을 고수율로 생산할 수 있는 바이오리파이너리 공정을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다. As a result of research efforts to solve the above-mentioned problems, the present inventors completed the present invention by developing a biorefinery process that can produce not only biofuel but also various biocompounds at high yield from coffee grounds.

즉, 커피 찌꺼기에는 만난뿐만 아니라 리그닌을 포함한 다량의 페놀 화합물과 지질 성분 또한 함유되어 있어 가수분해가 어렵고, 기타 성분이 혼합되어 순수도가 낮은 단점을 가지고 있는데, 이 문제를 해결하기 위해 만노-올리고당과 만노스의 순수도를 향상시키기 위해 리그닌과 지질을 제거할 기술이 필요하며, 선택적으로 만난만 분해시키는 효소 시스템 기술개발이 요구 된다.In other words, coffee grounds contain not only mannan but also a large amount of phenolic compounds and lipid components, including lignin, making it difficult to hydrolyze them, and have the disadvantage of low purity due to mixing of other components. To solve this problem, manno-oligosaccharides are used. In order to improve the purity of mannose, a technology to remove lignin and lipids is needed, and the development of an enzyme system technology that selectively decomposes only mannose is required.

따라서, 본 발명의 목적은 바이오리파이너리공정의 바이오매스 공급원료로 버려지는 커피찌꺼기를 사용하면서도 가수분해가 어렵고 다양한 성분이 함유되어 순수도가 낮은 단점을 해결함으로써 생산효율을 극대화할 수 있는 새로운 통합공정조건을 확립하여 커피오일, D-만노스, MOS, 카페스톨, 카월을 포함하는 다양한 기능성 바이오화합물은 물론 및 바이오에탄올과 같은 고부가가치 물질을 고효율로 생산할 수 있는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리공정 및 상기 공정으로 생산된 바이오화합물 및 바이오연료를 제공하는 것이다. Therefore, the purpose of the present invention is to develop a new integrated process that can maximize production efficiency by using discarded coffee grounds as a biomass feedstock in the biorefinery process, but solving the disadvantages of low purity due to difficulty in hydrolysis and the inclusion of various components. A biorefinery process for coffee grounds that can produce high value-added substances such as bioethanol as well as various functional biocompounds including coffee oil, D-mannose, MOS, cafestol, and carwell by establishing conditions, and the above process. Providing produced biocompounds and biofuels.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 커피찌꺼기로부터 커피오일을 추출하는 단계; 상기 커피오일 추출 후 남은 제1고형물로부터 갈락토만난(GM)을 추출하는 단계; 상기 갈락토만난 추출 후 남은 제2고형물로부터 리그닌 및 지질을 제거하는 제1전처리단계; 상기 제1전처리된 제3고형물로부터 페놀화합물을 제거하는 제2전처리단계; 상기 제2전처리된 제4고형물을 1차 가수분해 하는 제1가수분해단계; 및 상기 1차 가수분해 후 분해되지 않은 제5고형물을 2차 가수분해하는 제2가수분해단계;를 포함하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention includes the steps of extracting coffee oil from coffee grounds; Extracting galactomannan (GM) from the first solid remaining after extracting the coffee oil; A first pretreatment step of removing lignin and lipids from the second solid remaining after the galactomannan extraction; a second pretreatment step of removing phenol compounds from the first pretreated third solid; A first hydrolysis step of first hydrolyzing the second pretreated fourth solid material; and a second hydrolysis step of secondly hydrolyzing the fifth solid material that has not been decomposed after the first hydrolysis.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 커피오일을 추출하는 단계는 상기 커피찌꺼기 1 중량부 당 유기용매 2 내지 4부피부(w/v)를 혼합 후 50℃ 내지 150℃에서 교반하여 상기 유기용매 층으로 커피오일이 추출되는 추출단계; 상기 추출단계에서 얻어진 반응물을 커피오일이 추출된 유기용매와 제1고형물로 분리하는 단계; 및 상기 커피오일이 추출된 유기용매로부터 유기용매를 제거하여 커피오일을 수득하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the step of extracting the coffee oil includes mixing 2 to 4 parts by volume (w/v) of an organic solvent per 1 part by weight of the coffee grounds and stirring at 50° C. to 150° C. to extract the coffee into the organic solvent layer. An extraction step in which oil is extracted; Separating the reactant obtained in the extraction step into an organic solvent from which the coffee oil was extracted and a first solid; and removing the organic solvent from the organic solvent from which the coffee oil was extracted to obtain coffee oil.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유기용매는 헥산 (n-hexane), 에틸 에테르(ethyl ether), 클로로포름, 다이클로로메탄, 에탄올, 메탄올로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the organic solvent is at least one selected from the group consisting of hexane (n-hexane), ethyl ether, chloroform, dichloromethane, ethanol, and methanol.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 갈락토만난을 추출하는 단계는 4.5 내지 5.5% (w/v) 염화나트륨 용액을 아세트산으로 pH 2.5 내지 3.5로 조절하고 이를 상기 제1고형물 1중량부 당 혼합용매 4 내지 6 부피부(w/v)를 혼합 후 100℃ 내지 150℃에서 autoclave 하는 단계; autoclave 후 얻어진 반응물을 제2고형물과 용액으로 분리하는 단계; 및 분리된 용액으로부터 갈락토만난을 수득하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the step of extracting the galactomannan involves adjusting a 4.5 to 5.5% (w/v) sodium chloride solution to pH 2.5 to 3.5 with acetic acid and adding 4 to 6 mixed solvents per 1 part by weight of the first solid. Mixing parts by volume (w/v) and then autoclaving at 100°C to 150°C; Separating the reactant obtained after autoclave into a second solid and a solution; And obtaining galactomannan from the separated solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 갈락토만난을 수득하는 단계는 상기 분리된 용액 1 부피부당 에탄올 2 내지 4부피부로 첨가하여 갈락토만난을 침전시키는 단계; 원심분리하여 침전된 갈락토만난을 분리하는 단계; 및 분리된 갈락토만난을 동결건조하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the step of obtaining the galactomannan includes adding 2 to 4 parts by volume of ethanol per 1 part by volume of the separated solution to precipitate the galactomannan; Separating the precipitated galactomannan by centrifugation; and freeze-drying the separated galactomannan.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 동결건조된 갈락토만난으로부터 Manno- oligosaccharide(MOS)를 생성하는 단계를 더 수행한다. In a preferred embodiment, a step of producing manno-oligosaccharide (MOS) from the freeze-dried galactomannan is further performed.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 MOS를 생성하는 단계는 상기 동결 건조된 갈락토만난과 pH 6.5 내지 pH 7.5인 버퍼용액을 혼합하는 제1단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 45℃에서 30분 내지 90분 동안 반응시키는 제2단계; 상기 반응물을 가수분해물과 고형물로 분리하는 제3단계;를 포함하고, 상기 고형물이 생성되지 않을 때까지 제1단계 내지 제3단계를 반복수행한다. In a preferred embodiment, the step of generating MOS includes a first step of mixing the freeze-dried galactomannan with a buffer solution having a pH of 6.5 to 7.5; A second step of adding mannanase to the mixture and reacting at 35°C to 45°C for 30 to 90 minutes; A third step of separating the reactant into a hydrolyzate and a solid is included, and the first to third steps are repeated until the solid is not produced.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1전처리단계는 상기 제2고형물 1중량부당 수산화나트륨용액 5 내지 15부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물을 제3고형물과 반응용액으로 분리하는 단계; 상기 제3고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제3고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the first pretreatment step includes mixing 5 to 15 parts by volume of a sodium hydroxide solution per 1 part by weight of the second solid and then reacting at 50°C to 100°C; Separating the obtained reaction mixture into a third solid and a reaction solution; Washing the third solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; and drying the washed third solid material.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응용액에 포함된 카페스톨과 카월을 유기용매로 추출하는 단계;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, the method further includes extracting cafestol and kawal contained in the reaction solution with an organic solvent.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유기용매가 에틸에테르이면, 상기 반응용액과 에틸에테르를 0.5~1 : 2~5의 부피비로 혼합하여 추출하는 추출단계; 상기 추출단계를 2회 이상 반복수행하여 생성된 에틸에테르유기상을 분리한 후 수분을 제거하는 단계; 및 상기 유기상으로부터 에틸에테르를 제거하여 카페스톨 및 카웰을 수득하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, when the organic solvent is ethyl ether, an extraction step of mixing the reaction solution and ethyl ether in a volume ratio of 0.5 to 1: 2 to 5; Repeating the extraction step two or more times to separate the resulting ethyl ether organic phase and then removing moisture; And removing ethyl ether from the organic phase to obtain cafestol and carwell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2전처리단계는 상기 제3고형물 1중량부당 과산화수소용액 1 내지 5 부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물에서 제4고형물을 분리하는 단계; 상기 제4고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제4고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the second pretreatment step includes mixing 1 to 5 parts by volume of hydrogen peroxide solution per 1 part by weight of the third solid and then reacting at 50°C to 100°C; Separating the fourth solid from the obtained reaction mixture; Washing the fourth solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; and drying the washed fourth solid material.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 1차 가수분해는 만나나아제에 의해 수행되고, 상기 2차 가수분해는 셀룰라아제 및 만나나아제에 의해 순차적으로 수행된다. In a preferred embodiment, the primary hydrolysis is performed by mannanase, and the secondary hydrolysis is performed sequentially by cellulase and mannanase.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1가수분해단계는 상기 제4고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 40℃에서 36시간 내지 60시간 동안 1차 가수분해 반응시키는 단계; 및 D-만노오스가 포함된 1차 가수분해액과 제5고형물로 분리하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the first hydrolysis step includes mixing the fourth solid with a buffer solution of pH 4.5 to pH 5.5; Adding mannanase to the mixture and then performing a primary hydrolysis reaction at 35°C to 40°C for 36 to 60 hours; and separating the first hydrolyzed liquid containing D-mannose into a fifth solid.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제4고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 0.01 내지 0.1 중량부가 첨가된다. In a preferred embodiment, 0.01 to 0.1 parts by weight of the mannanase is added per 1 part by weight of the fourth solid.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2가수분해단계는 상기 제5고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 셀룰라아제 및 만나나아제를 첨가한 후 45℃ 내지 55℃에서 36시간 내지 60시간 동안 2차 가수분해 반응시키는 단계; 및 2차 가수분해액을 수득하는 단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the second hydrolysis step includes mixing the fifth solid with a buffer solution of pH 4.5 to pH 5.5; Adding cellulase and mannanase to the mixture and then performing a secondary hydrolysis reaction at 45°C to 55°C for 36 to 60 hours; and obtaining a secondary hydrolyzed solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제5고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 및 셀룰라아제는 각각 0.01 내지 0.1 중량부 첨가된다. In a preferred embodiment, 0.01 to 0.1 parts by weight of mannanase and cellulase are added per 1 part by weight of the fifth solid.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 가수분해액으로부터 바이오에탄올을 생성하는 단계;를 더 수행한다. In a preferred embodiment, the step of producing bioethanol from the secondary hydrolysis liquid is further performed.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 커피찌꺼기로부터 커피오일, 갈락토만난, MOS, D-만노오스, 바이오에탄올, 카페스톨 및 카월이 생산된다. In a preferred embodiment, coffee oil, galactomannan, MOS, D-mannose, bioethanol, cafestol, and carweol are produced from the coffee grounds.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 90ml이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 커피오일을 제공한다. In addition, the present invention provides coffee oil, which is obtained by performing any of the above-described biorefinery processes, and is obtained in an amount of more than 90 ml per 1 kg of coffee grounds.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 100g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 만노올리고당을 제공한다. In addition, the present invention provides manno-oligosaccharides, which are obtained by performing any of the biorefinery processes described above, and are obtained in an amount of more than 100 g per 1 kg of coffee grounds.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 160g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 만노오스를 제공한다. In addition, the present invention provides mannose, which is obtained by performing any of the above-described biorefinery processes, and is obtained in an amount of more than 160g per 1kg of coffee grounds.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 90g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오에탄올을 제공한다. In addition, the present invention provides bioethanol, which is obtained by performing any of the biorefinery processes described above, and is characterized in that more than 90 g per 1 kg of coffee grounds is obtained.

상술된 본 발명에 의하면 버려지는 커피찌꺼기를 바이오리파이너리공정의 바이오매스 공급원료로 사용하면서도 커피찌꺼기를 사용할 때 발생하는 단점 즉 만난뿐만 아니라 리그닌을 포함한 다량의 페놀 화합물과 지질 성분 또한 함유되어 있어 가수분해가 어렵고, 기타 성분이 혼합되어 순수도가 낮은 단점을 극복하여 바이오매스의 생산효율을 극대화할 수 있는 새로운 통합공정조건을 확립함으로써 커피오일, D-만노스, MOS, 카페스톨, 카월 및 바이오에탄올 등의 고부가가치 물질을 고효율로 생산할 수 있다. According to the above-described present invention, discarded coffee grounds are used as biomass feedstock for the biorefinery process, but the disadvantage that arises when using coffee grounds is that they contain not only mannan but also a large amount of phenolic compounds and lipid components, including lignin, and are hydrolyzed. By establishing new integrated process conditions that can maximize the production efficiency of biomass by overcoming the shortcomings of low purity due to difficult mixing of other ingredients, coffee oil, D-mannose, MOS, cafestol, cowol and bioethanol, etc. High value-added materials can be produced with high efficiency.

본 발명의 이러한 기술적 효과는 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.This technical effect of the present invention is not limited to the scope mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention that can be recognized by a person of ordinary skill in the art from the description of the specific contents for implementing the invention described later. Of course it is included.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 통합 바이오 리파이너리 공정을 통해 커피찌꺼기로부터 생산되는 유용산물을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 커피 찌꺼기 바이오매스를 공급원료로 사용하여 커피오일, D-만노스, MOS, 카페스톨, 카월 및 바이오에탄올 등의 고부가가치 물질을 동시에 생산하여 바이오매스의 효율을 극대화시킬 수 있는 통합 바이오 리파이너리 전체 공정에 대한 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 커피찌꺼기로부터 추출한 갈락토 만난을 대상으로 PP mannanase 효소의 사용량 (50mg/g substrate~200mg/g substrate)에 따른 만노-올리고당(MOS) 생산량 및 중합도를 조사한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 TLC 분석을 통한 시간 변화에 따른 MOS 생산 결과 비교한 것이다.
도 5는 MOS 생산 수율 증가를 위해 PP mannnase를 이용한 반복적 가수분해 후 수율을 조사한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 전처리 전·후 커피찌꺼기를 이용한 만노스 생산 수율을 조사한 결과를 도시한 것이다.
도 7은 Na와 HP 전처리된 OG-NH-SCG를 PP mannanse를 이용하여 만노스 생산 후 남은 residue로부터 바이오에탄올 생산을 위해 PP mannanse와 cellulase를 이용한 2차 가수분해 후 당화물을 조사한 결과를 도시한 것이다.
도 8은 2차 효소가수분해 후 얻어진 가수분해물을 이용한 SHF 발효공정 후 바이오에탄올 생산한 결과를 도시한 것이다.
도 9는 Na 전처리 후 얻은 NaOH 용액에서 카페스톨과 카월(Kahweol)을 추출 후 UV-Vis spectra와 1H NMR을 이용하여 분석한 결과를 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c는 커피찌꺼기로부터 생산된 고부가가치 물질의 mass balance 결과를 기존 연구와 본 발명을 비교하여 각각 도시한 것이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing useful products produced from coffee grounds through an integrated biorefinery process according to various embodiments of the present invention.
Figure 2 shows the efficiency of biomass by simultaneously producing high value-added substances such as coffee oil, D-mannose, MOS, cafestol, cowol, and bioethanol using coffee grounds biomass as a feedstock according to various embodiments of the present invention. This is a flowchart of the entire integrated biorefinery process that can maximize .
Figures 3a and 3b show manno-oligosaccharide (MOS) production and The results of examining the degree of polymerization are shown.
Figure 4 compares the MOS production results according to time changes through TLC analysis.
Figure 5 is a graph showing the results of examining the yield after repeated hydrolysis using PP mannnase to increase the MOS production yield.
Figure 6 shows the results of examining the mannose production yield using coffee grounds before and after pretreatment.
Figure 7 shows the results of examining saccharides after secondary hydrolysis using PP mannanse and cellulase to produce bioethanol from the residue remaining after producing mannose using Na and HP pretreated OG-NH-SCG using PP mannanse. .
Figure 8 shows the results of bioethanol production after the SHF fermentation process using the hydrolyzate obtained after secondary enzymatic hydrolysis.
Figure 9 shows the results of extraction of cafestol and Kahweol from the NaOH solution obtained after Na pretreatment and analysis using UV-Vis spectra and 1H NMR.
Figures 10a to 10c show the mass balance results of high value-added materials produced from coffee grounds, comparing existing research and the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible. However, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning described or used in the detailed description of the invention rather than the simple name of the term is considered. Therefore, its meaning must be understood.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present invention, should not be interpreted in an idealized or excessively formal sense. No.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the description of the invention, but are intended to indicate the presence of one or more other It should be understood that this does not exclude in advance the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.When interpreting a component, it is interpreted to include the margin of error even if there is no separate explicit description. In particular, when terms of degree such as "about", "substantially", etc. are used, they may be interpreted as being used at or close to that value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, if a temporal relationship is described as ‘~after’, ‘after~’, ‘~next’, ‘before’, etc., ‘immediately’ or ‘directly’ This also includes non-consecutive cases unless used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the invention throughout the specification represent like elements.

본 발명의 기술적 특징은 버려지는 커피찌꺼기를 바이오리파이너리공정의 바이오매스 공급원료로 사용하면서도 바이오매스의 생산효율을 극대화할 수 있는 새로운 통합 바이오리파이너리 공정조건을 확립하여 커피오일, D-만노스, MOS, 카페스톨, 카월 및 바이오에탄올 등의 고부가가치 물질을 고효율로 생산할 수 있는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리공정 및 상기 공정으로 생산된 바이오화합물 및 바이오연료에 있다. The technical feature of the present invention is to establish new integrated biorefinery process conditions that can maximize biomass production efficiency while using discarded coffee grounds as biomass feedstock for the biorefinery process, thereby producing coffee oil, D-mannose, MOS, It is a biorefinery process from coffee grounds that can produce high value-added substances such as cafestol, cowol, and bioethanol with high efficiency, and biocompounds and biofuel produced through the process.

즉, 커피 찌꺼기에는 만난뿐만 아니라 리그닌을 포함한 다량의 페놀 화합물과 지질 성분 또한 함유되어 있어 가수분해가 어렵고, 기타 성분이 혼합되어 순수도가 낮은 단점을 가지고 있는데, 본 발명은 만노-올리고당과 만노스의 순수도를 향상시킬 수 있는 커피찌꺼기로부터 리그닌과 지질을 제거하는 기술은 물론 선택적으로 만난만 분해시키거나 바이오에탄올 수율을 향상시키는 효소 관련 기술 및 전처리 처리 과정에서 버려지는 용액으로부터 카페스톨 및 카웰을 추출하는 기술을 포함하여 커피찌꺼기의 바이오리파이너리공정의 각 단계에서 다양한 바이오화합물 및 바이오연료를 고효율로 생산할 수 있는 통합공정조건에 적합한 다양한 기술을 개발하였기 때문이다. In other words, coffee grounds contain not only mannan but also a large amount of phenolic compounds and lipid components including lignin, making it difficult to hydrolyze them, and have the disadvantage of low purity due to mixing of other components. Technology to remove lignin and lipids from coffee grounds that can improve purity, as well as enzyme-related technology to selectively decompose only mannan or improve bioethanol yield, and extraction of cafestol and cawell from solutions discarded during the pretreatment process. This is because various technologies suitable for integrated process conditions have been developed that can produce various bio compounds and biofuels with high efficiency at each stage of the coffee grounds biorefinery process, including technologies for

따라서, 본 발명에 따른 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정은 커피찌꺼기로부터 커피오일을 추출하는 단계; 상기 커피오일 추출 후 남은 제1고형물로부터 갈락토만난(GM)을 추출하는 단계; 상기 갈락토만난 추출 후 남은 제2고형물로부터 리그닌 및 지질을 제거하는 제1전처리단계; 상기 제1전처리된 제3고형물로부터 페놀화합물을 제거하는 제2전처리단계; 상기 제2전처리된 제4고형물을 1차 가수분해 하는 제1가수분해단계; 및 상기 1차 가수분해 후 분해되지 않은 제5고형물을 2차 가수분해하는 제2가수분해단계;를 포함할 수 있다. Therefore, the biorefinery process of coffee grounds according to the present invention includes the steps of extracting coffee oil from coffee grounds; Extracting galactomannan (GM) from the first solid remaining after extracting the coffee oil; A first pretreatment step of removing lignin and lipids from the second solid remaining after the galactomannan extraction; a second pretreatment step of removing phenol compounds from the first pretreated third solid; A first hydrolysis step of first hydrolyzing the second pretreated fourth solid material; and a second hydrolysis step of secondly hydrolyzing the fifth solid material that has not been decomposed after the first hydrolysis.

커피오일을 추출하는 단계는 상기 커피찌꺼기 1 중량부 당 유기용매 2 내지 4부피부(w/v)를 혼합 후 50℃ 내지 150℃에서 교반하여 상기 유기용매 층으로 커피오일이 추출되는 추출단계; 상기 추출단계에서 얻어진 반응물을 커피오일이 추출된 유기용매와 제1고형물로 분리하는 단계; 및 상기 커피오일이 추출된 유기용매로부터 유기용매를 제거하여 커피오일을 수득하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 여기서, 커피찌꺼기와 유기용매의 혼합비율은 실험을 통해 결정된 것으로 커피찌꺼기:유기용매의 혼합비(w/v)가 1:2 미만이면 커피찌꺼기에 포함된 커피오일이 완전히 추출되지 않아 커피 오일의 수율이 낮아지고 1:4를 초과하면 유기용매가 너무 많이 사용되어 추가공정에 소요되는 시간 및 비용이 증가되었다. 유기용매는 커피찌꺼기로부터 커피오일을 추출할 수 있기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 헥산 (n-hexane), 에틸 에테르(ethyl ether), 클로로포름, 다이클로로메탄, 에탄올, 메탄올로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 유기용매층으로 커피오일이 추출되는 단계는 50℃ 내지 150℃에서 교반하여 수행되는데, 50℃미만이면 추출시간이 오래 걸리고 수율이 낮은 문제가 있고, 150℃ 초과하면 에너지가 많이 사용되고 비용이 증가하는 문제가 있을 수 있다. 커피오일이 추출된 유기용매와 제1고형물로 분리하는 단계는 액상과 고상을 분리할 수 있는 공지된 모든 기술이 사용될 수 있는 후술하는 실시예에서는 필터페이퍼를 이용하였다. 커피오일을 수득하는 단계 또한 커피오일이 추출된 유기용매로부터 유기용매를 제거할 수 있기만 하면 제한되지 않지만 일 구현예로서 rotary evaporator를 이용하여 유기용매를 제거하면 커피오일 만을 용이하게 얻을 수 있다. The step of extracting coffee oil includes mixing 2 to 4 parts by volume (w/v) of an organic solvent per 1 part by weight of the coffee grounds and stirring at 50° C. to 150° C. to extract the coffee oil into the organic solvent layer; Separating the reactant obtained in the extraction step into an organic solvent from which the coffee oil was extracted and a first solid; and removing the organic solvent from the organic solvent from which the coffee oil was extracted to obtain coffee oil. Here, the mixing ratio of coffee grounds and organic solvent was determined through experiment. If the mixing ratio (w/v) of coffee grounds: organic solvent is less than 1:2, the coffee oil contained in the coffee grounds is not completely extracted, so the yield of coffee oil is reduced. When this becomes low and exceeds 1:4, too much organic solvent is used, increasing the time and cost required for additional processing. The organic solvent is not limited as long as it can extract coffee oil from coffee grounds, but as an example, it is selected from the group consisting of hexane (n-hexane), ethyl ether, chloroform, dichloromethane, ethanol, and methanol. It can be at least one of them. The step of extracting coffee oil into the organic solvent layer is performed by stirring at 50℃ to 150℃. If it is less than 50℃, the extraction time takes a long time and the yield is low, and if it exceeds 150℃, a lot of energy is used and costs increase. There may be a problem. In the step of separating the organic solvent from which the coffee oil was extracted and the first solid, filter paper was used in the examples described later, where all known techniques for separating the liquid phase and the solid phase can be used. The step of obtaining coffee oil is also not limited as long as the organic solvent can be removed from the organic solvent from which the coffee oil was extracted, but as an example, only coffee oil can be easily obtained by removing the organic solvent using a rotary evaporator.

갈락토만난을 추출하는 단계는 4.5 내지 5.5% (w/v) 염화나트륨 용액을 아세트산으로 pH 2.5 내지 3.5로 조절하고 이를 상기 제1고형물 1중량부 당 혼합용매 4 내지 6 부피부(w/v)를 혼합 후 100℃ 내지 150℃에서 autoclave 하는 단계; autoclave 후 얻어진 반응물을 제2고형물과 용액으로 분리하는 단계; 및 분리된 용액으로부터 갈락토만난을 수득하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 제1고형물과 혼합용액의 혼합비율은 실험을 통해 결정된 것으로 제1고형물:혼합용액의 혼합비(w/v)가 2 미만이면 고형물이 용매를 모두 흡수하여 추후 용액과 고형물 분리가 어려운 문제가 있고, 5를 초과하면 추후 에탄올을 첨가하는 반응에서 에탄올 사용량이 증가하는 문제가 있었다. 또한 autoclave 하는 단계는 121이상의 압력이 가해지는 반응기에서 100℃ 내지 150℃에서 수행되는데, 100℃미만이면 갈락토 만난의 추출 수율이 낮아지고, 150℃ 초과하면 에너지가 많이 소요되며 제 1고형물이 타버리는 문제가 있을 수 있다. 제2고형물과 용액으로 분리하는 단계는 액상과 고상을 분리할 수 있는 공지된 모든 기술이 사용될 수 있는 후술하는 실시예에서는 필터페이퍼를 이용하였다. 갈락토만난을 수득하는 단계는 분리된 용액으로부터 갈락토만난을 침전시킨 후 분리할 수 있기만 하면 제한되지 않지만 일 구현예로서 분리된 용액 1부피당 에탄올을 2 내지 4부피 첨가하여 갈락토만난을 침전시킨 후 원심분리하여 침전된 갈락토만난을 분리하고, 분리된 갈락토만난을 동결건조하여 수득할 수 있다. 얻어진 동결건조된 갈락토만난으로부터 Manno-oligosaccharide(MOS)를 생성하는 단계를 더 수행할 수 있는데, MOS를 생성하는 단계는 상기 동결 건조된 갈락토만난과 pH 6.5 내지 pH 7.5인 버퍼용액을 혼합하는 제1단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 45℃에서 30분 내지 90분 동안 반응시키는 제2단계; 상기 반응물을 가수분해물과 고형물로 분리하는 제3단계;를 포함하고, 상기 고형물이 생성되지 않을 때까지 제1단계 내지 제3단계를 반복 수행함으로써 MOS의 생산효율을 극대화할 수 있다. The step of extracting galactomannan involves adjusting a 4.5 to 5.5% (w/v) sodium chloride solution to pH 2.5 to 3.5 with acetic acid and adding 4 to 6 parts by volume (w/v) of a mixed solvent per 1 part by weight of the first solid. After mixing, autoclave at 100°C to 150°C; Separating the reactant obtained after autoclave into a second solid and a solution; And obtaining galactomannan from the separated solution. The mixing ratio of the first solid and the mixed solution was determined through experiment. If the mixing ratio (w/v) of the first solid:mixed solution is less than 2, the solid absorbs all of the solvent, making it difficult to separate the solution and solid in the future. If it exceeds 5, there was a problem that the amount of ethanol used increased in the subsequent reaction of adding ethanol. In addition, the autoclave step is performed at 100°C to 150°C in a reactor with a pressure of 121°C or higher. If it is below 100°C, the extraction yield of galactomannan is low, and if it exceeds 150°C, it requires a lot of energy and the first solid is There may be a throwing away problem. In the step of separating the second solid and the solution, filter paper was used in the examples described later, where all known techniques for separating the liquid phase and the solid phase can be used. The step of obtaining galactomannan is not limited as long as it can be separated after precipitating galactomannan from the separated solution, but in one embodiment, 2 to 4 volumes of ethanol are added per volume of the separated solution to precipitate galactomannan. After centrifugation, the precipitated galactomannan can be separated, and the separated galactomannan can be obtained by freeze-drying. A further step of producing manno-oligosaccharide (MOS) can be performed from the obtained freeze-dried galactomannan. The step of generating MOS involves mixing the freeze-dried galactomannan with a buffer solution having pH 6.5 to pH 7.5. Step 1; A second step of adding mannanase to the mixture and reacting at 35°C to 45°C for 30 to 90 minutes; It includes a third step of separating the reactant into hydrolyzate and solid, and the production efficiency of MOS can be maximized by repeating the first to third steps until the solid is not produced.

제1전처리단계는 제2고형물로부터 리그닌 및 지질을 제거하기 위해 수행되는데, 상기 제2고형물 1중량부당 수산화나트륨용액 5 내지 15부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물을 제3고형물과 반응용액으로 분리하는 단계; 상기 제3고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제3고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 제2고형물과 수산화나트륨용액의 혼합비율은 실험을 통해 결정된 것으로 제2고형물:수산화나트륨액의 혼합비(w/v)가 1:5 미만이면 제2고형물이 용액을 모두 흡수하여 반응 용매가 부족한 문제가 있고, 1:15를 초과하면 많은 양의 수산화나트륨을 필요로 하게 되어 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 또한 수산화나트륨용액의 농도는 0.5M 내지 2M일 수 있는데, 상기 농도범위에서 혼합되어야 리그닌 및 지질을 효과적으로 제거할 수 있다. 분리하는 단계에서 얻어진 반응용액에 포함된 카페스톨과 카월을 유기용매로 추출하는 단계;를 더 포함하여 수행될 수 있다. 이 때 유기용매는 카페스톨과 카월을 동시에 추출할 수 있기만 하면 제한되지 않는데, 일 구현예로서 에틸에테르, 클로로포름, 다이클로로메탄, 에틸아세테이트, 등으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 유기용매가 에틸에테르이면, 반응용액과 에틸에테르를 0.5~1 : 2~5의 부피비로 혼합하여 추출하는 추출단계; 상기 추출단계를 2회 이상 반복수행하여 생성된 에틸에테르유기상을 분리한 후 수분을 제거하는 단계; 및 상기 유기상으로부터 에틸에테르를 제거하여 카페스톨 및 카웰을 수득하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 반응용액과 에틸에테르의 혼합비율은 실험을 통해 결정된 것으로 반응용액:에틸에테르의 혼합비(v/v)가 0.5 미만이면 카페스톨 및 카웰 수득률이 낮고, 5를 초과하면 용매가 많이 요구되어 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.The first pretreatment step is performed to remove lignin and lipids from the second solid, including mixing 5 to 15 parts by volume of sodium hydroxide solution per 1 part by weight of the second solid and reacting at 50°C to 100°C; Separating the obtained reaction mixture into a third solid and a reaction solution; washing the third solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; and drying the washed third solid material. The mixing ratio of the second solid and the sodium hydroxide solution was determined through experiment. If the mixing ratio (w/v) of the second solid:sodium hydroxide solution is less than 1:5, the second solid absorbs all of the solution, causing a problem of insufficient reaction solvent. There was a problem that if it exceeded 1:15, a large amount of sodium hydroxide was required, resulting in high costs. Additionally, the concentration of the sodium hydroxide solution may be 0.5M to 2M, and lignin and lipids can be effectively removed only when mixed in the above concentration range. It may be performed further by extracting cafestol and carol contained in the reaction solution obtained in the separation step with an organic solvent. At this time, the organic solvent is not limited as long as it can extract cafestol and carwell at the same time. In one embodiment, it may be any one selected from the group consisting of ethyl ether, chloroform, dichloromethane, ethyl acetate, etc. If the organic solvent is ethyl ether, an extraction step of mixing the reaction solution and ethyl ether at a volume ratio of 0.5 to 1: 2 to 5; Repeating the extraction step two or more times to separate the resulting ethyl ether organic phase and then removing moisture; And removing ethyl ether from the organic phase to obtain cafestol and carwell. The mixing ratio of the reaction solution and ethyl ether was determined through experiment. If the mixing ratio (v/v) of reaction solution:ethyl ether is less than 0.5, the yield of cafestol and carwell is low, and if it exceeds 5, a lot of solvent is required and the cost is high. There was a problem.

제2전처리단계는 제1전처리단계에서 얻어진 제3고형물로부터 페놀화합물을 제거하기 위해 수행되는데, 제3고형물 1중량부당 과산화수소용액 1내지 5 부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물에서 제4고형물을 분리하는 단계; 상기 제4고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제4고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 제3고형물과 과산화수소용액의 혼합비율은 실험을 통해 결정된 것으로 제3고형물:과산화수소용액의 혼합비(w/v)가 1:2 미만이면 제 3고형물이 과산화수소 용액을 흡수하여 반응을 진행 할 수 없는 문제가 있고, 1:10을 초과하면 과산화수소 용액 사용양이 증가하여 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 또한 과산화수소용액의 농도는 1 내지 30 %일 수 있는데, 상기 30% 농도범위에서 혼합되어야 반응 시간이 짧고 가장 효율적으로 페놀 화합물이 제거 될 수 있었다. The second pretreatment step is performed to remove the phenolic compound from the third solid obtained in the first pretreatment step, mixing 1 to 5 parts by volume of hydrogen peroxide solution per 1 part by weight of the third solid and then reacting at 50°C to 100°C. ; Separating the fourth solid from the obtained reaction mixture; Washing the fourth solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; and drying the washed fourth solid material. The mixing ratio of the third solid and the hydrogen peroxide solution was determined through experiment. If the mixing ratio (w/v) of the third solid: hydrogen peroxide solution is less than 1:2, the third solid absorbs the hydrogen peroxide solution and the reaction cannot proceed. There was a problem that if it exceeded 1:10, the amount of hydrogen peroxide solution used increased, resulting in high costs. Additionally, the concentration of the hydrogen peroxide solution may be 1 to 30%, and only when mixed in the 30% concentration range can the reaction time be short and the phenol compound be removed most efficiently.

본 발명은 커피찌꺼기로부터 얻어지는 만노오스와 MOS의 순도를 높이고, 바이오에탄올의 수율을 높이기 위해 서로 다른 종류의 효소를 사용하여 2번의 가수분해를 순차적으로 수행하는데, 1차 가수분해는 만나나아제에 의해 수행되고, 상기 2차 가수분해는 셀룰라아제 및 만나나아제에 의해 수행될 수 있다. The present invention sequentially performs two hydrolysis using different types of enzymes to increase the purity of mannose and MOS obtained from coffee grounds and increase the yield of bioethanol. The first hydrolysis is performed by mannanase. And the secondary hydrolysis can be performed by cellulase and mannanase.

제1가수분해단계는 별도의 정제과정 없이도 제4고형물로부터 고순도의 D-만노오스를 생산하기 위한 것으로, 제4고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 40℃에서 36시간 내지 60시간 동안 1차 가수분해 반응시키는 단계; 및 D-만노오스가 포함된 1차 가수분해액과 제5고형물로 분리하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 이 때, 제4고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 0.01 내지 0.1 중량부가 첨가되는데, 만나나아제가 0.01 중량부 미만으로 첨가되면 D-만노오스 생산 수율이 낮고, 0.1 중량부 이상으로 첨가되면 만나나아제가 많이 요구되어 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 여기서, 만나나아제(mannanase)는 만난을 D-만노오스로 분해하기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 Penicillium purpurogenum으로 얻은 만나나아제(PP 만나나아제)가 사용될 수 있다.The first hydrolysis step is to produce high purity D-mannose from the fourth solid without a separate purification process, including mixing the fourth solid with a buffer solution of pH 4.5 to pH 5.5; Adding mannanase to the mixture and then performing a primary hydrolysis reaction at 35°C to 40°C for 36 to 60 hours; and separating the first hydrolyzed liquid containing D-mannose into a fifth solid. At this time, 0.01 to 0.1 parts by weight of the mannanase is added per 1 part by weight of the fourth solid. If the mannanase is added in less than 0.01 parts by weight, the D-mannose production yield is low, and if it is added in more than 0.1 parts by weight, the mannanase is high. There was a problem that it was required and cost a lot of money. Here, mannanase is not limited as long as it decomposes mannan into D-mannose, but as an example, mannanase (PP mannanase) obtained from Penicillium purpurogenum can be used.

제2가수분해단계는 제5고형물에 포함된 일부 만난과 만난이 아닌 셀룰로오스와 같은 다당류를 한 번에 가수분해하여 바이오에탄올 생산용 당화액을 얻기 위한 과정으로, 상기 제5고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 셀룰라아제 및 만나나아제를 첨가한 후 45℃ 내지 55℃에서 36시간 내지 60시간 동안 2차 가수분해 반응시키는 단계; 및 2차 가수분해액을 수득하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 이 때, 제5고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 및 셀룰라아제는 각각 0.01 내지 0.1 중량부가 첨가되는데, 만나나아제가 0.01 중량부 미만으로 첨가되면 D-만노오스 생산 수율이 낮고, 0.1 중량부 이상으로 첨가되면 만나나아제가 많이 요구되어 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 셀룰라아제가 0.01 중량부 미만으로 첨가되면 글루코스 생산 수율이 낮고, 0.1 중량부 이상으로 첨가되면 셀룰라아제가 많이 요구되어 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 여기서, 만나나아제(mannanase)는 제1가수분해단계와 동일하고 셀룰라아제는 셀룰로오스를 글루코오스로 분해하기만 하면 제한되지 않지만 후술하는 실시예에서는 자체 생산효소인 RUT-30 cellulase가 사용되었다. 2차 가수분해액으로부터 바이오에탄올을 생성하는 단계를 더 수행하는데, 바이오에탄올을 생성하는 단계는 2차 가수분해액으로부터 에탄올을 얻을 수 있기만 하면 제한되지 않지만 일 구현예로서 SHF(Separate hydrolysis and fermentation) 즉 효소당화와 발효를 순차적으로 진행하는 방법으로 수행될 수 있다. 여기서, 효소당화는 효모추출물을 2차 가수분해액에 첨가하여 수행될 수 있고, 발효는 효소당화액 100부피부 당 건조효모(dry yeast) 0.05 내지 0.15중량부를 접종체로 첨가한 후, 30 내지 35℃에서 150 내지 200 rpm으로 교반하면서 36시간 내지 60시간 동안 수행될 수 있다. The second hydrolysis step is a process to obtain a saccharification solution for bioethanol production by hydrolyzing some of the mannan and polysaccharides such as cellulose other than the mannan contained in the fifth solid at once, and the fifth solid and pH 4.5 to pH 4.5. Mixing the buffer solution in step 5.5; Adding cellulase and mannanase to the mixture and then performing a secondary hydrolysis reaction at 45°C to 55°C for 36 to 60 hours; and obtaining a secondary hydrolyzed solution. At this time, 0.01 to 0.1 parts by weight of mannanase and cellulase are added per 1 part by weight of the fifth solid. If mannanase is added in less than 0.01 parts by weight, the D-mannose production yield is low, and if added in more than 0.1 parts by weight, There was a problem that a lot of mannanase was required, so it was expensive. If less than 0.01 part by weight of cellulase is added, the glucose production yield is low, and if added more than 0.1 part by weight, a large amount of cellulase is required, resulting in high cost. Here, mannanase is the same as in the first hydrolysis step and cellulase is not limited as long as it decomposes cellulose into glucose, but in the examples described later, RUT-30 cellulase, a self-produced enzyme, was used. A step of producing bioethanol from the secondary hydrolysis liquid is further performed. The step of producing bioethanol is not limited as long as ethanol can be obtained from the secondary hydrolysis liquid, but as an embodiment, SHF (Separate hydrolysis and fermentation) In other words, it can be performed by sequentially performing enzyme saccharification and fermentation. Here, enzymatic saccharification can be performed by adding yeast extract to the secondary hydrolyzation solution, and fermentation is performed by adding 0.05 to 0.15 parts by weight of dry yeast per 100 volumes of enzymatic saccharification solution as an inoculum, then 30 to 35%. It may be performed for 36 to 60 hours while stirring at 150 to 200 rpm at °C.

상술된 구성을 갖는 본 발명에 따른 커피찌꺼기의 바이오리파이너리공정에 의하면 공정의 각 단계를 통해 도 10c에 도시된 바와 같이 커피오일, 갈락토만난, MOS, D-만노오스, 바이오에탄올, 카페스톨 및 카월이 모두 생산되는 것을 알 수 있다. According to the biorefinery process of coffee grounds according to the present invention having the above-described configuration, coffee oil, galactomannan, MOS, D-mannose, bioethanol, cafestol, and carol are produced as shown in Figure 10c through each step of the process. You can see that all of these are produced.

특히, 본 발명의 커피오일, MOS, D-만노오스, 바이오에탄올은 상술된 바와 같이 커피찌꺼기의 바이오리파이너리공정에 의해 생산되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 커피오일은 커피찌꺼기 1Kg 당 90ml이상 얻어질 수 있고, MOS는 커피찌꺼기 1Kg 당 100g이상 얻어지며, 만노오스는 커피찌꺼기 1Kg 당 160g이상 얻어지고, 바이오에탄올은 커피찌꺼기 1Kg 당 90g이상 얻어질 수 있다. In particular, the coffee oil, MOS, D-mannose, and bioethanol of the present invention are produced by the biorefinery process of coffee grounds as described above. As shown in Figure 1, more than 90 ml of coffee oil can be obtained per 1 kg of coffee grounds. More than 100g of MOS can be obtained per 1Kg of coffee grounds, more than 160g of mannose can be obtained per 1Kg of coffee grounds, and more than 90g of bioethanol can be obtained per 1Kg of coffee grounds.

실시예 Example

도 2에 도시된 각 단계를 다음과 같이 수행하여 커피오일, 갈락토만난, MOS, 카페스톨 및 카월, D-만노오스, 바이오에탄올을 생산하였다. Each step shown in Figure 2 was performed as follows to produce coffee oil, galactomannan, MOS, cafestol and cowol, D-mannose, and bioethanol.

1. 커피오일을 추출하는 단계1. Steps to extract coffee oil

커피 찌꺼기(SCG)와 헥산(n-hexane)을 1:3 (w/v)비율로 혼합하여 80℃에서 3시간 동안 교반하여 반응하여 커피오일을 추출시켰다. 커피 오일 추출 후 필터페이퍼를 이용하여 꺼피찌꺼기 잔류물인 제1고형물(O-SCG)과 커피오일이 추출된 헥산을 분리하고, 헥산층에 추출된 커피오일을 rotary evaporator를 이용하여 헥산 용매를 제거함으로써 커피오일을 얻었다. Coffee grounds (SCG) and hexane (n-hexane) were mixed at a ratio of 1:3 (w/v) and stirred at 80°C for 3 hours to react and extract coffee oil. After extracting the coffee oil, the hexane from which the coffee oil was extracted is separated from the first solid (O-SCG), which is the residue of the coffee grounds, using filter paper, and the hexane solvent is removed from the coffee oil extracted in the hexane layer using a rotary evaporator. I got coffee oil.

2. 갈락토만난(GM)을 추출하는 단계2. Step to extract galactomannan (GM)

제1고형물(O-SCG)로부터 갈락토만난을 추출하기 위하여 제1고형물(O-SCG)과 acetic acid를 이용하여 pH3으로 맞춘 5% (w/v) sodium chloride 혼합용액을 1:5 (w/v)비율로 혼합하여 121℃에서 15분간 autoclave 하였다. autoclave 후 얻어진 반응물을 제2고형물(OG-SCG)과 용액으로 필터 페이퍼를 이용하여 분리하고, 분리된 용액에 1:3 비율로 에탄올을 첨가하여 4 ℃에서 overnight 하여 갈락토만난을 침전시켰다. 그 후 침전된 갈락토만난을 3500 rpm에서 20분 centrifuge하여 분리하고 이를 동결건조하여 갈락토만난(GM)을 수득하였다. To extract galactomannan from the first solid (O-SCG), a 5% (w/v) sodium chloride mixed solution adjusted to pH 3 using the first solid (O-SCG) and acetic acid was mixed 1:5 (w). /v) and autoclaved at 121°C for 15 minutes. After autoclaving, the obtained reaction product was separated into a second solid (OG-SCG) and a solution using filter paper, and ethanol was added to the separated solution in a 1:3 ratio and left overnight at 4°C to precipitate galactomannan. Afterwards, the precipitated galactomannan was separated by centrifuge at 3500 rpm for 20 minutes and freeze-dried to obtain galactomannan (GM).

동결건조된 갈락토만난(GM)으로부터 Manno-oligosaccharide(MOS)를 생성하는 단계를 다음과 같이 수행하여 MOS를 수득하였다. GM을 PP mannanase로 가수분해하여 MOS를 생산하였는데, 처음 가수분해는 2% (w/v) GM을 총 부피 10 mL로 하여 pH 7과 40 ℃에서 1시간 수행하였다. 처음 가수분해 후 생산된 hydrolysate와 반응하지 않고 남은 solid를 centrifuge를 이용하여 분리하였다. 남은 solid를 다시 같은 조건에서 1시간 가수분해 진행하였다. 이 과정을 남은 solid가 없을 때 까지 다섯 번 반복하여 진행하였다. The steps for generating manno-oligosaccharide (MOS) from lyophilized galactomannan (GM) were performed as follows to obtain MOS. MOS was produced by hydrolyzing GM with PP mannanase. The first hydrolysis was performed at pH 7 and 40°C for 1 hour with 2% (w/v) GM in a total volume of 10 mL. The remaining solid that did not react with the hydrolysate produced after the initial hydrolysis was separated using a centrifuge. The remaining solid was hydrolyzed again for 1 hour under the same conditions. This process was repeated five times until there were no solids remaining.

이 때 사용된 PP mannanase는 페니실리움 퍼퓨로게놈(Penicillium purpurogenum)이라는 균주를 사용하여 다음과 같이 생산하였다. P. purpurogenum KACC 47037은 YPD(yeast extract-pepton-dextrose) 배지 100 mL에서 사전 배양된 후, 1% 커피찌꺼기(SCG)를 탄소원으로 하여 1 L Czapex-dox medium (5g/L 황산암모늄, 2g/L 인산칼륨, 0.3g/L 염화칼슘, 0.3g/L 황산염 마그네슘, 2.0 % corn steep, 0.2 % tween 80, 0.2% trace elements solution, g/L 염화마크네슘, 2g/L 염화마그네슘, 0.2% (v/v) trace elements solution 포함)으로 옮겨 배양하였다. 단백질 농도는 595 nm에서 Bradford 단백질 분석을 사용하여 측정되었다. 만나나아제 활성은 1.0%의 갈락토만난을 기질로 dinitrosalicylic acid(DNS) 분석을 사용하여 측정되었다.The PP mannanase used at this time was produced using a strain called Penicillium purpurogenum as follows. P. purpurogenum KACC 47037 was pre-cultured in 100 mL of YPD (yeast extract-pepton-dextrose) medium and then cultured in 1 L Czapex-dox medium (5g/L ammonium sulfate, 2g/L) using 1% coffee grounds (SCG) as a carbon source. L Potassium phosphate, 0.3 g/L Calcium chloride, 0.3 g/L Magnesium sulfate, 2.0 % corn steep, 0.2 % tween 80, 0.2% trace elements solution, g/L Magnesium chloride, 2 g/L Magnesium chloride, 0.2% (v /v) containing trace elements solution) and cultured. Protein concentration was measured using the Bradford protein assay at 595 nm. Mannanase activity was measured using dinitrosalicylic acid (DNS) assay with 1.0% galactomannan as substrate.

3. 리그닌 및 지질을 제거하는 제1전처리단계3. First pretreatment step to remove lignin and lipids

갈락토만난 추출 후 얻어진 제2고형물(OG-SCG)로부터 리그닌과 지질 제거를 위하여 제1전처리 즉 Na 전처리를 실시하였다. 건조된 제2고형물(OG-SCG) 5g당 1M NaOH 용액 50 mL을 첨가한 후 80℃에서 1시간 반응시켰다. 반응은 250 mL 삼각플라스크와 water bath를 이용하였다. 얻어진 반응혼합물을 필터링하여 제3고형물(OG-N-SCG)과 반응용액으로 분리하고, 제3고형물(OG-N-SCG)의 pH가 7이 될 때까지 물로 세척하였다. 이 후 70℃에서 48h 건조하여 사용하였다. The first pretreatment, that is, Na pretreatment, was performed to remove lignin and lipid from the second solid (OG-SCG) obtained after galactomannan extraction. 50 mL of 1 M NaOH solution was added per 5 g of the dried second solid (OG-SCG) and reacted at 80°C for 1 hour. For the reaction, a 250 mL Erlenmeyer flask and water bath were used. The obtained reaction mixture was filtered and separated into a third solid (OG-N-SCG) and a reaction solution, and washed with water until the pH of the third solid (OG-N-SCG) reached 7. Afterwards, it was dried at 70°C for 48 hours and used.

분리된 수산화나트륨 반응용액을 ethyl ether 200 mL로 1시간씩 3번 추출하였다. 추출 후 생성된 유기층 분리하고 Na2SO4를 이용하여 수분을 제거하였다. 이 후 진공회전증발농축기를 이용하여 ethyl ether를 제거하였고, 그 결과로서 카페스톨과 카월이 수득되었다. The separated sodium hydroxide reaction solution was extracted three times for 1 hour each with 200 mL of ethyl ether. After extraction, the resulting organic layer was separated and moisture was removed using Na 2 SO 4 . Afterwards, ethyl ether was removed using a vacuum rotary evaporator, and as a result, cafestol and carwell were obtained.

4. 페놀화합물을 제거하는 제2전처리단계4. Second pretreatment step to remove phenol compounds

Na 전처리 된 커피찌꺼기 즉 제3고형물(OG-N-SCG) 5g을 30% H2O2 50mL을 첨가한 후 80 ℃에서 2시간 동안 반응시켰다. 반응은 250 mL 삼각플라스크와 water bath를 이용하였다. 얻어진 반응혼합물을 필터링하여 제4고형물(OG-NH-SCG)을 분리하고, 분리된 제4고형물(OG-Nh-SCG)의 pH가 7이 될 때까지 물로 세척하였다. 분리된 제4고형물(OG-Nh-SCG)은 70℃에서 48h 건조하였다.5g of Na-pretreated coffee grounds, that is, the third solid (OG-N-SCG), was reacted at 80°C for 2 hours after adding 50mL of 30% H 2 O 2 . For the reaction, a 250 mL Erlenmeyer flask and water bath were used. The obtained reaction mixture was filtered to separate the fourth solid (OG-NH-SCG), and the separated fourth solid (OG-Nh-SCG) was washed with water until the pH reached 7. The separated fourth solid (OG-Nh-SCG) was dried at 70°C for 48 h.

5. 1차 가수분해 하는 제1가수분해단계5. First hydrolysis step

제4고형물(OG-NH-SCG)을 기질로 하여 PP mannanase를 이용하여 다음과 같이 1차 가수분해를 진행하였다. 1차 가수분해 반응은 5.0% 기질(w/v)을 37°C에서 50 mM sodium citrate buffer(pH 5.0)로 48시간 동안 진행하였다. PP mannanase는 제4고형물(OG-NH-SCG) 1g당 50 mg을 첨가하였다. 1차 가수분해 후 13,000 rpm으로 원심분리하여 1차 가수분해액과 제5고형물로 분리하였다. 1차 가수분해액은 단당류는 D-만노오스만을 포함한다.Using the fourth solid (OG-NH-SCG) as a substrate, first hydrolysis was performed using PP mannanase as follows. The first hydrolysis reaction was performed with 5.0% substrate (w/v) in 50 mM sodium citrate buffer (pH 5.0) at 37°C for 48 hours. 50 mg of PP mannanase was added per 1g of the fourth solid (OG-NH-SCG). After the first hydrolysis, it was centrifuged at 13,000 rpm to separate it into the first hydrolyzate and the fifth solid. The first hydrolysis solution contains only D-mannose as a monosaccharide.

6. 2차 가수분해하는 제2가수분해단계6. Second hydrolysis step of secondary hydrolysis

1차 가수분해 처리 후 여전히 남아 있는 잔여물 즉 제5고형물을 이용하여 2차 가수분해 반응을 다음과 같이 수행하여 바이오에탄올 생산을 위한 당화액을 생산하였다. 2차 가수분해 반응은 5.0% 기질(w/v)을 50℃에서 50 mM sodium citrate buffer(pH 5.0)로 48시간 동안 진행하여 2차 가수분해액을 수득하였다. 이 때 두 가지 자체 생산효소 즉 RUT-30 cellulase와 PP mannanase는 제5고형물 1g당 각각 50mg씩 첨가하였다. A secondary hydrolysis reaction was performed using the residue, that is, the fifth solid, still remaining after the primary hydrolysis treatment, as follows, to produce a saccharification solution for bioethanol production. The secondary hydrolysis reaction was performed with 5.0% substrate (w/v) in 50 mM sodium citrate buffer (pH 5.0) at 50°C for 48 hours to obtain a secondary hydrolysis solution. At this time, 50 mg of two self-produced enzymes, namely RUT-30 cellulase and PP mannanase, were added per 1 g of the fifth solid.

2차 가수분해액으로부터 바이오에탄올을 생성하는 단계를 SHF(Separate hydrolysis and fermentation)를 이용하여 다음과 같이 수행하였다. The step of producing bioethanol from the secondary hydrolysis solution was performed using SHF (Separate hydrolysis and fermentation) as follows.

효소당화는 효모 추출물 0.1 % (w/v) 및 0.2 % (w/v) 펩톤, 0.05 M citrate buffer (pH 5.0)를 1% (w/v) 기질로 총 작업 부피 150 mL의 삼각플라스크에서 수행하였다. 발효의 경우 100 mL 가수분해물에 0.1 g 건조 효모(dry yeast)를 접종체로 첨가하였다. 발효는 32℃에서 180 rpm으로 교반하면서 48시간 동안 수행하여 바이오에탄올을 생성하였다.Enzymatic saccharification was performed in an Erlenmeyer flask with a total working volume of 150 mL with 0.1% (w/v) yeast extract, 0.2% (w/v) peptone, and 0.05 M citrate buffer (pH 5.0) as 1% (w/v) substrate. did. For fermentation, 0.1 g dry yeast was added as inoculum to 100 mL of hydrolyzate. Fermentation was performed at 32°C for 48 hours while stirring at 180 rpm to produce bioethanol.

실험예 1Experimental Example 1

실시예에서 헥산 용매를 이용하여 커피찌꺼기로부터 추출한 커피오일의 지방산을 분석하고 그 결과를 표 1에 나타내었다. 오일의 fatty acid 성분은 GC를 이용하여 분석하였다. In the example, the fatty acids of coffee oil extracted from coffee grounds were analyzed using a hexane solvent, and the results are shown in Table 1. The fatty acid content of the oil was analyzed using GC.

Fatty acidFatty acid Wt%Wt% Palmitic acid (C16:0)Palmitic acid (C16:0) 19.3119.31 Heptadecanoic acid (C17:0)Heptadecanoic acid (C17:0) 0.290.29 Stearic acid (C18:0)Stearic acid (C18:0) 5.545.54 Arachidic acid (C20:0)Arachidic acid (C20:0) 47.0947.09 Behenic acid (C22:0)Behenic acid (C22:0) 0.630.63 Lignoceric acid (C24:0)Lignoceric acid (C24:0) 0.400.40 Saturated Saturated 73.2673.26 Oleic acid (C18:1n9c)Oleic acid (C18:1n9c) 6.246.24 cis-11-Eicosenoic acid (C20:1)cis-11-Eicosenoic acid (C20:1) 0.380.38 MonounsaturatedMonounsaturated 6.6206.620 Linoleic acid (C18:2n6c)Linoleic acid (C18:2n6c) 17.8217.82 cis-11,14-Eicosadienoic acid (C20:2)cis-11,14-Eicosadienoic acid (C20:2) 0.100.10 cis-13,16-Docosadienoic acid (C22:2)cis-13,16-Docosadienoic acid (C22:2) 0.180.18 Linolenic aicd (C18:3n3)Linolenic acid (C18:3n3) 1.191.19 Arachidonic acid (C20:4n6)Arachidonic acid (C20:4n6) 0.100.10 cis-5,8,11,14,17-Eicosapentaenoic acid (C20:5n3)cis-5,8,11,14,17-Eicosapentaenoic acid (C20:5n3) 0.730.73 PolyunsaturatedPolyunsaturated 20.1220.12

표 1에 나타난 바와 같이, 헥산을 이용한 커피오일 추출 결과 원료(커피찌꺼기) 대비 약 9.67 wt%의 수득률로 추출할 수 있었으며, 포화지방산과 불포화 지방산이 각각 73.26%와 26.74%였다. 아라키드산(arachidic acid, C20:0), 리놀레익산(Linoleic acid, C18:2), 팔미틱산(Palmitic acid, C16:0)이 대부분을 차지하며 이 중에서도 아라키드산이 47.09%로 가장 많은 함량을 보였다. 디젤 연료는 8에서 21개의 탄소 원자 사이의 사슬 길이의 탄화수소로 구성되어있다. 본 발명에서 추출한 바이오 커피오일은 바이오디젤과 유사한 범위(C16-C20, 98.69%)에서 탄소 사슬 분포를 포함한다. 이러한 결과는 본 발명의 커피찌꺼기로부터 추출된 커피 오일이 친환경 재생 에너지인 바이오 디젤로의 활용 가능함을 보여준다. As shown in Table 1, as a result of coffee oil extraction using hexane, it was possible to extract a yield of about 9.67 wt% compared to the raw material (coffee grounds), and saturated fatty acids and unsaturated fatty acids were 73.26% and 26.74%, respectively. Arachidic acid (C20:0), linoleic acid (C18:2), and palmitic acid (C16:0) account for the majority, and among these, arachidic acid has the highest content at 47.09%. showed. Diesel fuel consists of hydrocarbons with chain lengths between 8 and 21 carbon atoms. The bio coffee oil extracted in the present invention contains a carbon chain distribution in a range similar to biodiesel (C16-C20, 98.69%). These results show that coffee oil extracted from coffee grounds of the present invention can be used as biodiesel, an eco-friendly renewable energy.

실험예 2Experimental Example 2

제2고형물(즉 커피찌꺼기로부터 커피오일 및 GM 추출 후 얻어진 잔류물)의 NaHP전처리(제1전처리단계 및 제2전처리단계) 수행 전 후 모노당 성분을 분석하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. Monosaccharide components were analyzed before and after NaHP pretreatment (first and second pretreatment steps) of the second solid material (i.e., residue obtained after extraction of coffee oil and GM from coffee grounds), and the results are shown in Table 2. .

표 2로부터, NaHP전처리 후 만노스의 양이 30.38%로 제1전처리 전 보다 1.34배 증가됨을 알 수 있고 전체 당의 함량도 49.22%에서 552.84%로 증가됨을 알 수 있다. 이는 NaHP전처리를 통해 리그닌과 지방이 제거되면서 상대적으로 만노스의 함량이 증가된 것으로 보인다. 또한 NaHP전처리 후 글루코스 함량 또한 증가되어 바이오에탄올 생산성 향상이 가능하게 됨을 알 수 있었다. From Table 2, it can be seen that the amount of mannose after NaHP pretreatment is 30.38%, which is 1.34 times more than before the first pretreatment, and the total sugar content also increases from 49.22% to 552.84%. It appears that the mannose content was relatively increased as lignin and fat were removed through NaHP pretreatment. In addition, it was found that the glucose content also increased after NaHP pretreatment, making it possible to improve bioethanol productivity.

이와 같이 본 발명의 NaHP 전처리 즉 제1전처리단계 및 제2전처리단계는 효소가수분해에 의해 커피찌꺼기로부터 고부가가치 물질을 효율적으로 생산하기 위해서 커피찌꺼기에 다량 함유된 지질과 리그닌 등을 제거하기 새롭게 개발된 것으로, 위한 새로운 전처리 기술인 NaHP 전처리 후 커피찌꺼기의 색깔이 진한 갈색에서 연한 노란색으로 변화됨을 확인하였다. 지방과 리그닌 성분들이 제거되어 나타난 결과로 보인다. As such, the NaHP pretreatment of the present invention, that is, the first pretreatment step and the second pretreatment step, was newly developed to remove lipids and lignin contained in large amounts in coffee grounds in order to efficiently produce high value-added substances from coffee grounds through enzymatic hydrolysis. It was confirmed that the color of coffee grounds changed from dark brown to light yellow after NaHP pretreatment, which is a new pretreatment technology. This appears to be the result of fat and lignin components being removed.

실험예 3Experimental Example 3

실시예에서 얻어진 동결 건조된 갈락토만난(GM)을 PP mannanase 효소의 사용량을 50mg/g substrate~200mg/g substrate 범위에서 변화시키면서 생산되는 만노-올리고당(MOS) 생산량 및 중합도를 조사하고 그 결과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 효소 가수분해 후의 MOS 함량은 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)로 조사하였다. 도면에서 M1은 mannose이고, M2는 mannobiose이며, M3는 mannotriose이고, M4는 mannotetraose이며, M5는 mannopentaose이고, M6는 mannohexaose를 의미한다. The production and degree of polymerization of manno-oligosaccharide (MOS) produced by varying the amount of PP mannanase enzyme used in the freeze-dried galactomannan (GM) obtained in the example in the range of 50 mg/g substrate to 200 mg/g substrate were investigated, and the results were investigated. It is shown in Figures 3a and 3b. The MOS content after enzymatic hydrolysis was investigated by high-performance liquid chromatography (HPLC). In the drawing, M1 means mannose, M2 means mannobiose, M3 means mannotriose, M4 means mannotetraose, M5 means mannopentaose, and M6 means mannohexaose.

도 3a 및 도 3b에서 알 수 있듯이, 효소 사용량이 증가함에 따라 MOS의 생산량이 증가되었으며, M3, M4, M5, 및 M6가 주로 생산되었다. 200mg의 PP mannanase를 60분간 처리하였을 때 가장 많은 MOS를 생산할 수 있었다. 또한, 이 결과를 통해 PP mannanase는 만난을 랜덤하게 자르는 것으로 보아 endo-beta-mannanase임을 알 수 있었고, 시간 변화를 통해 생산되는 MOS의 중합도를 조절할 수 있음을 알 수 있었다. As can be seen in Figures 3a and 3b, the production of MOS increased as the amount of enzyme used increased, and M3, M4, M5, and M6 were mainly produced. The most MOS could be produced when 200 mg of PP mannanase was treated for 60 minutes. In addition, these results showed that PP mannanase is an endo-beta-mannanase as it cuts mannan randomly, and that the degree of polymerization of MOS produced can be controlled by changing time.

실험예 4Experimental Example 4

실험예3에서 얻어진 M1 내지 M6를 대상으로 TLC 분석을 통해 시간 변화에 따른 MOS 생산 결과 비교하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. TLC는 C4H10OH/CH3COOH/ H2O (2:1:1, v/v) 이동상을 이용하였다. MOS production results over time were compared for M1 to M6 obtained in Experimental Example 3 through TLC analysis, and the results are shown in FIG. 4. TLC used a mobile phase of C 4 H 10 OH/CH 3 COOH/ H 2 O (2:1:1, v/v).

도 4로부터, 만나아제를 30분에서 60분 동안 처리하였을 때 가장 MOS의 수율이 높았으며, 이때 생성된 MOS에는 중합도 2(M2)와 3(M3)가 가장 많이 생성됨을 알 수 있다. From Figure 4, it can be seen that the yield of MOS was the highest when mannanase was treated for 30 to 60 minutes, and the MOS produced at this time had degrees of polymerization 2 (M2) and 3 (M3) the most.

실험예 5Experimental Example 5

MOS 생산 수율 증가를 위해 PP mannnase를 이용한 반복적 가수분해 후 수율을 조사하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. MOS의 농도는 HPLC와 TLC를 이용하여 분석하였다. 당 함량은 100 mL 95% 에탄올에 1.23 g p-anisidine과 1.66 g phthalic acid을 함유한 anisidine phthalate 시약을 사용하여 검출하였다. To increase the MOS production yield, the yield was investigated after repeated hydrolysis using PP mannnase, and the results are shown in Figure 5. The concentration of MOS was analyzed using HPLC and TLC. Sugar content was detected using anisidine phthalate reagent containing 1.23 g p-anisidine and 1.66 g phthalic acid in 100 mL 95% ethanol.

PP mannnase를 이용한 처음 효소 가수분해 후 총 MOS 농도는 3.95 mg/mL로 조사되어 가수분해 효율이 43.3%로 나타났다. 따라서 나머지 residue를 PP mannnase로 반복적으로 가수분해하여 MOS 수율을 증가시켰다. MOS 수율의 증가가 더 이상 관찰되지 않을 때까지 가수분해 절차를 반복하였다. After the initial enzymatic hydrolysis using PP mannnase, the total MOS concentration was found to be 3.95 mg/mL, resulting in a hydrolysis efficiency of 43.3%. Therefore, the remaining residues were repeatedly hydrolyzed with PP mannnase to increase MOS yield. The hydrolysis procedure was repeated until no further increase in MOS yield was observed.

도 5에 나타난 바와 같이, 첫 번째 가수분해 후 주요 생성물은 M3, M4, M5, M6로, M2와 M1의 양이 미량이었다. 두 번째 가수분해 후 M3(0.56 mg/mL)와 M2(0.52 mg/mL)의 주요 생성물이 생성되었으며, M1(0.06 mg/mL)은 미량이었다. 세 번째 가수분해 이후에는 소량의 M2(0.37 mg/mL), M3(0.09 mg/mL), M1(0.06 mg/mL)이 생산되는 것을 확인할 수 있었으며, 4번째 가수분해 후에는 M2(0.05 mg/mL)만 생성되었다. 4번 반복 후 회수된 총 당 함량은 5.66 mg/mL (수율 62.0%)이었다. 제조된 MOS는 M6(0.70mg/mL), M5(0.97mg/mL), M4(1.08mg/mL), M3(1.67mg/mL), M2(1.07mg/mL), M1(0.17mg/mL)을 함유하였다. 이러한 결과는 최적 조건에서 PP mannnase를 반복적으로 적용하면 MOS, 특히 DP 2-6의 MOS의 생산이 증가한다는 것을 보여주었다.As shown in Figure 5, after the first hydrolysis, the main products were M3, M4, M5, and M6, with trace amounts of M2 and M1. After the second hydrolysis, the major products M3 (0.56 mg/mL) and M2 (0.52 mg/mL) were produced, with a trace amount of M1 (0.06 mg/mL). After the third hydrolysis, small amounts of M2 (0.37 mg/mL), M3 (0.09 mg/mL), and M1 (0.06 mg/mL) were confirmed to be produced, and after the fourth hydrolysis, M2 (0.05 mg/mL) mL) was produced. The total sugar content recovered after four repetitions was 5.66 mg/mL (yield 62.0%). The prepared MOS was M6 (0.70 mg/mL), M5 (0.97 mg/mL), M4 (1.08 mg/mL), M3 (1.67 mg/mL), M2 (1.07 mg/mL), and M1 (0.17 mg/mL). ) contained. These results showed that repeated application of PP mannnase under optimal conditions increased the production of MOS, especially the MOS of DP 2-6.

실험예 6Experimental Example 6

커피찌꺼기(SCG) 및 실시예에서 수행된 각 단계에서 얻어진 제1고형물(O-SCG) 내지 제4고형물(OG-NH-SCG)을 대상으로 만노스 생산 수율을 조사하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. Mannose production yield was investigated for coffee grounds (SCG) and the first solid (O-SCG) to fourth solid (OG-NH-SCG) obtained in each step performed in the examples, and the results are shown in Figure 6. It was.

도 6에 도시된 바와 같이, 가장 높은 만노스 수율은 OG-NH-SCG에서 얻었으며 NaHP 전처리하지 않은 SCG(1.62mg/mL, 수율 10.7%)에 비해 OG-N-SCG(4.03mg/mL, 수율 26.5%)와 OG-NH-SCG(9.28mg/mL, 수율 61.1%)의 만노스 함량은 각각 2.48배, 5.73배 증가되었다. 따라서, NaHP전처리 즉 Na전처리(제1전처리) 및 HP 전처리(제2전처리) 과정은 D-만노스의 최적 생성을 위해 필요한 공정임을 알 수 있다. As shown in Figure 6, the highest mannose yield was obtained from OG-NH-SCG, with a higher yield of OG-N-SCG (4.03 mg/mL, 10.7% yield) compared to SCG without NaHP pretreatment (1.62 mg/mL, 10.7% yield). The mannose content of OG-NH-SCG (26.5%) and OG-NH-SCG (9.28 mg/mL, yield 61.1%) increased by 2.48 times and 5.73 times, respectively. Therefore, it can be seen that NaHP pretreatment, that is, Na pretreatment (first pretreatment) and HP pretreatment (second pretreatment), are necessary processes for optimal production of D-mannose.

실험예 7Experimental Example 7

NaHP 전처리 된 OG-NH-SCG를 PP mannanse를 이용하는 1차 가수분해를 통해 만노스 생산 후 남은 제5형물(residue)로부터 바이오에탄올 생산을 위해 PP mannanse와 cellulase를 이용한 2차 가수분해 후 얻어진 당화물을 조사하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 가수분해 후 생산된 당의 농도는 HPLC를 이용하여 분석하였다. After producing mannose through primary hydrolysis of NaHP-pretreated OG-NH-SCG using PP mannanse, the saccharide obtained after secondary hydrolysis using PP mannanse and cellulase was used to produce bioethanol from the residue remaining. The investigation was conducted and the results are shown in Figure 7. The concentration of sugar produced after hydrolysis was analyzed using HPLC.

1차 가수분해 후 GC를 이용한 제5고형물의 화학적 조성을 분석한 결과, 잔류물이 만노스(45.1%)와 글루코오스(13.9%)를 여전히 포함하고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에서는 제5고형물로부터 가수분해 및 발효(SHF) 공정을 이용하여 바이오에탄올을 추가로 전환하고자 하였다. As a result of analyzing the chemical composition of the fifth solid using GC after the first hydrolysis, it was found that the residue still contained mannose (45.1%) and glucose (13.9%). Therefore, in the present invention, we attempted to further convert bioethanol from the fifth solid using a hydrolysis and fermentation (SHF) process.

도 7에 도시된 바와 같이 바이오에탄올 수율을 높이기 위해, 실시예에서 상술된 바와 같이 제5고형물은 자체 제작한 cellulase 및 PP mannanse를 사용하여 2차 가수분해하였는데, 그 결과, 만노스뿐만 아니라 포도당도 높은 수율로 생성되었음을 알 수 있다. As shown in Figure 7, in order to increase the bioethanol yield, the fifth solid was subjected to secondary hydrolysis using self-produced cellulase and PP mannanse as described above in the Example. As a result, not only mannose but also glucose was high. It can be seen that it was produced with high yield.

실험예 8Experimental Example 8

2차 가수분해 후 얻어진 가수분해물인 2차 가수분해액을 이용한 SHF 발효공정 후 바이오에탄올을 생산하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. HPLC를 사용하여 글루코스 소비량과 에탄올 함량을 분석하였다. 에탄올 수율은 물질 내 총 포도당 함량을 기준으로 생산되는 에탄올 양을 총 포도당 양으로 나누어 계산하였다.Bioethanol was produced after an SHF fermentation process using the secondary hydrolyzate, which is a hydrolyzate obtained after secondary hydrolysis, and the results are shown in Figure 8. Glucose consumption and ethanol content were analyzed using HPLC. Ethanol yield was calculated based on the total glucose content in the material and dividing the amount of ethanol produced by the total amount of glucose.

도 8에 도시된 바와 같이 제4고형물(OG-NH-SCG)로부터 에탄올 수율은 9시간 후 이론상 최대치의 72.1%로 높은 수율로 바이오에탄올을 생산할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 커피찌꺼기가 바이오에탄올 생산을 위한 바이오매스 공급원의 가능성을 보여준다. 또한 저렴한 커피찌꺼기를 공급 원료로 사용하면 에탄올 생산 비용을 낮출 수 있을 것으로 예상된다. As shown in Figure 8, the ethanol yield from the fourth solid (OG-NH-SCG) was 72.1% of the theoretical maximum after 9 hours, indicating that bioethanol could be produced at a high yield. This shows the potential of coffee grounds as a biomass source for bioethanol production. Additionally, using inexpensive coffee grounds as a feedstock is expected to lower the cost of ethanol production.

실험예 9Experimental Example 9

제1전처리(Na 전처리) 후 얻은 반응용액(NaOH 용액)에서 카페스톨과 카월(Kahweol)을 추출 후 UV-Vis spectra와 1H NMR을 이용하여 분석하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. Cafestol and Kahweol were extracted from the reaction solution (NaOH solution) obtained after the first pretreatment (Na pretreatment) and analyzed using UV-Vis spectra and 1H NMR, and the results are shown in Figure 9.

도 9에 도시된 바와 같이, UV-Vis spectrum의 227 nm와 287 nm에서 나타난 피크는 카페스톨과 카월(kahweol)을 보여주는 피크이다. 또한 1H NMR 분석결과 δ 7.24 (카페스톨의 H19)와 δ 7.27 (카월의 H19)에서 카페스톨과 카월의 피크를 확인되었으며, 또한 카월의 두 올레핀 양성자 H2와 H1은 각각 δ 6.21과 δ 5.89에서 이중으로 나타났다.As shown in Figure 9, the peaks appearing at 227 nm and 287 nm in the UV-Vis spectrum are peaks showing cafestol and kahweol. In addition, as a result of 1H NMR analysis, the peaks of cafestol and Kawell were confirmed at δ 7.24 (H19 of cafestol) and δ 7.27 (H19 of Kaewol), and the two olefin protons H2 and H1 of Kaewol were doubled at δ 6.21 and δ 5.89, respectively. It appeared.

실험예 10Experimental Example 10

커피찌꺼기로부터 생산된 고부가가치 물질의 mass balance 및 기존 연구와 본 발명의 바이오리파이너리공정을 비교하고 그 결과를 도 10a 내지 도 10c에 나타내었다.The mass balance of high value-added materials produced from coffee grounds and the biorefinery process of the present invention were compared with existing studies, and the results are shown in Figures 10A to 10C.

도 10c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오리파이너리공정에 의하면 1 Kg의 건식 SCG로부터 커피 오일 약 97 mL, D-만노스 약 164 g, MOS 102 g, 바이오 에탄올 약 99 g을 성공적으로 생산할 수 있었다. 또한 커피찌꺼기인 SCG의 초기 탄수화물 중 78.2%가 고부가가치 물질(35.2% 만노오스, 21.9% MOS, 21.2% 에탄올)로 전환되었으며, 전체 커피찌꺼기 1Kg을 기준으로 하였을 때 46.2%의 높은 수율로 부가가치 물질로 전환됨을 확인할 수 있었다. As shown in Figure 10c, according to the biorefinery process of the present invention, about 97 mL of coffee oil, about 164 g of D-mannose, 102 g of MOS, and about 99 g of bioethanol could be successfully produced from 1 kg of dry SCG. . In addition, 78.2% of the initial carbohydrates in SCG, which is coffee grounds, were converted into high value-added substances (35.2% mannose, 21.9% MOS, 21.2% ethanol), and based on 1 kg of total coffee grounds, they were converted into value-added substances with a high yield of 46.2%. I was able to confirm that it was converted.

이러한 제품 수율 값은 도10a 및 도 10b에 도시된 이전 연구에서 보고된 값과 비교하여 현저히 높은 수율일 뿐만 아니라, 이전 연구와는 달리 본 발명에 의하면 보다 다양하고 고부가가치를 가진 기능성 바이오화합물을 커피찌꺼기로부터 생산할 수 있음을 알 수 있다.This product yield value is not only a significantly higher yield compared to the values reported in previous studies shown in Figures 10a and 10b, but also, unlike previous studies, according to the present invention, more diverse and high-value functional biocompounds are produced in coffee. It can be seen that it can be produced from waste.

이와 같이 본 발명에 따른 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정에 의하면 커피찌꺼기로부터 부가가치 물질을 회수하는 데 효과적이었으며, 또한 통합된 바이오리파이너리 공정에서 커피 오일, 바이오에탄올, 만노스, MOS, 카페스톨, 카월을 생산하는 데 매우 효과적이었다. As such, the biorefinery process of coffee grounds according to the present invention was effective in recovering value-added substances from coffee grounds, and also produced coffee oil, bioethanol, mannose, MOS, cafestol, and carwell in the integrated biorefinery process. It was very effective.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described by way of preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and is intended to be used by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. Various changes and modifications will be possible.

Claims (22)

커피찌꺼기로부터 커피오일을 추출하는 단계;
상기 커피오일 추출 후 남은 제1고형물로부터 갈락토만난(GM)을 추출하는 단계;
상기 갈락토만난 추출 후 남은 제2고형물로부터 리그닌 및 지질을 제거하는 제1전처리단계;
상기 제1전처리된 제3고형물로부터 페놀화합물을 제거하는 제2전처리단계;
상기 제2전처리된 제4고형물을 1차 가수분해 하는 제1가수분해단계; 및
상기 1차 가수분해 후 분해되지 않은 제5고형물을 2차 가수분해하는 제2가수분해단계;를 포함하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
Extracting coffee oil from coffee grounds;
Extracting galactomannan (GM) from the first solid remaining after extracting the coffee oil;
A first pretreatment step of removing lignin and lipids from the second solid remaining after the galactomannan extraction;
a second pretreatment step of removing phenol compounds from the first pretreated third solid;
A first hydrolysis step of first hydrolyzing the second pretreated fourth solid material; and
A biorefinery process of coffee grounds comprising a second hydrolysis step of secondary hydrolysis of the fifth solid material that has not been decomposed after the first hydrolysis.
제 1 항에 있어서,
상기 커피오일을 추출하는 단계는 상기 커피찌꺼기 1 중량부 당 유기용매 2 내지 4부피부(w/v)를 혼합 후 50℃ 내지 150℃에서 교반하여 상기 유기용매 층으로 커피오일이 추출되는 추출단계; 상기 추출단계에서 얻어진 반응물을 커피오일이 추출된 유기용매와 제1고형물로 분리하는 단계; 및 상기 커피오일이 추출된 유기용매로부터 유기용매를 제거하여 커피오일을 수득하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
The step of extracting the coffee oil is an extraction step in which coffee oil is extracted into the organic solvent layer by mixing 2 to 4 parts by weight (w/v) of an organic solvent per 1 part by weight of the coffee grounds and stirring at 50 ℃ to 150 ℃. ; Separating the reactant obtained in the extraction step into an organic solvent from which the coffee oil was extracted and a first solid; and obtaining coffee oil by removing the organic solvent from the organic solvent from which the coffee oil was extracted.
제 2 항에 있어서,
상기 유기용매는 헥산 (n-hexane), 에틸 에테르(ethyl ether), 클로로포름, 다이클로로메탄, 에탄올, 메탄올로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 2,
A biorefinery process for coffee grounds, wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of hexane (n-hexane), ethyl ether, chloroform, dichloromethane, ethanol, and methanol.
제 1 항에 있어서,
상기 갈락토만난을 추출하는 단계는 4.5 내지 5.5% (w/v) 염화나트륨 용액을 아세트산으로 pH 2.5 내지 3.5로 조절하고 이를 상기 제1고형물 1중량부 당 혼합용매 4 내지 6 부피부(w/v)를 혼합 후 100℃ 내지 150℃에서 autoclave 하는 단계; autoclave 후 얻어진 반응물을 제2고형물과 용액으로 분리하는 단계; 및 분리된 용액으로부터 갈락토만난을 수득하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
In the step of extracting the galactomannan, a 4.5 to 5.5% (w/v) sodium chloride solution is adjusted to pH 2.5 to 3.5 with acetic acid and mixed with 4 to 6 parts by volume (w/v) of a mixed solvent per 1 part by weight of the first solid. ) and then autoclave at 100°C to 150°C; Separating the reactant obtained after autoclave into a second solid and a solution; And obtaining galactomannan from the separated solution. A biorefinery process of coffee grounds, characterized in that it is performed including.
제 4 항에 있어서,
상기 갈락토만난을 수득하는 단계는 상기 분리된 용액 1 부피부당 에탄올 2 내지 4부피부로 첨가하여 갈락토만난을 침전시키는 단계; 원심분리하여 침전된 갈락토만난을 분리하는 단계; 및 분리된 갈락토만난을 동결건조하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 4,
Obtaining the galactomannan includes adding 2 to 4 parts by volume of ethanol per 1 part by volume of the separated solution to precipitate the galactomannan; Separating the precipitated galactomannan by centrifugation; And a step of freeze-drying the separated galactomannan. A biorefinery process of coffee grounds, characterized in that it is performed including.
제 5 항에 있어서,
상기 동결건조된 갈락토만난으로부터 Manno-oligosaccharide(MOS)를 생성하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 5,
A biorefinery process for coffee grounds, characterized in that the step of generating manno-oligosaccharide (MOS) from the freeze-dried galactomannan is further performed.
제 6 항에 있어서,
상기 MOS를 생성하는 단계는 상기 동결 건조된 갈락토만난과 pH 6.5 내지 pH 7.5인 버퍼용액을 혼합하는 제1단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 45℃에서 30분 내지 90분 동안 반응시키는 제2단계; 상기 반응물을 가수분해물과 고형물로 분리하는 제3단계;를 포함하고, 상기 고형물이 생성되지 않을 때까지 제1단계 내지 제3단계를 반복수행하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 6,
The step of generating the MOS includes a first step of mixing the freeze-dried galactomannan and a buffer solution of pH 6.5 to pH 7.5; A second step of adding mannanase to the mixture and reacting at 35°C to 45°C for 30 to 90 minutes; A third step of separating the reactants into hydrolysates and solids, and repeating the first to third steps until no solids are produced.
제 1 항에 있어서,
상기 제1전처리단계는 상기 제2고형물 1중량부당 수산화나트륨용액 5 내지 15부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물을 제3고형물과 반응용액으로 분리하는 단계; 상기 제3고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제3고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
The first pretreatment step includes mixing 5 to 15 parts by volume of sodium hydroxide solution per 1 part by weight of the second solid and then reacting at 50°C to 100°C; Separating the obtained reaction mixture into a third solid and a reaction solution; washing the third solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; And a step of drying the washed third solid material. A biorefinery process for coffee grounds, comprising:
제 8 항에 있어서,
상기 반응용액에 포함된 카페스톨과 카월을 유기용매로 추출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 8,
A biorefinery process for coffee grounds, further comprising extracting cafestol and carwell contained in the reaction solution with an organic solvent.
제 9 항에 있어서,
상기 유기용매가 에틸에테르이면, 상기 반응용액과 에틸에테르를 0.5~1 : 2~5의 부피비로 혼합하여 추출하는 추출단계; 상기 추출단계를 2회 이상 반복수행하여 생성된 에틸에테르유기상을 분리한 후 수분을 제거하는 단계; 및 상기 유기상으로부터 에틸에테르를 제거하여 카페스톨 및 카웰을 수득하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to clause 9,
If the organic solvent is ethyl ether, an extraction step of mixing the reaction solution and ethyl ether in a volume ratio of 0.5 to 1: 2 to 5; Repeating the extraction step two or more times to separate the resulting ethyl ether organic phase and then removing moisture; and removing ethyl ether from the organic phase to obtain cafestol and carwell.
제 1 항에 있어서,
상기 제2전처리단계는 상기 제3고형물 1중량부당 과산화수소용액 1내지 5 부피부를 혼합한 후 50℃ 내지 100℃에서 반응시키는 단계; 얻어진 반응혼합물에서 제4고형물을 분리하는 단계; 상기 제4고형물을 pH 6.5 내지 7.5가 될 때까지 물로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 제4고형물을 건조하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
The second pretreatment step includes mixing 1 to 5 parts by volume of hydrogen peroxide solution per 1 part by weight of the third solid and then reacting at 50°C to 100°C; Separating the fourth solid from the obtained reaction mixture; Washing the fourth solid with water until pH reaches 6.5 to 7.5; And a step of drying the washed fourth solid material. A biorefinery process for coffee grounds, comprising:
제 1 항에 있어서,
상기 1차 가수분해는 만나나아제에 의해 수행되고, 상기 2차 가수분해는 셀룰라아제 및 만나나아제에 의해 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
A biorefinery process of coffee grounds, characterized in that the first hydrolysis is performed by mannanase, and the second hydrolysis is performed sequentially by cellulase and mannanase.
제 1 항에 있어서,
상기 제1가수분해단계는 상기 제4고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 만나나아제를 첨가한 후 35℃ 내지 40℃에서 36시간 내지 60시간 동안 1차 가수분해 반응시키는 단계; 및 D-만노오스가 포함된 1차 가수분해액과 제5고형물로 분리하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 1,
The first hydrolysis step includes mixing the fourth solid with a buffer solution of pH 4.5 to pH 5.5; Adding mannanase to the mixture and then performing a primary hydrolysis reaction at 35°C to 40°C for 36 to 60 hours; And separating the first hydrolyzate containing D-mannose and the fifth solid. A biorefinery process of coffee grounds, characterized in that it is performed including.
제 13 항에 있어서,
상기 제4고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 0.01 내지 0.1 중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 13,
A biorefinery process of coffee grounds, characterized in that 0.01 to 0.1 parts by weight of the mannanase is added per 1 part by weight of the fourth solid.
제 1 항에 있어서,
상기 제2가수분해단계는 상기 제5고형물과 pH 4.5 내지 pH 5.5인 버퍼용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 셀룰라아제 및 만나나아제를 첨가한 후 45℃ 내지 55℃에서 36시간 내지 60시간 동안 2차 가수분해 반응시키는 단계; 및 2차 가수분해액을 수득하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기를 이용한 바이오리파이너리.
According to claim 1,
The second hydrolysis step includes mixing the fifth solid with a buffer solution of pH 4.5 to pH 5.5; Adding cellulase and mannanase to the mixture and then performing a secondary hydrolysis reaction at 45°C to 55°C for 36 to 60 hours; and obtaining a secondary hydrolyzate. A biorefinery using coffee grounds.
제 15 항에 있어서,
상기 제5고형물 1중량부 당 상기 만나나아제 및 셀룰라아제는 각각 0.01 내지 0.1 중량부 첨가되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기의 바이오리파이너리 공정.
According to claim 15,
A biorefinery process for coffee grounds, characterized in that 0.01 to 0.1 parts by weight of the mannanase and cellulase are added per 1 part by weight of the fifth solid.
제 15 항에 있어서,
상기 2차 가수분해액으로부터 바이오에탄올을 생성하는 단계;를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기를 이용한 바이오리파이너리 공정.
According to claim 15,
A biorefinery process using coffee grounds, further comprising the step of generating bioethanol from the secondary hydrolyzate.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커피찌꺼기로부터 커피오일, 갈락토만난, MOS, D-만노오스, 바이오에탄올, 카페스톨 및 카월이 생산되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기를 이용한 바이오리파이너리 공정.
The method according to any one of claims 1 to 17,
A biorefinery process using coffee grounds, characterized in that coffee oil, galactomannan, MOS, D-mannose, bioethanol, cafestol, and carwell are produced from the coffee grounds.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 90ml이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 커피오일.
Coffee oil obtained by performing the biorefinery process of any one of claims 1 to 17, wherein more than 90 ml of coffee oil is obtained per 1 kg of coffee grounds.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 100g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 만노올리고당.
A manno-oligosaccharide obtained by performing the biorefinery process of any one of claims 1 to 17, and obtained in an amount of more than 100 g per 1 kg of coffee grounds.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 160g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 만노오스. Mannose is obtained by performing the biorefinery process of any one of claims 1 to 17, and is obtained in an amount of 160 g or more per 1 kg of coffee grounds. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 바이오리파이너리 공정을 수행하여 얻어지는데, 커피찌꺼기 1Kg 당 90g이상 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오에탄올. Bioethanol obtained by performing the biorefinery process of any one of claims 1 to 17, and characterized in that more than 90 g per 1 kg of coffee grounds is obtained.
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