본 연구에서는 에탄올의 생산단가를 낮추기 위해, 음식물쓰레기 당화액을 이용하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시키기 위해 회분식의 반연속식 동시당화발효 시스템을 개발하였다. 음식물쓰레기 200 g와 최종효소액 (amylase 기준으로 $3.0\;U/m{\ell}$) $40\;m{\ell}$가 반응하였을 때 생산되는 환원당의 속도는 $35^{\circ}C$에서 $5.84\;g/{\ell}{\cdot}h$로서, strain KJ가 소비하는 환원당 속도는 $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}h$와 비슷하여 동시당화발효의 최적온도는 $35^{\circ}C$로 결정되었다. 그리고 음식물쓰레기 당화를 위한 최적 효소농도는 $2.0\;U/m{\ell}$로서 생산되는 환원당의 속도는 4.80 g/L h이었다. 이는 에탄올 생산균주가 $35^{\circ}C$에서 소비하는 환원당의 속도인 $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}hr$와 비슷하므로, 효소의 최적농도는 $2.0\;U/m{\ell}$로 결정하였다. Fed-batch식 동시당화발효에서 생산된 환원당을 다 소모하고 나서 12시간 단위로 음식물쓰레기를 공급하여 배양한 결과, 배양 120시간째 에탄올발효 후의 잔존 환원당 농도는 $18.3\;g/{\ell}$, 생성된 에탄올 농도는 $64\;g/{\ell}$, 에탄올의 수율은 0.45 g-ethanol/g-reducing sugar이었다. 그리하여 음식물쓰레기의 Fed-batch식 동시당화발효기술을 개발하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시킴으로써 에탄올 수율을 향상시키는데 성공하였다.
본 연구에서는 에탄올의 생산단가를 낮추기 위해, 음식물쓰레기 당화액을 이용하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시키기 위해 회분식의 반연속식 동시당화발효 시스템을 개발하였다. 음식물쓰레기 200 g와 최종효소액 (amylase 기준으로 $3.0\;U/m{\ell}$) $40\;m{\ell}$가 반응하였을 때 생산되는 환원당의 속도는 $35^{\circ}C$에서 $5.84\;g/{\ell}{\cdot}h$로서, strain KJ가 소비하는 환원당 속도는 $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}h$와 비슷하여 동시당화발효의 최적온도는 $35^{\circ}C$로 결정되었다. 그리고 음식물쓰레기 당화를 위한 최적 효소농도는 $2.0\;U/m{\ell}$로서 생산되는 환원당의 속도는 4.80 g/L h이었다. 이는 에탄올 생산균주가 $35^{\circ}C$에서 소비하는 환원당의 속도인 $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}hr$와 비슷하므로, 효소의 최적농도는 $2.0\;U/m{\ell}$로 결정하였다. Fed-batch식 동시당화발효에서 생산된 환원당을 다 소모하고 나서 12시간 단위로 음식물쓰레기를 공급하여 배양한 결과, 배양 120시간째 에탄올발효 후의 잔존 환원당 농도는 $18.3\;g/{\ell}$, 생성된 에탄올 농도는 $64\;g/{\ell}$, 에탄올의 수율은 0.45 g-ethanol/g-reducing sugar이었다. 그리하여 음식물쓰레기의 Fed-batch식 동시당화발효기술을 개발하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시킴으로써 에탄올 수율을 향상시키는데 성공하였다.
For the economically feasible production of ethanol, utilization of SFW (saccharified food wastes) as substrate for synchronous saccharification and fermentation (SSF) process was developed in this study. When 200 g of food wastes and 40 mL of enzyme ($amylase activity,\;3.0\;U/m{\ell}$) ...
For the economically feasible production of ethanol, utilization of SFW (saccharified food wastes) as substrate for synchronous saccharification and fermentation (SSF) process was developed in this study. When 200 g of food wastes and 40 mL of enzyme ($amylase activity,\;3.0\;U/m{\ell}$) were reacted, production rate of reducing sugar was $5.84\;g/{\ell}{\cdot}h$, and consumption rate was $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}h\;at\;35^{\circ}C$ So suitable condition of SSF was concluded at temperature of $35^{\circ}C$. Also, optimal enzyme concentration of SSF was concluded in $2.0\;U/m{\ell}$, at this condition, the production rate of reducing sugar was $4.80\;g/{\ell}{\cdot}h$ At SSF process, when 50 g of food wastes was supplied in 12 h interval, $64\;g/{\ell}$ of ethanol and 0.45 g-ethanol/g-reducing sugar in yield were obtained in 120 h fermentation. Thus, the technology of high yield of ethanol production using food wastes was confirmed. And semi-continuos SSF system for cutting off cost of enzymatic saccharification was developed in this study.
For the economically feasible production of ethanol, utilization of SFW (saccharified food wastes) as substrate for synchronous saccharification and fermentation (SSF) process was developed in this study. When 200 g of food wastes and 40 mL of enzyme ($amylase activity,\;3.0\;U/m{\ell}$) were reacted, production rate of reducing sugar was $5.84\;g/{\ell}{\cdot}h$, and consumption rate was $-3.88\;g/{\ell}{\cdot}h\;at\;35^{\circ}C$ So suitable condition of SSF was concluded at temperature of $35^{\circ}C$. Also, optimal enzyme concentration of SSF was concluded in $2.0\;U/m{\ell}$, at this condition, the production rate of reducing sugar was $4.80\;g/{\ell}{\cdot}h$ At SSF process, when 50 g of food wastes was supplied in 12 h interval, $64\;g/{\ell}$ of ethanol and 0.45 g-ethanol/g-reducing sugar in yield were obtained in 120 h fermentation. Thus, the technology of high yield of ethanol production using food wastes was confirmed. And semi-continuos SSF system for cutting off cost of enzymatic saccharification was developed in this study.
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문제 정의
57 g-ethanol/g-reducing sugar■이었다. 그리하여 음식 물쓰레 기 당화액 을 에 탄올 생 산배 지 로의 대 체 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 에탄올의 생산단가를 낮추기 위해 발효 원료로써 음식물쓰레기 당화액을 이용하여 높은 수율을 얻을 수 있는 요소 기술을 확보하고, 또한 효소 당화 비용을 줄이고 환원당의 기질 저해를 감소시키기 위해 fed-batch mode의 반연속식 동시당화발효 시스템을 개발하는데 초점을 맞추었다.
본 연구에서는 에탄올의 생산단가를 낮추기 위해, 음식물쓰레기 당화액을 이용하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시키기 위해 회분식의 반연속식 동시당화발효 시스템을 개발하였다. 음식물쓰레기 200 g와 최종효소액 (amylase 기준으로 3.
제안 방법
italicus KJ 1%를 접종한다. 12시간 단위로 50 g 의 음식물쓰레기 (함수율 80%)를 공급하여 fed-batch culture의 동시당화발효 공정을 수행하였다.
35 ℃ 에서 소비하는 환원당의 속도와 생산하는 환원당의 속도를 일 정 하게 유지 함으로써 동시 당화발효가 가능하도록 당화효소의 농도를 조절하기 위하여, 효소액의 최종농도를 1.0, 2.0, 3.0 U/i戒으로 변화시켜 생성되는 환원당 속도를 알아보았다. 음식물쓰레기와 반응하는 효소농도 1.
1)에 의한 순응방법과, UV를 조사하여 40℃에서 발효능력이 높은 mutant 균주 확보를 시도하였다. 그래서 당화공정에서 음식물쓰레기의 효소학적 가수분해 반응 온도조건을 30, 35, 40℃로 검토하여 당화속도를 검토하였다.
본 연구에 사용된 에탄올 발효균주의 최적발효공정은 온도 30℃ 이었으며, 음식물쓰레기 당화공정은 효소당화반응의 최적온도인 50℃ 이었다. 그래서 당화반응에 의한 환원당 생성속도와 에탄올 발효에 의한 환원당소비속도의 균형을 맞추기 위해, 에탄올 발효균주를 30℃ 와 50℃ 중간인 40℃ 에서 수행할 수 있도록, 40℃ 에서 계속적인 계대배양(Fig. 1)에 의한 순응방법과, UV를 조사하여 40℃에서 발효능력이 높은 mutant 균주 확보를 시도하였다. 그래서 당화공정에서 음식물쓰레기의 효소학적 가수분해 반응 온도조건을 30, 35, 40℃로 검토하여 당화속도를 검토하였다.
00 잉£ - h 차이가 나므로 여기서 축적된 당으로 인하여 에탄올 발효나 음식물쓰레기와 효소학적 가수분해반응에 저해를 받게 된다. 그러므로 생성되는 환원당의 속도를 최적화하는 최종효소농도를 검토하였다.
4시간 단위로 sampling하고 분쇄한 음식물쓰레기 50 g (함수율 80%)을 주입한 후 질소가스로 치환한다. 그리고 생산되는 에탄올의 양과 지속적으로 유지되는 환원당의 양을 정량하였다.
농도를 측정하였다. 당화반응에 의한 환원당 생성속도와 에탄올 발효에 의한 환원당 소비속도의 균형을 맞추기 위하여, 효소학적 가수분해 반응 온도조건을 30, 35, 40℃로 변화시켜, 환원당의 생성속도와 에탄올 발효균 주의 환원당 소비속도를 검토하여 동시당화발효의 최적의 온도 조건을 결정하였다.
동시당화발효 (SSF, Synchronous saccharification and fermentation): 동시 당화발효는 1 / jar-fermenter에서 온도 35℃, 효소농도 2.0 U/畝, 교반속도 150 rpm에서 실험을 수행하였다. 음식물쓰레기 200 g (함수율 80%)와 반응내 최종 효소농도 2.
동시당화발효를 위한 온도조건 검토: 에탄올 발효공정 (30℃)과 음식물쓰레기 당화공정 (50℃)의 온도를 동일하게 하기 위하여 그 중간값인 40℃에서 수행하도록, 40℃에서 계속적으로 계대배양하여 생성된 에탄올의 농도와 잔류환원당의 농도를 측정하였다. 당화반응에 의한 환원당 생성속도와 에탄올 발효에 의한 환원당 소비속도의 균형을 맞추기 위하여, 효소학적 가수분해 반응 온도조건을 30, 35, 40℃로 변화시켜, 환원당의 생성속도와 에탄올 발효균 주의 환원당 소비속도를 검토하여 동시당화발효의 최적의 온도 조건을 결정하였다.
0 U/畝, 교반속도 150 rpm에서 실험을 수행하였다. 음식물쓰레기 200 g (함수율 80%)와 반응내 최종 효소농도 2.0 U/i也를 먼저 반응시켜 환원당을 확보한후 4시간 후에 S. italicus KJ 1%를 접종한다. 12시간 단위로 50 g 의 음식물쓰레기 (함수율 80%)를 공급하여 fed-batch culture의 동시당화발효 공정을 수행하였다.
0 U/mL, 교반속도는 150 rpm으로 운전하였다. 이들조건을 토대로 하여 1 / jar-fermentor에서 동시당화발효 공정을 수행하였다.
환원당 생성속도 조절을 위한 효소농도 검토: 500 砒 삼각 flask에 음식물쓰레기 200 g (함수율 80%)와 amylase 활성 1.0, 2.0, 3.0 U/砒의 효소액 40 畝와 1% sodium azide 용액 3 ng를 혼합하여 0, 0.5, 1, 2, 4, 8, 16, 24시간 간격으로 sampling하여 환원당을 측정하여 효소농도에 따른 환원당 생성속도를 검토하였다.
대상 데이터
당화액을 사용하였다. 당화액의 제조는 전남대학교제 1 학생회관내 구내식당에서 수집한 음식물쓰레기 3 kg (함수율 80%)와 효소액 (반응액 중 농도 FPase 0.18 U/m«, amylase 2.2 U/m«) 1 L을 혼합하여 교반속도 200 rpm, 온도 50℃, 1일간 당화반응시킨 후 원심분리 (8, 000 rpm, 20 min, 4℃)하여 그 상등액을 당화액배지 (SFW, Saccharified Food Wastes)로 사용하였다. 이때 사용한 음식물쓰레기의 시료 성상은 C는 44.
harzianum FJ1 을 YMEB 배지 (yeast extract 4 g/幻 malt extract 10 g//, glucose 4 g//) 100 畝에 접종하여 30℃, 120 rpm에서 3일간 전배양하였다. 본 배양은 10 X jar fermenter (BioG, Hanil R&G Co., Korea)에서 working volume을 5, 로 하고, Mandel's medium(10)에서 탄소원인 Avicel와 CMC 대신에 섬유소 폐기물 (볏짚과 폐박스)을 기질로 각각 1%씩 사용하였다. 그리고 전배양액을 2% 접종하여 온도 30℃, 교반 속도 200 rpm, 공기량 0.
italicus KJ를 백금이로 접종하여 3 0℃, 100 rpm, 혐기성 조건에서 1일간 교반배양 후 상등액을 본 배양의 접종액으로 사용하였다. 본 배양은 YM배지를 대조배지로 하고, 당화액배지의 환원당을 100 g//로 하여 100 靦 vial에 넣어 사용하였다. 에탄올의 생산은 온도 30℃, 초기 pH 5.
섬유소분해효소 생산균주: 음식물쓰레기 효소당화에 사용되는 섬유소분해효소의 생산균주는 Kim 등(9)이 분리한 Trichoderma hanianum FJ1 을 사용하였다.
에탄올 생산균주: 에탄올 생산균주는 Han 등(2)이 주정공장 근처 토양에서부터 분리한 Saccharomyces italicus KJ 를 사용하였다.
성능/효과
40℃ 에서 순응시키기 위하여 계대배양한 균주의 에탄올생산은 계대배양 횟수에 따라 조금씩 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 수율 0.2 g-ethanol /g-reducing sugar 미만으로 에탄올 생산수율이 낮은 수준이었다(Fig. 1). 그리고 UV mutant는 40℃에서 계대배양하여 얻은 균과 에탄올 생산이 비슷하였으므로 mutant 균주 확보에 실패하였다(data not shown).
4시간 단위로 음식물쓰레기를 주입하여 동시 당화 발효를 수행한 결과, 배양 36시간째 control로써 생산된 환원당 농도는 164.12 g/幻 에탄올발효에 사용하고 남은 환원당 농도는 85.70 g//, 생성된 에탄올 농도는 41.52 g//, 에탄올 수율은 0.25 g-ethanol/g-reducing sugar로 매우 낮았다(Fig. 5). 에탄올의 수율은 생성된 에탄올 농도 (g//)와 control로써 생산된 환원당의 농도 (g/Z)의 비로 나타내었다.
그래서, 동시당화발효시 음식물쓰레기의 주입시간을 4시간 간격으로 하였을 경우 배양액 내 잔존 환원당 농도가 너무 높으므로, 200 g의 음식물쓰레기를 넣은 후 생산된 환원당이 거의 소모될 때까지 기다린 결과 12시간 단위로 음식물쓰레기를 공급하는 것이 적당한 것으로 판명되었다. 그리하여 12시간 단위로 음식물쓰레기를 공급하여 동시당화발효를 수행한 결과, 120시간째 control로써 생산된 환원당의 농도는 142.
판명되었다. 그리하여 12시간 단위로 음식물쓰레기를 공급하여 동시당화발효를 수행한 결과, 120시간째 control로써 생산된 환원당의 농도는 142.4 g//, 에탄올발효 후의 잔존 환원당 농도는 18.3 g//, 생성된 에탄올 농도는 64 g//, 에탄올의 수율은 0.45 g-ethanol/g-reducing sugar로, 비교적 높은 수율의 에탄올을 생산할 수 있었다(Fig. 6).
45 g-ethanol/g-reducing sugar이었다. 그리하여 음식물쓰레기의 Fed-batch식 동시당화발효기술을 개발하여 효소당화비용을 줄이고 환원당의 기질저해를 감소시킴으로써 에탄올 수율을 향상시키는데 성공하였다.
것이다. 본 연구에 사용된 에탄올 발효균주의 최적발효공정은 온도 30℃ 이었으며, 음식물쓰레기 당화공정은 효소당화반응의 최적온도인 50℃ 이었다. 그래서 당화반응에 의한 환원당 생성속도와 에탄올 발효에 의한 환원당소비속도의 균형을 맞추기 위해, 에탄올 발효균주를 30℃ 와 50℃ 중간인 40℃ 에서 수행할 수 있도록, 40℃ 에서 계속적인 계대배양(Fig.
2 U/m«) 1 L을 혼합하여 교반속도 200 rpm, 온도 50℃, 1일간 당화반응시킨 후 원심분리 (8, 000 rpm, 20 min, 4℃)하여 그 상등액을 당화액배지 (SFW, Saccharified Food Wastes)로 사용하였다. 이때 사용한 음식물쓰레기의 시료 성상은 C는 44.56 ± 0.30%, Ne 2.373 + 0.219%이었으며, C : Ne 100 : 6.2로 미생물 성장시키는데 필요한 C : N이 100 : 5과 거의 일치하므로 SFW를 미생물 성장배지로 적절하였다.
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