효모 Pichia stipitis를 이용한 구멍갈파래 가수분해 추출물로 부터 바이오 에탄올 생산 Bioethanol Production using a Yeast Pichia stipitis from the Hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman원문보기
6탄당과 5탄당을 이용할 수 있는 효모 Picha stipitis를 이용하여 해조류인 구멍갈파래 가수분해 추출물의 단당류로부터 바이오 에탄올을 생산하는 반복 회분식 공정에 대하여 연구하였다. 이러한 공정이 180시간 까지 반복적으로 이루어질 수 있었으며, 약 30 g/L의 총환원당으로 부터 최고 평균 11.9 g/L의 바이오 에탄올이 생산됨을 확인하였다. 이 때 바이오 에탄올 수율은 0.40 (DNS 방법 기준)과 0.37 (TLC 방법 기준)이었으며, 이는 이론치의 78.4%와 72.5%에 해당하는 바이오 에탄올 수율에 해당한다. 이 결과를 다른 측면에서 분석하면, 본 연구 결과로 얻어진 반복 회분식공정에서 건조 구멍갈파래 1 kg에서 39.67 g의 바이오 에탄올을 생산 할 수 있다는 결론을 얻게 되었다. 본 연구를 통하여 구멍갈파래의 가수분해 추출물로부터 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였고, 상업적인 대량생산이 가능한 공정기술로서 반복 회분식 방법이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
6탄당과 5탄당을 이용할 수 있는 효모 Picha stipitis를 이용하여 해조류인 구멍갈파래 가수분해 추출물의 단당류로부터 바이오 에탄올을 생산하는 반복 회분식 공정에 대하여 연구하였다. 이러한 공정이 180시간 까지 반복적으로 이루어질 수 있었으며, 약 30 g/L의 총환원당으로 부터 최고 평균 11.9 g/L의 바이오 에탄올이 생산됨을 확인하였다. 이 때 바이오 에탄올 수율은 0.40 (DNS 방법 기준)과 0.37 (TLC 방법 기준)이었으며, 이는 이론치의 78.4%와 72.5%에 해당하는 바이오 에탄올 수율에 해당한다. 이 결과를 다른 측면에서 분석하면, 본 연구 결과로 얻어진 반복 회분식공정에서 건조 구멍갈파래 1 kg에서 39.67 g의 바이오 에탄올을 생산 할 수 있다는 결론을 얻게 되었다. 본 연구를 통하여 구멍갈파래의 가수분해 추출물로부터 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였고, 상업적인 대량생산이 가능한 공정기술로서 반복 회분식 방법이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
We studied the repeated-batch process for the bioethanol production from the hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman using yeast Pichia stipitis, which is able to assimilate C6- and C5-monosaccharides. During 180-hour operations, the repeated-batch process was carried out stably, and the average bioeth...
We studied the repeated-batch process for the bioethanol production from the hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman using yeast Pichia stipitis, which is able to assimilate C6- and C5-monosaccharides. During 180-hour operations, the repeated-batch process was carried out stably, and the average bioethanol concentration reached 11.9 g/L from about 30 g/L of reducing sugar in the hydrolysate. Meanwhile, the bioethanol yields, based on the reducing sugar and the quantitative TLC analysis, were 0.40 and 0.37, respectively, which corresponded to 78.4% and 72.5% of theoretical value, respectively. Throughout the quantitative process analysis, it was also demonstrated that 39.67 g-bioethanol could be produced from 1 kg of dried Ulva pertusa Kjellman. In this study, we verified that the bioethanol production from the hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman was feasible using a yeast Pichia stipitis, particularly during the repeated-batch operation.
We studied the repeated-batch process for the bioethanol production from the hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman using yeast Pichia stipitis, which is able to assimilate C6- and C5-monosaccharides. During 180-hour operations, the repeated-batch process was carried out stably, and the average bioethanol concentration reached 11.9 g/L from about 30 g/L of reducing sugar in the hydrolysate. Meanwhile, the bioethanol yields, based on the reducing sugar and the quantitative TLC analysis, were 0.40 and 0.37, respectively, which corresponded to 78.4% and 72.5% of theoretical value, respectively. Throughout the quantitative process analysis, it was also demonstrated that 39.67 g-bioethanol could be produced from 1 kg of dried Ulva pertusa Kjellman. In this study, we verified that the bioethanol production from the hydrolysate of Ulva pertusa Kjellman was feasible using a yeast Pichia stipitis, particularly during the repeated-batch operation.
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문제 정의
6탄당과 5탄당을 이용할 수 있는 효모 Picha stipitis를 이용하여 해조류인 구멍갈파래 가수분해 추출물의 단당류로부터 바이오 에탄올을 생산하는 반복 회분식 공정에 대하여 연구하였다. 이러한 공정이 180시간 까지 반복적으로 이루어질 수 있었으며, 약 30 g/L의 총환원당으로 부터 최고 평균 11.
stipitis의 배양은 glucose, xylose, fructose가 포함된 배지에서 바이오 에탄올을 생산하는 과정이라 할 수 있다. 그러나 비록 TLC상에서는 fructose의 흔적이 확인되지만, fructose의 양은 매우 적어서 연구결과에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 앞으로 나오는 모든 결과에서 fructose에 대하여서는 논의 하지 않도록 하였다.
본 논문에서는 6탄당과 5탄당을 동시에 이용할 수 있는 효모 Pichia stipitis (P. stipitis)를 이용하여 구멍갈파래의 가수분해물에서 얻어진 추출물의 단당류로부터 바이오 에탄올을 생산하는 반복 회분식 (repeated-batch) 공정 개발에 관한 연구를 수행하였다. 그런데 구멍갈파래의 가수분해물에서 얻어진 추출물의 단당류 성분을 분석한 본 연구팀의 선행연구에서 주요 단당류로서 glucose가 83.
stipitis가 최적의 조건에서 바이오에탄올을 생산할 수 있는 조건에서 공기를 첨가하였다. 본 연구의 최종 목표는 효모 P. stipitis를 이용하여 구멍갈파래 추출물로부터 바이오 에탄올의 상업적인 생산이 가능한 공정을 개발하는데 있다. 이를 위해서 바이오 에탄올 생산공정으로 반복 회분식 배양 방법을 사용하였고, corn-steep liquor (CSL)가 포함된 경제적인 배지를 사용하였다.
제안 방법
5% α-naphtol, 5% H2SO4 in ethanol)에 담갔다꺼낸 후, dry oven에 넣고 80℃에서 15분간 말려서 발색시켰다. Glucose, isomaltodextrin와 maltodextrin이 TLC plate 상에서 나타내는 spot의 강도와 그들 농도와의 관계가 선형적으로 비례하였다는 Robyt와 Mukerjea의 논문 (1994)에서의 이론을 근간으로 glucose와 xylose의 양은 TLC를 통하여 정량분석 하였으며, 이 때 단당류의 정량 분석을 위해서 단당류의 spot을 AlphaEase FC softwere (Alpha Innotech, U.S.A)를 이용하여 일차원상의 peak로 전환한 후, 농도를 알고 있는 표준물질과 비교하여 단당류의 함량을 계산하였다.
0 그리고 교반 속도는 200 rpm을 유지하였고, pH는 phosphoric acid solution [10 (%, v/v)]와 ammonia water로 조절하였다. Surface aeration을 통한 공기 공급은 silicon tubing (길이 = 6.7 cm, 내부지름 = 3.1 mm)을 이용하였으며, 이를 위하여 발효조 용기 (내부 지름 = 14.2 cm)의 위 뚜껑을 통하여 silicon tubing를 발효조 내부 공간으로 삽입시켰다.
구멍갈파래는 제주도에서 수확하여 열풍건조기로 40℃에서 48시간 건조한 후, 볼밀로 미세하게 분쇄하여 사용하였다. 그 후, 고압액화 장치를 이용하여 가수분해 추출물을 제조하였다. 추출장치의 반응기에 100 g의 구멍갈파래 건조분말과 증류수 1.
그래서 본 논문에서는 이러한 두 종류의 단당류를 모두 이용하여 바이오 에탄올을 생산하기 위하여 효모 P. stipitis를 사용하였다. 효모 P.
단당류의 양은 thin-layer chromatography (TLC)를 이용하여 분석하였으며, TLC Plate (Partisil K5F, Whatman)는 20 × 10 cm로 잘라서 사용하였고, 시료는 1 µL를 loading하였으며, 전개용매는 acetonitrile과 증류수를 85 : 15 비율로 혼합하여 사용하였다.
추출장치의 모식도 및 기타 작동조건에 대하여서는 선행연구에 자세히 기술하였다 (한 등, 2010). 바이오 에탄올 생산을 위한 효모 배양 시, 회전진공농축기 (EYELA, Japan)를 이용하여 환원당 농도가 30 g/L가 되도록 추출물을 농축하였다.
본 연구 논문에서는 이러한 공기첨가 문제를 최적화 하기위한 본 연구팀의 surface aeration 방법을 통한 미량의 공기 첨가 방법에 대한 선행연구 결과 (연 등, 2010; Yeon et al., 2011b)를 기반으로 P. stipitis가 최적의 조건에서 바이오에탄올을 생산할 수 있는 조건에서 공기를 첨가하였다. 본 연구의 최종 목표는 효모 P.
stipitis를 이용하여 구멍갈파래 추출물로부터 바이오 에탄올의 상업적인 생산이 가능한 공정을 개발하는데 있다. 이를 위해서 바이오 에탄올 생산공정으로 반복 회분식 배양 방법을 사용하였고, corn-steep liquor (CSL)가 포함된 경제적인 배지를 사용하였다.
그 후, 고압액화 장치를 이용하여 가수분해 추출물을 제조하였다. 추출장치의 반응기에 100 g의 구멍갈파래 건조분말과 증류수 1.0 L를 넣고 195℃에서 15분간 가수분해를 위한 추출을 진행하였다. 추출장치의 모식도 및 기타 작동조건에 대하여서는 선행연구에 자세히 기술하였다 (한 등, 2010).
stipitis 배양을 통하여 구멍갈파래 가수분해 추출물의 glucose와 xylose를 반복 회분식 방법으로 바이오 에탄올로 전환시킬 수 있다는 것을 보여 주었다고 할 수 있다. 특히 CSL을 배지 성분으로 사용하여, 실용적이고 경제적인 공정 확립이 가능하도록 하였다. 본 연구를 통하여 해조류 구멍갈파래가 바이오 에탄올을 생산하는데 있어서 중요한 단당류의 공급원이 될 수 있음을 증명하여 보여 주었고, 이 때 효모 P.
그러므로 본 연구에서의 바이오 에탄올 수율은 선행 연구 결과에 비추어 볼 때, 의미 있는 결과라고 할 수 있다. 한편 바이오 에탄올 수율을 보다 정량적으로 분석하기 위하여 건조 구멍갈파래로부터 가수분해 추출물을 거쳐서 바이오에탄올 생산에 이르는 공정을 정량적으로 분석하여, 건조 구멍갈파래로 부터 얻어지는 바이오 에탄올 수율을 계산하여 보았다 (Table 2). 100 g의 구멍갈파래 분말로부터 가수분해 추출물을 얻어 세배 농축한 용액의 환원당 함량은 30 g/L이었다.
효모 P. stipitis를 이용한 구멍갈파래 가수분해 추출물에서의 바이오 에탄올 생산을 위하여 미량의 공기를 배양조표면으로 첨가하는 반복 회분식 배양을 실시 하였다. 이때 100 mL/min의 공기를 배양조 표면으로 넣어 주었고, 효모 P.
대상 데이터
stipitis CBS 7126을 사용하였다. 구멍갈파래는 제주도에서 수확하여 열풍건조기로 40℃에서 48시간 건조한 후, 볼밀로 미세하게 분쇄하여 사용하였다. 그 후, 고압액화 장치를 이용하여 가수분해 추출물을 제조하였다.
, 1996). 본 연구에서 사용한 CSL은 경기도 이천에 위치한 Corn Product Korea에서 부산물로 나오는 것이다. 구멍갈파래 가수분해 추출물의 TLC에서는 본 연구팀의 선행 연구처럼 glucsoe와 xylose만이 확인되었으나 (한등, 2010), CSL이포함된 CSH 배지에서는 fructose로 추정되는 단당류가 확인이 되었다 (Fig.
본 연구에서는 6탄당과 5탄당을 이용할 수 있는 효모 P. stipitis CBS 7126을 사용하였다. 구멍갈파래는 제주도에서 수확하여 열풍건조기로 40℃에서 48시간 건조한 후, 볼밀로 미세하게 분쇄하여 사용하였다.
이 때 CSH 배지(CSL; 20 mL/L, (NH4)2SO4; 1.2 g/L, KH2PO4; 2.4 g/L, MgSO4·7H2O; 1.2 g/L)를 사용하였고, 2.5-L jar fermentor (Korea Fermetor Co, Republic of Korea)를 사용하였으며, 배양부피는 880 mL 였다.
이론/모형
배지내의 잔여 총환원당 함량은 dinitrosalicylic acid (DNS)방법을 사용하여 측정하였으며 (Chaplin and Kennedy, 1986), 배양액 중의 에탄올 함량은 gas chromatography (8610C, SRI, USA)를 이용하여분석하였다. 이때컬럼은 Chromosomb 101 [L = 6 ft, ID = 1/8 inch, 80/100 mesh, stainless steel tubing (Alltech, USA)]을 사용하였고, 자세한 운전 조건은 선행 논문에 설명하였다 (연 등, 2010; Yeon et al.
성능/효과
9 g/L의 바이오 에탄올을 생산할 수 있었다. 그 결과를 분석하여, 1 kg의 건조 구멍갈파래로 부터 39.67 g의 바이오 에탄올을 생산 할 수 있다는 계산 결과를 얻을 수 있었다. 이는 본 연구팀이 선행연구 (연 등, 2010)인 건조 모자반으로부터 얻을 수 있는 바이오 에탄올 수율인 12.
, 2011a). 본 연구 결과에서도 Fig. 2C와 같이 glucose와 xylose의 소비가 완전히 이루어지고 있는 것을 확인 할 수 있었으며, 특히 TLC 결과 상에서도 단당류 glucose와 xylose의 소비 양상을 확인 할 수 있었다 (Fig. 3). 다시 말하면 glucose가 먼저 소비되고, 이후에 xylose가 완전히 소비되는 단당류 소비 양상을 보였다.
67 g의 바이오 에탄올을 생산 할 수 있다는 결론을 얻게 되었다. 본 연구를 통하여 구멍갈파래의 가수분해 추출물로부터 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였고, 상업적인 대량생산이 가능한 공정기술로서 반복 회분식 방법이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
특히 CSL을 배지 성분으로 사용하여, 실용적이고 경제적인 공정 확립이 가능하도록 하였다. 본 연구를 통하여 해조류 구멍갈파래가 바이오 에탄올을 생산하는데 있어서 중요한 단당류의 공급원이 될 수 있음을 증명하여 보여 주었고, 이 때 효모 P. stipitis가 구멍갈파래 가수분해 추출물 속의 6탄당인 glucose와 5탄당인 xylose를 효과적으로 바이오 에탄올로 전환시킬 수 있다는 것을 보여 주었다고 할 수 있겠다.
본 연구에는 배양조 표면으로 미량의 공기를 넣는 방식으로 공기의 공급을 조절한 효모 P. stipitis 배양을 통하여 구멍갈파래 가수분해 추출물의 glucose와 xylose를 반복 회분식 방법으로 바이오 에탄올로 전환시킬 수 있다는 것을 보여 주었다고 할 수 있다. 특히 CSL을 배지 성분으로 사용하여, 실용적이고 경제적인 공정 확립이 가능하도록 하였다.
본 연구에서 효모 P. stipitis를 이용한 구멍갈파래 가수분해 추출물에서의 바이오 에탄올 생산 시, Fig. 2와 같이 반복 회분식 운전을 통하여 일관되게 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실증 할 수 있었다. 이때의 바이오 에탄올 생산량을 누적 바이오 에탄올 생산량 (CEP, cumulative ethanol production)으로 표시하여 보면, Fig.
4B 처럼 직선의 상관관계를 보여 주었다. 이 결과는 구멍갈파래 가수분해 추출물의 단당류 소비가 바이오 에탄올 생산과 직접 관련이 있다는 것을 보여 주는 것이며, 이 관계 그래프의 기울기로 부터 단당류 소비에 대한 바이오 에탄올 수율 (bioethanol yield)을 계산 할 수 있었다. Table 1에는 이로부터 얻어진 바이오 에탄올 수율을 정리하여 놓았다.
5%에 해당하는 바이오 에탄올 수율에 해당한다. 이 결과를 다른 측면에서 분석하면, 본 연구 결과로 얻어진 반복 회분식 공정에서 건조 구멍갈파래 1 kg에서 39.67 g의 바이오 에탄올을 생산 할 수 있다는 결론을 얻게 되었다. 본 연구를 통하여 구멍갈파래의 가수분해 추출물로부터 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였고, 상업적인 대량생산이 가능한 공정기술로서 반복 회분식 방법이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
2와 같이 반복 회분식 운전을 통하여 일관되게 바이오 에탄올을 생산할 수 있다는 것을 실증 할 수 있었다. 이때의 바이오 에탄올 생산량을 누적 바이오 에탄올 생산량 (CEP, cumulative ethanol production)으로 표시하여 보면, Fig. 4A와 같이 배양 시간에 따라서 비례적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 반복 회분식 공정의 일관된 바이오 에탄올의 생산을 의미하는 것이며, 반복 회분배양을 통하여 구멍갈파래 가수분해 추출물에서부터 최고 약 50 g 가까운 누적 바이오 에탄올 생산량을 보여 주었다.
6탄당과 5탄당을 이용할 수 있는 효모 Picha stipitis를 이용하여 해조류인 구멍갈파래 가수분해 추출물의 단당류로부터 바이오 에탄올을 생산하는 반복 회분식 공정에 대하여 연구하였다. 이러한 공정이 180시간 까지 반복적으로 이루어질 수 있었으며, 약 30 g/L의 총환원당으로 부터 최고 평균 11.9 g/L의 바이오 에탄올이 생산됨을 확인하였다. 이 때 바이오 에탄올 수율은 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구멍갈파래란 무엇인가?
구멍갈파래 (Ulva pertusa Kjellman)는 한국 전연안에서 가장 흔하게 볼 수 있는 녹조류 갈파래과의 해조류이다. 최근 구멍갈파래 유래의 물질로부터 다양한 생리활성이 발견되어 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 이루어 지고 있다 (배 등, 2000; 한 등, 2009; Akakabe et al.
Ulva pertusa Kjellman은 어떤 환경적 문제를 유발하는가?
, 2003a, 2003b). 한편, 구멍갈파래는 근연안의 부영양화에 의한 녹조현상을 발생시켜서 환경적으로 큰 문제를 유발하기도 하여, 이로 인한 구멍갈파래의 수거 및 폐기에 많은 인력과 비용이 소비되고 있는 실정이다. 이에 대한 대안으로 구멍갈파래를 바이오 에탄올을 생산하기 위한 자원으로 활용하기 위한 시도가 이루지고 있다.
P. stipitis는 6탄당과 5탄당을 어떻게 에너지원으로 이용하는가?
효모 P. stipitis에서 glucose와 같은 6탄당은 Saccharomycess cerevisiae와 같은 대사 경로로 탄소원과 에너지원으로 이용되지만, 5탄당인 xylose의 경우에는 xylose reductase, xylitol dehydrogenase 두 효소가 관여하는 경로를 통하여 탄소원과 에너지원으로 이용된다. 특히 xylose가 xylitol로 바뀔 때 tricarboxylic acid cycle로 부터의 환원력 공급이 반드시 필요하기 때문에 (Jeffries, 2006), 5탄당인 xylose를 P.
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