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문제 정의
- 본 연구에서는 식음료폐기물을 에탄올 발효기질로서의 이용 가능성을 검토하기 위해 식음료폐기물의 특성을 분석하고 특성에 맞는 처리를 통하여 발효에 의한 에탄올을 생산하고, 생산된 에탄올을 농축시키기 위해 증류공정 및 탈수공정을 이용하여 연료용 바이오에탄올 생산하고자 하였다.
제안 방법
- 먼저 식음료폐기물 1 L를 2 L 삼각플라스크에 투입한 후, 영양원 (발효폐액)을 각각 식음료폐기물 첨가 대비 5~15 vol%를 첨가하였다. 이어서 식음료폐기물의 pH를 측정한 후, NaOH를 첨가하여 pH를 4.
- 발효 된 식음료폐기물을 농축하기 위해 증류공정과 탈수공정을 이용하였다. 먼저 증류 및 탈수설비를 가동하기 위한 식음료폐기물 발효액을 확보하기 위해 (주)창해에탄올 연구소에 설치된 발효조 (Fig. 1)를 이용하여 발효를 실시하였다. 사용된 식음료폐기물의 양은 70L였으며, 영양원으로서 발효폐액을 10vol%첨가하였다.
- 발효 된 식음료폐기물을 농축하기 위해 증류공정과 탈수공정을 이용하였다. 먼저 증류 및 탈수설비를 가동하기 위한 식음료폐기물 발효액을 확보하기 위해 (주)창해에탄올 연구소에 설치된 발효조 (Fig.
- 발효가 종료된 식음료폐기물의 에탄올 농도는 발효액을 원심분리한 후 다시 Syringe filter (0.2 µm)를 이용하여 여과하여 HPLC (Waters사)을 이용하여 생산된 에탄올의 농도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 생산단계나 유통단계에서 사용되지 못하고 버려지는 식음료폐기물을 이용하여 바이오에탄올을 생산하였다. 본 연구 결과 식음료폐기물의 pH가 3.
- 식음료폐기물에 함유된 당 농도를 측정하기 위해서 Syringe filter (0.2 µm)를 이용하여 여과한 후 HPLC (High Performance Liquid Chromatography, Waters사)를 이용하여 분석하였다.
- 식음료폐기물에 함유된 당이 에탄올로의 전환을 확인하기 위해 수시분석을 실시하였으며, 식음료폐기물 발효액이 든 삼각플라스크의 무게를 수시를 측정함으로서 분석을 실시하였다. 이는 발효공정에서 CO2가 발생하여 삼각플라스크의 무게가 감소하게 되는데 이를 이용하여 발효로 인한 에탄올 농도를 측정할 수 있다.
- 식음료폐기물에는 에탄올 생산 균주의 생장에 필요한 영양원이 부족하기 때문에 영양원 (K2HPO4 1 g/L, MgSO47H2O 0.25 g/L, (NH4)2HPO4 0.5 g/L, CO(NH2)2 0.5 g/L)을 첨가하고 pH 조절, 살균 및 냉각을 실시하여 발효를 수행하였다. 76시간동안 발효를 수행한 결과 40.
- 식음료폐기물을 별도의 영양원 첨가 없이 pH 조절과 살균 및 냉각 후에 S. cerevisiae를 접종하여 발효를 실시하였다. 76시간동안 발효를 수행한 결과, 생산된 에탄올의 농도는 13.
- 식음료폐기물의 특성을 분석하기 위해 당 농도, pH, 밀도, 점도를 측정하였으며, 결과를 Table 1에 나타내었다. 먼저 당 농도를 분석한 결과 9.
- 현재 전분질계 바이오매스 기반 에탄올 생산 공정에서는 별도의 영양원을 첨가하지 않고 발효하여도 약 10~12 vol%의 에탄올을 생산하고 있다. 이는 전분질계 바이오매스에 당 외에 효모의 생장에 도움을 주는 영양원들이 존재하고 있을 것이라 예상되어 분석을 실시하여 결과를 Table 2에 나타내었으며, 증류공정에서 반제품으로 생산되는 발효폐액을 5 vol%, 10 vol%, 15 vol%로 첨가한 후 식음료폐기물에 첨가하고 pH 조절, 살균과 냉각 후에 S. cerevisiae를 접종하여 발효를 실시하였다 (Fig. 5). 발효가 끝난 후에 에탄올 농도를 분석한 결과 44~46 g/L이었다.
- 2wt%의 에탄올을 생산하였다. 증류공정을 통해 생산 된 에탄올의 수분을 제거하여 무수에탄올을 생산하기 위해 (주)창해에탄올 연구소에 설치 된 탈수설비 (Fig. 1)를 이용하였다. 이 탈수설비는 단일 다중관식 PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 설비이며, 수분 흡착을 위해 흡착 column에 충진한 흡착제로는 Zeochem사의 3Å제올라이트를 이용하였다.
- 1)를 이용하여 농축을 실시하였다. 증류장치는 상압증류방식이며, Mash column과 Rectification column으로 2개의 Column으로 구성되어 있어 Mash column에서 1차 농축 및 고액 분리를 실시하였으며, Rectification column에서 2차 농축을 실시하여 94.2wt%의 에탄올을 생산하였다. 증류공정을 통해 생산 된 에탄올의 수분을 제거하여 무수에탄올을 생산하기 위해 (주)창해에탄올 연구소에 설치 된 탈수설비 (Fig.
대상 데이터
- 또한 영양원 공급을 위해 사용된 K2HPO4, MgSO47H2O, (NH4)2HPO4는 JUNSEI사 제품을 구매하여 사용하였으며, 요소는 (주)남해화학의 제품을 구매하여 사용하였다. 그리고 pH 조절을 위하여 사용 된 NaOH는 JUNSEI사 제품을 구매하여 이용하였다. 발효에 사용된 효모는 (주)창해에탄올에서 사용하고 있는 산업용 균주인 Saccharomyces cerevisiae CHY1011 (KCTC11250BP)을 이용하였다.
- 식음료 폐기물에 영양원으로서 발효폐액 (전분질계 원료 사용)을 사용하였으며, 현재 (주)창해에탄올 생산 공장에서 반제품으로 생산된 것을 이용하였다. 또한 영양원 공급을 위해 사용된 K2HPO4, MgSO47H2O, (NH4)2HPO4는 JUNSEI사 제품을 구매하여 사용하였으며, 요소는 (주)남해화학의 제품을 구매하여 사용하였다. 그리고 pH 조절을 위하여 사용 된 NaOH는 JUNSEI사 제품을 구매하여 이용하였다.
- 사용된 식음료폐기물의 양은 70L였으며, 영양원으로서 발효폐액을 10vol%첨가하였다. 발효공정을 통해 생산된 발효액은 (주)창해에탄올 연구소에 설치 된 증류장치 (Fig. 1)를 이용하여 농축을 실시하였다. 증류장치는 상압증류방식이며, Mash column과 Rectification column으로 2개의 Column으로 구성되어 있어 Mash column에서 1차 농축 및 고액 분리를 실시하였으며, Rectification column에서 2차 농축을 실시하여 94.
- 그리고 pH 조절을 위하여 사용 된 NaOH는 JUNSEI사 제품을 구매하여 이용하였다. 발효에 사용된 효모는 (주)창해에탄올에서 사용하고 있는 산업용 균주인 Saccharomyces cerevisiae CHY1011 (KCTC11250BP)을 이용하였다. 마지막으로 식음료폐기물의 발효, 증류 및 탈수는 (주)창해에탄올에 설치된 Pilot plant를 사용하여 에탄올을 생산하였다.
- 본 연구에 사용된 식음료폐기물은 C 음료 제조회사에서 유통기한이 지난 식음료폐기물을 공급받아 사용하였다. 식음료 폐기물에 영양원으로서 발효폐액 (전분질계 원료 사용)을 사용하였으며, 현재 (주)창해에탄올 생산 공장에서 반제품으로 생산된 것을 이용하였다.
- 본 연구에 사용된 식음료폐기물은 C 음료 제조회사에서 유통기한이 지난 식음료폐기물을 공급받아 사용하였다. 식음료 폐기물에 영양원으로서 발효폐액 (전분질계 원료 사용)을 사용하였으며, 현재 (주)창해에탄올 생산 공장에서 반제품으로 생산된 것을 이용하였다. 또한 영양원 공급을 위해 사용된 K2HPO4, MgSO47H2O, (NH4)2HPO4는 JUNSEI사 제품을 구매하여 사용하였으며, 요소는 (주)남해화학의 제품을 구매하여 사용하였다.
- 식음료폐기물을 살균처리하기 위하여 Autoclave를 이용하여 121℃에서 15분동안 살균처리를 한 후, 32℃가 될 때까지 냉각하였다. 식음료폐기물을 발효하기 위해 사용 된 균주는 S. cerevisiae CHY1011(KCTC11250BP)을 사용하였고 YPD액체배지 (yeast extract 20 g/L, peptone 20 g/L, glucose 100 g/L)에 접종한 후 32℃에서 24시간동안 배양하였다. 배양액 7 vol%를 식음료폐기물에 합병하고 Incubator에서 32℃의 조건으로 발효를 실시하여 에탄올을 생산하였다.
성능/효과
- 5 g/L)을 첨가하고 pH 조절, 살균 및 냉각을 실시하여 발효를 수행하였다. 76시간동안 발효를 수행한 결과 40.35 g/L의 에탄올을 생산하였고, 발효수율은 85.82%였다 (Fig. 4.). 이는 영양원을 첨가하지 않고 발효를 실시한 결과와 달리 효모의 생장 조건이 영양원을 첨가함으로써 개선되어 에탄올 생산 측면에서 우수한 수율을 나타냈다.
- cerevisiae를 접종하여 발효를 실시하였다. 76시간동안 발효를 수행한 결과, 생산된 에탄올의 농도는 13.8g/L로 분석되었으며, 발효수율은 약 29.35%였다 (Fig. 3). 영양원을 첨가하지 않고 발효를 실시한 결과 다량의 당이 에탄올로 전환되지 않고 그대로 잔존하였다.
- 이를 보완하기 위해 전분질계 에탄올 생산공정에서 발생되는 폐액을 영양원으로 첨가한 결과 효모의 생육 조건을 개선시킬 수 있었으며 식음료폐기물에 함유된 당을 모두 사용할 수 있어 에탄올 농도 또한 45 g/L이상으로 분석, 발효속도 또한 발효 폐액을 10 vol%이상 첨가했을 시 발효 30시간이면 완료할 수 있었다. 결론적으로 식음료폐기물은 단독발효는 식음료폐기물에 함유된 영양원이 부족하여 효모의 생장을 억제하여 높은 에탄올 생산 수율을 기대하기 힘들기 때문에 영양원을 첨가해야만 높은 수율을 기대할 수 있었으며, 영양원으로서 전분질계에탄올 공정에서 발생되는 발효 폐액을 첨가할 경우 매우 우수한 효과를 나타내는 것으로 분석되었다. 또한 식음료 폐기물 발효액을 이용하여 증류와 탈수공정을 통해 에탄올을 농축시킬 수 있었고, 그 결과 99.
- 2wt% (92 g/L)의 당을 함유하고 있었으며, Glucose와 Fructose의 단당류 형태로 존재하고 있어 별도의 당화공정 없이 발효가 가능한 형태로 존재하고 있었다. 다음으로 pH를 분석한 결과는 3.24로 분석되어 S. cerevisiae의 최적 조건이 4.5에 비해 낮은 수치를 나타내고 있어 pH 조절 없이 식음료폐기물을 이용하여 바로 발효할 경우 에탄올 생산수율이 저하될 것으로 분석되었다.
- 결론적으로 식음료폐기물은 단독발효는 식음료폐기물에 함유된 영양원이 부족하여 효모의 생장을 억제하여 높은 에탄올 생산 수율을 기대하기 힘들기 때문에 영양원을 첨가해야만 높은 수율을 기대할 수 있었으며, 영양원으로서 전분질계에탄올 공정에서 발생되는 발효 폐액을 첨가할 경우 매우 우수한 효과를 나타내는 것으로 분석되었다. 또한 식음료 폐기물 발효액을 이용하여 증류와 탈수공정을 통해 에탄올을 농축시킬 수 있었고, 그 결과 99.7 wt%의 연료용 무수 에탄올을 생산할 수 있었다. 이는 폐기물인 바이오매스와 저렴한 영양원 (발효폐액)을 이용하여 바이오에탄올 생산할 수 있음으로 인해 에탄올 생산 비용에서 가장 큰 부분을 차지하는 바이오매스 부분을 절감 할 수 있어 에탄올 생산 단가를 낮출 수 있을 것이라 판단되며 생산 공정 또한 복잡하지 않아 향후 Scale-up을 통한 상업화에도 매우 많은 가능성을 가지고 있다고 판단된다.
- 식음료폐기물의 특성을 분석하기 위해 당 농도, pH, 밀도, 점도를 측정하였으며, 결과를 Table 1에 나타내었다. 먼저 당 농도를 분석한 결과 9.2wt% (92 g/L)의 당을 함유하고 있었으며, Glucose와 Fructose의 단당류 형태로 존재하고 있어 별도의 당화공정 없이 발효가 가능한 형태로 존재하고 있었다. 다음으로 pH를 분석한 결과는 3.
- 발효가 끝난 후에 에탄올 농도를 분석한 결과 44~46 g/L이었다. 발효폐액을 첨가하여 발효를 실시한 결과 인위적으로 영양원 (K2HPO4 1 g/L, MgSO47H2O 0.25 g/L, (NH4)2HPO4 0.5 g/L, CO(NH2)2 0.5 g/L)을 제조하여 첨가한 발효액보다 더 높은 발효수율을 나타내고 있어 더 효율적인 방법이라고 볼 수 있으며, 특히 발효 속도면에서 매우 우수한 것으로 나타났다 (Fig. 4). 영양원을 첨가한 발효액은 76시간 경과 후 약 83%의 수율을 나타내고 있지만 발효폐액을 15 vol%를 첨가한 발효액에서는 약 32시간이 경과하면 발효가 종료된 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 생산단계나 유통단계에서 사용되지 못하고 버려지는 식음료폐기물을 이용하여 바이오에탄올을 생산하였다. 본 연구 결과 식음료폐기물의 pH가 3.24로 분석되어 S. cerevisiae에 의한 발효공정의 수율이 낮을 것으로 예상되어 NaOH와 같은 염기성 물질을 첨가하여 pH를 최적조건인 4.5로 조절하였다. 식음료폐기물을 영양원을 첨가하지 않고 발효한 경우 효모의 영양원 부족으로 인해 에탄올 농도 (13.
- 4). 영양원을 첨가한 발효액은 76시간 경과 후 약 83%의 수율을 나타내고 있지만 발효폐액을 15 vol%를 첨가한 발효액에서는 약 32시간이 경과하면 발효가 종료된 것으로 분석되었다. 에탄올 생산성도 1.
- 8 g/L)와 발효 수율 면에서 낮게 분석되었다. 이를 보완하기 위해 전분질계 에탄올 생산공정에서 발생되는 폐액을 영양원으로 첨가한 결과 효모의 생육 조건을 개선시킬 수 있었으며 식음료폐기물에 함유된 당을 모두 사용할 수 있어 에탄올 농도 또한 45 g/L이상으로 분석, 발효속도 또한 발효 폐액을 10 vol%이상 첨가했을 시 발효 30시간이면 완료할 수 있었다. 결론적으로 식음료폐기물은 단독발효는 식음료폐기물에 함유된 영양원이 부족하여 효모의 생장을 억제하여 높은 에탄올 생산 수율을 기대하기 힘들기 때문에 영양원을 첨가해야만 높은 수율을 기대할 수 있었으며, 영양원으로서 전분질계에탄올 공정에서 발생되는 발효 폐액을 첨가할 경우 매우 우수한 효과를 나타내는 것으로 분석되었다.
- 79 g/L-h(에탄올 농도 40 g/L 도달 기준)으로 분석되었다. 인위적으로 첨가한 발효액과 발효폐액을 영양원으로서 첨가한 발효액에서의 에탄올 생산성 차이가 나타나는 요인은 발효폐액에 함유된 조단백질, 조지방, UGF (Unknown Growth Factor)가 효모의 생장조건을 인위적으로 영양원을 제조 후 첨가한 실험구보다 더 개선시킬 수 있었기 때문에 발효 속도를 더욱더 촉진시킨 것이라 판단되었다.
후속연구
- cerevisiae의 생장에 필요한 영양원이 부족하여 발효수율이 낮게 나타난 것으로 분석된다. 결론적으로 식음료폐기물은 발효의 기질원으로 사용되는 당은 풍부하게 함유되어 있지만 에탄올 생산균주의 생장에 필요한 영양원은 함유되어 있지 않아 식음료 폐기물만을 이용하여 에탄올 발효는 어려울 것으로 사료되며, 이를 보완하기 위해 영양원을 첨가하여 효모의 생장 조건을 개선시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 7 wt%의 연료용 무수 에탄올을 생산할 수 있었다. 이는 폐기물인 바이오매스와 저렴한 영양원 (발효폐액)을 이용하여 바이오에탄올 생산할 수 있음으로 인해 에탄올 생산 비용에서 가장 큰 부분을 차지하는 바이오매스 부분을 절감 할 수 있어 에탄올 생산 단가를 낮출 수 있을 것이라 판단되며 생산 공정 또한 복잡하지 않아 향후 Scale-up을 통한 상업화에도 매우 많은 가능성을 가지고 있다고 판단된다.
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