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문제 정의
- 본 연구에서는 홍조류인 우뭇가사리 (Gelidium amansii)를 황산과 상용효소를 사용하여 가수분해를 실시하며, 효모 Kluyveromyces marxianus KCTC 7150와 Candida tropicalis KCTC 7212를 분리당화발효 (SHF)공정을 이용하여 바이오에탄올 발효를 수행하고자 한다.
제안 방법
- 단당 (Glucose, galactose), 저해물질 (HMF), 에탄올 측정은 HPLC (Agilent 1100 Series, Agilent. Inc., Santa Clara, USA)와 RID (refractive index detector)를 이용하였다. 컬럼은 Biorad Aminex HPX-87H column (300.
- 해조류 중 홍조류인 우뭇가사리를 이용하여 산 촉매 열 가수 분해, 효소당화, 에탄올 발효에 대해 연구를 진행하였다. 산 촉매 열 가수분해와 효소 당화 전처리를 이용하여 80 g dw/L의 우뭇가사리에서 총 탄수화물 60.6 g/L로부터 당화 효율 (Es) 67%의 40.4 g/L의 단당을 생성하였다. 에탄올 발효는 K.
- 산 촉매 열가수분해를 최적 전처리 조건으로 실시한 후 5N NaOH를 이용하여 pH를 5.0으로 중화한 뒤 효소 가수분해를 실시하였다. Fig.
- 0 g/L)를 500 mL flask에서 working volume 250 mL로 하여 48시간 동안 배양하였다. 에탄올 발효는 5L 발효기 (KF-5, KFC, Inchon, Korea)에서 working volume 2.5 L로 하여 단계적으로 산 촉매 열가수분해와 효소 가수분해를 수행하였다. 최종 균 농도가 0.
- 에탄올 발효는 Kluyveromyces marxianus KCTC 7150와 Candida tropicalis KCTC 7212를 5L fermentor를 이용하여 분리 당화발효를 실시하였다. K.
- 황산의 농도 범위는 56~132 mM로 설정하고 열처리 시간은 121℃에서 45~75분간 처리하였다. 열처리 후 시료를 12,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 분리된 상층액에서 glucose, galactose, HMF를 측정하였다. 산 촉매 열가수분해의 처리효율 (Ep, %)은 다음 식 (1)로 나타낼 수 있다.
- 우뭇가사리를 이용한 발효당을 생산하기 위해 산 촉매 열가 수분해의 최적 전처리 조건을 확립하였다. Fig.
- 5 L로 하여 단계적으로 산 촉매 열가수분해와 효소 가수분해를 수행하였다. 최종 균 농도가 0.27~0.30 g dcw/L로 접종한 후 30oC, 200 rpm 으로 120시간 동안 배양을 하면서 일정시간마다 시료를 채취하여 HPLC (Agilent 1100 Series, Agilent. Inc., Santa Clara, USA)를 이용하여 생성된 에탄올 농도를 분석하였다.
- 컬럼은 Biorad Aminex HPX-87H column (300.0×7.8 mm)를 사용하여 온도 65℃ 이동상 5 mM 황산, 유속 0.6 mL/min로 하여 각 시료를 40분간 분석하였다 [11].
- 해조류 중 홍조류인 우뭇가사리를 이용하여 산 촉매 열 가수 분해, 효소당화, 에탄올 발효에 대해 연구를 진행하였다. 산 촉매 열 가수분해와 효소 당화 전처리를 이용하여 80 g dw/L의 우뭇가사리에서 총 탄수화물 60.
- 5 L (endo-glucanase, Novozymes)를 사용하였다. 효소 반응은 pH 5.0, 45oC, 200 rpm으로 2일 동안 효소 가수분해를 실시하였으며, 시료를 채취하여 생성된 단당의 양을 측정하였다. 효소 가수분해 효율 (Es, %)은 다음 식 (2)로 나타낼 수 있다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 에탄올 발효를 위한 기질로 모로코산 우뭇가사리를 사용하였으며, 바이올시스템즈 회사에서 모로코산 우뭇가사리를 공급받아 자연건조 후 분쇄기로 갈아서 입자 크기가 355 µm (45 mesh) 이하의 분말을 사용하였다.
- 에탄올 발효 균주는 Kluyveromyces marxianus KCTC 7150와 Candida tropicalis KCTC 7212를 사용하였다. Seed culture는 YPG broth (yeast extract 10.
- 4 g/L의 단당을 생성하였다. 에탄올 발효는 K. marxianus KCTC 7150와 C. tropicalis KCTC 7212를 사용하여 각각 132시간에 에탄올 수율 YEtOH = 0.48의 17.8 g/L의 에탄올과 YEtOH = 0.50의 19.3 g/L의 에탄올을 생산하였다.
- 홍조류인 우뭇가사리의 효소 가수분해를 수행하기 위하여기질 시료를 산 촉매 열가수분해를 실시한 시료를 사용하였다. 가수분해에 사용한 최종 효소 농도는 1.
이론/모형
- 본 실험에서는 에탄올 발효를 위한 기질로 모로코산 우뭇가사리를 사용하였으며, 바이올시스템즈 회사에서 모로코산 우뭇가사리를 공급받아 자연건조 후 분쇄기로 갈아서 입자 크기가 355 µm (45 mesh) 이하의 분말을 사용하였다. 우뭇가사리의 구성성분 분석은 부경대학교 사료영양연구소에 의뢰하였으며, AOAC 방법에 의해 분석을 실시하였다 [9,10].
성능/효과
- Fig. 1(a)는 다양한 슬러리 농도에 따른 산 촉매 열가수분해 결과이며, 슬러리 농도가 증가할수록 가수분해되는 galactose와 HMF의 농도도 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 산촉매 열가수분해시 슬러리 농도가 8%에서 9%로 증가하였을 때 전처리 효율 (Ep)은 40.
- Fig. 1(c)는 8%의 슬러리 농도와 94 mM 황산 농도에서 열처리 시간을 달리하여 산 촉매 열가수분해를 실시한 결과이며, 열처리 시간이 60분에서 75분으로 증가할수록 HMF 농도만 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 전처리 효율 (Ep)은 48.
- 9%의 탄수화물을 함유하고 있었다. 셀룰로오스를 포함한 총 탄수화물은 모로코산 우뭇가사리가 가장 높은 것으로 나타나 실험에 적합한 바이오매스라고 판단되었다.
- 8% ash 등으로 Table 1과 같이 구성되어 있었다. 실험에 사용한 모로코산 우뭇가사리와 같은 홍조류인 제주산 우뭇가사리와 꼬시래기에 대하여 성분 분석한 결과, 제주산 우뭇가사리가 62.8%, 꼬시래기가 66.9%의 탄수화물을 함유하고 있었다. 셀룰로오스를 포함한 총 탄수화물은 모로코산 우뭇가사리가 가장 높은 것으로 나타나 실험에 적합한 바이오매스라고 판단되었다.
- 3 g/L를 나타내었다. 혼합 효소의 가수분해효율 (Es)은 100%에 해당되는 13.9 g/L 이상을 나타내었으며, 단일 효소보다는 혼합 효소를 이용한 가수분해가 당화효율을 높이는 시너지 효과가 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이러한 연구결과는 해양 바이오매스인 해조류로부터 바이오연료 생산과정에 있어 기초적인 정보를 제공할 것이다.
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