맥주 폐 효모액(waste from beer fermentation broth, WBFB)은 바이오 에탄올 생산을 위한 우수하고 저렴한 원료이다. 본 연구에서는 바이오 에탄올 생산을 위해 WBFB의 당화능과 발효능을 확인하는 실험을 진행하였다. 당화능은 온도를 30, 40, 50, 60, $70^{\circ}C$로 다르게 하여 실험했는데 온도가 올라감에 따라 당화능은 증가하였고 4시간 후 $60^{\circ}C$와 $70^{\circ}C$에서 많은 양의 glucose가 생산되었다. WBFB와 chemically defined media (CDM) 혼합물에서는 어떠한 미생물의 첨가 없이도 발효가 되어 에탄올이 생산되었다. 동시당화발효능을 30, 40, 50, $60^{\circ}C$의 다양한 온도에서 실험해본 결과 $30^{\circ}C$에서 에탄올이 가장 많이 생산되었다. 또 이 실험은 WBFB, starch 용액 그리고 CDM을 이용하여 수행하였는데 WBFB에 있는 당화 효소와 효모가 어떠한 추가적 미생물 첨가 없이 당화와 발효를 가능케 하는 요인이었다.
맥주 폐 효모액(waste from beer fermentation broth, WBFB)은 바이오 에탄올 생산을 위한 우수하고 저렴한 원료이다. 본 연구에서는 바이오 에탄올 생산을 위해 WBFB의 당화능과 발효능을 확인하는 실험을 진행하였다. 당화능은 온도를 30, 40, 50, 60, $70^{\circ}C$로 다르게 하여 실험했는데 온도가 올라감에 따라 당화능은 증가하였고 4시간 후 $60^{\circ}C$와 $70^{\circ}C$에서 많은 양의 glucose가 생산되었다. WBFB와 chemically defined media (CDM) 혼합물에서는 어떠한 미생물의 첨가 없이도 발효가 되어 에탄올이 생산되었다. 동시당화발효능을 30, 40, 50, $60^{\circ}C$의 다양한 온도에서 실험해본 결과 $30^{\circ}C$에서 에탄올이 가장 많이 생산되었다. 또 이 실험은 WBFB, starch 용액 그리고 CDM을 이용하여 수행하였는데 WBFB에 있는 당화 효소와 효모가 어떠한 추가적 미생물 첨가 없이 당화와 발효를 가능케 하는 요인이었다.
The waste from beer fermentation broth (WBFB) has been found an excellent and inexpensive resource for bioethanol production. We tried to evaluate the saccharification and fermentation capabilities of WBFB to confirm its effectiveness for bioethanol production. The saccharification potentials of the...
The waste from beer fermentation broth (WBFB) has been found an excellent and inexpensive resource for bioethanol production. We tried to evaluate the saccharification and fermentation capabilities of WBFB to confirm its effectiveness for bioethanol production. The saccharification potentials of the WBFB were evaluated at various temperatures (30, 40, 50, 60 and $70^{\circ}C$). It was found that the saccharification capabilities increased with temperature and highest reached maximum at $60^{\circ}C$ and $70^{\circ}C$ after 4h. Ethanol production from a mixture of WBFB and chemically defined media (CDM) without addition of any microbial species confirmed the fermentation capabilities of WBFB. Simultaneous saccharification and fermentation were performed using WBFB, starch solution and CDM as culturing media. The maximum yield of bioethanol production was obtained at $30^{\circ}C$. The saccharifying enzymes and the yeast cells present in WBFB were essential factors for the production of bioethanol from WBFB without any additional enzymes or microbial cells.
The waste from beer fermentation broth (WBFB) has been found an excellent and inexpensive resource for bioethanol production. We tried to evaluate the saccharification and fermentation capabilities of WBFB to confirm its effectiveness for bioethanol production. The saccharification potentials of the WBFB were evaluated at various temperatures (30, 40, 50, 60 and $70^{\circ}C$). It was found that the saccharification capabilities increased with temperature and highest reached maximum at $60^{\circ}C$ and $70^{\circ}C$ after 4h. Ethanol production from a mixture of WBFB and chemically defined media (CDM) without addition of any microbial species confirmed the fermentation capabilities of WBFB. Simultaneous saccharification and fermentation were performed using WBFB, starch solution and CDM as culturing media. The maximum yield of bioethanol production was obtained at $30^{\circ}C$. The saccharifying enzymes and the yeast cells present in WBFB were essential factors for the production of bioethanol from WBFB without any additional enzymes or microbial cells.
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문제 정의
본 연구에서는 WBFB에 yeast cell과 glucose를 추가 투입하여 에탄올 생산을 더 활발하게 하고 정해진 온도에서의 동시당화발효의 가능성을 확인하는 실험을 하였다. Yeast cell과 glucose를 추가적으로 투입하였을 때 에탄올 생산량은 증가했지만 SSF는 일어나지 않았다.
본 연구에서는 기존의 연구와 달리 정해진 온도에서의 당화 및 발효능을 확인하고 WBFB에 glucose와 효모를 추가 투입하여 동시당화발효(simultaneous saccharification and fermentation process, SSF) 를 이용하여 에탄올을 생산하고 10% glucose를 포함한 특정 배지에 효모를 첨가하는 등 여러 조건에서의 SSF를 이용한 에탄올 생산의 기초 특성을 조사하고자 하였다.
제안 방법
Glucose 농도는 glucose 측정기(refractometer ATGO, Japan)와 glucose kit (GAGO-20 sigma aldrich, USA)을 사용하여 측정하였다. WBFB를 사용한 실험을 진행하였을 때 glucose 측정기를 사용하였다.
Glucose 농도는 glucose 측정기(refractometer ATGO, Japan)와 glucose kit (GAGO-20 sigma aldrich, USA)을 사용하여 측정하였다. WBFB를 사용한 실험을 진행하였을 때 glucose 측정기를 사용하였다. Glucose kit를 사용했을 때 glucose 뿐 아니라 WBFB 속에 들어있는 다른 종류의 당이나 여러 물질들과 반응하여 농도가 정확하게 측정이 되지 않았다.
에탄올 농도는 sample 속에 포함된 당을 제거하기 위하여 saccharide removal kit (Catalog#: DSRK-500, saccharide removal kit, bioassay systems, Hayward, CA, USA)를 이용하였다. 당을 제거한 샘플은 ethanol assay kit (Catalog#: DIET-500, quantichromeethanol assay kit, bioassay systems, Hayward, CA, USA)로 반응시킨 후 UV-spectrometer를 사용하여 파장 580 nm에서 흡광도를 측정하여 에탄올 농도를 계산하였다.
WBFB와 starch 용액을 1:1 비율(각 25 mL)로 혼합하여 50 mL vial에 넣고 온도별로 150 rpm으로 진탕 배양하였다. 배양 120분 후에는 샘플 일부(25 mL)를 채취하여 starch 용액 25 mL를 추가 투입하여 당화효소의 재사용 능력을 확인하기 위해 재 실험하였다.
배양 후 살아있는 yeast cell의 population을 확인하기 위해 colony forming unit (CFU)를 측정하였다. CFU 측정을 위해 효모의 분리용 배지로 널리 쓰이는 YM고형배지를 사용하였다.
대상 데이터
배양 후 살아있는 yeast cell의 population을 확인하기 위해 colony forming unit (CFU)를 측정하였다. CFU 측정을 위해 효모의 분리용 배지로 널리 쓰이는 YM고형배지를 사용하였다. YM고형배지는 YM배지에 agar를 첨가하여 만들었다.
발효 공정은 CDM, WBFB와 2종의 효모를 이용하였다. WBFB과 CDM을 1:1 비율(각 25 mL)로 혼합하고 WBFB 50 mL에 CDM에서 preculture한 효모 5 mL 접종하여 온도 별로 shaking incubator에서 150 rpm으로 진탕 배양하였다.
WBFB 원액은 밀봉하여 20℃에 보관하였고 실험에는 모두 원액을 사용하였다. 발효공정에 사용된 yeast cell은 발효공정에서 가장 흔하게 쓰이고 있는 Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae, ATCC 24858)와 thermotolerant인 Kluyveromyces fragilis (K. fragilis, KCTC 7156)이다. 두 종류의 yeast cell을 YM배지에서 활성화시켜 접종하였다.
본 연구에서 사용한 WBFB는 대한민국 대구 아리아나 호텔 하우스 맥주전문점으로부터 공수하였다. WBFB 원액은 밀봉하여 20℃에 보관하였고 실험에는 모두 원액을 사용하였다.
성능/효과
6% 증가하였다. 30℃와 비교하였을 때 비교적 적은 양의 에탄올이 생산되었지만 40℃에서도 발효가 일어난다는 것을 확인했다. 50℃와 60℃에서는 3.
3% 감소하였다. 50℃와 60℃에서는 에탄올농도가 3.6%, 3.5%로 0.3%, 0.2% 증가하여 큰 변화가 없었으며 glucose 농도는 5.0%에서 5.15%로 0.4%에서 0.55% 증가했다. 두 가지 yeast cell을 접종하였을 때 CFU 결과를 Fig.
1% 감소하였다. 50℃와 60℃에서는 에탄올농도가 거의 증가하지 않았으며 glucose 농도는 5.85%, 6.1%로 각각 0.65%, 1%만큼 증가했다. 또한 30℃와 40℃에서 glucose 농도가 감소하면서 에탄올 농도가 증가하였지만 SSF가 크게 활발하지 않은 것을 알 수 있다.
당화능과 당화효소의 활성도 측정 실험에서는 50, 60℃에서 당화 과정이 가장 활발하게 일어났고, 2가지 효모를 이용한 발효능 측정 실험에서는 S.cerevisiae를 접종한 경우 30℃에서, K.fragilis를 접종한 경우에는 40℃에서 에탄올이 가장 많이 생산되었다. 오래되거나 활성도가 떨어진 WBFB에 yeast cell을 추가함으로써 에탄올 생산량을 증가시킬 수 있다.
50~70℃에서 당화가 활발하게 일어났고 180분 이후 starch 용액을 재투입했을 때(화살표로 나타낸 지점)는 glucose의 농도가 감소했다. 당화최적온도 60, 70 ℃에서도 glucose의 농도가 7.4%에서 7.6%, 7.5%에서 7.6%로 약 0.1~0.2% 밖에 증가하지 않은 것으로 보아 생산된 glucose의 에탄올 전환 또는 당화효소의 활성도가 떨어졌음을 알 수 있다.
두 종류의 yeast cell을 접종한 두 실험 모두 30, 40℃에서 에탄올이 생산되고 50, 60℃에서는 에탄올이 생산되지 않았으며 생산된 에탄올 농도가 가장 높은 온도는 S.cerevisiae의 경우 30℃, K.fragilis의 경우 40℃ 이었다. 전반적인 에탄올 농도는 K.
본 연구는 WBFB 자체만으로도 훌륭한 바이오 에탄올의 원료가 될 수 있지만 효모와 당을 추가 투입함으로써 에탄올 생산을 더 활발하게 진행시킬 수 있다는 것을 보여준다. 또한 thermotolerant인 K. fragilis가 에탄올 발효에 아주 유용하고 효율적인 yeast cell임을 확인했다.
본 연구는 WBFB 자체만으로도 훌륭한 바이오 에탄올의 원료가 될 수 있지만 효모와 당을 추가 투입함으로써 에탄올 생산을 더 활발하게 진행시킬 수 있다는 것을 보여준다. 또한 thermotolerant인 K.
fragilis의 경우 40℃ 이었다. 전반적인 에탄올 농도는 K.fragilis를 접종했을 때가 S.cerevisiae를 접종했을 때보다 높았다. 이러한 결과로 thermotolerant yeast cell이 WBFB으로부터의 에탄올 생산에 효과적이라고 볼 수 있다.
전반전인 결과를 보면 신선한 media를 사용하면 높은 온도 범위에서 발효가 효과적으로 일어났다. 하지만 WBFB 원액을 사용한 일반적인 발효 과정에서 추가적인 효소나 미생물의 투입없이도 상당한 양의 에탄올을 생산할 수 있었다[6].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오 에탄올은 무엇입니까?
바이오 에탄올은 화석연료와 달리 탄수화물의 당화와 당의 발효를 통해 생산되는 대체 및 신재생 에너지이다[5-7]. 바이오 에탄올은 높은 기화잠열과 연소 시 독성 화합물이 많이 방출되지 않는 우수한 연료 특성을 가지고 있지만[8], 생산비용이 상대적으로 높다는 문제점을 가지고 있다[5,9].
WBFB의 장점은 무엇입니까?
WBFB에는 탄소원, 질소원, 보조 starch source, 효소와 효모 등[6] 다양한 기질이 존재한다. 따라서 바이오 에탄올을 생산할 때 효소, 효모, 미생물 혹은 탄수화물을 전혀 첨가하지 않아도 되기 때문에 상등액과 침전물을 생산 주 원료로 사용 할 수 있으며[6,18] 가격 경쟁력 면에서도 효과를 볼 수 있다. WBFB를 이용하여 바이오 에탄올을생산하는 과정에는 당화와 발효과정이 포함 되는데 당화의 최적 온도는 60~70℃이며 발효의 최적 온도는 20~30℃로 두 과정 사이의 온도차가 크다.
바이오 에탄올의 장점 및 단점은 무엇입니까?
바이오 에탄올은 화석연료와 달리 탄수화물의 당화와 당의 발효를 통해 생산되는 대체 및 신재생 에너지이다[5-7]. 바이오 에탄올은 높은 기화잠열과 연소 시 독성 화합물이 많이 방출되지 않는 우수한 연료 특성을 가지고 있지만[8], 생산비용이 상대적으로 높다는 문제점을 가지고 있다[5,9]. 이 문제를 해결하기 위해 사탕수수, 미세조류, 수수, 짚, 옥수수, 산업 폐기물, 농업 잔류물과 같은 저렴하면서도 재생 가능한 자원으로부터 바이오 에탄올을 생산하려는 많은 시도가 있었다.
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