갈조류 미역(Undaria pinnatifida)의 분리당화발효와 다양한 효모를 이용한 바이오에탄올의 생산 Bioethanol Production from Seaweed Undaria pinnatifida Using Various Yeasts by Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF)원문보기
해조류 중 갈조류인 미역으로부터 분리당화발효(SHF)를 위한 전처리 및 효소당화를 검토하고, 기존의 분리당화발효(SHF)를 개선하기 위해 공배양발효(co-culture)를 수행하였다. 비순치 효모와 고농도 mannitol에 순치(adaptive evolution)한 효모를 이용한 공배양발효를 실시한 결과 발효 72시간에 12.2 g/l의 에탄올과 에탄올 수율($Y_{EtOH}$) 0.41을 나타내었다. 이러한 기존의 분리당화발효(SHF)를 개선한 공배양발효를 통해 에탄올 생산 수율이 0.23에서 0.41로 35.2% 증가하였으며, 에탄올 발효시간도 108시간에서 72시간으로 33.3% 감소하였다. 이러한 연구결과는 해양 바이오매스인 해조류로부터 바이오연료 생산과정에 있어 유용한 정보를 제공하는 것으로 판단된다.
해조류 중 갈조류인 미역으로부터 분리당화발효(SHF)를 위한 전처리 및 효소당화를 검토하고, 기존의 분리당화발효(SHF)를 개선하기 위해 공배양발효(co-culture)를 수행하였다. 비순치 효모와 고농도 mannitol에 순치(adaptive evolution)한 효모를 이용한 공배양발효를 실시한 결과 발효 72시간에 12.2 g/l의 에탄올과 에탄올 수율($Y_{EtOH}$) 0.41을 나타내었다. 이러한 기존의 분리당화발효(SHF)를 개선한 공배양발효를 통해 에탄올 생산 수율이 0.23에서 0.41로 35.2% 증가하였으며, 에탄올 발효시간도 108시간에서 72시간으로 33.3% 감소하였다. 이러한 연구결과는 해양 바이오매스인 해조류로부터 바이오연료 생산과정에 있어 유용한 정보를 제공하는 것으로 판단된다.
Bioethanol was produced using the separate hydrolysis and fermentation (SHF) method with macroalgal polysaccharides from the seaweed, Undaria pinnatifida as biomass. This study focused on the pretreatment, enzymatic saccharification, and fermentation of yeasts in co-culture. Ethanol fermentation wit...
Bioethanol was produced using the separate hydrolysis and fermentation (SHF) method with macroalgal polysaccharides from the seaweed, Undaria pinnatifida as biomass. This study focused on the pretreatment, enzymatic saccharification, and fermentation of yeasts in co-culture. Ethanol fermentation with 14.5% (w/v) seaweed hydrolysate was performed using the yeasts, Saccharomyces cerevisiae KCTC 1126 alone, Pichia angophorae KCTC 17574 alone, and their co-cultures with the yeasts either adapted to mannitol or not. Among the combinations, the co-culture of non-adapted S. cerevisiae and P. angophorae adapted to mannitol showed high bioethanol production of 12.2 g/l and an ethanol yield ($Y_{EtOH}$) of 0.41. Co-culture in the SSF process was employed in this study, to increase the ethanol yields of 35.2% and reduction of 33.3% in fermentation time. These results provide suitable information on ethanol fermentation with marine seaweeds for bioenergy production.
Bioethanol was produced using the separate hydrolysis and fermentation (SHF) method with macroalgal polysaccharides from the seaweed, Undaria pinnatifida as biomass. This study focused on the pretreatment, enzymatic saccharification, and fermentation of yeasts in co-culture. Ethanol fermentation with 14.5% (w/v) seaweed hydrolysate was performed using the yeasts, Saccharomyces cerevisiae KCTC 1126 alone, Pichia angophorae KCTC 17574 alone, and their co-cultures with the yeasts either adapted to mannitol or not. Among the combinations, the co-culture of non-adapted S. cerevisiae and P. angophorae adapted to mannitol showed high bioethanol production of 12.2 g/l and an ethanol yield ($Y_{EtOH}$) of 0.41. Co-culture in the SSF process was employed in this study, to increase the ethanol yields of 35.2% and reduction of 33.3% in fermentation time. These results provide suitable information on ethanol fermentation with marine seaweeds for bioenergy production.
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제안 방법
Central composite design에 따라 Table 1에 나타낸 바와같이 각 독립변수의 범위를 설정한 후, Design Expert를 이용하여 Table 2와 같이 17가지의 전처리 조건을 설정하여 미역을 전처리하였다. H2SO4 (%, v/v, X1), 가열처리 시간(min, X2), 미역의 slurry content (%, w/v, X3)를 독립변수로 설정하고 종속변수(전처리 효율, Ep)에 대한 회귀방정식을 얻어 전처리 조건에서 독립변수의 상호영향 및 최적 전처리 조건을 구하였다.
Fig. 3는 전처리 한 U. pinnatifida 가수분해산물로부터 비 순치(non-adapted) 효모 S. cerevisiae KCTC 1126와 고농도 mannitol에 순치한 효모 P. angophorae KCTC 17574를 단독 혹은 혼합 사용하여 당 소비와 에탄올생산수율(YEtOH) 을 비교분석하였다.
H2SO4 (%, v/v, X1), 가열처리 시간(min, X2), 미역의 slurry content (%, w/v, X3)를 독립변수로 설정하고 종속변수(전처리 효율, Ep)에 대한 회귀방정식을 얻어 전처리 조건에서 독립변수의 상호영향 및 최적 전처리 조건을 구하였다.
갈조류 U. pinnatifida을 이용하여 열산가수분해와 효소 당화 전처리를 실시하고, 전처리된 U. pinnatifida 가수분해산물을 이용하여 에탄올발효를 진행하였다. 에탄올발효 효모 S.
다양한 단당 및 에탄올 함량 분석을 위해 시료를 14,240 × g에서 10분동안 원심분리 한 후 상층액을 HPLC (Agilent 1100 Series, Agilent. Inc., USA)를 이용하여 분석하였다.
단당으로 glucose 및 mannitol, 저해물질로서 5-hydroxymethylfurfural (HMF), 에탄올의 양 측정은 HPLC (Agilent 1100 Series, Agilent. Inc., USA)와 RID (refractive index detector)를 이용하였다. 컬럼은 Biorad Aminex HPX-87H column (300.
갈조류의 주요 탄소화물은 만니톨 (mannitol), 라미나린(laminarin), 알지네이트(alginate)로부터 구성되며, 열산 가수분해(HT acid hydrolysis) 후 효모를 이용한 바이오에탄올 생산의 단당으로 이용할 수 있다[11]. 따라서 본 연구에서는 미역을 바이오매스로 선택하여 바이오에탄올 발효를 수행하였다.
5 L 를 단독으로 사용하는 것이 당화효율이 가장 높음을 알 수 있었다. 또한 Fig. 2B에서 나타난 바와 같이 Celluclast 1.5 L 를 8, 16, 24, 그리고 32 U/ml로 다양한 농도로 첨가하여 효소의 최적 농도를 확인한 결과 24 U/ml에서 Es가 82%로 가장 높은 값을 나타내기 분리당화발효(SHF)에 적용하는 효소 당화 조건은 24 U/ml의 Celluclast 1.5 L를 단독으로 사용하는 것을 선택하여 실험을 진행하였다.
5 L (854 endo-glucanase U/ml; Novozymes, Bagsvaerd, Denmark)를 단독 혹은 혼합하여 16 U/ml로 첨가하여 45℃에서 48시간 동안 반응시켰다. 또한 효소농도를 8, 16, 24, 그리고 32 U/ml로 첨가하여 효소의 최적 농도를 확인하였다. 효소 당화의 처리효율(Es, %)은 식 (3)로 나타낼 수 있다.
해조류로부터 전처리 조건의 최적화를 위해 반응표면분석법(Response Surface Method, RSM)을 사용하여 독립변수(황산 농도, 가열처리 시간, 슬러리 농도)의 상호작용에 따른 종속변수(전처리 효율)의 변화에 대한 최대반응치를 나타내는 최적조건을 분석하였다. 본 연구에서는 RSM 방법으로 열산 가수분해를 수행한 뒤, 상업적 효소를 이용하여 효소당화를 실시하였다. 전처리와 효소당화가 끝난 후에 효과적인 에탄올 생산을 위해 Saccharomyces cerevisiae KCTC 1126과 Pichia angophorae KCTC 17574를 이용하여 에탄올 발효 및 생산효율을 비교하였다.
angophorae KCTC 17574를 단독 혹은 혼합하여 사용하였다. 분리당화발효(SHF) 에 사용된 고농도 당 순치 효모 S. cerevisiae KCTC 1126와 P. angophorae KCTC 17574는 YPD broth에서 5 ml의 균을 취하여 2차 배양배지 100 ml 플라스크 안에 50 ml working volume의 YPHM (Yeast extract 10.0 g/l, Peptone 20.0 g/l, High concentration of Mannitol 120.0 g/l)에 접종하였다. 이후 36시간 동안 배양하고 배양이 완료된 YPHM broth에서 원심분리기를 이용하여 배지를 제거하고, 순치된 효모 (0.
pinnatifida 가수분해산물을 이용하여 에탄올발효를 진행하였다. 에탄올발효 효모 S. cerevisiae KCTC 1126와 P. angophorae KCTC 17574의 균 성장(dry cell weight, g/l)은 YPD medium (yeast extract 10.0 g/l, peptone 20.0 g/l, glucose 20.0 g/l)을 이용하여 150 rpm, 24시간 동안 1차 종균배양을 실시하였다. 고농도 당 순치(adaptive evolution)를 한 효모는 당 흡수율과 에탄올 생산이 증가한다고 보고되고 있으며[3], 여러 단당이 혼합되어 있는 미역 가수분해산물에서 S.
본 연구에서는 RSM 방법으로 열산 가수분해를 수행한 뒤, 상업적 효소를 이용하여 효소당화를 실시하였다. 전처리와 효소당화가 끝난 후에 효과적인 에탄올 생산을 위해 Saccharomyces cerevisiae KCTC 1126과 Pichia angophorae KCTC 17574를 이용하여 에탄올 발효 및 생산효율을 비교하였다.
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 분석 하였다.
해조류로부터 전처리 조건의 최적화를 위해 반응표면분석법(Response Surface Method, RSM)을 사용하여 독립변수(황산 농도, 가열처리 시간, 슬러리 농도)의 상호작용에 따른 종속변수(전처리 효율)의 변화에 대한 최대반응치를 나타내는 최적조건을 분석하였다. 본 연구에서는 RSM 방법으로 열산 가수분해를 수행한 뒤, 상업적 효소를 이용하여 효소당화를 실시하였다.
효소 가수분해 열산 가수분해를 실시한 후 5N NaOH를 이용하여 pH를 5.0으로 중화한 뒤 미역 가수분해산물의 효소당화를 실시하였다. Fig.
대상 데이터
0 g/l)을 이용하여 150 rpm, 24시간 동안 1차 종균배양을 실시하였다. 고농도 당 순치(adaptive evolution)를 한 효모는 당 흡수율과 에탄올 생산이 증가한다고 보고되고 있으며[3], 여러 단당이 혼합되어 있는 미역 가수분해산물에서 S. cerevisiae KCTC 1126와 고농도 mannitol에 순치한 P. angophorae KCTC 17574를 단독 혹은 혼합하여 사용하였다. 분리당화발효(SHF) 에 사용된 고농도 당 순치 효모 S.
제 2 세대 바이오매스로부터 생산된 바이오에탄올은 리그노 셀룰로오스 바이오매스와 농업폐기물을 이용하여 생산된다. 그 원료는 옥수수대, 풀, 짚, 목재 칩이 있다. 그러나, 2 세대 바이오매스 원료는 낮은 전처리 수율 및 전처리 공정으로 인해 가수분해 과정에서 전처리비용이 높다[2].
본 연구에서는 에탄올 발효를 위한 바이오매스로 국산 미역(Undaria pinnatifida)을 사용하였으며, 기장물산 주식회사(기장, 부산)에서 공급받아 자연건조 후 분쇄기로 갈아서 입자크기가 355 μm (45 mesh) 이하의 분말을 사용하였다.
8%, ash 28% 등으로 구성되어 있었다. 이 결과를 통해 미역에서 사용할 수 있는 총 탄수화물 함량은 섬유를 포함한 52%이며, 이는 에탄올 생산에 적합한 바이오매스라고 판단되어 실험에 사용하였다.
cerevisiae KCTC 1126의 발효 결과, glucose가 완전히 소비된 이후 mannitol 농도는 전혀 감소되지 않았다(data not shown). 이는 S. cerevisiae KCTC 1126는 mannitol을 사용하지 못한다는 것을 알 수 있었고[6], 따라서 효모2종을 이용한 공배양 발효(co-culture)에서 glucose의 빠른 섭취를 위해 비순치 S. cerevisiae KCTC 1126를 사용하였다.
데이터처리
Table 1에 나타낸 독립변수는 central composite design (CCD)에 따라 17개의 실험군으로 설정하였다. 또한 독립변수에 영향을 받는 종속변수(Y)는 생성되는 단당의 총량을 HPLC로 측정하여 전처리 효율(Ep, %) 값을 회귀분석에 사용하였으며, 이 때 세가지 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀모형은 다음의 식 (1)과 같다.
는 회귀계수이다. 중심합성법에 의해 얻은 실험결과를 바탕으로 SAS ver. 9.1 (SAS Institute, USA)을 이용하여 통계적으로 분석하여 회귀방정식을 구하였다.
이론/모형
본 연구에서는 에탄올 발효를 위한 바이오매스로 국산 미역(Undaria pinnatifida)을 사용하였으며, 기장물산 주식회사(기장, 부산)에서 공급받아 자연건조 후 분쇄기로 갈아서 입자크기가 355 μm (45 mesh) 이하의 분말을 사용하였다. 미역의 구성성분 분석은 부경대학교 사료영양연구소에 의뢰하였으며, AOAC 방법에 의해 분석을 실시하였다[12].
성능/효과
5% (w/v) 미역을 열산 가수분해 실시하였을 때 생성되었다. Fig. 2A에서 효소 종류에 따른 단일 혹은 복합효소의 가수분해효율(Es) 은 Celluclast 1.5 L, Viscozyme L, mixed enzyme (C + V) 에서 각각 69%, 53%, 42%로 나타났으며, Celluclast 1.5 L 를 단독으로 사용하는 것이 당화효율이 가장 높음을 알 수 있었다. 또한 Fig.
33으로 나타났다. Fig. 3D는 비순치 S. cerevisiae KCTC 1126와 고농도 mannitol에 순치한 P. angophorae KCTC 17574를 이용하여 30℃, 150 rpm으로 108시간 동안 공배양 발효(co-culture)한 결과이며, 36시간에 glucose가 모두 소비되었으며, 36시간 이후 mannitol이 흡수되기 시작하여 72시간에 mannitol이 모두 소비되었다. Fig.
갈조류인 미역의 구성성분을 AOAC 방법으로 분석한 결과 탄수화물 48.5%, 섬유 3.5%, 단백질 18.2%, 지방 1.8%, ash 28% 등으로 구성되어 있었다. 이 결과를 통해 미역에서 사용할 수 있는 총 탄수화물 함량은 섬유를 포함한 52%이며, 이는 에탄올 생산에 적합한 바이오매스라고 판단되어 실험에 사용하였다.
41로 나타났다. 고농도 mannitol에 순치한 P. angophorae KCTC 17574의 에탄올 수율(YEtOH)인 0.33 (Fig. 3C)과 비교 하였을 때, 비순치 S. cerevisiae KCTC 1126와 고농도 mannitol에 순치한 P. angophorae KCTC 17574를 이용하여 공배양발효(Fig. 3D)를 수행한 에탄올 전환수율이 높음을 알 수 있었다. 한편, S.
1 g/l의 바이오에탄올을 생산한 것으로 보고하였다. 따라서 다양한 단당의 해조류 가수분해산물로부터 특정 당 섭취에 효과적인 효모 2종을 이용한 공배양발효(co-culture)는 기존에 알려진 바이오에탄올 생산수율보다 높거나 비슷한 것으로 판단되며, 에탄올 생산 및 생산 수율(YEtOH)을 높이는데 효과적인 공정임을 알 수 있었다.
28 g/l의 에탄올을 생산하였다. 또한 36시간 이후 mannitol이 흡수되기 시작하였으나, 3.20 g/l의 mannitol이 배양액에 남아 있는 것을 확인할 수 있었다. 최종 에탄올수율(YEtOH)은 0.
전처리 조건에 대한 반응표면은 Fig. 1에 나타내었으며 전처리 효율(Ep)에 대한 결정계수(R2)는 0.94로 황산농도와 가열처리 시간에 따라 전처리효율(Ep)이 증가하였으며, 황산농도보다는 가열처리 시간에 따라 전처리 효율(Ep)에 상대적으로 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig. 1). 최대 총단당의 생성량은 24.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해조류가 1,2세대 바이오매스를 교체할 수 있는 가장 적합한 바이오매스인 이유는 무엇인가?
제 3 세대 바이오매스인 해조류는 생육과 성장이 매우 우수하고 연안해역을 이용하기 때문에 가용 재배면적이 넓고 비료 등의 자원을 투입할 필요가 없어 제 1 및 제 2 세대 바이오매스를 교체할 수 있는 가장 적합한 바이오매스이다. 해조류 중 갈조류, 특히 다시마(Saccharina japonica), 김 (Porphyra sp.
해조류 중 갈조류의 주요 탄수화물은 무엇으로 구성되어있는가?
), 미역(Undaria pinnatifida)은 한국에서 널리 재배되고 있다[7]. 갈조류의 주요 탄소화물은 만니톨 (mannitol), 라미나린(laminarin), 알지네이트(alginate)로부터 구성되며, 열산 가수분해(HT acid hydrolysis) 후 효모를 이용한 바이오에탄올 생산의 단당으로 이용할 수 있다[11]. 따라서 본 연구에서는 미역을 바이오매스로 선택하여 바이오에탄올 발효를 수행하였다.
에탄올은 어떤 원료로 생산하였는가?
바이오에탄올은 탄수화물을 포함하는 다양한 바이오매스 로부터 생산할 수 있다. 전통적으로, 에탄올은 옥수수, 밀, 사탕수수 등의 제 1 세대 바이오매스를 이용하여 생산되었다[1]. 그러나 이러한 원료는 동물사료 또는 인간의 식품과 경쟁으로 도덕적문제와 가격상승의 문제가 발생하고 있다[4].
참고문헌 (13)
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