단수수[Sorghum bicolor (L)]는 당류가 풍부한 사탕수수, 사탕무와 같은 주요 바이오연료 작물 중의 하나이다. 단수수 착즙액은 단수수 줄기를 압착하여 추출하며 주요 성분는 glucose와 fructose 그리고 sucrose로 구성되어 있다. 에탄올은 효모발효공정을 통하여 단수수 착즙액으로부터 쉽게 생산할 수 있다. 단수수 착즙액은 당류 뿐만 아니라 질소나 인산과 같은 다양한 무기영양원도 함유하고 있어 종균 배지로 활용성이 높다. 상업적인 에탄올 생산 공정에서 종균배양은 중요한 발효공정 중의 하나이며 공정비용 절감을 위해 최적화된 배지가 필수적이다. 본 연구에서는 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균의 배지로서 단수수 착즙액의 특성을 평가하였다. 단수수착즙액의 발효기질 적합성을 평가하기 위해 YPD 및 억새 당화액을 비교하여 실험하였으며, YPD배지 중 yeast extract 와 peptone은 각각 5 g/L의 농도로 사용하였다. 각각의 기질들은 당 농도가 2%, 5%, 10%가 함유되도록 제조하여 발효를 통한 균체농도를 측정하였다. 그 결과 YPD와 단수수착즙액을 배지로 사용하였을 때 발효 24시간 후에 최대 $2.5{\times}10^8CFU/mL$ 이상의 균체농도를 나타내었다. 결과적으로 단수수착즙액은 12시간 발효 후에 $1.0{\times}10^8CFU/mL$ 균체를 생산하여 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균 배지로서 YPD를 대체하여 사용할 수 있음을 확인하였다.
단수수[Sorghum bicolor (L)]는 당류가 풍부한 사탕수수, 사탕무와 같은 주요 바이오연료 작물 중의 하나이다. 단수수 착즙액은 단수수 줄기를 압착하여 추출하며 주요 성분는 glucose와 fructose 그리고 sucrose로 구성되어 있다. 에탄올은 효모발효공정을 통하여 단수수 착즙액으로부터 쉽게 생산할 수 있다. 단수수 착즙액은 당류 뿐만 아니라 질소나 인산과 같은 다양한 무기영양원도 함유하고 있어 종균 배지로 활용성이 높다. 상업적인 에탄올 생산 공정에서 종균배양은 중요한 발효공정 중의 하나이며 공정비용 절감을 위해 최적화된 배지가 필수적이다. 본 연구에서는 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균의 배지로서 단수수 착즙액의 특성을 평가하였다. 단수수착즙액의 발효기질 적합성을 평가하기 위해 YPD 및 억새 당화액을 비교하여 실험하였으며, YPD배지 중 yeast extract 와 peptone은 각각 5 g/L의 농도로 사용하였다. 각각의 기질들은 당 농도가 2%, 5%, 10%가 함유되도록 제조하여 발효를 통한 균체농도를 측정하였다. 그 결과 YPD와 단수수착즙액을 배지로 사용하였을 때 발효 24시간 후에 최대 $2.5{\times}10^8CFU/mL$ 이상의 균체농도를 나타내었다. 결과적으로 단수수착즙액은 12시간 발효 후에 $1.0{\times}10^8CFU/mL$ 균체를 생산하여 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균 배지로서 YPD를 대체하여 사용할 수 있음을 확인하였다.
Sweet sorghum [Sorghum bicolor (L)] is one of the major crops for biofuels such as sugarcane and sugar beet which raw materials rich in saccharide. Sweet sorghum juice was extracted from the stem. It's composed of fermentable sugars such as glucose, fructose and sucrose. Ethanol from the extracted s...
Sweet sorghum [Sorghum bicolor (L)] is one of the major crops for biofuels such as sugarcane and sugar beet which raw materials rich in saccharide. Sweet sorghum juice was extracted from the stem. It's composed of fermentable sugars such as glucose, fructose and sucrose. Ethanol from the extracted sweet sorghum juice can be easily produced by yeast fermentation process. Sweet sorghum juice is consisted of not only sugars but also various nutrients like nitrogen and phosphate. For commercial production of bioethanol, seed culture is one of the important parts of fermentation, so that optimal culture medium should be selected for the reduction of processing costs. In this study, sweet sorghum juice was estimated as a culture medium for seed culture of cellulosic bioethanol. For the comparison of cultures with various substrates, it used YPD including each 5 g/L yeast extract and peptone, sweet sorghum juice and hydrolyzed Miscanthus was taken part in the culture with 2%, 5% and 10% sugar conditions. Based on media of YPD and sweet sorghum juice, cell-mass concentration was obtained maximum more than $2.5{\times}10^8CFU/mL$ after 24 h of cultivation. Consequently sweet sorghum juice is suitable for the cell culture with more than $1.0{\times}10^8CFU/mL$ after 12 h of cultivation. This can be used as a culture medium for the cellulosic bioethanol industry.
Sweet sorghum [Sorghum bicolor (L)] is one of the major crops for biofuels such as sugarcane and sugar beet which raw materials rich in saccharide. Sweet sorghum juice was extracted from the stem. It's composed of fermentable sugars such as glucose, fructose and sucrose. Ethanol from the extracted sweet sorghum juice can be easily produced by yeast fermentation process. Sweet sorghum juice is consisted of not only sugars but also various nutrients like nitrogen and phosphate. For commercial production of bioethanol, seed culture is one of the important parts of fermentation, so that optimal culture medium should be selected for the reduction of processing costs. In this study, sweet sorghum juice was estimated as a culture medium for seed culture of cellulosic bioethanol. For the comparison of cultures with various substrates, it used YPD including each 5 g/L yeast extract and peptone, sweet sorghum juice and hydrolyzed Miscanthus was taken part in the culture with 2%, 5% and 10% sugar conditions. Based on media of YPD and sweet sorghum juice, cell-mass concentration was obtained maximum more than $2.5{\times}10^8CFU/mL$ after 24 h of cultivation. Consequently sweet sorghum juice is suitable for the cell culture with more than $1.0{\times}10^8CFU/mL$ after 12 h of cultivation. This can be used as a culture medium for the cellulosic bioethanol industry.
본 연구에서는 국내 환경에서 잘 자라며 바이오매스 수량이 많은 우수 단수수 품종으로부터 착즙액을 생산하여 발효종균용 배지로 이용함으로써 1세대와 2세대를 융합한 바이오에탄올 생산기술 기반 구축에 기여하고자 수행하였다.
제안 방법
단수수 착즙액을 배지로 이용하여 효모발효를하였을 때 당 소비 및 에탄올 생산량이 YPD배지를 사용했을 때와 어느 정도 차이가 있는지 파악하기 위해 발효 실험을 수행하였다. 종균은 액상으로 2회 계대배양하였고, 두 번째 종균은 모두 10시간씩 배양하여 전체 발효부피의 7%를 접종하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 단수수는 농촌진흥청 국립식량과학원 바이오에너지작물연구소에서 2013년 재배된 재래 품종이며 단수수 착즙액 시료는 단수수의 잎과 종실부위를 제거한 줄기를 롤러 압착형 착즙기(remark, south korea)를 이용하여 추출하였다. 추출한 착즙액은 감압농축기(전남 생물산업진흥원 식품산업연구원)를 이용하여 70brix로 농축하여 냉장(1~3℃) 보관하고 발효실험에 필요한 농도로 희석하여 사용하였다.
효모균주는 ㈜창해에탄올 종합기술원에서 분양받은 Saccharomyces cerevisiae CHY1011을 사용하였으며, 종균배양은 YPD배지를 사용하여 agar plate에서 2회 계대배양하고, 액상배양은 1차 계대배양 12시간, 2차 10시간 배양 후 에탄올 발효공정의 종균으로 사용하였다. 이때 배양조건은 33℃, 150RPM이며 배양 유효용적은 총 발효 부피의 10% 이었으며, 실제 접종량은 7% 이었다.
성능/효과
단수수착즙액을 효모발효의 배지로 사용하기 위해서 당성분 및 무기영양원을 분석한 결과 당성분은 glucose, fructose, sucrose를 모두 합하여 평균적으로 120g/L이상이었으며, 무기영양원의 함량은 실험실 수준에서 사용하는 yeastextract(5g/L) 와 peptone(5g/L) 보다는 적었지만 효모발효결과 발효율 85% 이상으로 YP를 대체할 수 있음을 확인하였다. 또한 균체농도는 단수수 착즙액의 당농도가 5% 일 때, 배양 12시간후 균체농도가 1.
단수수착즙액을 효모발효의 배지로 사용하기 위해서 당성분 및 무기영양원을 분석한 결과 당성분은 glucose, fructose, sucrose를 모두 합하여 평균적으로 120g/L이상이었으며, 무기영양원의 함량은 실험실 수준에서 사용하는 yeastextract(5g/L) 와 peptone(5g/L) 보다는 적었지만 효모발효결과 발효율 85% 이상으로 YP를 대체할 수 있음을 확인하였다. 또한 균체농도는 단수수 착즙액의 당농도가 5% 일 때, 배양 12시간후 균체농도가 1.0 x 108 CFU/mL 이상으로 에탄올 발효를 위한 배지로서 사용하기에 충분한 조건임을 파악하였다. 실제로 700리터 파일럿규모의 발효조에서 억새 당화액을 이용하여 발효를 실시하였으며 이때 효모종균 배양은 단수수착즙액을 배지로 사용하였을 때 YPD 배지와 동등한수준의 발효 결과를 얻을 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단수수의 특징은 무엇인가?
바이오에너지작물로서 국내 재배가 용이하고 많은 수량을 확보할 수 있는 단수수는 C4작물[4]로서 당을 착즙하여 1세대 바이오에탄올 생산에 사용하고 착즙 부산물인 버개스도 2세대 바이오에탄올 생산에 사용할 수 있어 유용하다[5].
단수수 착즙액의 이화학적 성분조성은 어떻게 되는가?
단수수 착즙액을 발효배지로 사용하기 위해 이화학적 성분조성을 조사하였으며, Table 1에는 착즙액에 존재하는 당 및 총 질소함량 그리고 pH와 염도를 나타내었다. 총 당농도는 122.7g/L이며 이당류인 sucrose가 100g/L로 가장 많고 glucose와 fructose는 각각 11.4g/L, 11.3g/L가 함유되어 있었다. 총 질소함량은 0.05%였으며, 산도는 pH 5.0, EC는 0.7% 이었다.
단수수란 무엇인가?
단수수[Sorghum bicolor (L)]는 당류가 풍부한 사탕수수, 사탕무와 같은 주요 바이오연료 작물 중의 하나이다. 단수수 착즙액은 단수수 줄기를 압착하여 추출하며 주요 성분는 glucose와 fructose 그리고 sucrose로 구성되어 있다.
참고문헌 (17)
R. Liu, J. Li, and Fei Shen, Refining bioethanol from stalk juice of sweet sorghum by immobilized yeast fermentation, Renew. Energy, 33, 1130-1135(2008).
Y. L. Zhao, A. Dolat, Y. Steinberger, X. Wang, A. Osman, and G. H. Xie, Biomass yield and changes in chemical composition of sweet sorghum cultivars grown for biofuel, Field Crop. Res., 111, 55-64(2009).
J. H. Lee, and H. J. Rheem, Overview of the Bioethanol and Gasohol as a Fuel for Vehicle, J. Korean Oil Chem. Soc., 29(3), 516-530(2012).
E. Billa, D. P. Koullas, B. Monties, and E. G. Koukios, Structure and composition of sweet sorghum stalk components, Ind. Crop. Prod , 6, 297-302(1997).
B. Z. Li, V. Balan, Y. J. Yuan, and B. E. Dale, Process optimization to convert forage and sweet sorghum bagasse to ethanol based on ammonia fiber expansion (AFEX) pretreatment, Bioresour. Technol., 101, 1285-1292(2010).
B. Sipos, J. Reczey, Z. Somorai, Z.Kadar, D. Dienes, and K. Reczey, Sweet Sorghum as Feedstock for Ethanol Production: Enzymatic Hydrolysis of Steam-Pretreated Bagasse, Appl. Biochem. Microbiol., 153, 151-162(2009).
J. Yu, T. Zhang, J. Zhong, X. Zhang, and T. Tan, Biorefinery of sweet sorghum stem, Biotechnol. Adv., 30, 811-816(2012).
J. Li, S. Li, B. Han, M. Yu, G. Li, and Y. Jiang, A novel cost-effective technology to convert sucrose and homocelluloses in sweet sorghum stalks into ethanol, Biotechnol. Biofuels, 6, 174(2013).
L. Laopaiboon, P. Thanonkeo, P. Jaisil, and P. Laopaiboon, Ethanol produciton from sweet sorghum juice in batch and fed-batch fermentations by Saccharomyces cerevisiae, World J. Microbiol. Biotechnol., 23, 1497-1501(2007).
I. Dogaris, S. Karapati, D. Mamma, E. Kalogeris, and D. Kekos, Hydrothermal processing and enzymatic hydrolysis of sorghum bagasse for fermentable carbohydrates production, Bioresour. Technol., 100, 6543-6549(2009).
B. Andrzejewski, G. Eggleston, R. Powell, Pilot Plant clarification of sweet sorghum juice and evaporation of raw and clarified juices, Ind. Crop. Prod., 49, 648-658(2013).
J. H. Lee, J. k. Kim, E. S. Yim, C. S. Chung, and H. J. Rheem, Overview of the Biomass as a Renewable Energy, J. Korean Oil Chem. Soc., 29(4), 638-652(2012).
D. A. Salvi, G. M. Aita, D. Robert, and V. Bazan, Ethanol production from sorghum by a dilute ammonia pretreatment, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 37, 27-34(2010).
M. Wang, J. Wang. J.X. Tan, J.F. Sun, and J.L. Mou, Optimization of Ethanol Fermentation from Sweet Sorghum Juice Using Response Surface Methodology, Energy Sources Part A-Recovery Util. Environ. Eff., 33, 1139-1146(2011).
X. Mei, R. Liu, F. Shen, and H. Wu, Optimization of Fermentation Conditions for the Production of Ethanol from Stalk Juice of Sweet Sorghum by Immobillized Yeast Using Response Surface Methodology, Energy Fuels, 23(1), 487-491(2009).
Y. L. Cha, J. W. Yang, Y. R. Park, G. H. An, J. W. Ahn, Y. H. Moon, Y. M. Yoon, G. D. You, I. H. Choi, Continuous alkaline pretreatment of Miscanthus sacchariflorus using a bench-scale single screw reactor, Bioresour. Technol., 181, 338-344(2015).
Y. L. Cha, J. W. Yang, S. I. Seo, G. H. An, Y. H. Moon, G. D. You, J. E. Lee, J. W. Ahn, K. B. Lee, Alkaline twin-screw extrusion pretreatment of Miscanthus with recycled black liquor at the pilot scale, Fuel, 164, 322-328(2016).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.