해조류는 성장이 빠르고, 낮은 경작지 사용, 높은 이산화탄소 흡수 및 식량자원과 경쟁하지 않는 장점이 있다. 따라서 리그닌이 없는 해조류 사용은 바이오에탄올 생산을 위한 3세대 바이오매스로 주목받고 있다. 산 촉매열가수분해 전처리법은 해조류로부터 높은 단당을 획득할 수 있는 경제적인 방법 중 하나이다. 고온 전처리 조건들에서 3,6-anhydrogalactoe는 저해물질인 HMF로 전환되는데, 이 저해물질은 세포 성장과 에탄올 생산을 저해한다. 따라서 바이오에탄올을 생산하기 위해 해조류의 탄수화물을 분해할 때는 높은 단당 수율과 낮은 저해물질 생성을 하는 효과적인 전처리 방법이 필요하다. 혼합 당을 이용한 에탄올 발효의 효율을 향상시키기 위해, 고농도 당에 순치한 효모는 혼합 당의 사용을 통해 해조류를 이용한 바이오 에탄올의 생산을 가능하게 한다.
해조류는 성장이 빠르고, 낮은 경작지 사용, 높은 이산화탄소 흡수 및 식량자원과 경쟁하지 않는 장점이 있다. 따라서 리그닌이 없는 해조류 사용은 바이오에탄올 생산을 위한 3세대 바이오매스로 주목받고 있다. 산 촉매 열가수분해 전처리법은 해조류로부터 높은 단당을 획득할 수 있는 경제적인 방법 중 하나이다. 고온 전처리 조건들에서 3,6-anhydrogalactoe는 저해물질인 HMF로 전환되는데, 이 저해물질은 세포 성장과 에탄올 생산을 저해한다. 따라서 바이오에탄올을 생산하기 위해 해조류의 탄수화물을 분해할 때는 높은 단당 수율과 낮은 저해물질 생성을 하는 효과적인 전처리 방법이 필요하다. 혼합 당을 이용한 에탄올 발효의 효율을 향상시키기 위해, 고농도 당에 순치한 효모는 혼합 당의 사용을 통해 해조류를 이용한 바이오 에탄올의 생산을 가능하게 한다.
Seaweed has high growth rate, low land usage, high CO2 absorption and no competition for food resources. Therefore, the use of lignin-free seaweed as a raw material is arising as a third generation biomass for bioethanol production. Various pretreatment techniques have been introduced to enhance the...
Seaweed has high growth rate, low land usage, high CO2 absorption and no competition for food resources. Therefore, the use of lignin-free seaweed as a raw material is arising as a third generation biomass for bioethanol production. Various pretreatment techniques have been introduced to enhance the overall hydrolysis yield, and can be categorized into physical, chemical, biological, enzymatic or a combination. Thermal acid hydrolysis pretreatment is one of the most popular methods to attain high sugar yields from seaweed biomass for economic reasons. At thermal acid hydrolysis conditions, the 3,6-anhydro-galactose (AHG) from biomass could be converted to 5-hydroxymethylfurfural (HMF), which might inhibit the cell growth and decrease ethanol production. AHG is prone to decomposition into HMF, due to its acid-labile character, and subsequently into weak acids such as levulinic acid and formic acid. These inhibitors can retard yeast growth and reduce ethanol productivity during fermentation. Thus, the carbohydrates in seaweed require effective treatment methods to obtain a high concentration of monosaccharides and a low concentration of inhibitor HMF for ethanol fermentation. The efficiency of bioethanol production from the seaweed biomass hydrolysate is assessed by separate hydrolysis and fermentation (SHF). To improve the efficiency of the ethanol fermentation of mixed monosaccharides, the adaptation of yeast to high concentration of sugar could make simultaneous utilization of mixed monosaccharides for the production of ethanol from seaweed.
Seaweed has high growth rate, low land usage, high CO2 absorption and no competition for food resources. Therefore, the use of lignin-free seaweed as a raw material is arising as a third generation biomass for bioethanol production. Various pretreatment techniques have been introduced to enhance the overall hydrolysis yield, and can be categorized into physical, chemical, biological, enzymatic or a combination. Thermal acid hydrolysis pretreatment is one of the most popular methods to attain high sugar yields from seaweed biomass for economic reasons. At thermal acid hydrolysis conditions, the 3,6-anhydro-galactose (AHG) from biomass could be converted to 5-hydroxymethylfurfural (HMF), which might inhibit the cell growth and decrease ethanol production. AHG is prone to decomposition into HMF, due to its acid-labile character, and subsequently into weak acids such as levulinic acid and formic acid. These inhibitors can retard yeast growth and reduce ethanol productivity during fermentation. Thus, the carbohydrates in seaweed require effective treatment methods to obtain a high concentration of monosaccharides and a low concentration of inhibitor HMF for ethanol fermentation. The efficiency of bioethanol production from the seaweed biomass hydrolysate is assessed by separate hydrolysis and fermentation (SHF). To improve the efficiency of the ethanol fermentation of mixed monosaccharides, the adaptation of yeast to high concentration of sugar could make simultaneous utilization of mixed monosaccharides for the production of ethanol from seaweed.
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문제 정의
갈조류는 미역, 다시마, 톳, 모자반 등이 대표종으로서 45-60%의 총 탄수화 물 함량과 al- ginate, fucoidan, laminaran 및 mannitol 등의 다당류 및 단당류를 포함하고 있다(Table 1). 따라서 본고에서는 최근 연구되고 있는 다양한 해조류를 이용한 산 촉매 열가수분해 전처리와 효소 당화, 해조류 가수분해산물을 이용한 바이오에탄올생산에 대하여 간략하게 소개하고자 한다.
제안 방법
3). 따라서 고농도 당 순치에 대한 메커니즘을 알아보기 위해 GAL gene family (Leloir pathway), GAL genetic switch 조절유전자, 그리고 repressor 유전자들의 상대적인 mRNA 발현양을 비교해보았다. 그 결과고농도 당 순치를 하였을 때, 활성화된 조절유전자 Gal4p는 GAL gene family인 Gal1p, Gal2p, Pgm1p/Pgm2p (Gal5p), Gal7p, Gal10p를 활성화시켜 galactose의 흡수효율이 높아지는 것으로 확인되었다.
발효공정, 분리 및 정제공정으로 구성된다. 이러한 공정중에서 전처리, 당화공정을 합한 가수분해 공정, 생물학적 전환을 통한 저해물질의 특성, 복합 당에 대한 고농도 당 순치및 기작, 다양한 효모를 이용한 에탄올 발효 공정의 특성을설명하고, 다양한 문헌들을 통해 각각의 해조류별 연구들을비교 분석하였다. 따라서 탄수화물의 구성 성분, 구성 비율등을 고려한 적절한 가수분해가 이루어져야 저해물질 생성의최소화 및 안정적인 에탄올 발효와 생산이 이루어질 수 있을것으로 판단되었다.
대상 데이터
다양한 효모 균주와 해조류를 이용한 바이오에탄올 생산을 비교하여 Table 4에 정리하였다[5, 6, 9, 13, 19, 22]. 홍조류인 우뭇가사리와 꼬시래기 등 (G. amansii, Gracilaria verrucosa, Kappaphycus al.,arezii), 다시마 (S. japonica), 미역(U. pinnatifida)을 대상으로 산 촉매 열 가수분해와 효소 당화를 적용한 후, Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Pichia angophorae, Kluyveromyces marixianus, Candidatropicalis등의 효모 균주를 이용하여 8 g/l에서 20 g/l의 바이오에탄올 각각 생산하였다.
성능/효과
따라서 고농도 당 순치에 대한 메커니즘을 알아보기 위해 GAL gene family (Leloir pathway), GAL genetic switch 조절유전자, 그리고 repressor 유전자들의 상대적인 mRNA 발현양을 비교해보았다. 그 결과고농도 당 순치를 하였을 때, 활성화된 조절유전자 Gal4p는 GAL gene family인 Gal1p, Gal2p, Pgm1p/Pgm2p (Gal5p), Gal7p, Gal10p를 활성화시켜 galactose의 흡수효율이 높아지는 것으로 확인되었다.
9 g/l의 에탄올을 각각 생산하였으나, 갈락토스 당의 흡수율과 에탄올 생산 효율이 낮다는 것을 알 수 있었다. 따라서 다양한 단당들의 흡수율을 높이기 위해 고농도 갈락토스 당에 효모를 순치(adaptive evolution)한 결과, P. stipitis와 S. cerevisiae 로부터 에탄올을 각각 16.6 g/l와 14.6 g/l를 생산하였다. 이론적인 수율(0.
이러한 공정중에서 전처리, 당화공정을 합한 가수분해 공정, 생물학적 전환을 통한 저해물질의 특성, 복합 당에 대한 고농도 당 순치및 기작, 다양한 효모를 이용한 에탄올 발효 공정의 특성을설명하고, 다양한 문헌들을 통해 각각의 해조류별 연구들을비교 분석하였다. 따라서 탄수화물의 구성 성분, 구성 비율등을 고려한 적절한 가수분해가 이루어져야 저해물질 생성의최소화 및 안정적인 에탄올 발효와 생산이 이루어질 수 있을것으로 판단되었다. 또한 단일 효소보다는 복합효소를 사용하는 것이 당화효율을 높이는 시너지 효과가 있음을 알 수 있었고, 보다 효율적이고 경제적인 당화공정에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
6 g/l를 생산하였다. 이론적인 수율(0.51)과 비교하였을 때, P. stipitis 와 S. cerevisiae로부터 0.50과 0.44를 나타내는데, 이는 해조류 당으로부터 거의최대치의 ethanol 전환을 달성하였다고 할 수 있다. 따라서갈락토스와 같은 특정 당에 고농도 순치하는 것은 글루코스기질저해로부터 효과적으로 갈락토스를 흡수할 수 있다는 것을 보여주고 있다.
또한 단일 효소보다는 복합효소를 사용하는 것이 당화효율을 높이는 시너지 효과가 있음을 알 수 있었고, 보다 효율적이고 경제적인 당화공정에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 해조류로부터 생성된 혼합 당의 흡수를 위해 고농도 당 순치(adaptive evolution)를 수행한결과 기존 에탄올 발효방식과 달리 고농도 당에 순치된 효모의 에탄올 발효 수율이 전반적으로 향상되는 것을 확인하였다.
후속연구
이를 해결하기 위해서는 전략적으로 유용한 폐자원의 친환경 순환 에너지체계 구축을 통해 폐해조류로 인한 해양 환경 문제와 바이오에너지 생산을 동시에 포용할 수 있는 새로운 패러다임의전환이 필요하다. 그러므로 바이오에탄올 기술개발을 수행하면서 해양의 환경적인 문제도 해결하고 현장에 즉시 적용할수 있는 연구가 더욱 활발히 이루어져야 될 것으로 예측된다.
따라서 탄수화물의 구성 성분, 구성 비율등을 고려한 적절한 가수분해가 이루어져야 저해물질 생성의최소화 및 안정적인 에탄올 발효와 생산이 이루어질 수 있을것으로 판단되었다. 또한 단일 효소보다는 복합효소를 사용하는 것이 당화효율을 높이는 시너지 효과가 있음을 알 수 있었고, 보다 효율적이고 경제적인 당화공정에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 해조류로부터 생성된 혼합 당의 흡수를 위해 고농도 당 순치(adaptive evolution)를 수행한결과 기존 에탄올 발효방식과 달리 고농도 당에 순치된 효모의 에탄올 발효 수율이 전반적으로 향상되는 것을 확인하였다.
참고문헌 (29)
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