보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
보고서유형 | 1단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2010-08 |
과제시작연도 |
2009 |
주관부처 |
지식경제부 Ministry of Knowledge Economy |
등록번호 |
TRKO201100008087 |
과제고유번호 |
1415099902 |
사업명 |
에너지자원기술개발지원 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
글리세롤.바이오디젤 부산물.발효.혐기성.1.3-propanediol.
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초록
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1. 단계최종목표
○ 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤을 이용하여 경제적인 1,3-PDO 생산하기 위한 생물학적 공정 핵심 및 요소 기술 개발
- 1,3-PDO 생산성 및 내성 우수 미생물 선별 및 확보 (1,3-PDO 70 g/L 이상, 발효 수율 50% 이상)
- 글리세롤을 이용한 고농도 1,3-PDO 발효 기술 개발
- 글리세롤을 이용한 고효율 1,3-PDO 생산 발효 공정 개발 (200시간 이상 안정적 운전, 생산성 3 g/L/hr 이상)
- 1,3-PDO 생산?분리 통합 공정을 위한 분리 기술 개발<
1. 단계최종목표
○ 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤을 이용하여 경제적인 1,3-PDO 생산하기 위한 생물학적 공정 핵심 및 요소 기술 개발
- 1,3-PDO 생산성 및 내성 우수 미생물 선별 및 확보 (1,3-PDO 70 g/L 이상, 발효 수율 50% 이상)
- 글리세롤을 이용한 고농도 1,3-PDO 발효 기술 개발
- 글리세롤을 이용한 고효율 1,3-PDO 생산 발효 공정 개발 (200시간 이상 안정적 운전, 생산성 3 g/L/hr 이상)
- 1,3-PDO 생산?분리 통합 공정을 위한 분리 기술 개발
2. 개발내용 및 결과
○ 폐글리세롤 이용시 저해현상 없이 1,3-PDO 70 g/L 이상, 수율 50% 이상 생산 균주 확보
- 1,3-PDO 생산 미생물 Clostridium 종 3가지 균주와 Klebsielliae 종 2가지 균주를 이용하여, 순수 글리세롤 및 4가지 폐글리세롤로부터의 1,3-PDO 생산량을 비교하였음
- K. pneumoniae DSM 4799를 이용하여 발효수율 74% 달성 및 82 g/L 1,3-PDO 생산 달성
- 폐글리세롤로 인한 미생물 생장 저해현상을 감소시키는 폐글리세롤 전처리기술 개발하였음 ○ 글리세롤을 이용한 고농도 1,3-PDO 발효 조건 최적화 조건 확립
- K. pneumoniae DSM 4799 발효 최적 조건은 온도 30 oC, 혐기성 조건, 글루코스 첨가없이 폐글리세롤을 단일 탄소원으로 이용, pH 7.0 이었음
- 유가식 배양 47시간 후, 폐글리세롤 사용시 순수글리세롤 대비 1,3-PDO 생산농도 및 생산성이 80% 향상되었으며, 수율 34% 향상된 결과를 얻었음 ○ 미생물 고정화 기술을 이용한 고생산성 1,3-PDO 생산 발효 기술 확립
- 미생물 고정화를 통해 1,3-PDO 생산성이 1.6배 향상되었음
- 반복 유가식 배양을 통해 1460시간 (약 60일) 동안 안정적 운전 성공하였음
- 유가식 배양을 통해 초기 10시간 운전동안 1,3-PDO 생산성 3~6 g/L/hr 이상 달성하였음
- 연속식 배양을 통해 200 시간 운전 및 1,3-PDO 생산성 3 g/L/hr 이상 달성하였음 ○ 배양액으로부터 1,3-PDO를 효과적으로 분리하는 기술 확보
- 1,3-PDO을 수용액으로부터 추출하는 용매 선별 결과, 우수한 추출용매로서 methylethyl ketone을 선정하였음
-소수성 용매와 methylethylketone 혼합용매 비율 조절 결과 고농도 1,3-PDO을 포함하는 층을 분리하였으며, 1,3-PDO 순도 95%, 회수율 84% 수준의 분리기술을 확보하였음
3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
○ 기술적 효과: 아직 세계적으로도 본격적인 기술 개발이 진행되고 있지 않은 폐글리세롤 이용 1,3-PDO 생산 기술 개발은 향후 바이오디젤 관련 분야의 확대가 확실시됨에 따라 필연적으로 확보되어야 할 기술로서, 바이오디젤의 생산 경제성을 향상시키고, 페자원 및 바이오공정을 이용한 에너지절약형 저온저압 공정기술 확보가 가능함
○ 경제적 효과: 저렴한 바이오디젤 폐부산물인 글리세롤을 이용함으로 타 화학공정 및 식량유래 바이오매스로부터 생산되는 1,3-PDO 보다 가격 경쟁력이 우수한 1,3-PDO 생산이 가능함. 또한, 생물학적 공정에 의해 생산된 1,3-PDO를 이용하여 연간 10만 톤 PTT 생산 시 1년간 44,000대의 자동차 사용량인 2천만 갤런 석유 이용 절감 효과를 기대할 수 있음.
4. 적용분야
○ 1,3-PDO를 이용한 대표적 제품인 고분자 PTT는 국외뿐만이 아니라 국내에서도 산업계 needs (PTT 섬유용 개발 진행) 및 시장성이 입증되었으므로 관련 산업에 적용할 수 있으며, PTT시장이 형성된 국내 관심 기업체와의 연계로 1,3-PDO 생산 상용화 및 특허 출원을 통한 기술력 확보가 가능함 ○
바이오디젤 폐부산물인 글리세롤을 이용하여 고부가가치 화학원료를 생산할 수 있으므로, 바이오디젤 생산공정과 1,3-PDO 생산공정을 연계함으로써 바이오디젤 산업의 경제성을 높일 수 있음. 또한, 친환경적 공정 개발에 따른 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유용한 기술로 적용 가능함
Abstract
▼
The microbial production of 1,3-propanediol (1,3-PDO) from raw glycerol, a byproduct of biodiesel production, is economically and environmentally advantageous. Although direct use of raw glycerol without any pretreatment is desirable, previous studies have reported that this could cause inhibition o
The microbial production of 1,3-propanediol (1,3-PDO) from raw glycerol, a byproduct of biodiesel production, is economically and environmentally advantageous. Although direct use of raw glycerol without any pretreatment is desirable, previous studies have reported that this could cause inhibition of microbial growth. In this study, we investigated the effects of raw glycerol type, different microorganisms, and pretreatment of raw glycerol on the production of 1,3-PDO. Raw glycerol from waste vegetable oil-based biodiesel production generally caused more inhibition of 1,3-PDO production and microbial growth compared to raw glycerol from soybean oil-based biodiesel production. In addition, two raw glycerol types produced from two biodiesel manufacturers using waste vegetable oil exhibited different 1,3-PDO production behavior, partially due to different amounts of methanol included in the raw glycerol from the two biodiesel manufacturers. Klebsiella strains were generally resistant to all types of raw glycerol while the growth of Clostridium strains was variably inhibited depending on the type of raw glycerol. The inhibition of Clostridium strains by raw glycerol could be observed up to levels obtained with pure glycerol and acid pretreatment.
The production of 1,3 propanediol (1,3-PDO) was investigated with Klebsiella pneumoniae DSM2026 and K. pneumoniae DSM4799 using crude glycerol obtained from biodiesel industry. Crude glycerol was used without prior purification to investigate effects of impurities in crude glycerol on 1,3-PDO production. In the batch cultures, 1,3-PDO production with crude glycerol was 1.1~2.5 times higher than that with pure glycerol, indicating that crude glycerol is even a better substrate than pure glycerol for 1,3-PDO fermentation. When glucose was added, 1,3-PDO production and yield decreased in spite of enhanced cell growth. Futhermore, the addition of glucose was found to increase 2,3-butanediol, a by-product, significantly because of the change in metabolism in the presence of glucose. In semi-batch cultures without glucose addition, 26 g/L 1,3-PDO was produced with crude glycerol, which was 2~3 times higher than that with pure glycerol. Based on our results, it was clearly shown that crude glycerol is an effective substrate for biological 1,3-PDO production, making it more feasible to produce 1,3-PDO at a lower price.
목차 Contents
- 표지 ...1
- 제출문 ...2
- 초록 ...3
- 요약문 ...5
- SUMMARY ...13
- CONTENTS ...16
- 목차 ...17
- 표 목차 ...19
- 그림 목차 ...21
- 제 1 장 서론 ...23
- 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ...23
- 1. 개발기술의 개요 ...23
- 2. 개발기술의 필요성 ...24
- 제 2 절 국내.외 관련 기술의 현황 ...27
- 1. 국내 기술 현황 ...27
- 2. 국외 기술 현황 ...33
- 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적.경제적 파급 효과 ...40
- 1. 기술적 파급효과 ...40
- 2. 산업.경제적 파급효과 ...41
- 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ...44
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ...44
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ...45
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ...46
- 1. 1차년도 개발내용 및 범위 ...46
- 2. 2차년도 개발내용 및 범위 ...47
- 3. 3차년도 개발내용 및 범위 ...47
- 4. 이론적 고찰 ...48
- 5. 실험 재료 및 방법 ...52
- 가. 균주 및 배지 ...52
- 나. 폐글리세롤 성분 분석 및 전처리 ...56
- 다. 회분식 배양 (플라스크 및 혐기성 bottle)을 이용한 배양조건 최적화 ...60
- 라. 배양기 및 미생물 고정화를 이용한 1,3-PDO 생산 ...62
- 마. 1,3-PDO 분리 ...67
- 바. 분석 ...71
- 6. 실험 결과 및 고찰 ...73
- 가. 폐글리세롤과 순수글리세롤을 이용한 1,3-PDO 생산 비교 ...73
- 나. 플라스크 및 혐기성 bottle 배양을 통한 배양조건 최적화 ...81
- 다. 배양기를 이용한 1,3-PDO 생산 최적화 ...103
- 라. 1,3-PDO 분리 연구 ...122
- 제 3 장 결과 및 향후 계획 ...135
- 제 1 절 단계 연구개발 결과 ...135
- 1. 단계 연구개발 추진 일정 ...135
- 2. 단계 연구개발 추진 실적 ...136
- 3. 각 기관/ 기업별 추진 내역 ...137
- 4. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ...139
- 제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망 ...142
- 제 3 절 차기 단계 계획 ...147
- 제 4 절 기업 재무건전성 현황 ...153
- 제 4 장 참고문헌 ...154
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