초록 ▼

1. 연차별 연구개발의 목표
가. 1년차 (2008년)
제 1세부
- Endo/Exo type 셀룰로즈 분해 효소 유전자 2종 확보
-셀룰라아제의 발현 및 스크리닝 시스템 개발 --
-S.cerevisiae 용 고안전성 외래 유전자 발현 intergration vector system 개발
제 2세부
- 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)의 효율적 처리 공정 확립을 위한 묽은산 전처리 조건 결정 (3종)
- 고/액 비율이 바이오매스 가수분해에 미치는 영향 조사
- 산 농도 및 반응

1. 연차별 연구개발의 목표
가. 1년차 (2008년)
제 1세부
- Endo/Exo type 셀룰로즈 분해 효소 유전자 2종 확보
-셀룰라아제의 발현 및 스크리닝 시스템 개발 --
-S.cerevisiae 용 고안전성 외래 유전자 발현 intergration vector system 개발
제 2세부
- 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)의 효율적 처리 공정 확립을 위한 묽은산 전처리 조건 결정 (3종)
- 고/액 비율이 바이오매스 가수분해에 미치는 영향 조사
- 산 농도 및 반응온도에 따른 가수분해 반응 영향 조사
- 반응시간에 따른 생성당 profile 조사
제 3세부
- 유전자 재조합 S. cerivisiae를 이용한 Bioethanol 생산을 위하여 최적 조건 탐색 연구
- C5, C6 분해, 에탄올 생산 효모의 생산성 검증
- 반복 유가식 발효법을 이용한 당화, 발효 융합 공정의 개발
나. 2년차 (2009년)
제 1세부
- Cellulose 이용 SSF 및 Hemicellulose 가수분해 균주 시스템 개발
- 개발 백터의 효모 도입, 동시 당화 발효 할 수 있는 우수한 SSF 균주 선별
제 2세부
- 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)의 고압액화 전처리 적합도 검토
- 바이오 에탄올 생산 적합도 검토 : 셀룰로스 / 헤미셀룰로스 정량, 총당 및 구성당 분석
- 각 부산물별 처리 조건 변위(온도, 압력 등)에 의한 고압액화 추출공정검증
- 전처리 잔유물의 효소 당화 공정의 가능성 평가
제 3세부
- 반복 유가식 발효 방법 확립 (C6, C5이용)
- C6, C5 이용 효모 동시 이용 발효법 개발
- 20 Liter 규모에서의 발효법 실증
다. 3년차 (2010년)
제 1세부
- 오탄당 육탄당을 동시 발효 할 수 있는 효모 균주 시스템 개발
- 개발한 오탄당 발효 균주를 이용한 오탄당, 육탄당 동시발효 검증
- 에탄올 발효 및 에탄올 분리의 통합적 관점에서 오탄당 발효 균주의 평가
제 2세부
- 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)에서 효율적인 당화 수율 증진 공정 확립
- 농간부산물 당화용 복합 전처리 공정 변수 도출
- 당화효율의 획기적 향상을 위한 1,2 단계 전처리 공정 최적화
- 제안 당화 공정의 경제성 비교 분석
제 3세부
- 재조합 S. cerivisiae를 이용한 당화, 발효, 회수 융합공정 개발
- 미량공기 주입을 적용한 유가식 에탄올 생산방법 개발
- Cornhull 에서의 C5, C6 이용 바이오 에탄올 생산 방법 개발
다. 최종 목표
- 옥수수대, 유채대, 보리짚과 같은 cellulosic 계 농산 부산물의 cellulose 와 hemicellulose 유래 오탄당, 육탄당 이용 가능한 SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation)용 균주 개발 및 효율적 전처리 공정 개발을 통해 고 효율의 동시 당화, 알코올 발효 공정 개발

Abstract ▼

This study is aimed at establishing the international competitiveness in bioethanol production process, in which bioethanol is known to be an environmental-friendly alternative energy. In particular, the technology for celluoisic bioethanol production has been reported as the commercialized process.

This study is aimed at establishing the international competitiveness in bioethanol production process, in which bioethanol is known to be an environmental-friendly alternative energy. In particular, the technology for celluoisic bioethanol production has been reported as the commercialized process. In the bioethanol production from agricultural by-product, in order to establish an efficient bioethanol production process, it is necessary to develop the simultaneous saccharification and fermentation (SSF), and to introduce the metabolic engineering technique for the utilization of C6, C5 monosaccharide by S. cerevisiae, because S. cerevisiae can not utilize C5 monosacchride (e.g. xylose, arabinose etc.). Particularly, to assimilate xylose and arabinose by S. cerevisiae, the introductions of pentose-phosphate pathway, xylose assimilation pathway, and arabinose assimilation pathway into the metabolic pathway of S. cerevisiae are needed. In addition, to develop S. cerevisiae strain which can utilize cellulose, t e introduction of cellulase gene into S. cerevisiae is needed to utilize cellulose from the agricultural by-product.

목차 Contents

• 과제최종보고서 ... 1
• 표지 ... 2
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 19
• CONTENTS ... 21
• 목차 ... 28
• 제 1 장 서 론 ... 35
• 제 1 절 연구 개발의 목적 ... 35
• 제 2 절 연구 개발의 필요성 ... 36
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 43
• 제 1 절 국내ㆍ외 기술개발 현황 ... 43
• 제 2 절 필요 연구 분야 ... 51
• 제 3 장 연구개발 수행 방법 및 결과 ... 52
• 제 1 절 대사공학 기법에 의한 오탄당 발효 가능한 효모균주 개발 및 오탄당, 육탄당 동시 발효를 통한 에탄올 생산 검증 ... 52
• 1. 연구 개요 ... 52
• 2. 연구 목표 및 내용 ... 52
• 3. 연구 방법 ... 53
• 가. 오탄당을 이용하는 효소 유전자, 셀룰라아제 유전자 개발 및 대사 공학 기법을 이용한 유전자 조작을 통한 효모용 integration vector system 개발 ... 53
• (1) 오탄당을 이용하는 효소 유전자, 셀룰라아제 유전자 개발 ... 53
• (2) 대사 공학 기법을 이용한 유전자 조작을 통한 효모용 integration vector system 개발 ... 54
• 나. 5탄당 이용 균주인 xylose isomerase 유전자 종을 확보 및 xylose 를 유일환 탄소원으로 성장하는 효모균주 시스템을 개발 ... 54
• (1) 5탄당 이용 균주인 xylose isomerase 유전자 종을 확보 ... 54
• (2) Xylose 탄소원으로 성장하는 효모균주 시스템을 개발 ... 54
• 다. 오탄당, 육탄당 동시발효 효모균주 시스템 개발 및 산업용 S. cerevisiae에서 GA1유전자 및 AMY유전자의 발현을 위한 재조합 벡터 제조 ... 55
• (1) 오탄당, 육탄당 동시발효 효모균주 시스템 개발 ... 55
• (2) 산업용 S. cerevisiae에서 GA1유전자 및 AMY유전자의 발현을 위한 재조합 벡터 제조 ... 56
• 4. 연구 결과 ... 57
• 가. 오탄당을 이용하는 효소 유전자, 셀룰라아제 유전자 개발 및 대사 공학 기법을 이용한 유전자 조작을 통한 효모용 integration vector system 개발 ... 57
• (1) 오탄당을 이용하는 효소 유전자, 셀룰라아제 유전자 개발 ... 57
• (2) 대사 공학 기법을 이용한 유전자 조작을 통한 효모용 integration vector system 개발 ... 58
• 나. 5탄당 이용 균주인 xylose isomerase 유전자 종을 확보 및 xylose 를 유일환 탄소원으로 성장하는 효모균주 시스템을 개발 ... 59
• (1) 5탄당 이용 균주인 xylose isomerase 유전자 종을 확보 ... 59
• (2) Xylose 를 유일환 탄소원으로 성장하는 효모균주 시스템을 개발 ... 61
• 다. 오탄당, 육탄당 동시발효 효모균주 시스템 개발 및 산업용 S. cerevisiae에서 GA1유전자 및 AMY유전자의 발현을 위한 재조합 벡터 제조 ... 63
• (1) 오탄당, 육탄당 동시발효 효모균주 시스템 개발 ... 63
• (2) 산업용 S. cerevisiae에서 GA1유전자 및 AMY유전자의 발현을 위한 재조합 벡터 제조 ... 64
• 5. 제 1 세부 과제 연구 결론 ... 65
• 제 2 절 Cellulosic 에탄올 생산을 위한 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)의 효율적 분해 공정 개발을 통안 고수율의 전처리 당화물 생산 ... 67
• 1. 연구 개요 ... 67
• 2. 연구 목표 및 내용 ... 67
• 3. 연구 방법 ... 68
• 가. 시료의 제조 및 당 profile 분석 ... 68
• (1) 전처리 공정을 위한 시료의 처리방법 ... 68
• (2) 농산부산물 당 profile 분석 ... 68
• 나. 묽은 산 전처리 공정 ... 69
• 다. 고압액화 공정 평가 ... 70
• (1) 고압액화 전처리 추출공정의 물리 화학적 변수에 따른 추출물 당화 수율 검증 ... 70
• (2) 고압액화 공정 전처리 농산부산물의 효소당화 가능성 평가 ... 71
• 라. 복합 전처리 공정 평가 ... 72
• (1) 복합전처리 이용 당화 수율 증진 분석 ... 72
• (2) 효소당화 공정의 효율성 및 경제성 극대화 방한 연구 ... 72
• 마. 전처리 공정 전, 후의 cellulose 구조 변화 분석 ... 73
• (1) Scanning Electron Microscopy (SEM)을 이용한 표면 분석 ... 73
• (2) X-Ray Diffraction (XRD)을 이용한 cellulose 구조 분석 ... 73
• 4. 연구 결과 ... 74
• 가. 시료의 제조 및 당 profile 분석 ... 74
• (1) 전처리 공정을 위한 시료의 처리방법 ... 74
• (2) 농산부산물 당 profile 분석 ... 74
• 나. 묽은 산 전처리 공정 ... 75
• (1) 고/액 비율, 온도, 황산의 농도 및 전처리 시간의 조건 변위 설정 ... 75
• 다. 고압액화 공정 평가 ... 77
• (1) 고압액화 전처리 추출공정의 물리 화학적 변수에 따른 추출물 당화 수율 검증 ... 77
• (2) 고압액화 공정 전처리 농산부산물의 효소당화 가능성 평가 ... 82
• 라. 복합 전처리 공정 평가 ... 83
• (1) 복합전처리 이용 당화 수율 증진 분석 ... 83
• (2) 효소당화 공정의 효율성 및 경제성 극대화 방한 연구 ... 88
• 마. 전처리 공정 전, 후의 cellulose 구조 변화 분석 ... 90
• (1) Scanning Electron Microscopy (SEM)을 이용한 표면 분석 ... 90
• (2) X-Ray Diffraction (XRD)을 이용한 cellulose 구조 분석 ... 91
• 5. 제 2 세부 과제 연구 결론 ... 92
• 제 3 절 유전자 재조합 효모균주를 이용한 농산부산물(옥수수대, 유채대, 보리짚)으로부터 고효율성 당화, 발효 및 회수 융합 공정 개발 ... 94
• 1. 연구 개요 ... 94
• 2. 연구 목표 및 내용 ... 94
• 3. 연구 방법 ... 95
• 가. 유가식 에탄올 발효공정 개발 ... 95
• (1) Yeast strain ... 95
• (2) 에탄올 발효 ... 95
• (가) Flask culture ... 95
• (나) 96-Deepwell plate culture ... 95
• (다) 유가식 에탄올 발효 ... 95
• (3) 분석방법 ... 96
• (4) Kinetic parameter 계산 ... 96
• 나. 에탄올 측정법 개발 ... 97
• (1) Dichromate reagent 제조 ... 97
• (2) solvent 추출과 dichromate 산화 ... 98
• (가) Microtubes ... 98
• (나) 96-Deepwell microplate ... 98
• 다. 반복 유가식 방법에 의한 바이오 에탄올 생산 ... 98
• (1) Yeast strain ... 98
• (2) 반복식 Fed-batch ethanol 발효 ... 99
• (3) 분석방법 ... 99
• 라. Corn hull 을 이용한 바이오 에탄올 생산 ... 99
• (1) Yeast strain ... 99
• (2) Corn hull 가수분해 ... 100
• (3) Total phenol류 정량 ... 100
• (4) Activited charcoal 처리 ... 100
• (5) TLC(Thin Layer Chromatography) ... 100
• 마. 6탄당과 5탄당을 이용하는 균주 선별 ... 101
• (1) Yeast strain ... 101
• 바. 유채대 가수분해물을 이용한 바이오에탄올 생산 ... 101
• (1) Yeast strain ... 101
• (2) Inhibitor cocktail 조성 ... 101
• (3) Inhibitor cocktail이 첨가된 배지에서 효모선별 ... 101
• (가) Flask culture ... 101
• (나) Agar Plate ... 102
• (다) 동시접종배양 ... 102
• (4) 분석방법 ... 103
• 사. Surface-aerated 배양법을 이용한 bioethanol 생산 ... 103
• (1) Yeast strain ... 103
• (2) Shaking bottle 배양 ... 103
• (3) Surface-aeration을 이용한 발효조배양 ... 104
• (4) 분석방법 ... 104
• 4. 연구 결과 ... 104
• 가. 유가식 에탄올 발효공정 개발 ... 104
• (1) Glucose와 Ethanol 농도가 효모 성장과 glucose 소비에 미치는 효과 ... 104
• (2) Yeast extract 대체품과 최적농도 ... 106
• (3) 유가식 Ethanol 발효 ... 107
• (가) aeration 효과와 Non-sterile glucose powder feeding ... 107
• (나) ethanol productivity ... 108
• (다) ethanol yield ... 109
• (라) specific ethanol production ... 110
• 나. 에탄올 측정법 개발 ... 111
• (1) Dichromate reagent로 산화 ... 111
• (2) 효모 배양배지에서 ethanol 측정 ... 114
• 다. 반복 유가식 방법에 의한 바이오 에탄올 생산 ... 117
• (1) Fed-batch ethanol 발효 ... 117
• (2) 20 L Fed-batch ethanol 발효 ... 120
• 라. Corn hull 을 이용한 바이오 에탄올 생산 ... 122
• (1) Corn hull 가수분해 최적 ... 122
• (2) Activated carbon treatment에 의한 phenolic 화합물의 제거 ... 124
• (3) 바이오 에탄올 생산을 위한 Flask culture ... 124
• 마. 6탄당과 5탄당을 이용하는 균주 선별 ... 127
• (1) 균주 선별 ... 127
• (2) 유채대 가수분해물을 이용한 에탄올 발효 ... 129
• (3) 유채대 가수분해물을 활성탄 처리하여 사용한 에탄올 발효 ... 131
• 바. 유채대 가수분해물을 이용한 바이오에탄올 생산 ... 132
• (1) Inhibitor cocktail에 대한 저항성 효모선별 ... 132
• (2) Inhibitor cocktail에 대한 저항성 효모를 이용한 바이오에탄올 생산 ... 140
• 사. Surface-aerated 배양법을 이용한 bioethanol 생산 ... 142
• (1) Shaking bottle 배양 ... 142
• (2) Surface-aeration을 이용한 발효조배양 ... 144
• 5. 제 3 세부 과제 연구 결론 ... 148
• 제 4 장 총괄 결론 ... 150
• 제 1 절 제안 에탄올 생산 공정의 경제성 분석 ... 150
• 제 2 절 총괄 결론 ... 157
• 제 5 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 160
• 제 1 절 연구개발목표 대비 달성도 ... 160
• 제 2 절 정량적 성과 ... 161
• 제 6 장 연구개발결과의 활용계획 ... 162
• 제 1 절 기술적, 경제ㆍ산업적 기대성과 ... 162
• 제 7 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 164
• 제 8 장 기타 중요 변동사항 ... 165
• 제 9 장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구 장비 현황 ... 166
• 제 10 장 참고문헌 ... 167