초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 미세조류 바이오매스의 탄수화물과 단백질을 이용하여 바이오 연료 (수소, 2-C 에탄올 및 고급 알코올)의 회수율을 극대화하기 위해 생체 전기 화학 시스템을 이용한 다중 발효 과정을 확립하는 것에 있다. 본 연구는 미세조류에서 탄수화물과 단백질을 최대한 활용하기 위해 바이오매스 전처리와 발효 공정의 개발 및 최적화에 중점을 두었다. 탄수화물 발효 (1 단계에서) 뿐만 아니라 단백질 발효에도 중점을 두어 최종적으로 5.233 g/L의 고급 알코올 (이소 부탄올, n-부탄올, 프로판올 및 3-메틸 부

연구의 목적 및 내용
본 연구는 미세조류 바이오매스의 탄수화물과 단백질을 이용하여 바이오 연료 (수소, 2-C 에탄올 및 고급 알코올)의 회수율을 극대화하기 위해 생체 전기 화학 시스템을 이용한 다중 발효 과정을 확립하는 것에 있다. 본 연구는 미세조류에서 탄수화물과 단백질을 최대한 활용하기 위해 바이오매스 전처리와 발효 공정의 개발 및 최적화에 중점을 두었다. 탄수화물 발효 (1 단계에서) 뿐만 아니라 단백질 발효에도 중점을 두어 최종적으로 5.233 g/L의 고급 알코올 (이소 부탄올, n-부탄올, 프로판올 및 3-메틸 부탄올을 포함)을 생산하였고, 잔여 지질 물질을 이용하여 에스테르 교환 반응을 통한 바이오 디젤을 생산하였다. 이러한 일련의 발효 공정은 미세 조류 바이오매스의 활용도를 높이고, 이후 바이오 연료로의 전환을 촉진시켰다. 다중 연속 흐름 발효 반응기 시스템을 이용하여 미세조류로부터 46%의 바이오 연료 전환율을 달성하는 것이 본 연구의 최종 목표이다.

연구결과
본 연구에서는 모든 미세 조류 성분을 이용하여 추출 가능한 연료의 지속적인 생산에 대한 새로운 접근법을 얻었다. 연속식 발효 공정은 바이오에탄올 생산을 위한 탄수화물 발효로 시작되어서 고급 알코올 생산을 위한 잔여 바이오매스(단백질)의 발효를 연속적으로 수행하였다. 단백질 발효 후에는 지방산의 거동을 모니터링 하여 바이오 디젤 생산을 가능하게 하는 잠재적인 지방산의 존재를 확인하였다. 아래의 과정들을 통하여 이 연구의 궁극적인 목표인 미세 조류에서 46%의 바이오 연료 전환율을 달성하였다.
● 자유 효모 세포와 부동화 효모 세포의 적용을 시킴. 통해 비용 효율적인 바이오 에탄올 생산성을 향상
● 5으주로기 생 연산속함으. 로 전체 발효 공정 효율을 높이기 위해 7번의 사이클 동안 바이오에탄올을 반복적
● 고급 알코올 생산을 위해 잔여 바이오매스를 활용하여 연속적 발효 공정화.
● 남은 지질 분획을 이용한 에스테르 교환 반응를 통하여 바이오디젤 생산함.
● 탄수화물 발효 후 바이오 에탄올을 증류하였으며, 특성 규명을 위해 발효 전후의 아미노산 프로파일을 분석

결과
탄수화물 발효를 통하여 10.10g/L의 바이오 에탄올을 생산하였으며, 56%의 단백질이 유리되었다. 잔여 바이오매스 (단백질 부산물)의 발효를 통하여 각각 0.98, 1.73, 1.20, 1.19 g/L의 부탄올, 프로판올, 이소 부탄올, 3-메틸 부탄올이 생산되었다. 본 연구는 46%의 미세조류 바이오매스가 27%는 바이오 에탄올, 14%는 고급 알코올, 5%의 바이오 디젤 형태의 에너지로 전환됨을 나타내었다. 이러한 일련의 발효 과정은 바이오매스를 최대한 활용함과 동시에 바이오연료로의 전환성을 촉진한다.

연구결과의 활용계획
- 기술적 측면
□ 바이오에너지 생산을 위한 조류 생산 분야의 원천기술 확보
□ 바이오매스로부터 최대 에너지 회수의 세계적 기술수준 구축
- 경제·산업적 측면
□ 재생에너지 자원 개발의 국가 경쟁력 제고
□ 조류의 고부가 가치 활용 및 신재생에너지 산업 발전의 토대 마련
□ 단백질 성분을 이용한 바이오알코올 생산기술개발로 지식재산권 확보 및 기술이전 토대마련
- 응용 분야 및 활용범위
□ 바이오매스 전처리/발효 통합공정의 기술확보로 인한 에너지 생산 기술 구축
□ 고급알코올 생산기술 확보로 인한 에너지의 품질 향상 및 이용 분야 확대 : 가솔린/디젤연료와 다양한 비율로 혼합가능

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose& contents
The purpose of this research was to establish a multiple fermentation process by using a bioelectrochemical system for maximizing biofuels (hydrogen, 2C ethanol and higher alcohol) recovery from algal biomass which mainly contains carbohydrates and proteins. The research focused

Purpose& contents
The purpose of this research was to establish a multiple fermentation process by using a bioelectrochemical system for maximizing biofuels (hydrogen, 2C ethanol and higher alcohol) recovery from algal biomass which mainly contains carbohydrates and proteins. The research focused on the development and optimization of biomass pretreatment and fermentation processes for the maximum utilization of carbohydrates and proteins in microalgal feedstock. We specifically put an emphasis on the fermentation of protein (in the 2^nd stage) after the conventional carbohydrate fermentation (in the 1^st stage) which led to a production of 5.233 g/L higher alcohols (including isobutanol, n-butanol, propanol and 3 methyl butanol). Transesterification of the leftover lipid fractions to biodiesel, Such serial fermentation process enhanced the maximum utilization of microalgal biomass and subsequent conversion to biofuels. The ultimate goal of this research achieved 46% biofuel conversion rate from microalgal feedstock employing a multiple continuous flow fermentation reactor system.

Result
Here we accomplished a new approach for the utilization of all microalgal constituent toward the production of sustainable and extractable fuels. Two sequential fermentation processes were performed in a serial manner, starting by carbohydrate fermentation for bioethanol production and followed by fermentation of leftover biomass (protein) for higher alcohol production. Fatty acids profile after protein fermentation was monitored to confirm the presence of potential fatty acids for biodiesel production. The ultimate goal of this research achieved 46% biofuel conversion rate from microalgal feedstock. this goal was achieved through:

● Enhancement of cost effective bioethanol production through various strategies via application of free and immobilized yeast cells.
● Repetitive production of ethanol for 7 cycles to eenhance the overall fermentation efficiency up for five consecutive cycles
● Establishment of holistic serial fermentation to utilize leftover biomass for higher alcohol production.
● Transesterification of the leftover lipid fractions to biodiesel
● Distillation and characterization of bioethanol was explored after carbohydrate fermentation. Amino acids profile before and after fermentations was evaluated.

Results
The carbohydrate fermentation resulted in 10.10 g/L production of bioethanol and 56% liberation of protein. Fermentation of the leftover biomass (protein by-products) showed a production of 0.98, 1.73, 1.20 and 1.19 g/L butanol, propanol, isobutanol and 3-methyl butanol, respectively. Palmitic acid and γ-linolenic acid, oleic acid were major forms, accounting for 54.53, 14.03 and 11.97% of total fatty acid, respectively. This study demonstrated that 46% of microalgal biomass was converted into energy in a form of 27% bioethanol, 14% higher alcohols and 5% biodiesel. Such holistic serial fermentation process would maximum utilization of biomasses and subsequent conversion to biofuel.

Expected Contribution
Development a cost-effective pretreatment methods achieving maximum bioavailability.
Utilization of maximum protion of carbohydrates, proteins and lipids in biomasses for biofuel production.
Development of new technologies to enhance bioenergy yield in terms of ethanol and higher alcohol through microalgal fermentations.
Identification of cost effective route to produce biofuel with high efficiency.
Leftover biomass (protein and lipid) from first phase of fermentation process completely utilized through fungal fermentations for biobutanol production.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 92 5. 연구결과의 활용계획 ... 95 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 96 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 99 8. 참고문헌 ... 99 9. 연구성과 ... 106 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 134 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 134 12. 기타사항 ... 135별첨1 ... 136별첨2 ... 151끝페이지 ... 169