Studies on bioethanol production from red seaweeds, Kappaphycus alvarezii and Gracilaria verrucosa

Abstract

현재 화석연료의 고갈, 고유가 극복 그리고 기후 변화 협약 등으로 화석연료를 대체할 수 있는 대체에너지 개발에 많은 관심이 쏠려 있다. 대체에너지 중 각광 받고 있는 바이오에탄올은 지금까지 육상식물이 사용되어 왔으나 바이오에탄올 생산에는 어려움이 있었다. 반면 해조류는 비식량계 바이오매스로써 육상바이오매스 자원에 비해 면적 대비 생산수율이 높아 경쟁력 있는 것으로 평가되고 있다. 해조류는 홍조류, 갈조류 그리고 녹조류로 구성되어 있으며, 해조류 구성성분 중 탄수화물이 에탄올 생산의 주가 된다. 탄수화물을 구성하는 당 및 함량은 해조류의 종류의 따라 다양하다. 그 중 홍조류는 갈조류와 녹조류에 비해 높은 탄수화물을 함유하고 있으며 그 다음으로 갈조류, 녹조류 순으로 높은 탄수화물을 함유하고 있다. 본 연구에서는 홍조류, Kappaphycus alvarezii를 바이오매스로 한 산촉매 열 가수분해와 당화의 최적화, 다양한 효모를 통한 바이오 에탄올을 생산하는 연구를 수행하였다. 전처리의 최적 조건은 364 mM의 H2SO4와 바이오매스 슬러리 12% (w/v)를 사용하여 121ºC에서 60분으로 확립하였다. 그 다음에 효소 당화는 Celluclast 1.5L를 사용하여 48시간 동안 45°C에서 진행하였다. 에탄올 발효는 K. alvarezii의 가수 분해물과 순치한 것과 순치하지 않은 세 가지 효모, Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae를 사용하여 수행하였다. 순치하지 않은 S. cerevisiae, K. marxianus, C. lusitaniae를 사용했을 때, 각각 11.5 g/L, 6.7 g/L, 6.0 g/L의 에탄올을 얻었다. 순치한 S. cerevisiae, K. marxianus, C. lusitaniae를 사용했을 때, 각각 15.8 g/L, 11.6 g/L 및 13.4 g/L의 에탄올을 얻었다. 이러한 결과로 미루어보아 가장 높은 에탄올 농도는 순치한 S. cerevisiae를 사용하여 15.8 g/L의 에탄올을 얻었고, 생산수율은 0.43이었다. 그밖에 인도네시아에서 생산이 되는 Gracilaria verrucosa를 이용하여 바이오에탄올을 생산하였다. 본 연구는 G. verrucosa의 전처리, 효소당화와 발효에 초점을 맞추었다. 전처리는 주로 갈락토오스를 얻기 위해 12% (w/v)의 해초 슬러리를 이용하여 121°C에서 60분 동안 360 mM H2SO4로 수행하였다. 또한, 글루코오스를 얻기 위해 효소 당화를 수행하였다. 효소 당화는 16 U/mL의 Celluclast 1.5L와 Viscozyme L의 혼합물로 이용하여 48시간 동안 45°C에서 수행하였다. 에탄올 발효는 가수 분해물에 갈락토오스와 염화나트륨에 각각 순치한 것과 순치하지 않은 Saccharomyces cerevisiae를 사용해 발효하였다. 순치하지 않은 S. cerevisiae를 사용했을 때, 19 g/L의 에탄올을 얻었으며, 생산수율은 0.39로 나타났다. 갈락토오스 및 염화나트륨에 순치한 S. cerevisiae를 사용했을 때, 각각 21 g/L 및 23 g/L의 에탄올을 생산했으며, 생산수율은 0.43, 0.48로 나타났다. 그러므로 염화나트륨에 순치한 S. cerevisiae를 사용하는 것이 가장 많은 에탄올을 얻을 수 있었다.