Development of pretreatment and fermentation for bioethanol production using macroalgae

Abstract

최근 화석연료의 고갈로 인한 불안정한 유류 가격과 이산화탄소에 의한 환경 문제로 인해 신재생 자원으로 만든 바이오연료의 개발이 각광받고 있다. 전통적으로 옥수수, 밀 그리고 사탕수수를 사용하여 바이오연료를 만들어왔지만 원료의 높은 가격과 식용작물이라는 점에서 적합하지 못한 바이오매스였다. 따라서 대체 원료로서 짚과 나무 등 농업 폐기물이 고려되었지만 lignocellulosic biomass의 특징인 리그닌을 쉽게 분해하지 못한다는 단점을 아직도 해결하지 못하고 있는 실정이다. 해조류는 적은 경작지 사용, 빠른 성장률이라는 장점을 가지고 있다. 또한 높은 탄수화물 함량과 lignocellulosic biomass보다 훨씬 쉽게 단당으로 전환된다. 해조류는 광합성을 통한 대기 중의 이산화탄소의 감소와 산소의 증가로 환경 문제도 해결할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 부레옥잠과 켈프를 바이오매스로 사용하여 초고온 열산 가수분해 전처리 최적화와 효소 당화 최적화, 다양한 효모를 사용하여 바이오에탄올 생산을 수행하였다. 첫 번째로 부레옥잠을 사용하여 바이오에탄올을 생성하는 연구에서는 초고온 열산 가수분해 전처리를 통해 200 mM의 황산, 160도씨, 20분, 8% (w/v)의 부레옥잠 건조분말이 최적으로 선정되었고 생산된 당의 양은 22.2 g/L로 그 수율은 45.1%였다. 효소 당화 실험에서는 Viscozyme L이 xylose를 많이 생성하고 Cellic CTec2가 glucose를 많이 생성하는 특징을 보이며 이 두 효소를 혼합하여 20 U/ml를 사용하여 48.2 g/L의 가장 많은 단당을 생성하는 것을 확인하였고 그 수율은 97.8%였다. 발효에서는 S. cerevisiae, P. stipitis 그리고 C. lusitaniae를 사용하였으며 그 중에서도 xylose를 거의 소비하여 22.7 g/L의 에탄올을 생성한 C. lusitaniae를 최적 효모로 선정하였으며 그 수율 (YEtOH)은 0.47이었다. 두 번째로 켈프를 사용하여 바이오에탄올을 생성하는 연구에서는 초고온 열산 가수분해와 반응표면방법론을 사용하여 황산, 염산, 질산의 전처리 효과를 비교하였다. 그 결과 2% 질산, 8% (w/v)의 켈프 건조분말, 157도씨, 20분을 처리했을 때 17 g/L 의 가장 많은 단당이 생성되는 것을 확인하였다. 효소 당화는 Cellic CTec2와 Viscozyme L을 단일 혹은 혼합하여 사용하였으며 Hanes-Woolf plot을 통해 효소와 기질의 친화도를 Km값으로 나타내어 최적을 선정하였다. 그 결과, 12 U/ml의 혼합효소가 Km값이 0.5122로 가장 낮아서 최적으로 선정하였으며 27.3 g/L의 당이 생성되었다. 발효에서는 순치하지 않은 것과 고농도의 mannitol 배지에서 순치한 P. stipitis, P. angophorae를 사용하였으며. 그 결과 순치한 P. angophorae를 사용하였을 때 13.6 g/L의 에탄올을 생산하였고 수율 (YEtOH)은 0.50으로 나타났다.