Development of pretreatment and fermentation processes for bioethanol production from macroalgae

Abstract

바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스, 그리고 바이오수소의 생산을 위해 에너지 공급원료로 해양 거대조류의 사용이 연구되고 있다. 해조류는 목질계 바이오매스와 비교하여 높은 성장률, 낮은 대지 사용, 높은 CO2 흡수 그리고 활용율, 비료와 식량에 대한 경쟁이 필요 없는 민물의 자원이다. 본 연구에서는 다시마, 우뭇가사리, 그리고 염장미역 해조류들을 기질로 사용하여 전처리 조건 최적화 및 에탄올 발효를 실시하였다. 산 촉매 열 가수분해와 효소 전처리들은 분리당화발효에 적용하여 당화공정을 최적화하였다. 효모들은 특정 당 순치를 통해 높은 농도의 에탄올 생산과 당 섭취의 개선을 통해 발효시간을 최소화하였다. 따라서 에탄올 발효는 mannitol 혹은 galactose의 고농도 당 순치를 한 Pichia angophorae KCTC 17574, Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129, Scheffersomyces (Pichia) stipitis KCTC 7228를 이용하였다. 해조류 다시마를 기질로 이용한 에탄올 생산 최적화를 위해 RSM, 효소당화, 2단계 발효공정에 대한 연구를 진행하였다. 다시마의 H2O2 촉매 열 가수분해는 높은 전환 수율의 환원당과 낮은 점성에 대하여 반응표면법을 이용하여 전처리 조건을 최적화하였다. 또한 H2O2 촉매 열 가수분해 후 2-mL의 Celluclast 1.5L를 100 g/L의 다시마 슬러리에 처리한 결과 총 탄수화물 66 g dw/L 대비 당화 수율은 43.2%이고 28.5 g/L의 환원당을 생성하였다. Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129와 mannitol에 순치한 Pichia angophorae KCTC 17574를 이용하여 2단계 발효를 실시한 결과, 9.9 g/L의 에탄올을 생산하였다. 따라서 특정 당에 순치한 효모는 가수분해된 다시마로부터 생성된 혼합당 (mannitol + glucose)을 이용한 에탄올 발효에 효과적임을 알 수 있었다. 해조류 중 홍조류인 우뭇가사리를 이용하여 산 촉매 열 가수분해, 효소당화,에탄올 발효, 그리고 저해물질 (HMF)에 대한 생물학적 전환에 대해 연구를 진행하였다. 산 촉매 열 가수분해와 효소 당화 전처리를 이용하여 100 g dw/L의 우뭇가사리에서 총 탄수화물 75.8 g/L로부터 당화 수율 (Es)은 57.4%이고 43.5 g/L의 단당을 생성하였다. 에탄올 발효는 Scheffersomyces (Pichia) stipitis KCTC 7228를 사용하여 96 시간에 에탄올 수율 (YEtOH)은 0.47이고 20.5 g/L의 에탄올을 생산하였다. 또한 에탄올 발효과정 중에 S. stipitis KCTC 7228 효모는 5-hydroxymethyl furfural (HMF)를 비독성 물질로 전환하여 HMF < 5 g/L 가 될 때 당 섭취율와 에탄올 생산량이 급격이 증가하는 경향을 확인하였다. UV 222 nm에서 HPLC로 분석한 결과 HMF 전환물질은 2,5-bis-hydroxymethylfuran로 추정되었다. 그리고 배지 안에 생물학적 전환으로 축적된 2,5-bis-hydroxymethylfuran는 당 섭취와 에탄올 생산에 저해물질로 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다. Scheffersomyces (Pichia) stipitis KCTC 7228에 의한 HMF의 생물학적 전환은 저해물질이 포함된 우뭇가사리의 가수분해산물로부터 에탄올의 발효 효율을 높였다. 염장미역은 실험실 수준과 중간 시험규모로 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129를 이용하여 에탄올 발효를 진행하였다. 염장미역은 75 mM 황산을 121C, 60분간 산 촉매 열 가수분해를 실시하였다. 효소 당화는 높은 열과 낮은 pH에 안정한 활성을 가지고 있는 Termamyl 120L를 염장미역 슬러리에 1.4 KNU/mL의 농도로 첨가하고 산 촉매 열 가수분해와 같이 실시하였다. 그 결과 130 g dw/L의 염장미역에서 총 탄수화물 59.9 g/L로부터 당화 수율 (Es)은 32.2%의 전환율을 나타내었고 19.3 g/L의 단당을 생성하였다. 염장미역의 농도에 따른 에탄올 생산은 염 농도 90 psu 이상에서 감소하였다. S. cerevisiae KCCM 1129를 이용한 에탄올 발효는 5L 발효기에서 에탄올 효율 (YEtOH)이 0.44로 8.5 g/L의 에탄올을 24 시간 동안 생산하였고, 500L 발효기에서 에탄올 효율 (YEtOH)이 0.41로 7.9 g/L의 에탄올을 18 시간 동안 각각 생산하였다. 500L 발효기를 이용한 염장미역 가수분해산물은 총 탄수화물 16.7 kg로부터 당화 수율 (Es)이 35.9%로 6.0 kg의 단당이 생성되었다. 또한 SHF 공정을 통하여 2.4 kg의 에탄올을 생산하였으며, 증류 공정에서 발생된 에탄올 손실은 29%이며, 이에 전체 에탄올 회수양은 1.7 kg로 나타났다.

Use of marine macro-algae (seaweed) as an energy feedstock for production of biodiesel, bioethanol, biogas, and biohydrogen has been investigated. Seaweed has a faster growth rate, lower land usage, higher CO2 absorption and uptake rate, no need for fertilizers and no competition for food or freshwater resources compared to lignocellulosic biomass. The seaweeds, Saccharina japonica (sea tangle), Gelidium amansii (ceylon moss), and Undaria pinnatifida (salted sea mustard) were determined as substrates for the bioethanol production in this study. Thermal acid hydrolysis and enzyme treatments were applied for separate hydrolysis and fermentation (SHF). The yeasts were acclimated to produce the high concentration of ethanol and minimize the fermentation time by the prevention of repression on sugar uptake. Thus, the ethanol fermentation was carried out using acclimated Pichia angophorae, Saccharomyces cerevisiae, and Scheffersomyces (Pichia) stipitis to high concentration of mannitol and/or galactose. The seaweed, Saccharina japonica (sea tangle), was determined as substrates for the bioethanol production. The thermal H2O2 hydrolysis of S. japonica was optimized in terms of reducing sugar production and viscosity decrease using response surface methodology (RSM). Monosaccharides at a level of 28.5 g/L with a 40.5% theoretical yield were obtained by enzymatic saccharification of pretreated Saccharina japonica slurry with 2-mL Celluclast 1.5L in 100 g dw/L of seaweed slurry. Two-phase fermentation using the yeasts Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 and mannitol-acclimated Pichia angophorae KCTC 17574 was conducted, resulting in production of 9.9 g ethanol/L. These results suggest that use of acclimated yeast is effective for the fermentation of mixed sugars from hydrolyzed S. japonica. The seaweed, Gelidium amansii (ceylon moss), was determined as substrates for the bioethanol production. A maximum mono sugar concentration of 43.5 g/L and 57.4% of conversion from total carbohydrate of 75.8 g/L with Gelidium amansii slurry 100 g dw/L were obtained from thermal acid hydrolysis as pretreatment and enzymatic hydrolysis. The ethanol concentration was 20.5 g/L with YEtOH of 0.47 at 96 h by Scheffersomyces (Pichia) stipitis KCTC 7228. The HMF conversion product detected by HPLC at UV 222 nm was presumed to be 2,5-bis-hydroxymethylfuran. The fermentation profiles by S. stipitis KCTC 7228 provided a basis for the ethanol fermentation and production of HMF conversion product, 2,5-bis-hydroxymethylfuran. The seaweed, salted Undaria pinnatifida (sea mustard), was fermented to produce bioethanol by Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129 at laboratory and pilot scales. The salted U. pinnatifida was pretreated with 75 mM H2SO4 at 121C for 60 min during the thermal acid hydrolysis. Thermal acid hydrolysis was carried out with the addition of 1.4 KNU/mL Termamyl 120L. The total mono sugar concentration of 19.3 g/L and 32.2% of conversion from total carbohydrate of 59.9 g/L from 130 g dw/L salted U. pinnatifida were obtained. The ethanol fermentations of 5L fermentor and 500L fermentor were carried out with 8.5 g/L of ethanol with the ethanol yield (YEtOH) of 0.44 at 24 h and 7.9 g/L with YEtOH of 0.41 at 18 h, respectively. The salted U. pinnatifida hydrolysate in 500L fermentor produced 6.0 kg mono sugar (glucose + galactose) with efficiency of mono sugar production (Es) of 35.9%. The ethanol production of 2.4 kg was obtained from 16.7 kg of carbohydrate with 13% (w/v) salted U. pinnatifida using the SHF process.