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KR101484610B1 - 단수수 착즙액을 이용한 바이오 에탄올의 제조 방법 - Google Patents

단수수 착즙액을 이용한 바이오 에탄올의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 단수수 착즙액을 농축하여 배지를 준비하는 단계; (b) 상기 배지에 효모를 첨가하여 종균을 배양하여 배양액을 얻는 단계; (c) 상기 배양액을 액상 및 고상으로 분리하고, 상기 고상에서 얻은 균체를 회수하고, 상기 균체를 발효조에 투입하여 에탄올을 포함하는 발효액을 얻는 단계; 및 (d) 상기 발효액을 증류 및 탈수공정을 거쳐 에탄올을 생산하는 단계; 를 포함하는 바이오 에탄올 제조 방법에 관한 것이다.

Description

단수수 착즙액을 이용한 바이오 에탄올의 제조 방법{Producing Method of Bio-Ethanol by using sweet sorghum juice}
본 발명은 단수수 착즙액을 에탄올 생산 발효공정에 필요한 종균 배양의 배지로 이용하는 바이오에탄올 제조하는 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 화석 연료의 과다 사용에 따른 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라, 안정적이고 지속적으로 에너지를 생산하는 신재생 대체에너지 개념이 화두가 되고 있다. 그러한 대체에너지 개발의 일환으로, 바이오매스 자원으로부터 바이오 연료, 예를 들어, 바이오에탄올을 생산하는 기술이 가장 주목을 받고 있다.
바이오에탄올의 원료가 되는 물질인 바이오매스는 크게 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등) 등을 포함하는 제 1 세대와, 리그노셀룰로오스(lignocelluloses) 성분을 포함하는 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)로 이루어진 제 2 세대로 나누어 진다. 최근에는 제 3 세대 바이오에탄올 연료로서, 해조류(marine algae)를 원료로 이용한 바이오 연료의 개발이 진행 중에 있다.
다만, 상기 언급한 바이오에탄올의 원료 중, 제 1 세대인 곡물계는 식품 및 가축 사료와의 경쟁, 재배 면적의 포화 등의 문제가 있으며, 제 2 세대인 목질계의 경우, 리그닌을 제거하기 위해 복잡하고 고비용의 전처리 과정을 거쳐야 한다는 단점 등이 있어, 상기 언급한 각각의 원료만으로는 바이오에탄올 생산을 위한 원료 수급이 용이하지 못한 문제점이 있다. 또한, 기존의 1, 2, 3 세대의 바이오에탄올 생산공정을 각각 사용하는 경우, 단일 원료에 매우 의존적이어서 해당 원료의 가격 상승시에 바이오에탄올을 가격상승에 대한 대안이 없는 문제점이 있다.
따라서 연료를 대체하기 위해서는 대량의 원료확보와 저비용 고효율 생산기술 개발이 확립되어야 한다.
KR 10-2004-0020902 (출원번호)
본 발명은 1세대 바이오에탄올 원료인 단수수 착즙액을 2세대 바이오에탄올 생산 공정과 접목함으로써 에탄올 생산 효율을 증대시키고자 한다.
본 발명은 (a) 단수수 착즙액을 농축하여 배지를 준비하는 단계; (b) 상기 배지에 효모를 첨가하여 종균을 배양하여 배양액을 얻는 단계; (c) 상기 배양액을 액상 및 고상으로 분리하고, 상기 고상에서 얻은 균체를 회수하고, 상기 균체를 발효조에 투입하여 에탄올을 포함하는 발효액을 얻는 단계; 및 (d) 상기 발효액을 증류 및 탈수공정을 거쳐 에탄올을 생산하는 단계; 를 포함하는 바이오 에탄올 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 단수수 착즙액을 배지로 이용함으로써, 종래에 복합(YP) 배지를 첨가하는 것보다 공정을 단순화시키고 종균을 고액 분리하여 균체를 연속적으로 에탄올 발효의 종균으로 이용하는 방법 및 종균 배양시 발생하는 에탄올 함유 액상을 증류 및 탈수 장치로 이송하는 방법으로 공정 및 에탄올 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공정의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 2는 발효시간에 따른 당농도 및 에탄올 농도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 단수수 착즙액을 에탄올 생산 발효공정에 필요한 종균 배양의 배지로 이용하는 바이오에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, (a) 단수수 착즙액을 농축하여 배지를 준비하는 단계; (b) 상기 배지에 효모를 첨가하여 종균을 배양하여 배양액을 얻는 단계; (c) 상기 배양액을 액상 및 고상으로 분리하고, 상기 고상에서 얻은 균체를 회수하고, 상기 균체를 발효조에 투입하여 에탄올을 포함하는 발효액을 얻는 단계; 및 (d) 상기 발효액을 증류 및 탈수공정을 거쳐 에탄올을 생산하는 단계; 를 포함한다.
여기서, 단수수 착즙액이라 함은 단수수로부터 짜낸 즙액을 의미한다.
상기 (a) 단계는, 단수수를 파쇄 및 압착하여 단수수 착즙액을 형성하는 단계; 상기 단수수 착즙액을 0.05mm 내지 0.2mm 여과망으로 여과하는 단계; 및 여과된 단수수 착즙액을 1.3 내지 133Pa 의 압력으로 감압농축하여 40℃ 내지 70℃에서 50 내지 70 Brix로 당도를 높이는 단계; 를 포함한다.
또한 상기 (b) 단계는 농축된 단수수 착즙액을 희석하는 단계; 및 상기 희석된 단수수 착즙액에 효모를 0.1 내지 1%(v/v) 첨가하고, 호기조건으로 10 내지 24시간 배양하여 균체를 포함한 배양액을 얻는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 배양시 배양액의 pH 는 4.5 내지 5.5로 조절하며 발효온도는 27 내지 35℃를 유지하며, 상기 호기조건은 0.3vvm 내지 1.0vvm 의 유량을 통기하는 것을 특징으로 한다. 이때, 필터된 산소를 공급시킬 수 있다.
이때, 효모는 Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces marxianus 또는 Zymomonas mobilis인 것을 특징으로 하며, 일 예로 Saccharomyces cerevisiae CHY1011를 사용하였다.
한편, (c)단계는 균체를 당화액을 포함하는 발효조에 투입할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 당화액은 목질계 바이오매스로부터 추출된 것을 특징으로 한다. 여기서 목질계 바이오매스라 함은, 2세대 바이오에탄올 원료를 의미할 수 있다.
또한 이렇게 배양된 종균을 이용하여 에탄올 생산을 위한 본 배양, 즉, 목질계 당화액을 기질로 한 발효시에는 혐기조건으로 발효되는 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명은 1세대 바이오에탄올 원료인 단수수 착즙액을 2세대 바이오에탄올 생산 공정과 접목함으로써 에탄올 생산 효율을 증대시킬 수 있다.
여기서, 1세대 바이오에탄올 원료란, 크게 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등) 등을 포함하는 바이오매스를 의미하며, 2세대 바이오에탄올 원료란, 리그노셀룰로오스(lignocelluloses) 성분을 포함하는 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)로 이루어진 바이오매스를 의미한다.
이에 더하여 본 발명에서 (d)단계는 추가로 상기 (c)단계에서 분리한 액상을 증류 및 탈수공정으로 이송하여 에탄올을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실시예 >
실시예 1. 단수수 착즙액을 농축하여 배지 준비하는 단계
농촌진흥청 국립식량과학원 바이오 에너지 작물센터에서 수확한 단수수(Sorghum bicolor{L.} Moench)를 종실과 잎을 분리한 후 단수숫대만 착즙하고, 단수수 착즙액을 0.05mm 내지 0.2mm 여과망으로 여과하였다. 여과한 후에, 착즙한 단수수액을 농축하여 5℃ 이하로 저온보관 하였다.
농축할 때에는 시료 내에 존재하는 영양분이 파괴되지 않도록 40 내지 70℃ 에서 50 내지 70 brix로 감압농축 하였다. 또한 배지로 사용할 때에는 배양 농도에 따라 희석하여 사용하도록 하였다.
실시예 2. 배지에 효모를 첨가하여 종균을 배양하여 배양액을 얻는 단계
농축된 배지를 배양 농도에 따라 희석하였다. 상기 희석된 배지에 효모를 0.1 내지 1%(v/v) 첨가하고, 호기조건으로 10 내지 24시간 배양하여 균체를 포함한 배양액을 얻었다.
이때 사용한 효모는 ㈜창해연구소에서 분양받은 사카로마이세스 세레비시에 CHY1011(Saccharomyces cerevisiae CHY1011)를 이용하였다.
또한 효모 발효의 배양조건은 호기조건으로 0.5vvm의 유량을 통기하였으며, pH는 4.5 내지 5.5로 조절하였고, 온도는 27 내지 35℃ 를 유지하였다.
실시예 3 에탄올을 포함하는 발효액을 얻는 단계 및 바이오에탄올 생산 단계
균체를 포함한 배양액을 원심분리기로 이용하여 액상과 고상으로 분리하였다. 먼저 상기 고상에서 얻은 균체를 회수하여, 목질계 바이오매스로부터 추출한 당화액을 기질로 하는 에탄올 발효의 종균으로 사용하였다.
이때, 발효조건은 혐기조건으로 33℃, 24시간, pH는 4.5 내지 5.5로 조절하였다.
발효가 종료된 후에, 증류 및 탈수를 통해 바이오에탄올을 생산하였다. 또한 배양액을 원심분리하여 얻은 액상도 에탄올이 함유되어 있으므로 증류하여 바이오에탄올을 생산하였다.
< 비교예 >
단수수 착즙액 배지와 YP(yeast extract, peptone)를 포함한 단수수 착즙액 배지를 이용한 에탄올 발효 수율을 비교 검정하였다. yeast extract, peptone은 모두 BD DifcoTM사 제품을 사용하였다. 발효 배지로는 농축한 단수수 착즙액을 사용하였고 대조군으로 YP(yeast extract 1%, peptone 1%)배지를 첨가한 단수수 착즙액을 사용하였다. 발효 균주는 Saccharomyces cerevisiae CHY1011를 사용하였으며 발효조건은 발효온도 33?, pH 5.0, 150rpm 그리고 호기배양을 위해 산소공급은 0.5 vvm의 유량을 통기하였다. 에탄올 발효는 5L 발효조를 사용하였고 배양 유효용적은 2L로 하였다. 발효시간에 따른 당 소비 및 에탄올 생산 특성에 대한 비교 결과를 도 2에 나타내었다.
단수수 착즙액만 이용한 발효시 발효수율은 24시간 발효하였을 때 85%±2%였으며 단수수 착즙액에 YP배지를 첨가하여 발효했을 때도 85%±2%로 동일한 수율임
을 확인하였다. 또한 도 2와 같이 발효배지로서 단수수 착즙액만 공급하였을 때와 YP 배지를 첨가하였을 때의 차이가 없으므로 단수수 착즙액만을 배지로 사용하면 별도의 무기성분을 첨가할 필요가 없어 발효공정의 효율성이 증가되었다.
시료 당 종류별 농도(g/L) Total N(%) pH 염도 EC(%)
Glucose Fructose Sucrose 총당
단수수
착즙액		 11.4 14.3 100.0 125.6 0.05 4.96 0.69
성 분 PO4-P NO3-N NH4 +-N
mg/L 146.93 109.63 11.19
성분 Cu Fe Mn Zn P Ca Mg Na K
mg/kg 0.59 5.51 0.95 0.98 181.84 237.46 137.33 13.28 4429.07
상기 표 1은 단수수 착즙액의 당성분을 포함한 조성이며, 단수수 착즙액의 이온성분 및 무기물 함량을 표 2와 표 3에 나타내었다. 표 1 내지 표 3에서 나타낸 단수수 착즙액의 성분조성은 효모발효를 위한 영양분으로 사용되어 실제적으로 YP를 통해 추가적인 질소원을 공급하지 않아도 발효에 영향을 미치지 않음을 확인하였으며, 이를 통해 단수수 착즙액이 종균 배양의 배지로 적합함을 확인하였다.

Claims (9)

  1. (a) 복합배지를 포함하지 않는 단수수 착즙액을 농축하여 배지를 준비하는 단계;
    (b) 상기 배지에 효모를 첨가하여 상기 효모를 종균으로 배양하여 배양액을 얻는 단계;
    (c) 상기 배양액을 액상 및 고상으로 분리하고, 상기 고상에서 얻은 균체를 회수하고, 고상에서 얻은 균체를 목질계 바이오매스로부터 추출한 당화액을 기질로 하는 발효조에 투입하여 에탄올을 포함하는 발효액을 얻는 단계; 및
    (d) 상기 발효액을 증류 및 탈수공정을 거쳐 에탄올을 생산하는 단계; 를 포함하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 단수수를 파쇄 및 압착하여 단수수 착즙액을 얻는 단계;
    상기 단수수 착즙액을 0.05mm 내지 0.2mm 여과망으로 여과하는 단계; 및
    여과된 단수수 착즙액을 1.3 내지 133Pa 압력으로 감압농축하여40℃ 내지 70℃에서 50 내지 70 Brix로 당도를 높이는 단계; 를 포함하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 농축된 배지를 희석하는 단계; 및
    상기 희석된 배지에 효모를 0.5 내지 1%(v/v) 첨가하고, 호기조건으로 10 내지 24시간 배양하여 균체를 포함한 배양액을 얻는 단계; 를 포함하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배양액의 pH는 4.5 내지 5.5로 조절하며 온도는 27 내지 35℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 호기조건은 0.3vvm 내지 1.0vvm 의 유량으로 공기를 통기시켜 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 효모는 Saccharomyces cerevisiae , Kluyveromyces marxianus 또는 Zymomonas mobilis 인 것을 특징으로 하는 바이오 에탄올 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계는 추가로 상기 (c)단계에서 분리한 액상을 증류 및 탈수공정으로 이송하여 에탄올을 제조하는 바이오 에탄올 제조 방법.
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PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

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Patent event date: 20121226

PA0201 Request for examination
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PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20140129

Patent event code: PE09021S01D

AMND Amendment
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E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20140828

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20140129

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

AMND Amendment
PX0901 Re-examination

Patent event code: PX09011S01I

Patent event date: 20140828

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX09012R01I

Patent event date: 20140325

Comment text: Amendment to Specification, etc.

PX0701 Decision of registration after re-examination

Patent event date: 20141128

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event code: PX07013S01D

Patent event date: 20141024

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX07012R01I

Patent event date: 20140828

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX07011S01I

Patent event date: 20140325

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX07012R01I

X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
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