KR101763367B1

KR101763367B1 - 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101763367B1
Application number: KR1020150050318A
Authority: KR
Inventors: 유주현; 오영훈; 엄경태; 엄인용
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2017-07-31
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: KR20160120992A; WO2016163622A1; MY171303A; US20180087013A1

Abstract

본 발명은 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 과정에서 원치 않는 미생물이 오염되는 경우 발생하는 유기산을 조기에 탐지함으로써 효소당화를 종결하는 방법과, 이를 구현하기 위한 장치를 제공한다. 본 발명의 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 시 당화율을 극대화하는 방법 및 그 장치는 바이오매스의 효소당화 시 원치 않는 미생물의 오염에 의한 유기산의 생성을 조기에 탐지하여 미생물의 생육이 강하게 억제될 수 있도록 효소당화 장치의 운전조건을 전환함으로써 당화율을 극대화하는 동시에 미생물 대사산물을 거의 포함하지 않는 바이오슈가를 제조할 수 있다.

Description

오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법 및 그 장치{Hydrolysis method of biomass with enzymes for reducing unfavorable metabolite by the contaminated microorganisms and apparatus therefor}

본 발명은 전분 혹은 섬유소 가수분해효소를 사용하여 바이오매스를 단당류로 당화할 때 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스에 효소를 가하여 당화할 때 생성된 단당류를 탄소원으로 하는 원치 않는 미생물의 번식이 현저해지는 시점을 조기 탐지하여 당화 공정을 종결함으로써 당화율을 극대화하는 동시에 미생물 대사산물의 생성을 극소화하는 방법과, 이를 실행할 수 있는 장치에 관한 것이다.

석유와 석탄 등 최근 인류가 일상생활을 유지하기 위해 늘 사용하고 있는 화석연료는 그 매장량이 유한하여 경기의 싸이클에 따라 수요와 공급가가 급등락하고 있다. 이러한 화석연료의 급격한 가격 변동은 산업 전반에 지대한 영향을 미치므로 이를 재생 가능한 자원으로 대체하고자 많은 노력과 투자가 이루어지고 있다. 그 예로써 목질계 바이오매스를 원료로 하는 수송용 연료로서의 바이오알콜을 들 수 있는데, 이미 미국을 비롯한 여러 나라에서 상업적 생산이 시작되었다. 여기에 사용되는 목질계 바이오매스 자원은 옥수수 줄기, 밀짚, 사탕수수대 등이며, 이 바이오매스가 구조적 성분으로 함유하고 있는 셀룰로오스의 가수분해로 제조할 수 있는 포도당이 그 직접적인 원료가 된다. 또한, 제 3세대 바이오매스로 주목 받으며 실용화를 향하여 부단한 연구 개발이 이루어지고 있는 녹조류와 규조류 등의 조류 바이오매스는 체 내에 전분과 셀룰로오스 등의 탄수화물을 함유하고 있을 뿐만 아니라 많은 기름을 가지고 있으므로 바이오에탄올과 바이오디젤 등 바이오연료 자원으로 유망하다.

이 중 목질계 바이오매스가 가지고 있는 셀룰로오스는 다른 구조적 성분인 헤미셀룰로오스와 리그닌에 의해 둘러싸여 있는데, 이런 복합구조에 의해 식물이 비와 바람 등 거친 기후에도 굳건하게 서 있게 되고, 빗물 등 외부의 물이 조직 내부로 스며드는 것을 방지하며, 미생물에 감염되어도 큰 피해를 입지 않게 된다. 이러한 식물의 화학적 구조는 인간이 바이오매스를 자원으로 하여 바이오알콜과 바이오플라스틱 등 바이오화학 소재를 제조하고자 할 때에도 극복해야만 하는 장벽이다.

목질계 바이오매스가 함유하는 셀룰로오스를 포도당으로 전환하기 위해서 가장 먼저 해야 할 일은 이를 둘러싸고 있는 헤미셀룰로오스나 리그닌을 녹여내어 셀룰로오스를 노출시키는 것이다. 이 공정을 바이오매스의 전처리(biomass pretreatment)라고 하는데, 여기에는 산 촉매 전처리(acid-catalyzed treatment)와 알칼리 촉매 전처리(alkaline treatment)가 포함된다. 이 전처리 후 셀룰로오스를 포도당으로 전환하는 방법으로는 산을 이용하는 방법(acid hydrolysis)과 효소를 이용하는 방법(enzymatic hydrolysis)이 있다.

목질계 바이오매스의 전처리 후 당화에 산을 이용하는 방법은 화학적으로 매우 가혹한 화학반응을 사용하므로 이 과정에서 탄수화물의 과분해에 의해 퍼퓨랄(furfural)과 하이드록시메틸퓨랄데하이드(5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, HMF) 등이, 리그닌의 분해에 의해 페놀성 물질이 생성되는데, 이러한 물질들은 효모 등 미생물의 생육을 억제하거나 목적으로 하는 미생물 대사산물의 수율을 저하시키므로 미생물 억제 물질(microbial inhibitor)로 알려져 있다. 따라서 이렇게 제조한 포도당을 미생물의 발효에 사용하기 위해서는 이러한 과분해산물과 불순물을 제거할 수 있는 분리 정제가 필수적이다. 반면에 효소를 이용하여 셀룰로오스를 가수분해하는 방법은 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 과정에서 상기 언급한 다른 물질이 추가로 생성되지는 않으므로 미생물의 발효에 사용할 탄소원(이후 발효당 혹은 바이오슈가라고 칭함)을 제조하는 목적에 더욱 적합한 것으로 인식되고 있다.

목질계 바이오매스의 전처리와 효소당화로 바이오에탄올 혹은 발효당을 제조할 때 바이오매스의 전처리에 사용한 화학반응의 가혹도가 증가할수록 이어지는 효소당화에서 당화율이 증가한다. 이를 예를 들어 설명하며, 밀짚을 묽은산으로 전처리할 때 밀짚에 혼합하는 묽은산의 농도가 높을수록, 전처리 온도가 높을수록, 이러한 산의 농도와 온도를 더 오랫동안 유지해줄수록 전처리 반응의 가혹도가 증가하여 헤미셀룰로오스와 리그닌을 더 많이 녹여내므로 이후 셀룰로오스의 효소 가수분해에 의한 포도당으로의 전환율이 증가한다. 하지만, 전처리 과정이 가혹할수록 상기 미생물 억제 물질이 현저하게 증가하므로 이를 무독화하기 위한 공정 혹은 제거하기 위한 분리 정제 공정이 더욱 긴요해진다. 반대로 미생물 억제물질이 발생하지 않을 만큼 바이오매스 전처리 공정이 가혹하지 않거나, 가혹한 조건으로 전처리한 후 온수로 세척함으로써 미생물 억제물질을 제거한 후 효소당화로써 셀룰로오스를 포도당으로 전환하는 경우 이후 단순한 농축으로도 발효당을 제조할 수 있게 된다.

조류 바이오매스 중 전분 혹은 셀룰로오스를 주로 함유하는 녹조류와 규조류는 목질계 바이오매스와는 달리 체 내에 리그닌을 가지고 있지 않아서 목질계 바이오매스에 적용하는 고온 고압의 전처리가 필요치 않으며, 체 내에 존재하는 전분과 셀룰로오스 등 탄수화물은 전분 분해효소와 섬유소 가수분해효소에 의해 쉽게 단당류로 전환된다.

통상적으로 목질계 바이오매스 전처리물의 효소당화는 24 시간 내지 96 시간 이상 긴 시간을 필요로 하며, 조류 바이오매스의 당화에는 12 시간 내지 72 시간 이상의 시간이 필요하다. 이때 가격이 비싼 효소를 적은 양 첨가하여 보다 많은 양의 포도당을 제조하기 위해서는 효소당화 시간을 길게 하는 것이 유리한데, 이 긴 시간 동안 전처리물의 가수분해로 생성된 포도당을 다른 미생물로부터 안전하게 지키는 것은 그리 용이하지 않다. 그 예로써, 목질계 바이오매스를 원료로 하여 바이오에탄올을 제조하는 기술과 장비의 개발을 선도하고 있는 기업 중 하나인 덴마크의 Inbicon은 바이오에탄올 제조과정에서 효모 이외에 다른 미생물의 오염에 의해 생성되는 젖산의 농도를 0.5% 이내로 허용할 만큼 당화 혹은 발효 과정에서 미생물 오염은 매우 흔한 현상이다.

따라서 바이오매스의 효소당화와 에탄올 발효 공정에서 미생물 오염을 방지하기 위해서 여러 가지 방법들이 제안되거나 사용되고 있다. 먼저, 효소당화 전에 바이오매스 혹은 그 전처리물을 고온에서 찌거나, 산이나 염기, 에탄올 등을 가하여 멸균하는 방법, 효모 등의 발효 미생물에는 무해하지만 다른 잡균들의 발생 억제에 효과적인 페니실린과 같은 항생제나 억제물질을 첨가하는 것이 일반적 예라 할 수 있다.

또한, 바이오매스를 원료로 하여 바이오에탄올을 제조하는 과정에서 원치 않는 미생물의 발생을 억제하기 위해 전처리 과정에서 생성된 여러 가지 미생물 저해 물질을 회수하여 두었다가 효소당화 공정에 일부분 투입하는 종래기술로는 인비콘(Inbicon)사의 미국 등록특허 제8187849호 및 미국 등록특허 제8496980호가 있고, 전처리 후 생성된 전처리물의 고액분리 공정에서 액상물 회수 비율을 조절함으로써 미생물 억제 물질의 잔류량을 조절하고 이 물질들에 의해 원치 않는 미생물의 발생을 억제하는 종래기술로는 한국화학연구원의 한국 등록특허 제1449552호 및 한국 등록특허 제1504197호가 있다.

그러나 증류에 의해 비교적 순수한 에탄올을 쉽게 회수할 수 있는 바이오에탄올 제조와는 달리 바이오매스를 원료로 하는 고농도 발효당, 즉, 바이오슈가에는 젖산 등 미생물의 오염에 의해 생성될 수 있는 미생물 대사산물이 포함되어서는 안 되는 경우가 많다. 특히 현재 실용화되어 산업적 생산량이 매우 많은 바이오플라스틱의 하나인 폴리락틱애시드(polylactic acid, PLA)를 제조하기 위한 바이오슈가는 광학적으로 순수한 젖산을 제조하기 위해 어떤 형태든 젖산을 함유하지 않아야 한다. 이는 제조 목표로 하는 바이오슈가가 물에 녹아있는 형태이기 때문에 에탄올과 같이 단순한 증류에 의해서 회수할 수 없으며, 원치 않는 미생물 대사산물을 제거하기 위해서는 이온 크로마토그래피 등 보다 비용이 많이 드는 공정의 추가가 불가피하기 때문이다. 또한, 특정 미생물을 억제할 수 있는 항생제를 사용하는 것도 범용성 발효당을 제조하는 데에는 적합하지 않다.

본 발명자들이 바이오매스를 원료로 하여 산업용 발효당인 바이오슈가를 제조하는 수많은 실험에서 상기 제안된 기술들이 의도하는 대로 항상 미생물을 성공적으로 억제하지는 못하는 것을 알게 되었다. 특히, 바이오슈가의 제조를 목적으로 행하는 효소당화 공정은 사용하는 효소량을 줄이기 위해 장시간 효소반응을 지속하는 것이 필수적인데, 당화 개시 후 72시간이 경과하여도 미생물 오염의 징후가 나타나지 않는 경우도 드물게 있었지만, 보통 효소당화 개시 후 24 시간부터 원치 않는 미생물이 발생하기 시작하고, 48 시간 후에는 그 빈도가 눈에 띠게 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한, 원치 않는 미생물이 발생할 때 공통적으로 젖산(lactic acid)이 생성되면서 효소당화계에 일정한 산도를 유지하기 위해 투입하는 염기 수용액의 소모량이 증가하였다. 이에 여러 차례의 원치 않는 미생물이 발생한 시료로부터 미생물을 분리하여 동정하고 생리적 특성을 구명하는 연구를 통하여 이 오염균의 대부분은 Bacillus coagulans라는 것을 알게 되었다. 이 미생물은 생육 적온이 50 ^oC 내외이며, 고온에서 멸균하여도 포자를 만들어 살아남을 수 있고, 여러 가지 미생물의 생육에 영향을 미치는 퍼퓨랄(furfural)이 고농도로 존재하여도 큰 영향을 받지 않고 번식할 수 있으며, 대사산물로 젖산과 초산을 만든다는 것도 알게 되었다.

이 대표적인 오염균주인 Bacillus coagulans는 페니실린을 포함하는 항생제로 발생을 억제할 수 있었지만, 이런 종류의 미생물 억제 물질은 범용성 바이오슈가의 제조에는 사용할 수 없을 뿐만 아니라 제조단가를 높이는 요인이 된다. 따라서, 효소당화를 위해 전처리 과정에서 발생한 퍼퓨랄과 같은 미생물 억제물질 이외에 다른 물질을 효소당화 공정에 인위적으로 첨가하는 것보다 효소당화 과정에서 드물게 발생하는 원치 않는 미생물에 의한 오염을 조기에 탐지하여 효소당화계를 미생물의 생장이 강하게 억제되는 조건으로 전환함으로써, 오염 균주의 번식과 대사산물의 생성을 막는 방법이 바람직하다.

미국 등록특허 제8187849호 미국 등록특허 제8496980호 한국 등록특허 제1449552호 한국 등록특허 제1504197호

따라서 본 발명은 바이오매스 혹은 이들의 전처리 후 효소를 사용하여 당화할 때 오염 미생물의 대사산물 생성을 탐지하고, 당화 장치를 미생물이 잘 자라지 못하는 조건으로 전환케 함으로써 효소당화 과정 중 미생물 대사산물의 생성을 최소한으로 억제하는 동시에 효소당화 시간을 극대화하는 방법과, 이를 구현할 수 있는 효소당화 장치를 개발하고자 하였다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 과정에서 원치 않는 미생물이 오염되는 경우 발생하는 젖산을 조기에 탐지함으로써 당화기를 미생물의 생육이 강하게 억제되는 조건으로 전환하는 방법과, 이를 구현하기 위한 장치를 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명은 효소를 이용하여 바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소당화하는 바이오매스 효소당화 단계; 상기 바이오매스 효소당화가 진행되는 동안 당화계의 pH 변화를 측정하는 당화계 pH 측정단계; 상기 당화계의 pH를 산 또는 염기 수용액을 주입하여 가수분해효소의 활성 pH 범위 이내로 조절하는 당화계 pH 조절단계; 당화계의 pH가 염기 수용액 주입 후 조정된 수치에서 기 설정된 하한치까지 변화하는 시간을 측정하는 pH 변화속도 측정단계; pH 변화속도 측정치를 이전 측정치와 비교하여 일정 수치 혹은 비율 이하로 감소하는 시점을 미생물의 오염이 시작되는 단계로 탐지하는 미생물 오염 탐지단계; pH 변화속도 측정치를 이전 측정치와 비교하여 일정 수치 혹은 비율 이하로 더욱 감소하는 시점을 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하는 임계시점 탐지단계; 및 상기 임계시점에서 즉시 상기 당화계의 운전조건을 급속히 미생물의 생육을 강하게 억제하는 조건으로 전환하는 당화계 운전조건 전환단계를 포함하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 당화기의 pH 변화속도 측정 영역이 바이오매스 가수분해효소가 가수분해 활성을 유지하는 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 바이오매스 당화단계가 진행되는 당화계의 pH 변화는 헤미셀룰로오스의 가수분해에 따른 유기산의 생성으로부터 시작되는 pH 변화인 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 바이오매스 당화단계가 진행되는 당화계의 pH 변화는 당화계에 존재하는 미생물의 증식에 따른 유기산의 생성으로부터 시작되는 pH 변화인 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 효소당화 중 미생물에 의한 오염을 탐지하기 위해 측정하는 pH 변화 속도 대용으로 염기 수용액 주입 펌프의 작동으로 인한 염기 수용액 주입 간격을 이용하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 효소당화 중 실질적인 면에서 미생물의 오염이 시작되는 시점을 탐지하는 미생물 오염 탐지단계가 일정량의 염기 수용액 주입 후 당화계의 pH가 이미 설정되어 있는 하한치에 도달하기까지의 시간 혹은 염기 수용액 주입 펌프가 작동하여 pH를 올려놓은 후 다시 작동하기까지의 시간이 이전 측정치와 비교하여 일정 비율 이상 감소하였을 때로 정해지는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 효소당화 중 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점이 일정량의 염기 수용액의 주입 후 당화계의 pH가 이미 설정되어 있는 하한치에 도달하기까지의 시간 혹은 염기 수용액 펌프가 작동하여 pH를 올려놓은 후 다시 작동하기까지의 시간이 이전 측정치와 비교하여 일정 비율 이상 더욱 감소하였을 때로 정해지는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 효소당화 중 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점이 상기 미생물 오염 탐지 후 당화계의 pH를 조절하기 위해 주입되는 염기 수용액의 총량이 미생물의 대사산물로서 허용하고자 하는 양의 유기산 당량과 일치하는 시점인 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 효소당화 중 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점에 도달하였을 때 당화계의 운전조건을 급속히 미생물의 생육을 강하게 억제하는 조건으로 전환하는 방법이 산이나 염기 수용액을 신속히 첨가함으로써 미생물이 더 이상 자라지 못하는 pH로 전환하거나 당화계의 온도를 미생물이 더 이상 자라지 못하는 온도로 급속히 냉각하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 효소당화 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명은 바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소를 이용하여 당화하는 효소당화기; 상기 효소당화기 내부 당화물의 pH를 측정하는 당화물 pH 측정 수단; 상기 효소당화기 내부로 염기 수용액을 공급할 수 있는 펌프; 상기 당화물 pH 측정 수단에 의하여 측정된 당화물의 pH에 따라 염기 수용액 펌프로부터 염기 수용액의 주입량 또는 주입 간격을 제어하여 효소당화기 내부의 pH를 조절할 수 있는 효소당화기 pH 조절 수단; 및 당화기의 온도를 항온으로 유지할 수 있는 항온기를 포함하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 당화장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 바이오매스의 당화장치는 당화계를 급속 냉각할 수 있는 온도 조절 수단;을 더 포함하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 당화장치를 제공한다.

본 발명의 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 시 당화율을 극대화하면서 동시에 오염 미생물이 분비하는 대사산물을 최소화하는 방법 및 그 장치는 바이오매스의 효소당화 시 원치 않는 미생물의 오염에 의한 유기산의 생성을 조기에 탐지하여 미생물의 생육이 강하게 억제될 수 있도록 효소당화 장치의 운전조건을 전환함으로써 당화율을 극대화하는 동시에 미생물 대사산물을 거의 포함하지 않는 바이오슈가를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스 효소당화 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 과정에서 원치 않는 미생물이 오염되는 경우 발생하는 유기산을 조기에 탐지함으로써 효소당화를 종결하는 방법의 순서도이다.
도 3는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스의 당화장치의 개념도이다.

본 발명은 효소를 이용하여 바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소당화하는 바이오매스 효소당화 단계; 상기 바이오매스 효소당화가 진행되는 동안 당화계의 pH 변화를 측정하는 당화계 pH 측정단계; 상기 당화계의 pH를 산 또는 염기 수용액을 주입하여 가수분해효소의 활성 pH 범위 이내로 조절하는 당화계 pH 조절단계; 당화계의 pH가 염기 수용액 주입 후 조정된 수치에서 기 설정된 하한치까지 변화하는 시간을 측정하는 pH 변화속도 측정단계; pH 변화속도 측정치를 이전 측정치와 비교하여 일정 수치 혹은 비율 이하로 감소하는 시점을 미생물의 오염이 시작되는 단계로 탐지하는 미생물 오염 탐지단계; pH 변화속도 측정치를 이전 측정치와 비교하여 일정 수치 혹은 비율 이하로 더욱 감소하는 시점을 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하는 임계시점 탐지단계; 및 상기 임계시점에서 즉시 상기 당화계의 운전조건을 급속히 미생물의 생육을 강하게 억제하는 조건으로 전환하는 당화계 운전조건 전환단계를 포함하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법이 특징이다.

도 1은 이러한 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스 효소당화 방법의 공정도이다

보다 구체적으로 본 발명은 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 중에 젖산 등 유기산을 분비하는 미생물의 오염을 조기 탐지하여 효소 당화를 종결함으로써 당화율을 극대화하는 동시에 미생물 대사산물에 의한 당용액의 오염을 극소화하기 위해, 1) 당화계의 pH를 직접 혹은 간접적으로 측정하고 비교하여 pH 변화가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 10 내지 50% 이상 빨라지는 것을 감지함으로써 미생물 오염 시점을 탐지하고, 2-1) 당화계의 pH를 직접 혹은 간접적으로 측정하고 비교하여 pH 변화가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 70 내지 90% 이상 빨라지는 것을 감지함으로써 미생물 오염에 의해 더 이상 효소 당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하고, 3) 탐지된 임계시점에 당화계의 운전 조건을 미생물이 번식하지 못하게 급속 전환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2-2) 당화계의 pH를 직접 혹은 간접적으로 측정하고 비교하여 pH 변화가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 10 내지 50% 이상 빨라지는 것을 감지함으로써 탐지한 미생물 오염 시점부터 미생물의 대사산물로서 허용하고자 하는 양의 유기산 당량과 일치하는 염기 수용액이 주입된 시점을 더 이상 효소 당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 과정에서 원치 않는 미생물이 오염되는 경우 발생하는 젖산을 조기에 탐지함으로써 효소당화를 종결하는 방법의 순서도에 대한 것으로, 먼저 바이오매스를 열수 전처리하여 바이오매스 전처리물을 형성하고, 형성된 바이오매스 전처리물을 50 ^oC, pH 5.45 내외의 조건에서 복합효소를 사용한 가수분해에 의하여 바이오매스를 당화한다. 상기 바이오매스 당화반응이 진행되는 당화계의 pH 변화를 측정 및 모니터링하여 당화계의 pH가 가수분해 효소의 활성이 극대가 되는 pH 영역 밖인 5.45 미만이면 정량화된 염기 수용액을 주입하여 가수분해효소의 활성이 극대가 되는 pH 영역을 유지하면서 당화를 계속하며 염기 수용액 주입 간격을 모니터링한다. 1차로 본 발명의 상기 바이오매스 당화단계가 진행되는 동안 헤미셀룰로오스의 가수분해에 따른 유기산인 초산의 생성으로 인한 pH 변화가 시작되고, 당화반응이 진행됨에 따라서 헤미셀룰로오스가 가지고 있던 초산이 모두 소진되어 pH 변화 속도가 천천히 느려진다. 이후 당화계에 존재하는 미생물이 증식하면서 유기산인 젖산의 생성으로 인해 당화계의 2차 pH 변화가 나타난다. 바이오매스 당화반응이 진행되는 당화계의 pH 변화를 측정 및 모니터링하여 염기 수용액 주입 간격이 당화반응 중 가장 큰 주입 간격의 50% 이하가 되면 미생물 오염에 의해 유기산이 급속하게 생성되기 시작하는 시점으로 탐지하여 당화기의 온도를 10 ^oC 이하로 급속히 냉각하거나 pH를 4 이하로 조절하여 당화반응을 종결한다.

본 발명에서 당화하고자 하는 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물은 전분 혹은 셀룰로오스 중 적어도 한 가지 이상 함유함으로써 당화 결과 포도당을 생성할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 팜 공과방과 팜 수간 등 농업 부산물, 억새와 갈대 등 에너지 작물, 유칼리, 아카시아, 버드나무, 포플라 교잡종 등의 목본계 바이오매스를 포함하는 목질계 바이오매스, 클로렐라 등의 녹조류, 규조 등의 규조류를 포함하는 조류 바이오매스이다.

본 발명에서는 이러한 바이오매스를 전처리 없이 그대로 효소를 사용하여 당화할 수 있으며, 효소에 의한 당화 효율을 보다 높이기 위해 열수 전처리와 묽은산 전처리 등을 포함하는 산 촉매 전처리, 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 암모니아 등을 사용하는 염기 촉매 전처리 방법을 사용하여 먼저 전처리한 후 당화를 위한 기질로 사용할 수 있다. 또한 당화 전에 미생물을 사멸시키기 위해 고온 멸균을 한 후 당화를 위한 기질로 사용할 수도 있다.

본 발명에서 바이오매스의 당화에 사용하는 효소는 바이오매스의 종류에 따라 달라지므로 특별히 한정할 필요는 없지만, 통상적으로 바이오매스 중의 전분을 당화할 때는 아밀라아제 복합제제, 바이오매스 중의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 당화할 때는 셀룰라아제와 헤미셀룰라아제, 펙티나아제 등의 복합효소를 사용할 수 있으며, 바이오매스 중에 전분과 셀룰로오스가 함께 함유되어 있을 때에는 이 모두를 당화할 수 있는 아밀라아제와 셀룰라아제 복합효소를 사용할 수 있다. 이러한 바이오매스 당화용 효소는 가장 잘 작용할 수 있는 온도와 산도가 있으며, 그 예를 들면 셀룰로오스 가수분해효소 중 하나인 셀릭 씨텍2(Cellic CTec2, Novozymes 제품)는 45 내지 55 ^oC에서 pH 4.5 내지 5.5, 셀루클라스트 1.5엘(Celluclast 1.5L, Novozymes 제품)은 45 내지 55 ^oC에서 pH 4.5 내지 5.2 등이다.

본 발명에서 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 중에 미생물의 오염을 조기 탐지하기 위해 이용하는 변수는 미생물이 유기산을 분비함으로써 변화하는 당화계의 산도이다. 즉, Bacillus coagulans와 같이 바이오매스 중에서 포자를 형성하여 고온에서도 전부 사멸하지 않는 미생물과, 환경 중에 흔히 분포하여 당화 과정에서 공기와 함께 당화계로 유입될 수 있는 각종 Lactobacillus류 등의 미생물이 자라면서 젖산과 초산 등의 유기산을 분비하여 당화계를 서서히 산성화시키는 현상을 이용할 수 있다. 이를 목질계 바이오매스 전처리물을 셀룰라아제 복합효소로 효소당화할 때 일어날 수 있는 현상을 예로 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 옥수수 줄기에 물을 가하여 수화시킨 후 190 ^oC에서 20분간 열수전처리하여 얻은 전처리물을 회분식 발효기에 넣어 당화한다고 가정한다. 여기에 섬유소 가수분해효소로 셀릭 씨텍2(Cellic CTec2)를 가하고 50^oC 항온과 pH를 5.45로 유지하면서 교반하면 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 가수분해되면서 포도당과 목당 등 단당류가 생성된다. 이와 함께 헤미셀룰로오스의 자일란 골격에 에스테르 결합으로 붙어있던 초산기가 가수분해되어 방출되면 당화계는 서서히 산성화된다. 즉, 당화계의 pH가 서서히 낮아져서 5.45 미만으로 변화하고, pH가 5.45보다 낮아지면 염기 수용액 펌프가 작동하여 일정량의 염기 수용액을 주입하고 초산을 중화함으로써 당화계는 다시 pH 5.45 이상으로 높아지게 된다. 시간이 지남에 따라 헤미셀룰로오스에 남아있던 초산기가 소진되면 당화계의 pH가 변화하는 속도가 매우 느려진다. 한편, 당화계에는 점차 포도당이 많아져서 농도가 높아지고, 바이오매스 중에 포자로서 살아남았거나 당화 중에 공기와 함께 당화계로 들어간 바실러스(Bacillus species)나 락토바실러스(Lactobacillus species)가 발아하여 증식을 거듭함으로써 시간이 일정하지는 않지만 당화 후 약 24 시간 내지 48 시간 후에는 당화물 중에 젖산을 분비하기 시작한다. 이 시점부터는 그동안 점차 변화가 작아지던 당화계의 산도에 변화가 커지기 시작한다. 즉, 당화계의 pH가 5.45 이상에서 5.45 미만으로 떨어지는 속도가 빨라지거나, 5.45 미만까지 떨어진 pH를 5.45 이상으로 높이기 위해 염기 수용액을 주입하는 펌프가 작동하는 시간 간격이 짧아지는 현상으로 나타난다. 이 두 가지의 변화는 전자적으로 감지할 수 있으며, 본 발명은 산도 변화 속도가 가장 느렸던 측정치보다 20 내지 50% 범위 내에서 임의로 정한 비율 이상 빨라지거나, 염기 수용액 펌프 작동 시간 간격이 가장 길었던 측정치와 비교하여 최소한 20 내지 50% 범위 내에서 임의로 정한 비율 이상 작아지면 이를 감지하여 미생물 오염이 시작된 것으로 간주할 수 있다. 이후 당화반응을 지속하면서 산도 변화 속도가 가장 느렸던 측정치보다 70 내지 90% 범위 내에서 임의로 정한 비율 이상 빨라지거나, 염기 수용액 펌프 작동 시간 간격이 가장 길었던 측정치와 비교하여 최소한 70 내지 90% 범위 내에서 임의로 정한 비율 이상 작아지면 이를 감지하여 미생물 오염이 심각하여 당화를 중지해야 하는 임계시점으로 탐지하고 당화계의 온도를 즉시 10 ^oC 이하로 낮춤으로써 오염 미생물의 번식을 막을 수 있게 되는 것이다. 따라서, 본 발명은 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 중에 젖산 등 유기산을 분비하는 미생물의 오염을 조기 탐지하는 방법으로 당화계의 산도 변화 속도가 가장 느렸던 측정치보다 일정 비율 이상 빨라지거나, 염기 수용액 펌프 작동 시간 간격이 가장 길었던 측정치와 비교하여 일정 비율 이상 작아지는 시점을 전자적으로 결정하는 기술을 제공한다.

또한 본 발명은 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 중에 젖산이나 초산 등 유기산을 분비하는 미생물의 오염이 심각한 것으로 탐지된 시점에 당화계의 운전 조건을 오염 미생물의 생육이 크게 저해되는 조건으로 신속하게 전환함으로써 효소 당화에 의한 당화율과 당수율을 극대화하는 방법을 추가로 제공한다. 이 때 오염 미생물의 생육을 신속히 억제할 수 있게 하는 당화기 운전조건으로는 당화기 내의 온도를 10 ^oC 내외로 냉각시키는 방법과 산도를 pH 4 이하로 내리는 방법을 들 수 있으며, 당화물의 후속처리를 고려할 때 당화기를 냉각시키는 방법이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명은 바이오매스를 효소당화하여 바이오슈가를 제조할 때 일정한 간격으로 시료를 채취하여 고속액체크로마토그래프(HPLC) 등의 분석기기로 화학적 분석을 행하지 않고도 손쉽게 젖산 등의 산성 대사산물의 발생을 탐지함으로써 미생물 오염을 최소화할 수 있으므로 당수율을 극대화하는 동시에 바이오슈가의 품질 저하를 미연에 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스의 당화장치의 개념도를 나타낸 것으로 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 당화장치는 바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소를 이용하여 당화하는 효소당화기(1); 상기 효소당화기 내부 당화물의 pH를 측정하는 당화물 pH 측정수단(2); 상기 효소당화기 내부로 염기 수용액(3)을 공급할 수 있는 펌프(4); 및 상기 당화물 pH 측정수단에 의하여 측정된 당화물의 pH에 따라 펌프로부터 염기 수용액의 주입량 또는 주입 간격을 제어하여 효소당화기 내부의 pH를 조절할 수 있는 효소당화기 pH 조절수단(5); 및 당화기의 온도를 항온으로 유지할 수 있는 항온기(6); 당화기를 급속 냉각할 수 있는 온도 조절 수단(7); 및 전체 바이오매스의 당화장치를 제어하는 제어수단(7)을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 당화장치를 이용하여 전술한 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법을 적용하여 바이오매스 혹은 바이오매스 전처리물의 효소당화 중에 젖산 등 유기산을 분비하는 미생물의 오염을 조기 탐지하여 효소 당화를 종결함으로써 당화율을 극대화하는 동시에 미생물 대사산물에 의한 당용액의 오염을 극소화하기 위해, 1) 당화계의 pH를 직접 혹은 간접적으로 측정하고 비교하여 pH 변화가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 10 내지 50% 이상 빨라지는 것을 감지함으로써 미생물 오염 시점을 탐지하고, 2-1) 당화계의 pH를 직접 혹은 간접적으로 측정하고 비교하여 pH 변화가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 70 내지 90% 이상 빨라지는 것을 감지함으로써 미생물 오염에 의해 더 이상 효소 당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하고, 3) 탐지된 임계시점에 당화계의 운전 조건을 미생물이 번식하지 못하게 급속 전환하는 효소당화가 가능하고 효소당화계의 운전조건의 급속 전환은 온조 조절 수단을 이용하여 당화기 내의 온도를 10 ^oC 내외로 냉각시키는 방법과 pH 조절수단을 이용하여 산도를 pH 4 이하로 내리는 방법을 사용할 수 있으며, 당화물의 후속처리를 고려할 때 당화기를 냉각시키는 방법이 바람직하다.

이하, 본 발명의 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 염기 수용액 펌프 작동 시간 간격을 이용한 미생물 오염 탐지기의 제작

당화기의 염기 수용액 펌프에 흐르는 전류를 감지함으로써 작동 시간 간격을 측정하는 제어판넬, 이 기계의 작동 상태를 보여 주는 모니터링 프로그램(랩뷰, LabView) 및 이를 실행하기 위한 개인컴퓨터로 이루어진 미생물 오염 탐지기를 제작하였다. 이 장치를 발효기(7 리터용 발효기, 바이오트론, 한일과학 제품, 서울)에 부착하고, 랜선을 통하여 인터넷에 연결하였다. 이 미생물 오염 탐지기는 당화기의 염기 수용액 펌프가 작동하는 시간 간격을 측정하고, 가장 간격이 긴 시간과 비교하여 새로운 시간 간격이 임의의 비율(예컨대 50%) 이상 짧아지는 현상이 연속하여 3회 이상 반복되는 시점을 탐지하여 경보와 함께 인터넷을 통하여 장치 관리자의 휴대전화에 문자로 통보하고, 동시에 당화기를 10 ^oC 이하로 냉각할 수 있도록 프로그램하였다.

실시예 2. 미생물 오염 탐지기의 임계시점 탐지 기능을 이용한 팜 공과방의 효소당화

건조 상태의 팜(palm) 공과방(empty fruit bunch) 분쇄물(20 메시 이하, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공) 680g에 증류수 8 리터를 가하여 밤새 상온에 두었다. 이 시료를 10 리터용 고압반응기(한울엔지니어링 제품, 서울)에 넣고 가열하여 191 ^oC까지 온도를 올린 후 15분간 유지하였다. 이후 급속히 냉각시킨 다음 두 개의 광목자루에 내용물을 나누어 넣었다. 짤순이(한일전기 제품, 서울)에 넣어 1 시간 동안 탈수하여 효소 당화용 고형분 시료를 제조하였다. 이 조작을 14회 반복하여 당화용 시료를 제조하였다. 당화기 용기에 증류수 500 ml를 가하고 당화효소로서 셀릭씨텍2(Cellic CTec2, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 68 ml를 가하였다. 당화기를 50^oC, pH 5.45, 교반속도 100 rpm을 유지하면서 상기 팜 공과방 전처리물을 건물중으로 680 g 상당량을 덜어 내어 3회로 나누어 당화기에 주입하였다. 염기 수용액 펌프에는 2%의 수산화나트륨 수용액을 연결하였다. 상기 실시예 1의 미생물오염탐지기는 이 염기 수용액 펌프가 작동하는 시간 간격을 측정하고, 가장 간격이 긴 시간과 비교하여 새로운 시간 간격이 3회 연속하여 50% 이상 짧아졌을 때를 탐지하여 경보와 함께 인터넷을 통하여 장치 관리자의 휴대전화에 문자로 통보하고, 동시에 당화기의 온도를 10 ^oC 이하로 냉각할 수 있도록 프로그램하였다. 당화 개시 후 모든 장치를 가동하여 경보가 울릴 때까지 당화를 지속하였다. 경보 혹은 문자 통보 직후 당화기를 약 10 ^oC 내외로 급속 냉각한 다음 내용물을 채취하여 고속액체크로마토그래프(High Performance Liquid Chromatograph, Waters 제품, 미국)로 당 농도와 젖산 농도를 측정하였다. 이러한 실험을 2회 더 수행한 다음 그 측정 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 3. 미생물 오염 탐지기의 염기 수용액 주입량 제한 기능을 이용한 팜 공과방의 효소당화

이 실험에서는 효소당화 후의 젖산 생성량이 포도당 생성량의 0.5% 이내가 되도록 통제하기 위해서 당화계의 미생물 오염 시점 탐지 후 젖산 중화용 염기 수용액의 주입량이 당화 종료 시점을 결정하도록 시도하였다. 당화기 용기에 증류수 1,000 ml를 가하고 당화효소로서 셀릭씨텍2(Cellic CTec2, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 100 ml를 가하였다. 염기 수용액 펌프에는 2%의 수산화나트륨 수용액을 연결하였다. 당화기를 50^oC, pH 5.45, 교반속도 100 rpm을 유지하면서 상기 팜 공과방 전처리물을 건물중으로 1,000 g 상당량을 덜어 내어 4회로 나누어 당화기에 주입하였다. 상기 실시예 1의 미생물오염탐지기는 이 염기 수용액 펌프가 작동하는 시간 간격을 측정하고, 가장 간격이 긴 시간과 비교하여 새로운 시간 간격이 50% 이상 짧아지는 현상이 3회 연속되었을 때를 탐지하여 원치 않는 미생물의 실질적인 오염 시점으로 간주하게 하고, 이 시점부터 누적 염기 수용액 주입량이 33.4 ml가 되는 시점을 임계시점으로 탐지케 하였다. 이 임계시점 탐지 후 경보와 함께 인터넷을 통하여 장치 관리자의 휴대전화에 문자로 통보하고, 동시에 당화기의 온도를 10 ^oC 이하로 냉각할 수 있도록 프로그램하였다. 당화 개시 후 모든 장치를 가동하여 경보가 울릴 때까지 당화를 지속한 다음 내용물을 채취하여 고속액체크로마토그래프(High Performance Liquid Chromatograph, Waters 제품, 미국)로 당 농도와 젖산 농도를 측정하였다. 이러한 실험을 2회 더 수행한 다음 그 측정 결과를 표 1에 나타내었다.

비교예 1. 항생제를 사용한 팜 공과방의 효소당화

건조 상태의 팜(palm) 공과방(empty fruit bunch) 분쇄물(20 메시 이하, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공)을 원료로 하여 상기 실시예 2와 유사한 실험을 수행하였으며, 이 실험에는 미생물 발생을 억제하기 위해 항생제로 페니실린-스트렙토마이신 수용액(시그마 제품 번호 P4333-100ML)을 당화물 1ml 당 1 마이크로리터 첨가하였다. 총 120 시간 동안 당화하고 24 시간 간격으로 시료를 소량 취하여 고속액체크로마토그래프(High Performance Liquid Chromatograph, Waters 제품, 미국)로 당 농도와 젖산 농도를 측정한 다음 팜 공과방이 가지고 있는 셀룰로오스를 포도당으로 환산한 값과 대비하여 당수율을 산출한 다음 그 결과를 표 1에 나타내었다.

비교예 2. 항생제를 사용하지 않은 팜 공과방의 효소당화

건조 상태의 팜(palm) 공과방(empty fruit bunch) 분쇄물(20 메시 이하, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공)을 원료로 하여 상기 실시예 2와 유사한 실험을 수행하였으며, 이 실험에는 항생제도 사용하지 않고, 총 48 시간 동안 당화한 다음 시료를 소량 취하여 고속액체크로마토그래프(High Performance Liquid Chromatograph, Waters 제품, 미국)로 당 농도와 젖산 농도를 측정한 다음 그 측정 결과를 표 1에 나타내었다.

구분	셀룰로오스 함량 대비 포도당과 젖산 수율(%)
실험	실시예 2-1	실시예 2-2	실시예 2-3	실시예 3-1	실시예 3-2	실시예 3-3	비교예 1	비교예 2
당화지속시간 (시간)	61.0	48.3	53.6	56.2	49.5	46.9	96	36
포도당	83.2	81.1	81.9	82.7	81.3	80.1	85.2	43.9
젖산	0.0	0.0	0.0	0.1	0.2	0.2	0.0	1.1

표 1의 비교예 1에서와 같이 항생제를 사용하여 당화한 실험에서는 미생물 오염 없이 당화를 지속할 수 있었으며, 당화 96 시간 후에 당수율은 극대가 되는 것으로 나타났다. 반면 항생제를 사용하지 않는 비교예 2에서 볼 수 있듯이 젖산을 생성하는 균주로 오염된 경우 당화 중지 시간이 늦어지면 포도당이 젖산으로 대사되면서 당수율이 급감하는 동시에 많은 양의 젖산이 생성된 것을 알 수 있다. 하지만 본 발명의 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법 및 그 장치를 이용한 팜 공과방의 효소당화는 미생물 오염에 의해 생성되는 젖산을 최소한으로 억제하면서 당화 지속 시간을 안전하게 유지하여 81% 내지 85% 의 당수율을 보인다. 이와 같이 본 발명은 바이오매스를 원료로 하여 발효당을 제조할 때 안전하게 당수율을 극대화하는 데 아주 유용함을 알 수 있다.

한편, 효소당화 후의 젖산 생성량의 조절을 위한 실시예 3-1 내지 3-3에서도 목표로 설정한 0.5% 이내의 젖산을 함유하는 포도당을 생산할 수 있었고, 이를 통하여 본 발명의 방법 및 장치의 사용에 의하여 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 또는 조절이 가능하게 되어 바이오매스를 원료로 한 발효당 제조시 당수율의 극대화가 가능함을 알 수 있었다.

1: 효소당화기 2: 당화물 pH 측정수단
3: 염기 수용액 4: 펌프
5: 효소당화기 pH 조절 수단 6: 항온기
7: 온도 조절수단 8: 제어수단

Claims

효소를 이용하여 바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소당화하는 바이오매스 효소당화 단계;
상기 바이오매스 효소당화가 진행되는 동안 당화계의 pH 변화를 측정하는 당화계 pH 측정단계;
상기 당화계의 pH를 산 또는 염기 수용액을 주입하여 가수분해효소의 활성 pH 범위 이내로 조절하는 당화계 pH 조절단계;
당화계의 pH가 염기 수용액 주입 후 조정된 수치에서 기 설정된 하한치까지 변화하는 시간을 측정하는 pH 변화속도 측정단계;
pH 변화속도 측정치로부터 pH 변화속도가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 10 내지 50% 이상 빨라지는 시점을 미생물의 오염이 시작되는 단계로 탐지하는 미생물 오염 탐지단계;
pH 변화속도 측정치로부터 pH 변화속도가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 70 내지 90% 이상 빨라지는 시점을 미생물의 오염이 심각하여 더 이상 효소당화를 지속할 수 없는 임계시점으로 탐지하는 임계시점 탐지단계; 및
상기 임계시점에서 즉시 상기 당화계의 운전조건을 급속히 미생물의 생육을 강하게 억제하는 조건으로 전환하는 당화계 운전조건 전환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스 효소당화 단계가 진행되는 당화계의 pH 변화는 헤미셀룰로오스의 가수분해에 따른 유기산의 생성으로부터 시작되는 pH 변화인 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스 효소당화 단계가 진행되는 당화계의 pH 변화는 당화계에 존재하는 미생물의 증식에 따른 유기산의 생성으로부터 시작되는 pH 변화인 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 pH 변화속도 측정치는 효소당화 중 미생물에 의한 오염을 탐지하기 위해 측정하는 pH 변화 속도 대용으로 염기 수용액 주입 펌프의 작동으로 인한 염기 수용액 주입 간격을 이용하는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 임계시점은 상기 미생물 오염 탐지 후 당화계의 pH를 조절하기 위해 주입되는 염기 수용액의 총량이 미생물의 대사산물로서 허용하고자 하는 양의 유기산 당량과 일치하는 시점인 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 운전조건 전환단계는 산이나 염기 수용액을 신속히 첨가함으로써 미생물이 더 이상 자라지 못하는 pH로 전환하거나 당화계의 온도를 미생물이 더 이상 자라지 못하는 온도로 급속히 냉각하는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화하는 바이오매스의 효소당화 방법.
바이오매스 또는 바이오매스 전처리물을 효소를 이용하여 당화하는 효소당화기;
상기 효소당화기 내부 당화물의 pH 변화속도 측정치를 pH 변화속도가 가장 느렸던 측정치에 비해 pH 변화속도가 10 내지 50% 이상 빨라지는 미생물 오염 탐지시점과 pH 변화속도가 70 내지 90% 이상 빨라지는 임계시점을 측정하는 당화물 pH 측정 수단;
상기 효소당화기 내부로 염기 수용액을 공급할 수 있는 펌프;
상기 당화물 pH 측정 수단에 의하여 측정된 당화물의 pH에 따라 염기 수용액 펌프로부터 염기 수용액의 주입량 또는 주입 간격을 제어하여 효소당화기 내부의 pH를 조절할 수 있는 효소당화기 pH 조절 수단; 및
당화기의 온도를 항온으로 유지할 수 있는 항온기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 당화장치.
청구항 9에 있어서,
상기 바이오매스의 당화장치는 당화계를 급속 냉각할 수 있는 온도 조절 수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 미생물의 대사산물 생성을 최소화 하는 바이오매스의 당화장치.