폐지당화액을 이용한 에탄올생산

박승원, 이승권*, 김준석, 김승욱, 홍석인

고려대학교 화학공학과 , 고려대학교 생명공학원*

Production of ethanol from newspaper hydrolysates

Seung Won Park, Seng Kwon Lee*, Jun Seok Kim, Seung Wook Kim and Suk In Hong

Department of Chemical Engineering, Korea University

Graduate School of Biotechnology, Korea University*

서론

에탄올과 같은 액체연료는 고체의 바이오매스로부터 얻어질 수 있는 에너지 중 가장 효율이 높은 형태이다.  에탄올은 취급하기가 용이하고, 깨끗하게 연소하며, 연소후 공기 오염이 적으며, 우수한 옥탄가를 갖는 등 수송용 연료로서 충분한 조건을 지니고 있다.  따라서 이미 기술이 확립되어 있는 전분질계, 당질계 원료를 이용한 에탄올의 생산은 상업화 단계에 있으나, 이러한 원료는 비교적 자원량이 한정되어 있으며, 작물재배 과정이 노동 집약적인 관계로 원료가격이 비싸서 기술개발을 통한 원가절감의 가능성이 적은데다가 식량자급원으로서  이용과 경합되어 원료수급이 불안정하여 에탄올 공급규모의 대대적인 확대가 어렵다. 반면에 섬유소계 폐기물로서 폐지류의 경우 년간 약 433만톤, 농산 부산물인 볏짚은 년간 620만톤으로 열량환산치로 각각 1440×1010 , 2548×1010 kcal에 해당되며, 또한 목질계 바이오매스도 그 자원량이 풍부하다.  이러한 폐지, 볏짚을 포함한 섬유소계 폐기물 및 바이오매스는 양이 풍부하고 가격이 저렴하여 이상적인 대체에너지 생산원료이지만 난분해성이라는 문제점이 있다. 폐지의 대부분을 차지하는 신문지는 보통 5-6번 재활용될수 있고, 그 후에는 셀룰로오스 섬유가 종이를 만들기에는 매우 짧고 결합력이 약해져서 폐기물로 처리되야 한다. 최근까지 대부분의 섬유소계 고형 폐기물은 매립이나 소각에 의해 처리되고 있고 북미도시에는 폐지 처리비용이 톤당 30$로 추정되고 있다. 특히 근래에 종이에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있고 여기에서 파생되는 폐지의 처리가 환경적인 측면에서 큰 문제로 제기되고 있다. 이처럼 재활용되지 못하고 폐기물로 처리되어지는 폐지를 원료로 하여 연료용 에탄올을 생산한다면 기존의 바이오매스로부터 생산하는 것 보다 많은 장점을 가질수 있다. 본연구에서는 연료용 에탄올이 생산가능한 바이오매스인 폐지를 이용하여 이의 주성분인 셀룰로오스로부터 에탄올 생산공정의 비용절감을 위해 고농도의 폐지당화액과 고온에 적응된 균주를 선별하여 폐지로 부터 보다 많은 에탄올생산성을 높이고자 한다.

실험재료 및 방법

사용균주는 Brettanomyces custersii KCCM 11490을 모균주로 하여 돌연변이시켜 개발된 내열성 균주인 Brettanomyces custersii H1-39와 이 균주의 변이주인 H1-103, H1-603 및 Saccaromyces cerevisiae K35와 Hansenula anamalus NRRL-Y-7174를 사용하였다.

종균배지로는 YPD broth를 사용하였으며, 생산배지는 다양한 농도의 폐지 당화액에 1% yeast extract와  2% peptone을 첨가하여 사용하였다.

내당성 및 내열성 균주선별은 5 - 10%의 다양한 농도의 폐지 당화액에 균주를 도말하였으며, 이때 온도는 30,37,40℃로 달리 하여 실험하였다.

에탄올 생산에 대한 실험에서 각각의 균주는 24시간 동안 30℃, 200rpm으로 종균 배양하였으며, 10%(V/V)의 접종량으로 100ml의 생산배지가 포함되어있는 200ml Erlenmeyer flask에 옮겨 다양한 온도에서 실험하였다.

균체량은 현미경을 사용하여 Haemacytometer로 균체수를 측정하였으며, 당정량은 DNS방법을 이용하여 환원당을 측정하였다.

발효액중의 에탄올은 불꽃 이온 검출기(Flame Ionization Detectoer)가 장착되어있는 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. Column은 Porapak Q(80/100mesh)를 사용하였고 내부표준물질로는 1% Isopropanol을 사용하였다.

결과 및 토론

내당성 및 내열성 균주 선별

현재 셀룰로오스는 효소를 사용하여 1차 단당류(glucose)와 이당류(cellobiose)로 분해시킨후 cellobiose는 다시 효소에의해 glucose로 분해되어 생성된 glucose용액을 2단계 반응기로 보내 발효균주를 사용하여 에탄올을 생산하는 분리당화발효방법(SHF : Separate Hydrolysis and Fermentation)을 주로 사용하고 있다. 그러나 이공정의 문제점인 생성당들이 강력한 효소 억제제여서 셀룰로오스 당화를 수행하는데 요구되는 효소의 양이 많이 필요하며, 이는 에탄올의 생산단가에 결정적인 역할을 하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기위해 당화액에 내성, 내열성 균주를 선별하고자 하였다. 다양한 온도에서 당화액농도를 달리하여 실험한 결과 30℃에서는 Hansenula anamalus를 제외한 모든 균주에서 잘 자람을 알수 있었고, 37℃에서는 H1-39가 가장 잘 자랐으며, H1-103, H1-603, K-35도 잘 자람을 알수 있었다. 또한 40℃에서 균주를 배양한 결과 대체로 잘 자라지 못함을 볼수있었다. 또한 당화액 농도가 높을수록 균체성장은 좋지 못함을 알수 있었다.  40℃, 15%의 당화액에서 배양된 균주를 선별하여 이를 각각 H1-sw, H1-103-sw, H1-603-sw라 명하고,  에탄올 생산을 위한 발효실험을 행하였다.

선별균주로 부터 에탄올 생산

위에서 선별된 균주를 이용하여 다양한 농도의 폐지 당화액과 37℃와 42℃의 고온에서의 에탄올생산에 대한 이론적 수율에 대한 비교에서, 37℃에서 폐지당화액 농도가 8%일 때 원 균주인 H1-39보다 고온 및 고농도의 폐지당화액에서 선별된 균주들이 최고 7.3%정도의 이론적 수율이 증감함을 알수 있었고, 37℃, 10%의 폐지 당화액농도에서는 약 8.1%가 증가함을 알수있었다.  42℃에서도 선별된 균주들이 H1-39보다 뛰어남을 알수 있었다. 42℃, 8%폐지 당화액농도에서의 이론적 수율은 약 16.6 %가 증가하였고, 10%의 폐지 당화액농도에서도 16%정도가 증가함을 알수 있었다.  선별된 균주들은 H1-39와 비교하여 37℃에서 보다는 42℃에서 더욱 이론적수율 이 증가했음을 알수있었는데 이것은 선별된 균주들이 고온, 고농도 당화액에서 적응되었기 때문인 것으로 생각된다. 이들의 성장곡선을 보면 대체로 12시간 이내에 균체량이 최대가 되며 반대로 당농도는 거의 소모됨을 알 수 있다. 에탄올 생산 또한 12시간에서 가장 높은 농도인 4.7%(v/v)를 나타내었다.

Table 1. Strain development at high

concentrations of newspaper hydrolysates

균 주	30℃	37℃	40℃
H1-39 5 % 10 % 15 %	++++ ++++ ++	++++ +++ +	++ ++ +
H1-103 5 % 10 % 15 %	+++ +++ +	+++ ++ +	+ + +
H1-603 5 % 10 % 15 %	++++ ++++ +	+++ ++ +	+ + +
K-35 5 % 10 % 15 %	+++ +++ +++	+++ ++ +	+ + +
H.ano. 5 % 10 % 15 %	- - -	- - -	- - -

+ and - mean cell growth ( - ; no growth,

+ ; worse growth, ++ ; less growth,

+++ ; normal growth, ++++ best growth )

참고문헌

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6.   권정기: 고려대학교 석사학위 논문(1998)