투과증발을 이용한 섬유성바이오매스의 동시당화 및 추출발효

공창범, 윤현희

경원대학교 화학공학과

Simultaneous Saccharification and Pervaporative Fermentation of Cellulosic Biomass

Changbum Kong, Hyon Hee Yoon

Dept. of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

바이오매스자원으로부터 에탄올을 생산하는 기술의 개발은 깨끗한 대체에너지자원과 새로운 유기화합물자원의 확보라는 관점에서 그 필요성이 강조되고 있다. 에탄올 생산의 원료로 사용될 수 있는 섬유성바이오매스 자원은 농산 및 임산폐기물, 펄프폐액, 폐신문지, 및 각종 고체 쓰레기 등으로 이들의 재이용은 환경 및 경제적인 측면에서도 많은 관심이 모아지고 있다. 섬유성 바이오매스로부터 연료용 에탄올을 생산하는 공정은 (1)바이오매스의 섬유소기질을 당화에 용이한 형태로 변환시키는 전처리 공정, (2)섬유소를 포도당으로 전환시키는 당화공정, 그리고 (3)포도당을 발효시켜 에탄올을 생산하는 발효공정으로 구성된다. 최근에는 당화와 발효를 동시에 수행하는 SSF (Simultameous Saccharification and Fermentation)이 경제적인 공정으로 주목되고 있다.

SSF공정은 가수분해효소와 함께 미생물을 같이 주입하여 효소에 의해 생성된 glucose가 미생물에 의하여 소모되도록 하는 것이다.[1] SSF공정의 장점은 cellulase 효소에 대한 glucose의 저해를 최소화하여 효소당화속도가 증대되고 따라서 고가의 효소사용량을 줄일 수 있다는 것과 공정이 단순화 된다는 것이다. 이와같은 SSF의 생산성을 향상시키기 위해서는 에탄올을 제거하여 에탄올의 저해작용을 최소화하여야 한다. 본 연구에서는 SSF반응기에 pervaporation 분리막[2]을 설치하여 에탄올을 연속적으로 제거하였다. 또한 기질의 농도를 비교적 높은 상태로 유지함으로써 발효속도를 증대시키기 위하여 fed-batch로 반응기를 조업하였다.

재료 및 방법

균주 및 배지 : 균주는 Saccharomyces uvarum(KCCM No. 32015)를 사용하였다. YPD 배지(yeast extract 10, peptone 20, dextrose 20 g/L)와 10XYP 배지(yeast extract 100, peptone 200 g/L)를 전배양 및 배양액으로 사용하였다. 모든 배지는 phosphoric acid을 사용하여 pH 5.0으로 조절하고 121oC에서 20분간 멸균후 사용하였다. 종균배양은 1차로 YPD 배지에 균주를 접종하고 38oC, 150rpm의 조건에서 12 시간동안 배양하였다. 두 번째 단계는 10XYP 배지 10ml, glucose 용액(500g/l) 10ml, 멸균증류수 70ml, 그리고 1단계에서 제조한 종균배양액 10ml를 첨가하여 38oC, 150rpm의 조건에서 12 시간동안 배양하였다.

SSF 실험: SSF 실험에서 기질은 □-cellulose를 사용하였다. SSF배지의 조성은 일정량의 기질, 10XYP 배지 10%, 전배양액 10%이며 가수분해효소는 Cytolase CL(Environmental Biotechnology, Inc., 103 FPU/ml)를 기질주입량에 따라 적절히 첨가하였으며 38oC, pH 5.0, 150 rpm의 조건에서 SSF실험을 수행하였다.

Pervaporation 실험: 본실험에서 사용한 투과증발막은 flat sheet 형태의 PERVAP 1170( Deutsche Carbone/GFT) 이었다. 막모듈은 plate and frame 형태로 제작하였다. 모듈내의 부피는 120cm3이며 membrane의 유효면적은 240 cm2 이었다. 투과증기는 액체질소 trap을 이용하여 응축시켰다.

Pervaporative SSF 실험: 실험장치는 1 L 용량의 발효장치와 투과증발 장치로 구성되었다. 일정시간의 SSF 진행 후 SSF 용액을 투과증발장치로 순환시켜 투과증발을 병행하였다. SSF는 38oC에서 수행되었으며 투과증발모듈내의 온도는 37oC로 유지되었다.

분석: 발효액의 당성분(glucose, cellobiose)은 HPLC로 분석하였다. 사용한 column은 HPX-87H(Bio-Rad)이고 이동상은 0.005M H2SO4 이었다. 에탄올은 GC로 분석하였다. GC column은 Carbopack F-SL (Supelco) 이고 detector는 FID 를 사용하였다. Internal standard로 n-propanol을 사용하였다.

결과 및 토론

SSF공정에서 fed-batch방식의 조업과 반응도중의 에탄올 제거가 생산성에 미치는 영향을 조사하였다.

SSF 실험: Fed-batch SSF의 효과를 조사하기 위하여 초기 cellulose 농도를 5%에서 시작하여 24시간마다 5%의 cellulose를 첨가한 SSF 실험을 수행하였다. Figure 1은 반응시간에 따라 생성된 에탄올의 농도를 표시한 것이다. Figure 1의 fed-batch 실험에서 실험시작 후 건조상태의 cellulose를 121oC에서 20분간 멸균하여 주입하였다. 이때 cellulose와 함께 25 IFPU/g cellulose의 가수분해효소를 함께 주입하였다. 이와 같은 실험결과로부터 에탄올수율을 계산하면 38.6 % 이었다. 본 실험에서 건조상태의 cellulose를 주입하였기 때문에 세 번째의 cellulose를 주입한 후(누적 cellulose 주입량 200%)에는 slurry 농도가 높아져 원활한 교반이 이루어지지 않았다. Table 1은 cellulose농도를 5%와 10%로한 batch SSF 실험의 에탄올수율과 fed-batch SSF 실험의 에탄올수율 나타낸 것이다.  Table 1의 자료에서 10% cellulose의 batch SSF와 초기에 5% cellulose로 시작하고 24시간 후 다시 5%의 cellulose를 주입한 fed-batch SSF를 비교하면 에탄올수율이 각각 60.2%와 58.5%이었다. 따라서 본 실험의 결과로부터 fed-batch SSF가 batch SSF에 비하여 유리하지 않다고 할 수 있다.  이것은 SSF에서 에탄올의 농도가 높아지면서 저해작용을 나타내기 때문이다. 본 실험에서 사용한 균주는 에탄올 농도가 40g/L 이상에서 활성이 크게 저하됨을 관찰하였다.  Figure 1에 표시된 바와 같이 SSF 용액의 에탄올농도가 38.3g/L이 된 후부터는 용액의 cellulose 가수분해에 의한 glucose 농도가 증가하였으나 에탄올의 농도는 크게 증가하지 않고 있다. 따라서 효과적인 SSF를 위해서는 SSF 용액에서 에탄올을 분리시키는 공정이 요구됨을 알 수 있다.

Pervaporation 실험: 에탄올 수용액을 이용하여 온도에 따른 투과량과 에탄올 선택도를 관찰하였다. Figure 2에 온도변화에 따라 투과량과 선택도의 변화를 표시하였다. 온도증가(20-60oC) 에 따라 투과량이 증가하였고 선택도는 대체적으로 증가하였으나 40oC에서 local optimum 현상을 관찰하였다. 진공압력 10 mmHg 이었다. 일반적인 투과증발에서는 온도에 따라 투과량은 증가하나 선택도가 감소하는 것으로 알려져 있으나 본 실험에서는 상반된 현상을 관찰하였다. 따라서 보다 충분한 실험자료가 요구된다. 본 실험의 범위에서 flux는 0.074-0.55 kg/m2h 이었으며 선택도는 2.5-3.9 이었다. 이와 같은 실험결과로부터 SSF의 반응온도 38oC를 pervaporative SSF에서의 투과증발 온도로 선정하였다.

Pervaporative SSF 실험: Figure 3에 투과증발방법으로 에탄올을 제거하면서 SSF 실험을 수행한 결과를 나타내었다. Pervaporative SSF의 효과를 조사하기 위하여 Figure 3에 같은 조건에서 수행한 단순 SSF 실험결과를 비교하였다. Figure 3에 나타난 바와 같이 투과증발에 의하여 에탄올을 제거할 경우 SSF의 에탄올 생산량이 증대됨을 알 수 있다.  본 실험의 결과로부터 에탄올 수율을 계산하면 단순 SSF의 경우 56.7%이고 pervaporative SSF의 에탄올 수율은 68.3% 이었다.

SSF용액의 투과증발은 순수한 에탄올수용액의 경우에 비하여 선택도는 비슷하였으나 flux가 약 1/2 정도로 감소되는 것을 관찰하였다.  Figure 3에 표시된 바와 같이 flux가 1.79-1.95 g/h (0.078-0.081 kg/m2h) 이었다. 이것은 SSF 용액의 cellulose나 미생물에 의한 막의 fouling 또는 농도분극현상에 의한 것으로 여겨진다. 따라서 향후 보다 장시간의 SSF용액의 투과증발실험이 필요하다고 판단된다. 그러나 본 실험의 결과 SSF 공정에서 효과적인 투과증발을 병행할 경우 에탄올 수율을 증대시킬 수 있음을 관찰하였다.  SSF에 효과적인 투과증발장치는 높은 에탄올선택도와 flux를 갖은 분리막이 필요하다고 여겨진다.

참고문헌

1) Takaki, M., Abe, S., Suzuki, S., Yata, N., and Emert, G.H.,

Proc. Biocomversion Symp., IIT Deli, India, 551-571, 1977.

2) Moritz, J.W. and Duff, S.J.B., Biotech. Bioeng., 49,504-511, 1996.

Table 4. Effect of fed-batch operation on ethanol yield in SSF.

Experiment	Ethanol Yield (after 6 days)
Batch SSF with 5% cellulose	56.7
Batch SSF with 10% cellulose	60.2
Fed-batch SSF, initial 5% cellulose and 5% cellulose addition after 24h	58.5
Fed-batch SSF, initial 5% cellulose, 5% cellulose addition after 24h, 5% cellulose addition after 48h, ／ 5% cellulose addition after 72h	38.6

Fig 1. Time course of fed-batch SSF.

Fig. 2. Effect of temperature on total      Fig. 3. Time course of per-

flux(A) and selectivity(B) of the flat       vaporative SSF(A) and total

sheet membrane pervaporation of 240□.    flux(B).