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KR20100117189A - Method for producing biofuel using sea algae - Google Patents

Method for producing biofuel using sea algae Download PDF

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KR20100117189A
KR20100117189A KR1020090035802A KR20090035802A KR20100117189A KR 20100117189 A KR20100117189 A KR 20100117189A KR 1020090035802 A KR1020090035802 A KR 1020090035802A KR 20090035802 A KR20090035802 A KR 20090035802A KR 20100117189 A KR20100117189 A KR 20100117189A
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algae
raw
seaweed
biofuel
ethanol
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김성천
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김성천
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Abstract

PURPOSE: A method for producing bio fuel using sea algae is provided to improve ingredient supply and to economically produce bio fuel. CONSTITUTION: A method for producing bio fuel using sea algae comprises: a step of pulverizing sea algae; a step of extracting polysaccharide from the sea algae; and a step of fermenting pulverized material. The bio fuel is alcohol of C1-C4 or ketone of C2-C4. The polysaccharide is gelidium jelly, starch, carrageenan, alginic acid or cellulose.

Description

해조류를 이용한 바이오연료 제조 방법{Method for Producing Biofuel Using Sea Algae} Method for Producing Biofuel Using Seaweed {Method for Producing Biofuel Using Sea Algae}

본 발명은 바이오연료의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해조류를 이용한 바이오 연료의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing biofuel, and more particularly, to a method for producing biofuel using seaweed.

바이오연료는 바이오매스(biomass)를 원료로 하여 얻어지는 에너지를 통칭하는 것으로서, 직접 연소, 알코올 발효, 메탄 발효 등을 통해 얻어진다. Biofuel is a generic term for energy obtained by using biomass as a raw material, and is obtained through direct combustion, alcohol fermentation, methane fermentation, and the like.

바이오연료의 원료가 되는 물질인 바이오매스는 크게 당질계(사탕수수, 사탕무 등), 전분질계(옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계(나무, 볏짚, 폐지 등)로 나누어진다. Biomass, which is a raw material of biofuel, is divided into sugar-based (sugar cane, sugar beet, etc.), starch-based (corn, potato, sweet potato, etc.), and wood-based (wood, rice straw, waste paper, etc.).

당질계의 경우 원료를 비교적 간단한 전처리 과정 후 이어지는 발효 공정을 통해 곧바로 바이오연료로 전환이 가능하지만, 전분질계와 목질계의 경우에는 적절한 전처리 과정과 당화 공정을 거친 당화액을 이용한 발효 공정을 통해 바이오연료를 제조할 수 있다. In the case of carbohydrates, raw materials can be converted into biofuels immediately through a relatively simple pretreatment followed by a fermentation process.In the case of starch and woods, bioconcentration is achieved through fermentation using an appropriate pretreatment and saccharification process. Fuel can be produced.

목질계는 도시 폐기물 형태의 폐목재나 삼림 곳곳에 흩어져 있는 임산 부산물을 원료로 이용할 수 있으며, 식량으로서 활용가치가 없어 원료 수급의 안정성은 확보될 수 있으나, 공정상 반드시 수반되어야 하는 리그닌 제거 전처리 공정으로 인한 공정비 상승과 함께, 목질계 셀룰로오스 기질의 특징인 수소결합으로 이루어진 crystalline 구조로 인해 당화 수율이 낮아 경제성이 낮은 단점이 있다.Wood-based materials can use waste wood in the form of urban waste or forest by-products scattered throughout the forest as raw materials, and there is no useful value as food, so the stability of supply and demand of raw materials can be secured, but the lignin removal pretreatment process must be accompanied in the process. Due to the increase in the process cost, due to the crystalline structure consisting of hydrogen bonds, which is a characteristic of the wood-based cellulose substrate, there is a disadvantage that the economic efficiency is low due to low saccharification yield.

수송용 대체연료로서 바이오연료의 성공적인 상업화는 가솔린 대비 바이오연료, 예컨대 바이오에탄올의 가격 경쟁력 확보에 있다. 통상적으로 바이오연료 제조 단가 중 원료비와 공정비가 차지하는 비율은 원료의 종류와 공정에 따라서 편차가 크다. 예컨대, 사탕수수나 사탕무를 이용하는 당질계의 경우 원료비 : 공정비가 약 75 : 25 정도인 반면, 옥수수, 감자, 카사바 등의 전분질계는 약 50 : 50 이고, 목질계의 경우는 약 25 : 75 정도이다.The successful commercialization of biofuels as an alternative fuel for transportation lies in securing the price competitiveness of biofuels such as bioethanol over gasoline. In general, the ratio of raw material costs and process costs among biofuel manufacturing costs varies greatly depending on the type and process of raw materials. For example, in case of sugar system using sugar cane or sugar beet, raw material cost: process cost is about 75: 25, while starch system of corn, potato, cassava, etc. is about 50: 50, and in case of wood system, about 25: 75 to be.

그러나, 목질계를 제외하고는 현재 상용화된 바이오연료 생산 기술은 인간이 식량으로 사용할 수 있는 당질계 또는 전분질계 원료를 사용하므로 식량을 에너지원으로 사용한다는 문제뿐만 아니라, 앞으로 식량 수요가 늘어날 경우 원료 수급 문제가 발생할 수 있으며, 경제적인 측면에서도 곡물을 사용하는 것은 원료비용 측면에서 문제가 된다. 또한, 옥수수 재배는 상당량의 농약과 질소비료를 필요로 할 뿐 아니라 다른 작물에 비해 토양을 심하게 부식시키는 환경적인 단점도 존재한다.However, except for the wood-based biofuel production technology that is currently commercialized, it uses the sugar- or starch-based raw materials that humans can use as food. Supply-demand problems can occur, and economically, using grains is a problem in terms of raw material costs. Corn cultivation also requires significant amounts of pesticides and nitrogen fertilizers, as well as environmental disadvantages that severely corrode the soil compared to other crops.

해조류는 크게 대형조류(macroalgae)와 미세조류(microalgae) 로 나누어지며 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 해조류의 생산량은 전 세계적으로 연간 약 1,400만 톤에 달하며 2020년에는 약 2,200만 톤 이상으로 증가될 것으로 예측되고 있다. 이러한 생산량은 전체 양식 생산량의 약 23%에 해당하는 것으로서, 이 중 90% 이상이 미역, 다시마 등의 갈 조류와 김, 우뭇가사리, 꼬시래기 등의 홍조류로 이루어져 있다. 우리나라의 해조류 양식 생산량은 현재 약 50만 톤으로 90년대 중반의 약 70만 톤 보다는 다소 줄어들었으나, 양식 어장의 총 면적은 약 7만 ha로 90년대 중반의 약 6만 ha보다 증가하였다.Algae are largely divided into macroalgae and microalgae, and large algae include red algae, brown algae, green algae, and microalgae, chlorella and spirulina. Seaweed production is estimated at around 14 million tonnes per year worldwide and is expected to increase to more than 22 million tonnes by 2020. This production amount corresponds to about 23% of the total aquaculture production, and more than 90% is composed of brown algae such as seaweed and kelp, and red algae such as laver, seaweed, and stalks. The production of algae farming in Korea is now about 500,000 tons, which is somewhat lower than about 700,000 tons in the mid-90s, but the total area of the farms is about 70,000 ha, which is higher than about 60,000 ha in the mid-90s.

해조류는 여타 바이오매스에 비해 생장성이 훨씬 우수하고(아열대 지방의 경우 연 4∼6회 수확 가능), 드넓은 바다를 이용할 수 있으므로 가용재배 면적이 넓으며, 담수, 토지, 비료 등 원가가 높은 자원의 사용이 적다는 장점이 있다. 또한, 해주류의 경우는 목질계에서 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없으므로 바이오연료의 제조 공정이 간단하고, 총에너지 전환 수율도 높다. 뿐만 아니라 해조류는 이산화탄소 연간 흡수량이 ha당 36.7톤으로서 목질계보다 5∼7배 높은 장점이 있으며, E20(20% 에탄올이 첨가된 휘발유)을 사용한다고 가정할 때 연간 온실가스 저감율은 약 27%로, 이를 금액으로 환산 시 약 3,000억원의 탄소세 절감효과를 거둘 수 있다.Algae have much better growth than other biomasses (4 to 6 times a year in subtropical regions), and because of the large seas available, the cultivation area is large, and the cost of fresh water, land, and fertilizer is high. It has the advantage of using less resources. In addition, in the case of seaweed, since there is no lignin component that must be removed from the woody system, the biofuel manufacturing process is simple and the total energy conversion yield is high. In addition, algae have an annual uptake of carbon dioxide at 36.7 tons per ha, which is 5 to 7 times higher than that of wood. Assuming that E20 (20% ethanol-added gasoline) is used, the annual greenhouse gas reduction rate is about 27%. In turn, this translates into a carbon tax reduction of around W300bn.

그러나, 해조류는 지금까지 주로 전기영동 시약, 비료, 유화제, 항암제 등 정밀화학 소재 및 의학 소재에 이용하거나, 식용, 약용 등 건강식품류로만 활용되어 왔을 뿐, 이를 이용한 바이오연료 개발에 관한 연구는 초기단계로 국내에서는 해조류에서 단당류를 분리한 후, 발효하여 바이오에탄올을 생산하는 기술이 개발되어 있는 실정이다(공개특허 10-2009-0025221).However, seaweeds have been used mainly for fine chemicals and medical materials such as electrophoretic reagents, fertilizers, emulsifiers, and anticancer agents, or have been used only as health foods such as edible and medicinal products. In Korea, a technology for producing bioethanol by separating monosaccharides from seaweed and fermenting them has been developed (public patent 10-2009-0025221).

혐기성 셀룰로오스 분해 세균은 다양한 서식지(예, 토양, 침전물, 습지, 포유류의 장 등)에서 분리되었다(Madden, et al., (1982) Int J Syst Bacteriol 32, 87-91; Madden;Murray et al., (1986) Syst Appl Microbiol 8, 181-184; He et al., (1991) Int J Syst Bacteriol 41, 306-309; Monserrate et al., (2001) Int J Syst Evol Microbiol 51, 123-132.). Anaerobic cellulolytic bacteria have been isolated from various habitats (eg, soils, sediments, wetlands, mammalian gut, etc.) (Madden, et al ., (1982) Int J Syst Bacteriol 32, 87-91; Madden; Murray et al . , (1986) Syst Appl Microbiol 8, 181-184; He et al ., (1991) Int J Syst Bacteriol 41, 306-309; Monserrate et al ., (2001) Int J Syst Evol Microbiol 51, 123-132. ).

대표적인 혐기성 셀룰로오스 분해세균인 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스(Clostridium phytofermentans) 세포(아메리칸 타입 컬쳐 콜렉션 700394T)는 메사추세츠주(USA)에 있는 콰빈 저수지 근처 수목 지구의 간헐하천 바닥의 젖은 침니(slit)로부터 분리되었다. A representative anaerobic cellulose-degrading bacterium, Clostridium phytofermentans cells (American type culture collection 700394 T ), is isolated from the wet slits at the bottom of the intermittent streams of the tree district near the Qubin reservoir in Massachusetts, USA. It became.

일반적으로, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 둥근 말단포자(직경이 0.9~1.5㎛)를 형성하는 길고, 얇고, 곧은 운동성 막대세포(3.0~15.0㎛로 0.5~0.8)이다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포의 부가적인 특징은 Warnick et al., Int. J. Systematic and Evol. Microbiology, 52, 1155-1160 (2002)에 기재되어 있다. In general, Clostridium phytofermentans cells are long, thin, straight locomotor rods (3.0 to 15.0 μm, 0.5 to 0.8) that form round terminal spores (0.9 to 1.5 μm in diameter). Additional features of Clostridium phytofermentans cells are described in Warnick et al., Int. J. Systematic and Evol. Microbiology, 52, 1155-1160 (2002).

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 고효율로 넓은 스펙트럼의 물질을 연료로 발효시킬 수 있다. 유용하게도, 폐기물, 예를 들면, 락토스, 폐휴지, 잎, 목초 베어낸 것, 및/또는 톱밥을 이용하여 연료를 제조할 수 있다(공개특허 10-2008-0091257). Clostridium phytofermentans can ferment a broad spectrum of materials with high efficiency. Usefully, waste may be produced using waste, for example, lactose, waste paper, leaves, grass cuts, and / or sawdust (published patent 10-2008-0091257).

본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래 바이오연료 제조 방법상의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 종래 바이오연료의 원료로 사용되던 당질계, 전분질계 또는 목질계 원료 대신 해조류를 이용함으로써 원료수급의 불안정, 낮은 당화 효율 등과 같은 문제점을 개선한 해조류 원초 또는 해조류를 원료로 이용한 바이오연료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to improve the problems of the conventional biofuel manufacturing method as described above, by using seaweed instead of sugar, starch or wood based raw materials used as raw materials of conventional biofuel, instability of raw material supply, low An object of the present invention is to provide a method for producing biofuel using raw algae or algae as a raw material which has improved problems such as saccharification efficiency.

본 발명에 따라, 해조류 원초 또는 해조류를 분쇄하는 단계, 및 상기 분쇄물을 미생물에 의해 발효시키는 단계를 포함하는 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법이 제공된다. According to the present invention, there is provided a method for producing a biofuel using seaweed including the step of grinding the algae raw or algae, and the step of fermenting the ground by the microorganism.

바람직하게, 상기 분쇄 단계와 상기 미생물 발효 단계 사이에 상기 류 원초 또는 해조류로부터 다당류물질을 추출하는 단계를 더 포함한다. Preferably, further comprising the step of extracting a polysaccharide material from the vinegar or seaweed between the grinding step and the microbial fermentation step.

바람직하게, 상기 바이오연료는 C1 내지 C4의 알코올 및 C2 내지 C4의 케톤으로 구성된 군으로부터 선택된다. Preferably, the biofuel is selected from the group consisting of alcohols of C1 to C4 and ketones of C2 to C4.

바람직하게, 상기 다당류물질은 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소로 구성된 군으로부터 선택된다. Preferably, the polysaccharide material is selected from the group consisting of radish, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin.

바람직하게, 상기 해조류는 홍조류, 갈조류 및 녹조류로부터 선택되는 대형조류, 또는 클로렐라 및 스피루리나로부터 선택되는 미세조류이다. Preferably, the seaweed is a large algae selected from red algae, brown algae and green algae, or a microalgae selected from chlorella and spirulina.

바람직하게, 상기 발효 단계는, 배지 중에서 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포, 제2 미생물 및 탄수화물이 포함된 상기 분쇄물을 반응시켜 발효시킨다. Preferably, the fermentation step, by fermenting the pulverized product containing Clostridium phytofermentans cells, the second microorganism and carbohydrate in the medium.

상기 바이오연료는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 아세톤인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. The biofuel is preferably methanol, ethanol, propanol, butanol or acetone, but is not limited thereto.

상기 홍조류로는 우뭇가사리, 김, 코토니, 개도박, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목, 지누아리 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이 중에서도 우뭇가사리를 사용하는 것이 바람직하다. As the red algae, wood starfish, laver, kotoni, dog gambling, round stone laver, ox radish, buckwheat, green grass, walnut, jindubal, sesame gourd, spiny radish, silk grass, sweet leaf, rock star, stone tree, jinari But it is not limited thereto, and among them, it is preferable to use a stump.

우뭇가사리는 홍조류 중에서 종의 종류가 가장 다양하고 생장성이 우수하며, 건조중량 기준으로 셀룰로오스 성분인 섬유소가 약 15∼25%, 갈락탄이 주성분인 우무가 약 50∼70% 정도 차지하며, 이 외에 15% 미만의 단백질과 7% 미만의 지질로 구성되어 있다. The most popular species of red algae are the most diverse species, and the growth is excellent. About 15-25% of cellulose, which is a cellulose component, and about 50-70% of radishes, which are the main component of galactan, are dry weight. It consists of less than 15% protein and less than 7% lipid.

상기 갈조류로는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이, 톳 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 갈조류는 다세포체이고, 해조류 중에서 가장 잘 분화되어 있다. As the brown algae, seaweed, kelp, barn horse, folk eggplant, shellfish, hooked seaweed, seaweed, Ecklonia cava, gompi, rhubarb, iron seaweed cousin, mabanban, hoesan mabanban, jichungyi, 톳 and the like may be used. It doesn't happen. Brown algae are multicellular bodies and are best differentiated among algae.

상기 녹조류로는 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 녹조류는 엽록소를 갖고 있어 광합성에 의해 전분류를 만든다. The green algae may be used, but are not limited to Cheongtae, Hakkham, blue, auditory, bead hearing, jade, salt-jumping, and the like. Green algae have chlorophyll and make starch by photosynthesis.

상기 갈조류와 녹조류의 구성성분을 살펴보면, 갈조류에는 알긴산이 약 30∼40%, 섬유소가 약 5∼6% 포함되어 있고, 녹조류에는 탄수화물이 주성분인 전분류가 약 40∼50%, 섬유소가 5% 미만 함유되어 있다.Looking at the components of brown algae and green algae, brown algae contain about 30-40% of alginic acid and about 5-6% of fibrin, and green algae contain about 40-50% of starch, the main component of carbohydrate, and 5% of fiber. It contains less than.

우무는 갈락토오스 폴리머로 이루어진 갈락탄이 주성분이며, 갈락탄은 적절한 저분자화 과정을 통해 갈락토오스 및 3,6-안하이드로갈락토오스 등의 단당류로 전환될 수 있다. Daikon is the main component of galactan composed of galactose polymer, and galactan can be converted into monosaccharides such as galactose and 3,6-anhydrogalactose through proper low molecular weighting process.

섬유소는 셀룰로오스로 이루어진 물질로서, 우뭇가사리의 경우 전체 성분의 약 15∼25%를 차지한다. Fibrin is a substance composed of cellulose and occupies about 15 to 25% of the total components of the mantle.

상기 셀룰로오스는 적절한 효소나 산 촉매를 이용한 당화 공정을 통해 단당류인 글루코오스로 전환될 수 있다. 상술한 갈락토오스와 글루코오스는 발효 공정을 통해 바이오연료로 전환될 수 있는 전구체로 사용된다. The cellulose may be converted into glucose, a monosaccharide, through a saccharification process using an appropriate enzyme or an acid catalyst. The above-described galactose and glucose are used as precursors that can be converted into biofuels through the fermentation process.

전분은 녹말이라고도 불리며, 녹색 식물의 엽록체 안에서 광합성으로 만들어져 저장되는 탄수화물로서, 글루코오스를 구성단위로 하는 다당류물질이다. 상기 전분은 적절한 효소나 산 촉매를 이용한 당화 공정을 통해 단당류인 글루코오스로 전환될 수 있다.Starch, also called starch, is a carbohydrate that is made and stored photosynthesically in the chloroplasts of green plants. It is a polysaccharide that contains glucose as a structural unit. The starch may be converted into glucose, a monosaccharide, through a saccharification process using an appropriate enzyme or an acid catalyst.

상기 해조류에서 우무, 섬유소, 전분, 카라기난, 알긴산 등과 같은 다당류물질 물질을 추출하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술분야에 알려진 어떠한 방법도 사용가능하다. The method for extracting polysaccharide material such as radish, cellulose, starch, carrageenan, alginic acid and the like from the seaweed is not particularly limited, and any method known in the art may be used.

바람직한 예로서, 해조류를 알칼리 수용액에 일정시간 침지시킨 후 물로 세척하고, 상기 세척된 해조류를 산성 약품으로 이루어진 추출 용매에 일정시간 침지시켜 우무, 카라기난, 알긴산 성분을 추출한 후, 잔여 섬유소 및 전분류를 수집하는 단계를 통해 우무, 카라기난, 알긴산 성분 및 전분 또는 섬유소를 추출할 수 있다. As a preferred example, the seaweeds are immersed in an aqueous alkali solution for a certain time and washed with water, and the washed seaweeds are immersed in an extraction solvent consisting of an acidic chemical for a predetermined time to extract the radish, carrageenan, and alginic acid components, and then the remaining cellulose and starch are removed. The collection step may extract the radish, carrageenan, alginic acid and starch or fiber.

이때, 추출 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 80∼150℃ 범위인 것이 바람직하다. 상기 산성 약품으로는 H2SO4, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4(perchloric acid), H3PO4(phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) 또는 상용 고체산 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 알칼리 수용액으로는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아 수용액 등이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.At this time, the extraction temperature is not particularly limited, but is preferably in the range of 80 to 150 ° C. The acidic agent may be H 2 SO 4 , HCl, HBr, HNO 3 , CH 3 COOH, HCOOH, HClO 4 (perchloric acid), H 3 PO 4 (phosphoric acid), PTSA (para-toluene sulfonic acid) or a commercial solid. Acids and the like, but is not necessarily limited thereto, and the alkali aqueous solution may include potassium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, aqueous ammonia solution, but is not necessarily limited thereto.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 상기 발효가능 물질을 발효시켜 가연성 연료, 예를 들면, 에탄올 및/또는 수소를 생산한다. 다른 유용한 생산물 및 부산물도 생산할 수 있다. 다른 생산물로는 유기산, 또는 그들의 짝염기를 들 수 있다. Clostridium phytofermentans cells ferment the fermentable material to produce flammable fuels such as ethanol and / or hydrogen. Other useful products and by-products can also be produced. Other products include organic acids, or their bases.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 혐기적인 환경에서 배양되며, 그 혐기적인 환경은 배지의 표면 아래에 잠기는 가스 출구를 포함하고 있는 기포발생기(bubbler)를 통해서 실질적으로 산소가 없는 가스를 버블링시킴으로서 획득 및/또는 유지된다. 배지에서의 반응으로부터의 과잉의 유출물 및 가스는 상부공간(headspace)을 채우고 결국에는 용기 벽에 형성된 가스 출구 구멍을 통과하여 빠져나온다. 혐기적인 상태를 유지하기 위해서 사용될 수 있는 가스로는 N2, N2/CO2(80:20), N2/CO2/H2(83:10:7), 및 노벨(Nobel) 가스(예, 헬륨 및 아르곤)을 들 수 있다. 균질성(homogeneity)을 획득 및/또는 유지하기 위해서, 배지를 교반할 수 있다. 또한, 균질성은 스케이팅 또는 진동 용기에 의해 유지할 수 있다.Clostridium phytofermentans cells are cultured in an anaerobic environment, which by bubbling a substantially oxygen-free gas through a bubbler containing a gas outlet submerged below the surface of the medium. Acquired and / or maintained. Excess effluent and gas from the reaction in the medium fills the headspace and eventually exits through a gas outlet hole formed in the vessel wall. Gases that can be used to maintain anaerobic conditions include N 2 , N 2 / CO 2 (80:20), N 2 / CO 2 / H 2 (83: 10: 7), and Nobel gases (eg , Helium and argon). To obtain and / or maintain homogeneity, the medium may be stirred. Homogeneity can also be maintained by skating or vibrating vessels.

상기 해조류 원초 또는 해조류 발효가능 물질은 하나 이상의 저분자량 탄수화물이거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 상기 저분자량 탄수화물은, 예를 들면, 단당류, 이당류, 올리고당류, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 단당류는 예를 들면, 갈락토오스, 갈락토오스 유도체, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스 또는 이들의 혼합물일 수 있다. The algae raw or seaweed fermentable material may be or include one or more low molecular weight carbohydrates. The low molecular weight carbohydrate may be, for example, monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides, or mixtures thereof. The monosaccharides can be, for example, galactose, galactose derivatives, 3,6-anhydrogalactose, glucose, fucose, rhamnose, xylose and mannose or mixtures thereof.

하나의 실시예로서, 상기 저분자량 탄수화물은 고분자량 다당류물질(예, 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소)을 절단(breaking down)하여 얻어진다. 다른 예로서, 상기 절단은 개별과정으로서 행해진 다음, 저분자량 탄수화물이 이용된다. In one embodiment, the low molecular weight carbohydrate is obtained by breaking down high molecular weight polysaccharides (eg, radish, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin). As another example, the cleavage is done as a separate process and then low molecular weight carbohydrates are used.

다른 예로서, 상기 고분자량 탄수화물은 직접 배지에 첨가되어, 저분자량 탄수화물로 그 자리에서(in situ) 절단할 수 있고, 또한 산화, 염기 가수분해, 및/또는 산 가수분해에 의해 화학적으로 절단할 수도 있다. 화학 가수분해는 Bjerre, Biotechnol. Bioeng., 49:568, 1996, 및 Kim et al., Biotechnol. Prog., 18:489, 2002에 기재되어 있다.As another example, the high molecular weight carbohydrate can be added directly to the medium, cleaved in situ into low molecular weight carbohydrates, and also chemically cleaved by oxidation, base hydrolysis, and / or acid hydrolysis. It may be. Chemical hydrolysis is described in Bjerre, Biotechnol. Bioeng., 49: 568, 1996, and Kim et al., Biotechnol. Prog., 18: 489, 2002.

상기 저분자량 탄수화물은 효소 또는 효소들(예, β-아가라제, β-갈락토시다제, β-글루코시다제, 엔도-1,4-β-글루카나제, α-아밀라아제, β-아밀라아제, 글루코아밀라아제 및 셀룰라제)을 이용하여 다당류물질로 절단할 수 있다. 이들 효소는 효소 제제로서 다당류물질원에 첨가될 수 있고, 또는 유기체에 의해 제자리에서(in situ) 생산될 수 있다. 효소적 절단은 T. Juhasz, Food Tech. Biotechnol.(2003), 41, 49를 참조할 수 있다. The low molecular weight carbohydrate may be an enzyme or enzymes (e.g., β-agarase, β-galactosidase, β-glucosidase, endo-1,4-β-glucanase, α-amylase, β-amylase). , Glucoamylase and cellulase) can be cleaved into polysaccharides. These enzymes can be added to the polysaccharide source as an enzyme preparation, or can be produced in situ by the organism. Enzymatic cleavage is described by T. Juhasz, Food Tech. Biotechnol. (2003), 41, 49.

다른 실시예로서, 락토스가 탄수화물로서 사용될 수 있다. 락토스는 치즈 산업에 의해 대량으로 생산된다. 예를 들면, Elliott, Proceedings of the 38th Annual Marschall Cheese Seminar(2001)에 의해, 년간 약 4억7천만 파운드가 미국 치즈 산업에 의해 생산되며, 7억2천6백만 파운드가 유럽에서 생산되는 것으로 추정된다. 락토스는, 예를 들면, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포 단독에 대한 증식 기질로서, 또는 다른 증식 기질과 함께, 발효기, 예를 들면, 주 발효기에 공급되는 종균 발효기에서 사용된다. 저분자량 탄수화물의 발효를 증대시키고 및/또는 셀룰로스 또는 기타 고분자량 탄수화물의 분해 및 발효를 촉진시키기 위해, 발효 용기에 락토스를 첨가할 수 있다. In another embodiment, lactose may be used as the carbohydrate. Lactose is produced in large quantities by the cheese industry. For example, Elliott, Proceedings of the 38th Annual Marschall Cheese Seminar (2001) estimates that about 470 million pounds are produced annually by the US cheese industry and 742 million pounds are produced in Europe. do. Lactose is used, for example, as a growth substrate for Clostridium phytofermentans cells alone, or along with other growth substrates, in a seed fermenter fed to a fermenter, for example a main fermenter. Lactose may be added to the fermentation vessels to enhance fermentation of low molecular weight carbohydrates and / or to promote degradation and fermentation of cellulose or other high molecular weight carbohydrates.

또한, 상기 발효가능 물질은 하나 이상의 고분자량 탄수화물이거나, 또는 이들을 포함할 수 있다. 고분자량 탄수화물로는, 예를 들면, 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. In addition, the fermentable material may be or include one or more high molecular weight carbohydrates. Examples of the high molecular weight carbohydrates include radish, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin or mixtures thereof.

해조류를 포함한 원료 물질은, 예를 들면, 회전 칼 절단기로 전단시키거나, 또는 분쇄기로 분쇄함으로써 그 크기를 줄일 수 있다. 회전 칼 절단기를 사용하여 크기를 줄일 경우, 통상적으로, 그 결과 얻어지는 물질은 사실상 섬유상이며, 실질적인 직경에 대한 길이의 비(예를 들면, 5/1 크거나, 10/1보다 크거나, 15/1보다 크거나, 20/1보다 크거나, 또는 25/1보다 더 큰 비)를 갖는다. 분쇄기이 사용되는 경우, 통상적으로는, 그 결과 얻어지는 물질은 가루 형태이며, 통상적으로, 예를 들면, 5 마이크론 미만(예, 4 마이크론 미만, 2.5 마이크론 미만, 1 마이크론 미만)의 직경을 가진, 실질적으로 구형 입자를 갖는다. 선택적으로, 비교적 고표면적 및/또는 비교적 고다공성을 갖는 섬유상 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 고표면적 및/또는 고다공성은 가수분해율 및/또는 발효율을 증가시킬 수 있다.Raw materials including seaweeds can be reduced in size, for example, by shearing with a rotary knife cutter or by grinding with a grinder. When reduced in size using a rotary knife cutter, the resultant material is typically fibrous in nature and has a ratio of length to substantial diameter (e.g., greater than 5/1, greater than 10/1, or 15 /). Greater than 1, greater than 20/1, or greater than 25/1). If a grinder is used, typically, the resulting material is in powder form, and typically, for example, having a diameter of less than 5 microns (e.g., less than 4 microns, less than 2.5 microns, less than 1 micron). Have spherical particles. Alternatively, it may be desirable to use a fibrous material having a relatively high surface area and / or relatively high porosity. High surface area and / or high porosity can increase hydrolysis rate and / or efficiency.

다른 실시예로서, 내부에 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스가 분산되어 있는 배 지를 포함하는 발효기는 에탄올 등의 발효 생산물이 지속적으로 제거되도록 구성할 수 있다. As another example, a fermentor including a medium in which Clostridium phytofermentans is dispersed may be configured to continuously remove fermentation products such as ethanol.

발효에 있어서 목적하는 생산물의 농도는 실질적으로 일정하게 유지되거나, 또는, 예를 들면, 초기 농도를 약 10mM ~ 25mM로 하여 발효 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간, 또는 10시간 후에 측정했을 때, 평균 농도의 약 25 퍼센트 내로 유지할 수 있다. The concentration of the desired product in the fermentation is kept substantially constant or, for example, 2 hours, 3 hours, 4 hours, 5 hours, 6 hours, or 10 hours of fermentation with an initial concentration of about 10 mM to 25 mM. When measured later, it can be maintained within about 25 percent of the average concentration.

본 발명에 있어서 원료 물질인 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 혹은 그 다당류물질 물질 또는 혼합물은 발효기에 연속적으로 공급할 수 있다. In the present invention, the raw algae raw material or the algae pulverized product or its polysaccharide substance material or mixture can be continuously supplied to the fermentor.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스용 배지는 완충액(예, NaHCO3, NH4Cl, NaH2PO4·H2O, K2HPO4 및 KH2PO4), 전해질(예, KCl 및 NaCl), 성장인자, 계면활성제, 및 킬레이트제 등의 부가적인 성분을 포함할 수 있다. 성장인자로는, 예를 들면, 비오틴, 폴산, 피리독신·HCl, 리보플라빈, 우레아, 효모 추출물, 티민, 트립톤, 아데닌, 시토신, 구아노신, 우라실, 니코틴산, 판토텐산, B12(시아노코발라민), p-아미노벤조산, 및 티옥트산을 들 수 있다. 미네랄로는, 예를 들면, MgSO4, MnSO4·H2O, FeSO4·7H2O, CaCl2·2H2O, CoCl2·6H2O, ZnCl2, CuSO4·5H2O, AlK(SO4)2·12H2O, H3BO3, Na2MoO4, NiCl2·6H2O, 및 NaWO4·2H2O를 들 수 있다. 킬레이트제로는, 예를 들면, 니트릴로트리아세트산을 들 수 있다. 계면활성제로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), PEG와 PPG의 공중합체 및 폴리비닐알콜을 들 수 있다.Clostridium pie stopper menthane seuyong medium buffer (for example, NaHCO 3, NH 4 Cl, NaH 2 PO 4 · H 2 O, K 2 HPO 4 and KH 2 PO 4), electrolytes (such as, KCl and NaCl), growth Additional components such as factors, surfactants, and chelating agents. As growth factors, for example, biotin, folic acid, pyridoxine-HCl, riboflavin, urea, yeast extract, thymine, tryptone, adenine, cytosine, guanosine, uracil, nicotinic acid, pantothenic acid, B12 (cyanocobalamin), p -Aminobenzoic acid, and thioctic acid. Examples of the minerals include MgSO 4 , MnSO 4 · H 2 O, FeSO 4 · 7H 2 O, CaCl 2 · 2H 2 O, CoCl 2 · 6H 2 O, ZnCl 2 , CuSO 4 · 5H 2 O, AlK (SO 4 ) 2. 12H 2 O, H 3 BO 3 , Na 2 MoO 4 , NiCl 2 · 6H 2 O, and NaWO 4 · 2H 2 O. As a chelating agent, nitrilo triacetic acid is mentioned, for example. As surfactant, polyethyleneglycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), copolymer of PEG and PPG, and polyvinyl alcohol are mentioned, for example.

발효 조건의로서 배지의 온도를 약 45℃ 미만, 예를 들면, 42℃ 미만(예, 약 34℃ ~ 38℃, 또는 약 37℃)으로 유지할 수 있다. 경우에 따라 상기 배지는 약 5℃ 보다 높은 온도, 예를 들면, 15℃보다 높은 온도로 유지된다. As fermentation conditions, the temperature of the medium may be maintained below about 45 ° C., for example below 42 ° C. (eg, about 34 ° C. to 38 ° C., or about 37 ° C.). In some cases, the medium is maintained at a temperature higher than about 5 ° C., for example higher than 15 ° C.

발효 조건으로서 배지의 pH는, 약 9.5 미만, 예를 들면, 약 6.0 ~ 9.0, 또는 약 8 ~ 8.5로 유지하 수 있다. 일반적으로, 발효시키는 동안, 배지의 pH는 통상적으로 1.5 pH 단위 이상까지 많이 변화하지는 않는다. 예를 들면, 발효가 약 pH 7.5에서 시작되는 경우, 통상적으로, 발효의 종결점에서는 pH 6.0보다 낮아지지 않으며, 이것은 세포의 성장 범위내이다.As fermentation conditions, the pH of the medium can be maintained at less than about 9.5, for example, about 6.0 to 9.0, or about 8 to 8.5. In general, during fermentation, the pH of the medium typically does not change much by more than 1.5 pH units. For example, if the fermentation starts at about pH 7.5, typically, at the end of the fermentation, it will not be lower than pH 6.0, which is within the growth range of the cells.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 비교적 고농도의 에탄올, 예를 들면, 7중량% 이상(예, 12.5 중량%)에 적응한다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는, 보다 더 높은 농도의 에탄올(예, 20% 에탄올)에 적응시킬 수 있다. 발효시키기 전에 에탄올이 풍부한 환경(예, 7% 에탄올)에서 성장시켜서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 연속적으로 고농도의 에탄올(예를 들면, 2% 에탄올에서 시작하여, 다음은 5% 에탄올, 그 다음에는 10% 에탄올)에 적응시킬 수 있다. Clostridium phytofermentans cells adapt to relatively high concentrations of ethanol, such as at least 7% by weight (eg 12.5% by weight). Clostridium phytofermentans cells can adapt to higher concentrations of ethanol (eg, 20% ethanol). By growing in an ethanol-rich environment (eg 7% ethanol) before fermentation, Clostridium phytofermentans are continuously started in high concentrations of ethanol (eg 2% ethanol, then 5% ethanol, then Can be adapted to 10% ethanol).

본 발명에 따라, 에탄올 이외의 생산물이 생산될 수 있다. 보다 일반적으로, 발효 생산물로는 알코올(예, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 또는 이들의 혼합물) 및 수소 등의 연료를 들 수 있다. 기타 생산물로는 유기산(예, 포름산, 락트산, 아세트산, 또는 이들의 혼합물) 또는 그들의 짝 염기(예, 포르메이트, 락테이트 또는 아세테이트 이온) 또는 그들의 염을 들 수 있다According to the invention, products other than ethanol can be produced. More generally, fermentation products include alcohols such as ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, or mixtures thereof, and fuels such as hydrogen. Other products include organic acids (eg, formic acid, lactic acid, acetic acid, or mixtures thereof) or their bases (eg, formate, lactate or acetate ions) or salts thereof.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 단독으로 또는 효모 또는 진균(fungi)(예, 사카로마이세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis), 트리코데르마 종(Trichoderma species), 아스페르질러스 종(Aspergillus species)) 또는 기타 박테리아(예, 자이모모모나스 모빌리스 (Zymommonas moblis), 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 에스케리치아 콜리(Escherichia coli), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 베이제린크키이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리듐 파피로솔벤스(Clostridium papyrosolvens), 클로스트리듐 셀룰로라이티쿰 (Clostridium cellulolyticum), 클로스트리듐 조수이(Clostridium josui), 클로스트리듐 테르미티디스(Clostridium termitidis), 클로스트리듐 셀룰로시(Clostridium cellulosi), 클로스트리듐 셀레레크레센스(Clostridium celerecrescens), 클로스트리듐 포풀레티(Clostridium populeti), 클로스트리듐 셀룰로보란스(Clostridium cellulovorans)) 등의 하나 이상의 다른 미생물과 조합하여 사용할 수 있다. Clostridium phytofermentans alone or in yeast or fungi (e.g., Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Trichoderma species, Aspergillus species or other bacteria (e.g., Zymommonas moblis, Klebsiella oxytoca, Escherichia coli, Clostridium acetobu) Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium papyrosolvens, Clostridium cellulolyticum, Clostridium josui Clostridium termitidis, Clostridium cellulosi, Clostridium celerecrescens, Clostridium celerecrescens Host lithium popul retina (Clostridium populeti), Clostridium cellulose Robo lance (Clostridium cellulovorans)) may be used in combination with one or more other micro-organisms and the like.

예를 들면, 셀룰로오스분해 클로스트리듐(균주 C7)은 성장 기질로서 셀룰로오스를 함유하는 배지 중에서 자이모모나스 모빌리스와 공배양하여 성장시켰을 때, 에탄올 수율이 상기 클로스트리듐 단독 배양보다 2.5배 높은 것으로 알려져 있다(Leschine and Canale-Parola, Current Microbiology, 11:129-136, 1984). For example, cellulolytic Clostridium (strain C7) is 2.5 times higher than Clostridium alone in ethanol yield when grown by coculture with Zymonas mobilis in a medium containing cellulose as a growth substrate. Known (Leschine and Canale-Parola, Current Microbiology, 11: 129-136, 1984).

미생물 혼합물은 고체 혼합물(에, 동결건조 혼합물)로서, 또는 미생물의 액체 분산액으로서 제공할 수 있으며, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스와 공배양하여 성 장시키거나, 또는 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 첨가 전 또는 후에 또 다른 미생물을 첨가함으로써, 미생물들을 배양 배지에 순차적으로 첨가할 수도 있다.The microbial mixture may be provided as a solid mixture (eg, lyophilized mixture) or as a liquid dispersion of microorganisms and may be grown in coculture with Clostridium phytofermentans, or before addition of Clostridium phytofermentans Alternatively, the microorganisms may be added sequentially to the culture medium by adding another microorganism later.

또한, 본 발명에서의 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 중의 어느 것이나 그 혼합물은 순차적으로 또는 동시처리 방식으로 전술한 하나 이상으로 미생물로 처리할 수 있다.In addition, any of the algae raw or algae pulverized products in the present invention may be treated with microorganisms by one or more of the above-mentioned in a sequential or co-treatment manner.

예를 들면, 상기 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물은 미생물 혼합물과 동시에 처리(공배양)할 수 있고, 또는 상기 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물을 초기에 제1 미생물 또는 미생물의 제1 혼합물(예, 하나 이상의 효모, 진균 또는 기타 박테리아)로 처리한 다음, 그 결과 얻어진 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물을 하나 이상의 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스의 균주로 처리할 수 있다. 이와는 달리 상기 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물은 초기에 하나 이상의 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 균주로 처리한 다음, 그 결과 얻어진 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물을 하나 이상의 다른 미생물(상기 미생물 중의 어느 하나 또는 그 혼합물)로 처리할 수 있다.For example, the algae vinegar or algae crushed may be treated (co-cultured) simultaneously with the microbial mixture, or the algae vinegar or the algae crushed may be initially treated with a first microorganism or a first mixture of microorganisms (eg, one or more). Yeast, fungi or other bacteria), and the resulting algae vinegar or algae pulverization can be treated with one or more strains of Clostridium phytofermentans. Alternatively, the algae primitive or algae pulverization is initially treated with one or more Clostridium phytofermentans strains, and the resulting algae primitive or algae pulverization is treated with one or more other microorganisms (any one or a mixture thereof). Can be handled with

이하, 후술하는 본 발명의 실시예에 적용된 방법에 대해 간간히 설명한다. Hereinafter, the method applied to the Example of this invention mentioned later is demonstrated briefly.

1. 해조류 원초 또는 해조류에서 분쇄물의 대규모 생산1.Large-scale production of ground algae or ground algae

해조류 원초 또는 해조류로부터 분쇄물의 생산의 경우, 홍조류로 모로코산 우뭇가사리, 제주산 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니를 사용하였고, 녹조류로는 청각을 사용하였으며, 갈조류로서는 다시마를 사용하였다. 매우 단순한 방법으로 우뭇가사리를 증류수로 세척한 후, 40℃에서 건조하여 분쇄기(Universal Cutting Mill) 로 분쇄하고, Vibratory Sieve Shaker로 1mm이하인 분쇄물을 분체하여 사용하였다. For the production of ground products from algae raw or algae, Moroccan loot, Jeju loot, stalk, kotoni were used as green algae, auditory was used as green algae, and kelp was used as brown algae. Very simple method was washed with distilled water, dried at 40 ℃ and pulverized (Universal Cutting Mill), using a pulverized powder of less than 1mm with a Vibratory Sieve Shaker.

2. 해조류 원초 또는 해조류로부터 다당류물질 생산2. Production of polysaccharides from seaweeds or seaweeds

해조류 원초 또는 해조류로부터 다당류물질 생산의 경우, 우뭇가사리를 원료로 혹은 우뭇가사리로부터 다당류물질인 섬유소 및 우무를 원료로 사용하였다. 우뭇가사리를 증류수로 세척한 후, 40℃에서 건조하여 분쇄하고, 분체하여 사용하였다. In the production of polysaccharides from seaweeds or seaweeds, woody larvae were used as raw materials, or polysaccharides and vinegar were used as raw materials. After washing with distilled water, it was dried and pulverized at 40 ℃, and used by powdering.

우무는 KOH 수용액에 일정시간 침지시켰다가 증류수로 세척하여 반 건조시킨 모로코산 우뭇가사리를 증류수 또는 에틸알코올이나 메틸알코올을 이용하여 추출한 후 40℃에서 건조하고 분쇄하여 사용하였고, 섬유소는 추출된 우무를 O3로 표백하고 60℃에서 CIO2로 표백한 후, 80℃에서 H2O2로 표백하여 사용하였다. The radish was immersed in KOH solution for a certain time, washed with distilled water and semi-dried Moroccan loot was extracted with distilled water or ethyl alcohol or methyl alcohol, dried and pulverized at 40 ° C. Bleached with 3 and bleached with CIO 2 at 60 ° C., and then bleached with H 2 O 2 at 80 ° C. was used.

이때, 탄수화물 함량은 해조류의 종류에 따라, 같은 종일지라도 채취 장소에 따라 성분의 함량 차이를 보였으며, 탄수화물 함량은 우뭇가사리(모로코산, 제주산)가 70∼80%로 가장 높았고, 미역이 41%로 가장 낮았다. 또한, 비탄수화물(단백질, 지질 및 기타) 함량은 미역이 59%로 가장 높았고 우뭇가사리(모로코산, 제주산)가 20∼28%로 가장 낮아, 홍조류인 우뭇가사리가 에탄올 생산원료로서 가장 효율적으로 이용되어 질 수 있다. 따라서, 탄수화물 함량이 상대적으로 높은 모로코산 우뭇가사리를 선택하여 해조류 원초 또는 해조류 다당류물질로부터 에탄올 생산을 수행하였다. At this time, the carbohydrate content was different depending on the type of seaweed, and even the same species, depending on the place of collection. The carbohydrate content was the highest with 70 ~ 80% of sea urchin (Morocco, Jeju), and 41% of seaweed. Was the lowest. In addition, the content of non-carbohydrate (protein, lipid and other) was the highest in seaweed (59%) and the lowest in the woodworm (Moroccosan, Jeju), 20-28%, the red algae was most efficiently used as an ethanol production raw material. Can lose. Therefore, Moroccan loot with relatively high carbohydrate content was selected to produce ethanol from algae raw or algae polysaccharides.

3. 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 및 다당류물질로부터 대규모 에탄올 생 산3. Production of large scale ethanol from algae raw or algae grinds and polysaccharides

일반적으로, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포를 이용하여, 대규모로, 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 및 다당류물질로부터 연료 등급의 에탄올을 생산하기 위한 2가지 기본적인 접근법이 있다. In general, there are two basic approaches to producing fuel grade ethanol from algae primitive or algae crushed and polysaccharide materials on a large scale, using Clostridium phytofermentans cells.

그 첫번째 방법에서는, 먼저 고분자량 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 및 다당류물질을 포함하는 해조류 원초 또는 해조류 다당류물질을 저분자량 해조류 원초 또는 해조류 다당류물질로 가수분해한 다음, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포를 이용하여 저분자량 해조류 원초 또는 해조류 다당류물질을 발효시켜 에탄올을 생산한다. In the first method, the algae raw or algae polysaccharides including high molecular weight algae raw or algae pulverized and polysaccharides are first hydrolyzed into low molecular weight algae raw or algae polysaccharides, and then Clostridium phytofermentans cells Ethanol is produced by fermenting low molecular weight algae raw or algae polysaccharides.

두번째 방법에서는, 화학적 및/또는 효소적 처리 없이 분쇄물 및 다당류물질 그 자체를 발효시킨다. In the second method, the milled products and the polysaccharides themselves are fermented without chemical and / or enzymatic treatment.

상기 첫번째 방법에서, 가수분해는 산, 예를 들면, 브렌스테드 산(Bronsted acid)(예, 황산 또는 염화수소산), 염기(예, 수산화나트륨), 열수 작용(hydrothermal process), 암모니아 섬유 폭쇄법 (ammonia fiber explosion process: "EFEX"), 석회법(lime process), 효소, 또는 이들의 조합을 이용하여 수행할 수 있다. In the first method, hydrolysis is carried out by acid, for example Bronsted acid (e.g. sulfuric acid or hydrochloric acid), base (e.g. sodium hydroxide), hydrothermal process, ammonia fiber decay. (ammonia fiber explosion process: “EFEX”), lime process, enzyme, or a combination thereof.

해조류 원초 또는 해조류 다당류물질의 가수분해 및/또는 스팀처리는, 예를 들면, 해조류 원초 또는 해조류 다당류물질의 다공성 및/또는 표면적을 증가시킬 수 있으며, 종종 분쇄물 및 다당류물질이 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포에 더 많이 노출되게 함으로써, 발효율 및 수율을 증가시킬 수 있다. 또한, 다당류물질의 다공성 및/또는 표면적을 증가시켜, 종종 발효율 및 수율을 증가시킬 수 있다. Hydrolysis and / or steaming of the algae raw or algae polysaccharides, for example, can increase the porosity and / or surface area of the algae raw or algae polysaccharides, often where the ground and polysaccharides are Clostridium phytophers. By exposing more to mentans cells, efficiencies and yields can be increased. In addition, by increasing the porosity and / or surface area of the polysaccharide material, it is often possible to increase the efficiency and yield.

본 발명에 따른 방법 중 하나에 의해서는, 에탄올 이외의 다른 생산물을 생산할 수 있다. 보다 일반적으로, 발효 생산물로는 알콜 및 수소 등의 연료, 및 유기산 등의 다른 생산물을 들 수 있다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 단독으로 사용되거나, 또는 본 명세서에 기재된 다른 미생물(예, 효모 또는 다른 박테리아) 중의 하나 이상과 상승적으로 조합하여 사용할 수 있다.By one of the processes according to the invention it is possible to produce products other than ethanol. More generally, fermentation products include fuels such as alcohols and hydrogen, and other products such as organic acids. Clostridium phytofermentans may be used alone or in synergistic combination with one or more of the other microorganisms (eg, yeast or other bacteria) described herein.

본 발명에 따른 해조류를 이용한 바이오연료 제조 방법은, 해조류 원초 또는 해조류 원료가 안정적으로 수급됨으로써 원료 수급 문제를 획기적으로 개선할 수 있고, 종래 목질계 원료의 이용시 필수적으로 수반되는 리그닌 제거 공정이 필요하지 않아 공정 비용을 낮출 수 있으며, 글루코오스 이외에 갈락토오스, 3,6-안하이드로갈락토오스 등 해조류에 포함된 대부분의 당성분이 바이오연료로 전환될 수 있어 연료의 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있으므로 에너지 자원 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라, 해조류의 경우 CO2 흡수 능력이 탁월하여 범국가적인 온실가스 저감에 기여하고 국제 환경 규제에 적극적으로 대처할 수 있어 경제적 및 환경적으로 매우 유리하다.Biofuel production method using the seaweed according to the present invention, by the stable supply of raw algae raw or algae raw material can significantly improve the supply and demand problems, and does not require the lignin removal process that is essential accompanying the use of conventional wood-based raw materials As a result, it is possible to lower the cost of the process, and in addition to glucose, most sugars contained in algae, such as galactose and 3,6-anhydrogalactose, can be converted into biofuels, which can drastically lower the production cost of fuels, thereby reducing energy resource problems. Not only can this be solved, but the algae have excellent CO 2 absorption capacity, which contributes to the reduction of national greenhouse gas emissions and actively cope with international environmental regulations.

이하, 첨부된 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 해조류를 이용한 바이오연료 제조 방법을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다. Hereinafter, with reference to the accompanying specific embodiments will be described in detail a biofuel manufacturing method using the seaweed according to the present invention. The following embodiments are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예1. 해조류 원초 또는 해조류에서 분쇄물의 대규모 생산Example 1 Large-scale production of ground crushed seaweeds or algae

본 실시예에서는 홍조류로 모로코산 우뭇가사리, 제주산 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니를 사용하였고, 녹조류로는 청각을 사용하였으며, 갈조류로서는 다시마를 사용하였다. In this embodiment, Moroccan loot, Jeju loot, Kotani, kotoni were used as red algae, auditory was used as green alga, and kelp was used as brown algae.

우뭇가사리를 증류수로 세척한 후, 40℃에서 건조하여 분쇄기(Universal Cutting Mill, Fritsch사, 독일)로 분쇄하고, Vibratory Sieve Shaker(Fritsch사, 독일)로 1mm이하인 분쇄물을 분체하여 사용하였다. After washing the loach with distilled water, it was dried at 40 ℃ and pulverized by a pulverizer (Universal Cutting Mill, Fritsch, Germany), and used to powder the pulverized matter less than 1mm with Vibratory Sieve Shaker (Fritsch, Germany).

실시예2. 해조류 원초 또는 해조류에서 다당류물질의 대규모 생산Example 2. Large-scale production of polysaccharides from seaweeds or seaweeds

우무는 모로코산 우뭇가사리를 KOH 수용액에 일정시간 침지시켰다가 증류수로 세척하여 반 건조시킨 것을 증류수 또는 에틸알코올이나 메틸알코올을 이용하여 추출한 후 40℃에서 건조하고 분쇄하여 사용하였다. Daikon was immersed in a KOH aqueous solution for a certain time in Moroccan loot was washed with distilled water and semi-dried was extracted with distilled water or ethyl alcohol or methyl alcohol, dried at 40 ℃ and used to pulverize.

섬유소는 추출된 우무를 O3로 2회(1h/1회) 표백하고 60℃에서 CIO2로 2회(1.5h/1회) 표백한 후, 80℃에서 H2O2로 2회(1h/1회) 표백하여 사용하였다. Fibrin is twice extracted with agar O 3 (1h / 1 times) bleaching and twice at 60 ℃ to CIO 2 (1.5h / 1 times) After bleaching, two times at 80 ℃ with H 2 O 2 (1h / 1) bleached to use.

1% 황산수용액과 상기 기질 75g을 4ℓ삼각플라스크에 넣어 121℃에서 15분 동안 반응시킨 후, 상온으로 온도를 내려 그 용액을 CaCO3로 중화하고 원심분리기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용, 8,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 CaSO4를 제거하였다. 1% aqueous sulfuric acid solution and 75 g of the substrate were added to a 4 L triangle flask and reacted at 121 ° C. for 15 minutes, and then cooled to room temperature to neutralize the solution with CaCO 3 and centrifuge (VS-150FN, Vision Science Co., LTD.). , Korea) to remove CaSO 4 by centrifugation at 8,000 rpm for 10 minutes.

실시예3. 해조류 종류에 따른 다당류 물질의 성분 분석Example 3. Analysis of Polysaccharide Components by Seaweeds

해조류(모로코산 우뭇가사리, 제주산 우뭇가사리, 꼬시래기, 코토니, 청각, 미역, 다시마) 0.3 g과 72% 황산수용액 3 ㎖를 유리 튜브에 넣어 30℃에서 2시간 동안 반응시켰다(1차 가수분해). 0.3 g of seaweeds (Morocco root stump, Jeju root stump, skewer, kotoni, auditory, seaweed, kelp) and 3 ml of 72% sulfuric acid solution were added to a glass tube and reacted at 30 ° C. for 2 hours (first hydrolysis).

반응이 끝난 후, 반응액을 250 ㎖ 병에 넣어 증류수 84 ㎖를 첨가하고 고압반응기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용, 121℃에서 1시간 동안 가수분해하였다(2차 가수분해). After the reaction, the reaction solution was placed in a 250 ml bottle and 84 ml of distilled water was added and hydrolyzed at 121 ° C. for 1 hour using a high pressure reactor (VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea) (2 Secondary hydrolysis).

가수분해가 끝나면 고압반응기 내부 온도가 50℃일 때 병을 꺼내어 실온에서 방치, 냉각하고, 이 중 1 ㎖를 취하여 CaCO3로 중화한 후 원심분리기(VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea)를 이용, 8,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 CaSO4를 제거한 후 섬유소 및 갈락탄 성분을 분석하였다.After the hydrolysis, take out the bottle when the internal temperature of the high-pressure reactor is 50 ℃, leave it at room temperature, cool it, take 1 ml of this, neutralize with CaCO 3 and centrifuge (VS-150FN, Vision Science Co., LTD., Korea), centrifuged at 8,000 rpm for 10 minutes to remove CaSO 4 and analyzed the fibrin and galactan components.

실시예4. 해조류 원초 및 해조류의 다당류 물질로부터 에탄올 생산Example 4. Ethanol Production from Seaweed Herbs and Polysaccharide Materials of Seaweeds

미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오사, 한국)를 이용하여 생산하였다. 해조류 원초 및 해조류의 다당류 물질 각각 20 g/L 또는 40 g/L을 함유하는 GS-2 배지를 포함하는 배양관에서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스를 증식시켰다. GS-2 배지는 효모 추출물 6.0; 우레아 2.1; K2HPO4 2.9; KH2PO4 1.5; MOPS 10.0; 트리소디움 시트레이트 디하이드레이트 3.0; 시스테인 하이드로클로라이드 2.0(각각 g/L로 표시됨)을 포함한다. 배지의 초기 pH는 7.5 였고, 초기 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 농도는 0.8 ~ 1.1×107 세포/mL였다. Produced using a microbial fermenter (INNO 200603, Inno Bio, Korea). Clostridium phytofermentans were grown in a culture tube containing GS-2 medium containing 20 g / L or 40 g / L of algae primitive and polysaccharide material of seaweed, respectively. GS-2 medium contains yeast extract 6.0; Urea 2.1; K2HPO4 2.9; KH 2 PO 4 1.5; MOPS 10.0; Trisodium citrate dihydrate 3.0; Cysteine hydrochloride 2.0, each expressed in g / L. The initial pH of the medium was 7.5, and the initial Clostridium phytofermentans concentration was 0.8-1.1 x 10 7 cells / mL.

배양물(culture)은 30℃, N2 분위기 하에서 배양하었다. 다당류 물질 분해는 가시적으로 모니터링하였다. 해조류 원초 및 해조류의 다당류 물질을 함유하는 배양물에서, 해조류 원초 및 해조류의 다당류 물질은 분해되었다. Cultures were incubated under 30 ° C., N 2 atmosphere. Polysaccharide mass degradation was monitored visually. In cultures containing algae primrose and algae polysaccharide material, algae primrose and algae polysaccharide material were degraded.

본 실시예에서 해조류 원초 및 해조류의 다당류 물질이 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스의 배양물에 의해 동시에 발효되고, 대부분의 해조류 원초 또는 해조류 다당류 물질의 천연 공급원이 가장 풍부한 성분으로서의 셀룰로스와 두번째로 풍부한 성분인 크실란 등의 헤미셀룰로스를 포함하는 탄수화물의 혼합물을 함유할 경우 유리할 수 있음을 보여준다. In this embodiment the algae raw and the polysaccharide material of the algae are fermented simultaneously by the culture of Clostridium phytofermentans, cellulose as the most abundant natural source of most algae raw or algae polysaccharide material and the second richest ingredient It may be advantageous if it contains a mixture of carbohydrates including hemicellulose, such as phosphorus xylan.

실시예5. 해조류 원초 및 해조류의 분쇄물로부터 에탄올 생산Example 5. Ethanol production from algae primitives and crushed algae

미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오사, 한국)를 이용하여 생산하였다. 해조류 원초 및 해조류의 분쇄물을 각각 제시된 양을 함유하는 GS-2 배지를 포함하는 배양관에서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스를 증식시켰다. 배지의 초기 pH는 7.5 였고, 초기 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 농도는 0.8 ~ 1.1×107 세포/mL였다. Produced using a microbial fermenter (INNO 200603, Inno Bio, Korea). Clostridium phytofermentans were grown in a culture tube containing GS-2 medium containing the indicated amounts of the algae primula and the algae crushed products, respectively. The initial pH of the medium was 7.5, and the initial Clostridium phytofermentans concentration was 0.8-1.1 x 10 7 cells / mL.

배양물(culture)은 30℃, N2 분위기 하에서 배양하었다. 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 발효는 발효 완료시, 에탄올의 농도를 결정하였다. 에탄올 농도는 RI 검출기가 장착된 HPLC (Breeze HPLC system, Waters Co., USA)를 사용하여 분석하였으며, 칼럼은 Aminex HPX-87H (3007.8 ㎜, Bio-rad)를 사용하였다. Cultures were incubated under 30 ° C., N 2 atmosphere. Algae raw or seaweed mill fermentation determined the concentration of ethanol upon completion of fermentation. Ethanol concentration was analyzed using HPLC equipped with RI detector (Breeze HPLC system, Waters Co., USA), and the column was Aminex HPX-87H (3007.8 mm, Bio-rad).

초기 분쇄물 농도가 10 g/L일 때, 에탄올의 농도는 75 ~ 87mM 이었다. 초기 해조류 원초 또는 해조류 분쇄물 농도가 20 g/L일 때, 에탄올의 농도는 137 ~ 148mM이었다. 초기 분쇄물 농도가 40 g/L일 때, 에탄올의 농도는 146 ~ 162mM이었 다. When the initial mill concentration was 10 g / L, the concentration of ethanol was 75-87 mM. When the initial algae raw or seaweed mill concentration was 20 g / L, the concentration of ethanol was 137-148 mM. When the initial mill concentration was 40 g / L, the concentration of ethanol was 146-162 mM.

본 실시예로부터, 분쇄물의 초기 농도가 증가함에 따라 에탄올의 농도가 증가하기 때문에, 더 높은 농도의 분쇄물이 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스의 작용을 저해하지 않음을 알 수 있다. 또한 본 실시예로부터, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스가, 해조류 공급원료의 화학적 전처리 및 셀룰라제 또는 다른 효소의 첨가 없이, 이들 셀룰로스 공급원료를 에탄올로 발효시킴을 알 수 있다. From this example, it can be seen that since the concentration of ethanol increases as the initial concentration of the pulverization increases, a higher concentration of pulverization does not inhibit the action of Clostridium phytofermentans. It can also be seen from this example that Clostridium phytofermentans ferment these cellulose feedstocks with ethanol without chemical pretreatment of the seaweed feedstock and the addition of cellulase or other enzymes.

Claims (6)

해조류 원초 또는 해조류를 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄물을 미생물에 의해 발효시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법. Grinding algae raw or algae; And fermenting the ground product by microorganisms. 제1항에 있어서, 상기 분쇄 단계와 상기 미생물 발효 단계 사이에 상기 류 원초 또는 해조류로부터 다당류물질을 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법. According to claim 1, Between the grinding step and the microbial fermentation step further comprising the step of extracting a polysaccharide material from the algae raw or algae, Method of producing a biofuel using seaweeds. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바이오연료는 C1 내지 C4의 알코올 및 C2 내지 C4의 케톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the biofuel is selected from the group consisting of C1 to C4 alcohols and C2 to C4 ketones. 제2항에 있어서, 상기 다당류물질은 우무, 전분, 카라기난, 알긴산 및 섬유소로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the polysaccharide material is selected from the group consisting of radish, starch, carrageenan, alginic acid and fibrin. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 해조류는 홍조류, 갈조류 및 녹조류로부터 선택되는 대형조류, 또는 클로렐라 및 스피루리나로부터 선택되는 미세조류인 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the algae is a large algae selected from red algae, brown algae and green algae, or a microalgae selected from chlorella and spirulina. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분쇄물은 탄수화물이 포함되고, 상기 발효 단계는, 배지 중에서 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포, 제2 미생물 및 탄수화물이 포함된 상기 분쇄물을 반응시켜 발효시키는 것을 특징으로 하는, 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법. The method of claim 1 or 2, wherein the pulverized product comprises carbohydrates, the fermentation step, the fermentation by reacting the pulverized product containing Clostridium phytofermentans cells, the second microorganism and carbohydrate in the medium Method for producing a biofuel using seaweed, characterized in that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013018960A1 (en) * 2011-08-02 2013-02-07 부경대학교 산학협력단 Method for preparing volatile fatty acids using extracts of pre-treated seaweed residues

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