고압 압출 분쇄 공정을 포함하는 해조류 또는 농산부산물의 당화방법

고압 압출 분쇄 공정을 포함하는 해조류 또는 농산부산물의 당화방법 {Method for Saccharification of Marine Algae or Agricultural By-product Comprising Grinding Process with High Pressure Extrusion}

본 발명은 해조류 또는 농산부산물과 같은 바이오매스의 압출 분쇄 공정을 포함하는 당화방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 해조류 또는 농산 부산물을 균질화하여 파쇄하고, 이를 미세 직경의 관을 통하여 압출시켜 분쇄하는 단계를 포함하는 바이오매스의 당화방법에 관한 것이다.

인류의 급격한 증가와 발전으로 인해 식량의 고갈, 무분별한 석탄연료사용 및 고유가 시대에 따른 에너지 부족에 따라 인류에게 새로운 대체 에너지 개발이라는 큰 과제가 주어졌다.

상기의 과제를 해결하기 위한 바이오 에너지 산업, 그 중 바이오 에탄올 분야에서 가장 중요한 원료인 당은 해조류 또는 농산부산물 등에서 널리 얻을 수 있는 자원이다. 또한, 식품산업에서 이용 되어지는 당의 생산은 고비용이 요구하며 특히 당의 주요 원료인 사탕수수나 사탕무로부터 당을 생산하기 위해서는 화학적인 처리가 수반되어야 한다. 따라서 이러한 화학적인 처리는 환경 문제를 야기하며, 이를 해결하기 위해서는 많은 인적, 경제적 손실이 불가피하다.

현재 식품산업 분야와 바이오 에너지 생산 분야에서 당을 생산하기 위한 원료로부터 전처리 공정, 효소 공정이나, 알코올 발효를 위한 새로운 효소 및 미생물의 개발에 대한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 아직까지 친환경적이고 효율적인 전처리 공정을 통한 연구의 진행상황은 미비한 수준이며 경제적으로 많은 문제점을 가지고 있다.

또한 당을 제조하기 위하여 종래에는 사탕수수나 사탕무를 이용한 분밀(분말화), 정제 및 결정화의 단계를 거치고 있으며, 여기서 분밀 단계와 정제 단계 사이에, 불순물 분리를 위해 석회(石灰) 등을 첨가하는 화학적 공정이 포함될 수 있다. 그러나 상기 방법은 식량자원을 사용하므로 경제성에 큰 문제가 있다.

바이오 에너지 생산에서는 산/알칼리를 이용한 화학적 전처리가 사용되고 이에 대한 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있다. 실용화 단계에 있는 농산부산물을 이용하여 바이오 에너지를 생산하는 방법을 예로 들어보면, 먼저 원료에 황산 등 산을 첨가하고 고온, 고압으로 셀룰로오스 분해하고, 알칼리에 의한 중화시킨 후, 셀룰로오스를 마저 분해하기 위하여 효소를 처리함으로써 당을 얻고, 상기 얻어진 당을 발효 등의 과정을 거쳐 바이오 에너지를 생산하는 단계를 밟게 된다. 특히 한국공개특허 제2010-0093253호에서는 고체산을 가수분해 촉매로 사용하여 해조류 바이오매스를 당화하는 과정이 개시되어 있다.

이러한 바이오 에너지 생산 시의 전처리는 원료의 특성상 산/알칼리 처리와 고에너지의 물리적 전처리에 의존해야 하는 문제점을 가지고 있다. 게다가 상기 전처리에 따른 당화물의 수율은 투자비용 대비 낮은 수준을 보이고 있으며, 나아가 화학적 전처리의 가장 큰 단점으로서 산 처리 결과물을 중화하는 중화공정을 전처리의 후속공정으로 두어야 하므로 경제적으로도 많은 비용이 드는 문제가 있다. 또한 산에 의한 전처리 공정의 경우, 높은 온도와 압력 조건은 전처리 과정 중 효소에 대해 독성으로 작용하는 푸루랄이나 퓨란을 생성하게 함으로써 바이오 에너지 생산 효율을 저해하는 작용을 한다.

이 때문에 당을 가수분해하는 산에 의한 전처리 방법보다 순수하게 물만을 이용하는 전처리 공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 물을 이용한 전처리는 화학적인 전처리와는 달리 중화공정을 통해 산을 제거하지 않아도 되고, 전처리 과정 중 효소 저해물질이 생성되지 않으며 친환경적이기 때문에, 식품산업을 비롯한 산업 전반에 적용할 수 있다. 다만 물만을 이용한 전처리 공정은 전처리 속도가 늦고 높은 에너지를 투입하여야 하기 때문에 생산 비용이 높아질 수 있으며, 특히 발효 가능한 당의 전환 수율이 낮아 최종적으로 많은 양의 에탄올을 취득할 수 없는 단점이 있다.

따라서 물을 이용한 전처리 공정을 이용하여 종래 화학적 산/알칼리 처리의 문제점을 해결하면서도 우수한 당화 효율을 나타낼 수 있는 해조류 또는 농산부산물의 당화방법에 대한 연구가 지속적으로 요구되는 실정이다.

이에 본 발명자들은 해조류 또는 농산부산물과 같은 바이오매스로부터 바이오 에너지 및 식품산업에 필요한 단당류를 물만을 이용하여 친환경적이고, 효율적으로 생산할 수 있도록 하는 전처리 방법을 개발하고자, 연구 노력한 결과, 해조류 또는 농산 부산물을 균질화하여 파쇄하고, 이를 미세 직경을 가지는 관 등에 압력을 가하여 압출하면 우수한 수율로서 당화물을 얻을 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명은 압출 공정을 통한 분쇄를 통하여 산/알칼리 처리를 사용하지 아니하면서도 연속적으로 우수한 수율로 당을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은

1) 해조류 또는 농산 부산물을 균질화하여 파쇄하는 단계; 및

2) 상기 파쇄된 해조류 또는 농산 부산물을 압출하는 단계

를 포함하는 해조류 또는 농산부산물의 당화방법을 그 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 압출된 해조류 또는 농산부산물을 효소 처리하여 당화물을 얻는 방법을 또 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 방법으로 얻어진 당화물을 발효시키는 단계를 포함하는 바이오에탄올의 제조방법을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에 의해 해조류 또는 농산부산물과 같은 바이오매스에 포함된 다당류인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 전분 및 복합 다당류 등의 난분해성 고분자를 물을 이용한 친환경적인 전처리 공정에 의하여 높은 당화 효율로 가수분해 할 수 있다.

특히 본 발명은 물만을 사용하기 때문에 중화단계를 생략할 수 있고 연속적인 전처리 공정의 특징을 가지므로 공정을 단순화할 수 있어 저비용 고효율의 효과를 기대할 수 있다.

또한 본 발명의 방법에 의하여 생성되는 당화물은 푸루랄이나 퓨란 같은 발효 저해 물질을 함유하고 있지 않아 바이오에너지 산업뿐만 아니라 식품산업 등에도 널리 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 당화방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실험예 2에서 구멍갈파래의 효소 당화에 따른 글루코오스 전환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예 2에서 모자반의 효소 당화에 따른 글루코오스 전환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험예 2에서 보리대의 효소 당화에 따른 글루코오스 전환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 2에서 유채대의 효소 당화에 따른 글루코오스 전환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 3에서 구멍갈파래의 발효에 따른 에탄올 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예 3에서 모자반의 발효에 따른 에탄올 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예 3에서 보리대의 발효에 따른 에탄올 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험예 3에서 유채대의 발효에 따른 에탄올 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 10a는 실시예 1에서 압출된 구멍갈파래를 DLS 나노 입자 분석기로 분석한 결과이다.
도 10b는 실시예 4에서 압출된 유채대를 DLS 나노 입자 분석기로 분석한 결과이다.
도 11a는 실시예 1에서 호모게나이져(homogenizer)로 파쇄한 구멍갈파래 시료의 조직 표면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 11b는 실시예 1에서 호모게나이져(homogenizer)로 파쇄하고, 압출 공정을 거친 구멍갈파래 시료의 조직 표면을 나타낸 SEM 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 본 발명의 해조류 또는 농산부산물의 당화방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명에서 해조류는 홍조류, 갈조류, 녹조류 및 미세조류 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 녹조류로는 구멍갈파래, 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴 또는 염주말이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 구멍갈파래를 사용하는 것이 좋다. 한편, 상기 홍조류로는 우뭇가사리, 코토니, 개도박, 김, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단박, 돌가사리, 석목 또는 지누아리 등이 사용될 수 있으며, 상기 갈조류로는 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이 또는 톳 등이 사용될 수 있다.

한편 상기 농산부산물은 비식용 식물을 사용하는 것이 경제적인데, 보리대, 유채대, 수수대, 옥수수대 및 볏짚 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 보리대 또는 유채대가 사용될 수 있다.

먼저 상기 해조류 또는 농산 부산물을 균질화하여 파쇄한다. 이 때, 상기 균질화는 해조류 또는 농산 부산물을 호모게나이져(homogenizer)에 넣어 회전시킴으로서 이루어질 수 있다. 상기 해조류 또는 농산 부산물을 증류수에 1 ~ 30 %(w/v)의 농도로 넣어 혼합물을 얻은 후, 이를 호모게나이져로 회전시킬 수 있으며, 이 때, 해조류 또는 농산 부산물은 건조시켜 0.1 ~ 10 mm 의 크기로 분쇄한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 균질화는 호모게나이져를 10,000 ~ 50,000 rpm, 바람직하게는 20,000 ~ 30,000 rpm 의 회전 속도로 회전시켜 진행되며, 약 5 ~ 60 분, 바람직하게는 10 ~ 30 분 동안 진행하는 것이 좋다. 상기 균질화 과정을 통하여 해조류 또는 농산부산물의 파쇄가 이루어진다.

다음 상기 파쇄된 해조류 또는 농산 부산물을 고압으로 압출한다. 상기 압출은 10,000 ~ 50,000 psi, 바람직하게는 20,000 ~ 40,000 psi 의 고압을 가하여 이루어진다. 상기 고압의 압력으로 상기 해조류 또는 농산 부산물이 미세 직경을 가지는 관을 통과하도록 하며, 관 내부의 통과 시 전단력(shear stress)의 작용에 의하여 입자의 크기를 나노 사이즈까지 작게 만들 수 있다. 상기 관의 직경은 1 ~ 1,000 ㎛ 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 500 ㎛, 가장 바람직하게는 50 ~ 100 ㎛ 인 것이 좋다.

상기 압출된 해조류 또는 농산부산물은 열수 추출 또는 100 ~ 2,000 MPa 의 압력으로 고압 액화 추출하는 단계를 추가적으로 거칠 수 있다. 상기 열수 추출은 냉각기가 부착된 추출 플라스크에서 증류수를 추출 용매로 사용하여 이루어질 수 있고, 상기 고압 액화 추출은 공지의 고압 액화 추출 장치를 이용하여 이루어질 수 있다.

상기 공정에 의하여 전처리된 해조류 또는 농산부산물은 효소에 의하여 당화된다. 상기 효소는 셀룰라아제, 아밀로글루코시다아제, β-아가라아제, β-갈락토시다아제, β-글루코시다아제, 엔도-1,4-β-글루카나아제, α-아밀라아제 및 β-아밀라아제 중에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 셀룰라아제, 아밀로글루코시다아제를 사용하는 것이 좋다. 상기 효소 처리는 약 15 ~ 30 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하며, 30시간을 초과하는 경우 효소 반응에 의한 수율이 더 이상 증가하지 않는다.

상기 효소 처리에 의하여 최종 당화물을 얻을 수 있으며, 상기 당화물을 발효시켜 바이오에탄올을 제조할 수 있다. 또한 상기 당화물은 물 이외에 다른 화학적 성분을 이용한 전처리 공정을 거치지 아니한 바, 식품산업용 재료로 사용될 수 있다. 상기 당화물은 글루코오스, 갈락토오스, 3,6-안하이드로갈락토오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스, 만노오스 등의 단당류를 포함하나 이에 한정되지는 아니한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 구멍갈파래의 당화 전처리 공정

제주도에서 채취한 구멍갈파래의 수분을 제거하기 위해 세척 후 열풍건조기에서 100℃로 3일 동안 건조한 후 밀봉하여 보관하였다.

상기 건조된 구멍갈파래를 약 1 ~ 2 mm 의 크기로 분쇄한 후, 증류수에 10 %(w/v)의 농도로 넣어 혼합하였다. 다음 호모게나이져에 넣고 25,000 rpm의 회전 속도로 20분간 균질화하여 구멍갈파래를 파쇄하였다. 상기 파쇄된 구멍갈파래 시료의 상층부부터 95% 부피의 시료를 걸러낸 후, 이를 직경 100 ㎛의 관에 25,000 psi의 압력으로 통과시켜 압출하였다. 상기 압출된 구멍갈파래를 하기 실험예 1의 시료로 사용하였다.

실시예 2 : 모자반의 당화 전처리 공정

상기 건조된 구멍갈파래 대신 제주도에서 채취한 모자반을 건조하여 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 처리하였다.

실시예 3 : 보리대의 당화 전처리 공정

상기 건조된 구멍갈파래 대신 수확 후 남은 보리대를 길이 1 cm로 잘라 상온에서 1주일 동안 건조시켜 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 처리하였다.

실시예 4 : 유채대의 당화 전처리 공정

상기 건조된 구멍갈파래 대신 유채대를 길이 1 cm 로 잘라 상온에서 1주일 동안 건조시켜 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 처리하였다.

실험예 1 : 추출물 내 글루코오스 생성량 비교

1) 일반 열수 추출

시료를 수직 환류 냉각기가 부착된 추출 플라스크에 넣고, 시료 중량에 대하여 각각 10배의 증류수를 추출용매로 사용하여 60℃에서 24시간 동안 추출하였다.

2) 고압 액화 추출

시료를 고압 액화 추출 장치에 넣고 시료 중량에 대하여 10 배의 증류수를 첨가한 후 1,000 MPa 의 압력으로 30분 동안 추출 공정을 진행하였다.

상기 추출 공정을 통하여 얻어진 당화액의 글루코오스 생성량(환원당 생성량)을 측정하기 위하여 하기와 같이 실험을 진행하였다.

각각의 추출된 당화액에 셀룰라제 25㎎을 각각 25㎖ 폴리에틸렌 병에 넣고, 8㎖의 0.15M CH ₃ COONa(pH 5.0) 완충용액을 가하였다. 다음 마개를 막고, 진탕수조에 넣은 다음, 온도를 50℃로 유지 하고, 72시간 동안 천천히 흔들어 주면서 반응 시켰다. 반응 종료 1분 전에 6㎖의 증류수를 가하여, 전체 반응용액의 부피를 14㎖로 하였다. 일정한 양의 반응용액을 취하여 원심분리하고, DNS 방법을 통해 환원당을 정량하였다. 농도가 다른 시료 100㎕에 DNS 용액 1㎖를 더한 후, 100℃에서 8분간 가열한다. 이후 4분간 냉각한 후에 557㎚에서 흡광도를 측정하여 글루코오스 생성량을 측정하였다. 상기 측정된 글루코오스의 생성량을 최초 시료의 함량과 비교하여 글루코오스의 전환 수율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이 단순히 구멍갈파래, 모자반, 보리대 및 유채대 각각을 별도의 처리 없이 열수 추출 또는 고압 액화 추출하는 경우에 비하여 실시예 1 ~ 4의 처리를 거친 시료를 추출하는 경우 글루코오스 생성량이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 효소 당화 공정에 따른 글루코오스 생성

상기 실험예 1의 열수 추출 또는 고압 액화 추출된 추출액에서 고형물과 당화액을 분리한 후, 상기 고형물을 이용하여 효소 당화를 진행하였다.

먼저 상기 고형물을 40℃에서 24시간 동안 완전 건조시킨 후, 수율 산정을 위해 질량을 측정하였다. 다음, 플라스크에 50ml의 소듐 아세테이트 버퍼(sodium acetate buffer, ph 4.8)와 함께 셀룰라아제를 15FPU/glucan (Celluclast 1.5L, Novozyme 188) 첨가하였다. 시간에 따른 효소의 활성 정도를 확인하기 위해 일정 시간마다 1 ml씩 샘플링하여 시간에 따른 전환 수율을 측정하였으며, 그 결과를 도 2 내지 5에 나타내었다.

상기 도 2 내지 5에서 보는 바와 같이, 구멍갈파래와 모자반의 경우에는 20% 이상, 유채대와 보리대의 경우에는 50% 이상의 글루코오스 전환 효율을 나타내었으며, 일반 열수 추출에 비하여 고압 액화 추출에 의한 경우 보다 높은 전환 효율을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 본 발명의 전처리를 통하여 기질의 표면적이 높아짐에 따라 효소와 기질간의 접촉 면적이 커져 빠른 시간에 많은 양의 효소가 반응할 수 있기 때문으로 판단된다.

한편, 약 25 시간이 경과하면 더 이상 당화 효율이 증가하지 않는 점을 확인하였다.

실험예 3: 글루코오스 발효에 의한 생성량의 비교

발효종균으로 사카로마이세스 세르비지에( Sacchromyces cerevisiae , ATCC 24858)를, YPD(yeast extract 1%, peptone 2%, glucose 2%) 배지를 이용하여 진탕 배양기(30℃, 150 rpm)에서 24시간 동안 배양하였다. 이 때, 물을 넣어 800 ml 의 부피에서 배양이 이루어지도록 하였으며, 상기 배양을 통하여 얻어진 배양액을 발효에 사용하였다.

상기 실험예 1의 고압 액화 추출 공정을 통하여 얻어진 당화액에 상기 배양액을 접종하여 상온에서 발효를 진행하였으며, 시간에 따른 에탄올 생성량을 도 6 내지 9에 나타내었다.

상기 도 6 내지 9에서 보는 바와 같이, 상기 발효를 통하여 이론상 최대치에 달하는 에탄올 수율을 확보하였다. 순수 물만을 사용한 친환경적인 공정으로 발효 균주에 대한 독성을 최소화할 수 있으므로, 높은 에탄올 수율을 이끌어낼 수 있는 것으로 판단된다.

실험예 4: 압출된 바이오매스의 입자 관찰

상기 실시예에서 압출된 바이오매스의 입자 크기와 표면을 관찰하기 위하여 하기와 같이 DLS(Dynamic Light Scattering) 와 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용한 관찰을 진행하였다.

1) DLS(Dynamic Light Scattering) 관찰

상기 실시예 1 및 4에서 압출된 구멍갈파래 및 유채대 3ml를 각각의 큐벳에 넣고 DLS 나노 입자 분석기를 이용하여 1분 30초 동안 30초 간격으로 입자의 크기를 측정하였으며, 그 결과를 도 10a 및 10b에 나타내었다.

상기 도 10a에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 구멍갈파래의 경우 평균 입자의 크기가 439.9 nm, 상기 도 10b에서 보는 바와 같이, 실시예 4의 유채대의 경우 평균 입자 크기가 522.8 nm 로 나타난 바, 상기 실시예의 공정을 통하여 바이오매스의 입자가 나노 사이즈로 형성되는 것을 확인할 수 있다.

2) SEM(Scanning Electron Microscope) 관찰

본 발명의 압출 공정에 의한 바이오매스 조직의 형태학적 변화를 관찰하기 위하여 상기 실시예 1의 구멍갈파래 시료를 진공주사현미경을 이용하여 표면을 관찰하였으며, 그 사진을 도 11에 나타내었다.

도 11a는 실시예 1에서 호모게나이져로 파쇄한 구멍갈파래 시료의 조직 표면을 나타낸 것이며, 도 11b는 실시예 1에서 압출이 이루어진 구멍갈파래 시료의 조직 표면을 나타낸 것이다.

상기 도 11a 및 11b에서 보는 바와 같이 압출이 이루어진 구멍갈파래의 조직 표면이 더 파괴되어 압출이 이루어지지 않은 구멍갈파래 시료와 큰 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 글루코오스 추출에 있어 차이가 나타나는 원인이 된다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.