폐지의 동시당화발효에 의한 에탄올 생산

권정기, 문현수, 김준석, 김승욱, 홍석인

고려대학교 화학공학과

Ethanol Production by Simultaneous Saccharification

and Fermentation(SSF) of Newspaper

Jung-Ki Kwon, Hyun-Soo Mun, Jun-Seok Kim, Seung-Wook Kim, Suk-In Hong

Department of Chemical Engineering, Korea University

서론

섬유소계 바이오매스로부터 연료용 에탄올을 생산하는 공정은 크게 분리당화발효(Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF)와 동시당화발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF)로 나눌수 있다. SHF에서는 당화과정에서 중간생성물과 최종생성물인 셀로바이오스와 글루코오스가 섬유소 가수분해효소에 대해 강한 억제작용을 하는데, 반면에 SSF에서는 이러한 억제작용을 최소화할수 있고 장치비 절감과 낮은 효소 투입량에 의한 바용감소, 그리고 오염문제를 감소시킬수 있는 장점이 있다[1].

기존의 SSF 공정을 도입한 에탄올 생산은 목질계 바이오매스의 풍부한 양과 재생특성 그리고 저렴한 원료비 때문에 대부분의 연구가 목질계 바이오매스에  집중되어 왔다[2]. 그러나 목질계 바이오매스를 실제 공정에 적용하기 위해서는 묽은 황산과 증기폭쇄에 의한 전처리 과정이 필요하고 이러한 전처리 과정에서 부가적으로 생성되는 저해물질 때문에 기질투입량이 제한요소로 작용하며 고농도의 에탄올 생산이 어려워진다[3]. 발효후 생산된 에탄올이 기존의 증류 정제과정을 거쳐 연료용으로 사용되기 위해서는 에탄올 농도가 약 10-12%(w/v)정도가 되어야 한다. 그러나 최근에는 기존의 증류 공정에 흡착제를 사용한 흡착회수 공정을 결합하여 4.5%의 에탄올로부터 99.4%의 연료용 등급 에탄올을 얻었다는 보고가 있었다[4]. 결국 경제적인 정제과정을 위해서는 4.5%이상의 에탄올 생산이 필요하고 이를 위해 기존의 목질계 바이오매스대신 새로운 에탄올 생산 원료를 도입해야만 한다.

새로운 생산 원료로서 근래에 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 종이를 생각할수 있는데, 현재 회수된 폐지를 재활용하는데 한계가 있기 때문에 대부분 소각이나 매립에 의해 처리되고 있는 실정이다. 이와 같이 버려지는 폐지를 에탄올 생산을 위한 원료로 사용한다면 여러 가지 장점이 있다. 폐지는 원료비용이 목질계 바이오매스보다 훨씬 더 저렴하고 이미 종이를 만드는 과정에서 기계적, 화학적 처리를 하였기 때문에 특별한 전처리 과정을 필요로 하지 않는다[5]. 또한 목질계 바이오매스보다 더 적은 리그닌을 함유하고 있어 반응 기질적 측면에서 훨씬 유리하다.

본 연구에서는 폐지를 이용한 동시당화발효 공정을 개발하기 위한 기초연구로서 폐지의 기질특성과 이를 고려한 에탄올 생산방법을 확립하는데 목적이 있다.

실험

기질

본 연구에서는 실험실에서 회수된 신문지를 기질로 사용하였고 기질투입량은 신문지의 셀룰로오스 함유량을 기준으로 하였다.

효소

효소는 Tricoderma reesi 변이균주에 의해 생산된 상업용 효소인 Cellusoft(Novo Co., Denmark)와 Novozym 188(Novo Co., Denmark)를 사용하였다.

발효균주

에탄올 발효에 이용된 균주는 Brettanomyces custersii KCCM 11490를 모균주로 하여 돌연변이시켜 개발된 내열성 효모균주인 H1-39를 사용하였다.

효소당화

효소당화 반응은 500mL Erlenmeyer flask에 기질과 PH 4.8로 조절된 sodium citrate buffer 용액을 넣고 진탕배양기에서 반응시켰다. 이때 효소 투입량은 60FPU/g cellulose로 하였고 Cellusoft:Novozym 188의 부피비를 3으로 하였다. 진탕배양기의 회전속도는 200rpm, 온도는 40oC로 하였다.

동시당화발효

동시당화발효 반응은 효소당화 반응과 동일한 조건에서 수행하였고 활성화된 균체를 10%(v/v)로 접종한후 진탕배양기에서 반응시켰다.

분석

신문지의 셀룰로오스 함유량은 NREL의 표준 분석법에 따라 분석하였고 환원당은 DNS 방법에 의해 분석하였다. 에탄올 농도는 불꽃 이온 검출기가 장착되어 있는 가스 크로마토그래피(영린기기)를 이용하여 분석하였고 이때 내부 표준물질로는 Isopropanol을 사용하였다.

결과 및 토론

신문지의 전처리 효과

신문지를 실제 SSF 공정에 이용하기 위해서는 다루기 쉽고 효소당화 반응을 향상시킬수 있는 전처리 과정이 필요하다. Table 1은 보편적으로 사용되고 있는 전처리 과정을 신문지에 적용했을때, 셀룰로오스의 함유량을 보여준다. 1%(w/w)의 NaOH를 가지고 140oC에서 30분간 처리한후 분쇄했을때 가장 높은 0.57의 셀룰로오스 함유량을 나타냈고 동일한 조건에서 1%(w/v)의 황산을 가지고 처리 했을때 0.55의 셀루로오스 함유량을 나타내었다. 이는 각각 신문지내에 있는 리그닌과 헤미셀룰로오스의 제거때문이라고 사료된다. 그러나 Table 1에서 보여주듯이 대부분의 전처리된 신문지에서의 셀룰로오스 함유량은 전처리되지 않은 신문지의  셀룰로오스 함유량인 0.53과 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig.1과 Fig.2는 다양하게 전처리된 기질을 가지고 각각 당화반응과 SSF 실험을 한 결과이다. Fig.1에서 보여주는바와 같이 당화반응에서는 100oC에서 Tap-water로 30분간 처리한후 ball-milling했을때 가장 높은 환원당 농도를 나타냈으며 이때 가수분해 수율(환원당 기준)은 이론수율의 96%이었다. ball-milling 처리를 제외한 나머지 전처리 방법은 가수분해반응에 큰 영향을 미치지 못했다. 이와 비슷한 경향은 Fig.2의 SSF 실험에서도 나다난다. ball-milling 했을때 반응시간 25시간에서 에탄올 수율(셀룰로오스 기준)이 가장 높았고  이론 수율의 58%를 나타내었다.

결과적으로 앞에서 언급하였듯이 신문지는 이미 기계적, 화학적 처리 과정을 거쳤기 때문에 신문지의 반응성 증가는 주로 size-reduction에 의한 반응표면 증가에 크게 의존함을 알수 있었고 Tap-water로 100oC에서 30분간 처리한후 ball-milling 시키는 전처리 방법이 적절하다고 사료된다.

기질투입량이 에탄올 생산에 미치는 영향

기질투입량은 SSF 공정에서 제한적인 요소로 작용한다. 고농도의 기질에서는 보통 혼합의 문제가 생기므로 일정한 농도이상에서는 조업이 어렵게된다. 또한 목질계의 경우 기질 자체에 저해성분이 있어서 고농도의 기질에서는 오히려 에탄올 생산이 더 줄어든다. Fig.3과 Fig.4는 목질계 바이오매스(Ball-milled steam exploded wood)와 신문지(Tap-water, 100oC, 30min + shredding)를 각각 4%, 6%(셀룰로오스 함량 기준)로 투입했을때 에탄올 생산을 나타내었다. 4%에서는 목질계 바이오매스와 신문지의 에탄올 수율이 셀룰로오스를 기준으로 했을 때 이론수율의 65.7%, 67.1%로 큰 차이를 보이지 않았으나 6%에서는 각각 19.5%, 65.3%로  목질계 바이오매스의 경우 에탄올이 거의 생산되지 않았다. 반면에 신문지는 기질투입량이 증가하더라도 에탄올 수율이 일정하다. 그러므로 신문지 자체에 효소나 효모에 저해작용을 가지는 유독한 성분은 거의 없다고 사료된다. 결론적으로 신문지는 에탄올 생산속도나 에탄올 수율면에서 목질계 바이오매스보다 더 우수하다고 평가된다.

폐지를 이용한 고농도 에탄올 생산 전략

신문지를 이용한 SSF 공정에서 고농도의 에탄올을 생산하기 위해서는 고농도의 기질투입이 필요하다. 일반적으로 고농도의 기질투입을 제한하는 요소는 크게 기질자체의 저해성분과 혼합 문제이지만 앞에서 언급한바와 같이 신문지 기질 자체에는 저해성분이 매우 적은것으로 생각되므로 혼합 문제만이 제한요소로 남게 된다. 이를 해결하기 위해서 혼합 문제를 고려한 fed-batch SSF 공정 개발에 관한 연구가 수행중이다.

감사

본 연구는 에너지 자원 기술 개발 지원 센터(1997)에 의하여 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Hinman, N.D., Schell, D.J., Riley, C.J., Bergeron, P.W. and Walter, P.J.: Appl.       Biochem. Biotechnol., 36, 275-287(1992)

2. Vinzant, T.B., Ponfick, L., Nagle, N.J., Ehrman, C.I., Reynolds, J.B. and Himmel,     M.E.: Appl. Biochem. Biotechnol., 45/46, 611-626(1994)

3. 문현수: 석사학위논문, 고려대학교, 서울(1997)

4. Gulati, M., Westgate, P.J., Brewer, M., Hendrickson, R. and Ladisch, M.R.: Appl.     Biochem. Biotechnol., 57/58, 103-119(1996)

5. Scott, C.D., Davison, B.H., Scott, T.C., Woodward, J., Dees, C. and Rothrock,       D.S.: Appl. Biochem. Biotechnol., 45/46, 641-653(1994)

Table 1. Cellulose contents of newspaper after various treatments

Symbol	Pretreatment conditions	Cellulose content(w/w)
A	No treatment + shredding	0.53
B	1%(w/w) H2SO4, 140oC, 30min + shredding	0.55
C	1%(w/w) NaOH, 140oC, 30min + shredding	0.57
D	Tap-water, 120oC, 1h + shredding	0.50
E	Tap-water, 100oC, 30min + ball-milling	0.52