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셀룰로오스계 원료작물로서 수수-수단그래스 교잡종의 바이오에탄올 생산량 평가
차영록,문윤호,구본철,안종웅,윤영미,남상식,김중곤,안기홍,박광근 韓國作物學會 2013 한국작물학회지 Vol.58 No.1
본 연구는 바이오에탄올 생산용 작물 선발을 위해 국내재배 가능한 일년생 작물중에서 바이오매스 생산량이 우수한 수수-수단그래스 교잡종에 대한 바이오에탄올 생산성을조사하였으며 그 결과는 다음과 같다.1. 총 11 품종의 수수-수단그래스 교잡종 대한 화학적 특성검증 결과 셀룰로오스 함량은 Green Star 품종이 가장높았으며 발효율 검정을 위해 Green Star, Revolution,KF429 그리고 SS504 4품종을 선발하였다.2. 선발된 4품종으로부터 발효 당을 추출하기 위해 시료와1 M NaOH 용매를 1:14의 비율로 혼합하고 150℃에서30분간 전처리하였을 때 시료내 셀룰로오스 함량은 55%이상 이였으며, 발효 저해 작용을 하는 리그닌 및 회분함량은 65%이상 제거 되었다.3. 전처리물의 당화율 검정을 위해 celli CTEC II 효소 30FPU/g-cellulose를 사용하였으며 4품종의 당화율은 평균86%이었다.4. 수수-수단그래스 교잡종의 발효율 검정은 동시당화발효(SSF)방법으로 수행하였으며 발효균주로는 Saccharomysiscerevisiae CHY1011를 사용하였고, 결과적으로 GreenStar의 발효율이 92.4%로 가장 높았으며 에탄올 생산량은 6,206 L/ha임을 확인하였다. The world demand of renewable bioenergy as an alternative transportation fuel is greatly increasing. Research for bioethanol production is currently being progressed intensively throughout the world. Therefore it will be necessary to develop bioethanol production with cellulosic materials. In this study, the yield of ethanol production was evaluated by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) using sodium hydroxide pretreated sorghum x sudangrass hybrids. Composition analysis of 11 varieties of sorghum x sudangrass hybrids was performed for selection of excellent variety to efficiently produce bioethanol. The content of cellulose, hemicellulose, lignin and ash of these varieties were 32~39%, 19~24%, 17~22% and 6~11%, respectively. Among these varieties, 4 varieties of sorghum x sudangrass hybrids were selected for the evaluation of ethanol yield and those were pretreated with 1 M NaOH solution at 15 0℃ for 30 min using high temperature explosion system. After pretreatment, samples were neutralized with tap water. It contained 52~57% of cellulose. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was carried out for 48 h at 33℃ by Saccharomyces cerevisiae CHY1011 using Green star variety. The yield of ethanol was 92.4% and the amount of ethanol production was estimated at 6206 L/ha.
고온 압출식 반응시스템을 이용한 억새 바이오매스의 KOH 전처리조건 최적화
차영록,박성민,문윤호,김광수,이지은,권다은,강용구 한국응용과학기술학회 2019 한국응용과학기술학회지 Vol.36 No.4
The purpose of this study is to investigate the optimum conditions of biomass pretreatment with potassium hydroxide (KOH) for efficient utilization of cellulose, hemicellulose and lignin from Miscanthus. The optimization of variables was performed by response surface methodology (RSM). The variation ranges of the parameters for the RSM were potassium hydroxide 0.2∼0.8 M, reaction temperature 110∼190℃ and reaction time 10∼90 min. The optimum conditions of alkali pretreatment from Miscanthus were determined as follows: concentration of KOH 0.47 M, reaction temperature 134℃ and reaction time 65 min. At the optimum conditions, the yield of cellulose from the solid fraction after pretreatment was predicted to be 95% by model prediction. Finally, 66.1 ± 1.1% of cellulose were obtained by verification experiment under the optimum conditions. The order contents of solid extraction were hemicellulose 26.4 ± 0.4%, lignin 3.7 ± 0.1% and ash 0.5 ± 0.04%. The yield of ethanol concentration of 96% was obtained using separated saccharification and fermentation. 억새와 같은 초본계 바이오매스로부터 cellulose, hemicellulose, lignin 등 주요성분을 추출하기 위해서는 알칼리 전처리가 효율적이며, 본 연구에서는 수산화칼륨(KOH)을 이용한 전처리 조건을 최적화하였다. 전처리 변수의 최적화는 반응표면분석법(RSM)을 적용하였다. RSM의 변수는 3개였으며, 변수범위는 각각 KOH 0.2∼0.8M, 반응온도 110∼190℃ 및 반응시간 10∼90min 이었다. 억새의 알칼리 전처리를 위한 최적조건은 KOH 농도 0.47M, 반응온도 134℃ 및 반응시간 65min 이었다. 최적 전처리 조건에 따라 전처리를 수행한 후 고형물의 cellulose 함량은 66.1±1.1% 이었으며, hemicellulose 및 lignin 함량은 각각 26.4±0.4%, 3.7±0.1% 이었다. RMS 모델식에 따라 계산된 예측값은 실제값 대비 95% 범위 내에서 유효하였다. 최종적으로 전처리물을 동시당화발효를 통해 검증한 결과 에탄올 생산 수율은 96% 이었다.
단수수 착즙액이용 배양종균의 바이오에탄올 생산 특성 연구
차영록,문윤호,유경단,이지은,최인성,송연상,이경보 한국유화학회 2016 한국응용과학기술학회지 Vol.33 No.4
단수수[Sorghum bicolor (L)]는 당류가 풍부한 사탕수수, 사탕무와 같은 주요 바이오연료 작물 중의 하나이다. 단수수 착즙액은 단수수 줄기를 압착하여 추출하며 주요 성분는 glucose와 fructose 그리고 sucrose로 구성되어 있다. 에탄올은 효모발효공정을 통하여 단수수 착즙액으로부터 쉽게 생산할 수 있다. 단수수 착즙액은 당류 뿐만 아니라 질소나 인산과 같은 다양한 무기영양원도 함유하고 있어 종균 배지로 활용성이 높다. 상업적인 에탄올 생산 공정에서 종균배양은 중요한 발효공정 중의 하나이며 공정비용 절감 을 위해 최적화된 배지가 필수적이다. 본 연구에서는 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균의 배지로서 단수수 착즙액의 특성을 평가하였다. 단수수착즙액의 발효기질 적합성을 평가하기 위해 YPD 및 억새 당화 액을 비교하여 실험하였으며, YPD배지 중 yeast extract 와 peptone은 각각 5 g/L의 농도로 사용하였다. 각각의 기질들은 당 농도가 2%, 5%, 10%가 함유되도록 제조하여 발효를 통한 균체농도를 측정하였다. 그 결과 YPD와 단수수착즙액을 배지로 사용하였을 때 발효 24시간 후에 최대 2.5 x 108 CFU/mL 이상의 균 체농도를 나타내었다. 결과적으로 단수수착즙액은 12시간 발효 후에 1.0 x 108 CFU/mL 균체를 생산하여 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균 배지로서 YPD를 대체하여 사용할 수 있음을 확인하였다. Sweet sorghum [Sorghum bicolor (L)] is one of the major crops for biofuels such as sugarcane and sugar beet which raw materials rich in saccharide. Sweet sorghum juice was extracted from the stem. It's composed of fermentable sugars such as glucose, fructose and sucrose. Ethanol from the extracted sweet sorghum juice can be easily produced by yeast fermentation process. Sweet sorghum juice is consisted of not only sugars but also various nutrients like nitrogen and phosphate. For commercial production of bioethanol, seed culture is one of the important parts of fermentation, so that optimal culture medium should be selected for the reduction of processing costs.In this study, sweet sorghum juice was estimated as a culture medium for seed culture of cellulosic bioethanol. For the comparison of cultures with various substrates, it used YPD including each 5 g/L yeast extract and peptone, sweet sorghum juice and hydrolyzed Miscanthus was taken part in the culture with 2%, 5% and 10% sugar conditions. Based on media of YPD and sweet sorghum juice, cell-mass concentration was obtained maximum more than 2.5 x 108 CFU/mL after 24 h of cultivation. Consequently sweet sorghum juice is suitable for the cell culture with more than 1.0 x 108 CFU/mL after 12 h of cultivation. This can be used as a culture medium for the cellulosic bioethanol industry.