Appl. Chem. Eng., Vol. 25, No. 6, December 2014, 619-623 http://dx.doi.org/10.14478/ace.2014.1109 Original article 과일껍질을이용한바이오에탄올생산공정에서산가수분해및효소당화의영향 이승범 김형진 김포대학보건환경과, 단국대학교화학공학과 (2014 년 9 월 16 일접수, 2014 년 10 월 17 일심사, 2014 년 10 월 22 일채택 ) The Effect of Acid Hydrolysis and Enzymatic Saccharification in Bioethanol Production Process Using Fruit Peels Seung Bum Lee and Hyungjin Kim Department of Health & Environment, Kimpo College, Gyeonggi 415-761, Korea Department of Chemical Engineering, Dankook University, Gyeonggi 448-701, Korea (Received September 16, 2014; Revised October 17, 2014; Accepted October 22, 2014) 산가수분해공정과효소당화공정을이용하여사과, 귤, 수박껍질로부터셀룰로오스에탄올을생산하고, 그최적조건을결정함으로써과일껍질을원료로한바이오에너지생산가능성을평가하고자하였다. 산가수분해공정을이용하여과일껍질로부터셀룰로오스에탄올을생산하기위한최적조건은사과껍질의경우황산농도 20 wt% 에서 90 min, 귤껍질과수박껍질의경우에는각각산가수분해시간 60 min 에서황산의농도가 15, 10 wt% 인것으로나타났다. 효소당화공정을이용하여과일껍질로부터셀룰로오스에탄올을생산할경우효소로는 Viscozyme 이가장우수한전환특성을나타내었으며, 최적효소당화시간은사과껍질 (180 min), 귤껍질 (60 min), 수박껍질 (120 min) 인것을알수있었다. Abstract The acid hydrolysis and enzymatic saccharification were carried out for the production of cellulosic ethanol. The possibility of bio-energy production from tangerine peel and apple and watermelon rind was evaluated by determining the optimum production condition. The optimum conditions for the production of cellulosic ethanol from fruit peel were as follows: the sulfuric acid concentration and reaction time of acid hydrolysis for the ethanol production from an apple rind were 20 wt% and 90 min, respectively. The concentration of sulfuric acid for tangerine peel and a watermelon rind at the hydrolysis time of 60 min were 15 wt% and 10 wt%, respectively. A viscozyme was proven as the best conversion for the ethanol production when using enzymatic saccharification from fruit peels. The optimum enzymatic saccharification time for tangerine peel and apple and watermelon rind were 60, 180, and 120 min, respectively. Keywords: Acid hydrolysis, Enzymatic saccharification, Cellulosic ethanol, Viscozyme 1) 1. 서론 바이오매스 (biomass) 는동식물로부터유래되는유기물질로서나무, 농작물등을비롯해축산폐기물, 도시하수의유기슬러지에이르기까지그종류가다양하다. 이러한바이오매스는가공할경우사용이편리한액체나가스로전환하여사용할수있기때문에미래에너지로서관심을받고있다. 바이오매스의지방, 탄화수소를물리적, 화학적, 생물학적처리를통해편리한형태의에너지를만들수있는데, 주로식물성기름을사용해바이오디젤을, 당류의경우생물학적발효를통 Corresponding Author: Kimpo College, Department of Health & Environment, Gimpodaehak-ro 97, Wolgot-myeon, Gimpo-si, Gyeonggi-do 415-761, Korea Tel: +82-31-999-4207 e-mail: tivoli@kimpo.ac.kr pissn: 1225-0112 eissn: 2288-4505 @ 2014 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 해바이오알코올을만들거나열분해가스화를통해합성가스를만들수있다 [1]. 바이오에탄올에사용되는원료로는사탕수수, 당밀과같은당질계작물이나옥수수, 쌀, 보리등의곡류및감자, 고구마같은전분질계작물이있다 [2-5]. 바이오에탄올을생산하기위해이러한곡물을재배하기란국토가좁은우리나라의경우비현실적일뿐만아니라값비싼식량을연료로사용한다는것은불가능한일이다. 또한바이오에탄올생산비용중 30% 이상이원료부분으로많은비중을차지하고있으며, 사탕수수, 옥수수등의식량을원료로하여바이오에탄올을생산하는경우식량부족및가격폭등의문제가발생할수있으므로대체원료의확보가절실히요구되고있다. 따라서안정적으로원료를공급받을수있으며, 쉽게구하기쉬운음식물폐기물이대안이라할수있다. 음식물쓰레기의적절한처리및재활용은폐기물관리에있어서중요한부분이며, 한편으로는다른생물의영양원이나대체에너지원으로이용될수있는잠재력을가지고있어적절한기술을이용한음식물쓰레기의자원화는천연자원의소비를감소시켜환
이승범 김형진 Table 1. Composition Analysis of Various Fruit Peels Moisture Organics Ash Apple 78.72 19.2 2.08 Tangerine 76.94 22.5 3.56 Water melon 91.50 7.9 0.60 Table 2. Optimum Condition of Enzymatic Saccharification Enzyme Temperature ( ) ph Spirizyme 60 63 4.2 4.5 Viscozyme 25 55 3.3 5.5 Lactozym 37 6.5 경보전에큰기여를할수있다 [6]. 이러한폐기물중셀룰로오스원료로사용할수있는과일폐기물의경우국내공영과일도매시장에서발생하는과일폐기물의연간처리량은 131,746 ton이며, 처리비용은 55 억원에달한다 [7]. 셀룰로오스바이오매스를활용하기위한연구는국내에서도많이진행되어오고있으나실용화에는많은어려움을겪고있다 [7-10]. 바이오에탄올생산에는전처리, 당화, 발효공정이필요하며, 이중전처리공정은바이오에탄올을생산하는데가장큰부분을차지하고있어저비용의전처리방법이요구된다 [11,12]. 전처리및당화공정에는물리적, 화학적또는효소를이용한방법이있다. 물리적처리에는볼분쇄 (ball-mill), 초음파분해, 균질화 (homogenization) 등이있으나에너지소비량이많아적합하지않다는단점이있다 [13-15]. 효소처리는낮은가수분해율로인해처리시간이많이소요된다는단점이있다 [16]. 화학적처리는바이오매스의전처리에일반적으로사용되고있으며, 주로산 (HCl, H 2 SO 4 ) 과염기 (NaOH) 를이용한다. 따라서본연구에서는국내에서생산되고있는사과, 귤, 수박껍질을이용하여산가수분해공정 (acid hydrolysis) 과효소당화공정 (enzymatic saccharification) 을이용하여셀룰로오스에탄올을생산하고, 그최적조건을결정함으로써과일껍질을원료로한바이오에너지생산가능성을평가하고자하였다. Figure. 1. CE yield of the rind of an apple peel based cellulosic ethanol using acid hydrolysis. 질의효소당화공정에서사용된효소는 Spirizyme, Viscozyme, Lactozym이며, 각효소의최적당화조건은 Table 2와같다. 건조된과일껍질 10 g을초순수 500 ml에넣고각효소의최적온도조건에서 30 150 min간효소당화공정을진행하였다. 산가수분해및효소당화공정후 30 wt% 의효모를이용하여 2일간발효시켜셀룰로오스에탄올을제조하였다. 2.3. 셀룰로오스에탄올의수율계산 셀룰로오스에탄올의수율계산을위해 GC-FID를이용하여분석을수행하였다. 실험에사용된컬럼은길이 30 m, 내경 0.320 mm의 HP-5 컬럼을사용하였으며, 60 에서 110 까지온도프로그래밍을하여분석하였다. 이때시료주입부와검출기의온도는 200 로유지하였다. 크로마토그램으로부터측정된피크의면적을이용하여식 (1) 과같이셀룰로오스에탄올수율 (CE yield) 을계산하였다. CE Yield = (1) 2. 실험방법 2.1. 과일껍질의전처리셀룰로오스에탄올의원료인과일껍질로는사과, 귤, 수박을이용하였다. 각과일껍질의구성성분비를 Table 1에나타내었다. 과일껍질은진공오븐을이용하여 40 에서건조한후 14/18 mesh (1.00 1.16 mm) 의크기로고르게분쇄하여실험에사용하였다. 2.2. 산가수분해및효소당화공정일반적으로산의경우유기산보다는무기산의전처리효율이높고염기의경우 NaOH, KOH 등의 1가염기가 2가염기보다는가용화율이높은것으로알려져있다 [17,18]. 일반적으로산을이용한가수분해는강산을이용하여낮은온도 (40 50 ) 에서반응시키는방법과약산을이용하여높은온도 (160 220 ) 에서반응시키는방법이있다. 본연구에서의산가수분해공정은건조된과일껍질 10 g을 50 의온도에서초순수 200 ml에수화시킨후 5 25 wt% 황산을이용하여 150 의온도에서 30 120 min 동안진행하였다. 산가수분해후수산화나트륨을이용하여 ph가 7이될때까지중화하였다. 과일껍 여기서, 는크로마토그램에서셀룰로오스에탄올피크의면적이며, 은 99.9% 에탄올피크의면적이다. 는셀룰로오스에탄올의부피 (ml), 는에탄올의밀도 (g/ml), 는실험에사용된과일껍질의질량 (g) 이다. 3. 결과및고찰 3.1. 산가수분해과일껍질을이용한셀룰로오스에탄올제조공정에서산가수분해공정은황산을이용하여수행하였다. 과일껍질로부터에탄올의생산을위해효소가대사할수있는단당류또는이당류로의전환이가장중요한요소라할수있다. 또한가수분해는바이오매스를이용한에탄올발효에서가장핵심부분이며비용이가장많이소요되는부분이라할수있다 [7]. Figure 1은사과껍질을원료로제조된셀룰로오스에탄올의가수분해시간과황산농도에따른 CE 수율을나타낸그림이다. 산가수분해시간이증가함에따라사과껍질을원료로한셀룰로오스에탄올의 CE 수율은증가하였다. 또한산가수분해시간 90 min을기준으로사과껍질원료셀룰로오스에탄올의 CE 수율은황산 공업화학, 제 25 권제 6 호, 2014
과일껍질을이용한바이오에탄올생산공정에서산가수분해및효소당화의영향 Figure. 2. CE yield of the tangerine peel based cellulosic ethanol using acid hydrolysis. Figure 4. CE yield of the rind of an apple based cellulosic ethanol using enzymatic saccharification. Figure 3. CE yield of the rind of a watermelon based cellulosic ethanol using acid hydrolysis. Figure 5. CE yield of the tangerine peel based cellulosic ethanol using enzymatic saccharification. 의농도가증가함에따라 5 wt% (16.5%), 10 wt% (18.8%), 15 wt% (20.4%), 20 wt% (21.3%), 25 wt% (20.8%) 로증가하다감소하는경향을나타내었다. Figure 2는귤껍질을이용하여제조된셀룰로오스에탄올의 CE 수율을나타낸그림이다. 사과껍질원료셀룰로오스에탄올에비해전체적으로 CE 수율은낮게측정되었으며, 산가수분해시간이증가함에따라 CE 수율이증가하다감소하는경향을나타내었다. 또한산가수분해시간 60 min을기준으로황산의농도가증가함에따라셀룰로오스에탄올의 CE 수율은 5 wt% (11.2%), 10 wt% (11.8%), 15 wt% (14.9%), 20 wt% (11.4%), 25 wt% (11.4%) 로증가하다감소하는경향을나타내었다. Figure 3은수박껍질을이용하여제조된셀룰로오스에탄올의 CE 수율을나타낸그림이다. 수박껍질의경우귤껍질과같은경향을나타내었으나전체적인 CE 수율은낮게측정되었다. 산가수분해시간 60 min을기준으로황산의농도가증가함에따라셀룰로오스에탄올의 CE 수율은 5 wt% (6.9%), 10 wt% (7.5%), 15 wt% (6.7%), 20 wt% (6.3%), 25 wt% (5.5%) 로측정되었다. 따라서과일껍질을이용한산가수분해공정으로부터생산된셀룰로오스에탄올의최적조건은사과껍질의경우황산농도 20 wt% 에서 90 min, 귤껍질과수박껍질의경우에는각각산가수분해시간 60 min에서황산의농도가 15, 10 wt% 인것으로나타났다. 김등의연구에의하면배, 사과, 감껍질에산가수분해를황산, 질산, 염산을이용하여각각 0.5 3% 의농도에서 120, 90 min간반응시켰을때산의농도가증가할수록가수분해율은높다고발표한바있다 [19]. 이는본연구의경향과도일치함을나타내고있다. 효소를이용하는생물학적전처리는환원당을유리시키는가수분해속도가낮기때문에일반적으로화학적가수분해와연계하는공정으로활용되고있다. 보통묽은황산이셀룰로오스물질의환원당전환률이높기때문에보다선호되는추세이다 [20]. 3.2. 효소당화과일껍질로부터에탄올을생산하기위한발효공정전단계로전분질및셀룰로오스를에탄올발효가가능한글루코오스와같은단당류및이당류로전환하는공정을당화공정이라한다. 효소당화공정에서고려해야할공정조건은온도, ph, 효소량, 고액비, 반응시간등이다. 이중에서각효소마다온도와 ph는최적조건이주어져있으므로고려해야할조건은나머지 3가지이다 [21]. 과일껍질을이용한셀룰로오스에탄올생산공정에서효소당화공정에따른전환특성을확인하기위해효소로 Spirizyme, Viscozyme, Lactozym을이용하여실험을수행하였다. 효소당화공정은각효소별로최적조건에서수행하였으며효소의사용량은모두 1 ml로일정하게첨가하였다. Figure 4는사과껍질을이용하여제조된셀룰로오스에탄올의효소당화시간에따른 CE 수율변화를나타낸그림이다. 효소당화시간이증가함에따라귤 Appl. Chem. Eng., Vol. 25, No. 6, 2014
이승범 김형진 었으며, 최적효소당화시간은사과껍질 (180 min), 귤껍질 (60 min), 수박껍질 (120 min) 인것을알수있었다. References Figure 6. CE yield of the rind of a watermelon based cellulosic ethanol using enzymatic saccharification. 껍질을원료로한셀룰로오스에탄올의 CE 수율은전반적으로증가하는경향을나타내었으며, 효소로 Viscozyme을사용한경우효소당화시간이증가함에따라 30 min (20.7%), 60 min (23.4%), 90 min (27.1%), 120 min (30.5%), 150 min (30.6%) 로나타났다. 산가수분해공정을이용한경우에비해전반적으로 CE 수율이높게나타났다. Figure 5는귤껍질을이용하여제조된셀룰로오스에탄올의효소당화시간에따른 CE 수율변화를나타낸그림이다. 효소로 Viscozyme 을사용한경우 Spirizyme과 Lactozym을사용한경우에비해 CE 수율이높게나타났으며, 효소당화시간이증가함에따라 CE 수율은전반으로감소하는경향을나타내었다. 효소로 Viscozyme을사용한경우효소당화시간이증가함에따라 30 min (24.2%), 60 min (23.8%), 90 min (21.5%), 120 min (18.7%), 150 min (14.7%) 로나타났다. 귤껍질원료셀룰로오스에탄올의 CE 수율은사과껍질원료셀룰로오스에탄올에비해낮게나타났으나산가수분해공정을이용한경우에비해전반적으로 CE 수율이높게나타났다. Figure 6은수박껍질을이용하여제조된셀룰로오스에탄올의효소당화시간에따른 CE 수율변화를나타낸그림이다. 사과껍질이나귤껍질에비해셀룰로오스에탄올전환특성이떨어지는것으로확인할수있었다. 과일껍질을이용한셀룰로오스에탄올생산공정에서효소당화공정을이용한경우효소로 Viscozyme을사용할경우에가장우수한전환특성을나타내었으며, 최적효소당화시간은사과껍질 (180 min), 귤껍질 (60 min), 수박껍질 (120 min) 인것을알수있었다. 4. 결론 본연구에서는국내에서생산되고있는사과, 귤, 수박껍질을이용하여산가수분해공정과효소당화공정을이용하여셀룰로오스에탄올을생산하고, 그최적조건을결정함으로써과일껍질을이용한바이오에탄올의생산가능성을평가한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 산가수분해공정을이용하여과일껍질로부터셀룰로오스에탄올을생산하기위한최적조건은사과껍질의경우황산농도 20 wt% 에서 90분, 귤껍질과수박껍질의경우에는각각산가수분해시간 60 min에서황산의농도가 15, 10 wt% 인것으로나타났다. 2. 효소당화공정을이용하여과일껍질로부터셀룰로오스에탄올을생산할경우효소로는 Viscozyme이가장우수한전환특성을나타내 1. D. H. Lim, Bio-ethanol: Requirement and prospect for market expansion, KISTI Market Report, 3, 19-23 (2013). 2. A. Demirbas, Progress and recent trends in biofuels, Prog. Energ. Combust., 33, 1-18 (2007). 3. B. C. Saha and M. A. Cotta, Ethanol production from alkaline peroxide pretreated enzymatically saccharified wheat straw, Biotechnol. Progr., 22, 449-453 (2006). 4. B. Hahn-Hagerdal, M. Galbe, M. F. Gorwa-Grauslund, G. Liden, and G. Zacchi, Bio-ethanol-the fuel of tomorrow from the residues of today, Trends Biotechnol., 24, 549-556 (2006). 5. S. M. Lee and J. H. Lee, Organic acid and enzyme pretreatment of Laminaria japonica for bio-ethanol production, Appl. Chem. Eng., 23, 164-168 (2012). 6. S. K. Han, H. S. Shin, S. H. Kim, and H. W. Kim, Effect of waste components on performance of acidogenic fermenter, J. KORRA, 10, 65-70 (2002). 7. S. J. Park, Y. H. Do, J. S. Choi, Y. H. Yoon, and I. S. Cha, A Study on bio-ethanol production from fruit wastes, Trans. Kor. Hydrog. New Energy Soc., 20, 142-150 (2009). 8. N. J. Lee, H. S. Kim, I. S. Cha, and J. S. Choi, A study on characteristic of the bio-ethanol produced on fruit wastes for direct ethanol fuel cell(defc), Trans. Kor. Hydrog. New Energy Soc., 22, 257-264 (2011). 9. H. J. Han, H. Li, and S. J. Kim, Ethanol production by synchronous saccharification and fermentation using food wastes, Korean J. Biotechnol. Bioeng., 21, 474-478 (2006). 10. J. C. Lee, J. H. Kim, H. S. Park, and D. W. Pak, Bioethanol production using batch reactor from food wastes, J. Korean Soc. Environ. Eng., 32, 609-614 (2010). 11. R. Harun, W. S. Y. Jason, T. Cherrington, and M. K. Danquah, Exploring alkaline pre-treatment of microalgal biomass for bioethanol production, Appl. Energ., 88, 3464-3467 (2011). 12. Y. Xue, H. Jameel, R. Phillips, and H. M. Chang, Split addition of enzymes in enzymatic hydrolysis at high solids concentration to increase sugar concentration for bioethanol production, J. Ind. Eng. Chem., 18, 707-714 (2012). 13. R. Halim, R. Harun, M. K. Danquah, and P. A. Webley, Microalgal cell disruption for biofuel development, Appl. Energ., 91, 116-121 (2012). 14. J. Y. Lee, C. Yoo, S. Y. Jun, C. Y. Ahn, and H. M. Oh, Comparison of several methods for effective lipid extraction from microalgae, Bioresour. Technol., 101, S75-S77 (2010). 15. J. R. Miranda, P. C. Passarinho, and L. Gouveia, Pre-treatment optimization of scenedesmus obliquus microalga for bioethanol production, Bioresour. Technol., 104, 342-348 (2012). 16. R. Harun and M. K. Danquah, Influence of acid pre-treatment on microalgal biomass for bioethanol production, Process Biochem., 46, 304-309 (2011). 17. B. Zhang, A. Shahbazi, and L. Wang, Alkali pretreatment and enzymatic hydrolysis of cattails from constructed wetlands, Am. J. Eng. Appl. Sci., 3, 328-332 (2010). 18. A. M. J. Kootstra, H. H. Beeftink, E. L. Scott, and J. P. M. 공업화학, 제 25 권제 6 호, 2014
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