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- Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 3, June 2012, 279-283 산및효소가수분해를이용한홍조류로부터바이오에탄올생산 최수정 이성목 이재화 신라대학교의생명과학대생명공학과 (2012 년 2 월 6 일접수, 2012 년 2 월 24 일심사, 2012 년 3 월 11 일채택 ) Production of Bio-ethanol from Red Algae by Acid Hydrolysis and Enzyme Treatment Soo-Jeong Choi, Sung-Mok Lee, and Jae-Hwa Lee Department of Bioscience and Biotechnology, College of Medical and Life Science, Silla University, Busan 617-736, Korea (Received February 6, 2012; Revised February 24, 2012; Accepted March 11, 2012) 화석연료로인한환경오염등의문제를해결하기위해서다양한원료를이용하여바이오에탄올생산에대한연구가진행되고있다. 해조류중에홍조류는 agar, carrageenan, porphyran 으로구성되어있어산처리를통해바이오에탄올생산에유용한바이오매스로전환이가능하다. 본연구는홍조류의가수분해물을이용하여바이오에탄올생산의최적조건을찾으려고한다. 바이오에탄올생산하기위해전처리된우뭇가사리에 Saccharomyces cerevisiae KCCM112 를접종해발효하였다. 우뭇가사리가수분해의최적조건은 1.5% H 2SO 4 를 121 에서 30 min 반응시켰을때 7.04 g/l 의 galactose 와 1.94 g/l 의 glucose 가생산되었다. 그리고 CH 3COOH 의경우 2.0% 농도로처리하였을때, galactose 0.75 g/l 가생산되었다. 이와반대로도박에서는 H 2SO 4 1.5% 를처리하였을때 galactose 를 6.38 g/l 생산하였으며, CH 3COOH 을처리했을때 0.368 g/l 이생산되었다. 우뭇가사리에서에탄올생산은 1.0% H 2SO 4 를 121 에서 30 min 간처리하였을때가장높았으며, 96 h 배양하였을때 3.77 g/l 의에탄올을생산했다. Bio-ethanol production research using various material has been problemed for solving problems of environment pollution caused by fossil fuels. Red-algae consists of agar, carrageenan, and porphyran. If it is treated by acid, it is able to change useful bio-mass for bio-ethanol. In this study, we found an optimal condition for bio ethanol production from acid hydrolysate in red-algae. To produce bio-ethanol, Saccharomyces cerevisiae KCCM1129 inoculated to acid hydrolysate of Gelidium amansii. The optimal condition for Gelidium amansii hydrolysis was found to be 30 min reaction at H 2SO 4 concentration of 1.5% and 121. At this condition, its produced to 7.04 g/l galactose and 1.94 g/l glucose. And acetic acid concentration of 2.0% in agar produced 0.75 g/l galactose. In contrast, Pachymeniopis elliptica was treated with H 2SO 4 concentration of 1.5%, it produced 6.38 g/l galactose. And Pachymeniopis elliptica treated with acetic acid concentration of 2% produced 0.368 g/l galactose. The optimal condition of ethanol production was found to be 96 h reaction at H 2SO 4 concentration of 1.0% and 30, which produced 3.77 g/l ethanol. Keywords: bio-ethanol, pretreatment, Saccharomyces cerevisiae, Gelidium amansii 1) 1. 서론 오늘날인류는인구증가와산업화에의한화석연료의고갈에대한문제를가지는데, 특히화석연료사용으로겪어야하는지구온난화에의한문제와국제유가의상승문제는심각하다. 이러한문제로인해신재생에너지개발과함께에너지절감의필요성을느낀세계각국은이산화탄소배출량감소를위해서화석연료를대체할안정적인에너지자원을탐색중에있으며그중환경오염정도가낮으며, 탄소효율이높고휘발유와혼합사용이가능한바이오에너지인에탄올생산에대해관심을가지고있다. 에탄올을생산하기위한대표적인기질로는크게당질계, 전분계, 목질계로나눌수있다. 식량으로쓰는 교신저자 (e-mail: jhalee@silla.ac.kr) 당질계작물인사탕수수와당밀그리고전분계작물인옥수수와같은곡류, 고구마등은인류의식량문제와연관을가지면서작물이풍부한국가에서만에탄올연구가이루어진다는단점을가지고있다. 목질계인폐목재와농업부산물의경우에탄올을생산하는수율은높지만, 자원이한정되어있고열대우림을파괴해자연을훼손한다는점에서문제가되고있다 [1,2]. 이러한단점을극복하기위해해조류를이용한바이오에너지생산이주목받고있다. 해조류는광합성을통해서이산화탄소의처리가가능한데, 이때소비되는이산화탄소는지구온난화정도를낮추는데크게기여할것으로생각된다. 또한해조류는수중의유기물을흡수하며부영양화를감소시키는기능을하므로환경정화에도유용하게이용될것으로보인다 [3-5]. 크게해조류바이오매스는녹조류와갈조류, 홍조류로나눌수있다. 그중홍조류는물이나다른비료가필요없을정도로성장이매우우수하며, 에너지로전환되는정도가높아목질계수준의바이오에탄올생산도 279

280 최수정 이성목 이재화 가능하기때문에새로운바이오매스자원으로의개발가능성이높을것으로예상된다 [3]. 홍조류는주요당성분으로 agar, carrageenan, porphyran 등으로구성되어있으며, 산지와채취한시기, 종류에따라서성분함량이다르게나타난다. Agar는홍조류를구성하는다당류중하나로세포벽을이루는물질이다. Agar의구조는 α(1-4)-3,6-anhydro-d-galactose와 β(1-3)-d-galactose가교차결합한상태로약 6% 의황산기가 ester 결합을가지고있다 [7]. Carrageenan은점질성다당류로, 분자량은 10 80만정도이다. 기본구조는 D-galactose와 3, 6-anhydro-D-galactose 가 α-1, 3 및 β-1, 4 결합으로황산기의위치에따라서여러종류로나눌수있다 [8,9]. Porphyran은세포벽이나세포사이충진물질로존재하는수용성산성다당류로 agarose와유사하다. 또한황산기와 methoxy가다량함유되어있는물질로 3, 6-anhydro-L-galactose, 6-0- methyl-d-galactose, D, L-galactose 및 ester sulfate가구성성분이다. 홍조류에포함되어있는다당류들은효소나물리적, 화학적가수분해를통한단당류로전환이가능하다. 홍조류중 agar와 carrageenan을많이함유하고있는우뭇가사리 (Gelidium amansii) 와도박 (Pachymeniopis elliptica) 을이용해실험을진행하였으며, 전처리과정을통해가수분해하고이중환원당생성량이높은우뭇가사리를이용하여에탄올발효과정을통해에탄올생산가능성을확인하였다. 2. 실험 2.1. 균주및배지에탄올발효를위한균주로효모인 Saccharomyces cerevisiae KCCM- 1129를사용하였고, 균주는 -70 에서 20% glycerol로 stock해서보관하였다. Stock한균주는 YPD배지 (glucose 20.0 g/l, peptone 20.0 g/l, yeast extract 10.0 g/l) 를 30, 150 rpm에서진탕배양시킨후이용하였다 [12]. 에탄올발효에사용한우뭇가사리는부전시장에서구입하였으며, 도박은국립수산과학원을통해입수하였다. 홍조류는실온에서완전히건조후 ball mill을이용하여분쇄하였다. 에탄올발효를위한우뭇가사리와도박배지는우뭇가사리와도박만을 20 g/l 농도로첨가하여사용하였다. 에탄올발효는 300 ml flask에서 working volume을 100 ml로하였으며, 전배양한효모 3 ml을접종하여 30, 150 rpm에서진탕배양하였다. 2.2. 산종류및농도에따른홍조류가수분해산처리후홍조류에서일어나는가수분해정도를확인하기위해서 H 2SO 4, CH 3COOH를 0.1% 에서 2.0% 의농도로처리하였다. 산농도별배지 80 ml 당우뭇가사리와도박을각각 2 g씩넣고고압멸균기로 121 에서 30 min 동안처리하였다. 멸균이끝난후에는 NaOH로중화를하였고최종 working volume을 100 ml로조절하여 (ph 6.8 7.2) 진탕배양기의 30, 150 rpm 환경에서발효하였다. 효소전처리실험도진행하였는데, 사용하는효소는 celluclast로홍조류내 cellulose를분해하여 galactose나 glucose 같은당을생산하기위해이용하였다. 전처리환경에따른당의가수분해정도를파악하기위해서 HPLC를이용해측정하였다. 가수분해된당성분및함량측정을위해시료 1.0 ml을 syringe filter로여과후 HPLC를이용하여확인했으며정량적분석을위해다양한농도의 galactose와 glucose를표준시약으로이용하였다. 2.3. 에탄올함량측정산처리가되어있는우뭇가사리에서생성된에탄올을측정하기위해서발효된시료를 14000 rpm에서 5 min 동안원심분리후얻은상층액을 gas chromatography (GC) 를이용하여분석하였다. 분석을위해사용한 GC는 HP5890 series II로, 칼럼은 HP-FFAP (Cross-Linked PEG-TPA 30 m / 0.25 mm / 0.25 µl) 를사용하였다. 이동상으로는 N 2 를 0.6 ml/min으로이용하였으며, injection temperature 는 150, detector temperature 200, 승온조건은 45 (2 min) / (1 /min) / 50 (1 min) / (20 /min) / 90 (1 min) / (30 /min) / 150 (1 min) 으로설정하였다. 분리비는 70 : 1로하였고내부표준물질은 1% 의 isopropanol을이용했다 [8]. 2.4. 당함량측정생성된당의함량측정을위해서산과효소로전처리한시료를 HPLC를이용하였다. 즉시료 1.0 ml을 0.22 µm millipore filter를이용하여불순물을제거한후, HPLC 용 vial에넣어측정을하였다. 실험에이용한 HPLC의 detector는 RID-10A를쓰고 column은 Bio-Rad의 Aminex HPX-87H 300 mm 7.8 mm을사용하였으며 oven 온도는 40 로설정하였다. HPLC의유속은 0.6 ml/min이고, 용매는 HPLC 용 water를이용하였다 [9,10]. 표준검량선은우뭇가사리에서분해되어나올수있는 glucose와 galactose를 1 L당 2.5, 5, 10 g으로만들어표준시약으로사용하였다. 에탄올발효과정에서환원당의감소량확인에는 DNS법을이용하였다. DNS법은시료를 14000 rpm, 5 min 동안원심분리후에얻어진상층액 500 µl를 DNS용액 2.0 ml와혼합시킨후시료를 10 min 동안가열하고나서 UV spectrometer를이용하여 540 nm에서측정하였다. 표준검량선의경우 galactose를이용해생성된환원당을정량하였다. 환원당전환율은 ( 생성된환원당 / 전처리에사용된배지의시료 ) 100으로계산하였다 [12]. 3. 결과 3.1. 홍조류의산전처리 Agar와 carrageenan이많이포함되어있는홍조류가운데우뭇가사리와도박을이용하여산가수분해실험을진행하였다. 산은강산인 H 2SO 4 와유기산인 CH 3COOH을이용하였으며, 전처리농도는 0.1% 에서 2.0% 로조절하였다. 각각의산을첨가한시료는 121, 30 min 동안고압멸균과정을거쳤다. 이후배지의 ph를 7.0으로맞추어조절한뒤, 배지에부유물이생기는것을방지하기위해서 30, 150 rpm 으로 24 h 동안교반하였다. 시료들에게서생긴당성분은 HPLC를이용해분석하였다. 우뭇가사리에산으로전처리할경우 agar가분해되어 galactose가생산되는것을 HPLC 분석결과로확인할수있었다 (Figure 1)[9,10]. H 2SO 4 이 CH 3COOH에비해서많은 galactose가생성되는결과도얻을수있었다. 우뭇가사리와도박에 H 2SO 4 과 CH 3COOH을처리한결과를비교해보면 H 2SO 4 1.5% 를처리한우뭇가사리배지에서는 7.04 g/l 의 galactose가생산되어투입한우뭇가사리의 35% 가환원당으로전환되었으며, CH 3COOH 2.0% 를처리한배지는 H 2SO 4 에비하면약 10% 에해당되는 0.7 g/l의 galactose를생산하는것으로확인되었다. 도박의경우 H 2SO 4 1.5% 를처리하면 6.38 g/l의 galactose가생산되어 31.9% 의수율을보였으며, CH 3COOH 2.0% 를처리한배지는 H 2SO 4 에비해훨씬낮은 0.36 g/l의 galactose를생산하였다. 도박과우뭇가 공업화학, 제 23 권제 3 호, 2012

산및효소가수분해를이용한홍조류로부터바이오에탄올생산 281 (a) (a) (b) Figure 1. Hydrolysis of red algae using organic acid : The red-algae were treated with H 2SO 4, CH 3COOH in the various concentrations. The galactose was produced from red algae hydrolysate. (a) Gelidium amansii, (b) Pachymeniopis elliptica. (b) Figure 2. Hydrolysis of Gelidium amansii by enzyme and acid treatment : The hydrolysis enzyme (celluclast) wasused cellulose hydrolysis in the experiment. Enzyme and acid hydrolysate was produced fermentable sugar such as glucose and galactose. (a) Glucose, (b) Galactose. 사리의환원당생성량을측정한결과동일한환경임에도불구하고우뭇가사리에서도박보다많은 galactose가생산되었다. 처리한산의종류에따라 galactose의생산수율이달랐는데이는유기산에해당되는 CH 3COOH이강산인 H 2SO 4 보다산성이약하기때문인것으로보인다. 실험을통해홍조류성분인 agar 또는 carageenan을단당류로산을이용하여가수분해할때전처리에는 H 2SO 4 이적합하다는것을알수있었고, 우뭇가사리에서도박에비해작게는 10% 에서부터많게는 2배이상의더많은단당류가생성되는것을확인할수있었다. 따라서기질인우뭇가사리에최적의전처리조건을적용하여효소가수분해및에탄올발효실험을진행하였다. 3.2. 홍조류의효소전처리우뭇가사리와같은홍조류는주요다당류로 agar를포함하고있으며 5 10% 정도의 cellulose도포함하고있다. 따라서우뭇가사리에포함된 cellulose를효과적으로이용하기위해산으로전처리된우뭇가사리에 celluclast를첨가하여시간에따른당성분의증가를확인하였다. 30 min 간격으로시료를추출하여홍조류가수분해과정에서생성될수있는 glucose와 galactose 성분에대한확인실험을진행하였다. 실험에사용된산의종류는 H 2SO 4 으로 0.1% 에서 2.0% 까지농도별로처리하였다. 우뭇가사리에 cellulose 가수분해효소인 celluclast를첨가 해가수분해를하고 HPLC를이용하여생성된당성분을분석한결과 galactose와 glucose 모두확인할수있었다. 반응초기와비교하였을때 glucose와 galactose 모두 2 h 반응시켰을때높은생성률을보였다. Glucose의경우처리한산의농도가 2.0% 일때, 반응초기에서는 2.31 g/l, 2 h 반응에서는 2.49 g/l를생산하였다. 반응시간에따른 glucose의생산량을비교해본결과 celluclast의최적반응시간은 2 h으로생각된다. 그러나 galactose는 glucose와다른생산양상을보인다. 효소첨가후반응 2 h일때, glucose 의농도가증가하는반면 galactose는일부감소하는것으로나타났다. Galactose를최대로얻을수있는산의농도는 1.5% 로, 최대 3.91 g/l의 galactose를얻을수있었다. 그러나효소처리후에는 galactose 일부가감소한 3.72 g/l가생산되었다. 따라서이것은산처리만진행한홍조류에서보다낮은수치로투입한우뭇가사리의약 18.6% 가환원당으로전환된것으로나타남을알수있다 (Figure 2). 3.3. 홍조류가수분해산물을이용한에탄올발효에탄올발효를위해서 YPD 배지에서전배양한 Saccharomyces cerevisiae KCCM1129를이용하였다. 우뭇가사리와도박이첨가되어있는배지에이전조건과마찬가지로 H 2SO 4 을 0.1% 에서 2.0% 까지처리하였다. 전처리에따라세가지방법을이용하여실험을진행하였다. Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 3, 2012

282 최수정 이성목 이재화 (a) (b) (c) Figure 3. Ethanol production from Gelidium amansii : H 2SO 4 and hydrolysis enzyme (celluclast) was used in the experiment. The celluclast was treated for 2 h in the shaking incubator at 35. (a) Acid hydrolysis, (b) simultaneous saccharification and fermentation, (c) separate hydrolysis fermentation. (a) (b) (c) Figure 4. Time courses of reducing sugar concentration during ethanol fermentation : H 2SO 4 and hydrolysis enzyme (celluclast) wasused in the experiment. The celluclast was treated for 2 hin the shaking incubator at 35. (a) Acid hydrolysis, (b) simultaneous saccharification and fermentation, (c) separate hydrolysis fermentation. 즉, 산처리만한배지를이용한발효, celluclast와전배양시켜놓은균을함께첨가하는동시당화발효 (simultaneous saccharification and fermentation), 그리고효소최적처리시간인 2 h 동안 celluclast를첨가하여반응시킨배지에균을분리하여첨가하는분리당화발효 (separate hydrolysis fermentation) 를각각실험하여비교하였다. 우뭇가사리가첨가되어있는배지에산을농도별로처리하여 24 h 마다시료를추출하였다. 에탄올을최대로생산하는산의농도는 1.5% 이며, 가장많이생산되는시간은 24 h 배양하였을때로확인되었다 (Figure 3). 기본배지에산처리만하였을경우 4.44 g/l의에탄올이생산되었으며, 분리당화발효의결과 4.35 g/l, 효소와균을동시에첨가한동시당화발효에서 5.00 g/l의에탄올이생산되는것으로확인되었다. 산전처리와분리당화발효는에탄올생산량이거의차이가없는것으로나타났다. 그러나동시당화발효에서는에탄올생산량의증가가확인되었으며이는효소의첨가에의해 glucose의함량이증가했기때문인것으로보인다. 따라서우뭇가사리배지에산처리만하는것보다효소와균을동시에첨가해배양하는것이에탄올생산에더욱효과적이라는것을확인할수있었다. 4. 결론 홍조류중우뭇가사리와도박에 H 2SO 4 과 CH 3COOH 을 0.1% 에서부터 2.0% 까지각각농도별로처리하였다. 우뭇가사리와도박의경우 H 2SO 4 으로처리한것이 CH 3COOH으로처리한것보다 galactose의생성이보다높은것으로나타났다. 우뭇가사리는 H 2SO 4 을 1.5% 의농도로처리하였을때 7.04 g/l, 도박은우뭇가사리와동일한조건에서 6.38 g/l의 galactose를생산하였다. 환원당생성에효소처리가어떠한영향을미치는지확인해보기위해서효소를산처리가되어있는우뭇가사리배지에접종시켜서가수분해정도를알아보았다. 효소처리전과비교했을때 2 h 배양한경우 2.49 g/l의 glucose와 3.71 g/l galactose가생산되었다. 이후효소의처리가바이오에탄올생산에미치는직접적인영향을확인하기위해 Saccharomyces cerevisiae KCCM1129 를이용하여직접적인에탄올발효실험을진행하였다. 우뭇가사리에산전처리한배지, 우뭇가사리에산전처리를먼저하고균과효소를따로넣는방법, 우뭇가사리에산전처리를한후균과효소를함께넣는방법으로나누어실험하였다. 세가지배양조건은공통적으로배양시간이 24 h이면서처리한 H 2SO 4 의농도가 1.5% 일때에가장많은에탄올생산을하였다. H 2SO 4 만을이용하여가수분해한경우와효소반응과에탄올발효를분리하여배양한경우에탄올생산량은각각 4.44 g/l와 4.35 g/l로큰차이를보이지않았다. 그러나우뭇가사리효소반응과발효를동시에진행한동시당화발효에서는최대 5.00 g/l의에탄올을생산하여공정을분리하였을때에비해 114.94% 증가한것을확인할수있었다. 또한에탄올발효과정에서일어난배지 공업화학, 제 23 권제 3 호, 2012

산및효소가수분해를이용한홍조류로부터바이오에탄올생산 283 의환원당정도를파악하기위해서이후실험을진행하다. DNS 법을 이용해환원당을확인한경우배양시간 48 h 까지지속적으로감소하 는것으로나타났다. 배양시간이 48 h 전까지는최대 37% 까지의환원 당감소가일어났지만, 이후에는 16% 까지의환원당이소비되었다. 감 본연구는국토해양부소관해양생명공학기술개발사업의연구비 지원에의해수행되었습니다. 사 참고문헌 1. H.-Y. Kim, E. S. Lee, W. S. Kim, D.-J. Kim, and B. S. Ahn, Clean Technol., 17, 156 (2011). 2. J.-W. Lee, H.-Y. Kim, T. W. Jeffries, and I.-G. Choi, Mokchae Konghak, 38, 561 (2010) 3. D.-S. Kim, H.-R. Kim, J.-H. Kim, and J.-H. Pyeun, J. Kor. Fish. Soc., 33, 70 (2000). 4. J.-R. Do, Y.-J. Nam, J.-H. Park, and J.-H. Jo, J. Kor. Fish. Soc., 30, 428 (1997). 5. E. J. Song, A. R. Kim, M. J. Kim, S. Y. Lee, K. B. W. R. Kim, J. G. Park, J. W. Lee, M. W. Byun, and D. H. Ahn, Food Eng. Progr., 12, 58 (2008). 6. S.-M. Kim, S.-M. Park, H.-M. Choi, and K.-T. Lee, J. Kor. Fish. Soc., 32, 495 (1999). 7. J.-H. Park and J.-G. Koo, J. Kor. Fish. Soc., 41, 409 (2008). 8. S.-M. Lee and J.-H. Lee, Appl. Chem. Eng., 21, 154 (2010). 9. S. J. Horn, I. M. Aasen, and K. Østgaard, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 25, 249 (2000). 10. J. C. Lee, J. H. Kim, H. S. Park, and D. W. Park, J. of KSEE, 609 (2010). 11. J.-H. Kim and M.-H. Yoon, J. Appl. Biol. Chem, 54, 41 (2011). 12. S.-M. Lee, B. J. Yu, Y. M. Kim, S.-J. Choi, J.-M. Ha, and J.-H. Lee, J. Korean Ind. Eng. Chem., 20, 290 (2009). 13. G. W. Choi, M. H. Han, and Y. Kim, Korean J. Biotechnol. Bioeng, 23, 276 (2008). 14. H. Jung, Y.-S. Choi, D.-R. Yang, O.-S. Joo, and K.-D. Jung, Clean Technol., 14, 129 (2008). 15. M. G. Lee, D.-H. Cho, Y.-H. Kim, J. W. Lee, J. H. Lee, S. W. Kim, J. H. Cho, D. H. Lee, S. Y. Kim, and C. H. Park, KSBB J., 24, 439 (2009). 16. J.-H. Yeon, H.-B. Seo, S.-H. Oh, W.-S. Choi, D. H. Kang, H.-Y. Lee, K.-H. Jung, KSBB J., 25, 283 (2010). 17. D.-G. Kim, E.-Y. Kim, Y.-R. Kim, J. K. Kim, H.-S. Lee, and I.-S. Kong, J. Life Sci., 21, 68 (2011). 18. H. S. Jung, P.-J. Seong, A.-R. Go, S. J. Lee, S. W. Kim, S, O. Han, J. H. Cho, D. H. Cho, Y. H. Kim, and C. H. Park, KSBB J., 26, 223 (2011). 19. J. E. Kim, Y. H. Yoon, T. S. Shin, M. Y. Kim, H. S. Byun, S. J. Oh, and H. J. Seo, KSBB J., 26, 317 (2011). 20. O.-S. Lee, S.-Y. Jang, and Y.-J. Jeong, J. Korean Soc. Food Sci. Nutr., 32, 181 (2003). 21. J.-Y. Park, C.-S. Hong, J.-H. Han, H.-W. Kang, B.-W. Chung, G.-W. Choi, and J. H. Min, Korean Chem. Eng. Res., 49, 105 (2011). 22. S. J. Park, S.-G. Hong, K.-K. Kang, and Y.-K. Kim, Appl. Chem. Eng., 22, 562 (2011). 23. J. E. Lee, S.-E. Lee, W. Y. Choi, D. H. Kang, H.-Y. Lee, and K.-H. Jung, Kor. J. Mycol., 39, 243 (2011). 24. B.-T. Yoon, Y.-W. Kim, K.-W. Chung, and J.-S. Kim, Appl. Chem. Eng., 22, 336 (2011). Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 3, 2012