KR102315975B1 - 바이오매스 당화잔사 응집제 및 그 이용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목질계 바이오매스의 산 당화 혹은 효소당화 후 리그닌 주성분의 불용성 당화잔사와 단당류를 함유하는 당화물로부터 당용액을 효율적으로 회수하기 위해 첨가하는 응집제 및 그 응집제의 이용 방법에 관한 것으로 보가 상세하게는 바이오매스 전처리물에 당화효소를 가하여 당화하는 바이오매스 당화물 제조단계; 상기 바이오매스 당화물에 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하고 교반하여 미세입자가 응집된 슬러리를 제조하는 미세입자 응집단계; 및 상기 미세입자가 응집된 슬러리를 원심분리 혹은 여과하여 당용액을 분리하는 당용액 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 대한 것이다.

Description

바이오매스 당화잔사 응집제 및 그 이용 방법{Coagulant for lignocellulosic sugar recovery and a method for its practical utilization}

본 발명은 목질계 바이오매스의 산 당화 혹은 효소당화 후 리그닌 주성분의 불용성 당화잔사와 단당류를 함유하는 당화물로부터 당용액을 효율적으로 회수하기 위해 첨가하는 응집제 및 그 응집제의 이용 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 바이오매스 전처리물의 산 당화 혹은 효소당화물의 효율적 고액분리를 위해 첨가하는 미세 당화잔사 응집제로서 분자량 4,000 이상의 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG)과, 바이오매스 전처리물에 효소 혹은 산을 가하여 당화하는 바이오매스 당화물 제조단계; 상기 바이오매스 당화물에 당화잔사 응집용 첨가제로서 폴리에틸렌 글리콜을 분말 혹은 수용액으로 첨가하고 교반하여 미세 당화잔사가 응집된 슬러리를 제조하는 미세입자 응집단계; 및 상기 미세입자가 응집된 슬러리를 원심분리 혹은 여과하여 당용액을 회수하는 당용액 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 대한 것이다.

인류는 각종 재난을 초래하는 기후변화를 억제하기 위해 2050년까지 석유화학의 50%를 재생 가능한 자원인 바이오매스(lignocellulosic biomass)로 대체할 수 있는 바이오경제(biobased economy)를 추구하고 있다. 2019년 리스본에서 개최된 유럽 바이오매스 학회에서는 이를 계획대로 이행하는 데에는 많은 난관이 예상되지만 과학적으로는 이행이 가능할 것으로 중지를 모은 바 있다. 이미 미국을 비롯한 몇 개의 선진국에서 목질계 바이오매스를 원료로 하는 바이오에탄올 제조업체가 상업적 생산을 개시하였으나 빈약한 수익구조로 인하여 최근 도산하거나 겨우 명맥만 유지하는 실정이다. 이러한 상황에서 바이오매스 산업이 경쟁력을 가지기 위해서는 최종산물의 제조경비를 더욱 줄이는 동시에 공정 부산물을 모두 부가가치화 해야 한다.

현재 여러 산업 분야에서 주요자원으로 사용되고 있는 목질계 바이오매스 자원은 밀짚, 옥수수 줄기, 사탕수수 줄기 및 나무 등 다양하지만, 이 바이오매스가 가지고 있는 구조적 성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 바이오알콜과 유기산, 산업용 발효당을 제조하기 위한 직접적인 원료이다. 이러한 바이오매스를 포도당과 목당 등 단당류로 전환하기 위해서는 셀룰로오스 혹은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 주성분의 전처리물을 물에 현탁시키고 산 또는 당화효소를 가하여 특정한 온도에서 일정 시간 동안 반응시켜 당화한다. 이렇게 만든 당화물은 물속에 포도당 혹은 목당 등의 단당류가 불용성 고체인 당화잔사와 섞여 있다. 이 리그닌 주성분의 당화잔사는 소수성 표면을 가지고 있어서 효소 가수분해의 경우 효소의 비가역적 흡착에 의한 효소 활성 저하의 원인이 되며, 이로 인하여 당화 시간이 길어지고 수율이 저하되는 현상도 알려져 있다.

목질계 바이오매스를 원료로 하여 미생물 배양용 발효당을 고농도 농축액으로 제조할 경우에는 상기 당화물로부터 당용액을 회수하고, 당 이외의 불순물을 제거한 다음 농축하게 된다. 당용액을 회수하려면 상기 당화물로부터 불용성 당화잔사를 제거해야 하므로 여과 혹은 원심분리를 하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 미국 공개특허공보 US2015-0344921 A1은 당화 후 효소의 재활용을 위해서 당화물을 그대로 원심분리하거나 여과한다. 이 기술은 이에 더하여 여액으로부터 효소를 회수하여 재이용하는 기술도 포함하고 있다.

그러나 다량의 당을 함유하여 비중이 물보다 크고 동시에 미립자까지 함유하는 당화물로부터 당용액을 회수하기 위해 원심분리를 이용할 경우 고속의 회전으로도 오랜 시간의 운전(예컨대 분당 1,776 × g에서 60분 이상)이 필요하므로 에너지 소모량이 적지 않다. 또한 당화물을 여과하는 것은 미립자가 분리막 혹은 여과포 구멍을 막아서 압력이 급격히 상승하므로 여과가 쉽지 않을 뿐만 아니라 여과 후에도 다량의 미립자를 함유하므로 정밀여과(microfiltration) 등의 추가 처리가 불가피하다. 따라서 미립자를 함유하는 슬러리를 여과하여 고액분리 하고자 할 경우에는 여과조제라는 광물성 첨가제를 사용하는 경우가 일반적이지만 당화물의 고액분리에 여과조제를 사용하는 경우 당화잔사를 재이용할 수 없게 되므로 바람직하지 않다.

이러한 이유로 종종 무기응집제 혹은 고분자 응집제를 첨가하여 미립자를 응집시키는 기술을 사용하기도 하는데, 이때 사용하는 응집제는 이온성 혹은 비이온성의 합성 화학물질이며, 응집시킬 입자의 양이 많을수록 사용양이 많아진다. 따라서 목질계 바이오매스를 원료로 하여 제조한 당화물이 높은 농도의 당과 함께 불용성 당화잔사를 수 %까지 함유하고 있을 때는 응집제의 필요량이 많아져서 필연적으로 당용액의 제조비용이 증가하게 된다. 또한, 잔류하는 무기 혹은 고분자 화합물에 의한 당용액의 오염 가능성과 이에 따른 용도의 제한을 배제할 수 없다.

바이오매스의 당화에 효소를 사용할 경우 효소당화 후 효소를 가열 변성시킴으로서 자체적으로 응집력을 가지게 한 후 고액분리를 수행할 수도 있다(미국 공개특허공보 US 2015-0354017 A1). 그러나 이러한 기술은 고가의 당화효소(섬유소 가수분해효소 복합제제)를 희생하게 되므로 역시 바람직하지 않다.

대한민국 특허 제1909738호는 당화효소를 회수하고 재사용하기 위해 바이오매스 당화물의 고액분리에 응집제로 단백질을 사용하는 방법을 보여주고 있다. 이 기술은 식물성 단백질이 가열 혹은 산성화 등 변성 요인에 의해 변성될 때 유도되는 소수성 응집을 이용하여 당화잔사 미립자를 응집시킴으로써 고액분리를 용이하게 한다. 하지만 응집용 단백질 수용액을 사용 전에 가열하거나 당화물의 산도를 조정하는 과정에서 변성된 단백질이 고액분리 후에도 당용액에 소량 남아 끊임없이 불용성 침전을 형성하며, 당용액 제조 후에도 미생물의 오염 시 유기질소원으로 작용하여 미생물 번식을 촉진하는 결과를 종종 초래하는 단점이 있다. 또한, 단백질의 응집작용을 극대화하기 위해 당화물을 산성화(예컨대 pH 3.5 내지 4.5)할 경우 효소단백질이 경화되어 35 ^oC 이상의 고온이나 과도한 유동성을 요구하는 고액분리 과정에서 활성을 잃기 쉬우며, 후속 공정에서 중화하는 공정이 추가로 필요할 수 있다.

바이오매스의 당화에 염산 혹은 황산을 이용하는 경우 생성되는 당화잔사 역시 소수성 표면을 가지고 있지만, 응집제로 작용할 수 있는 효소단백질이 없으므로 당화물의 고액분리에 더욱 응집제가 필요하게 된다.

따라서 본 발명자는 변성효소를 포함한, 단백질에 의한 응집력을 이용하지 않고도 효소활성이 최대한 유지되는 pH 5 내외의 당화물에 첨가하여 미세 당화잔사를 응집시킴으로써 당화물을 용이하게 고액분리할 수 있는 응집제와 그 이용기술을 개발하기에 많은 노력을 기울여왔다. 그 과정에서 수용성이면서 인축에 대한 독성이 없어 식품 혹은 의약품 첨가물로 자주 이용되고 있는 폴리에틸렌 글리콜이 아주 낮은 농도에서도 미세 당화잔사를 쉽게 응집하는 현상을 발견하고 그 성질과 이용방법을 다양하게 시험한 끝에 본 발명을 완성하였다.

미국 공개특허공보 US2015-0344921A1 미국 공개특허공보 US2015-0354017A1 대한민국 특허 제1909738호

이에 본 발명자들은 높은 농도의 단당류와 불용성 입자를 포함하는 바이오매스 당화물을 미세입자를 거의 함유하지 않는 맑은 당용액과 불용성 당화잔사로 각각 분리하는 데 유용한 응집제를 선발하고 이를 효과적으로 이용하는 방법을 개발하고자 하였다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 분말 혹은 수용액으로 조제하여 당화물에 첨가하고 교반함으로써 바이오매스 산 당화 혹은 효소당화물의 미세입자들의 상호 응집을 유도하여 거대입자를 생성케 함으로써 원심분리 혹은 여과를 용이하게 하는 응집제로서 분자량 4,000 이상의 폴리에틸렌 글리콜을 제공한다.

또한, 본 발명은 바이오매스의 당화물에 분자량 4,000 이상의 폴리에틸렌 글리콜 수용액 혹은 분말을 첨가하고 교반함으로써 미세입자의 응집을 유도하여 거대입자로 전환하는 단계; 상기 거대입자로 전환된 슬러리를 작은 회전 속도로 단시간 원심분리하거나 가압여과하여 당용액을 회수하는 고액분리 단계;를 포함하는 바이오매스 당화물로부터 활성효소를 그대로 함유하는 당용액을 효율적으로 회수하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 바이오매스의 당화에 의해 생성된 포도당과 당화잔사를 함유하는 현탁액으로부터 최소한의 장비와 물을 사용하는 고액분리에 의해 효소를 함유하는 당용액을 회수함으로써 당 회수율을 극대화하는 동시에 최소한의 약품을 사용함으로써 공정비용을 더욱 절감할 수 있다.

또한, 효소당화 후에도 남아있는 상당량의 활성효소를 재이용할 수 있게 되므로 적은 비용으로 보다 높은 농도의 당용액을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오매스 당화물로부터 당용액을 효율적으로 회수하는 방법의 순서도 및 공정의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 당화잔사 응집제인 폴리에틸렌 글리콜이 분자량과 당화물 산도에 따라 응집효과가 어떻게 달라지는지 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 당화잔사 응집제 중 하나로 사용한 분자량 20,000의 폴리에틸렌 글리콜(PEG 20,000)이 pH 5의 당화물에서 아주 적은 사용량(4.08 g/kg 당화잔사)으로도 이미 응집효과가 최대일 만큼 아주 유용한 물질임을 보여주는 그래프이다.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에서 고체와 액체를 각각 분리하고자 하는 “당화물”은 섬유소 가수분해효소 혹은 염산과 황산 등 산을 이용하여 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 등의 섬유소를 가수분해함으로써 생성된, 당용액 중에 당화잔사가 다량 함유되어 있는 것으로서, 예를 들면 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 팜 공과방과 팜 수간 등 농업 부산물, 억새와 갈대 등 에너지 작물, 유칼리, 아카시아, 버드나무, 포플라 교잡종 등의 목본계 바이오매스를 포함하는 가수분해물을 의미한다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 "당화잔사"는 상기 바이오매스가 효소 혹은 산에 의해 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스가 가수분해되어 단당류로 전환되고 난 후 더 이상 가수분해되기 어려운 리그닌 등과 같은 성분이 주성분으로 남아있는 물에 불용성인 고형물을 의미한다.

본 발명에서 바이오매스의 당화물의 고액분리를 위해 첨가하는 "당화잔사 응집용 첨가제(이하 첨가제로 약함)"는 바이오매스의 효소당화 혹은 산당화 후에 미세한 입자로 당용액에 현탁되어 있는 불용성 잔사를 응집시켜 가라앉기 쉽거나 여과하기 쉽게 만들어 주는 첨가제를 의미한다. 이 첨가제는 에틸렌 옥사이드의 중합반응으로 얻어지는 폴리에틸렌 글리콜로, 분자량 4,000 이상인 것이면 사용할 수 있다. 하지만, 사용량에 따른 응집효과를 비교할 때 분자량이 4,000 이상 70,000 이하의 폴리에틸렌 글리콜이 바람직하며, 막분리 농축을 고려할 때 한외여과에서 걸러져서 당용액에서 완전히 배재시킬 수 있는 분자량 6,000 이상의 폴리에틸렌 글리콜이 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜은 산업용 발효균주에 해롭지 않는 한 어떠한 순도를 가진 시약도 사용 가능하므로 특별히 순도가 한정되지 않는다.

본 발명에서는 바이오매스 전처리물에 산 또는 당화효소를 가하여 당화하는 바이오매스 당화물 제조단계; 상기 바이오매스 당화물에 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하고 교반하여 미세입자가 응집된 슬러리를 제조하는 미세입자 응집단계; 및 상기 미세입자가 응집된 슬러리를 원심분리 혹은 여과하여 당용액을 분리하는 당용액 회수단계를 포함하는, 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법을 제공한다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 미세입자 응집단계는 당화가 종료된 당화물에 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하고 교반함으로써 이루어지며, 이 때 폴리에틸렌 글리콜은 분말 혹은 수용액으로 첨가할 수 있으며, 빠르고 균일한 혼합을 위해서는 수용액으로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 바이오매스 당화물의 고액분리를 위해 당화물에 첨가하는 폴리에틸렌 글리콜은 당화물과 혼합되었을 때 당화잔사 1 kg 당 400 mg 내지 40 g 사용될 수 있으며, 당화잔사 1 kg 당 2 g 내지 16 g의 비율로 사용하는 것이 바람직하다. 폴리에틸렌 글리콜은 당화잔사에 흡착되어 응집작용을 나타내므로 당화잔사 양에 대한 폴리에틸렌 글리콜의 첨가량이 고액분리 효율에 직접적인 영향을 미치지만, 당화잔사에 흡착되기 전 당화물에 첨가된 폴리에틸렌 글리콜의 농도로 환산하면 10 mg/L 내지 2 g/L가 될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당용액 회수단계는 원심분리기, 필터 프레스(filter press) 또는 연속원심분리기 (centrifugal decanter) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

본 발명에서 바이오매스 당화물의 고액분리를 위해 분말 혹은 수용액으로 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하여 당화효소의 손실을 최소화하면서 당화물 중 미세입자를 가장 효과적으로 응집시키는 방법은 침전이 일어나지 않을 정도의 속도로 당화물을 교반하면서 폴리에틸렌 글리콜 분말 혹은 수용액을 서서히 가하고 일정 시간 동안 교반 상태를 유지하는 것이다. 본 발명의 당화잔사 응집제는 효소당화 최적 산도인 pH 5 에서도 도 2에서와 같이 응집효과가 우수하지만 당화물의 pH를 조금만 더 낮추면 그 효과가 극대화된다. 이러한 응집효과는 당화잔사 응집제를 함유하는 당화물을 필터프레싱 혹은 원심분리로 고액분리한 후 고형분으로 얻게 되는 당화잔사에 새로운 비이온수를 가하고 교반한 후에도 거의 유지되는 특징이 있다. 따라서 당화물의 1차 고액분리에 의해 발생한 당화잔사에 재차 비이온수를 가하여 당을 추출한 다음 2차 고액분리로 당용액을 회수할 수 있게 한다. 이 2차 추출 후 응집에서도 산도를 변화시켜 응집을 촉진하는 것은 매우 유효한 처리가 될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 미세입자 응집단계는 pH 4.0 내지 5.0의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하고, pH 4.5 내지 5.0의 범위에서 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 미세입자 응집단계는 수평균분자량(Mn)이 2,000 g/mol 내지 70,000 g/mol의 범위인 폴리에틸렌 글리콜을 사용하는 것이 바람직하고, 수평균분자량(Mn)이 4,000 g/mol 내지 70,000 g/mol의 범위인 폴리에틸렌 글리콜을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당용액 회수단계 이후에 당화잔사를 다시 물과 혼합하고 교반하여 당화잔사 중 당용액을 희석 증량하는 단계; 및 당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당용액을 희석 증량하는 단계는 회분식 또는 연속식 분산교반기를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 분리하는 단계는 필터프레스 또는 연속원심분리기(centrifugal decanter) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

본 발명은 바이오매스 당화물로부터 최소한의 공정으로도 당의 손실율을 최소화하면서 당용액을 회수하는 방법을 추가로 제공한다. 이를 위해 1) 당화잔사를 포함하는 당화물에 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 분말 또는 수용액으로 첨가하고 교반함으로써 당화물 중의 미세입자를 응집시켜 거대입자로 전환하고, 2) 상기 거대입자로 전환된 당화물을 원심분리기나 여과기로 이송하여 원심분리하거나 여과하여 당용액을 회수하고, 3) 원심분리에 의해 가라앉은 당화잔사 혹은 여과 후 여과포에 남은 당화잔사를 회수하여 물을 가하면서 교반하여 당화잔사 중의 당용액을 희석 증량하고, 4) 증량된 당용액을 원심분리기나 여과기에 이송하고 원심분리하거나 여과하여 나머지 당용액을 회수하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 바이오매스 산 또는 당화효소의 가수분해물로부터 당용액을 회수하는 방법에서 상기 1차 고액분리로 남은, 당용액을 일부 함유하는 당화잔사로부터 당용액을 추가로 회수하기 위해서 고액분리로 발생한 당화잔사를 물과 혼합하고 균질화해야 한다. 이때 가하는 물의 양은 후속 공정에서 고액분리하였을 때 고형분 중의 수분 잔류율로부터 산출한 당용액의 목표 회수율에 따라 가감하며, 덩어리진 당화잔사를 물과 혼합하는 데 지장이 없는 한 교반, 진탕 등 그 방법에 특별히 한정은 없다. 이렇게 조제한 새로운 현탁액은 쉽게 침강 혹은 여과될 수 있을 만큼 여전히 큰 입자 상태를 유지한다.

이 단계에서 본 발명의 바이오매스 산 또는 당화효소의 가수분해물로부터 당용액을 회수하는 방법은 상기 공정에서 새로운 물로 조제된 현탁액을 다시 원심분리 혹은 여과하여 당용액을 추가로 회수한다. 이 작업으로 당용액 회수 작업을 마칠 경우 원심분리 혹은 여과는 잔사에 당용액의 잔류량이 최소가 되도록 격렬한 조건을 사용할 수 있는데, 예를 들면 원심분리의 경우 회전수 증대와 함께 원심분리 시간을 길게 하고, 여과의 경우 압력을 높이는 것이다. 하지만, 당용액의 회수율을 더욱 높이고자 한다면 상기 과정을 반복하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 당용액을 희석 증량하는 단계는 회분식 또는 연속식 분산교반기를 사용하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 바이오매스 당화물의 효율적 고액분리를 위한 단계 3)에는 1차 고액분리 후 배출되는 당화잔사로부터 당용액의 추가 회수를 위해 당화잔사에 물을 가하고 교반하여 슬러리를 제조할 수 있는 교반기가 사용될 수 있으며, 회분식 혹은 연속식 분산교반기가 모두 사용 가능하다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 증량된 당화물을 회수하는 단계는 필터프레스 또는 연속원심분리기 중 어느 하나를 이용하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 바이오매스 효소당화물의 효율적 고액분리를 위한 단계 4)는 단계 2)의 반복으로 볼 수 있으며, 고액분리에 연속원심분리기를 사용하는 경우 단지 연속원심분리기의 회전수를 높이거나 시간을 길게 하여 당용액의 회수율을 높이는 것이 다를 수 있다. 또한, 고액분리에 필터프레스를 사용하는 경우에는 압축력을 높여서 당화잔사에 남게 되는 당용액의 부피를 줄이는 것이 다를 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 상기 희석 증량된 당용액을 바이오매스 당화물 제조단계 및 미세입자 응집단계를 거친 미세입자가 응집된 슬러리의 희석 증량에 재사용할 수 있다.

즉, 단계 4의 증량된 당용액으로부터 회수한 당용액을 폴리에틸렌 글리콜 첨가 및 미세입자 응집단계에서 미세입자가 응집된 슬러리의 희석 증량에 재사용할 수 있다. 본 발명의 바이오매스 당화물의 효율적 분리를 위해서는 1차 고액분리에 맑은 당용액을 얻을 수 있는 연속원심분리기를 사용한 후 일부 불용성 입자의 투과가 불가피하더라도 2차 고액분리에 필터프레스를 사용하는 것이 바람직하며, 2차 고액분리로부터 얻은 약간 탁하고 당농도가 현저히 낮은 당용액을 1차 고액분리 전 당화물의 희석 증량에 사용함으로써 물의 사용량을 줄이는 동시에 맑은 당용액을 얻는 방법이 가장 바람직하다.

본 발명은 바이오매스 당화물로부터 최소한의 공정으로도 당의 손실율을 최소화하면서 당용액을 회수하는 방법을 추가로 제공한다. 이를 위해 1) 당화잔사를 포함하는 당화물에 폴리에틸렌 글리콜을 분말 혹은 수용액으로 첨가하고 교반함으로써 당화물 중의 미세입자를 응집시켜 거대입자로 전환하는 단계; 2) 상기 거대입자로 전환된 당화물을 원심분리기나 여과기로 이송하여 작은 회전 속도로 단시간 원심분리하거나 높은 압력으로 가압하지 않고 여과하여 당용액을 회수하는 단계; 3) 원심분리에 의해 가라앉은 당화잔사 혹은 여과 후 여과포에 남은 당화잔사를 회수하여 물을 가하면서 교반하여 당화잔사 중의 당용액을 희석 증량하는 단계; 및 4) 당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 원심분리기나 여과기에 이송하고 고속원심분리하거나 가압 여과하여 나머지 당용액을 회수하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바이오매스 산 또는 효소 가수분해물로부터 당용액을 회수하는 방법은 리그닌을 주성분으로 하는 당화잔사 미세입자를 응집시켜 거대입자로 전환한 당화물을 고액분리하여 투명한 당용액과 당용액이 일부 남아있는 당화잔사를 얻는 것이다. 스톡스의 침강 법칙(Stock's law)에 의하면 고체입자가 액체 중에서 침강하는 속도는 고체입자와 매질의 밀도차에 비례하고 입자의 크기의 세제곱에 비례하므로 거대입자화된 당화물은 저속의 원심분리에서도 단시간 내에 고액분리가 완결된다. 또한, 커진 입자는 여과포를 사용한 여과에서도 비교적 맑은 당용액을 얻을 수 있게 한다.

이하, 본 발명의 제조예 및 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

제조예 1. 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜 수용액의 제조

수평균분자량(Mn)이 각각 1,000, 2,000, 4,000, 6,000, 8,000, 20,000, 35,000 및 70,000 g/mol인 폴리에틸렌 글리콜(순도 99%, 시그마알드리치 시약, 미국)을 증류수에 녹여 1%와 2% 수용액을 각각 조제하였다.

제조예 2. 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜 분말의 조제

제조예 1의 폴리에틸렌 글리콜 중 결정성인 수평균분자량(Mn) 4,000, 6,000, 8,000, 20,000, 35,000 및 70,000 g/mol인 폴리에틸렌 글리콜(순도 99%, 시그마알드리치 코리아 시약, 한국)을 소형분쇄기(한일 미니믹서, 한국)로 분쇄하여 분말로 조제하였다.

실시예 A. 각각 분자량이 다른 폴리에틸렌 글리콜을 사용하여 억새 효소당화물로부터 당용액의 회수

물로 추출하여 추출성 성분을 90% 가량 제거한 습윤 상태의 억새(miscanthus) 분쇄물(한국산)을 연속고압반응기(SuPR2G, Advancebio 제품, 미국)에 주입하여 195 ^oC에서 15분간 열수전처리 하였다. 전처리물 중 불용성 고형분 건조중의 15배의 수분함량이 되도록 전처리물에 증류수를 가하여 혼합한 후 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하여 고액분리하였다. 얻어진 고형물을 럼프 브레이커(대성플랜트 제품, 한국)로 분쇄하여 효소당화용 기질을 준비하였다. 미리 무게를 측정하여둔 총 부피 7 리터의 당화조에 상기 당화기질을 건조중 기준으로 625 g, 당화기질이 함유하는 물을 포함하여 총 4 리터의 비이온수를 가하여 혼합하고 가온하여 50±1 ^oC로 유지하였다. 암모니아수(3 중량% 암모니아)로 산도를 pH 5.00±0.05로 조정한 후 당화효소로 셀릭씨텍3에이치에스(Cellic CTec3 HS, 노보자임스 코리아 제품, 서울) 30.9 ml를 가하였다. 당화기를 96시간 동안 200rpm으로 교반하여 당화물을 제조하였다. 먼저, 당화조 내용물의 무게를 측정한 후 당화물을 10 ml 취하여 원심분리하고 상징액을 고속액체크로마토그래프(HPLC, Waters 제품, 미국)로 포도당 농도를 분석하였다. 또한, 잔사를 비이온수로 여러 번 세척하고 동결건조하여 당화잔사 잔류율을 산출하였다.

비이커(1 리터용)에 효소당화물을 250 ml와 비이온수 250 ml를 가하고 스터바를 넣은 다음 스터러(코닝 제품 미국)에 올려놓고 300 rpm으로 교반하였다(당화잔사 2.45 중량% 현탁액). 이 효소 당화물에 상기 제조예 1 의 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 수용액(1 중량%)을 10 ml(당화잔사 1 kg 당 PEG 8.16 g)를 가하고 5분간 교반한 다음 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 폴리에틸렌 수용액을 첨가한 당화물에 황산을 가하여 pH를 4.5로 조정한 후 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 다시 폴리에틸렌 수용액을 첨가한 당화물에 황산을 가하여 pH를 4.0과 3.5로 조정한 후 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 폴리에틸렌 글리콜 무첨가 시료와 산도 조절 시료를 845 x g에서 5분간 원심분리(한일과학 제품, 한국)한 후 탁도계(HACH 2100AN turbidimeter, 미국)로 탁도를 측정하여 표 1 및 도 2에 정리하였다.

	PEG 분자량과 산도 조정에 따른 원심분리 상징액의 탁도(NTU)
	무첨가	PEG 1,000	PEG 2,000	PEG 4,000	PEG 6,000	PEG 8,000	PEG 20,000	PEG 35,000	PEG 70,000
pH 5.0	3,330 ±48	3,272 ±153	3,170 ±100	2,687 ±15	1,441 ±101	775 ±98	404 ±41	257 ±21	176 ±2
pH 4.5	1811 ±155	2,301 ±123	2,645 ±301	651 ±52	166 ±12	119 ±2	76 ±4	73 ±2	36 ±5
pH 4.0	86 ±5	102 ±0.7	54 ±2	37 ±0.4	30 ±0.0	14 ±3	17 ±0.7	15 ±2	18 ±0.9
pH 3.5	20 ±5	33 ±0.3	10 ±2	12 ±0.0	13 ±0.6	9 ±0.4	12 ±0.7	11 ±0.8	12 ±2

도 2는 본 발명의 당화잔사 응집제인 폴리에틸렌 글리콜이 분자량과 당화물 산도에 따라 응집효과가 어떻게 달라지는지 보여주는 그래프이다.

상기 실시예 A의 억새 전처리물의 효소당화에 의해 생성된 당화물의 포도당 농도는 6.9%(무게/무게), 비중은 1.05, 당화물이 함유하는 불용성 잔사율은 약 4.9%였다. 이 당화물을 845 × g에서 5분간 원심분리하여 얻은 당용액은 표 1의 무첨가구와 같이 매우 탁하여 추가적인 고액분리가 불가피하였다.

반면에 당화물에 비이온수를 동량 가하여 희석하고, 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜 수용액을 당화잔사 1 kg 당 8.16 g 가하고 교반한 후 원심분리하여 얻은 상징액의 탁도는 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜의 분자량에 따라서 조금씩 달랐지만 당화물의 산도를 조정하지 않더라도 분자량 4,000 이상의 폴리에틸렌을 첨가하였을 때 무처리구보다 현저히 낮아서 작은 원심력으로 짧은 시간 원심분리하여도 고액분리 효과가 매우 좋다는 것을 알 수 있다. 특히, 도 2에서 알 수 있듯이 폴리에틸렌 글리콜을 당화물 고액분리용 첨가제로 첨가한 후 당화물의 산도를 산성으로 조절하면 조금만 산성이 되더라도(예를 들어 pH 4.5) 고액분리 효과가 현저하여 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 미세입자 응집단계에는 수평균분자량(Mn)이 4,000 g/mol 내지 70,000 g/mol의 범위인 폴리에틸렌 글리콜을 사용하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한. 본 발명에 따른 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법에 있어서, 당화물 중의 효소가 활성을 그대로 유지하도록 고액분리하기 위해 미세입자 응집단계는 pH 4.5 내지 5.0의 범위에서 이루어지는 것이 바람직함을 알 수 있다.

실시예 B. 폴리에틸렌 글리콜 첨가량을 달리 한 억새 효소당화물로부터 당용액의 회수

상기 실시예 A의 당화물 250 ml와 비이온수 250 ml를 가하고 스터바를 넣은 다음 스터러(코닝 제품 미국)에 올려놓고 300 rpm으로 교반하였다. 이 효소당화물에 상기 제조예 1 의 폴리에틸렌 글리콜 20,000 수용액(2 중량%)을 가하여 순차적으로 0, 10, 50, 100, 200, 400, 1000 mg/L의 농도가 되게 하여 당화잔사 1 kg당 폴리에틸렌 글리콜의 양이 각각 0, 0.41, 2.04, 4.08, 8.16, 16.32, 40.8 g이 되도록 증량하고 5분간 교반한 다음 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 이 시료를 845 x g에서 5분간 원심분리(한일과학 제품, 한국)한 후 탁도계(HACH 2100AN turbidimeter, 미국)로 탁도를 측정하여 표 2 및 도 3에 정리하였다.

	PEG 20,000 첨가 농도(g/kg 당화잔사)에 따른 원심분리 상징액의 탁도(NTU)
	무첨가	0.41	2.04	4.08	8.16	16.32	40.8
1% 수용액(pH 5.0)	3,875 ±212	2,815 ±55	726 ±77	336 ±16	385 ±33	776 ±19	2,853 ±64

도 3에서 알 수 있듯이 억새 당화물의 고액분리용 첨가제로 폴리에틸렌 글리콜 20,000을 수용액으로 첨가하여 당화물의 산도를 조정하지 않더라도 이미 당화잔사 1 kg당 0.41 g의 농도에서 고액분리 효과가 나타나서 2.04 g 이상에서는 그 효과가 현저하였다.

실시예 C. 폴리에틸렌 글리콜을 분말로 첨가한 억새 효소당화물로부터 당용액의 회수

상기 실시예 A의 당화물 250 ml와 비이온수 250 ml를 가하고 스터바를 넣은 다음 스터러(코닝 제품 미국)에 올려놓고 300 rpm으로 교반하였다. 이 효소당화물에 상기 제조예 2 의 분말 상 PEG 20,000을 가하여 순차적으로 0, 10, 50, 100 mg/L의 농도가 되게 하여 당화잔사 1 kg당 폴리에틸렌 글리콜의 양이 각각 0, 0.41, 2.04, 4.08 g이 되도록 증량하고 5분간 교반한 다음 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 이 시료를 845 x g에서 5분간 원심분리(한일과학 제품, 한국)한 후 탁도계(HACH 2100AN turbidimeter, 미국)로 탁도를 측정하여 표 3에 정리하였다.

	PEG 20,000 첨가 농도(g/kg 당화잔사)에 따른 원심분리 상징액의 탁도(NTU)
	무첨가	0.41	2.04	4.08
분말로 첨가 (pH 5.0)	4,413±538	470±12	582±22	527±43

실시예 D. 폴리에틸렌 글리콜을 사용한 황산 당화물로부터 당용액의 회수

건조 분말 상태의 팜 공과방(코린도 그룹 분양, 인도네시아) 560 g을 10 리터 고압반응기(한울엔지니어링 제품, 한국)에 넣고 72% 황산 3,000 g을 가하였다. 상온에서 교반하여 1차 산 가수분해하였다. 여기에 비이온수 4,200 g을 가하고 90 ^oC에서 교반하여 2차 산 가수분해하였다. 이 가수분해물에 PEG-20,000 분쇄물 1 g을 가하고 교반한 후 원심분리하여 당용액과 불용성 고형분을 회수하였다. 고형분 건조중 10배량의 비이온수를 가하여 다시 곤죽을 제조한 다음 원심분리하여 99% 이상 당용액을 회수하였다.

실시예 E. 폴리에틸렌 글리콜을 사용한 염산 당화물로부터 당용액의 회수

건조 분말 상태의 옥수수 속대(corncob, 대학 찰옥수수, 한국) 560 g을 10 리터 고압반응기(한울엔지니어링 제품, 한국)에 넣고 42% 염산 1000 g을 가하였다. 상온에서 1시간 동안 교반하여 1차 산 가수분해하였다. 비이온수 7 리터를 가하고 30 내지 50 ^oC에서 1시간 교반하여 2차 산가수분해하였다. 이 가수분해물에 PEG-20,000 분쇄물 1 g을 가하고 교반한 후 원심분리하여 당용액과 불용성 고형분을 회수하였다. 고형분 건조중 10배량의 비이온수를 가하여 다시 곤죽을 제조한 다음 원심분리하여 99% 이상 당용액을 회수하였다.

실시예 F. 필터프레스를 이용한 거대억새 효소당화물로부터 당용액의 회수

억새 분쇄물(수분 65%, 20 메시 이하, 한국산)을 연속고압반응기(SuPR2G, Advancebio 제품, 미국)에 주입하여 200 ^oC에서 10분간 열수전처리 하였다. 전처리물에 원시료 건조중 15배의 수분함량이 되도록 물을 가하여 혼합한 후 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하여 고액분리하였다. 얻어진 고형물을 커팅밀(한국분체기계 제품, 한국)로 분산분쇄하였다. 이것을 디스크밀(laboratory disc mill, Andritz 제품, 미국)에 물과 함께 주입하면서 마찰 분쇄하여 수분함량 85%인 효소당화용 기질을 제조하였다. 총 부피 75 리터의 당화기(한일과학 제품, 한국)에 상기 당화기질 7,353 g을 4등분하여 6 시간에 하나씩 주입하고 당화기를 50±1 ^oC, pH 5.0±0.05, 교반속도 200rpm을 유지하였다. 여기에 당화효소 셀릭씨텍3(Cellic CTec3, 노보자임스 코리아 제품, 서울)를 6시간 간격으로 54 ml(총 216 ml) 가하였다. 최초 기질 투입시점부터 96시간 동안 당화하여 당화물을 제조하였다.

당화물을 상온까지 냉각한 후 분자량 20,000의 폴리에틸렌 글리콜 수용액(1 중량%) 1 리터를 가하고 혼합하였다. 당화물을 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하여 고액분리하여 당용액을 회수하였다. 당화잔사 케익을 전량 100 리터 혼합기에 넣고 비이온수 6리터를 가한 다음 교반하여 곤죽을 다시 제조하였다. 당화잔사 곤죽을 상기 필터프레스(태영필트레이션, 한국)에 주입하여 고액분리함으로써 당용액을 99% 이상 회수하였다.

비교예 A. 가온 변성한 콩단백질 추출물(soy protein isolated) 수용액을 첨가한 억새 효소당화물로부터 당용액의 회수

대한민국 특허 제 1909738호의 바이오매스 효소당화물의 고액분리에 당화잔사 응집제로 콩 단백질을 사용한 예와 비교하기 위해 상기 실시예 A의 당화물 250 ml와 비이온수 250 ml를 가하고 스터바를 넣은 다음 스터러(코닝 제품 미국)에 올려놓고 300 rpm으로 교반하였다. 비이온수에 콩단백질 추출물(soy protein isolated: MP Biomedicals, LLC, 프랑스)를 가하고 호모제나이저로 분산시킨 후 105 ^oC에서 1시간 가온하여 응집제용 단백질 현탁액을 제조하였다. 이것을 당화물 희석액에 가하여 교반함으로써 단백질 농도가 각각 다른 시료를 조제한 다음 50 ml용 팔콘튜브 두 개에 각각 30 ml씩 옮겼다. 이 시료를 845 x g에서 5분간 원심분리(한일과학 제품, 한국)한 후 탁도계(HACH 2100AN turbidimeter, 미국)로 탁도를 측정하여 표 6에 표시하였다.

	가온 변성한 콩단백질 추출물(soy protein isolated) 첨가 농도(g/kg 당화잔사)별 원심분리 상징액의 탁도(NTU)
	무첨가	4.08	8.16	16.32	40.8
pH 5.0	4,413±438	3,493±19	3,726±94	497±66	85±14

비교예로서 선택한 가온변성한 콩단백질 추출물(soy protein isolated)은 효소당화물에 첨가하여 응집효과를 얻기 위해서는 당화잔사 1 kg당 16.32 g 이상이 필요하였는데, 이는 PEG-20,000의 8.16 내지 16.32 g보다 훨씬 많은 양이므로 폴리에틸렌 글리콜이 콩 단백질보다 효과적인 응집제라는 것을 직접적으로 보여 주었다.

Claims (10)

1. 바이오매스 전처리물에 산 또는 당화효소를 가하여 당화하는 바이오매스 당화물 제조단계;
   상기 바이오매스 당화물에 수평균분자량(Mn)이 4,000 g/mol 내지 70,000 g/mol의 범위의 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하고 교반한 후, pH를 4.5 내지 5.0의 범위로 조정하여 미세입자가 응집된 슬러리를 제조하는 미세입자 응집단계; 및
   상기 미세입자가 응집된 슬러리를 원심분리 혹은 여과하여 당용액을 분리하는 당용액 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜은 분말 또는 수용액으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 당용액 회수단계는 원심분리기, 필터프레스(filter press) 또는 연속원심분리기(centrifugal decanter) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 당용액 회수단계 이후에 당화잔사를 물과 혼합하며 교반하여 당화잔사 중 당용액을 희석 증량하는 단계; 및
   당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 당용액을 희석 증량하는 단계는 회분식 또는 연속식 분산교반기를 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 분리하는 단계는 필터프레스 또는 연속원심분리기(centrifugal decanter) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 희석 증량된 당용액을 바이오매스 당화물 제조단계 및 미세입자 응집단계를 거친 미세입자가 응집된 슬러리의 희석 증량에 재사용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.
10. 바이오매스로부터 유래한 당화잔사를 포함하는 당화물에 수평균분자량(Mn)이 4,000 g/mol 내지 70,000 g/mol의 범위의 당화잔사 응집용 폴리에틸렌 글리콜을 분말 혹은 수용액으로 첨가하고 교반한 후, pH를 4.5 내지 5.0의 범위로 조정하여 당화물 중의 미세입자를 응집시켜 거대입자로 전환하는 단계;
    상기 거대입자로 전환된 당화물을 원심분리기나 여과기로 이송하여 원심분리하거나 여과하여 당용액을 회수하는 단계;
    상기 원심분리에 의해 가라앉은 당화잔사 혹은 여과 후 여과포에 남은 당화잔사를 회수하여 물을 가하면서 교반하여 당화잔사 중의 당용액을 희석 증량하는 단계; 및
    당화잔사로부터 희석 증량된 당용액을 원심분리기나 여과기에 이송하고 원심분리하거나 가압 여과하여 나머지 당용액을 회수하는 것을 특징으로 하는 바이오매스의 당화로 제조한 당용액의 회수방법.

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