• 신재생에너지
• /
• 제9권1호
• /
• pp.25-32
• /
• 2013

It is indispensable to increase the conversion rate of a reducing sugars such as pentose and hexose derived from cellulosic wastes for a highly efficient bioethanol fermentation from food wastes. The saccharification liquid from cellulosic substrates such as vegetable food wastes contained lots of hexose like glucose and pentose like xylose. Since Saccharomyces-based yeasts could not convert xylose to bioethanol, Pichia stipitis which could directly ferment xylose to ethanol was chosen. After selecting Saccharomyces coreanus and P. stipitis, fermentation characteristics by mixture of two yeasts were investigated. As a result, it was verified the production of ethanol was enhanced by the co-fermentation, although there were somewhat differences between the fermentation characteristics by the aeration methods. Moreover, the consumption of pentose, hexose and disaccharide was obviously observed, and aeration in the process of fermentation seemed to stimulate the activity of P. stipitis.

• 공업화학
• /
• 제25권6호
• /
• pp.619-623
• /
• 2014

산 가수분해공정과 효소당화공정을 이용하여 사과, 귤, 수박껍질로부터 셀룰로오스 에탄올을 생산하고, 그 최적조건을 결정함으로써 과일껍질을 원료로 한 바이오에너지 생산가능성을 평가하고자 하였다. 산 가수분해공정을 이용하여 과일껍질로부터 셀룰로오스 에탄올을 생산하기 위한 최적조건은 사과껍질의 경우 황산농도 20 wt%에서 90 min, 귤껍질과 수박껍질의 경우에는 각각 산 가수분해시간 60 min에서 황산의 농도가 15, 10 wt%인 것으로 나타났다. 효소당화공정을 이용하여 과일껍질로부터 셀룰로오스 에탄올을 생산할 경우 효소로는 Viscozyme이 가장 우수한 전환특성을 나타내었으며, 최적 효소당화시간은 사과껍질(180 min), 귤껍질(60 min), 수박껍질(120 min)인 것을 알 수 있었다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
• /
• 제27권9호
• /
• pp.1649-1656
• /
• 2017

In simultaneous saccharification and fermentation (SSF) for production of cellulosic biofuels, engineered Saccharomyces cerevisiae capable of fermenting cellobiose has provided several benefits, such as lower enzyme costs and faster fermentation rate compared with wild-type S. cerevisiae fermenting glucose. In this study, the effects of an alternative intracellular cellobiose utilization pathway-a phosphorolytic pathway based on a mutant cellodextrin transporter (CDT-1 (F213L)) and cellobiose phosphorylase (SdCBP)-was investigated by comparing with a hydrolytic pathway based on the same transporter and an intracellular ${\beta}$-glucosidase (GH1-1) for their SSF performances under various conditions. Whereas the phosphorolytic and hydrolytic cellobiose-fermenting S. cerevisiae strains performed similarly under the anoxic SSF conditions, the hydrolytic S. cerevisiae performed slightly better than the phosphorolytic S. cerevisiae under the microaerobic SSF conditions. Nonetheless, the phosphorolytic S. cerevisiae expressing the mutant CDT-1 showed better ethanol production than the glucose-fermenting S. cerevisiae with an extracellular ${\beta}$-glucosidase, regardless of SSF conditions. These results clearly prove that introduction of the intracellular cellobiose metabolic pathway into yeast can be effective on cellulosic ethanol production in SSF. They also demonstrate that enhancement of cellobiose transport activity in engineered yeast is the most important factor affecting the efficiency of SSF of cellulose.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제59권1호
• /
• pp.54-59
• /
• 2021

섬유소계 바이오매스는 전분질계 바이오매스에 비해 리그닌이 많아 전처리가 필수적으로 요구된다. 섬유소계 바이오매스를 전처리하기 위한 용매인 에탄올은 효소당화(enzymatic hydrolysis)에 저해가 되는 물질을 분별하기 쉬우며, 증류를 과정을 통해 쉽게 재사용이 가능하다. 침출식 전처리 공정은 반응기 내에서 연속적으로 성분을 분별하여 고-액 분리가 용이하며 향후 스케일업에서도 유리하다. 본 연구에서는 이러한 장점들을 활용하여 대표 섬유소계 바이오매스인 옥수수대(corn stover)로 전처리를 진행하였으며 해당 공정을 밀대(wheat straw)와 거대억새(miscanthus)에 적용하여 추가적인 바이오매스의 적용 가능성을 확인하였다.

• KSBB Journal
• /
• 제23권1호
• /
• pp.1-7
• /
• 2008

비록 전 세계적으로 많은 수의 소규모 시범 셀룰로식 에탄올 생산연구가 보고되고 있으며 셀룰로식 에탄올 생산을 위한 많은 연구들이 진행되고 있지만 현재까지 전분계나 설탕계 에탄올과 경쟁할 수 있을 정도의 경제적 생산이 가능한 상용화된 셀룰로식 에탄올 생산시설은 현재까지 보고 된 바 없다. 또한 일부 환경경제학자들은 옥수수 작물자체가 수확기까지 많은 양의 수분과 에너지를 필요로 하고 매년 토양을 침출시키는 작물이어서 환경적인 문제점을 불러 올 수 있다는 점, 이후 옥수수 바이오매스로부터 에탄올을 생산할 때까지 들어가는 에너지의 양이 높다는 점등을 지적하며 옥수수로부터의 에탄올대량생산에 신중해야 한다는 의견도 있다(24). 하지만 가까운 장래에 석유를 대체할 액체연료 중 에탄올이 가장 적합하다는 미국이나 유럽의 목표에 따라 옥수수 줄기나 잎을 이용한 셀룰로식 에탄올 생산계획은 계속해서 추진될 것으로 보이며 상용화도 미국정부의 계획대로라면 수년 내에 이루어 질 것으로 보인다. 셀룰로식 에탄올의 상용화를 위해서는 여러 점들을 고려하여야 한다. 첫째로, 분자 및 유전자 수준까지의 식물에 대한 이해가 필요하다. 왜냐하면 이러한 지식의 바탕에서 바이오매스를 효과적으로 정제할 수 있는 방안들이 가능하기 때문이다. 이를 위해서는 셀룰로스보다 상대적으로 덜 알려진 식물체 내에서의 리그닌 합성경로 및 결합구조나 헤미셀룰로스의 합성 및 리그닌과의 결합관계 둥에 대한 연구가 더욱 필요하다. 둘째로는 셀룰로식 에탄올생산의 상용화를 위해서는 화석연료의 수요를 대체할 수 있는 작물의 개발과 수확작물을 처리하여 공장이나 공업단지까지 경제적으로 수송할 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 현재 거론되고 있는 셀룰로식 에탄올공장의 생산규모를 연간 1억 내지 1억 8천만 리터 정도의 규모로 생각하고 연간 250-300일 작업 기준으로 생각한다면 적어도 하루 2000톤 정도의 biomass를 처리하여야 됨으로 이 정도의 바이오매스가 지속적이고, 경제적으로 공급되어야 한다. 미국의 경우, 옥수수작물이 셀룰로식 에탄올 생산을 위해 가장 적합한 원료물질로 거론되고 있다. 이는 현재 옥수수 열매 는 전분이나 에탄올 생산을 위해 공장으로 수송되지만 엄청난 양의 잎과 줄기는 밭에 남겨져 있기 때문이다. 이들 corn stover로 통칭되는 식물원료 물질이 바이오매스 중 연간 생산량이 가장 많은 1억 건조 톤 이상으로 현재로도 공급이 가능하고 잠재적으로는 10억 톤까지도 생산될 수 있다고 전망하기 때문이다. 따라서 미국의 경우 셀룰로식 에탄올의 생산은 corn stover의 이용이 불가피해 보인다. 더불어 톱밥이나 임업부산물의 경우는 현재 3800만 건조 톤 정도의 공급이 가능하며 미래 3억 7000만 건조 톤이 공급될 수 있을 것으로 예상하고 있다(25). 하지만 이러한 자원은 부피가 크고 무게가 가벼워 수송밀도가 낮아 고밀도 형태로 운송할 수 있는 방법이 모색되어야 한다. 또한 원료물질을 처리 시설까지 운반하는 운송비를 줄일 수 이는 다른 방법들도 모색되어야한다. 셋째로는 바이오매스의 구조를 당화과정과 발효과정에 적합하게 변환시킬 수 있는 경제성 있는 전처리 방법의 개발이 필수적이다. 이상적 전처리 방법은 리그닌을 효과적으로 분리해내 이를 이용한 공정에 필요한 에너지로 사용하거나 차후 부가가치가 높은 물질의 원료로 사용할 수 있게 하여야 한다. 또한 헤미셀룰로스와 셀룰로스의 손실을 최소화하여 차후 이들 식물탄수화물을 이용한 에탄올 생산을 극대화할 수 있는 방법이어야 하며 이와 함께 경제성을 담보하여야 한다. 이러한 전처리방법의 개발은 현재까지 개발된 여러 전처리 방법들의 장단점들을 파악하고 이를 극복할 수 있는 방법들을 모색하는 노력으로 가능할 수 있겠다. 마지막으로 5탄당과 6탄당을 동시에 발효할 수 있는 미생물 균주의 개발이나 효소비용을 획기적으로 줄일 수 있는 생산방법이 개발되어야 하겠다. 이는 셀룰로식 에탄올이 90% 이상의 높은 수율과 시간당 1.5-2.5 g/L의 생산성을 보이고 있는 전분이나 설탕으로부터 생산되는 에탄올과 경쟁력을 갖기 위한 필수적인 요소이기 때문이다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
• /
• 제24권9호
• /
• pp.1280-1290
• /
• 2014

In order to obtain the cellulolytic bacterial consortia, sediments from Great Basin hot springs (Nevada, USA) were sampled and enriched with cellulosic biomass as the sole carbon source. The bacterial composition of the resulting anaerobic ethanol-producing celluloytic bacterial consortium, named SV79, was analyzed. With methods of the full-length 16S rRNA library-based analysis and denaturing gradient gel electrophoresis, 21 bacteria belonging to eight genera were detected from this consortium. Clones with closest relation to the genera Acetivibrio, Clostridium, Cellulosilyticum, Ruminococcus, and Sporomusa were predominant. The cellulase activities and ethanol productions of consortium SV79 using different agricultural residues (sugarcane bagasse and spent mushroom substrate) and energy crops (Spartina anglica, Miscanthus floridulus, and Pennisetum sinese Roxb) were studied. During cultivation, consortium SV79 produced the maximum filter paper activity (FPase, 9.41 U/ml), carboxymethylcellulase activity (CMCase, 6.35 U/ml), and xylanase activity (4.28 U/ml) with sugarcane bagasse, spent mushroom substrate, and S. anglica, respectively. The ethanol production using M. floridulus as substrate was up to 2.63 mM ethanol/g using gas chromatography analysis. It has high potential to be a new candidate for producing ethanol with cellulosic biomass under anoxic conditions in natural environments.

• 한국미생물·생명공학회지
• /
• 제19권4호
• /
• pp.325-330
• /
• 1991

섬유성 당화액에서의 ethanol 생산에 적합한 균류를 개발할 목적으로 Candida sp. KM-09-135와 Saccharomyces cerevisiae SM-07의 이속간의 원형질체 융합을 행하여 우수한 융합체로 인정된 KMS-23 균주를 얻었다. 융합주 KMS-23은 37'C에서 생육 및 ethanol 생성능이 가장 좋았고, 발효당으로 xylose, cellobiose, maltose 및 raffinose도 이용하였다. 세포의 크기는 KM-09-135 및 SM-07에 비해 각각 1.2배, 1.5배 증가하였으나 DNA 함량은 약간의 증가만 보여 완전한 2배체의 융합주가 아닌 것으로 나타났다. 환원당으로서 6.44(w/v)의 당을 함유한 밀기울 당화액에서 융합주 KMS-23은 동일조건하에서 KM-09-135보다 약 1.3배 높은 2.57(v/v)의 ethanol을 생산하였다.

• KSBB Journal
• /
• 제13권1호
• /
• pp.38-43
• /
• 1998

Application of pervaporative extraction of ethanol to simultaneous saccharification and fermentation(SSF) of cellulose was investigated. From batch experiments, optimum cellulose substrate and enzyme loadings were found to be 10% and 15 IFPU/g cellulose, respectively. The cellulose conversion was lowered in fed-batch system due to the ethanol accumulation. The activity of the yeast Saccharomyces uvarum used in this study was significantly reduced at ethanol concentrations above around 40 g/L. From pervaporation experiments using PDMS membrane, ethanol was efficiently separated at 38$^\circ C$ and 10 mmHg of a down stream pressure. The pervaporation unit with 240 cm$^2$ of surface area was combined into the SSF reactor. The continuous removal of ethanol by pervaporation during SSF resulted in an improved cellulose conversion. Within the scope of this experiment, ethanol yields in the pervaporative SSF and simple SSF were 68.3% and 56.6%, respectively. The permeate flux for SSF broth pervaporation was about one-half that for the pervaporation of aqueous ethanol solution. Accordingly, the development of a membrane with higher ethanol selectivity and flux will increase the feasibility of this technology.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
• /
• 제29권4호
• /
• pp.617-624
• /
• 2019

Bacterial nanocellulose (BNC) which is generally synthesized by several species of bacteria has a wide variety of industrial uses, particularly in the food and material industries. However, the low levels of BNC production during the fermentation process should be overcome to reduce its production cost. Therefore, in this study, we screened and identified a new cellulose-producing bacterium, optimized production of the cellulose, and investigated the morphological properties of the cellulosic materials. Out of 147 bacterial isolates from ripened fruits and traditional vinegars, strain SFCB22-18 showed the highest capacity for BNC production and was identified as Komagataeibacter sp. based on 16S rRNA sequence analysis. During 6-week fermentation of the strain using an optimized medium containing 3.0% glucose, 2.5% yeast extract, 0.24% acetic acid, 0.27% $Na_2HPO_4$, and 0.5% ethanol at $30^{\circ}C$, about 5 g/l of cellulosic material was produced. Both imaging and IR analysis proved that the produced cellulose would be nanoscale bacterial cellulose.

• 한국미생물·생명공학회지
• /
• 제47권4호
• /
• pp.565-573
• /
• 2019

섬유소계 바이오매스로부터 바이오 연료 등과 같은 유용한 물질을 생산하기 위해서는 바이오매스로부터 유래하는 혼합당을 효과적으로 대사할 수 있는 균주의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 xylose를 대사가 가능한 효모인 P. stipitis를 적응진화하여 cellobiose 대사효율이 향상되고 cellobiose와 xylose를 동시에 대사할 수 있는 균주를 개발하고자 하였다. 총 10회의 계대배양을 통해 얻어진 진화된 P. stipitis 돌연변이 균주는 모균주에 비해 6배 이상 증가된 cellobiose 대사속도를 나타내었으며 ethanol 생산수율을 0에서 0.4 (g ethanol/g cellobiose)로 향상시켰다. 아울러 본 실험에서 개발한 돌연변이 균주는 cellobiose와 xylose 혼합당 조건에서 모균주에 비해 2배 가까이 향상된 ethanol 생산 및 생산속도를 나타내었다.