고정화 Pichia stipitis 를 이용한 글루코오스/자일로오스 혼합당으로부터 에탄올 생산

Abstract

바이오에탄올은 석유를 대체하여 수송용 연료로 사용될수 있는 주요한 연료이다. Cellulosic 에탄올은 나무나 풀,식물의 비식용 부분으로부터 생산되는 에탄올을 말한다. 즉,cellulosic 에탄올은 식물의 가장 큰 부분을 차지하는 리그노셀룰로오스로부터 생산되는 바이오연료이다. 리그노셀룰로오스는 크게 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 그리고 리그닌으로 구성되어 있다 [1-4]. Corn stover, switchgrass, miscanthus,woodchips 그리고 잔디나 나뭇가지는 에탄올 생산을 위한대표적인 cellulosic 물질들이다. 리그노셀룰로오스를 이용하여 에탄올을 생산하는 것은 옥수수나 사탕수수를 이용하는것과 비교했을 때 다양하고 풍부한 원료를 이용할 수 있다는장점이 있으나 미생물 발효를 통해 에탄올을 생산하기 위해서는 당 단위체를 만들기 위해 복잡한 공정이 필요하다는단점이 있다 [5,6]. 전통적으로 6탄당을 탄소원으로 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 이용하여 에탄올을 생산하는방법은 주류산업에서 사용되어 왔다. 리그노셀룰로오스의경우, 복잡한 탄수화물적 특성으로 인해 가수분해물에 자일로오스와 아라비노오스 (리그노셀룰로오스의 헤미셀룰로오스부터 발생되는 5탄당 물질) 같은 물질이 존재하게 된다. 예를 들면, 옥수수 껍데기의 가수분해물의 경우는 전체 발효가능한 당의 30% 정도가 자일로오스이다. 결과적으로 가수분해물에 존재하는 모든 당을 이용할 수 있는 균주의 발효능력이 cellulosic 에탄올과 바이오 기반 화학물질의 경제적경쟁력을 증가시키기 위해 필수적인 요소다. 식물의 바이오매스 가수분해물의 경우, 5탄당인 자일로오스가 주요 단당이지만 이는 Saccharomyces cerevisiae 에 의해 발효가 되지 않는다. 비록 S. cerevisiae가 자일로오스를 발효하거나 동화시킬 수 없지만 이는 효모의 일반적인 성질이 아니다. 자일로오스의 발효에 관한연구는 1980년대 초부터 이루어져 왔으며 Pachysolen tannophilus와 Candida tropicalis 같은 효모는 자일로오스를 발효하여 알코올을 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌다 [7,8]. 자일로오스 배지에서 생장하는 200여종의 효모균주들을 집중적으로 분류, 선별하여 실험한 결과 20 g/L 의 자일로오스를 탄소원으로 발효 실험을 한 결과 0.1-1.0 g/L의 에탄올을 생산하는 19가지 균주들을 찾아냈다. Brettanomyces naardenensis, Candida shehatae, Candida tenuis, Pa.tannophilus, Pichia segobiensis, 그리고 Pichia stipitis와 같은 균주들은 1.0 g/L 이상의 에탄올을 생산하였다 [9]. 자일로오스의 이용은 리그노셀룰로오스를 연료나 화학물질로 효율적인 전환을 하기 위한 필수적인 부분이다 [10]. 현재 소수의 효모만이 자일로오스를 직접 에탄올로 발효시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 전환율과 수율의 측면에서 바이오에탄올의 상업화를 위해 개선이 필요한 상황이다. 리그노셀룰로오스 가수분해물에 존재하는 글루코오스가자일로오스 이용을 억제하기 때문에 자일로오스로부터 에탄올로 전환을 최대화하기 위해서는 글루코오스의 조절이 이루어져야 한다. 리그노셀룰로오스로부터 에탄올로 상업적인생물전환을 위해서는 혼합당의 효율적인 발효가 필요하며생산 수율이 낮고 폐기물의 처리비용이 비싸다는 단점을극복해야 한다. 리그노셀룰로오스는 공급 원료에 따라 다양하지만 크게 6탄당인 D-글루코오스, D-마노오스, D-갈락토오스와 5탄당인 D-자일로오스, L-아라비노오스의 5가지종류의 당을 포함하고 있다. 과당과 수크로오스는 일반적으로 리그노셀룰로오스에서는 나타나지 않는다. S. cerevisiae 를 이용한 글루코오스의 발효는 수 천년 동안 이루어져 온데비해 5탄당의 발효는 상대적으로 최근에 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 아직까지 여러 문제점을 안고 있다. 그러므로 본 연구의 목적은 글루코오스와 자일로오스의 혼합당을동시에 발효하여 에탄올 생산을 증가시키는 것이며, 또한에탄올 생산에서의 세포고정화의 영향과 ICR (immobilized cell reactor)을 이용한 혼합당에서의 에탄올 연속생산을 수행하는데 있다.