Citrus와 Coffee등 농업폐기물을 활용한 바이오에너지 생산 : Feasible Approach of Agricultural Wastes such as Citrus and Coffee for Bioenergy Production
저자
발행사항
광주 : 전남대학교 대학원, 2014
학위논문사항
Thesis(doctoral)-- 전남대학교 대학원 : 임산.조경학과 임산공학 2014. 2
발행연도
2014
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
대한민국
형태사항
108 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 배현종
소장기관
바이오에너지는 화석 연료에 비해 환경오염 물질을 적게 배출할 뿐 아니라 바이오매스를 이용함으로써 환경 친화적인 재생 에너지로서의 가치를 가지며, 생육과정에서 온실가스를 줄이거나 제거하는 흡수원(sink)이다. 바이오에너지의 개발은 에너지 해외의존도를 낮추고 국내 에너지 자립도를 높여줄 수 있으며, 환경 친화적인 에너지를 이용함으로써 온실가스 및 대기오염 저감효과를 통해 환경에도 긍정적인 영향을 미친다. 그 중 바이오에탄올은 궁극적으로 수송용 에너지 분야에서 화석 연료를 대체할 수 있으며 기존 연료 공급 및 내연기관 시스템에 적용 가능하여 이산화탄소 배출 감소에 기여할 것이다. 현재 바이오에탄올 주생산 자원으로는 옥수수, 사탕수수 등을 이용하고 있으나, 식량자원과 경합에 의한 비용증대로 농업부산물, 목재부산물, 초본류 등 비식용 섬유질계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오에탄올 생산을 위해 다양한 바이오매스 원료와 전처리 기술이 제안되었지만, 바이오매스의 원료 비용과 고비용의 전처리 공정은 여전히 경제적인 바이오에탄올 생산을 어렵게 하고 있다. 다양한 바이오매스 원료 중 농업 폐기물은 바이오에탄올 생산을 위한 잠재력이 큰 바이오매스이다. 그 중 과일이나 커피 등 농산물 가공 산업에서 버려지는 농업 폐기물은 바이오에탄올 생산이 가능한 올리고당을 다량 함유하였으며, 바이오에탄올 생산비중 가장 높은 비중을 차지하는 바이오매스의 원료비용이 발생되지 않음으로써 저비용으로 바이오에탄올 생산이 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 농업폐기물 바이오매스 특성에 따른 최적 바이오에탄올 생산을 위해 효과적인 전처리 공정 조건과 최적 효소투입량을 산출하였으며 발효 효율을 높이기 위한 연구를 수행하였다. 구체적으로 제1장에서는 우리나라에서 폐기되는 감귤박을 이용한 바이오에탄올 생산 타당성을 살폈으며, 제2 장에서는 매년 커피음료 소비량이 증가하여 발생하는 커피찌꺼기를 이용한 바이오에탄올 생산 가능성을 연구하였다. 마지막으로 제 3장에서는 오렌지, 감귤, 자몽, 레몬, 라임등 citrus계열 과일 폐기물과 바나나, 사과, 배 폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산에 관한 연구를 수행하였다.
제 1장에서는 감귤박(Citrus unshiu)으로부터 바이오에탄올을 생산 가능성을 살펴보았다. 감귤박은 발효저해물질로 작용하는 천연화학성분(limonene)을 함유하고 있어 효율적인 바이오에탄올 생산을 위해서는 발효저해물질이 반드시 제거되어야 한다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 발효저해물질인 limonene 제거공정(팝핑전처리)을 개발하였다. 팝핑 전처리는 화학 약품을 사용하지 않고 150 oC에서 10분 동안 실시 하였으며 전처리 후 감귤박의 입자 크기는 1 mm 미만으로 감소하였고, 감귤박에 함유된 limonene의 함유량은 효모를 이용 발효가능 농도인 0.01 % 이하로 감소하였다. 감귤박의 효소가수 분해는 팝핑전처리 후 1%의 기질농도로 50 mM의 아세트산 나트륨 완충액을 (pH 4.8) 사용하여 45 oC 에서 10 시간 동안 진행하였으며, 효소당화율은 95.6 %을 나타냈다. 효소당화 후 회수한 당화산물은 감압농축공정을 거쳐 10 %의 당 농도로 농축하였고 농축당은 7.1%의 glucose 와 2.9%의 fructose로 구성되었다. 농축당을 Saccharomyces cerevisiae를 이용하여 발효한 결과 팝핑 전처리로 발효저해물질이 제거된 감귤박 당화물은 12시간동안 90.6%의 발효 효율을 나타냈으나 대조군의 경우 36시간이 경과되었음에도 78.0%의 발효 효율이 나타났다.
제 2장에서는 국내외에서 점차로 그 시장을 넓혀가고 있는 커피가공산업에서, 원두커피음료와 인스턴트 커피를 생산 후 폐기되는 커피폐기물를 활용하여 바이오에탄올 생산 가능성을 살펴보았다. 커피폐기물에 포함된 효모 발효가능당인 glucose, galactose, mannose 등을 가스크로마토그래피 (Gas chromatography)를 이용하여 분석하였고, 팝핑 전처리기를 이용하여 최적의 전처리 조건을 확립하였다. 최적의 전처리 조건(1.47 MPa, 10분)에서 커피폐기물의 효소가수분해효율은 85.6%로 나타났다. 또한 최적의 전처리와 효소당화조건을 기준으로 동시당화발효공정(Simultaneous Saccharification and Fermentation)을 거쳐 87.2%의 발효효율을 얻었으며, 바이오에탄올 생산량은 15.3 g/L임을 확인하였다.
제 3장에서는 지금까지는 단순 매립, 해양투기 등으로 처리되는 농업가공산업 과일폐기물을 활용한 바이오에탄올 생산 가능성을 살펴보았다. 과일폐기물은 sucrose, glucose, fructose 등 발효 가능당의 농도가 높은 특징을 갖는다. 그러나, citrus 계열의 과일폐기물은 발효공정에서 발효저해제로 작용하는 limonene을 포함하고 있어 효율적인 에탄올 생산을 위해서는 limonene을 반드시 제거해야 한다. 이를 위해 리모넨이 함유된 citrus 계열 폐기물을 단독 혹은 바나나, 사과, 배 폐기물과 혼합 처리하여 복합적인 과일 폐기물을 활용한 바이오에탄올 생산 가능성을 탐색하였다. 그리고 일반적으로 효소가수분해를 위해 사용되는 고비용의 상업적 효소를 대체하기 위해서 과일폐기물 가수분해에 적합한 최적화 효소군(cellulase, pectinase, xylanase)을 자체 생산하였다. 이러한 효소를 사용하여 고농도 과일폐기물(기질농도: 12~15 %)에서 약 90%의 효소당화율을 확인 하였고, 발효저해물질인 limonene을 raw-carbon과 activated-carbon을 이용한 흡착제거공정을 통해 제거하였다. 흡착제거공정을 거친 효소당화물은 고정화효모를 이용한 연속식 발효공정(immobilized yeast fermentation)을 거쳐 바이오에탄을 생산했으며, limonene이 제거되지 않은 효소당화물에 비해 약 12배 가량 높은 발효효율을 나타냈다.
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