Studies of bioethanol production and heavymetal adsorption using macroalgae

국문 초록 (Abstract)

해양거대조류를 이용한 바이오에탄올 생산 및 중금속 흡착


선 우 인 영


부경대학교 과학기술융합전문대학원 해양바이오융합과학전공



요 약

본 연구에서는 G. amansii, S. japonica 그리고 E. intestinalis를 이용하여 열 산 가수분해, 효소당화 그리고 3종의 균주로부터 바이오에탄올 생산의 최적조건을 확립하는 연구를 수행하였다. 또한 에탄올 생산 후 폐기되는 해조류를 재사용하여 도금공장에서 배출되는 폐수의 중금속을 흡착하는 연구를 진행하였다. 바이오에탄올 생산의 최적 조건은 G. amansii의 경우 8% (w/v) 슬러리와 0.1 N의 황산을 이용하여 121℃에서 90분간 열처리 후 Celluclast 1.5L과 Viscozyme L을 섞은 혼합효소를 이용한 조건에서, S. japonica와 E. intestinalis의 경우 8% (w/v) 슬러리와 0.18 N의 황산을 이용하여 121℃에서 60분간 열처리 후 S. japonica의 경우 Celluclast 1.5L과 Spirizyme Fuel의 혼합효소에서, 또한 E. intestinalis의 경우 Celluclast 1.5L과 Viscozyme L을 섞은 혼합효소를 이용하여 효소당화 한 결과 각 각 36.4 g/L, 29.9 g/L 그리고 20.6 g/L 의 monosaccharide를 얻었다. 에탄올 발효를 한 결과 G. amansii를 S. cerevisiae로 발효하여 14.8 g/L의 에탄올을 얻었으며, 생산수율(YEtOH)은 0.41로 나타났고, S. japonica를 P. angophorae로 발효하여 11.6 g/L의 에탄올을 얻었으며, YEtOH은 0.34를 나타났다. E. intestinalis를 C. lusitaniae로 발효하여 9.9 g/L의 에탄올을 얻었으며 YEtOH은 0.48을 얻었다. 이 결과로 홍조류에서 가장 높은 농도의 에탄올을 생산하였다. 이 후 Cr(Ⅲ), Ni(Ⅱ) 그리고 Cu(Ⅱ)가 함유된 폐수에 폐기되는 슬러리를 10에서 130 g/L로 조절하여 흡착 실험한 결과 세종의 해조류 모두 슬러리양을 증가시킬수록 흡착은 증가하는 것으로 나타났다. Cu(Ⅱ)의 경우 10 g/L의 G. amansii 폐 해조류 슬러리를 첨가하여도 85.2%의 흡착률을 보이며 가장 높은 친화도를 확인할 수 있었다. 또한 세 종의 폐 해조류 중 홍조류가 가장 높은 흡착능을 나타내었다. 이결과로서 홍조류가 바이오에탄올 및 바이오흡착에 가장 적합한 바이오매스라고 판단된다.
이전 실험에서 가장 많은 에탄올을 생산했던 홍조류 4종 (Gelidium amansii, Gracilaria verrucosa, Kappaphycus alvarezii 그리고 Eucheuma denticulatum)을 이용하여 바이오에탄올을 생산하는 실험을 진행하였다. 열 산 가수분해와 효소당화과정 이후, G. amansii, G. verrucosa, K. alvarezii 그리고 E. denticulatum로 부터 각 각 38.5 g/L, 39.9 g/L, 31.0 g/L 그리고 27.5 g/L의 단당을 얻었다. 에탄올 발효에는 고 농도의 galactose에 순치한 Saccharomyces cerevisiae KCCM 1129를 사용하였다. G. amansii, G. verrucosa, K. alvarezii 그리고 E. denticulatum을 통한 최종 에탄올 생산양은 각 각 18.8 g/L (YEtOH=0.49), 19.1 g/L(YEtOH=0.48), 14.5 g/L(YEtOH=0.47), 13.0 g/L(YEtOH=0.47)의 에탄올을 얻었다. 에탄올 생산 이후 남은 폐 해조류 슬러리를 이용 하여 Cd(II), Pb(II) 그리고 Cu(II)에 생물 흡착실험을 진행하였다. Langmuir 평형 모델을 이용하여 흡착능을 평가한 결과, Cu(II)가 세 종의 중금속 중 가장 높은 qmax 값과 전기음성도를 나타내며 폐해조류와 가장 높은 친화도를 보였다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS
• Chapter.Ⅰ. Evaluation of ethanol production and bioadsorption from red, brown and green seaweeds
• 1.1. INTRODUCTION 1
• 1.2. MATERIALS AND METHODS 4
• 1.2.1. Raw material 4
• 1.2.2. Thermal acid hydrolysis and enzymatic saccharification 4
• 1.2.3. Ethanol fermentation 6
• 1.2.4. Pretreatment of bioadsorption process 7
• 1.2.5. Bioadsorption 7
• 1.2.6. Analytic method 8
• 1.3. RESULTS AND DISCUSSION 9
• 1.3.1. Thermal acid hydrolysis 9
• 1.3.2. Enzymatic saccharification 13
• 1.3.3. Fermentation 16
• 1.3.4. Bioadsorption 21
• 1.4. CONCLUSION 25
• REFERENCES 26
• Chapter. Ⅱ. Evaluation of ethanol production and bioadsorption of heavy metals by various red seaweed
• 2.1. INTRODUCTION 30
• 2.2. MATERIALS AND METHODS 32
• 2.2.1. Raw material and composition analysis 32
• 2.2.2. Thermal acid hydrolysis and enzymatic saccharification 33
• 2.2.3. Adapted yeast and ethanol fermentation 34
• 2.2.4. Bioadsorption 35
• 2.2.5. Analytic method 36
• 2.3. RESULTS AND DISCUSSION 37
• 2.3.1. Composition of the four red seaweeds 37
• 2.3.2. Thermal acid hydrolysis 39
• 2.3.3. Enzymatic saccharification 42
• 2.3.4. Fermentation 45
• 2.3.5. Bioadsorption of heavymetal to four waste red seweed slurries 49
• 2.4. CONCLUSION 55
• 2.5. ACKNOWLEDGMENT 56
• REFERENCES 58