동시당화추출발효방법을 이용한 섬유성바이오매스로부터의

Lactic Acid 생산

공창범, 최실호, 우창호, 윤현희

경원대학교 화학공학과

Simultaneous Saccharification and Extractive Fermentation of Cellulosic Biomass for Lactic acid Production

Chang Bum Kong, Shil Ho Choi, Chang Ho Woo, Hyon Hee Yoon

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

Lactic acid(2-hydroxyprpanoic acid)는 식품, 의약품 및 각종 유기화합물의 주부원료로 광범위하게 사용되고 있다. 특히 최근에는 생분해성 및 생체활성 고분자 등의 원료로 그 수요의 증대가 예상되고 있다.[1] 미생물 발효방법에 의한 lactic acid 생산의 주원료는 lactose 혹은 전분(whey, corn, sweet sorghum, sugarcane 등) 유래의 glucose이며 이것들은 식품으로 사용될 수 있기 때문에 가격이 비싸고 결과적으로 lactic acid의 생산원가를 높이는 원인이 되고 있다. 따라서 풍부한 섬유성바이오매스 자원을 대체원료료 사용한다면 lactic aicd 생산의 경제성을 높일 수 있을 것이다.

섬유성 바이오매스로부터 lactic acid를 생산하기 위해서는 cellulose를 효소당화하여 glucose로 전환하고 이를 lactic acid로 발효시키는 공정이 요구된다. 동시당화발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF)는 이와 같은 효소반응과 발효반응을 동시에 한 개의 반응기에서 수행하는 것으로, 효소사용량을 최소화하고 공정이 단순화되는 장점을 갖고 있으며 최근 에탄올 생산공정에서 그 효과가 입증되고 있다.[2] Lactic acid 생산균주는 내열성을 갖고 있기 때문에 SSF공정이 lactic acid 생산에 특히 적절한 것으로 판단된다.[3] 즉, SSF의 조업온도를 가수분해 효소의 최적온도까지 올릴 수 있기 때문에 SSF의 전체 효율을 높일 수 있다. 그러나, 대부분의 유기산과 마찬가지로 lactic acid 발효는 최종생성물에 의한 저해 작용이 심각하다.[4] 그러므로, 효과적인 SSF 공정을 위해서는 발효도중 lactic acid의 제거가 필요하다.

본 연구에서는 SSF에서 lactic acid의 inhibition 영향을 평가하고, lactic acid 분리를 위한 적절한 이온교환수지를 선정하기 위하여 각종 이온교환수지의 pH와 온도에 따른 lactic acid 흡착성능을 조사하였으며, SSF에 이온교환수지를 이용한 lactic acid 제거공정을 결합하여 그 성능을 조사하였다.

재료 및 방법

효소 및 균주

Cellulose 가수분해효소는 Cytolase CL(Environmental Bio Technologies, Inc.)을 사용하였다. 이 효소의 활성도는 96 IFPU/mL 이었다.

균주는 Lactobacillus delbruechii(KCCM No. 35470)를 한국미생물보존센터로부터 분양 받아 사용하였다. 종균배양은 MRS 배지를 사용하여 37℃, pH 6.4 에서 24시간 동안 배양하였다.

동시당화발효 실험

발효배지의 조성은 yeast extract 60g/L, soduim acetate 1.67g/L, (NaPO3)n 1.67g/L, MgSO4·7H2O 1, FeSO4·7H2O 0.05, MnSO4·H2O 0.05 g/l 이었으며, 기질은 □-cellulose를 사용하였다. 효소주입량은 25 IFPU/g cellulose, 종균배양액은 10%를 각각 사용하였다. SSF실험은 200mL 유리병에 100mL의 배양액으로  45℃, pH 5.0의 조건에서 수행하였다. 발효도중 lactic acid 생산에 의한 산성화를 방지하기 위하여 CaCO3를 첨가하였다. Lactic acid 추출을 결합한 SSF 실험에서는 CaCO3 대신 이온교환수지(IRA-400)를 첨가하여 SSF를 수행하였다.

흡착실험

본 실험에 사용한 이온교환수지는 일반적으로 유기산정제에 흔히 사용되고 있는 Amberlite IRA-400, IRA-910, MWA-1 등이다. 각각의 수지는 다음과 같은 전리를 한 후에 흡착실험에 사용하였다. Amberlite IRA-400은 먼저 증류수로 세척한 후 2.5N NaOH 용액으로 세척하여 chloride ion을 제거하고 다시 alkali를 제거하기 위하여 증류수로 세척하였다. Amberlite IRA-910과 MWA-1은 5% HCl과 4% NaOH 용액으로 번갈아 세척한 다음, 최종적으로 세척수의 pH가 8이하가 될 때까지 증류수로 세척하였다. 전처리된 수지는 desiccator 안에서 48시간동안 건조시켜 사용하였다. 흡착실험은 SSF의 조업조건인 45℃, pH 5.0 부근에서 lactic acid의 초기농도가 10, 20, 30, 40, 50 g/L인 용액에 수지 100g/L를 첨가하여 48시간 동안 흡착시켜 흡착된 lactic acid의 양을 측정하였다.

분석

유기산 및 당성분은 HPLC로 분석하였다. 사용한 column은 HPX-87H(BioRad)이고 이동상은 0.005M H2SO4 이었다.

결과 및 토론

Lactic acid Inhibition

Cellulose로부터 lactic acid를 생산하기 위한 SSF공정에서 생성물인 lactic acid가 미치는 영향을 조사하였다. Fig.1은 lactic acid를 각각 0, 10, 20, 30 g/L 첨가하고 SSF를 수행하여 반응시간에 따른 SSF 용액내의 lactic acid 농도변화를 나타낸 것이다. 각 SSF 용액의 초기 pH는 5.0으로 조절하였다. Fig.1에 나타난 바와 같이 lactic aicd를 첨가하지 않은 경우에 반응시간에 따라 지속적인 lactic acid의 생산을 나타내고 있다. 그러나, lactic acid가 발효초기부터 첨가된 경우에는 lactic acid의 농도변화가 거의 없는 것을 관찰할 수 있다. 일반적으로 유기산의 저해작용은 유기산의 용액 내에서의 형태(undissosiated 혹은 dissociated form)에 따라 다르게 된다. 본 실험에서는 lactic acid의 농도를 HPLC로 측정하였는데, 이때 측정된 lactic acid의 양은 free lactic acid와 lactate가 합쳐진 것이다. 따라서 본 실험의 결과는 lactic acid의 형태에 따른 저해작용을 구별할 수 없다. 그러나 전체적으로 lactic acid의 저해작용은 심각한 것으로 나타났으며, 따라서 SSF를 효과적으로 조업하기 위해서는 SSF도중 생성된 lactic acid를 제거시키는 공정이 필요한 것으로 판단된다.

Lactic acid adsorption

SSF공정에서 생성된 lactic acid의 분리에 적절한 이온교환수지를 선정하기 위하여, 유기산 흡착에 흔히 사용되고 있는 IRA-400, IRA-910, MWA-1 등의 이온교환의 흡착특성을 조사하였다. Fig.2는 각 이온교환 수지의 흡착성능을 나타낸 것이다. 흡착실험은 SSF의 조업조건인 pH 5.0과 45℃에서 lactic acid의 초기농도가 10, 20, 30, 40, 50 g/L인 용액에 수지 100g/L를 첨가하여 48시간 동안 흡착시킨 것이다. Fig.2에서 보는바와 같이 IRA-400 수지가 lactic acid 흡착능이 62g/g dry resin 으로 가장 우수하였다. 이온교환수지를 SSF공정에 사용하기 위해서는 멸균공정이 필요하다. 본 실험에 사용한 IRA-910과 MWA-1 수지들은 온도가 높은 경우에 수지의 변성을 일으킨다. 반면에 IRA-400 수지의 경우는 멸균온도인 121℃에서도 수지의 변성을 가져오지 않는 장점을 갖고 있다. 따라서 IRA-400 수지를 선정하여 SSF공정에 사용하게 되었다.

이온교환수지를 이용한 동시당화추출발효

SSF도중 생성된 lactic acid를 분리제거하기 위하여 SSF용액에 이온교환수지를 첨가하고 SSF실험을 수행하였다. Fig.3은 SSF도중 pH조절을 하지 않은 단순 회분식 SSF,  CaCO3를 첨가한 SSF, 이온교환수지를 첨가한 SSF에서 반응시간에 따라 생성된 lactic acid의 농도를 나타낸 것이다. Fig.3에 나타난 바와 같이 단순 SSF인 경우 lactic acid 농도가 반응시간 72시간에서 11.0g/L인 반면에, CaCO3를 첨가한 SSF 한 경우에 30.4g/L 까지 도달하였다. 이것은 발효도중 생성된 lactic acid가 CaCO3에 의하여 중화되어 발효액의 pH가 조절되었기 때문이다. 그러나, CaCO3은 lactic acid와 결합하여 발효에 의해 생성된 lactic acid의 회수시 정제가 어려운 문제점이 있다. SSF용액에 이온교환수지를 첨가한 경우, Fig.3에 나타난 바와 같이, lactic acid의 농도가 32.0g/L로 CaCO3를 첨가한 경우에 비하여 생산성이 향상되었다. 이온교환수지를 첨가하므로서 lactic acid가 제거되고 이로 인하여 생성물저해가 감소되고 또한 용액의 pH가 스스로 조절되었기 때문이다. 이와 같은 실험결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다. 즉, SSF를 이용한 lactic acid 생산공정에서 이온교환수지를 사용하여 추출발효를 결합하므로서 lactic acid의 생산성을 향상 증가시킬 수 있으며, 또한 발효액의 pH 조절과 생성물의 회수가 용이하게 된다.

감사

본 연구는 교육부 생물화학공학분야 연구과제로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] Lipinsky, E.S. and R.G. Sinclair, Chem. Eng. Prog., 82, 26 (1986)

[2] Takagi, M., Abe, S., Suzuki, S., Emert, G. H., and Yata, N., in Proceedings of the Bioconversion Symposium, IIT, Delhi, Ghose, T. K., ed., 551 (1977)

[3] Abe, S. and M. Takagi (1991) Biotechnol. Bioeng., 37, 93.

[4] Y도, P.L.H., Hajipai, R.K., and Ionnotti, E.L., J. Fermentation Bioeng., 71, 75

(1991)

Fig. 1. Lactic acid inhibition on SSF      Fig. 2. Lactic acid adsorption by

at pH 5.0 and 45℃.                       various ion-exchange resins at

initial pH 5.0 and 45℃.

Fig. 3. Concentration Profiles during SSF and extractive SSF

of □-cellulose at initial pH 5.0 and 45℃.