바이오에탄올 생산을 위한 다시마 가공 잔재물의 가수분해 최적화 = Optimal hydrolysis of Laminaria japonica processing residue for bioethanol production

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 다시마 가공 잔재물을 이용해 바이오에탄올 생산을 위한 고효율의 순차적 가수분해 방법을 개발한 것으로, 해조류의 가수분해 방법에 대해 고찰하였고, 다시마를 산 촉매 수열 가수분해 반응으로 환원당 생산을 위한 최적의 가수분해 조건을 찾기 위하여, 먼저 다시마 탄수화물의 주요 구성분인 셀룰로오스, 알긴산, 만니톨 각각의 시약을 이용하여 산 촉매 수열 가수분해를 실시하였다. 그리고 주요 구성분의 최적화 조건들을 기준 삼아 다시마를 산 촉매 수열 가수분해하여 최적의 가수분해 조건을 도출하였다. 다시마의 가공 잔재물을 효소로 가수분해하여 환원당 생산을 최대화시키기 위한 최적의 가수분해 조건을 검토하였다. 효소는 보고된 문헌을 참고하여 단일효소(Celluclast 1.5L, Alginate Lyase, Saczyme)와 혼합효소(Celluclast 1.5L : Alginate Lyase : Saczyme)를 선정한 후 효소 가수분해에 이용하였다. 단일효소 가수분해는 다시마 가공 잔재물을 단일효소로 가수분해하여 최적의 가수분해 조건과 효소 혼합 비율을 도출하기 위해 실험을 실시하였으며, 혼합효소 가수분해는 단일효소 처리에서 도출된 3가지의 최적 가수분해 조건을 모두 포함시켜 재설정된 실험조건으로 다시마 가공 잔재물을 혼합효소로 가수분해하여 최적의 가수분해 조건을 재검토하였다. 따라서 순차적 가수분해는 도출된 산 촉매 수열 가수분해 조건으로 가수분해 후 단일효소 또는 혼합효소를 이용하는 순차적 가수분해 방법을 개발하고자 하였다. 본 연구의 순차적 가수분해에 이용한 효소는 Celluclast 1.5L, Alginate lyase, Saczyme와 이 세 효소를 8:1:11 (30%, v/w-Laminaria japonica)로 혼합한 혼합효소이다. 그 결과, 바이오에탄올 생산을 위한 다시마 가공 잔재물의 고효율 순차적 가수분해 조건으로, 산 촉매 수열 가수분해 (0.108 N HCl, 144 °C, 22 분) 후, 단일효소 Celluclast 1.5L (8% v/w, 42.6 °C, pH 4.1, 26 시간)를 이용한 가수분해 방법을 개발하게 되었다. 다시마 가공 잔재물의 산 촉매 수열 가수분해와 효소 가수분해 조건을 구하기 위해, 각각 독립변수 3가지 (반응온도, 반응시간, 염산의 농도), 독립변수 4가지 (효소 주입량, 반응시간, pH, 반응온도)와 종속변수로 환원당 수율을 선정하고 반응표면분석법 (response surface methodology: RSM)을 적용하여 최적화 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 1. 연구배경 1
• 1) 해조류 바이오에탄올의 필요성 1
• 2) 해조류의 종류 및 특성 8
• 2. 연구목적 11
• 제2절 연구의 구성 13
• 제2장 문헌 고찰 14
• 제1절 배경 14
• 제2절 해조류의 가수분해 조사 방법 16
• 제3절 가수분해 방법별 특징 17
• 1. 물리적 처리 17
• 2. 화학적 처리 17
• 3. 생물학적 처리 19
• 4. 순차적 처리 20
• 5. 수열 처리 22
• 6. 가수분해 방법 비교 23
• 제4절 요약 28
• 제3장 다시마 가공 잔재물의 산 촉매 수열 가수분해 특성
• 30
• 제1절 배경 30
• 제2절 재료 및 방법 34
• 1. 실험재료 34
• 2. 실험 및 분석방법 34
• 1) 다시마의 산 촉매 수열반응 조건 설정을 위한 예비실험 34
• 2) 다시마의 산 촉매 수열반응 조건 설정을 위한 본 실험 36
• 3) 분석방법 36
• 3. 통계분석 38
• 제3절 결과 및 고찰 42
• 1. 다시마 구성분의 산 촉매 수열 가수분해 50
• 1) 셀룰로오스의 산 촉매 수열 가수분해 50
• 2) 알긴산의 산 촉매 수열 가수분해 54
• 3) 만니톨의 산 촉매 수열 가수분해 56
• 2. 예비 실험에서 다시마의 산 촉매 수열 가수분해(LJ-1) 58
• 3. 본 실험에서 다시마의 산 촉매 수열 가수분해(LJ-2) 60
• 4. 산 촉매 수열 가수분해 최적화 62
• 제4절 소결론 65
• 제4장 다시마 가공 잔재물의 효소 가수분해 특성 66
• 제1절 배경 66
• 제2절 재료 및 방법 70
• 1. 실험재료 70
• 2. 실험 및 분석방법 71
• 1) 다시마 가공 잔재물의 단일효소 가수분해 72
• 2) 다시마 가공 잔재물의 혼합효소 가수분해 75
• 3) 분석방법 75
• 3. 통계분석 76
• 제3절 결과 및 고찰 78
• 1. 단일효소를 이용한 가수분해 88
• 1) Celluclast 1.5L를 이용한 가수분해 88
• 2) Alginate lyase를 이용한 가수분해 91
• 3) Saczyme을 이용한 가수분해 94
• 2. 혼합효소를 이용한 가수분해 97
• 제4절 소결론 100
• 제5장 다시마 가공 잔재물의 순차적 가수분해 102
• 제1절 배경 102
• 제2절 재료 및 방법 104
• 1. 실험재료 104
• 2. 실험 및 분석방법 105
• 1) 산 촉매 수열반응-단일효소를 이용한 순차적 가수분해 105
• 2) 산 촉매 수열반응-혼합효소를 이용한 순차적 가수분해 107
• 3) 분석방법 107
• 제3절 결과 및 고찰 109
• 1. 산 촉매 수열반응-단일효소를 이용한 순차적 가수분해 111
• 1) Celluclast 1.5L를 이용한 순차적 가수분해 111
• 2) Alginate lyase를 이용한 순차적 가수분해 112
• 3) Saczyme을 이용한 순차적 가수분해 112
• 2. 산 촉매 수열반응-혼합효소를 이용한 순차적 가수분해 113
• 제4절 소결론 114
• 제6장 총결론 115
• 참고문헌 119
• ABSTRACT 132
• 감사의 글