White rot fungus Cerrena unicolor IUM 5400 produced ethanol from diverse sugars, including glucose, mannose, galactose, and cellobiose at 0.38, 0.28, 0.08, and 0.27 g of ethanol per g of sugar consumed, respectively. The fungus produced relatively high amounts of ethanol from xylose (0.28 g of ethanol per g of sugar consumed); however, the ethanol conversion rate of arabinose was relatively low (at 0.08 g of ethanol per g sugar consumed). When cultured in a basal medium containing 20 g/L rice straw or corn stalks, C. unicolor IUM 5400 produced 0.18 g and 0.18 g of ethanol per g of rice straw and corn stalks, respectively. The results suggest that C. unicolor IUM 5400 is a white rot fungus that can effectively hydrolyze cellulose or hemicellulose to sugars and simultaneously convert them to ethanol.

단수수[Sorghum bicolor (L)]는 당류가 풍부한 사탕수수, 사탕무와 같은 주요 바이오연료 작물 중의 하나이다. 단수수 착즙액은 단수수 줄기를 압착하여 추출하며 주요 성분는 glucose와 fructose 그리고 sucrose로 구성되어 있다. 에탄올은 효모발효공정을 통하여 단수수 착즙액으로부터 쉽게 생산할 수 있다. 단수수 착즙액은 당류 뿐만 아니라 질소나 인산과 같은 다양한 무기영양원도 함유하고 있어 종균 배지로 활용성이 높다. 상업적인 에탄올 생산 공정에서 종균배양은 중요한 발효공정 중의 하나이며 공정비용 절감 을 위해 최적화된 배지가 필수적이다. 본 연구에서는 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균의 배지로서 단수수 착즙액의 특성을 평가하였다. 단수수착즙액의 발효기질 적합성을 평가하기 위해 YPD 및 억새 당화 액을 비교하여 실험하였으며, YPD배지 중 yeast extract 와 peptone은 각각 5 g/L의 농도로 사용하였다. 각각의 기질들은 당 농도가 2%, 5%, 10%가 함유되도록 제조하여 발효를 통한 균체농도를 측정하였다. 그 결과 YPD와 단수수착즙액을 배지로 사용하였을 때 발효 24시간 후에 최대 2.5 x 108 CFU/mL 이상의 균 체농도를 나타내었다. 결과적으로 단수수착즙액은 12시간 발효 후에 1.0 x 108 CFU/mL 균체를 생산하여 섬유질계 바이오에탄올 생산을 위한 종균 배지로서 YPD를 대체하여 사용할 수 있음을 확인하였다.

Populus euramericana is emerging as a viable feedstock for producing bioethanol from renewable resources. Steam explosion pretreatment of P. euramericana can solubilize a significant portion of the hemicellulosic component and enhance the glucose conversion of the remaining cellulose for fermentation into ethanol. In this study, steam explosion condition of P. euramericana is performed in a steam explosion reactor at severity log Ro 4.02 and severity log Ro 4.37. Glucose conversion varied from 72.3% to 80.1% of steam exploded P. euramericana at severity log Ro 4.02 and severity log Ro 4.37. Ethanol yields(%) based on sugar content after enzymatic hydrolysis after 48 h fermentation ranged from 87.0% to 88.4%. As a result, from 100 g of raw material, 14.0 g of ethanol are recovered of 47.3 g available cellulose content. This research of steam explosion pretreatment was a promising method to improve glucose conversion and ethanol yield for bioethanol production.

한국산 억새를 산, 알칼리 및 증기폭쇄법으로 전처리한 시료의 최적 효소당화조건을 탐색하고, 당화물을 이용한 에탄올 생산성을 구명하였다. 억새의 화학적 조성은 저분자화합물이 5.0%, lignin 17.0%, hemicellulose 55.1%, cellulose 22.7%이었다. 효소 당화율은 단용효소 처리구보다 혼용효소 처리구에서 높았다. Celluclast 처리구는 Viscozyme보다 높은 당화율을 보였으며, 가장 높은 당화율을 보인 효소 처리구는 EM-3(Celluclast 24.3FPU/g 기질+Viscozyme 80.6FBG/g 기질)로 약 70%의 당화율을 보였다. 산,알칼리 전처리를 통해 정제된 α-cellulose의 효소 당화율은 1% NaOH 처리 증기폭쇄재 보다 16% 높게 나타났다. 효소 cocktail의 당화에 가장 적합한 온도는 50℃였고, 모든 기질에서 효소 반응시간이 증가할수록 당화율이 증가하였다. 억새의 당화물은 오탄당으로 xylose가 육탄당으로 glucose가 주를 이루었다. S. cerevisiae KCCM 11215를 이용한 당화물의 에탄올 발효에서도 각 효소조합과 시료 전처리가 매우 중요한 것으로 나타났다. 억새시료 1kg 당 350g 이상의 에탄올 생산성을 보였으며, 1% NaOH 및 1% KOH를 처리한 증기폭쇄 시료보다 α-cellulose를 기질로 사용한 처리구에서 에탄올 생산성이 높았다.

본 연구는 한국에서 분리한 송곳니구름버섯 (Irpex consors) 균사체의 에탄올 생산 가능성을 탐색하기 위해 수행되었다. 송곳니구름버섯의 균사체를 당이 함유된 배지에 접종하여 에탄올 생산량을 측정하였다. 포도당, 만노오스, 자일로스 등 단당류와 셀로비오스 등의 이당류가 각각 1 g 함유된 발효배지에 송곳니구름버섯의 균사체를 접종하고 배양한 결과 각각의 이들 당류에서 0.23, 0.19. 0.21, 0.17 g의 에탄올이 생산되었다. 또한 볏짚을 열수, 3% 가성소다, 3% 황산용액으로 각각 전 처리한 후 송곳니구름버섯의 균사체를 접종하고 배양한 결과 1 g의 볏짚은 각각 0.12, 0.15, 0.19 g의 에탄올로 전환되었다. 본 실험을 통해 송곳니구름버섯의 균사체는 여러 종류의 환원당을 이용해 에탄올을 생산할 수 있는 것은 물론 열수, 가성소다 및 황산으로 전 처리한 볏짚을 에탄올로 전환하는 것도 가능한 것으로 나타났다. 따라서 송곳니구름버섯 균사체의 에탄올 생산 수율을 본 실험의 결과 보다 높일 수 있다면 당류뿐 만아니라 볏짚을 비롯한 리그닌셀룰로오스의 바이오매스를 이용해 바이오에탄올을 효율적으로 생산해 우리나라 에너지 수요를 자급하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.

국외에서 수집된 단수수 유전자원 100품종을 대상으로 주요형질변이를 탐색하여 우리나라에 알맞은 품종을 선정하고 아울러 육종에 필요한 기초 자료를 얻고자 수행한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 주요 실용형질의 평균치는 간장 217 cm, 수장 23 cm, 절수 10.5개, 경태 17 mm, 생체수량 36 t ha−1, 출수소요일수 71일이었다. 2. 에탄올 생산에 크게 영향을 미치는 당도 범위는 3.8-20.8 Brix였고, 평균은 12.5 Brix였으며, 20 Brix를 초과하는 고당도인 “Early Folger”과 “Georgia Blue Ribbon” 등 2품종을 선정하였으며 고당도 품종육성에 유망한 유전자원으로 보였다. 3. 건물수량의 범위는 1-44 t ha−1이었고, 평균은 10 t ha−1이었으며, 30 t ha−1을 초과하는 “Sweet open burku head”, “Tinkish”, “MN 2162” 등 3품종을 선정하였으며 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산에 유망한 유전자원으로 기대되었다. 4. 주요 형질간의 상관관계는 간장과 절수, 경태, 생체수량,건물수량, 출수소요일수 간에, 당도와 출수소요일수 간에 고도의 유의성이 인정되는 정의 상관을 보였다. 5. 절수는 간장, 경태, 생체수량, 건물수량 및 출수소요일수간에 그리고 출수소요일수는 수장을 제외한 다른 모든 특성들과 고도의 정의 상관을 보였다.

지구온난화와 화석원료 고갈의 문제에 대한 해결책으로 다양한 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 바이오에탄올 생산에 사용되는 원료들은 크게 당질계, 전분질계, 목질계 기반의 원료로 분류된다. 먼저 당질계와 전분질계 원료는 사탕수수, 옥수수, 고구마와 같은 식량자원 들이 대부분으로서 원료의 재배를 위한 부지확보에 있어 식량 작물과 바이오연료용 작물의 토지 이용 경쟁에 따른 윤리적인 문제가 제기된다. 또한 목질계 원료의 경우 비식용작물로서 비교적 높은 에탄올 생산 효율을 보이지만, 이용 가능한 자원이 한정됨에 따라 최근 바이오에탄올 생산을 위한 열대우림 훼손이 일어나고 있어 화석연료 사용량을 줄이기 위한 대체에너지 생산임에도 불구하고 지구온난화의 원인으로 지목되고 있다. 이러한 기존 바이오에탄올 생산 원료들의 단점을 극복하기 위한 수단으로서 미세조류는 최근 많은 연구자들에 의해 관심을 받고 있다. 생물학적 공정 기반의 미세조류 바이오에탄올 전환은 원료로 사용되는 미세조류에 따른 당 용액의 조성이 다르기 때문에 이를 이용하는 미생물의 종에 따라 전체 공정의 효율이 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 미세조류부터의 당 발효 시 보다 높은 바이오에탄올 생산 효율을 위해서는 적합한 미생물 종의 선정이 반드시 수반되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 바이오에탄올 생산에 널리 사용되는 미생물 균주들을 적용하여 미세조류 당 용액으로부터 바이오에탄올 생산에 가장 적합한 균주를 선정하고자 하였다. 바이오에탄올의 원료로 사용될 미세조류는 HR (Hydrodictyon Reticulatum )을 선정하고 한국화학연구원으로부터 분양 받아 실험에 사용하였다. HR은 글루코스를 다량 함유하고 효소 당화율이 매우 높아 바이오에탄올 생산에 적합한 것으로 알려져 있다. 연구결과 본 연구에 사용된 총 3가지 균주 중 Saccharomyces cerevisiae KCTC7017 (SC7017)가 가장 많은 에탄올을 생산하였으며, HR의 바이오에탄올 생산에 적합한 것으로 확인되었다. 하지만 당 용액의 환원당 농도가 높아질수록 발효 효율이 저하되는 현상이 관찰됨에 따라 고농도 당 용액에서 발효가 가능한 정제 농축방안의 개발이 수반되어야 할 것으로 판단된다.

Bioethanol was produced from Laminaria japonica hydrolystaes by sequential acidic (0.108 N HCl)/distilled water and enzymatic hydrolysis (Celluclast® 1.5 L) using Saccharomyces coreanus immobilized into/on aluminum silicate. Reducing sugar were hydrolyzed 140.5 and 122.7 mg/g-dry biomass under a acidic-enzymatic condition and a distilled waterenzymatic condition, respectively. In addition, the 8 repetition batch fermentations were carried out with the immobilized S. coreanus to verify the advantage of immobilization cell. As a result, we can obtain the ethanol of 12.1 ~ 24.3 mg/gdry biomass, and reuse the support, aluminium silicate, for 8 repetition batch fermentations without any breakdown.

Forest waste was interested as biomass to produce new renewable energy among various materials. To find appropriate conditions of the bio-ethanol production, acid hydrolysis and glucose fermentation experiments were conducted under various conditions. The acid-hydrolysis experiment results show that yield of glucose were increased as raise of temperature, acid concentration and reaction time. As a result, the optimal conditions for producing glucose from forest waste was under 110oC, 35%, and 100 min, respectively. The yield of glucose, which was generated from acid-hydrolysis experiment, was 2.419 mg/g·g from softwood and was 1.192 mg/g·g from hardwood. Also, it was investigated that acetic acid was more efficient than sulfuric acid for acid-hydrolysis process.

Brachypodium distachyon is a temperate annual grass that has a short life cycle, a small genome size, self fertility, and a small physical stature. The relationship with major cereal crop including wheat, Brachypodium is considered as a monocot model plant. Recently, the cell wall composition of Brachypodium is reported closely related with maize and Miscanthus giganteus. Therefore, Brachypodium is emrging as a powerful model plant for bioethanol production. Here, Brachypodium was chronically irradiated with the doses of 50 Gy, 100 Gy, 150 Gy, 200Gy, 250Gy, and 300 Gy. Plant height and fresh weight were observed dosage-dependent negative effect. However, tiller number and internode diameter were found to be increased their value as compared to control. The cell wall yield showed a decreased tendency with dosage-dependent negative, but cell wall yield of 50 Gy and 200 Gy were detected higher than control. The lignin content of irradiated Brachypodium stem was reduced with dosage incease The ratios of lignin content to control were 97.6% (50 Gy), 91.9 (100 Gy), 87.3% (150 Gy), 89.4% (200 Gy), 81.6% (250 Gy), 85.2% (300 Gy). SEM image analysis demonstrated that cell size of 300 Gy plant was decreased by 45% of control. RT-PCR was performed to analyze transcript accumulation of lignin pathway related genes with irradiated Brachypodium stem. CCR, PAL, C4H, and 4CL were detected at least 2 times higher expression than control at 150 Gy, 200 Gy, 250 Gy. The preteatment and enzyme hydrolysis will be discussed for bioethanol production.

농업유전자원센터 및 국외에서 수집한 단수수 유전자원 140품종을 대상으로 주요 형질변이를 탐색하여 우리나라 간척지 토양에 알맞는 품종을 선정하고 아울러 단수수 품종 육성에 필요한 기초 자료를 얻고자 수행한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 간척지 토양에서 단수수의 작물학적 생육특성은 간장 175 cm, 수장 26 cm, 절수 9개, 경태 11.6 mm, 생경중 12.1 톤/ha, 출수소요일수 96일이었다. 2. 바이오에탄올 생산에 크게 영향하는 당도 범위는 5.7~23.5 Brix였고, 평균 14.1 Brix였으며, 20 Brix를 초과하는 고 당도 품종은 Sugar Drip Cane Seed(23.5 Brix), Indiana Amber(21.4 Brix), Dwarf Blackhull Kafir(21.7)이었으며, 고 당도 품종육성에 유망한 유전자원이었다. 3. 생경중의 범위는 20~50 톤/ha이었고, 평균 12.1 톤/ha이었으며, 생경중 30톤/ha 이상으로 높은 품종은 Honey (50.3 톤/ha), IS8012(36.6 톤/ha), Dwarf Blackhull Kafir(35.3 톤/ha) 등 이었다. 4. 주요 형질간의 상관관계는 간장과 수장, 절수, 경태, 생경중, 출수소요일수 간에, 절수와 경태, 생경중 간에 고도로 유의한 정의 상관을 나타내었다. 5. 생경중은 간장, 절수, 경태, 출수소요일수와 고도로 유의한 정의 상관을 나타내었다.

Sugar, starch and lignocellulosic biomass has been mainly used as raw materials for the production of the bioethanol. However, the sharp fluctuation of grain prices, a threat of world famine, and hardly biodegradable substance like lignin contained in lignocellulosic materials make the pre-processing of the biomass complicated in several aspects. As a result, the focus of attention has now shifted to the ‘third biomass’ such as algae, which has a high value of energy recovery. In this study, a kind of macroalgae and its characteristic were surveyed and then, the physical, biological, chemical, combined, and hydrothermal pretreatments for its hydrolysis were deeply considered. Consequently, the macroalgae could be more effectively hydrolyzed at the combined process such as the hydrothermal-chemical or biological treatment, chemical-biological treatment and so on than the single process like the biological pretreatment.

감자로부터 바이오에탄올을 생산함에 있어, 감자 품종, 성분 함량, 감자 수확시기가 에탄올 생산에 미치는 영향을 조사하였다. 1. 단순 회귀분석 결과에 의해서 감자의 전분과 수분 함량이 에탄올 생산량에 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났는데, 전분 함량이 높을수록 그리고 수분함량이 적을수록 에탄올 생산이 증가하였다. 2. 감자 품종별 중량 및 단위면적당 에탄올 생산수율을 조사한 결과, 하령 감자가 94.3±1.9 L/ton과 3111.9±62.7 L/ha으로서 가장 높은 에탄올 생산수율을 나타내었고, 조원이 79.9±0.9 L/ton과 2556.8±28.8 L/ha로 가장 낮았다. 3. 가장 많은 에탄올 생산을 나타낸 수확 시기는 품종마다 다르게 나타났는데, 최적 수확시기가 6월 30일인 경우는 고운과 대서이었고, 7월 9일의 경우는 하령과 가원이었다. 조원의 경우는 6월 30일과 7월 9일의 에탄올 생산량이 비슷하였고, 7월 9일이 약간 높게 나타났다. 한편 7월 20일이 수확 최적 시기인 품종은 없었다. 4. 이상의 결과들로부터 에탄올 생산을 위한 감자는 그 품종과 수확시기의 선택이 중요함을 알 수 있다. 전체적으로 볼 때 가장 많은 에탄올 생산량은 하령 감자를 7월 9일에 수확한 것에서 나타났다.

현미, 쌀보리, 옥수수, 고구마작물의 전분 함량과 일반성분 함량분석이 에탄올 생산에 미치는 영향을 조사하였다. 1. 단순 회귀분석 결과에 의해서 각 원료에서 전분 함량이 에탄올 생산량에 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났는데, 전분 함량이 높을수록 에탄올 생산이 증가하였다. 2. 쌀보리의 경우 단백질 함량이 낮을수록 에탄올 생산이 많이 되는 것으로 나타났으며, 특이하게도 조섬유의 경우는 단백질 함량과 반대로 조섬유 함량이 높을수록 에탄올 생산이 높았다. 3. 현미의 경우, 회분 함량이 높을수록 에탄올 생산이 낮게 나타났다. 4. 고구마의 경우, 수분 함량이 다른 원료에 비하여 상대적으로 뚜렷이 높았으며, 수분 함량이 높을수록 에탄올 생산량은 낮아지는 것으로 분석되었다. 5. 건조 전 작물 중량을 기준으로 할 때 가장 높은 에탄올 생산수율은 현미에서 나타났고, 이중에서도 다산 현미가 439.3 liter/ton으로 가장 높았고, 그 다음 옥수수 그리고 보리의 순이었으며, 수분함량이 높은 고구마의 경우 전분함량이 상대적으로 낮아 에탄올 생산량이 낮게 분석되었다. 6. 건조 후 작물 중량 기준 시에는 건미 고구마가 530.6 l/ton으로 가장 높았고, 그 다음이 다산 현미 등의 현미, 정미 및 바이오미의 고구마, 옥수수, 보리의 순이었다. 7. 단위면적당 에탄올 생산량 성적을 살펴보면 현미가 평균 2560.0 l/ha, 쌀보리가 평균 1523.6 l/ha, 옥수수가 평균 2992.3 l/ha, 고구마가 평균 4169.1 l/ha로 나타났으며, 이중에서 건미 고구마가 5115.7 l/ha로 가장 높은 단위면적당 에탄올 생산량을 보였다.