[논문 리뷰] Application in the Ethanol Fermentation of Immobilized Yeast Cells in Matrix of Alginate/Magnetic Nanoparticles, on Chitosan-Magnetite Microparticles and Cellulose-coated Magnetic Nanoparticles

Viara Ivanova, P. Ts. Petrova외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 03.

Biofuel production and bioconversion참고 문헌 48인용 수 73

한 줄 요약

이 연구는 효모 세포를 고정화하여 에탄올 발효 효율을 향상시키기 위해 자성 나노입자를 기반으로 한 매트릭스를 개발한다. 알지네이트, 케이터산-마그네틱 나노입자, 셀룰로오스 코팅 자성 나노입자를 사용하여 한 단계 반응기 시스템에서 최대 91% 이론적 에탄올 수율을 달성했으며, 최적 조건에서 생산성은 264.0 g/L·h에 도달했다. 이는 생물연료 생산을 위한 안정적이고 재사용 가능한 생촉매를 보여준다.

ABSTRACT

Saccharomyces cerevisiae cells were entrapped in matrix of alginate and magnetic nanoparticles and covalently immobilized on magnetite-containing chitosan and cellulose-coated magnetic nanoparticles. Cellulose-coated magnetic nanoparticles with covalently immobilized thermostable α-amylase and chitosan particles with immobilized glucoamylase were also prepared. The immobilized cells and enzymes were applied in column reactors - 1/for simultaneous corn starch saccharification with the immobilized glucoamylase and production of ethanol with the entrapped or covalently immobilized yeast cells, 2/ for separate ethanol fermentation of the starch hydrolysates with the fixed yeasts. Hydrolysis of corn starch with the immobilized α-amylase and glucoamylase, and separate hydrolysis with the immobilized α-amylase were also examined. In the first reactor the ethanol yield reached approx. 91% of the theoretical; the yield was approx. 86% in the second. The ethanol fermentation was affected by the type of immobilization, the initial particle loading, feed sugar concentration and the dilution rate. The ethanol productivity with entrapped cells reached 264.0 g/L.h at particle loading rate 70% and dilution rate 3.0 h-1 with reducing sugar concentration of 200.0 g/L. The prepared magnetic particles with fixed yeast cells were stable at 4oC in saline for more than 1 month. .

연구 동기 및 목표

• 재사용이 가능하고 자성으로 분리 가능한 효모 세포 고정화 시스템을 개발하여 효율적인 에탄올 발효를 실현한다.
• 알지네이트, 케이터산-마그네틱 나노입자, 셀룰로오스 코팅 나노입자 등 다양한 자성 매트릭스의 성능을 에탄올 생산에서 평가한다.
• 고정화된 효소와 효모를 사용한 동시 분해 및 발효(SSF)와 별도의 수해 및 발효(SHF) 공정을 비교한다.
• 입자 적재량, 당 농도, 희석 속도 등의 공정 조건을 최적화하여 최대 에탄올 생산성을 확보한다.

제안 방법

• 젤화를 통해 효모 세포를 알지네이트/자성 나노입자 매트릭스에 포획했다.
• 화학적 교차결합을 이용해 효모 세포를 케이터산-마그네틱 마이크로입자에 공유결합 고정화했다.
• 셀룰로오스 코팅 자성 나노입자를 합성하여 열내성 α-아밀라제를 공유결합 고정화했다.
• 케이터산 입자를 기능화하여 전분 수해를 위한 글루코아밀라제를 고정화했다.
• 컬럼 반응기를 사용하여 동시(SSF) 및 별도(SHF) 발효 공정을 시험했다.
• 입자 적재량(최대 70%), 희석 속도(최대 3.0 h⁻¹), 환원당 농도(최대 200.0 g/L) 등의 공정 조건을 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알지네이트/자성 나노입자에 고정된 *Saccharomyces cerevisiae*가 연속 발효에서 에탄올 생산성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 다른 자성 실리카 매트릭스(알지네이트, 케이터산-마그네틱 나노입자, 셀룰로오스 코팅)가 에탄올 수율과 공정 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 고정화된 효소와 효모를 사용한 동시 분해 및 발효(SSF) 공정이 별도의 수해 및 발효(SHF) 공정보다 더 높은 에탄올 수율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 입자 적재량, 공급 당 농도, 희석 속도의 변화가 에탄올 생산성과 수율에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 입자에 고정된 효모를 사용한 동시 분해 및 발효(SSF) 시스템에서 이론 수율의 약 91%에 이르는 최고의 에탄올 수율을 확보했다.
• 최적 조건(70% 입자 적재량, 3.0 h⁻¹ 희석 속도, 200.0 g/L 환원당)에서 에탄올 생산성은 264.0 g/L·h에 도달했다.
• SSF 시스템은 별도의 수해 및 발효(SHF) 시스템보다 뛰어난 성능을 보였으며, 이는 이론적 에탄올 수율의 약 86%를 기록했다.
• 자성 입자에 고정된 효모 세포는 생리식염수에서 4 °C에서 1개월 이상 안정성을 유지하여 장기적인 재사용 가능성을 입증했다.
• 고정화 매트릭스의 종류가 발효 성능에 상당한 영향을 미쳤으며, 알지네이트/자성 나노입자 매트릭스가 뛰어난 생산성을 보였다.
• 고정화된 α-아밀라제와 글루코아밀라제를 사용하여 옥수수 전분의 수해가 효과적으로 이루어졌으며, 이는 SSF 및 SHF 모두에서 효율적인 기질 전환을 가능하게 했다.