자성 나노입자와 키토산 셀룰로오스 기반 효소 효모 고정화로 에탄올 생산 효율 극대화

초록

본 연구는 알긴산‑자성 나노입자 매트릭스와 키토산‑마그네틱, 셀룰로오스‑코팅 마그네틱 입자에 효모와 효소를 고정화하여 연속식 컬럼 반응기에서 옥수수 전분을 동시에 가수분해·발효(SSF)하거나 별도 가수분해·발효(SHF)하는 공정을 개발하였다. 엔트랩먼트와 공유결합 고정화 방식에 따라 에탄올 수율이 각각 이론 수율의 91 %와 86 %에 달했으며, 입자 적재율 70 %·희석속도 3 h⁻¹ 조건에서 생산성은 264 g L⁻¹ h⁻¹에 이르렀다. 고정화된 입자는 4 °C 염수 보관 시 1개월 이상 안정성을 유지하였다.

상세 분석

이 논문은 바이오에탄올 생산 공정의 핵심 효소와 미생물을 자기성 나노입자를 이용해 고정화함으로써 공정 효율을 크게 향상시킨다. 알긴산‑자성 나노입자 매트릭스는 물리적 엔트랩먼트 방식으로 효모 세포를 포획하고, 키토산‑마그네틱 입자와 셀룰로오스‑코팅 마그네틱 입자는 각각 공유결합을 통해 효소(α‑아밀레이스, 글루코아밀레이스)와 효모를 고정한다. 공유결합 고정화는 효소·세포의 누출을 최소화하고, 입자 자체가 자성을 띠어 컬럼 내에서 손쉬운 재생·재사용이 가능하게 한다.

공정 설계는 두 가지 경로를 비교한다. 첫 번째는 동시에 전분 가수분해와 발효를 진행하는 SSF 방식으로, 알긴산 매트릭스에 포획된 효모와 고정화된 글루코아밀레이스가 동일 컬럼을 통과한다. 두 번째는 α‑아밀레이스로 전분을 먼저 가수분해한 후, 별도 고정화 효모 컬럼에서 발효하는 SHF 방식이다. SSF에서는 당 농도가 급격히 상승하면서 효모 억제 현상이 최소화되고, 이론 수율의 91 %에 달하는 높은 전환 효율을 보였다. 반면 SHF는 당 농도 조절이 용이하지만 효소와 효모가 별도 컬럼에 존재하므로 수율이 약간 낮아 이론 수율의 86 %에 머물렀다.

생산성에 가장 큰 영향을 미친 변수는 입자 적재율과 희석속도이다. 입자 적재율을 70 %까지 높이면 반응기 내 체적당 효소·세포 농도가 증가해 전분 가수분해 속도가 가속화되고, 희석속도 3 h⁻¹에서는 당 공급이 충분히 이루어져 효모의 대사 속도가 최적화된다. 이 조건에서 측정된 에탄올 생산성은 264 g L⁻¹ h⁻¹로, 기존 자유세포 발효 대비 2~3배 이상 높은 수치다. 또한, 초기 환원당 농도 200 g L⁻¹는 고농도 당에 대한 효모 내성과 효소 활성을 동시에 만족시키는 최적점으로 확인되었다.

고정화 입자의 장기 안정성도 중요한데, 4 °C 염수 보관 시 1개월 이상 효소 활성을 유지하고, 효모 세포의 생존율도 크게 감소하지 않았다. 이는 산업 현장에서 연속 공정 운영 시 교체 주기를 크게 연장시킬 수 있음을 의미한다.

전반적으로 이 연구는 자기성 나노입자를 활용한 효소·효모 고정화 기술이 전분 기반 바이오에탄올 생산에 적용될 경우, 높은 수율·생산성·안정성을 동시에 달성할 수 있음을 입증하였다.