최대 환원당 생성량은 \(63.05 \, \mathrm{g/l}\)이며, 해당 결과는 황산농도가 \(1.77\%\)이고 가열처리시간이 26.4분일 때 도출되었다. 반면, 혐기배양 과정에서 환원당 \(45.26 \, \mathrm{g/l}\)가 소비되어, \(15.52 \pm 0.36 \, \mathrm{g/l}\)의 에탄올이 생성되었다. 에탄올의 생산성은 \(0.16 \pm 0.01 \, \mathrm{g/l \cdot h}\)로, 이는 호기배양에 비해 약 \(14\%\) 증가한 수치이다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <h2>반응표면분석법을 이용한 감껍질 전처리 최적화</h2> <p>중심합성 계획법에 따라 Table 1과 같은 각 독립변수의 범위를 설정한 후, Design Expert를 이용하여 Table 2와 같이 13가지의 전처리 조건을 설정하고 감껍질을 전처리하였다. 황산농도 \( \left(\mathrm{X}_{1}\right) \)와 가열처리시간 \( \left(\mathrm{X}_{2}\right) \)을 독립변수로 설정하고 종속변수(환원당 생성량, \( \mathrm{Y}_{\mathrm{p}} \) )에 대한 회귀방정식을 얻어 전처리조건에서 독립변수의 상호영향 및 최적 전처리조건을 구하였다. 중심합성 계획에 따라 얻은 13개의 실험값을 이용하여 아래와 같은 식을 구하였다.</p> <p>\( \begin{aligned} \mathrm{Y}_{\mathrm{p}} &=-257.942+151.713 \mathrm{X}_{1}+14.114 \mathrm{X}_{2}+0.310 \mathrm{X}_{1} \mathrm{X}_{2} \\ \quad &-45.064 \mathrm{X}_{1}^{2}-0.278 \mathrm{X}_{2}^{2} \end{aligned} \)<caption>(1)</caption></p> <p>전처리 조건에 대한 contour map 및 반응표면은 Fig. 1에 나타내었으며 환원당 생성량에 대한 식 (1)의 결정계수 \( \left(\mathrm{R}^{2}\right) \)는 0.98로 황산농도와 가열처리시간에 따라 환원당 생성량이 증가하였으며, 황산농도보다는 가열처리시간이 환원당 생성에 영향을 상대적으로 크게 미치는 것으로 나타났다. 최대 환원당 생성량은 \( 63.05 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \)로 예측되었으며, 이때 전처리조건은 황산농도 \( 1.77 \% \) 및 가열처리시간 26.4분이었다. 최적의 조건으로 예측된 전처리조건에서 감껍질을 전처리한 결과 약 \( 63.23 \mathrm{~g} / 1 \)의 환원당이 생성되는 것을 확인하였다. 전처리물에 포함된 주요 당함량은 Table 3에 나타냈으며 glucose, xylose 및 fructose가 전체 환원당 중 약 \( 89 \% \)에 해당하였다.</p> <p>바이오매스를 산과 열을 이용하여 전처리 하면 환원당 외에도 5-HMF, furfural 등의 발효 저해제가 생산된다. Furfural의 경우 \( 1 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \) 이상을 포함하고 있을 경우 에탄올 발효에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, acetic acid는 \( 5 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \) 이상을 포함할 경우 에탄올 발효를 저해하는 것으로 알려져 있다. 묽은 황산을 이용한 감껍질의 전처리 과정에서 생산되는 발효 저해제는 furfural \( (0.22 \pm 0.02 \mathrm{~g} / \mathrm{l})\), 5-HMF \((0.04 \pm 0.01 \mathrm{~g} / \mathrm{l}) \) 및 acetic acid \( (2.89 \pm 0.04 \mathrm{~g} / \mathrm{l}) \)가 검출되어 에탄올 생산을 위한 효모의 성장에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단되었다.</p> <h2>효모발효를 통한 에탄올 생산</h2> <p>반응표면분석법을 통하여 설정한 전처리조건을 이용하여 감 껍질 전처리물을 제작하여 에탄올 생산을 위한 배지로 사용하였다. 감껍질 전처리물 \( 100 \mathrm{ml} \)에 S. cerevisiae NK28을 접종한 후 호기 및 혐기조건에서 균체 성장속도, 환원당 소모량 및 에탄올 생산속도를 측정하였다. 호기적 배양에서 S. cerevisiae NK28은 \( 49.1 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \)의 환원당을 소모하였으며, 약 \( 13.3 \mathrm{~g} / \)의 에탄올을 생산하였다. 에탄올 생산성은 \( 0.14 \pm 0.01 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \cdot \mathrm{h} \) 이었으며, 수율은 \( 0.27 \pm 0.01 \mathrm{~g} / \mathrm{g} \)로 나타났다. 혐기배양에서는 환원당을 약 \( 45.26 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \)를 소모하여 \( 15.52 \pm 0.36 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \)의 에탄올이 생산되었으며, 에탄올 생산성은 \( 0.16 \pm 0.01 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \cdot \mathrm{h} \)로 호기배양보다 생산성이 약 \( 14 \% \) 증가하였다. 혐기적 배양에서는 호기적 배양보다 환원당의 소모량이 감소하였고, 에탄올 수율은 \( 0.34 \pm 0.01 \mathrm{~g} / \mathrm{g} \)로 호기적 배양보다 약 \( 26 \% \) 증가하였다.</p>