바이오에탄올 생산을 위한 초음파 보조 발효

초음파 보조 발효는 복합 탄수화물이 더 단순한 당으로 분해되는 것을 촉진하여 효모가 이를 에탄올로 전환하는 데 더 쉽게 이용할 수 있도록 함으로써 바이오에탄올 생산을 향상시킬 수 있습니다. 동시에 초음파 처리는 효모 세포벽의 투과 효율도 개선하여 에탄올이 더 빠르게 방출되고 전체 생산량이 증가하도록 합니다. 따라서 초음파 보조 바이오에탄올 발효는 더 높은 전환율과 향상된 수율을 제공합니다.

발효

발효는 호기성(= 산화 발효) 또는 혐기성 공정일 수 있으며, 세균, 진균 또는 기타 생물의 세포 배양물이나 효소를 통해 유기 물질을 전환하는 생명공학 응용 분야에 사용됩니다. 발효를 통해 탄수화물과 같은 유기 화합물의 산화에서 에너지를 얻습니다.
당은 발효에 가장 흔히 사용되는 기질이며, 발효 후에는 젖산, 유당, 에탄올 및 수소와 같은 생성물이 만들어집니다. 알코올 발효에서는 특히 연료용으로, 또한 알코올음료용으로 에탄올을 생산합니다. 예를 들어 Saccharomyces cerevisiae와 같은 특정 효모 균주가 당을 대사하면 효모 세포는 출발 물질을 에탄올과 이산화탄소로 전환합니다.

아래 화학 반응식은 이 전환을 요약한 것입니다:

출발 물질이 옥수수에서 얻은 전분과 같은 전분이라면 먼저 전분을 당으로 전환해야 합니다. 연료로 사용되는 바이오에탄올의 경우 전분 전환을 위한 가수분해가 필요합니다. 일반적으로 산 처리나 효소 처리 또는 두 처리를 함께 사용하여 가수분해를 가속합니다. 발효는 보통 약 35–40 °C에서 수행됩니다.
다양한 발효 공정의 개요:

식품 :

• 생산 & 보존
• 유제품(젖산 발효), 예: 요구르트, 버터밀크, 케피어
• 젖산 발효 채소, 예: 김치, 미소, 낫토, 쓰케모노, 사우어크라우트
• 향미 성분의 형성, 예: 간장
• 탄닌 성분의 분해, 예: 차, 코코아, 커피, 담배
• 알코올음료, 예: 맥주, 와인, 위스키

의약품 :

• 의약용 화합물의 생산, 예: 인슐린, 히알루론산

바이오가스/ 에탄올 :

• 바이오가스/ 바이오에탄올 생산의 개선

다양한 연구 논문과 벤치탑 및 파일럿 규모의 시험을 통해 초음파가 효소 발효에 이용 가능한 바이오매스의 양을 늘려 발효 공정을 개선하는 것으로 나타났습니다. 다음 절에서는 액체 내 초음파의 효과를 자세히 설명합니다.

초음파 액체 처리의 효과

고출력/ 저주파 초음파로 높은 진폭을 생성할 수 있습니다. 따라서 고출력/ 저주파 초음파는 혼합, 유화, 분산 및 해응집 또는 분쇄와 같은 액체 처리에 사용할 수 있습니다.
액체에 고강도 초음파를 가하면 액체 매질로 전파되는 음파가 고압(압축) 주기와 저압(희박) 주기를 번갈아 발생시키며, 그 반복 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포나 공동을 생성합니다. 기포의 부피가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 수준에 이르면 고압 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 캐비테이션은 “액체 내 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴를 뜻하며, 캐비테이션 붕괴는 강렬한 국소 가열(~5000 K), 고압(~1000 atm), 매우 높은 가열 및 냉각 속도(>109 K/sec)와 액체 제트류(~400 km/h)를 발생시키는 현상”입니다. (Suslick 1998)

캐비테이션을 생성하는 방법에는 고압 노즐, 로터–스테이터 믹서 또는 초음파 처리기를 사용하는 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 모든 시스템에서 투입 에너지는 마찰, 난류, 파동 및 캐비테이션으로 전환됩니다. 투입 에너지 중 캐비테이션으로 전환되는 비율은 액체 내에서 캐비테이션을 생성하는 장비의 움직임을 나타내는 여러 요인에 따라 달라집니다. 가속도의 크기는 에너지가 캐비테이션으로 효율적으로 전환되는 데 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나입니다. 가속도가 높을수록 더 큰 압력차가 발생합니다. 이에 따라 액체를 통해 전파되는 파동이 생성되기보다는 진공 기포가 생성될 가능성이 높아집니다. 따라서 가속도가 높을수록 캐비테이션으로 전환되는 에너지의 비율이 높아집니다.
초음파 변환기의 경우 진동의 진폭이 가속도의 크기를 나타냅니다. 진폭이 높을수록 캐비테이션이 더 효과적으로 생성됩니다. 가속도의 크기뿐 아니라 난류, 마찰 및 파동 생성에 따른 손실을 최소화하는 방식으로 액체를 가속해야 합니다. 이를 위한 최적의 방법은 한 방향으로 움직이게 하는 것입니다. 초음파 처리 공정의 강도와 매개변수를 변경하면 초음파를 매우 강하게 또는 매우 온화하게 적용할 수 있습니다. 따라서 초음파는 다양한 응용 분야에서 매우 다용도로 활용할 수 있는 도구입니다.

온화한 조건에서 약한 초음파 처리를 적용하는 온화한 응용에는 탈기, 유화 및 효소 활성화가 포함됩니다. 고강도/고출력 초음파를 사용하는 강력한 응용에는(대부분 가압 조건에서 수행) 습식 분쇄, 응집 해체 및 입자 크기 감소와 분산이 있습니다. 다양한 응용 분야, 예를 들어 추출, 파쇄 또는 초음파 화학에 필요한 초음파 강도는 초음파 처리 대상인 특정 물질에 따라 달라집니다. 개별 공정에 맞게 조정할 수 있는 다양한 매개변수 덕분에 초음파는 각 공정에 가장 적합한 조건을 찾을 수 있게 합니다.
초음파 처리는 탁월한 출력 변환 성능 외에도 가장 중요한 매개변수인 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도를 완전히 제어할 수 있다는 큰 장점을 제공합니다. 따라서 각 특정 물질에 이상적인 처리 매개변수를 찾기 위해 이 모든 매개변수를 조정할 수 있습니다. 그 결과 효과가 높아지고 효율도 최적화됩니다.

발효 공정을 개선하는 초음파 – 바이오에탄올 생산을 예로 한 설명

바이오에탄올은 혐기성 또는 호기성 세균이 바이오매스나 폐기물의 생분해성 물질을 분해하여 생성하는 산물입니다. 생산된 에탄올은 주로 바이오연료로 사용됩니다. 따라서 바이오에탄올은 천연가스와 같은 화석연료를 대체할 수 있는 재생 가능하고 환경친화적인 연료입니다.
바이오매스로 에탄올을 생산할 때는 당, 전분 및 리그노셀룰로오스계 물질을 원료로 사용할 수 있습니다. 산업 규모의 생산에서는 경제성이 우수한 당과 전분이 현재 주로 사용됩니다.
주어진 조건에서 특정 원료를 사용하는 고객별 공정을 초음파가 어떻게 개선하는지는 타당성 시험을 통해 매우 간단히 확인할 수 있습니다. 첫 단계에서는 소량의 원료 슬러리를 초음파 실험실 장비로 처리하여 초음파가 원료에 실제로 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다.

타당성 시험

첫 번째 시험 단계에서는 소량의 액체에 비교적 많은 양의 초음파 에너지를 투입하는 것이 적절합니다. 이렇게 하면 어떤 결과라도 얻을 수 있는지 확인할 가능성이 높아지기 때문입니다. 시료 부피가 작으면 실험실 장비 사용 시간도 단축되고 초기 시험 비용도 줄어듭니다.
초음파는 소노트로드 표면을 통해 액체로 전달됩니다. 소노트로드 표면 바로 아래에서 초음파 강도가 가장 높습니다. 따라서 소노트로드와 초음파 처리 대상 물질 사이의 거리가 짧은 것이 바람직합니다. 소량의 액체를 처리하면 소노트로드와의 거리를 짧게 유지할 수 있습니다.
아래 표는 최적화 후 초음파 처리 공정의 일반적인 에너지/부피 수준을 보여 줍니다. 초기 시험은 최적의 구성에서 수행되지 않으므로, 초음파 처리 강도와 시간을 일반적인 값의 10–50배로 설정하면 처리 대상 물질에 영향이 있는지 확인할 수 있습니다.

공정	에너지/ 부피	시료 부피	출력	시간
단순	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
중간	100Ws/mL–500Ws/mL	10mL	50W	20–100 sec
고강도	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

표 1 – 공정 최적화 후의 일반적인 초음파 처리 값

시험 운전의 실제 입력 전력은 통합 데이터 기록 기능(UP200Ht 및 UP200St), PC 인터페이스 또는 전력계를 통해 기록할 수 있습니다. 진폭 설정과 온도의 기록 데이터를 함께 활용하면 각 시험의 결과를 평가하고 에너지/부피의 기준값을 설정할 수 있습니다.
시험 중에 최적의 구성을 선택했다면, 최적화 단계에서 이 구성의 성능을 검증하고 최종적으로 상업적 규모로 확장할 수 있습니다. 최적화를 용이하게 하려면 특정 배합에 대한 온도, 진폭 또는 에너지/부피와 같은 초음파 처리의 한계도 조사할 것을 강력히 권장합니다. 초음파는 세포, 화학물질 또는 입자에 부정적인 영향을 줄 수 있으므로, 후속 최적화를 부정적인 영향이 관찰되지 않는 매개변수 범위로 제한하기 위해 각 매개변수의 임계 수준을 조사해야 합니다. 타당성 연구에는 이러한 시험에서 장비와 시료에 드는 비용을 줄이기 위해 소형 실험실 장비나 벤치탑 장비를 권장합니다. 일반적으로 100–1,000와트 장비는 타당성 연구의 목적에 매우 적합합니다. (Hielscher 2005 참조)

최적화

타당성 연구에서 얻은 결과는 처리한 부피가 작다는 점을 고려할 때 에너지 소비가 상당히 높음을 보여 줄 수 있습니다. 그러나 타당성 시험의 주된 목적은 초음파가 물질에 미치는 영향을 확인하는 것입니다. 타당성 시험에서 긍정적인 효과가 나타났다면 에너지/부피 비율을 최적화하기 위한 추가적인 노력이 필요합니다. 이는 가능한 한 적은 에너지를 사용하면서 최고의 수율을 달성하여 공정을 경제적으로 가장 합리적이고 효율적으로 만드는 이상적인 초음파 매개변수 구성을 탐색하는 것을 의미합니다. 최소한의 에너지 투입으로 의도한 이점을 얻는 최적의 매개변수 구성을 찾으려면 가장 중요한 매개변수인 진폭, 압력, 온도 및 액체 조성 간의 상관관계를 조사해야 합니다. 이 두 번째 단계에서는 배치식 초음파 처리에서 플로우 셀 반응기를 사용하는 연속식 초음파 처리 구성으로 전환하는 것이 권장됩니다. 배치식 초음파 처리에서는 중요한 매개변수인 압력을 조절할 수 없기 때문입니다. 배치식 초음파 처리 중에는 압력이 주변 압력으로 제한됩니다. 초음파 처리 공정이 가압 가능한 플로우 셀 챔버에서 진행되면 압력을 높이거나 낮출 수 있으며, 이는 일반적으로 초음파 캐비테이션에 큰 영향을 미칩니다. 플로우 셀을 사용하면 압력과 공정 효율 사이의 상관관계를 파악할 수 있습니다. 출력이 500와트에서 2000와트 사이인 초음파 처리기가 공정 최적화에 가장 적합합니다.

상업 생산 규모로 확장

최적 구성을 찾은 후 추가적인 규모 확대가 간단한 이유는 초음파 공정이 선형 스케일에서 완전히 재현 가능하기 때문입니다. 이는 동일한 액체 조성에 동일한 처리 매개변수 구성을 적용하여 초음파 처리할 때, 처리 규모와 관계없이 동일한 결과를 얻으려면 단위 부피당 동일한 에너지가 필요하다는 뜻입니다. (Hielscher 2005). 따라서 초음파의 최적 매개변수 구성을 본격적인 생산 규모에 적용할 수 있습니다. 사실상 초음파로 처리할 수 있는 부피에는 제한이 없습니다. 장치당 최대 16,000 와트의 출력을 갖춘 상용 초음파 시스템이 제공되며, 클러스터로 설치할 수 있습니다. 이러한 초음파 처리기 클러스터는 병렬 또는 직렬로 설치할 수 있습니다. 고출력 초음파 처리기를 클러스터로 설치하면 총출력이 거의 무제한이므로 대용량 유체 흐름도 문제없이 처리할 수 있습니다. 또한 변경된 액체 조성에 맞게 매개변수를 조정하는 등 초음파 시스템의 조정이 필요한 경우에도 대부분 소노트로드, 부스터 또는 플로우 셀을 교체하여 대응할 수 있습니다. 초음파의 선형 확장성, 재현성 및 적응성 덕분에 이 혁신적인 기술은 효율적이고 비용 효과적입니다.

초음파 처리 매개변수

초음파 액체 처리는 여러 매개변수로 설명됩니다. 가장 중요한 매개변수는 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도입니다. 주어진 매개변수 구성에서 입자 크기와 같은 공정 결과는 처리 부피당 에너지의 함수입니다. 이 함수는 개별 매개변수가 달라지면 변합니다. 또한 초음파 장치의 소노트로드 표면적당 실제 출력은 매개변수에 따라 달라집니다. 소노트로드 표면적당 출력은 표면 강도(I)입니다. 표면 강도는 진폭(A), 압력(p), 반응기 부피(VR), 온도(T), 점도(η) 등에 따라 달라집니다.

발생한 캐비테이션의 효과는 표면 강도에 따라 달라집니다. 공정 결과도 마찬가지로 표면 강도와 상관관계가 있습니다. 초음파 장치의 총출력은 표면 강도(I)와 표면적(S)의 곱입니다:

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

진폭

진동의 진폭은 주어진 시간(예: 20kHz에서 1/20,000s) 동안 소노트로드 표면이 이동하는 거리(예: 50 µm)를 나타냅니다. 진폭이 클수록 각 왕복 운동에서 압력이 감소하고 증가하는 속도가 높아집니다. 또한 각 왕복 운동의 부피 변위가 증가하여 캐비테이션 부피(기포 크기 및/또는 수)가 커집니다. 분산액에 적용할 경우 진폭이 높을수록 고체 입자에 대한 파괴력이 커집니다. 표 1은 일부 초음파 공정의 일반적인 값을 보여줍니다.

압력

액체의 끓는점은 압력에 따라 달라집니다. 압력이 높을수록 끓는점이 높아지며, 그 반대도 마찬가지입니다. 압력을 높이면 끓는점에 가깝거나 그 이상의 온도에서도 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 또한 기포 내부의 증기압과 정압의 차이와 관련된 내파 강도도 증가합니다(Vercet et al. 1999 참조). 압력 변화에 따라 초음파 출력과 강도가 빠르게 변하므로 정압 펌프가 더 적합합니다. 플로우 셀에 액체를 공급할 때 펌프는 적절한 압력에서 해당 액체 유동을 처리할 수 있어야 합니다. 다이어프램 또는 멤브레인 펌프, 유연 튜브 펌프, 호스 펌프 또는 압착 펌프, 연동 펌프, 피스톤 또는 플런저 펌프는 교번하는 압력 변동을 일으킵니다. 초음파 처리할 액체를 지속적으로 안정된 압력으로 공급하는 원심 펌프, 기어 펌프, 스파이럴 펌프 및 일축 편심 스크루 펌프가 선호됩니다. (Hielscher 2005)

온도

액체를 초음파 처리하면 매질에 동력이 전달됩니다. 초음파로 발생한 진동이 난류와 마찰을 일으키므로, 초음파 처리되는 액체는 열역학 법칙에 따라 가열됩니다. 처리 매질의 온도가 높아지면 재료가 손상될 수 있으며 초음파 캐비테이션의 효과가 감소할 수 있습니다. 혁신적인 초음파 플로우 셀에는 냉각 재킷이 장착되어 있습니다(그림 참조). 이를 통해 초음파 처리 중 재료의 온도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 소량의 액체를 비커에서 초음파 처리할 때는 열을 방출하기 위해 얼음 수조를 사용하는 것이 권장됩니다.

점도 및 농도

초음파 분쇄 및 분산은 액체 내에서 이루어지는 공정입니다. 입자는 물, 오일, 용매 또는 수지 등의 매질에 현탁된 상태여야 합니다. 초음파 연속 유동 시스템을 사용하면 점도가 매우 높은 페이스트 형태의 재료도 초음파 처리할 수 있습니다.
고출력 초음파 처리기는 상당히 높은 고형분 농도에서도 작동할 수 있습니다. 초음파 분쇄 효과는 입자 간 충돌에 의해 발생하므로 높은 농도는 초음파 처리의 효과를 보장합니다. 연구에 따르면 고형분 농도가 중량 기준 최대 50%인 범위에서 실리카의 파쇄 속도는 고형분 농도와 무관합니다. 재료 함량이 매우 높은 마스터배치를 처리하는 것은 초음파를 사용하는 일반적인 생산 절차입니다.

출력 및 강도와 에너지의 비교

표면 강도와 총출력은 처리 강도만을 나타냅니다. 초음파 처리 공정을 확장 가능하고 재현 가능하게 기술하려면 초음파 처리되는 시료의 부피와 특정 강도에 노출되는 시간을 고려해야 합니다. 주어진 매개변수 설정에서 입자 크기나 화학적 전환과 같은 공정 결과는 단위 부피당 에너지(E/V)에 따라 달라집니다.

결과 = f (E /V )

여기서 에너지(E)는 출력(P)과 노출 시간(t)의 곱입니다.

E[Ws] = P[W]*t[s]

매개변수 설정이 바뀌면 결과 함수가 달라집니다. 이에 따라 주어진 시료 값(V)에서 특정 결과 값을 얻는 데 필요한 에너지(E)의 양도 달라집니다. 따라서 결과를 얻기 위해 공정에 특정 초음파 출력을 적용하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 필요한 출력과 그 출력을 공정 재료에 전달할 때의 매개변수 설정을 파악하려면 보다 정교한 접근법이 필요합니다. (Hielscher 2005)

초음파 보조 바이오에탄올 생산

초음파가 바이오에탄올 생산을 개선한다는 사실은 이미 알려져 있습니다. 액체에 바이오매스를 첨가하여 펌핑이 가능한 고점도 슬러리로 농축하는 것이 권장됩니다. 초음파 반응기는 상당히 높은 고형분 농도를 처리할 수 있으므로 초음파 처리 공정을 가장 효율적으로 운영할 수 있습니다. 슬러리에 포함된 물질이 많을수록 초음파 처리의 이점을 얻지 못하는 운반 액체의 처리량은 줄어듭니다. 열역학 법칙에 따라 액체에 에너지를 투입하면 액체가 가열되므로, 이는 초음파 에너지가 가능한 한 대상 물질에 가해진다는 것을 의미합니다. 이러한 효율적인 공정 설계를 통해 과잉 운반 액체를 불필요하게 가열하는 일을 방지할 수 있습니다.
초음파는 세포 내 물질의 추출을 돕고, 이를 통해 해당 물질이 효소 발효에 이용될 수 있도록 합니다. 온화한 초음파 처리는 효소 활성을 높일 수 있지만, 바이오매스 추출에는 더 강한 초음파가 필요합니다. 따라서 강한 초음파는 효소를 불활성화하는 바람직하지 않은 영향을 미치므로, 초음파 처리 후에 바이오매스 슬러리에 효소를 첨가해야 합니다.

과학 연구를 통해 현재까지 얻은 결과:

볏짚을 이용한 바이오에탄올 생산에 관한 Yoswathana et al. (2010)의 연구에서는 효소 처리 전에 산 전처리와 초음파 처리를 병행하면 당 수율이 최대 44%(볏짚 기준)로 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 리그노셀룰로오스 물질을 효소 가수분해하여 당으로 전환하기 전에 물리적 전처리와 화학적 전처리를 병행하는 것이 효과적임을 보여줍니다. 

도표 2는 볏짚을 이용한 바이오에탄올 생산 과정에서 초음파 조사가 미치는 긍정적인 영향을 그래프로 보여줍니다. (산/효소 전처리 및 초음파 전처리를 거친 시료의 독성 물질을 제거하는 데 숯을 사용했습니다.)

또 다른 최근 연구에서는 초음파 처리가 세포 외 및 세포 내 β-갈락토시다아제 효소 수준에 미치는 영향을 조사했습니다. Sulaiman et al. (2011)은 제어된 온도에서 초음파를 사용하여 효모 Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537)의 성장을 촉진함으로써 바이오에탄올 생산성을 상당히 향상시킬 수 있었습니다. 이 논문의 저자들은 듀티 사이클 ≤20%에서 고출력 초음파(20 kHz)를 이용한 간헐적 초음파 처리를 상대적으로 높은 초음파 처리 강도인 11.8Wcm²에서 수행하면 K. marxianus의 바이오매스 생산, 유당 대사 및 에탄올 생산이 촉진되었다고 요약했습니다. 최적의 조건에서 초음파 처리는 대조군 대비 최종 에탄올 농도를 거의 3.5배로 높였습니다. 이는 에탄올 생산성이 3.5배로 향상된 것에 해당하지만, 초음파 처리를 통해 배양액 세제곱미터당 952W의 추가 전력 투입이 필요했습니다. 이러한 추가 에너지 요구량은 분명히 생물반응기의 허용 가능한 운전 기준 이내였으며, 고부가가치 제품의 경우 생산성 증가로 쉽게 상쇄할 수 있었습니다.

결론: 초음파 보조 발효의 이점

초음파 처리는 바이오에탄올 수율을 높이는 효율적이고 혁신적인 기술로 입증되었습니다. 초음파는 주로 옥수수, 대두, 짚, 리그노셀룰로오스 물질 또는 식물성 폐기물과 같은 바이오매스에서 세포 내 물질을 추출하는 데 사용됩니다.

• 바이오에탄올 수율 증가
• 파쇄/세포 파괴 및 세포 내 물질 방출
• 혐기성 분해 개선
• 온화한 초음파 처리에 의한 효소 활성화
• 고농도 슬러리를 통한 공정 효율 개선

간단한 시험, 재현 가능한 규모 확장 및 손쉬운 설치(기존 생산 흐름에도 설치 가능)를 통해 초음파는 수익성과 효율성을 갖춘 기술이 됩니다. 상업적 처리에 사용할 수 있는 신뢰성 높은 산업용 초음파 처리기가 공급되고 있으며, 이를 통해 사실상 무제한의 액체 부피를 초음파로 처리할 수 있습니다.