Energy insecurity and global warming are the biggest challenges for the global economy. Biomass energy is considered as an alternative energy which has numerous advantages over conventional fossil fuels. However, grains such as corns are used as the feedstock and may cause food insecurity. Therefore, it is vital to use cellulosic material from non-food biomass sources, however, these materials are quite recalcitrant to be converted into fermentable sugars due to its complex structure.
In the first study, response surface methodology (RSM) was employed to optimize ammonium carbonate pretreatment condition for maximum enzymatic hydrolysis with respect to ammonium carbonate concentration (2.0-10.0%), reaction temperature (120-160°C), and pretreatment time (10-30 min). From the statistical analysis, it was revealed that all the independent variables except time significantly contributed to enzymatic hydrolysis. The maximum enzymatic hydrolysis of 79.7% was obtained at the following optimal conditions: (NH4)2CO3 loading of 10.0%, reaction temperature of 160°C, and pretreatment time of 20 min. In addition, the alteration of structure after pretreatment was verified according to the SEM, XRD, and BET analysis.
In the second study, I searched for new microorganism species by isolating cellulose degraders from various environment samples. Instead of random sampling, several sources were targeted in the nature where cellulosic materials were actively decomposed such as Suncheon bay, silkwarm, and excrement of various grass-eating animals. Total 49 species were isolated by ten-fold serial dilution and cellulase activity assay with filter paper and Congo red. Several samples from grass-eating animals showed high cellulose-degrading efficiency. The strains of Nb and Nd from Nyala were determined as Pleomorphomonas sp. and Cellulomonas sp., respectively, by 16s rRNA sequencing. These strains showed highest growth rate under glucose, xylose, and carboxy-methyl cellulose (CMC) as carbon source and also converted 25 and 30 percent of the glucose into volatile fatty acid (VFA), respectively.
In the last study, β-glucosidase, the enzyme for cellulose oligomer degradation, was isolated and characterized from Bacillus cereus, the lab strain isolated from silkworm by gene cloning and expression technique. However, it was concluded that the cloned β-glucosidase gene introduced in S. cerevisiae by transformation, had failed to be expressed since the β-glucosidase activity was too low in terms of Esculin and pNPG method. Several possible reasons for low β-glucosidase gene activity can be assumed. First, the β-glucosidase gene from Bacillus cereus which is prokaryotes and gram-positive bacteria cannot be expressed in S. cerevisiae which is eukaryotes and gram-negative bacteria. Secondly, another β-glucosidase gene sequence of the lab strain of Bacillus cereus with the actual β-glucosidase activity might exist since during the gene cloning process, the gene sequences only depended on previous database. Lastly, the activity of β-glucosidase gene might be lost due to instability.
최근 고유가에 의한 에너지 위기와 지구 온난화에 따른 환경 문제가 우리 사회의 지속 성장을 위협하고 있다. 가장 심각한 문제는 석유자원의 고갈로, 특히 대부분 국가의 석유 소비량의 50% 이상을 차지하는 수송 부문에 대한 대책의 마련이 시급한 상황이다. 이에 대한 대책으로 제시되는 신.재생에너지의 여러 분야 중 바이오 에탄올이 시장에서 가장 주목을 받고 있으며, 현재 세계적으로 생산량이 급속도로 증가하고 있다. 바이오에탄올은 화석연료에 비해 지구온난화에 미치는 영향이 적고, 기존의 연료와 혼합사용이 가능하며, 차량과 시설을 재이용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 사탕수수나 옥수수와 같은 식량 자원이 원료로 사용됨에 따라 전 세계적으로 사회적 문제가 발생하였다. 이러한 식량계 바이오에탄올 생산 기술의 한계성을 극복하고자, 볏짚이나 옥수수대와 같은 목질계 바이오매스를 원료로 사용하여 에탄올을 경제적으로 생산하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 목질계 바이오매스는 높은 에너지 저장량에도 불구하고, 그 복잡한 구조 때문에 이용에 어려움이 있다. 따라서, 목질계 바이오매스의 효소 당화효율을 높이기 위한 전처리 기법, 셀룰로오즈 분해와 발효를 수행하는 미생물 분리 및 동정, 분리된 균주로부터 효소 분리에 관한 연구를 진행하였다.
첫번째 연구에서는 이산화탄소 포집기술로부터 생산된 탄산암모늄을 이용한 볏짚의 전처리 당화효율을 높이고자, RSM 기법을 이용하여 통계학적으로 최적화 된 전처리 조건을 찾고자 하였다. 당화효율에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 탄산 암모늄의 농도와 반응 온도, 시간에 대해서 최적화 된 조건(10% 탄산암모늄, 160℃, 20분)을 구하였고 이 때의 당화효율은 80.7%였다. 또한 SEM, XRD, BET 분석을 통하여 볏짚의 구조적인 변화를 확인하였다.
두 번째 연구에서는 바이오에탄올 생산과정 단축화를 통해 생산성 및 효율성을 획기적으로 높이고자, 우선 고효율의 셀룰로오스 분해 및 발효를 수행하는 미생물 자원을 분리.동정해 획득하는 것을 목표로 하였다. 자연계에서 셀룰로오스 분해능을 보이는 다양한 시료를 채취하였고, Filter paper와 Conge-red를 이용하여 셀룰로오스 분해능을 확인하였다. 총 49 종의 미생물을 분리하였고, 16s rRNA sequencing을 통해 동정하였다. 니얄라에서 분리된 Pleomorphomonas sp. (Nb)와 Cellulomonas sp. (Nd)는 Glucose, Xylose, CMC를 유일한 탄소원으로 주었을 때 빠른 성장 속도를 보였으며, 높은 VFA 전환 효율이 관찰되었다.
마지막 연구에서는 분리된 균주 중 Bacillus 두 종으로부터 셀룰레이즈 중에 하나인 Beta-glucosidase 를 분리하고, S. cerevisiae 에 분리한 유전자를 삽입하여 효소를 발현시키고자 하였다. 직접 설계한 프라이머(bm1, bm2)와 E. coli를 통해 Beta-glucosidase 유전자를 분리하고 복제하였으나, S. cerevisiae에 이를 삽입한 후 pNPG와 Esculin을 이용한 활성 측정 결과 그 값이 너무 낮아 추가 실험이 요구된다.
