Positive Effects of Wood-Inhabiting Microorganisms

1. Positive Effects of Wood-InhabitingMicroorganisms 박준호

2. 9.1 “Myco-Wood” 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms 9.3 Biological Pulping 9.4 “Palo Podrido” and “Myco-Fodder” 9.5 Wood Saccharification and SulphitePulping 9.6 Grinding and Steam Explosion 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook

3. 1970년대 석유파동 이후 석유를 대신하기 위한 재생 가능한 자원(목재, 식물, 목질계 폐기물)의 이용에 괌심 • Lignocellulose 분해의 어려움 중에서 가장 큰 장애 요인은 리그닌을 제거하는 것(Table 4.2)

4. 목재부후균(백색, 갈색, 연부후균)과 목재부후 박테리아만이 전처리 없이 목질벽 분해 가능

5. 9.1 “Myco-Wood” • 독일 Eberswalde, 1930대, J. Liese가 Flammulinavelutipes(팽이), Kuehneromycesmutabilis(무리우산), Lenti-nulaedodes(표고)(Fig. 2.17a)와Pleurotusostreatus(느타리)와 같은 버섯을 식량 문제 해결을 위해서 재배

6. 9.1 “Myco-Wood” • 독일에서 목재의 수입이 중지되면서 W. Luthardt는 버섯 재배 후 남은 목질 폐기물을 이용해서 연필 등을 만들 수 있을 것으로 생각 • 1956년, Luthardt는 특허 “myco-wood” 등록 • Myco-wood :a wood that is loosened through the controlled action of certain wood-inhabiting fungi and which has changed its technological characteristics to a large extent or may obtain defined technical qualities • carving and sharpening ability to be used for form-constant products like 연필, 자, 제도판

7. 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms • 목재와 짚을 이용한 식용버섯의 생산량은 연간 2백만톤일 것으로 추정 • 2000년 전부터 생물학적인 지식 없이 표고버섯은 목재로부터 생산 • 300년, 전 버섯이 잘 자라게 하기 위해 도끼로 수피 표면을 찍음 • 1920년 대 목재에 구멍을 내서 버섯을 생산 • 1970년 때, 온습도 조절 가능한 공간에서 톱밥이나 칩을 이용해서 생산

8. 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms • 목분 이용에 있어 큰 발전은 플라스틱 백의 사용 • 목질재료에 보충재(겨, 소백분, 요소)를 첨가하여 알맞은 습도 조건에서 배양 • 목분, 칩, 잎 등에서도 실험 Fig. 9.1. Shii-take (Lentinulaedodes) fruit-bodies grown on wood waste chips

9. 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms Fig. 9.2. Main steps of Shii-take(표고) production a Maintenance of a selected isolate on agar. b Mycelialgrowth on grains for inoculation. c Substrate colonization in closed plastic bags. d Fruiting phase after removal of plastic bag (from Schmidt 1990)

10. 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms • 저온 살균법(60–100 ◦C): Trichoderma species like T. hamatum, T. harzianum, T. parceramosum,T. pseudokoningii, T. reesei and T. viride기생 물질억제 • 표고버섯에 비해서 느타리 버섯의 경우 생산이 쉬움 Fig. 9.3. Pleurotusostreatuscultivation on beech wood billets in Germany in 1936 (photo J. Liese)

11. 9.2 Cultivation of Edible Mushrooms • 버섯에서 물이 90% 이상을 차지 • 표고버섯(100 g 당) • 수천년 동안 버섯은 아시아에서의 의학품의 원료로서 알려짐 • methanol extract of the G. lucidum(영지) : 5α-reductase저항(전립선비대증)

12. 9.3 Biological Pulping • 펄프와 종이 산업에서 생물학적인 방법은 새로운 탈리그닌 공정을 통한 제조 비용의 감소와 환경적인 고려를 위한 수단으로 이용 • Biopulping : 기계적이나 화학적 펄핑 이전에 목재칩을백색부후균을 통해 리그닌을 제거하는 것 • blue-stain fungi 를 통한 수지 제거나 enzymes을 통한 표백 및 탈묵공정 적용

13. 9.3 Biological Pulping • biopulpedchips 이용 - 기계펄프 제조시리파이닝시25-35% 에너지 감소 - sheet strength properties : 일반적으로 20-40%증가함 - 펄핑 시간 : 20% 감소 • Coniophoraputeana(버즘버섯)전처리한목재칩 이용 • 리파이닝 에너지 40% 감소 • 휨강도3배 증가 • 수분 흡수성과 섬유판의 팽윤은 절반으로 감소

14. 9.3 Biological Pulping • 한계점 : 실험실 규모의 실험을 큰 규모의 자연상태에서의 적용이 어려움 • 다른 백색부후균이나fungi가 자랄 수 있음 - Trichoderma(불완전균) : 다른 균의 생장을 억제 • 야적시: 적합하지 않거나 불균일한 산소와 이산화탄소 농도, 함수율과 높은 온도 문제 발생 • Kraft pulping : Ophiostomapiliferum이용 상업적인 규모에서 시험

15. 9.4“Palo Podrido” and “Myco-Fodder” • white-rotted wood : “palopodrido” (rotted wood) or “huempe”, Ganoderma species like Ganodermaadspersum와 담자균, 효소, 박테리아의 작용으로 생성 • Fig. 9.4 “Palo podrido” caused by Phlebiachrysocreas (a)and a Chile an cow eating“palopodrido” (b)

16. 9.4“Palo Podrido” and “Myco-Fodder” • 습한 열대 기후는 목재를 습하게 유지하고 탈리그닌화 촉진 • 목재의 낮은 질소 함량이 선택적인 탈리그닌화의 중요 요소로 여겨짐 • Black manganese : manganese peroxidase 작용 • iron-chelating catechol compound : lignin or fungal metabolites

17. 9.4“Palo Podrido” and “Myco-Fodder” • Palo podrido: 소의 먹이로 이용 • 목재의 경우 목분상태라해도 낮은 소화율을 보이지만 Palo podrido의 경우 탈리그닌화로 목재조직이 연해져서 소가 먹을 수 있음. 혐기성 rumen bacteria가 wood carbohydrates 분해 가능 • rumen bacteria : 지방산(acetic, propionic, butyric acid)이용 wood carbohydrates분해

18. 9.4“Palo Podrido” and “Myco-Fodder” • “myco-fodder” : 반추동물의 먹이로써 이용하기 위해 fungi처리한 Lignocelluloses 와 protein content • Lentinulaedodes(표고)로 2개월간 처리한 짚의 경우 소화율이 28% 증가함

19. 9.5 Wood Saccharification and Sulphite Pulping • chemical wood pretreatment : wood saccharifiation과sulphitepulping를통해 얻어진 당을 미생물적 또는 효소적 변환에 사용 • The acid wood saccharification : wood carbohydrates로부터 monosaccharides생산 • Glucose : 대부분의 유기물의 보편적인 당으로 효소로 발효하거나 먹거나 석유를 대체하기 위한 ethanol의 원료 • Glucose를 통한 ethanol 생산은 석유 산업의 발전에 따라서 양조업에 제한되어 사용

20. 9.5 Wood Saccharification and Sulphite Pulping • Spent sulphite liquors : lignin sulphonic acids와 hemicelluloses부터 나온 단당으로 구성 • Hexoses : spent softwood 효소를 통해 alcohol로 변환 • Pentoses : hardwood liquors는 사료 또는 효모에 이용 • Paecilomycesvariotii(연부후균)을 통해 1980년대 핀란드에서 동물의 사료로 이용

21. 9.6 Grinding and SteamExplosion • grinding : 세포벽의 내부표면적 증가를 통해 효소 접근성을 높임, 입자 크기는 50 µm 이하 효과적 • Steam explosion : lignocellulose를 증기로 채운 이후 폭쇄하는 방법, 이때 세포벽을 분해하는 산이 방출됨 • steaming-extraction process : 쪼개진 목재는 물이나 알카리 용액으로 몇분간 처리(185–190 ◦C,1,100–1,200 kPa)다음 물이나 묽은 수산화나트륨 용액 세척을 통해서 리그닌과 셀룰로오스 고형물과 액상 헤미셀룰로오스 분리 • 목재 소화성: 5% wood, 80% steam-treated wood

22. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • 펄프와 종이 산업에서 상업적인 이용에 도달 • Xylanases를 이용한 enzyme-aided 표백 • direct delignification with oxidative enzymes • energy-saving refining with cellulases • Lipases를 통한 수지 제거 • slime control in the papermachine

23. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • removing contaminants in the recycle stream, 탈묵 • Enzymes : pulping시 섬유의 수율 증가 리파이닝 에너지 감소 • Cellulases, hemicellulases, pectinases : 탈리그닌화를 돕고 강도의 감소 없이 표백 효과를 높일 수 있음 • Laccase, protease : 기계적 pulping 에너지 저감

24. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • 표백과정에서 Lignin과manganese peroxidases는 Kraft pulp에서 리그닌을 완전히 제거할 수 없음 • xylanases : lignin extraction을 높이고 carbohydrate와 lignin 조합을 바꾸고 xylan을 분해함 • 폐지 재활용 : conventional 알카리탈묵법으로 제거하기 힘든 종이가 많이 있음 • Cellulases : 사무용 폐지의 토너 제거에 효과적

25. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • Phanerochaete chrysosporium과 Trametes versicolor : 염소 표백에서 발생하는 chlorolignins제거에 활용 • white-rot fungi(P. chrysosporium) : benzo(a)pyrene, DDT, dioxin 분해에 사용 • 아카시아의 수피 추출물,옻나무 → tannins 풍부 • Tannins : 가죽의 무두질과 접착제 생산에 이용

26. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • 가문비나무와 낙엽송의 추출물 :carbohydrate가 많아 접착제로의 이용이 어려웠음 • Paecilomycesvariotii(연부후균)을 통해 carbohydrate 함량을 낮추어 접착제로 이용 가능

27. 9.7 Recent Biotechnological Processes and Outlook • 화합물에 있어 석유가 중요한 원재료로 이용 • 석유자원 고갈과 석유 가격 상승으로 lignocelluloses에 대한 연구 계속되고 있음 Ex ) 미래 바이오연료는 화석연료로 대체 예상

28. Thank You