선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 바이오매스의 리그닌함량은 최종적인 가수 분해율에 결정적인 영향을 미치고 셀룰로스의 결정성은 효소가 기질에 접근할 수 있는 흡착 자리에 영향을 미치기 때문에 초기가수분해 속도에 영향을 미치며 총 가수분해 시간 및 투입해야 하는 효소량을 결정짓는다 [8-11]. 따라서 본 연구에서는 에탄올을 생산하기 위한 보릿짚의 전 처리에 ethanosolv공정을 적용하여 타당성과 함께 적정 공정조건을 탐색하기 위하여 전처리를 통한 리그닌제거율에 초점을 맞추었다. 이외에 XRD 측정을 통하여 결정도를 분석, ethanosolv 처리가 바이오매스의 결정도에 미치는 영향 및 리그닌제거와 결정도와의 관계를 확인하였다.
- 본 연구에서는 바이오 에탄올 생산을 위한 보릿짚의 전처리에 ethanosolv 방법을 적용하여 그 타당성을 조사하였다. 리그닌제거율은 처리 온도와 시간에 따라 증가하였으며 180℃, 200℃에서 거의 38%정도의 비슷한 제거율을 보였는데 비용절감 등의 부분을 감안할 때 180℃, 120 min가 적정조건이라는 결론을 얻었다.
제안 방법
- 리그닌제거율은 처리 온도와 시간에 따라 증가하였으며 180℃, 200℃에서 거의 38%정도의 비슷한 제거율을 보였는데 비용절감 등의 부분을 감안할 때 180℃, 120 min가 적정조건이라는 결론을 얻었다. ethanosolv 전처리 효과를 증대시키기 위하여 2단계의 전처리 방법을 적용하였다. 볶은 후 ethanosolv 한 보릿짚의 경우 리그닌제거율은 35%정도로 그렇지 않은 경우와 거의 유사하여 볶음이 리그닌제거율에 큰 영향을 미치지 않음을 확인 할 수 있었다.
- ethanosolv처리를 통한 리그닌제거가 셀룰로스의 결정성에 미치는 영향을 주는지 알아보기 위하여 XRD 측정을 통하여 결정성을 계산하였다. Fig.
- pH 1에서 리그닌 제거율은 가장 효과적이었지만 반응기가 부식 되는 등의 문제점이 있으며 일반적으로 산을 이용한 전처리에서는 pH가 2 정도의 처리를 해주는 사실을 감안하여 pH 2를 ethanosolv 전처리의 적정산 농도로 결정하였다. 따라서 pH 2를 나타내는 1 M H2SO4, 0.2%농도를 적정 촉매농도로 결정하였다.
- 전처리하지 않은 바이오매스의 리그닌 양과 비교하여 리그닌제거율 (delignification, %)을 계산한다. 또한 액상은 HPLC를 사용하여 glucan, xylan, galactan, arabinan을 분석하였으며 RI detector와 Bio-Rad HPX-87P column를 사용하였다. 이동상은 증류수를 사용하여 유속 0.
- 리그닌제거율을 증가시키기 위하여 보릿짚을 볶은 (roasting) 후 ethanosolv처리하는 2단계 전처리를 하였다. 볶음은 보릿짚 구조의 물리적 변화를 유도하여 에탄올에 리그닌이 좀 더 쉽게 용해되어 빠져나오게 하기 위해 고안하였다.
- 바이오매스의 결정성 (crystallinity)을 비교하기 위해 XRD (X-ray diffractometer, Rigaku, D/max2500)을 이용하여 분석하였다. 모든 시료는 < 140 mesh 크기로 준비하였다.
- 반응시간과 온도가 리그닌제거율에 미치는 영향을 알아보기 위해서 120℃, 140℃, 160℃, 180℃, 200℃에서 300 min 동안 ethanosolv 처리 하였다 (Fig. 2). 160℃ 이상에서는 반응온도가 높을수록, 반응시간이 길수록 리그닌 제거율은 증가하였다.
- 리그닌제거율을 증가시키기 위하여 보릿짚을 볶은 (roasting) 후 ethanosolv처리하는 2단계 전처리를 하였다. 볶음은 보릿짚 구조의 물리적 변화를 유도하여 에탄올에 리그닌이 좀 더 쉽게 용해되어 빠져나오게 하기 위해 고안하였다. 따라서 보릿짚을 200℃, 10분간 볶은 후 ethanosolv 처리 하였다.
- 가수분해가 끝난 후 증류수 84 mL을 첨가하여 오토클레이브에서 121℃, 60 min 동안 2차 산 가수 분해한다. 여과하여 고형물과 액상으로 분리한 후 고형물은 550℃, 4 h 동안 회화시켜서 산에 녹지 않는 리그닌 (acid insoluble lignin) 양을 측정하고 액상은 UV-spectrophotometer를 이용하여 205 nm에서의 흡광도를 측정하여 산에 녹는 리그닌 양 (acid soluble lignin)을 측정한다. 전체 리그닌 양은 산에 녹는 리그닌과 산에 녹지 않는 리그닌의 총합이다.
- 따라서 본 연구에서는 에탄올을 생산하기 위한 보릿짚의 전 처리에 ethanosolv공정을 적용하여 타당성과 함께 적정 공정조건을 탐색하기 위하여 전처리를 통한 리그닌제거율에 초점을 맞추었다. 이외에 XRD 측정을 통하여 결정도를 분석, ethanosolv 처리가 바이오매스의 결정도에 미치는 영향 및 리그닌제거와 결정도와의 관계를 확인하였다.
- 오일 항온조를 이용하여 120～200℃의 온도로 조절하였으며 반응시간은 30～300 min으로 하였다. 전처리 한 바이오매스는 여과하여 고형물과 액상으로 분리하고 분리된 고형물은 pH가 7 정도가 될 때까지 물로 세척한 후 액상과 고형물의 리그린 함량을 분석하여 리그닌제거율 (delignification, %)을 계산하였다.
- 전체 리그닌 양은 산에 녹는 리그닌과 산에 녹지 않는 리그닌의 총합이다. 전처리하지 않은 바이오매스의 리그닌 양과 비교하여 리그닌제거율 (delignification, %)을 계산한다. 또한 액상은 HPLC를 사용하여 glucan, xylan, galactan, arabinan을 분석하였으며 RI detector와 Bio-Rad HPX-87P column를 사용하였다.
- ethanosolv에서 낮은 온도와 낮은 산 농도는 바이오매스 분말을 활성화하기에는 불충분하고 반면에 높은 온도와 높은 산 함량은 유기물의 과분해를 일으켜 HMF (hydroxy methyl furfural), furfural과 같은 퓨란 (furane) 화합물을 형성하여 5 탄당과 6 탄당의 손실을 가져온다. 투입해야 할 적정 산 농도를 알아보기 위하여 1M H2SO4를 이용하여 pH에 따른 리그닌제거율을 확인하여 보았다 (Fig. 1). pH가 낮을수록 리그닌제거율도 증가하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 보릿짚은 2007. 7월에 수확한 것으로 (주)창해 에탄올로부터 제공받아 사용하였으며, 분쇄기 (cutter mill)를 이용하여 1 mm이하로 균일하게 분쇄하였다. 분쇄된 바이오매스는 실온의 밀폐용기 안에 보관하였다.
- 분쇄된 바이오매스는 실온의 밀폐용기 안에 보관하였다. Ethanosolv 전처리에 사용된 반응기는 지름 12 mm, 길이 120 mm, 부피 13 mL로 반응온도와 압력를 고려해 SUS 316으로 제작하였다.
- %는 유기물의 과도한 분해를 막고 리그닌 제거의 효과적인 활성제의 역할을 할 수 있는 조성으로 알려져 있다 [6,7]. ethanosolv의 촉매로서 황산을 선택하였다. ethanosolv에서 낮은 온도와 낮은 산 농도는 바이오매스 분말을 활성화하기에는 불충분하고 반면에 높은 온도와 높은 산 함량은 유기물의 과분해를 일으켜 HMF (hydroxy methyl furfural), furfural과 같은 퓨란 (furane) 화합물을 형성하여 5 탄당과 6 탄당의 손실을 가져온다.
- 모든 시료는 < 140 mesh 크기로 준비하였다.
- 본 실험에 사용된 보릿짚은 2007. 7월에 수확한 것으로 (주)창해 에탄올로부터 제공받아 사용하였으며, 분쇄기 (cutter mill)를 이용하여 1 mm이하로 균일하게 분쇄하였다.
이론/모형
- 전처리 후 남아있는 고형물 (residual solid)의 양, 리그닌 함량은 NREL (National Renewable Energy Labratory)의 Standard Biomass Analytical Prodedure No. 003, 004에 기초하여 분석하였다. 탄수화물 (carbohydrate)함량은 당 (sugar)로부터 유래되는 헤미셀룰로오스 (xylan, galactan, arabinan)와 셀룰로오스 (glucan)의 양을 측정함으로써 얻을 수 있는데 이것은 NREL procedure No.
- 003, 004에 기초하여 분석하였다. 탄수화물 (carbohydrate)함량은 당 (sugar)로부터 유래되는 헤미셀룰로오스 (xylan, galactan, arabinan)와 셀룰로오스 (glucan)의 양을 측정함으로써 얻을 수 있는데 이것은 NREL procedure No. 002에 기초하여 분석하였다. 전처리 후 고형물은 45℃, 10 h 동안 건조한 후 이중 0.
성능/효과
- 이 반응온도 범위에서 리그닌 제거율은 대략 10~40% 이었다. 120℃, 140℃와 같은 낮은 온도에서 최대 리그닌제거율은 반응 60 min에 대략 25% 정도였으며 그 이후에는 리그닌제거율이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 낮은 온도에서는 리그닌이 에탄올에 용해되지 못하고 반응시간이 길어질수록 불용성 물질로 변하기 때문으로 판단된다.
- 2). 160℃ 이상에서는 반응온도가 높을수록, 반응시간이 길수록 리그닌 제거율은 증가하였다. 이 반응온도 범위에서 리그닌 제거율은 대략 10~40% 이었다.
- 실험에 사용된 보릿짚의 구성성분을 Table 1에 나타내었다. NREL procedure에 따라서 분석한 결과 당 성분은 55.9%로 나타났다. 셀룰로스의 주성분인 glucan은 41.
- 볶은 후 ethanosolv 한 보릿짚의 경우 리그닌제거율은 35%정도로 그렇지 않은 경우와 거의 유사하여 볶음이 리그닌제거율에 큰 영향을 미치지 않음을 확인 할 수 있었다. XRD분석을 통하여 전처리 시간과 온도가 증가할수록 결정성은 감소하였다. 볶은 후 ethanosolv 한 것과 ethanosolv 단독 처리한 보릿짚 사이의 결정성은 미소 하지만 물리적 변형을 한 단계 더 겪은 볶은 보릿짚이 전체적으로 낮게 나타났다.
- 또한 미미한 차이이지만 볶은 보릿짚이 그렇지 않은 보릿짚에 비해 전체적으로 CrI 가 낮았다. 따라서 물리적인 변형을 유도하기 위해 시도한 볶음처리가 CrI에 미약하지만 효과가 있음을 확인하였다.
- 하지만 모든 온도에서 반응개시 60 min에 탈 리그닌화 반응이 평형에 도달하였다. 따라서 볶음처리가 보릿짚의 리그닌 제거율을 향상시키지는 못하지만 반응시간을 단축시키는 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 140℃ 이하의 온도에서 반응시간이 길어질 때 리그닌의 불용화 반응은 일어나지 않았다.
- 이것은 ethanosolv 처리를 통해 리그닌부분이 제거됨으로서 결정성 셀룰로스의 함량이 상대적으로 높아지기 때문이다. 또한 ethanosolv 처리 된 보릿짚 사이의 비교에서는 최종적으로는 처리시간이 길어질수록 CrI 가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 셀룰로오스의 결정성이 리그닌제거율에 영향을 주는 한 가지 요인이기는 하지만 리그닌제거율을 결정짓는 가장 큰 요인은 아니라는 사실을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 바이오 에탄올 생산을 위한 보릿짚의 전처리에 ethanosolv 방법을 적용하여 그 타당성을 조사하였다. 리그닌제거율은 처리 온도와 시간에 따라 증가하였으며 180℃, 200℃에서 거의 38%정도의 비슷한 제거율을 보였는데 비용절감 등의 부분을 감안할 때 180℃, 120 min가 적정조건이라는 결론을 얻었다. ethanosolv 전처리 효과를 증대시키기 위하여 2단계의 전처리 방법을 적용하였다.
- XRD분석을 통하여 전처리 시간과 온도가 증가할수록 결정성은 감소하였다. 볶은 후 ethanosolv 한 것과 ethanosolv 단독 처리한 보릿짚 사이의 결정성은 미소 하지만 물리적 변형을 한 단계 더 겪은 볶은 보릿짚이 전체적으로 낮게 나타났다.
- ethanosolv 전처리 효과를 증대시키기 위하여 2단계의 전처리 방법을 적용하였다. 볶은 후 ethanosolv 한 보릿짚의 경우 리그닌제거율은 35%정도로 그렇지 않은 경우와 거의 유사하여 볶음이 리그닌제거율에 큰 영향을 미치지 않음을 확인 할 수 있었다. XRD분석을 통하여 전처리 시간과 온도가 증가할수록 결정성은 감소하였다.
- 3에 나타냈다. 볶지 않고 ethanosolv만 단독 처리한 경우와 마찬가지로 반응온도와 시간이 증가함에 따라 리그닌제거율이 증가함을 확인할 수 있었으며 리그닌제거율이 향상 될 것이라는 예측과는 달리 리그닌제거율은 ethanosolv 단독처리 시와 유사하였다. 하지만 모든 온도에서 반응개시 60 min에 탈 리그닌화 반응이 평형에 도달하였다.
- 9%로 나타났다. 셀룰로스의 주성분인 glucan은 41.2%, 헤미셀룰로스의 주성분인 xylan은 14.7%, arabinan은 매우 작은 양을 차지하고 있었으며 galactan과 mannan은 없었다. 이러한 성분들은 5탄당, 6탄당 발효 미생물에 의해 에탄올로 전환된다.
- 또한 ethanosolv 처리 된 보릿짚 사이의 비교에서는 최종적으로는 처리시간이 길어질수록 CrI 가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 셀룰로오스의 결정성이 리그닌제거율에 영향을 주는 한 가지 요인이기는 하지만 리그닌제거율을 결정짓는 가장 큰 요인은 아니라는 사실을 알 수 있었다. 또한 미미한 차이이지만 볶은 보릿짚이 그렇지 않은 보릿짚에 비해 전체적으로 CrI 가 낮았다.
- 하지만 황산, 암모니아, 석회 등에 비해 에탄올은 매우 많은 장점을 지니고 있다. 이러한 에탄올의 장점을 적극 활용하고 전처리 효율은 높이기 위해 볶음 (roasting)을 추가한 2단계의 전처리를 시도하였고 그 결과 리그닌제거율은 크게 다르지 않았지만 반응시간을 단축시켰고 효소 가수분해에 영향을 주는 요인중 하나인 결정성을 감소시키는 것을 확인하였다. 이와 같은 연구결과를 바탕으로 미생물 처리 등 효소가수분해 반응의 비용을 낮출 수 있는 연구가 필요하다고 판단된다.
후속연구
- 이러한 에탄올의 장점을 적극 활용하고 전처리 효율은 높이기 위해 볶음 (roasting)을 추가한 2단계의 전처리를 시도하였고 그 결과 리그닌제거율은 크게 다르지 않았지만 반응시간을 단축시켰고 효소 가수분해에 영향을 주는 요인중 하나인 결정성을 감소시키는 것을 확인하였다. 이와 같은 연구결과를 바탕으로 미생물 처리 등 효소가수분해 반응의 비용을 낮출 수 있는 연구가 필요하다고 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.