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문제 정의
- 묽은 산이나 자가 가수분해에 의한 자이란 제거에 의한 전처리 기술에서는 자이란 제거에 의한 공극 생성으로 셀룰라아제가 효과적으로 작용하여 효소당화율이 높아진다고 보고되어 왔다. 리그닌 제거와 자이란 제거에 효과적인 암모니아수 침지 처리를 통하여 어느 것이 더 효소당화에 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 옥수수 바이오매스, 대마 목부, 담배 줄기 3가지 초본류 목질계 바이오매스의 화학적 조성과 탄수화물 조성을 분석하였다.
- 리그닌 제거와 자이란 제거에 효과적인 암모니아수 침지 처리를 통하여 어느 것이 더 효소당화에 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 옥수수 바이오매스, 대마 목부, 담배 줄기 3가지 초본류 목질계 바이오매스의 화학적 조성과 탄수화물 조성을 분석하였다. 이들 시료를 암모니아 침지 처리하여 후, 전체적인 물질평형으로부터 리그닌과 자이란의 제거 정도를 계산하였고, 침지 처리 시료를 상업용 효소 복합제를 사용하여 효소당화를 실시한 후, 리그닌과 자이란의 제거 정도가 잔류 셀룰로오스와 잔류 자이란의 효소 당화에 미치는 영향에 대하여 탐구하였다.
제안 방법
- 9) 이러한 경향이 암모니아수 침지 처리 후, 자이란과 리그닌 용출 정도와의 관계에 적용할 수 있는지를 알아보기 위하여, 자이란과 리그닌의 용출 정도와 상업용 복합 셀룰라아제를 사용하는 효소당화에 의한 셀룰로오스와 자이란의 당화 정도와 비교하였다.
- 물질 평형의 계산은 암모니아수 침지 처리 후, 암모니아 침지 처리에 의하여 용출 제거된 바이오매스의 양을 측정하고, 암모니아 침지 처리 후 세척 건조된 시료의 화학 조성을 분석하여, 전체적인 물질 평형을 계산하였다. 무처리 시료의 자이란과 리그닌 함량을 기준으로, 용출 제거된 자이란과 리그닌 양의 용출 정도를 계산하였다.
- 물질 평형의 계산은 암모니아수 침지 처리 후, 암모니아 침지 처리에 의하여 용출 제거된 바이오매스의 양을 측정하고, 암모니아 침지 처리 후 세척 건조된 시료의 화학 조성을 분석하여, 전체적인 물질 평형을 계산하였다. 무처리 시료의 자이란과 리그닌 함량을 기준으로, 용출 제거된 자이란과 리그닌 양의 용출 정도를 계산하였다.
- 암모니아수 침지 방법, 침지 전 후 화학조성 분석, 암모니아 침지 처리 시료의 효소 당화 및 당화액 분석은 전보에서 기술한 방법에 따라 실시하였다.10-12) 반응 온도와 시간은 50℃에서는 6일과 90℃에서는 16시간 반응시킨 후, 세척 여과하여 반응 후 용액에 녹는 부분을 제거하고, 고형분을 공기 중에서 건조시킨 후, 조성분석에 사용하였다.
- 옥수수 바이오매스, 대마 목부, 담배 줄기 바이오매스에 대한 암모니아수 침지 처리 후, 자이란과 리그닌의 제거를 분석하였다. 옥수수 바이오매스의 경우, 대부분의 산 불용성 리그닌 성분들이 암모니아수 침지 처리에서 제거 되었지만, 담배 줄기의 암모니아 침지 처리에서는 산 불용성 리그닌 성분의 제거 정도가 상대적으로 적었다.
- 본 연구에서는 옥수수 바이오매스, 대마 목부, 담배 줄기 3가지 초본류 목질계 바이오매스의 화학적 조성과 탄수화물 조성을 분석하였다. 이들 시료를 암모니아 침지 처리하여 후, 전체적인 물질평형으로부터 리그닌과 자이란의 제거 정도를 계산하였고, 침지 처리 시료를 상업용 효소 복합제를 사용하여 효소당화를 실시한 후, 리그닌과 자이란의 제거 정도가 잔류 셀룰로오스와 잔류 자이란의 효소 당화에 미치는 영향에 대하여 탐구하였다.
- 산업용 대마는 충남 당진군 농업기술센터의 도움으로 2007년4월에 파종하여 같은 해8월에 수확한 산업용 대마 시료를 공급받았다. 이런 시료를 손으로 인피 섬유와 목부 바이오매스로 분리한 다음, 목부 바이오매스를 분쇄하여 분말을 제조하였다. 담배 줄기는 충북대학교 구내 농장에서 2007년 4월에 이식 재배하여, 잎 수확이 끝난 후 버려지는 줄기를 8월 15일에 잘라서 공기 중에 2주간 건조시킨 후 분쇄하였다.
대상 데이터
- 이런 시료를 손으로 인피 섬유와 목부 바이오매스로 분리한 다음, 목부 바이오매스를 분쇄하여 분말을 제조하였다. 담배 줄기는 충북대학교 구내 농장에서 2007년 4월에 이식 재배하여, 잎 수확이 끝난 후 버려지는 줄기를 8월 15일에 잘라서 공기 중에 2주간 건조시킨 후 분쇄하였다. 각 분말은 체로 쳐서 40-60 mesh 부분을 골라서 실험에 사용하였다.
- 옥수수 바이오매스는 충북 청원군 북이면 농가에서 2008년 4월 말 파종하여 같은 해 7월에 열매를 수확한 후, 밭에 버려진 옥수수 줄기를 8월 7일에 잘라서 공기 중에 2주간 건조시킨 후, 분말을 제조하였다. 산업용 대마는 충남 당진군 농업기술센터의 도움으로 2007년4월에 파종하여 같은 해8월에 수확한 산업용 대마 시료를 공급받았다. 이런 시료를 손으로 인피 섬유와 목부 바이오매스로 분리한 다음, 목부 바이오매스를 분쇄하여 분말을 제조하였다.
- 옥수수 바이오매스는 충북 청원군 북이면 농가에서 2008년 4월 말 파종하여 같은 해 7월에 열매를 수확한 후, 밭에 버려진 옥수수 줄기를 8월 7일에 잘라서 공기 중에 2주간 건조시킨 후, 분말을 제조하였다. 산업용 대마는 충남 당진군 농업기술센터의 도움으로 2007년4월에 파종하여 같은 해8월에 수확한 산업용 대마 시료를 공급받았다.
성능/효과
- 암모니아 침지 처리에 의한 옥수수 바이오매스나 switchgrass 내 리그닌의 용출 정도가 옥수수 바이오매스에서는 60-80%의 리그닌 용출을, switchgrass에서는 65-85%의 리그닌을 용출시킨다고 보고되었다. 6) 리그닌 제거 정도는 담배 줄기에서는 6.0-12.0%로 낮았으며, 대마 목부에서는 21.5-30.2%로 옥수수 바이오매스에 비하여 현저하게 낮은 양의 리그닌이 용출되었다(Table 3).
- 9) 자가 가수분해와 산 가수분해 반응조건에서 자이란이나 리그닌의 제거 정도가 셀룰로오스의 효소 당화를 향상시켰다.
- 6% 낮게 나타났다. 다당류 내 당 조성 분석에서 셀룰로오스의 함량은 37.5-41.2%로 비슷하였지만, 자이란의 함량은 담배 줄기에서 32.9%로 옥수수 바이오매스(22.4%)보다 월등하게 높게 나타났다.
- 암모니아수 침지 처리에 의한 리그닌 용출 정도(Table 3)와 전처리재의 효소 당화율의 비교(Table 5)에서, 리그닌의 용출 정도가 가장 높은 옥수수 바이오매스에서 셀룰로오스 및 자이란의 효소 당화율이 가장 높게 나타났고, 리그닌 용출 정도가 가장 낮은 담배줄기의 셀룰로오스 및 자이란의 효소 당화율이 가장 낮게 나타났다. 담배 줄기의 셀룰로오스 효소 당화를 제외하고는, 저온에서 장기간 침지 처리가 고온에서 단기간 침지 처리 보다 높은 효소 당화율을 보였다.
- 목질 성분의 제거 정도와 셀룰로오스와 자이란의 효소당화율 향상에 대한 비교에서 암모니아수 침지 처리 에서 리그닌의 용출 제거가 클수록 셀룰로오스와 자일 란의 효소 당화율이 높게 나타났다. 암모니아수 침지 처리에 의한 자이란의 용출 제거는 복합 셀룰라아제에 의한 효소 당화율과 사이에 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
- 암모니아수 침지 처리에 의한 리그닌 용출 정도(Table 3)와 전처리재의 효소 당화율의 비교(Table 5)에서, 리그닌의 용출 정도가 가장 높은 옥수수 바이오매스에서 셀룰로오스 및 자이란의 효소 당화율이 가장 높게 나타났고, 리그닌 용출 정도가 가장 낮은 담배줄기의 셀룰로오스 및 자이란의 효소 당화율이 가장 낮게 나타났다.
- 목질 성분의 제거 정도와 셀룰로오스와 자이란의 효소당화율 향상에 대한 비교에서 암모니아수 침지 처리 에서 리그닌의 용출 제거가 클수록 셀룰로오스와 자일 란의 효소 당화율이 높게 나타났다. 암모니아수 침지 처리에 의한 자이란의 용출 제거는 복합 셀룰라아제에 의한 효소 당화율과 사이에 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
- 암모니아수 침지 처리에서 옥수수 바이오매스 내 자일란 성분의 용출이 가장 작게 나타났다(Table 4). 옥수수 바이오매스에서는 상대적으로 저온 장기간 처리 조건 보다 고온 단기간 처리조건에서 더 많은 자이란이 용출되었는데, 담배 줄기나 대마 목부에서는 이와 반대의 경향을 나타내었다.
- 암모니아수 침지 처리에서, 옥수수 바이오매스내 산 불용성 리그닌 성분의 용출이 크게 나타났다(Table 3).
- 9% 높게 나타났다. 열수 추출물 함량이 높은 옥수수 바이오매스에서 다당류 함량이 담배 줄기나 대마 목부에 비하여 4.4-5.6% 낮게 나타났다. 다당류 내 당 조성 분석에서 셀룰로오스의 함량은 37.
- 옥수수 바이오매스, 대마 목부 및 담배 줄기의 암모니아수 침지 처리 결과, 고온에서 단기간 침지 처리한 옥수수 바이오매스의 효소 당화에 의한 단당류 생산에 가장 적합한 원료로 생각되었고 담배 줄기가 리그닌 성분의 용출이 크지 않아 가장 어려운 원료로 생각된다.
- 옥수수 바이오매스, 대마 목부 및 담배 줄기의 화학적 조성 분석과 당류 조성 분석 결과(Table 1 및 Table 2), 초본류 목질 바이오매스 내 화학적 조성의 차이가 크게 나타났다. 옥수수 줄기에서는 열수 추출물 함량이 담배 줄기나 대마 목부에 비하여 특이하게 높았다.
- 3-5) 암모니아수 침지법은 바이오매스 성분 내 에스테르 결합을 분해하여 헤미셀룰로오스나 리그닌의 용출을 일으킨다. 옥수수 바이오매스나 스위치그래스(swithchgrass)에 대한 암모니아수 처리 결과, 옥수수 바이오매스에서는 60-80%의 리그닌 용출을 보였고, switchgrass에서는 65-85%을 리그닌을 용출시켰다.6-8)
- 옥수수 바이오매스, 대마 목부 및 담배 줄기의 화학적 조성 분석과 당류 조성 분석 결과(Table 1 및 Table 2), 초본류 목질 바이오매스 내 화학적 조성의 차이가 크게 나타났다. 옥수수 줄기에서는 열수 추출물 함량이 담배 줄기나 대마 목부에 비하여 특이하게 높았다. 리그닌 함량은 옥수수 바이오매스와 담배 줄기가 비슷하였지만, 대마 목부의 경우, 3.
- 자가 가수분해와 묽은 산 가수분해로 전처리를 한, 옥수수 바이오매스의 셀룰로오스 효소 당화에서 자이란이 제거될수록 셀룰로오스의 효소당화가 증가하였다.
- 옥수수 바이오매스에서는 상대적으로 저온 장기간 처리 조건 보다 고온 단기간 처리조건에서 더 많은 자이란이 용출되었는데, 담배 줄기나 대마 목부에서는 이와 반대의 경향을 나타내었다. 자이란 함량이 높은 담배 줄기에서, 암모니아수 침지에 의한 자이란 용출 효과도 가장 크게 나타났다. 대마 목부의 경우, 담배 줄기와 옥수수 바이오매스의 중간 정도로 자이란 용출에 의한 제거가 일어났다.
- 이러한 특성은 옥수수 줄기가 다른 초본류 바이오매스 보다 효소 당화에서 단당류로 전환이 용이한 원인으로 생각된다. 즉, 열수 추출물의 제거나 리그닌의 용출 제거로 인하여, 효소당화에 적합한 구조로 변화하여, 효소당화에 의해 단당류로의 전환율이 담배 줄기나 대마 목부보다 크게 나타났다.
후속연구
- 그러나 암모니아수 침지 처리에 의하여 용출 제거되는 자이란에 대한 보다 자세한 연구가 필요하다. 유기용매 추출이나 열수 추출과정에서 제거되지 않은 자이란의 일부가 세포벽의 복합 구조를 구성하지 못한 부분에서, 암모니아수 침지 처리에 의하여 제거 된다면, 복합 셀룰라아제 효소의 흡착에 도움이 되지 않기 때문에 효소 당화율의 향상에 기여하지 못할 것으로 생각된다.
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