본 연구는 산염이 첨가된 아세톤 용액으로 목질바이오매스를 가수분해하여 효과적으로 화학적 조성분을 분리할 수 있는 최적조건을 확립하는데 있다. 아세톤에 의한 목질바이오매스의 가수분해에서 $Al_2(SO_4)_3$은 우수한 촉매로 작용하였으며, 최적 농도는 0.01 M (6.3 wt%)였다. 본 실험에서는 아세톤과 물의 비율을 9 : 1로 맞추고 $Al_2(SO_4)_3$의 최적 농도조건에서 신갈나무재와 소나무재를 $200^{\circ}C$에서 45분 동안 가수분해하여 각각 92.7%와 92.4% 분해율을 나타냈다. 아세톤과 물의 비율이 8 : 2에서는 반응시간을 60분으로 연장하였을 경우 신갈나무재의 가수분해율은 92.7%였으나, 소나무재는 반응온도를 $210^{\circ}C$로 상승시켜야 신갈나무재에 버금가는 가수분해율을 얻을 수 있었다. 가수분해 온도와 시간을 증가시키면 가수분해산물로부터 분리, 회수되는 리그닌은 증가하였으나, 탄수화물 함량은 급격히 감소하는 경향을 보였다. 리그닌과 당의 회수량을 고려해 보면, 목질바이오매스의 최적 가수분해 조건은 아세톤과 물의 비율 8 : 2, 아세톤 용액에 대한 $Al_2(SO_4)_3$ 농도는 6.3 wt%, 가수분해 온도와 시간은 각각 $190^{\circ}C$와 60분으로 나타났고, 이 조건에서 당의 회수율은 목질바이오매스 전건중량 기준으로 신갈 나무재와 소나무재에서 각각 47.6%와 51.4%로 나타났고, 리그닌 회수율은 각각 18.2%와 13.7%로 측정되었다.
본 연구는 산염이 첨가된 아세톤 용액으로 목질바이오매스를 가수분해하여 효과적으로 화학적 조성분을 분리할 수 있는 최적조건을 확립하는데 있다. 아세톤에 의한 목질바이오매스의 가수분해에서 $Al_2(SO_4)_3$은 우수한 촉매로 작용하였으며, 최적 농도는 0.01 M (6.3 wt%)였다. 본 실험에서는 아세톤과 물의 비율을 9 : 1로 맞추고 $Al_2(SO_4)_3$의 최적 농도조건에서 신갈나무재와 소나무재를 $200^{\circ}C$에서 45분 동안 가수분해하여 각각 92.7%와 92.4% 분해율을 나타냈다. 아세톤과 물의 비율이 8 : 2에서는 반응시간을 60분으로 연장하였을 경우 신갈나무재의 가수분해율은 92.7%였으나, 소나무재는 반응온도를 $210^{\circ}C$로 상승시켜야 신갈나무재에 버금가는 가수분해율을 얻을 수 있었다. 가수분해 온도와 시간을 증가시키면 가수분해산물로부터 분리, 회수되는 리그닌은 증가하였으나, 탄수화물 함량은 급격히 감소하는 경향을 보였다. 리그닌과 당의 회수량을 고려해 보면, 목질바이오매스의 최적 가수분해 조건은 아세톤과 물의 비율 8 : 2, 아세톤 용액에 대한 $Al_2(SO_4)_3$ 농도는 6.3 wt%, 가수분해 온도와 시간은 각각 $190^{\circ}C$와 60분으로 나타났고, 이 조건에서 당의 회수율은 목질바이오매스 전건중량 기준으로 신갈 나무재와 소나무재에서 각각 47.6%와 51.4%로 나타났고, 리그닌 회수율은 각각 18.2%와 13.7%로 측정되었다.
The purpose of this study was to seek the optimum condition for effective separation of the chemical constituents of wood biomass by means of hydrolysis of acetone solution in presence of acid salt as a catalyst. Out of diverse acid salts the catalytic effect of aluminum sulfate ($Al_2(SO_4)_3$...
The purpose of this study was to seek the optimum condition for effective separation of the chemical constituents of wood biomass by means of hydrolysis of acetone solution in presence of acid salt as a catalyst. Out of diverse acid salts the catalytic effect of aluminum sulfate ($Al_2(SO_4)_3$) was the most excellent during the hydrolysis of wood biomass in the acetone solution and the optimum concentration was 0.01 M (6.3 wt%). In the condition of mixture ratio of acetone and water to 9 : 1 as well as optimum concentration of aluminum sulfate two wood biomass species, oak wood (Quercus mongolica Fischer) and Pine wood (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.), was hydrolyzed for 45 minutes at $200^{\circ}C$ and the degree of hydrolysis was determined to 92.7% and 92.4%, respectively. Extending the reaction time to 60 minutes in the mixture ratio of acetone and water to 8 : 2 the degree of hydrolysis of oak wood was also ca. 92.7%. In the case of Pinus, however, the similar hydrolysis ratio was obtained at $210^{\circ}C$. As the temperature and hydrolysis time increased, the quantitative amount of lignin recovered from the hydrolysate clearly increased, whereas the total amount of carbohydrates in the hydrolysate decreased rapidly. Considering the recoverable amount of lignin and carbohydrate in the hydrolysate, the best condition for the hydrolysis of wood biomasses were confirmed to the mixture ratio of acetone and water to 8 : 2, the concentration of aluminum sulfate of 6.3 wt%, hydrolysis temperature of $190^{\circ}C$ for 60 minutes. In this condition the total amounts of carbohydrate in the hydrolysates of oak wood and pine wood were estimated to 47.6% and 51.4%, respectively. The amount of lignin recovered from the hydrolysates were ca. 18.2% for oak wood and 13.7% for pine wood.
The purpose of this study was to seek the optimum condition for effective separation of the chemical constituents of wood biomass by means of hydrolysis of acetone solution in presence of acid salt as a catalyst. Out of diverse acid salts the catalytic effect of aluminum sulfate ($Al_2(SO_4)_3$) was the most excellent during the hydrolysis of wood biomass in the acetone solution and the optimum concentration was 0.01 M (6.3 wt%). In the condition of mixture ratio of acetone and water to 9 : 1 as well as optimum concentration of aluminum sulfate two wood biomass species, oak wood (Quercus mongolica Fischer) and Pine wood (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.), was hydrolyzed for 45 minutes at $200^{\circ}C$ and the degree of hydrolysis was determined to 92.7% and 92.4%, respectively. Extending the reaction time to 60 minutes in the mixture ratio of acetone and water to 8 : 2 the degree of hydrolysis of oak wood was also ca. 92.7%. In the case of Pinus, however, the similar hydrolysis ratio was obtained at $210^{\circ}C$. As the temperature and hydrolysis time increased, the quantitative amount of lignin recovered from the hydrolysate clearly increased, whereas the total amount of carbohydrates in the hydrolysate decreased rapidly. Considering the recoverable amount of lignin and carbohydrate in the hydrolysate, the best condition for the hydrolysis of wood biomasses were confirmed to the mixture ratio of acetone and water to 8 : 2, the concentration of aluminum sulfate of 6.3 wt%, hydrolysis temperature of $190^{\circ}C$ for 60 minutes. In this condition the total amounts of carbohydrate in the hydrolysates of oak wood and pine wood were estimated to 47.6% and 51.4%, respectively. The amount of lignin recovered from the hydrolysates were ca. 18.2% for oak wood and 13.7% for pine wood.
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문제 정의
본 연구는 최근에 생물정제 및 LCB의 전처리 측면에서 재검토되고 있는 아세톤 증해에 초점을 맞추었다. 따라서 가수분해 촉매로서 새로운 산염의 선택과 성능 판단, 산염에 의한 아세톤 증해의 적정 조건 및 증해 폐액으로부터 당과 리그닌의 분리에 대한 기초 자료를 제시하고자 본 실험을 수행하였다.
가설 설정
1) Lignin contents were analyzed by the hydrolysis residue during sugar determination.
제안 방법
%, 아세톤/물 비율 9 : 1, 반응시간 45분, 반응온도 210°C로 가수분해시킨 후, 촉매로 첨가한 Al2(SO4)3의 Al3+이 반응생성물에 얼마나 잔존하는가를 파악하기 위하여 미가수분해 잔사물, 粗당 용액 및 리그닌에 함유된 Al3+을 정량하였다.
2.2.1의 조건으로 가수분해한 후에 회수한 반응 잔사물의 셀룰로오스와 리그닌, 그리고 반응 여과액이 함유한 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 분해물인 당(단당 및 다당류)과 리그닌, 아세톤 및 물을 분리하였다.
)에서 반응시켰다. Al2(SO4)3의 첨가량은 용액 대비 순서대로 각각 0.002 M (1.3 wt%), 0.005 M (3.2 wt%), 0.0075 M (4.7 wt%), 0.01 M(6.3 wt%), 0.0175 M (11.0 wt%) 그리고 0.025 M(16.0 wt%)로 조절하였다. 반응시간은 15∼60분, 아세톤/물 비율은 6:4∼9 : 1, 그리고 반응온도는 180∼210°C로 하였다.
GC의 분석 조건은 Stainless column (0.2 × 200 cm)인 3% OV-225 uniport HP 100/120에서 FID 검출기를 이용하여 Shimadzu GC 14A로 분석하였다.
가수분해 용액 중에 함유된 잔사물과 리그닌을 제거한 粗당 용액은 다당류를 함유하고 있으므로 전술한 방법과 같이 2차 가수분해만 실시하였다. 그 다음 원심분리기에서 14,000 rpm으로 7분간 원심분리하였고, 당 분석 전용 GF/F 여과지로 여과시켰으며, 최종적으로 양이온 교환수지(Amberite IR-120 Plus)와 음이온 교환수지(Amberite IRA-400)를 통과시켜 당을 정제하였다.
가수분해 잔사물과 리그닌을 제거한 粗 당 용액의 구성당을 분석하였다. 가수분해 잔사물에 함유된 구성당은 분해 잔사물 각 0.
가수분해 잔사물에 함유된 구성당은 분해 잔사물 각 0.1 g (전건무게)을 정칭하여 시험관 안에 넣고 냉각한 72% H2SO4 (d=1.180, 20°C) 1 ㎖로 1차 가수분해를 실시하였으며, 그다음 일정량의 증류수를 이용하여 100 ㎖ 메스플라스크에 옮기고 120°C 압력 증해부에서 1시간 동안 2차 가수분해를 시켰다.
가수분해에서는 촉매가 반응에 결정적인 영향을 미치므로 우선적으로 가수분해율이 높으며, 아직 보고되지 않은 촉매를 선정하기 위하여 아세톤 용액에서 대조구로 기존의 H2SO4 촉매를 비롯하여 여러 종류의 촉매들을 넣고 목분을 가수분해시켜 효과를 비교하였다.
가수분해율은 신갈나무와 소나무 목분 시료의 각처리 조건에 따른 증해액을 glass filter (1G4)로 여과하여 반응 잔사물을 얻고 그 전건량을 원시료의 전건무게와 비교하여 백분율로 계산하였다. 이렇게 얻어진 가수분해율을 통해 신갈나무재와 소나무재의 최적 반응 조건을 산출하였다.
가수분해 용액 중에 함유된 잔사물과 리그닌을 제거한 粗당 용액은 다당류를 함유하고 있으므로 전술한 방법과 같이 2차 가수분해만 실시하였다. 그 다음 원심분리기에서 14,000 rpm으로 7분간 원심분리하였고, 당 분석 전용 GF/F 여과지로 여과시켰으며, 최종적으로 양이온 교환수지(Amberite IR-120 Plus)와 음이온 교환수지(Amberite IRA-400)를 통과시켜 당을 정제하였다. 이렇게 정제된 구성당을 hydro xylamine·HCl-N-methylimidazole 및 acetic anhydride로 반응시켜 aldonitrile acetate 유도체화하여 GC 분석을 실시하였다(Albersheim와 Nevins, 1967; Chen과 McGinnis, 1981).
1 NH2SO4범위에서 실시하였다. 또한 아세톤 용액에 여러 종류의 촉매들을 넣고 목분을 가수분해시켜 분해 효과를 비교하였다. 적용한 촉매들은 0.
본 연구는 최근에 생물정제 및 LCB의 전처리 측면에서 재검토되고 있는 아세톤 증해에 초점을 맞추었다. 따라서 가수분해 촉매로서 새로운 산염의 선택과 성능 판단, 산염에 의한 아세톤 증해의 적정 조건 및 증해 폐액으로부터 당과 리그닌의 분리에 대한 기초 자료를 제시하고자 본 실험을 수행하였다.
본 연구에서도 신갈나무재와 소나무재의 가수분해 온도 조건이 각각 200°C, 210°C를 나타낸 것으로 보아 일반적인 가수분해 온도 조건에 부합되었다.
2 × 200 cm)인 3% OV-225 uniport HP 100/120에서 FID 검출기를 이용하여 Shimadzu GC 14A로 분석하였다. 시료 중의 구성당은 표준물질의 보류시간과 비교하여 동정하였으며, 표준물질에서 구한 검정곡선으로부터 중성당을 정량하였다.
시료를 시험관에 일정량씩 넣고 H2SO4 5 ㎖를 첨가한 후에 시험관 내 액상 상태의 시료가 무색이 될 때까지 계속적으로 H2O2 1 ㎖을 첨가하였다. 그 무색의 액상 시료를 block digestor를 이용하여 200°C에서 2시간 동안 1차 가수분해 시키고 다시 380°C에서 3시간 동안 2차 가수분해 시켰다.
6은 가수분해 시간에 따른 가수분해율의 변화를 나타내고 있다. 신갈나무재와 소나무재 각각 6.3 wt% Al2(SO4)3와 아세톤/물 비율 8 : 2, 9 : 1을 적용하였다. 아세톤/물 비율 8:2의 경우, 15, 30, 45, 60분에 이르기까지 가수분해율은 계속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
신갈나무재와 소나무재 각각을 Al2(SO4)3를 0.01 M 첨가하고 아세톤/물 비율을 6 : 4, 7 : 3, 8 : 2, 9 : 1로 변화시켜 증해하였다. Fig.
신갈나무재와 소나무재 모두 Al2(SO4)3 0.01 M, 아세톤/물 비율 8/2, 가수분해 시간 60분을 적용하였다.
신갈나무재와 소나무재 모두 Al2(SO4)3의 첨가량에 따른 가수분해 효율을 비교하기 위하여 반응 조건으로 아세톤/물 비율 8 : 2, 가수분해 온도 200°C, 액비 10 : 1, 가수분해 시간 60분을 고정시켜 적용하였다.
신갈나무재와 소나무재 최적 가수분해 조건에서의 가수분해 잔사물, 粗당 용액 및 분리된 리그닌에 함유된 Al 이온의 양은 ICP-AES (ICPS-1000IV, Shimadzu, Japan)를 사용하여 분석하였다.
신갈나무재와 소나무재(전건무게 10 g)에 대해 적정 Al2(SO4)3 첨가량을 선택하고 이 Al2(SO4)3 첨가량 조건에서 아세톤/물 비율을 선택하는 방법으로 가수 분해 시간과 온도에 이르기까지, 전 단계의 가수분해인자를 고정시키고 다음 단계의 가수분해 조건을 선택하면서 압력 증해부(pressure vessel, 452HC2; Parr Instrument Co.)에서 반응시켰다. Al2(SO4)3의 첨가량은 용액 대비 순서대로 각각 0.
아세톤/물 비율 8:2의 경우, 증해 시간이 경과하 면서 계속적으로 가수분해율이 증가하기 때문에 반응조건이 더욱 격한 아세톤/물 비율 9:1을 적용하여 부가적으로 가수분해를 실시하였다. 물론 아세톤/물 비율 9:1의 경우 신갈나무재와 소나무재 모두 가수분해율이 8 : 2 경우보다 상승하였다.
가수분해율은 신갈나무와 소나무 목분 시료의 각처리 조건에 따른 증해액을 glass filter (1G4)로 여과하여 반응 잔사물을 얻고 그 전건량을 원시료의 전건무게와 비교하여 백분율로 계산하였다. 이렇게 얻어진 가수분해율을 통해 신갈나무재와 소나무재의 최적 반응 조건을 산출하였다.
이렇게 정제된 구성당을 hydro xylamine·HCl-N-methylimidazole 및 acetic anhydride로 반응시켜 aldonitrile acetate 유도체화하여 GC 분석을 실시하였다(Albersheim와 Nevins, 1967; Chen과 McGinnis, 1981).
푸루프랄은 Porapack Q (80～100 mesh)로 충전된 stainless steel 컬럼 (3 m × 2 mm internal diameter)를 사용하여 GC에서 분석하였다.
한편 1단 처리로는 아세톤과 물의 비를 50/50로 200°C에서 반응시켜 거의 순수한 셀룰로오스를 분리하였다.
한편 대조구로 아세톤에 산 첨가는 0.01∼0.1 NH2SO4범위에서 실시하였다.
대상 데이터
푸루프랄은 Porapack Q (80～100 mesh)로 충전된 stainless steel 컬럼 (3 m × 2 mm internal diameter)를 사용하여 GC에서 분석하였다. 내부 표준 물질로는 n-propanol을 사용하였으며, 시료 중의 푸루푸랄은 표준 물질에서 구한 검정곡선으로부터 정량하였다.
일반적으로 에탄올에는 CaCl2 및 MgCl2과 같은 산염을 촉매로 첨가할 경우 효과적인 가수분해가 일어나며, 아세톤 용액에서는 AlCl3가 보다 효과적인 촉매라고 보고되고 있다(Sinner 등, 1983; Aziz and Sarkanen, 1989). 따라서 본 연구에서는 촉매 효과가 높고 아직 연구결과가 보고되지 않았으며 제지분야에서 널리 사용하고 있는 약품인 Al2(SO4)3를 촉매로 선택하였다.
신갈나무(Quercus mongolica Fisher)재와 소나무 (Pinus densiflora Sieb et Zucc.)재를 각각 박피, 제재한 후 칩을 제조하였다. 제조된 칩은 분쇄하여 30∼90 mesh 범위의 크기에 속한 목분을 선별하였다.
또한 아세톤 용액에 여러 종류의 촉매들을 넣고 목분을 가수분해시켜 분해 효과를 비교하였다. 적용한 촉매들은 0.01 M 농도의 AlCl3, Al2(SO4)3, CaCl2, CaSO4, Ca3(PO4)2 및 MgSO4였으며, 여기서 본 실험에 이용할 촉매 Al2(SO4)3를 선발하였다.
촉매로 사용하는 Al2(SO4)3는 시료 전건 무게 10 g 기준으로 0.6308 g을 사용하였기에 Al2(SO4)3 중 Al3+ 이온이 차지하는 무게는 이론적으로 0.1185 g였다. Fig.
1차적으로 분해물을 증발시켜 아세톤을 회수하였다. 리그닌은 Enkvist 등(1962) 방법에 따라 24시간 동안 얼음으로 여과액을 냉각시킴으로써 침전 분리하였다. 당 분리는 리그닌을 제거한 粗 당용액을 여러 단계를 거치면서 정선하였다.
성능/효과
1) 아세톤에 의한 가수분해에서 촉매로서 산을 대체하여 산성기를 포함하는 다양한 산염 중에 AlCl3와 Al2(SO4)3가 우수한 효과를 지녔다.
3) Al2(SO4)3 첨가량 6.3 wt%, 가수분해 온도 200°C, 아세톤/물 비율 9:1에서는 반응시간 45분에 신갈나무재와 소나무재의 가수분해율은 각각 92.7%와 92.4%였다.
4) 아세톤/물 비율 8:2에서 60분 반응시킨 가수분해물에서 회수한 리그닌량은 신갈나무재에서 20.6% (목재기준 83.8%) 그리고 소나무재에서 17.1% (목재기준 62.0%)였다. 한편 이 가수분해 액에서 회수한 당 함량은 신갈나무재에서는 28.
5) 당 회수에 주안점을 둔다면, 증해 온도 190°C에서 60분간 증해할 경우가 당 회수량이 신갈나무재에서 47.6%, 그리고 소나무재는 51.4%로 더 유리하다.
6) 아세톤 증해에서 촉매로 사용한 Al2(SO4)3의 aluminum 이온은 가수분해 후에, 신갈나무재와 소나무재 각각 미분해잔사에 62.3%, 80.6%, 粗당 용액에서 29.2%, 15.8%, 리그닌에서 8.5%, 3.6% 함유되어 있었다.
3은 Al2(SO4)3 첨가량에 따른 가수분해 효과를 나타내고 있다. Al2(SO4)3 첨가량을 0.01 M까지 증가시킴에 따라 신갈나무재와 소나무재 모두 가수분해율이 상승하였다. 그러나 그 이상의 농도에서는 가수분해율이 더 증가하지 않고 오히려 감소하였다.
LCB의 주종을 이루는 목재로부터 공업원료를 생산하기 위해서는 목재를 구성하고 있는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 각각 분리하여 이용하는 것이 가장 경제적이라고 밝혀졌다. 또한 이들 성분을 분리 정제하는 기본적인 생물정제 공정도가 제시되었다(Kamm a.
54를 나타냈다. pH를 고려하면 AlCl3, Al2(SO4)3 및 Ca3(PO4)2가 촉매로서 가수분해에 미치는 영향이 가장 클 것이라고 예상되었는데 가수분해 결과, AlCl3와 Al2(SO4)3만이 다른 촉매에 비하여 높은 가수분해율을 나타냈다. 일반적으로 에탄올에는 CaCl2 및 MgCl2과 같은 산염을 촉매로 첨가할 경우 효과적인 가수분해가 일어나며, 아세톤 용액에서는 AlCl3가 보다 효과적인 촉매라고 보고되고 있다(Sinner 등, 1983; Aziz and Sarkanen, 1989).
가수분해 반응 시간의 변화에 따른 미가수분해 잔사에 함유된 리그닌 함량은 반응 시간이 증가할수록 가수분해율이 증가하므로, 미가수분해 잔사량은 감소하고 여기에 함유된 잔사 리그닌 양은 상대적으로 증가하였다. 이는 전술한 가수분해 온도 증가에 따른 결과와 마찬가지로 조성분들 간에 분해속도의 차이라고 본다.
가수분해 온도별로 획득한 고형의 미가수분해 잔사에 존재하는 리그닌 함량을 살펴보면, 가수분해 온도가 증가할수록 가수분해율이 증가하였다. 또한 가수분해 온도가 상승할수록 고형의 미가수분해 잔사 내 리그닌 비율도 증가하였다.
가수분해 용액에 함유된 리그닌 양은 두 수종 모두 가수분해 온도 및 시간이 증가할수록 높게 나타났다. 이는 가수분해 온도 및 시간이 증가함에 따라 가수분해율도 증가하고 리그닌의 용출도 증가하였기 때문으로 사료된다.
동일한 반응 조건에서 소나무재의 경우가 신갈나무재보다 당 회수율이 높았다. 구성당으로는 신갈나무재와 소나무재 모두 글루코오 스가 가장 높은 함량을 나타내었고, 다음으로 신갈나무재의 자이로오스, 소나무재의 만노오스가 차지하였다.
아세톤/물 비율이 5 : 5 이상에서, 산 해리도를 25% 이상 증가시키는 것을 시작으로 아세톤 함량이 증가될수록 산 해리도는 더욱 증가하는 것으로 보고되고 있다(Paszner and Chang, 1981). 따라서 본 결과에서 아세톤 함량이 증가함에 따라 가수분해율이 증가하고 더욱이 Al2(SO4)3의 작용으로 더욱 높은 가수분해 효과가 나타났다고 사료 된다.
00 미만일 경우, 가장 높은 가수분해 효과를 거둘 수 있으며 더욱이 산염(acid salt)의 염이 산에 의한 과도한 가수분해 발생을 막아 주는 장점을 지니고 있다고 하였다. 따라서 이 사실에 근거하여 0.01 M (6.3%) Al2(SO4)3 수용액의 pH가 3.14를 나타낼 만큼 산성을 띠고 있으며, 아세톤에 첨가한 경우 그 pH가 3.89를 나타내는 것으로 보아 높은 가수분해율의 결과를 얻을 수 있음은 당연하다고 본다. 이 경우, 신갈나무 재와 소나무재의 가수분해율의 차이는 수종간의 리그닌 함량 및 비중 차이에 기인한다고 사료된다.
가수분해 온도별로 획득한 고형의 미가수분해 잔사에 존재하는 리그닌 함량을 살펴보면, 가수분해 온도가 증가할수록 가수분해율이 증가하였다. 또한 가수분해 온도가 상승할수록 고형의 미가수분해 잔사 내 리그닌 비율도 증가하였다. 이러한 결과는 목재성분의 상대적인 분해속도의 차이에 기인하는 것으로 가수분해 온도가 상승할수록 셀룰로오스와 헤미셀룰 로오스의 분해속도가 리그닌보다 훨씬 우세하기 때문에 나타나는 것으로 사료된다.
리로 미송으로부터의 셀룰로오스는 셀룰레이스 효소에 의해 24시간에 75%, 그리고 교잡포플러는 97%까지 당화되었다. Araque 등(2008)은 라디에타소나무 칩을 아세톤과 물의 비를 50 : 50, pH 2.
산을 대체할 촉매로서 산성기를 포함하는 촉매를 선택하였는데 각각의 pH를 살펴보면, 0.01 M의 경우 AlCl3의 pH가 3.11, Al2(SO4)3의 pH가 3.14, CaCl2의 pH가 7.06, CaSO4의 pH가 6.71, Ca3(PO4)2의 pH가 3.11, MgSO4의 pH는 6.54를 나타냈다. pH를 고려하면 AlCl3, Al2(SO4)3 및 Ca3(PO4)2가 촉매로서 가수분해에 미치는 영향이 가장 클 것이라고 예상되었는데 가수분해 결과, AlCl3와 Al2(SO4)3만이 다른 촉매에 비하여 높은 가수분해율을 나타냈다.
1은 촉매인 H2SO4의 농도 변화에 따른 가수분해 결과를 나타내고 있다. 신갈나무재는 0.02 N, 소나무재는 0.04 N의 H2SO4 농도가 최적의 가수분해율을 나타내었다. 한편, 신갈나무재의 경우 H2SO4 농도 0.
이는 가수분해 온도 및 시간이 증가함에 따라 가수분해율도 증가하고 리그닌의 용출도 증가하였기 때문으로 사료된다. 신갈나무재를 가수분해한 용액에서 소나무재 분해 용액보다 더 많은 리그닌을 회수할 수 있었다. 이것은 동일한 가수분해 조건에서 활엽수 리그닌이 침엽수 리그닌보다 더 쉽게 용출하는데 있다고 본다.
신갈나무재와 소나무재의 미가수분해 잔사물에 각각 62.3%, 80.6%, 粗당 액에 각각 8.5%, 3.6%, 리그닌에 각각 29.28%, 15.8%의 Al3+가 포함되어 있는 것으로 나타났다. 대부분의 Al 이온이 미가수분해 잔사물에 포함되어 있는데, 이 것은 미가수분해 잔사물 내의 섬유가 δ- 전위를 나타내고 있으므로 Al 이온이 나타내는 δ+ 전위와 반응하여 결합이 이루어져 집적된 것으로 사료된다.
본 연구에서도 신갈나무재와 소나무재의 가수분해 온도 조건이 각각 200°C, 210°C를 나타낸 것으로 보아 일반적인 가수분해 온도 조건에 부합되었다. 실험 결과, 활엽수가 침엽수에 비해 높은 가수분해율을 나타냈다. 이러한 사실은 침엽수와 활엽수에 함유된 리그닌량, 결합구조 및 리그닌 축합정도의 차이에 기인한다고 사료된다(Sarkanen, 1967a, 1967b; Gierer, 1982).
아세톤/물 비율 8:2에서는 반응시간 60분에 신갈나무재의 가수분해율은 92.7%였으나, 소나무재는 반응온도를 210°C로 상승시켜야 신갈나 무재에 버금가는 가수분해율을 얻을 수 있었다.
3 wt% Al2(SO4)3와 아세톤/물 비율 8 : 2, 9 : 1을 적용하였다. 아세톤/물 비율 8:2의 경우, 15, 30, 45, 60분에 이르기까지 가수분해율은 계속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히 45분 이상으로 증해한 후 목분은 대부분 점질성 물질로 변하는데 이것은 증해 시간이 증가하면서 반응계 중에 용해된 리그닌이 점성화된 것으로 보인다.
이러한 결과로 미루어 보면, 신갈나무재는 200°C 이하의 온도에서 60분이면 만족할만한 가수분해 결과를 얻을 수 있으나 소나무재는 210°C에서 가수분해 시간을 45분 이상으로 연장하거나 아세톤 함량을 높이는 것이 바람직하다고 본다.
후속연구
가수분해물 중에 푸루프랄량은 낮지만, 당이 계속적인 분해를 일으키므로 더 이상의 분해를 막기 위한 방법이 요구된다. 더불어 단당류가 어떤 종류의 물질로 전환되어 존재하는가에 대한 연구가 필요하다.
그리고 신갈나무재의 경우 활엽수에 함유되어 있지 않은 가락토오스와 아라비노오스가 나타나는데, 이것은 높은 온도와 용매에 의한 가수분해 과정 중에 에피머 현상인 -OH기의 변화에 따라 발생한 것으로 사료된다. 이런 점에서 가수분해된 단당류가 더 이상 분해되지 않도록 빨리 외부로 유출시키는 방법이 필요하다고 보며 또한 단당류가 어떤 종류의 물질로 전환되어 존재하는가에 대한 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LCB의 주종을 이루는 목재의 특징은?
LCB의 주종을 이루는 목재로부터 공업원료를 생산하기 위해서는 목재를 구성하고 있는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 각각 분리하여 이용하는 것이 가장 경제적이라고 밝혀졌다. 또한 이들 성분을 분리 정제하는 기본적인 생물정제 공정도가 제시되었다(Kamm a.
화석연료 사용 증대 따라 요구 받는 것은?
최근 화석연료 사용 증대에 따른 환경 문제는 새로운 대체에너지의 생산 개발을 요구하고 있다. 이러한 현상의 일환으로서 바이오매스로부터 연료, 화공약품, 및 폴리머 등을 생산하는 리그노-셀룰로오스(lignocellulosic biomass, LCB)의 생물정제(biorefinery)가 관심의 대상이 되고 있다.
목재의 주요 화학적 조성분을 분리하는 방법은 무엇이 있는가?
목재의 주요 화학적 조성분을 분리하는 방법은 크게 2 방법으로 구분할 수 있다. 첫째는 잔사로서 셀룰로 오스 또는 셀룰로오스와 리그닌을 함께 분리하는 것이고, 두 번째는 잔사로 셀룰로오스 또는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 동시에 분리하는 방법이다. 전자의 방법으로는 증기-추출, 증기-해섬-추출, 증기-폭쇄, 자가 가수분해, 산 가수분해 방법 등이 있다.
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