[논문]목질바이오매스 에너지 부산물(리그닌)이용에 관한 연구 동향

김영숙

doi:10.7747/jfs.2011.27.3.7

[국내논문] 목질바이오매스 에너지 부산물(리그닌)이용에 관한 연구 동향
A Research Trend on Utilization of the Byproducts(Lignin) from Bioethanol Production Process with Lignocellulosic Biomass: A Literature Review 원문보기

Journal of forest science, v.27 no.3, 2011년, pp.183 - 194

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This study reviewed on the research trend of sources and utilization of the byproducts(Lignin) from bioethanol production process with lignocellulosic biomass such as wood, agri-processing by-products(corn fiber, sugarcane bagasse etc.) and energy crops(switch grass, poplar, Miscanthus etc.). During biochemical conversion process, only Cellulose and hemicellulosic fractions are converted into fermentable sugar, but lignin which represents the third largest fraction of lignocellulosic biomass is not convertible into fermentable sugars. It is therefore extremely important to recover and convert biomass-derived Lignin into high-value products to maintain economic competitiveness of cellulosic ethanol processes. It was introduced that lignin types and characteristics were different from various isolation methods and biomass sources. Also utilization and potentiality for market of those were discussed.

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문제 정의

1)을 기본으로 하여 최근 세계적으로 많은 사용이 예측되고 있는 목질계 바이오에탄올 생산 공정에 발생가능한 부산물 이용, 즉 목질계바이오매스의 바이오리파이너리에 대한 개념을 밝히고, 특히 주요 부산물인 Lignin 회수 및 이용 등에 관한 문헌 조사 및 분석을 실시하였다. 이를 통하여 이들 부산물의 화학적 특성과 이용 가능한 분야를 소개하고, 국내 바이오리파이너리 기술개발에 필요한 기초자료를 확보하고자 하였다.
최근 세계적으로 많은 사용이 예측되고 있는목질계 바이오에탄올 생산 공정에 발생가능한 부산물 이용, 즉 목질계 바이오매스 바이오리파이너리에 대한 개념을 소개하고, 특히 주요 부산물인 Lignin 회수 및 이용, 등에 관한 문헌 조사를 실시하였다. 목질계 바이오에너지 생산과정에서 흔히 당을 얻기 위해서는 Lignin 분리를 위한 전처리 과정을 거치게 되는데, 이 들 공정은 종래의 펄프 산업에서 사용되던 펄프 제조 공정이 아직까지 주를 이루는 것으로 조사되었다.

가설 설정

7)를 소개하였는데, 첫째는 분리된 모든 당은 바이오에탄올로, 나머지는 부산물은 모두 태우는 연료로 이용하는 경우, 둘째는 당은 바이오에탄올로, 나머지는 부산물은 50%는 태우는 연료, 50%는 고분자재료나 Acetic acid로 이용하는 경우, 셋째는 바이오매스를 고부가가치 용도로 완전히 이용하는 경우이다. 여기서 세 번째 완전이용은 Glucose는 Ethanol로, Xylose와 다른 소수의 당은 고부가가치의 바이오제품으로, Lignin은 바이오고분자제품으로 생산한다는 가정이다. 이 세 가지 시나리오의 수입 잠재력을 평가한 결과, Fig.

제안 방법

이에 본 총설에서는 Kamm et al.(2006)등이 제시한 리파이너리개념(Fig. 1)을 기본으로 하여 최근 세계적으로 많은 사용이 예측되고 있는 목질계 바이오에탄올 생산 공정에 발생가능한 부산물 이용, 즉 목질계바이오매스의 바이오리파이너리에 대한 개념을 밝히고, 특히 주요 부산물인 Lignin 회수 및 이용 등에 관한 문헌 조사 및 분석을 실시하였다. 이를 통하여 이들 부산물의 화학적 특성과 이용 가능한 분야를 소개하고, 국내 바이오리파이너리 기술개발에 필요한 기초자료를 확보하고자 하였다.
10과 11에 소개한다. Guaiacyl units에 대해서는 3그룹으로 나누어, 기본구조로부터 전환 가능한 단량체와 이량체로 구분하여 다양한 물질을 소개되었는데 본 논문에는 Guaiacyl units 두 그룹과 Sylringyl units 화학구조를 제시하였다(Holladay et al., 2007).
12에 나타낸 바와 같이 수소화, 연소, 급속열분해, 알카리 융합, 효소적 산화 방법, 미생물 변환법, 산화제 이용, 가수분해 등으로 소개하였다. 그리고 이러한 방법으로 변환된 바이오 물질로서 Phenols, 치환된 Phenols, Cresols, Acetic acid, CO, Methane, Acetylent, Ethylene, Phenolic acids, Catechol, Oxidised lignin, Vanillic acids, Ferulic acids, Coumaric acids, Vanillin, Dimethylsulfide, Methyl mercaptan, Dimethyl sulfoxide등을 제시하였다.

성능/효과

여기서 세 번째 완전이용은 Glucose는 Ethanol로, Xylose와 다른 소수의 당은 고부가가치의 바이오제품으로, Lignin은 바이오고분자제품으로 생산한다는 가정이다. 이 세 가지 시나리오의 수입 잠재력을 평가한 결과, Fig. 7에 제시된 바와 같이 고부가가치 용도의 바이오제품으로 생산했을 때 잠재수입이 현저하게 높다는 것을 나타내고 있다.
(2) Sulfite Lignin 회수: Sulfite Lignin 회수는 크라프트 Lignin 회수와 거의 유사한 방법인데 가성 알카리 대신에 Sulfurous acid를 사용하는데 증자액에 완충제로 Na, Mg, NH₄, Ca등이 함유될 수 있다. 이 공정에서는 수용성인 당-Lignin 중합체들이 생성될 수 있는데 Lignin이 회수되는 형태는 주로 Lignosulfonate이다.
(3) Organosolv Lignin 회수: 이 방법은 목재 성분 분리에 유기용매를 이용함으로 Sulfur가 함유되지 않는 방법으로 환경 친화적이고 자본 투자가 적게 소요되는 이점을 가진다. 유기용매에 용해되어 있는 Lignin은 액상의 Dioxane을 가열하여 침전시키는 방법으로 회수되는 것이 일반적이다 이 경우의 Lignin은 원래 구조의 기본인 β-O-4 inter-unit linkages로 회수할 수 있는 특징이 있다(Bozell et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목질바이오매스 전처리 과정에서 분리가 필요한 Lignin 성분의 비율을 얼마인가?	, 2010). 또한 목질바이오매스의 전처리과정에서 분리해야하는 Lignin성분은 원료에 따라 다르나 구성비가 약 10~27%정도로 바이오에너지 원료 중량기준으로 계산할 때 큰 비중을 차지하는 것이 사실이다(Rudie, 2011). 목질계바이오매스를 이용한 에탄올 생산에서는 부산물 수집과 이용을 통하여 부가가치를 제고시키는 일은 매우 긴요한 사안이라 할 수 있다(Ree & Annevelink, 2007).
	크라프트 Lignin 회수 방법의 특징은 무엇인가?	2005). Kraft펄핑은 Sulfur함량이 높은데도 불구하고 실제 세척된 Lignin은 대부분이 -SH결합에서 유래하는 sulfur함량이 약 1~2%로 매우 낮은 특징이 있다(Bozell et al., 2007).

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