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문제 정의
- 본 연구는 바이오에탄올 생산용 작물 선발을 위해 국내 재배 가능한 일년생 작물중에서 바이오매스 생산량이 우수한 수수-수단그래스 교잡종에 대한 바이오에탄올 생산성을 조사하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 셀룰로오스계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산효율성검증을 목적으로 수수-수단그래스 교잡종을 원료작물로 선택하였다. 수수-수단그래스 교잡종을 품종별 성분특성을 파악하고, NaOH를 이용하여 전처리한 후 동시당화발효를 통해 바이오에탄올 생산성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 우수 바이오에너지 작물 선발을 위해 일년생인 수수-수단그래스 교잡종 11품종에 대한 셀룰로오스계 바이오매스의 주성분을 분석하였으며, 각 시료에 대한 성분 분석 결과와 건물수량을 Table 1에 나타내었다. 각 품종의 성분특성 은 각 성분별 3반복 측정하였으며, 이중 셀룰로오스 함량은 Revolution 품종이 39.
- 이와 같은 감축 목표는 일본 30%, 미국 20%, 유럽연합 13%를 감축하기로 한 선진국과 비교하면 낮은 편이다. 이러한 온실가스 감축을 통해 유가 변동에 취약한 에너지 패러다임을 바꿔 국가 에너지 안보를 재고하고자 한다. 2012년 녹색성장위원회에서 발표한 국가 8대 중점관리 녹색기술 중, 교과부에서는 바이오에너지 및 이차전지에 대한 기술개발에 집중하며 바이오에너지 생산 요소기술로서 바이오에탄올, 바이오디젤 등 수송용 연료개발에 초점을 맞추고 있다.
제안 방법
- 각 바이오매스 시료는 2반복으로 전처리를 실시하고 성분분석을 위해 60℃로 24시간 건조하여 NREL 표준 성분 분석법(Standard component analysis from national renewable energy laboratory, USA)에 따라 셀룰로오스계 바이오매스의 주요성분을 분석하였으며 그 결과를 전처리 후 회수된 고형물량과 함께 Table 2에 나타내었다.
- 당분석은 고성능 액체크로마토그래피(HPLC-RID, agilent 1260 system, germany)로 수행하였다. 분석 조건은 Biorad Aminex HPX 87H컬럼을 사용하여 65℃에서 분리하였으며, 이동상은 5 mM H2SO4 이며 사용된 유속 0.
- 당화율 검정 실험은 전처리한 4품종을 대상으로 30 FPU/g-cellulose의 cellic CTec 2 효소를 첨가하여 NREL 분석법에 따라 실시하였고, 품종별 당화반응에 사용된 시료 농도 및 전환된 glucose 농도를 Table 4에 나타내었다.
- 동시당화발효 실험은 250 mL 삼각플라스크에 실리콘 마개를 부착하고 0.2 µm 나일론 실린지필터를 꼽아서 혐기조건하에서 수행하였다.
- 반응 종료 후 crucible filter로 여과하여 액상 여과액 일부는 CaCO3로 중화하여 glucose, xylose 및 arabinose를 분석하였고, 나머지 액상여과액은 205 nm에서 UV 흡광도를 측정하여 용해성 리그닌 분석에 이용하였다. 또한 여과된 고체 시료는 575℃에서 3시간이상 회화 시켜 비용해성 리그닌을 분석하였다.
- 바이오에탄올 생산수율은 동시당화발효를 통해 검정하였으며 발효율 검정을 위해 전처리된 시료와 전처리하지 않는 시료를 각 품종별로 비교 실험하였다. 동시당화발효는 48시간 실시한 결과이며, 시료량 및 생산된 에탄올 농도를 Table 5에 나타내었다.
- 3 g을 72% 황산 3 mL에 넣고 30℃에서 1시간 반응시킨 다음, 증류수 84 mL을 첨가하여 121℃에서 1시간 반응시켰다. 반응 종료 후 crucible filter로 여과하여 액상 여과액 일부는 CaCO3로 중화하여 glucose, xylose 및 arabinose를 분석하였고, 나머지 액상여과액은 205 nm에서 UV 흡광도를 측정하여 용해성 리그닌 분석에 이용하였다. 또한 여과된 고체 시료는 575℃에서 3시간이상 회화 시켜 비용해성 리그닌을 분석하였다.
- 반응이 종료된 후 반응기 압력이 6 MPa이 되도록 질소를 충진한 다음 반응물을 반응기 하단에 설치된분리조로 폭쇄하고 즉시 수돗물로 중화시켜 pH 6∼7로 낮추어 고형물만을 10 µm 여과포로 회수하였다.
- 발효액내의 에탄올 분석은 기체크로마토그래피(GC, agilent 6890N)로 수행하였으며, 컬럼은 HP-INNOWAX 19091N-213를 사용하였고 오븐온도는 50∼180℃이었다.
- 본 실험에 사용된 cellic CTec 2 효소는 덴마크 Novozymes사에서 셀룰로오스계 바이오매스 당화용으로 개발되었고 효소활성이 150FPU/g-cellulose로 농축된 제품으로서 실제 당화공정에 사용할 때는 당화 효소의 비용 및 당화효율을 고려하여 사용하고자 하는 기질의 당화율에 적합한 최적조건에서 사용한다. 본 연구에서는 그림 2에서와 같이 30 FPU/g-cellulose의 효소를 사용하였을 때 당화율 85%이상을 나타내어 적정 농도로 선정하였다.
- 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산을 위해서는 발효기질로 사용할 원료를 추출해야 하며, 이를 위해서 먼저 원료별 주요 구성성분을 파악해야 한다. 본 연구에서는 주요 성분으로서 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 및 회분을 분석하였다. 성분분석은 미국 NREL의 표준분석법을 적용하였으며 건조시료 0.
- 성분분석을 통해 선발한 4품종의 수수-수단그래스 교잡종에 대한 에탄올 전환 수율 검정하기 위해 각각의 바이오매스를 전처리하였다. 본 연구에 사용된 전처리 반응기는 히팅코일에 의해 가온하는 PID제어 시스템(proportional integral derivative control)으로서 반응시간에 따른 설정온도 도달시간의 변화를 Fig.
- 본 연구에서는 셀룰로오스계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산효율성검증을 목적으로 수수-수단그래스 교잡종을 원료작물로 선택하였다. 수수-수단그래스 교잡종을 품종별 성분특성을 파악하고, NaOH를 이용하여 전처리한 후 동시당화발효를 통해 바이오에탄올 생산성을 평가하였다.
- 본 연구에 사용된 공시작물로는 강원대학교에서 분양받은 수수-수단그래스 교잡종 11품종이며, 2010년 전남 무안 바이오에너지작물센터 관내포장에서 재배하였다. 수확 후 품종별 이화학 특성 및 에탄올 수율 검정을 위해 50℃에서 24시간 건조(대류형 건조기, 다솔과학) 후 1 mm 이하로 분쇄(2단 cutting mill, 그린뱅크)하여 실험재료로 이용하였다.
- 전처리된 시료의 당화율 검정은 시료내 Glucan 0.5 g을 기준으로 하였으며, 시료의 수분 및 Glucan함량을 반영하여 당화에 사용할 시료무게를 계산하였다. Glucan 0.
- 전처리물을 당화하기 위해 cellic CTec 2 효소를 농도별로 당화하고 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
대상 데이터
- 유효용적은 100 mL였으며 탄소원배지로 3% glucan을 함유한 전처리물을 사용하였다. 그리고 질소원으로는 1% yeast extract 와 2% pepton를 사용하였다. 효소 사용량은 당화실험에서와 동일하게 cellic CTec230 FPU/g-cellulose를 사용하고 0.
- 전처리된 시료는 70∼80%의 수분을 함유한 젖은 상태로 당화 및 발효 실험에 이용하였다. 당화율 검정 실험은 200 mL 삼각플라스크에서 유효용적 10 mL로 수행하였으며, 1% glucan이 함유된 시료를 기질로 사용하였다. 효소는 Novozymes사에서 제공받은 cellic CTec2를 30 FPU/g-cellulose 농도로 첨가하고, 효소반응조건은 반응온도 50℃, 150 RPM, 반응시간 72시간이었다.
- 8)로 효소반응의 pH를 일정하게 유지시켰다. 발효균주는 (주)창해 연구소로부터 분양받은 Saccharomyces cerevisiae CHY1011를 사용하였으며, 종균배양은 1% yeast extract, 2% pepton 그리고 2% dextrose를 배지로 사용하여 12시간씩 2회 반복 배양하였다. 종균배양액 10 mL를 원심분리한 후 상등액을 버리고 균체만 회수하여 증류수 10 mL에 풀어서 접종하였다.
- 4%였다. 본 실험에 사용된 cellic CTec 2 효소는 덴마크 Novozymes사에서 셀룰로오스계 바이오매스 당화용으로 개발되었고 효소활성이 150FPU/g-cellulose로 농축된 제품으로서 실제 당화공정에 사용할 때는 당화 효소의 비용 및 당화효율을 고려하여 사용하고자 하는 기질의 당화율에 적합한 최적조건에서 사용한다. 본 연구에서는 그림 2에서와 같이 30 FPU/g-cellulose의 효소를 사용하였을 때 당화율 85%이상을 나타내어 적정 농도로 선정하였다.
- 본 실험에 사용된 반응기는 총 4개로 그림1에는 2번과 4번의 온도변화 프로파일 결과를 나타내었다. 두 반응기 모두 매우 동일한 패턴의 시간에 따른 온도변화를 나타내었고, 설정온도를 150℃로 설정하였을 때 정상상태까지 도달 시간은 평균 12분 소요되었다.
- 본 연구에 사용된 공시작물로는 강원대학교에서 분양받은 수수-수단그래스 교잡종 11품종이며, 2010년 전남 무안 바이오에너지작물센터 관내포장에서 재배하였다. 수확 후 품종별 이화학 특성 및 에탄올 수율 검정을 위해 50℃에서 24시간 건조(대류형 건조기, 다솔과학) 후 1 mm 이하로 분쇄(2단 cutting mill, 그린뱅크)하여 실험재료로 이용하였다.
- 본 연구에서는 농촌진흥청 바이오에너지작물센터에서 개발된 고온 폭쇄 전처리 장치를 이용하여 수수 수단그래스 교잡종 시료를 전처리하였다. 신규 고안된 전처리 장치는 800 mL용량의 반응기와 싸이클론 타입의 분리조 및 컨트롤박스로 구성되어 있으며, 반응기의 온도는 히팅코일에 의해 250℃까지 가온할 수 있다.
- 또한 바이오매스 건물수량은 Green Star 품종이 4,384 kg/10a로서 가장 많았으며, 다음으로 SS504 품종이 4,061 kg/10a 였다. 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산 수율 검정을 위해 수수-수단그래스 11품종의 성분분석 결과 탄수화물 함량, 바이오매스 수량이 우수한 Green Star, Revolution, KF429, SS504 4품종을 원료시료로 선발하였다.
- 2 µm 나일론 실린지필터를 꼽아서 혐기조건하에서 수행하였다. 유효용적은 100 mL였으며 탄소원배지로 3% glucan을 함유한 전처리물을 사용하였다. 그리고 질소원으로는 1% yeast extract 와 2% pepton를 사용하였다.
- 전처리된 시료는 70∼80%의 수분을 함유한 젖은 상태로 당화 및 발효 실험에 이용하였다.
- 당화율 검정 실험은 200 mL 삼각플라스크에서 유효용적 10 mL로 수행하였으며, 1% glucan이 함유된 시료를 기질로 사용하였다. 효소는 Novozymes사에서 제공받은 cellic CTec2를 30 FPU/g-cellulose 농도로 첨가하고, 효소반응조건은 반응온도 50℃, 150 RPM, 반응시간 72시간이었다. 그리고 0.
데이터처리
- 모든 분석 데이터는 2∼3회 반복 측정하였으며, 얻어진 결과는 SAS 프로그램 9.2 버전(Statistical Analysis System ver. 9.2, SAS Institute, Cary, NC, USA)을 사용하여 실시하였고, Duncan’s multiple comparison test를 이용하였다.
이론/모형
- 성분분석을 통해 선발한 4품종의 수수-수단그래스 교잡종에 대한 에탄올 전환 수율 검정하기 위해 각각의 바이오매스를 전처리하였다. 본 연구에 사용된 전처리 반응기는 히팅코일에 의해 가온하는 PID제어 시스템(proportional integral derivative control)으로서 반응시간에 따른 설정온도 도달시간의 변화를 Fig. 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 주요 성분으로서 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 및 회분을 분석하였다. 성분분석은 미국 NREL의 표준분석법을 적용하였으며 건조시료 0.3 g을 72% 황산 3 mL에 넣고 30℃에서 1시간 반응시킨 다음, 증류수 84 mL을 첨가하여 121℃에서 1시간 반응시켰다. 반응 종료 후 crucible filter로 여과하여 액상 여과액 일부는 CaCO3로 중화하여 glucose, xylose 및 arabinose를 분석하였고, 나머지 액상여과액은 205 nm에서 UV 흡광도를 측정하여 용해성 리그닌 분석에 이용하였다.
성능/효과
- 1)Means with different letters are significantly different at 5% level (p < 0.05).
- 1)Means with different letters are significantly different at 5% level (p<0.05).
- 1. 총 11 품종의 수수-수단그래스 교잡종 대한 화학적 특성 검증 결과 셀룰로오스 함량은 Green Star 품종이 가장 높았으며 발효율 검정을 위해 Green Star, Revolution, KF429 그리고 SS504 4품종을 선발하였다.
- 2. 선발된 4품종으로부터 발효 당을 추출하기 위해 시료와1 M NaOH 용매를 1:14의 비율로 혼합하고 150℃에서 30분간 전처리하였을 때 시료내 셀룰로오스 함량은 55%이상 이였으며, 발효 저해 작용을 하는 리그닌 및 회분 함량은 65%이상 제거 되었다.
- 3. 전처리물의 당화율 검정을 위해 celli CTEC II 효소 30 FPU/g-cellulose를 사용하였으며 4품종의 당화율은 평균 86%이었다.
- 4. 수수-수단그래스 교잡종의 발효율 검정은 동시당화발효(SSF)방법으로 수행하였으며 발효균주로는 Saccharomysis cerevisiae CHY1011를 사용하였고, 결과적으로 Green Star의 발효율이 92.4%로 가장 높았으며 에탄올 생산량은 6,206 L/ha임을 확인하였다.
- 본 연구에서는 우수 바이오에너지 작물 선발을 위해 일년생인 수수-수단그래스 교잡종 11품종에 대한 셀룰로오스계 바이오매스의 주성분을 분석하였으며, 각 시료에 대한 성분 분석 결과와 건물수량을 Table 1에 나타내었다. 각 품종의 성분특성 은 각 성분별 3반복 측정하였으며, 이중 셀룰로오스 함량은 Revolution 품종이 39.2%로 가장 높았고 헤미셀룰로오스 함량은 Green Star 품종이 24.0%로서 우수하였다. 리그닌과 회분은 각각 17.
- 리그닌과 회분은 당화 및 발효에 저해역할을 하기 때문에 전처리를 통해 많이 제거될수록 유리하다고 알려져 있다(Park & Kim, 2012). 결과적으로 본 실험을 통해서 4품종중에서 Green Star가 탄수화물 회수율 및 리그닌, 회분 제거율이 가장 우수함을 확인하였다.
- 3%이였다. 그리고 전처리 후 회수된 고형 바이오 매스량(solid remaining)은 Green star, Revolution, SS504는 42~43%이며 KF429는 36.5%였다.
- 당화율 검정 실험 결과 cellic CTec 2 효소 사용량은 30 FPU/g-cellulose이 적당함을 확인하였고, 수수-수단그래스의 전처리물의 당화 실험에서도 회분과 같은 다른 당화 저해물질들의 저해작용이 없이 최대 97.5%까지 당화할 수 있음을 확인하였다.
- 본 실험에 사용된 반응기는 총 4개로 그림1에는 2번과 4번의 온도변화 프로파일 결과를 나타내었다. 두 반응기 모두 매우 동일한 패턴의 시간에 따른 온도변화를 나타내었고, 설정온도를 150℃로 설정하였을 때 정상상태까지 도달 시간은 평균 12분 소요되었다. 또한 정상상태에서 온도상승폭은 5℃이하로서 실제 반응시작은 초기 150℃도달하였을 때를 반응 시작점으로 설정하였으며 그림1에서와 같이 안정적으로 온도가 유지되어 실험조건에 부합함을 확인하였다.
- 7%를 함유하였다. 또한 바이오매스 건물수량은 Green Star 품종이 4,384 kg/10a로서 가장 많았으며, 다음으로 SS504 품종이 4,061 kg/10a 였다. 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산 수율 검정을 위해 수수-수단그래스 11품종의 성분분석 결과 탄수화물 함량, 바이오매스 수량이 우수한 Green Star, Revolution, KF429, SS504 4품종을 원료시료로 선발하였다.
- 두 반응기 모두 매우 동일한 패턴의 시간에 따른 온도변화를 나타내었고, 설정온도를 150℃로 설정하였을 때 정상상태까지 도달 시간은 평균 12분 소요되었다. 또한 정상상태에서 온도상승폭은 5℃이하로서 실제 반응시작은 초기 150℃도달하였을 때를 반응 시작점으로 설정하였으며 그림1에서와 같이 안정적으로 온도가 유지되어 실험조건에 부합함을 확인하였다.
- 6%로 가장 높았다. 리그닌 제거율은 4품종의 평균값이 73.9%였으며 Green Star가 79.9%로 가장 제거율이 높았다. 회분 제거율도 Green Star가 93.
- 바이오에탄올 생산량 평가를 위해 선발된 수수-수단그래스 교잡종 중에서 Green Star는 발효율 92.4%의 실험결과를 반영하면 바이오에탄올 생산 수율은 141.7 L/톤임을 확인하였으며, 에탄올 생산 수율의 계산식은 식 (4)에 나타내었다.
- 6 L/톤이었다. 본 연구에서 실험한 Green Star의 바이오매스 건물수량은 43.8톤/ha이었으므로 전처리 및 동시당화발효공정을 통해 검증한 에탄올 생산량은 6,206 L/ha 이었다.
- 수수-수단그래스를 기질로 사용한 동시당화발효를 통해에탄올 발효율을 검정한 결과 Fig. 4와 같이 NaOH로 전처리한 기질이 무처리한 기질에 비하여 월등히 높은 발효율을 나타내었다. 특히 Green Star 품종의 경우 전처리한 기질로 발효하였을 때 92.
- 전처리 과정을 통해서 회수한 고형물 중에서 전처리 후 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 회수율은 각각 평균 61.5%와 55.4%였으며 회수율이 가장 우수한 품종은 SS504가 각각 67.5%와 57.6%로 가장 높았다. 리그닌 제거율은 4품종의 평균값이 73.
- 전처리된 시료내에 존재하는 셀룰로오스 함량은 52.4∼57.0%이며, 헤미셀룰로오스 함량은 27.2∼32.4%이고 총 탄수화물 함량은 79.8%∼89.4% 이었다.
- 전처리된 시료의 경우 Green Star품종의 에탄올 생산량이 14.14 g/L로 가장 많았으며, 전처리하지 않는 무처리 시료의 경우는 Revolution이 7.29 g/L로서 가장 높았지만, 전처리 시료에 비해 에탄올 생산량이 50%이하로서 매우 적었다. 에탄올 발효율은 기질로 사용된 Glucan 30 g/L를 기준으로 생산된 에탄올 농도를 식 (3)과 같이 계산하였다.
- 전처리된 시료의 리그닌과 회분은 대부분 액상으로 용해되었으며, 탄수화물 성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 대부분 고형으로 존재하였다. 전처리된 시료내에 존재하는 셀룰로오스 함량은 52.
- 6 g/L로 최소값을 나타내었다. 품종별 이론 수율대비 당화율을 검정 결과는 Fig. 3에 나타었으며 Green Star 품종의 당화율이 97.5%로 가장 우수하였고 Revolution이 74.0%로 가장 낮았다. 또한 KF429와 SS504의 당화율은 각각 91.
- 9%로 가장 제거율이 높았다. 회분 제거율도 Green Star가 93.7%로 가장 높았으며 평균 회분 제거율은 90.5%였다. 리그닌과 회분은 당화 및 발효에 저해역할을 하기 때문에 전처리를 통해 많이 제거될수록 유리하다고 알려져 있다(Park & Kim, 2012).
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