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문제 정의
- 본 연구는 바이오에탄올을 생산하기 위해 낙엽을 바이오매스로 활용 가능한 지을 평가하기 위한 실험을 하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 목질계 바이오매스의 한 종류로 낙엽은 리그닌이라는 성분이 당 전환이 가능한 셀룰로오즈와 헤미셀룰로오즈를 둘러싸고 있어 효소가수분해만으로는 당 전환이 어려워 리그닌을 제거하는 전처리를 시행하였다.
- 희석된 수산화 나트륨처리는 바이오매스의 팽창을 유도하여 이로 이한 내부표면적 증가, 결정화도의 감소, 리그닌과 탄수화물의 구조적 결합 분리 그리고 리그닌 구조의 분열 등을 유발하게 된다. 이에 리그닌, 셀룰로오스 함량이 많은 낙엽의 전처리 공정으로 적합하다고 생각되어 산과 알칼리 용액으로 전처리한 후 효소가수분해를 통해 얻을 수 있는 특성을 파악하고자 하였다. 이에 본 실험은 낙엽을 바이오 에탄올 원료로 활용하기 위한 목적을 가지며, 연구의 목표는 적절한 전처리 공정을 시행하여 에탄올의 발효 가능한 단당류를 생산하는 것이다.
- 이에 리그닌, 셀룰로오스 함량이 많은 낙엽의 전처리 공정으로 적합하다고 생각되어 산과 알칼리 용액으로 전처리한 후 효소가수분해를 통해 얻을 수 있는 특성을 파악하고자 하였다. 이에 본 실험은 낙엽을 바이오 에탄올 원료로 활용하기 위한 목적을 가지며, 연구의 목표는 적절한 전처리 공정을 시행하여 에탄올의 발효 가능한 단당류를 생산하는 것이다.
제안 방법
- 위와 같은 조건으로 80℃의 온도에서 침지시켜 Shaking Incubator에서 200rpm에서 교반하였고 12시간, 24시간으로 나누어 실험하였다.(침지법) 그리고 120℃, 1.16기압의 autoclave에서 15분, 20분 고압 멸균하였다.(고압멸균법) 이 후 반응액을 진공펌프로 충분히 세척, 여과하였다.
- 바이오매스의 원소 분석, 삼성분 분석, 탄수화물, 조단백 함유량 분석 등 기초특성을 분석하였다. 그리고 각각의 전처리와 효소당화 후 글루코즈 생산량을 측정하였다. 효소당화 후의 환원당 측정은 High Performance Liquid Chromatography(HPLC Acme 9000, Younglin, KOREA)를 이용하여, 이동상은 75% acetonitrile 용액으로 1.
- 다음으로 Shaking Incubator에서 침지된 바이오매스를 200 rpm 속도로 교반시키는 전처리를 시행하였다. 이 또한 12시간, 24시간으로 나누어 시행하였다.
- 다음으로 침지된 바이오매스를 고온에 일정한 압력으로 전처리한 고압멸균법의 결과를 분석하였다. 고온멸균 전처리 시 침지, 교반 전처리에 비해 결과 적으로 많은 글루코즈 생산량을 보였다.
- 당 전환율은 바이오매스에 함유된 탄수화물이 글루코즈로 변환된 비율을 나타내며 화학적 조성분석으로 알아낸 탄수화물 함유율을 이용하여 글루코즈 전환율을 도출해 보았다. 침지법과 교반법의 결과는 서로 비슷한 수치를 보였다.
-
2-3. 효소당화
당화실험은 기존 셀룰로오즈 계열 바이오매스의 최적 당화조건을 적용하여 수행하였다. 여기에 적용된 조건은 반응온도 50℃, 반응 pH 5.
- 두 실험결과를 비교, 분석해보았다. 염산에서 전처리했을 때 침지법의 12시간 반응 결과보다 교반법 12시간의 결과가 글루코즈 생산량이 더 적고 24시간 반응 시 교반법에서 더 많은 글루코즈 생산량을 얻은 것을 알 수 있다.
- 각 전처리 방법은 다음과 같은 방법으로 실험을 수행하였다. 먼저 전처리공정은 기존에 활용되던 바이오매스에 적용하던 방법으로 실험하였다. 전처리에 사용된 용액은 염산, 암모니아, 수산화나트륨을 사용하였고[4,5,6], 각각의 반응 농도는 HCl 0.
- 본 연구는 바이오에탄올을 생산하기 위해 낙엽을 바이오매스로 활용 가능한 지을 평가하기 위한 실험을 하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 목질계 바이오매스의 한 종류로 낙엽은 리그닌이라는 성분이 당 전환이 가능한 셀룰로오즈와 헤미셀룰로오즈를 둘러싸고 있어 효소가수분해만으로는 당 전환이 어려워 리그닌을 제거하는 전처리를 시행하였다. 이에 산과 알칼리 용액으로 여러 가지 방법을 적용하여 그 효과를 비교분석하여 몇 가지의 결론을 도출하였다.
- 바이오매스의 원소 분석, 삼성분 분석, 탄수화물, 조단백 함유량 분석 등 기초특성을 분석하였다. 그리고 각각의 전처리와 효소당화 후 글루코즈 생산량을 측정하였다.
- 사용된 바이오매스의 반응 표면적을 높이기 위해 1 μm 이하로 만드는 성능을 사진 분쇄기를 이용해 분말의 형태로 만들었다. 분말형태로 처리된 바이오매스는 수분이 제거되도록 dry oven을 사용하여 24시간 이상 건조한 후 고체 성분분석 및 전처리 실험에 사용하였다.
- 사용된 바이오매스의 반응 표면적을 높이기 위해 1 μm 이하로 만드는 성능을 사진 분쇄기를 이용해 분말의 형태로 만들었다.
- 실험방법으로 제시된 침지법, 고압멸균법의 전처리와 효소당화 후 측정한 글루코스 생산량 도출, 분석하여 그림과 표로 나타내었으며, 이를 토대로 각 전처리에 대한 효과를 비교해 보았다. 여기서 글루코즈 생산량은 환원당 측정으로 얻은 농도에서 부피를 Working Volume이었던 50 ml로 환산하여 도출하였다.
- 5M, NH3 15%(w/w), 고액 비율은 1:10(10 g : 100 ml)으로 고정하여 실험하였다. 위와 같은 조건으로 80℃의 온도에서 침지시켜 Shaking Incubator에서 200rpm에서 교반하였고 12시간, 24시간으로 나누어 실험하였다.(침지법) 그리고 120℃, 1.
- 다음으로 Shaking Incubator에서 침지된 바이오매스를 200 rpm 속도로 교반시키는 전처리를 시행하였다. 이 또한 12시간, 24시간으로 나누어 시행하였다. 실험결과 12시간부터 산과 알칼리 용액 전처리에 따른 글루코즈 생산량의 차이가 뚜렷하게 나타났다.
- 먼저 기존의 가장 많이 시행되고 있는 침지법을 시행하였다. 이는 말 그대로 용액에 바이오매스를 담그는 방법으로 그에 따른 반응의 효과를 비교 분석하였다. 염산과 암모니아로 12시간 침지 전처리 후 환산한 글루코즈 생산량은 바이오매스 1g 당 102.
- 목질계 바이오매스의 한 종류로 낙엽은 리그닌이라는 성분이 당 전환이 가능한 셀룰로오즈와 헤미셀룰로오즈를 둘러싸고 있어 효소가수분해만으로는 당 전환이 어려워 리그닌을 제거하는 전처리를 시행하였다. 이에 산과 알칼리 용액으로 여러 가지 방법을 적용하여 그 효과를 비교분석하여 몇 가지의 결론을 도출하였다.
- 그 중 암모니아는 목질계 바이오매스에 가장 많이 쓰이는 전처리 용액으로서 침지법(SAA)이 가장 많이 알려져 있다. 침지된 바이오매스를 교반시키면 더 활발한 반응촉진을 예상하여 시행하였다. 본 실험에서는 침지법보다 교반하였을 때 좀 더 많은 글루코즈를 얻을 수 있었지만 침지와 교반의 결과가 최대 4%정도의 차이 밖에 보이지 않아 별다른 차이가 없다고 하겠다.
- 그리고 각각의 전처리와 효소당화 후 글루코즈 생산량을 측정하였다. 효소당화 후의 환원당 측정은 High Performance Liquid Chromatography(HPLC Acme 9000, Younglin, KOREA)를 이용하여, 이동상은 75% acetonitrile 용액으로 1.5 ml/min, 오븐 온도는 35℃ 조건에서 분석하였다.
대상 데이터
- 바이오매스의 전처리에 사용된 산 전처리 용매는 HCl를 사용하였고 알칼리 용매는 NH3, NaOH를 각각 사용하여 반응시킨다. 전처리 후 각 전처리에 대한 영향을 알아보기 위한 효소당화에 이용된 효소는 Celluclast 1.
- 본 논문에 사용된 임업부산물 계열의 바이오매스는 교내의 가로수에서 떨어진 낙엽을 무작위로 수집하여 사용하였다. 사용된 바이오매스의 반응 표면적을 높이기 위해 1 μm 이하로 만드는 성능을 사진 분쇄기를 이용해 분말의 형태로 만들었다.
- , NaOH를 각각 사용하여 반응시킨다. 전처리 후 각 전처리에 대한 영향을 알아보기 위한 효소당화에 이용된 효소는 Celluclast 1.5L, Novoprime B359(Cellulase, Novo Co.), Viscozyme L, Pectinex Ultra SP-L(Hemicellulase, Novo Co.), Spirizyme plus FG(Gluco-amylase, Novo Co.)를 사용하였다[1,6]. 또 당화에 인산칼륨 완충용액(potassium phosphate buffer)를 pH 5.
- 먼저 전처리공정은 기존에 활용되던 바이오매스에 적용하던 방법으로 실험하였다. 전처리에 사용된 용액은 염산, 암모니아, 수산화나트륨을 사용하였고[4,5,6], 각각의 반응 농도는 HCl 0.5M, NaOH 0.5M, NH3 15%(w/w), 고액 비율은 1:10(10 g : 100 ml)으로 고정하여 실험하였다. 위와 같은 조건으로 80℃의 온도에서 침지시켜 Shaking Incubator에서 200rpm에서 교반하였고 12시간, 24시간으로 나누어 실험하였다.
이론/모형
- 여기서 글루코즈 생산량은 환원당 측정으로 얻은 농도에서 부피를 Working Volume이었던 50 ml로 환산하여 도출하였다. 먼저 기존의 가장 많이 시행되고 있는 침지법을 시행하였다. 이는 말 그대로 용액에 바이오매스를 담그는 방법으로 그에 따른 반응의 효과를 비교 분석하였다.
성능/효과
- 실험결과 12시간부터 산과 알칼리 용액 전처리에 따른 글루코즈 생산량의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 12시간 전처리 시 바이오매스 1 g 88 mg에서 160 mg 까지 염산, 암모니아, 수산화나트륨 순으로 생산량이 높아짐을 알 수 있었다. 24시간 전처리 시 침지법 결과와 비슷한 경향을 보여 수산화나트륨 전처리에서 가장 높게 바이오매스 1 g 당 236.
- 12시간 전처리 시 바이오매스 1 g 88 mg에서 160 mg 까지 염산, 암모니아, 수산화나트륨 순으로 생산량이 높아짐을 알 수 있었다. 24시간 전처리 시 침지법 결과와 비슷한 경향을 보여 수산화나트륨 전처리에서 가장 높게 바이오매스 1 g 당 236.8 mg 글루코즈를 얻을 수 있었으며 이 또한 높은 글루코즈 전환율로 이어질 것으로 파악된다.
- 24시간의 전처리 하였을 때는 염산 전처리보다 수산화나트륨 전처리 시 약 2배 차이를 보였으며 이를 바탕으로 침지법에서는 수산화나트륨으로 전처리 하였을 때 바이오매스 1 g 당 263.4 mg로 가장 높은 글루코즈 생산량을 얻을 수 있었고, 수산화나트륨 용액이 다른 용액보다 글루코즈 전환율도 높을 것임을 예상할 수 있었다.
- 다음으로 침지된 바이오매스를 고온에 일정한 압력으로 전처리한 고압멸균법의 결과를 분석하였다. 고온멸균 전처리 시 침지, 교반 전처리에 비해 결과 적으로 많은 글루코즈 생산량을 보였다. 염산 처리시 15분, 20분 반응 후 바이오매스 1 g 당 글루코즈 139 mg, 143 mg로 별 다른 차이가 나지 않지만 알칼리용액에서는 15분의 짧은 시간에서도 바이오매스1 g 당 150 mg 이상의 글루코즈를 얻을 수 있었으며 암모니아, 수산화나트륨 전처리 시 시간에 따라 일정한 증가한 것을 알 수 있었다.
- 2%로 절반 가까이 분포하고 있고 약 85% 가연분으로 이루어져 있었다. 그 중 탄수화물 함량이 76.04%을 차지하고 있어 적절한 전처리 공정을 적용한다면 효과적인 글루코스 전환율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
- 반면 고온멸균법에서는 산전처리와 알칼리 전처리 시 침지법 실험의 글루코즈 전환율보다 높은 값을 얻었고 알칼리 전처리에서는 12시간 이후부터 모두 20% 이상 글루코즈 전환율을 보였다. 따라서 낙엽을 바이오매스로 하는 경우 고온 멸균 전처리 공정이 효소당화에 있어서 침지, 교반법의 결과와 비슷한 수치를 보이기에 시간 대비 효율이 높은 전처리 방법으로 판단할 수 있었다.
- 침지법과 교반법의 결과는 서로 비슷한 수치를 보였다. 반면 고온멸균법에서는 산전처리와 알칼리 전처리 시 침지법 실험의 글루코즈 전환율보다 높은 값을 얻었고 알칼리 전처리에서는 12시간 이후부터 모두 20% 이상 글루코즈 전환율을 보였다. 따라서 낙엽을 바이오매스로 하는 경우 고온 멸균 전처리 공정이 효소당화에 있어서 침지, 교반법의 결과와 비슷한 수치를 보이기에 시간 대비 효율이 높은 전처리 방법으로 판단할 수 있었다.
- 이로서 보리짚의 경우 암모니아 전처리가 효소당화에 있어서는 좀 더 유리한 전처리 방법임을 알 수 있다. 반면 기질은 다르지만 본 연구의 암모니아와 수산화나트륨에 의한 리그닌 제거 후 효소당화를 통한 글루코즈 전환율은 각 30.8%, 34.7%으로 수산화나트륨의 당 전환율이 높았다. 낙엽을 기질로 하여 전처리 하였을 때 보리짚에 비해 모두 그 효과가 낮은 것으로 나타났지만 낙엽의 전처리는 알칼리용액이 효과가 있는 것으로 볼 수 있다.
- 침지된 바이오매스를 교반시키면 더 활발한 반응촉진을 예상하여 시행하였다. 본 실험에서는 침지법보다 교반하였을 때 좀 더 많은 글루코즈를 얻을 수 있었지만 침지와 교반의 결과가 최대 4%정도의 차이 밖에 보이지 않아 별다른 차이가 없다고 하겠다. 또한 수산화나트륨 용액으로 전처리 시 침지, 교반 실험결과 모두 비슷한 수치를 나타내고 있으며 24시간에서는 거의 동일한 값이 나타나 같은 시간 조건일 경우 어느 공정을 시행해도 무방하다고 판단된다.
- 산 용액으로 전처리 하였을 때 보다 알칼리용액으로 처리 하였을 때 글루코즈 전환율이 높음을 알 수 있었고 또한 수산화나트륨을 사용하였을 때 가장 높은 글루코즈 전환 효과가 나타나는 것을 확인하였다.
- 이 또한 12시간, 24시간으로 나누어 시행하였다. 실험결과 12시간부터 산과 알칼리 용액 전처리에 따른 글루코즈 생산량의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 12시간 전처리 시 바이오매스 1 g 88 mg에서 160 mg 까지 염산, 암모니아, 수산화나트륨 순으로 생산량이 높아짐을 알 수 있었다.
- 고온멸균 전처리 시 침지, 교반 전처리에 비해 결과 적으로 많은 글루코즈 생산량을 보였다. 염산 처리시 15분, 20분 반응 후 바이오매스 1 g 당 글루코즈 139 mg, 143 mg로 별 다른 차이가 나지 않지만 알칼리용액에서는 15분의 짧은 시간에서도 바이오매스1 g 당 150 mg 이상의 글루코즈를 얻을 수 있었으며 암모니아, 수산화나트륨 전처리 시 시간에 따라 일정한 증가한 것을 알 수 있었다. 이 결과 높은 온도와 압력을 가해주면 전처리 반응이 더 활발히 일어나고 그에 따라 효소가수분해도도 증가하는 것으로 파악되며, 시간을 적절히 늘려간다면 보다 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
- 이는 말 그대로 용액에 바이오매스를 담그는 방법으로 그에 따른 반응의 효과를 비교 분석하였다. 염산과 암모니아로 12시간 침지 전처리 후 환산한 글루코즈 생산량은 바이오매스 1g 당 102.7 mg, 103.6 mg와 같이 비슷한 값을 보였지만 수산화나트륨 침지 전처리 후 바이오매스 1 g 당 162.8 g으로 염산과 암모니아 전처리 보다 더 높은 생산량을 보였다.
- 두 실험결과를 비교, 분석해보았다. 염산에서 전처리했을 때 침지법의 12시간 반응 결과보다 교반법 12시간의 결과가 글루코즈 생산량이 더 적고 24시간 반응 시 교반법에서 더 많은 글루코즈 생산량을 얻은 것을 알 수 있다.
- 이로서 낙엽은 알칼리 용액을 통한 전처리에서 높은 효율이 나타나며 이는 발효물질 생산 가능 당 및 발효물질 생산에도 유리한 기질임을 판단할 수 있었다.
- 전처리 방법 중 고압멸균법을 적용했을 때 12시간, 24시간 처리한 다른 전처리 방법에 비해 분단위의 짧은 시간에도 높은 효율을 얻을 수 있었다.
- 전처리 시간에 따라 글루코즈 전환율에 영향을 미치며 시간이 증가함에 따라 당 전환율 또한 증가하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 이 결과 높은 온도와 압력을 가해주면 전처리 반응이 더 활발히 일어나고 그에 따라 효소가수분해도도 증가하는 것으로 파악되며, 시간을 적절히 늘려간다면 보다 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
- 이를 바탕으로 산 용액으로 짧은 시간 전처리할 때는 높은 온도조건이 필요하며 온도조건에서는 교반을 같이 시행하면 보다 높은 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 알칼리 용액으로 전처리 공정을 시행했을 때 대체적으로 산 처리보다 더 높은 글루코즈 생산량을 보이고 있다.
- 향후, 좀 더 효과적인 전처리 병합 등 또 다른 연구 자료를 확보할 필요가 있으며 더욱이 전처리 방법 적용에 있어 에탄올 생산에도 영향을 미칠 것으로 예상된다.
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