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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 폐MDF를 에탄올 발효 기질로써의 활용 가능성을 검토하기 위해 폐MDF의 화학조성을 분석하고, 전처리 및 효소 당화를 실시하여 발효 기질인 폐MDF 당화액을 제조하였다.
- 당화 효소 Cellic CTec3의 적정 사용량과 당화 작용 시간을 확인하기 위해 실험하였다. 먼저 전처리한 폐MDF에 0.
- 효소 사용량과 당화시간 결과를 바탕으로 전처리 폐MDF의 적합한 기질 농도를 설정하기 위해 실험하였다. 전처리한 폐MDF에 0.
- 본 연구에서는 해마다 폐기물로 처리되는 200만 m3 정도의 MDF를 활용하여 바이오에탄올 생산 가능성을 검토하기 위해 폐MDF의 성분분석을 하고, 전처리 및 효소 당화를 하여 폐MDF 당화액을 제조하였다. 폐MDF의 분체 크기에 따른 결과 비교를 위해 sieve 크기 1,000 µm와 200 µm를 통과한 분체로 실험하였으나 결과는 유사하였다.
- 본 연구에서는 목질계 바이오매스를 활용하여 바이오에탄올을 생산하는 과정에서 가장 중요한 전처리와 당화 공정을 확립하여 발효 기질이 되는 당화액을 제조하는 것이다. 전 과정에서 폐MDF를 아염소산나트륨으로 전처리를 한 다음 성분 분석과 FE-SEM 촬영을 통하여 전처리가 원만하게 진행된 것을 확인하였다.
- 전 과정에서 폐MDF를 아염소산나트륨으로 전처리를 한 다음 성분 분석과 FE-SEM 촬영을 통하여 전처리가 원만하게 진행된 것을 확인하였다. 전처리한 폐MDF를 사용하여 목질계 바이오매스에 효과적인 Cellic CTec3 당화 효소를 이용하여 최적의 효소 당화 조건을 확인하기 위해 실험하였다.
제안 방법
- 목질 섬유소의 효과적인 전처리 방법을 연구하기 위해 아염소산나트륨으로 전처리를 하였다. 분쇄한 폐MDF를 증류수에 침지하여 121℃에서 25분 동안 열수 처리하여 합성수지를 제거한 다음 건조 후 시료로 사용하였다.
- 폐MDF의 전처리 전과 후의 성분 조성을 비교하기 위해 목질 섬유소 주요 성분분석을 실시하였다. 분석 항목은 glucan, hemicellulose, lignin, extractives 및 ash 등이며, 모든 분석은 NREL (National Renewable Energy Laboratory)의 laboratory analytical procedures 방법으로 분석하였으며, 전처리 전과 후의 lignin 제거율 등을 비교하여 전처리 특성을 확인하였다[13].
- 폐MDF를 cutting mill과 pin mill로 각각 분쇄한 다음 전처리하여 분체 크기에 따른 전처리 전과 후의 구조 변화를 확인하기 위해 전계방사형 주사전자현미경 (FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, TESCAN, USA)으로 촬영하여 관찰하였다.
- 전처리한 폐MDF를 효소 당화하기 위해 Cellic CTec3 당화 효소로 효소 사용량, 당화시간, 기질농도 비교 등의 실험을 하였다. 전처리한 폐MDF에 0.
- 전처리한 폐MDF를 효소 당화하기 위해 Cellic CTec3 당화 효소로 효소 사용량, 당화시간, 기질농도 비교 등의 실험을 하였다. 전처리한 폐MDF에 0.1N acetate buffer (pH 5.0)와 증류수를 가하여 기질농도에 맞게 제조한 다음 효소 당화를 위해 당화 효소를 첨가한 후 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 당화하였다. 당화가 끝난 당화액은 HPLC를 이용하여 당을 분석하였고, 당화 정도를 비교하기 위해 당화율 (saccharification ratio, SR)을 다음과 같이 계산하여 평가하였다.
- 0)와 증류수를 가하여 기질농도에 맞게 제조한 다음 효소 당화를 위해 당화 효소를 첨가한 후 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 당화하였다. 당화가 끝난 당화액은 HPLC를 이용하여 당을 분석하였고, 당화 정도를 비교하기 위해 당화율 (saccharification ratio, SR)을 다음과 같이 계산하여 평가하였다.
- 당화 효소 Cellic CTec3의 적정 사용량과 당화 작용 시간을 확인하기 위해 실험하였다. 먼저 전처리한 폐MDF에 0.1N acetate buffer (pH 5.0)와 증류수를 가하여 전처리 폐MDF 기질 농도를 4%로 제조하였다. 여기에 Cellic CTec3를 전처리한 폐MDF 대비 1, 3, 5, 7 및 10% (w/w)로 첨가하여 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 144시간 동안 효소 당화를 진행하였다.
- 0)와 증류수를 가하여 전처리 폐MDF 기질 농도를 4%로 제조하였다. 여기에 Cellic CTec3를 전처리한 폐MDF 대비 1, 3, 5, 7 및 10% (w/w)로 첨가하여 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 144시간 동안 효소 당화를 진행하였다. 효소 당화 과정에서 당화 정도를 확인하기 위해 24시간 간격으로 HPLC로 당을 분석하여 당화율을 비교하였다.
- 여기에 Cellic CTec3를 전처리한 폐MDF 대비 1, 3, 5, 7 및 10% (w/w)로 첨가하여 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 144시간 동안 효소 당화를 진행하였다. 효소 당화 과정에서 당화 정도를 확인하기 위해 24시간 간격으로 HPLC로 당을 분석하여 당화율을 비교하였다.
- 효소 사용량과 당화시간 결과를 바탕으로 전처리 폐MDF의 적합한 기질 농도를 설정하기 위해 실험하였다. 전처리한 폐MDF에 0.1N acetate buffer (pH 5.0)와 증류수를 가하여 기질 농도를 각각 4, 8, 10 및 12%로 제조하였다. 여기에 Cellic CTec3를 기질 농도 대비 10% 첨가하였으며, 이를 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 120시간 당화한 다음 HPLC로 당을 분석하였다.
- 당화 효소 Cellic CTec3의 적절한 사용량과 당화 작용 시간을 확인하기 위해 전처리한 폐MDF 기질 농도를 4%로 제조하였다. 기질 농도 대비 당화 효소를 1, 3, 5, 7 및 10%로 각각 사용하여 당화 시간에 따른 당화 정도를 비교하였으며, 그 결과는 Fig.
- 0)와 증류수를 가하여 기질 농도를 각각 4, 8, 10 및 12%로 제조하였다. 여기에 Cellic CTec3를 기질 농도 대비 10% 첨가하였으며, 이를 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 120시간 당화한 다음 HPLC로 당을 분석하였다. 그리고 실험과정에서 초기부터 기질 농도를 10% 이상으로 높이는 것에 한계가 있어 최고 기질 농도 12%로 높이는 방법을 fed batch (미생물 회분배양의 한 방법으로 영양성분을 배양 중에 첨가하여 미생물의 생산성을 높이는 배양법)로 추가하는 실험을 병행하였다.
- 여기에 Cellic CTec3를 기질 농도 대비 10% 첨가하였으며, 이를 진탕 배양기에서 50℃, 140 rpm 조건으로 120시간 당화한 다음 HPLC로 당을 분석하였다. 그리고 실험과정에서 초기부터 기질 농도를 10% 이상으로 높이는 것에 한계가 있어 최고 기질 농도 12%로 높이는 방법을 fed batch (미생물 회분배양의 한 방법으로 영양성분을 배양 중에 첨가하여 미생물의 생산성을 높이는 배양법)로 추가하는 실험을 병행하였다. 초기에는 8%로 제조하여 24시간 당화한 다음 전체량 대비 4%의 폐MDF를 추가하여 최종 12%로 만들어 120시간 동안 당화하였다.
- 그리고 실험과정에서 초기부터 기질 농도를 10% 이상으로 높이는 것에 한계가 있어 최고 기질 농도 12%로 높이는 방법을 fed batch (미생물 회분배양의 한 방법으로 영양성분을 배양 중에 첨가하여 미생물의 생산성을 높이는 배양법)로 추가하는 실험을 병행하였다. 초기에는 8%로 제조하여 24시간 당화한 다음 전체량 대비 4%의 폐MDF를 추가하여 최종 12%로 만들어 120시간 동안 당화하였다. 또한, 전처리 폐MDF 기질 농도 증가에 따른 점도를 확인하기 위해 점도계 (DV2T, Brookfield, USA)로 측정하였다.
- 초기에는 8%로 제조하여 24시간 당화한 다음 전체량 대비 4%의 폐MDF를 추가하여 최종 12%로 만들어 120시간 동안 당화하였다. 또한, 전처리 폐MDF 기질 농도 증가에 따른 점도를 확인하기 위해 점도계 (DV2T, Brookfield, USA)로 측정하였다.
- 폐MDF의 전처리 전과 후의 표면 구조 변화를 확인하기 위해 FE-SEM으로 촬영하여 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 1과 같다.
- 당화액의 기질 농도를 높이기 위해 전처리 폐MDF 기질농도를 4, 8, 10 및 12%로 제조하였고, 밀도가 낮아 그 이상으로 높이는 것은 한계가 있었다. 그리고 고형분 증가에 따른 당화율 감소를 감안하여 당화 효소 사용량은 기질 농도 대비 10%를 사용하였다.
- 당화 효소 Cellic CTec3의 적절한 사용량과 당화 작용 시간을 확인하기 위해 전처리한 폐MDF 기질 농도를 4%로 제조하였다. 기질 농도 대비 당화 효소를 1, 3, 5, 7 및 10%로 각각 사용하여 당화 시간에 따른 당화 정도를 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 2와 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 재료인 폐MDF는 2013년에 동화기업에서 생산한 MDF로써 이를 분쇄하여 실험에 사용하였으며, 분체 크기에 따른 결과를 비교하기 위해 cutting mill (Fritsch, Germany)로 분쇄하여 sieve 크기 1,000 µm를 통과한 분체와 pin mill (TOP-06L-P, Korea)로 분쇄한 후 sieve 크기 200 µm를 통과한 분체를 동시에 실험하였다.
- 폐MDF의 전처리를 위해서는 아염소산나트륨 (Daejung, Korea)을 사용하였고, 당화에 사용한 효소는 상업용 당화 효소인 Cellic CTec3 (Novozymes, Denmark)를 사용하였다.
- 당 분석을 위해서 당 표준물질은 Sigma-Aldrich (St. Louis, USA) 제품을 사용하였고, 시료는 syringe filter (0.2 µm)로 여과한 후 HPLC (High Performance Liquid Chromatography, Agilent 1260 series, USA)를 이용하여 분석하였다.
데이터처리
- 폐MDF 성분분석 결과는 Q-test (Dixon's test)를 활용하여 25회 반복 분석한 데이터의 평균 및 표준편차를 산출하여 유의적인 차이를 비교하였으며, 그 외의 분석 결과는 5회 반복 측정한 분석치를 평균값으로 계산하여 나타내었다.
이론/모형
- 폐MDF의 전처리 전과 후의 성분 조성을 비교하기 위해 목질 섬유소 주요 성분분석을 실시하였다. 분석 항목은 glucan, hemicellulose, lignin, extractives 및 ash 등이며, 모든 분석은 NREL (National Renewable Energy Laboratory)의 laboratory analytical procedures 방법으로 분석하였으며, 전처리 전과 후의 lignin 제거율 등을 비교하여 전처리 특성을 확인하였다[13].
- Column은 ZORBAX Carbohydrate Analysis (Agilent Technologies, 4.6 × 150 mm, 5 µm), 검출기는 RID (Refractive index detector)를 사용하였다.
성능/효과
- 그리고 전처리한 폐MDF의 화학조성 결과는 먼저 1,000 µm 분체를 사용한 실험은 glucan 63.25%, hemicellulose 16.24% 및 lignin은 4.11%로 확인되었고, 200 µm 분체의 경우는 glucan 62.98%, hemicellulose 15.84% 및 lignin은 3.31%로 분석되었다.
- 폐MDF의 화학조성을 확인하기 위해 Table 1과 같이 전처리 전과 후의 구성 성분을 분석하였다. NREL procedure에 따라 분석한 결과 폐MDF의 주요 성분은 glucan 38.00%, hemicellulose 15.46% 및 lignin은 31.13%로 나타났다. 대부분의 성분이 일반적인 분석 결과와 비슷하였으나 hemicellulose의 함량이 조금 낮은 것이 특징이었다.
- 31%로 분석되었다. 분체 크기가 작을수록 glucan과 hemicellulose 함량은 소폭 감소하였고, 반면 lignin 제거는 잘 되는 경향이었으나 큰 차이는 없었다. Holocellulose (glucan과 hemicellulose의 합계)로 비교하면 전처리 전에는 53.
- 82%로 분석되었다. 그리고 lignin은 31.13%에서 분체 크기에 따라 각각 4.11%, 3.31%로 월등히 감소한 것이 가장 중요한 특징이며, lignin 제거율은 분체 크기별로 86.8%, 89.4%에 이르는 것으로 나타났다. 목질 섬유소의 전처리 과정에서 가장 중요한 특징은 당 성분의 회수율은 최대화하면서 lignin 함량은 최소화하는 것인데, 그런 측면에서 본 연구의 전처리 효율은 뛰어난 것으로 평가된다.
- 4%에 이르는 것으로 나타났다. 목질 섬유소의 전처리 과정에서 가장 중요한 특징은 당 성분의 회수율은 최대화하면서 lignin 함량은 최소화하는 것인데, 그런 측면에서 본 연구의 전처리 효율은 뛰어난 것으로 평가된다.
- FE-SEM 분석 결과, 전처리한 폐MDF 표면을 관찰하면 깨끗하고 정돈된 모양으로 변하였으며, 표면에 주름이 많이 있는 것이 특징이었다. 이는 전처리 과정에서 lignin 등이 제거 되면서 깨끗한 표면구조로 바뀐 것으로 사료되며, 전처리 과정에서 목질 섬유소의 조직이 연화되어 주름이 생긴 것으로 판단된다.
- 따라서 전처리 폐MDF 기질 농도 4%에서는 당화 효소를 5% 이상 사용하면 72시간에 당화율 70%를 이른다는 결과를 확인하였으며, 분체 크기 비교 실험은 초기 24시간에는 분체 크기가 작을수록 당화가 빨랐으나 72시간 이상 효소 당화하면 당화율 차이가 없는 것으로 분석되었으므로 1,000 µm 분체로 당화 및 발효가 충분하다고 판단된다.
- 당화 효소 사용량 1% 및 3% 실험은 144시간까지 당화가 계속 진행되는 경향을 보였으나 낮은 당화율을 나타내었다. 특히, 1%를 사용한 실험은 144시간까지 당화를 하여도 최종 당화율이 약 40%인 것으로 확인되었고, 3%를 사용한 실험은 48시간까지는 당화율이 50% 정도였으나 144시간에는 73%로 분석되었다. 반면 효소를 5% 이상으로 사용할 경우 72시간에 당화율이 70%를 상회하였으며, 그리고 10%를 사용한 실험은 72시간에 당화율이 80%에 근접하였으며, 144시간까지 진행한 결과 당화율 82%로 확인되었다.
- 특히, 1%를 사용한 실험은 144시간까지 당화를 하여도 최종 당화율이 약 40%인 것으로 확인되었고, 3%를 사용한 실험은 48시간까지는 당화율이 50% 정도였으나 144시간에는 73%로 분석되었다. 반면 효소를 5% 이상으로 사용할 경우 72시간에 당화율이 70%를 상회하였으며, 그리고 10%를 사용한 실험은 72시간에 당화율이 80%에 근접하였으며, 144시간까지 진행한 결과 당화율 82%로 확인되었다. 이와 같이 사용량 10%의 실험은 72시간 이상으로 당화할 경우 증가가 미미하여 72시간 내에 당화를 끝낼 수 있을 것으로 판단된다.
- 3과 같다. 실험결과, 효소 사용량 1%일 때는 glucose와 xylose 함량은 각각 약 13,000 mg/L, 3,500 mg/L로 낮았으나 3% 이상일 때는 glucose는 약 25,000 mg/L, xylose는 약 5,000 mg/L로 분석되었다. 특히, 효소 사용량 5%부터는 그 이상을 사용하여도 120시간 이상 효소 당화하면 최종 결과는 큰 차이가 없었다.
- 기질농도 12%에서는 분체 크기별 당화율이 200 µm 분체는 63.4%, 1,000 µm 분체는 76.8%로 확인되며, 이 때 glucose 함량은 각각 62,713 mg/ L, 77,550 mg/L로 분석되었다.
- 따라서 1,000 µm 크기 분체의 12% 고농도 바이오매스를 효소 당화하면 당화율 76.8%에 이르는 양호한 결과를 확인하였으며, 더 이상 높이는 것은 한계가 있었다.
- 기질 최고 농도 12%에서는 200 µm 분체를 사용한 실험의 경우 glucose 함량은 62,713 mg/L, xylose 13,415 mg/L로 분석되어 당화율은 63.4% 였으며, 1,000 µm 분체는 glucose 77,550 mg/L, xylose 14,637 mg/L로 분석되어 당화율이 76.8%에 이르는 것으로 확인되었다.
- 따라서 분체 크기 1,000 µm로 분쇄한 폐MDF를 사용하여 기질 농도 12%로 제조하여 효소 당화하면 당화율 76.8%, glucose 함량 77,550 mg/L의 양호한 결과를 확인하였다.
- 기질농도 증가에 따른 점도를 측정한 결과 12% 기질 농도를 사용한 실험의 점도는 1,000 µm 분체는 19.7 cP로 분석되어 양호하였고, 반면 200 µm 분체는 52.5 cP로 상당히 높았다.
- 실험결과는 Table 2와 같으며, 전처리 폐MDF 기질 농도를 4, 8, 10 및 12%로 제조하여 120시간 동안 당화한 결과 기질 농도를 높일수록 당화율이 감소하였다. 기질농도 12%에서는 분체 크기별 당화율이 200 µm 분체는 63.
- 8%로 확인되며, 이 때 glucose 함량은 각각 62,713 mg/ L, 77,550 mg/L로 분석되었다. 그 이상으로 높이는 방법은 어려울 것으로 판단되며, 기질 농도 10% 이상을 사용한 실험에서는 분체 크기가 작을수록 오히려 당화율이 감소하는 것이 특징이었다. 이는 미분쇄에 의해 표면적은 증가한 반면 급격한 점도 상승으로 효소의 작용이 어려워졌기 때문에 나타난 결과로 사료된다.
- 폐MDF의 분체 크기에 따른 결과 비교를 위해 sieve 크기 1,000 µm와 200 µm를 통과한 분체로 실험하였으나 결과는 유사하였다. 폐MDF와 전처리한 폐MDF의 화학조성은 폐MDF의 경우는 glucan 38.00%, hemicellulose 15.46% 및 lignin은 31.13%로 나타났으며, 전처리한 폐MDF의 구성성분은 glucan 63.25%, hemicellulose 16.24% 및 lignin은 4.11%로 분석되어 전처리 전과 후의 holocellulose 함량은 각각 53.46%, 79.49%로 분석되었고, 전처리 후의 lignin 제거율은 분체 크기에 따라 약 87~89%에 이르는 것으로 나타났다. 전처리 폐MDF를 4% 농도로 제조한 다음 당화 효소를 기질 농도 대비 1, 3, 5, 7 및 10%를 사용하여 효소 당화한 결과 1, 3% 사용한 것은 당화율이 많이 낮았으나 5% 이상 사용한 실험은 당화시간 72시간 경에 당화율이 70%에 이르렀고, 최종적으로는 80%에 육박하였다.
- 49%로 분석되었고, 전처리 후의 lignin 제거율은 분체 크기에 따라 약 87~89%에 이르는 것으로 나타났다. 전처리 폐MDF를 4% 농도로 제조한 다음 당화 효소를 기질 농도 대비 1, 3, 5, 7 및 10%를 사용하여 효소 당화한 결과 1, 3% 사용한 것은 당화율이 많이 낮았으나 5% 이상 사용한 실험은 당화시간 72시간 경에 당화율이 70%에 이르렀고, 최종적으로는 80%에 육박하였다. 그리고 기질 농도를 높이기 위해 4, 8, 10 및 12% 농도로 제조하여 당화를 비교한 결과 8%까지는 최종 당화율이 약 80%에 이르렀으며, 기질 농도 10% 이상에서는 당화율이 조금씩 감소하였다.
- 전처리 폐MDF를 4% 농도로 제조한 다음 당화 효소를 기질 농도 대비 1, 3, 5, 7 및 10%를 사용하여 효소 당화한 결과 1, 3% 사용한 것은 당화율이 많이 낮았으나 5% 이상 사용한 실험은 당화시간 72시간 경에 당화율이 70%에 이르렀고, 최종적으로는 80%에 육박하였다. 그리고 기질 농도를 높이기 위해 4, 8, 10 및 12% 농도로 제조하여 당화를 비교한 결과 8%까지는 최종 당화율이 약 80%에 이르렀으며, 기질 농도 10% 이상에서는 당화율이 조금씩 감소하였다. 기질 최고 농도 12%에서는 200 µm 분체를 사용한 실험의 경우 glucose 함량은 62,713 mg/L, xylose 13,415 mg/L로 분석되어 당화율은 63.
- 본 연구에서는 목질계 바이오매스를 활용하여 바이오에탄올을 생산하는 과정에서 가장 중요한 전처리와 당화 공정을 확립하여 발효 기질이 되는 당화액을 제조하는 것이다. 전 과정에서 폐MDF를 아염소산나트륨으로 전처리를 한 다음 성분 분석과 FE-SEM 촬영을 통하여 전처리가 원만하게 진행된 것을 확인하였다. 전처리한 폐MDF를 사용하여 목질계 바이오매스에 효과적인 Cellic CTec3 당화 효소를 이용하여 최적의 효소 당화 조건을 확인하기 위해 실험하였다.
- 당화 효소 사용량 1% 및 3% 실험은 144시간까지 당화가 계속 진행되는 경향을 보였으나 낮은 당화율을 나타내었다. 특히, 1%를 사용한 실험은 144시간까지 당화를 하여도 최종 당화율이 약 40%인 것으로 확인되었고, 3%를 사용한 실험은 48시간까지는 당화율이 50% 정도였으나 144시간에는 73%로 분석되었다.
후속연구
- 8%에 이르는 양호한 결과를 확인하였으며, 더 이상 높이는 것은 한계가 있었다. 향후 폐MDF를 활용하여 바이오에탄올 생산 상용화를 위해서는 고형분 함량을 12% 이상으로 높이면서 경제성을 개선하는 연구가 필요할 것으로 사료되며, 이들 문제가 해결된다면 폐MDF를 이용한 바이오에탄올 생산 가능성이 높을 것으로 판단된다.
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