이온성 액체를 이용한 거대억새의 전처리 특성을 알아보기 위하여 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc])와 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) 두 종류의 이온성 액체로 $90^{\circ}C$, $110^{\circ}C$, $130^{\circ}C$ 세 온도조건에서 전처리를 진행하였다. 반응 온도가 높아짐에 따라 cellulose-rich product (CP)의 수율은 87.2%에서 67.6%로 점차 감소하였으며 ionic liquid lignin (ILL)의 수율은 2.2%에서 9.9%로 증가하였다. CP는 ILL에 비해 탄소함량은 낮았지만, 산소함량은 높게 나타났다. CP의 효소당화 결과 $110^{\circ}C$에서 [Emim][OAc]로 전처리하여 얻은 CP의 당화율이 56.7%로 가장 높게 나타났다. ILL의 열중량 분석 결과에 의하면 전처리 온도가 증가함에 따라 최대분해율은 점차 감소하였으며, 최대분해온도는 [Emim][OAc]로 처리한 ILL이 $274{\sim}279^{\circ}C$로 [Bmim][OAc]의 $2701{\sim}294^{\circ}C$보다 낮은 경향을 나타내었다. 전처리 온도가 $90^{\circ}C$에서 $130^{\circ}C$로 증가함에 따라 ILL 내 ${\beta}$-O-4 결합빈도는 [Emim][OAc]의 경우 $2315{\mu}mol/g$에서 $591{\mu}mol/g$으로, [Bmim][OAc]의 경우 $1936{\mu}mol/g$에서 $2478{\mu}mol/g$으로 감소하였다. ILL의 S/G ratio는 [Bmim][OAc]용액으로 $110^{\circ}C$에서 처리하였을 때 1.2로 가장 높게 나타났다.
이온성 액체를 이용한 거대억새의 전처리 특성을 알아보기 위하여 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc])와 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) 두 종류의 이온성 액체로 $90^{\circ}C$, $110^{\circ}C$, $130^{\circ}C$ 세 온도조건에서 전처리를 진행하였다. 반응 온도가 높아짐에 따라 cellulose-rich product (CP)의 수율은 87.2%에서 67.6%로 점차 감소하였으며 ionic liquid lignin (ILL)의 수율은 2.2%에서 9.9%로 증가하였다. CP는 ILL에 비해 탄소함량은 낮았지만, 산소함량은 높게 나타났다. CP의 효소당화 결과 $110^{\circ}C$에서 [Emim][OAc]로 전처리하여 얻은 CP의 당화율이 56.7%로 가장 높게 나타났다. ILL의 열중량 분석 결과에 의하면 전처리 온도가 증가함에 따라 최대분해율은 점차 감소하였으며, 최대분해온도는 [Emim][OAc]로 처리한 ILL이 $274{\sim}279^{\circ}C$로 [Bmim][OAc]의 $2701{\sim}294^{\circ}C$보다 낮은 경향을 나타내었다. 전처리 온도가 $90^{\circ}C$에서 $130^{\circ}C$로 증가함에 따라 ILL 내 ${\beta}$-O-4 결합빈도는 [Emim][OAc]의 경우 $2315{\mu}mol/g$에서 $591{\mu}mol/g$으로, [Bmim][OAc]의 경우 $1936{\mu}mol/g$에서 $2478{\mu}mol/g$으로 감소하였다. ILL의 S/G ratio는 [Bmim][OAc]용액으로 $110^{\circ}C$에서 처리하였을 때 1.2로 가장 높게 나타났다.
To investigate the effects of ionic liquid pretreatment on biomass, giant miscanthus was treated with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc]) and 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) at three temperature conditions ($90^{\circ}C$, $110^{\circ}C$, and
To investigate the effects of ionic liquid pretreatment on biomass, giant miscanthus was treated with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc]) and 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) at three temperature conditions ($90^{\circ}C$, $110^{\circ}C$, and $130^{\circ}C$). As temperature condition increased, yield of the cellulose-rich product (CP) was reduced from 87.2% to 67.6%, while yield of the ionic liquid lignin (ILL) increased from 2.2% to 9.9%. Compared to the ILL, CP had lower carbon contents and higher oxygen contents. Enzymatic hydrolysis of CPs showed that conversion ratio of CP treated with [Emim][OAc] at $110^{\circ}C$ was 56.7%, the highest digestibility. Thermogravimetric analysis indicated that the maximum degradation rate decreased as temperature condition increased. In addition, maximum degradation temperature of ILL treated with [Emim][OAc] ranged from 274 to $279^{\circ}C$ which was lower than that of ILL treated with [Bmim][OAc]. Analytical date for ${\beta}$-O-4 linkage frequency in the ILL revealed that ${\beta}$-O-4 linkage frequency in the ILL decreased as the temperature rose. Furthermore, the highest S/G ratio of the ILL was determined to ca. 1.2 obtained from [Bmim][OAc] treatment at $110^{\circ}C$.
To investigate the effects of ionic liquid pretreatment on biomass, giant miscanthus was treated with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc]) and 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) at three temperature conditions ($90^{\circ}C$, $110^{\circ}C$, and $130^{\circ}C$). As temperature condition increased, yield of the cellulose-rich product (CP) was reduced from 87.2% to 67.6%, while yield of the ionic liquid lignin (ILL) increased from 2.2% to 9.9%. Compared to the ILL, CP had lower carbon contents and higher oxygen contents. Enzymatic hydrolysis of CPs showed that conversion ratio of CP treated with [Emim][OAc] at $110^{\circ}C$ was 56.7%, the highest digestibility. Thermogravimetric analysis indicated that the maximum degradation rate decreased as temperature condition increased. In addition, maximum degradation temperature of ILL treated with [Emim][OAc] ranged from 274 to $279^{\circ}C$ which was lower than that of ILL treated with [Bmim][OAc]. Analytical date for ${\beta}$-O-4 linkage frequency in the ILL revealed that ${\beta}$-O-4 linkage frequency in the ILL decreased as the temperature rose. Furthermore, the highest S/G ratio of the ILL was determined to ca. 1.2 obtained from [Bmim][OAc] treatment at $110^{\circ}C$.
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제안 방법
Ionic liquid lignin의 열적 분해 거동을 관찰하기 위하여 Q-5000 IR 기기(TA instruments, USA)를 이용하여 열중량 분석을 시행하였다. 분석은 10 ℃/min 조건에서 진행하였으며, 측정범위는 40∼800℃로 설정하였다.
(2009)의 방법에 착안하여 이를 부분적으로 개조하여 진행하였으며 자세한 실험 방법은 다음과 같다. 거대억새 시료와 이온성 액체를 1 : 20 w/w로 혼합하여 각각 24시간 동안 교반하여 전처리를 진행하였다. 그 후 증류수와 아세톤을 1 : 1 v/v로 혼합한 반용매(anti-solvent)를 첨가하여 1시간 동안 상온에서 교반시켜 전처리 된 바이오매스를 석출하였으며, 이후 진공 여과를 통하여 cellulose-rich product (CP)를 얻어내었다.
거대억새의 화학 조성을 알아보기 위하여 홀로셀룰로오스, 리그닌, 추출물, 회분의 함량을 측정하였다(Sluiter et al. 2005; Sluiter et al. 2008). 홀로셀룰로오스의 경우 시료와 증류수에 아세트산과 NaClO2 시약을 첨가하여 반응시킨 뒤 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다.
거대억새 시료와 이온성 액체를 1 : 20 w/w로 혼합하여 각각 24시간 동안 교반하여 전처리를 진행하였다. 그 후 증류수와 아세톤을 1 : 1 v/v로 혼합한 반용매(anti-solvent)를 첨가하여 1시간 동안 상온에서 교반시켜 전처리 된 바이오매스를 석출하였으며, 이후 진공 여과를 통하여 cellulose-rich product (CP)를 얻어내었다. 여과액은 진공감압을 이용하여 아세톤 증발 후 원심분리를 통해 ionic liquid lignin (ILL)을 분리해내었다.
전처리 조건과 당화시간에 따른 효소 당화율을 확인하기 위하여 cellulase complex (NS22086)와 β-glucosidase (NS22118)를 통해 효소 당화를 시행하였다. 당화는 각각 24시간, 48시간, 72시간 동안 50℃에서 진행되었으며, 이후 당화액에 존재하는 글루코오스의 함량을 측정하여 당화효율(conversion ratio)을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc])와 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) 두 종류의 이온성 액체로 거대 억새를 세가지 온도 조건 하에 전처리하여 생성되는 산물의 특성을 비교 및 분석하였으며 특히 이때 전처리 부산물로 생산되는 이온성 액체 리그닌을 따로 회수함으로써 용매 및 온도 조건에 따른 리그닌의 구조적 변화를 관찰하였다.
리그닌은 72% 황산 용액을 시료와 혼합하여 30℃에서 한 시간 반응 후 4% 용액으로 희석하여 121℃ autoclave에서 반응 후 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다. 또한 시료에 존재하는 추출물의 양은 에탄올 : 벤젠 = 1 : 2 v/v 혼합용액을 6시간 동안 반응 후 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다. 회분의 경우 600℃ 회화로에서 8시간 반응 후 시료의 무게변화를 측정하였다.
홀로셀룰로오스의 경우 시료와 증류수에 아세트산과 NaClO2 시약을 첨가하여 반응시킨 뒤 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다. 리그닌은 72% 황산 용액을 시료와 혼합하여 30℃에서 한 시간 반응 후 4% 용액으로 희석하여 121℃ autoclave에서 반응 후 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다. 또한 시료에 존재하는 추출물의 양은 에탄올 : 벤젠 = 1 : 2 v/v 혼합용액을 6시간 동안 반응 후 남아있는 시료의 무게 변화를 계산하였다.
본 연구에서는 거대억새를 공시재료로 사용하였으며 0.5 mm의 입자 크기로 분쇄한 후 시료 내 수분 함량 제거를 위해 실험 전 75℃의 오븐에서 건조시킨 후 전처리를 진행하였다. 이온성 액체로는 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (97%, Sigma Aldrich)와 1-butyl-3-methylimidazolium acetate (≥95%, Sigma Aldrich)를 사용하여 전처리를 진행하였다.
여기에 100 µℓ의 pyridine과 100 µℓ의 N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide를 첨가하여 105℃에서 2시간 동안 반응시킨 뒤 GC/MS를 이용하여 정량분석하였다.
공시재료 거대억새의 원소조성을 알아보기 위하여 LECO corp.의 원소분석기 CHNS 932를 이용하여 탄소, 수소, 질소의 원소조성비를 측정하였다.
이온성 액체의 전처리 방법은 Sun et al. (2009)의 방법에 착안하여 이를 부분적으로 개조하여 진행하였으며 자세한 실험 방법은 다음과 같다. 거대억새 시료와 이온성 액체를 1 : 20 w/w로 혼합하여 각각 24시간 동안 교반하여 전처리를 진행하였다.
이온성 액체의 종류 및 반응 온도가 바이오매스 전처리 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 [Emim][OAc]와 [Bmim][OAc] 2종류의 이온성 액체를 사용하여 90℃, 110℃, 130℃ 조건에서 전처리를 진행하였으며, 이를 통해 얻은 두 산물의 분석을 시행하였다. CP와 ILL의 원소분석 결과 CP는 41.
전처리 조건과 당화시간에 따른 효소 당화율을 확인하기 위하여 cellulase complex (NS22086)와 β-glucosidase (NS22118)를 통해 효소 당화를 시행하였다.
전처리를 통해 얻어낸 산물의 원소조성비 분석을 위해 2.2와 같은 방법으로 원소분석을 시행하였다.
전처리에 따른 억새의 셀룰로오스 결정화도 변화를 관찰하기 위해 Powder X-ray Diffractometry(Bruker D8 ADVANCED with DAVINCI, Germany)를 사용하였다. 분석은 2θ = 10°∼30°에서 이루어졌으며 분석조건으로는 40 kV, 40 mA, scanning speed = 0.
주요 단당류 성분과 함량은 리그닌 정량 과정에서 제조한 황산가수분해액을 60배 희석한 후 CarboPac PA100 column (4 × 250 nm)과 ED50 pulsed amperometric detector가 장착된 고성능이온교환크로마토그래피(HPAEC, Aionex system)를 이용하여 정량하였다.
대상 데이터
이온성 액체로는 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (97%, Sigma Aldrich)와 1-butyl-3-methylimidazolium acetate (≥95%, Sigma Aldrich)를 사용하여 전처리를 진행하였다.
이론/모형
ILL 내에 존재하는 β-O-4 결합 빈도를 측정하기 위하여 다음과 같은 방법으로 Nitrobenzene oxidation (NBO)을 진행하였다(Leopold and Malmström,1951).
전처리에 사용된 이온성 액체 종류와 처리온도가 ILL 내 arylglycerol-β-aryl ether 결합 빈도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 NBO법을 이용하여 분석을 진행하였으며 이 결과를 Table 6에 제시하였다.
성능/효과
β-O-4 결합빈도 측정결과 처리온도가 증가할수록 ILL 내 β-O-4 결합빈도가 감소하였으며 110℃에서 얻은 ILL의 S/G ratio가 비교적 높게 나온 것을 확인하였다.
CP와 ILL의 원소분석 결과 CP는 41.2∼46.8%로 일반 바이오매스와 비슷한 수준의 탄소함량을 보이는데 비해 ILL은 58.9∼65.2%로 더 높은 탄소함량을 나타냈으며, 산소함량은 CP가 ILL보다 높은 것으로 나타났다.
2%로 더 높은 탄소함량을 나타냈으며, 산소함량은 CP가 ILL보다 높은 것으로 나타났다. CP의 경우 전처리 온도가 높아질수록 수율이 감소하는 경향을 보였으며, ILL의 경우 처리온도가 높아질수록 수율이 증가하였다. 효소를 통한 CP의 당화결과 110℃에서 [Emim][OAc]로 처리하여 얻어낸 CP의 글루코오스 수율이 56.
2011). Fig. 2의 억새와 Fig. 3의 CP의 XRD 분석결과를 비교해보면, 억새에 비해 CP 의 XRD 그래프가 더 넓고 완만한 형태를 띠고 있으며 특히 전처리 온도가 증가함에 따라서도 이러한 경향이 두드러지는 것을 확인할 수 있다. 이는 전처리를 통해 바이오매스의 결정성이 감소하였으며, 처리온도가 증가할수록 셀룰로오스의 비결정화가 촉진된다는 것을 의미한다.
7%로 가장 높은 것으로 나타났다. ILL의 열 중량 분석 결과 전처리 온도가 높아질수록 최대분해율이 감소하는 경향을 나타내었다. β-O-4 결합빈도 측정결과 처리온도가 증가할수록 ILL 내 β-O-4 결합빈도가 감소하였으며 110℃에서 얻은 ILL의 S/G ratio가 비교적 높게 나온 것을 확인하였다.
본 연구에서는 최대중량감소율이 나타나는 온도가 250∼300℃사이에 존재하므로 전처리 후 ILL과 결합되어 남아있던 헤미셀룰로오스가 다소 존재하는 것으로 보인다.
공시재료인 억새의 화학조성 및 단당류 성분과 함량을 Table 1에 나타내었다. 실험 결과, 에너지 작물인 억새는 일반 목재에 비해 홀로셀룰로오스와 추출물의 양이 많으며 리그닌의 양은 더 적다. 이는 전처리 산물인 CP와 ILL의 수율에 영향을 미쳤을 것으로 예상된다.
이는 처리온도가 높아질수록 리그닌의 분해가 더욱 일어남을 의미한다(Tan and Lee 2012). 실험 진행 과정 중 130℃ 조건의 경우 바이오매스의 겔(gel)화 현상이 두드러지며 CP와 ILL 간 분리뿐만 아니라 전처리 산물과 이온성 액체 간 분리 또한 어려움이 따르는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 산물의 수율에도 영향을 미쳤을 가능성이 있으며 이는 앞서 언급한 바와 같이 높은 온도 조건에서 셀룰로오스의 용해도 증가와 리그닌 고분자 구조의 와해로 인해 이온성 액체와의 반응성이 높아지는 것으로 추정된다.
이는 높은 온도에서 전처리가 진행될수록 ILL 내의 β-O-4 결합 빈도가 감소함을 의미하며, 이를 통해 전처리가 높은 온도에서 일어날수록 ILL 내 ether 결합이 더 많이 분해되어 C-C결합 빈도가 높아져 더욱 응집된 구조를 갖는다는 것을 확인하였다.
2010). 전처리 온도조건에 따른 당화효율을 살펴보면 110℃에서 전처리했을 경우에 당화효율이 가장 높은 것으로 나타났으며, 당화시간 별로는 48시간에서 72시간 사이에 전환율이 평균 45.4%에서 52.5%로 크게 증가하는 것으로 나타났다. 다만 130℃에서 전처리했을 경우에는 [Bmim][OAc]의 글루코오스 수율이 55.
한편 110℃ 조건에서 전처리를 진행한 경우 다른 온도와 비교하였을 때 S/G 비율이 1.1∼1.2로 더욱 높게 나타났으며 이는 전처리 조건에 따라 리그닌 유래 산물의 선택적 추출이 가능할 수 있음을 나타낸다.
CP의 경우 전처리 온도가 높아질수록 수율이 감소하는 경향을 보였으며, ILL의 경우 처리온도가 높아질수록 수율이 증가하였다. 효소를 통한 CP의 당화결과 110℃에서 [Emim][OAc]로 처리하여 얻어낸 CP의 글루코오스 수율이 56.7%로 가장 높은 것으로 나타났다. ILL의 열 중량 분석 결과 전처리 온도가 높아질수록 최대분해율이 감소하는 경향을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온성 액체의 장점은?
이온성 액체(Ionic liquid)는 상온에서 액체 상태로 존재하면서도 이온결합을 형성하고 있는 액체를 의미하며 불연성, 낮은 휘발성, 열적 안정성 및 재사용 가능이라는 장점을 가지기 때문에 다양한 분야에 이용이 가능할 것으로 기대되는 용매이다(Sheldon et al. 2002).
유기용매를 대체할 용매로 주목받는 이온성 액체의 특성은 무엇인가?
2002). 더욱이 이온성 액체는 필요에 따라 양이온과 음이온을 적절하게 선택하여 용매의 특성을 임의적으로 조절할 수 있으며, 이러한 특성으로 인해 이온성 액체는 향후 유기용매를 대체할 용매로 주목받고 있다. 또한 이온성 액체는 바이오매스 전처리 과정에서도 용이하게 적용될 수 있으며 기존 연구에 따르면 이온성 액체를 통해 바이오매스를 전처리했을 경우 셀룰로오스의 결정화도를 감소시키고 리그닌을 선택적으로 제거하는 등의 기작을 통해 효소접근성을 높여주는 효과를 나타낸다고 보고된 바 있다 (Samayam and Schall 2010; Fu and Mazza 2011; Li et al.
이온성 액체란?
이온성 액체(Ionic liquid)는 상온에서 액체 상태로 존재하면서도 이온결합을 형성하고 있는 액체를 의미하며 불연성, 낮은 휘발성, 열적 안정성 및 재사용 가능이라는 장점을 가지기 때문에 다양한 분야에 이용이 가능할 것으로 기대되는 용매이다(Sheldon et al. 2002).
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