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목질계 셀룰로오스 에탄올 생산공정에서 전처리과정의 설계

Design of Pretreatment Process in Cellulosic Ethanol Production

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.4, 2015년, pp.511 - 514  

김형진 (김포대학교 융합환경과) ,  이승범 (단국대학교 화학공학과)

초록
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차세대 바이오에탄올로 주목받고 있는 목질계 바이오매스를 이용한 셀룰로오스 에탄올 생산과정은 셀룰로오스를 단당류로 분해하는 전처리과정이 가장 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 산가수분해와 효소당화과정을 이용하여 볏짚, 톱밥, 복사지, 신문지 등과 같은 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스에탄올을 제조하였다. 전처리과정으로 10~30 wt% 황산을 이용한 산가수분해($100^{\circ}C$, 1 h), celluclast ($55^{\circ}C$, pH = 5.0), AMG ($60^{\circ}C$, pH = 4.5), spirizyme ($60^{\circ}C$, pH = 4.2)을 이용한 효소당화과정(30 min), 산가수분해 후 효소당화과정을 비교하였다. 전처리과정의 수율은 hybrid 과정 > 산가수분해 > 효소당화 순으로 셀룰로오스 에탄올로의 전환이 잘 이루어지는 것으로 나타났으며, 최적 발효시간은 2일이었다. 또한 20 wt% 황산을 이용한 산가수분해 후 celluclast를 이용하여 효소당화를 수행할 경우 톱밥 > 볏짚 > 복사지 > 신문지 순으로 셀룰로오스 에탄올 전환특성이 높게 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A pretreatment process of cellulose decomposition to a monosaccharide plays an important role in the cellulosic ethanol production using the lignocellulosic biomass. In this study, a cellulosic ethanol was produced by using acidic hydrolysis and enzymatic saccharification process from the lignocellu...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 41%)의 순으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 셀룰로오스 에탄올 생산공정에서 이용되는 전처리과정인 산가수분해와 효소당화과정을 연속적으로 수행함으로써 최적의 셀룰로오스 에탄올 생산공정을 설계할 수 있었다.
  • 이러한 이유로 목질계 셀룰로오스 에탄올 생산과정에서 리그닌을 제거하고 셀룰로오스를 단당류로 분해하는 전처리과정이 필요하며, 최적 전처리과정을 찾는 것은 생산 수율, 농도, 당화 및 발효 속도, 셀룰로오스 결정도 등에 영향을 미치기 때문에 경제적 관점에서 매우 중요하다[14,15]. 따라서 본 연구에서는 볏짚, 톱밥, 복사지, 신문지 등과 같은 목질계 원료를 이용한 셀룰로오스 에탄올을 생산하기 위해 다양한 전처리과정(황산을 이용한 산가수분해, 효소당화, 산가수분해 후 효소당화)을 이용하여 셀룰로오스 에탄올을 제조하여 최적의 셀룰로오스 에탄올 전처리과정을 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 목질계 원료로부터 셀룰로오스 에탄올을 생산하는 과정에서 전처리과정으로 이용되는 산가수분해와 효소당화과정을 연계시켜 최적 생산공정을 설계하고자 하였다. 산가수분해의 경우 황산의 농도를 20 wt%로 하여 100 ℃의 온도에서 1 h 동안 반응시켰으며, 효소당화과정의 경우 효소로 1 mL의 celluclast를 사용하였으며, 55℃의 온도에서 pH = 5.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
바이오에탄올의 특징은 무엇인가? 우리나라 또한 저탄소 녹색성장이라는 국가정책을 펴고 있어 신재생에너지 개발 관련 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 수송용 바이오연료로서 휘발유에 대체가능한 신재생 연료 의 필요성이 크게 높아지고 있다[2]. 휘발유 대체가능 신재생연료로는 바이오에탄올이 있으며, 바이오에탄올의 경우 현재 기술로 가장 쉽게 생산할 수 있으며, 석유보다 깨끗이 연소되어 환경오염이 적으며, 만일 환경에 다시 누출되었을 경우에는 쉽게 미생물에 의해 분해된다는 장점을 가지고 있다[3-7]. 바이오 에탄올은 현재 미국과 브라질을 중심으로 옥수수와 사탕수수를 이용하여 생산되고 있으나[8-11], 이는 식량으로 사용된다는 점에서 지속적인 공급과 식량자원의 무기화 등의 문제가 있다.
바이오 에탄올의 문제점은 무엇인가? 휘발유 대체가능 신재생연료로는 바이오에탄올이 있으며, 바이오에탄올의 경우 현재 기술로 가장 쉽게 생산할 수 있으며, 석유보다 깨끗이 연소되어 환경오염이 적으며, 만일 환경에 다시 누출되었을 경우에는 쉽게 미생물에 의해 분해된다는 장점을 가지고 있다[3-7]. 바이오 에탄올은 현재 미국과 브라질을 중심으로 옥수수와 사탕수수를 이용하여 생산되고 있으나[8-11], 이는 식량으로 사용된다는 점에서 지속적인 공급과 식량자원의 무기화 등의 문제가 있다. 따라서 식량자원이 아니면서 농업 및 산림경영에서 얻어지는 부산물이 많아 지속적인 공급이 가능한 목질계 바이오에탄올에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
목질계 바이오에탄올의 원료의 특징은 무엇인가? 1배의 에너지 생산이 가능하다. 목질계 원료는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 세 가지 성분으로 구성되어 있으며 지구상에 존재하는 가장 풍부한 탄소원임과 동시에 biorefinery 공정에 의해 유용한 물질의 원료로 사용될 수 있다[12]. 셀룰로오스는 글루코오스가 수소결합 및 van der Waals 힘에 의해 규칙적으로 결합된 고분자 화합물이며, 헤미셀룰로오스는 arabinose 등의 5탄당이 β-1,4 형태로 결합되어 셀룰로오스와 리그닌의 접착제 역할을 수행하며, 리그닌은 phenylpropane unit를 갖는 방향족 물질이 불규칙적으로 연결된 불용성 난분해성 고분자 화합물로 다당류의 분해를 막는다. 리그닌은 목질계에서 화학적으로 셀룰로오스와 결합되어 있으며 물리적으로 셀룰라아제의 흡착면을 저감시키면서 셀룰로오스의 생화학적 분해에 대한 방어막 역할을 수행한다[13]. 이러한 이유로 목질계 셀룰로오스 에탄올 생산과정에서 리그닌을 제거하고 셀룰로오스를 단당류로 분해하는 전처리과정이 필요하며, 최적 전처리과정을 찾는 것은 생산 수율, 농도, 당화 및 발효 속도, 셀룰로오스 결정도 등에 영향을 미치기 때문에 경제적 관점에서 매우 중요하다[14,15].
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참고문헌 (16)

  1. K. E. Lee, J. Y. Lee, and K. Kim, Effect of content of crop component on the bioethanol production, Korean J. Crop Sci., 53(3), 339-346 (2008). 

  2. Y.-S. Kim, Development and utilization trend of biofuel from lignocellulosic biomass, Forest Bioenergy, 27(1), 1-10 (2008). 

  3. T. Y. Chang, R. H. Hammerle, S. M. Japar, and I. T. Salmeen, Alternative transportation fuels and air quality, Environ. Sci. & Tech., 25(7), 1190-1197 (1996). 

  4. F. H. Palmer, Vehicle performance of gasoline containing oxygenates, Institution of Mechanical Engineers Conference Publication, 33-46, MEP, London, U.K. (1986). 

  5. I. K. Hong, H. Jeon, and S. B. Lee, Comparison of red, brown and green seaweeds on enzymatic saccharification process, J. Ind. Eng. Chem., 20(5), 2687-2691 (2014). 

  6. S. B. Lee, S.-K. Jung, and J. D. Lee, Production of rice straw based cellulosic ethanol using acidic saccharification, Appl. Chem. Eng., 21(3), 349-352 (2010). 

  7. S. B. Lee and H. Kim, The effect of acid hydrolysis and enzymatic saccharification in bioethanol production process using fruit peels, Appl. Chem. Eng., 25(6), 619-623 (2014). 

  8. A. Hirano, R. Ueda, S. Hirayama, and Y. Ogushi, $CO_2$ fixation and ethanol production with microalgal photosynthesis and intracelluler fermentation, Energy, 22, 137-142 (1997). 

  9. B. C. Saha and M. A. Cotta, Enzymatic saccharification and fermentation of alkaline peroxide pretreated rice hulls to ethanol, Enzyme Microb. Technol., 41(4), 528-532 (2007). 

  10. B. Hahn-Hagerdal, M. Galbe, M. F. Gorwa-Grauslund, G. Liden, and G. Zacchi, Bio-ethanol - the fuel of tomorrow from the residues of today, Trends Biotechnol., 24(12), 549-556 (2006). 

  11. H.-J. Han and S.-J. Kim, Isolation and characterization of a strain for economical ethanol production, Korean J. Biotechnol. Bioeng., 21(4), 267-272 (2006). 

  12. J.-J. Ko, S.-L. Yun, S.-W. Kang, and S.-K. Kim, A review on thermochemical pretreatment in lignocellulosic bioethanol production, J. of KORRA, 16(1), 79-88 (2008). 

  13. P. J. Colberg, Anaerobic microbial degradation of cellulose, lignin, liligolignols, and monoaromatic ligning derivarives: Zehnder A.J.B.(ed.) Biology of anaerobic microorganism, 333-415, John Wiley & Sons, NewYork (1988). 

  14. C. E. Wyman, B. E. Dale, R. T. Elander, M. Holtzapple, M. R. Ladisch, and Y. Y. Lee, Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies, Bioresour. Technol., 96, 1959-1966 (2005). 

  15. V. S. Chang and M. T. Holtzapple, Fundamental factors affecting biomass enzymatic reactivity, Appl. Biochem. Biotechnol., 84, 5-37 (2000). 

  16. Y. N. Lee, S. B. Lee, and J. D. Lee, Characteristics of lignin removal in cellulosic ethanol production process, Appl. Chem. Eng., 22(1), 77-80 (2011). 

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