[논문]목탄 처리에 의한 당화액 내 5-hydroxymethylfurfural 및 푸르푸랄 제거

정한섭; 김용식; 이재정; 채광석; 안병준; 이수민

doi:10.5658/wood.2016.44.5.705

목탄 처리에 의한 당화액 내 5-hydroxymethylfurfural 및 푸르푸랄 제거
Removal of 5-hydroxymethylfurfural and Furfural in Sugar Hydrolysate by Wood Charcoal Treatment 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.44 no.5, 2016년, pp.705 - 715

정한섭 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 김용식 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 이재정 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 채광석 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 안병준 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 이수민 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과)

초록
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본 연구에서는 목질계 바이오매스의 초임계수 처리 후 얻어진 당화액 내 발효저해물질인 퓨란계 화합물(5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), 푸르푸랄)을 제거하기 위한 목탄 처리의 효과를 구명하고자 하였으며, 이를 위해 유사 당화액을 제조하고 목탄 투입량 및 처리 시간에 따른 당 및 퓨란계 화합물의 제거율을 계산해 활성탄의 경우와 비교분석하였다. 글루코오스, 자일로오스, 5-HMF, 푸르푸랄이 포함된 유사 당화액에 목탄 또는 활성탄을 0.5, 1, 2, 4, 8, 12% (w/v) 농도로 투입하여 1, 3, 6, 12, 24시간 동안 처리하였다. 처리 결과, 목탄 투입량 및 처리 시간이 증가함에 따라 5-HMF 및 푸르푸랄 제거율이 점차 증가하여 목탄 투입량 8%, 처리 시간 3시간 이상에서는 5-HMF, 푸르푸랄 모두 95% 이상 제거되었으며, 동시에 당의 손실(< 2%)은 거의 없었다. 반면, 활성탄을 처리하였을 경우, 목탄보다 온화한 조건(활성탄 투입량: 8%, 처리 시간: 1시간)에서도 5-HMF 및 푸르푸랄 제거율이 95% 이상이었으나, 글루코오스 및 자일로오스 또한 각각 10% 이상이 제거되었다. 따라서, 결론적으로 당 생산 및 추가적인 당 활용 공정을 고려할 때, 목탄을 이용하는 것이 상대적으로 당화액의 퓨란계 화합물을 효과적으로 제거하고 당 수율을 유지하는 방법으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The main aim of this study was to investigate the potential of wood charcoal on removing furan compounds (5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), furfural) known as fermentation inhibitors in sugar hydrolysates obtained from supercritical water treatment of lignocellulosic biomass. For this aim, model hydrolysate was prepared, and removal rates of sugars or furan compounds depending on wood charcoal concentration and treatment time were calculated and analyzed in comparison with the case of activated carbon. 0.5, 1, 2, 4, 8, or 12% (w/v) of wood charcoal or activated carbon was loaded into the model hydrolysate, containing glucose, xylose, 5-HMF, and furfural, and treatment was conducted for 1, 3, 6, 12, or 24 h. After treatment, removal rates of 5-HMF and furfural gradually increased as wood charcoal concentration or treatment time increased, and over 95% of 5-HMF and furfural were removed at 8% of wood charcoal concentration and 3 h of treatment time, while the loss of sugars (< 2%) was hardly observed. On the other hand, in the case of activated carbon treatment, removal rates of 5-HMF and furfural were over 95% at mild condition (activated carbon concentration: 8%, treatment time: 1 h), but over 10% of glucose and xylose were removed. Therefore, considering sugar production and further process applied sugar, the wood charcoal treatment of sugar hydrolysate was more effective for removing furan compounds and maintaining the sugar yield.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 국내 전통방식에 의한 목탄 제조 시 발생되는 저급 목탄을 퓨란계 화합물 제거에 사용하여 경제적인 발효저해물질 제거공정을 위한 흡착제로서의 가능성을 확인하고자 하였다. 지금까지는 국내 공업용 탄화로에서 제조된 기계숯 및 전통식 탄화로에서 제조된 전통숯에 대해 그 기능성 분석(Lee and Kim, 2010)과 중금속(Jo et al.

제안 방법

, 2008)에 대한 흡착능 등이 보고된 바 있으나, 퓨란계 화합물에 대한 흡착제로서의 효능은 거의 연구되지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 목질계 바이오매스의 초임계수 처리 후 얻어진 당화액을 모델로 한 유사 당화액을 제조하고, 이를 목탄 투입량 및 시간에 따라 처리하여 퓨란계 화합물(5-HMF, 푸르푸랄) 제거율 및 당 손실을 계산해 활성탄의 경우와 비교분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 20년생 신갈나무의 초임계수 처리 후 당화액(이하 초임계수 처리 당화액)을 생산하여 화학적 조성을 분석하였고(Table 1), 이를 고려한 유사 당화액을 조제하여 목탄 처리 실험에 사용하였다. 유사 당화액은 증류수에 6탄당 및 5탄당의 각 대표물질인 글루코오스, 자일로오스(> 99%, Sigma-Aldrich Co.

데이터처리

1, SAS Institute, Cary, NC, USA)를 이용하여 통계학적 분석을 실시하였다. 모든 통계처리는 95% 신뢰도를 적용시켜 least significant difference (LSD) test를 실시하였고 각 실험군 간 차이에 대해 p < 0.05 수준에서 유의성을 분석하였다.

이론/모형

목탄의 비표면적은 ASAP 2010 (Micromeritics,Norcross, GA, USA)을 이용하여 질소 흡탈착 원리를 바탕으로 한 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방식으로 분석하였고, 공극 크기 및 분포는 BarrettJoyner-Halenda (BJH) 식에 의해 p/p₀ = 0.925 수준에서 측정되었다.

성능/효과

반면, 활성탄을 처리하였을 경우, 목탄보다 온화한 조건(활성탄 투입량: 8%, 처리 시간: 1시간)에서도 5-HMF 및 푸르푸랄 제거 효과가 우수하였으나, 당들 또한 10% 이상이 제거되었다. 따라서, 당 생산 및 추가적인 당 활용 공정을 고려할 때, 당화액 내 퓨란계 화합물 제거에 있어서 목탄을 이용하는 것이 보다 효과적인 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 바탕으로 당 및 퓨란계 화합물에 대한 목탄의 흡착능 차이를 구명하기 위한 후속 연구를 진행할 계획이며, 이러한 일련의 연구 결과들은 향후 액상 가수분해물의 당 분리 및 정제 공정에 적용 시, 효과적인 당 생산을 위한 기초자료로 활용 가능할 것이라 기대된다.
5%, 처리 시간: 1시간) 보다는 상대적으로 적었지만, 조건에 따라 최대 약 25% 정도의 당이 손실되었고 이는 당 생산 또는 추후 당을 활용하는데 부정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서, 활성탄와 유사하게 5-HMF 및 푸르푸랄을 90% 이상 제거함과 동시에 글루코오스 및 자일로오스의 함량을 일정 수준 유지할 수 있는 목탄 처리가 액상 내 퓨란계 화합물 제거에 적합한 것으로 사료된다.
본 연구에서는 유사 당화액을 제조하고 목탄을 처리하여 발효저해물질인 5-HMF 및 푸르푸랄에 대한 제거 효과를 확인하였고, 이를 활성탄 처리 결과와 비교하였다. 처리된 목탄은 활성탄에 비하여 비표면적 및 세공용적이 낮았으나, 목탄 투입량 및 처리 시간이 증가함에 따라 5-HMF 및 푸르푸랄 제거율이 급격히 증가하였고, 목탄 투입량 8%, 처리 시간 3시간 이상에서는 5-HMF, 푸르푸랄 모두 95% 이상 제거되었다. 이와 동시에 해당 조건에서 글루코오스 및 자일로오스 손실은 2% 이내로 대부분의 당이 유지되었다.

후속연구

따라서, 당 생산 및 추가적인 당 활용 공정을 고려할 때, 당화액 내 퓨란계 화합물 제거에 있어서 목탄을 이용하는 것이 보다 효과적인 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 바탕으로 당 및 퓨란계 화합물에 대한 목탄의 흡착능 차이를 구명하기 위한 후속 연구를 진행할 계획이며, 이러한 일련의 연구 결과들은 향후 액상 가수분해물의 당 분리 및 정제 공정에 적용 시, 효과적인 당 생산을 위한 기초자료로 활용 가능할 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대체 에너지원 중 바이오매스의 장점은?	, 2016). 대안으로 제시된 여러 가지 대체 에너지원 중, 특히 바이오매스는 수송용 연료 생산이 가능하다는 점 외에도 석유화학 소재를 대체할 수 있다는 강력한 장점을 가지고 있어 이를 활용한 많은 연구들이 진행 중이다(Park et al., 2012;Koo et al.
	목질계 바이오매스의 처리에서 추가적으로 생산되는 당 분해산물은 무엇인가?	, 2016). 이들 당 분해산물들은 선행연구를 통해 미생물의 발효를 저해하는 물질임이 보고되었으며(Rajan and Carrier, 2016), 따라서 순수한 당을 생산하거나 미생물을 이용한 2차 공정을 진행함에 있어서 제거⋅분리와 같은 선행 공정이 필요하다(Yucel and Aksu, 2015). 발효저해물질 중 일반적으로 액상 내 함량이 높은 퓨란계 화합물의 경우, 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural), 푸르푸랄 등을 제거하기 위한 다양한 처리 방법들이 시도되어 왔다.
	목질계 바이오매스에서 빠른 시간 내에 당을 생산하는 초임계수 당화 공정의 문제점은?	, 2016). 그러나 목질계 바이오매스의 처리 조건이 가혹해짐에 따라 당 뿐만 아니라 추가적으로 생성된 당 분해산물들도 액상 내에 잔류하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2011; Jeong et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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