[논문]탈지미세조류의 무효소 당화를 위한 마이크로파 전처리 조건 최적화

정현진; 민보라; 김승기; 조재민; 김진우

doi:10.9713/kcer.2018.56.2.229

탈지미세조류의 무효소 당화를 위한 마이크로파 전처리 조건 최적화
Optimization of Microwave-Assisted Pretreatment Conditions for Enzyme-free Hydrolysis of Lipid Extracted Microalgae 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.229 - 239

정현진 (선문대학교 식품과학과) , 민보라 (선문대학교 식품과학과) , 김승기 (선문대학교 식품과학과) , 조재민 (선문대학교 식품과학과) , 김진우 (선문대학교 식품과학과)

초록
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본 연구의 목적은 탈지미세조류(LEA) 세포벽 분해를 통한 바이오당 생산에 있어 당화효소 사용없이 마이크로파 전처리만을 이용하여 글루코오스와 자일로오스를 생산하는 것이다. LEA의 주성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 무효소 당화를 위해 산 가수분해 기반의 마이크로파 전처리 조건을 반응표면분석법을 이용하여 최적화하였다. 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정의 주요 변수는 마이크로파 출력(198~702 W), 전처리 시간(39~241 sec)와 황산 농도(0~0.1 mol)로 최적 조건 예측을 위해 중심합성계획법을 이용하여 2차 회귀함수를 도출하였다. 마이크로파 출력과 전처리 시간이 LEA로부터 육탄당(C6)과 오탄당(C5) 생산에 유의한 영향을 주는 변수이며 증가에 따라 육탄당과 오탄당 당화율이 증가하는 경향을 확인하였다. 육탄당과 오탄당 당화율 최대화를 위한 산 가수분해를 적용한 마이크로파 전처리 최적 조건은 마이크로파 출력 700 W, 전처리 시간 185.7 sec와 황산 0.48 mol으로 육탄당 당화율 92.7%와 오탄당 당화율 74.5%가 예측되었으며 확인 실험을 통해 육탄당 당화율 94.2%와 오탄당 당화율 70.8%가 확인되어 예측의 유효성을 확인할 수 있었다. 이는 LEA의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 당화를 위해 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리만을 이용한 무효소 당화 공정 적용과 $100^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도와 짧은 전처리 시간 적용을 가능하여 기존 전처리 대비 효과적인 공정 임을 입증했다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to effectively produce the biosugar from cell wall of lipid extracted microalgae (LEA) by using microwave-assisted pretreatment without enzymatic hydrolysis process. Response surface methodology (RSM) was applied to optimization of microwave-assisted pretreatment conditions for the production of biosugar based on enzyme-free process from LEA. Microwave power (198~702 W), extraction time (39~241 sec), and sulfuric acid (0~1.0 mol) were used as independent variables for central composite design (CCD) in order to predict optimum pretreatment conditions. It was noted that the pretreatment variables that affect the production of glucose (C6) and xylose (C5) significantly have been identified as the microwave power and extraction time. Additionally, the increase in microwave power and time had led to an increase in biosugar production. The superimposed contour plot for maximizing dependent variables showed the maximum C6 (hexose) and C5 (pentose) yields of 92.7 and 74.5% were estimated by the predicted model under pretreatment condition of 700 w, 185.7 sec, and 0.48 mol, and the yields of C6 and C5 were confirmed as 94.2 and 71.8% by experimental validation, respectively. This study showed that microwave-assisted pretreatment under low temperature below $100^{\circ}C$ with short pretreatment time was verified to be an effective enzyme free pretreatment process for the production of biosugar from LEA compared to conventional pretreatment methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바이오디젤 생산의 부산물인 LEA의 세포벽의 주성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 마이크로파 전처리를 이용하여 바이오당 생산이 가능한 무효소 당화공정을 개발함에 있다. 바이오당의 생산성 증대를 위하여 반응표면분석법을 이용한 LEA 의 무효소 전처리 공정의 특성을 모니터링 하여 최적의 전처리 조건을 예측하였을 때, 마이크로파를 이용한 무효소 전처리 공정에서 공정에 유의한 영향을 주는 변수가 마이크로파 출력과 전처리 시간임을 확인할 수 있었다.
LEA를 이용한 바이오당 생산 시, 리그닌을 선택적으로 분리하고 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 결정성을 효과적으로 감소시키기 위한 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리 공정을 도입함으로써 LEA 적합형 전처리 공정 개발이 가능할 것으로 보이며 이러한 마이크로파를 이용한 전처리 방법은 미세조류 전처리에 있어 일부 적용 된 사례가 있으나 무효소 당화 공정에 대한 연구 사례는 수행된 바가 없어 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정 개발의 필요성이 높다고 하겠다. 본 연구의 목적은 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리 공정만으로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 단당화를 진행하여 효소당화가 생략되는 무효소 전처리 공정을 개발하는 것이다. 이를 위해, 바이오당 생산의 효율을 높일 수 있는 마이크로파 전처리법을 도입하고, 전처리 주요 인자인 전처리 시간, 마이크로파 출력과 황산 용액 농도를 최적화하여 상업화에 적용이 가능한 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정을 제안함에 있다.

제안 방법

LEA의 무기질 조성은 주사전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, MAIA3, TESCAN, Czech)을이용하여 입자형상과 표면을 관찰하였으며 에너지 분산형 분광기(EDS: Energy Dispersive Spectroscopy, X-MaxN, Oxford instruments, UK)를 사용하여 물질 조성을 분석하였다. SEM/EDS 측정에 적합하도록 분말형태의 건조 된 LEA 시료를 알루미늄 원판 위에 carbon tape를 이용하여 고정시켰으며 입자 형태로 샘플을 선별하여 EDS분석 컴퓨터 프로그 램인(AZtecEnergy, Oxford instruments, UK)을 사용하여 분석하였다.
LEA의 무기질 조성은 주사전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, MAIA3, TESCAN, Czech)을이용하여 입자형상과 표면을 관찰하였으며 에너지 분산형 분광기(EDS: Energy Dispersive Spectroscopy, X-MaxN, Oxford instruments, UK)를 사용하여 물질 조성을 분석하였다. SEM/EDS 측정에 적합하도록 분말형태의 건조 된 LEA 시료를 알루미늄 원판 위에 carbon tape를 이용하여 고정시켰으며 입자 형태로 샘플을 선별하여 EDS분석 컴퓨터 프로그 램인(AZtecEnergy, Oxford instruments, UK)을 사용하여 분석하였다.
가수분해 결과물을 칼슘카보 네이트(CaCo3)로 중화하고 8,000 rpm에서 5분간 원심분리(Varispin 15, Hanil science, Korea)하여 상등액을 취하고 0.2 μm 실린지 필터로 여과한 후, HPLC를 이용한 당 분석(Waters 1525, Waters Co., USA)에 사용하였다.
9에 나타내었다. 각 육탄당과 오탄당의 독립 최적조건으로 도출된 최대값의 반응표면을 중복시켜 공통되는 부분의 독립변수의 범위를 최적 전처리 조건 범위로 결정하였다. LEA로부터 육탄당(당화율 80~100%)과 오탄당(당화율 70~85%) 생산을 만족하는 마이크로파 전처리 조건은 출력 639~700 W와 전 처리 시간 186~202 sec로 나타났으며 이로부터 예상되는 최적 전처리 조건은 출력 700 W, 전처리 시간 185.
, X₂), 황산 농도(0~1 mol, X₃)를 중 심 3반복 실험을 포함한 17개 조건에서 전처리 실험을 실시하였다 (Table 1). 또한 3개의 독립변수에 의해 영향을 받는 종속변수(Y)를 잔류 고체 비율, 육탄당과 오탄당 당화율로 설정하여 아래와 같은 회귀분석을 이용하여 전처리 조건 최적화를 진행하였다.
특히 마이크로파를 이용한 건조에 있어 기존의 가열법에 비해 공정 시간이 1/2~1/100로 획기적인 단축이 가능하다고 알려져 있다[30]. 마이크로파를 이용한 LEA로부터 바이오당 생산을 최대화하기 위한 전처리 조건 도출을 위해, 황산을 이용한 약산 전처리에 영향을 미치는 주요변수를 반 응표면분석법을 사용하여 최적화하였다. 마이크로파 전처리 시 주요변수와 실험 구간 설정은 예비 실험 결과를 통해 선정하였다.
마이크로파를 이용한 전처리를 위해 건조 LEA 2g과 전처리 조건에 따라 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8과 1 mol 황산 용액 20 ml를 혼합하여 고압 용기인 pressure vessel (XF100, Anton-Paar, Austria)에 넣고 전처리 조건에 따라 출력과 시간을 변화시켜 마이크로파 장치인 Anton Paar microwave (Multiwave 3000, Anton Paar, Austria)에서 전처리를 진행하였다. 전처리 후, 원심분리 하여 상등액 회수하여 필요에 따라 칼슘카보네이트(CaCo₃)로 중화시켜 당 성분 분석에 사용하였다.
마이크로파를 이용한 최적 전처리조건을 도출하기 위해 LEA로 부터 전처리를통해생산되는육탄당과오탄당 당화율의 반응표면을 superimposing 하여 Fig. 9에 나타내었다. 각 육탄당과 오탄당의 독립 최적조건으로 도출된 최대값의 반응표면을 중복시켜 공통되는 부분의 독립변수의 범위를 최적 전처리 조건 범위로 결정하였다.
위의 2차 회귀식을 기반으로 3가지 종속변수에 대한 전처리 특성의 모니터링과 최적조건범위와 최대 생산 농도 예측을 각 변수의 3차원 그래프와 contour 그래프의 중첩(superimposing)을 이용하여 진행하였다.
잔류고체량, 육탄당과 오탄당 당화율에 미치는 전처리 조건의 상호영향을 평가하고자 반응표면법을 이용하여 두 인자 간의 영향을 평가하였다. Fig.
8과 1 mol 황산 용액 20 ml를 혼합하여 고압 용기인 pressure vessel (XF100, Anton-Paar, Austria)에 넣고 전처리 조건에 따라 출력과 시간을 변화시켜 마이크로파 장치인 Anton Paar microwave (Multiwave 3000, Anton Paar, Austria)에서 전처리를 진행하였다. 전처리 후, 원심분리 하여 상등액 회수하여 필요에 따라 칼슘카보네이트(CaCo₃)로 중화시켜 당 성분 분석에 사용하였다.
, USA)를 사용하였고, 검출기 온도는 60 ^oC로 설정하였다. 주요 바이오매스를 구성하는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 당화 결과물인 글루코오스, 자일로오스, 만노스와 아라비노스의 정량은 Aminex Column (HPX-87H, Bio-Red Inc., USA)을 사용하였고 컬럼의 온도는 60 ^oC로 설정하였다.
본 실험에서는 LEA 세포벽의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로부터 분해된 바이오당인 글루코오스와 자일로오스 생산을 최대로 하는 최적 전처리 조건을 결정하기 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 사용하였다[26]. 중심합성계획법을 이용하여 전처리 조건에 대한 실험 계획을 진행하기 위해 Design Expert 8.0 (Stat-Ease, Inc., USA)을 이용한 계산과정을 통해 전처 리 공정에서 중요한 변수임이 확인된 마이크로파 출력(200~600 W, X₁), 전처리 시간(20~80 sec., X₂), 황산 농도(0~1 mol, X₃)를 중 심 3반복 실험을 포함한 17개 조건에서 전처리 실험을 실시하였다 (Table 1). 또한 3개의 독립변수에 의해 영향을 받는 종속변수(Y)를 잔류 고체 비율, 육탄당과 오탄당 당화율로 설정하여 아래와 같은 회귀분석을 이용하여 전처리 조건 최적화를 진행하였다.
탈지미세로류로부터 마이크로파를 이용한 오탄당과 육탄당생산에 있어 마이크로파 출력과 황산농도의 영향을 확인하기 위해 마이크 로파 출력을 140 W로 고정하여 상관관계를 살펴보았다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 미세조류는 인하대학교 해양바이오연구센터 실내 배양장에서 배양된 Tetraselmis KCTC 12236BP의 헥산:메탄 올=7:3(v/v) 추출을 이용한 탈지공정을 완료하고 잔류한 탈지미세 조류를 제공받아 −20 oC 냉동 보관하여 전처리 실험의 시료로 사용하였다.
시료로 사용 직전에 60 ^oC 열풍건조기(FC-49, Lab house, Korea)에 넣어 잔류 수분을 제거하여 건조 무게 변화가 없을 때까지 건조하여 시료로 사용하였다. 전처리 용매는 1차 증류수와 SigmaAldrich 사(Sigma, St. Louis, MO, USA)와 Samchun Pure Chemical 사(Seoul, Korea)의 순도 95~98% 황산을 희석하여 사용하였다.

데이터처리

또한 반응표면분석법을 이용한 공정조건 최적화에서 종속변수인 잔고체량과 바이오당(육탄당, 오탄당) 생산에 미치는 독립변수인 마이크로파 출력, 전처리 시간 및 황산농도의 영향을 중심합성계획 법에 의한 17개 조건을 이용하여 평가하였다(Table 3). 실험에 적용된 전처리 조건에 따른 결과값의 통계적인 유의성 ANOVA로 평가하였고, 2차 회귀방정식 도출을 위해 유의성이 인정되는 변수만을 채택하여 각 종속변수별 모델을 설정한 후 반응표면분석법에 의해 최적조건을 탐색하였다. 독립변수 X₁(마이크로파 출력), X₂(전처리 시간)와 X₃(황산농도)에대한 종속변수 Y₁(잔류고체), Y₂ (육탄당)와 Y₃(오탄당)을 포함하는 2차회귀방정식은 아래와 같다(Table 4).

이론/모형

각 당 성분의 함량은 미국 신재생에너지연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory)의 표준 분석법(NREL Laboratory Analytical Procedures)에 따라 분석하였다[23,24]. 건조 LEA 0.
마이크로파 전처리 시 주요변수와 실험 구간 설정은 예비 실험 결과를 통해 선정하였다. 또한 반응표면분석법을 이용한 공정조건 최적화에서 종속변수인 잔고체량과 바이오당(육탄당, 오탄당) 생산에 미치는 독립변수인 마이크로파 출력, 전처리 시간 및 황산농도의 영향을 중심합성계획 법에 의한 17개 조건을 이용하여 평가하였다(Table 3). 실험에 적용된 전처리 조건에 따른 결과값의 통계적인 유의성 ANOVA로 평가하였고, 2차 회귀방정식 도출을 위해 유의성이 인정되는 변수만을 채택하여 각 종속변수별 모델을 설정한 후 반응표면분석법에 의해 최적조건을 탐색하였다.
본 실험에서는 LEA 세포벽의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로부터 분해된 바이오당인 글루코오스와 자일로오스 생산을 최대로 하는 최적 전처리 조건을 결정하기 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 사용하였다[26]. 중심합성계획법을 이용하여 전처리 조건에 대한 실험 계획을 진행하기 위해 Design Expert 8.
1%를 차지하고 있었다. 회분을 구성하는 무기물질을 평가를 위해 SEM/EDS법을 사용하였으며 분석결과를 (Fig. 1)에 나타냈다. 결과에서 나타난 칼슘과 산소의 상대 함량이 64.

성능/효과

5 mol로 고정하여 전처리를 진행할 경우 잔류고체량에 미치는 마이크로파 출력과 전처리시간의 영향을 나타낸다. Fig. 4-A에서 보는 바와 같이, 잔류고체량은 마이크로파의 출력이 낮고 전처리 시간이 짧을 때 60.2%로 감소폭이 크지 않았으나, 출력과 전처리 시간이 증가함에 따라 잔류고체량이 급속히 감소하여 572 W과 224 sec 이상 조건에서 전처리 후 잔류하는 고체가 없는 결과를 보였다. 이는 LEA 고체성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 높은 출력과 긴 전처리 조건에서 빠르게 단당화되어 당화액으로 이동되기 때문에 잔류 고체가 0%에 가까운 결과를 보였다.
HMF로 미량 분해 됨을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 반면, 프르프럴의 생산은 확인되지 않았는데 이는 자일로스로부터 생산된 프르프럴이 분해과정을 거쳐 유기산(말릭산, 개미산 등)등으로 분해되는 과정을 거쳐 중간 산물인 프르프럴의 농도가 낮아졌기 때문으로 예상된다.
각 육탄당과 오탄당의 독립 최적조건으로 도출된 최대값의 반응표면을 중복시켜 공통되는 부분의 독립변수의 범위를 최적 전처리 조건 범위로 결정하였다. LEA로부터 육탄당(당화율 80~100%)과 오탄당(당화율 70~85%) 생산을 만족하는 마이크로파 전처리 조건은 출력 639~700 W와 전 처리 시간 186~202 sec로 나타났으며 이로부터 예상되는 최적 전처리 조건은 출력 700 W, 전처리 시간 185.7 sec와 황산 0.48 mol로 최대 육탄당 당화율 92.7%와 오탄당 당화율 74.5%가 예측되었다. 예측된 최적 조건의 검증을 위해 위의 조건에서 마이크로파 전처리 실험을 수행하였을 때, 육탄당 당화율 94.
그러므로 목질계 바이오매스로부터 바이오당 생산을 위해서는 리그닌을 제거하여 효소의 접근성을 향상시키는 동시에 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 부분적으로 분해시켜 효소에 의한 당화를 용이하게 하는 전처리 과정이 필수적이다[29]. LEA의 경우 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 함량이 각각 10.7%와 5.5%로 목질계 대비 1/2~1/3 수준임을 확인할 수 있었다. 또한, LEA의 리그닌 함량이 0.
4%로 매우 낮은 것을 알 수 있는데 바이오디젤 추출 공정 중 탈지를 위해 사용된 벤젠과 같은 유기용매에 의해 소수성 성분인 리그닌이 대부분 제거되었기 때문이라 예상할 수 있었다. LEA의 셀룰로오스와 헤미셀룰로 오스 함량이 낮아 바이오당 생산 시 목질계 바이오매스 대비 바이오당 생산량이 낮을 것으로 보이나 낮은 리그닌 함량으로 세포벽의 강건도가 떨어져 당화가 용이한 장점을 지닌다. 낮은 리그닌 함량은 전처리-당화 공정의 단순화를 가능케하여 전처리만으로 바이오당을 생산하는 무효소 당화 공정 구성이 가능할 수 있다.
NREL 표준분석법으로 측정한 LEA의 구성성분은 10.8%의 셀룰로오스, 5.5%의 헤미셀룰로오스로와 리그닌 0.4%로 구성되어 있었으며 단백질 22.1%, 회분이 34.1%를 차지하고 있었다. 회분을 구성하는 무기물질을 평가를 위해 SEM/EDS법을 사용하였으며 분석결과를 (Fig.
1)에 나타냈다. 결과에서 나타난 칼슘과 산소의 상대 함량이 64.6%와 16.4%를 차지하였으며 N, S와 Ca 순으로 함량 비율을 보였다(Table 2). 칼슘 함량이 높은 것은 미세조류를 포함한 해조류가 광합성에 필요한 탄소를 탄산칼슘 형태로 저장함에 기인한다고 예상할 수 있으며, 산소 비율이 높은 것은 산소가 무기질인 규소와 칼슘과 결합하여 이산화규소와 산화칼슘 형태로 고정되어 각각 존재하기 때문이라 보고되고 있다[27,28].
이는 황산농도 증가에 따라 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 가수 분해가 촉진되어 오탄당과 육탄당의 당화율이 증가하나 일정 농도 이상에서 생산된 당은 과분해로 인해 프르프럴(furfural)과 HMF (Hydromethylfurfural)로 전환 되어 오탄당과 육탄당의 농도가 감소한다고 볼 수 있었다[33,34]. 동일 조건에서 육탄당과 오탄당의 당화율을 비교했을 때 육탄당의 당화율이 60.2%로 오탄당의 당화율 53.9%에 비해 높음을 확인할 수 있는데 이는 마이크로파를 이용한 전처리에 있어 셀룰로오스가 헤미셀룰로오스에 비해 분해가 용이해 육탄당의 당화율이 높다고 볼 수 있었다. 하지만 일반적으로 산을 이용한 전처리에 있어 헤미셀룰로오스의 단당화 결과물인 자일로오스의 과분해가 발생하여 프르프럴 생산에 의해 당화율이 감소할 가능성도 함께 예상할 수 있었다.
이는 마이크로파를 이용한 바이오당 산당화에 있어 출력과 전처리 시간이 충분치 않을 때 바이오매스에 전달된 에너지의 총량이 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 β-1,4 결합 분해에 충분하지 못한 것으로 판단된다. 또한 마이크로파 출력과 시간의 증가에 따라 세포벽의 리그노셀룰로오스 내부의 분자 운동의 증가에 따라 열 발생량이 증가하여 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 가수분해가 가속화되었음을 예상할 수 있다. 본 실험에서 확인된 바와 같이, LEA의 마이크로파를 이용한 당화 시 산당화만으로도 육탄당 95.
마이크로파를 이용한 LEA의 무효소 전처리로 생산된 바이오당을 활용하여 바이오연료 및 바이오케미칼을 생산할 수 있으며, 이를 통해 부산물 부가가치를 확보하고 미세조류 바이오디젤의 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 보인다. 또한 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정 개발을 통해 LEA 이외에 미세조류 및 거대조류에 적용이 가능한 기술로 기존 목질계 대비보다 효과적이고 경제적인 바이오당 생산이 가능함을 확인하였다.
5%로 목질계 대비 1/2~1/3 수준임을 확인할 수 있었다. 또한, LEA의 리그닌 함량이 0.4%로 매우 낮은 것을 알 수 있는데 바이오디젤 추출 공정 중 탈지를 위해 사용된 벤젠과 같은 유기용매에 의해 소수성 성분인 리그닌이 대부분 제거되었기 때문이라 예상할 수 있었다. LEA의 셀룰로오스와 헤미셀룰로 오스 함량이 낮아 바이오당 생산 시 목질계 바이오매스 대비 바이오당 생산량이 낮을 것으로 보이나 낮은 리그닌 함량으로 세포벽의 강건도가 떨어져 당화가 용이한 장점을 지닌다.
이는 산을 이용한 전처리에 있어 바이오매스의 주요성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌의 가수분해로 육탄당과 오탄당이 분해되어 액체상으로 이동함에 따라 바이오매스의 질량이 감소한 것으로 보인다. 마이크로파와 전처리 시간 증가에 따라 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 분해 증가에 따라 단당화가 가속되어 잔류고체량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 전처리 조건이 고온이고 시간이 길어짐에 따라 세포벽 구성 성분의 저분자화 진행 속도가 증가되며 이에 따라 잔류 고체량이 감소한다는 기존의 연구 내용과 일치한다[32].
바이오당의 생산성 증대를 위하여 반응표면분석법을 이용한 LEA 의 무효소 전처리 공정의 특성을 모니터링 하여 최적의 전처리 조건을 예측하였을 때, 마이크로파를 이용한 무효소 전처리 공정에서 공정에 유의한 영향을 주는 변수가 마이크로파 출력과 전처리 시간임을 확인할 수 있었다. 목질계와 달리 LEA는 마이크로파 전처리만을 적용하여 높은 당화율(육탄당 94.2%, 오탄당 70.8%)을 확보할 수 있었다. 마이크로파를 이용한 LEA의 무효소 전처리로 생산된 바이오당을 활용하여 바이오연료 및 바이오케미칼을 생산할 수 있으며, 이를 통해 부산물 부가가치를 확보하고 미세조류 바이오디젤의 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 바이오디젤 생산의 부산물인 LEA의 세포벽의 주성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 마이크로파 전처리를 이용하여 바이오당 생산이 가능한 무효소 당화공정을 개발함에 있다. 바이오당의 생산성 증대를 위하여 반응표면분석법을 이용한 LEA 의 무효소 전처리 공정의 특성을 모니터링 하여 최적의 전처리 조건을 예측하였을 때, 마이크로파를 이용한 무효소 전처리 공정에서 공정에 유의한 영향을 주는 변수가 마이크로파 출력과 전처리 시간임을 확인할 수 있었다. 목질계와 달리 LEA는 마이크로파 전처리만을 적용하여 높은 당화율(육탄당 94.
3%로매우낮았다. 반면두변수의증가에따라 오탄당 당화율이 빠르게 증가하여 최대 당화율인 74.8%를 확보할 수 있었다(Fig. 5-A). 육탄당 당화에 있어서도 오탄당과 유사한 결과를 보였는데, 출력과 전처리 시간의 조합이 300 W와 40 sec 조건인 상태에서 육탄당 당화율이 7.
또한 마이크로파 출력과 시간의 증가에 따라 세포벽의 리그노셀룰로오스 내부의 분자 운동의 증가에 따라 열 발생량이 증가하여 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 가수분해가 가속화되었음을 예상할 수 있다. 본 실험에서 확인된 바와 같이, LEA의 마이크로파를 이용한 당화 시 산당화만으로도 육탄당 95.4%와 오탄당 74.8%의 높은 당화율을 얻을 수 있어 효소당 화가 필요 없는 무효소 당화 공정 구성이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다.
5%가 예측되었다. 예측된 최적 조건의 검증을 위해 위의 조건에서 마이크로파 전처리 실험을 수행하였을 때, 육탄당 당화율 94.2%와 오탄당 당화율 70.8%를 실험값으로 확인할 수 있어 2차 회귀함수에 의한 최적화와 예측이 유효함을 확인할 수 있었다.
6-B에 나타낸 바와 같이 출력과 산농도에 따른 오탄당과 육탄당의 당화율 경향은 매우 유사한 것으로 보이나 육탄당 당화율이 보다 높은 것으로 보이며, 황산농도보다는 출력에 보다 민감하게 변화하는 것을 알 수 있다. 오탄당과 육탄당 모두에서 출력 증가에 따라 당화율이 증가함을 확인할 수 있으나 황산 농도 변화에 따른 당화율의 변화는 완만한 곡선 형태를 보이며 황산 0.5~0.8 mol 부근에서 최대값을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 황산농도 증가에 따라 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 가수 분해가 촉진되어 오탄당과 육탄당의 당화율이 증가하나 일정 농도 이상에서 생산된 당은 과분해로 인해 프르프럴(furfural)과 HMF (Hydromethylfurfural)로 전환 되어 오탄당과 육탄당의 농도가 감소한다고 볼 수 있었다[33,34].
5-A). 육탄당 당화에 있어서도 오탄당과 유사한 결과를 보였는데, 출력과 전처리 시간의 조합이 300 W와 40 sec 조건인 상태에서 육탄당 당화율이 7.3%로 매우 낮았으며, 출력과 시간의 증가에 따라 당화율이 급격하게 증가하여 최대 95.4%에 도달 하였다(Fig. 5-B). 이는 셀룰로오스 분해를 통한 육탄당 생산 시, 마이크로파와 전처리 시간의 증가에 따른 상승효과가 크기 때문에 효과적인 당화를 위해서는 두 변수의 동시 증가가 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.
3-A). 육탄당과 오탄당 당화의 경우 Fig. 3-B와 3-C에서 보는 바와 같이 출력과 시간에 따라 당화율이 비례하여 증가하는 경향을 보이며 출력이 시간에 비해 더 큰 영향이 있음을 확인할 수 있었다. 이는 산을 이용한 전처리에 있어 바이오매스의 주요성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌의 가수분해로 육탄당과 오탄당이 분해되어 액체상으로 이동함에 따라 바이오매스의 질량이 감소한 것으로 보인다.
5-B). 이는 셀룰로오스 분해를 통한 육탄당 생산 시, 마이크로파와 전처리 시간의 증가에 따른 상승효과가 크기 때문에 효과적인 당화를 위해서는 두 변수의 동시 증가가 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 이는 마이크로파를 이용한 바이오당 산당화에 있어 출력과 전처리 시간이 충분치 않을 때 바이오매스에 전달된 에너지의 총량이 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 β-1,4 결합 분해에 충분하지 못한 것으로 판단된다.
이는 LEA 고체성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 높은 출력과 긴 전처리 조건에서 빠르게 단당화되어 당화액으로 이동되기 때문에 잔류 고체가 0%에 가까운 결과를 보였다. 잔류고체량 변화에 황산 농도가 미치는 영향을 평가하였을 때, 황산농도는 출력과 시간의 상호작용에 있어서도 잔류고체량 감소에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다(Fig. 4-B, Fig. 4-C). 이는 LEA의 탈지과정에서 황산과 유기용매를 이용한 추출이 선행되어 황산에 의한 세포벽 분해가 수행되었던 이유로 전처리 과정에서 첨가한 황산에 의한 추가적인 세포벽 분해 효과가 크지 않은 것을 알 수 있다.
이는 상기와 같은 조건에서 LEA 세포벽의 리그노셀룰로오스의 분해가 많아 LEA 고체성분의 손실이 많았다는 결과를 보였다(Table 3). 잔류고체량에 있어 출력과 전처리 시간이 잔류고체량에 미치는 영향이 매우 유의함(p=0.0013)을 알 수 있었으나 황산농도의 영향은 유의하지 않은 것으로 평가 되었다(p=0.4176). 육탄당과 오탄당 당화율에 있어 유의성이 인정 되지 않는 X² 2과 X¹ 2의 영향을 2차 회귀함수에서 제외하였을 때, 육탄당의 마이크로파 출력과 전처리 시간의 F값이 각각 13.
Table 5의 ANOVA표에서 나타내는 바와 같이 p와 F값은 각 계수의 유의성과 모델의 적합성을 판단하는 지표로 사용된다[31]. 잔류고체에 미치는 독립변수의 영향 평가를 하였을 때, 마이크로파 출력 450 W, 전처리 시간 240 sec과 황산농도 0.5 mol에서 가장 낮은 잔류고체량인 10.3%를 보였다. 이는 상기와 같은 조건에서 LEA 세포벽의 리그노셀룰로오스의 분해가 많아 LEA 고체성분의 손실이 많았다는 결과를 보였다(Table 3).
중심합성계획법에 의해 도출된 2차회귀 방정식의 1차항의 계수를 비교하면, 육탄당과 오탄당 당화율의 출력(X1)과 전처리 시간(X2)의 계수가 모두 양수임을 감안할 때 바이오당 생산은 출력과 전처리 시간이 증가함에 따라 비례하여 유의하 게 증가함(p<0.05)을 예상할 수 있었으며, 잔류고체량은 음의 계수를 가져 두 개의 독립변수 증가에 따라 유의하게 감소한다는 함을 확인할 수 있었다(p<0.05).

후속연구

LEA를 이용한 바이오당 생산 시, 리그닌을 선택적으로 분리하고 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 결정성을 효과적으로 감소시키기 위한 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리 공정을 도입함으로써 LEA 적합형 전처리 공정 개발이 가능할 것으로 보이며 이러한 마이크로파를 이용한 전처리 방법은 미세조류 전처리에 있어 일부 적용 된 사례가 있으나 무효소 당화 공정에 대한 연구 사례는 수행된 바가 없어 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정 개발의 필요성이 높다고 하겠다. 본 연구의 목적은 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리 공정만으로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 단당화를 진행하여 효소당화가 생략되는 무효소 전처리 공정을 개발하는 것이다.
8%)을 확보할 수 있었다. 마이크로파를 이용한 LEA의 무효소 전처리로 생산된 바이오당을 활용하여 바이오연료 및 바이오케미칼을 생산할 수 있으며, 이를 통해 부산물 부가가치를 확보하고 미세조류 바이오디젤의 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 보인다. 또한 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정 개발을 통해 LEA 이외에 미세조류 및 거대조류에 적용이 가능한 기술로 기존 목질계 대비보다 효과적이고 경제적인 바이오당 생산이 가능함을 확인하였다.
본 연구의 목적은 산 가수분해 적용 마이크로파 전처리 공정만으로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 단당화를 진행하여 효소당화가 생략되는 무효소 전처리 공정을 개발하는 것이다. 이를 위해, 바이오당 생산의 효율을 높일 수 있는 마이크로파 전처리법을 도입하고, 전처리 주요 인자인 전처리 시간, 마이크로파 출력과 황산 용액 농도를 최적화하여 상업화에 적용이 가능한 마이크로파를 이용한 무효소 당화 공정을 제안함에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오연료의 장점은 무엇인가?	화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지는 수력, 풍력, 태양력 그리고 바이오연료 등이 있다. 이 중 바이오연료는 광합성으로 생산된 바이오매스를 분해, 추출, 발효를 통해 생산되는 신재생 에너지로, 화석연료와 달리 바이오연료는 연소 과정 중 생산되는 이산화탄소가 광합성 과정에서 재흡수 되기 때문에, 전주기적 관점에서 보면 탄소 중립을 이룰 수 있다는 장점이 있다[4,5]. 그중에서 도 바이오디젤과 바이오알코올(에탄올과 부탄올)은 대형 운송수단의 연료인 경유와 휘발유를 대체할 수 있는 대안으로 인식되고 있다[6].
	화석연로를 대체할 수 있는 신재생 에너지에는 무엇이 있는가?	따라서 재생 가능한 자원을 이용한 탄소 중립적인 신재생 에너지 개발을 통해 화석연료에 대한 의존도를 낮추기 위한 노력이 심도 있게 진행되고 있다[2,3]. 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지는 수력, 풍력, 태양력 그리고 바이오연료 등이 있다. 이 중 바이오연료는 광합성으로 생산된 바이오매스를 분해, 추출, 발효를 통해 생산되는 신재생 에너지로, 화석연료와 달리 바이오연료는 연소 과정 중 생산되는 이산화탄소가 광합성 과정에서 재흡수 되기 때문에, 전주기적 관점에서 보면 탄소 중립을 이룰 수 있다는 장점이 있다[4,5].
	3세대 바이오매스는 어떻게 구분되는가?	3세대바이오매스인해조류의대부분은식물플랑크톤이라불리는 미세조류(microalgae)와 다세포성 거대조류(macroalgae)로 나뉘는 데, 그 중 미세조류는 이산화탄소 고정 능력이 뛰어나고, 단위 면적 당 지질 생산량이 콩과 같은 기존 식용 자원에 비해 50~100배 이상 높으며 배양 조건에 따라 생체 내에 지질을 최대 70%까지 축적할 수 있다[12]. LEA는 미세조류로부터 바이오디젤을 생산 후, 부산물로 발생하는 유기물로 소량의 잔류 지질 외에 세포벽으로 구성되어 있어 2세대 목질계 바이오매스와 구조적으로 유사한 특징을 가지나 리그닌 함량이 낮다는 특이점이 있다.

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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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