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가설 설정
- *Chemical time is a flow-through process time.
제안 방법
- 검출기는 Waters 410 RI Detector (Refractive Index)를 사용하였고 검출기의 온도는 50 oC로 설정하였다. HPLC에 사용된 컬럼은 Biolad사의 Aminex HPX-87H Column을 사용하였고 컬럼의 온도는 60 ℃로 설정하여 분석했다.
- Table 4는 물리적 전처리를 선행한 뒤 화학적 전처리를 한 결과를 나타내었다. 건조된 바이오매스가 마멸분쇄를 거치게 되면 반응온도 조절이 쉽지 않을 뿐만 아니라 구조적인 변성이 일어날 가능성이 있기에 침지 전처리를 한 바이오매스를 주입했다. 침지 전처리는 30 wt% 에탄올을 이용하여 상온(25oC)에서 24시간 동안 진행했다.
- 6 ml/min의 유속으로 운전하였다. 검출기는 Waters 410 RI Detector (Refractive Index)를 사용하였고 검출기의 온도는 50 oC로 설정하였다. HPLC에 사용된 컬럼은 Biolad사의 Aminex HPX-87H Column을 사용하였고 컬럼의 온도는 60 옥수수대의 에탄올 전처리 특성을 알아보았고 효소당화율을 향상시킬 수 있는 조건을 확립하였다. 또한 화학적 전처리와 물리적 전처리의 연계를 통해 공정비용을 저감시키고자 하였으며, 불필요한 공정을 최소화하여 공정시간을 단축시키려고 했다.
- 물리적 전처리는 마멸분쇄(attrition mill)를 이용하였다. 마멸분쇄기는 한국세라믹기술원에서 보유하고 있는 장비를 사용하였으며 직경 10 mm의 알루미나 볼(alumina ball)을 이용하여 바이오매스와 원활한 접촉을 이루도록 하였다.
- 연계형 전처리의 결과는 물리적 전처리와 화학적 전처리를 각각 독립적으로 한 바이오매스와 비교하였다. 물리적 전처리는 침지 전처리와 같은 온도, 농도 조건으로 진행했고 운전시간을 30~90분으로 설정하여진행하였다. 화학적전처리는 170oC에서 30 wt% 에탄올을 이용해 20분 동안 진행되었으며 연계형 전처리는 화학적 전처리를 거친 바이오매스를 건조과정 없이 주입하여 30~90분 동안 수행되었다.
- 본 연구에서는 효율적인 전처리 공정 구축과 에너지 비용 저감을 위해 오르가노솔브를 이용하여 침출식 반응기로 전처리를 수행했다. 바이오매스로는 옥수수대를 이용하였고 효소당화를 통해 전처리 효율을 평가하였다. 옥수수대의 에탄올 전처리 특성을 알아보았고 효소당화율을 향상시킬 수 있는 조건을 확립하였다.
- 반응온도를비교해보고자 60 wt% 농도의에탄올을이용하여 60분 동안 전처리를 진행했을 때 온도범위를 150~190oC로 설정해 비교해보았다. 글루칸의 함량은 27.
- 본 연구에서는 효율적인 전처리 공정 구축과 에너지 비용 저감을 위해 오르가노솔브를 이용하여 침출식 반응기로 전처리를 수행했다. 바이오매스로는 옥수수대를 이용하였고 효소당화를 통해 전처리 효율을 평가하였다.
- 침지전처리를거친 바이오매스는 건조 과정 없이 마멸 분쇄기에 주입되었으며 30~90분 동안 운전하여 전처리를 진행하였다. 연계형 전처리는 물리적 전처리와 화학적 전처리의 순서를 바꿔가며 진행했다. 물리적 전처리를 선행하는 경우 침지 전처리 후 물리적 전처리를 거친 뒤 170oC에서 30 wt%에탄올을 이용하여 20분 동안 화학적 전처리를 수행했고, 화학적 전처리를 선행하는 경우 170 연계형 전처리는 화학적 전처리인 침출식 전처리와 물리적 전처리인 마멸 분쇄를 이용하여 순서를 바꿔가며 진행하였다. Table 3에서는 1차적으로 화학적 전처리를 한 뒤 물리적 전처리를 진행한 결과이며, 1차 전처리인 침출식 전처리에 대한 결과와 비교하였다.
- 바이오매스로는 옥수수대를 이용하였고 효소당화를 통해 전처리 효율을 평가하였다. 옥수수대의 에탄올 전처리 특성을 알아보았고 효소당화율을 향상시킬 수 있는 조건을 확립하였다. 또한 화학적 전처리와 물리적 전처리의 연계를 통해 공정비용을 저감시키고자 하였으며, 불필요한 공정을 최소화하여 공정시간을 단축시키려고 했다.
- 3333px;">℃의 진탕배양기(shaking incubator) 내에서 150 rpm의 혼합속도로 72시간동안 효소당화를 수행하였다. 이후 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 HPLC (Waters Co., LTD, USA)로 분석하였다. 분석된 글루코오스농도(g/L)를 이용한 효소당화율(%; 각 기질의 셀룰로오스 함량 기준)은 다음과 같이 정의 된다.
- 3333px;">℃의온도 범위 내에서 20~60분 동안 진행되었다. 전처리 후 획득한 바이오매스에 대해서는 세척 과정 없이 48시간 동안 45 oC 오븐에서 건조한 뒤 당(sugar)과 리그닌에 대한 성분분석을 진행하였고, 효소 당화를 통해 전처리 효과를 평가하였다.
- 전처리를 수행한 바이오매스의 당과 리그닌에 대한 성분분석은 미국신재생에너지연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory)에서 제시한 NREL Procedures LAP-002와 LAP-003에 제시된 방법으로 진행하였다[6,7]. 전처리가 수행된 바이오매스와 효소당화액은 HPLC (Waters Co., USA)로분석하였고, 이때 5 mM의 황산용액을 이동상으로 하여 0.6 ml/min의 유속으로 운전하였다. 검출기는 Waters 410 RI Detector (Refractive Index)를 사용하였고 검출기의 온도는 50 oC로 설정하였다.
- 조건으로 전처리 된 바이오매스의 효소당화율을 알아보기 위하여 전처리를 거친 바이오매스와 비교군으로 사용된 α-cellulose 및 Whatman No.1, 그리고 전처리를 수행하지 않은 바이오매스를 이용하여 250 ml 삼각플라스크(Erlenmeyer flask)에서 효소당화를 수행하였다.
- 침지 전처리는 30 wt% 농도의 에탄올을 이용하여 1 : 7 (w/v)의 고-액비로 상온에서 24시간 동안 진행되었다. 침지전처리를거친 바이오매스는 건조 과정 없이 마멸 분쇄기에 주입되었으며 30~90분 동안 운전하여 전처리를 진행하였다. 연계형 전처리는 물리적 전처리와 화학적 전처리의 순서를 바꿔가며 진행했다.
- 물리적 전처리는 침지 전처리와 같은 온도, 농도 조건으로 진행했고 운전시간을 30~90분으로 설정하여진행하였다. 화학적전처리는 170oC에서 30 wt% 에탄올을 이용해 20분 동안 진행되었으며 연계형 전처리는 화학적 전처리를 거친 바이오매스를 건조과정 없이 주입하여 30~90분 동안 수행되었다. 30 wt% 에탄올에 의해 침지 전처리를 거친 바이오매스의 글루칸과 XMG 함량은 각각 29.
대상 데이터
- 물리적 전처리는 마멸분쇄(attrition mill)를 이용하였다. 마멸분쇄기는 한국세라믹기술원에서 보유하고 있는 장비를 사용하였으며 직경 10 mm의 알루미나 볼(alumina ball)을 이용하여 바이오매스와 원활한 접촉을 이루도록 하였다. 건조된 상태로 마멸분쇄기에 주입을 하게 되면 온도조절이 쉽지 않을 뿐만 아니라 마찰열에 의해 구조적으로 변성이 일어날 수 있기 때문에 물리적 전처리를 진행하기 앞서 침지 전처리를 했다.
- 본 연구에서 사용한 바이오매스는 초본계 바이오매스(herbaceous biomass)로서 옥수수대(corn stover)를 CJ제일제당으로부터 제공받아 사용하였다. 바이오매스는 50~100 mesh의 균일한 크기로 분쇄 후 45oC 오븐에서 건조해사용하였다.
- 반응기에는 옥수수대가 가득 채워지도록 했으며 오르가노솔브와의 고-액비는 1 : 8 (w/v)으로 일정하게 유지했다. 오르가노솔브로서에탄올(Ethyl alcohol, 99.5%, CAS No. 64-17-5, SAMCHUN)을 이용하였고 30~99.5 wt% 농도 범위에서 전처리 특성을 알아보았으며, 모든 전처리는 촉매의 첨가 없이 진행되었다. 온도 조절에 사용된 오븐은 가스크로마토그래피 오븐인 M600D (Young Lin Co.
- 5 wt% 농도 범위에서 전처리 특성을 알아보았으며, 모든 전처리는 촉매의 첨가 없이 진행되었다. 온도 조절에 사용된 오븐은 가스크로마토그래피 오븐인 M600D (Young Lin Co., LTD)를 일부 개조하여 사용하였고, 일정한 반응온도를 나타내도록 유지시켰다. 끓는점이 낮은 에탄올을 사용하였기에 기화를 방지하고자 질소 봄베를 연결하여 400~600 psig의 후압을 유지함으로써 원활한 고-액 반응이 일어나도록 하였다.
- , LTD)을 사용하였다. 전처리에는 오르가노솔브로서 에탄올(Ethyl alcohol, 95.0%, CAS No. 64-17-5, Samchun, Korea)을 이용하였으며, 증류수로 희석하여 농도를 조절하였다.
- 전처리 장치는 크게 용매 주입구, 용매 공급 펌프, 온도조절오븐, 반응기, 그리고 질소 봄베로 이루어져 있다. 침출식 반응기는 스테인리스 스틸(SS-316)로 제작되었으며 용매 공급 펌프는 51K40GN-CW (Oriental motor Co., LTD, Japan)을 사용하였다. 반응기에는 옥수수대가 가득 채워지도록 했으며 오르가노솔브와의 고-액비는 1 : 8 (w/v)으로 일정하게 유지했다.
데이터처리
- 침지 전처리는 30 wt% 에탄올을 이용하여 상온(25oC)에서 24시간 동안 진행했다. 연계형 전처리의 결과는 물리적 전처리와 화학적 전처리를 각각 독립적으로 한 바이오매스와 비교하였다. 물리적 전처리는 침지 전처리와 같은 온도, 농도 조건으로 진행했고 운전시간을 30~90분으로 설정하여진행하였다.
이론/모형
- 전처리를 수행한 바이오매스의 당과 리그닌에 대한 성분분석은 미국신재생에너지연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory)에서 제시한 NREL Procedures LAP-002와 LAP-003에 제시된 방법으로 진행하였다[6,7]. 전처리가 수행된 바이오매스와 효소당화액은 HPLC (Waters Co.
성능/효과
- 화학적전처리는 170oC에서 30 wt% 에탄올을 이용해 20분 동안 진행되었으며 연계형 전처리는 화학적 전처리를 거친 바이오매스를 건조과정 없이 주입하여 30~90분 동안 수행되었다. 30 wt% 에탄올에 의해 침지 전처리를 거친 바이오매스의 글루칸과 XMG 함량은 각각 29.9%, 19.5%로 나타났다. 침지 전처리를 통해 획득한 바이오매스를 마멸분쇄를 이용하여 전처리를 진행했을 때 운전시간에 따른 글루칸과 XMG, 리그닌의 함량의 비율은 거의 변하지않았다.
- 하지만 이 값도 24, 72시간 후 나타난 값과 차이가 거의 나지 않았다. 30 wt% 에탄올을 이용하여 전처리 한 뒤 효소당화를 24시간만 진행하더라도 충분한 효소당화율을 얻을 수 있었으며, 이때의 글루 코오스 전환율은 86.6~91.6%로 나타났다. 자일로오스 전환율 또한 이와같은경향을나타냈고, 190oC, 30 wt%, 60 min의전처리조건에서 최종당화율은 76.
- C에서 30~60 wt% 농도의 에탄올을 이용하여 20~60분 동안 전처리 한 결과이다. 60 wt% 에탄올을 이용한 전처리에서는 반응시간이 증가함에 있어서 XMG와 리그닌이제거되는 것을 확인할 수 있었지만, 이에 따라 글루칸도 소량 손실되었다. 하지만 30 wt% 에탄올을 이용한 전처리에서는 이전보다더 높은 비율로 XMG와 리그닌이 제거되었지만 글루칸의 함량에는 큰 차이가 없었다.
- 5%가 감소하였다. XMG와 리그닌이 감소함에 따라 셀룰로오스의 구조가 표면으로 드러나게 되어 글루코오스 전화율도 66.0%로 증가하였다. 연계형 전처리를 통해 나온 바이오매스의 성분들의 함량의 차이는 물리적 전처리의 운전시간에 상관없이 비슷한 수준을 유지했다.
- 하지만 30 wt% 에탄올을 이용한 전처리에서는 이전보다더 높은 비율로 XMG와 리그닌이 제거되었지만 글루칸의 함량에는 큰 차이가 없었다. 글루칸의 함량과 리그닌 제거율이 비슷하더라도 XMG의 함량이 더 낮은 옥수수대에서 효소당화율이 높았으며 최고 글루코오스 전환율은 94.3%로, 30 wt% 농도의 에탄올을 이용하여 60분간 반응한 옥수수대에서 나타났다. 60 wt% 에탄올보다 30 wt% 에탄올을 이용한 전처리에서 XMG함량이 낮고 리그닌 제거율이 높아진 것은 낮은 농도의 에탄올일수록 수분의 함량이 높기 때문에 고온에서 물 분자가 분해가 되면서 약산성을 띠게 되기 때문이라고 할 수 있다[9,10].
- C로 설정해 비교해보았다. 글루칸의 함량은 27.9~32.8%로 많은 손실은 없었으나, XMG 함량은 150oC에서 19.0%였지만 온도가 증가함에 따라 11.8%로감소하였고, 이에따라리그닌제거율도 49.9%에서 75.9%로 증가했다. 반응온도가 상승할수록 각 성분 사이의 결합을 와해시킬수 있는 에너지가 증가하기 때문에 셀룰로오스를 둘러싸고 있던 헤미셀룰로오스와 리그닌에 대한 분별이 이루어져 효소당화율 또한 크게 증가했다.
- 두 가지 순서에 따라 전처리를 진행한 결과 화학적 전처리를 선행한 뒤 물리적 전처리를 진행하는 방법이 가장 효과적이었다. 전처리에 걸리는 시간 또한 이 방법이 매우 짧으며, 190 oC에서 독립적으로 진행한 화학적 전처리에 상응하는 글루코오스전환율을 얻을 수 있었다.
- 1%로 가장 높게 나왔다. 물리적 전처리보다 화학적 전처리를 선행하는 것이 상대적으로 반응시간이 짧기 때문에 전체 공정시간을 고려했을 때 경제적이라고 할 수 있으며, 190oC, 60 min의 조건보다 낮은 화학적 전처리의 반응온도와 반응시간으로도 효소당화율이 증가하는 것으로 보아 전처리 연계 가능성을 확인할 수 있었다.
- 반응온도를 190 oC로 증가시켜 전처리 했을 경우 82.0%라는 글루코오스 전환율을 확보했고 에탄올을 이용한 옥수수대의 침출식 전처리에서는 반응온도가 190 oC는 되어야 충분한 효소당화율을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
- 6%로 감소했다. 승온시간이 절반 이상 단축되었기에 성분들이 침출될 수 있는 시간이 줄어들고 이에 따라 글루칸과 XMG의 손실이 줄어들었고 리그닌 제거율도 감소되었다. 하지만 승온시간이 증가하더라도 글루코오스 전환율은 상승되지 못한다.
- 하지만 승온시간이 증가하더라도 글루코오스 전환율은 상승되지 못한다. 승온시간이 짧아져도 비슷한 당화율을 나타낼 수 있다면 리그닌의 제거율은 다른 방법으로도 충분히 증가시킬 수 있을 것이라 판단했고, 전처리 시 침지 과정을 생략하고 승온시간을 단축해 공정비용을 절약할 수 있을 것이라 판단되었다.
- 7%로 나타났는데, 화학적 전처리를 거치면서 느슨해진 성분들 간의 결합이 표면이 거친 알루미나 볼에 의해 접촉하면서 일부 제거되었다. 연계형 전처리의 최고 글루코오스 전환율은 170oC, 30 wt%, 40 min 조건의 화학적 전처리에서 30분 동안 물리적 전처리를 거쳤을 때 92.1%로 나타났다. 하지만 물리적 전처리의 시간이 60분으로 증가했을 때 글루코오스 전환율은 71.
- 0%라는 글루코오스 전환율을 확보했고 에탄올을 이용한 옥수수대의 침출식 전처리에서는 반응온도가 190 oC는 되어야 충분한 효소당화율을 확보할 수 있을 것으로 보인다. 이 반응온도에서 에탄올의 농도를 낮추고 반응시간에도 변화를 주어 진행했을 경우 반응시간이 증가하고 에탄올 농도가 낮을수록 효소당화율이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 에탄올 농도가 낮아짐에 따라 함유되어있던 수분에 의해 열수효과가 나타나게 되어 성분들의 분별이 잘 이루어졌지만 에탄올의 특성 상 헤미셀룰로오스와 리그닌에 대한 분별이 더 잘 이루어지기 때문에 글루칸의 손실은 거의 없었다.
- 6%로 나타났다. 자일로오스 전환율 또한 이와같은경향을나타냈고, 190oC, 30 wt%, 60 min의전처리조건에서 최종당화율은 76.2%로, 가장높은값을나타냈다. 기존의연구에서는 효소당화시간이 약 2~5일 정도 소요되는 것으로 알려져 있었지만, 이 전처리를 통해 효소당화의 시간까지도 단축시킬 수 있었다.
- 두 가지 순서에 따라 전처리를 진행한 결과 화학적 전처리를 선행한 뒤 물리적 전처리를 진행하는 방법이 가장 효과적이었다. 전처리에 걸리는 시간 또한 이 방법이 매우 짧으며, 190 oC에서 독립적으로 진행한 화학적 전처리에 상응하는 글루코오스전환율을 얻을 수 있었다.
- 에탄올 농도가 낮아짐에 따라 함유되어있던 수분에 의해 열수효과가 나타나게 되어 성분들의 분별이 잘 이루어졌지만 에탄올의 특성 상 헤미셀룰로오스와 리그닌에 대한 분별이 더 잘 이루어지기 때문에 글루칸의 손실은 거의 없었다. 최고 글루코오스 전환율은 190oC에서 30 wt% 농도의 에탄올을 이용하여 60분 동안 전처리 된 옥수수대에서 나타났으며, 효소당화를 24시간만 하더라도 90% 이상의 전환율이 나타나는 것으로 보아 전체 공정 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 판단된다. 공정비용의 감축을 위해서 수행한 연계형 전처리에서는 170oC, 30 wt%, 40 min의 조건에서 침출식 전처리를 거친 뒤 30분 동안 물리적 전처리를 한 옥수수대에서 글루코오스 전환율이 92.
- 5%로 나타났다. 침지 전처리를 통해 획득한 바이오매스를 마멸분쇄를 이용하여 전처리를 진행했을 때 운전시간에 따른 글루칸과 XMG, 리그닌의 함량의 비율은 거의 변하지않았다. 화학적 전처리만을 진행하여도 글루칸 함량의 변화는 거의 없었으나, XMG의 함량은 15.
- Table 3에서는 1차적으로 화학적 전처리를 한 뒤 물리적 전처리를 진행한 결과이며, 1차 전처리인 침출식 전처리에 대한 결과와 비교하였다. 침출식 전처리만을 진행했을 때 전처리를 하지 않은 옥수수대에 비해 XMG와 리그닌의 함량이 약 절반정도로 감소되었다. 이후 물리적 전처리를 진행했을 때는 글루칸은 약 1~3%만이 손실되었고, XMG의 함량의 변화는 거의 없었다.
- 60 wt% 에탄올을 사용 하여 전처리를 했을 경우, 매 시간마다 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만 30 wt% 에탄올을 사용했을 경우 최종 글루코오스 전환율은 89.0~94.3%로 24시간 후의 값과 약 2~3%밖에 차이나지 않았으며, 최고글루코오스전환율은당화시작후 48시간이경과했을때나타났다. 하지만 이 값도 24, 72시간 후 나타난 값과 차이가 거의 나지 않았다.
- 침지 전처리를 통해 획득한 바이오매스를 마멸분쇄를 이용하여 전처리를 진행했을 때 운전시간에 따른 글루칸과 XMG, 리그닌의 함량의 비율은 거의 변하지않았다. 화학적 전처리만을 진행하여도 글루칸 함량의 변화는 거의 없었으나, XMG의 함량은 15.3%로 나타났고 리그닌은 초기 바이오매스 대비 54.5%가 감소하였다. XMG와 리그닌이 감소함에 따라 셀룰로오스의 구조가 표면으로 드러나게 되어 글루코오스 전화율도 66.
- 연계형 전처리를 통해 나온 바이오매스의 성분들의 함량의 차이는 물리적 전처리의 운전시간에 상관없이 비슷한 수준을 유지했다. 효소당화 결과 글루코오스 전환율은 74.4~79.3%로 나타났는데, 화학적 전처리만을 거친 바이오매스의 글루코오스 전환율보다 최대 13.4% 증가하였다.
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