초록 ▼

본 연구의 최종 연구목표는 화석기반 수송연료와 화학소재를 대체할 수 있는 현실적으로 유일한 대안인 바이오매스, 그 중 목질계 바이오매스로부터 수송연료인 바이오알콜과 산업의 기반이 되는 바이오화학소재를 생산하는 것으로서 그 효율과 속도를 획기적으로 높여 우리나라가 이 분야에서 학문과 산업에서 모두 선도하는 위치에 서도록 역할을 하는 것임.
우선 본 연구의 목표인 식물성 바이오매스 섬유질 중에서 난분해성 유기물인 섬유소를 효과적으로 분해하여 발효기질인 단당류로의 전환율을 증가시키고, 최종적으로 바이오에탄올 생산성 증대에 기여하는

본 연구의 최종 연구목표는 화석기반 수송연료와 화학소재를 대체할 수 있는 현실적으로 유일한 대안인 바이오매스, 그 중 목질계 바이오매스로부터 수송연료인 바이오알콜과 산업의 기반이 되는 바이오화학소재를 생산하는 것으로서 그 효율과 속도를 획기적으로 높여 우리나라가 이 분야에서 학문과 산업에서 모두 선도하는 위치에 서도록 역할을 하는 것임.
우선 본 연구의 목표인 식물성 바이오매스 섬유질 중에서 난분해성 유기물인 섬유소를 효과적으로 분해하여 발효기질인 단당류로의 전환율을 증가시키고, 최종적으로 바이오에탄올 생산성 증대에 기여하는 고효율 당화 미생물 자원을 획득함.
먼저 섬유소계 분해능이 뛰어난 미생물 군집 및 단일 균주를 확보하고 복합 시스템의 우수성을 입증하였으며, 현존하는 상업용 효소와 비슷한 활성을 보이는 미생물 군집을 획득하였음. 추가적으로 누에 장으로부터 Bacillus cereus 와 높은 유사성을 보이는 균주를 확보하여 셀룰로오스 분해능을 검증하였는데, 이를 이미 잘 알려진 genetic tool을 활용하여 cellulase gene을 cloning 하고 실제로 발현되는지 확인하였음. 이 외에 다양한 초식동물들로부터 섬유소계 바이오매스 분해 능력이 뛰어난 미생물 균주를 분리 획득하였음.
특히 해당 균주들은 Glucose, Xylose, CMC를 모두 잘 분해하였으며, 높은 VFAs (Acetic acid, Propionicacid, Butyric acid)로의 전환율을 보임.
전기화학적으로는, 먼저 FeCl₃를 촉매로 이용하여 목질계 바이오매스를 전처리하는 과정의 효율을 최적화하는 조건을 도출함. 목질계 바이오매스의 전처리를 위해 FeCl₃를 촉매제로 사용하였을 경우 대조군의 20%에 비해 높은 약 80%의 당화 효율을 보임을 확인하였음. 또한 전처리에 사용된 FeCl₃를 재이용하기 위해 전기화학적 연료전지기법을 적용함으로써 이를 재생함과 동시에 소량의 전기 에너지를 생산하는 연구를 진행하였음. 연료 전지의 전기 생산에 최적화된 조건을 도출하기 위한 조건으로 pH와 철이온 농도를 각각 지정하였고, pH 7과 Fe2+농도 8 mM에서 가장 높은 최대 전력 밀도 값을 보였음. 이 후 최적화된 조건에서 실험을 진행한 결과 약 1100mW/m2의 최대 전력 밀도 값을 나타냈고, 반응은 약 12시간 동안 지속되었음.
FeCl₃ 전처리 후 대부분의 hemicellulose는 액체 상태인 xylose로 빠져나오고 cellulose는 고체 상태의 glucan 형태로 남아있게 되는데, 이러한 전처리 과정에서 바이오매스의 공극률이 높아지고 표면적이 넓어져 흡착제로의 활용이 가능함. 이를 위해 폐수 속에 포함된 염료 등의 오염물질을 제거하는 활성탄과 같은 흡착제의 대체 자원으로 사용하고자, 전처리와 효소 당화 후 남은 바이오매스 시료를 흡착제로 이용하여 염료 (methylene blue) 를 제거하는 실험을 수행함. 흡착 실험의 주요인자인 초기 염료 농도, 흡착제 주입량, 초기 pH 등을 달리하여 다양한 조건에서 흡착능력을 비교하였음. FeCl₃ 로 처리한 바이오매스 잔여물의 경우, Langmuir isotherm model에서 높은 연관성 (R²>0.996)을 보였고, Pseudo-second-order model을 잘 따름을 확인하였음.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 14
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 15
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 ... 16
• Ⅲ. 연구성과 ... 17