초록 ▼

목질계 바이오매스를 묽은 황산으로 가수분해하면 당 뿐만 아니라 독성물질 (즉, 바이오에탄올 발효에서 이용되는 미생물의 성장을 저해하는 물질로서 지방족 카르복시산, 푸란유도체 및 페놀화합물로 구성됨)이 생성된다.본 연구에서는 실제 및 모사 가수분해물에 포함되어 있는 독성물질을 흡착-추출 복합공정으로 제거하고, 궁극적으로 당을 정제하는 공정이 개발되었다. 우선 흡착 공정에서는 활성탄을 사용하여 회분식 흡착 및 크로마토그래피법에 의해 푸란 유도체(furans) 및 페놀화합물(phenolics)이 제거되었다. 그 다음에는 추출 공정의 한

목질계 바이오매스를 묽은 황산으로 가수분해하면 당 뿐만 아니라 독성물질 (즉, 바이오에탄올 발효에서 이용되는 미생물의 성장을 저해하는 물질로서 지방족 카르복시산, 푸란유도체 및 페놀화합물로 구성됨)이 생성된다.본 연구에서는 실제 및 모사 가수분해물에 포함되어 있는 독성물질을 흡착-추출 복합공정으로 제거하고, 궁극적으로 당을 정제하는 공정이 개발되었다. 우선 흡착 공정에서는 활성탄을 사용하여 회분식 흡착 및 크로마토그래피법에 의해 푸란 유도체(furans) 및 페놀화합물(phenolics)이 제거되었다. 그 다음에는 추출 공정의 한 종류인 에멀젼형 액막법을 이용하여 카르복시산(초산) 및 황산이 연속적으로 제거 및 회수되면서 당이 정제되었다. 이 복합공정은 전 세계적으로 처음 시도되는 독창적인 방법으로 현재 국내 특허 출원중(목질계 바이오매스 가수분해액으로부터 당을 정제하는 방법)에 있다. 전체 당 정제 공정을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 흡착 공정과 관련된 연구에서는 당, 카르복시산, 푸란유도체 및 페놀화합물을 대표하는 몇몇 성분들에 대한 단일성분 흡착평형 실험 및 흡착 등온식이 조사되었으며, 이때 푸란유도체 및 페놀화합물이 당, 황산 및 카르복시산에 비하여 활성탄에 대한 흡착력이 높다는 것이 확인되었다. 이를 기초로 이들 성분의 혼합물인 모사 헤미셀룰로오스 가수분해액에 회분식 흡착, 크로마토그래피법, 또는 이 기술들의 조합된 방법을 적용하여 당 손실을 최소화하면서 푸란유도체 및 페놀화합물을 100% 제거할 수 있는 기술이 처음으로 개발되었다. 2단계에 걸친 에멀젼형 액막법 또한 본 연구에서 처음 시도되는 기술이다. 첫 번째 에멀젼형 액막법 단계에서는 자일로스, 황산, 초산으로 구성된 모사 가수분해액으로부터 인산계 추출제를 사용하거나 또는 사용하지 않고 초산을 선택적으로 제거하는 기술이 개발되었다. 이 때 매우 적은 당 손실과 함께 초산을 최대 7배까지 농축/회수시키면서 제거할 수 있었으며 인산계 추출제를 사용할 경우에는 5분이내의 추출시간에 99%이상의 초산 추출율이 얻어졌다. 두 번째 에멀젼형 액막법 단계에서는 아민계 추출제를 사용하여 자일로스와 황산으로 구성된 모사 가수분해액으로부터 황산을 4배까지 농축 및 회수할 수 있었으며, 이 때 또한 당 손실은 크지 않았으며 처리시간도 5분 이내로 매우 짧았다. 또한 2단계 에멀젼형 액막법은 푸란유도체와 페놀화합물의 농도가 낮은 가수분해물에 대해서는 흡착 공정 없이 바로 독성물질 제거 목적으로 적용 가능하며, 초산과 황산 제거 및 회수 목적으로만 사용되는 다른 연구자들의 분리 방법과 비교하여 매우 경쟁력이 있는 기술이라 할 수 있다. 에멀젼형 액막법과 관련한 연구 결과가 지금까지 3편의 SCI급 저널 [Bioresource Technology(2014 JCR IF: 4.494): 2편; Separation Purification Technology: 1편(2014 JCR IF: 3.091)]과 2편의 SCOPUS 저널(Korean Chemical Engineering Research)에 실렸다. 흡착 및 크로마토그래피공정과 관련된 논문들은 현재 투고 및 준비 중에 있다. 또한, 위와 관련한 연구내용이 8차례에 걸쳐 학술대회에서 발표되었다.
실제 목질계 바이오매스인 볏짚을 묽은 황산으로 처리하여 얻은 헤미셀룰로오스 가수분해액을 위에서 연구한 결과를 토대로 하여 적용한 활성탄 흡착평형 및 크로마토그래피법과 함께 독성 물질의 제거가 이루어졌다. 우선 묽은 황산 가수분해 처리에 의해 제조된 볏짚 가수분해액에 포함된 다양한 성분을 조사하기 위하여 여러 검출기와 칼럼을 갖춘 고성능액체크로마토그래피가 사용되었으며, 이를 통해 볏짚 가수분해액의 정량 및 정성 분석 방법이 개발되었다. 가수분해 실험은 실험 조건 (황산농도, 온도, 볏짚:황산용액 무게비 등)을 다양하게 바꾸어가면서 이루어졌으며, 이 때 당 농도를 최대화시키는데 필요한 가수분해 최적조건이 얻어졌다. 또한, 모사 가수분해액으로부터 독성물질을 제거하는 연구를 통하여 얻어진 기술들을 실제 볏짚 가수분해액에 적용하였는데, 당 손실을 최소화하면서 대부분의 독성물질을 제거할 수 있었다. 이러한 결과들로부터 판단할 때, 본 연구에서 개발된 당정제 공정은 저가인 활성탄을 사용하여 푸란유도체 및 페놀화합물을 효율적으로 제거하고, 특히 2단계에 걸친 에멀젼형 액막법에서 카르복실산 및 황산을 매우 짧은 시간에 처리할 수 있을 뿐만 아니라 이들을 선택적으로 분리 및 농축할 수 있기 때문에 다른 연구자의 당 정제 공정에 비해 훨씬 더 경제성이 높을 것으로 판단되었다. 한편,실제 헤미셀룰로오스 가수분해액의 분석 및 독성물질 제거와 관련된 논문도 현재 투고 및 준비 중에 있다.