초록 ▼

셀룰로오스 결정구조에서 발견되는 대표적인 두가지 상호작용인 수소결합과 반데르발스 결합에 대해서 이론적 계산 연구를 진행하였으며, 물 에서는 수소결합보다는 반데르발스 결합이 구조 안정성에 더 큰 기여를 한다는 결과를 얻음. 이 결과들을 바탕으로 셀물로오스 수용화를 위한 cosolvent 및 additive의 구조 기준 제안(alcoholamine compound, alcohol group과 amine group사이의 거리가 key factor). 표면화학적인 접근을 하기 위한 사전 연구로서 LW-AB approach 및 extende

셀룰로오스 결정구조에서 발견되는 대표적인 두가지 상호작용인 수소결합과 반데르발스 결합에 대해서 이론적 계산 연구를 진행하였으며, 물 에서는 수소결합보다는 반데르발스 결합이 구조 안정성에 더 큰 기여를 한다는 결과를 얻음. 이 결과들을 바탕으로 셀물로오스 수용화를 위한 cosolvent 및 additive의 구조 기준 제안(alcoholamine compound, alcohol group과 amine group사이의 거리가 key factor). 표면화학적인 접근을 하기 위한 사전 연구로서 LW-AB approach 및 extended DLVO 이론에서 사용되는 용매 선택의 기준을 새롭게 제시하고 그에 따른 실험 결과를 얻어 국외 학술지에 게재함. 또한 LW-AB approach 및 Extended DLVO 이론을 조류 (algae) 및 미세조류 (microalgae) 응집 및 회수 매체 개발에 적용하였음. 셀룰로오스 분해용 촉매 SBA-15를 합성하고 TEM이미지와 BET를 이용하여 촉매의 물성 분석 수행. 합성된 촉매의 셀룰로오스 분해율은 90%로 높으나 글루코오스 수율은 25% 정도에 그침. 글루코오스 수율을 높이는 연구 필요.
목질계 바이오매스인 cellulose 분해를 하기 위해 고온 고압의 회분식 반응기를 제작하였음. none and low polar aprotic solvents 3종, 극성용 매 1종을 적용하여 4종의 용매를 사용하였음. 촉매의 경우는 산으로 표면 처리한 활성탄과 Fe3O4/Silicacoreshell 표면에-SO3Hfunctionalgroup을 붙인 촉매를 사용하였음. 적용 용매에 따라 다른 전환율을 보여주고 있으며, 전환율은 55-83%를 나타냄. 저극성 용매를 사용하면 생성되는 물질이 대부분은 Furan derivative로 일관성이 있음. 또한 소량의 solvent derivative가 생성됨. 4종의 초임계 유기용매를 이용하여 같은 조건에서 VR 개질 실험을 실시. 전환율 관점에서 용매 효과의 우선 순위는: n-dodecane > m-xylene > toluene > n-hexane 임. naptha의 수율을 높이고자 하는 경우 long chain hydrocarbon의 활용이 유리하며, naptha의 수율을 최소화하고 middle distillate 또는 gas oil의 수율을 높이고자 하는 경우 aromatic hydrocarbon을 용매로 사용하는 것이 적절함. 이온성 액체를 이용한 목질계 전처리 공정을 통하여 기존 전처리 공정의 단점을 극복할 수 있는 친환경 전처리 공정을 개발하고자 하였다. 5가지 용매 NMMO, [Emim]OAc, [Bmim]Cl, MTBS, [Emim]DEP에 대하여 목질계 원료인 EFB에 적합한 이온성 액체를 선별하기 위한 전처리 공정 수행 결과, [Emim]OAc (110℃, 2시간)에서 효소 당화율 (30 FPU) 96.6%, [Bmim]Cl (130℃, 3시간)에서 효소 당화율 86.8%, NMMO (130℃, 3시간)에서 효소 당화율 90.1%을 달성하였다. 이온성 액체의 음이온은 셀룰로스 구조 내의 OH 수소 그룹에 대한 강한 인력을 나타내며, 이온성 액체의 양이온의 imidazolium 부분은 side chain atom과 linker oxygen에 대한 강한 인력을 나타내고, 탄소 사슬 부분 또한 side chain atom에 대한 강한 인력을 나타내어, 이온성 액체의 양이온과 음이온 부분의 강한 인력 작용에 의해 결정성 구조인 셀룰로스의 용해가 일어나게 된다. 음이온이 서로 다른 8 가지 이온성 액체의 전처리 후 효소 당화율은[Emim]OAc > [Emim]CI > [Emim]DEP > [Emim]CH₃SO₃ > [Emim]SCN > [Emim]HSO₄> [Emim]EtOSO₃ > [Emim]AlCl₄의 순으로 나타났으며，EFB에 대해서 [Emim]OAc가 가장 높은 당화율을 나타냈다. [Emim]OAc 전처리된 시료의 CrI 및 DP가 감소하였고, 리그닌도 130℃, 2시간 조건에서 50% 이상 제거되었다. 이온성 액체의 대부분은 이온성 액체의 재사용을 위한 회수 및 전처리된 시료의 증류수 세척 과정을 통하여 전처리된 시료로부터 제거되지만 일부는 전처리된 시료에 남아있는 것으로 나타났다. 그러나, 이온성 액체의 독성에 의한 효소 당화 저해 현상은 관찰되지 않았다. 따라서 [Emim] 계열의 이온성 액체는 이온성 액체가 전처리된 시료에 일부 남아있다 하더라도, 당화에 저해를 미치지 않는 것으로 판단된다. 이 외에도[Bmim]HCOO, [Amim]CI, [HDBU]CI, [HDBU]HCOO 등이 목질계 바이오 매스에 효율적인 이온성 액체로 제안될 수 있다.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

IV. R&D results
Theoretical computation was performed for H-bonding and van der Waals interaction, which have been known to be involved in the crystalline structure of cellulose. Our computation shows that van der Waals interaction contributes more to the stability of cellulose structure in water

IV. R&D results
Theoretical computation was performed for H-bonding and van der Waals interaction, which have been known to be involved in the crystalline structure of cellulose. Our computation shows that van der Waals interaction contributes more to the stability of cellulose structure in water than H-bonding. As a preliminary study for the surface study of cellulose, a new standard for the selection of non-aqueous solvents in the extended DLVO theory was developed and suggested. The interaction between microalgae and floccullents is similar to the interaction between colloidal particles in water. Hence the extended DLVO theory was applied to study the flocculation mechanism of microalgae and to develop the flocculent. As a catalyst for the cellulose degradation, SBA-15 was synthesized. Its physical structure was determined using TEM and BET surface area analyzer. 90% of the cellulose was degraded while the yield for glucose was only 25 %. Further study is necessary in order to increase the glucose yield.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 6
• CONTENTS ... 7
• 목차 ... 9
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 제2-1장 국내외 기술개발 현황(세부과제) ... 14
• 제1절 국내외 기술수준 ... 14
• 제2절 국내외 연구현황 ... 14
• 제3절 본 연구팀의 기술현황 ... 15
• 제2-2장 국내외 기술개발 현황(sub과제) ... 17
• 제1절 국내외 연구현황 ... 17
• 제2절 현기술상태의 취약성 ... 20
• 제2-3장 국내외 기술개발 현황(위탁과제) ... 22
• 제1절 목질계 바이오매스 전처리 기술 ... 22
• 제2절 국내 기술개발 현황 ... 26
• 제3절 해외 기술개발 현황 ... 28
• 제3-1장 연구개발수행 내용 및 결과(세부과제) ... 33
• 제1절 셀룰로오스 구조에 대한 이론적 접근 ... 33
• 제2절 표면화학 이론 보완을 통한 microalgae 응집 현상 규명 ... 41
• 제3절 촉매를 이용한 셀룰로오스 분해 ... 46
• 제3-2장 연구개발수행 내용 및 결과(Sub과제) ... 48
• 제1절 고온 고압 용 반응기 제작 ... 48
• 제2절 초임계 용매를 사용한 전처리 ... 48
• 제3절 초임계 유체를 이용한 heavy residue oil의 분해 ... 59
• 제4절 바이오매스 & heavy residue oil 동시 처리: 2단계 연구 타당성 확보를 위한 선행 연구 ... 64
• 제3-3장 연구개발수행 내용 및 결과(위탁과제) ... 68
• 제1절 이온성 액체 이용 전처리 공정 ... 68
• 제2절 이온성 액체 전처리 공정 조건 최적화 ... 91
• 제3절 이온성 액체 전처리 공정에서 음이온의 영향 ... 105
• 제4절 이온성 액체 디자인 ... 114
• 제4-1장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도(안익성) ... 122
• 제1절 목표달성도 ... 122
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 123
• 제4-2장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도(이창하) ... 124
• 제1절 연구개발목표의 달성도 ... 124
• 제2절 관련 분야의 기술발전에의 기여도 ... 125
• 제4-3장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도(이진석) ... 126
• 제1절 목표 달성도 ... 126
• 제2절 관련 분야에의 기여도 ... 128
• 제5-1장 연구개발결과의 활용계획(안익성) ... 129
• 제1절 셀룰로오스 구조에 대한 이론적 접근분야 ... 129
• 제2절 표면화학 이론을 통한 microalgae 응집 현상 규명 분야 ... 129
• 제3절 촉매를 이용한 셀룰로오스 분해 분야 ... 129
• 제5-2장 연구개발결과의 활용계획(이창하) ... 130
• 제1절 추가 연구의 필요성 ... 130
• 제2절 다른 연구에의 응용 및 기업화 추진방안 ... 130
• 제5-3장 연구개발결과의 활용계획(이진석) ... 131
• 제6-1장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보(안익성) ... 132
• 제6-2장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보(이창하) ... 133
• 제6-3장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보(이진석) ... 135
• 제7-1장 연구시설·장비 현황 ... 138
• 제8장 참고문헌 ... 139
• 끝페이지 ... 146