Effective physicochemical fractionation process of lignocellulosic materials for recovery of sugars and lignin

Abstract

Biomass is the most abundant organic resource on the Earth, and is a suitable feedstock for biorefinery application that produce biochemicals and biofuels. Although biomass-to-energy production has the high potential to play a major role in achieving carbon neutrality, currently entire commercial-scale facility utilizing lignocellulosic biomass is only thermal or cogeneration. It is considered the low conversion efficiency and technological limitations because of the several barriers in using biomass such as recalcitrant nature, rigid structure, and complicated chemical compositions of lignocellulosic biomass. It is necessary to develop a fractionation technology that effectively separates the three main components (cellulose, hemicellulose, and lignin) of lignocellulosic biomass. Fractionation process is one of the most effective ways to improve total lignocellulosic biomass utilization. Separation into each main component is suitable for use in following process (e.g., enzyamtic hydrolysis) or target products (e.g., biofuels and biochemicals) produce. Besides, early separation of components not directly related to the target conversion reaction can be expect to improve the overall processing efficiency. In this study, various pretreatment and fractionation methods that are effective for the fractionation of biomass into three main substances and improvement of enzymatic digestibility were applied/evaluated for application in the biorefineries. Mechanical (ball milling, cutter milling and colloid milling), chemical (inorganic salt and organosolv), physicochemical (liquid hot water), and a combination of these processes were applied to various lignocellulosic biomass feedstock such as rice husk, rice straw, barley straw, corn stover, and oak wood. For each pretreatment method, various reaction-independent variables including reaction temperature, reaction time, and catalyst concentration were applied to evaluate the reaction characteristics. To evaluate the reaction and extraction behavior, chemical and physical analyses of the residues and extracts obtained from the reaction were performed. Specifically, (1) residual solids: scanning electron microscopy (SEM), Brunauer–Emmett–Teller (BET), X-ray diffractometer (XRD), carbohydrate analysis and enzymatic digestibility, (2) liquid hydrolysate: monosaccharides, oligosaccharides, and by-products analyses, (3) precipitated lignin: gel permeation chromatography (GPC), and 31P-nuclear magnetic resonance (31P-NMR) analysis were performed. In addition, for a comprehensive understanding of each pretreatment process, overall mass balance under certain reaction conditions was presented. |바이오매스는 지구상의 가장 풍부한 유기자원으로, 바이오 화학 및 바이오 연료를 생산하는 바이오리파이너리 응용 분야에 적합한 공급 원료이다. 바이오매스 에너지화는 탄소중립 달성에 핵심적인 역할을 담당 할 수 있는 높은 잠재적 가능성을 가지고 있음에도 불구하고, 현재 목질계 바이오매스를 이용한 상용화 규모의 바이오에너지 플랜트는 열 또는 열병합 발전뿐이다. 이는 목질계 바이오매스의 다루기 힘든 특성과, 단단한 구조, 복잡한 화학 조성과 같은 여러 장벽으로 인한 낮은 전환 효율과 기술적 한계 때문으로 여겨진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 목질계 바이오매스의 3가지 주 물질인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 효과적으로 분별하는 기술 개발이 필요하다. 각 주요 성분으로의 분리는, 후속 공정 (예: 효소당화) 또는 바이오 제품 (예: 바이오연료, 바이오케미컬) 생산에 이용되기에 적합하여 목질계 바이오매스의 활용성을 향상시키는 가장 효과적인 방법으로 여겨진다. 게다가, 목적하는 전환 반응과 관련없는 성분을 조기 분리 함으로써 전반적인 공정의 효율 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 바이오리파이너리 적용을 위해 바이오매스의 3가지 주요물질의 분별과 효소당화율 향상에 효과적인 다양한 전처리 및 분별 방법을 적용하고 평가하였다. 기계적(볼 밀링, 커터 밀링, 콜로이드 밀링), 화학적(무기염, 오가노솔브), 물리화학적(열수) 또는 두 공정을 조합한 전처리 방법을 옥수수 대, 왕겨, 볏짚, 보릿 짚, 참나무와 같은 목질계 바이오매스에 적용하였다. 각 전처리 방법의 반응 특성 평가를 위해 반응 온도, 반응 시간 및 촉매 농도를 포함한 다양한 반응 독립변수를 사용하였다. 반응 및 추출 거동 평가를 위해 반응 후 얻은 잔여물과 추출물의 화학적, 물리적 분석을 수행하였다. 구체적으로, (1) 잔여 고체: 주사전자현미경(SEM), Brunauer-Emmett-Teller(BET), X선 회절계(XRD), 탄수화물 분석 및 효소 당화율, (2) 액체 가수분해물: 단당류, 올리고당류 및 과분해물 분석, (3) 침전 리그닌: 겔 투과 크로마토그래피 (GPC), 31P-핵자기 공명(NMR) 분석을 실시하였다. 또한, 각 전처리 공정에 대한 포괄적인 이해를 위해 최적 반응 조건에 대한 물질수지를 제시하였다.