Study on pretreatment method for improved bioconversion of lignocellulosic biomass using alkaline and enzymatic method

Abstract

최근 무분별한 석유화학연료 및 제품의 사용으로 인한 환경오염으로 대체에너지 및 제품들을 생산할 수 있는 자원에 대한 관심은 높아졌고, 목질계 바이오매스는 이 를 대체할 고부가가치 자원 중 하나로 여겨진다. 뿐만 아니라, 목질계 바이오매스의 성분으로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등 다양한 유기화합물이 포함되어 있 어 다양한 제품들을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 본 학위논문에서는 대표적인 목 질계 바이오매스인 농업 부산물 (옥수수대, 볏짚)과 산림 자원 (소나무, 참나무) 등을 활용하여 각종 바이오매스에 효과적인 염기 촉매 전처리를 반응 시간, 온도 등의 조 건에 따라 진행한 뒤 그 영향을 분석하고 효소당화 공정과 발효공정에서의 효율을 높 이기 위한 추가적인 연구를 진행하였다. 구체적으로 2 장에서는 옥수수대와 볏짚을 LMAA로 전처리한 뒤 효소당화 공정에 쓰이는 효소에 cellulase와 xylanase를 혼합하여 각 비율별로 glucan의 소화도에 끼 치는 영향을 분석하였고, 옥수수대의 경우 76.4-91.1%로 증가하였고 볏짚의 경우 70.9-89.5%까지 증가하였다. 대체로 옥수수대의 전처리 및 효소 소화도의 효과가 높 았기 때문에, 옥수수대를 이후 실험에 쓰일 바이오매스로 선정하고 xylanase 함량이 발효공정에 끼치는 영향을 분석한 결과 HTec2/CTec2가 1.5인 경우 SSF에서 15.2 g/L, SSCF에서 20.1g/L의 에탄올 농도를 얻을 수 있었다. 앞선 결과를 바탕으로 HTec2/CTec2를 1.5로 선정한 뒤 유가식 배양을 통해 고용량 발효를 진행하였고 glucan 로딩이 7 (w/v)%인 경우 SSF 공정에서 최대 31.6 g/L, SSCF 공정에서 최대 34.8 g/L의 에탄올 농도를 얻을 수 있었다. 3 장에서는 소나무와 참나무에 대한 수산화 나트륨 전처리 효과를 반응 조건별로 비교하였다. 작은 용량의 튜브형 배치 반응기를 사용하여 2%의 수산화 나트륨에 반 응시킨 경우 소나무의 최대 6탄당 함량은 77.9%, 참나무의 경우 74.1%였지만, 참나 무는 밀도가 높아 같은 부피의 원료에서 더 많은 양의 6탄당의 수득이 가능할 뿐만 아니라, 더 높은 탈리그닌화 효과가 나타났기 때문에 참나무를 선정하였다. 선정한 참 나무에 더 높은 분별수율을 얻기 위해 5%의 수산화나트륨과 반응시킨 결과, 180 ℃ 의 온도에서 1시간의 반응만으로 91.4%의 높은 6탄당 함량을 얻을 수 있었다. 흐름 반응기에서의 탈리그닌화 효과를 확인하기 위해, 2%의 수산화 나트륨으로 연구실 내 자체적으로 제작한 흐름반응기를 사용하여 실험을 진행하였고, 마찬가지로 180 ℃에 서 1시간 반응으로 90.4%로 상대적으로 낮은 농도의 용매를 사용했음에도 앞선 실험 결과와 크게 다르지 않은 수치를 보였다. 하지만 실제 바이오리파이너리 산업에서 흐 름반응기를 사용할 경우 발생할 수 있는 여러 문제점들 때문에 대용량 반응기를 사용 하여 전처리 효과를 분석하였고 최종적으로 2 개의 조건을 선정하여 (160, 180 ℃, 1 시간 반응, 6탄당 함량 각각 79.5%, 87.4%) 물질수지를 정리하고 전체 MTHF 전환공 정의 흐름도를 작성하였다|Lignocellulosic biomass (LCB) is promising material to alternate petrochemical products, such as fuels, chemicals, polymers. However, there are still difficulties to be perfectly utilized due to the complex structure of various organic compounds (cellulose, hemicellulose, lignin). Thus, finding proper pretreatment process is important for efficient bioconversion. In the second chapter, synergistic effect of cellulase and hemicellulase (xylanase) was evaluated because lignocellulosic material is a heterogeneous complex of cellulose and hemicellulose. Various effects of HTec2 addition on enzymatic saccharification and fermentation were evaluated using two different substrates such as corn stover and rice straw. Corn stover and rice straw were pretreated by the LMAA (low-moisture anhydrous ammonia) method at the preselected same conditions (90 °C, 120 h, moisture content = 50%, NH3 loading = 0.1 g NH3/g). It was observed that the enzymatic saccharification yield of pretreated corn stover (76.4% for glucan digestibility) was higher than that of pretreated rice straw (70.9% for glucan) using CTec2 cellulase without HTec2 addition. Glucan digestibility of pretreated corn stover was significantly increased from 76.4% to 91.1% when the HTec2/CTec2 (v/v) increased from 0 to 10. However, it was interesting that the ethanol production was decreased from 89.9% to 76.3% for SSF and 118.0% to 87.9% for SSCF at higher HTec2/CTec2. As the glucan loading increased from 2.0% to 7.0%, the ethanol yields of both SSF and SSCF were decreased from 96.3% to 88.9% and from 116.6% to 92.4%, respectively. In addition, the smallest inoculum size (optical density of 0.25) resulted in the highest ethanol production (20.5 g/L). In the third chapter, delignification effect of NaOH (sodium hydroxide) on the lignocellulosic biomass, especially woody biomass, was studied for the first pretreatment step of MTHF (methyltetrahydrofuran) fabrication process. Tubular type batch reactor, percolation (flow-through column) reactor, scale-up batch reactor were used to compare the effect of reaction method on the delignification and C6 content of pretreated solid residue. The highest C6 content in the solid treated by tubular batch reactor and 2% NaOH was 75.1% in oak (180 ℃, 120 min), 78.1% in pine (180 ℃, 120 min). After 5% NaOH pretreatment, the highest C6 content was 91.4% by the 180℃ reaction for 60 min, and delignification of reaction by 180 ℃, 180 min was 89.2%. For the evaluating of flow reaction, percolation reaction system was used, and 90.4% of C6 content and 95.0% of delignification was observed (2% NaOH, 180 ℃, 60 min). C6 content and delignification of solid residue pretreated by 1.5 L scale-up reactor (5% NaOH, 180 ℃, 60 min) was 87.4% and 92.7%. it was slightly less than percolation reaction, but still acceptable for actual biorefinery process. Mass balance and process flow diagram were summarized by figures. Various factors were applied to compare the effect of reaction conditions, such as reaction temperature, time, concentration of catalytic solvent, type of reactor, enzyme dosage. The content of each component in the solid residue before and after the reaction, and bioconversion rate to ethanol were investigated by High Performance Liquid Chromatography (HPLC), and structural characteristic was imaged by the Scattering Electron Microscope (SEM).