바이오매스 유래 유/무기 성분 활용을 위한 전처리 공정 개발

Abstract

본 연구에서는 리그노셀룰로직 biomass의 유/무기 성분의 활용 효율을 향상시키기 위한 전처리 공정 개발에 관한 내용이다. 리그노셀룰로직 biomass의 유기성분 활용에서는 biofuel 생산에 사용되는 발효당의 생산성 향상을 위해 pitch pine(Pinus rigida) sawdust를 물리적 전처리를 실시하였으며 전처리 공정의 최적화와 발효당 생산에 미치는 영향을 평가하여 최종적으로 발효당 생산과 이를 이용한 biofuel 생산에 활용성을 확인하였다. 무기물 성분 활용은 왕겨 내에 존재하는 실리카를 고순도로 추출하기 위한 4가지 화학적 처리 기술을 비교하여 최적 기술을 확인하는 연구를 수행하였다. Pitch pine wood waste는 41.5 %의 cellulose를 포함하고 있으며, 이를 이용하여 biofuel을 생산한다. 당화효율 향상을 위해 물리적 전처리 기술인 planetary mill을 사용하였으며, zirconia, steel, alumina 세가지 성분의 ball을 사용하여 최적의 분쇄/당화 효율을 나타내는 ball을 선정하였는데 alumina ball에서 윌등히 높은 당화 효율이 나타났다. 이는 ball의 표면이 균일하여 동일한 크기와 모양의 biomass로 분쇄하기 때문인 것으로 확인되었다. 전처리 공정과 당화 공정 조건의 상호 연관 관계 분석을 통한 최적화를 위해 RSM 분석을 실시하였으며 전처리 시간, 효소 주입량, 효소 반응 시간에 대해 27가지 실험 조건을 디자인하여 상호간 영향을 확인하였다. 이를 통해 전처리 시간보다는 효소주입량이 당화 효율에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인했으며, 그 다음으로 당화 시간이 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한 당화 buffer로 사용되는 acetate와 citrate buffer에 대해서 전처리와 당화시 효율을 평가하여 acetate buffer를 사용하였을 때 더 glucose 생산성이 향상되는 것을 확인하였다. 최종적으로 본 전처리 기술을 통해 생산된 발효당의 활용 가능성을 확인하기 위해 용해성 페놀류 분석을 실시하였다. 본 연구에서 생산된 당 용액에는 총 14가지의 페놀류 화학물질이 발견됐지만 그 농도는 0.072 ± 0.003 g/L 였으며 이 농도로는 Clostridium beijerinckii 균주의 성장을 억제하지 않는 것을 확인하여 biofuel 생산에 활용할 수 있다는 것을 확인하였다. 왕겨를 이용한 고순도 실리카 추출을 위해서 염산, 옥살산, 황산, 이온성 액체를 이용하여 무기물 불순물을 제거하고 이후 열분해를 통해 실리카를 합성하였다. 사용되어진 이온성 액체는 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate이다. 네가지 화학 처리 중 황산과 이온성 액체에서 가장 실리카 순도가 높게 나왔으며 그 순도는 각각 99.6%, 99.5%를 나타냈으며, 염산과 옥살산의 경우 모두 98%를 보였지만 아무런 처리하지 않은 시료의 경우 94.7%로써 화학적 처리를 통해서 순도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 이온성 액체의 경우 단순히 순도만 향상된 것이 아니라 표면적이 대조군에 비해서 1.9배 증가하였으며 기공의 크기도 2.4배 증가하여 다양한 흡착, 전달체로서 활용도가 더 높을 것으로 기대되었다.