볼밀 기반 물리적 바이오매스 전처리 기술과 회분 부산물 활용 연구

Abstract

본 연구는 볼밀 기반의 물리적 바이오매스 전처리 기술과 농업 부산물인 왕겨를 고부가가치 소재 합성 원료로 사용하는 부산물 활용 연구를 수행하였다. 물리적 바이오매스 전처리 연구에서는 목질계 바이오매스인 옥수수대와 유기성 바이오매스인 음식 폐기물에 볼밀 전처리 기술을 적용한 연구를 수행하였다. 옥수수대를 원료로 볼밀 전처리 기술을 적용한 연구에서는 효소 분해 효율 향상을 통한 발효당 생산 영향을 연구하였다. 음식폐기물을 원료로 볼밀 전처리 기술을 적용한 연구에서는 혐기소화에 의한 바이오가스 생산 영향 연구가 수행되었다. 마지막 단원에서는 농업 부산물인 왕겨 내에 존재하는 회분을 활용하여 고부가가치 소재인 다공성 고순도 실리카 입자 합성을 연구하였다. 첫번째 연구에서는 옥수수대의 생물학적 가용성 향상을 위한 볼밀 전처리 공정에서 물 투입량에 따른 옥수수대의 물리적 특성 변화 및 발효당 생산성 영향을 연구하였다. 네 가지 물과 옥수수대의 혼합비율 조건 (0, 25, 100, 400% (w/w))과 두가지의 볼밀 공정 온도(80, 100℃), 그리고 세가지의 밀링 시간 (10, 20, 30분)에 따른 효소 가수분해 영향을 연구하였다. 볼밀을 통해 옥수수대의 단단한 세포벽을 파괴하고 입자 크기가 감소하는 것을 확인하였고 옥수수대의 입자 변화는 온도와 시간에 따른 크기 분포 그래프와 평균 직경 데이터를 기반으로 분석하였다. 볼밀 공정에서 물이 전혀 혼합되지 않은 조건(0%(w/w))에서 옥수수대가 가장 빠르게 분쇄 되고 가장 높은 당 수율은 건식, 80℃, 30분의 밀링의 조건에서 확인이 되었다. 물 혼합 조건인 0%, 25%(w/w)은 80℃의 온도에서, 100, 400%(w/w) 조건은 100℃의 온도에서 더 높은 발효당 생산이 있는 것이 확인되었다. 또한 물리적 전처리에 의한 옥수수대의 분쇄 입자 크기에 따른 효소 접근성 향상 분석 연구를 실시하였다. 예상한 대로 입자크기가 감소할수록 당 생산이 증가하였지만 옥수수대의 평균 직경 크기가 100𝜇m이하가 되면서부터 입자 크기 감소에 따른 발효당 생산이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 음식폐기물을 원료로 한 생물학적 가용성 향상 연구에서는 먼저 대표적인 음식폐기물 가용성 향상 기술인 볼밀전처리, 알칼리, 초음처리에 대한 각각의 영향을 분석하였으며 가용성 향상은 용해성 화학적 산소요구량 (SCOD) 증가로 평가하였다. 세가지 전처리 방법 중 밀링에 의한 SCOD 증가가 가장 높았다. 하지만 두가지 요소별로 연계하여서 병합 전처리를 수행하였을 때 한개의 전처리에 비해서 SCOD가 더 많이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 생물학적 가용성 향상 처리 공정 중 볼 종류에 따른 영향을 확인하기 위해 세가지 분쇄볼인 알루미나, 지르코니아, 스틸 재질의 볼을 선정하여 볼밀 전처리를 음식폐기물을 가지고 실시하였다. 세 종류의 볼 모두 가용성를 향상시키는 것을 확인 할 수 있었고, 특히 스틸볼을 사용한 볼밀전처리에서 SCOD 증가 폭이 40%로, 생물학적 가용화 효과가 가장 높다는 것을 확인하였다. 볼밀 전처리에 의한 입자의 미분화 효과를 확인하기 위하여 볼밀 전처리 시간에 따른 음식폐기물의 입자 크기 변화를 PSA를 이용하여 분석하였고 최종적으로 BMP 실험을 통해 볼밀 전처리에 의해 바이오가스 생산량이 약 10% 증가하는 것을 확인하였다. 마지막으로 농업 부산물인 왕겨의 회분의 고부가가치 소재화 연구에서는 산 침출, 화학적 용해, 계면활성제를 사용하여 다양한 기공구조를 갖는 메조포러스 실리카를 합성하였다. 사용된 계면활성제의 종류와 합성 조건에 따라, 기공 구조와 크기, 표면적을 조절할 수 있었으며 이를 통해 왕겨로부터 고부가가치 실리카를 합성하면 지속가능하고 친환경적 소재 개발의 가능성을 확인하였다.; In this study, raw materials were used corn stover, rice husk, and food waste. We developed a physical pretreatment technique to increase the biological avilability of corn stover and food waste in sugar production process and anaerobic digestion. In addition, a method for extraction and synthesis of silica using rice husk was devised for the use of high value added of rice husk. The effect of pretreatment of ball mill on corn stover was studied according to particle size and water input. the decrease of corn stover particle size led to an increase in glucose production. Drastic increases in glucose production were found under a mean diameter of 100 𝜇m. After milling for one hour, 73.5% (w/w) of corn stover particles had diameters of less than 100 𝜇m, with a mean diameter of 61.3 ± 3.3 mm. The effects of various water inputs, i.e., 0, 25, 100, and 400% (w/w), on the ball milling pretreatment of corn stover and enzymatic hydrolysis were studied under two milling temperatures (80℃ and 100℃) and three milling times (10, 20, and 30 min). ball milling reduced corn stover particle size and disrupted the rigid cell wall matrix. As milling time increased, corn stover size decreased remarkably. Changes in corn stover were analyzed using size distribution graphs and geometric mean diameter with respect to milling temperature and time. Milling with 0% (w/w) water resulted in the rapid grinding of corn stover. The highest glucose yield (66.96%) was obtained after milling at 80 C for 30 min with no water. The corn stovers milled with 0% or 25% (w/w) water showed higher glucose yields when milled at 80 C than at 100 C, while the samples milled with 100% or 400% (w/w) water showed higher glucose yields at 100 C. The experiment was conducted to increase the availability of food waste as a raw material. Three single pretreatments were performed: ball mill, alkali, and thermal. The SCOD of milling pretreatment was the highest. The combined pretreatment showed that SCOD increased more than the single pretreatment. To confirm the effects of ball types, alumina, zirconia, and steel balls were used. All three types of balls were found to improve availability, and in particular, the increase in SCOD was 40% in the ball milling treatment using steel balls, and the solubilization effect was the highest. The effect of the particle grinding by ball mill pretreatment was analyzed by using PSA. The biogas production experiment showed that the amount of biogas generation and methane content increased by about 10% after pretreatment of ball mill. Ordered mesoporous silica with various pore structures are synthesized from rice husk by combining acid leaching, chemical dissolution, and co-assembly with additional surfactants. Depending upon the type of the surfactant used and the co-assembly conditions, various mesoporous silica that have controlled pore structures (mesocellular forms and hexagonal nanochannel structures), pore sizes (3–60 nm), large surface areas (297–895 m2 g-1), and pore volumes (0.81–1.77 cm3 g-1) are successfully synthesized from a sodium silicate solution, which was made from high-purity silica (99.8%) extracted from rice husk. Several ball milling conditions were proposed to construct a combinational pretreatment process based on the study results. The synthesis of high value-added silica from an abundant bioresource can open up new avenues for sustainable and environment-friendly industrial development.