KR101094817B1 - 볏짚과 호열성 균주를 이용한 수소 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고열에서 암모니아와 고온의 황산을 이용하여 리그노셀룰로즈계 바이오매스인 볏짚을 전처리한 후 분해된 탄소원에 호열성 생산 균주를 첨가시켜 다량의 수소를 생산할 수 있도록 하기 위한 볏짚을 이용한 호열성 수소생산 방법에 관한 방법으로서, 리그노셀룰로즈계 농업분산물인 볏짚의 분해에 가장 큰 효과를 보이는 전처리 용액인 암모니아와 황산을 고온에서 처리하고 이렇게 전처리된 볏짚을 탄소원으로 이용하여 호열성 균주인 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)를 첨가시켜 다량의 수소를 생산할 수 있도록 한다.

본 발명은 리그노셀룰로즈계 바이오매스 활용에서 가장 문제가 되는 리그린의 제거에 효과적이며 셀룰로즈에서 헤미셀룰로즈를 효율적으로 용해시키는 방법을 제공하여 전체적인 결정구조와 복잡성을 분해하는 전처리과정을 수행하도록 함으로써 균주에 의한 수소의 다량생산이 가능하도록 하는 효과가 있다.

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Description

볏짚과 호열성 균주를 이용한 수소 생산 방법{Method for thermophilic hydrogen production using rice straw}

본 발명은 고온에서 암모니아와 황산에 의해 복합적으로 전 처리되어 가수분해된 볏짚을 원료로 하여 수득 된 탄소 원에 호열성 생산 균주를 첨가시켜 다량의 수소를 생산하기 위한 볏짚과 호열성 균주를 이용한 수소생산 방법에 관한 것이다.

구체적으로는 볏짚을 경제적으로 분해하여 탄소 원을 획득하는데 유리한 암모니아와 황산을 1기압, 121℃에서 순차적으로 전 처리한 후 가수 분해된 볏짚에 호열성 균주인 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)를 첨가시켜 수소를 생산할 수 있도록 하는 볏짚과 호열성 균주를 이용한 수소생산 방법에 관한 것이다.

현재 인류가 직면한 화석연료 고갈에 따라 발생하는 에너지 문제는 한정된 석유, 석탄, 천연가스 등의 공급 제한에 의해 발생하고 있으며, 이들의 연소에 의해 발생하는 환경오염과 지구온난화는 심각한 과제로 인식되고 있다. 이에 대한 대안으로 대체에너지 개발이 필요함을 인식한 각 국가들은 다양한 연구개발 프로그램을 마련하고 시행 중에 있다. 수소는 현재까지 알려진 연료들 중 가장 높은 에너지 를 가지고 있으며, 탄소를 함유하고 있지 않아 연소시 물만 발생하는 친환경적인 에너지원일 뿐 아니라 지속가능한 에너지원으로 인식되고 있다.

지금까지 상용화된 수소 제조기술은 석유 천연가스로부터의 수증기 개질 법이 있으나 이 기술은 화석연료 유래로서 결국 환경적인 측면과 에너지 고갈 문제는 해결할 수 없다. 또 다른 수소 생산방법은 물을 이용하여 수소를 만들고 이용한 후 다시 물로 재순환하거나, 매년 재생산되는 바이오매스 또는 폐기물을 원료로 이용하여 수소를 생산하는 방법의 개발이 필요하다.

셀룰로즈 및 리그노세룰로즈계 바이오매스(식물자원)는 부존량이 풍부하고 비용이 저렴하며 매년 재생산되므로 지속가능하기 때문에 바이오에너지 생산에 있어 가장 이상적인 공급원료(feedstock)로 알려져 있다. 특히, 한국과 같이 쌀을 주식으로 하는 국가에서 발생하는 볏짚 등의 리그노셀룰로즈 계열의 농업 부산물은 생성량이 한국에서만 연간 623만 톤에 이르며 그 양에 비하여 퇴비 등의 용도 외에는 재활용 정도가 낮다. 이러한 원인으로 리그노셀룰로즈계 바이오매스는 크게 리그닌, 셀룰로즈, 및 헤미셀룰로즈로 구성되는데 이들의 구조가 복잡하며 당과의 치밀한 결정성으로 인하여 포도당으로의 가수분해가 힘들다. 전처리공정은 이러한 구조를 느슨하게 만들고 발효할 수 있는 포도당과 같은 최종산물을 획득하여 수소나 에탄올들의 생물기반 에너지 생산을 위한 발효공정 개발에 있어 필수적이다.

현재까지 개발된 볏짚 등의 리그노셀룰로즈계 농업부산물을 원료로 생물기반 에너지 생산을 위한 전처리 기술은 물리적 기술로서 분쇄, 압출, 팽창 및 열분해 처리 등이 있고 화학적인 처리로서 산, 염기, 이온성 액체 등에 의한 가수분해방법 등이 소개되어 있다. 또한, 박테리아 및 곰팡이 유래의 효소를 이용한 생물학적인 방법들도 소개되어 있다.

생물학적 공정을 사용할 경우 리그노셀룰로즈계 원료에 포함된 리그닌의 제거가 가장 큰 걸림돌이 되고 있으며 더군다나 이후의 셀룰로즈의 분해는 셀룰로즈 분해효소에 의해 이루어지고 있지만, 기질인 셀룰로즈가 불용성, 결정성의 고분자이므로 반응속도가 매우 느린 단점이 있다. 효소의 가수분해는 효소가 처음 셀룰로즈 표면에 부착한 다음 결정구조 내의 각각의 고분자 사슬을 부분적으로 제거하고 사슬 내의 glycosidic bonding을 쪼개는 과정이다. 효소가 셀룰로즈에 흡착하는 부분은 매우 제한적인데, 이는 셀룰로즈 섬유가 빽빽이 묶여있는 배열을 가지고 있기 때문에 효소뿐 아니라 물에도 배타적으로 작용한다. 이러한 무정형인 셀룰로즈의 구조를 변형시켜 효소가 흡착할 수 있는 부분을 증가시켜 가수분해 속도를 증가시켜주는 방법으로 화학적인 처리방법과 병행하여 수율을 증가시키는 방법들도 있다.

리그노셀룰로즈계 바이오매스들은 최외각 층을 구성하는 리그닌 때문에 효소 및 화학적인 전 처리를 직접 적용하기 곤란하며 물리적인 전처리를 병행할 때 효과가 높은 것으로 알려져 있다. 이러한 것의 대표적인 예가 암모니아 냉동 파열법 (AFEX, Ammonia Freeze Explosion Technique)으로 건초의 일종인 앨팰퍼(Alfalfa)를 전 처리하여 당화공정에 사용한 사례가 소개되어 있다(Bruce E. Dale and Maria J. Moreira, 1982. Biotech. & Bioeng. Symp. 12. 31-43). 이 방법의 경우 고압의 암모니아 가스 공급 장치를 비롯한 설치비가 많이 소요되어 널리 사용되기 곤란하다. 또 다른 예로서 미합중국 특허 제4451767호에 의하면 수산화나트륨(NaOH)를 처 리하여 버개스(bagasse), 우드 더스트(wood dust), 콘 스토버(corn stover)등의 리그노셀룰로즈계 농업부산물의 전처리에 효과가 있음을 주장하였다.

최근 리그노셀룰로즈계 공급원료(feedstock)의 전처리를 이온성 액체를 이용하는 방법이 소개되어 있는데 이온성 액체는 할로젠화물(halide) 음이온들이 수소결합을 만드는 경향으로 인해 다당류구조 내에 존재하는 많은 수소결합을 파괴할 수 있어 용해성을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 이들의 회수 및 재사용이 가능하여 친환경적이면서도 경제성이 있는 것으로 평가되나 현실적으로 아직 공정에 적용하기는 어렵다. 산과 알칼리의 경우 현실적으로 가장 많이 사용하고 있으며 많은 방법이 알려져 있으나 결과적으로 단독사용으로의 효과는 서로 상이함이 적고 효과도 산업상 이용에는 제한적인 실정이다.

암모니아의 경우 리그노셀룰로즈계 원료에서 리그닌 성분을 선택적이고 효과적으로 가수분해할 수 있는 것으로 알려져 있고 제거와 재활용이 편리한 점이 장점이며, 가격이 저렴하여 경제성을 확보할 수 있는 것이 장점이다. 황산의 경우 리그노셀룰로즈 중에서도 헤미셀룰로즈를 선택적으로 분해하는데 용이하며 이들로부터 자일로스(xylose)와 아라비노오스(arabinose)와 같은 오탄당 화합물의 회수에 유리한 것으로 알려져 있다.

전체적으로 이렇게 재생된 셀룰로즈는 결정구조가 분해되어 단당인 포도당 등으로 되므로 효소의 가수분해나 호열성 미생물에 의한 소화가 더욱 쉬워진다. 이렇게 복합적으로 전 처리된 셀룰로즈를 호열성 균주의 탄소원으로 사용하여 수소 생산성을 강화할 필요성을 제기할 수 있었다.

본 발명은 상술한 필요성 제기에 따라 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온에서 암모니아와 황산에 의해 복합적으로 전 처리되어 가수분해된 볏짚을 원료로 하여 수득 된 탄소 원에 호열성 생산 균주를 첨가시켜 다량의 수소를 생산하기 위한 볏짚을 이용한 호열성 수소생산 방법을 제공함에 있다. 즉, 볏짚을 경제적으로 분해하여 탄소 원을 획득하는데 유리한 암모니아와 황산을 1기압, 121℃에서 순차적으로 전 처리한 후 가수 분해된 볏짚에 호열성 균주인 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)를 첨가시켜 수소를 생산할 수 있도록 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는, 리그노셀룰로즈계 바이오매스인 볏짚을 탄소원으로 하고, 상기 탄소원에 균주를 첨가시켜 수소를 생산하는 방법에 있어서, 고온에서 전처리 용액을 이용하여 상기 볏짚을 전처리하고, 상기 전처리된 볏짚으로부터 리그닌을 제거하고, 셀룰로즈의 결정구조를 분해하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 균주는, 호열성 균주인 것이 바람직하며, 상기 호열성 균주는, 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)인 것이 바람직하다.

상기 호열성 균주의 배양배지는, 염화나트륨(NaCl)이 제거된 TMB배지인 것을 특징으로 한다.

상기 리그노셀룰로즈계 부산물인 볏짚의 전처리 용액으로는, 암모니아, 황산, 암모니아와 황산으로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 한다.

상기 암모니아는, 10%(v/v)의 농도를 갖는 것이 바람직하며, 상기 황산은, 1-1.5%(v/v)의 농도를 갖는 것이 바람직하다.

상기 10%(v/v) 암모니아의 전처리 조건은, 100-121℃ 인 것이 바람직하며, 상기 1-1.5%(v/v) 황산의 전처리 조건은, 100-121℃인 것이 바람직하다.

상기 리그닌이 제거된 볏짚으로부터 수소를 생산하는 조건은 75~85℃의 온도에서 60~130시간 동안 배양하는 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 서술한 바와 같이 본 발명은 고온에서 암모니아와 황산에 의해 전 처리된 볏짚으로부터 수득 된 탄소 원에 호열성 균주를 첨가시켜 수소를 생산하는 방법은, 균주를 이용한 수소 생산방법에서 탄소 원으로서 볏짚을 이용하고 볏짚으로부터 균주가 이용 가능한 탄소원을 최대한 획득하기 위해 고온에서 처 리한 암모니아와 황산으로 처리한 후 균주에 의한 수소생산을 위한 탄소원을 최대한으로 제공하여 수소생산이 가능하도록 하는데 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 암모니아, 황산 및 습열에 의해 분해된 볏짚의 리그노셀룰로즈를 구성하는 탄소원에 호열성 생산 균주를 첨가시켜 수소를 생산할 수 있도록 하는 방법으로, 구체적으로는 리그노셀룰로즈 분해에 효과를 보이는 암모니아와 황산 및 습열을 이용한 복합적인 전처리 방법과 이렇게 전 처리된 볏짚에 호열성 균주인 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)를 첨가시켜 수소를 생산하는 것으로 직접적으로 바이오매스를 활용하여 수소를 생산할 수 있도록 하는 방법을 제공하고자 한다.

이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 산, 알칼리 및 습열에 의하여 분해된 리그노셀룰로즈계 농업 부산물인 볏짚을 탄소원으로 이용하고자 하는 것으로, 상기 탄소원에 호열성 생산 균주를 첨가시켜 수소를 생산한다.

하기에 게재된 표 1과 첨부된 도 1은 전 처리된 볏짚을 탄소원으로 하고, 상기 탄소원에 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana) 균주를 첨가시켜 수 소를 생산한 결과를 보여준다. 표 1을 통해 나타낸 바와 같이 볏짚을 전처리과정을 수행하지 않았을 경우와 암모니아와 황산으로 단독 전처리과정을 수행했을 경우 당화율과 리그닌 제거율 및 수소 생산량을 비교하면 전처리과정을 수행하지 않은 볏짚을 이용하는 것보다 전처리 과정을 수행한 볏짚을 이용하는 경우 수소 생산량이 약 3.5 배 증가하는 것을 알 수 있으며, 암모니아나 황산을 개별적으로 하여 전처리과정을 수행한 경우보다 암모니아와 황산을 복합적으로 하여 전처리과정을 수행한 경우가 수소의 생산량이 1.2배와 2.8배 정도 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1에서 보여준 것처럼 수소생산의 최적의 전처리된 농도도 확인할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시한다.

그러나 하기의 실시 예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1 - 가열 암모니아와 가열 황산의 복합처리에 의한 전처리 최적화

본 발명에 사용된 한국산 볏짚의 구성은 건조된 것으로서 41.4%의 셀룰로즈, 19.6%의 헤미셀룰로즈, 22.8%의 리그닌과 10.9%의 재, 나머지 불특정 성분으로 구성되어 있었다. 건조된 볏짚을 세절한 후 직경이 1.0mm 정도가 되도록 준비하였다. 이들을 가열한 암모니아수와 가열한 희석 황산을 처리한 후 각각의 수소 생산성을 확인하였다. 복합적인 가온한 암모니아와 황산의 수소 생산효과를 확인하였다.

먼저, 볏짚분말을 200ml 시약병에 1.0 g 되도록 넣고 10%(v/v) 농도의 암모 니아수를 10ml 넣어준 다음 30℃, 80℃, 100℃, 121℃까지의 온도를 각각 적용하여 각 시료의 처리시간을 10분-60분간 10분 간격으로 반응시켜 가수분해하였다. 희석 황산을 0.5%, 1.0%, 1.5% 되게 준비한 후 암모니아수와 같은 온도와 시간으로 처리하고 반응시켜 가수분해하였다. 이렇게 전 처리된 시료를 중화시킨 후 전 처리된 볏짚의 성분을 조사하여 당화효율을 분석하였다.

가열 암모니아 처리의 경우 30℃, 80℃, 100℃, 121℃에서의 포도당으로의 당화효율이 각각 40.0 %, 42.0%, 44.0%, 55.6%로 나타났으며, 자일로스(xylose)로의 당화율은 19.1%, 17.8%, 16.5%, 17.9%로 나타났다. 리그닌 제거율은 각각 2.0%, 4.0%, 7.0%, 59.1%의 결과를 보였다. 상기 결과를 종합할 때 고압증기멸균법을 사용하는 것이 리그닌 제거와 포도당으로의 당화에 효율적인 것으로 나타났다. 오토클레이브(Autoclave)의 시간은 10분에서 60분까지 포도당으로의 당화정도는 10분 처리 구가 55%로 60분 처리시 59%와 비교하여 차이가 작았으나 리그닌 제거율은 10분 처리 구가 36%인데 비하여 60분 처리구는 66.8%의 리그닌 제거율을 보였다.

상기 결과에서 확인한 포도당 당화 외에 개선된 자일로스(xylose)와 아라비노오스(arabinose)로의 전환 결과를 획득하기 위하여 희석 황산을 사용하였다. 반응조건은 상기의 결과를 참조하여 121℃에서의 처리온도를 고정하고 황산의 농도를 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%로 변경하였을 때 자일로스(xylose)로의 전환율은 각각 48.1%, 58.0%, 60.0%로 나타났다. 반응시간은 10분에서 60분까지를 적용하였을 때 50분이 58.8%로 자일로스(xylose) 당화에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 이를 볏짚 중량 1g 당 수득률로 환산하면 1.5%로 희석된 가온 황산처리시 117.72ㅁ 0.61mg 의 자일로스(xylose)와 20.99ㅁ 0.12mg의 아라비노오스(arabinose)를 획득할 수 있었다.

복합적인 가열 암모니아와 황산을 이용한 전 처리를 최적화하기 위하여 볏짚 분쇄시료를 200ml 시약 병에 1.0g 되도록 넣고 상기에서 언급한 10%(v/v) 암모니아 10mL 채웠다. 이 시료를 121℃, 1기압에서 고압증기 처리 후 수용액 층과 불용 고형물 층으로 분획한 후 성분을 1차 분석하고, 고형분층은 물로 수세하고, 여과한 후 여기에 1%의 황산을 첨가하였다. 이것을 121℃, 1기압에서 고압증기 처리한 후 수산화나트륨(NaOH)로 중화시켜 당화율과 리그닌 잔존 정도를 분석하는 데 사용하였다. 복합처리 후 포도당으로의 당화정도는 66.6%로 암모니아만 처리하였을 경우의 58.6%와 황산만 처리하였을 경우 55.1%보다 높게 나타났다. 자일로스(Xylose)로의 전환율은 19.2%로 황산 단독 처리시 19.4%와 유사하게 나타났다. 그러나 잔존 리그닌은 5.3%로 암모니아 단독 처리시 7.0%, 황산 단독처리시 15.2%보다 높게 나타나 포도당 당화와 리그닌제거에 복합처리방법이 더 효과적임을 알 수 있다.

실시 예 2 - 복합 전처리 볏짚을 기질로 수소 생산성

최적화된 조건으로 전 처리된 볏짚시료를 실질적으로 수소생산에 적용하기 위하여 전 처리된 볏짚시료를 염화나트륨(NaCl)이 제거된 TMB(Thermotoga neapolitana Basal)배지(1.5g KH₂PO₄; 4.2g Na₂HPO₄12H₂O; 0.5g NH₄Cl; 0.2g MgCl₂6H₂O; 2.0g Yeast extract; 15.0mL trace element solution 141; 1 mg resazurin)를 제조하고 120ml 세럼 버틀(serum bottle)에서 각 시료 병당 배지 40ml씩을 분주한 후 전 처리된 볏짚 시료가 10%(W/V) 되게 넣고 호열성 균주인 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)균주를 첨가시킨 후 80℃에서 150 rpm, 125시간 동안 협기조건하에서 배양하였다.

하기 표 1은 리그노셀룰로즈계 농산폐기물인 볏짚이 천 처리된 시료에 따른 수소 생산성을 비교한 것으로 나타난 바와 같이 전처리하지 않은 시료는 수소생산 정도가 158.84ㅁ 0.83mlH₂/L을 보였고 복합처리방법에 의한 수소 생산 정도는 561.91ㅁ 2.68mlH₂/L로 나타나 복합처리법에 의한 수소 생산성이 3.5배 증가한 것을 알 수 있으며, 단독 처리된 시료의 경우에도 암모니아가 1.8배, 희석황산은 2.8배 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 수소 생산에 필수적인 포도당으로의 전환율도 무 처리에 비하여 복합처리 시료가 90% 이상 향상되었음을 확인할 수 있었다.

[표 1]

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분 변경하여 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

경제적으로 농업부산물인 볏짚으로부터 가수 분해된 탄소 원을 이용하여 고 효율의 수소를 생산하는 방법을 제공함으로써 해당 분야의 산업에서 이용가능성이 크다.

도 1은 볏짚을 전처리한 시료를 이용하여 Thermotoga neapolitana에 의하여 수행된 수소 생산 정도를 날짜별로 보여준다.

Claims (10)

1. 리그노셀룰로즈계 바이오매스인 볏짚을 탄소원으로 하고, 상기 탄소원에 균주를 첨가시켜 수소를 생산하는 방법에 있어서,

   상기 볏짚을 100-121℃에서 10%(v/v)의 농도를 갖는 암모니아와 1-1.5%(v/v)의 농도를 갖는 황산에 순차적으로 침액(soaking)하여 전처리하고, 상기 전처리된 볏짚으로부터 리그닌을 제거하고, 호열성 균주는 서머토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana)를 접종하여 염화나트륨(NaCl)이 제거된 TMB배지에서 75~85℃의 온도에서 60~130시간 동안 배양함에 의해 셀룰로즈의 결정구조를 분해하는 것을 특징으로 하는 볏짚과 호열성 균주를 이용한 수소 생산 방법.
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