KR101108875B1 - Processes for the pretreatment of rice straw using TiO2, and processes for the production of saccharides and bioethanol using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광촉매를 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화티탄을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 상기 전처리된 바이오매스로부터 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전처리 방법은 효율적인 바이오에탄올의 생산뿐만 아니라 화학물질 처리에 따른 환경오염의 감소, 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있어 대용량 공정에 적합한 장점이 있다.The present invention relates to a pretreatment method of lignocellulosic biomass using a photocatalyst, and more particularly, to a pretreatment method of lignocellulosic biomass using titanium oxide and the production of sugar compounds and bioethanol from the pretreated biomass. Regarding the method, the pretreatment method according to the present invention has the advantage of being suitable for large-capacity processes because it is possible to reduce the environmental pollution, input time and cost due to chemical treatment as well as the production of efficient bioethanol.

광촉매, 리그노셀룰로스, 당화합물, 바이오에탄올 Photocatalyst, lignocellulosic, sugar compound, bioethanol

Description

광촉매를 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용한 바이오에탄올의 생산 방법{Processes for the pretreatment of rice straw using TiO2, and processes for the production of saccharides and bioethanol using the same}Processes for the pretreatment of rice straw using TiO2, and processes for the production of saccharides and bioethanol using the same}

본 발명은 광촉매를 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화티탄을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 상기 전처리된 바이오매스로부터 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pretreatment method of lignocellulosic biomass using a photocatalyst, and more particularly, to a pretreatment method of lignocellulosic biomass using titanium oxide and the production of sugar compounds and bioethanol from the pretreated biomass. It is about a method.

최근 화석연료의 고갈과 사용 시 생산되는 이산화탄소등의 가스의 발생으로 인한 지구의 온난화문제, 그리고 고유 에너지자원의 부족에 따른 국가 안보에 대한 우려 등으로 인하여 옥수수, 사탕수수, 사탕무우 등의 곡식류가 아닌 농산물의 폐기물인 식물성 바이오매스(biomass) 자원으로부터 에탄올(ethanol)을 생산하기 위한 기술이 다시 주목받고 있다. 이러한 식물성 바이오매스는 태양이 존재하는 한 지구상에서 무한정 생산이 가능한 지속 가능한 자원으로서 그 핵심에는 리그노셀룰로스(lignocellulose)가 있으며 이는 포도당으로 전환이 가능한 셀룰로 스(cellulose)를 포함하고 있기 때문이다.Due to the depletion of fossil fuels and the global warming caused by the generation of gases such as carbon dioxide produced during use, and concerns about national security due to the lack of inherent energy resources, corn, sugar cane, sugar beet, etc. The technology for producing ethanol from vegetable biomass resources, which are agricultural wastes, is receiving attention again. The plant biomass is a sustainable resource that can be produced indefinitely on the earth as long as the sun exists. At its core is lignocellulose, which contains cellulose that can be converted to glucose.

식물성 바이오매스란 태양광과 이산화탄소의 자화를 포함하는 광합성 과정을 통하여 생합성 되는 식물체를 일컫는 것으로 셀룰로스, 헤미셀룰로스(hemicellulose), 리그닌(lignin)으로 구성된 복합체인 리그노셀룰로스가 그 주성분이 된다.Vegetable biomass refers to a plant that is biosynthesized through photosynthesis process including the magnetization of sunlight and carbon dioxide. The main component is lignocellulosic, a complex composed of cellulose, hemicellulose, and lignin.

따라서 리그노셀룰로스를 원료로 해서 에탄올이나 여러 가지 화합물을 생산하기 위해서는 리그노셀룰로스를 구성하고 탄수화물을 에탄올 발효가 가능한 발효성 당으로 전환하여야 한다.Therefore, in order to produce ethanol or various compounds using lignocellulosic material, lignocellulosic cellulose and carbohydrates must be converted into fermentable sugars capable of ethanol fermentation.

리그노셀룰로스에서 핵심 기질인 셀룰로스를 포도당으로 전환하기 위해서는 셀룰로스에서 포도당 단위 2개당 1개의 물분자가 첨가되는 가수분해가 이루어져야 한다. 이러한 가수분해는 나무를 분해하는 곰팡이나 세균으로부터 유래한 셀룰라제(cellulase)에 의해 이루어지는 효소적 당화나 산, 알칼리 등의 촉매에 의해 이루어지는 화학적 당화가 있다. 화학적 당화는 화학반응이 효소반응에 비해 속도가 매우 느려 고온에서 이루어져야 하고 특이성이 없기 때문에 여러 가지 부산물과 함께 고온에서 분해산물의 생성이 많아 셀룰라제를 이용하는 효소적 가수분해가 바람직하다.To convert cellulose, a key substrate in lignocellulosic, to glucose, hydrolysis must be done in which one water molecule is added per two glucose units in cellulose. Such hydrolysis includes enzymatic saccharification by cellulase derived from fungi or bacteria that degrade wood, and chemical saccharification by catalysts such as acids and alkalis. Since chemical glycosylation is very slow compared to enzyme reactions, it must be carried out at high temperature, and there is no specificity. Therefore, enzymatic hydrolysis using cellulase is preferable because a large number of byproducts are produced at high temperatures.

일반적으로 효소에 의한 셀룰로스의 가수분해는 셀룰로스 자체의 내구성과 리그노셀룰로스의 난분해성 때문에 반드시 전처리가 선행되어야 한다.In general, hydrolysis of cellulose by enzymes must be preceded by pretreatment due to the durability of cellulose itself and the hard degradability of lignocellulosic.

일반적으로 전처리는 물리적 방법 및 화학적 방법으로 이루어져 왔다. 상기 물리적 방법은 공정이 느리고, 에너지 소비가 많아 경제성이 떨어지며, 화학적 방 법은 강산이나 강알칼리성 화합물을 사용하기 때문에 공정비용이 높아, 대용량 공정에는 부적합하며, 독성이 높아 환경에 악영향을 미치므로, 환경문제를 일으키기지 않고, 공정에 필요한 소비되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과적인 전처리 방법의 개발이 절실히 필요하다. In general, pretreatment has been accomplished by physical and chemical methods. The physical method is slow and the energy consumption is high, the economic efficiency is low, and the chemical method uses a strong acid or a strong alkaline compound, the process cost is high, it is unsuitable for high-volume process, high toxicity, adversely affect the environment, There is an urgent need to develop effective pretreatment methods that can reduce the time and cost required for the process without causing environmental problems.

이에 본 발명은 광촉매를 전처리에 이용하는 방법으로 현재까지 제시된 물리적 방법 및 화학적 방법 즉, 고온, 고압, 그리고 산 혹은 염기를 단독 혹은 혼합하여 사용하는 전처리 방법이 가지는 산업적으로 활용하기 어려운 한계를 극복하고, 기존의 화합물 혼합액을 이용하여 전처리하는 Lee 등의 방법[Yong-Jae Lee, Chang-Ho Chung, Donal F. Day, Sugarcane bassage oxidation using a combination of hypochlorite and peroxidase, Bioresource Technology (2009) 100: 935-941]과도 차별화되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present invention overcomes the industrially difficult limitations of the physical and chemical methods presented so far, such as high temperature, high pressure, and pretreatment methods using an acid or a base alone or in a mixture, as a method of using a photocatalyst for pretreatment. Lee, et al. Pretreatment using existing compound mixtures [Yong-Jae Lee, Chang-Ho Chung, Donal F. Day, Sugarcane bassage oxidation using a combination of hypochlorite and peroxidase, Bioresource Technology (2009) 100: 935-941 It is also confirmed that the differentiation and completed the present invention.

본 발명의 목적은 광촉매 존재하에 강력한 산화작용을 가지는 수산화물 라디칼(OH radical)을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a method for pretreatment of lignocellulosic biomass using hydroxide radical (OH radical) having a strong oxidation in the presence of a photocatalyst.

또한, 본 발명의 목적은 상기 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 따라 전처리된 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물을 생산하는 방법을 제공하고자 한다.It is also an object of the present invention to provide a method for producing a sugar compound from the lignocellulosic biomass pretreated according to the pretreatment method of the lignocellulosic biomass.

또한, 본 발명의 목적은 상기 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 따라 전처리된 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 생성된 당화합물을 발효하여 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제공하고자 한다.It is also an object of the present invention to provide a method for producing bioethanol by fermenting a sugar compound generated from lignocellulosic biomass pretreated according to the pretreatment method of the lignocellulosic biomass.

또한, 본 발명의 목적은 상기 바이오에탄올의 생산방법에 따라 생산된 바이오에탄올을 제공하고자 한다.It is also an object of the present invention to provide a bioethanol produced according to the production method of the bioethanol.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 광촉매 존재하에 리그노셀룰로스계 바이오매스에 광을 조사하여 리그닌을 분해하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법을 제공한다.The present invention provides a pre-treatment method for lignocellulosic biomass characterized by decomposing lignin by irradiating light to lignocellulosic biomass in the presence of a photocatalyst.

광촉매는 나노크기의 산화티탄 입자로 빛을 촉매로 하여 자정작용(self-cleaning)과 초친수작용을 하는 물질로 산화티탄(TiO2)은 태양광이나 자외선램프의 자외선을 받으면 전자 (e-)와 정공(H+)을 발생하며, 그 중에서 특히 정공(H+)은 강력한 산화작용을 가지는 수산화물 라디칼(OH radical)을 형성하여 살균효능을 가지게 된다[Klaus P. K, Iris F. Chaberny, Karl Massholder, Manfred Stickler, Volker W. Benz, Hans-GSonntag, Lothar Erdinger, Chemosphere (2003) 53: 71-77]. 또한, 전자는 광촉매에 흡착되어 있는 산소를 산소이온(O2 -)으로 생성시키는데 이 산소이온은 반응 활성종으로 산화반응 중간체에 부가되어 냄새제거나 유기물 분해 효능이 있어, 특히 최근 문제가 되고 있는 건축 마감 자재 및 건축 시공 후에 발생하는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOC) 문제의 해결책으로 중요하게 대두되고 있는 실정이다[Hodgson AT, Destaillats H, Sullivan DP, Fisk WJ, Performance of ultraviolet photocatalytic oxidation for indoor air cleaning applications. (2007) Indoor Air. 17: 305-16].The photocatalyst is titanium oxide of a material to the self-cleaning (self-cleaning) and the second hydrophilic action to the light as a catalyst to the titanium oxide particles in the nano-scale (TiO 2) will receive the ultraviolet rays of sunlight or ultraviolet light electron (e -) And holes (H + ), and especially holes (H + ) form a hydroxide radical (OH radical) having a strong oxidation effect and have a sterilizing effect [Klaus P. K, Iris F. Chaberny, Karl Massholder, Manfred Stickler, Volker W. Benz, Hans-GSonntag, Lothar Erdinger, Chemosphere (2003) 53: 71-77]. In addition, the former generates oxygen adsorbed on the photocatalyst as oxygen ions (O 2 ), which is a reactive active species, which is added to the oxidation reaction intermediate, which is odorous or decomposes organic matters. As a solution to the problems of volatile organic compounds (VOCs) occurring after finishing materials and constructions [Hodgson AT, Destaillats H, Sullivan DP, Fisk WJ, Performance of ultraviolet photocatalytic oxidation for indoor] air cleaning applications. (2007) Indoor Air. 17: 305-16.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.

본 발명은 a) 리그노셀룰로스계 바이오매스를 광촉매 분산액에 침지하는 단계; 및 b) 상기 침지된 리그노셀룰로스계 바이오매스를 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of: a) immersing lignocellulosic biomass in a photocatalyst dispersion; And b) irradiating the immersed lignocellulosic biomass with ultraviolet rays. It provides a method for pretreatment of lignocellulosic biomass comprising a.

본 발명에 따른 광촉매 분산액은 0.05 내지 0.5 중량%의 산화티탄(TiO2)을 포함한 산화티탄(TiO2)액인 것을 특징으로 하며, 자외선 조사는 230nm 내지 400nm 파장의 자외선을 60 내지 240분 조사하는 것을 특징으로한다.The photocatalyst dispersion according to the present invention is characterized in that the titanium oxide (TiO 2 ) liquid containing 0.05 to 0.5% by weight of titanium oxide (TiO 2 ), the ultraviolet irradiation is to irradiate ultraviolet rays of 230nm to 400nm wavelength 60 to 240 minutes To be characterized.

상기 광촉매는 친수성 광촉매 물질로 산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 티탄산스트론튬(SrTiO3), 산화텅스텐(WO3), 산화비스무트(Bi2O3) 및 산화철(Fe2O3)로부터 선택되는 1종 이상의 광촉매를 사용하며, 보다 바람직하게는 산화티탄(TiO2)을 사용한다. 보다 구체적인 예로, 리그노셀룰로스계 바이오매스로 가을에 추수하고 남은 볏짚을 0.1 중량% 산화티탄(TiO2) 분산액에 담궈 분산액을 완전히 흡수시킨 후 254 nm 파장의 자외선을 120분 동안 조사하는 것이 바람직하다. 상기 바이오매스는 볏짚만으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 산화티탄(TiO2)을 이용한 전처리 후, 볏짚은 물리적?형태적으로 큰 변화를 확인하였다. 도 1을 참조한다.The photocatalyst is a hydrophilic photocatalyst material such as titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and At least one photocatalyst selected from iron oxide (Fe 2 O 3 ) is used, more preferably titanium oxide (TiO 2 ). As a more specific example, it is preferable to soak the straw remaining in the autumn harvested with lignocellulosic biomass in 0.1 wt% titanium oxide (TiO 2 ) dispersion to completely absorb the dispersion, and then irradiate ultraviolet rays with 254 nm wavelength for 120 minutes. . The biomass is not limited to rice straw. After pretreatment using titanium oxide (TiO 2 ) according to the present invention, rice straw was found to have a large physical and morphological change. See FIG. 1.

본 발명은 상기 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 따라 전처리된 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물을 생산하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a sugar compound from the lignocellulosic biomass pretreated according to the pretreatment method of the lignocellulosic biomass.

본 발명에 따른 당화합물은 당화공정을 통하여 생산되며 통상적인 방법에 따라 산 당화(acid saccharification) 또는 효소 당화에 의해 수행될 수도 있으나, 효소 당화(enzymatic saccharification)에 의해 수행되는 것이 보다 바람직하다.The sugar compound according to the present invention is produced through a saccharification process and may be performed by acid saccharification or enzyme saccharification according to a conventional method, but more preferably by enzymatic saccharification.

상기 효소 당화는 당화효소를 사용하며, 엔도글루칸네이즈, 카복시메틸셀룰라제, β-글루코시데이즈 및 pNP-글루코시데이즈 또는 이들의 혼합물의 활성을 가진 당화효소를 사용하며, 바이오메스 100 중량부에 대하여 1 내지 30중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 한다.The enzyme glycosylation uses glycosylase, glycoenzyme having the activity of endoglucanase, carboxymethylcellulose, β-glucosidase and pNP-glucosidase or mixtures thereof, and 100 parts by weight of biomes. It is characterized by using in an amount of 1 to 30 parts by weight.

또한, 본 발명은 상기 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법에 따라 전처리된 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 생성된 당화합물을 발효하여 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing bioethanol by fermenting a sugar compound generated from the lignocellulosic biomass pretreated according to the pretreatment method of the lignocellulosic biomass.

본 발명에서는 바이오에탄올을 생산하기 위하여, 당화과정 후 발효과정을 수행한다. 상기 발효는 발효균주를 사용하여 수행하는 것으로, 상기 발효균주는 피키아 스튜피티스(Pichia stipitis ) KCCM 12009인 것을 사용하며, 싸카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 및 피키아 스튜피티스(Pichia stipitis) 균을 동시에 사용할 수도 있어 균의 사용에는 제한이 없다.In the present invention, to produce bioethanol, the fermentation process is performed after the saccharification process. The fermentation is performed by using a fermentation strain, the fermentation strain Pichia steffitis ( Pichia stipitis ) Saccharomyces using KCCM 12009, Saccharomyces cerevisiae ) and Pichia steffitis stipitis ) bacteria can be used at the same time, so the use of bacteria is not limited.

상기 발효균주는 본 발명에 따른 당화합물을 함유한 에탄올 발효배지에 1 : 0.5 내지 1.5의 부피비로 발효균주를 접종하여 온도 28 내지 32℃, 시간 24 내지 96시간 배양하는 것을 특징으로 한다. The fermentation strain is characterized by incubating the fermentation strain in a volume ratio of 1: 0.5 to 1.5 in the ethanol fermentation medium containing a sugar compound according to the present invention, the temperature 28 to 32 ℃, characterized in that the culture for 24 to 96 hours.

또한, 본 발명은 상기 바이오에탄올의 생산방법에 따라 생산된 바이오에탄올을 제공한다.In addition, the present invention provides a bioethanol produced according to the production method of the bioethanol.

보다 구체적으로 상기 본 발명에 따른 전처리 방법에 따라 전처리된 볏짚에 당화효소로 악셀레이즈 1000을 바이오매스 1 g당 0.25 ml 양을 첨가하여 당화공정을 수행하고, 당화 후, 분해산물 중 글루코오스 및 자일로스 양을 측정하였다. 그 결과 무처리 볏짚에서는 당화효소에 의해 단지 0.00 내지 0.02 g/L의 가수분해율을 보이는 반면, 전처리된 볏짚에서는 글루코오스인 경우 최대 10.5 g/L, 자일로스인 경우 최대 3.21 g/L를 생산하여 높은 가수분해율을 확인하였다. 도 2, 3, 4 및 6을 참조한다. More specifically, according to the pre-treatment method according to the present invention, the saccharification process is performed by adding 0.25 ml per 1 g of biomass to Axelase 1000 as a saccharase, and after saccharification, glucose and xylose in the degradation product. The amount was measured. As a result, in untreated rice straw, the hydrolysis rate was only 0.00-0.02 g / L by saccharase, whereas in pre-processed rice straw, up to 10.5 g / L for glucose and 3.21 g / L for xylose were produced. The hydrolysis rate was confirmed. See FIGS. 2, 3, 4 and 6.

또한, 바이오에탄올을 생산하기 위하여 상기 당화합물이 포함된 발효배지에 피키아 스튜피티스 KCCM 12009를 접종하여 30℃의 온도에서 3일간 발효 공정을 수행하여 바이오에탄올을 생산한 결과, 본 발명에 따른 전처리 방법은 당화효소 및 발효 미생물의 활성에 부영향을 주지 않아 당화과정과 발효과정에서 효소 및 효모들이 각각 최적화된 조건 하에 반응할 수 있어 바이오에탄올을 효율적으로 생산할 수 있는 장점을 확인하였다.In addition, inoculating the fermentation broth containing the sugar compound in order to produce bio ethanol Pichia steffitis KCCM 12009 was subjected to a fermentation process at a temperature of 30 3 days to produce bio ethanol, according to the present invention The pretreatment method did not adversely affect the activity of glycation enzymes and fermentation microorganisms, so that enzymes and yeasts could be reacted under optimized conditions in the saccharification process and fermentation process, respectively, to efficiently produce bioethanol.

본 발명에 따른 전처리 방법은 효소 및 발효 효모균 활성에 영향을 주는 잔유물의 제거를 위한 복잡한 공정이 있는 기존의 전처리 방법과 달리 저렴한 가격의 무색-무취의 광촉매 및 자외선을 조사하는 전처리 방법으로 소비되는 에너지의 절감 및 친환경적인 방법으로 간단하게 리그노셀룰로스계 바이스매스를 전처리할 수 있는 장점이 있다.The pretreatment method according to the present invention differs from the conventional pretreatment method, which has a complex process for removing residues affecting enzyme and fermentation yeast activity. There is an advantage that can easily pre-treat lignocellulosic vise mass in a reduction and eco-friendly way.

본 발명에 따른 전처리 방법에 의해 수득된 당화합물은 효소를 이용한 생물공학적 공정에 매우 효율적으로 이용될 수 있어 바이오에탄올을 생산하기 위한 화학물질 처리에 따른 환경오염도 줄일 수 있을 뿐만 아니라 투입되는 시간 및 비용을 절감할 수 있어 대용량 공정에 적합한 장점이 있다.The sugar compound obtained by the pretreatment method according to the present invention can be used very efficiently in biotechnological processes using enzymes, which not only reduces environmental pollution caused by chemical treatment to produce bioethanol, but also adds time and cost. It can reduce the cost and has the advantage of being suitable for high volume process.

이하, 본 발명을 구체적인 실시 예에 의해 보다 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 아이디어와 범위 내에서 여러 가지 변형 또는 수정할 수 있음은 이 분야에 종사하는 업자에 게는 명백한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited by the following examples, and it is apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be made within the idea and scope of the present invention.

이때, 사용되는 기술용어 및 과학용어에 있어 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미를 지닌다.At this time, if there is no other definition in the technical and scientific terms used, it has a meaning generally understood by those of ordinary skill in the art.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

[[ 실시예Example 1] 산화티탄( 1] titanium oxide TiOTiO 22 )을 이용한 전처리Pretreatment using

(1) 볏짚준비(1) straw preparation

전라남도 담양지역에서 가을에 추수하고 남은 볏짚을 시료로 사용하였다. 볏짚과 기건 상태로 방치한 후 2 내지 3 ㎝로 절단하였다. 볏짚을 50 메쉬의 분말로 생산하여 실험에 사용하였다. 볏짚은 건조중량 상태에서 약 35%의 셀룰로오스, 25% 헤미셀룰로오스 그리고, 12% 리그닌으로 이루어져 있다. Rice straw left after harvesting in Damyang, Jeollanam-do was used as a sample. The rice straw was left to dry and cut into 2-3 cm. Rice straw was produced as a 50 mesh powder and used in the experiment. Rice straw consists of about 35% cellulose, 25% hemicellulose and 12% lignin in dry weight.

(2) 산화티탄((2) titanium oxide ( TiOTiO 22 )을 이용한 전처리 실시Pretreatment using

스톡 용액으로 1 중량% 산화티탄(TiO2) 분산액을 만들어 준비하여 볏짚 처리에 이용하였고, 특히 처리 직전에 신선하게 준비하여 사용하였다. 산화티탄(TiO2) 스톡 용액은 증류수를 첨가하여 원하는 농도로 희석하여 전처리에 이용하였다. 볏짚 20 g에 적당한 농도의 산화티탄(TiO2) 분산액 200 ml에 담가 충분히 젖도록 파이넥스(pyrex) 용기에 골고루 펼쳐 넣었다. 이 용기를 UV 램프로 적당한 시간 조사하 였다. 조사가 끝난 후, 산화티탄(TiO2) 분산액을 제거하고, 산화티탄(TiO2) 성분 제거를 위해 증류수로 세척하였다. 세척이 끝나면 물은 제거하고 남은 전처리 볏짚을 효소 당화에 이용하였다. 전처리 전?후 볏짚 외관을 사진으로 촬영하여, 도 1에 나타내었다. 1 wt% titanium oxide (TiO 2 ) dispersion was prepared as a stock solution and used for rice straw treatment, and freshly prepared immediately before treatment. Titanium oxide (TiO 2 ) stock solution was diluted to the desired concentration by adding distilled water was used for pretreatment. 20 g of rice straw was immersed in 200 ml of an appropriate concentration of titanium oxide (TiO 2 ) dispersion and spread evenly in a pyrex container so as to be sufficiently wet. This vessel was irradiated with a UV lamp for a suitable time. After the irradiation, the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion was removed and washed with distilled water to remove the titanium oxide (TiO 2 ) component. After washing, water was removed and the remaining pretreated rice straw was used for enzyme saccharification. The straw straw appearance before and after the pretreatment was photographed and shown in FIG. 1.

[[ 실시예Example 2] 효소에 의한  2] by enzyme 당화Saccharification

상기 실시예 1에서 전처리된 볏짚 20 g에 악셀레이즈 1000(accellerase 1000, Genencor 사, 미국)을 처리하여 당화를 실시하였다. 악셀레이즈 1000은 혼합효소로서, 다중 효소 활성을 가지고 있고, 주 효소는 엔도글루카네이즈, 엑소글루카네이즈, 헤미셀룰레이즈 그리고, 베타-글루카네이즈이다. 전처리된 볏짚 20 g에 물 200 ml을 첨가한 후, 효소를 첨가하고 60℃에서 24시간 반응을 실시하였다. 이때, 효소는 전처리 후 처리 전 건조 중량에 대해서 볏짚 그램(g)당 0.25 ml(엔도글루카네이즈 활성: 2,500 카복시메틸셀룰로오스 U/g, 베타-글루코시데이즈 활성: 400 pNP-글루코시드 U/g)를 첨가했다. 당화 후 볏짚의 분해산물인 글루코오스와 자일로스 양은 얇은 막 크로마토그래피(Thin layer chromatography, TLC)방법과 전해질 분석기인 Multiparameter Bioanalytical System YSI 7100 MBS(YSI Life Science, 미국)를 이용하여 측정하였다. 20 g of rice straw pretreated in Example 1 was treated with Axelase 1000 (accellerase 1000, Genencor, USA) to perform saccharification. Axelase 1000 is a mixed enzyme, which has multiple enzymatic activity, and the main enzymes are endoglucanize, exoglucanize, hemicellulase and beta-glucanase. After adding 200 ml of water to 20 g of pretreated rice straw, enzyme was added and the reaction was carried out at 60 ° C. for 24 hours. At this time, the enzyme was 0.25 ml per gram of rice straw (g) with respect to dry weight before pretreatment (endoglucanase activity: 2,500 carboxymethylcellulose U / g, beta-glucosidase activity: 400 pNP-glucoside U / g) ) Was added. After glycosylation, the amount of glucose and xylose products of rice straw was measured by thin layer chromatography (TLC) method and electrolyte analyzer Multiparameter Bioanalytical System YSI 7100 MBS (YSI Life Science, USA).

[[ 실시예Example 3] 산화티탄( 3] titanium oxide ( TiOTiO 22 ) 분산액의 농도에 따른 전처리 최적조건 확인) Check the optimum condition of pretreatment according to the concentration of dispersion

산화티탄(TiO2) 분산액의 농도에 따른 전처리 최적조건을 확인하기 위해 여러 가지 농도의 산화티탄(TiO2) 분산액을 준비하여 효과를 확인하였다. 사용한 농도 는 0.001 중량%, 0.005 중량%, 0.01 중량%, 0.05 중량%, 0.1 중량%, 0.5 중량% 그리고 1.0 중량%이다. 실험방법은 상기 실시예 1의 전처리 방법과 같으며, 사용된 UV 램프의 파장은 254 nm 이고, UV 조사시간은 3시간으로 고정하여 확인하였다. 결과를 도 2에 나타내었다.To prepare various concentrations of titanium oxide (TiO 2) dispersion of the pre-processing to determine the optimum conditions according to the concentration of the titanium oxide (TiO 2) dispersion liquid was confirmed the effect. Concentrations used are 0.001%, 0.005%, 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5% and 1.0% by weight. Experimental method was the same as the pretreatment method of Example 1, the wavelength of the UV lamp used was 254 nm, UV irradiation time was confirmed by fixing to 3 hours. The results are shown in FIG.

그 결과 글루코오스인 경우 7.38에서 9.18 g/L 생산되었고, 자일로스인 경우, 0.99에서 1.30 g/L 생산되었다. 글루코오스와 자일로스 당화가 가장 많이 되는 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도는 0.1 중량%임을 알 수 있다. 따라서 다음 UV 조사시간과 UV 파장 종류에 대한 최적조건 실험에서는 이 농도로 고정하여 확인하였다. The result was 9.18 g / L for glucose and 0.99 to 1.30 g / L for glucose. It can be seen that the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion having the highest glucose and xylose glycosylation is 0.1% by weight. Therefore, the optimum conditions for the next UV irradiation time and UV wavelength types were fixed at this concentration.

[[ 실시예Example 4] 자외선 파장종류에 따른 전처리 최적조건 확인 4] Check the optimum condition of pretreatment according to the type of UV wavelength

자외선 파장 종류에 따른 전처리 최적조건을 확인하기 위해 254 nm 와 365 nm 파장을 가진 자외선(ultraviolet, UV) 및 중파장 자외선(ultraviolet-B, UVB)을 이용하여 산화티탄(TiO2) 분산액에 담궈진 볏짚을 조사하였고, 실험방법은 상기 실시예 1의 전처리 방법과 같다. 이때 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도는 0.1 중량%이며, 조사시간은 3시간으로 고정하여 반응하였다. 결과를 도 3에 나타내었다.In order to determine the optimum pretreatment conditions according to the type of UV wavelength, it was immersed in the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion using UV (ultraviolet, UV) and UV (UV) with 254 nm and 365 nm wavelengths. Rice straw was examined, and the experimental method was the same as the pretreatment method of Example 1 above. At this time, the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion is 0.1% by weight, and the irradiation time was fixed at 3 hours to react. The results are shown in FIG.

그 결과 254 nm 자외선 조사시 생성되는 글루코오스는 8.84 g/L, 자일로스는 1.25 g/L 였으며, 중파장 자외선 조사시 생성되는 글루코오스는 8.75 g/L, 자일로스는 1.24 g/L 이며, 365 nm 자외선 조사시 생성되는 글루코오스는 8.38 g/L, 자일로스는 1.10 g/L 였다.As a result, the glucose produced by 254 nm UV irradiation was 8.84 g / L, the xylose was 1.25 g / L. The glucose produced by medium-wave UV irradiation was 8.75 g / L, the xylose was 1.24 g / L, and 365 nm. The glucose produced upon irradiation with ultraviolet rays was 8.38 g / L and xylose was 1.10 g / L.

자외선 파장에 따른 전처리 조건은 거의 유사하나, 약간의 차이로 254 nm 자 외선으로 조사하였을 때 효소 당화의 최대값을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 254 nm 자외선은 일반 연구에서 가장 많이 사용되는 램프라, 쉽게 실험하는데 용이하다.The pretreatment conditions according to the ultraviolet wavelength are almost similar, but it can be seen that it has the maximum value of enzyme glycosylation when irradiated with 254 nm ultraviolet rays with a slight difference. In addition, 254 nm UV is the most commonly used lamp in general research, making it easy to experiment.

[[ 실시예Example 5]: 자외선 조사시간에 따른 전처리 최적조건 확인 5]: Confirm the optimum condition of pretreatment according to UV irradiation time

자외선 조사시간에 따른 전처리 최적조건을 확인하기 위하여 0 내지 240분 동안 30분 간격으로 자외선을 조사한 후 효소를 처리하여 당화된 정도를 확인하였다. 실험방법은 상기 실시예 1의 전처리 방법과 같으며, 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도는 0.1 중량%로, 254 nm 자외선 파장으로 고정한 후 실험을 진행하였다. 결과를 도 4에 나타내었다.In order to confirm the optimum conditions for pretreatment according to the ultraviolet irradiation time, ultraviolet rays were irradiated at intervals of 30 minutes for 0 to 240 minutes, and the degree of glycation was confirmed by treating the enzyme. The experimental method was the same as the pretreatment method of Example 1, and the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion was 0.1 wt%, and the experiment was performed after fixing at 254 nm ultraviolet wavelength. The results are shown in FIG.

그 결과 120분까지는 글루코오스와 자일로스 생산량이 증가됨을 알 수 있었다. 그리고 120분을 정점으로 해서, 거의 일정하거나 약간 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 120분에서의 글루코오스는 9.19 g/L, 자일로스는 1.70 g/L 당화 산물로 되었다.As a result, the production of glucose and xylose increased up to 120 minutes. The peak of 120 minutes was found to be nearly constant or slightly decreased. At 120 minutes glucose was 9.19 g / L and xylose was 1.70 g / L glycosylated product.

따라서 상기 실시예 2 내지 5에서의 결과를 종합해 볼 때, 산화티탄(TiO2)과 자외선을 이용한 전처리 최적조건은 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도는 0.1 중량%, 자외선의 파장은 254 nm, 자외선의 처리시간은 120분 처리했을 때 효소 당화의 최대값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, when the results are summarized in Examples 2 to 5, the optimum conditions for pretreatment using titanium oxide (TiO 2 ) and ultraviolet light are 0.1 wt% of the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion and the wavelength of ultraviolet light is 254 nm. , UV treatment time was confirmed to have the maximum value of enzyme saccharification when 120 minutes treatment.

[[ 실시예Example 6] 산화티탄( 6] titanium oxide ( TiOTiO 22 ) 분산액이 Dispersion 악셀레이즈Axelize 활성에 미치는 영향  Effect on activity

일반적으로 당화에 산을 이용하는 전처리 방법은 당화 시킬 때 효소에 영향 을 미치는 산 잔유물이 남기 때문에 산화티탄(TiO2) 분산액이 악셀레이즈 활성에 부 영향을 줌을 확인하였다. 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose, CMC)를 0.1 중량% 산화티탄(TiO2) 분산액에 1.0 중량%가 되도록 준비하였다. 이때 대조구는 물에 카복시메틸셀룰로오스를 녹여 사용하였다. 1.0 중량% 카복시메틸셀룰로오스에 0.25 mg/g이 되도록 악셀레이즈 1000을 첨가하여 60℃에서 24시간 반응을 실시하였고, 얇은 막 크로마토그래피(Thin layer chromatography, TLC)방법을 통해 효소 활성을 확인하였다. 결과를 도 5에 나타내었다.In general, the pretreatment method using acid for saccharification confirms that the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion has a negative effect on the activity of axelase because an acid residue that affects the enzyme remains upon saccharification. Carboxymethylcellulose (CMC) was prepared in a 0.1 wt% titanium oxide (TiO 2 ) dispersion to 1.0 wt%. At this time, the control was used to dissolve carboxymethyl cellulose in water. Axelase 1000 was added to 1.0 wt% carboxymethyl cellulose to 0.25 mg / g, and the reaction was carried out at 60 ° C. for 24 hours. Enzyme activity was confirmed by thin layer chromatography (Thin layer chromatography). The results are shown in FIG.

그 결과, 악셀레이즈 1000은 산화티탄(TiO2)이 존재하여도 카복시메틸셀룰로오스를 분해하여 올리고당을 생성하고, 이중 글루코오스가 가장 많이 생성되어 효소 활성에 영향을 받지 않음을 확인할 수 있었다.As a result, Axelase 1000 can be confirmed that even in the presence of titanium oxide (TiO 2 ) to decompose the carboxymethyl cellulose to produce oligosaccharides, the most of the glucose is generated is not affected by the enzyme activity.

상기 결과는 또한, 산화티탄(TiO2) 분산액에 침지한 후 자외선 처리된 바이오매스를 당화하기 위하여 효소를 사용하는 생물공학적 공정이 가능함을 명확히 보여주는 것이다.The results also clearly show that a biotechnological process is possible using enzymes to saccharify UV treated biomass after immersion in titanium oxide (TiO 2 ) dispersions.

[[ 실시예Example 7] 바이오에탄올의 생산  7] Production of Bioethanol

상기 실시예로부터 확인한 최적의 전처리 조건 즉, 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도는 0.1 중량%, 자외선의 파장은 254 nm, 자외선의 처리시간은 120분의 조건으로 볏짚 20 g을 전처리한 후, 악셀레이즈 1000을 처리하여 수득한 당화합물 100 ml에 yeast nitrogen base(without amino acid with ammonium sulfate, Difco 사) 0.17 g, 우레아 0.227 g, 질소원으로 펩톤 0.656 g을 첨가하여 발효배지를 생산하였다. 상기 최적의 전처리 후 수득한 당화합물은 글루코오스가 10.5 g/L, 자일로스는 3.21 g/L이며 또한, 얇은 막 크로마토그래피(Thin layer chromatography, TLC)방법으로 당화 산물을 확인하여 도 6에 나타내었다.After pretreatment of 20 g of rice straw under the optimum pretreatment conditions identified from the above example, that is, the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion was 0.1 wt%, the wavelength of ultraviolet ray was 254 nm, and the treatment time of ultraviolet ray was 120 minutes. Fermentation medium was produced by adding 0.17 g of yeast nitrogen base (without amino acid with ammonium sulfate, Difco), 0.227 g of urea, and 0.656 g of peptone as a nitrogen source to 100 ml of the sugar compound obtained by treating Axelase 1000. The sugar compound obtained after the optimal pretreatment had glucose of 10.5 g / L and xylose of 3.21 g / L. Also, the glycosylated product was identified by thin layer chromatography (TLC) and is shown in FIG. 6. .

반면 대조구의 배지는 당화합물 대신 글루코오스 11.85 g/L, 자일로스는 3.3 g/L을 첨가하여 생산하였다. 여기에 바이오에탄올 생산을 위해 발효균주로 한국미생물 보존센터에서 구입한 피키아 스튜피티스 KCCM 12009를 이용하였다. 피키아 스튜피티스 콜로니를 YPX 배지(100 ml당 1 g 효모 추출물, 2 g 펩톤, 2 g 자일로스)에 접종하여 18시간 배양 후, 600 nm 파장에서의 균주의 흡광도(OD600)가 10이 될 때 1/100 부피비로 발효배지에 접종하여 30℃의 온도에서 3일간 발효 공정을 수행하여 바이오에탄올을 생산하였다.In contrast, the control medium was produced by adding 11.85 g / L glucose and 3.3 g / L xylose instead of the sugar compound. For the production of bioethanol was used as a fermentation strain Pichia steffitis KCCM 12009 purchased from the Korea Microorganism Conservation Center. After inoculating Pichia steffitis colonies on YPX medium (1 g yeast extract per 100 ml, 2 g peptone, 2 g xylose) for 18 hours, the absorbance (OD600) of the strain at 600 nm wavelength was 10. When inoculated into fermentation broth at a volume ratio of 1/100 by performing a fermentation process for 3 days at a temperature of 30 ℃ to produce bioethanol.

그 결과 당화합물을 이용하여 발효 후 생성된 바이오에탄올의 양을 전해질 분석기인 Multiparameter Bioanalytical System YSI 7100 MBS(YSI Life Science, 미국)를 이용하여 측정하여 도 7에 나타내었다. As a result, the amount of bioethanol produced after the fermentation using the sugar compound was measured using a multiparameter bioanalytical system YSI 7100 MBS (YSI Life Science, USA), which is an electrolyte analyzer, and is shown in FIG. 7.

즉, 글루코오스는 1일이 경과되면 모두 소모되었고(도 7a), 자일로스는 2일이 경과되면 모두 소모되는 것을 확인할 수 있다(도 7b). 뿐만 아니라 바이오에탄올 생산량의 경우, 대조군은 에탄올 생성량이 2.442 g/L이였으며, 본 발명에 따른 전처리-당화된 볏짚을 이용할 경우에는 에탄올 생성량이 2.715 g/L이였다(도 7c). That is, glucose was all consumed after 1 day (FIG. 7A), and xylose was consumed after 2 days (FIG. 7B). In addition, in the case of bioethanol production, the control group was 2.442 g / L ethanol production, ethanol production was 2.715 g / L when using the pre-glycosylated rice straw according to the present invention (Fig. 7c).

상기의 결과에서 확인 할 수 있듯이, 본 발명에 따른 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법은 아주 간단한 방법으로 전처리-당화 후 얻은 폐기물농산물 인 볏짚으로 바이오에탄올을 생산할 수 있는 효율적인 전처리 공정이라 할 수 있겠다.As can be seen from the above results, the pretreatment method of lignocellulosic biomass according to the present invention can be said to be an efficient pretreatment process that can produce bioethanol from rice straw which is a waste product obtained after pretreatment-glycosylation in a very simple manner. .

도 1은 본 발명에 따른 전처리 후, 볏짚의 형태를 보여주는 도면이고1 is a view showing the form of rice straw after pretreatment according to the present invention.

도 2는 전처리 조건으로 산화티탄(TiO2) 분산액의 농도에 따른 당화합물의 수득양을 측정한 그래프이고,2 is a graph measuring the yield of the sugar compound according to the concentration of the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion in the pre-treatment conditions,

(■: 글루코오스, □: 자일로스)(■: glucose, □: xylose)

도 3은 전처리 조건으로 자외선 파장종류에 따른 볏짚 가수분해율을 측정한 그래프이고,3 is a graph measuring the rate of hydrolysis of rice straw according to the type of ultraviolet wavelength as a pretreatment condition,

(■: 글루코오스, □: 자일로스)(■: glucose, □: xylose)

도 4는 전처리 조건으로 자외선 조사시간에 따른 당화합물의 수득양을 확인한 그래프이고,4 is a graph confirming the yield of the sugar compound according to the ultraviolet irradiation time in the pre-treatment conditions,

(■: 글루코오스, □: 자일로스)(■: glucose, □: xylose)

도 5는 산화티탄(TiO2) 분산액이 악셀레이즈 활성에 미치는 영향을 얇은 막 크로마토그래피방법으로 확인한 결과이고,5 is a result of confirming the effect of titanium oxide (TiO 2 ) dispersion on the activity of axelase by a thin membrane chromatography method,

(1: 카복시메틸셀룰로오스, 2: 산화티탄 분산액, 3: 카복시메틸셀룰로오스+산화티탄 분산액)(1: carboxymethyl cellulose, 2: titanium oxide dispersion, 3: carboxymethyl cellulose + titanium oxide dispersion)

도 6은 본 발명에 따른 전처리 후, 수득된 당화합물을 얇은 막 크로마토그래피방법으로 확인한 결과이고,6 is a result of confirming the obtained sugar compound by a thin membrane chromatography method after the pretreatment according to the present invention,

(1: 글루코오스, 2: 자일로스, 3: 전처리 최적조건)(1: glucose, 2: xylose, 3: pretreatment conditions)

도 7은 본 발명에 따른 전처리 후, 수득된 당화합물 및 이를 이용한 바이오 에탄올의 수득양을 확인한 그래프이다.7 is a graph confirming the obtained sugar compound and the yield of bioethanol using the same after the pretreatment according to the present invention.

(a:글루코오스, b: 자일로스, c: 바이오에탄올)(a: glucose, b: xylose, c: bioethanol)

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete a) 산화티탄(TiO2) 분산액이 침지된 리그노셀룰로스계 바이오매스에 250 nm 내지 380 nm 파장의 자외선을 조사하여 전처리하는 단계;a) pretreatment by irradiating UV light of 250 nm to 380 nm to lignocellulosic biomass immersed in a titanium oxide (TiO 2 ) dispersion; b) 상기 전처리된 리그노셀룰로스계 바이오매스에 당화효소를 처리하여 글루코스(glucose) 및 자일로스(xylose)를 동시에 제조하는 단계; 및b) preparing glucose and xylose at the same time by treating the pretreated lignocellulosic biomass with glycosylation enzyme; And c) 상기 제조된 글루코스 및 자일로스에 피키아 스튜피티스(Pichia stipitis) KCCM 12009 균주를 접종하여 배양하는 단계;c) inoculating the prepared glucose and xylose with Pichia stipitis KCCM 12009 strain; 를 포함하는, 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산방법.A method of producing bioethanol from lignocellulosic biomass comprising a. 제 5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 a) 단계의 산화티탄(TiO2) 분산액은 0.05 내지 0.5 중량%의 산화티탄(TiO2)을 포함한 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산방법.The method of producing bioethanol from lignocellulosic biomass, characterized in that the titanium oxide (TiO 2 ) dispersion of step a) comprises 0.05 to 0.5% by weight of titanium oxide (TiO 2 ). 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 a) 단계의 자외선 조사는 60 내지 240분 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산방법.UV irradiation of step a) is a method for producing bioethanol from lignocellulosic biomass, characterized in that for 60 to 240 minutes irradiation. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 b) 단계의 글루코스 및 자일로스는 전처리된 바이오메스 100 중량부에 대하여 엔도글루칸네이즈, 카복시메틸셀룰라제, β-글루코시데이즈, pNP-글루코시데이즈 또는 이들의 혼합물 1 내지 30 중량부를 첨가하여 당화시켜 수득되는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산방법.The glucose and xylose of step b) are added to 1 to 30 parts by weight of endoglucanase, carboxymethylcellulose, β-glucosidase, pNP-glucosidase or a mixture thereof based on 100 parts by weight of the pretreated biomass. A method for producing bioethanol from lignocellulosic biomass, which is obtained by saccharification. 삭제delete 삭제delete 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 c) 단계의 배양은 글루코스 및 자일로스가 함유된 에탄올 발효배지에 1 : 0.5 내지 1.5의 부피비로 피키아 스튜피티스(Pichia stipitis) KCCM 12009균주를 접종하여, 온도 28 내지 32℃, 시간 24 내지 96시간 배양하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오에탄올의 생산방법.Culture step c) was inoculated with Pichia stipitis KCCM 12009 strain in a volume ratio of 1: 0.5 to 1.5 in ethanol fermentation medium containing glucose and xylose, temperature 28 to 32 ℃, time 24 Method for producing bioethanol from lignocellulosic biomass, characterized in that for culturing for 96 hours. 삭제delete
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