KR101458674B1 - 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법 - Google Patents

양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양황철나무를 이용하는 글루코오스의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법은 속성수로서, 교잡육종인 양황철나무를 이용하고 알칼리 화합물 처리 하에서 마이크로파를 처리함으로써 유용한 요소의 변성은 최소화하면서 높은 효율로 글루코오스를 제조할 수 있다. 또한 상기 글루코오스는 바이오 에탄올 등을 생산하는 공정 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING GLUCOSE USING HYBRID POPLAR(Populus nigra × Populus maxiwiczii)}
본 발명은 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법에 관한 것이다.
세계적으로 화석연료가 감소함에 따라, 바이오매스를 통한 에탄올 등의 자원을 얻기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 바이오매스는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 및 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물/미생물 유기체를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 바이오매스는 사탕수수, 사탕무 등의 설탕류; 옥수수, 밀, 쌀, 카사바, 타피오카, 고구마 등의 전분류; 및 목재류 등이 포함될 수 있다. 그런데, 목재류인 목질계 바이오매스 원료는 고구마 등의 전분질 원료, 사탕수수와 같은 당질원료와는 리그닌 등의 성분이 다량 포함되어 글루코오스, 에탄올 등을 생산하기 위해서는 전처리 (pretreatment)가 필요하다. 이에 따라, 저비용으로, 유용한 요소의 변성을 최소화하면서 바이오매스에서 높은 효율로 글루코오스를 제조하기 위해 적합한 원료 물질(속성수) 및 전처리 조건에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
양황철나무는 경제적 가치목으로 성장속도가 빠른 수종이며, 조림수종으로서 이태리 포플러, 오동나무, 아까시나무와 함께 포플러류 속성수에 속한다.
이러한 에너지원으로써 원료 물질에 적합한 수종은 포플러류, 오리나무류 등의 속성수가 있으나 특히 포플러류는 강력한 맹아발생 능력을 가지고 있기 때문에 한번 조성하면 한동안은 새로운 조성 없이도 계속 수확할 수 있는 장점이 있다. 속성수인 양황철 나무는 초본류인 억새, 갈대에 비해 연간 생산량 및 생장량이 우수하기 때문에 원료물질에 적합한 것으로 생각되며 특히 집약 관리 효과가 다른 어느 수종보다 크다. 따라서 상기 수종에서 글루코오스 등의 유용물질을 제조하는 공정 개발될 경우, 바이오매스를 통해 효율적으로 글루코오스를 제조하는 공정을 개발할 수 있을 것이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0030967호(2009.03.25 공개)
본 발명의 목적은 유용한 요소의 변성은 최소화하면서 높은 효율로 글루코오스를 제조하기 위한 양황철나무를 이용하는 글루코오스의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양황철나무의 수피를 제거하고 분쇄하여 양황철 목분을 준비하는 단계; 상기 양황철 목분을 알칼리 화합물 처리 하에서 마이크로파로 처리하는 단계; 및 상기 알칼리 화합물 처리 하에서 마이크로파로 처리된 양황철 목분을 당화시키는 단계를 포함하는 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법을 제공한다.
속성수는 기존 수목보다 빨리 자라고 바이오매스회수가 가능한 수종을 말하며, 동일한 환경조건에서 생장속도가 평균이상인 수목으로 통상적으로 10년 이내 수확이 가능한 수종을 속성수라 이른다. 속성수는 양황철나무, 이태리포플러, 수원포플러, 리기다소나무, 및 오동나무 등을 포함한다. 속성수 중에서도 교잡종인 양황철나무는 이태리 포플러 1호와 비교할 때 높은 효율로 글루코오스를 얻는데 유리할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 속성수 중에서 양버들나무와 황철나무의 교잡종(양버들( Populus nigra) × 황철나무(Populus maximowiczii))인 양황철나무를 이용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마이크로파로 처리하는 단계는 400 내지 600 W로 수행할 수 있다. 마이크로파를 400 W 미만으로 처리할 경우, 마이크로파의 처리로 인한 셀룰로오스(cellulose) 결정영역의 변화 및 리그닌과 헤미셀룰로오스(hemicellulose)의 분해가 충분하지 않을 수 있고, 600 W를 초과하여 처리할 경우, 경제성 측면에서 불리하고, 이와 더불어 주요 유용성분의 변성이 진행될 수 있다. 상기 마이크로파로 처리하는 단계는 알칼리 화합물(알칼리수용액) 처리와 함께 수행하여야 탈리그닌화 등을 효율적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 화합물 처리는 1 내지 5 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리할 수 있다.
상기 알칼리 화합물을 처리에서 1 중량% 농도 미만의 알칼리 화합물 수용액을 처리할 경우, 알칼리 화합물 처리로 인한 효과가 충분하지 않을 수 있고, 10 중량% 농도 초과의 알칼리 화합물 수용액을 처리할 경우, 알칼리 화합물 처리에 의한 효과가 증가되지 않으므로 환경적 오염 또는 약품회수, 약품중화, 리사이클 측면과 경비 발생측면에서 바람직하지 않을 수 있다. 특히, 10 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리할 경우와 5 중량%의 알칼리 화합물 수용액 처리가 유사한 효율의 나타내므로, 상기 알칼리 화합물 처리는 1 내지 5 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 알칼리 화합물 수용액 농도 증가에 따른 글루코오스 수율 증가 효과 등과 환경적 오염 또는 약품회수, 리사이클 측면과 경비 등을 고려할 때, 상기 알칼리 화합물 처리는 1 내지 3 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리하는 것이 가장 바람직할 수 있다.
즉, 상기 알칼리 화합물을 처리에서 알칼리 화합물 수용액의 농도는 바람직하게 1 내지 5 중량%일 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 알칼리 화합물 수용액의 농도는 1 내지 3 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 탄산나트륨(Na2CO3) 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH)일 수 있다.
상기 당화시키는 단계는 통상적인 방법에 따라 산 당화(acid saccharification)에 의해 수행될 수도 있으나, 효소 당화에 의해 수행되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 당화시키는 단계는 효소 당화에 의해 수행할 수 있다.
“당화”는 셀룰로오스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코오스로 전환되는 과정이며, 셀룰라아제(cellulase)가 셀룰로오스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로오스를 셀로바이오스(cellobiose)로 바꾸는 과정과 이렇게 생성된 셀로바이오스가 β-글루코시다제(β-glucosidase)의 효소반응에 의해 글루코오스로 전환되는 과정으로 나눌 수 있다.
상기 효소는 셀룰라아제, β-글루코시다제(β-glucosidase), 헤미셀룰라아제(hemicellulase) 및 자일라나아제(xylanase) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 효소는 Celluclast 1.5L(Novozymes, Denmark), Viscozyme L(Novozymes, Denmark) 등을 포함할 수 있다.
상기 효소 당화 공정 온도는 40 내지 80℃일 수 있다. 상기 당화 온도가 40℃ 미만일 경우 당화 속도가 느릴 수 있으며, 상기 효소 당화 공정 온도가 80℃를 초과할 경우 효소 변성을 일으킬 수 있다. 바람직하게는 상기 효소 당화 공정 온도는 45 내지 55℃일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양황철나무를 1 내지 5 중량% 알칼리 화합물 수용액 처리 하에서 400 내지 600 W 로 마이크로파 처리하는 단계; 및 상기 1 내지 5 중량% 알칼리 화합물 수용액 처리 하에서 마이크로파로 처리된 양황철나무를 당화시키는 단계를 포함하는 속성수를 이용하는 글루코오스 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법은 속성수로서, 교잡육종인 양황철나무를 이용하고 알칼리 화합물 처리 하에서 마이크로파를 처리함으로써 유용한 요소의 변성은 최소화하면서 높은 효율로 글루코오스를 제조할 수 있다. 또한 상기 글루코오스는 바이오 에탄올 등을 생산하는 공정 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 이태리 포플러 1호(Populus euramericana)와 양황철나무(Populus nigra × Populus maxiwiczii)의 효소 가수분해 후 글루코오스 전환율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 이태리 포플러 1호(Populus euramericana)의 원료(raw material) 시료, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 시료, 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-1) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(5 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-5) 시료 및 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(10 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-10) 시료의 가수분해 시간당 글루코오스 농도(glucose concentration)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 교잡 육종된 양황철나무(Populus nigra × Populus maxiwiczii)의 원료(raw material) 시료, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 시료, 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-1) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(5 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-5) 시료 및 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(10 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-10) 시료의 가수분해 시간당 글루코오스 농도(glucose concentration)를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 양황철나무 목분을 준비
국립산림과학원으로부터 제공받은 양황철나무 (Populus nigra × Populus maxiwiczii : hybrid poplar)가 사용되었으며 수피를 제거하고 분쇄하여 20~80 메쉬(mesh) 크기의 목분을 제조하였다.
2. 알칼리 화합물 처리 하에서 마이크로파로 처리
500㎖ 플라스크에 상기 목분 시료 20g과 1 내지 5 중량% NaOH 수용액 160㎖을 각각 넣고 냉각관(cooling tube)를 장착하여 마이크로파 오븐 400 내지 600 W 에서 3시간 동안 처리한 후 여과하고 잔사는 pH 7이 될 때까지 세척하여 65℃에서 건조시켰다.
3. 효소 당화
삼각플라스크 250㎖에 1 g의 시료, pH 4.8로 조절된 0.1M 구연산 나트륨 완충액(sodium citrate buffer)과 시판 효소인 Celluclast 1.5L(Novozymes, Denmark), Viscozyme L(Novozymes, Denmark)을 투입한 후, 50℃, 150rpm 으로 조절된 배양기에서 96시간 동안 가수분해 하였다.
실험예. 바이오매스 원료의 화학적 조성 분석
1. 실험 방법
(1) 시료
국립산림과학원으로부터 제공받은 이태리 포플러 1호 (Populus euramericana : poplus genus), 양황철나무 (Populus nigra × Populus maxiwiczii : hybrid poplar)가 사용되었으며 수피를 제거하고 분쇄하여 20~80 메쉬(mesh) 크기의 목분을 제조하여 사용하였다.
(2) 마이크로파(Microwave)/알칼리(alkali) 화합물에 의한 전처리
500㎖ 플라스크에 상기 목분 시료 20g과 1 중량% NaOH 수용액 160㎖을 각각 넣고 냉각관(cooling tube)를 장착하여 마이크로파 오븐 400 내지 600 W에서 3시간 동안 처리한 후 여과하고 잔사는 pH 7이 될 때까지 세척하여 화학적 조성 분석 및 효소 가수분해를 위해 65℃에서 건조시켰다.
5 중량% NaOH 수용액 처리 또는 10 중량% NaOH 수용액 처리하는 것을 제외하고 실질적으로 상기와 동일한 방식으로 상기 목분 시료 20g에 대해 마이크로파(microwave)/알칼리(alkali) 화합물에 의한 전처리를 수행하였다.
(3) 알칼리 전처리(alkali): 비교예의 실험 방법
500㎖ 플라스크에 상기 목분 시료 20g과 1 중량% NaOH 수용액 160㎖을 각각 넣고 30℃, 3시간 처리하였다.
(4) 알칼리/열 전처리(alkali/heat): 비교예의 실험방법
500㎖ 플라스크에 상기 목분 시료 20g과 1 중량% NaOH 수용액 160㎖을 각각 넣고 120℃, 3시간 처리
(5) 화학적 조성 분석
상기 시료 및 마이크로파/알칼리 화합물(1 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리)에 의한 전처리된 시료의 추출물 함량, 무기물 함량, 탄수화물 함량 및 리그닌 함량은 NREL 분석법에 의해 수행하였다.
가. 추출물 함량 (NREL/TP510-42619)
정칭한 시료 2g을 원통여과지(thimble filter)에 옮겨 속슬렛 추출기에서 에탄올 200㎖으로 24시간 동안 추출한 후 추출물 함량을 측정하고 탈지된 시료는 리그닌 함량 및 탄수화물 함량 측정 시료로 사용하였다. 추출물 함량, %는 하기 수학식 1에 의하여 계산하였다.
[수학식 1]
추출물 함량(%) = (전건 시료의 무게 - 추출 후 전건 시료의 무게)/전건 시료의 무게 × 100
나. 무기물 함량 (NREL/TP510-42622)
도가니에 시료를 2g을 정칭하여 도가니에 넣고 600 ± 25 ℃의 전기로에서 24시간 동안 완전히 탄화시켜서 무기물의 함량을 측정하였다. 무기물 함량, %는 하기 수학식 2에 의하여 계산하였다.
[수학식 2]
무기물 함량(%) = 회분 무게/시료의 전건 무게 × 100
다. 탄수화물 및 리그닌 함량 (NREL/TP510-42618)
탄수화물 함량과 리그닌 함량은 에탄올 추출한 탈지시료를 사용하여 72% H2SO4로 30℃에서 60 분간 가수분해한 후 증류수를 첨가하여 4% H2SO4로 희석시킨 가수분해액을 121℃에서 1시간 동안 오토클래이브(autoclave)한 후 여과하여 여과액은 탄수화물 함량 및 산가용성 리그닌 측정을 하고 잔사는 산불용성 리그닌 측정을 하였다. 산불용성 리그닌함량과 산가용성 리그닌 함량, %는 다음 식에 의하여 계산하였다.
[수학식 3]
산불용성 리그닌(%) = 산불용성 잔사의 무게/ 탈지 시료의 무게 × 100
[수학식 4]
산가용성 리그닌 함량(%) = [UV 흡광도 × 여과액의 양 × 희석배수] / [ε × 탈지 시료 무게] × 100
상기 수학식 4에서, UV 흡광도 = UV 분광광도계 240㎚에서의 흡광도, ε= 권장된 파장에서의 흡광도(L/g·㎝) - 25)
(6) 효소 가수분해
삼각플라스크 250㎖에 시료 1 g, pH 4.8로 조절된 0.1M 구연산 나트륨 완충액(sodium citrate buffer)과 시판 효소인 Celluclast 1.5L(Novozymes, Denmark), Viscozyme L(Novozymes, Denmark)을 투입한 후, 50℃, 150rpm 으로 조절된 배양기에서 96시간 동안 가수분해 하였다. 당화 중 일정시간 간격으로 1㎖의 상등액을 채취하여 HPLC를 사용하여 단당류 분석을 하였다.
이 때, 글루코오스 전환율 (glucose conversion)은 하기와 같이 분석하였다.
[수학식 5]
글루코오스 전환율 (%) = 효소 가수분해 후 생산된 글루코오스 무게/가수분해 전 시료에 함유되어 있는 글루코오스의 무게 × 100
(7) 분석
단당류 분석은 굴절율 검출기(refractive-index detector) (Shimadzu)를 장착한 HPLC (Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하였다. 단당류 분석에서 칼럼은 Aminex HPX - 87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA), 이동상은 증류수를 사용하였고, 유속은 0.6ml/min, 온도는 85℃를 유지하였다.
2. 실험 결과
(1) 교잡 육종에 의한 화학적 조성의 특성 및 당화 효율 비교
하기 표 1은 도입 육종된 이태리 포플러 1호와 교잡 육종된 양황철나무의 화학적 조성을 나타낸 결과다. C5(5탄당) 및 C6(6탄당)으로 전환 가능한 탄수화물의 함량은 교잡 육종된 양황철나무에서 67.1%로 교잡 육종되지 않은 이태리 포플러 1호의 탄수화물 함량 (66.8%)에 비해 약간 높은 함량을 나타냈다. 또한 셀룰로오스(cellulose) 및 헤미셀룰로오스(hemicellulose) 등과 결합하여 식물의 목질부를 형성하는 주요물질이며 효소 가수분해시 효소 접근성을 저해시키는 리그닌은 양황철나무에서는 24.2%, 이태리 포플러 1호에서는 23.6%로 교잡 육종된 양황철나무에서 리그닌 함량이 높게 나타났다.
조성물(%) 이태리 포플러 1호 양황철나무
추출물(Extractives) 6.2 ± 0.5 7.0 ± 0.6
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 47.3 ± 0.9 46.9 ± 0.5
헤미셀룰로오스(Hemicellulose as) 19.5 20.2
자일로스(Xylose) 15.1 ± 0.4 15.9 ± 0.4
갈락토오스(Galactose) 1.1 ± 0.3 2.1 ± 0.3
아라비노오스(Arabinose) 2.2 ± 0.1 1.1 ± 0.1
만노오스(Mannose) 1.1 ± 0.1 1.1 ± 0.2
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 22.7 ± 0.5 23.0 ± 0.7
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 0.9 ± 0.3 1.2 ± 0.4
회분(Ash) 1.7 ± 0.1 1.2 ± 0.2
상기 표 1에서 헤미셀룰로오스는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
하기 표 2는 이태리 포플러 1호와 양황철나무의 효소 가수분해 후 당 조성을 비교한 결과로 환원당 함량, 글루코오스 함량과 자일로스 함량은 교잡 육종된 양황철나무에서 높은 수치를 나타냈으며 갈락토오스 함량, 아라비노오스 함량 및 만노오스 함량은 거의 유사한 수치를 나타냈다.
기질
(substrate)		 환원당
(g·ℓ-1)		 글루코오스
(g·ℓ-1)		 자일로스
(g·ℓ-1)		 갈락토오스
(g·ℓ-1)		 아라비노오스
(g·ℓ-1)		 만노오스
(g·ℓ-1)
이태리 포플러 1호 2.49 1.40 0.80 0.16 0.09 0.05
양황철나무 2.88 1.61 0.92 0.18 0.11 0.06
상기 표 2에서 효소가수분해 조건은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소 가수분해하였다.
도 1은 이태리 포플러 1호와 양황철나무의 효소 가수분해 후 글루코오스 전환율을 비교한 결과로 교잡 육종되지 않은 이태리 포플러 1호 (13.3%)에 비해 교잡 육종된 양황철나무 (15.4%)에서 글루코오스 전환율이 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 속성수 중에서도 이태리 포플러 1호 보다 교잡 육종된 양황철나무가 글루코오스를 수득하기 위한 본 발명에 따른 글루코오스의 제조방법에 더 적합함을 확인할 수 있었다.
(2) 속성수 종류별 전처리 유무, 전처리 종류별 및 전처리 조건별 당화 효율 비교
도 2는 이태리 포플러 1호(Populus euramericana)의 원료(raw material) 시료, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 시료, 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-1) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(5 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-5) 시료 및 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(10 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-10) 시료의 가수분해 시간당 글루코오스 농도(glucose concentration)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 교잡 육종된 양황철나무(Populus nigra × Populus maxiwiczii)의 원료(raw material) 시료, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 시료, 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-1) 시료, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(5 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-5) 시료 및 마이크로파/알칼리 화합물 전처리(10 중량% NaOH 수용액, 400 내지 600 W 마이크로파, 3시간 처리; microwave/alkali-10) 시료의 가수분해 시간당 글루코오스 농도(glucose concentration)를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전처리되지 않은 이태리 포플러 1호의 96시간에서의 글루코오스 농도는 1.43g·ℓ-1로 마이크로파/알칼리 화합물 전처리 시의 이태리 포플러 1호의 96시간에서의 글루코오스 농도 4.01g·ℓ-1(microwave/alkali-1), 4.29g·ℓ-1(microwave/alkali-5), 4.34g·ℓ-1(microwave/alkali-10)로서, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리함으로써, 약 2.8 배 이상의 글루코오스 농도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 이태리 포플러 1호 시료 및 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 이태리 포플러 1호 시료는 96시간에서 3.1g·ℓ-1 및 3.8g·ℓ-1의 글루코오스 농도를 나타내어, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리 시의 이태리 포플러 1호의 96시간에서의 글루코오스 농도의 약 77%, 95% 이하의 수준 나타내어, 알칼리 전처리 및 알칼리/열 전처리에 비하여 마이크로파/알칼리 화합물 전처리가 더욱 효과적이며 적합함을 확인할 수 있었다. 마이크로파/알칼리 화합물 전처리에서 알칼리 화합물 전처리 조건을 비교하면, 1 중량% NaOH 수용액과 5 중량% NaOH 수용액을 비교(96시간 기준)하면 약 7% 글루코오스 농도 증가 효과가 있음에 비해 5 중량% NaOH 수용액과 10 중량% 수용액을 비교(96시간 기준)하면 약 1% 글루코오스 농도 증가 효과를 나타내어, 5 중량% 농도를 초과한 NaOH 수용액을 처리할 경우, 약 1 내지 5 중량% NaOH 수용액을 처리할 때보다 알칼리 화합물 농도 증가에 대한 글루코오스 수득효율이 떨어질 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 3을 참조하면, 전처리되지 않은 양황철나무의 96시간에서의 글루코오스 농도는 1.62g·ℓ-1로 마이크로파/알칼리 화합물 전처리 시의 양황철나무의 96시간에서의 글루코오스 농도 4.8g·ℓ-1(microwave/alkali-1), 5.1g·ℓ-1(microwave/alkali-5), 5.27g·ℓ-1(microwave/alkali-10)로서, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리함으로써, 약 3.0 배 이상의 글루코오스 농도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 알칼리 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 30℃, 3시간 처리; alkali) 양황철나무 시료 및 알칼리/열 전처리(1 중량% NaOH 수용액, 120℃, 3시간 처리; alkali/heat) 양황철나무 시료는 96시간에서 3.57g·ℓ-1 및 4.1g·ℓ-1의 글루코오스 농도를 나타내어, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리 시의 양황철나무의 96시간에서의 글루코오스 농도의 약 73%, 85% 이하의 수준 나타내어, 알칼리 전처리 및 알칼리/열 전처리에 비하여 마이크로파/알칼리 화합물 전처리가 더욱 효과적이며 적합함을 확인할 수 있었다. 마이크로파/알칼리 화합물 전처리에서 알칼리 화합물 전처리 조건을 비교하면, 1 중량% NaOH 수용액과 5 중량% NaOH 수용액을 비교(96시간 기준)하면 약 6% 글루코오스 농도 증가 효과가 있음에 비해 5 중량% NaOH 수용액과 10 중량% 수용액을 비교(96시간 기준)하면 약 3% 글루코오스 농도 증가 효과를 나타내어, 5 중량% 농도를 초과한 NaOH 수용액을 처리할 경우, 약 1 내지 5 중량% NaOH 수용액을 처리할 때보다 알칼리 화합물 농도 증가에 대한 글루코오스 수득효율이 떨어질 수 있음을 확인할 수 있었다.
상기 실험을 통하여, 이태리 포플러 1호와 양황철나무는 마이크로파/알칼리 화합물에 의한 전처리할 경우, 전처리 하지 않은 경우보다 글루코오스 농도가 각각 약 2.8배, 약 3.0배 이상 높아짐을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 마이크로파/알칼리 화합물에 의한 전처리를 적용할 경우 높은 효율로 글루코오스를 획득할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 양황철나무에서 이태리 포플러 1호와 비교할 때, 알칼리 전처리 및 알칼리/열 전처리에 비하여 마이크로파/알칼리 화합물에 의한 전처리 효과가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 마이크로파/알칼리 화합물 전처리에서 알칼리 화합물 전처리 조건을 비교하면, 알칼리 화합물 처리 농도가 높아질수록 글루코오스 수득율은 높아지나, 알칼리 화합물 처리 농도가 5 중량% 농도를 초과할 경우, 글루코오스 수득율 증가효율이 미비하여 약 1 내지 5 중량% NaOH 수용액을 처리하는 것이 효율적일 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 양황철나무의 수피를 제거하고 분쇄하여 양황철나무 목분을 준비하는 단계;
    상기 양황철나무 목분을 5 중량% 농도의 수산화나트륨(NaOH) 처리 하에서 400 내지 600 W 마이크로파로 3시간 동안 처리하는 단계; 및
    상기 마이크로파로 처리된 양황철나무 목분을 당화시키는 단계를 포함하는 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 당화시키는 단계는 효소 당화에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 양황철나무를 이용하는 글루코오스 제조방법.
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Bioethanol production from fast-growing hardwoods by separate hydrolysis and fermentation (SHF), 정지영, 석사학위논문, 경상대학교 대학원(2010) *
Bioethanol production from fast-growing hardwoods by separate hydrolysis and fermentation (SHF), 정지영, 석사학위논문, 경상대학교 대학원(2010)*
Process Biochemistry. Vol. 40, pp. 3082-3086(2005) *
Process Biochemistry. Vol. 40, pp. 3082-3086(2005)*
Renewable Energy. Vol. 37, pp. 109-116(2011.07.13. 온라인 공개) *
Renewable Energy. Vol. 37, pp. 109-116(2011.07.13. 온라인 공개)*

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