KR101493227B1 - 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용한 당화합물과 바이오연료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용하여 당화합물 및 바이오연료(예를 들어, 바이오에탄올 또는 바이오부탄올)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상세하게는 화학적 전처리 단계 없이, 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 마멸분쇄(attrition mill) 방식의 물리적 전처리 단계에 의하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용하여 당화합물 및 바이오연료를 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에 의하면, 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오연료를 생산하는 생물전환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용한 당화합물과 바이오연료의 제조방법{Pretreatment method of lignocellulose biomass, and manufacturing method of saccharides and biofuel using the same}

본 발명은 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용하여 당화합물 및 바이오연료(예를 들어, 바이오에탄올 또는 바이오부탄올)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상세하게는 화학적 전처리 단계 없이, 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 마멸분쇄(attrition mill) 방식의 물리적 전처리 단계에 의하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법 및 이를 이용하여 당화합물 및 바이오연료를 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에 의하면, 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 효율적으로 바이오연료를 생산할 수 있다.

화석연료의 고갈에 따른 에너지 가격 폭등과 환경오염에 대한 우려로 대체에너지 개발에 대한 요구가 활발히 진행되고 있다. 풍력, 조력, 대양열, 이차전지 등 다양한 대체에너지 개발이 진행되고 있으며 특히 환경 문제와 연계하여 바이오연료 개발에 대한 관심이 집중되고 있다.

바이오연료는 바이오매스(Biomass)라 하는 식물 생명체의 분해를 통해 최종적으로 에탄올이나 부탄올과 같은 연료를 생산하는 기술이다. 바이오매스는 전분계, 목질계, 조류 등이 사용될 수 있으며 전분계의 경우 세포벽이 두껍지 않기 때문에 별다른 전처리 공정없이 바로 당화 공정과 발효 공정을 통해 바이오연료를 얻을 수 있다. 하지만 목질계 바이오매스의 경우 셀룰로오즈를 둘러싼 리그닌을 깨뜨려야 비로소 셀룰로오즈를 통한 당화와 발효 공정이 가능하기 때문에 리그닌을 분해하는 전처리 공정이 중요한 요소 중의 하나이다.

효과적인 전처리 공정은 섬유소의 함량을 증가시키고 미세섬유의 결정성을 감소시켜 바이오매스의 단위면적당 효소의 흡착율을 높임으로써, 섬유소의 반응성을 증가시키고 효소 가수분해 능력을 증가시킨다. 전처리 방법으로는 리그노셀룰로스계 바이오매스의 종류에 따라 다양한 물리적, 화학적 방법이 있으며, 예를 들어 증기 폭쇄법, 알칼리 처리법, 이산화황 처리법, 과산화수소 처리법, 초임계 암모니아 처리법, 약산 추출 처리법, 암모니아 동결 폭쇄법 등이 알려져 있다.

이중 가장 많이 사용되는 약산 추출 처리법은 고온고압의 반응기에 목재 등을 미분쇄하여 장입하고 그 틈새로 저농도의 산을 흘러 보내주어 헤미셀룰로스와 일부 리그닌을 추출하여 제거하는 방법이다. 이 방법은 반응기 내의 온도와 개개입자의 반응시간을 균등하게 하고 추출 분해물의 반응기 내 체류시간을 일정하게 유지할 수 있으므로 초기 분해물의 고온 상태에서의 장시간 반응에 의한 과도한 분해, 전환에 의한 부산물 생성을 줄이고 고형물(셀룰로스 및 리그닌)의 회수율을 높일 수 있으며 자일란의 회수율도 80~90% 이상으로 할 수 있다.

그러나, 상기 방법은 바이오매스 조직의 물리적 파쇄를 유발하기 어렵고 추출수에 미세입자가 동반하여 배관이 폐색되거나 처리 전 미분쇄에 과도한 동력이 소요되는 등의 문제점이 있다.

한편, 알칼리 처리에 의한 리그닌의 분해도 유망한 전처리 기술로 각광을 받고 있다. 알칼리 처리의 경우 알칼리성 용매인 암모니아수, 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 황화나트륨을 1종 이상 처리하여 리그닌을 분해한다. 하지만 알칼리 처리의 경우 높은 pH 값 (≥ 10)에 의해서 이후에 따르는 셀룰로스 분해 효소 및 자일란 분해 효소의 활성을 저해하게 되어 이후에 pH 저해 공정이 뒤따라야 한다. 이 공정에서는 다량의 물을 사용해야 하며 산 처리시는 불필요한 염류를 형성하여 여전히 해결해야 하는 문제로 남아있다.

무엇보다도 현재 가장 많이 사용되는 두 가지 전처리 방법 모두 단당류만 생성되는 것이 아니라 약산, 퓨란 유도체, 페놀계 화합물 등이 발생하게 된다. 이런 화학물들은 이후 발효 공정에서 활용될 미생물에 치명적인 독성을 유발하게 되어 이후에 발생할 발효 공정의 효율을 저감시키는 영향을 미치게 된다. 이때 발생하는 주요한 화학물질들이 푸르푸랄 (Furfural), 바닐린 (Vanillin), 페룰산 (Ferulic acid), 쿠마릭산 (Coumaric acid) 등이다.

상기 화학물질 중 특히 푸르푸랄과 하이드록시메틸푸르푸랄의 경우는 높은 독성을 나타낸다는 것이 이미 보고되고 있다. 즉, 1 mg/L의 푸르푸랄에 대해서도 효모와 대장균에서 심각한 활성 저해 현상이 발생하는 것이 보고되었으며(Banerjee et al., 1981), 하이드록시메틸푸르푸랄에서도 대장균을 포함하여 17가지 균주를 가지고 독성 테스트를 수행했을 때 세포 활성 저해가 발견되었다.(Banerjee et al., 1981)

또한, 상기와 같은 독성물질이나 사용된 산,염기 등을 제거하기 위해 다량의 물이 사용되는 경우가 많으며 이로 인한 이차 환경 오염 및 에너지 소비가 뒤따르게 된다. 또한 물을 사용한 세척시 원료로 사용되는 바이오매스가 유실되는 경우가 많아 실제 에너지 발생 효율이 떨어진다는 문제가 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 화학적인 처리 방법이 아닌 물리적인 처리 방법을 이용한 목질계 바이오매스 처리 방법들이 연구되고 있다. 대한민국 특허 10-1171922에서는 바이오매스의 전처리를 위해 먼저 스톤 그라인딩 (stone grinding), 기계적 째기(mechanical ripping), 찢기(tearing), 핀 그라인딩(pin grinding), 공기 마찰 밀링(air attrition milling) 에 의해 초기 바이오매스의 크기를 감소시키고 이후 전자빔 조사를 통해 바이오매스를 분해하는 공정이 개시하고 있다. 그러나, 이 경우 두 번의 전처리 공정을 수행하게 되고 무엇보다도 전자빔 조사는 에너지 소비가 높아서 실제 바이오매스 분해를 통해서 생성되는 에너지 보다 더 많은 에너지를 소비하게 되는 문제점이 있다.

대한민국 특허 10-1159290은 디스크 밀링 방법을 사용하여 바이오매스를 전처리하는 방법을 사용하고 있으나, 이는 비교적 겉 표면막이 약한 해조류 바이오매스를 사용하고 있고, 전처리 후에도 H2SO, HCl, HBr, HNO3, CH3COOH, HCOOH, HClO4, H3PO4, PTSA(para-toluene sulfonic acid)와 같은 고체산 촉매 처리가 뒤따르는 2단계 전처리 공정이 필요하다.

대한민국 특허 10-0965851의 경우 팝핑 (Popping method)에 의해서 옥수수대의 효소분해 공정 효율을 증대시키는 기술을 소개하였다. 팝핑법을 사용하면 옥수수대의 화학적인 조성에는 변화가 없지만 물리적으로 더 작게 분해가 된다. 하지만 리그닌의 결에 따른 분해는 되지 않으며 리그닌의 분해 정도가 그리 높지 않아 효율 향상 효과가 미미하다.

대한민국 특허 10-0994594나 10-1037125의 경우 목질계 바이오매스의 발효 저해물질을 중합시키는 방법을 기술하였는데, 이 경우는 전처리 과정에서 이미 발생한 발효 저해물질을 과산화효소나 중화제를 처리하여 중합시키는 것으로 역시 2단계 전처리 공정이 필요하다.

한편 Energy & Fuels (2006) 20, 807-811에서 공지된 기술에서는 볼 분쇄(ball milling)를 통해서 셀룰로오스의 결정성을 약화시키는 기술이 공지되었다. 이 기술은 볼 분쇄된 셀룰로오스를 약산 처리하여 셀룰로오스 결정성 약화의 효과를 얻었다. 또 다른 공지 기술인 AIChE Journal (2010) 57, 793-800 에서도 마찬가지로 볼 분쇄를 사용하여 셀룰로오스의 분해에 미치는 영향을 공지하였으며 이 기술의 경우 고압증기에 상태에서 볼 분쇄를 병행하여 사용하였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 오로지 물리적인 분쇄(milling) 만을 이용한 전처리 공정은 아직 개발되지 못하였다. 이에, 본 발명에서는 화학적 전처리 단계 없이, 오로지 물리적 전처리 단계에만 의하여 목질계 바이오매스를 전처리함으로써, 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 효율적이고 간단하게 바이오연료를 생산할 수 있으며 친환경적인 전처리 방법을 개발하였다.

이에 본 발명의 목적은 화학적 전처리 단계 없이 오로지 물리적 전처리 단계에만 의하여 바이오매스를 전처리함으로써, 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 효율적이며 친환경적으로 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 바이오연료를 생산할 수 있 전처리 방법 및 이를 이용한 당화합물 및 바이오연료의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시킬 수 있는 리그노셀룰로스(lignocellulose)계 바이오매스의 전처리 방법으로서, 화학적 전처리 단계 없이, i) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 ⅱ) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식의 물리적 전처리 단계에 의하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법을 제공한다.

이때, 상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 볼의 크기는 1~5Φ인 것이 바람직하며, 상기 바이오매스의 분쇄를 위한 용기 또는 교반기의 회전 속도는 150~400rpm이고, 상기 분쇄는 3~10시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 바이오매스와 버퍼의 혼합물과 볼의 부피비는 1 : 0.5~1.5이고, 상기 바이오매스, 버퍼 및 볼의 총 부피는 상기 용기의 60~70%인 것이 바람직하며, 상기 바이오매스의 농도는 5~100㎎/㎖ 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 당화합물의 제조방법으로서, i) 상기에서 살펴본 전처리 방법을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계, 및 ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계를 포함하는 당화합물의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼는 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것이 사용되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 물리적 전처리 단계 후에 별도의 부산물 제거 단계 없이 바로 당화 단계가 이어지거나 또는 상기 물리적 전처리 단계와 상기 당화 단계가 동시에 진행될 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 바이오연료의 제조방법으로서, i) 상기에서 살펴본 전처리 방법을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계, ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계, 및 ⅲ) 상기 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시키는 발효단계를 포함하는 바이오연료의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼는 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것이 사용되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 물리적 전처리 단계 후에 별도의 부산물 제거 단계 없이 바로 당화 단계가 이어지거나 또는 상기 물리적 전처리 단계와 상기 당화 단계가 동시에 진행될 수 있다. 또한, 동시당화(simultaneous saccharification and fermentation process) 공정을 이용하여 상기 물리적 전처리 단계, 상기 당화 단계 및 상기 발효단계를 동시에 진행할 수도 있다.

이에 본 발명은 전처리 방법은 화학적 전처리 단계 없이 오로지 물리적 전처리 단계에만 의하여 리그닌의 결합을 깨뜨리고 효소의 접근성을 높임으로써, 독성 부산물, 즉 미생물 활성 저해제의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 효율적이고 간편하게 바이오매스로부터 바이오연료를 생산할 수 있다. 또한, 본 발명은 전처리 방법은 보다 친환경적인 방법으로 바이오매스 분자들의 결합을 끊을 수 있어 대체 에너지 생산에 있어서 더욱 적합하다.

도 1은 기존에 사용되던 볼 분쇄의 문제점을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 방법으로서, 유성분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 방법으로서, 마멸분쇄 방식의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4a는 전처리 전과 유성분쇄와 마멸분쇄 방식의 전처리 후의 볏짚의 SEM 사진 모습이다. (전처리 전의 볏짚의 모습(a), 유성 분쇄 후 볏짚의 모습(전처리 볏짚 농도 5 mg/ml(b), 10 mg/ml(c), 20 mg/ml(d), 40 mg/ml(e), 60 mg/ml(f)), 마멸 분쇄 후 볏짚의 모습(전처리 볏짚 농도 5 mg/ml(g), 10 mg/ml(h), 20 mg/ml(i), 40 mg/ml(j), 60 mg/ml(k))
도 4b는 유성 분쇄와 마멸 분쇄 후 볏짚의 미세 구조를 확대한 SEM 사진이다.
도 5a는 전처리 볏짚 농도에 따른 유성 분쇄 후의 볏짚과 전처리 이전의 볏짚, 그리고 리그닌의 X-ray Diffraction (XRD)을 보여주는 그래프이다.
도 5b는 전처리 볏짚 농도에 따른 마멸 분쇄 후의 볏짚과 전처리 이전의 볏짚,그리고 리그닌의 X-ray Diffraction (XRD)을 보여주는 그래프이다.
도 6a는 유성분쇄 전처리 후의 전처리 볏짚 농도에 따른 전체 환원당 생성 농도를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 마멸분쇄 전처리 후의 전처리 볏짚 농도에 따른 전체 환원당 생성 농도를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 유성분쇄 전처리 후의 전처리 볏짚 농도에 따른 1mg의 볏짚당 생성된 환원당 농도를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 마멸분쇄 전처리 후의 전처리 볏짚 농도에 따른 1mg의 볏짚당 생성된 환원당 농도를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 유성 분쇄 전처리 된 볏짚을 셀룰라아제 효소 처리한 후 HPLC를 통해 측정하여 계산한 1 mg의 볏짚에서 생성된 단당류 글루코오즈와 자일로즈의 농도를 표시한 그래프이다.
도 8b는 마멸 분쇄 전처리 된 볏짚을 셀룰라아제 효소 처리한 후 HPLC를 통해 측정하여 계산한 1 mg의 볏짚에서 생성된 단당류 글루코오즈와 자일로즈의 농도를 표시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 리그노셀룰로스(lignocellulose)계 바이오매스의 전처리 방법은 화학적 전처리 단계 없이, 도 2에 도시된 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 도 3에 도시된 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식의 물리적 전처리 단계에 의하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전처리 방법은 종래의 화학적 전처리 방법이 가지고 있는 독성 부산물의 생성, 바이오매스의 질량 손실 및 환경 오염 등의 문제점을 해결하기 위하여 물리적인 방식으로만 전처리를 시행하는 것을 특징으로 한다.

한편, 기존에 사용되던 물리적 전처리 방법인 볼 분쇄(ball milling) 방법은 도 1에 도시한 바와 같이, 중심축을 기준으로 한 원통의 회전에 의해 내부에 있는 세라믹볼이 낙하하며 바이오매스를 분쇄하는 원리로써 일반적으로 회전속도(rpm)를 높일수록 분쇄효율이 증가한다. 그러나 일정 속도 이상 회전력을 높이면 세라믹볼에 작용하는 원심력과 구심력이 평형을 이루게 되면서 세라믹볼이 더 이상 낙하하지 않아 분쇄가 발생하지 않게 되므로, 분홰 효율을 향상시키는데 한계가 있다.

이에 반해, 본 발명에 따른 물리적 전처리 방법은 i) 도 2에 도시된 바와 같이 용기가 서로 다른 회전축으로 공전과 자전을 동시에 함으로써, 두 개의 서로 다른 회전축을 가진 회전력을 통해 내부의 세라믹볼의 회전을 극대화하여 바이오매스를 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식을 이용하거나, ⅱ) 도 3에 도시된 바와 같이 샤프트 핀(shaft pin)이 형성된 교반기(agitator)에 의해서 용기 내에 힘의 구배를 유도하고, 상기 힘의 구배가 형성된 용기 내에서 세라믹볼 간의 마찰을 유도하여 내부에 있는 바이오매스를 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 물리적 전처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 바이오매스는 볏짚 등 다양한 리그노셀룰로스(lignocellulose)계 바이오매스가 사용될 수 있으며, 효율적인 분쇄를 위하여 버퍼와의 혼합물 형태로 용기 내로 투입된다. 이때, 상기 버퍼는 다양한 물질이 사용될 수 있으나, 본 발명의 전처리 방법은 독성 부산물 제거 및 세척 등을 위한 후처리 공정이 필요하지 않으므로, 바이오연료 제조를 위한 후속 공정인 당화 공정에 사용되는 버퍼와 동일한 버퍼를 사용하여 후속공정에서 그대로 이용할 수 있으며, 이 경우 버퍼를 교환하는 추가 공정 및 비용이 발생하지 않는다. 또한, 독성 부산물 제거 및 세척 등을 위한 후처리 공정이 필요하지 않으므로, 화학적 전처리 방법과 비교하여 바이오매스의 질량 손실 및 환경 오염 문제도 거의 발생하지 않는다.

이때, 상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 볼의 크기는 1~5Φ인 것이 바람직하며, 그 이하의 크기를 가지는 볼은 충분한 분쇄 효과를 얻기 어렵고, 그 이상의 크기를 가지는 볼은 바이오매스 분쇄 시 볼(Ball)들끼리의 충격으로 깨지기 쉽고 용기에 손상을 가져올 수 있다.

또한, 상기 바이오매스의 분쇄를 위한 용기 또는 교반기의 회전 속도는 150~400rpm이고, 상기 분쇄는 3~10시간 동안 이루어지는 것이 바람직하며, 그 이하인 경우에는 분쇄가 충분히 이루어지지 않고, 그 이상은 추가적인 분쇄 효과를 얻기 어렵다.

그리고, 최적의 분쇄 효과를 얻기 위하여, 상기 바이오매스와 버퍼의 혼합물과 볼의 부피비는 1:0.5~1.5, 바람직하게는 1:1의 부피비로 사용될 수 있으며, 상기 바이오매스, 버퍼 및 볼의 총 부피는 상기 용기의 60~70%인 것이 바람직하다. 상기 부피비 또는 총 부피가 상기 범위보다 많거나 적은 경우, 상기 볼과 바이오매스와의 충돌 횟수의 효율이 떨어지게 된다.

또한, 상기 바이오매스의 농도는 5~100㎎/㎖ 인 것이 바람직하며, 그 이상인 경우에는 분쇄 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 내부 용액의 점성이 올라가 볼의 파쇄 효과가 줄어들며, 그 이하인 경우에는 볼과 바이오매스와의 충돌 횟수가 적어지게 되어 분쇄 효율이 떨어지게 된다.

상기에서 살펴본 물리적 전처리 단계 후, 바로 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시킴으로써 높은 효율로 당화합물을 얻을 수 있으며, 상기 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시킴으로써 경제적이면서도 친환경적으로 바이오연료를 제조할 수 있다.

이때, 앞서 살펴본 바와 같이 상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼는 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것이 사용될 수 있으므로, 이에 따라 상기 물리적 전처리 단계 후에 바로 당화 단계가 이어지거나 또는 상기 물리적 전처리 단계와 상기 당화 단계가 동시에 진행되도록 할 수 있다.

또한, 동시당화(simultaneous saccharification and fermentation process) 공정을 이용하여 상기 물리적 전처리 단계, 상기 당화 단계 및 상기 발효단계를 동시에 진행할 수도 있다.

따라서, 당화합물 및 바이오연료의 제조가 훨씬 간단하고 경제적이며 효율적으로 이루어질 수 있다.

이하 볏짚을 이용한 일 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

마멸 분쇄와 유성 분쇄를 이용한 바이오매스 전처리

본 발명의 전처리 공정을 실시하기 위해 먼저 볏짚을 먼저 400 μm ~ 2 cm 의 크기로 가정용 분쇄기(Blending)로 분쇄한 후 마멸 분쇄(Attrition mill)와 유성 분쇄(Planetary mill)를 시행하였다.

상기 마멸 분쇄(Attrition mill)와 유성 분쇄(Planetary mill)를 사용할 때에는 버퍼(Buffer)를 첨가하되 후에 진행할 당화 공정을 생각하여 효소 분해공정에서 사용되는 동일한 버퍼인 50 mM의 소디움 아세테이트 버퍼를 사용하였다.

또한, 이때 3Φ 크기의 볼(ball)을 사용하였으며, 볏짚과 버퍼(Buffer)를 합한 혼합물과 볼(Ball)의 부피비가 1:1의 비율이 되도록 하였으며, 용기(Vessel) 안의 볏짚과 버퍼(Buffer), 볼(Ball)을 포함하는 총 부피가 65%가 되도록 하였다.

상기의 조합으로 세라믹 볼과 볏짚을 넣고 마멸 분쇄기와 유성 분쇄기에 넣은 후, 300 rpm의 회전속도로 분쇄를 실시하여 시간별로 샘플을 채취하였다.

[실시예 2]

전처리에 의한 볏짚의 크기 및 미세구조 분석

본 발명에 따라 얻어진 볏짚의 크기를 알아보고자 SEM(Scanning Electron Microscop) 분석을 시행하였고 이를 도 4a에 나타내었다. 그림 4a와 같이 전처리된 볏짚은 농도가 낮을수록 분쇄 효율이 더 좋았고 마멸 분쇄(Attrition mill)보다는 유성 분쇄(Planetary mill)로 분쇄를 시행하였을 때 좀 더 향상된 효과를 보였다.

또한, 초기 전처리 볏짚의 농도가 가장 낮은 5 mg/ml와 60 mg/ml에서의 볏짚 조각들을 비교해보면 육안으로도 농도가 낮을 때 그 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 처음 blender만을 사용하여 준비된 샘플의 대부분은 대부분의 볏짚 입자의 크기가 400 μm 이상의 크기를 보이고 있지만 5 mg/ml의 농도에서 실시한 유성 분쇄에서는 10~30μm 크기의 볏짚 입자로 분쇄되었고 볏짚의 농도를 높일수록 입자의 크기도 켜져서 60 mg/ml 농도의 유성 분쇄에서는 100μm 크기의 입자들로 분쇄되었다.

마멸 분쇄의 경우 유성 분쇄에 비해서는 크기가 커서 5 mg/ml의 농도에서도 약 50 μm에서 100 μm 사이의 볏짚으로 분쇄되었고 60 mg/ml의 농도에서도 유성 분쇄에 비해서 입자의 크기가 더 크다는 것을 알 수 있다.

볏짚의 미세구조를 확인하기 위해 SEM 이미지를 더 확대하여 봤을 때, 도 4b에서 확인할 수 있듯이 유성 분쇄가 입자를 더 작게 하고 볏짚의 농도가 낮을수록 입자의 크기는 더 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한, 마멸분쇄에서 볏짚의 표면 거칠기가 더 큰 것을 알 수 있으며, 5 mg/ml과 60 mg/ml 모두에서 마멸 분쇄에서 거칠기가 더 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.

전체적인 모습을 봤을 때 유성 분쇄의 경우 볏짚을 깨뜨리는 것과 같은 형상을 보이지만 마멸 분쇄는 볏짚을 표면부터 마모시키는 형상을 보이고 있다.

[실시예 3]

전처리에 의한 볏짚의 결정성 변화 분석

결정성 변화를 알아보기 위하여 XRD(X-ray Diffractometer)를 사용하였고 이를 도 5a, 5b에 나타내었다. 먼저 비교군으로 분석한 볏짚의 스펙트럼에서 주된 피크가 리그닌의 피크임을 알 수 있다.

유성 분쇄를 하였을 때 실시예 2에서 볏짚의 농도가 낮아질수록 분쇄가 더 잘되어서 미세한 입자로 분쇄되는 것을 확인하였는데 XRD 스펙트럼에서도 고농도의 볏짚인 60 mg/ml에서 보이는 리그닌의 피크가 농도가 낮아질수록 점점 낮아지고 대신 27 ~ 35 (2θ/min) 위치에서 새로운 피크가 형성되어 점점 높아지고 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 도 5b에 나와있는 마멸 분쇄 샘플의 XRD 결과를 보면 리그닌의 피크가주된 피크이며 농도의 변화에도 그리 많이 변하지는 않는 것을 알 수 있다.

따라서, XRD 스펙트럼에서도 유성 분쇄가 더 효과적임을 알 수 있으며 전처리에 의해 전체적으로 볏짚의 결정성이 더 무정형(amorphous)이 되어 가는 것을 알 수 있다.

[실시예 4]

전처리에 의한 환원당 (reducing sugar)의 생성 분석

전처리 후 분쇄산물의 환원당 (reducing sugar)을 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법을 사용하여 측정하였다. 환원당은 알데하이드 작용기나 헤미아세탈 작용기를 가지고 있는 개방 체인 형태를 가진 당을 말하며 이를 통해 볏짚의 표면을 덮고 있는 리그닌이 얼마나 깨뜨려져서 내부에 있는 셀룰로오즈가 외부로 노출됐는지 알 수 있다. 즉, 동일한 질량의 셀룰로오즈를 사용했을 때는 환원당이 많다는 것은 셀룰로오즈의 연결이 보다 작게 끊어져서 그만큼 단당류든 다당류든 어느 종류의 당이든지 많이 생성됐다는 것을 의미한다.

도 6a, 6b에서 보는 바와 같이 유성 분쇄와 마멸 분쇄 모두에서 분쇄 시간이 지남에 따라 환원당이 증가하는 것을 확인할 수 있었고 이를 통해 분쇄 시간이 지남에 따라 분쇄가 계속 발생하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 볏짚이 많이 들어가 있을수록 생성되는 환원당의 양도 많다는 것을 알 수 있었다. 두 개의 분쇄 방법에서는 유성 분쇄가 마멸 분쇄보다 더 효과가 좋은 것을 확인할 수 있었다.

도 7a, 7b에서는 볏짚 1 mg당 생성되는 환원당의 양을 환산하여 표시하였다. 도 6a, 6b에서는 볏짚의 양이 많을수록 더 많은 환원당이 생성되고 그 차이가 확연히 나타났지만, 도 7a, 7b에서 보면 실제 볏짚의 분쇄 효율적인 측면에서는 유성분쇄 마멸분쇄 모두 20㎎/㎖에서 가장 효과적으로 볏짚이 분쇄되는 것을 알 수 있다.

결국 한정된 세라믹 볼에 의한 분쇄에서 너무 높은 농도의 볏짚은 분쇄 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 볏짚의 농도로 인해 내부 용액 자체의 점성이 올라가 세라믹볼의 파쇄 효과가 적어지게 되며, 너무 작은 농도의 볏짚은 볏짚의 충돌 횟수가 적어지게 되어 분쇄 효율이 떨어지게 되고, 이에 따라 최적의 농도는 20 ㎎/㎖임을 확인할 수 있었다.

[비교예]

화학적 전처리 방법

상기 전처리 과정 중에 발생하는 볏짚의 질량 변화와 독성 물질 발생을 비교하기 위해 비교예로 화학적 전처리 공정의 대표적인 방법인 15 % 암모니아 침지법과 알칼리 처리법을 실시하여 비교하였다.

상기 15 % 암모니아 침지법에 의하여 전처리된 볏짚은 5g의 볏짚을 15 % 암모니아 용액과 1:6 (볏짚:암모니아)의 비율로 섞은 후 60 ℃에서 12시간 동안 반응시키고 종이 필터를 이용하여 암모니아 수용액을 제거한 후 3차 증류수로 pH가 7이 될 때까지 세척한 후 45 ℃에서 24시간 동안 건조하여 준비하였다.

또한, 상기 알칼리 전처리 방법에 의하여 전처리된 볏짚은 5g의 볏짚을 1 % NaOH에 1:10 (볏짚:NaOH)의 비율로 혼합하고 121 ℃에서 15분 동안 autoclave를 한 후 pH 7이 될 때까지 증류수로 세척한 후 45℃에서 24시간 동안 건조하여 준비하였다.

[실시예 5]

전처리에 의한 페놀류 화합물의 생성과 볏짚 질량 변화

전처리에 의한 바이오매스의 손실을 확인하기 위해 전처리 후 건조하여 무게를 측정하였다. 상기 비교예에서 사용한 화학적 전처리의 경우 물로 세척하는 단계에서 작게 분쇄된 볏짚이 물과 함께 씻겨 나가는 문제가 발생한다.

		페놀화합물 농도 (g/l)	볏짚 질량 변화
물리적 전처리	유성 분쇄	0.37	0.0%
	마멸 분쇄	0.25	0.0%
화학적 전처리	15% 암모니아 침지법	0.95	32.3%
	NaOH 처리법	2.34	10.3%

<전처리 후 리그닌 성분량 변화, 페놀류 화합물 생성 농도 및 볏짚 무게 변화>

상기 표에서 보는 바와 같이 전처리 전의 볏짚에는 페놀 화합물이 없지만 전처리 과정 중에 리그닌이 분해되며 페놀 화합물이 발생한다. NaOH를 처리한 알칼리 분해법에서는 2.34 g/l의 페놀류 화합물이 생성되고 암모니아 침지법도 0.95 g/l의 페놀 화합물이 생성된다.

그러나 물리적 전처리에서는 유성 분쇄에서 0.37 g/l, 마멸 분쇄에서는 0.25 g/l의 페놀화합물이 발생하여, 화학적 전처리에 비해 확연히 적은 페놀 화합물이 발생하는 것을 알 수 있었다. 상기 전처리 과정에서 리그닌 분해에 의해 발생하는 페놀 화합물이 바로 이후 진행될 효소 당화 공정이나 발효 공정에서 독성 물질로 작용하여 반응을 저해하는 요인이 된다.

또한 볏짚의 질량 변화를 봤을 때는 물리적 전처리에서는 볏짚의 대부분의 질량이 보존되어 질량 변화가 없었지만 화학적 전처리의 경우 암모니아 침지법은 32.3%의 질량이 세척 과정 중 유출되고 알칼리 분해법에서는 10.3%의 볏짚이 세척 과정 중 사라지게 되어 질량 변화가 심한 것을 알 수 있다. 물론 이 질량의 변화 중에는 용해된 리그닌 성분도 있지만 대부분은 산에 녹지 않는 리그닌을 포함하는 셀룰로오즈가 되어 이후 바이오연료 생산 효율을 떨어뜨리게 된다.

[실시예 6]

전처리에 의한 단당류 생성 향상 효과 비교

전처리 후 당화 공정에서 향상성을 확인하기 위해 효소 전처리 샘플에 대한 효소 분해 공정을 실시하였다. 효소공정은 Worthington biochemical Co. 제품인 cellulase cocktail을 사용하였으며 50 mM sodium acetate (pH 5.0)에서 50 ℃에서 200 rpm으로 72 시간 동안 효소 공정을 실시하였다.

먼저 대조군으로 전처리 없이 동일 질량의 볏짚을 상기 효소 공정으로 분해했을 때 단위 볏짚당 글루코즈는 0.0014 mg/ml의 농도로 생성이 되었으며 자일로즈는 생성되지 않았다. 그러나, 도 8a에서 보는 바와 같이 유성 분쇄를 실시하였을 때는 글루코즈의 생성이 0.23에서 최대 0.30 mg/ml까지 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 단당류 생성에서 확인한 바로는 전처리 농도가 40 mg/ml일 때 가장 많은 글루코즈가 생성되는 것을 볼 수 있었으나 20 mg/ml과는 큰 차이는 보이지 않고 있다.

한편, 도 8b에서 볼 수 있듯이, 마멸 분쇄의 경우도 전처리 농도에 따라 변화를 보이고 있는데 유성 분쇄와 마찬가지로 40 mg/ml에서 가장 많은 양의 글루코즈를 생성하고 있는 것을 볼 수 있다. 마찬가지로 20 mg/ml과는 큰 차이는 보이지 않는다. 글루코즈는 향후 바이오에탄올이나 바이오부탄올을 사용하는 균주의 직접적인 에너지원으로 사용되기 때문에 글루코즈 생성량은 매우 중요한 부분이다.

또한 Cellulose chem. Technol. 45(5-6), 347-354 (2011)에 따르면 볏짚의 37.3%가 셀룰로오즈로 구성되어 있는데, 이에 맞춰보면 볏짚에 포함된 전체 셀룰로오즈의 거의 대부분이 글루코즈와 자일로즈로 변환된 것을 알 수 있다.

결국 본 발명에서 제시한 기술을 통해 볏짚의 외부 리그닌을 효과적으로 깨뜨려서 내부에 있는 셀룰로오즈를 효소에 노출시켜서 당화 공정을 혁신적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 전처리 방법은 오로지 물리적 전처리 단계에만 의하여 리그닌의 결합을 깨뜨리고 효소의 접근성을 높임으로써, 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시켜 효율적이고 간편하면서도 친환경적으로 바이오연료를 생산할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (15)

1. 독성 부산물의 발생과 바이오매스의 손실을 줄이고 당 수율을 향상시킬 수 있는 리그노셀룰로스(lignocellulose)계 바이오매스의 전처리 방법으로서,
   화학적 전처리 단계 없이, i) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 ⅱ) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식의 물리적 전처리 단계에 의하여 리그닌(lignin)을 분쇄하며,
   상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼가 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 볼의 크기가 1~5Φ인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스의 분쇄를 위한 용기 또는 교반기의 회전 속도가 150~400rpm이고, 상기 분쇄는 3~10시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스와 버퍼의 혼합물과 볼의 부피비가 1 : 0.5~1.5인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스, 버퍼 및 볼의 총 부피가 상기 용기의 60~70%인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스의 농도가 5~100㎎/㎖ 인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로스 계 바이오매스의 전처리 방법.
7. 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 당화합물의 제조방법으로서,
   i) a) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 b) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계; 및 ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계;를 포함하며,
   상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼가 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것을 특징으로 하는 당화합물의 제조방법.
8. 삭제
9. 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 당화합물의 제조방법으로서,
   i) a) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 b) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계; 및 ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계;를 포함하며,
   상기 물리적 전처리 단계 후에 별도의 부산물 제거 단계 없이 바로 당화 단계가 이어지는 것을 특징으로 하는 당화합물의 제조방법.
10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 물리적 전처리 단계와 상기 당화 단계가 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 당화합물의 제조방법.
11. 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 바이오연료의 제조방법으로서,
    i) a) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 b) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계; ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계; 및 ⅲ) 상기 당화단계에서 얻어진 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시키는 발효단계;를 포함하며,
    상기 물리적 전처리 단계에서 사용되는 버퍼가 후속공정인 당화 단계에서 사용되는 버퍼와 동일한 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조방법.
12. 삭제
13. 리그노셀룰로스 계 바이오매스를 이용한 바이오연료의 제조방법으로서,
    i) a) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 공자전하는 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 유성분쇄(planetary mill) 방식, 또는 b) 바이오매스와 버퍼의 혼합물을 교반기가 구비된 용기 내에서 볼을 이용하여 분쇄하는 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용하여 리그닌(lignin)을 분쇄하는 물리적 전처리 단계; ⅱ) 상기 전처리된 바이오매스를 효소를 이용하여 분해시키는 당화 단계; 및 ⅲ) 상기 당화단계에서 얻어진 당화합물을 미생물을 이용하여 발효시키는 발효단계;를 포함하며,
    상기 물리적 전처리 단계 후에 별도의 부산물 제거 단계 없이 바로 당화 단계가 이어지는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조방법.
14. 제11항 또는 제13항에 있어서,
    상기 물리적 전처리 단계와 상기 당화 단계가 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조방법.
15. 제11항 또는 제13항에 있어서,
    상기 물리적 전처리 단계, 상기 당화 단계 및 상기 발효단계가 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 바이오연료의 제조방법.

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