KR101544188B1 - Recovery and reuse of organic acids as catalysts used in biomass pretreatment process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오매스 전처리에 사용된 유기산 촉매 회수 및 재사용 기술로서, 더 상세하게는 유기산을 이용하여 바이오매스 전처리를 수행하고 사용된 유기산을 전기투석으로 회수하여 회수된 유기산을 다시 바이오매스 전처리에 사용하는 기술이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an organic acid catalyst recovery and reuse technology used in biomass pretreatment. More specifically, the present invention relates to a biomass pretreatment using an organic acid and recovering the used organic acid by electrodialysis and using the recovered organic acid for biomass pretreatment Technology.

Description

바이오매스 전처리에 사용된 유기산 촉매 회수 및 재사용 기술{Recovery and reuse of organic acids as catalysts used in biomass pretreatment process}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an organic acid catalyst used in a biomass pretreatment,

본 발명은 유기산 촉매를 회수 및 재사용 기술로, 더 상세하게는 바이오매스 전처리에 사용된 유기산 촉매 회수 및 재사용 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an organic acid catalyst recovery and reuse technique, and more particularly to an organic acid catalyst recovery and reuse technique used in biomass pretreatment.

세계적으로 산업화의 진행에 따른 화석연료의 고갈, 고유가 지속으로 인한 에너지 시장 불안정 심화, 환경오염 증가에 따라 신재생 대체에너지의 필요가 대두되고 있다. 이에 따른 대체에너지 개발의 일환으로 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산 기술이 주목 받고 있다. 바이오매스란 태양광을 이용하여 이산화탄소를 고정하는 탄소동화과정, 즉 광합성 과정을 통하여 생합성되는 당류 및 이를 포함하는 생물체 전반을 일컫는다. 바이오에탄올의 생산 및 수출은 미국과 브라질이 주도하며, 원료물질로 옥수수 유래 전분질을 사용하고 또한 사탕수수 유래 당을 발효과정을 거쳐 에탄올을 생산한다. 하지만 옥수수와 사탕수수는 주요 식량자원이므로 바이오에탄올 생산에 사용됨으로써 국제 곡물 가격 상승의 큰 원인이 된다. 따라서 곡물 유래 바이오에탄올의 단점을 극복하기 위한 대안으로 리그노셀룰로오스 바이오매스에서 유래하는 바이오에탄올 생산기술이 제시될 수 있다. With the depletion of fossil fuels due to the progress of industrialization in the world, deepening instability of the energy market caused by high oil prices, and increasing environmental pollution, the need for renewable and alternative energy is increasing. As part of the development of alternative energy, bio-ethanol production technology from biomass is attracting attention. Biomass refers to a carbon assimilation process for fixing carbon dioxide using sunlight, that is, a saccharide biosynthesized through a photosynthesis process, and a whole organism including the same. The production and export of bioethanol is led by the United States and Brazil, using corn-derived starch as a raw material and fermenting sugarcane-derived sugar to produce ethanol. However, since corn and sugarcane are major food resources, they are used to produce bioethanol, which is a major cause of rising grain prices. Therefore, bio-ethanol production technology derived from lignocellulosic biomass can be proposed as an alternative to overcome the drawbacks of grain-derived bioethanol.

목질계 바이오매스라고도 불리우는 리그노셀룰로오스 바이오매스란 통상적으로 폐목재류, 볏짚류, 식물협잡물(잔디, 잡초, 폐야채류 등)등을 포함하며, 유기성폐기물에 해당되기 때문에 식량자원과 경쟁하지 않으며, 주변에서의 원료확보가 용이하고, 재생가능하다. 리그노셀룰로오스는 난분해성 방향족 중합체인 리그닌(lignin)과 탄수화물인 셀룰로오스(cellulose) 및 헤미셀룰로오스(hemicellulose)의 복합체이다(Perlack et al., Industrial Bioprocessing, 27(5): 2, 2005). 리그노셀룰로오스를 원료로 하여 에탄올을 생산하기 위해서, 리그노셀룰로오스를 구성하고 있는 다당류 성분을 에탄올 발효가 가능한 수준의 발효성 당(글로코스, 자일로스 등)으로 전환하기 위한 리그노셀룰로오스의 전처리(pretreatment) 공정을 수행한다. 다시 말해 전처리의 목적은 후속 당화공정에서 진행되는 셀룰로오스와 다당류의 가수 분해 및 발효공정의 효율을 높이기 위한 것이다. 전처리 공정을 통해 리그닌과 헤미셀룰로오스가 부분적으로 제거되거나 셀룰로오스와의 결합이 느슨한 형태로 바뀌고, 셀룰로오스를 효과적으로 추출이 가능하며 또한 셀룰로오스가 부분적으로 분해되어 셀룰라아제가 좀더 쉽게 접근할 수 있는 구조가 된다. 효과적 전처리는 다음과 같은 기준들을 갖는다. 즉, 효소의 작용을 극대화 할 것, 분해산물의 발효 억제제 형성이 최소화할 것, 에너지 투입을 최소화할 것, 비용효과가 클 것 등이다. 또한 이들 기준 외에도 몇 가지 다른 요소가 고려될 필요가 있다. 고부가가치 공동-생산물(예: 리그닌, 단백질)의 회수, 전처리 촉매, 촉매 재활용, 폐기물 처리이다. 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리에는 기계적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법, 이들 간의 하이브리드 방법 등을 적용한다.Lignocellulosic biomass, also called lignocellulosic biomass, commonly includes waste wood, rice straw, and plant scum (grass, weeds, waste vegetables, etc.) and is not competing with food resources because it is organic waste. It is easy to secure the raw material in the apparatus and can be regenerated. Lignocellulose is a complex of lignin, a refractory aromatic polymer, and carbohydrates, cellulose and hemicellulose (Perlack et al., Industrial Bioprocessing, 27 (5): 2, 2005). In order to produce ethanol using lignocellulose as a raw material, pretreatment of lignocellulose to convert the polysaccharide constituting lignocellulose to a fermentable sugar (GLUCOSE, xylose, etc.) capable of ethanol fermentation pretreatment process. In other words, the purpose of pretreatment is to increase the efficiency of the hydrolysis and fermentation process of cellulose and polysaccharide in the subsequent saccharification process. The pretreatment process removes lignin and hemicellulose partially or loosely bonds with cellulose, effectively extracts cellulose, and partially degrades cellulose to make cellulase more accessible. Effective pretreatment has the following criteria. That is, maximizing the action of enzymes, minimizing the formation of fermentation inhibitors of decomposition products, minimizing energy input, and being cost-effective. In addition to these criteria, several other factors need to be considered. Recovery of high value-added co-products (eg lignin, protein), pretreatment catalysts, catalyst recycling and waste disposal. For pre-treatment of lignocellulosic biomass, mechanical methods, chemical methods, biological methods, and hybrid methods between them are applied.

지금까지 전처리 방법으로는 묽은 황산 전처리 등이 주로 사용되어왔다. 하지만 황산 등 강산은 전처리 장치의 부식, 처리 후 산 회수의 어려움, 전처리 과정에서 많은 발효저해산물을 생산하는 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 따라서 최근 옥살산과 같은 유기산이 황산을 대체할 수 있는 산 촉매로 소개되고 있다. 유기산 촉매 중 옥살산은 두 개의 카르복실기를 가지고 있어 이러한 작용기가 전처리 과정에서 헤미셀룰로오스를 선택적으로 분해하는 특징을 가지고 있다. 따라서 황산보다 전처리 효과가 뛰어나며 발효 저해산물 생성을 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 사용된 유기산 촉매는 전기투석과 같은 방법을 이용하여 쉽게 회수 할 수 있는 장점을 가지고 있다. So far, diluted sulfuric acid pretreatment has been mainly used as a pretreatment method. However, strong acids such as sulfuric acid have various problems such as corrosion of the pretreatment device, difficulty in picking up the acid after treatment, and production of many fermented seafood in the pretreatment process. Recently, organic acids such as oxalic acid have been introduced as acid catalysts to replace sulfuric acid. Oxalic acid in the organic acid catalyst has two carboxyl groups, and these functional groups have a characteristic of selectively decomposing hemicellulose during the pretreatment. Therefore, the pretreatment effect is superior to that of sulfuric acid, and fermentation of low-seafood products can be minimized. In addition, the used organic acid catalyst has an advantage of being easily recovered by using a method such as electrodialysis.

전기투석을 이용한 유기산 회수와 관련하여 한국등록특허 제0288001호는 유기산의 발효액을 정밀여과막을 이용하여 발효조에 미생물을 재순환하고, 미생물이 제거된 여과액을 전기투석공정을 통하여 유기산을 회수하고, 전기투석 공정 후 폐기물로 남는 발효폐액에 최소한의 영양분을 첨가한 후 발효공정으로 재순환하여 재사용 배지로 사용하는 유기산의 회수방법에 관한 것이다. 선행문헌은 본 발명과 전기투석 장치에 투입하여 유기산을 회수하는 부분은 유사하나, 본 발명의 목적과 효과가 상이한, 본 발명이 속하는 분야의 부분적인 기술로, 조사대상 발명의 진보성 및 신규성 흠결에 문제가 되지 않을 것으로 사료된다. Regarding the recovery of organic acid by electrodialysis, Korean Patent No. 0288001 recycles the microorganism to the fermentation tank using a microfiltration membrane of a fermentation liquid of organic acid, recovering the organic acid through the electrodialysis process of the filtrate from which the microorganism has been removed, The present invention relates to a method for recovering an organic acid used as a reusing medium after recycling to a fermentation process after adding a minimum amount of nutrients to a fermentation waste liquid remaining as a waste after a dialysis process. The prior art documents are similar to those of the present invention in that the organic acid is recovered by being input to the electrodialysis apparatus, but it is a partial technique of the present invention in which the objects and effects of the present invention are different. It will not be a problem.

또한 한국공개특허 제2010-0072212호의 발명은 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 발효 산물을 생산하기 위한 방법, 이 방법을 수행하기 위한 반응기 및 발효 산물을 생산하기 위한 반응기의 용도에 관한 것이다. 선행문헌은 리그노셀룰로스계 바이오매스를 알칼리용액으로 전처리함으로서 상기 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 유기산을 발효 산물로서 제조하기 위한 방법에 관한 것인 반면 본 발명은 바이오에탄올을 제조하는 전처리 과정에서 이용되는 유기산인 옥살산을 전기투석을 통하여 재사용을 가능케 하는 기술이다.Korean Patent Publication No. 2010-0072212 also relates to a method for producing a fermentation product from lignocellulosic biomass, a reactor for carrying out the method, and the use of a reactor for producing a fermentation product. The prior art is directed to a method for preparing an organic acid from the lignocellulosic biomass as a fermentation product by pretreating a lignocellulosic biomass with an alkaline solution, while the present invention relates to a method for preparing a bioethanol Oxalic acid, an organic acid, can be reused by electrodialysis.

일본공개특허 제2010-081917호는 생물체 총량에 포함되는 리그닌을 저비용 또한 효율적으로 회수하는 것과 동시에, 리그닌의 회수에 사용한 물질의 재이용에 관한 것이다. 선행문헌은 당화 공정에 따라서 얻어진 당을 기질로 미생물에 의하여 원하는 물질을 제조하는 발효 공정에서, 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스를 당화하고 얻어진 당성분으로부터 유지간 및 또는 알콜을 제조하는 방법인 반면, 본 발명은 바이오에탄올 제조 공정 중 전처리과정에서 사용된 유기산(옥살산)을 전기투석장치에 의해 재사용을 가능케 하는 기술이다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-081917 relates to the recycling of materials used for the recovery of lignin at the same time as efficiently recovering the lignin contained in the total amount of the organisms at low cost. The prior art document is a method for producing a fat or alcohol from a saccharide component obtained by saccharifying cellulose or hemicellulose in a fermentation process for producing a desired substance by a microorganism using a saccharide obtained according to a saccharification process, (Oxalic acid) used in the pretreatment process during the ethanol production process is reused by the electrodialysis device.

한국공개특허 제2006-0047945호는 인듐 함유 피에칭재를 처리한 옥살산 에칭 폐액으로부터 용해된 금속 성분을 분리하여 고순도의 옥살산 수용액을 회수하는 방법으로서, 옥살산 에칭 폐액과 음이온 교환 수지를 접촉 처리시키는 고순도 옥살산 수용액의 회수 방법에 관한 것이다. 선행문헌은 옥살산의 전량 또는 일부를 추출하고 음이온교환수지와 접촉처리 시킴으로서 용해된 금속성분을 분리하여 고순도 옥살산 수용액을 회수하는 방법인 반면 본 발명은 바이오에탄올 제조에 있어서 전처리 과정에 사용되는 유기산을 전기투석장치을 사용한 공정에 의해 유기산을 회수하여 재사용하는 기술이다.Korean Patent Publication No. 2006-0047945 discloses a method for recovering a high purity oxalic acid aqueous solution by separating a dissolved metal component from an oxalic acid etching waste solution treated with an indium containing etched material, Oxalic acid aqueous solution. The prior art is a method of extracting a high purity oxalic acid aqueous solution by extracting all or a part of oxalic acid and separating the dissolved metal components by contacting with an anion exchange resin, whereas the present invention is a method of recovering an organic acid used for a pretreatment And the organic acid is recovered and reused by a process using a dialysis apparatus.

그러나, 상기 선행문헌을 포함하여 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스를 추출하거나 용해하는 용매로서 유기산의 상용화 가능성이 연구되고 있으나, 유기산은 비용이 매우 높아 산업적 적용에 한계가 있다. 옥살산 유기산 촉매의 경우 무게를 기준으로 황산보다 가격이 비싸기 때문에 경제적인 측면을 고려해야한다. 따라서 전기투석과 같은 회수과정으로 유기산을 회수하고 회수된 촉매를 다시 전처리에 사용하는 과정이 필요하다. 전기투석공정은 이온교환막의 이온의 선택적 투과성을 이용하여 이온성 물질을 농축하는 전기화학적 공정으로 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 배열된 구조로 초기 투입용액이 희석되는 희석액과 이온성 물질이 농축되는 농축액으로 구분된다. 옥살산과 같이 이온성 유기산 촉매는 전기화학공정에서 전기장 하에서 농축되어 회수되어 진다.However, the possibility of commercialization of organic acid as a solvent for extracting or dissolving cellulose from woody biomass including the above-mentioned prior art has been studied, but organic acid is very expensive and has a limited industrial application. In the case of oxalic acid organic acid catalysts, the cost is higher than sulfuric acid on the basis of weight, so economical aspects should be considered. Therefore, it is necessary to recover the organic acid by the recovery process such as electrodialysis and to use the recovered catalyst again for pretreatment. The electrodialysis process is an electrochemical process that concentrates ionic materials by using the selective permeability of ions in the ion exchange membrane. The cation exchange membrane and the anion exchange membrane are alternately arranged. The dilution liquid in which the initial input solution is diluted and the ionic substance are concentrated Concentrate. Ionic organic acid catalysts such as oxalic acid are concentrated and recovered under an electric field in an electrochemical process.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 유기산 촉매인 옥살산의 회수와 재사용을 가능케 하는 전처리 공정 및 그를 포함하는 바이오에탄올 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a pretreatment process capable of recovering and reusing oxalic acid as an organic acid catalyst, and a method for producing bioethanol containing the same. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 따르면, 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 분쇄된 바이오매스에 유기산을 처리하는 전처리 단계; 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 분리 단계; 및 상기 액체 분획물을 전기투석하여 회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 전기투석 단계를 포함하는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided a biomass pretreatment method comprising: a pretreatment step of treating an organic acid to a pulverized biomass; A separation step of dividing the pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And an electrodialysis step of electrodialysis of the liquid fraction and separating the liquid fraction into a recovered organic acid and a hydrolysis fraction. The biomass pretreatment method enables recovery and reuse of organic acid.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 회수 유기산을 분쇄된 바이오매스에 처리하는 추가 전처리 단계; 상기 추가 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 추가 분리 단계; 및 상기 액체 분획물을 전기투석하여 재회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 추가 전기투석 단계를 포함하는 유기산의 재회수 공정을 추가적으로 포함하는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법이 제공된다.In the biomass pretreatment method, an additional pretreatment step of treating the recovered organic acid to the pulverized biomass; Further separating the further pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And an additional electrodialysis step of electrodialysis of the liquid fraction and separating it into a re-circulating organic acid and a hydrolysis fraction, is further provided, wherein a biomass pretreatment method capable of recovering and reusing an organic acid is further provided .

상기 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법에 있어서 상기 유기산의 추가 회수 공정은 1 회 내지 10 회 반복 수행될 수 있다.In the pretreatment method for biomass that enables the recovery and reuse of the organic acid, the organic acid addition recovery process may be repeated one to ten times.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 유기산은 상기 바이오매스 건조중량 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부로 처리되는 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the organic acid may be a biomass pretreatment method capable of recovering and reusing an organic acid treated with 5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the biomass dry weight.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 전처리 단계의 pH는 1 내지 4인 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the pretreatment step may be a biomass pretreatment method which enables the recovery and reuse of the organic acid having a pH of 1 to 4.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 전기투석 단계는 3 V 내지 12 V의 전압으로 수행되는 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the electrodialysis step may be a biomass pretreatment method capable of recovering and reusing organic acids carried out at a voltage of 3 V to 12 V.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 유기산은 옥살산, 아세트산, 말산, 구연산, 부틸산, 팔미트산, 타타르산 또는 글루타르산 등 유기산일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the organic acid may be an organic acid such as oxalic acid, acetic acid , malic acid, citric acid, butyric acid, palmitic acid, tartaric acid or glutaric acid.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등으로 구성된 리그노셀룰로오스성 바이오매스일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the biomass may be a lignocellulosic biomass composed of cellulose, hemicellulose, lignin and the like.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 유기산 또는 상기 회수 유기산은 상기 바이오매스 건조중량 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부로 처리될 수 있다.In the biomass pretreatment method, the organic acid or the recovered organic acid may be treated in an amount of 5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the dried biomass.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 전처리 단계 또는 상기 추가 전처리 단계의 pH는 1 내지 4일 수 있다.In the biomass pretreatment method, the pH of the pretreatment step or the additional pretreatment step may be 1 to 4.

상기 바이오매스 전처리 방법에 있어서, 상기 전기투석 단계 또는 상기 추가 전기투석 단계는 3 V 내지 12 V의 전압으로 수행될 수 있다. In the biomass pretreatment method, the electrodialysis step or the additional electrodialysis step may be performed at a voltage of 3 V to 12 V.

본 발명의 일 관점에 따르면, 분쇄된 바이오매스에 유기산을 처리하는 전처리 단계; 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 분리 단계; 상기 액체 분획물을 전기투석하여 회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 전기투석 단계; 상기 고체 분획물을 효소 가수분해하여 발효 가능당을 제조하는 당화 단계; 및 상기 가수분해 분획물, 상기 발효 가능당 또는 상기 가수분해 분획물과 발효 가능당의 혼합물에 에탄올 발효균을 접종하여 혐기성 조건에서 배양하는 발효 단계를 포함하는 바이오 에탄올 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided a biomass comprising: a pretreatment step of treating an organic acid to a pulverized biomass; A separation step of dividing the pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; An electrodialysis step of electrodialysis of the liquid fraction to separate it into recovered organic acid and hydrolysis fraction; A saccharification step of producing a fermentable sugar by enzymatic hydrolysis of the solid fraction; And a fermentation step of culturing the hydrolyzed fraction, the fermentable sugar or the mixture of the hydrolyzed fraction and the fermentable sugar in an anaerobic condition by inoculating the fermentation broth with ethanol.

상기 바이오 에탄올 제조방법은 상기 전기투석 단계 후에, 상기 회수 유기산을 분쇄된 바이오매스에 처리하는 추가 전처리 단계; 상기 추가 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 추가 분리 단계; 및 상기 액체 분획물을 전기투석하여 재회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 추가 전기투석 단계를 포함하는 유기산의 재회수 공정을 추가적으로 포함할 수 있다.The method for producing bioethanol may further include: an additional pretreatment step of treating the recovered organic acid to the pulverized biomass after the electrodialysis step; Further separating the further pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And an additional electrodialysis step of electrodialysis of the liquid fraction and separating it into reac- tive water organic acid and hydrolysis fraction.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전기투석 방법에 의해 고가인 유기산 촉매를 경제적으로 회수하고, 회수 후 분리된 가수분해산물의 바이오에탄올 발효 효율을 증가시키며, 바이오매스 전처리 유기산 촉매인 옥살산의 회수와 재사용을 가능케 하는 전처리 공정 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, the organic acid catalyst is recovered economically by the electrodialysis method, the bioethanol fermentation efficiency of the separated hydrolyzate after recovery is increased, and the biomass pretreatment organic acid catalyst It is possible to implement a pretreatment process method that enables the recovery and reuse of phosphorous oxalic acid. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전기투석(ED)을 이용한 옥살산의 회수와 재사용에 관한 전처리공정을 단계적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성용액의 전기투석 공정에서 전도성 변화에서의 전기 전위의 영향에 관하여 나타내는 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성용액의 전기투석 공정(전위 10 V, pH 2.2)에서 옥살산의 투과속도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성용액의 전기투석 공정에서 옥살산의 수송에 있어서 용액의 pH에 영향에 관한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 버섯 폐배지를 옥살산을 이용하여 전처리를 한 후 얻어진 전처리 가수분해물(hydrolysate)를 전위 10 V 조건의 전기투석 공정에서 옥살산의 투과속도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 버섯 폐배지를 옥살산 전처리후 첫 번째 단계에서 전기투석 공정을 사용한 가수분해물과 전기투석 공정을 사용하지 않은 가수분해물을 이용하여 효모세포(Pichia stipitis)에 의한 발효 가능한 당의 소비와 에탄올의 생산을 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 is a block diagram showing a pre-treatment process for recovering and reusing oxalic acid using electrodialysis (ED) according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the effect of electrical potential on conductivity changes in an electrodialysis process of a synthesis solution according to one embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the permeation rate of oxalic acid in the electrodialysis process (potential 10 V, pH 2.2) of the synthesis solution according to one embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of the influence of the pH of the solution on the transport of oxalic acid in the electrodialysis process of the synthesis solution according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the permeation rate of oxalic acid in the electrodialysis process under the condition of 10 V of the hydrolyzate obtained by pretreating the mushroom waste medium with oxalic acid according to an embodiment of the present invention. FIG.
Figure 6 using the hydrolyzate did not use the mushroom waste after the oxalic acid pre-treatment medium hydrolyzate and electrodialysis with electrodialysis process in the first step, the process according to one embodiment of the present invention by yeast cells (Pichia stipitis) This graph shows consumption of fermentable sugars and production of ethanol.

이하, 실시예 및 실험예를 통해 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예 및 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하 실시예 및 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전히 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments and examples, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the exemplary embodiments set forth herein. It is provided to fully inform the scope of the invention to the person.

실시예 1: 유기산 촉매 전처리 공정에 있어서 회수 및 재사용Example 1 Recovery and Reuse in Organic Acid Catalyst Pretreatment Process

본 발명에서 바이오매스 전처리공정을 세 차례 연속적으로 수행하면서, 최초에 사용된 옥살산을 전기투석으로 계속 회수처리하여 재사용하였다. 본 발명은 도1을 통해 설명한다. 첫 번째 전처리공정에서 옥살산을 사용한 후 발생한 가수분해물(H1)을 수득하였다. 이 때, 옥살산을 회수하고 가수분해물을 처리를 위하여 전기투석 공정을 사용하였다. 전기투석 공정에서 옥살산이 농축되는 농축액(EDO1)과 이온성 물질이 희석되는 희석액(EDH1)으로 나누어진다. 두 번째 전처리 공정을 위하여 전기투석에 의해 회수된 옥살산 분획물의 농도는 1차 전처리와 같은 농도(0.064 g/g)를 유지하도록 옥살산 농도가 조정되었다(115). In the present invention, the oxalic acid initially used was continuously recovered by electrodialysis and reused while performing the biomass pretreatment process three times in succession. The present invention will be described with reference to Fig. The hydrolyzate (H1) generated after using oxalic acid in the first pretreatment step was obtained. At this time, oxalic acid was recovered and an electrodialysis process was used to treat the hydrolyzate. (EDO1) in which oxalic acid is concentrated in the electrodialysis process and a diluent (EDH1) in which the ionic substance is diluted. For the second pretreatment, the concentration of oxalic acid fraction recovered by electrodialysis was adjusted to maintain the same concentration (0.064 g / g) as the first pretreatment (115).

두 번째 전처리공정과 세 번째 전처리공정은 각각 전단계에서 회수된 옥살산을 사용함으로써 바이오매스 전처리가 수행되었고, 옥살산이 제거된 가수분해물은 별도로 또는 취합되어 바이오에탄올 생산을 위한 발효공정에 투입되었다. 본 발명의 실시예에서 3회 재사용에 대한 결과를 보여주고 있으나 상기 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법에 있어서 상기 유기산의 추가 회수 공정은 1 회 내지 10 회 반복 수행될 수 있다.In the second pretreatment and the third pretreatment, the biomass pretreatment was carried out using oxalic acid recovered from the previous stage, respectively, and the hydrolyzate from which the oxalic acid was removed was collected separately or added to the fermentation process for bioethanol production. In the embodiment of the present invention, the results of three times of reuse are shown. However, in the pretreatment method for biomass which enables the recovery and reuse of the organic acid, the organic acid addition recovery process may be repeated one to ten times.

실시예 2: 바이오매스와 옥살산 전처리Example 2 Biomass and Oxalic Acid Pretreatment

꽃송이 버섯(cauliflower mushroom. Sparassis crispa)를 생산하고 남은 버섯 폐배지를 리그노셀룰로오스 바이오매스(전라남도 산림자원연구소, 대한민국)로 사용하였고, 구성성분은 80% (v/v) 미송 톱밥(Douglas fir sawdust), 10% (v/v) 밀가루(wheat powder), 10% (v/v) 옥수수가루(corn powder)와 16 브릭스 올리고당 (16 Brix oligosaccharides)과 물로 조성되어 있다. 바이오매스를 J-NCM 와일리 공장(Jisco, 대한민국)에서 40-60 메쉬(mesh)의 크기로 분쇄 후 함수율(moisture content) 10% 이하로 하여 4℃에서 냉장 보관하였다. Production of Zinnia mushrooms (cauliflower mushroom. Sparassis crispa) and lignocellulosic remaining mushroom waste medium was used as biomass (South Jeolla Province Forest Resources Institute, Republic of Korea), the components are 80% (v / v) Douglas Fir sawdust (Douglas fir sawdust ), 10% (v / v) wheat powder, 10% (v / v) corn powder, 16 Brix oligosaccharides and water. The biomass was pulverized to a size of 40-60 mesh at a J-NCM Wiley factory (Jisco, Korea) and stored at 4 ° C under a moisture content of 10% or less.

전처리는 바이오매스 건조중량 1 g 당 0.064 g의 옥살산을 처리하여, 130℃에서 25분간 수행되었고, 그 이후 온도를 170℃까지 급격하게 상승시켰다. 구체적으로, 텀블링 소화조(tumbling digester)에 배치된 500 ㎖ 원통모양의 스텐레스 스틸 반응 용기에 바이오매스와 옥살산 용액을 담고, 각 용기에 건조중량 기준으로 50 g의 바이오매스와 전체 고체와 액체비율이 1:4(w/w)가 되도록 산/물의 혼합물을 적재하였다. 그런 다음, 열을 가하여 반응온도를 상승시키고 전처리 과정 중 바이오매스가 상기 액체와의 접촉을 유지하도록 회전시켰다. 전처리 반응이 종료된 후, 전처리된 바이오매스로부터 액상 분획물(가수분해물)을 진공여과로 분리한 후, 가수분해물은 진공 여과에 의해 전처리된 바이오매스에서 분리하여 4℃에 보관하였다.Pretreatment was carried out at 130 ° C for 25 minutes by treating 0.064 g of oxalic acid per gram of biomass dry weight, after which the temperature was rapidly increased to 170 ° C. Specifically, a 500 ml cylindrical stainless steel reaction vessel placed in a tumbling digester was charged with biomass and oxalic acid solution, and each vessel was charged with 50 g of biomass on a dry weight basis and a total solids and liquid ratio of 1 : 4 (w / w). Heat was then applied to raise the reaction temperature and the biomass was rotated to maintain contact with the liquid during the pretreatment. After the pretreatment was completed, the liquid fraction (hydrolyzate) was separated from the pretreated biomass by vacuum filtration. The hydrolyzate was separated from the pretreated biomass by vacuum filtration and stored at 4 ° C.

실시예 3: 합성용액에서 옥살산 회수를 위한 전기투석 공정에서 전위의 영향Example 3 Effect of Potential in Electrodialysis Process for Recovery of Oxalic Acid in Synthetic Solution

본 발명에서 전기투석을 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리공정에 옥살산의 회수 및 재사용을 위한 실험을 수행하였다. 550 cm2의 전체 유효 막 면적을 가진 CJ-S3 전기투석조(electrodialysis stack, 창조 테크노, 한국)에 10 셀 쌍 셀 구조를 조립하고, 양이온 교환막으로 NEOSEPTA CMX(Astom Corp., 일본), 음이온 교환막으로 NEOSEPTA AMX(Astom Corp., 일본)를 사용하였다. In the present invention, an experiment was conducted to recover and reuse oxalic acid in the lignocellulosic biomass pretreatment process using electrodialysis. Cell cell structure was assembled into a CJ-S3 electrodialysis stack (Creation Techno, Korea) having a total effective membrane area of 550 cm 2 , NEOSEPTA CMX (Astom Corp., Japan) as a cation exchange membrane, anion exchange membrane NEOSEPTA AMX (Astom Corp., Japan) was used.

전기투석 공정에서의 옥살산 수송에 대한 용액의 전위의 영향은 50 g/L 글루코오스와 15 g/L 옥살산으로 구성된 합성용액을 사용한 사전 연구를 통해 조사되었다. 500 ㎖의 멸균 증류수를 전기투석 장치의 초기 농축액으로 사용하였고, 500 ㎖의 3% Na2SO4 용액은 모든 실험과정에서 전극 세척용액(electrode rinse solution)으로 사용하였다. 희석액, 농축액, 전극 세척용액은 1.56 L/min 유속(flow rate)으로 순환하였다. 가수분해물을 최초로 공급하기 전에 0.45 ㎛ 필터로 여과함으로써 유기오염원(organic fouling)을 제어하였다. 염기용액(1.0 wt.% NaOH)에 의해 수행되는 실행(runs) 사이에 증류수 세척 절차를 수행하였다. 세척 후, 전기투석은 500 ㎖의 0.1 M NaCl의 희석액과 500 ㎖의 0.05 M NaCl 농축액을 사용하였다. 전위는 일정하게 유지하였다. 본 실시예에서 사용된 이온교환막의 특성은 표 1에서 보여주고 있다.The effect of solution potential on oxalic acid transport in the electrodialysis process was investigated in a previous study using a synthetic solution consisting of 50 g / L glucose and 15 g / L oxalic acid. 500 ml of sterile distilled water was used as the initial concentrate of the electrodialysis unit and 500 ml of 3% Na 2 SO 4 solution was used as an electrode rinse solution in all experimental procedures. The diluent, concentrate and electrode wash solution circulated at a flow rate of 1.56 L / min. The organic fouling was controlled by filtering the hydrolyzate with a 0.45 mu m filter before the first supply. A distilled water wash procedure was performed between runs performed with a base solution (1.0 wt.% NaOH). After the washing, 500 ml of 0.1 M NaCl dilution and 500 ml of 0.05 M NaCl concentrate were used for electrodialysis. The potential was kept constant. The characteristics of the ion exchange membranes used in this Example are shown in Table 1.

이온 교환막의 특성Characteristics of ion exchange membranes
AMXa

AMX a

CMXb

CMX b
전기저항성 (Ohm cm2)
Electrical Resistance (Ohm cm 2 )

2.2

2.2

3.2

3.2

함수율(g H2O/g 건조된 막)

Water content (g H 2 O / g dried membrane)

0.32

0.32

0.24

0.24

교환 용량(meq/g 건조된 막)

Exchange capacity (meq / g dried membrane)

2.3

2.3

1.6

1.6

상대이온의 수송수

Number of counter ions

0.96

0.96

0.95

0.95

a 상용 양이온 교환막
b 상용 음이온 교환막

a commercial cation exchange membrane
b Commercial anion exchange membrane

도 2은 다른 전위에 따라 희석 용액에서 시간에 경과에 따른 전기전도도(electrical conductivity)의 변화를 나타낸다. 7 V 이상의 전위에서 전기전도도는 50분 안에 영점까지 감소하였다. 옥살산은 실시예의 전기투석 공정에서 30분 이내에 제거되었으며 이후에는 일정하게 유지하였다. 도 3는 10 V 전위에서 옥살산의 전기수송 결과를 나타내는 그래프이다. 표 2는 전기투석 공정에서 전위의 영향을 보여준다. 소비전력의 수치는 인가된 전위가 증가할수록 증가하였다. 옥살산은 7 V 이상의 전위에서 거의 완벽하게 제거되었다. Figure 2 shows the change in electrical conductivity with time in diluted solutions according to different potentials. At a potential above 7 V, the electrical conductivity decreased to zero within 50 minutes. Oxalic acid was removed within 30 minutes in the electrodialysis process of the example and was then kept constant. 3 is a graph showing the results of electrochemical transport of oxalic acid at 10 V potential. Table 2 shows the effect of dislocations in the electrodialysis process. The power consumption value increased as the applied potential increased. Oxalic acid was almost completely removed at a potential of 7 V or higher.

합성용액의 전기투석 수행에 대한 전기 전위의 영향Effect of electric potential on electrodialysis of synthetic solutions
pHave
(pH change)

pH ave
(pH change)

옥살산의 전류효율 (%)

Current efficiency of oxalic acid (%)

농축액에서의 옥살산의 수송 (g/h)

Transport of oxalic acid in the concentrate (g / h)

농축액에서의 최종농도

Final concentration in concentrate

글루코오스 (g/L)

Glucose (g / L)

옥살산 (g/L)

Oxalic acid (g / L)

3V

3V

1.6(1.31.8)

1.6 (1.31.8)

52.3

52.3

1.4

1.4

2.4

2.4

10.5

10.5

5V

5V

2.0(1.62.5)

2.0 (1.62.5)

44

44

2.8

2.8

1.7

1.7

11.8

11.8

7V

7V

2.1(1.52.6)

2.1 (1.52.6)

49

49

5.7

5.7

1.3

1.3

11.9

11.9

10V

10V

2.2(1.62.7)

2.2 (1.62.7)

48.3

48.3

7.7

7.7

1.1

1.1

12

12

12V

12V

2.0(1.42.7)

2.0 (1.42.7)

51

51

11.6

11.6

1.6

1.6

12.2

12.2

실시예 4: 합성용액에서 옥살산 회수를 위한 전기투석 공정에서 pH의 영향Example 4 Effect of pH on electrodialysis for recovery of oxalic acid in synthetic solution

본 발명의 일 실시예 2와 동일한 조건에서 한편, 전기투석 공정에서 용액의 pH의 영향은 10 V의 일정한 전위에서 조사하였다. 전기투석 공정에서의 옥살산 수송에 대한 용액의 pH의 영향은 50 g/L 글루코오스와 15 g/L 옥살산으로 구성된 합성용액을 사용한 사전 연구를 통해 조사되었다. 본 발명의 실시예에서 pHave는 공정 동안 다양한 pH의 값의 산술 평균이며, pHave 2.2를 제외하고 희석용액의 pH는 5.0 N NaOH를 사용하여 조정하였다. 도 4에서 10 V의 일정한 전위에서 각기 다른 용액의 pH 값에 따라 옥살산의 전기수송을 보여준다. 옥살산의 회수 효율은 각기 다른 용액의 pH 값에 따른 모든 공정에서 60분 안에 100%까지 도달하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, pHave 2.2의 용액에서 옥살산의 제거율이 다른 pHave를 갖는 용액보다도 훨씬 높았다. 표 3에 나타난 전기투석 공정에서 용액 pH의 영향을 살펴보면, pHave가 4.2보다 높은 용액에서 전도율과 옥살산의 수송비율은 낮았는데, 이러한 이유는 옥살산이 2가 이온의 형태로 존재하는 속성 때문이다. 또한, pHave 1.5 용액에서 전도율은 낮고 높은 소비전력은 높았다. 이는 옥살산의 중성형(neutral form)에 기인한 결과였다(Weng et al., Bioresour. Technol., 101: 48894894, 2010; Wang et al., J. Membr. Sci., 385-386, 226-233, 2011). pHave 2.2에서 옥살산이 1가 형태로 존재하므로 전류 효율은 월등히 높았고, 가장 높은 옥살산 전도율과 가장 낮은 소비전력이 관찰되었다. 전류 효율과 옥살산의 수송 비율은 전위가 증가할 때 증가하였다.Under the same conditions as in Example 2 of the present invention, the influence of the pH of the solution in the electrodialysis step was examined at a constant potential of 10 V. The effect of pH of the solution on oxalic acid transport in the electrodialysis process was investigated in a previous study using a synthetic solution consisting of 50 g / L glucose and 15 g / L oxalic acid. In an embodiment of the present invention, pH ave is the arithmetic mean of the values of the various pH values during the process, and pH ave 2.2 except for the pH of the dilute solution was adjusted using 5.0 N NaOH. 4 shows the electric transport of oxalic acid depending on the pH value of the different solutions at a constant potential of 10 V. The recovery efficiency of oxalic acid reached 100% in 60 minutes in all processes depending on the pH value of different solutions. As shown in Fig. 4, the removal rate of oxalic acid in the solution of pH ave 2.2 was much higher than that of the solution having the other pH ave . In the electrodialysis process shown in Table 3, the conductivity and oxalic acid transport ratio of the solution having pH ave higher than 4.2 were low due to the presence of oxalic acid in the form of bivalent ions. In addition, the conductivity was low and the high power consumption was high in pH ave 1.5 solution. This was a result of the neutral form of oxalic acid (Weng et al., Bioresour. Technol., 101: 48894894, 2010; Wang et al., J. Membr. Sci., 385-386, 226-233 , 2011). Since oxalic acid is present in monovalent form at pH ave 2.2, the current efficiency is much higher, and the highest oxalic acid conductivity and lowest power consumption are observed. The current efficiency and transport ratio of oxalic acid increased as the potential increased.

합성용액의 용액의 pH와 전기투석 수행의 영향Effect of pH and electrodialysis on solution of synthetic solution

pHave
(pH change)a


pH ave
(pH change) a


옥살산의 전류효율 (%)


Current efficiency of oxalic acid (%)


농축액에서의 옥살산의 수송 (g/h)


Transport of oxalic acid in the concentrate (g / h)

농축액에서의 최종농도

Final concentration in concentrate

글루코오스 (g/L)

Glucose (g / L)

옥살산 (g/L)

Oxalic acid (g / L)

1.5(1.31.8)

1.5 (1.31.8)

19.8

19.8

6.7

6.7

1.6

1.6

10

10

2.2(1.62.7)

2.2 (1.62.7)

48.3

48.3

7.7

7.7

1.1

1.1

12

12

4.2(4.73.8)

4.2 (4.73.8)

17.2

17.2

4.7

4.7

1.6

1.6

10

10

5.2(5.94.5)

5.2 (5.94.5)

17.1

17.1

4.4

4.4

1.6

1.6

10

10

6.0(6.75.3)

6.0 (6.75.3)

20.4

20.4

5.9

5.9

1.6

1.6

12.7

12.7

a 10 V 전위로 일정하게 유지It kept constant at a potential V 10

실시예 5: 옥살산 전처리 가수분해물로부터 옥살산 회수를 위한 전기투석공정Example 5: Electrodialysis process for oxalic acid recovery from oxalic acid pretreated hydrolyzate

옥살산 회수를 위한 전기투석 공정에 있어서 초기 희석액으로 버섯 폐배지의 전처리 공정시 발생한 가수분해물을 이용하여 공정을 수행하였다. 도 5에서 보이는 바와 같이 10 V 전위에서 수행된 전기투석 과정 중에 가수분해물 중 옥살산의 농도 변화를 보면 결과적으로 대략 30분 안에 희석액으로부터 옥살산은 제거되었다. 표 4는 가수분해물에 대한 전기투석 과정의 옥살산과 당의 수송 과정을 정리한 것이다. 바이오매스에 대한 옥살산 처리 가수분해 산물에 대한 전기투석 결과는 하기와 같다. 옥살산은 농축액에서 100% 효율로 회수되었으며, 전기투석 과정에서의 글루코오스와 자일로오스의 손실은 각각 1.8%와 15.0%이었다. 바이오매스의 옥살산 처리 가수분해물 전기투석에서 희석액(처리액)은 가수분해물을 사용하였고, 농축액은 증류수를 사용하였다. In the electrodialysis process for the recovery of oxalic acid, the hydrolyzate produced in the pretreatment process of the mushroom waste medium was used as the initial diluent. As shown in FIG. 5, the concentration of oxalic acid in the hydrolyzate during electrodialysis performed at 10 V potential resulted in the removal of oxalic acid from the diluent within about 30 minutes. Table 4 summarizes the transportation process of oxalic acid and saccharide in the electrodialysis process for the hydrolyzate. Electrodialysis results for oxalic acid-treated hydrolyzate of biomass were as follows. Oxalic acid was recovered at 100% efficiency in the concentrate and the losses of glucose and xylose during electrodialysis were 1.8% and 15.0%, respectively. Oxalic acid-treated hydrolyzate of biomass In the electrodialysis, diluted solution (treatment solution) was hydrolyzed and concentrated solution was distilled water.

가수분해물에 대한 전기투석에서 옥살산과 당의 수송 Transport of oxalic acid and sugar from electrodialysis to hydrolyzate
전기투석 (10 V)

Electrodialysis (10 V)

옥살산

Oxalic acid

글루코오스

Glucose

자일로오스

Xylose

농축액으로의 수송속도 (g/h)

Transport speed to concentrate (g / h)

4.97

4.97

0.23

0.23

0.11

0.11

희석액에서의 제거속도 (g/h)

Removal rate in dilution (g / h)

3.48

3.48

0.38

0.38

1.11

1.11

제거효율 (%)

Removal efficiency (%)

100

100

1.8

1.8

15

15

농축액에서의 최종농도 (g/L)

Final concentration in concentrate (g / L)

9.84

9.84

1.3

1.3

0.89

0.89

실시예 6: 옥살산 전처리 가수분해물 전기투석공정의 세척 효과Example 6: Cleaning effect of oxalic acid pretreatment hydrolyzate electrodialysis process

본 발명의 일 실시예 5에 있어서 옥살산의 수송속도와 전류 효율의 측면에서 가수분해물과 합성용액의 공정 성능을 비교하였다. 가수분해물에서 옥살산의 수송 속도는 3.48 g/h이고, 이는 합성용액(7.7 g/h, 표 3)의 절반에 해당한 것이다. 또한 옥살산의 전류 효율은 40.6%이었고, 이는 48.3%의 합성용액보다 다소 낮은 것이었다. 본 실시예에서 전기투석 성능 저하는 음이온 교환막 표면에 유기물의 침착으로 인한 마막오염 현상이다. 유기물의 막오염 현상은 오염물(foulants)과 이온막 표면 사이의 상호작용의 힘에 따라 가역적 또는 비가역적인 것으로 분류될 수 있다. 가역적인 오염은 세척에 의해 제거되는 반면, 비가역적인 오염은 제거되지 않았다(표 3). 화학적 세척은 전기투석 사이에 수행되었고, 탈염과정은 전기투석 과정에서 오염물의 효과를 조사하기 위하여 NaCl 용액을 사용하여 수행되었다. 수송 속도, 전류 효율 및 소비 전력과 같은 전기투석 성능은 NaCl 탈염과정 동안에 감소하지 않았고, 이는 심지어 가수분해물에 대한 전기투석 실험 후에도 감소되지 않았다. 심지어 전기투석 실험 동안 유기물의 흡착에 의해 전기투석 성능이 다소 감소하긴 하였으나, 상기 흡착된 유기물이 가역적 오염으로 화학 세척용액에 의해 제거되었기 때문에, 전기투석 성능에 대한 유의한 효과는 발생하지 않았다.In Example 5 of the present invention, the process performance of the hydrolyzate and the synthesis solution was compared in terms of oxalic acid transport rate and current efficiency. The transport rate of oxalic acid in the hydrolyzate was 3.48 g / h, which corresponds to half of the synthesis solution (7.7 g / h, Table 3). The current efficiency of oxalic acid was also 40.6%, which was somewhat lower than that of 48.3% of the synthesis solution. In the present embodiment, degradation of electrodialysis performance is a phenomenon of contaminant contamination due to deposition of organic matter on the surface of an anion exchange membrane. Membrane contamination of organic matter can be classified as reversible or irreversible depending on the forces of interaction between the foulants and the surface of the ion membrane. Reversible contamination was removed by washing, while irreversible contamination was not removed (Table 3). Chemical washing was carried out between electrodialysis, and desalting was carried out using NaCl solution to investigate the effect of contaminants during electrodialysis. Electrodialysis performance, such as transport rate, current efficiency and power consumption, did not decrease during the NaCl desalination process, which was not even reduced after electrodialysis experiments on hydrolyzate. Even though the electrodialysis performance was slightly reduced by the adsorption of the organic material during the electrodialysis experiment, no significant effect on the electrodialysis performance occurred because the adsorbed organic material was removed by the chemical washing solution due to reversible contamination.

실시예 7: 전기투석 공정 적용 옥살산 전처리 가수분해물의 발효가능 당Example 7: Electrodialysis process application Fermentable sugars of hydrolyzate of oxalic acid pretreatment

표 5는 각 단계에서 가수분해의 조성 분석을 보여준다. 전기투석에 의해 회수된 옥살산을 사용한 전처리 단계를 반복할수록, 가수분해물(H1, H2, H3, 도 1)에 포함된 발효가능한 당과 발효 저해물질의 농도는 약간 증가하였다. 이는 가수분해물에 존재하는 확인되지 않은 독성물질에 기인한 것으로서, 유사한 결과가 종래에 보고된바 있다(Cheng et al., Biochem. Eng. J., 38: 105109, 2008). 각 단계의 가수분해물에서 당은 대부분 글루코오스였으며, 반면 자일로오스는 헤미셀룰로오스로부터 상대적으로 적게 방출되었다. 버섯 폐배지와 다르게 꽃송이버섯(S. crispa)는 갈색부후균(brown rot fungi)로서 배양 중에 다양한 헤미셀룰라아제를 분비하기 때문에, 꽃송이버섯 배양에 따른 폐배지는 대부분 셀룰로오스와 리그닌을 포함한다. (Sato et al., Bioresour. Technol., 101: 6006-6011, 2010; Asada et al., Bioresour. Technol., 102: 10052-10056, 2011). 또한 버섯 폐배지는 꽃송이버섯(S. crispa) 균사체와 올리고당과 같은 풍부한 글루칸(glucan)을 포함하므로 각 단계의 가수분해물에서 고농도의 글루코오스가 검출되었다. Table 5 shows the compositional analysis of the hydrolysis at each step. As the preprocessing step using oxalic acid recovered by electrodialysis was repeated, the concentrations of fermentable sugars and fermentation inhibiting substances contained in the hydrolysates (H1, H2, H3, Fig. 1) were slightly increased. This is due to unidentified toxic substances present in the hydrolyzate, and similar results have been reported previously (Cheng et al ., Biochem. Eng. J., 38: 105109, 2008). In the hydrolyzate of each step, the sugar was mostly glucose, whereas xylose was relatively less released from hemicellulose. Unlike mushroom waste media, S. crispa is a brown rot fungi that secretes a variety of hemicellulases during culture. Therefore, most of the waste media from cultivated mushrooms contain cellulose and lignin. (Sato et al., Bioresour Technol., 101: 6006-6011, 2010; Asada et al., Bioresource Technol., 102: 10052-10056, 2011). In addition, the mushroom waste medium contained a large amount of glucan such as mycelium of S. crispa and oligosaccharide, so that high concentration of glucose was detected in the hydrolyzate of each step.

옥살산을 수집하기 위해 가수분해물을 전기투석한 후, 초기 가수분해물을 옥살산 분획물(EDH, EDO, 도 1)과 농축된 가수분해물로 분리되었다. 거의 대부분의 옥살산이 옥살산 분획물에서 수집되었고, 첫 번째 전처리와 같은 조건을 제공하기 위해 옥살산을 첨가함으로써, 다음 전처리 공정에 재사용할 수 있었다. After the hydrolyzate was electrodialyzed to collect oxalic acid, the initial hydrolyzate was separated into oxalic acid fractions (EDH, EDO, Figure 1) and concentrated hydrolyzate. Most of the oxalic acid was collected in the oxalic acid fractions and could be reused in the next pretreatment process by adding oxalic acid to provide the same conditions as the first pretreatment.

버섯 폐배지의 옥살산 전처리 시 발생한 가수분해물의 발효가능 당 Fermentable sugars of hydrolysates produced by pretreatment of oxalic acid in mushroom waste media
성분
(단위: g/L)

ingredient
(Unit: g / L)

H1a

H1 a

EDH1b

EDH1 b

EDO1c

EDO1 c

H2

H2

EDH2

EDH2

EDO2

EDO2

H3

H3

EDH3

EDH3

EDO3

EDO3

글루코오스

Glucose

44.62
(1.31)d

44.62
(1.31) d

42.03
(1.23)

42.03
(1.23)

1.46
(0.29)

1.46
(0.29)

46.33
(1.26)

46.33
(1.26)

40.85
(1.21)

40.85
(1.21)

1.51
(0.19)

1.51
(0.19)

54.01
(1.18)

54.01
(1.18)

50.31
(1.30)

50.31
(1.30)

1.75
(0.41)

1.75
(0.41)

자일로오스

Xylose

17.56
(1.14)

17.56
(1.14)

15.88
(1.09)

15.88
(1.09)

0.99
(0.15)

0.99
(0.15)

22.89
(1.10)

22.89
(1.10)

20.19
(1.20)

20.19
(1.20)

1.15
(0.09)

1.15
(0.09)

25.61
(1.24)

25.61
(1.24)

23.18
(1.08)

23.18
(1.08)

0.88
(0.66)

0.88
(0.66)

a 첫 번째 단계 옥살산 전처리로부터 얻은 가수분해물 a Hydrolyzate from first stage oxalic acid pretreatment

b 첫 번째 단계 가수분해물을 전기투석하여 얻은 가수분해 분획물 b Hydrolysis fraction obtained by electrodialysis of the first step hydrolyzate

c 첫 번째 단계 가수분해물을 전기투석하여 얻은 옥살산 분획물 c The oxalic acid fraction obtained by electrodialysis of the first step hydrolyzate

d 괄호는 표준편차를 나타냄 d Brackets indicate standard deviation

실시예 8: 전기투석 공정 적용 옥살산 전처리 가수분해물의 발효저해물질Example 8: Electrodialysis process application Fermentation inhibitor of oxalic acid pretreated hydrolyzate

리그노셀룰로오스 바이오매스에 산을 처리하면 푸르푸랄 알데하이드(푸르푸랄과 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF))과 약산(아세트산, 포름산, 레불린산)과 페놀계 화합물(total phenolic compounds, TPCs)이 생성된다(Almeida et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 82: 625-638, 2009; Mosier et al., Biotechnol. Bioeng., 79: 610-618, 2002). 본 발명자들은 다단계 전처리 공정에서의 발효 저해물질인 포름산, 아세트산, HMF 및 푸르푸랄의 농도를 분석하였다. 표 6은 각 단계별 발효저해 물질의 농도를 보여주고 있다. 세 단계 과정 중 포름산의 농도는 1.32-1.51 g/L, 아세트산의 농도는 1.54-2.05 g/L, HMF의 농도는 1.13-2.13 g/L이었다. 옥살산 전처리 바이오매스에서 형성된 발효 저해물질인 포름산과 아세트산은 제거효율은 각각 24-68%와 40-63%이었다. 더 나아가 중성형인 HMF와 푸르푸랄은 전기투석에 의해 유의하게 제거되었다(Walton et al., Bioresour.Technol., 101: 19351940, 2010; Weng et al., Bioresour. Technol., 101: 48894894, 2010). 가수분해물로부터 TPCs의 최대 제거효율은 51%이다. 본 실시예에서 이온화되지 않은 소수성 저해물질(HMF, 푸르푸랄, TPCs)의 제거는 이온 교환막이 친수성을 가지고 있기 때문에(Lee et al., J. Membr. Sci., 203: 115126, 2002), 저해물질과 막 표면의 반발 반응과 연관된 것으로 추정된다.Treatment of acids with lignocellulosic biomass results in the production of furfural aldehydes (furfural and 5-hydroxymethyl furfural (HMF)), weak acids (acetic acid, formic acid, levulinic acid) and total phenolic compounds (TPCs) (Almeida et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 82: 625-638, 2009; Mosier et al., Biotechnol. Bioeng., 79: 610-618, 2002). The present inventors analyzed concentrations of formic acid, acetic acid, HMF and furfural, which are fermentation inhibitors in the multistage pretreatment process. Table 6 shows the concentrations of fermentation inhibiting substances in each step. The concentration of formic acid was 1.32-1.51 g / L, the concentration of acetic acid was 1.54-2.05 g / L, and the concentration of HMF was 1.13-2.13 g / L. Removal efficiencies of formic acid and acetic acid, which were fermentation inhibitors formed in oxalic acid pretreatment biomass, were 24-68% and 40-63%, respectively. Furthermore, neutral type HMF and furfural were significantly removed by the electrodialysis (Walton et al, Bioresour.Technol, 101 : 19351940, 2010; Weng et al, Bioresour Technol, 101:..... 48894894, 2010) . The maximum removal efficiency of TPCs from the hydrolyzate is 51%. Removal of the non-ionized hydrophobic inhibitors (HMF, furfural, TPCs) in this embodiment is preferred because the ion exchange membranes are hydrophilic (Lee et al., J. Membr. Sci., 203: 115126, 2002) It is presumed to be related to the rebound reaction of the material and the membrane surface.

전기투석 과정에서 이온막 표면 상의 억제제 오염과 당의 확산에 기인하여, 가수분해 분획물(EDH1, EDH2, 도1)에서 발효가능 당과 발효 저해물질의 농도는 전기투석에 의해 다소 감소하였다. 옥살산 분획물(EDO1, EDO2, 도2)에서 당과 발효 저해물질 일부가 전기투석에 의해 수집되었는데 이는 이전에 보고된 바와 유사하다(Weng et al., Bioresour. Technol., 101: 48894894, 2010). 상기의 결과를 검토하건대, 전기투석에 의한 가수분해 분획물(EDH)은 높은 농도의 발효가능 당과 낮은 농도의 발효 저해물질을 포함하고 있으므로 에탄올 발효를 위한 적절한 조건의 제공이 가능하다. 포름산과 아세트산은 pH조건에서 음이온을 띠기 때문에 상당량이 이온교환막을 이용한 전기투석에 의해 제거된 반면, 이온을 띠지 않은 HMF, 프루푸랄, 알데히드, 페놀계화합물은 확산에 의해서만 제거되었기 때문에 낮은 제거효율을 보였다. Concentrations of fermentable sugars and fermentation inhibitors in the hydrolyzed fractions (EDH1, EDH2, FIG. 1) were somewhat reduced by electrodialysis due to contamination of the inhibitor and diffusion of sugars on the surface of the ion membrane during electrodialysis. In the oxalate fractions (EDO1, EDO2, Fig. 2), some of the sugar and fermentation inhibitors were collected by electrodialysis, similar to those reported previously (Weng et al ., Bioresour. Technol., 101: 48894894, 2010). Considering the above results, it is possible to provide an appropriate condition for ethanol fermentation because the hydrolysis fraction (EDH) by electrodialysis contains a high concentration of fermentable sugar and a low concentration of fermentation inhibitor. Formic acid and acetic acid were removed by electrodialysis using an ion exchange membrane because a large amount of anion was absorbed at pH, whereas low ion removal efficiency was achieved by eliminating ionic HMF, furfural, aldehyde and phenol compounds only by diffusion It looked.

버섯 폐배지의 옥살산 전처리 시 발생한 가수분해물의 발효저해제 함량 Fermentation inhibitor content of hydrolyzate produced by pretreatment of oxalic acid in mushroom waste medium
성분
(단위: g/L)

ingredient
(Unit: g / L)

H1a

H1 a

EDH1b

EDH1 b

EDO1c

EDO1 c

H2

H2

EDH2

EDH2

EDO2

EDO2

H3

H3

EDH3

EDH3

EDO3

EDO3

아세트산

Acetic acid

1.54
(0.20)d

1.54
(0.20) d

0.64
(0.10)

0.64
(0.10)

0.84
(0.11)

0.84
(0.11)

1.93
(0.23)

1.93
(0.23)

1.15
(0.18)

1.15
(0.18)

1.15
(0.10)

1.15
(0.10)

2.05
(0.20)

2.05
(0.20)

0.76
(0.58)

0.76
(0.58)

0.55
(0.12)

0.55
(0.12)

레불린산

Levulinic acid

2.54
(0.53)

2.54
(0.53)

2.35
(0.10)

2.35
(0.10)

NA

NA

2.53
(0.25)

2.53
(0.25)

2.31
(0.20)

2.31
(0.20)

NA

NA

2.32
(0.21)

2.32
(0.21)

2.03
(0.11)

2.03
(0.11)

NA

NA

HMF

HMF

1.13
(0.47)

1.13
(0.47)

0.78
(0.11)

0.78
(0.11)

NA

NA

1.34
(0.13)

1.34
(0.13)

1.12
(0.10)

1.12
(0.10)

0.25
(0.05)

0.25
(0.05)

2.13
(0.20)

2.13
(0.20)

1.62
(0.78)

1.62
(0.78)

0.30
(0.10)

0.30
(0.10)

푸르푸랄

Furfural

0.58
(0.21)

0.58
(0.21)

NA

NA

NA

NA

0.80
(0.12)

0.80
(0.12)

0.63
(0.13)

0.63
(0.13)

0.23
(0.05)

0.23
(0.05)

0.86
(0.17)

0.86
(0.17)

0.47
(0.09)

0.47
(0.09)

0.20
(0.07)

0.20
(0.07)

TPC

TPC

5.07
(0.79)

5.07
(0.79)

2.5
(0.42)

2.5
(0.42)

NA

NA

3.39
(0.63)

3.39
(0.63)

2.0
(0.40)

2.0
(0.40)

NA

NA

4.0
(0.48)

4.0
(0.48)

2.12
(0.21)

2.12
(0.21)

NA

NA

a 첫 번째 단계 옥살산 전처리로부터 얻은 가수분해물 a Hydrolyzate from first stage oxalic acid pretreatment

b 첫 번째 단계 가수분해물을 전기투석하여 얻은 가수분해 분획물 b Hydrolysis fraction obtained by electrodialysis of the first step hydrolyzate

c 첫 번째 단계 가수분해물을 전기투석하여 얻은 옥살산 분획물 c The oxalic acid fraction obtained by electrodialysis of the first step hydrolyzate

d 괄호는 표준편차를 나타냄 d Brackets indicate standard deviation

실시예 9: 가수분해물의 에탄올 생성Example 9: Ethanol production of hydrolyzate

폐버섯 배지의 옥살살 전처리 후 가수분해물의 발효를 위해 Pichia stipitis 효모균주가 사용되었다. 효모세포를 YPD 400 ㎖(10 g/L 효모 추출물, 10 g/L 펩톤과 20 g/L 글루코오스)가 포함된 에클렌마이어 플라스크에서 진탕 배양기에 24시간 동안 배양하였다. 세포배양 후, 효모세포를 채취한 뒤 멸균 증류수에서 세척하였다. 가수분해물은 증류수로 1:1로 희석하고, 전기투석 처리된 가수분해물과 최초 가수분해물을 수산화칼슘(calcium hydroxide)을 이용하여 pH 6.0으로 조정한 후 멸균된 0.45 ㎛ 필터를 통해 여과하여 수산화칼슘을 제거하였다. 건조 세포중량 2.0 g/L에 상당하는 세척된 세포를 상기 가수분해물에 5 g/L 효모, 5 g/L 우레아, 0.5 g/L MgSO47H2O와 1 g/L KH2PO4를 가하였다. 발효 공정은 150 rpm 30℃, 96시간의 조건으로 교반기에서 수행되었다. 모든 분석은 3회 반복하여 수행되었다. Pichia stipitis yeast strains were used for fermentation of hydrolysates after pretreatment with oxalic acid in the waste mushroom medium. Yeast cells were cultured in a shaking incubator for 24 hours in an Eklenmeyer flask containing 400 ml of YPD (10 g / L yeast extract, 10 g / L peptone and 20 g / L glucose). After cell culture, yeast cells were collected and washed in sterile distilled water. The hydrolyzate was diluted 1: 1 with distilled water, and the hydrolyzate hydrolyzed and the initial hydrolyzate were adjusted to pH 6.0 using calcium hydroxide, and then filtered through a sterilized 0.45 탆 filter to remove calcium hydroxide . Washed cells corresponding to a dry cell weight of 2.0 g / L were added to the hydrolyzate at 5 g / L yeast, 5 g / L urea, 0.5 g / L MgSO 4 7H 2 O and 1 g / L KH 2 PO 4 Respectively. The fermentation process was carried out on a stirrer at 150 rpm at 30 ° C for 96 hours. All analyzes were performed in triplicate.

표 7은 에탄올 생산과 생산성, 그리고 72시간 발효 후의 에탄올의 수율 측면에서 발효 성능을 보여준다. 표 7의 가수분해물(EDH1)와 (EDH2)의 발효 결과를 처리되지 않은 가수분해물(H1)의 결과와 비교하였다. 바이오에탄올의 발효수행에서 전기투석을 이용하여 저해 물질의 제거의 영향을 조사하였다. 에탄올 생산은 전기투석 처리한 가수분해물에서 19 g/L까지 증가한 반면, 전기투석을 처리하지 않은 가수분해물은 대략 6 g/L이었다. 에탄올 생산성과 수율은 세 번째 단계까지 증가하였는데, 이는 전기투석 공정을 통해 발효저해 물질이 제거되었기 때문이다(Cheng et al., Biochem. Eng. J., 38: 105109, 2008). Table 7 shows the fermentation performance in terms of ethanol production and productivity, and the yield of ethanol after fermentation for 72 hours. The fermentation results of the hydrolysates (EDH1) and (EDH2) in Table 7 were compared with those of the untreated hydrolyzate (H1). The effect of removal of inhibitor was investigated by electrodialysis in the fermentation of bioethanol. Ethanol production increased to 19 g / L in electrodialyzed hydrolyzate, while hydrolyzate without electrodialysis was approximately 6 g / L. The productivity and yield of ethanol increased up to the third stage because the fermentation inhibitor was removed through the electrodialysis process (Cheng et al., Biochem. Eng. J., 38: 105109, 2008).

전기투석공정을 적용하지 않은 가수분해물의 발효공정에 있어서 에탄올 수율을 고려하면, 에탄올 수율은 매우 낮았고 최초 가수분해물에서 발효과정 중 발효가능 당은 효모(P. stipitis)에 의해 완전히 소모되지 않았다. 연속적인 단계에서 에탄올 수율을 측정한 결과, 첫 단계 가수분해물(H1)의 에탄올 수율은 0.10 g/g 당, 두 번째 가수분해물(H2)의 에탄올 수율은 0.12 g/g 당, 세 번째 가수분해물(H3)의 에탄올 수율은 0.12 g/g 이었다. 그러나 전기투석이 처리된 모든 단계의 가수분해물(EDH1, EDH2, EDH3)의 에탄올 수율은 약 세배(0.30 g/g)에 달했다. 더 나아가, 전기투석 처리는 발효 저해물질 제거에 의해 에탄올 수율 뿐 아니라 에탄올 생산을 증가시켰다. 발효되는 동안 당의 소비가 억제되기 때문에 최초 가수분해물(H1, H2, H3)의 에탄올 생산은 낮은 반면, 전기투석 처리된 가수분해물(EDH1, EDH2, EDH3)에서 에탄올의 생산은 전기투석에 의한 발효 저해물질의 제거로 인해 현저하게 증가하였다. Ethanol yield was very low considering the ethanol yield in the fermentation process without the electrodialysis process. In the initial hydrolyzate, fermentable sugars were not completely consumed by yeast ( P. stipitis ) during the fermentation process. The ethanol yield of the first step hydrolyzate (H1) was 0.10 g / g, the ethanol yield of the second hydrolyzate (H2) was 0.12 g / g, and the third hydrolyzate H3) was 0.12 g / g. However, the ethanol yield of the hydrolysates (EDH1, EDH2, EDH3) at all stages of electrodialysis was about three times (0.30 g / g). Furthermore, electrodialysis increased ethanol production as well as ethanol production by removing fermentation inhibitors. Ethanol production of the first hydrolyzate (H1, H2, H3) is low, while the production of ethanol in the electrodialyzed hydrolyzate (EDH1, EDH2, EDH3) is low due to inhibition of fermentation by electrodialysis It was remarkably increased due to the removal of the material.

도 6은 발효 가능한 당의 소비와 에탄올의 생산을 시간의 경과에 따라 나타낸다. 초기 포도당과 자일로오스를 포함한 발효가능 당의 농도 61.89 g/L인 최초 가수분해물(H1)을 72시간 발효 후 얻은 에탄올 농도는 불과 6 g/L에 불과했으며, 96시간 발효 후에 얻은 최대 에탄올의 농도는 19.66 g/L이었다. 초기의 낮은 에탄올 생산율은 효모의 생장과 호흡을 감소시키며 가수분해물에 남아 있는 발효 저해물질의 효과에 의한 것이다(Larsson et al., Enzyme Microbial. Technol., 24(3-4): 151-159, 1999; Palmqvist et al., Bioresour. Technol., 74(1): 25-33, 2000). 반면 에탄올이 생산되는 96시간에 도달할 동안 전기투석 처리된 가수분해물(EDH1)의 발효가능 당의 농도는 급격히 감소하여, 72시간 경과 후에는 거의 검출되지 않았다. 72시간 후 최고 에탄올 생산량은 19.38 g/L이었는데, 가수분해물(H1)을 96시간 발효시킨 것에 상응하는 에탄올 생산량으로서 전기투석 처리된 가수분해물의 경우 발효시간을 단축시키는 효과를 가짐을 알 수 있는 것이다. 상기 값은 0.33 g/g 당의 에탄올 수율과 0.27 g/L/h 에탄올 생산성에 상응하는 것이다. 이러한 결과는 가수분해물을 처리하는 동안 전기투석 과정을 통해 옥살산이 회수되고 발효 저해물질이 감소되며, 발효능이 향상됨을 나타내는 것이다. Figure 6 shows the consumption of fermentable sugars and the production of ethanol over time. The ethanol concentration obtained after fermentation for 72 hours at the initial hydrolyzate (H1) of 61.89 g / L in the initial fermentable sugars including glucose and xylose was only 6 g / L, and the maximum ethanol concentration obtained after 96 hours fermentation Was 19.66 g / L. The initial low ethanol production rate is due to the effect of the fermentation inhibitor on the hydrolyzate, which reduces yeast growth and respiration (Larsson et al., Enzyme Microbial. Technol., 24 (3-4): 151-159, 1999; Palmqvist et al., Bioresour. Technol., 74 (1): 25-33, 2000). On the other hand, the concentration of the fermentable sugar of the electrodialyzed hydrolyzate (EDH1) dropped sharply during 96 hours of ethanol production, and was almost undetectable after 72 hours. The highest ethanol production after 72 hours was 19.38 g / L. The hydrolyzate hydrolyzate treated with the electrodialysis as the ethanol production corresponding to the fermentation of the hydrolyzate (H1) for 96 hours has the effect of shortening the fermentation time . This value corresponds to an ethanol yield per 0.33 g / g and an ethanol productivity of 0.27 g / L / h. These results indicate that oxalic acid is recovered through electrodialysis during the hydrolysis process, the fermentation inhibitor is reduced, and the efficacy is improved.

전기투석 처리된 가수분해물의 에탄올 발효 성능Ethanol Fermentation Performance of Electrodialyzed Hydrolyzate
전기투석 미처리 가수분해물
(H1)a

Electrodialysis untreated hydrolyzate
(H1) a

전기투석 처리 가수분해물

Electrodialysis hydrolyzate

(EDH1)b

(EDHl) b

(EDH2)c

(EDH2) c

에탄올 생산량 (g/L)

Ethanol production (g / L)

5.92(0.32)d

5.92 (0.32) d

19.38(0.68)

19.38 (0.68)

17.07(0.52)

17.07 (0.52)

에탄올 생산성 (g/L/h)

Ethanol productivity (g / L / h)

0.08(0.1)

0.08 (0.1)

0.27(0.01)

0.27 (0.01)

0.23(0.01)

0.23 (0.01)

에탄올 수율 (g/g 당)

Ethanol yield (per g / g)

0.10(0.01)

0.10 (0.01)

0.33(0.01)

0.33 (0.01)

0.29(0.01)

0.29 (0.01)

a 첫 번째 단계에서 옥살산 전처리로부터 얻은 가수분해물 a hydrolyzate from oxalic acid pretreatment in the first step

b 가수분해물을 전기투석하여 가수분해 분획물 b hydrolyzate was subjected to electrodialysis to obtain a hydrolyzed fraction

c 회수된 옥살산과 함께 두 번째 전처리로부터 얻은 가수분해물을 전기투석하여 얻은 가수분해 분획물 c Hydrolysis fraction obtained by electrodialysis of the hydrolyzate obtained from the second pretreatment together with the recovered oxalic acid

d 괄호는 표준편차를 나타냄 d Brackets indicate standard deviation

실시예 10: 전처리된 바이오매스의 당화공정Example 10: Saccharification of pretreated biomass

전기투석을 통해 회수된 옥살산을 사용하여 옥살산 전처리에서 얻은 전처리 바이오매스에서 당화공정(효소가수분해)을 수행하였다. 각 전처리 단계에서 얻은 전처리된 바이오매스 5 g을 50 mM NaCl 50 ㎖(pH 4.8)를 포함한 125 ㎖ 에클렌마이어 플라스크에 옮겨 담았다. 가수분해를 위해, 제넨코(Danisco, 미국)로부터 구입한 셀룰라아제(Accellerase 1000, 500 CMC U/g)와 β-글루코시다아제(80 pNPG U/g)를 첨가하였다. 효소가수분해는 150 rpm, 50℃의 조건에서 96시간 동안 교반기에서 수행되었으며, 모든 분석은 3회 반복하였다. 셀룰로오스에서 글루코오스로의 효소적 변환은 효소가수분해에서 측정된 글루코오스 농도에 기초하여 계산하였다. 표 8에 나타난 바와 같이 글루칸에서 글루코오스로의 변환은 76.03%에서 77.63% 범위 안에 있었다. 이러한 결과는 전기투석에 의해 회수된 옥살산이 전처리 공정에 사용되었을 때 각 전처리된 바이오매스에 대한 가수분해율이 유의하게 변화하지 않았다는 것을 의미한다. 자일란에 대한 효소 변환율은 셀룰로오스의 변환과 비교하였을 때 상대적으로 낮았다. 이것은 불충분한 자일라나아제와 그로 인한 낮은 자일란의 효소적 전환에 기인하는 것일 수 있다. The saccharification process (enzyme hydrolysis) was performed in the pretreatment biomass obtained by oxalic acid pretreatment using oxalic acid recovered through electrodialysis. 5 g of the pretreated biomass obtained in each pretreatment step was transferred into a 125 ml Eklenmeyer flask containing 50 ml of 50 mM NaCl (pH 4.8). For the hydrolysis, cellulase (Accellerase 1000, 500 CMC U / g) and β-glucosidase (80 pNPG U / g) purchased from Danisco, USA were added. Enzymatic hydrolysis was carried out on a stirrer for 96 hours at 150 rpm and 50 ° C, and all analyzes were repeated three times. Enzymatic conversion of cellulose to glucose was calculated based on the glucose concentration measured in the enzyme hydrolysis. As shown in Table 8, the conversion of glucan to glucose was in the range of 76.03% to 77.63%. These results indicate that the hydrolysis rate for each pretreated biomass did not change significantly when oxalic acid recovered by electrodialysis was used in the pretreatment process. The enzyme conversion rate for xylans was relatively low when compared to the conversion of cellulose. This may be due to the enzymatic conversion of insufficient zylanase and the resulting low xylan.

효소가수분해에서 회수된 옥살산에 의해 전처리된 옥살산의 전처리 평가Pretreatment evaluation of oxalic acid pretreated with oxalic acid recovered from enzyme hydrolysis
바이오매스

Biomass

글루코오스
(g/L)a

Glucose
(g / L) a

글루칸에서 글루코오스로의 변환율(%)

Conversion of Glucan to Glucose (%)

자일로오스 (g/L)a

Xylose (g / L) a

자일란에서 자일로오스로의 변환율(%)

Convert from Xylon to Xylose (%)

옥살산 전처리로부터 얻은 바이오매스 (S1)c

Biomass obtained from oxalic acid pretreatment (S1) c

43.80(1.21)b

43.80 (1.21) b

76.03

76.03

3.20(0.31)

3.20 (0.31)

48.51

48.51

옥살산 전처리로부터 얻은 바이오매스 (S2)c

Biomass obtained from oxalic acid pretreatment (S2) c

43.32(1.30)

43.32 (1.30)

76.77

76.77

2.96(0.33)

2.96 (0.33)

51.26

51.26

옥살산 전처리로부터 얻은 바이오매스 (S3)c

Biomass from oxalic acid pretreatment (S3) c

42.72(1.18)

42.72 (1.18)

77.63

77.63

2.92(0.33)

2.92 (0.33)

50.77

50.77

a96시간 후 효소가수분해에서 얻은 발효가능한 당 a Fermentable sugars from enzyme hydrolysis after 96 hours

b괄호는 표준편차를 나타냄 b Brackets indicate standard deviation

c도1 참조 c See Fig.

본 발명은 상술한 실시예 및 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예 및 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. I will understand. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (13)

바이오매스 전처리 방법에 있어서,
분쇄된 바이오매스에 유기산을 처리하는 전처리 단계;
전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 분리 단계; 및
상기 액체 분획물을 pH 2.1 내지 4 및 전압 7 내지 12 V의 조건으로 전기투석하여 회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 전기투석 단계를 포함하는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
In the biomass pretreatment method,
A pretreatment step of treating the pulverized biomass with an organic acid;
A separation step of dividing the pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And
Wherein the liquid fraction is subjected to electrodialysis under conditions of pH 2.1 to 4 and a voltage of 7 to 12 V to convert the organic fraction to a recovered organic acid and a hydrolysis fraction, thereby allowing recovery and reuse of the organic acid.
제1항에 있어서,
상기 회수 유기산을 분쇄된 바이오매스에 처리하는 추가 전처리 단계;
상기 추가 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 추가 분리 단계; 및
상기 액체 분획물을 pH 2.1 내지 4 및 전압 7 내지 12 V의 조건으로 전기투석하여 재회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 추가 전기투석 단계를 포함하는 유기산의 추가 회수 공정을 추가적으로 포함하는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
The method according to claim 1,
An additional pretreatment step of treating the recovered organic acid to the pulverized biomass;
Further separating the further pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And
Further comprising an additional electrodialysis step of separating the liquid fraction into a rehydratable organic acid and a hydrolytic fraction by electrodialysis under conditions of pH 2.1-4 and a voltage of 7-12 V, And biomass pretreatment methods that enable reuse.
제2항에 있어서,
상기 유기산의 추가 회수 공정은 1 회 내지 10 회 반복 수행되는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
3. The method of claim 2,
The method of claim 1, wherein the organic acid is recovered and reused from 1 to 10 times.
제1항에 있어서,
상기 유기산은 상기 바이오매스 건조중량 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부로 처리되는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic acid is treated in an amount of 5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the biomass dry weight, whereby the organic acid can be recovered and reused.
삭제delete 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 유기산은 옥살산, 아세트산, 말산, 구연산, 부틸산, 팔미트산, 타타르산 또는 글루타르산인, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the organic acid is capable of recovery and reuse of organic acids such as oxalic acid, acetic acid, malic acid, citric acid, butyric acid, palmitic acid, tartaric acid or glutaric acid.
제1항 또는 제2항에 있어서
상기 바이오매스는 리그노셀룰로오스성 바이오매스인, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
The method according to claim 1 or 2, wherein
Wherein the biomass is a lignocellulosic biomass, which enables the recovery and reuse of the organic acid.
제2항에 있어서,
상기 유기산 또는 상기 회수 유기산은 상기 바이오매스 건조중량 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부로 처리되는, 유기산의 회수 및 재사용을 가능케 하는 바이오매스 전처리 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the organic acid or the recovered organic acid is treated in an amount of 5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the biomass dry weight, whereby the organic acid can be recovered and reused.
삭제delete 삭제delete 분쇄된 바이오매스에 유기산을 처리하는 전처리 단계;
전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 분리 단계;
상기 액체 분획물을 pH 2.1 내지 4 및 전압 7 내지 12 V의 조건으로 전기투석하여 회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 전기투석 단계;
상기 고체분획물을 효소 가수분해하여 발효 가능당을 제조하는 당화 단계; 및 상기 가수분해 분획물, 상기 발효 가능당 또는 상기 가수분해 분획물과 발효 가능당의 혼합물에 에탄올 발효균을 접종하여 혐기성 조건에서 배양하는 발효 단계를 포함하는 바이오 에탄올 제조방법.
A pretreatment step of treating the pulverized biomass with an organic acid;
A separation step of dividing the pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction;
An electrodialysis step of subjecting the liquid fraction to electrodialysis under conditions of pH 2.1 to 4 and a voltage of 7 to 12 V to separate the recovered organic acid and the hydrolyzed fraction;
A saccharification step of producing a fermentable sugar by enzymatic hydrolysis of the solid fraction; And a fermentation step of culturing the hydrolyzed fraction, the fermentable sugar or the mixture of the hydrolyzed fraction and the fermentable sugar in an anaerobic condition by inoculating the fermentation broth with ethanol.
제12항에 있어서
상기 전기투석 단계 후에,
상기 회수 유기산을 분쇄된 바이오매스에 처리하는 추가 전처리 단계;
상기 추가 전처리된 바이오매스를 고체 분획물과 액체 분획물로 나누는 추가 분리 단계; 및
상기 액체 분획물을 pH 2.1 내지 4 및 전압 7 내지 12 V의 조건으로 전기투석하여 재회수 유기산과 가수분해 분획물로 분리하는 추가 전기투석 단계를 포함하는 유기산의 추가 회수 공정을 추가적으로 포함하는, 바이오 에탄올 제조방법.

The method of claim 12, wherein
After the electrodialysis step,
An additional pretreatment step of treating the recovered organic acid to the pulverized biomass;
Further separating the further pretreated biomass into a solid fraction and a liquid fraction; And
Further comprising an additional electrodialysis step of separating the liquid fraction into a rehydratable organic acid and a hydrolyzed fraction by electrodialysis under conditions of pH 2.1 to 4 and a voltage of 7 to 12 V, Way.

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