KR101585747B1 - The method for pretreating lignocellulosic biomass and the apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목질계 바이오매스를 제공하는 단계; 상기 목질계 바이오매스와 염화칼슘(CaCl2) 용액을 150 내지 170℃의 온도에서 반응시켜 발효당을 침출하는 단계; 상기 침출에 의해 획득된 침출액과 잔여 고형물을 분리하여 회수하는 단계를 포함하는 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 이러한 방법에 적용될 수 있는 목질계 바이오매스의 전처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 목질계 바이오매스의 중요 성분인 5탄당을 선택적으로 높은 회수율로 분별하고, 전처리 후 셀룰로오스의 효소 당화율을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 나아가, 고형물의 발효 후 리그닌을 획득할 수 있으므로, 바이오매스의 주요 세 가지 성분인, 셀룰로오스(글루코스), 헤미셀룰로오스(자일로스), 및 리그닌을 각각 모두 분리하여 이용할 수 있다.The present invention relates to a method and apparatus for pretreatment of woody biomass, and more particularly, to a method and apparatus for pretreatment of woody biomass by providing woody biomass; Reacting the woody biomass with calcium chloride (CaCl 2 ) solution at a temperature of 150 to 170 ° C to leach the fermented sugar; And separating and recovering the leach solution and residual solid obtained by the leaching, and a pretreatment apparatus for woody biomass that can be applied to such a method.
According to the present invention, the pentasaccharide, which is an important component of woody biomass, can be selectively separated at a high recovery rate, and the enzyme saccharification rate of cellulose after the pretreatment can be effectively improved. Furthermore, since lignin can be obtained after fermentation of solid matter, cellulose (glucose), hemicellulose (xylose), and lignin, which are three major components of biomass, can be separately used.
Description
본 발명은 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염화칼슘(CaCl2) 용액을 이용하여 셀룰로오스의 효소 당화율 향상과 함께 발효당을 획득할 수 있는 목질계 바이오매스의 전처리 방법 및 이에 이용될 수 있는 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a pretreatment method and apparatus for woody biomass, and more particularly, to a method and apparatus for pretreating woody biomass capable of obtaining a fermentation sugar together with improvement of enzymatic glycosylation of cellulose by using a calcium chloride (CaCl 2 ) Methods and devices that can be used therefor.
현재 인류가 전적으로 의존하고 있는 화석 에너지를 대신할 새로운 대체 에너지로서 바이오연료(Biofuel)가 주목받고 있다. 또한 재생 가능한 바이오매스로부터 생산되는 바이오 제품(Bio-based product)의 개발에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.
Biofuel is attracting attention as a new alternative energy alternative to fossil energy, which is currently dependent entirely on mankind. There is also a growing demand for the development of bio-based products from renewable biomass.
특히, 새로운 석유 대체 자원으로서 목질계 바이오매스가 주목받고 있으며, 이는석유 에너지를 대체할 수 있는 바이오 에탄올, 바이오 부탄올 등과 같이 저장 및 수송이 용이한 에너지원 및 열원으로의 이용이 가능할 뿐만 아니라 플라스틱 등과 같은 석유 제품의 대체 화학 원료 생산을 위한 재료로서 그 연구 가치가 증가하고 있다.
In particular, wood-based biomass is attracting attention as a new alternative oil resource. It can be used as an energy source and a heat source that can be easily stored and transported, such as bio-ethanol and bio-butanol, The value of the research is increasing as a material for the production of alternative chemical raw materials for the same petroleum products.
그러나, 바이오매스로부터 미생물 발효를 통해 여러 가지 바이오 화학 물질 및 소재들을 경제적으로 대량 생산하기 위해서는 6탄당(C6), 5탄당(C5)과 같은 발효당을 경제적으로 대량 생산할 수 있도록 하는 기술이 요구된다.
However, in order to economically mass-produce various biochemical materials and materials through microbial fermentation from biomass, there is a need for a technology for economically mass production of fermentation sugars such as hexose (C6) and pentose (C5) .
목질계 바이오매스는 셀룰로오스(Cellulose), 헤미셀룰로오스(Hemicellulose) 및 리그닌(Lignin)의 세 가지 주요 성분으로 구성되어 있고, 이 중 셀룰로오스(Cellulose)와 헤미셀룰로오스(Hemicellulose)는 탄수화물로서 효소 또는 산을 이용하여 당화 과정을 거친 후 미생물 발효를 통해 부가가치가 높은 제품으로 전환될 수 있다.
The woody biomass consists of three main components: cellulose, hemicellulose and lignin. Of these, cellulose and hemicellulose are carbohydrates, which are enzymes or acids, It can be converted into a product with high added value through microbial fermentation.
다만, 일반적으로 목질계 바이오매스에는 효소가 효과적으로 작용할 수 없기 때문에 가수 분해 수율과 속도가 낮으며, 극히 낮은 당화율을 나타내고, 대략 전체 탄수화물 함량의 5 내지 20% 미만 정도이다. 따라서, 목질계 바이오매스의 이용을 위해서는 효소 당화율 향상을 위한 전처리 공정이 필요하다.
However, in general, the woody biomass has a low hydrolysis yield and rate, an extremely low sugar content, and is about 5 to 20% or less of the total carbohydrate content because the enzyme can not act effectively. Therefore, in order to utilize woody biomass, a pretreatment process for improving the enzyme saccharification rate is required.
즉, 목질계 바이오매스로부터 화학 제품 및 바이오 에너지 등의 생산을 위한 공정은 효소와 미생물의 반응을 저해하는 성분을 제거하고, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 대한 효소의 접근성을 향상시키기 위한 전처리 공정(Pretreatment), 효소 가수분해를 통해 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스를 발효 가능한 당류로 변환하는 효소 당화 공정(Enzymatic saccharification), 효모, 박테리아 등을 이용하여 이렇게 생성된 당을 제품으로 전환 시키는 미생물 발효공정(Microbial fermentation)으로 구분할 수 있으며, 성공적인 생물학적 전환 공정을 획득하기 위해서는 전처리 공정을 통한 바이오매스의 성분별 분별 및 물리화학적 성질 변환이 당화 공정과 발효 공정에 필수적이다. 상기와 같은 전처리 공정의 연구 목적은 바이오매스로부터 발효당을 경제적으로 대량 공정에 의해 생산하기 위한 것이다.
In other words, the process for producing chemical products and bio-energy from woody biomass removes components inhibiting the reaction between enzymes and microorganisms, preprocessing for improving the accessibility of enzymes to cellulose and hemicellulose, Enzymatic saccharification, which converts cellulose and hemicellulose into fermentable sugars through enzymatic hydrolysis, microbial fermentation, which converts sugars thus produced into products using yeast, bacteria, etc. To achieve a successful bioconversion process, biomass fractionation and physico-chemical transformation of biomass through pretreatment processes is essential for saccharification and fermentation processes. The purpose of the above-described pretreatment process is to economically produce a fermentation sugar from a biomass by a mass process.
따라서, 목질계 바이오매스의 효소 당화율을 향상시키면서 이와 함께 발효당도 획득될 수 있는 전처리 공정이 개발되는 경우 관련 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
Therefore, it is expected that the pretreatment process capable of obtaining the fermentation sugar together with the enzyme glycosylation rate of the woody biomass can be developed and usefully applied in the related field.
Bioresource Technology, Vol.127, pp.112-118 (2013)
Bioresource Technology, Vol. 127, pp. 112-118 (2013)
이에 본 발명의 한 측면은 효소 당화율의 향상과 함께 발효당을 획득할 수 있는 목질계 바이오매스의 전처리 방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, one aspect of the present invention is to provide a pretreatment method of woody biomass capable of obtaining a fermentation sugar together with an improvement of the enzyme saccharification rate.
이에 본 발명의 다른 측면은 효소 당화율의 향상과 함께 발효당을 획득할 수 있는 목질계 바이오매스의 전처리에 이용될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide an apparatus that can be used for pretreatment of woody biomass capable of obtaining a fermentation sugar with an improved enzyme saccharification rate.
본 발명의 일 견지에 의하면, 목질계 바이오매스를 제공하는 단계; 상기 목질계 바이오매스와 염화칼슘(CaCl2) 용액을 150 내지 170℃의 온도에서 반응시켜 발효당을 침출하는 단계; 및 상기 침출에 의해 획득된 침출액과 잔여 고형물을 분리하여 회수하는 단계를 포함하는 목질계 바이오매스의 전처리 방법이 제공된다.
According to one aspect of the present invention, there is provided a method of making a woody biomass comprising: providing a woody biomass; Reacting the woody biomass with calcium chloride (CaCl 2 ) solution at a temperature of 150 to 170 ° C to leach the fermented sugar; And a step of separating and recovering the leach solution and the remaining solids obtained by the leaching, and a method for pretreating the woody biomass.
상기 발효당을 침출하는 단계는 염화칼슘(CaCl2) 용액의 포화증기압 이상의 압력에서 10분 내지 60분 동안 수행되는 것이 바람직하다.
The step of leaching the fermentation sugar is preferably carried out at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the calcium chloride (CaCl 2 ) solution for 10 minutes to 60 minutes.
상기 발효당은 5탄당인 것이 바람직하다.
Preferably, the fermentation sugar is pentose.
상기 염화칼슘(CaCl2) 용액은 염화칼슘(CaCl2) 수용액인 것이 바람직하다.
The calcium chloride (CaCl 2) solution is preferably a calcium chloride (CaCl 2) solution.
상기 염화칼슘(CaCl2) 용액은 1 내지 20 중량% 농도인 것이 바람직하다.
It is preferable that the calcium chloride (CaCl 2 ) solution has a concentration of 1 to 20 wt%.
상기 잔여 고형물은 전처리된 셀룰로오스이다.
The remaining solids are pretreated cellulose.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 목질계 바이오매스가 투입되는 침출 반응기; 상기 침출 반응기에 구비되는 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부; 온도 조절 장치; 및 압력 조절 장치를 포함하는 목질계 바이오매스의 전처리 장치가 제공된다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a leaching reactor into which woody biomass is introduced; A calcium chloride (CaCl 2 ) solution supply unit provided in the leaching reactor; Thermostat; And a pressure regulating device, are provided for the pretreatment of the woody biomass.
상기 온도 조절 장치는 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부에 구비된 히팅 코일일 수 있다.
The temperature controller may be a heating coil provided in the calcium chloride (CaCl 2 ) solution supply part.
본 발명에 의하면, 목질계 바이오매스의 중요 성분인 5탄당을 선택적으로 높은 회수율로 분별하고, 전처리 후 셀룰로오스의 효소 당화율을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 나아가, 고형물의 발효 후 리그닌을 획득할 수 있으므로, 바이오매스의 주요 세 가지 성분인, 셀룰로오스(글루코스), 헤미셀룰로오스(자일로스), 및 리그닌을 각각 모두 분리하여 이용할 수 있다.
According to the present invention, the pentasaccharide, which is an important component of woody biomass, can be selectively separated at a high recovery rate, and the enzyme saccharification rate of cellulose after the pretreatment can be effectively improved. Furthermore, since lignin can be obtained after fermentation of solid matter, cellulose (glucose), hemicellulose (xylose), and lignin, which are three major components of biomass, can be separately used.
도 1은 예시적인 본 발명의 목질계 바이오매스 전처리 장치를 나타낸 것으로, 플로우-스루(flow-through) 컬럼 반응기를 이용한 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 원료의 일 예인 옥수수대 분말(도 2(a))과 본 발명의 결과 획득될 수 있는 전처리 후 잔여 고형물(도 2(c)), 침출액(도 2(b)) 및 잔여 고형물의 발효 후 잔류물(도 2(d))의 사진을 나타낸 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 illustrates an exemplary wood-based biomass pretreatment apparatus of the present invention, which illustrates an apparatus using a flow-through column reactor.
2 (b)), which is an example of the raw material of the present invention (Fig. 2 (a)) and the residual solids after the pretreatment (Fig. 2 (Fig. 2 (d)) after fermentation of the remaining solids.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 발명은 목질계 바이오매스를 이용하여 성분 분별(fractionation) 및 효소당화율의 향상을 획득할 수 있는 전처리(pretreatment) 기술에 관한 것으로 목질계 바이오매스의 중요 발효당 성분인 5탄당 성분을 선택적으로 높은 회수율로 분별하고, 전처리된 셀룰로오스의 효소 당화율을 효과적으로 향상을 시키는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a pretreatment technique capable of achieving an improvement in fractionation and enzyme saccharification by using woody biomass. The present invention relates to a pretreatment technique capable of selectively obtaining a pentose component as a major fermenting sugar component of woody biomass The present invention relates to a technique for effectively discriminating at a high recovery rate an enzyme saccharification rate of pretreated cellulose.
보다 상세하게, 본 발명의 목질계 바이오매스의 전처리 방법은 목질계 바이오매스를 제공하는 단계; 상기 목질계 바이오매스와 염화칼슘(CaCl2) 용액을 150 내지 170℃의 온도에서 반응시켜 발효당을 침출하는 단계; 및 상기 침출에 의해 획득된 침출액과 잔여 고형물을 분리하여 회수하는 단계를 포함한다.
More specifically, the method for pretreating woody biomass of the present invention comprises the steps of: providing woody biomass; Reacting the woody biomass with calcium chloride (CaCl 2 ) solution at a temperature of 150 to 170 ° C to leach the fermented sugar; And separating and recovering the leach solution and the remaining solids obtained by the leaching.
본 발명에 적용될 수 있는 목질계 바이오매스는 발효당을 생산할 수 있는 것이면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어 볏짚, 하드 우드, 소프트 우드, 초본류, 재생지(recycled paper), 폐지(waste paper), 목편, 펄프 및 종이 폐기물, 폐목재, 간벌목, 옥수수대, 옥수수심, 볏짚, 왕겨, 밀짚, 사탕수수대, 버개스(bagasse), 농부산물, 농폐기물, 가축분뇨, 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
The woody biomass applicable to the present invention is not particularly limited as long as it is capable of producing a fermented sugar, and examples thereof include rice straw, hardwood, softwood, herbaceous rice, recycled paper, waste paper, , Pulp and paper waste, waste wood, lumber, cornstalks, maize cores, rice straw, rice hulls, straw, sugar cane, bagasse, agricultural products, agricultural waste, livestock manure, have.
또한, 본 발명의 목질계 바이오매스의 전처리 방법은 상기 바이오매스를 80 내지 100℃에서 6 내지 24시간 동안 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 건조하는 단계를 수행하는 건조 온도 및 시간은 특별히 한정되는 것은 아니며, 사용하는 목질계 바이오매스의 종류에 따라 적절히 조절할 수 있지만, 전처리에 있어서 수분 함량 10중량% 이하의 시료를 사용하는 것이 전처리 반응 효율 면에서 가장 바람직하므로, 상기와 같은 범위의 수분 함량을 얻기 위해서는 80 내지 100℃의 온도에서 6 내지 24시간 동안 건조하는 것이 바람직하다.
In addition, the pretreatment method of the woody biomass of the present invention may further include drying the biomass at 80 to 100 ° C for 6 to 24 hours. The drying temperature and time for carrying out the drying step are not particularly limited and can be appropriately adjusted according to the kind of the woody biomass to be used. However, in the pretreatment, the use of a sample having a water content of 10% It is preferable to dry at a temperature of 80 to 100 DEG C for 6 to 24 hours in order to obtain the moisture content in the above range.
또한, 건조하는 단계 후에 건조된 목질계 바이오매스를 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이때 분쇄 수단은 특별히 한정되지 않으며, 원료인 목질계 바이오매스의 종류에 따라 분쇄에 적합한 것이면 제한 없이 적용할 수 있다.
In addition, the method may further include a step of pulverizing the dried woody biomass after the drying step, and the pulverizing means is not particularly limited and may be applied without limitation as long as it is suitable for pulverization depending on the kind of the woody biomass as the raw material .
상기 목질계 바이오매스와 염화칼슘(CaCl2) 용액을 반응시켜 발효당을 침출하는 단계가 150℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우는 침출 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있으며, 170℃의 온도에서 수행되는 경우에는 최종적으로 획득되는 잔여 고형물의 효소 당화율이 낮아지는 문제가 있다.
When the step of leaching the fermentation sugar by reacting the woody biomass with calcium chloride (CaCl 2 ) solution is carried out at a temperature lower than 150 ° C, the leaching reaction may not sufficiently take place. If the leaching reaction is carried out at a temperature of 170 ° C There is a problem that the enzyme saccharification rate of the residual solid obtained finally is lowered.
한편, 상기 반응 온도 조절은 바이오매스에 공급되는 염화칼슘(CaCl2) 용액을 상기와 같은 범위의 온도로 가열한 후 바이오매스와 반응시킴으로써 수행될 수 있다.
The reaction temperature can be controlled by heating the calcium chloride (CaCl 2 ) solution supplied to the biomass to a temperature within the range described above and reacting with the biomass.
한편, 상기 발효당을 침출하는 단계는 염화칼슘(CaCl2) 용액의 포화증기압 이상의 압력에서 통상적으로 10분 내지 60분 동안 수행되는 것이 바람직하나 바이오매스 별로 최적 조건 도출이 필요하다.
Meanwhile, the step of leaching the fermentation sugar is preferably carried out at a pressure higher than the saturated vapor pressure of the calcium chloride (CaCl 2 ) solution for 10 minutes to 60 minutes, but it is necessary to derive optimum conditions for each biomass.
상기 침출하는 단계가 염화칼슘(CaCl2) 용액의 포화증기압 미만에서 수행되는 경우에는 연화칼슘 용액으로부터 기화, 즉 증발이 발생하는 문제가 있으며, 또한 상기 침출하는 단계가 10분 미만으로 수행되는 경우에는 침출 반응이 불충분하게 수행될 수 있고, 상기 침출하는 단계가 60분을 초과하여 수행되는 경우에 침출량은 상승할 수 있으나 내용물 변성 및 구조체 와해가 문제가 될 수 있다. 대부분의 바이오매스의 경우 대략 60분 내에서는 상기한 문제점이 비교적 적게 나타나므로 60분으로 설정하였으나, 바이오매스의 수분 함량 및 파쇄 크기의 정도에 따라 최적 처리 시간을 결정할 수 있다.
If the leaching step is carried out at less than the saturated vapor pressure of the calcium chloride (CaCl 2 ) solution, there is a problem that vaporization, that is, evaporation occurs from the soft calcium solution, and when the leaching step is carried out for less than 10 minutes, The reaction can be carried out insufficiently, and when the leaching step is carried out for more than 60 minutes, the leaching amount can be increased, but the content modification and the structure breakdown may become a problem. Most of the biomass is set to 60 minutes because the above problem is relatively small within about 60 minutes. However, the optimal treatment time can be determined according to the degree of water content and the size of the breakage of the biomass.
본 발명의 침출하는 단계를 수행한 후 그 결과 침출에 의해 획득된 침출액과 잔여 고형물을 분리하여 회수하는 단계를 수행한다.
After performing the leaching step of the present invention, the step of separating and recovering the leached solution and the remaining solids obtained by leaching is performed.
상기 침출액은 발효당을 포함하는 것으로, 이때 상기 발효당은 5탄당을 포함하는 것이다. 이렇게 침출 단계를 거친 후 획득되는 염화칼슘(CaCl2) 용액이 풍부한 5탄당은 분리되어 발효당으로서 여러 가지 후속 공정에서 유용하게 사용될 수 있다.
The leach solution comprises a fermentation sugar, wherein the fermentation sugar comprises pentose. The pentose, which is rich in calcium chloride (CaCl 2 ) solution obtained after the leaching step, can be separated and used as a fermentation sugar in various subsequent processes.
한편, 상기 침출액과 분리된 잔여 고형물은 본 발명에 의해 염화칼슘(CaCl2) 용액으로 전처리된 셀룰로오스 및 리그닌을 포함하는 것으로, 이렇게 획득된 셀룰로오스는 전처리가 완료되어 효소 당화율이 향상된다.
On the other hand, the remaining solids separated from the leach solution include cellulose and lignin pretreated with a calcium chloride (CaCl 2 ) solution according to the present invention. Thus obtained cellulose is pretreated and the enzyme saccharification rate is improved.
이와 같이 본 발명에 의하면 목질계 바이오매스로부터 전처리된 셀룰로오스와 함께 발효당인 5탕당을 획득할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명은 목질계 바이오매스의 전처리 효과가 뛰어나며, 고형물의 발효 후 리그닌을 고형물로 검출시킬 수 있어, 주요 바이오매스 성분 세가지인 셀룰로오스(글루코스), 헤미셀룰로오스(자일로스), 및 리그닌을 모두 분리하여 획득할 수 있는 것이다.
Thus, according to the present invention, five sugars per liter of fermentation can be obtained together with cellulose pretreated from woody biomass. That is, the present invention is excellent in the pretreatment effect of woody biomass, and can detect lignin as solid matter after fermentation of solid matter, and can separate all three major biomass components such as cellulose (glucose), hemicellulose (xylose), and lignin .
본 발명에 있어서, 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액의 형성을 위해 사용되는 용매는 물인 것이 바람직하며, 따라서, 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액은 염화칼슘(CaCl2) 수용액인 것이 바람직하다.
In the present invention, the calcium chloride (CaCl 2) The solvent used for the formation of the solution, and preferably is water, therefore, the calcium chloride (CaCl 2) solution is preferably a calcium chloride (CaCl 2) solution.
한편, 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액은 1 내지 20 중량% 농도인 것이 바람직하며, 5 내지 10 중량% 농도인 것이 보다 바람직하다. 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액의 농도가 1 중량% 미만인 경우에는 본 발명에 의한 전처리 효과가 미미하여 충분한 효소 당화율의 향상을 획득하기 어려운 문제가 있으며, 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액의 농도가 20 중량%를 초과하는 경우에는 염이 석출되어 전처리 기기의 고장을 야기하거나 원하는 용액의 농도 이하로 변질되는 문제가 있다.
Meanwhile, the calcium chloride (CaCl 2 ) solution is preferably in a concentration of 1 to 20 wt%, more preferably in a concentration of 5 to 10 wt%. The calcium chloride (CaCl 2) when the concentration of the solution is less than 1% by weight, and is difficult to obtain a pre-treatment effect is mimihayeo improvement in per sufficient enzyme ratio according to the present invention the problem, the calcium chloride (CaCl 2) the concentration of the solution was 20 wt. %, There is a problem that the salt precipitates and causes failure of the pretreatment equipment or deteriorates to a concentration of the desired solution or less.
나아가, 본 발명에 의하면 상술한 본 발명의 목질계 바이오매스 전처리 방법 수행 시 사용될 수 있는 목질계 바이오매스의 전처리 장치가 제공된다.
Further, according to the present invention, there is provided a pretreatment apparatus for woody biomass which can be used in carrying out the woody biomass pretreatment method of the present invention.
본 발명의 목질계 바이오매스의 전처리 장치는 목질계 바이오매스가 투입되는 침출 반응기; 상기 침출 반응기에 구비되는 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부; 온도 조절 장치; 및 압력 조절 장치를 포함한다.
The pretreatment apparatus for the woody biomass of the present invention comprises: a leaching reactor into which woody biomass is introduced; A calcium chloride (CaCl 2 ) solution supply unit provided in the leaching reactor; Thermostat; And a pressure regulator.
이하, 본 발명을 첨부된 도 1의 예시적인 장치를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 예시적인 본 발명의 목질계 바이오매스의 전처리 장치를 나타낸 것으로, 플로우-스루(flow-through) 컬럼 반응기를 이용한 장치를 도시한 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the exemplary device of FIG. 1 attached hereto. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows a pretreatment apparatus for the wood-based biomass of the present invention, which is an apparatus using a flow-through column reactor.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 목질계 바이오매스의 전처리 장치는 목질계 바이오매스가 투입되는 침출 반응기(20), 상기 침출 반응기에 구비되는 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부, 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액을 상기 침출 반응기(20)로 이송하기 위한 펌핑 장치(40), 및 상기 침출 반응기(20)로부터 5탄당 풍부 침출액을 이송시키기 위한 이송라인(30)을 포함할 수 있으며, 상기 침출 반응기에서 목질계 바이오매스와 염화칼슘(CaCl2) 용액을 150 내지 170℃의 온도로 반응시키 위한 온도조절 장치(50)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 온도조절 장치는 예를 들어 오븐일 수 있고, 한편 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액의 온도를 조절하여 침출 반응기에 공급하는 경우 상기 온도 조절 장치는 상기 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부에 구비된 히팅 코일(70)로 구현될 수도 있다.
1, an exemplary pretreatment apparatus for woody biomass of the present invention comprises a
즉, 상기 히팅 코일(70)은에 의해 도 1에 도시된 바와 같이 침출 반응기로 투입되는 염화칼슘(CaCl2) 용액의 온도를 150 내지 170℃로 조절한 후 목질계 바이오매스와 반응시킬 수 있다.
That is, the
나아가, 상기 침출 반응기(20)에서 침출 반응이 수행된 후 획득되는 5탄당 풍부 침출액을 저장하기 위한 저장 탱크(60)가 구비될 수 있다. 한편, 상기 침출 반응기(20)의 온도 및 압력을 측정하기 위한 압력 측정기(PG) 및 온도 측정기(TG)도 구비될 수 있다.
Furthermore, a
도 1에 도시하지 않았으나, 상기 압력 측정기(PG)에 의해 압력을 측정한 후 침출 반응기 내의 압력을 염화칼슘(CaCl2) 용액의 포화증기압 이상의 압력으로 유지하기 위해 압력 조절 장치를 구비하는 것이 바람직하다.
Although not shown in FIG. 1, it is preferable to provide a pressure regulating device for measuring the pressure by the pressure gauge PG and then maintaining the pressure in the leaching reactor at a pressure higher than the saturated vapor pressure of the calcium chloride (CaCl 2 ) solution.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예Example
목질계 바이오매스 원료로서 도 2(a)에 나타난 바와 같이 건중량 옥수수대 분쇄물 10g 을 침출반응기에 투입한 뒤, 150 내지 180℃로 가열된 염화칼슘을 5 내지 10%으로 공급하고 5ml/min으로 반응기로 이송하여 30분 동안 반응시켰다. 이때 압력은 350psig으로 유지하였다. 그 결과 바이오매스 중의 5탄당이 침출된 침출액을 도 2(b)와 같이 회수하였다. 구체적인 반응 조건은 하기 표 1에 나타내었다.
As shown in FIG. 2 (a), 10 g of dry weight corn versus pulverized product was fed into a leaching reactor, and 5 to 10% of calcium chloride heated at 150 to 180 ° C. was fed at a rate of 5 ml / min. And reacted for 30 minutes. The pressure was maintained at 350 psig. As a result, the leached solution containing the pentane in the biomass was recovered as shown in Fig. 2 (b). Specific reaction conditions are shown in Table 1 below.
한편, 잔여 고형물을 도 2(c)와 같이 분리 및 회수하여 액상 회수율 및 효소 당화율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
On the other hand, the residual solids were separated and recovered as shown in FIG. 2 (c) to measure the liquid phase recovery and the enzyme saccharification rate, and the results are shown in Table 1 below.
하기 표 1에서 액상 회수율은 고농도 황산법에 의해 분석한 성분의 양을 기준 100%로 하여 계산한 값을 나타낸 것이며, 또한, 상기 회수된 전처리물인 잔여 고형물로부터 발효당이 얼마나 생성될 수 있는 지를 평가하기 위하여, 전처리물에 24 FPU/ml의 셀룰라제(cellulase)와 210 unit/ml의 글루코시다제(glucosidase)의 효소를 투입하여, 50℃, 200rpm 인큐베이터에서 52시간 동안 반응시킨 뒤, 액체 크로마토그래피법을 사용하여 글루코스 함량을 분석하여 효소당화율(%)을 측정하였다.
In Table 1, the liquid recovery rate is calculated by taking the amount of the components analyzed by the high-concentration sulfuric acid method as a reference value of 100%. In addition, evaluation of how much fermentation sugar can be produced from the recovered solid residue as a pre- 24 FPU / ml of cellulase and 210 units / ml of glucosidase enzyme were added to the pretreated product and reacted in an incubator at 50 ° C and 200 rpm for 52 hours and then subjected to liquid chromatography And the glucose content (%) was determined by analyzing the glucose content.
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 목질계 바이오매스의 전처리 방법에 의하면 글루칸 및 자일란의 액상 회수율이 우수하며, 효소 당화율도 효과적으로 향상시킬 수 있다.
As shown in Table 1, according to the pretreatment method of the woody biomass of the present invention, the recovery of the liquid phase of glucan and xylan is excellent, and the enzyme saccharification ratio can be effectively improved.
나아가, 본 발명의 셀룰로오스는 이와 같이 향상된 발효율에 의해 효과적으로 발효된 후 도 2(d)에 나타난 바와 같이 발효 후 리그닌이 잔류 고형물로 획득된다.
Further, the cellulose of the present invention is effectively fermented by such improved pouring efficiency, and after the fermentation, lignin is obtained as a residual solid as shown in Fig. 2 (d).
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 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, It will be obvious to those of ordinary skill in the art.
PG: 압력 측정기
TG: 온도 측정기
20: 침출 반응기
30: 이송 라인
40: 펌핑 장치
50: 온도조절 장치
60: 저장 탱크
70: 히팅 코일PG: Pressure gauge
TG: Temperature meter
20: Leaching reactor
30: Transfer line
40: Pumping device
50: Temperature control device
60: Storage tank
70: Heating coil
Claims (8)
상기 목질계 바이오매스와 1 내지 20 중량% 농도인 염화칼슘(CaCl2) 수용액을 150 내지 170℃의 온도와 상기 염화칼슘 용액의 포화증기압 이상의 압력에서 반응시켜 발효당을 침출하는 단계; 및
상기 침출에 의해 획득된 침출액; 및 리그닌과 전처리된 셀룰로오스를 포함하는 잔여 고형물을 분리하여 회수하는 단계
를 포함하는 목질계 바이오매스의 전처리 방법.
Providing a dried woody biomass having a moisture content of 10% or less;
Reacting the woody biomass with an aqueous solution of calcium chloride (CaCl 2 ) at a concentration of 1 to 20 wt% at a temperature of 150 to 170 ° C and a pressure higher than the saturated vapor pressure of the calcium chloride solution to leach the fermentation sugar; And
An extract obtained by the leaching; And separating and recovering the remaining solids including lignin and pretreated cellulose
Wherein the pretreatment method of the woody biomass comprises:
2. The method of claim 1, wherein leaching the fermentation sugar is performed for 10 minutes to 60 minutes.
The method of claim 1, wherein the fermentation sugar is pentose.
상기 침출 반응기에 구비되는 염화칼슘(CaCl2) 용액 공급부;
온도 조절 장치; 및
상기 침출 반응기 내의 압력을 염화칼슘 용액의 포화증기압 이상의 압력으로 유지하기 위한 압력 조절 장치
를 포함하는 목질계 바이오매스의 전처리 장치.
A leaching reactor in which a woody biomass is introduced and a pretreatment reaction proceeds;
A calcium chloride (CaCl 2 ) solution supply unit provided in the leaching reactor;
Thermostat; And
A pressure regulator for maintaining the pressure in the leaching reactor at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the calcium chloride solution
And a pretreatment device for the woody biomass.
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