KR101965841B1 - 바이오매스의 전처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 170 내지 220 ℃ 열수전처리하는 단계; 및 상기 처리된 고형분을 160 내지 210 ℃에서 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리하는 단계를 포함함으로써, 헤미셀룰로오스와 리그닌을 각각 분리 회수할 수 있으므로 바이오매스의 분획에 매우 효과적이며, 당화시의 당 수율이 높은 당화 기질을 제공할 수 있는 바이오매스의 전처리 방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스의 전처리 방법{Method for pretreatment of biomass}

본 발명은 리그닌을 다량 함유하고 있어서 통상적인 1회성 산 촉매 전처리 혹은 알칼리 촉매 전처리에 이은 효소당화로는 단당류를 제조하기 어려운 나무에 적용하여 높은 수율로 포도당을 제조할 수 있는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스의 열수 전처리에 이은 알칼리 처리로 헤미셀룰로오스와 리그닌을 순차적으로 제거할 수 있는 바이오매스의 전처리 방법에 관한 것이다.

석유와 석탄 등 최근 인류가 일상생활을 유지하기 위해 늘 사용하고 있는 화석연료는 그 매장량이 유한하여 경기의 싸이클에 따라 수요와 공급가가 급등락하고 있다. 이러한 화석연료의 급격한 가격 변동은 산업 전반에 지대한 영향을 미치므로 이를 재생 가능한 자원으로 대체하고자 많은 노력과 투자가 이루어지고 있다. 그 예로써 목질계 바이오매스를 원료로 하는 수송용 연료로서의 바이오알콜을 들 수 있는데, 이미 미국을 비롯한 여러 나라에서 상업적 생산이 시작되었다. 여기에 사용되는 목질계 바이오매스 자원은 옥수수 줄기, 밀짚, 사탕수수대 등의 초본계 바이오매스(weedy biomass)가 주종을 이루며, 포플라 교잡종 등 극히 소수의 목본계 바이오매스(woody biomass)도 종종 사용된다. 이 바이오매스가 구조적 성분으로 함유하고 있는 셀룰로오스가 가수분해될 때 방출되는 포도당이 그 직접적인 원료가 된다.

목질계 바이오매스가 가지고 있는 셀룰로오스는 다른 구조적 성분인 헤미셀룰로오스와 리그닌에 의해 둘러싸여 있는데, 이런 복합구조에 의해 식물이 비와 바람 등 거친 기후에도 굳건하게 서 있게 되고, 빗물 등 외부의 물이 조직 내부로 스며드는 것을 방지하며, 미생물에 감염되어도 큰 피해를 입지 않게 된다. 이러한 식물의 화학적 구조는 인간이 바이오매스를 자원으로 하여 바이오알콜과 바이오플라스틱 등 바이오화학 소재를 제조하고자 할 때에도 극복해야만 하는 장벽이다. 특히, 목본계 바이오매스는 대부분의 초본계 바이오매스보다 헤미셀룰로오스의 함량은 적은 반면 리그닌 함량이 많은 특징이 있다.

목질계 바이오매스가 함유하는 셀룰로오스를 포도당으로 전환하기 위해서 가장 먼저 해야 할 일은 이를 둘러싸고 있는 헤미셀룰로오스나 리그닌을 녹여내어 셀룰로오스를 노출시키는 것이다. 이 공정을 바이오매스의 전처리(biomass pretreatment)라고 하는데, 여기에는 산 촉매 전처리(acid-catalyzed treatment)와 알칼리 촉매 전처리(alkaline treatment)가 포함된다. 이 전처리 후 셀룰로오스를 포도당으로 전환하는 방법으로는 산을 이용하는 방법(acid hydrolysis)과 효소를 이용하는 방법(enzymatic hydrolysis)이 있다.

목질계 바이오매스의 전처리 후 당화에 산을 이용하는 방법은 화학적으로 매우 가혹한 화학반응이다. 이 과정에서 탄수화물의 과분해에 의해 퍼퓨랄(furfural)과 하이드록시메틸퓨랄데하이드 (5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, HMF) 등이, 리그닌의 분해에 의해 페놀성 물질이 생성된다. 이러한 물질들은 효모 등 미생물의 생육을 억제하거나 목적으로 하는 미생물 대사산물의 수율을 저하시키므로 미생물 억제 물질(microbial inhibitor)로 알려져 있다. 따라서 이렇게 제조한 포도당을 미생물의 발효에 사용하기 위해서는 이러한 과분해산물과 불순물을 제거할 수 있는 분리 정제가 필수적이다. 반면에 효소를 이용하여 셀룰로오스를 가수분해하는 방법은 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 과정에서 상기 언급한 다른 물질이 추가로 생성되지는 않으므로 미생물의 발효에 사용할 탄소원(이후 발효당 혹은 바이오슈가라고 칭함)을 제조하는 목적에 더욱 적합한 것으로 인식되고 있다.

목질계 바이오매스의 전처리와 효소당화로 바이오에탄올 혹은 발효당을 제조할 때 먼저 셀룰로오스의 효소에 대한 반응성을 증대하기 위해 수행하는 바이오매스의 전처리는 기술의 종류와 화학반응의 가혹도에 따라 이어지는 효소당화의 당화율이 크게 달라질 수 있다. 이를 예를 들어 설명하면, 밀짚과 같은 초본계 바이오매스를 묽은산으로 전처리할 때 밀짚에 혼합하는 묽은산의 농도가 높을수록, 전처리 온도가 높을수록, 이러한 산의 농도와 온도를 더 오랫동안 유지해줄수록 전처리 반응의 가혹도가 증가하여 헤미셀룰로오스의 대부분과 소량의 리그닌을 녹여내므로 이후 셀룰로오스의 효소 가수분해에 의한 포도당으로의 전환율이 증가한다. 하지만, 열대지방에서 주로 생산되는 유칼립투스와 같이 리그닌 함량이 높은 바이오매스는 산 촉매 전처리로 헤미셀룰로오스를 모두 녹여내도 리그닌의 일부분만이 제거되므로, 남아 있는 리그닌에 의해 셀룰로오스의 효소에 대한 반응성이 높지 않아 효소당화에 의한 당화율이 높지 않게 된다. 이러한 이유로 목본계 바이오매스를 원료로 하여 발효당을 제조하는 연구에서는 황화나트륨과 수산화나트륨을 주로 사용하는 크라프트 펄핑(kraft pulping)이나 고온에서 용매 수용액으로 리그닌을 녹여내는 오르가노졸브(organosolv) 기술을 사용하는 것이 보통이다(Aloia Romani 등(2011), Eucalyptus globulus wood fractionation by autohydrolysis and organosolv delignification, Biores Technol, 102:10, 5896-5904). 그러나 이러한 화공약품을 이용한 펄핑은 셀룰로오스의 손실율이 높고, 헤미셀룰로오스의 회수율은 낮은 반면, 약품 회수비용이 많아 발효당을 제조하는데 부적합하고, 오르가노졸브 기술은 용매의 회수율이 문제가 되어 발효당의 제조를 목적으로 하는 상용화가 어려운 특징을 가지고 있어서 보다 경제적이면서 식물 성분의 회수에 효과적인 기술이 절실하게 필요한 시점이다.

본 발명자들이 바이오매스를 원료로 하여 산업용 발효당인 바이오슈가를 제조하는 수많은 실험에서 상기 제안된 기술들이 의도하는 대로 목본계 바이오매스로부터 값싸게 발효당을 제조하는데 어려움이 많다는 것을 알게 되었다. 특히, 바이오매스가 높은 리그닌 함유율을 나타낼 때 바이오슈가의 제조를 목적으로 행하는 전처리 공정이 셀룰로오스의 포도당 전환에 초점이 맞추어져 있거나 리그닌의 회수에 효과적일 경우 바이오매스의 세 가지 구조적 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 회수율이 저하되어 경제성이 떨어질 수밖에 없다는 결론에 이르렀다. 반면, 리그닌 함유율이 높은 목본계 바이오매스라 하더라도 헤미셀룰로오스의 회수를 목적으로 하는 열수전처리에 이은 특수조합의 알칼리 시약으로 2차 전처리하는 경우 강알칼리를 사용하지 않고도 리그닌 제거율이 높아서 이어지는 효소당화에 의한 당화율이 높고, 수산화나트륨에 비해 저렴한 약품을 사용함으로써 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 리그닌을 순도높게 회수할 수 있어서 바이오매스의 성분별 분획에 매우 유용하다는 것을 알게 되었다. 이에 많은 연구를 거듭한 결과 목본계 바이오매스 원료 발효당 제조 기술을 완성하게 되었다.

한국공개특허 제10-2015-0093483호

Aloia Romani 등(2011), Eucalyptus globulus wood fractionation by autohydrolysis and organosolv delignification, Biores Technol, 102:10, 5896-5904

본 발명은 리그닌 함량이 많은 목본계 바이오매스 원료로도 용이한 당화가 가능하도록 하는, 바이오매스의 전처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

1. 바이오매스를 170 내지 220℃ 열수전처리하는 단계; 및

상기 처리된 고형분을 160 내지 210 ℃에서 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 전처리 방법.

2. 위 1에 있어서, 상기 열수전처리는 5 내지 50분 수행되는, 바이오매스의 전처리 방법.

3. 위 1에 있어서, 상기 열수전처리는 200±5 ℃로 5 내지 15분간 처리하는, 바이오매스의 전처리 방법.

4. 위 1에 있어서, 상기 열수전처리는 묽은산 전처리를 포함하는, 바이오매스의 전처리 방법.

5. 위 1에 있어서, 상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘은 합계 0.1 M 내지 2 M 범위 내에서 1:0.1 내지 2의 몰비로 혼합되는, 바이오매스의 전처리 방법.

6. 위 1에 있어서, 상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 1 내지 60분간 수행되는, 바이오매스의 전처리 방법.

7. 위 1에 있어서, 상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 160 내지 200 ℃의 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액으로 20분 내지 60분간 처리하는, 바이오매스의 전처리 방법.

8. 위 1 내지 7 중 어느 한 항의 바이오매스 전처리 방법을 포함하는, 바이오매스의 효소 당화 방법.

본 발명의 바이오매스의 전처리 방법은 헤미셀룰로오스와 리그닌을 각각 분리 회수할 수 있으므로 바이오매스의 분획에 매우 효과적이다.

본 발명의 전처리를 거친 바이오매스는 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 다량 회수되고, 당화시의 당 수율이 높아, 리그닌 함량이 특히 높은 나무 등 목본계 바이오매스의 당화에 바람직하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 목본계 바이오매스를 원료로 하여 순차적으로 구조적 성분을 분리 회수하고, 최종적으로 발효당을 제조하는 기술의 공정도이다.
도 2는 본 발명 기술의 우수성을 보여주는 실시예에서 얻은 당수율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명 기술의 우수성을 보여주는 시험예에서 얻은 다른 약품을 이용한 전처리에 의한 당수율을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 바이오매스를 170 내지 220 ℃ 열수전처리하는 단계; 및 상기 전처리된 고형분을 160 내지 210 ℃의 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리하는 단계를 포함함으로써, 헤미셀룰로오스와 리그닌을 각각 분리 회수할 수 있으므로 바이오매스의 분획에 매우 효과적이며, 당화시의 당 수율이 높은 당화 기질을 제공할 수 있는 바이오매스의 전처리 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “바이오매스”는 주로 나무를 의미하며, 화학적으로는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 구조적 성분(structural components)으로 가지는 바이오매스이다. 이 바이오매스의 예로써 초본계 바이오매스 및 목본계 바이오매스를 들 수 있다. 초본계 바이오매스의 예로는 오일팜(oil palm)의 수간(trunk), 잎자루(frond), 공과방(empty fruit bunch), 해바라기 줄기, 볏짚, 보릿짚, 밀짚, 옥수수 줄기, 갈대, 억새, 스위치그래스, 유채 줄기, 단수수 줄기, 수수 줄기, 부들 등을 들 수 있으며, 목본계 바이오매스의 예로는 백합나무, 버드나무, 아카시아, 유칼립투스, 가문비, 자작나무, 소나무 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 바이오매스의 “전처리”는 바이오매스의 효소당화를 용이하게 하기 위해 이화학적 혹은 생물학적 방법으로 바이오매스의 구조적 성분 중 헤미셀룰로오스나 리그닌을 일부 혹은 전부 제거하는 과정을 의미한다. 이 전처리는 크게 나누어 헤미셀룰로오스를 주로 가수분해하는 열수전처리(autohydrolysis, liquid hot qater treatment 혹은 hydrothermolysis) 또는 묽은산 전처리(dilute acid treatment), 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼슘 등 알칼리 시약을 사용하여 리그닌을 주로 녹여내는 알칼리 전처리(alkaline treatment), 기계적으로 분쇄하여 셀룰로오스 표면적을 넓히는 물리적 전처리(physical treatment) 및 증기폭쇄(steam explosion) 등 효소를 이용한 셀룰로오스의 가수분해를 목적으로 수행하는 모든 처리를 포함한다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “섬유소 가수분해효소”혹은 “당화효소”는 셀룰라제류, 엔도글루카나제류, 엑소글루카나제류, 셀로비오하이드로라제류, β-글루코시다제류를 포함하는 셀룰로오스 가수분해 효소 또는 자일라나제류, 엔도자일라나제류, 엑소자일라나제류, β-자일로시다제류, 아라비노자일라나제류, 만나제류, 갈락타제류, 펙티나아제류, 글루쿠로니다제류를 포함하는 헤미셀룰로오스 가수분해 효소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소를 포함하는 효소제제이다. 이러한 효소당화용 효소복합제제로의 예로는 Celluclast® 1.5L 혹은 Celluclast® conc BG와 NovozymeTM 188의 혼합제제, Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 혼합물 혹은 Cellic CTec3와 Cellic HTec3와의 혼합물, 셀루자임(Celluzyme®), 세레플로(Cereflo®) 및 울트라플로(Ultraflo®)의 혼합제제(이상 덴마크 Novozymes 제품), 액셀러라제(AcelleraseTM), 라미넥스(Laminex®) 및 스페자임(Spezyme®) 혼합물(이상 Genencor Int. 제품), 로하멘트(Rohament®; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “바이오매스 효소당화(enzymatic saccharification of biomass)”는 바이오매스를 섬유소 분해효소, 즉 당화효소로 가수분해함으로써 포도당 혹은 목당을 함유하는 당화물을 제조하는 과정을 의미하며, 통상적으로 바이오매스 전처리물을 물에 분산시키고 섬유소 가수분해효소로서 셀룰라아제 복합효소를 가한 후 일정한 산도와 온도를 유지하면서 교반하는 방법이다.

“당화용 기질 혹은 당화기질(substrate for enzymatic hydrolysis)”은 섬유소 가수분해효소로 가수분해함으로써 단당류로 전환하기 위한 대상물질인 바이오매스 혹은 그 전처리물을 말하며, 당화기질의 “총 글루칸 함량(total glucan content)”은 당화기질이 함유하는 셀룰로오스의 총량을 의미한다. 경우에 따라서 이 양은 가수분해로 생성될 포도당의 양을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 바이오매스의“당화율(conversion rate of cellulose to glucose)”이라 함은 바이오매스의 효소당화 결과 당화용 기질이 함유하는 셀룰로오스의 포도당 전환율을 말하며, 포도당으로 환산한 셀룰로오스 총량에 대한 효소 가수분해로 생성된 포도당의 총량의 비율(%)로 산출한다. 또한, 본 발명에서 모든 물질의 양은 특별한 언급이 없는 한 중량 혹은 중량비를 의미한다.

본 발명의 바이오매스의 전처리 방법은 바이오매스를 170 내지 220 ℃ 열수전처리하는 단계; 및 상기 처리된 고형분을 160 내지 210 ℃의 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리하는 단계를 포함한다.

먼저, 바이오매스를 170 내지 220 ℃에서 열수전처리한다. 바이오매스를 170 내지 220 ℃에서 열수전처리함으로써 헤미셀룰로오스의 회수율을 극대화할 수 있다. 열수전처리가 반응기에서 수행되는 경우에, 상기 온도는 반응기 내부의 온도를 의미한다.

열수전처리 시간은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 5 분 내지 50분간 처리할 수 있다. 상기 시간은 해당 반응 온도에서의 반응 지속시간을 의미한다.

구체적인 반응 조건의 예를 들자면, 180±5 ℃의 경우 20 내지 50분, 190±5 ℃의 경우 15 내지 30분, 200±5 ℃의 경우 5 내지 15분일 수 있으며, 바람직하게는 200±5 ℃의 경우 5 내지 15분일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 열수전처리는 묽은산 전처리를 포함할 수 있다. 묽은산 전처리는 열수전처리에 사용하는 열수에 소량의 묽은산을 더 첨가한 처리로서, 열수 전처리와 묽은산 전처리는 선택적으로 수행가능하다.

묽은산은 예를 들면 황산일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 황산은 헤미셀룰로오스의 대부분을 가수분해할 수 있으므로 물만 사용하는 경우보다 헤미셀룰로오스당의 수율이 더 높을 수 있다.

황산은 예를 들면 0.005 중량% 내지 2 중량% 농도로 첨가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

열수전처리하면 헤미셀룰로오스가 단당류 혹은 올리고당의 형태로 녹아있으면서 소량의 수용성 리그닌을 함유하는 수용액 및 셀룰로오스와 리그닌을 주로 함유하는 불용성 고형분이 얻어지고, 이는 pH 3 내지 4의 산성을 나타낸다.

고액분리로 상기 처리된 고형분을 회수하여 알칼리 전처리할 수 있다. 알칼리 전처리는 상기 처리된 고형분을 160 내지 210 ℃의 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리하여 수행된다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리함으로써 당 수율을 극대화할 수 있다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘은 예를 들면 그 합계 몰 농도가 0.1 M 내지 2 M일 수 있고, 바람직하게는 0.5M 내지 1.5M일 수 있다.

그 혼합비는 탄산나트륨 및 수산화칼슘의 몰농도가 예를 들면 1:0.1 내지 2일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 1:0.2 내지 1, 보다 바람직하게는 1:0.4 내지 1일 수 있다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 160 내지 210 ℃로 수행된다. 상기 수용액 처리가 반응기에서 수행되는 경우에, 상기 온도는 반응기 내부의 온도를 의미한다. 온도가 상기 범위 내인 경우 당 수율 개선 효과를 극대화 할 수 있다. 상기 측면에서 보다 바람직하게는 170 내지 200 ℃일 수 있다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리 시간은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 1 분 내지 60분간 처리할 수 있다. 상기 시간은 해당 반응 온도에서의 반응 지속시간을 의미한다. 시간이 상기 범위 내인 경우 당 수율 개선 효과를 극대화 할 수 있다. 상기 측면에서 보다 바람직하게는 10분 내지 60분간 처리할 수 있다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액은 바이오매스 건조중의 0.1배 내지 20배 처리할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 탄산나트륨 수용액 및 탄산칼륨 수용액을 각각 첨가하여 함께 반응시킬 수도 있고, 탄산나트륨 및 탄산칼륨 수용액을 첨가하여 반응시킬 수도 있다.

탄산나트륨 및 수산화칼륨 수용액 처리된 결과물은 알칼리에 리그닌이 다량 녹아 있는 상태이다. 이를 고액 분리하여 리그닌 수용액을 제거하고, 알칼리의 고형분을 중화하고 다시 고액분리한 다음, 얻어진 고형분을 효소 당화용 기질로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 바이오매스 전처리 방법을 포함하는 바이오매스의 당화 방법을 제공한다.

본 발명의 바이오매스의 당화 방법은 전술한 열수전처리 후 탄산나트륨과 수산화칼슘으로 전처리된 바이오매스를 당화 기질로 사용한다.

효소 당화 전에, 전처리된 바이오매스 고형분은 알칼리성을 나타내므로, 효소 당화 효율 개선을 위해 산을 가하여 중화한 다음, 다시 고액 분리하여 얻은 고형분을 당화 기질로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 중화는 바이오매스의 pH가 가수분해효소가 최대의 활성을 나타내는 pH가 되도록 수행될 수 있다. 예를 들면 pH 4.5 내지 5.5일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 방법에서, 효소당화 단계는 바이오매스를 바이오매스에 함유되어 있는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 포도당(glucose)과 목당(xylose) 등의 단당류로 전환하는 공정이다.

셀룰라아제 복합효소를 첨가하고 당화할 때 물을 추가로 사용할 수 있지만 당화 후 고농도의 당용액을 얻기 위해서 그 양을 제한하는 것이 좋다. 따라서 효소당화시 고형분에 대한 물의 비율은 고형분의 건조중으로 환산하여 1:3 내지 1:10의 중량비가 바람직하다.

상기 효소당화에는 헤미셀룰라아제를 함유하는 셀룰라아제 복합효소가 사용되며, 그 예로는 셀루클라스트(Celluclast®) 1.5L 혹은 Celluclast® conc BG와 NovozymeTM188의 혼합제제, Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 혼합물 혹은 Cellic CTec3와 헤미셀룰라아제와의 혼합물, 셀루자임(Celluzyme®), 세레플로(Cereflo®) 및 울트라플로(Ultraflo®)의 혼합제제(이상 덴마크 Novozymes 제품), 액셀러라제(Acellerase TM), 라미넥스(Laminex®) 및 스페자임(Spezyme®) 혼합물(이상 Genencor Int. 제품), 로하멘트(Rohament®; Rohm GmbH 제품) 등을 들 수 있다.

바이오매스에 함유된 헤미셀룰로오스의 가수분해를 위해 헤미셀룰라아제를 첨가할 수 있으며, 셀룰라아제와 헤미셀룰라아제의 혼합비는 대략 9:1 내지 10:0 정도가 바람직하다. 또한 바이오매스 건조중 1 g당 셀룰라아제 복합효소의 사용량은 0.001 g 내지 0.5 g이 바람직하다.

효소당화는 상기 가수분해효소가 최대의 활성을 나타내는 조건, 즉 Cellic CTec2와 Cellic HTec2 혼합물의 경우 pH 4.5 내지 5.5, 온도 50±5℃를 유지하는 것이 좋으며, 미생물의 오염이 없는 한 당화는 24시간 내지 96시간 이상 지속하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법은 상기 효소당화 이후에 당 용액을 회수하는 단계; 당 용액을 여과, 농축하고 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 방법에서, 당 용액 회수 단계는 얻어진 당화물로부터 고액분리와 추출의 반복 과정을 통해 당 용액을 회수하는 단계이다. 상기 회수 단계에는 연속식 원심분리, 필터프레스(filter press), 회분식 원심분리 등의 방법이 사용될 수 있다. 회분식 회수과정을 예로 들면, 당화물을 원심분리하여 상징액을 회수하고, 당화잔사는 동일 부피의 물에 희석한 다음 원심분리하여 당용액을 회수하기를 3 내지 5회 반복함으로써 효소당화로 생성된 당을 99% 이상 회수할 수 있다.

본 발명의 방법에서, 농축 단계는 얻어진 당 용액을 여과, 농축, 및 불순물을 제거하는 단계이다. 당 용액 회수에 의해 얻어진 당 용액의 최종 당 농도는 당의 회수과정에서 희석되어 초기 농도의 50% 내외까지 낮아져서 약 60 g/L 내지 150 g/L가 되는데, 이렇게 낮은 농도의 당 용액은 막분리 기술을 이용한 농축공정을 통하여 30% 이상의 당 농도까지 높아질 수 있다. 상기 농축 공정은 당해 기술분야에 널리 알려진 역삼투 여과(reverse osmosis), 나노여과(nanofiltration) 등을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 당용액 중에 함유되어 있는 효소를 재사용하기 위하여 한외여과(ultrafiltration)를 이용하여 회수하거나, 가열하여 변성시켜 침전물을 만든 후 고액분리 기술을 이용하여 제거할 수도 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.

실시예 1. 유칼리 나무 원료 발효당의 제조

건조 상태의 유칼리 나무 분쇄물(포도당으로 환산한 셀룰로오스 함유율 52.6%, 20 메시 이하, 인도네시아 산, 코린도 그룹 제공)을 물에 담가 밤새 상온에 두어 수화시켰다. 이 시료를 건물중으로 700 g을 달아 10 리터용 고압반응기(한울엔지니어링 제품, 서울)에 넣고 비이온수를 추가하여 1:20(바이오매스 건조중 1에 비이온수 20의 비율)으로 넣고 어주면서 가열하여 200 ℃까지 온도를 올린 후 10분간 유지하였다. 이후 급속히 냉각시킨 다음 두 개의 광목자루에 내용물을 나누어 넣었다. 짤순이(한일전기 제품, 서울)에 넣어 1 시간 동안 탈수하여 헤미셀룰로오스 가수분해물을 회수하는 동시에 2차 전처리용 1차 전처리 고형분을 제조하였다.

이 1차 전처리 고형분을 원료 바이오매스 건물중으로 환산하여 350 g 달아서 다시 10리터용 고압반응기에 넣고 탄산나트륨 현탁액과 수산화칼슘 현탁액을 첨가하고 비이온수를 가하여 하나의 실시의 경우 탄산나트륨과 수산화칼슘이 각각 0.5 M과 0.25 M, 또 하나의 실시의 경우 탄산나트륨과 수산화칼슘이 각각 0.5 M과 0.5 M의 농도에 총량이 7,000 g이 되도록 하였다. 고압반응기를 180 ℃까지 온도를 올린 후 10분간 유지하였다. 반응기를 급속냉각한 후 두 개의 광목자루에 내용물을 나누어 넣었다. 광목자루를 짤순이(한일전기 제품, 서울)에 넣고 1 시간 동안 탈수하여 리그닌 함유 액상물을 회수하였다.

불용성 고형분을 담고 있는 광목자루는 20 리터용 양동이에 넣고 비이온수를 가한 후 황산으로 중화하여 pH 5.0으로 조정하였다. 광목자루를 건져내어 짤순이에 넣고 다시 탈수하여 효소당화용 당화기질을 조제하였다.

이 당화기질 중 100 g을 취하여 105 ℃에서 2일간 오븐 건조하고 미국 NREL의 조성분석법에 따라 셀룰로오스 함량을 측정하였다. 셀룰로오스 함량과 원료 바이오매스 사용량을 고려하여 2차 전처리 과정에서 액상물에 녹아 소실된 셀룰로오스의 포도당 환산량을 산출하였다. 삼각플라스크(125 ml용)에 당화기질을 건물중으로 0.5 g 달아넣고 시트르산 완충액(최종농도 100 mM)과 방부제 소디움 아자이드(sodium azide, 최종농도 330 mg/L) 및 비이온수를 넣고 pH를 5.0으로 조절하였다. 당화효소로 Cellic CTec2와 Cellic HTec2 혼합물(1:1, 무게비) 12 FPU를 가하고 비이온수를 추가하여 내용물 무게를 40 g으로 조정하였다. 항온교반기에 넣어 50 ℃에서 72시간 당화하면서 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 고속액체크로마토그래프로 포도당을 정량하였다. 이 포도당 농도로부터 당화율을 산출하고, 전처리 과정 중 소실된 셀룰로오스 양을 감안하여 당수율을 산출한 다음 표 1에 표시하였다.

비교예 1. 다른 전처리 기술을 적용한 유칼리 나무 원료 발효당의 제조

실시예 1의 1차 전처리 고형분을 실시예 1과 유사하게 전처리하되 2차 전처리용 약품의 종류, 농도 및 반응조건을 각각 탄산나트륨/0.8 M/200 ℃ 20 분, 수산화칼슘 0.03 M/80 ℃ 24시간, 수산화나트륨 0.8 M/200 ℃/20 분으로 하였다(단, 수산화칼슘의 경우 고온에서 용해도가 저하되어 80 ℃에서 2차 전처리를 실시하였다).

실시예 1과 같은 방법으로 당화기질을 제조하고 효소당화하여 당수율을 산출한 후 표 1에 나타내었다.

비교예 2. 열수전처리한 유칼리 나무의 효소당화 효율 측정

실시예 1과 유사하게 하되 1차 전처리물을 당화 기질로 하여 효소당화한 후 그 결과도 표 1에 함께 표시하였다.

실험	실시예 1	비교예 1	비교예 1	비교예 1	비교예 2
2차 전처리 시약	탄산나트륨 + 수산화칼슘	탄산나트륨	수산화칼슘	수산화나트륨	2차 전처리 없음
전처리중 포도당 소실율(%)	14.5	6.1	2.9	12.6	2.3
최종 포도당 수율(%)	64.8	54.7	37.3	58.8	21.1

비교예 1의 2차 전처리 없는 열수전처리물의 경우 전처리 과정 중 포도당의 손실은 거의 없었지만, 효소당화에 의한 당수율은 21.1%에 불과하다. 반면에 열수전처리에 의한 1차 전처리 후 탄산나트륨과 수산화나트륨 혼합물을 사용한 2차 전처리로 얻은 당화기질을 효소당화했을 때는 64.8%의 당수율을 보여 주어 다른 알칼리를 사용하여 2차 전처리한 비교예보다 월등히 높다.

이러한 결과로부터 리그닌 함유율이 높은 목본계 바이오매스는 1차로 열수전처리하여 헤미셀룰로오스 가수분해물을 회수한 후 약알칼리 혼합 시약으로 탄산나트륨과 수산화칼슘을 혼합하여 첨가한 후 2차 전처리함으로써 강알칼리를 생성케 하여 1 차 전처리된 바이오매스로부터 리그닌을 추가로 분획하면서 이어지는 효소당화에 의해 발효당을 효율적으로 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, alibaba.com의 약품 최저단가(수산화나트륨 분자량 40, 450 미국달러/톤, 탄산나트륨 분자량 106, 180 미국달러/톤, 수산화칼슘 분자량 74.1, 80 미국달러/톤, 2017년)로 계산한 수산화나트륨 2차 전처리 비용은 바이오매스 1톤 당 450/(0.8×40)=14.1달러인데 비하여, 탄산나트륨 0.5 M과 수산화칼슘 0.25 M을 사용하는 경우 (80/(0.25×74.1))+(180/(0.5×106))=7.7달러로, 약 1/2 수준으로 낮아져서 매우 경제적이라는 것을 알 수 있다.

Claims (8)

1. 바이오매스를 170 내지 220 ℃ 열수전처리하는 단계; 및
   상기 열수전처리한 고형분을 160 내지 210 ℃에서 탄산나트륨과 수산화칼슘 혼합 수용액 처리하는 단계를 포함하고,
   상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘은 합계 0.5 M 내지 1.5 M 범위 내에서 1:0.4 내지 1의 몰비로 혼합되는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 열수전처리는 5 내지 50분 수행되는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 열수전처리는 200±5 ℃로 5 내지 15분간 처리하는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 열수전처리는 묽은산 전처리를 포함하는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서, 상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 1 내지 60분간 수행되는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액 처리는 160 내지 200 ℃의 탄산나트륨 및 수산화칼슘 수용액으로 20분 내지 60분간 처리하는, 바이오매스의 전처리 방법.
   
8. 청구항 1 내지 4, 6 및 7 중 어느 한 항의 바이오매스 전처리 방법을 포함하는, 바이오매스의 효소 당화 방법.

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