KR102468426B1 - 생물전기화학적 무독화 방법을 이용한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법 - Google Patents

생물전기화학적 무독화 방법을 이용한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생물전기화학적 무독화 처리 방법을 이용한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 효소적 처리 또는 전기화학적 처리방법에 비해 리그노셀룰로오스 바이오매스의 분해에서 생성될 수 있는 페놀계 화합물과 같은 독성물질의 제거 효율이 증가되고, 친환경적으로 바이오매스로부터 당화물을 우수한 당화효율로 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

생물전기화학적 무독화 방법을 이용한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법{Pretreatment method for hydrolysis of lignocellulosic biomass with reduced or eliminated toxicity using bioelectrochemical detoxification method}
본 발명은 생물전기화학적 무독화 처리 방법을 이용한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈, 전 세계적인 CO2 절감노력으로 인해 신재생 에너지, 그 중에서도 바이오매스를 이용한 에너지 생산에 대한 관심이 높아지고 있다.
바이오매스(Biomass)는 식물성 원료를 이용하여 바이오연료 및 전기, 열 등을 생산하는 신재생 에너지로서 환경 친화성, 경제성 및 기술적 타당성면에서 가능한 대안으로 각광받고 있다.
상기 바이오매스 자원 중에서도 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)는 부존량이 가장 크고, 식량과도 무관해 윤리적인 문제에서도 자유로운 장점이 있다. 이에 목질계 자원인 리그노셀룰로오스(lignocellulose)를 이용한 제 2 세대 바이오 유용산물의 생산 및 개발이 연구되고 있다.
목질계 바이오매스를 이용한 바이오연료의 생산에는 일반적으로 전처리(pretreatment), 당화(saccharification), 발효공정(fermentation)이 필요하다. 이중 전처리 공정은 효소 가수분해 반응 속도와 당화효율을 향상시킬 수 있도록 하는 공정을 통칭하며, 난분해성 방향족 중합체인 리그닌(lignin), 셀룰로오스(cellulose) 및 헤미셀룰로오스(hemicellulose)의 복합체를 분해하여 결정화도를 감소시켜 효소의 접근성을 높이고 바이오매스의 비표면적을 증가시켜 유효 효소의 양을 증가시키는 것으로, 전처리 공정의 효율 정도에 따라 바이오 연료의 생산비용이 결정되므로 상기 전처리 공정은 바이오매스로부터 바이오 연료를 생산하는데 중요한 요소 중의 하나이다.
이러한 목질계 바이오매스의 발효성을 촉진하기 위한 전처리 공정에는 물리적, 화학적 방법이 있으며, 이는 바이오매스 물질로부터 미생물이 이용할 수 있는 유용한 발효성 당화물로 5탄당이나 6탄당의 단당류를 수득하기 위하여 가수분해(hydrolysis) 과정이 필요하다.
그러나 목질계 바이오매스의 가수분해 전처리나 당화 중에 페놀계 화합물 등 독성물질이 유발되는데, 이들 독성 물질은 미생물의 생장 및 발효를 저해하여, 이후에 발효공정의 효율을 저감시키므로 유기산 및 알코올의 생산 효율이 저하되는 문제점이 있다. 그러므로, 가수분해 전처리 및 당화 후에 발생된 독성 물질을 제거하는 무독화 공정이 필요하다.
현재까지 증발, 용매 추출, 흡착, 이온 교환, 오버리밍 등 다양한 무독화 방법이 있으나, 이러한 무독화 과정에는 높은 운영 및 생산 비용, 페놀 화합물의 낮은 제거 효율 및 페놀 화합물과 함께 발효 가능한 당을 제거하여 결과적으로 낮은 당 효율을 얻을 수 있다. 또한, 무독화 과정에서 독성 부산물(예., Ca(OH)2 석고)이 형성되면 효소 활성을 방해할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 효율적이고, 경제적이며, 친환경적인 무독화 활성 증진 방법을 위하여 연구하던 중, 라카아제에 전기화학적방법을 혼합하는 것이 무독화 활성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 환경 독성이 적어, 경제적이고 친환경적인 방법임을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
한국등록특허 제10-1423305호
본 발명의 목적은, 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 당화합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연화(softening)시키기 위해 전처리하는 단계; 및
상기 전처리된 바이오매스를 0.5 내지 10V의 전압을 가하는 전기화학적 처리 및 라카아제를 처리하는 단계;
를 포함하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 가수분해 전처리방법으로 얻어진 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 당화 효소를 사용하여 당화시키는 단계를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 당화합물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 생물전기화학적 무독화 방법에 따르면, 효소적 처리 또는 전기화학적 처리방법에 비해 리그노셀룰로오스 바이오매스의 분해에서 생성될 수 있는 페놀계 화합물과 같은 독성물질의 제거 효율이 증가되고, 친환경적으로 바이오매스로부터 당화물을 우수한 당화효율로 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 볏짚의 전처리 과정에서 생성된 페놀류 처리에 사용되는 무독화 과정의 개략도이다.
도 2A는 CMC를 기질로 하여 다양한 페놀 화합물의 시간에 따른 EG 효소의 비활성화를 확인한 결과이다.
도 2B는 p-NPC를 기질로 하여 다양한 페놀 화합물의 시간에 따른 CBH 효소의 비활성화를 확인한 결과이다.
도 2C는 p-NPG를 기질로 하여 다양한 페놀 화합물의 시간에 따른 BGL 효소의 비활성화를 확인한 결과이다.
도 2D는 1.0V의 인가전압을 사용한 전기화학 시스템 및 BEDS와 라카아제를 사용한 페놀 화합물의 시간에 따른 무독화를 확인한 결과이다(삽입된 부분은 1.0V에서 전기화학시스템 및 BEDS로 기록된 시간대전류 생성을 측정한 결과이다).
도 3A는 1.0V의 인가 전압에서 라카아제, 전기화학시스템 또는 BEDS를 사용하여 전처리된 볏짚의 페놀 무독화를 확인한 결과이다.
도 3B는 BEDS 및 전기화학시스템에서 기록한 시간대전류(Chronoamperometric) 생성 및 패러데이 효율(faradaic efficiency)과 인가 전압의 변화를 확인한 결과이다.
도 3C는 2시간 무독화 후, BEDS 및 전기화학 시스템에서 페놀 농도를 확인한 결과이다.
도 3D는 다른 전압에서 BEDS 및 전기화학 시스템에서 SPC(specific power consumption)와 페놀 제거율(phenol removal rate; PRR)의 변화를 확인한 결과이다.
도 4A는 전처리 방법(라카아제, 전기 화학적 시스템 및 BEDS)에 따른 당화율을 확인한 결과이다.
도 4B는 BEDS 및 전기 화학적 시스템을 사용하여 무독화된 볏짚을 서로 다른 인가 전압에서 사용했을 때 당화율을 확인한 결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연화(softening)시키기 위해 전처리하는 단계; 및 상기 전처리된 바이오매스를 0.5 내지 10V의 전압을 가하는 전기화학적 처리 및 라카아제를 처리하는 단계; 를 포함하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전처리는 바이오매스를 산과 혼합하고 가열하여 전처리 할 수 있으며, 바람직하게 바이오매스를 묽은 산(H2SO4, 0.5 %(v/v))과 혼합하고 가열하여 전처리할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전기화학적 처리는 인위적으로 전류를 흘릴 수 있는 장비를 사용할 수 있으며, 바람직하게 0.05 내지 5V의 전압을 가하는 장비를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게 0.05 내지 2V의 전압을 가하는 장비를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전기화학적 처리는 대시간전류법(chronoamperometry), 대시간전위법(chronopotentiometry), 전위계단또는펄스법(potential step or pulse method), 순환전압전류법(Cyclic voltametry) 또는 회전(링)전극법(rotating (ring) disk electrode method)일 수 있으며, 바람직하게 대시간전류법(chronoamperometry)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 페놀계 화합물은 타닌산(Tannic acid), 페룰산(Ferulic acid), 2-하이드록시벤조산(2-hydroxybenzoic acid; 2HBA), 갈산(Gallic acid), 쿠마린산(Coumaric acid), 시링산(Syringic acid) 및 카페산(Caffeic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 볏짚, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스, 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 기울, 농업용 및 공업용 폐기물, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 및 이들의 혼합물 일 수 있고, 바람직하게 볏짚일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 가수분해 전처리방법으로 얻어진 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 당화 효소를 사용하여 당화시키는 단계를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 당화합물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 당화 효소는 베타글루코시다제, 엔도글루카나아제, 셀룰라아제 및 라카아제로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 효소일 수 있고, 바람직하게 베타글루코시다제, 엔도글루카나아제, 셀룰라아제 및 라카아제가 혼합된 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.
준비예 1. 실험 준비
1-1. 물질 준비
본 발명에 사용된 모든 페놀 화합물 [페룰산(ferulic acid) (99%), 갈산(gallic acid) (98%), 바닐린산(vanillic acid) (98%), 쿠마린산(p-coumaric acid) (98%), 및 사이링알데하이드(syringaldehyde) (99%)] 는 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.
당화에는 아스페르길루스 니거(Aspergillus niger)로 부터 생산된 시판 셀룰라아제 셀루클라스트(celluclast) 1.5L(EG, BGL, 및 CBH의 혼합) 및 베타-글루코시다아제(β-glucosidase; BGL)를 사용했다. 트라메테스 베르시콜로(Trametes versicolor)에 의해 생성된 라카아제(Laccase)는 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구입했으며, 추가 정제 없이 사용했다.
1-2. 효소 활성 측정
라카아제 활성은 실온에서 2, 2-azino-bis (3-ethylbenzo-thiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 기질로 사용하여 분광 광도계를 사용하여 활성을 측정하였다. celluclast 1.5L의 활성을 평가하고 FPUs(Filter Paper activity Units)로 나타냈으며, 라카아제(Laccase), BGL 및 셀루클라스트(celluclast) 1.5L 효소 활성은 이전에 설명한대로 측정(Biotechnology journal 14.6 (2019): 1800468.)되었다. 1 FPU는 Whatman 1번 여과지의 가수분해로부터 1 μmol의 포도당 당량을 분당 배출하는 효소의 양으로 정의된다. 단백질 농도는 표준으로 소혈청알부민을 사용하여 Bradford method (Bradford, 1976)을 사용하여 측정하였다. 모든 실험은 일관성을 유지하기 위해 3번 수행되었다.
1.3 볏짚의 전위(front-end processing)처리
본 발명에 사용된 볏짚 (Oryza sativa L.)은 Phygen Co. Ltd, (대한민국, 대전)에서 얻어 60℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 볏짚은 해머밀을 사용하여 깍둑썰기하고 제분하였다. 제분된 볏짚을 체로 걸러 15mm이상 6mm미만의 입자를 제거하였으며, 최종 길이는 2-6mm였다. 볏짚의 조성은 건조 중량 기준 셀룰로오스 35.8%, 헤미셀룰로오스 25.8%, 리그닌 15.8%, 회분(ash) 9.3%, 단백질 8% 및 추출물질(extractives) 6% 였다. 제분된 볏짚(건조 중량 기준 25g)을 적당량의 황산(0.5%) 및 수돗물과 혼합하였다. 혼합물을 폭쇄반응기(steam explosion reactor)에 넣고 121℃에서 60동안 배양했다. 상기 전처리된 볏짚을 여과하고 pH가 중화될 때까지 증류수로 세척하였다. 다음으로, 무게가 더 이상 감소하지 않을 때까지 60℃의 오븐에서 배양한 다음 실험에 사용하였다.
<실시예 1> 생물전기화학적 무독화 시스템을(Bioelectrochemical detoxification system; BEDS) 이용한 전처리된 볏짚의 무독화
외부전압(0.5, 1.0V 및 1.5V)을 적용하여 생물전기화학적 무독화 시스템 처리는 단일 챔버셀에서 생물학적 전위차(SP-150)를 사용하여 대시간전류장치(크로노암페로메트리; chronoamperometry)를 통해 수행하였다(도 1참조).
세포의 총 부피와 작업부피는 각각 100ml와 50ml로 유지하였다. 작업 전극과 상대전극은 카본 직물(4cm2 Fuelcell Store, Inc., USA)과 백금선(Neoscience, 대한민국)을 각각 사용하였다. Ag/AgCl은 기준 전극으로 사용되었으며 작업 전극에 매우 근접하게 배치하였다.
생물전기화학적 무독화 반응 혼합물은 아세테이트완충액 (pH 4.5, 50mM), 라카아제(10U/ml), NaCl(0.1M), 전처리된 바이오매스 3g 및 항생제 [테트라사이클린 (40 μg/mL) 및 사이클로헥사마이드 (30 μg/mL)]로 구성되었다.
반응이 끝날 때까지 (2시간) 30분마다 샘플을 수집하고 원심분리(5000rpm하여 상등액을 수집했다. 페놀화합물의 농도는 section 2.4에 설명된대로 측정하였다.
모든 실험은 반복(n=3)과 함께 전기화학, 효소(라카아제), BEDS의 각 개별 시스템에서 수행되었다. BEDS 및 전기화학 시스템의 FE 효율(faradaic efficiency)은 다음의 방정식을 사용하여 결정되었다 :
[식 1]
FE=CR/ CI × 100 (%)
여기서, CR은 환원된 페놀의 총 쿨롬수이고,
CI는 시스템에 적용된 전류 총 쿨롬수이다.
<비교예 1> 전기화학적 처리를 이용한 전처리된 볏짚의 무독화
상기 실시예 1의 방법과 동일하게 하되, 라카아제 없이 무독화처리하였다.
<비교예 2> 라카아제를 이용한 전처리된 볏짚의 무독화
전처리된 볏짚의 무독화는 50ml의 50mM 아세테이트 완충액(pH.5)가 있는 100mL삼각 플라스크에서 수행하였다. 반응 혼합물은 라카아제(10U/ml), 전처리된 바이오매스 3g, 항생제 [테트라사이클린 (40 μg/mL) 및 사이클로헥사마이드 (30 μg/mL)]로 구성되었다. 반응이 끝날 때까지(2시간) 30분마다 샘플을 수집하고 5000rpm에서 원심분리하여 페놀분해평가에 사용된 상등액을 수집했다.
Phr은 다음과 같이 분석하였다: 라카아제 무독화된 샘플의 상층액(200 μl)을 증류수 (800 μl)와 혼합한 다음 Folin-Ciocalteau reagent (500 μl)를 첨가했다. 3분후 Na2CO3(탄산나트륨, 2.5ml, 20% w/v)를 첨가하고 샘플을 30분간 어두운 곳에 두었다가 UV-Vis 분광기를 사용하여 725mm에서 흡광도를 측정하였다. 결과들을 1리터의 액체상 당 카테콜 등가물(catechol equivalents, CE)의 그램으로 표시하였다.
<실험예 1> 페놀화합물에 의한 효소 비활성화 분석
페놀 화합물에 의한 효소 비활성화를 분석하기 위해 반응 혼합물에는 다양한 종류의 페놀 화합물(2g/L), 페놀 화합물의 혼합물(2g/L), 각 기질 20mM(CMC 및 p-NPC), 미생물 오염에 대한 항생제[테트라사이클린 (40 μg/mL) 및 사이클로헥사마이드 (30 μg/mL)]와 함께 15 FPU의 셀루클라스트 효소를 포함했다.
그 다음 혼합물을 150rpm 및 30℃에서 진탕 배양하고, 효소(EG, CBH 및 BGL)의 활성을 분석하기 위해 소화가 끝날때까지(9시간) 3시간마다 샘플을 채취했다.
EG 활성은 Somogyi-Nelson 분석과 포도당을 표준으로 하여 기질(CMC)에서 방출되는 당(포도당)의 양을 측정하였다. CBH의 활성은 기질로 p-NPC(p-nitrophenyl-β-D-cellobioside, Sigma-Aldrich)를 사용하여 측정하였다. p-NPC의 가수분해는 분당 1 μmol의 p-니트로페놀의 방출에 필요한 효소의 양으로 정의하였다. BGL의 활성은 기질로 p-NPG(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside)를 사용하여 측정하였다.
그 결과, 도 2A 및 도 2B에 나타낸 바와 같이, 페놀 화합물이 EG와 CBH의 비활성화에 미치는 영향은 페놀 혼합물 > 타닌산 > 페룰산 > 2HBA > 갈산 > 쿠마린산 > 시링산 > 카페산과 같은 순서였다. 또한, 도 2C에 나타낸 바와 같이, 페놀 화합물이 BGL의 비활성화에 미치는 영향은 페놀 혼합물 > 타닌산 > 2HBA > 페룰산 > 쿠마린산 > 카페산 > 시링산 > 갈산과 같은 순서였다.
모든 페놀 화합물 중 타닌산은 EG (51%), CBH (60%), 및 BGL (72%)의 활성을 강하게 억제했다(도 2A 내지 도 2C 참조). 다른 페놀 화합물들은 타닌산보다는 약한 억제 활성을 보였다. 9시간의 배양 후에, 2 g/L의 농도를 가진 페놀 화합물의 혼합물 (모든 페놀 화합물의 조합)은 EG, CBH, 및 BGL의 각각 61.5 ± 2.1%, 74.6 ± 3.4%, 및 82.3± 4.2%를 비활성화시켰다. EG와 CBH는 개별 페놀들에 의해 유사한 비활성화 추세를 따랐다. 타닌산과 카페산은 각각 최고와 최저 셀룰라아제 비활성화를 보였다.
<실험예 1> 페놀 화합물의 무독화 및 페놀 제거율
<1-1> 전처리 방법에 따른 페놀 화합물의 무독화 및 페놀 제거율
볏짚의 전처리는 목질소의 파괴로 인해 억제성 페놀 화합물을 생성시킨다. 전처리 후의 볏짚 가수분해물은 0.4g/L의 페놀 화합물들을 가지며 이 혼합물들은 셀룰라아제의 효소 활동을 억제하기 때문에 제거되어야 한다.
비교예 1의 전기화학적, 비교예 2의 효소적(라카아제처리) 또는 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)에 따른 페놀 화합물의 무독화 결과, 또한, 도 2D에 나타낸 바와 같이, BEDS는 효소법 또는 전기화학적 방법보다 더 높은 Phr(페놀 제거율)를 보였다. BEDS에 의한 1시간의 무독화 후에 유출되는 페놀 농도, 전류 생성률, 페놀 제거율은 각각 0.5 g/L, 0.43 mA/cm2, 75.2%였다.
상기 비교예 1의 전기화학적, 비교예 2의 효소적(라카아제처리) 또는 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)에 따른 페놀 화합물의 무독화 과정 중에서 실시예 1의 BEDS가 가장 높은 페놀 혼합물 제거율을 보였다 (도 3A 및 표 1 참조).
2시간의 무독화 공정 후에, 0.08g/L의 유출 페놀 농도가 관찰되었고 이는 80.5%의 제거율에 해당했다. 그 반대로 라카아제와 전기화학적 무독화 과정은 각각 0.19g/L와 0.27g/L의 유출 농도를 보였으며 이는 52.5%와 32.5%의 제거율에 해당했다.
<1-2> 전압에 따른 페놀 화합물의 무독화 및 페놀 제거율
BEDS의 효율을 추가 테스트하기 위해 Phr 과정의 진행에 따라 전압을 달리 적용했다. 그 결과, 도 3B에 나타낸 바와 같이, 페놀 제거율은 전압에 따라 달라졌으며, 1.5V를 적용한 BEDS가 다른 전압(0.5V, 1.0V)을 적용한 경우보다 더 높은 페놀 화합물 제거율을 보였다.
또한, 도 3C에 나타낸 바와 같이, 1.5V를 적용했을 때 페놀 화합물의 분해(0.04g/L)는 거의 완전하게 이루어졌다. 하지만 0.5V와 1.0를 적용한 경우에는 유출 농도가 각각 0.19g/L와 0.09g/L였다. 유출 농도를 바탕으로 계산된 0.5V, 1.0V, 1.5V에서의 페놀 화합물 제거율은 각각 52.5%, 77.5%, 90.1%였다.
이와 반면에, 전기화학 시스템에서 0.5V, 1.0V, 1.5V를 이용하는 경우 유출 페놀 농도는 각각 0.31g/L 0.26g/L, 0.22g/L였으며 이 때의 제거율은 각각 22.5%, 35.1%, 45.2%였다. 1.5V 이상으로 전압을 추가로 높여도 페놀 제거율에서는 어떠한 유의한 차이도 관찰되지 않았다.
마찬가지로 전류 생성률은 전압이 높아짐에 따라 증가했지만 페러데이 효율(faradaic efficiency)은 감소했다. BEDS에서 0.5V, 1.0V, 1.5V를 이용하는 경우의 산화 전류 생성률은 각각 0.38 mA/cm2, 0.47 mA/cm2, 및 0.59 mA/cm2였다. 페러데이 효율 면에서 전자 활용 효율을 관찰했으며 각각 84.2%, 76.3%, 62.4%로 나타났다. 전기화학 시스템의 전류 생성률과 페러데이 효율에서도 이와 유사한 추세가 관찰되었다. 즉 0.5V, 1.0V, 1.5V를 이용하는 경우의 전류 생성률은 각각 0.21 mA/cm2, 0.29 mA/cm2, 및 0.34 mA/cm2이었다.
Phr 및 생성되는 전기를 바탕으로 계산된 단위부피당 소비전력 (specific power consumption; SPC) 역시 적용되는 전압에 따라 달라졌다(도 3D 참조). 전기화학 시스템에 비해 BEDS에서 더 낮은 SPC가 관찰되었으며, 이는 BEDS 내의 라카아제때문이라 판단된다. 1.5V에서 BEDS의 SPC는 2.2W/Kg Phr로 이는 전기화학 시스템 (2.89 W/Kg Phr)에서보다 24% 낮은 수준이다. BEDS에서 최대 페놀 제거율(0.30 Kg/m3/h)은 1.5V에서 관찰되었고, 그 다음은 1.0V (0.23 Kg/m3/h)와 0.5V (0.14 Kg/m3/h) 순이었다. 이 값들은 전기화학 시스템에서보다 각각 52%, 61%, 63% 더 높다. 이와는 대조적으로 라카아제만을 이용한 경우에는 제거율이 0.147 Kg/m3/h였다.
즉, 비교예 1의 전기화학적 처리 또는 비교예 2의 효소적(라카아제)처리 방법을 사용하여 페놀 화합물을 제거하는 경우보다 본 발명의 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)을 사용하여 페놀 화합물을 제거하는 경우, 가장 효과적인 것을 확인할 수 있다.
전압
(V)		 유출 페놀 농도 (g/l) 전류 (mA) 당화율 (%)
비교예 1 실시예 1 비교예 1 실시예 1 비교예 1 실시예 1
0.5 0.31 0.19 0.21 0.38 51 61
1.0 0.25 0.09 0.29 0.47 56 78
1.5 0.22 0.04 0.34 0.59 60 85
<실험예 2> 무독화된 볏짚의 당화
<2-1> 전처리 방법에 따른 무독화된 볏짚의 당화
비교예 1의 전기화학적 처리, 비교예 2의 효소적(라카아제)처리 또는 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)에 따른 무독화 방법에 따른 볏짚의 당화율을 확인하였으며, 또한 인가전압에 따른 볏짚의 당화율을 확인하였다.
우선, 셀룰라아제를 사용하여 100ml 플라스크에서 전처리 및 무독화 처리된 볏짚의 당화를 진행하였다. 반응 혼합물은 바이오매스(0.4g), 셀룰라아제(15 FPU), BGL(15 IU/g), 라카아제 (10U/ml), tween 80 (0.2%) 및 미생물 오염에 대해 방지를 위한 항생제 [테트라사이클린 (40 μg/mL) 및 사이클로헥사마이드 (30 μg/mL)]로 구성되었다.
당화반응은 50℃ 및 150rpm에서 2일간 수행하였다. 샘플을 다양한 간격으로 수집하고 5분간 8,000rpm에서 원심분리하였다. 상층액을 수집하고, 75℃에서 10분간 끓여서 변성에 의한 효소 활성을 중지시켰다. 변성된 샘플을 냉각하고 환원당 함량을 DNS(3, 5-dinitrosalicylic acid)방법으로 측정하였다. 생성된 환원당량에 0.9를 곱하여 당화효율(SY)를 계산하였다. 계수 0.9는 무수 포도당과 유리 포도당 형태의 질량 비율이다.
[식 2]
Figure 112020123674908-pat00001
그 결과, 당화효율(SY)은 무독화 처리 공정에 따라 달라지는 것을 확인하였으며, 도 4A에 나타낸 바와 같이, 1.5V의 인가전압으로 비교예 1의 전기화학적 처리하는 경우 당화효율은 60%(412mg/g) 이었으며, 비교예 2의 효소적(라카아제)처리 하는 경우 당화효율은 71%(472mg/g)인 반면, 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)에 따른 무독화 방법으로 무독화 처리된 볏짚의 당화효율은 85%(540mg/g-substrate)로 가장 높은 것을 확인하였다.
<2-2> 전압에 따른 무독화된 볏짚의 당화
또한, 도 4B에 나타낸 바와 같이, 전기화학적으로 처리된 경우, 0.5V, 1.0V 및 1.5V에서 각각 51%, 56%, 60%의 당화효율을 나타낸 반면, 본 발명의 실시예 1의 BEDS로 처리한 바이오매스(볏짚)의 당화효율은 0.5V, 1.0V 및 1.5V에서 각각 61%, 78%, 85%을 나타냈다.
즉, 비교예 1의 전기화학적 처리 또는 비교예 2의 효소적(라카아제)처리 방법을 사용하는 경우보다 본 발명의 실시예 1의 생물화학적 무독화처리 시스템(BEDS)을 사용하여 페놀 화합물을 제거하는 경우, 페놀 화합물의 무독화효율을 높여, 효소의 가수분해 효율을 높임으로써 당화효율을 높이는 가장 효과적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연화(softening)시키기 위해 전처리하는 단계; 및
    상기 전처리된 바이오매스를 1.0 내지 10V의 전압을 가하는 전기화학적 처리 및 라카아제를 처리하는 단계;
    를 포함하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전처리는 바이오매스를 산과 혼합하고 가열하여 전처리하는 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 처리는 인위적으로 전류를 흘릴 수 있는 장비를 사용하는 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 처리는 1.25 내지 5V의 전압을 가하는 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 처리는 대시간전류법(chronoamperometry), 대시간전위법(chronopotentiometry), 전위계단또는펄스법(potential step or pulse method), 순환전압전류법(Cyclic voltametry) 또는 회전(링)전극법(rotating (ring) disk electrode method)인 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 페놀계 화합물은 타닌산(Tannic acid), 페룰산(Ferulic acid), 2-하이드록시벤조산(2-hydroxybenzoic acid; 2HBA), 갈산(Gallic acid), 쿠마린산(Coumaric acid), 시링산(Syringic acid) 및 카페산(Caffeic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 볏짚, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스, 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 기울, 농업용 및 공업용 폐기물, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 페놀계 화합물에 의한 독성이 감소 또는 제거된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가수분해 전처리방법.
  8. 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연화(softening)시키기 위해 전처리하는 단계;
    상기 전처리된 바이오매스를 1.0 내지 10V의 전압을 가하는 전기화학적 처리 및 라카아제를 처리하는 단계; 및
    당화 효소를 사용하여 당화시키는 단계;를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 당화합물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 당화 효소는 베타글루코시다제, 엔도글루카나아제, 셀룰라아제 및 라카아제로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 효소인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 당화합물의 제조방법.
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