KR20210074921A - Method of producing polydisperse lignin microsphere from black liquor of biomass - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to lignin microparticles prepared from black liquor, which is a biomass by-product, and a method for preparing the same. The lignin microparticles prepared by the preparation method of the present invention can contribute to raising production costs by using black liquor, which is discarded as a process by-product during bioethanol production using biomass, as an industrial material. By developing particles of lignin microstructure derived from alkali black liquor, it is expected to contribute to the development of industrial materials such as adsorbents and UV-protective agents in the agricultural sector.

Description

바이오매스 부산물인 흑액으로부터 리그닌 미세입자를 제조하는 방법{Method of producing polydisperse lignin microsphere from black liquor of biomass}Method of producing lignin microspheres from black liquor of biomass

본 발명은 바이오매스 부산물인 흑액으로부터 제조된 리그닌 미세입자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to lignin microparticles prepared from black liquor, a biomass by-product, and a method for preparing the same.

사탕수수, 옥수수 등 1세대 바이오에탄올 생산은 식품 산업 등 기존 산업과 유사하여 2000년대 중반까지 성장세를 이끌어왔으나, 원료공급 측면에서 식량 및 사료와 경합으로 위기에 처하게 되었다. 이후 목질계, 초본계의 섬유질계 원료를 기반으로 2세대 바이오에탄올 생산 기술 개발이 전 세계적으로 주목받게 되었다.The production of first-generation bioethanol, such as sugar cane and corn, was similar to the existing industries such as the food industry, leading to growth until the mid-2000s, but it was in a crisis due to competition with food and feed in terms of raw material supply. Since then, the development of second-generation bioethanol production technology based on lignocellulosic and herbaceous fibrous raw materials has attracted worldwide attention.

바이오에탄올 상용화를 위해서는 파일럿플랜트 규모의 모형 구축 및 바이오매스 전처리 기술 등 생산 공정 기술 습득이 반드시 선행되어야 하며, 바이오에탄올 생산 시 발생하는 부산물 이용 기술로 부가가치 창출이 이루어져야 경제성 확보에 용이하며 그 중 전처리 후 발생하는 폐액 처리 및 재사용 기술 개발이 필요하다. 이에, 바이오매스를 이용한 공정부산물의 활용도 제고를 위해 흑액에 함유된 리그닌 추출방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 예컨대 대한민국 등록특허 제 10-1521238호 에서는 목질계 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법을 개시하고 있다.In order to commercialize bioethanol, it is necessary to build a pilot plant scale model and acquire production process technology such as biomass pretreatment technology. It is necessary to develop technologies for the treatment and reuse of the generated waste liquid. Accordingly, in order to improve the utilization of process by-products using biomass, research on lignin extraction methods contained in black liquor is being conducted. For example, Korean Patent Registration No. 10-1521238 discloses a method of extracting high-purity lignin from lignocellulosic black liquor.

그러나, 바이오매스 유래 흑액에서 리그닌 미세구조 입자를 개발하여 산업소재로 활용하는 것에 대한 연구는 전무한 실정이다.However, there is no research on developing lignin microstructured particles from biomass-derived black liquor and using them as industrial materials.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제출된 것으로서, 본 발명자들은 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 시 공정 부산물인 흑액의 활용도 제고를 위해 리그닌을 산업소재로 활용하고자 예의 연구한 결과, 특정 조건에서 추출한 흑액에 함유된 리그닌에서 미세구조 입자 특성을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present invention has been submitted to solve the above problems, and the present inventors have studied diligently to utilize lignin as an industrial material to improve the utilization of black liquor, a process by-product during bioethanol production using biomass. The present invention was completed by confirming the characteristics of microstructured particles in the lignin contained in the extracted black liquor.

이에 본 발명은 (a) 바이오매스 제조과정에서 회수된 흑액을 원심분리하는 단계; (b) 상기 원심분리에 의해 얻어진 상층(청)액에 25% 내지 98%의 산성용액을 처리하여 pH를 낮추는 단계; 및 (c) 115℃ 내지 125℃에서 1 내지 5시간의 반응시간 동안 가수분해반응을 유도하는 단계를 포함하는 흑액으로부터 리그닌 미세입자를 제조하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention comprises the steps of: (a) centrifuging the black liquor recovered in the biomass manufacturing process; (b) lowering the pH by treating the upper (blue) solution obtained by the centrifugation with an acidic solution of 25% to 98%; and (c) inducing a hydrolysis reaction at 115° C. to 125° C. for a reaction time of 1 to 5 hours.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 리그닌 미세입자를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide lignin microparticles prepared by the above production method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 바이오매스 제조과정에서 회수된 흑액을 원심분리하는 단계; (b) 상기 원심분리에 의해 얻어진 상층(청)액에 25% 내지 98%의 산성용액을 처리하여 pH를 낮추는 단계; 및 (c) 115℃ 내지 125℃에서 가수분해반응을 유도하는 단계를 포함하는 흑액으로부터 리그닌 미세입자를 제조하는 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (a) centrifuging the black liquor recovered in the biomass manufacturing process; (b) lowering the pH by treating the upper (blue) solution obtained by the centrifugation with an acidic solution of 25% to 98%; and (c) inducing a hydrolysis reaction at 115°C to 125°C.

본 발명의 일 구현 예에서 상기 방법은 (d) 상기 가수분해 된 용액을 원심분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method may further include (d) centrifuging the hydrolyzed solution.

본 발명의 다른 구현 예에서 상기 (b) 단계에서 pH를 3 내지 4로 낮추는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the pH may be lowered to 3 to 4 in step (b).

본 발명의 또 다른 구현 예에서 상기 (b) 단계에서 산성용액은 황산(H2SO4)일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the acidic solution in step (b) may be sulfuric acid (H 2 SO 4 ).

본 발명의 또 다른 구현예에서 상기 (c) 단계에서 가수분해 반응은 1시간 내지 5시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the hydrolysis reaction in step (c) may be performed for 1 hour to 5 hours.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 리그닌 미세입자를 제공한다.In addition, the present invention provides lignin microparticles prepared by the above production method.

본 발명의 일 구현예에서 상기 리그닌 미세입자는 0.8 내지 1.0㎛ 크기를 갖는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lignin microparticles may have a size of 0.8 to 1.0 μm.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 리그닌 미세입자는 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 시 공정부산물로 버려지는 흑액을 산업소재로 활용하여 생산비 제고에 기여할 수 있으며, 알칼리 흑액 유래 리그닌 미세구조의 입자를 개발함으로써 농업 부분에서 흡착제 및 UV-보호제 등 산업용 소재개발 시장 개척에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. The lignin microparticles produced by the manufacturing method of the present invention can contribute to the improvement of production cost by using black liquor, which is discarded as a process by-product during bioethanol production using biomass, as an industrial material, and particles of lignin microstructure derived from alkali black liquor are developed. This is expected to contribute to the development of industrial materials such as adsorbents and UV-protective agents in the agricultural sector.

도 1은 연속 전처리 공정에서 리그닌 회수공정에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 전처리된 흑액의 리그닌 물질수지 확립에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 흑액으로부터 리그닌을 추출 및 정제하기 위한 공정 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 흑액으로부터 리그닌을 추출하기 위한 처리 조건에서 반응시간 및 산도에 따른 이화학 성분 비교 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 흑액으로부터 미세구조 입자로서의 리그닌을 추출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 주사 전자현미경을 이용하여 반응시간 및 산도에 따른 리그닌 마이크로스페어의 미세구조를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 주사 전자현미경을 이용하여 반응시간 및 처리한 황산의 농도에 따른 리그닌 마이크로스페어의 미세구조를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 황산의 농도 및 반응 시간을 조절하고 반응 조건별 리그닌 마이크로스페어의 미세구조의 입도분포를 나타낸 것이다.
도 9는 황산의 농도 및 반응 시간을 조절하고 반응 조건별 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 황산의 농도 및 반응 시간을 조절하고 반응 조건별 TGA(Thermogravimatric analysis) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 황산의 농도, pH 및 반응시간을 조절하고 반응 조건별 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 황산의 농도, 온도를 조절하고 반응 조건별 GC MSD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 GC/MS 스캔 데이터를 통해 각 리그닌 모노머의 구조를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
1 shows a schematic diagram of the lignin recovery process in the continuous pretreatment process.
Figure 2 shows a schematic diagram for the establishment of the lignin mass balance of the pre-treated black liquor.
3 shows a schematic diagram of a process for extracting and purifying lignin from black liquor.
4 shows the comparison results of physicochemical components according to reaction time and acidity in the treatment conditions for extracting lignin from black liquor.
5 shows the process of extracting lignin as microstructured particles from black liquor.
6 shows the results of analyzing the microstructure of lignin microspheres according to reaction time and acidity using a scanning electron microscope.
7 shows the results of analyzing the microstructure of the lignin microspheres according to the reaction time and the concentration of the treated sulfuric acid using a scanning electron microscope.
8 shows the particle size distribution of the microstructure of the lignin microspheres according to the reaction conditions by controlling the concentration and reaction time of sulfuric acid.
9 shows the FT-IR analysis results for each reaction condition by controlling the concentration and reaction time of sulfuric acid.
10 shows the results of TGA (Thermogravimatric analysis) analysis by controlling the concentration and reaction time of sulfuric acid and by reaction conditions.
11 shows the XRD analysis results for each reaction condition by controlling the concentration, pH, and reaction time of sulfuric acid.
12 shows the GC MSD analysis results for each reaction condition by controlling the concentration and temperature of sulfuric acid.
13 shows the results of confirming the structure of each lignin monomer through GC/MS scan data.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 시 공정 부산물인 흑액의 활용도 제고를 위해 리그닌을 산업소재로 활용하고자 예의 연구한 결과, 특정 조건에서 추출한 흑액에 함유된 리그닌에서 미세구조 입자 특성을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors studied intensively to utilize lignin as an industrial material to improve the utilization of black liquor, a process by-product in bioethanol production using biomass, and as a result, confirmed the microstructure particle characteristics of lignin contained in black liquor extracted under specific conditions. The invention was completed.

이에, 본 발명은 (a) 바이오매스 제조과정에서 회수된 흑액을 원심분리하는 단계; (b) 상기 원심분리에 의해 얻어진 상층(청)액에 25% 내지 98%의 산성용액을 처리하여 pH를 낮추는 단계; 및 (c) 115℃내지 125℃에서 가수분해반응을 유도하는 단계를 포함하는 흑액으로부터 리그닌 미세입자를 제조하는 제조방법을 제공한다.Accordingly, the present invention comprises the steps of: (a) centrifuging the black liquor recovered in the biomass manufacturing process; (b) lowering the pH by treating the upper (blue) solution obtained by the centrifugation with an acidic solution of 25% to 98%; and (c) inducing a hydrolysis reaction at 115°C to 125°C.

또한, 본 발명은 (d) 상기 가수분해된 용액을 원심분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include (d) centrifuging the hydrolyzed solution.

본 발명에서 사용되는 용어 "바이오매스"란 화학적 에너지로 사용 가능한 바이오 에너지의 에너지원으로서 식물, 동물, 미생물 등의 생물체에 의한 바이오매스에서 선택된 것일 수 있으나 초본계 바이오매스인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 거대억새를 이용할 수 있다. 초본계 바이오매스는 셀룰로오스 바이오매스(cellulosic biomass)의 일종으로 식물 세포벽의 주성분인 다당류의 셀룰로오스를 포함한 바이오매스를 의미한다. 세포벽을 가진 모든 식물이 포함되고, 농림업 잔재물 및 산업잔재물이 모두 포함될 수 있다. The term "biomass" used in the present invention refers to an energy source of bioenergy usable as chemical energy, which may be selected from biomass by living organisms such as plants, animals, and microorganisms, but is preferably herbal biomass, more preferably Giant pampas grass can be used. Herbal biomass is a type of cellulosic biomass, and refers to biomass including cellulose of polysaccharides, which are the main components of plant cell walls. All plants with cell walls are included, and both agricultural and forestry residues and industrial residues can be included.

본 발명의 일 구현 예에서 상기 (b) 단계에서 pH는 1 내지 4로 낮추는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 pH를 3 내지 4로 낮출 수 있으며, pH를 4로 낮추는 것이 가장 바람직하다. 낮은 pH조건에서 리그닌 함유 고형물 추출량이 증가하고, pH 4에서 가장 많은 리그닌 함유 고형물이 추출될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pH in step (b) is preferably lowered to 1 to 4, more preferably the pH can be lowered to 3 to 4, and it is most preferred to lower the pH to 4. The amount of lignin-containing solids extracted is increased at low pH conditions, and the largest amount of lignin-containing solids can be extracted at pH 4.

본 발명의 다른 구현 예에서 상기 (b)단계의 산성용액은 통상적으로 사용되는 산성용액 중 어느 것에도 제한을 받지 않으나 황산인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 25 내지 98% 농도의 황산을 처리할 수 있고, 25%의 황산을 처리하는 것이 가장 바람직하다. In another embodiment of the present invention, the acidic solution of step (b) is not limited by any of the commonly used acidic solutions, but is preferably sulfuric acid, more preferably 25 to 98% of sulfuric acid. and 25% sulfuric acid is most preferred.

본 발명의 또 다른 구현 예에서 상기 (c)단계에서 가수분해반응을 유도하는 단계는 고온에서 가수분해 시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 (a) 115℃내지 125℃에서 가수분해 시키는 것일 수 있으며, 121℃에서 가수분해반응을 유도하는 것이 가장 바람직하다. 상기 가수분해 반응을 유도함에 있어서 반응시간은 1시간 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 가수분해를 1시간 동안 반응 시킨 결과가 다른 조건에 비해 더 적은 입도의 미세입자 일 수 있다.In another embodiment of the present invention, inducing the hydrolysis reaction in step (c) is preferably hydrolyzed at a high temperature, more preferably (a) hydrolysis at 115°C to 125°C. , it is most preferable to induce the hydrolysis reaction at 121 °C. In inducing the hydrolysis reaction, the reaction time is preferably performed for 1 hour to 3 hours, and more preferably for 1 hour. At this time, the result of reacting the hydrolysis for 1 hour may be fine particles with a smaller particle size compared to other conditions.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 리그닌 미세입자를 제공한다. In addition, the present invention provides lignin microparticles prepared by the above production method.

본 발명에서 사용되는 용어 "미세입자"란 입경 10㎛ 이하의 미세한 입자상 물질을 의미한다. 본 발명에서 리그닌 미세입자는 10㎛ 이하의 입도를 가지는 리그닌 구조를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 0.8 내지 1.0㎛ 크기를 갖는 것 일 수 있으며, 입자 크기가 1.0㎛ 작은 경우 흡착제 및 산업용 소재 개발에 보다 유용하게 활용될 수 있다.As used herein, the term “fine particles” refers to fine particulate matter having a particle diameter of 10 μm or less. In the present invention, the lignin microparticles may include a lignin structure having a particle size of 10 μm or less, but preferably have a size of 0.8 to 1.0 μm, and when the particle size is small 1.0 μm, it is useful for developing adsorbents and industrial materials. It can be used more usefully.

본 발명은 전술한 바와 같은 제조방법을 통해 미세구조 입자의 리그닌 추출물을 제조하였다. In the present invention, a lignin extract of microstructured particles was prepared through the preparation method as described above.

이에 본 발명의 일 실시예에서는 바이오매스 제조과정에서 회수된 흑액으로부터 리그닌 미세구조 입자를 추출하기 위해 처리 조건을 다양하게 조절하였으며, 25%, 50% 및 98% 농도의 황산을(H2SO4) 처리하여 pH를 조절한 경우에 리그닌 함유 고형물 추출량을 확인하였고(실시예 2-3 참조), 황산의 농도 및 반응시간을 조절하고 반응 조건에 따른 미세구조의 입도 분포를 구체적으로 확인하여 25% 황산(H2SO4)을 적용하여 1시간 반응시킨 결과가 다른 조건에 비해 입자가 50% 정도 적게 나타나는 것을 확인하였다(실시예 3-2 참조).Accordingly, in one embodiment of the present invention, treatment conditions were variously adjusted to extract lignin microstructured particles from black liquor recovered during the biomass manufacturing process, and sulfuric acid at 25%, 50% and 98% concentrations (H 2 SO 4 ) treatment to control the pH, the amount of lignin-containing solids extracted was confirmed (see Example 2-3), the concentration and reaction time of sulfuric acid were adjusted, and the particle size distribution of the microstructure according to the reaction conditions was specifically confirmed to be 25% When sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was applied and reacted for 1 hour, it was confirmed that 50% less particles compared to other conditions (see Example 3-2).

상기 결과로부터, 적은 입경 크기를 갖는 리그닌 미세구조 제조 조건을 확인하였는바, 이를 농업부분 흡착제 및 UV-보호제 등 산업용 소재 개발에 있어 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. From the above results, the conditions for manufacturing a lignin microstructure having a small particle size were confirmed, and it is expected that it can be used in various ways in the development of industrial materials such as agricultural adsorbents and UV-protective agents.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시한다. 그러나 하기의 실시 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시 예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1. 전처리 단계 및 스크류 프레스(Screw press)를 통해 생성된 흑액 회수Example 1. Recovery of black liquor produced through pretreatment step and screw press

초본계 바이오매스에서 흑액을 회수하기 위해 도 1에 나타낸 바와 같이, 전처리 단계 및 스크류 프레스 공정을 통해 흑액을 회수하였다. 보다 구체적으로는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 파일럿 플랜트 규모의 연속식 트윈스크루형 압출식 반응기에 리그닌 0.97kg/h을 포함하는 초본계 바이오매스인 거대억새 시료를 4.0~4.5kg/h의 속도로, 수산화나트륨(NaOH) 0.4~0.6M을 20~27L/h의 농도로 투입하고, 트윈스크루형 연속공정 시스템을 50rpm으로 설정하여 전처리를 진행하였다. 이때 고액비는 1:5~1:6으로 설정하였다. 전처리를 통해 용해된 가수분해물은 흑액으로 43.5L/h의 농도로 배출되었으며 리그닌은 0.61 kg/h의 함량 14g/L의 농도로 배출되었다. 스크류 프레스를 통해 가수분해되지 않은 고형물은 6.32kg/h 함량으로 배출되었으며 수분함량이 60%인 것으로 확인되었다. 또한, 고형물에 남아있는 리그닌의 양은 0.36 kg/h인 것으로 확인되었다.As shown in FIG. 1 to recover black liquor from herbal biomass, black liquor was recovered through a pretreatment step and a screw press process. More specifically, as shown in FIG. 2, a sample of giant pampas grass, a herbaceous biomass containing 0.97 kg/h of lignin, in a continuous twin-screw type extrusion reactor on a pilot plant scale at a rate of 4.0 to 4.5 kg/h As a result, sodium hydroxide (NaOH) 0.4-0.6M was added at a concentration of 20-27 L/h, and the twin screw type continuous process system was set at 50 rpm to proceed with pretreatment. At this time, the solid-liquid ratio was set to 1:5 to 1:6. The hydrolyzate dissolved through pretreatment was discharged as black liquor at a concentration of 43.5 L/h, and lignin was discharged at a concentration of 14 g/L with a content of 0.61 kg/h. The unhydrolyzed solids were discharged at a content of 6.32 kg/h through the screw press, and it was confirmed that the moisture content was 60%. In addition, it was confirmed that the amount of lignin remaining in the solid was 0.36 kg/h.

실시예 2. 억새의 알칼리 전처리 조건별 발생되는 리그닌 회수 및 정량Example 2. Recovery and quantification of lignin generated by alkali pretreatment conditions of silver grass

2-1. 회수된 흑액으로부터 리그닌 추출 및 정제하는 단계2-1. Extracting and purifying lignin from the recovered black liquor

흑액으로부터 리그닌을 추출 및 정제하기 위해 도 3에 나타낸 바와 같은 공정을 수행하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1의 전처리 후 스크류 프레스를 통해 회수된 흑액을 12,000rpm 에서 30분동안 원심분리 하여 용해되지 않은 물질을 제거하였다. 원심분리 하여 분리한 흑액을 98%의 황산(H2SO4)을 이용하여 pH를 1 내지 3으로 산도를 조절하였다. 이후, 121℃에서 1시간 동안 1차 가수분해하고, 상온에서 12시간 동안 쿨링시켰다. In order to extract and purify lignin from black liquor, a process as shown in FIG. 3 was performed. Specifically, the black liquor recovered through the screw press after the pretreatment of Example 1 was centrifuged at 12,000 rpm for 30 minutes to remove undissolved substances. The black liquid separated by centrifugation was adjusted to pH 1 to 3 using 98% sulfuric acid (H 2 SO 4 ). Thereafter, it was first hydrolyzed at 121° C. for 1 hour, and cooled at room temperature for 12 hours.

2-2. 흑액으로부터 리그닌 추출을 위한 처리 조건2-2. Treatment conditions for extraction of lignin from black liquor

상기 실시예 2-1에서 쿨링된 흑액에 황산(H2SO4)을 투입하여 pH를 1 내지 3까지 낮추고 30분~120분 동안 2차 가수분해 처리하였다. 반응시간 및 산도 처리 조건별 이화학 성분을 분석한 결과 도 4에 나타낸 바와 같이 pH 1 조건에서 리그닌 함량이 가장 높게 나타나는 것을 확인하였다. Sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was added to the black liquor cooled in Example 2-1 to lower the pH to 1 to 3, and secondary hydrolysis treatment was performed for 30 to 120 minutes. As a result of analyzing the physicochemical components for each reaction time and acidity treatment condition, it was confirmed that the lignin content was highest in the pH 1 condition as shown in FIG. 4 .

2-3. 흑액으로부터 리그닌 미세구조 입자를 추출하기 위한 처리 조건2-3. Treatment conditions for extraction of lignin microstructured particles from black liquor

흑액으로부터 리그닌 미세구조 입자를 추출하기 위해 도 5에 나타낸 바와 같은 공정으로 추출을 진행하였다. 구체적으로, pH 13.4~13.56의 조건의 400mL 흑액에 황산(H2SO4)을 투입하여 pH를 1 내지 4로 낮추고 고압멸균기를 이용하여 121℃에서 1시간 및 3시간 동안 반응시키고 리그닌 함유 고형물 추출량을 분석하고 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.In order to extract the lignin microstructured particles from the black liquor, extraction was performed in the same manner as shown in FIG. 5 . Specifically, sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was added to 400 mL black liquor at a pH of 13.4 to 13.56 to lower the pH to 1 to 4, and reacted at 121° C. for 1 hour and 3 hours using an autoclave, and the amount of lignin-containing solids extracted was analyzed and the results are shown in [Table 1] below.

H2SO4
(%)
H 2 SO 4
(%)
pH of BLpH of BL Added
Acid
(mL)
Added
Acid
(mL)
pH of the mixturepH of the mixture Autoclave
Period
(Hour)
Autoclave
Period
(Hour)
Extracted Amount
(g)
Extracted Amount
(g)
9898 13.4713.47 10.510.5 1One 1One 7.377.37 33 7.257.25 9898 13.4013.40 9.459.45 22 1One 6.416.41 33 6.356.35 9898 13.5513.55 6.56.5 44 1One 8.548.54 33 8.658.65 5050 13.4013.40 7.57.5 44 1One 7.87.8 33 8.68.6 2525 13.5613.56 1414 44 1One 8.088.08 33 8.058.05

상기 결과로부터 다른 조건에 비해 98%의 황산을(H2SO4)이용하여 pH를 4로 조절한 경우에 리그닌 함유 고형물 추출량이 가장 높게 나타나는 것을 확인하였다.From the above results, it was confirmed that when the pH was adjusted to 4 using 98% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) compared to other conditions, the amount of lignin-containing solids extracted was the highest.

실시예 3. 추출된 리그닌의 형태적, 분광학적 특징 및 원소성분 분석Example 3. Morphological, spectroscopic characteristics and elemental analysis of extracted lignin

3-1. 주사 전자현미경을 이용한 리그닌 마이크로스페어(LMS)의 미세구조 분석3-1. Microstructure Analysis of Lignin Microspheres (LMS) Using Scanning Electron Microscopy

리그닌 마이크로스페어(LMS)의 미세구조를 분석하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하여 흑액에 98% 황산(H2SO4)을 처리하여 pH를 1, 2 및 4로 조절한 후 반응온도 121℃에서 1시간 또는 3시간 동안 반응시켜 추출된 리그닌의 마이크로스페어를 확인하였다. 그 결과 도 6에 나타낸 바와 같이 pH조건에 따라 pH1에서는 미세입자의 크기가 5㎛ 이상으로 나타났으며, pH2 및 pH4에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 처리시간에 있어서는 121℃ 1시간 동안 반응시킨 경우가 3시간 반응시킨 경우에 비해 입자의 크기가 작은 것을 확인하였다.To analyze the microstructure of the lignin microspheres (LMS), the black liquor was treated with 98% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) using a scanning electron microscope to adjust the pH to 1, 2, and 4, and then the reaction temperature was 1 at 121 ° C. The microspheres of the extracted lignin were confirmed by reacting for hours or 3 hours. As a result, as shown in FIG. 6 , the size of the fine particles at pH1 was 5 μm or more, and there was no significant difference at pH2 and pH4 according to the pH conditions. Regarding the treatment time, it was confirmed that the particle size was smaller in the case of reacting at 121°C for 1 hour compared to the case of reacting for 3 hours.

이에 더하여, 다른 농도의 황산을 처리하였을 때의 마이크로스페어(LMS)의 미세구조를 확인하기 위해 50% 황산(H2SO4) 및 25% 황산(H2SO4)을 처리한 경우에 pH 4에서 반응온도 121℃에서 1시간 또는 3시간 동안 반응시켜 추출된 리그닌의 마이크로스페어를 확인하였다. 그 결과 도 7에 나타낸 바와 같이, 같은 pH 4 조건에서 50% 황산(H2SO4) 처리하고 121℃에서 1시간 또는 3시간 동안 반응시킨 결과와 25% 황산(H2SO4)을 처리하고 121℃에서 3시간 동안 반응시킨 결과 입자의 크기는 큰 차이를 나타내지 않았으나 25% 황산(H2SO4)을 처리하여 1시간 동안 경우에 입자의 크기가 작게 나타나는 것을 확인하였다.In addition, to confirm the microstructure of microspheres (LMS) when treated with different concentrations of sulfuric acid, pH 4 when treated with 50% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) At a reaction temperature of 121° C., the microspheres of the extracted lignin were confirmed by reacting for 1 hour or 3 hours. As a result, as shown in Figure 7, 50% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) treatment under the same pH 4 condition, the result of reaction at 121 ° C. for 1 hour or 3 hours, and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) treatment and As a result of the reaction at 121° C. for 3 hours, the particle size did not show a significant difference, but it was confirmed that the particle size appeared small when treated with 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) for 1 hour.

3-2. 리그닌 미세구조의 입도 분포 확인3-2. Confirmation of particle size distribution of lignin microstructure

반응 조건별 미세구조의 입도 분포를 구체적으로 확인하기 위해 50% 황산(H2SO4)을 처리하여 pH4로 산도를 조절하고 1시간 동안 반응시킨 결과(a) 및 3시간 동안 반응시킨 결과(b)와 25% 황산(H2SO4)을 처리하여 pH4로 산도를 조절하고 1시간 동안 반응시킨 결과(c) 및 25% 3시간 동안 반응시킨 결과(d)의 입도분포를 비교하였다. In order to confirm the particle size distribution of the microstructure for each reaction condition in detail, 50% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was treated to adjust the acidity to pH4 and reacted for 1 hour (a) and after reaction for 3 hours (b) ) and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) to adjust the acidity to pH4 and react for 1 hour (c) and 25% for 3 hours (d). The particle size distribution was compared.

그 결과 도 8에 나타낸 바와 같이, 50% 황산(H2SO4) 및 25% 황산(H2SO4)을 처리한 경우에 pH 4에서 반응온도 121℃에서 1시간 또는 3시간 동안 반응시킨 경우 모두 입자 분포도 분석결과 평균 1㎛이였으며 25% 황산(H2SO4)을 적용하여 1시간 반응시킨 결과가 다른 조건에 비해 입자가 50% 정도 적게 나타나는 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 8, when 50% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) were treated, the reaction was carried out at a reaction temperature of 121° C. at pH 4 for 1 hour or 3 hours. As a result of the particle distribution analysis, the average particle size was 1 μm, and it was confirmed that the result of applying 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and reacting for 1 hour showed about 50% fewer particles than other conditions.

3-3. Fourier Transform Infrared Spertroscopy(FT-IR) 분광 분석3-3. Fourier Transform Infrared Spertroscopy (FT-IR) spectroscopic analysis

리그닌 추출 조건별 분광학적 결과를 확인하기 위해 FT-IR 분광분석을 이용하여 50% 황산(H2SO4)을 처리하여 pH 4로 산도를 조절하고 1시간 동안 반응시킨 결과(a) 및 3시간 동안 반응시킨 결과(b)와 25% 황산(H2SO4)을 처리하여 pH 4로 산도를 조절하고 1시간 동안 반응시킨 결과(c) 및 3시간 동안 반응시킨 결과(d)를 분석하였다.To check the spectroscopic results for each lignin extraction condition, 50% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was treated using FT-IR spectroscopy to adjust the acidity to pH 4 and reacted for 1 hour (a) and 3 hours The result of reaction (b) and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) were treated to adjust the acidity to pH 4 and reacted for 1 hour (c) and reaction for 3 hours (d) were analyzed.

그 결과 도 9에 나타낸 바와 같이, 주요한 흡착 밴드는 1800cm-1에서 나타났으며, 작용기 그룹들은 리그닌과 연관성이 있는 것으로 판단된다.As a result, as shown in FIG. 9 , a major adsorption band appeared at 1800 cm −1 , and functional groups were determined to be related to lignin.

3-4. Thermogravimatric analysis(TGA) 및 differential thermogravimetry(DTG) 분광 분석3-4. Thermogravimatric analysis (TGA) and differential thermogravimetry (DTG) spectroscopic analysis

리그닌 추출 조건별 분광학적 결과를 확인하기 위해 Thermogravimatric analysis(TGA) 및 differential thermogravimetry(DTG)을 이용하여 98%, 50% 및 25% 황산(H2SO4)으로 처리하여 pH를 4로 조정한 시료를 121℃에서 3시간 반응시킨 결과를 분광 분석하였다.Samples adjusted to pH 4 by treatment with 98%, 50% and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) using thermogravimatric analysis (TGA) and differential thermogravimetry (DTG) to check the spectroscopic results for each lignin extraction condition The result of reacting at 121 °C for 3 hours was analyzed by spectroscopy.

Thermogravimatric analysis(TGA) 분석 결과, 도 10에 나타낸 바와 같이 25~130℃에서 수분 증발에 따른 중량감소가 나타났으며, 200~600℃에서 두 번째 급격한 중량 감소가 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 리그닌에서 탄수화물 성분이 CO, CO2 및 CH4 등의 휘발성 기체로 전환되어 분해되는 것에 의한 것으로 분석되었다. 또한, 600~1000℃ 까지는 최종 분해과정을 나타내는데, 이 단계에서는 페놀릭, 알코올, 알데히드산을 비롯한 리그닌 유래의 휘발성 물질이 제거되는 것으로 분석되었다.As a result of the thermogravimatric analysis (TGA) analysis, as shown in FIG. 10 , it was confirmed that the weight decreased due to water evaporation at 25 to 130° C., and a second rapid weight loss appeared at 200 to 600° C., which was a carbohydrate in lignin. It was analyzed that the components were converted into volatile gases such as CO, CO 2 and CH 4 and decomposed. In addition, it was analyzed that the final decomposition process is shown up to 600~1000°C, and in this step, volatile substances derived from lignin, including phenolic, alcohol, and aldehyde acid, are removed.

Differential thermogravimetry(DTG) 분석 결과 셀룰로오스 성분의 최대 질량 감소율은 건조된 바이오매스의 경우 330℃에서 나타났으며, 미세구조의 리그닌 성분은 175~385℃의 넓은 온도범위의 질량감소가 확인되었다.As a result of differential thermogravimetry (DTG) analysis, the maximum mass reduction rate of the cellulose component was found at 330°C in the case of the dried biomass, and the mass loss of the microstructured lignin component was confirmed over a wide temperature range of 175-385°C.

3-5. XRD 분광 분석3-5. XRD spectroscopy

리그닌 추출 조건별 분광학적 결과를 확인하기 위해 XRD 분광 분석 법을 이용하여 98%, 50% 및 25% 황산(H2SO4)으로 처리하여 pH를 1 내지 4로 조정한 시료를 121℃에서 1시간 또는 3시간 반응시킨 결과를 분광 분석하였다.In order to check the spectroscopic results for each lignin extraction condition, samples adjusted to pH 1 to 4 by treatment with 98%, 50%, and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) using XRD spectroscopy were prepared at 121 ° C. Spectroscopic analysis was performed on the result of the reaction time or 3 hours.

그 결과 도 11에 나타낸 바와 같이 약 23°에 나타나는 회절피크는 셀룰로오스 존재하는 탄소나노결정의 반사 때문인 것으로 확인되며, 2θ = 22°에서 나타나는 광 회절 패턴은 비정질 리그닌으로 인한 것임을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 11, the diffraction peak at about 23° was confirmed to be due to the reflection of carbon nanocrystals present in cellulose, and it was confirmed that the light diffraction pattern at 2θ = 22° was due to amorphous lignin.

3-6. GC MSD 분광 분석3-6. GC MSD spectroscopic analysis

리그닌 추출 조건별 분광학적 결과를 확인하기 위해 GC MSD 분석법을 이용하여 98%, 50% 및 25% 황산(H2SO4)으로 처리하여 pH를 4로 조정한 시료를 상온 또는 121℃에서 3시간 반응시킨 결과를 분광 분석한 결과, 도 12에 나타낸 바와 같이, 각 조건별 시료에 대부분 페놀 화합물 및 방향족 탄화수소와 함께 리그닌 빌딩블록인 coniferyl-, paracoumaryl-, sinapyl alcohol이 각각 5.6min, 8.5min, 9.5min의 체류시간에 확인되었다. In order to check the spectroscopic results for each lignin extraction condition, a sample adjusted to pH 4 by treatment with 98%, 50% and 25% sulfuric acid (H 2 SO 4 ) using GC MSD analysis was treated at room temperature or 121° C. for 3 hours. As a result of spectroscopic analysis of the reaction results, as shown in FIG. 12 , coniferyl-, paracoumaryl-, and sinapyl alcohol, which are lignin building blocks, together with most phenolic compounds and aromatic hydrocarbons, were 5.6min, 8.5min, and 9.5 in each condition sample, respectively. was confirmed with a residence time of min.

상기 결과로부터 바이오매스 시료 보다 리그닌을 추출하고 다시 산 가수분해를 통해 반응시켰을 때 coniferyl(5.6min) 및 sinapyl alcohol(9.5min)이 더 많이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, paracoumaryl(8.5min)은 일부 시료의 경우 반응시킨 후에도 피크가 나타나지 않은 경우도 있었다. 결과적으로 121℃로 처리하였을 때 리그닌을 포함하는 유기성분들은 다른 형태의 유도체로 일정부분 전환되었다고 판단되며, 이러한 과정에서 입자들이 미세구조로 재구성되는데 중요한 역할을 한 것으로 예측된다.From the above results, it was confirmed that more coniferyl (5.6min) and sinapyl alcohol (9.5min) were formed when lignin was extracted and reacted again through acid hydrolysis than from the biomass sample. In addition, paracoumaryl (8.5min) did not show a peak even after reacting in some samples. As a result, it is judged that the organic components including lignin were partially converted into derivatives of other types when treated at 121°C, and it is predicted that the particles played an important role in reconstituting the microstructures in this process.

이에 더하여, GC/MS 스캔 데이터를 통해 각 리그닌 모노머의 구조를 확인한 결과 도 13에 나타낸 바와 같이 각각의 리그닌 모노머 구조는 통상의 리그닌 구조와 동일함을 확인하였다.In addition, as a result of confirming the structure of each lignin monomer through GC/MS scan data, it was confirmed that the structure of each lignin monomer was the same as that of a conventional lignin as shown in FIG. 13 .

3-7. 원소분석 결과 확인3-7. Check the elemental analysis result

억새 바이오매스 자체에는 탄소 44.8%, 질소 0.13%, 수소 5.7% 및 산소 41.3%가 함유되어 있으며, 산성화 반응을 거쳐 회수한 리그닌의 경우 탄소함량이 평균 50~60% 범위인 것으로 나타났다. 리그닌 추출 조건별로 탄소, 질소, 수소, 산소 및 황 선분비율 및 미량 원소로서 칼슘, 철, 칼륨, 나트륨, 인의 함량을 분석하고, 그 결과를 하기 [표 2]에 나타냈다.Silver grass biomass itself contains 44.8% carbon, 0.13% nitrogen, 5.7% hydrogen, and 41.3% oxygen, and in the case of lignin recovered through acidification, the carbon content was found to be in the range of 50 to 60% on average. Calcium, iron, potassium, sodium, and phosphorus content as trace elements and carbon, nitrogen, hydrogen, oxygen, and sulfur linear fractions were analyzed for each lignin extraction condition, and the results are shown in [Table 2] below.

SamplesSamples CarbonCarbon
(%)(%)
NitrogenNitrogen
(%)(%)
HydrogenHydrogen
(%)(%)
OxygenOxygen
(%)(%)
Dried Biomass (Miscanthus)Dried Biomass (Miscanthus) 44.7844.78 0.130.13 5.695.69 41.3341.33 98%_H2SO4

98%_H 2 SO 4

pH1_1HourpH1_1Hour 60.6060.60 0.640.64 5.775.77 30.6830.68
pH1_3HourpH1_3Hour 62.2062.20 0.690.69 5.855.85 29.3229.32 pH2_1HourpH2_1Hour 56.9556.95 0.870.87 5.815.81 33.5133.51 pH2_3HourpH2_3Hour 60.8060.80 0.930.93 5.845.84 30.2830.28 pH4_1HourpH4_1Hour 50.5650.56 1.411.41 5.635.63 30.2530.25 pH4_3HourpH4_3Hour 50.8250.82 1.501.50 5.315.31 30.2430.24 50%_H2SO4
50%_H2SO4
pH4_1HourpH4_1Hour 50.3150.31 1.091.09 5.535.53 35.1635.16
pH4_3HourpH4_3Hour 48.8848.88 0.320.32 5.115.11 30.2530.25 25%_H2SO4
25%_H 2 SO 4
pH4_1HourpH4_1Hour 49.1249.12 0.340.34 4.994.99 31.0431.04
pH4_3HourpH4_3Hour 49.8649.86 0.560.56 5.645.64 32.4332.43 98%_H2SO4_pH4_Ambient98%_H 2 SO 4 _pH4_Ambient 50.8250.82 0.240.24 5.265.26 34.4534.45 50%_H2SO4_pH4_Ambient50%_H 2 SO 4 _pH4_Ambient 54.4754.47 0.990.99 6.076.07 35.3435.34 25%_H2SO4_pH4_Ambient25%_H 2 SO 4 _pH4_Ambient 53.1853.18 0.880.88 5.925.92 36.0636.06

상기 결과들로부터 초본계 바이오매스를 알칼리 가수분해하여 생산한 흑액으로부터 리그닌 미세구조 추출물을 제조 하고, 제조된 리그닌 미세구조 추출물은 0.8∼1.0 μm 입자크기를 가지고 탄소함량이 50∼60% 이였으며 추출효율은 15.8∼21.6g/L인 것을 확인 하였으며, 상기 추출물은 농약부분, 중금속 흡착제, 썬크림용 UV 보호제 등으로 사용될 수 있다.From the above results, a lignin microstructure extract was prepared from black liquor produced by alkaline hydrolysis of herbal biomass, and the prepared lignin microstructure extract had a particle size of 0.8 to 1.0 μm and a carbon content of 50 to 60%. It was confirmed that the efficiency is 15.8-21.6 g/L, and the extract can be used as a pesticide part, heavy metal adsorbent, UV protectant for sunscreen, etc.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The description of the present invention described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (7)

하기의 단계를 포함하는 흑액으로부터 리그닌 미세입자를 제조하는 제조방법.
(a) 바이오매스 제조과정에서 회수된 흑액을 원심분리하는 단계;
(b)상기 원심분리에 의해 얻어진 상층(청)액에 25 내지 98%의 산성용액을 처리하여 pH를 낮추는 단계; 및
(c) 115℃ 내지 125℃에서 가수분해반응을 유도하는 단계
A method for producing lignin microparticles from black liquor, comprising the steps of:
(a) centrifuging the black liquor recovered in the biomass manufacturing process;
(b) lowering the pH by treating the upper (blue) solution obtained by the centrifugation with an acidic solution of 25 to 98%; and
(c) inducing a hydrolysis reaction at 115° C. to 125° C.
제1항에 있어서,
상기 방법은 (d) 상기 가수분해된 용액을 원심분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
According to claim 1,
The method further comprises the step of (d) centrifuging the hydrolyzed solution.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 pH를 3 내지 4로 낮추는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
According to claim 1,
The manufacturing method, characterized in that lowering the pH to 3 to 4 in step (b).
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 산성용액은 황산(H2SO4)인 것을 특징으로 하는, 제조방법.
According to claim 1,
The acidic solution in step (b) is sulfuric acid (H 2 SO 4 ), characterized in that the manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 가수분해 반응은 1시간 내지 5시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
According to claim 1,
The hydrolysis reaction in step (c) is characterized in that performed for 1 hour to 5 hours, the manufacturing method.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 리그닌 미세입자.The lignin microparticles prepared by the method of any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서,
상기 리그닌 미세입자는 0.8 내지 1.0㎛ 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 리그닌 미세입자.

7. The method of claim 6,
The lignin microparticles are characterized in that having a size of 0.8 to 1.0㎛, lignin microparticles.

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