KR20230060720A - Lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles, and specifically, to a method for decomposing lignin from lignocellulosic biomass under conditions of room temperature and pressure by using at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) under conditions with or without the addition of hydrogen peroxide (H_2O_2) in pretreating lignocellulosic biomass.

Description

나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법{Lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles}Lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles}

본 발명은 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 데 있어서, 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 라카제(laccase) 및 과산화효소 모방 특성을 활용하여 상온 및 상압의 과산화수소 무첨가 또는 첨가 조건에서 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 리그닌을 분해하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for pre-treating lignocellulosic biomass using nanoparticles, and more particularly, in pre-treating lignocellulosic biomass, cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles ( The present invention relates to a method for decomposing lignin from lignocellulosic biomass at room temperature and pressure under conditions of no addition or addition of hydrogen peroxide by utilizing laccase and peroxidase-mimicking properties of Ce-FeONP).

재생 가능한 연료인 바이오 에탄올 등과 같은 바이오 연료는 환경, 경제 및 에너지 안보 문제를 고려하여 전 세계적으로 성장하는 대체 에너지 중 하나이다. 전반적인 식량 공급 및 토지 지속 가능성으로 인해 옥수수, 사탕수수, 사탕무 등과 같은 식용 작물 유래 식용자원 바이오매스(1세대 바이오매스)로부터 바이오 연료를 생산하는 데에 대한 우려가 높아졌다.Biofuels, such as bioethanol, which is a renewable fuel, are one of the growing alternative energies worldwide considering environmental, economic and energy security issues. Overall food supply and land sustainability have raised concerns about producing biofuels from edible resource biomass (first generation biomass) derived from food crops such as corn, sugar cane and sugar beets.

이로 인해 바이오 연료 및 바이오 케미칼 생산을 위한 비식용자원 바이오매스(2세대 바이오매스)가 등장하였다. 이에 따라 바이오매스 분해 효소인 셀룰라아제, 헤미셀룰라아제, 리그닌 퍼옥시다아제 등의 수요가 2세대 바이오매스 유래 바이오 에탄올 생산을 위해 증가할 전망이다.This led to the emergence of non-edible resource biomass (second generation biomass) for the production of biofuels and biochemicals. Accordingly, demand for biomass degradation enzymes such as cellulase, hemicellulase, and lignin peroxidase is expected to increase for the production of second-generation biomass-derived bioethanol.

지구상에서 가장 풍부하게 이용 가능한 자원인 리그노셀룰로오스 바이오매스(LCB)는 목질계 유래 바이오매스로서, 비식용자원 셀롤로오스계 바이오매스라는 점에서 식용 바이오매스와 같은 식량 공급과의 경쟁이 없어 차세대 자원으로서 큰 관심을 받고 있다. Lignocellulosic biomass (LCB), the most abundantly available resource on earth, is a lignocellulosic biomass, and it does not compete with food supply like edible biomass in that it is a non-edible resource cellulose biomass. It is receiving great attention as a resource.

상기와 같은 리그노셀룰로오스 바이오매스는 셀룰로오스(35 ~ 60 %)와 헤미셀룰로오스(15 ~ 30 %) 고분자 성분이 리그닌(15 ~ 20 %)과 얽혀 네트워크를 형성하여 가수분해를 방해하는 문제가 있으며, 이와 같은 이유로 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 발효 당을 추출하기 위해서는 리그닌을 분해하는 전처리 공정이 요구된다.The lignocellulosic biomass as described above has a problem in that cellulose (35 to 60%) and hemicellulose (15 to 30%) polymer components are entangled with lignin (15 to 20%) to form a network, hindering hydrolysis. For the same reason, in order to extract fermented sugar from lignocellulosic biomass, a pretreatment process to decompose lignin is required.

현재까지 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 방법으로 수많은 화학적, 물리적, 생물학적 및 물리화학적 전처리 방법이 사용되어 왔다. 그러나 상기와 같은 종래의 전처리 공정의 대부분은 비용이 과도하게 요구되고, 반응 중에 독성 화합물을 생성하는 문제가 있었다. To date, numerous chemical, physical, biological and physicochemical pretreatment methods have been used as pretreatment methods for lignocellulosic biomass. However, most of the conventional pretreatment processes as described above require excessive costs and generate toxic compounds during the reaction.

보다 구체적으로는, 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 과정에서 생성된 억제제 화합물로 인해 생물 전환 공정의 총 생산 비용을 크게 증가시키고 바이오 연료의 수율을 감소시키는 문제가 있었다.More specifically, there is a problem of significantly increasing the total production cost of the bioconversion process and reducing the yield of biofuel due to the inhibitor compound generated in the pretreatment process of lignocellulosic biomass.

또한, 바이오 연료 생산공정은 상기와 같은 리그닌 분해를 위한 전처리 공정 후 분리된 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 발효하는 공정을 포함하는데, 상기와 같은 종래의 물리적, 화학적 및 물리화학적 전처리 공정은 일반적으로 고온, 고압 등 가혹한 조건에서 이루어져 푸르푸랄(furfural), 히드록시메틸푸르푸랄(hydroxymethyl furfural) 등의 독성 물질이 생성되며, 이와 같이 생성된 독성 물질은 이후에 셀룰로오스 분해 효소와 발효 효모에 의한 분해 및 발효를 저해하는 문제가 있었다.In addition, the biofuel production process includes a process of fermenting the separated cellulose and hemicellulose after the pretreatment process for decomposition of lignin as described above. Under harsh conditions, toxic substances such as furfural and hydroxymethyl furfural are produced, and the toxic substances produced in this way inhibit decomposition and fermentation by cellulolytic enzymes and fermentation yeast. There was a problem.

또한, 산 및 알칼리를 이용하여 전처리된 바이오매스의 경우 세척이 필요하며, 이에 따라 유출되는 세척수에 의해 직간접적으로, 토지 또는 수역이 오염되는 문제가 있었다. In addition, in the case of biomass pretreated using acid and alkali, washing is required, and thus there is a problem that land or water area is directly or indirectly contaminated by the washing water flowing out.

상기와 같은 종래의 물리적, 화학적 및 물리화학적 전처리 방법이 여러 문제점을 가짐에 따라 그 대안으로서 리그닌을 분해하는 효소와 미생물을 이용하는 전처리 방법이 제시되었으나, 안정성이 낮고 과도한 생산 비용이 요구되는 문제가 있다.As the above conventional physical, chemical and physicochemical pretreatment methods have various problems, a pretreatment method using enzymes and microorganisms that degrade lignin has been proposed as an alternative, but there is a problem of low stability and excessive production cost. .

한편, 현재 나노물질(나노입자, 나노튜브, 나노다공성 매트릭스, 나노섬유 등)은 넓은 표면적, 낮은 물질 전달 제한, 재사용 가능성, 자기장 하에서 반응 혼합물의 쉬운 선택적 분리와 같은 고유한 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 많은 관심을 받고 있다. On the other hand, current nanomaterials (nanoparticles, nanotubes, nanoporous matrices, nanofibers, etc.) have various industrial applications due to their unique properties such as large surface area, low mass transfer limitation, reusability, and easy selective separation of reaction mixtures under magnetic field. is receiving a lot of attention from

고유한 효소 모방 특성을 가진 나노입자는 일반적으로 나노자임으로 불리며, 오늘날 여러 생물 의학, 산업 및 에너지 관련 응용 분야에서 천연 효소의 대체물로 연구되고 있다. 특히 산화철 나노입자는 고유한 과산화효소 모방 특성을 가진 것으로 보고되었다. 나노자임의 주요 특징은 형태와 크기를 변경하거나 다른 나노입자와의 도핑을 통해 특성을 조절할 수 있는 점이다.Nanoparticles with unique enzyme-mimicking properties, commonly referred to as nanozymes, are being explored today as replacements for natural enzymes in several biomedical, industrial and energy-related applications. In particular, iron oxide nanoparticles have been reported to have unique peroxidase-mimicking properties. The main feature of nanozymes is that their properties can be controlled by changing their shape and size or doping them with other nanoparticles.

이와 같이 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 관련 기술로서, Koo 등(H Koo, BK Salunke, B Iskandarani, WG Oh, BS Kim, Improved degradation of lignocellulosic biomass pretreated by Fenton-like reaction using Fe3O4 magnetic nanoparticles, Biotechnology and Bioprocess Engineering 22 (5), 597-603, 2017)은 자성 산화철(Fe3O4) 나노입자를 이용하여 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리한 후 가수분해 효소에 의한 포도당 생성이 증가함을 보고하였다.As such, as a technology related to lignocellulosic biomass pretreatment using nanoparticles, Koo et al. (H Koo, BK Salunke, B Iskandarani, WG Oh, BS Kim, Improved degradation of lignocellulosic biomass pretreated by Fenton-like reaction using Fe3O4 magnetic nanoparticles, Biotechnology and Bioprocess Engineering 22 (5), 597-603, 2017) reported that the production of glucose by hydrolysis enzyme increased after pretreatment of lignocellulosic biomass using magnetic iron oxide (Fe 3 O 4 ) nanoparticles. did

이에 따라, 본 발명에서는 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 자성 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 이용하여 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리함으로써, 리그닌 분해 효율 및 가수분해효소에 의한 당 생성을 더욱 증가시킬 수 있는 새로운 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법을 제시하고자 한다.Accordingly, in the present invention, by using cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped magnetic iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) to pre-treat lignocellulosic biomass, lignin decomposition efficiency and sugar production by hydrolase It is intended to propose a new lignocellulosic biomass pretreatment method that can further increase the

한편, 본 발명과 같은 기술분야의 선행특허문헌으로서, 한국등록특허공보 제10-2102063 B1 (2020.04.10.), 한국공개특허공보 10-2017-0044778 A (2017.04.26.) 및 한국공개특허공보 10-2013-0046205 A (2013.05.07.)는 자성 산화철(Fe3O4) 등의 나노입자를 이용하여 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산하는 방법을 개시하고 있으나, 상기 선행특허문헌들은 바이오매스 당화 공정에 나노입자를 이용하는 것으로서 목질계 바이오매스 내에서 리그닌을 분해하는 전처리 공정에 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 이용하는 기술은 제시된 바가 없었다. On the other hand, as prior patent documents in the technical field such as the present invention, Korean Patent Registration No. 10-2102063 B1 (2020.04.10.), Korean Patent Publication No. 10-2017-0044778 A (2017.04.26.) and Korea Patent Publication Publication No. 10-2013-0046205 A (2013.05.07.) discloses a method for producing bioethanol from biomass using nanoparticles such as magnetic iron oxide (Fe 3 O 4 ), but the prior patent documents are biomass As using nanoparticles in the saccharification process, a technique using cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) in a pretreatment process to decompose lignin in lignocellulosic biomass has not been proposed.

한국등록특허공보 제10-2102063 B1 (2020.04.10.)Korean Registered Patent Publication No. 10-2102063 B1 (2020.04.10.) 한국공개특허공보 10-2017-0044778 A (2017.04.26.)Korean Patent Publication No. 10-2017-0044778 A (2017.04.26.) 한국공개특허공보 10-2013-0046205 A (2013.05.07.)Korean Patent Publication No. 10-2013-0046205 A (2013.05.07.)

H Koo, BK Salunke, B Iskandarani, WG Oh, BS Kim, Improved degradation of lignocellulosic biomass pretreated by Fenton-like reaction using Fe3O4 magnetic nanoparticles, Biotechnology and Bioprocess Engineering 22 (5), 597-603, 2017H Koo, BK Salunke, B Iskandarani, WG Oh, BS Kim, Improved degradation of lignocellulosic biomass pretreated by Fenton-like reaction using Fe3O4 magnetic nanoparticles, Biotechnology and Bioprocess Engineering 22 (5), 597-603, 2017

본 발명은 상기된 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 데 있어서, 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 자성 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 이용함으로써, 바이오매스 내 리그닌 분해 효율을 높이고, 전처리 공정 이후 셀룰로오스 분해효소와 발효 효모에 의한 분해 및 발효를 저해하는 독성 물질이 생성되는 것을 방지하여 가수분해효소에 의한 당 생성을 더욱 증가시키며, 친환경적이고, 전처리 공정 비용을 감소시킬 수 있는 새로운 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems, and in pre-treating lignocellulosic biomass, by using cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped magnetic iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP), It increases the efficiency of lignin degradation in biomass and prevents the production of toxic substances that inhibit decomposition and fermentation by cellulolytic enzymes and fermentation yeast after the pretreatment process, further increasing sugar production by hydrolytic enzymes, and is environmentally friendly and pretreatment The purpose is to provide a lignocellulosic biomass pretreatment method using novel nanoparticles that can reduce the process cost.

상기과제를 해결하기 위하여 본 발명은 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리용 촉매를 제공한다. 상기 세륨이 도핑된 나노입자의 세륨의 함량은 1 내지 10 wt% 범위일 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a catalyst for pretreatment of lignocellulosic biomass, characterized in that it includes at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP). to provide. The cerium content of the cerium-doped nanoparticles may range from 1 to 10 wt%.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노입자는 지지체에 담지되지 않은 나노입자이거나, 상기 나노입자가 지지체에 담지된 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nanoparticles may be nanoparticles not supported on a support, or the nanoparticles may be supported on a support.

또한 본 발명은 리그노셀룰로오스 바이오매스에 과산화수소(H2O2) 첨가 또는 무첨가 조건에서 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 하나 이상을 혼합 및 반응시켜, 리그노셀룰로오스 바이오매스 내 리그닌을 분해반응을 실시하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법을 제공한다.In addition, the present invention mixes and reacts at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) in lignocellulosic biomass with or without hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). , It provides a lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles, characterized in that the lignin in the lignocellulosic biomass is subjected to a decomposition reaction.

상기 전처리 방법에서 분해반응은 20 내지 90 ℃, 1 내지 5 bar에서 실시될 수 있고, 상기 과산화수소(H2O2)의 농도는 1 M 이하이고, 상기 나노입자의 농도는 1 내지 10 g/L 일 수 있으며, 바이오매스의 부하량은 5 내지 30 %(w/v)일 수 있다.In the pretreatment method, the decomposition reaction may be carried out at 20 to 90 ° C. and 1 to 5 bar, the concentration of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is 1 M or less, and the concentration of the nanoparticles is 1 to 10 g/L It may be, and the loading of biomass may be 5 to 30% (w / v).

또한 본 발명은 상기 본 발명에 따른 전처리 방법에 의해 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스를 효소 가수분해하여 포도당과 자일로스를 포함하는 발효가능 당을 생성하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 발효가능 당을 생성하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention enzymatically hydrolyzes lignocellulosic biomass pretreated by the pretreatment method according to the present invention to produce fermentable sugars including glucose and xylose, lignocellulose using nanoparticles A method for producing fermentable sugars from biomass is provided.

본 발명은 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 데 있어서, 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 자성 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 이용함으로써, 바이오매스 내 발효 가능한 당 생성과 에탄올 생산에 사용할 수 있는 셀룰로오스 성분을 분해하지 않고 리그닌 부분을 선택적으로 분해할 수 있는 효과가 있다.The present invention produces fermentable sugars in biomass by using at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped magnetic iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) in pretreatment of lignocellulosic biomass It has the effect of selectively decomposing the lignin part without decomposing the cellulose component that can be used for ethanol production.

또한, 본 발명은 상온 및 상압의 조건에서 바이오매스를 전처리할 수 있어, 고온 및 고압의 조건에서 생성되는 푸르푸랄(furfural), 히드록시메틸푸르푸랄(hydroxymethyl furfural) 등의 독성 물질이 발생하지 않기 때문에 이후 공정에서 독성물질에 의해 셀룰로오스 가수분해효소와 발효효모에 의한 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 분해 및 발효가 저해되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can pre-treat biomass under normal temperature and pressure conditions, so that toxic substances such as furfural and hydroxymethyl furfural generated under high temperature and high pressure conditions are not generated. Therefore, there is an effect of preventing the decomposition and fermentation of cellulose and hemicellulose by cellulose hydrolase and fermentation yeast from being inhibited by toxic substances in the subsequent process.

또한, 본 발명은 전처리 후 바이오매스의 기공 표면적, 기공 크기 및 기공 부피가 증가되어, 가수분해효소와 발효효모에 의한 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 분해 및 발효 효과를 향상시켜 당 생성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect of improving sugar production by improving the decomposition and fermentation effect of cellulose and hemicellulose by hydrolytic enzymes and fermenting yeasts by increasing the pore surface area, pore size and pore volume of biomass after pretreatment. there is.

또한, 본 발명은 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 자성 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 이용하여 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 데 있어서, 전처리 조건을 최적화함으로써, 리그닌 분해 효율 및 이후 공정에서의 당 생성을 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, in the present invention, in pre-treating lignocellulosic biomass using at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped magnetic iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP), by optimizing pre-treatment conditions, There is an effect of further increasing the lignin decomposition efficiency and sugar production in the subsequent process.

또한, 본 발명은 상기와 같이 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 데 있어서, 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 자성 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 이용함으로써, 세척 오염수가 발생되지 않아 친환경적이고, 높은 안정성을 가지며, 전처리에 사용된 나노입자는 회수 및 재사용이 가능하여 전처리 공정 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, in the pretreatment of lignocellulosic biomass as described above, the present invention uses at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped magnetic iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) to prevent washing contamination. It is eco-friendly because no water is generated, has high stability, and the nanoparticles used in the pretreatment can be recovered and reused, thereby reducing the cost of the pretreatment process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세륨 도핑된 산화철 나노입자를 이용한 리그닌 분해에 대해 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 (a) EDS, (b) SEM, (c) TEM 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 과산화효소 모방 활성을 나타낸 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 전처리 시간, 나노입자 농도, 고체 부하량 및 H2O2 농도를 공정 매개 변수로 하여 리그닌 분해율을 측정한 실험결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 50 g/L 의 전처리된 옥수수 속대 바이오매스 및 전처리 하지 않은 샘플(대조군)의 당화 결과를 나타난 데이터이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 회수 및 재사용에 대해 설명하기 위한 도면이다. (a)는 나노입자 처리 및 세척 후 바이오매스의 이미지이고, (b)는 회수된 촉매(Ce-FeO-H2O2)의 재사용 및 리그닌 분해에 미치는 영향을 나타낸 데이터이다.
1 is a schematic diagram showing lignin decomposition using cerium-doped iron oxide nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
2 shows (a) EDS, (b) SEM, and (c) TEM results of cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) synthesized according to an embodiment of the present invention.
3 is a result showing the peroxidase mimetic activity of cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) synthesized according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an experimental result of measuring the lignin decomposition rate using the pretreatment time, nanoparticle concentration, solid load and H 2 O 2 concentration as process parameters in one embodiment of the present invention.
5 is data showing the saccharification results of 50 g/L of pretreated corncob biomass and untreated samples (control group) according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining recovery and reuse of nanoparticles according to an embodiment of the present invention. (a) is an image of biomass after nanoparticle treatment and washing, and (b) is data showing the reuse of the recovered catalyst (Ce-FeO-H 2 O 2 ) and its effect on lignin decomposition.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법을 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the principles of preferred embodiments of the present invention in detail, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various alternatives may be used at the time of this application. It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명은 리그노셀룰로오스를 전처리하기 위한 촉매로서, 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 포함한다.The present invention is a catalyst for pre-treating lignocellulose, and includes at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP).

상기 산화철 나노입자(CeONP)는 라카제(laccase) 모방 특성을 가지며, 상기 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)는 라카제 또는 과산화효소 모방 특성을 가지고 있어, 각자 상온 및 상압의 과산화수소 무첨가 또는 첨가 조건에서 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 리그닌을 분해하는 촉매 활성을 가진다.The iron oxide nanoparticles (CeONP) have laccase mimicking properties, and the cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) have laccase or peroxidase mimicking properties, respectively, without addition of hydrogen peroxide at room temperature and normal pressure or has a catalytic activity to decompose lignin from lignocellulosic biomass under addition conditions.

상기 산화세륨 나노입자(CeONP)의 크기는 30 내지 60 nm 범위일 수 있으며, 다양한 형태를 취할 수 있으나, 구형인 것이 바람직하다. The size of the cerium oxide nanoparticles (CeONP) may range from 30 to 60 nm, and may take various shapes, but is preferably spherical.

또한, 본 발명은 상기 산화세륨 나노입자(CeONP)를 제조하는 방법으로서 (a) 키토산을 아세트산 용액에 첨가하여 키토산-아세트산 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 키토산-아세트산 용액에 Ce 전구체를 혼합하여 Ce 전구체 혼합액을 제조하는 단계; (c) 상기 Ce 전구체 혼합액에 과산화수소(H2O2)를 혼합 및 반응시키는 단계; (d) 상기 반응결과물에서 산화세륨 나노입자(CeONP)를 분리하고, 세척/건조하는 단계;를 포함한다. In addition, the present invention is a method for preparing the cerium oxide nanoparticles (CeONP), comprising the steps of (a) adding chitosan to an acetic acid solution to prepare a chitosan-acetic acid solution; (b) mixing a Ce precursor with the chitosan-acetic acid solution to prepare a Ce precursor mixed solution; (c) mixing and reacting hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) with the Ce precursor mixture; (d) separating cerium oxide nanoparticles (CeONP) from the reaction product and washing/drying;

상기 Ce 전구체는 세륨 아세테이트 하이드레이트(cerium acetate hydrate), 세륨 아세틸아세토네이트 하이드레이트(cerium acetylacetonate hydrate), 세륨 브로마이드(cerium bromide), 세륨 카보네이트 하이드레이트(cerium carbonate hydrate), 세륨 클로라이드(cerium chloride), 세륨 클로라이드 헵타하이드레이트 (cerium chloride heptahydrate), 세륨 2-에틸헥사노에이트(cerium 2-ethylhexanoate), 세륨 플로라이드(cerium fluoride), 세륨 플로라이드(cerium fluoride), 세륨 하이드록사이드 (cerium hydroxide), 세륨 아이오다이드(cerium iodide), 세륨 나이트레이트 헥사하이드레이트(cerium nitrate hexahydrate), 세륨 옥살레이트 하이드레이트(cerium oxalate hydrate), 세륨 설페이트(cerium sulfate), 세륨 설페이트 하이드레이트(cerium sulfate hydrate) 및 세륨 설페이트(cerium sulfate) 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 사용한다.The Ce precursor is cerium acetate hydrate, cerium acetylacetonate hydrate, cerium bromide, cerium carbonate hydrate, cerium chloride, cerium chloride hepta Hydrate (cerium chloride heptahydrate), cerium 2-ethylhexanoate, cerium fluoride, cerium fluoride, cerium hydroxide, cerium iodide (cerium iodide), cerium nitrate hexahydrate, cerium oxalate hydrate, cerium sulfate, cerium sulfate hydrate and cerium sulfate Any one selected from the group is used.

상기 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)는 산화철에 세륨이 도핑/혼성된 것으로서, 상기 산화철은 FeO, Fe2O3, Fe3O4 중 선택된 하나 이상이며, 세륨의 함량은 1 내지 10 wt% 일 수 있으며, 바람직하게는 5 wt%이다.The cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) are obtained by doping/mixing iron oxide with cerium, wherein the iron oxide is at least one selected from FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4 , and the content of cerium is 1 to 10. It may be 10 wt%, preferably 5 wt%.

상기 세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)는 지지체 없이 나노입자 형태로 사용될 수도 있으며, 상기 나노입자가 지지체에 지지된 형태로 사용될 수도 있다. The cerium nanoparticles (CeONP) and the cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) may be used in the form of nanoparticles without a support, or the nanoparticles may be used in the form of being supported on a support.

상기 지지체로는 일반적으로 사용되는 지지체는 제한없이 사용될 수 있으며, 이로 제한되지는 않으나, 예시적으로 알루미나, 세리아, 지르코니아, 실리카, 티타니아, 마그네시아, 활성탄, 흑연, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌, 그래핀옥사이드,제올라이트, 금속유기골격체(MOF), 스피넬, 페롭스카이트, 하이드로탈사이트, 탄탈 산화물, 몰리브텐 산화물, 텅스텐 산화물, 규조토, 보크사이트, 점토, 규산마그네슘, 탄화규소, 세라믹, 카보런덤, 석영, 토리아, 크로마이트, 루틸, 일메나이트 지르콘 등에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 또한, 상기 지지체의 형상은 입자, 압출물, 모놀리스(monolith), 섬유, 메쉬 및 네트 등일 수 있다. As the support, commonly used supports may be used without limitation, but are not limited thereto, but are exemplified by alumina, ceria, zirconia, silica, titania, magnesia, activated carbon, graphite, carbon nanotubes, graphene, fullerene, Graphene oxide, zeolite, metal organic framework (MOF), spinel, perovskite, hydrotalcite, tantalum oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, diatomaceous earth, bauxite, clay, magnesium silicate, silicon carbide, ceramic, It may be at least one selected from carborundum, quartz, thoria, chromite, rutile, ilmenite zircon, and the like. In addition, the shape of the support may be particles, extrudates, monoliths, fibers, meshes, and nets.

상기 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 크기는 6 내지 13 nm 범위일 수 있으며, 다양한 형태를 취할 수 있으나, 구형인 것이 바람직하다. The size of the cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) may range from 6 to 13 nm, and may take various shapes, but is preferably spherical.

또한, 본 발명은 상기 세륨이 도핑된 산화철입자(Ce-FeONP)를 제조하는 방법으로서 (a) Fe 전구체를 증류수에 용해시켜 Fe 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 Fe 전구체 용액에 암모니아 용액을 첨가하여 암모니아 혼합용액을 제조하는 단계; (c) 상기 암모니아 혼합용액에 Ce 전구체 용액을 혼합하고 숙성시키는 단계; (d) 상기 숙성된 용액에서 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 분리하고, 세척/건조하는 단계;를 포함한다.In addition, the present invention is a method for producing the cerium-doped iron oxide particles (Ce-FeONP), comprising the steps of (a) preparing a Fe precursor solution by dissolving the Fe precursor in distilled water; (b) preparing an ammonia mixture solution by adding an ammonia solution to the Fe precursor solution; (c) mixing and aging a Ce precursor solution with the ammonia mixture solution; (d) separating cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) from the aged solution and washing/drying;

상기 (a) 단계는 Fe 전구체 용액을 제조하는 단계로서, Fe 전구체로는 염화철(II)FeCl2, 염화철(III)FeCl3, 페릭 아세테이트(Ferric acetate), 철 쿠페로네이트(iron cupferronate), 철 펜타카보닐(iron pentacarbonyl) 등에서 선택된 하나 이상을 사용한다.Step (a) is a step of preparing an Fe precursor solution, and the Fe precursor includes iron (II) chloride FeCl 2 , iron (III) chloride (III) FeCl 3 , ferric acetate, iron cupferronate, iron At least one selected from iron pentacarbonyl and the like is used.

상기 (b) 단계는 Fe 전구체 용액에 암모니아 용액을 첨가하여 혼합하는 단계로서, 상기 첨가하는 암모니아의 양은 상기 Fe 전구체 용액 50 내지 150 ml를 기준으로 28% 암모니아수(밀도 0.9)를 50 ml를 첨가한다.The step (b) is a step of adding and mixing an ammonia solution to the Fe precursor solution, and the amount of ammonia to be added is 50 ml of 28% ammonia water (density 0.9) based on 50 to 150 ml of the Fe precursor solution. .

상기 (b) 단계에서의 암모니아 수용액 혼합 시의 온도는 20 내지 90 ℃ 범위일 수 있다. 바람직하게는 60 ℃이다. 상기 온도가 20 ℃ 미만일 경우 핵 생성이 적고 나노입자의 불완전한 성장이 일어날 수 있으며, 90 ℃ 초과일 경우에는 암모니아수가 휘발할 수 있다.The temperature at the time of mixing the aqueous ammonia solution in step (b) may be in the range of 20 to 90 °C. Preferably it is 60 degreeC. When the temperature is less than 20 ° C, nucleation is low and incomplete growth of nanoparticles may occur, and when the temperature exceeds 90 ° C, ammonia water may volatilize.

또한, 상기 암모니아 수용액을 혼합한 뒤에는 1 내지 2 시간동안 교반을 계속한다. 상기 시간이 1시간 미만일 경우 입자 생성이 충분하지 않을 수 있으며, 2 시간 초과일 경우에는 제조 시간이 길어지는 문제가 있을 수 있다.In addition, after mixing the aqueous ammonia solution, stirring is continued for 1 to 2 hours. If the time is less than 1 hour, particle generation may not be sufficient, and if the time exceeds 2 hours, there may be a problem in that the manufacturing time is prolonged.

상기 (c) 단계는 Ce 전구체를 상기 (b) 단계에서의 암모니아 수용액에 첨가하고, 숙성시키는 단계이다. 이때, Ce 전구체로는 세륨 질산염, 세륨 염산염 등에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. Ce 전구체의 첨가는 Ce 전구체의 분말 형태로 첨가할 수도 있으나, 미리 수용액에 용해된 형태로 첨가할 수도 있다. Ce 전구체의 첨가량은 Ce로 환산된 질량이 용액내 존재하는 Fe의 질량 대비 1 내지 10 wt%가 되도록 첨가한다. 바람직하게는 5 wt%가 되도록 첨가한다. 이 때의 상기 암모니아 수용액의 온도는 20 내지 90 ℃ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 상기 (b) 단계에서의 온도와 동일하게 유지한다.The step (c) is a step of adding the Ce precursor to the aqueous ammonia solution in the step (b) and aging it. In this case, as the Ce precursor, at least one selected from cerium nitrate and cerium hydrochloride may be used. The addition of the Ce precursor may be added in the form of a powder of the Ce precursor, or may be added in a form dissolved in an aqueous solution in advance. The addition amount of the Ce precursor is added so that the mass converted to Ce is 1 to 10 wt% based on the mass of Fe present in the solution. Preferably it is added so that it becomes 5 wt%. At this time, the temperature of the aqueous ammonia solution may be in the range of 20 to 90 ° C, and preferably maintains the same temperature as in step (b).

상기 (c) 단계에서 숙성은 12 내지 36 시간 동안일 수 있다. 상기 시간이 12 시간 미만일 경우 입자 생성이 충분하지 않을 수 있으며, 36 시간 초과일 경우에는 제조 시간이 길어지는 한 문제가 있을 수 있다.Aging in step (c) may be for 12 to 36 hours. If the time is less than 12 hours, particle generation may not be sufficient, and if the time exceeds 36 hours, there may be a problem as long as the manufacturing time becomes long.

상기 숙성은 일반적으로 불활성가스나 공기의 존재하에서 실시하며, 바람직하게는 공기 분위기에서 실시한다. The aging is generally performed in the presence of an inert gas or air, preferably in an air atmosphere.

상기 (d) 단계는 생성된 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 분리,세척, 건조하는 단계이다.Step (d) is a step of separating, washing, and drying the generated cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP).

상기 분리는 분리막, 침전후 여과, 원심분리, 자석을 이용한 분리 등 일반적인 분리 방법을 사용하여 분리할 수 있으며, 원심분리가 바람직하다. The separation may be performed using a general separation method such as separation membrane, filtration after precipitation, centrifugation, or separation using a magnet, and centrifugation is preferable.

세척은 여분의 암모니아와 미반응한 Fe, Ce 전구체를 제거하기 위한 것으로서, 물이나 알코올 또는 이들의 혼합물을 이용하여 세척할 수 있으며, 여분의 암모니아와 미반응한 Fe, Ce 전구체가 없어질 때까지 수회 반복하여 세척할 수 있다. 세척시의 온도는 상온에서 실시하는 것이 일반적이다.Washing is to remove excess ammonia and unreacted Fe and Ce precursors, and can be washed using water, alcohol, or a mixture thereof, until excess ammonia and unreacted Fe, Ce precursors are gone. It can be washed repeatedly several times. It is common to perform washing at room temperature.

건조는 -80 내지 30 ℃에서 충분히 건조시킨다. 상기 건조는 상압 혹은 감압하에서도 실시할 수 있으며, 바람직하게는 동결 건조를 통해 건조할 수 있다.Drying is sufficiently dried at -80 to 30 ° C. The drying may be performed under normal pressure or reduced pressure, and may be preferably freeze-dried.

또한, 본 발명은 도 1의 개략도로 나타낸 바와 같이, 상기 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 사용하여 리그노셀룰로오스 바이오매스를 전처리하는 방법을 제공한다. 도 1에서는 리그노셀룰로오스 바이오매스의 공급원료로서 옥수수 속대(corn cob)를 사용하였으나 리그노셀룰로오스의 종류가 이에 한정된다는 것은 아니다. In addition, as shown in the schematic diagram of FIG. 1, the present invention provides a method for pre-treating lignocellulosic biomass using the cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP). In FIG. 1, corn cob was used as a feedstock for lignocellulosic biomass, but the type of lignocellulosic is not limited thereto.

본 발명의 상기 방법은 리그노셀룰로오스 바이오매스에 과산화수소(H2O2) 첨가 또는 무첨가 조건에서 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 혼합 및 반응시켜, 리그노셀로로오스 바이오매스 내 리그닌을 분해하는 것을 특징으로 한다.The method of the present invention mixes and reacts cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) with or without the addition of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to lignocellulosic biomass, It is characterized by decomposing lignin in lignocellulosic biomass.

이 때, 상기 추가되는 과산화수소는 수용액의 형태일 수 있으며, 과산화수소의 농도는 1 M 이하가 바람직하다. 과산화수소가 1 M 초과일 경우 리그닌 제거 효율이 현저히 증가하지 않는 문제가 있을 수 있다.At this time, the added hydrogen peroxide may be in the form of an aqueous solution, and the concentration of hydrogen peroxide is preferably 1 M or less. When hydrogen peroxide is greater than 1 M, there may be a problem that the lignin removal efficiency does not significantly increase.

또한, 상기 바이오매스의 양은 용액 내에서, 5 내지 20 %(w/v)일 수 있다. 바이오매스의 양이 5 %(w/v) 미만일 경우 생성되는 당의 농도가 너무 낮을 수 있고, 20 %(w/v) 초과일 경우 반응 혼합물의 점도가 너무 큰 문제가 있을 수 있다.In addition, the amount of the biomass in the solution, may be 5 to 20% (w / v). If the amount of biomass is less than 5% (w / v), the concentration of sugars produced may be too low, and if it is more than 20% (w / v), the viscosity of the reaction mixture may be too high.

본 발명에 따른 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법에서 상기 나노입자(Ce-FeONP)의 함량은 상기 나노입자의 무게로 보아 1 내지 10 g/L일 수 있다. 상기 나노입자의 양이 1 g/L 미만일 경우 리그닌 제거 효율이 충분하지 않을 수 있고, 10 g/L 초과일 경우 리그닌 제거 효율이 더 이상 증가하지 않을 수 있다.In the lignocellulosic biomass pretreatment method according to the present invention, the content of the nanoparticles (Ce-FeONP) may be 1 to 10 g/L in terms of the weight of the nanoparticles. When the amount of the nanoparticles is less than 1 g/L, the lignin removal efficiency may not be sufficient, and when the amount exceeds 10 g/L, the lignin removal efficiency may not increase any more.

또한, 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법에서 전처리 반응의 온도범위는 20 내지 90 ℃ 일 수 있으며, 반응압력은 1 내지 5 bar, 반응시간은 1 내지 48 시간일 수 있다. In addition, in the lignocellulosic biomass pretreatment method according to the present invention, the temperature range of the pretreatment reaction may be 20 to 90 ° C, the reaction pressure may be 1 to 5 bar, and the reaction time may be 1 to 48 hours.

또한, 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법에서 바이오매스의 부하량은 5 내지 30 %(w/v)인 것이 바람직하다.In addition, in the lignocellulosic biomass pretreatment method according to the present invention, the load of biomass is preferably 5 to 30% (w / v).

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 우수성에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, the excellence of the present invention will be described through Examples and Comparative Examples.

[실시예][Example]

미생물 균주, 배양 배지 및 효소 생산Microbial strains, culture media and enzyme production

옥수수속대(corn cob, CC) 바이오매스로부터 분리된 Fusarium verticillioides(GenBank 수탁 번호 PRJNA664836) 곰팡이 균주를 셀룰라아제 생산에 사용하였다. A fungal strain of Fusarium verticillioides ( GenBank accession number PRJNA664836) isolated from corn cob (CC) biomass was used for cellulase production.

곰팡이 균주는 28 ℃에서 PDA 경사 배지에서 번식되었다. 접종을 위해 1.8 × 106 개의 포자를 포함하는 2 ml의 포자 용액을 50 ml 배양 배지에 사용하였다. RSM 최적화된 기저 배지(RSM-BM)를 셀룰라아제 효소 생산에 사용하였다. RSM-BM 배지의 조성은 다음과 같다(g/L). CaCl2 0.15; KH2PO4 1.0; (NH4)2SO4 0.50; 요소 0.60; 펩톤 0.45; 효모 추출물 0.15; MgSO4.7H2O 0.15; FeSO4.7H2O 0.0075; MnSO4.7H2O 0.0024; ZnSO4.7H2O 0.0021; CoCl2 0.003; Tween 80 1.0 ml.Fungal strains were propagated on PDA gradient medium at 28 °C. For inoculation, 2 ml of spore solution containing 1.8 × 10 6 spores was used in 50 ml culture medium. RSM optimized basal medium (RSM-BM) was used for cellulase enzyme production. The composition of RSM-BM medium is as follows (g/L). CaCl 2 0.15; KH 2 PO 4 1.0; (NH 4 ) 2 SO 4 0.50; factor 0.60; peptone 0.45; yeast extract 0.15; MgSO 4. 7H 2 O 0.15; FeSO 4 .7H 2 O 0.0075; MnSO 4 .7H 2 O 0.0024; ZnSO 4 .7H 2 O 0.0021; CoCl 2 0.003; Tween 80 1.0 ml.

셀룰라아제 생산은 Fusarium verticillioides 곰팡이 균주를 사용하여 액체 발효 조건에서 수행되었다. 액체 발효는 셀룰로오스 1% (w/v) 및 옥수수 속대 2.5% (w/v) 기질과 함께 70 ml의 발효 배지를 포함한 250 ml 삼각 플라스크에서 수행되었다. 플라스크에 PDA 경사면에서 성장한 15일된 배양에서 파생된 포자(대략 107)를 접종하고 150 rpm에서 교반시키면서 28 ℃에서 배양하였다. 2일 간격으로 시료를 채취하여 7,500 rpm에서 10분간 원심 분리하여 상등액을 수집하였다. 모든 상등액 샘플은 세포 외 셀룰라아제 활성 및 단백질 함량에 대해 분석되었다.Cellulase production was performed under liquid fermentation conditions using Fusarium verticillioides fungal strains. Liquid fermentation was carried out in a 250 ml Erlenmeyer flask containing 70 ml of fermentation medium with cellulose 1% (w/v) and corncob 2.5% (w/v) substrates. The flask was inoculated with spores (approximately 10 7 ) derived from a 15-day-old culture grown on a PDA slope and incubated at 28 °C with agitation at 150 rpm. Samples were taken every 2 days and centrifuged at 7,500 rpm for 10 minutes to collect the supernatant. All supernatant samples were assayed for extracellular cellulase activity and protein content.

산화세륨 나노입자(CeONP)의 합성Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles (CeONP)

키토산 (0.5 g)을 3% (w/v) 아세트산 용액에 첨가하고 완전히 용해시켰다. 그 후, cerium nitrate hexahydrate 1 g을 키토산-아세트산 용액과 1 시간 동안 혼합하였다. 화학 양론적 양의 과산화수소를 용액에 적가하고 색상이 무색에서 주황색으로 변할 때까지 완전히 혼합하였다. 이후 최종 용액을 15000 rpm에서 30 분간 원심분리한 후 물과 에탄올로 3회 세척 하였다. 마지막으로 회수된 나노입자를 동결 건조하고 추가 사용을 위해 보관하였다. Chitosan (0.5 g) was added to a 3% (w/v) acetic acid solution and completely dissolved. Then, 1 g of cerium nitrate hexahydrate was mixed with the chitosan-acetic acid solution for 1 hour. A stoichiometric amount of hydrogen peroxide was added dropwise to the solution and mixed thoroughly until the color changed from colorless to orange. Thereafter, the final solution was centrifuged at 15000 rpm for 30 minutes and washed three times with water and ethanol. Finally, the recovered nanoparticles were lyophilized and stored for further use.

산화철 나노입자(FeONP)의 합성Synthesis of iron oxide nanoparticles (FeONP)

암모니아를 증류수에 1 : 1 (v/v) 비율로 1M FeCl2 및 2M FeCl3와 함께 첨가한 다음 60 ℃에서 하룻밤 교반하였다. 형성된 나노입자를 증류수로 세척한 후 동결건조 하였다.Ammonia was added to distilled water along with 1M FeCl 2 and 2M FeCl 3 in a ratio of 1:1 (v/v), followed by stirring at 60 °C overnight. The formed nanoparticles were washed with distilled water and lyophilized.

세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 합성Synthesis of cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP)

FeCl2와 FeCl3를 증류수에서 1 : 2 몰비로 취하고 60 ℃에서 1시간 동안 암모니아 용액(1 : 1, v/v)과 혼합하였다. 이어서, 5 wt%의 cerium nitrate hexahydrate를 용액에 첨가하고 하룻밤 더 혼합하였다. 형성된 나노입자를 15000 rpm에서 30분 동안 원심분리한 후 물과 에탄올로 3회 세척하였다. 마지막으로 회수된 나노입자를 동결건조하고 추가 사용을 위해 보관하였다.FeCl 2 and FeCl 3 were taken in distilled water at a molar ratio of 1:2 and mixed with an ammonia solution (1:1, v/v) at 60 °C for 1 hour. Then, 5 wt% of cerium nitrate hexahydrate was added to the solution and mixed overnight. The formed nanoparticles were centrifuged at 15000 rpm for 30 minutes and washed three times with water and ethanol. Finally, the recovered nanoparticles were lyophilized and stored for further use.

[시험예 1][Test Example 1]

합성된 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 특성화 및 결과Characterization and results of synthesized cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP)

EDS, SEM, TEM 등으로 특성화하여 Ce-FeONP의 합성을 확인하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 (a) EDS, (b) SEM, (c) TEM 결과이다. The synthesis of Ce-FeONP was confirmed by characterization with EDS, SEM, TEM, etc. 2 shows (a) EDS, (b) SEM, and (c) TEM results of cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) synthesized according to an embodiment of the present invention.

이에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)는 산화철 입자에 나노 세륨입자가 도핑되어 있는 구조를 가진다.As shown therein, the cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) according to the present invention have a structure in which iron oxide particles are doped with nano-cerium particles.

[시험예 2][Test Example 2]

나노입자의 라카제 및 과산화효소 모방 활성 측정Measurement of laccase and peroxidase mimetic activity of nanoparticles

제조된 나노입자의 라카제 및 과산화효소 모방 활성은 다음과 같은 방법으로 확인하였다. 330 μL 아세테이트 완충액(0.1 M, pH 4.16), 300 μL 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine(TMB)(6 mM), 100 μL 과산화수소(H2O2)(0.75 M) 및 50 μL 나노입자 용액(4 mg/mL)을 24-well 플레이트에 첨가하고 30초 동안 혼합 후 실온에서 30분 동안 교반하였다. 그 후, 혼합물의 흡광도를 652 nm에서 측정하였다. 이와 같이, TMB+H2O2, TMB+CeONP, TMB+FeONP, TMB+Ce-FeONP의 흡광도도 각각 측정하였다. 과산화수소 첨가 없이 활성이 나타난 것이 라카제 모방 활성이며, 과산화수소를 첨가하였을 때 활성이 나타난 것이 과산화효소 모방 활성이다.The laccase and peroxidase mimicking activities of the prepared nanoparticles were confirmed by the following method. 330 μL acetate buffer (0.1 M, pH 4.16), 300 μL 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB) (6 mM), 100 μL hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (0.75 M) and 50 μL nano The particle solution (4 mg/mL) was added to the 24-well plate, mixed for 30 seconds, and stirred at room temperature for 30 minutes. Then, the absorbance of the mixture was measured at 652 nm. In this way, the absorbance of TMB+H 2 O 2 , TMB+CeONP, TMB+FeONP, and TMB+Ce-FeONP was also measured, respectively. Lacase mimetic activity is the activity shown without the addition of hydrogen peroxide, and peroxidase mimetic activity is the activity shown when hydrogen peroxide is added.

나노입자의 라카제 및 과산화효소 모방 활성 측정 결과Measurement of laccase and peroxidase mimetic activity of nanoparticles

합성된 나노입자의 라카제 및 과산화효소 모방 활성을 도 3에 나타내었다. 652 nm에서의 흡광도 피크와 색상 변화(무색에서 파란색으로)로 라카제 및 과산화효소 모방 활성(산화된 TMB의 존재)을 표시할 수 있다. 촉매가 없을 때 TMB의 색 변화가 거의 관찰되지 않았으며, 이는 H2O2만으로는 TMB를 산화시키지 않음을 나타낸다. H2O2를 첨가하지 않았을 때 CeONP는 TMB의 존재 하에서 파란색으로 변하여 라카제 모방 활성을 가지고 있음을 보였으나, FeONP와 Ce-FeONP에서는 이러한 변화가 낮게 나타났다. H2O2의 첨가는 용액의 색을 무색에서 청색으로 바꾸어 합성된 산화철 나노입자가 과산화효소 모방 활성을 가지고 있음을 보였다. Ce-FeONP는 FeONP보다 더 높은 과산화효소 활성을 보였다. 두 촉매 금속의 조합은 Fenton 반응에서와 같이 하이드록실 라디칼 생성을 강화한 것으로 보인다. 합성된 나노입자의 이러한 라카제 및 과산화효소 모방 활성을 리그닌 분해에 활용하였다. The laccase and peroxidase mimicking activities of the synthesized nanoparticles are shown in FIG. 3 . The absorbance peak at 652 nm and color change (from colorless to blue) can indicate laccase and peroxidase mimetic activity (presence of oxidized TMB). Almost no color change of TMB was observed in the absence of a catalyst, indicating that only H 2 O 2 did not oxidize TMB. When H 2 O 2 was not added, CeONP turned blue in the presence of TMB, indicating that it had laccase mimetic activity, but FeONP and Ce-FeONP showed a low change. The addition of H 2 O 2 changed the color of the solution from colorless to blue, indicating that the synthesized iron oxide nanoparticles have peroxidase mimetic activity. Ce-FeONP showed higher peroxidase activity than FeONP. The combination of the two catalytic metals appears to enhance hydroxyl radical generation as in the Fenton reaction. These laccase and peroxidase mimicking activities of the synthesized nanoparticles were utilized for lignin degradation.

[시험예 3][Test Example 3]

나노입자(Ce-FeONP)를 이용한 바이오매스 전처리 전후의 생화학적 분석Biochemical analysis before and after biomass pretreatment using nanoparticles (Ce-FeONP)

원료 바이오매스의 회분 및 수분 함량은 AOAC 프로토콜을 통해 결정하였다. 바이오매스의 리그닌 함량은 요오드 측정법을 통해 평가하였다. 0.1 N 과망간산 칼륨(7.5 mL)을 실온, 산성 환경(4 N 황산, 7.5 mL)에서 바이오매스에 존재하는 리그닌을 산화시키는 데 사용하였다. 실온에서 10분 동안 교반 후, 요오드화 칼륨(1 N, 1.5 mL)을 반응 혼합물에 첨가하여 유리 요오드를 형성하였다. 형성된 유리 요오드를 지시약으로 0.2 % 전분을 사용하여 0.1 N 티오 황산나트륨 용액으로 적정하였다. 동일한 부피의 물과 시약을 사용하여 바이오매스 없이 블랭크 적정을 수행하였다. 바이오매스의 리그닌 함량은 다음 식 (1) 및 (2)에 의해 결정되었다.The ash and moisture contents of the raw biomass were determined through the AOAC protocol. The lignin content of the biomass was evaluated through iodine measurement. 0.1 N potassium permanganate (7.5 mL) was used to oxidize the lignin present in the biomass in an acidic environment (4 N sulfuric acid, 7.5 mL) at room temperature. After stirring at room temperature for 10 min, potassium iodide (1 N, 1.5 mL) was added to the reaction mixture to form free iodine. The formed free iodine was titrated with 0.1 N sodium thiosulfate solution using 0.2% starch as an indicator. A blank titration was performed without biomass using equal volumes of water and reagents. The lignin content of the biomass was determined by equations (1) and (2).

Kappa number = (P × f) / W (1)Kappa number = (P × f) / W (One)

여기서 P는 샘플에 의해 소비된 0.1 N 과망간산 칼륨 용액 mL를 나타내고, f는 50% 과망간산 염 소비량에 대한 보정 계수를 나타내고(f = 1), W는 건조 샘플(0.05 g)의 무게를 나타낸다.where P represents the mL of 0.1 N potassium permanganate solution consumed by the sample, f represents the correction factor for 50% permanganate consumption (f = 1), and W represents the weight of the dry sample (0.05 g).

리그닌 함량(%) = (Kappa number × 0.155) × 100 (2)Lignin content (%) = (Kappa number × 0.155) × 100 (2)

셀룰로스의 정량은 세미 마이크로 측정 방법에 따라 수행하였고, 헤미셀룰로스는 안트론 방법으로 정량하였다.Quantification of cellulose was performed according to the semi-micro measurement method, and hemicellulose was quantified by the Antron method.

나노입자(Ce-FeONP)를 이용한 바이오매스 전처리 전후의 생화학적 분석 결과Biochemical analysis results before and after biomass pretreatment using nanoparticles (Ce-FeONP)

전처리 전후, 바이오매스 내 리그닌, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 조성을 표 1에 나타내었다. 참고로, 본 발명에 사용된 옥수수 속대 바이오매스는 다량의 셀룰로오스(38.69%, w/w)와 헤미셀룰로오스(32.14%, w/w)를 포함하였다. 바이오매스의 리그닌 함량은 12.40%, w/w였다. NREL 방법에 결정된 따라 리그닌 함량은 14.28%, w/w였다. 또한 수분(6.9%, w/w) 및 회분 함량(10%, w/w)을 얻었다.Table 1 shows the composition of lignin, cellulose, and hemicellulose in biomass before and after pretreatment. For reference, the corncob biomass used in the present invention contained a large amount of cellulose (38.69%, w/w) and hemicellulose (32.14%, w/w). The lignin content of the biomass was 12.40%, w/w. The lignin content was 14.28%, w/w, as determined by the NREL method. Moisture (6.9%, w/w) and ash content (10%, w/w) were also obtained.

바이오매스의 리그닌 함량은 나노입자로 전처리 후 현저하게 감소한 반면(1.78 배), 헤미셀룰로오스 함량은 약간 감소하였다. 셀룰로오스 함량은 전처리 전보다 1.07 배 높았다. 즉, 나노입자(Ce-FeONP)는 바이오매스 내 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에는 큰 영향을 주지 않으면서 대체로 리그닌만을 분해하는 데 작용하는 것을 나타낸다. 참고로, 하기 표 1에서 전처리 액체의 환원당 농도는 23.71 g/L인 것은, 전처리 과정 동안 헤미셀룰로오스가 소량 분해되었기 때문으로 보인다.The lignin content of biomass decreased significantly (1.78 times) after pretreatment with nanoparticles, whereas the hemicellulose content slightly decreased. Cellulose content was 1.07 times higher than before pretreatment. That is, the nanoparticles (Ce-FeONP) indicate that they generally act to decompose only lignin without significantly affecting cellulose and hemicellulose in biomass. For reference, the fact that the reducing sugar concentration of the pre-treatment liquid in Table 1 below is 23.71 g/L seems to be due to the small amount of decomposition of hemicellulose during the pre-treatment process.

성분ingredient 전처리 전before pretreatment 전처리 후after pretreatment 리그닌 (%, w/w) Lignin (%, w/w) 12.40 12.40 6.94 6.94 셀룰로오스 (%, w/w) Cellulose (%, w/w) 38.69 38.69 41.47 41.47 헤미셀룰로오스 (%, w/w) Hemicellulose (%, w/w) 32.14 32.14 28.2028.20 환원당 (g/L) Reducing sugar (g/L) - - 23.7123.71

[시험예 4][Test Example 4]

다양한 공정 매개 변수에 대한 리그닌 분해 측정Determination of lignin degradation for various process parameters

옥수수 속대 바이오매스의 리그닌 분해에 미치는 영향을 연구하기 위해 세 가지 종류의 나노입자(FeONP, CeONP 및 Ce-FeONP)를 이용하였다. 초기 공정 매개 변수는 다음과 같다. 전처리 시간(1 ~ 30 시간), 나노입자 농도(1 ~ 10 g/L), 고체 부하량(5 ~ 30%, w/v) 및 H2O2 농도(0.1 ~ 1 M). H2O2 만을 사용한 대조 실험도 수행하였다(도 4). 참고로, 도 4에서의 시험 조건은 다음과 같다. (a) 전처리 시간의 영향(H2O2 농도: 0.1 M, 고체 부하량: 15% (w/v), Ce-FeONP 농도: 2 g/L), (b) H2O2 농도의 영향(전처리 시간 : 24시간, 고체 부하량: 15% (w/v), Ce-FeONP 농도: 2 g/L), (c) 고체 부하량의 영향(전처리 시간: 24시간, H2O2 농도: 0.75 M, Ce-FeONP 농도: 2 g/L), (d) 나노입자(NP) 농도의 영향(전처리 시간: 24 시간, H2O2 농도: 0.75 M, 고체 부하량: 20% (w/v)Three types of nanoparticles (FeONP, CeONP and Ce-FeONP) were used to study the effect on lignin degradation of corncob biomass. The initial process parameters are: Pretreatment time (1 to 30 h), nanoparticle concentration (1 to 10 g/L), solid loading (5 to 30%, w/v) and H 2 O 2 concentration (0.1 to 1 M). A control experiment using only H 2 O 2 was also performed (FIG. 4). For reference, the test conditions in FIG. 4 are as follows. (a) Effect of pretreatment time (H 2 O 2 concentration: 0.1 M, solid loading: 15% (w/v), Ce-FeONP concentration: 2 g/L), (b) Effect of H 2 O 2 concentration ( Pretreatment time: 24 hours, solid loading: 15% (w/v), Ce-FeONP concentration: 2 g/L), (c) Effect of solid loading (pretreatment time: 24 hours, H 2 O 2 concentration: 0.75 M , Ce-FeONP concentration: 2 g/L), (d) Effect of nanoparticle (NP) concentration (pretreatment time: 24 hours, H 2 O 2 concentration: 0.75 M, solid loading: 20% (w/v)

리그닌 분해 백분율의 측정방법은 다음과 같다. 먼저, 나노입자와 리그노셀룰로오스 바이오매스를 포함하는 삼각 원뿔 플라스크(50 mL)에서 옥수수 속대의 리그닌 분해(전처리)를 수행하였다. 바이오매스를 첨가하기 전에 나노입자를 증류수에서 초음파 처리하여 균일한 용액을 얻었다. 바이오매스와 H2O2를 첨가 한 후, 혼합물을 25 ℃ 및 200 rpm으로 교반시켰다. 고정된 시간 간격으로 샘플을 채취하여 고체-액체 분리 후 샘플을 회수하였다. 고체-액체 분리 후 고체 바이오매스는 60 ℃에서 하룻밤 건조하였다. 건조된 바이오매스는 요오드 측정법을 통한 잔류 리그닌 추정에 추가로 사용하였다. 전처리된 바이오매스의 리그닌 분해 백분율은 식 (3)에 따라 계산하였다.The method for measuring the percentage of lignin degradation is as follows. First, lignin degradation (pretreatment) of corncobs was performed in an Erlenmeyer conical flask (50 mL) containing nanoparticles and lignocellulosic biomass. Before adding the biomass, the nanoparticles were sonicated in distilled water to obtain a homogeneous solution. After adding biomass and H 2 O 2 , the mixture was stirred at 25 °C and 200 rpm. Samples were taken at fixed time intervals and samples were recovered after solid-liquid separation. After solid-liquid separation, the solid biomass was dried overnight at 60 °C. The dried biomass was further used for estimation of residual lignin through iodine measurement. The percentage of lignin degradation in the pretreated biomass was calculated according to equation (3).

% delignification = (초기 리그닌-최종 리그닌)/(초기 리그닌) × 100 (3)% delignification = (initial lignin - final lignin)/(initial lignin) × 100 (3)

다양한 공정 매개 변수에 대한 리그닌 분해 측정 결과Lignin degradation measurement results for various process parameters

전처리 시간(1 ~ 30 시간), 나노입자 농도(1 ~ 10 g/L), 고체 부하량(5 ~ 30%, w/v) 및 H2O2 농도(0.1 ~ 1 M) 별 리그닌 분해 측정 결과를 도 4에 나타내었다. Measurement results of lignin degradation by pretreatment time (1 to 30 hours), nanoparticle concentration (1 to 10 g/L), solid load (5 to 30%, w/v), and H 2 O 2 concentration (0.1 to 1 M) is shown in Figure 4.

이에 나타난 바와 같이, 최적 리그닌 분해 조건은 전처리 24시간, H2O2 농도 0.75 M, 고체 부하량 20% (w/v) 및 나노입자 농도 4 g/L 였다. 최적의 조건에서 나노입자 없이 H2O2만을 사용하여 대조군 실험을 수행한 결과, 리그닌 분해가 관찰되지 않았으며, 이는 공정에서 나노입자의 역할을 의미한다. 최적 조건에서 리그닌 분해 효율은 44%였다. 전처리된 바이오매스에서 발효 가능 당의 방출을 개선하기 위해서는 20 ~ 65%의 리그닌 분해 효율이면 충분한 것으로 알려져 있다.As shown, the optimal lignin decomposition conditions were 24 hours of pretreatment, H 2 O 2 concentration of 0.75 M, solid loading of 20% (w/v), and nanoparticle concentration of 4 g/L. As a result of performing a control experiment using only H 2 O 2 without nanoparticles under optimal conditions, no lignin degradation was observed, indicating the role of nanoparticles in the process. Under optimal conditions, the lignin degradation efficiency was 44%. It is known that a lignin degradation efficiency of 20 to 65% is sufficient to improve the release of fermentable sugars from pretreated biomass.

한편, H2O2 무첨가 조건에서 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)를 이용한 리그닌 분해 실험을 수행하였다. 전처리 시간: 24시간, 나노입자 농도: 2 g/L, 고체 부하량: 15% (w/v) 조건에서 산화세륨 나노입자(CeONP)의 경우 20.8 ± 2.01%, 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 경우 15.3 ± 2.14%로 두 가지 나노입자 모두 H2O2 무첨가 조건에서 리그닌 분해 효율을 보였다. 이는 산화세륨 나노입자의 라카제 모방 활성에 기인한 것으로 생각된다.Meanwhile, lignin decomposition experiments were performed using cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) in the absence of H 2 O 2 conditions. Pretreatment time: 24 hours, nanoparticle concentration: 2 g/L, solid loading: 20.8 ± 2.01% for cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce -FeONP) showed 15.3 ± 2.14% of the lignin degradation efficiency in both nanoparticles without H 2 O 2 addition. This is thought to be due to the laccase mimetic activity of cerium oxide nanoparticles.

참고로, 전처리 시간이 길어짐에 따라 리그닌의 분해를 나타내는 페놀 함량이 옥수수 속 바이오매스의 나노입자를 이용한 리그닌 분해 과정에서 점차 증가하는 것으로 관찰되었다(표 2).For reference, it was observed that the phenol content representing lignin degradation gradually increased during the lignin degradation process using corncob biomass nanoparticles as the pretreatment time increased (Table 2).

전처리 시간 (h)Preprocessing time (h) 페놀 함량 (mg/mL)Phenol content (mg/mL) 1One 0.0950.095 66 0.2780.278 1212 0.2850.285 1818 0.3010.301 2424 0.4120.412 3030 0.4200.420

[시험예 5][Test Example 5]

전처리 후 바이오매스의 효소 가수분해 및 환원당 농도 측정Enzymatic hydrolysis of biomass after pretreatment and measurement of reducing sugar concentration

Ce-FeONP 처리 옥수수 속대 바이오매스 및 처리되지 않은 옥수수 속대 바이오매스(대조군) 샘플(50 g/L)의 가수 분해를 50 ml 시트레이트 완충액(50 mM, pH 5.5) 및 두 가지 농도의 효소(10 FPU/g 기질, 20 FPU/g 기질)를 포함하는 250 ml 플라스크에서 수행하였다. 가수 분해 반응은 50 ℃에서 200 rpm으로 교반하여 수행하였다. 샘플을 일정한 시간 간격으로 채취하고 최대 48시간까지 가수 분해 후 포도당, 자일로스 및 총 환원당 농도를 결정하기 위해 분석하였다. Hydrolysis of Ce-FeONP-treated corncob biomass and untreated corncob biomass (control) samples (50 g/L) was carried out in 50 ml citrate buffer (50 mM, pH 5.5) and two concentrations of enzyme (10 FPU/g substrate, 20 FPU/g substrate) in 250 ml flasks. The hydrolysis reaction was carried out at 50 °C with stirring at 200 rpm. Samples were taken at regular time intervals and analyzed to determine glucose, xylose and total reducing sugar concentrations after hydrolysis up to 48 hours.

가수 분해 후 얻은 포도당과 자일로스의 방출된 당의 농도는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, YL 9100, Young-Lin, Inc., Korea)를 사용하여 측정하였다. 샘플을 원심 분리하고 0.2 μm 필터를 통해 여과하였다. 각 샘플은 굴절률 검출기를 사용하여 65 ℃에서 Bio-Rad Aminex hpx-87h 컬럼에 주입하고 0.6 ml/min의 유속에서 5 mM H2SO4의 이동상을 사용하여 컬럼에서 용출시켰다. 총 환원당 농도는 DNS 방법을 사용하여 분석하였다. The concentrations of glucose and xylose released after hydrolysis were measured using high-performance liquid chromatography (HPLC, YL 9100, Young-Lin, Inc., Korea). Samples were centrifuged and filtered through a 0.2 μm filter. Each sample was injected onto a Bio-Rad Aminex hpx-87h column at 65 °C using a refractive index detector and eluted from the column with a mobile phase of 5 mM H 2 SO 4 at a flow rate of 0.6 ml/min. Total reducing sugar concentration was analyzed using the DNS method.

전처리 후 바이오매스의 효소 가수분해 및 환원당 농도 측정 결과Enzymatic hydrolysis of biomass after pretreatment and measurement of reducing sugar concentration

분리된 곰팡이 균주에서 얻은 셀룰라제 및 헤미셀룰라제 효소 제제를 사용하여 50 g/L 의 전처리된 옥수수 속대 바이오매스 및 미처리 샘플(대조군)의 당화를 평가하였다. 가수 분해에 사용된 10 및 20 FPU 효소(기질 g 당) 농도 모두에 대해 최적의 가수 분해는 50 ℃에서 당화 24 시간 후에 얻어졌다. 전처리하지 않은 옥수수 속대 바이오매스를 가수 분해시 무시할 수 있는 양의 당 방출을 보였다.Cellulase and hemicellulase enzyme preparations from isolated fungal strains were used to evaluate saccharification of 50 g/L of pretreated corncob biomass and untreated samples (control). For both the 10 and 20 FPU enzyme (per g substrate) concentrations used for hydrolysis, optimal hydrolysis was obtained after 24 h of saccharification at 50 °C. Hydrolysis of untreated corncob biomass showed negligible sugar release.

그림 5 (a) 에 도시된 바와 같이, 10 FPU 효소/g 기질을 사용한 경우, 24시간 당화 후 12.5 g/L 포도당과 6.99 g/L 자일로스가 생성되었다. 20 FPU 효소/g 기질을 사용하여 전처리된 옥수수 속 바이오매스를 가수 분해했을 때, 24시간 후 최대 18.1 g/L 포도당과 9.12 g/L 자일로스를 방출하였다(그림 5 (b)). 생성된 환원당은 10 FPU 효소/g 기질의 경우 34.5 g/L, 20 FPU 효소/g 기질의 경우 46.6 g/L였다(그림 5 (a) 및 5 (b)).As shown in Figure 5 (a), when 10 FPU enzyme/g substrate was used, 12.5 g/L glucose and 6.99 g/L xylose were produced after 24 hours of saccharification. When pretreated corn cob biomass was hydrolyzed with 20 FPU enzyme/g substrate, it released up to 18.1 g/L glucose and 9.12 g/L xylose after 24 h (Fig. 5(b)). The resulting reducing sugars were 34.5 g/L for 10 FPU enzyme/g substrate and 46.6 g/L for 20 FPU enzyme/g substrate (Fig. 5(a) and 5(b)).

[시험예 6][Test Example 6]

GC-MS를 이용한 리그닌 분해 중간산물 확인Identification of lignin degradation intermediates using GC-MS

GC-MS를 이용하여 전처리 과정 중 생성된 저 분자량 리그닌 분해 화합물을 분석하였다(표 3). GC-MS was used to analyze low molecular weight lignin-degrading compounds produced during the pretreatment process (Table 3).

Ce-FeONP에 의한 리그닌 분해 결과 4-메틸퀴놀린(4-methylquinoline, RT 5.72), 2(3H)-퓨라논(2(3H)-furanone, RT 9.186), 자일리톨(xylitol, RT 13.53) 등과 같은 다양한 저 분자량 화합물이 확인되었다. As a result of lignin degradation by Ce-FeONP, various compounds such as 4-methylquinoline (RT 5.72), 2(3H)-furanone (RT 9.186), xylitol (RT 13.53), etc. A low molecular weight compound was identified.

리그닌 분해 후 확인된 이러한 방향족 화합물은 리그닌 분자를 구성하는 기본 단위로 간주되는 시나필(sinapyl), 코니페릴(coniferyl), p-코우머릴 알콜(p-coumaroyl alcohol)의 산화와 관련된다. 다양한 형태의 방향족 알코올 외에도 계피산(cinnamic acid, RT 8.442), 프로피온산(propanoic acid, RT 4.695), 벤조산(benzoic acid, RT 7.993), 말레산(maleic acid, RT 10.690), 숙신산(succinic acid, RT 16.46) 등도 확인되었다. 또한 알데히드 중 벤즈알데히드(benzaldehyde, RT 16.837), 3-브로모-5-에톡시-4-히드록시벤즈알데히드(3-bromo-5-ethoxy-4-hydroxybenzaldehyde, RT 21.470) 등도 확인되었다.These aromatic compounds identified after decomposition of lignin are related to the oxidation of sinapyl, coniferyl, and p -coumaroyl alcohol, which are considered the basic units constituting the lignin molecule. In addition to aromatic alcohols in their various forms, cinnamic acid (RT 8.442), propanoic acid (RT 4.695), benzoic acid (RT 7.993), maleic acid (RT 10.690) and succinic acid (RT 16.46) ) was also confirmed. In addition, among aldehydes, benzaldehyde (RT 16.837) and 3-bromo-5-ethoxy-4-hydroxybenzaldehyde (RT 21.470) were also identified.

성분ingredient 0 h0 h 1sth 1st h 3rdh3 rd h 5thh 5th h 6thh 6th h 7thh 7th h Retention time
(min)
Retention time
(min)
Relative composition by area (%)Relative composition by area (%)
Propanoic acidPropanoic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 4.6954.695 0.410.41 Lepidine (4-methylquinolin)Lepidine (4-methylquinolin) -- -- -- ++ -- -- 5.7205.720 0.240.24 Butanoic acidButanoic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 5.8605.860 1.181.18 Acetic acidAcetic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 5.9745.974 0.070.07 4-Methylesculetin4-Methylesculetin -- ++ ++ ++ ++ ++ 7.5927.592 0.250.25 Benzoic acidBenzoic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 7.9937.993 0.100.10 Cinnamic acidCinnamic acid -- -- -- ++ ++ ++ 8.4428.442 0.070.07 2(3H)-Furanone2(3H)-Furanone -- ++ ++ ++ ++ ++ 9.1869.186 0.040.04 Malic acidMalic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 10.69010.690 1.761.76 ButaneButane -- ++ ++ ++ ++ ++ 11.0011.00 1.181.18 D-GlucitolD-Glucitol -- ++ ++ ++ ++ ++ 12.9712.97 0.140.14 XylitolXylitol -- ++ ++ ++ ++ ++ 13.5313.53 3.033.03 β-D-Galactofuranoseβ-D-Galactofuranose -- ++ ++ ++ ++ ++ 14.8414.84 3.073.07 D-XyloseD-Xylose -- ++ ++ ++ ++ ++ 15.3415.34 9.649.64 D-GlucoseD-Glucose -- ++ ++ ++ ++ ++ 16.2216.22 9.339.33 Succinic acidSuccinic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 16.4616.46 0.660.66 BenzaldehydeBenzaldehyde -- ++ -- -- -- -- 16.83716.837 0.080.08 Octadecanoic acidOctadecanoic acid -- ++ ++ ++ ++ ++ 18.28318.283 1.171.17 3-Bromo-5-ethoxy-4-hydroxybenzaldehyde3-Bromo-5-ethoxy-4-hydroxybenzaldehyde -- ++ ++ ++ ++ ++ 21.47021.470 0.880.88 Bis(trimethylsily) estradiolBis(trimethylsily)estradiol -- ++ -- -- -- -- 21.80021.800 0.140.14 ScopolinScopolin -- ++ -- -- -- -- 21.90021.900 3.683.68 D-ArabinoseD-Arabinose -- ++ ++ ++ ++ ++ 22.54522.545 0.090.09 D-RiboseD-Ribose -- ++ ++ ++ ++ ++ 22.59722.597 0.820.82

리그닌은 폴리페놀 방향족 구조와 높은 에너지 밀도로 인해 정밀화학 물질, 연료 및 기능성 물질 생산을 위한 바이오 리파이너리에 활용가능한 고부가가치 재생 가능한 원료로 간주된다. 방향족 알코올, 산성 화합물 및 알데히드와 같은 저 분자량 화합물로의 분해는 향수 산업에서 응용 분야로 인해 상업적 전망이 높다. 또한 1,2-벤젠디카르복실산(1,2-benzenedicarboxylic acid), 2-푸마르산(2-butenedioic acid), 스테아르산(octadecanoic acid)은 다양한 원료에서 생산되는 연료 디젤(지방산 메틸 에스테르)의 주요 구성 요소로 작용한다. Due to its polyphenol aromatic structure and high energy density, lignin is considered a high value-added renewable raw material that can be used in biorefineries for the production of fine chemicals, fuels and functional materials. Decomposition into low molecular weight compounds such as aromatic alcohols, acidic compounds and aldehydes has high commercial prospects due to applications in the perfume industry. In addition, 1,2-benzenedicarboxylic acid, 2-butenedioic acid, and stearic acid (octadecanoic acid) are major components of fuel diesel (fatty acid methyl ester) produced from various raw materials. act as a component.

또한, 전처리된 바이오매스에 남아있는 리그닌은 액체 및 기체 연료 생산에 이용될 수 있다. 남은 리그닌은 적절한 용매를 통해 전처리된 바이오매스에서 추출 할 수 있다. 추출된 리그닌은 가스화를 통해 합성 가스를 생산하는 데 추가로 사용될 수 있으며, 이는 차례로 메탄올 및 기타 화학 물질을 생성할 수 있다. 또한 바이오 오일은 고온 고압에서 용매 처리된 리그닌을 열분해하여 생산할 수 있다. 추출된 리그닌의 대부분은 열과 전력을 전달하기 위해 저급 보일러 연료로 사용가능하다.In addition, the lignin remaining in the pretreated biomass can be used for liquid and gaseous fuel production. Remaining lignin can be extracted from the pretreated biomass with an appropriate solvent. The extracted lignin can be further used to produce syngas through gasification, which in turn can produce methanol and other chemicals. In addition, bio-oil can be produced by pyrolysis of solvent-treated lignin at high temperature and high pressure. Most of the extracted lignin can be used as low-grade boiler fuel to transfer heat and power.

[시험예 7][Test Example 7]

전처리 전후 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 변화 측정Measurement of changes in surface area, pore volume and pore size before and after pretreatment

나노입자를 이용한 전처리 전후의 옥수수 속대 바이오매스의 표면적, 기공 크기 및 기공 부피는 BET 및 BJH 방법을 통해 추정되었으며 표 4에 나타내었다.The surface area, pore size and pore volume of corncob biomass before and after pretreatment with nanoparticles were estimated by BET and BJH methods and are shown in Table 4.

전처리 전후 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 변화 측정 결과Surface area, pore volume and pore size change measurement results before and after pretreatment

전처리된 바이오매스의 기공 크기는 전처리 전 18.97 nm에서 30.90 nm로 증가하였다. 일반적으로 작은 기공은 가수 분해 효소가 쉽게 접근할 수 없는 반면, 큰 기공을 통한 효소 확산은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 효소 가수 분해 속도를 크게 증가시킨다. 전처리된 기질은 미처리된 바이오매스(0.59 m2/g)와 비교하여 표면적의 증가(1.48 m2/g)가 기록되었다. 전처리된 바이오매스의 총 공극 부피는 전처리 전 0.0028 mL/g에서 0.0049 mL/g로 증가하였다. 표면적, 기공 크기 및 기공 부피 측면에서 바이오매스 다공성의 증가는 발효 가능한 당 생성을 위한 가수 분해효소의 접근성을 더욱 향상시킬 수 있다.The pore size of the pretreated biomass increased from 18.97 nm before pretreatment to 30.90 nm. In general, small pores are not easily accessible to hydrolytic enzymes, whereas enzyme diffusion through large pores greatly increases the rate of enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose. The pretreated substrate recorded an increase in surface area (1.48 m 2 /g) compared to untreated biomass (0.59 m 2 /g). The total pore volume of the pretreated biomass increased from 0.0028 mL/g before pretreatment to 0.0049 mL/g. An increase in biomass porosity in terms of surface area, pore size and pore volume can further improve the accessibility of hydrolases for production of fermentable sugars.

표면적 (m²/g)Surface area (m²/g) 기공 부피 (mL/g)Pore volume (mL/g) 기공 크기 (nm)Pore size (nm) 전처리 전before pretreatment 0.590.59 0.0028 0.0028 18.9718.97 전처리 후after pretreatment 1.481.48 0.0049 0.0049 30.9030.90

[시험예 8][Test Example 8]

나노입자 회수 및 재사용Nanoparticle Recovery and Reuse

바이오매스에서 리그닌을 분해하는 Ce-FeONP의 과산화효소 모방 활성 외에도 나노입자의 자기 특성은 반응 혼합물에서 쉽게 분리되는 또 다른 이점을 가진다. Besides the peroxidase-mimicking activity of Ce-FeONPs to degrade lignin in biomass, the magnetic properties of the nanoparticles have another advantage, such that they are easily separated from the reaction mixture.

Ce-FeONP의 회수 및 재사용은 회수된 나노입자로 세 번의 순차적 실행을 통해 조사되었다. 도 6의 (a)는 나노입자 처리 및 세척 후 바이오매스의 이미지이고, (b)는 회수된 촉매(Ce-FeO-H2O2)의 재사용 및 리그닌 분해에 미치는 영향을 나타낸 데이터이다.The recovery and reuse of Ce-FeONPs were investigated through three sequential runs with the recovered nanoparticles. 6 (a) is an image of biomass after nanoparticle treatment and washing, and (b) is data showing the reuse of the recovered catalyst (Ce-FeO-H 2 O 2 ) and its effect on lignin decomposition.

도 6의 (a)에서 합성된 나노입자가 바이오매스 표면에 부착되어 초음파 처리 후 세척을 통해 쉽게 회수할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 그림 6의 (b)에 나타난 바와 같이, 회수된 Ce-FeONP-H2O2로 전처리된 옥수수 속대의 리그닌 분해율은 두 번째 실행에서 37.1%, 세 번째 실행에서 30.8%였다. 나노입자의 회수율은 초기 농도의 약 50%였다.It can be seen that the nanoparticles synthesized in (a) of FIG. 6 are attached to the surface of the biomass and can be easily recovered through washing after sonication. Also, as shown in (b) of Fig. 6, the lignin degradation rates of corncobs pretreated with recovered Ce-FeONP-H 2 O 2 were 37.1% in the second run and 30.8% in the third run. The recovery of nanoparticles was about 50% of the initial concentration.

상기와 같이, 본 발명은 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP)의 효소 모방 특성을 활용하여 새로운 친환경 바이오매스 전처리 방법을 개발하였다.As described above, the present invention developed a new eco-friendly biomass pretreatment method by utilizing the enzyme-mimicking properties of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP).

이상으로 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. Although the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below.

Claims (8)

리그노셀룰로오스의 바이오매스에서 리그닌을 분해하기 위한 촉매로서,
상기 촉매는 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리용 촉매.
As a catalyst for decomposing lignin in lignocellulosic biomass,
The catalyst is a catalyst for pretreatment of lignocellulosic biomass, characterized in that it comprises at least one or more of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP).
제1항에 있어서,
상기 세륨이 도핑된 나노입자는,
상기 세륨의 함량은 1 내지 10 wt% 범위인 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리용 촉매.
According to claim 1,
The cerium-doped nanoparticles,
The content of cerium is characterized in that the range of 1 to 10 wt%, lignocellulosic biomass pretreatment catalyst.
제1항에 있어서,
상기 나노입자는 지지체에 담지되지 않은 나노입자이거나, 상기 나노입자기 지지체에 담지된 형태인 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리용 촉매.
According to claim 1,
The nanoparticles are nanoparticles not supported on a support, or a catalyst for pretreatment of lignocellulosic biomass, characterized in that the nanoparticles are supported on the support.
리그노셀룰로오스 바이오매스에 과산화수소(H2O2) 첨가 또는 무첨가 조건에서 산화세륨 나노입자(CeONP) 및 세륨이 도핑된 산화철 나노입자(Ce-FeONP) 중 하나 이상을 혼합 및 반응시켜, 리그노셀룰로오스 바이오매스 내 리그닌을 분해반응을 실시하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법.By mixing and reacting at least one of cerium oxide nanoparticles (CeONP) and cerium-doped iron oxide nanoparticles (Ce-FeONP) in lignocellulosic biomass with or without the addition of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), lignocellulosic A method for pre-treating lignocellulosic biomass using nanoparticles, characterized in that lignin in biomass is subjected to a decomposition reaction. 제4항에 있어서,
상기 분해반응은 20 내지 90 ℃, 1 내지 5 bar에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법.
According to claim 4,
The decomposition reaction is characterized in that carried out at 20 to 90 ℃, 1 to 5 bar, lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles.
제4항에 있어서,
상기 과산화수소(H2O2)의 농도는 1 M 이하이고, 상기 나노입자의 농도는 1 내지 10 g/L 인 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법.
According to claim 4,
The hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) concentration is 1 M or less, and the concentration of the nanoparticles is 1 to 10 g / L, characterized in that, lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles.
제4항에 있어서,
바이오매스의 부하량은 5 내지 30 %(w/v)인 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 방법.
According to claim 4,
Characterized in that the loading of biomass is 5 to 30% (w / v), lignocellulosic biomass pretreatment method using nanoparticles.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스를 효소 가수분해하여 포도당과 자일로스를 포함하는 발효가능 당을 생성하는 것을 특징으로 하는, 나노입자를 이용한 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 발효가능 당을 생성하는 방법.

Lignocellulosic biomass using nanoparticles, characterized in that fermentable sugars including glucose and xylose are produced by enzymatic hydrolysis of the lignocellulosic biomass pretreated by the method of any one of claims 4 to 7. A method for producing fermentable sugars from cellulosic biomass.

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