WO2012070848A2 - 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법 - Google Patents

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WO2012070848A2
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양재경
정지영
김지수
김영운
윤병태
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경상대학교 산학협력단
한국화학연구원
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for preparing glucose comprising a multi-step process.
  • the present invention comprises the steps of steam explosion treatment of biomass raw material; Treating the vapor depleted biomass feedstock with an alkali compound; Treating the biomass raw material treated with the alkali compound with a chlorine compound; And it provides a glucose production method comprising the step of saccharifying the biomass raw material treated with the chlorine-based compound.
  • the biomass includes bio / microbial organisms, including plants generated by photosynthesis of plants and microorganisms that receive solar energy, and animals living on them. Specifically, by-products, wastes, and food wastes from agriculture including various animals and plants , Bio-based industrial wastes, crops grown for biofuel production, and the like.
  • the biomass may be sugars such as sugar cane and sugar beet; Starches such as corn, wheat, rice, cassava, and tapioca; And lignocellulose such as wood waste, agricultural residues such as rice straw or corn stalks.
  • the biomass may be wood waste such as oak wood, among lignocellulosic systems.
  • the steam explosion treatment is a process of pretreatment of biomass using high pressure steam. That is, after steaming the biomass in a high pressure vessel containing a high temperature steam for a predetermined time, it may be a method of immediately opening the valve of the high pressure vessel to induce the structure of the molecules in the biomass such as popcorn to open instantly. .
  • the step of steam decay treatment may be carried out at 213 to 235 °C under a pressure of 20 to 30 kg / cm2. If the pressure is less than 20kg / cm2 may not be sufficient steam decay treatment, if it exceeds 30kg / cm2, the efficiency of steam decay treatment due to the increase in pressure can be reduced economically 20 to 30kg / cm2 Can be carried out under pressure. If the temperature is less than 213 °C steam decay treatment may not be sufficient, if it exceeds 235 °C, the efficiency of steam decay treatment with increasing temperature can be reduced economically can be carried out at 213 to 235 °C have.
  • the steam decay treatment time may be about 3 to 10 minutes. For example, the steam decay treatment may be performed at 225 ° C. for 5 minutes at a water vapor pressure of 25 kg / cm 2.
  • the step of treating with the alkali compound can be treated with an aqueous alkali solution of 1 to 3% by weight concentration.
  • the effect of the alkaline compound treatment may not be sufficient, when treating the alkali compound in excess of 5% by weight concentration, alkaline compound treatment It is not desirable in terms of environmental pollution or drug recovery, recycling, and outbreaks, as the effect by is not increased.
  • the concentration of the aqueous alkali compound solution in the step of treating the alkali compound may be 0.5 to 5% by weight.
  • the concentration of the aqueous alkali compound solution may be 1 to 3% by weight.
  • the alkali compound may include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) or calcium hydroxide (CaOH) and the like.
  • the alkali compound may be sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH). More preferably, the alkali compound may be potassium hydroxide (KOH).
  • the step of treating with the chlorine-based compound may be treated with an aqueous solution of chlorine-based compound of 1 to 3% by weight.
  • the effect of the chlorine compound treatment may not be sufficient, when treating the chlorine compound in excess of 5% by weight concentration, the chlorine compound treatment It is not desirable in terms of environmental pollution or drug recovery, recycling, and outbreaks, as the effect by is not increased.
  • the concentration of the aqueous solution of chlorine compounds in the step of treating the chlorine compound may be 0.5 to 5% by weight.
  • the concentration of the aqueous solution of the chlorine compound may be 1 to 3% by weight.
  • the chlorine-based compound may include sodium hypochlorite (NaClO), sodium chlorite (NaClO 2 ) or calcium hypochlorite (Ca (ClO) 2 ) and the like.
  • the chlorine-based compound may be sodium hypochlorite (NaClO) or sodium chlorite (NaClO 2 ). More preferably, the chlorine compound may be sodium chlorite (NaClO 2 ).
  • the alkali compound is selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and calcium hydroxide (CaOH)
  • the chlorine-based compound may be any one or more selected from the group consisting of sodium hypochlorite (NaClO), sodium chlorite (NaClO 2 ) and calcium hypochlorite (Ca (ClO) 2 ).
  • the alkali compound may be potassium hydroxide (KOH), and the chlorine compound may be sodium chlorite (NaClO 2 ).
  • the step of saccharification may be carried out by acid saccharification according to a conventional method, but more preferably by enzyme saccharification.
  • the step of saccharification may be performed by enzyme saccharification.
  • “Saccharification” is the process by which the cellulose component is converted into glucose by the action of an enzyme, the process by which cellulase is adsorbed on the reaction surface of cellulose to convert cellulose into cellobiose, and the cellobiose thus produced is ⁇ - It can be divided into the process of conversion to glucose by the enzymatic reaction of glucosidase ( ⁇ -glucosidase).
  • the enzyme may include cellulase, ⁇ -glucosidase, hemicellulase and xylanase.
  • the enzyme may include Celluclast 1.5L (Novozymes, Denmark), Viscozyme L (Novozymes, Denmark) and the like.
  • the enzyme saccharification process temperature may be 40 to 80 °C. If the saccharification temperature is less than 40 °C may be a slow saccharification rate, if the enzyme saccharification process temperature exceeds 80 °C may cause enzyme denaturation. Preferably, the enzyme saccharification process temperature may be 45 to 55 °C.
  • the present invention comprises the steps of steam decay treatment of biomass raw material at 213 to 235 °C under a pressure of 20 to 30kg / cm2; Treating a potassium hydroxide (KOH) aqueous solution at a concentration of 1 to 3% by weight to the vapor-expanded biomass raw material; Treating a sodium chlorite (NaClO 2 ) aqueous solution at a concentration of 1 to 3% by weight to the biomass raw material treated with the potassium hydroxide (KOH) aqueous solution; And saccharifying the biomass raw material treated with the aqueous sodium chlorite (NaClO 2 ) solution using an enzyme saccharification process.
  • KOH potassium hydroxide
  • NaClO 2 sodium chlorite
  • the glucose production method including the multi-step process according to the present invention improves the saccharification efficiency of the glycosylation process by improving the glycosylation efficiency of the biomass by improving the productivity and manufacturing efficiency of the glycosylation process by multi-stage treatment of biodegradation process, alkali compound and chlorine compound. Can be. In addition, it can be usefully used for the process of producing bio ethanol and the like using the glucose.
  • 1 is a photograph showing a raw material (raw material) obtained from a biomass raw material, (a) and (b) shows the oak chips and oak mill grinding.
  • FIG. 2 shows the results of HPLC chromatography of the monosaccharide standard, wherein (a), (b), (c), (d) and (e) are glucose, xylose and galactose, respectively. ), Arabinose and mannose.
  • RT represents the retention time (minutes) of each monosaccharide.
  • FIG 3 shows a photograph of a biomass raw material (b) subjected to high pressure steam pretreatment using the high pressure steam pretreatment device (a) and the high pressure steam pretreatment device (a).
  • Figure 4 is a graph showing the glucose conversion rate according to the chemical treatment of the high-pressure steam pretreated biomass raw material.
  • the present invention comprises the steps of steam explosion treatment of the biomass raw material; Treating the vapor depleted biomass feedstock with an alkali compound; Treating the biomass raw material treated with the alkali compound with a chlorine compound; And it provides a glucose production method comprising the step of saccharifying the biomass raw material treated with the chlorine-based compound.
  • the steam decay treatment may be performed at 213 to 235 ° C. under a pressure of 20 to 30 kg / cm 2.
  • the treating with the alkali compound may be treating an aqueous alkali compound solution at a concentration of 1 to 3 wt%.
  • the treating with the chlorine compound may be to treat an aqueous solution of chlorine compound at a concentration of 1 to 3 wt%.
  • the alkali compound is any one or more selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and calcium hydroxide (CaOH), the chlorine compound is Sodium chlorate (NaClO), sodium chlorite (NaClO 2 ) and calcium hypochlorite (Ca (ClO) 2 ) may be any one or more selected from the group consisting of.
  • the glycosylation may be performed by enzyme glycosylation.
  • chemical treatment is used to distinguish from the expression "physical treatment” or “biological treatment”, and means using a chemical reaction.
  • the present invention does not exclude other physical means or methods or biological means or methods in the chemical treatment, so long as the chemical reaction is the main one.
  • the biomass raw material used in this example was provided by Yulim Hi-Tech.
  • the raw material received from the company was provided as a residue after high pressure steam treatment.
  • the high pressure steam pretreatment conditions were treated for 5 minutes at 225 ° C. with a steam pressure of 25 kg / cm 2 .
  • the high-pressure steam pretreated biomass raw material was immersed in a 1 wt% KOH aqueous solution at a ratio of solid: liquid (1:20) and stirred at 100 rpm for 3 hours in a shaking incubator set at 30 ° C. After stirring, the mixture was separated into a residue and a liquid, and the residue was washed with 1% glacial acetic acid and distilled water until the pH was 7, and the residue was again dissolved in 1 wt% aqueous NaClO 2 solution and 3 wt% NaClO 2 aqueous solution, respectively. 20) It was immersed in a ratio and stirred for 3 hours at 100 rpm in a shake incubator set to 30 °C. After stirring, the mixture was filtered and separated into a residue and a liquid. The residue was washed with acetone and distilled water and dried at 105 ° C.
  • Oak wood was used as a biomass material, and it was crushed with Willis mill and passed through 20 mesh and uniformized to the size of the sample that did not pass through 80 mesh, and used as a sample for biomass chemical composition analysis. 1 is shown.
  • Extract content,% was calculated by the following formula (1).
  • Extract Content (Weight of Whole Sample-Weight of Whole Sample after Extraction) / Weight of Whole Sample ⁇ 100
  • Inorganic content,% was calculated by the following formula (2).
  • Carbohydrate content and lignin content were hydrolyzed at 72 ° C for 30 minutes with 72% H 2 S0 4 using ethanol extracted skim samples, and the hydrolyzate diluted with 4% H 2 S0 4 with distilled water was added at 121 ° C. After autoclaving for hours, the filtrate was measured for carbohydrate content and acid soluble lignin and the residue was measured for acid insoluble lignin. Acid insoluble lignin content, acid soluble lignin content,% were calculated by the following equation.
  • Acid insoluble lignin (%) weight of acid insoluble residue / weight of degreasing sample ⁇ 100
  • Acid soluble lignin content (%) [UV absorbance ⁇ amount of filtrate ⁇ dilution factor] / [ ⁇ ⁇ degreasing sample weight] ⁇ 100
  • UV absorbance absorbance at UV spectrophotometer 240 nm
  • ⁇ absorbance at recommended wavelength (L / gcm)-25)
  • Monosaccharide analysis was performed using HPLC (Agilent Technologies, Inc., 1100 series, USA) for carbohydrate content analysis.
  • the column was Aminex HPX-87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA), the mobile phase was distilled water, the flow rate was 0.6 mL / min, the temperature was maintained at 85 °C. 2 shows the retention time of the standard per monosaccharide.
  • the chemical composition of the biomass raw material was 44.6% and 14.0% of the carbohydrate cellulose and hemicellulose, respectively, accounting for 58.6% of the total biomass weight.
  • the potential cellulose content that can be converted into glucose was high (44.6%), but the total content of inactive lignin was 27.5% and ash 2.9%.
  • Wood-based biomass feedstock is composed of a structure that interferes with the accessibility of enzymes during glucose conversion, which may lead to a decrease in saccharification efficiency. Therefore, it is determined that physical and chemical pretreatment may be required to increase the accessibility of enzymes.
  • Table 1 Composition % Dry weight Recovered raw material 100.0 ⁇ 0.0 Extractives 5.7 ⁇ 0.4 Cellulose as glucose 44.6 ⁇ 0.0 A hemicellulose (Hemicellulose as) 14.0 Xylose 10.8 ⁇ 0.2 Galactose 2.4 ⁇ 0.1 Arabinose 0.5 ⁇ 0.1 Mannose 0.3 ⁇ 0.1 Acid insoluble lignin 24.2 ⁇ 0.3 Acid soluble lignin 3.3 ⁇ 0.6 Ash 2.9 ⁇ 0.3 Total 94.7
  • hemicellulose a represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • Wood-based biomass feedstock is composed of a structure that interferes with the accessibility of enzymes during glucose conversion, which may lead to a decrease in saccharification efficiency. Therefore, it is determined that physical and chemical pretreatment may be required to increase the accessibility of enzymes.
  • the biomass raw material used in this experiment was provided by Yulim Hi-Tech.
  • the raw material received from the company was provided as a residue after high pressure steam treatment, and the high pressure steam pretreatment condition was treated at 225 ° C. for 5 minutes at a steam pressure of 25 kg / cm 2 .
  • a photograph of the apparatus used for the high pressure steam pretreatment and the pretreated biomass raw material is shown in FIG. 3.
  • the chemical composition of the high pressure steam pretreated biomass is shown in Table 2.
  • the amount of biomass recovered after high pressure steam pretreatment was 95%, representing 5% loss.
  • the cellulose content was 52.4% and hemicellulose content 0.4%. Decreased.
  • Relative increase in cellulose content and lignin content is thought to have been removed by hemicellulose in the biomass raw material in the low molecular state by hydrolysis during high temperature pretreatment. In the case of total lignin, an increase of 7.7% increased to 35.2%, thus increasing the cellulose content and removing the hemicellulose and the lignin.
  • Hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • the biomass raw material (residue after high-pressure steam treatment) pretreated by the high pressure steam by the method of Experimental Example 2 was chemically treated using alkali and chlorine system.
  • the biomass raw material subjected to the high-pressure steam pretreatment was immersed in a ratio of solid to liquid (1:20), respectively. It was stirred for 3 hours at 100 rpm in a shaking incubator set at 30 ° C. After stirring, the residue was filtered and separated into a residue and a liquid. The residue was washed with 1% glacial acetic acid solution and distilled water until pH 7 and dried at 105 ° C., and then analyzed for chemical composition.
  • High-pressure steam pre-treated biomass raw materials were immersed in a solid: liquid (1:20) ratio at 30 ° C. in 1 wt% NaClO, 3 wt% NaClO aqueous solution, 1 wt% NaClO 2 aqueous solution, and 3 wt% NaClO 2 aqueous solution, respectively. It was stirred for 3 hours at 100 rpm in a set shaker. After stirring, the mixture was filtered and separated into a residue and a liquid. The residue was washed with acetone and distilled water, dried at 105 ° C, and analyzed for chemical composition.
  • the biomass raw material subjected to high pressure steam pretreatment in a 1 wt% KOH aqueous solution was immersed at a ratio of solid: liquid (1:20) and stirred for 3 hours at 100 rpm in a shake incubator set at 30 ° C. After stirring, the mixture was filtered and separated into a residue and a liquid. The residue was washed with 1% glacial acetic acid solution and distilled water until pH 7 and the residue was further dissolved in 1 wt% NaClO 2 aqueous solution and 3 wt% NaClO 2 aqueous solution, respectively: It was immersed in a liquid (1:20) ratio and stirred for 3 hours at 100 rpm in a shake incubator set at 30 ° C. After stirring, the residue was filtered and separated into a residue and a liquid. The residue was washed with acetone and distilled water, dried at 105 ° C, and analyzed for chemical composition.
  • Table 3 shows the chemical composition of the biomass treated with 1 wt% NaOH and 3 wt% NaOH aqueous solution to the biomass raw material subjected to the high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2.
  • the yield of biomass recovered was about 50%, and the content of cellulose was 72.0% and 69.9%, respectively, in 1 wt% NaOH and 3 wt% NaOH aqueous solutions, respectively, showing high cellulose content of about 70%.
  • the cellulose content was higher in the 1 wt% NaOH aqueous solution than the 3 wt% NaOH solution, which was about 19.6% higher than the high pressure steam pretreated biomass.
  • the total lignin content was about 15%, about 17% less than the high pressure steam pretreated biomass, and some of the lignin was extracted.
  • the data in Table 3 above are based on oven dried samples. Pretreatment conditions are 1 wt% NaOH aqueous solution at 30 ° C. and 3 wt% NaOH aqueous solution at 30 ° C., 3 hours, 100 rpm, solid: liquid (1:20) immersion. a Shows the yield of the residue.
  • the hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • Table 4 shows the chemical composition of the biomass treated with 1 wt% KOH and 3 wt% KOH in a biomass raw material subjected to high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2.
  • the yield of biomass recovered by KOH treatment was about 50%, and the content of cellulose was 1% by weight KOH and 3% by weight KOH, respectively, 75.1% and 75.2%, respectively.
  • the increased hemicellulose content was not detected in the case of 3 wt% KOH and 1.0% in the case of 1 wt% KOH.
  • the total lignin content was about 14%, about 19% less than the high pressure steam pretreated biomass.
  • As there was no significant difference in 1 wt% KOH aqueous solution and 3 wt% KOH aqueous solution it was judged that 1 wt% KOH aqueous solution was most suitable for the multi-stage treatment.
  • the data in Table 5 above are based on oven dried samples. Pretreatment conditions are immersion of 1 wt% KOH aqueous solution at 30 ° C. and 3 wt% KOH aqueous solution at 30 ° C. for 3 hours, 100 rpm, solid: liquid (1:20). a Shows the yield of the residue.
  • the hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • the chemical composition of the biomass treated with 1 wt% NaClO aqueous solution and 3 wt% NaClO aqueous solution in the biomass raw material subjected to high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2 is shown in Table 5.
  • the yield of biomass recovered from NaClO treatment was 76.5% for 1 wt% NaClO and 67.4% for 3 wt% NaClO, indicating higher recovery than alkali treatment.
  • the content of cellulose was 50.2% and 50.1% for 1 wt% NaClO and 3% NaClO, respectively, and the obtained cellulose content was lower than that for high recovery, and the hemicellulose content was 1 wt% NaClO and 3 wt% NaClO.
  • the lignin removal rate was 0.4% and 0.5%, respectively, and the total lignin content was about 37 ⁇ 39%, which was lower than the alkali treatment.
  • the data in Table 5 above are based on oven dried samples. Pretreatment conditions are 1 wt% NaClO aqueous solution at 30 ° C. and 3 wt% NaClO aqueous solution at 30 ° C., 3 hours, 100 rpm, solid: liquid (1:20) immersion. a Shows the yield of the residue.
  • the hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • the data in Table 6 above are based on oven dried samples. Pretreatment conditions are 1 wt% NaClO 2 aqueous solution at 30 ° C. and 3 wt% NaClO 2 aqueous solution at 30 ° C., 3 hours, 100 rpm, solid: liquid (1:20) immersion. a Shows the yield of the residue.
  • the hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • the multi-stage treatment was performed by selecting the chemical treatment method of 1 wt% KOH aqueous solution and 1 to 3 wt% NaClO 2 aqueous solution which had high efficiency in treating KOH, NaOH, NaClO, NaClO 2 .
  • Table 7 shows the chemical composition of the biomass treated with 1 wt% KOH and 1 to 3 wt% NaClO 2 aqueous solution to the biomass raw material subjected to the high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2.
  • the yield of biomass recovered was about 50%, which was similar to that of 1 wt% KOH.
  • Cellulose content have 1 weight% KOH, and 1 wt.% NaClO 2 multi-stage processed with 74.1%, the KOH and the NaClO 2 solution to 1 weight% KOH and 3 wt% NaClO 2 77.2% when the multi-stage process the first stage of treatment Compared to the It was judged that the multistage treatment was affected by the concentration because it showed a similar content or increased content.
  • the total lignin content was about 14% in the case of the multistage treatment, which was similar to the lignin content in the KOH treatment. Therefore, the lignin removal was determined to be affected by alkali.
  • the data in Table 7 above are based on oven dried samples. Pretreatment conditions were 30 ° C., 3 hours, 100 rpm, solid: liquid (1:20) immersion. a Shows the yield of the residue.
  • the hemicellulose b represents xylose + galactose + arabinose + mannose.
  • Talignin rate is the percentage of lignin removed.
  • Talignin rate (%) (Lignin content before pretreatment-Lignin content after pretreatment) / Lignin content before pretreatment ⁇ 100
  • Enzyme hydrolysis rate was calculated using the weight of the residue after enzymatic hydrolysis on the injected sample.
  • Enzyme hydrolysis rate (%) (weight of injected sample-weight of residue after enzymatic hydrolysis) / weight of injected sample ⁇ 100
  • Glucose conversion was calculated using the weight of glucose in the digested solution after enzymatic hydrolysis on the glucose contained in the injected sample.
  • Glucose Conversion Rate Weight of Glucose in Degradation Solution after Enzymatic Hydrolysis / Weight of Glucose in Sample ⁇ 100
  • HPLC Agilent Technologies, Inc., 1100 series, USA
  • the column was Aminex HPX-87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA), the mobile phase was distilled water, the flow rate was 0.6ml / min, the temperature was maintained at 85 °C.
  • Table 8 shows the glucose content and the sugar conversion rate produced after enzymatic hydrolysis of biomass subjected to high pressure steam pretreatment by the method of biomass and Experimental Example 2.
  • the yield of the substrate was about 95%, and the cellulose content was 7.8% higher in the biomass pretreated biomass than the biomass. .
  • the lignin content was relatively higher than before the high pressure steam pretreatment.
  • the amount of glucose produced was 1.1 g / l for biomass and 9.1 g / l for high pressure steam pretreatment. A large amount of glucose was produced during high pressure steam pretreatment and the enzyme hydrolysis rate increased by 64.9% during high pressure steam pretreatment. The glucose conversion rate on the basis of the high conversion rate was 86.8% at high pressure steam pretreatment.
  • Lignin a represents acid insoluble lignin plus acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • Table 9 and Table 10 show the glucose content and the sugar conversion rate of the hydromass produced by the hydrolysis of the high-pressure steam pretreated by the method of Experimental Example 2, respectively, followed by enzyme hydrolysis. .
  • Lignin a represents acid insoluble lignin + acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • Lignin a represents acid insoluble lignin plus acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • Table 11 shows the glucose content and the sugar conversion rate of the hydromass produced by enzymatic hydrolysis after treating 1 wt% NaClO and 3 wt% NaClO aqueous solution to the biomass raw material subjected to the high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2, respectively.
  • the yield of the recovered substrate was 76.5% for 1 wt% NaClO and about 67.4% for 3 wt% NaClO, indicating that the amount of substrate recovered for enzymatic hydrolysis was greatly reduced.
  • the lignin showed an ineffective value in the talignin ratio.
  • the content of cellulose was less than expected compared to the amount of substrate recovered by about 50% upon treatment with 1% NaClO and 3% NaClO.
  • the amount of glucose produced after enzymatic hydrolysis was 4.8 ⁇ 4.9g / l, which was lower than that of alkali pretreatment, and the conversion rate of glucose was low at about 48% when 1% NaClO and 3% NaClO were treated. .
  • Secondary treatment of NaClO in high pressure steam pretreated biomass feedstocks is not suitable as a single pretreatment method when evaluating the amount of substrate recovered but the amount of cellulose, the amount of glucose produced, and the conversion of glucose.
  • Table 11 1 wt% NaClO 3 wt% NaClO Yield of residue (%) 76.5 67.4 Lignin a (%) 38.9 36.9 Talignin rate (%) - - Cellulose (%) 50.2 50.1 Holocellulose b (Holocellulose; cellulose + hemicellulose) (%) 50.6 50.6 Enzyme hydrolysis rate c (%) 25.6 26.1 Glucose (%) 4.8 4.9 Glucose Conversion Rate (%) 47.8 48.9
  • Lignin a represents acid insoluble lignin plus acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • Table 12 shows the glucose content and the sugar conversion rate of the hydromass produced by hydrolysis of enzyme by hydrolysis of 1 wt% NaClO 2 and 3 wt% NaClO 2 solutions to the biomass raw material subjected to the high pressure steam pretreatment by the method of Experimental Example 2, respectively. . If the amount of the recovered substrate 1 wt% NaClO 2 74.8%, 3 wt.% Of NaClO 2 when 1 wt% NaClO 2 treatment to about 50.2% was able to recover the substrate of the high content of delignification rate of 3 parts by weight Treatment with% NaClO 2 showed a high value of 45.2%. The content of cellulose was 53.4% and 70.6%, respectively, when treated with 1 wt% NaClO 2 and 3 wt% NaClO 2 , showing high contents when treated with 3 wt% NaClO 2 .
  • NaClO 2 concentration increases with decreasing amount of the recovered substrate according but the concentration if the parallel NaClO 2 process in the biomass pre-processing high-pressure water vapor increased by increasing the content of the content and the glucose produced cellulose The more effective it is, the better.
  • Lignin a represents acid insoluble lignin plus acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • the yield of the substrate recovered after the multistage treatment of alkali and chlorine was about 50% in 1 wt% KOH + 1 wt% NaClO 2 and 1 wt% KOH + 3 wt% NaClO 2 . It was about 4% more effective at 1 KOH + 3 wt% NaClO 2 than at 1 wt% KOH + 1 wt% NaClO 2 .
  • the cellulose content was higher at 77.2% at 1 wt% KOH +3 wt% NaClO 2 but the glucose production, glucose conversion was higher at 1 wt% KOH + 1 wt% NaClO 2 .
  • Lignin a represents acid insoluble lignin plus acid soluble lignin.
  • Holocellulose b represents cellulose + hemicellulose.
  • Enzymatic hydrolysis condition c was hydrolyzed for 96 hours at pH 4.8, 0.1 M sodium citrate buffer, 50 ° C, 150 rpm.
  • Glucose conversion was compared when the alkali and chlorine compound aqueous solutions were treated alone and when subjected to multiple stages (see FIG. 4). Glucose conversion was higher than 39.1% during high pressure steam pretreatment. When 1% by weight KOH and 1% by weight NaOH were treated in biomass raw material with high pressure steam alone, the conversion was 67.9% and 67.4%, respectively. Treatment with NaClO 2 and 3 wt% NaClO 2 alone showed glucose conversions of 55.2% and 68.7%.
  • Glucose manufacturing method comprising a multi-step process according to the present invention can improve the productivity and manufacturing efficiency of glucose from biomass by improving the saccharification efficiency of the saccharification process, useful for the process of producing bio ethanol, etc. using the glucose Can be used.

Abstract

본 발명은 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법은 바이오매스에 증기폭쇄 공정, 알칼리 화합물 처리 공정 및 염소계 화합물의 다단 처리함으로써, 당화 공정의 당화 효율을 향상시켜 바이오매스로부터 글루코오스의 생산성 및 제조효율을 향상시킬 수 있다.

Description

다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법
본 발명은 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법에 관한 것이다.
1998년을 기준으로 한 국내바이오매스 부존자원은 연간 약 1,200만 톤에 이르며, 현재의 기술로 이용가능한 자원은 그 양의 약 20%에 해당하는 230만 톤에 이른다. 또한 농업 부산물의 부존자원은 400만 톤/년에 달하며, 보급 잠재량은 105만 톤/년에 이르며 이를 현금으로 환산하면 3,675억원에 이르고 있다. 2002년도 말 현재 우리나라의 임산자원은 461,635,000 톤으로 나타났으며, 산림에서 이루어지고 있는 숲 가꾸기사업 또는 간벌, 지장목 벌채 등으로 생산되는 폐잔목과 용재로서 이용이 불가능한 폐자원에 대한 이용방안이 절실하다. 따라서, 부존 자원이 적은 우리나라에서 저비용으로, 바이오매스로부터 순도 높은 셀룰로오스를 제조하고 이를 바탕으로 글루코오스를 제조하는 구체적인 제조공정의 개발이 요청되고 있다.
본 발명의 목적은 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오매스 원료를 증기 폭쇄 처리하는 단계; 상기 증기 폭쇄 처리된 바이오매스 원료를 알칼리 화합물로 처리하는 단계; 상기 알칼리 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 염소계 화합물로 처리하는 단계; 및 상기 염소계 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 당화시키는 단계를 포함하는 글루코오스 제조방법을 제공한다.
상기 바이오매스는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체 및 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물/미생물 유기체를 포함하는 것으로서, 구체적으로 각종 동식물을 비롯하여 농업에서 나온 부산물 및 폐기물, 음식물 쓰레기, 생체에 기초한 산업 폐기물, 바이오 연료 생산을 목적으로 재배된 작물 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오매스는 사탕수수, 사탕무 등의 설탕류; 옥수수, 밀, 쌀, 카사바, 타피오카 등의 전분류; 및 목재 폐기물, 볏짚이나 옥수수대와 같은 농업 잔류물 등의 리그노셀룰로오스(lignocellulose) 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다. 일 예로서, 상기 바이오매스는 리그노셀룰로오스계 중에서, 참나무(Oak wood)와 같은 목재 폐기물일 수 있다.
상기 증기 폭쇄(Steam explosion) 처리하는 단계는 고압 수증기를 이용하여 바이오매스를 전처리하는 공정이다. 즉, 고온의 증기가 들어 있는 고압 용기에서 상기 바이오매스를 소정 시간 동안 찐 후, 순식간에 상기 고압 용기의 밸브를 열어 마치 팝콘처럼 순간적으로 바이오매스 내의 분자의 구조가 열리도록 유도하는 방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증기 폭쇄 처리하는 단계는 20 내지 30㎏/㎠의 압력 하에 213 내지 235℃에서 수행할 수 있다. 상기 압력이 20㎏/㎠ 미만일 경우 증기 폭쇄 처리가 충분하지 않을 수 있고, 30㎏/㎠를 초과할 경우, 압력 증가에 따른 증기 폭쇄 처리의 효율성이 떨어질 수 있어 경제적으로 20 내지 30㎏/㎠의 압력 하에 수행할 수 있다. 상기 온도가 213℃ 미만의 온도의 경우 증기 폭쇄 처리가 충분하지 않을 수 있고, 235℃를 초과할 경우, 온도 증가에 따른 증기 폭쇄 처리의 효율성이 떨어질 수 있어 경제적으로 213 내지 235℃에서 수행할 수 있다. 상기 증기 폭쇄 처리 시간은 약 3 내지 10분 일 수 있다. 예를 들어, 상기 증기 폭쇄 처리는 25㎏/㎠ 의 수증기 압력으로 225℃에서 5분 동안 처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 화합물로 처리하는 단계로 1 내지 3 중량% 농도의 알칼리 수용액을 처리할 수 있다.
상기 알칼리 화합물을 처리하는 단계에서 0.5 중량% 농도 미만의 알칼리 화합물을 처리하는 경우, 알칼리 화합물 처리의 효과가 충분하지 않을 수 있고, 5 중량% 농도를 초과하여 알칼리 화합물을 처리하는 경우, 알칼리 화합물 처리에 의한 효과가 증가되지 않으므로 환경적 오염 또는 약품회수, 리사이클 측면과 경비 발생측면에서 바람직하지 않을 수 있다. 상기 알칼리 화합물을 처리하는 단계의 알칼리 화합물 수용액의 농도는 0.5 내지 5 중량%일 수 있다. 바람직하게는 상기 알칼리 화합물 수용액의 농도는 1 내지 3 중량%일 수 있다.
상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH) 또는 수산화칼슘(CaOH) 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 알칼리 화합물은 수산화칼륨(KOH)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염소계 화합물로 처리하는 단계로 1 내지 3 중량% 농도의 염소계 화합물 수용액을 처리할 수 있다.
상기 염소계 화합물을 처리하는 단계에서 0.5 중량% 농도 미만의 염소계 화합물을 처리하는 경우, 염소계 화합물 처리의 효과가 충분하지 않을 수 있고, 5 중량% 농도를 초과하여 염소계 화합물을 처리하는 경우, 염소계 화합물 처리에 의한 효과가 증가되지 않으므로 환경적 오염 또는 약품회수, 리사이클 측면과 경비 발생측면에서 바람직하지 않을 수 있다. 상기 염소계 화합물을 처리하는 단계의 염소계 화합물 수용액의 농도는 0.5 내지 5 중량%일 수 있다. 바람직하게는 상기 염소계 화합물 수용액의 농도는 1 내지 3 중량%일 수 있다.
상기 염소계 화합물은 차아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO2) 또는 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2) 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 염소계 화합물은 차아염소산나트륨(NaClO) 또는 아염소산나트륨(NaClO2)일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 염소계 화합물은 아염소산나트륨(NaClO2)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 수산화칼슘(CaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 염소계 화합물은 차아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO2) 및 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 화합물은 수산화칼륨(KOH)이며, 상기 염소계 화합물은 아염소산나트륨(NaClO2)일 수 있다.
상기 당화시키는 단계는 통상적인 방법에 따라 산 당화(acid saccharification)에 의해 수행될 수도 있으나, 효소 당화에 의해 수행되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 당화시키는 단계는 효소 당화에 의해 수행할 수 있다.
“당화”는 셀룰로스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코스로 전환되는 과정이며, 셀룰라아제(Cellulase)가 셀룰로오스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로오스를 셀로바이오스(cellobiose)로 바꾸는 과정과 이렇게 생성된 셀로바이오스가 β-글루코시다제(β-glucosidase)의 효소반응에 의해 글루코스로 전환되는 과정으로 나눌 수 있다.
상기 효소는 셀룰라아제, β-글루코시다제(β-glucosidase), 헤미셀룰라아제(hemicellulase) 및 자일라나아제(xylanase) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 효소는 Celluclast 1.5L(Novozymes, Denmark), Viscozyme L(Novozymes, Denmark) 등을 포함할 수 있다.
상기 효소 당화 공정 온도는 40 내지 80℃일 수 있다. 상기 당화 온도가 40℃ 미만일 경우 당화 속도가 느릴 수 있으며, 상기 효소 당화 공정 온도가 80℃를 초과할 경우 효소 변성을 일으킬 수 있다. 바람직하게는 상기 효소 당화 공정 온도는 45 내지 55℃일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오매스 원료를 20 내지 30㎏/㎠의 압력 하에 213 내지 235℃에서 증기 폭쇄 처리하는 단계; 상기 증기 폭쇄 처리된 바이오매스 원료에 1 내지 3 중량% 농도의 수산화칼륨(KOH) 수용액을 처리하는 단계; 상기 수산화칼륨(KOH) 수용액으로 처리된 바이오매스 원료에 1 내지 3 중량% 농도의 아염소산나트륨(NaClO2) 수용액을 처리하는 단계; 및 상기 아염소산나트륨(NaClO2) 수용액으로 처리된 바이오매스 원료를 효소 당화 공정을 이용하여 당화시키는 단계를 포함하는 글루코오스 제조방법를 제공한다.
본 발명에 따른 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법은 바이오매스에 증기폭쇄 공정, 알칼리 화합물 및 염소계 화합물을 다단 처리함으로써, 당화 공정의 당화 효율을 향상시켜 바이오매스로부터 글루코오스의 생산성 및 제조효율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 글루코오스를 이용하여 바이오 에탄올 등을 생산하는 공정 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 바이오 매스 원료로부터 얻은 원료 물질(raw material)을 나타내는 사진으로, (a) 및 (b)는 참나무 칩 및 참나무 밀 분쇄물을 나타낸다.
도 2는 단당류 표준(standard)의 HPLC 크로마토그래피 결과로서, (a), (b), (c), (d) 및 (e)는 각각 글루코오스(glucose), 자일로스(xylose), 갈락토오스(galactose), 아라비노오스(arabinose) 및 만노오스(mannose)를 나타낸다. 여기에서, RT는 각각의 단당류의 머무름 시간(분)을 나타낸다.
도 3은 고압 수증기 전처리 장치(a) 및 상기 고압 수증기 전처리 장치(a)를 이용하여 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료(b)의 사진을 나타낸다.
도 4는 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 처리에 따른 글루코오스 전환율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 바이오매스 원료를 증기 폭쇄 처리하는 단계; 상기 증기 폭쇄 처리된 바이오매스 원료를 알칼리 화합물로 처리하는 단계; 상기 알칼리 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 염소계 화합물로 처리하는 단계; 및 상기 염소계 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 당화시키는 단계를 포함하는 글루코오스 제조방법을 제공한다.
상기 증기 폭쇄 처리하는 단계는 20 내지 30㎏/㎠의 압력 하에 213 내지 235℃에서 수행할 수 있다.
상기 알칼리 화합물로 처리하는 단계는 1 내지 3 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리하는 것일 수 있다.
상기 염소계 화합물로 처리하는 단계는 1 내지 3 중량% 농도의 염소계 화합물 수용액을 처리하는 것일 수 있다.
상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 수산화칼슘(CaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 염소계 화합물은 차아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO2) 및 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
상기 당화시키는 단계는 효소 당화에 의해 수행되는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예 및 실험예에 있어서, 화학적 처리는 “물리적으로 처리” 또는 “생물학적으로 처리” 라는 표현과 구별을 하기 위하여 사용하는 것으로서, 화학 반응을 이용하는 것을 의미한다. 그러나, 본 발명은 상기 화학 반응이 주가 되는 한, 상기 화학적으로 처리시 여타의 물리적인 수단 또는 방법, 또는 생물학적인 수단 또는 방법을 배제하지 않는다.
실시예
1. 바이오매스 원료의 고압 수증기 전처리 공정(Steam explosion pretreatment)
본 실시예에 사용된 바이오매스 원료는 (주) 유림하이텍으로부터 제공받았다. 업체로부터 제공받은 원료는 고압 수증기 처리 후 잔사 상태로 제공받았다. 고압 수증기 전처리 조건은 25㎏/㎝2의 수증기 압력으로 225℃에서 5분 동안 처리 하였다.
2. 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 처리: 다단 처리(1 중량% KOH 수용액 + 1 중량% NaClO 2 수용액(실시예 1), 1 중량% KOH 수용액 + 3 중량% NaClO 2 수용액(실시예 2))
1 중량% KOH 수용액에 상기 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료를 고체 : 액체 (1:20)의 비율로 침지 시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기에서 100rpm 으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 pH 7이 될 때까지 1% 빙초산과 증류수로 세척하여 잔사는 다시 1 중량% NaClO2 수용액, 3 중량% NaClO2 수용액에 각각 고체 : 액체 (1:20) 비율로 침지시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기에서 100rpm 으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 아세톤과 증류수로 세척해서 105℃에서 건조시켰다.
3. 효소 당화
고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료에 화학적 처리(1 중량% KOH 수용액 + 1 중량% NaClO 2 수용액(실시예 1), 1 중량% KOH 수용액 + 3 중량% NaClO 2 수용액(실시예 2))를 수행하고 효소 당화를 수행하였다.
삼각플라스크에 전처리된 시료 1g과 0.1M 구연산 나트륨 완충액(sodium citrate buffer) 50㎖(pH 4.8)을 투입한 후 50℃가 될 때 까지 가열해준 후 시판되는 효소 Celluclast 1.5L과 Viscozyme L을 각각 0.8㎖, 0.2㎖ 넣고 진탕배양기에서 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해 하였다.
실험예 1. 바이오매스 원료의 화학적 조성 분석
1. 시료
바이오매스 원료로 참나무(Oak wood)를 사용하였고 윌리스 밀로 분쇄하여 20 메쉬(mesh)를 통과하였고 80 메쉬(mesh)를 통과하지 못한 시료의 크기로 균일화시켜 바이오매스 화학적 조성분석을 위한 시료로 사용하였으며 도 1에 나타내었다.
2. 바이오매스 원료의 화학적 조성 분석을 위한 분석법
바이오매스 원료의 화학적 조성을 분석하기 위해 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 분석법에 따라 다음과 같은 분석을 하였다.
(1) 추출물 함량 (NREL/TP510-42619)
정칭한 시료 2g을 원통여과지(thimble filter)에 옮겨 속슬렛 추출기에서 에탄올 200㎖으로 24시간 동안 추출한 후 추출물 함량을 측정하고 탈지된 시료는 리그닌 함량 및 탄수화물 함량 측정 시료로 사용하였다. 추출물 함량, %는 하기 수학식 1에 의하여 계산하였다.
[수학식 1]
추출물 함량(%) = (전건 시료의 무게 - 추출 후 전건 시료의 무게)/전건 시료의 무게 × 100
(2) 무기물 함량 (NREL/TP510-42622)
도가니에 시료를 2g을 정칭하여 도가니에 넣고 600 ± 25 ℃의 전기로에서 24시간 동안 완전히 탄화시켜서 무기물의 함량을 측정하였다. 무기물 함량, %는 하기 수학식 2에 의하여 계산하였다.
[수학식 2]
무기물 함량(%) = 회분 무게/시료의 전건 무게 × 100
(3) 탄수화물 및 리그닌 함량 (NREL/TP510-42618)
탄수화물 함량과 리그닌 함량은 에탄올 추출한 탈지시료를 사용하여 72% H2SO4로 30℃에서 60 분간 가수분해한 후 증류수를 첨가하여 4% H2SO4로 희석시킨 가수분해액을 121℃에서 1시간 동안 오토클래이브(autoclave)한 후 여과하여 여과액은 탄수화물 함량 및 산가용성 리그닌 측정을 하고 잔사는 산불용성 리그닌 측정을 하였다. 산불용성 리그닌함량과 산가용성 리그닌 함량, %는 다음 식에 의하여 계산하였다.
[수학식 3]
산불용성 리그닌(%) = 산불용성 잔사의 무게/ 탈지 시료의 무게 × 100
[수학식 4]
산가용성 리그닌 함량(%) = [UV 흡광도 × 여과액의 양 × 희석배수] / [ε × 탈지 시료 무게] × 100
상기 수학식 4에서, UV 흡광도 = UV 분광광도계 240㎚에서의 흡광도, ε= 권장된 파장에서의 흡광도(L/g·㎝) - 25)
(4) 단당류 분석 (NREL/TP510-42623)
탄수화물 함량 분석을 위해 HPLC (Agilent Technologies, Inc., 1100 series, USA)를 사용하여 단당류 분석을 하였다. 컬럼은 Aminex HPX-87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA), 이동상은 증류수를 사용하였고 유속은 0.6 mL/min, 온도는 85℃를 유지 하였다. 도 2에 단당류별 표준(standard)의 머무름 시간(retention time)을 나타내었다.
3. 바이오매스 원료의 화학적 조성
바이오매스 원료의 화학적 조성은 표 1에서 보는 바와 같이 탄수화물인 셀룰로오스(cellulose)와 헤미셀룰로스(hemicellulose) 함량은 각각 44.6%, 14.0%로 전체 바이오매스무게의 약 58.6%를 차지하였다. 특히 글루코오스(glucose)로 전환 가능한 잠재적인 셀룰로오스 함량은 44.6%로 높은 수치를 나타내지만 비활성 요소인 총 리그닌의 함량이 27.5%, 회분(ash) 2.9%로 나타났다.
글루코오스 전환 시 목질계바이오매스 원료는 효소의 접근성을 방해하는 구조로 이루어져 있어 당화 효율의 저하를 가져올 수 있으므로 효소의 접근성을 높일 수 있는 물리·화학적인 전처리가 필요할 것으로 판단되었다.
표 1
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
원료(recovered raw material) 100.0 ± 0.0
추출물(Extractives) 5.7 ± 0.4
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 44.6 ± 0.0
헤미셀룰로오스a(Hemicellulose as) 14.0
자일로스(Xylose) 10.8 ± 0.2
갈락토오스(Galactose) 2.4 ± 0.1
아라비노오스(Arabinose) 0.5 ± 0.1
만노오스(Mannose) 0.3 ± 0.1
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 24.2 ± 0.3
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 3.3 ± 0.6
회분(Ash) 2.9 ± 0.3
총합계(total) 94.7
상기 표 1에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이며, 헤미셀룰로오스a는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
글루코오스 전환 시 목질계바이오매스 원료는 효소의 접근성을 방해하는 구조로 이루어져 있어 당화 효율의 저하를 가져올 수 있으므로 효소의 접근성을 높일 수 있는 물리·화학적인 전처리가 필요할 것으로 판단되었다.
실험예 2. 바이오매스 원료의 고압 수증기 전처리 공정
1. 고압 수증기 전처리(Steam explosion pretreatment)
본 실험예에 사용된 바이오매스 원료는 (주)유림하이텍에서 제공 받았다. 업체로부터 제공받은 원료는 고압 수증기 처리 후 잔사 상태로 제공받았으며 이 때 고압 수증기 전처리 조건은 25㎏/㎝2의 수증기 압력으로 225℃에서 5분 동안 처리하였다. 고압 수증기 전처리에 사용된 장치와 전처리된 바이오매스 원료의 사진을 도 3에 나타내었다.
2. 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 조성 분석
고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료 화학적 조성을 분석하기 위해 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 분석법에 따라 상기 실험예 1에서 설명한 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 분석 하였다.
3. 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 조성
고압 수증기 전처리된 바이오매스의 화학적 조성을 표 2에 나타내었다. 고압수증기 전처리 후에 회수되는 바이오매스의 양은 95%로 5% 정도의 손실을 나타내었고 셀룰로오스 함량 52.4%, 헤미셀룰로오스 함량 0.4%로 고압수증기 전처리 전 바이오매스보다 셀룰로오스 함량은 7.8% 증가하였고 헤미셀룰로오스 함량은 13.6% 감소하였다. 셀룰로오스 함량 및 리그닌 함량의 상대적인 증가는 바이오매스 원료에 존재하는 헤미셀룰로오스가 고온 전처리 동안 가수분해 되어 저분자 된 상태에서 휘발되어 제거된 것으로 사료된다. 총 리그닌의 경우 7.7% 증가한 35.2%의 수치를 나타냄에 따라 셀룰로오스의 함량을 높이고 헤미셀룰로오스와 리그닌의 제거를 위한 공정이 추가적으로 필요할 것으로 판단되었다.
표 2
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
원료(recovered raw material)a 95.0 ± 0.0
추출물(Extractives) 5.3 ± 0.3
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 52.4 ± 0.0
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 0.4
자일로스(Xylose) 0.1 ± 0.0
갈락토오스(Galactose) 0.1 ± 0.1
아라비노오스(Arabinose) 0.1 ± 0.0
만노오스(Mannose) 0.1 ± 0.0
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 32.0 ± 0.3
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 3.2 ± 0.3
회분(Ash) 2.4 ± 0.2
총합계(total) 95.7
상기 표 2에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전 처리 조건은 25㎏/㎝2의 수증기 압력으로 225℃에서 5분 동안 처리 한 후 1시간 동안 열수 추출이다. 상기 a잔사의 수율을 나타낸다. 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
실험예 3. 전처리 원료로부터 셀룰로오스 확보 기술 도출
1. 화학적 처리
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료(고압 수증기 처리후의 잔사)를 알칼리와 염소계를 이용하여 화학적 처리를 하였다.
(1) 알칼리 처리 (1~3 중량% NaOH 수용액, 1~3 중량% KOH 수용액)
1 중량% NaOH, 3 중량% NaOH 수용액과 1 중량% KOH, 3 중량% KOH 수용액에 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료를 각각 고체(solid) : 액체(liquid) (1:20)의 비율로 침지시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기(shaking incubator)에서 100rpm으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 1% 빙초산수용액과 증류수를 사용하여 pH 7이 될 때까지 세척해서 105℃에서 건조시킨 후 화학적 조성 분석을 하였다.
(2) 염소계 처리 (1~3 중량% NaClO 수용액, 1~3 중량% NaClO2 수용액)
1 중량% NaClO, 3 중량% NaClO 수용액과 1 중량% NaClO2 수용액, 3 중량% NaClO2 수용액에 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료를 각각 고체 : 액체 (1:20)의 비율로 침지 시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기에서 100rpm 으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 아세톤과 증류수로 세척해서 105℃에서 건조시킨 후 화학적 조성 분석을 하였다.
(3) 다단 처리(1 중량% KOH 수용액+ 1 중량% NaClO2 수용액, 1 중량% KOH 수용액+ 3 중량% NaClO2 수용액)
1 중량% KOH 수용액에 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료를 고체 : 액체 (1:20)의 비율로 침지 시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기에서 100rpm 으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 1% 빙초산수용액과 증류수를 사용하여 pH 7이 될 때까지 세척한 다음 잔사는 다시 1 중량% NaClO2 수용액, 3 중량% NaClO2 수용액에 각각 고체 : 액체 (1:20) 비율로 침지시켜서 30℃로 설정된 진탕배양기에서 100rpm 으로 3시간 동안 교반하였다. 교반 후 여과하여 잔사와 액으로 분리하고 잔사는 아세톤과 증류수로 세척해서 105℃에서 건조시킨 후 화학적 조성 분석을 하였다.
2. 화학적 처리에 따른 화학적 조성의 분석
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 알칼리, 염소계, 다단 처리한 후 화학적 조성을 분석하기 위해 NREL 분석법에 따라 상기 실험예 1에서 설명한 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 분석 하였다.
3. 알칼리 처리에 따른 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 조성
(1) NaOH 처리
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% NaOH, 3 중량% NaOH 수용액을 처리한 바이오매스의 화학적 조성을 표 3에 나타내었다. NaOH 처리를 했을 경우 회수되는 바이오매스의 수율은 약 50%이고 셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaOH, 3 중량% NaOH 수용액에서 각각 72.0%, 69.9%로 약 70%의 높은 셀룰로오스 함량을 나타냈다. 고압수증기 전처리된 바이오매스보다 약 19.6% 증가한 수치로 3 수용액% NaOH보다 1 중량% NaOH 수용액에서 높은 셀룰로오스 함량을 나타냈다. 총 리그닌의 함량은 약 15%로 고압 수증기 전처리된 바이오매스보다 약 17% 감소한 수치로 일부 용해되어 추출되었을 것으로 되었다.
표 3
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
1 중량% NaOH 3 중량% NaOH
원료(recovered raw material)a 51.0 50.2
추출물(Extractives) 4.8 ± 0.4 5.2 ± 0.2
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 72.0 ± 0.1 69.9 ± 0.1
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 0.5 0.2
자일로스(Xylose) - -
갈락토오스(Galactose) 0.5 ± 0.0 0.1 ± 0.0
아라비노오스(Arabinose) 0.0 ± 0.0 0.1 ± 0.0
만노오스(Mannose) - 0.0
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 14.8 ± 0.4 15.7 ± 0.5
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 1.7 ± 0.3 1.7 ± 0.1
회분(Ash) 3.6 ± 0.1 3.0 ± 0.1
총합계(total) 97.4 95.7
상기 표 3에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전처리 조건은 30℃에서 1 중량% NaOH 수용액 및 30℃에서 3 중량% NaOH 수용액, 3시간, 100rpm, 고체 : 액체 (1:20) 침지이다. a잔사의 수율을 나타낸다. 상기 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
(2) KOH 처리
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료에 1 중량% KOH, 3 중량% KOH 수용액 처리한 바이오매스의 화학적 조성을 표 4에 나타내었다. KOH 처리를 했을 경우 회수되는 바이오매스의 수율은 약 50%이고 셀룰로오스의 함량은 1 중량% KOH, 3 중량% KOH 경우 각각 75.1%, 75.2% 로 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료보다 22.7%, 22.8% 증가한 수치를 나타냈으며 헤미셀룰로오스의 함량은 3 중량% KOH의 경우 검출되지 않았으며 1 중량% KOH의 경우 1.0%의 수치를 나타냈다. 총 리그닌의 함량은 약 14%로 고압 수증기 전처리된 바이오매스보다 약 19% 감소되었다. 1 중량% KOH 수용액, 3 중량% KOH 수용액에서 두드러지는 차이를 보이지 않음에 따라 다단 처리시 1 중량% KOH 수용액이 가장 적절할 것으로 판단되었다.
표 4
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
1 중량% KOH 3 중량% KOH
원료(recovered raw material)a 51.7 50.7
추출물(Extractives) 3.2 ± 0.2 3.4 ± 0.1
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 75.1 ± 0.0 75.2 ± 0.0
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 1.0 -
자일로스(Xylose) 0.1 ± 0.0 -
갈락토오스(Galactose) 0.7 ± 0.1 -
아라비노오스(Arabinose) 0.1 ± 0.0 -
만노오스(Mannose) 0.1 ± 0.0 -
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 13.2 ± 0.1 13.0 ± 0.0
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 1.6 ± 0.1 1.6 ± 0.2
회분(Ash) 2.5 ± 0.3 2.4 ± 0.6
총합계(total) 96.6 95.6
상기 표 5에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전처리 조건은 30℃에서 1 중량 % KOH 수용액 및 30℃에서 3 중량% KOH 수용액 3시간, 100rpm, 고체 : 액체 (1:20) 침지이다. a잔사의 수율을 나타낸다. 상기 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
3. 염소계 전처리에 따른 바이오매스의 화학적 조성
(1) NaClO 처리
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% NaClO 수용액, 3 중량% NaClO 수용액으로 처리한 바이오매스의 화학적 조성을 표 5에 나타내었다. NaClO 처리를 했을 경우 회수되는 바이오매스의 수율은 1 중량% NaClO 경우 76.5%, 3 중량% NaClO 경우 67.4%로 알칼리 처리에 비해 높은 회수율을 나타냈다. 셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaClO, 3 중량% NaClO 경우 각각 50.2%, 50.1%로 높은 회수율에 비해 얻어지는 셀룰로오스의 함량은 낮은 수치를 나타냈으며, 헤미셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaClO, 3 중량% NaClO 경우 각각 0.4%, 0.5%의 함량을 나타냈고 총 리그닌의 함량은 약 37~39%로 알칼리처리에 비해 리그닌 제거율이 낮았다.
표 5
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
1 중량% NaClO 3 중량% NaClO
원료(recovered raw material)a 76.5 67.4
추출물(Extractives) 5.7 ± 0.5 5.8 ± 0.1
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 50.2 ± 0.2 50.1 ± 0.0
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 0.4 0.5
자일로스(Xylose) 0.1 ± 0.0 0.1 ± 0.0
갈락토오스(Galactose) 0.2 ± 0.0 0.3 ± 0.3
아라비노오스(Arabinose) 0.1 ± 0.1 0.0 ± 0.0
만노오스(Mannose) 0.0 ± 0.0 0.1 ± 0.1
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 36.3 ± 0.2 34.3 ± 0.2
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 2.6 ± 0.2 2.6 ± 0.1
회분(Ash) 3.3 ± 0.2 3.1 ± 0.3
총합계(total) 98.5 96.4
상기 표 5에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전처리 조건은 30℃에서 1 중량% NaClO 수용액 및 30℃에서 3 중량% NaClO 수용액, 3시간, 100rpm, 고체 : 액체 (1:20) 침지이다. a잔사의 수율을 나타낸다. 상기 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
(2) NaClO2 처리
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% NaClO2 수용액, 3 중량% NaClO2 수용액으로 처리한 바이오매스의 화학적 조성을 표 6에 나타내었다. NaClO2 처리를 했을 경우 회수되는 바이오매스의 수율은 1 중량% NaClO2의 경우 74.8%, 3 중량% NaClO2의 경우 50.2%로 1 중량% NaClO2 처리 했을 때 높은 회수율을 나타냈다. 그러나 셀룰로오스의 함량을 비교해 보았을 때 1 중량% NaClO2의 경우 53.4%, 3 중량% NaClO2의 경우 70.6%로 3 중량% NaClO2로 처리했을 때 높은 셀룰로오스 함량을 나타냈다. 헤미셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaClO2, 3 중량% NaClO2 경우 각각 0.6%, 0.2%의 함량을 나타냈으며 총 리그닌의 함량은 1 중량% NaClO2의 경우 33.1%, 3 중량% NaClO2 경우 19.3%로 3 중량% NaClO2 처리 시 낮은 리그닌 함량을 나타냈다. 3 중량% NaClO2 처리 시 1 중량% NaClO2 처리 했을 때 보다 회수율은 낮았지만 글루코오스로의 전환을 고려해볼 때 탄수화물 함량이 높고 리그닌 함량이 낮은 3 중량% NaClO2 처리가 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료의 화학적 처리로 바람직할 수 있음을 확인하였다.
표 6
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
1 중량% NaClO2 3 중량% NaClO2
원료(recovered raw material)a 74.8 50.2
추출물(Extractives) 6.1 ± 0.1 6.2 ± 0.1
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 53.4 ± 0.3 70.6 ± 0.2
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 0.6 0.2
자일로스(Xylose) 0.0 ± 0.0 -
갈락토오스(Galactose) 0.5 ± 0.1 -
아라비노오스(Arabinose) 0.1 ± 0.0 0.1 ± 0.0
만노오스(Mannose) 0.0 ± 0.0 0.1 ± 0.0
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 30.6 ± 0.2 16.4 ± 0.1
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 2.5 ± 0.4 2.9 ± 0.3
회분(Ash) 2.8 ± 0.5 2.6 ± 0.1
총합계(total) 96.0 98.9
상기 표 6에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전처리 조건은 30℃에서 1 중량% NaClO2 수용액 및 30℃에서 3 중량% NaClO2 수용액, 3시간, 100rpm, 고체 : 액체 (1:20) 침지이다. a잔사의 수율을 나타낸다. 상기 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
4. 알칼리와 염소계의 다단 처리에 따른 바이오매스의 화학적 조성
(1) KOH와 NaClO2의 다단 처리
KOH, NaOH, NaClO, NaClO2 처리 시 효율성이 높았던 1 중량% KOH 수용액과 1~3 중량% NaClO2 수용액의 화학적 처리방법을 선정하여 다단 처리를 실시하였다.
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% KOH, 1~3 중량% NaClO2 수용액으로 처리한 바이오매스의 화학적 조성을 표 7에 나타내었다. 1 중량% NaClO2, 1~3 중량% NaClO2 수용액으로 다단처리를 했을 경우 회수되는 바이오매스 수율은 약 50%로 1 중량% KOH만 처리했을 경우의 회수율과 유사하게 나타난 것으로 볼 때 KOH 처리 시 헤미셀룰로오스와 리그닌 등이 일부 추출되어 NaClO2 처리 시에는 영향을 받지 않은 것으로 판단되었다.
셀룰로오스의 함량을 비교해 보았을 때 1 중량% KOH와 1 중량% NaClO2의 다단 처리 시 74.1%, 1 중량% KOH와 3 중량% NaClO2 다단 처리 시 77.2%로 KOH와 NaClO2 수용액을 1단 처리했을 경우와 유사한 함량 또는 증가한 함량을 나타내는 것으로 보아 다단처리는 농도에 따라 영향을 받는 것으로 판단되었다. 총 리그닌의 함량은 다단 처리의 경우 약 14%로 KOH 처리시의 리그닌 함량과 유사한 수치를 나타내는 것으로 보아 리그닌 제거는 알칼리의 영향을 받는 것으로 판단되었다.
표 7
조성물 % 건조 무게(Dry weight)
1 중량% KOH + 1 중량% NaClO2 1 중량% KOH + 3 중량% NaClO2
원료(recovered raw material)a 50.7 50.1
추출물(Extractives) 4.3 ± 0.1 4.6 ± 0.1
셀룰로오스(Cellulose as glucose) 74.1 ± 0.1 77.2 ± 0.1
헤미셀룰로오스b(Hemicellulose as) 0.3 0.1
자일로스(Xylose) 0.2 ± 0.1 0.1 ± 0.1
갈락토오스(Galactose) 0.1 ± 0.1 0.0 ± 0.0
아라비노오스(Arabinose) - -
만노오스(Mannose) - -
산불용성 리그닌(Acid insoluble lignin) 13.2 ± 0.1 12.9 ± 0.1
산가용성 리그닌(Acid soluble lignin) 2.5 ± 0.1 1.4 ± 0.1
회분(Ash) 0.8 ± 0.1 0.3 ± 0.1
총합계(total) 95.5 96.6
상기 표 7에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 전 처리 조건은 30℃, 3시간, 100rpm, 고체 : 액체 (1:20) 침지이다. a잔사의 수율을 나타낸다. 상기 헤미셀룰로오스b는 자일로스 + 갈락토오스 + 아라비노스 +만노오스를 나타낸다.
실험예 4. 조제된 셀룰로오스로부터 효소를 이용한 글루코오스의 전환기술 확립
1. 효소 당화
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료와 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료에 알칼리 처리(1 중량% NaOH, 1 중량% KOH 수용액), 염소계 처리 (1~3 중량% NaClO, 1~3 중량% NaClO2 수용액), 다단 처리를 통해 제조된 셀룰로오스의 글루코오스로의 전환율을 평가하기 위해 효소 당화를 실시하였다.
삼각플라스크에 전처리된 시료 1g과 0.1M 구연산 나트륨 완충액(sodium citrate buffer) 50㎖(pH 4.8)을 투입한 후 50℃가 될 때 까지 가열해준 후 시판되는 효소 Celluclast 1.5L과 Viscozyme L을 각각 0.8㎖, 0.2㎖ 넣고 진탕배양기에서 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해 하였다. 가수분해가 끝난 후 여과하여 잔사는 효소가수분해율을 측정하였고 여과액은 HPLC로 단당류 분석을 하여 글루코오스 함량 및 글루코오스 전환율을 측정하였다.
(1) 탈리그닌율(Delignification)
탈리그닌율은 리그닌이 제거된 비율을 백분율로 나타냈다.
[수학식 5]
탈리그닌율 (%) = (전처리 전 리그닌 함량 - 전처리 후 리그닌 함량)/전처리 전 리그닌 함량 × 100
(2) 효소 가수분해율(Enzymatic digestibility)
효소 가수분해율은 투입된 시료에 대해 효소 가수분해 후 잔사의 무게를 이용하여 계산하였다.
[수학식 6]
효소 가수분해율 (%) = (투입된 시료의 무게 -효소 가수분해 후 잔사의 무게)/투입된 시료의 무게 × 100
(3) 글루코오스 전환율(glucose conversion)
글루코오스 전환율은 투입된 시료에 함유된 글루코오스에 대해 효소가수분해 후 분해액 중의 글루코오스의 무게를 이용하여 계산하였다.
[수학식 7]
글루코오스 전환율 (%) = 효소 가수분해 후 분해액중의 글루코오스 무게/시료에 함유되어 있는 글루코오스의 무게 × 100
2. 단당류 분석 (NREL/TP510-42623)
글루코오스 함량 분석을 위해 HPLC (Agilent Technologies, Inc., 1100 series, USA)를 사용하여 단당류 분석을 하였다. 컬럼은 Aminex HPX-87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA), 이동상은 증류수를 사용하였고 유속은 0.6㎖/분, 온도는 85℃를 유지 하였다.
3. 바이오매스와 고압수증기 전처리된 바이오매스에서 제조된 셀룰로오스의 글루코오스 전환율 분석
바이오매스와 실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스의 효소가수분해 후 생성된 글루코오스의 함량 및 당 전환율을 표 8에 나타내었다.
바이오매스는 고압 수증기 전처리 시 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 가수분해 되어 소량 용출됨에 따라 회수되는 기질의 수율은 약 95% 정도의 수치를 나타내었고 셀룰로오스 함량은 바이오매스보다 고압 수증기 전처리된 바이오매스에서 7.8% 증가하였다. 헤미셀룰로오스 함량이 감소함에 따라 리그닌의 함량은 상대적으로 고압 수증기 전처리 전보다 높은 수치를 나타내었다.
생성되는 글루코오스 함량은 바이오매스의 경우 1.1g/ℓ, 고압수증기 전처리 바이오매스의 경우 9.1g/ℓ로 고압 수증기 전처리 시 많은 양의 글루코오스가 생성되었고 효소 가수분해율은 고압 수증기 전처리 시 64.9% 증가하였으며 글루코오스를 기준으로 한 글루코오스 전환율은 고압 수증기 전처리시 86.8%의 높은 전환율을 나타냈다.
표 8
원료(raw material) 증기 폭쇄된 원료(steam exploded)
잔사 수율(Yield of residue) (%) - 95
리그닌a (%) 27.5 35.2
탈리그닌율 (%) - -
셀룰로오스 (%) 44.6 52.4
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스) (%) 58.6 52.8
효소 가수분해율c (%) 12.1 64.9
글루코오스 (%) 1.1 4.1
글루코오스 전환율 (%) 12.3 39.1
상기 표 8에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
4. 알칼리 전처리된 바이오매스에서 제조된 셀룰로오스의 글루코오스 전환율 분석
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1% NaOH 및 1% KOH의 알칼리를 각각 처리한 후 효소가수분해 하여 생성된 글루코오스의 함량 및 당 전환율을 표 9 및 표 10에 나타내었다.
표 9
1 중량% NaOH
잔사 수율(Yield of residue) (%) 51.0
리그닌a (%) 16.5
탈리그닌율 (%) 53.1
셀룰로오스 (%) 72.0
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스) (%) 72.5
효소 가수분해율c (%) 59.1
글루코오스c (%) 9.7
글루코오스 전환율 (%) 67.4
상기 표 9에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
표 10
1 중량% KOH
잔사 수율(Yield of residue) (%) 51.7
리그닌a (%) 14.8
탈리그닌율 (%) 58.0
셀룰로오스 (%) 75.1
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스) (%) 76.1
효소 가수분해율c (%) 58.5
글루코오스 (%) 10.2
글루코오스 전환율 (%) 67.9
상기 표 10에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
5. 염소계 전처리된 바이오매스에서 제조된 셀룰로오스의 글루코오스 전환율 분석
(1) NaClO
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% NaClO, 3 중량% NaClO 수용액을 각각 처리한 후 효소가수분해 하여 생성된 글루코오스의 함량 및 당 전환율을 표 11에 나타내었다.
회수되는 기질의 수율은 1 중량% NaClO의 경우 76.5%, 3 중량% NaClO의 경우 약 67.4%로 농도가 증가함에 따라 효소가수분해를 위해 회수되는 기질의 양은 큰 폭으로 감소되는 수치를 나타내었고 수치를 나타내었고 리그닌은 상대적으로 증가함에 따라 탈리그닌율에 있어서 효과적이지 못한 수치를 나타내었다.
셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaClO과 3 중량% NaClO 처리 시 약 50%로 회수되는 기질의 양에 비해 예상보다 적은 수치를 나타내었다. 효소 가수분해 후 생성된 글루코오스의 함량은 4.8~4.9g/ℓ로 알칼리 전처리에 비해 낮은 함량을 나타내었고 글루코오스의 전환율도 1 중량% NaClO과 3 중량% NaClO 처리 시 약 48%로 낮은 수치를 나타내었다.
고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 있어서 2차적인 NaClO의 처리는 회수되는 기질의 양은 많으나 셀룰로오스의 함량, 생성되는 글루코오스 양, 글루코오스의 전환율을 평가해 볼 때 단독 전처리 방법으로는 적합하지 않다고 판단된다.
표 11
1 중량% NaClO 3 중량% NaClO
잔사 수율(Yield of residue) (%) 76.5 67.4
리그닌a (%) 38.9 36.9
탈리그닌율 (%) - -
셀룰로오스 (%) 50.2 50.1
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스+헤미셀룰로오스) (%) 50.6 50.6
효소 가수분해율c (%) 25.6 26.1
글루코오스 (%) 4.8 4.9
글루코오스 전환율 (%) 47.8 48.9
상기 표 11에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
(2) NaClO2
실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% NaClO2, 3 중량% NaClO2 수용액을 각각 처리한 후 효소가수분해 하여 생성된 글루코오스의 함량 및 당 전환율을 표 12에 나타내었다. 회수되는 기질의 양은 1 중량% NaClO2의 경우 74.8%, 3 중량% NaClO2의 경우 약 50.2%로 1 중량% NaClO2처리를 했을 경우 높은 함량의 기질을 회수 할 수 있었고 탈리그닌율은 3 중량% NaClO2 처리 시 45.2%로 높은 수치를 나타냈다. 셀룰로오스의 함량은 1 중량% NaClO2과 3 중량% NaClO2 처리 시 각각 53.4%, 70.6% 로 3 중량% NaClO2 처리 시 높은 함량을 나타내었다.
효소 가수분해 후 생성된 글루코오스의 함량에 있어서 1 중량% NaClO2과 3 중량% NaClO2 처리 시 각각 5.9g/ℓ, 9.7g/ℓ 로 3 중량% NaClO2 처리시 높은 함량을 나타내었고 글루코오스의 전환율에 있어서도 1 중량% NaClO2 및 3 중량% NaClO2 처리 시 각각 68.5%, 68.7%로 3 중량% NaClO2 처리 시 높은 수치를 나타내었다.
NaClO2 처리에 있어서는 NaClO2의 농도가 증가함에 따라 회수되는 기질의 양은 감소하지만 제조되는 셀룰로오스의 함량 및 글루코오스의 함량은 증가함으로 고압 수증기 전처리된 바이오매스에 있어서 NaClO2 처리를 병행할 경우 농도가 증가할수록 더 효과적일 것으로 판단된다.
표 12
1 중량% NaClO2 3 중량% NaClO2
잔사 수율(Yield of residue) (%) 74.8 50.2
리그닌a (%) 33.1 19.3
탈리그닌율 (%) 6.0 45.2
셀룰로오스 (%) 53.4 70.6
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스+헤미셀룰로오스) (%) 54.0 70.8
효소 가수분해율c (%) 36.4 50.2
글루코오스 (%) 5.9 9.7
글루코오스 전환율 (%) 55.2 68.7
상기 표 12에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
6. 알칼리 화합물과 염소계 화합물의 다단 처리에서 제조된 셀룰로오스의 글루코오스 전환율 분석
(1) KOH와 NaClO2의 다단 처리
1차적으로 실험예 2의 방법에 의해 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 1 중량% KOH 수용액, 1~3 중량% NaClO2 수용액으로 다단 처리하여 제조된 셀룰로오스를 효소가수분해 하여 생성된 글루코오스의 함량 및 당 전환율을 표 13에 나타내었다.
알칼리와 염소계의 다단 처리 후 회수되는 기질의 수율은 1 중량% KOH + 1 중량% NaClO2와 1 중량% KOH + 3 중량% NaClO2에서 약 50%로 유사한 양이 회수되었고 탈리그닌율은 1 중량% KOH + 3 중량% NaClO2에서 1 중량% KOH + 1 중량% NaClO2에 비해 약 4%정도 효과적이었다. 셀룰로오스 함량은 1 중량% KOH +3 중량% NaClO2에서 77.2%로 더 높은 수치를 나타내었지만 글루코오스 생성량, 글루코오스 전환율은 1 중량% KOH + 1 중량% NaClO2에서 더 높은 수치를 나타내었다.
표 13
1 중량% KOH + 1 중량% NaClO2 1 중량% KOH + 3 중량% NaClO2
잔사 수율(Yield of residue) (%) 50.7 50.1
리그닌a (%) 15.7 14.3
탈리그닌율 (%) 55.4 59.4
셀룰로오스 (%) 74.1 77.2
홀로셀룰로오스b (Holocellulose; 셀룰로오스+헤미셀룰로오스) (%) 74.4 77.3
효소 가수분해율c (%) 64.8 65.2
글루코오스 (%) 12.4 12.2
글루코오스 전환율 (%) 83.7 79.0
상기 표 13에서 데이터는 오븐 건조 시료를 기초로 한 것이다. 리그닌a는 산불용성 리그닌 + 산가용성 리그닌을 나타낸다. 홀로셀룰로오스b는 셀룰로오스 + 헤미셀룰로오스를 나타낸다. 효소가수분해 조건c은 pH 4.8, 0.1M 구연산 나트륨 완충액, 50℃, 150rpm으로 96시간 동안 효소가수분해하였다.
7. 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료의 화학적 처리에 따른 글루코오스 전환율 비교
알칼리와 염소계 화합물 수용액을 단독 처리했을 경우와 다단 처리했을 경우의 글루코오스 전환율을 비교하였다(도 4 참조). 고압 수증기 전처리 시 39.1% 이상의 글루코오스 전환율을 나타냈고 고압 수증기 전처리 된 바이오매스 원료에 1 중량% KOH와 1 중량% NaOH를 단독으로 처리했을 경우 각각 67.9%, 67.4%의 글루코오스 전환율을 나타냈으며 1 중량% NaClO2와 3 중량% NaClO2를 단독으로 처리했을 경우 55.2%, 68.7%의 글루코오스 전환율을 나타냈다. 따라서 알칼리에서 높은 글루코오스 전환율을 나타낸 1 중량% KOH와 염소계에서 높은 글루코오스 전환율을 나타낸 1 중량% NaClO2와 3 중량% NaClO2를 각각 병행하여 다단 처리한 결과 1 중량% KOH와 1 중량% NaClO2의 다단처리에서는 83.7%, 1 중량% KOH와 3 중량% NaClO2의 다단처리에서는 79%의 글루코오스 전환율을 나타냈다. 이와 같은 결과에서 투입되는 생산단가와 생성되는 글루코오스의 전환율을 비교해 볼 때 고압 수증기 전처리된 바이오매스 원료에 약알칼리와 약염소계 처리를 병행하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 다단계 공정을 포함하는 글루코오스 제조방법은 당화 공정의 당화 효율을 향상시켜 바이오매스로부터 글루코오스의 생산성 및 제조효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 글루코오스를 이용하여 바이오 에탄올 등을 생산하는 공정 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 바이오매스 원료를 증기 폭쇄 처리하는 단계;
    상기 증기 폭쇄 처리된 바이오매스 원료를 알칼리 화합물로 처리하는 단계;
    상기 알칼리 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 염소계 화합물로 처리하는 단계; 및
    상기 염소계 화합물로 처리된 바이오매스 원료를 당화시키는 단계를 포함하는 글루코오스 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 증기 폭쇄 처리하는 단계는 20 내지 30㎏/㎠의 압력 하에 213 내지 235℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 글루코오스의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알칼리 화합물로 처리하는 단계는 1 내지 3 중량% 농도의 알칼리 화합물 수용액을 처리하는 것을 특징으로 하는 글루코오스의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 염소계 화합물로 처리하는 단계는 1 내지 3 중량% 농도의 염소계 화합물 수용액을 처리하는 것을 특징으로 하는 글루코오스의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 수산화칼슘(CaOH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 염소계 화합물은 차아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO2) 및 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 글루코오스의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 당화시키는 단계는 효소 당화에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 글루코오스의 제조방법.
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