바이오매스 열수 전처리 과정에서 자일란의 가수분해 반응속도연구

Abstract

리그노셀룰로오스계 바이오매스의 효과적인 활용을 위해서 다양한 전처리 방법들이 연구되어왔다. 유망한 전처리 방법인 열수 전처리 과정 중에는 헤미셀룰로오스가 주로 가수분해된다. 많은 수종의 헤미셀룰로오스가 주로 자일란으로 구성되기 때문에 바이오매스의 열수 전처리 과정에서 일어나는 가수분해반응을 이해하고 효과적인 반응 조건을 탐색하기 위해서 자일란의 가수분해를 연구할 필요가 있다. 열수 전처리 과정 동안 자일란 내 에테르 결합의 가수분해가 일어나는데, 에테르 결합의 절단 정도는 상대적으로 분석하기 어려운 상황이다. 이를 극복하기 위해 일반적으로 분석할 수 있는 자일란과 자일란의 가수분해 생성물인 자일로올리고사카라이드의 수율로부터 에테르 결합의 가수분해 정도를 추정할 수 있는 식을 유도하였다. 본 연구에서 180~220 ℃의 반응온도에서 1~240 min 동안 백합나무의 열수 전처리를 수행하였다. 그리고 유도한 식을 백합나무의 열수 전처리 결과에 적용하여 반응속도상수를 계산하였다. 계산한 반응속도상수를 아레니우스 식에 적용하여 활성화 에너지와 빈도인자를 계산하였다. 반응속도 연구의 타당성을 확인하기 위해 본 연구에서 유도한 식을 다양한 바이오매스의 열수 전처리 결과에 적용하였다. 다양한 바이오매스에 대해 얻어진 활성화 에너지와 빈도인자를 바탕으로 실험결과를 이론적으로 계산하여 실제 실험 결과와 비교하였다. 결과들이 서로 잘 일치하였고, 이를 통해서 본 연구의 타당성을 확인하였다. 에테르 결합 가수분해에 대한 겉보기 활성화에너지와 겉보기 빈도인자의 로그값 사이의 직선성을 발견했고, 이를 토대로 겉보기 반응속도상수에 대한 식을 유도하였다. 에테르 결합 절단에 관한 식을 이용하여 열수 전처리 과정에서 자일로스의 수율에 대한 반응속도식을 유도하였다. 유도한 식을 바탕으로 자일로스 분해반응의 속도상수를 얻었고, 이를 이용하여 활성화 에너지와 빈도인자를 계산하였다. 얻어진 활성화 에너지와 빈도인자를 바탕으로 실험결과를 이론적으로 계산하여 실제 실험 결과와 비교하였고, 이론 값과 실제 값이 잘 일치하는 것을 확인하였다. 겉보기 반응속도상수와 반응시간의 곱 형태의 무차원수를 도입하여 반응조건을 비교하고 활용 가능성을 고려해보았다.