아임계수 전처리를 기반으로 한 백합나무의 분획 공정에 대한 연구

Abstract

환경 보존에 대한 관심이 증가하고 석유 자원의 고갈에 대한 우려가 제기되면서 전통적인 석유 기반 산업으로부터 벗어나기 위한 여러 가지 노력이 진행되고 있다. 그 중 바이오매스는 자원량이 풍부하면서도 석유 대체 에너지원과 새로운 화학제품 원료에 대한 요구를 동시에 충족시킬 수 있어 큰 주목을 받아왔다. 섬유소계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 세 가지 천연 고분자를 주성분으로 하는 지구상에서 가장 풍부한 천연자원이다. 섬유소계 바이오매스로부터 얻은 당은 발효를 통해 바이오에탄올과 같은 연료로 이용되며 추가적인 생물, 화학적 반응을 통해 석유계 플라스틱 등의 대체 물질로 이용할 수도 있다. 그러나 복잡한 구조와 다양한 구성 성분으로 인해 있는 그대로 이용하기에는 한계가 있어 후속 당화, 발효 등의 공정 효율을 높이기 위한 전처리 공정에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 산 처리, 염기 처리, 증기 폭쇄 등 여러 가지 방법들이 제안되고 있지만 아직까지는 가장 효율적이면서 환경오염으로부터 자유로운 공정은 완성되지 못했다. 또한 대부분의 공정은 구성 성분의 선택적인 분리보다는 포도당 생산 효율 증진에만 초점이 맞추어져 있다. 본 연구에서는 섬유소계 바이오매스의 활용도를 증대시키기 위해 목표를 단순히 셀룰로오스의 당화율 향상에만 국한시키지 않고 백합나무를 모델 물질로 하여 헤미셀룰로오스와 리그닌을 순차적으로 분획하는 통합적인 공정의 개발을 시도하였다. 헤미셀룰로오스의 분획을 위해 아임계수 전처리 공정을 이용하였고, 리그닌의 분획을 위해서는 개미산 전처리와 과산화수소 전처리의 두 가지 방법을 도입하여 평가하였다. 우선 각 전처리 방법의 성능을 개별적으로 고찰하였고, 다음으로 앞선 전처리 공정의 반응 생성물을 다음 전처리 공정의 원료로 사용함으로써 각 공정 간의 연결성을 확보하고자 하였다. 또한 각 전처리 공정 별로 얻어진 고상 시료에 대해 여러 가지 정성 및 정량 분석을 실시하였고 효소 당화를 통해 전처리의 성능을 평가하였다. 우선 백합나무로부터 헤미셀룰로오스의 분획을 위해 아임계수 전처리를 실시하고 전처리물의 물리화학적 특성과 효소 당화율을 가혹성 계수와 연결 지어 고찰해 보았다. 이를 통해 전처리된 바이오매스의 성질은 반응의 가혹성에 따라 정성적, 정량적으로 모두 영향을 받음을 알 수 있었고, 특히 헤미셀룰로오스와 같은 셀룰라아제 당화 방해 물질의 제거가 포도당의 회수에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 다음으로 리그닌의 선택적 분획을 위해 개미산 또는 과산화수소를 이용하는 두 가지 공정을 도입하여 실험을 실시하였고 그 결과를 비교, 평가하였다. 헤미셀룰로오스와 리그닌이 제거된 고상 시료의 정성, 정량적 분석 및 효소 당화를 실시하였다. 두 단계의 전처리를 거침으로써 헤미셀룰로오스와 리그닌을 높은 비율로 분리해낼 수 있었고, 이렇게 얻은 시료의 효소 당화율은 아임계수 전처리만 거친 시료의 당화율에 비해 급격히 향상되었다. 한편 두 가지 탈리그닌 공정을 비교한 결과 리그닌 분획율과 셀룰로오스의 순도, 효소 당화율 등 대부분의 지표에서 개미산 공정이 과산화수소 공정보다 조금 더 우수한 것으로 밝혀졌다. 그러나 개미산 공정은 탈포르밀화를 위한 추가적인 처리가 필요하고 반응 조건이 좀 더 가혹하다는 면에서 보완할 점이 있는 것으로 평가되었다. 이러한 각각의 개별 공정에 대한 고찰을 바탕으로 최종적으로 백합나무의 주요 성분을 분획하고 고순도의 셀룰로오스를 얻기 위한 통합 공정의 청사진을 제시하였다.

In recent years, concerns about environmental problems have been raised and depletion of crude oil has been issued all over the world. A variety of efforts has been attempted to overcome the limit of the traditional petroleum-based industry. Biomass has been considered as a promising alternative resource since it can satisfy the demand for a source of the alternative energy as well as raw materials of both commodity and specialty chemicals. The sugars obtained from biomass can be converted into fuel such as bio-ethanol through the fermentation process. The biomass derived materials even can be a source of plastics through chemical and biological treatments. Lignocellulosic biomass is the most abundant natural resource on earth, which primarily consists of three natural polymers

cellulose, hemicellulose, and lignin. However, there is a hurdle for the efficient utilization of lignocellulosic biomass without any pretreatment due to its complex microstructure and various components. Thus, pretreatment of lignocellulosic biomass is a crucial step for increasing the efficiency of further processing such as saccharification and fermentation. In this work, development of a novel integrated pretreatment process has been attempted to enhance enzymatic digestibility and to fractionate lignocellulosic components. A subcritical water pretreatment process was introduced to isolate hemicellulose, and a formic acid and a hydrogen peroxide pretreatment process were applied for delignification and cellulose purification. Performance of each individual pretreatment method and their combination was investigated. The pretreated samples were analyzed by both quantitative and qualitative methods and saccharified by enzymatic hydrolysis. As a first stage, subcritical water pretreatment was performed to isolate hemicellulose from tulip tree sawdust under various conditions. Various physicochemical features and enzymatic digestibility of the pretreated products can be correlated with the severity factor. The characteristics of the pretreated solids according to the pretreatment severity were strongly related with the glucose yield. The removal of structural barriers such as hemicellulose to the enzyme attack was the dominant factor affecting enzyme accessibility to the substrate. As a second stage, the formic acid pretreatment and hydrogen peroxide pretreatment were performed each other to fractionate lignin from the subcritical water pretreated solids. The solid samples obtained from both methods were assessed quantitatively as well as qualitatively, and further hydrolyzed to monomeric sugars by enzymatic hydrolysis. Hemicellulose and lignin can be fractionated in high yield from the lignocellulosic biomass by the two-stage sequential pretreatment process. In addition, the remained solids, which mainly consist of cellulose, showed substantially increased glucose yield compared with the substrate from single stage pretreatment. When comparing both delignification processes, the formic acid process was a bit favorable to the hydrogen peroxide process in terms of degree of delignification, cellulose purity, and enzymatic digestibility. However, the formic acid process has some disadvantages such as additional treatment for deformylation and more severe reaction conditions. Based on the results of this study, a scheme of integrated lignocellulosic biomass pretreatment process was suggested to enhance enzyme digestibility and to fractionate lignocellulosic components.