바이오매스 전처리 반응에서의 새로운 가혹도 계수에 대한 연구

Abstract

전통적인 석유 기반 사회에서는 화석 연료의 무분별한 사용에 의한 환경 파괴와 기후변화에 따른 지구 온난화, 매장량 고갈에 대한 우려, 특정 지역에 편중되어 있는 특징에 따른 공급의 불안정성 및 가격 불안정성 등의 사회적 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있으며, 그 중 바이오매스를 이용하여 화석 연료를 대체하기 위한 연구가 많이 수행 되고 있다. 바이오매스의 경우 화석 연료가 가지는 문제점을 보완 할 수 있으며, 다른 대체 자원과 달리 화학 제품의 원료 제공도 가능하다는 장점이 있다. 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 세 가지 천연 고분자를 주 성분으로 구성 되어 있다. 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스로부터는 발효를 통해 당을 얻어 바이오에탄올과 같은 연료로 이용할 수 있으며, 리그닌의 경우 아로마틱 성분으로 구성 된 고분자로 생물, 화학적 반응을 통해 석유 화합물의 기본 구성 물질을 만들어 낼 수 있어 화학 제품의 원료를 제공 할 수 있다. 하지만, 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 가지는 구조적인 문제로 인해 직접적인 이용이 어려워, 이를 해소하기 위한 전처리 공정에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 전처리 공정으로는 생물학적, 물리적, 화학적, 물리화학적 전처리 같은 다양한 방법이 연구되고 있지만, 본 연구에서는 아임계수를 이용하여 바이오매스 전처리를 수행하였다. 리그노셀룰로오스계 바이오매스로 목질계를 대표하는 백합나무와 초본계를 대표하는 옥수수대를 원료로 선정하여 실험을 수행하였다. 아임계수 전처리를 통해 바이오매스로부터 헤미셀룰로오스를 분해하여 분리하였다. 실험은 용융염조와 회분식 반응기를 이용해 수행하였으며, 원료 및 반응 후 얻어지는 고상 성분을 여러 가지 분석법을 이용해 분석하여 반응 전후에 나타나는 물리적, 화학적 변화를 살펴보았다. 또한, 다양한 전처리 연구에 사용 되는 가혹도 계수를 통해 실험 결과를 분석하였지만, 기존의 가혹도 계수가 지니는 한계점에 의해 일관 된 해석을 할 수 없음을 확인하였다. 이에 다양한 전처리 방법에 있어 일관적으로 적용할 수 있도록 새로운 가혹도 계수의 개념을 제안하였다. 새롭게 제안 된 가혹도 계수는 기존과 달리 반응 공학적인 개념을 바탕으로 얻어진 결과로, 1차 반응 모델을 이용한 속도론적 분석을 통해 제안되었다. 이렇게 제안 된 새로운 가혹도 계수는 기존 가혹도 계수가 가지는 한계점을 해결하여 전처리 방식이나 원료에 상관 없이 일관 된 해석을 할 수 있음을 확인하였다.