KR20090037078A - 팝핑법을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리방법, 및 이를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팝핑법(popping method)을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법, 및 이를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법에 관한 것으로서, 기존에 사용되던 전처리 방법에 비해 소비되는 에너지가 절감됨과 동시에 화학물질의 처리 없이 친환경적인 방법으로 비교적 간단하게 리그노셀룰로스계 바이스매스를 전처리할 수 있을 뿐만 아니라, 전처리에 의해 얻어진 생물질은 효소를 이용한 생물공학적 공정에 매우 효과적이므로, 바이오에탄올을 생산하기 위해 투입되는 에너지 및 비용을 절감하고 화학물질 처리에 따른 환경오염도 줄일 수 있다.

리그노셀룰로스, 팝핑, 전처리, 당화합물, 바이오에탄올, 바이오에너지, 효소 당화

Description

팝핑법을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법, 및 이를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법{Processes for the pretreatment of lignocellulosic biomasses by popping method, and processes for the production of saccharides and bio-ethanol using the same}

본 발명은 당화합물(saccharides) 및 바이오에탄올(bio-ethanol) 생산을 위한 리그노셀룰로스계 바이오매스(lignocellulosic biomasses)의 전처리 방법(pretreatment process)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 팝핑법(popping method)을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 전처리 방법, 및 이를 이용한 당화합물 및 바이오에탄올의 생산방법에 관한 것이다.

리그노셀룰로스계 바이오매스는 자연계 초목의 잎, 줄기, 뿌리 등으로서 이들을 분해 또는 전환하여 인간생활에 유용한 물질, 즉 섬유소(셀룰로스, 펄프), 포도당, 자일로스(자일란), 정제 리그닌과 이들의 유도물질인 에탄올, 자일리톨 등을 다량 얻을 수 있다. 특히, 최근에는 지구 온난화에 의한 온실효과와 석유고갈 문제를 해결하기 위하여 당화합물을 이용한 바이오에너지(bio-energy) 생산에 많은 관심이 집중되고 있는 바, 목본 및 초본류의 재생가능한 리그노셀룰로스로부터 생 산하는 제2세대 셀룰로스 에탄올에 관한 연구가 미국을 중심으로 진행되고 있다. 전처리가 끝난 목질계 바이오매스로부터 연료용 에탄올을 생산하는 반응 메커니즘은 크게 두 가지로 '당화(saccharification)'와 '발효(fermentation)'라 할 수 있다. '당화'는 셀룰로스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코스로 전환되는 과정이며, 셀룰라제(cellulase)가 셀룰로스의 반응표면에 흡착하여 셀룰로스를 셀로바이오스(cellobiose)로 바꾸는 과정과 이렇게 생성된 셀로바이오스가 β-글루코시다제(β-glucosidase)의 효소반응에 의해 글루코스로 전환되는 과정으로 나눌 수 있다. '발효'는 당화 과정에 의해 생성된 글루코스가 효모 등의 미생물에 의해 혐기성 조건 하에서 에탄올과 이산화탄소로 전환되는 과정을 일컫는다. 일반적인 바이오매스로부터 에탄올로의 생물학적 전환공정을 도 1에 나타내었다.

리그노셀룰로스계 바이오매스의 생물공학적 가수분해에 주로 영향을 미치는 것에는 섬유소의 결정화도, 다공성이 있으며, 리그닌이나 헤미셀룰로스의 함량 또한 중요한 변수로 작용한다. 리그노셀룰로스계 바이오매스는, 종류에 따라 구성비의 차이는 있지만, 주로 탄수화물(셀룰로스와 헤미셀룰로스)과 리그닌으로 구성되어 있다. 리그닌은 페닐프로파노이드의 복잡한 3차원 구조를 가지고 있으며, 각각 에스테르 결합과 공유결합을 이루고 있다. 헤미셀룰로스는 셀룰로스와 리그닌의 가교역할을 하고 있으며, 헤미셀룰로스와 리그닌의 결합은 효소나 산 분해 시 셀룰로스의 가수분해를 방해하는 역할을 한다. 효소를 이용한 생물학적 가수분해 시 효소의 흡착능은 셀룰로스의 표면적과 매우 높은 상관관계를 가지고 있다. 가수분해 속도는 효소의 흡착량이 증가할수록 증가하며, 흡착된 효소와 섬유소의 결정화 도에 의해 결정된다.

현재까지 리그노셀룰로스계 바이오매스를 당화시키기 위해서는 전처리 공정이 필수적인 것으로 알려져 있다. 효과적인 전처리 공정은 섬유소의 함량을 증가시키고, 미세섬유의 결정성을 감소시켜, 바이오매스의 단위면적 당 효소의 흡착율을 높임으로써, 섬유소의 반응성 증가에 의해 효소 가수분해 능력을 증가시키는 것이어야 한다. 전처리 방법으로는 다양한 리그노셀룰로스계 바이오매스의 종류에 따라 다양한 물리적·화학적 방법, 예를 들어 증기 폭쇄법, 알칼리 처리법, 이산화황 처리법, 과산화수소 처리법, 초임계 암모니아 처리법, 약산 추출 처리법, 암모니아 동결 폭쇄법 등이 알려져 있으며, 실제로 이들 방법을 조합하여 수행하고 있다. 이와 같은 전처리 방법들 중 약산 추출 처리법과 증기 폭쇄법이 폭넓게 연구되었다. 증기 폭쇄법은 리그노셀룰로스계를 고압의 증기로 일정시간 소부한 후 폭발적으로 분출하는 방법으로 부식성이 적고, 리그닌도 쉽게 용해될 수 있도록 비교적 작은 조각으로 분해된다. 그러나 증기 폭쇄법은 반응온도가 높아야 하므로(200∼225 ℃ 내외) 유용물질인 셀룰로스까지도 심하게 분해되어 유용 고형물의 수율이 낮아지는(70∼80%, 자일란 포함) 큰 문제점을 가지고 있다. 또한, 헤미셀룰로스가 분해되어 생기는 유용물질인 자일란의 회수율도 65% 미만에 그치며 초산, 푸르푸랄 등 다종다양하고 회수이용이 불가한 부산물이 다량 생성되는 단점을 가지고 있다. 약산 추출 처리법은 고온고압(190 ℃ 내외)의 반응기에 목재 등을 미분쇄하여 장입하고 그 틈새로 저농도의 산(황산 등)을 흘려보내어 주로 헤미셀룰로스와 일부 리그닌을 추출 제거하는 방법이다. 이 방법은 반응기 내의 온도와 개개 입자의 반응 시간을 균등하게 하고 추출 분해물의 반응기 내 체류시간을 일정하게 유지할 수 있으므로 초기 분해물의 고온 상태에서의 장시간 반응에 의한 과도한 분해, 전환에 의한 부산물 생성을 줄이고 고형물(셀룰로스 및 리그닌) 회수율을 높일 수 있으며 자일란의 회수율도 80∼90% 이상으로 할 수 있다. 그러나 이 방법은 증기 폭쇄에서와 같은 바이오매스 조직의 물리적 파쇄를 유발하기 어렵고 따라서 원료를 미분쇄(약 1 ㎜ 이하)하여 투입하여야 하므로 추출수에 미세입자가 동반하여 배관이 폐색되거나 처리 전 미분쇄에 과도한 동력이 소요되는 등의 문제점이 있다. 그 외에도 유사한 장치에서 유기용매나 액체 암모니아를 이용하거나 분해 촉매로 염기, 이산화황가스, 과산화수소수를 이용한 전처리 방법이 있으나, 소요되는 화학물질이 고가일 뿐만 아니라 이들의 회수 장치비가 추가되어 시설비가 증가하는 등이 커다란 단점으로 지적되고 있어 펄프·제지 등의 특수한 용도의 몇몇을 제외하고는 실제적인 적용이 거의 이루어지지 않고 있다.

이와 같이, 일반적으로 물리적 방법은 공정이 느리고, 에너지 소비가 많아 경제성이 떨어지며, 화학적 방법은 강산이나 강알칼리성 화합물을 사용하여 비용이 높고, 대용량 공정에는 부적합하며, 독성이 높아 환경에 악영향을 미치므로, 환경문제를 일으키기지 않고 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 효과적인 전처리 방법의 개발이 절실히 필요하였다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 새로운 리그노셀 룰로스계 바이오매스의 전처리 방법을 개발하기 위하여 지속적인 연구를 수행한 결과, 화학물질의 처리 없이 팝핑(popping)법을 이용하여 리그노셀룰로스계 바이오매스를 전처리하는 방법을 개발해내고, 이로부터 얻어진 생물질(biomaterial)이 효소를 이용한 당화공정에 매우 효과적임을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서 본 발명의 목적은 팝핑법에 의해 리그노셀룰로스계 바이오매스를 전처리하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 전처리 방법을 이용한 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물 및 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

첫째, 본 발명은 리그노셀룰로스계 바이오매스를 팝핑하는 단계를 포함하는, 리그노셀룰로스계 바이오매스의 가수분해를 위한 전처리 방법에 관한 것이다.

둘째, 본 발명은

1) 리그노셀룰로스계 바이오매스를 팝핑하여 전처리하고;

2) 전처리된 바이오매스를 당화시키거나 당화 및 발효시키는:

단계를 포함하는, 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물 또는 바이오에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는, 바이오매스를 수침(水浸)한 후 팝핑하는 것이 바람직하며, 5~25 ㎏/㎠의 압력 하에 팝핑하는 것이 바람직하다. 또한, 당화효소, 예를 들어 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 당화효소를 사용하여 당화를 수행하는 것이 바람직하다. 당화효소는 바 이오매스 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하며, 당화와 발효를 단일 반응기 내에서 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되던 전처리 방법에 비해 소비되는 에너지가 절감됨과 동시에 화학물질의 처리 없이 친환경적인 방법으로 비교적 간단하게 리그노셀룰로스계 바이스매스를 전처리할 수 있을 뿐만 아니라, 전처리에 의해 얻어진 생물질은 효소를 이용한 생물공학적 공정에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 바이오에탄올을 생산하기 위해 투입되는 에너지 및 비용을 절감하고 화학물질 처리에 따른 환경오염도 줄일 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물 및 바이오에탄올을 생산하는데 있어서, 팝핑법을 이용한 전처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 리그노셀룰로스계 바이오매스로 가을에 추수하고 남은 볏짚과 옥수수대를 사용할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 볏짚과 옥수수대를 수침한(예를 들어, 하루 동안 충분히 물에 담가둔) 후, 팝핑하는 것이 바람직하다. 또한, 5~25 ㎏/㎠, 특히 15~25 ㎏/㎠의 압력 하에 팝핑하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 전처리된 바이오매스는, 화학성분을 분석한 결과, 전처리되지 않은 것에 비해, 회분, 홀로셀룰로스, 리그닌 등의 함량에서 큰 차이는 없는 것으로 나타났다(표 1a 및 1b 참조). 그러나 도 2에 나타낸 바와 같이, 물리 적·형태적으로 큰 변화를 일으킨 것으로 나타났다.

상기 전처리된 바이오매스에 당화효소를 가하여 당화공정을 수행하고, 당화 후 분해산물의 환원당을 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법을 사용하여 측정하였다. 그 결과 볏짚의 경우, 무처리 바이오매스는 단지 0.00 내지 0.07의 가수분해율을 나타냄에 비해, 전처리된 바이오매스는 최대 1.21에 달하는 높은 가수분해율을 나타내었다. 옥수수대의 경우, 무처리 바이오매스는 단지 0.00 내지 0.06의 가수분해율을 나타냄에 비해, 전처리된 바이오매스는 0.42~1.31에 달하는 높은 가수분해율을 나타내었다(도 3 및 4 참조). 따라서 본 발명에 따른 전처리 방법은 효소를 이용한 생물공학적 공정에 매우 적합한 것으로 확인되었다.

상기 전처리된 생물질의 당화공정은 통상적인 방법에 따라 산 당화(acid saccharification)에 의해 수행될 수도 있으나, 효소 당화(enzymatic saccharification)에 의해 수행되는 것이 보다 바람직하다. 효소 당화를 위해서는, 예를 들어, 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 당화효소를 사용하는 것이 바람직하다. 대표적으로, 당화효소로는 중량비 1~2:1~2, 특히 1:1의 셀룰라제와 자일라나제의 혼합효소를 사용할 수 있다. 당화효소는 바이오매스 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 당화공정은 40~45 ℃의 온도에서 6~24 시간, 특히 12~24 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 바이오에탄올 생산을 위하여, 당화과정과 발효과정을 각각 다른 반응기에서 수행하는 '분리 당화발효(Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF) 공정'과 하나의 반응기에서 당화과정과 발효과정을 동시에 수행하는 '동시 당화발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF) 공정' 중 어느 것도 사용가능하다. 분리 당화발효 공정은 당화과정과 발효과정에서 효소와 효모에 대해 각각 최적화된 조건 하에 반응시킬 수 있다는 장점이 있는 반면, 효소반응은 그 중간생성물과 최종생성물인 셀로바이오스와 글루코스에 의해 억제영향을 받기 때문에 반응이 진행됨에 따라 축적된 글루코스의 농도가 높아지면 반응이 종결되는 단점이 있으며, 이를 극복하기 위해 효소의 양을 늘려야만 하므로 경제적이지 못한 측면이 있다. 이에 비해, 동시 당화발효 공정에서는 당화과정에서 글루코스가 생성되자마자 효모가 발효과정에 의해 글루코스를 바로 제거하고 반응기 내에 당의 축적을 최소화할 수 있으므로, 분리 당화발효 공정에서 나타나는 최종 생성물의 억제작용을 방지할 수 있고 효소의 가수분해 반응을 향상시킬 수 있으며, 부가적으로 장치비의 절감과 낮은 효소 투입량에 의한 비용감소 효과를 볼 수 있고, 반응기 내에 에탄올이 존재하므로 오염문제를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명에서는 동시 당화발효 공정을 사용하는 것이 바람직하다.

바이오에탄올 생산을 위한 발효균주로는 효모, 예를 들어 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)를 사용할 수 있으며, 높은 당 농도에서도 발효를 수행할 수 있는 내당성 균주와 효소 당화의 최적온도인 40~45 ℃ 부근에서도 에탄올 전환이 가능한 내열성 균주, 고가의 효소 사용량 절감과 고농도의 에탄올 생산을 위해 당화 및 발효를 동시에 수행할 수 있는 재조합 균주, 예를 들어, 크렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca) P2, 브레타노마이세스 커스터 시(Brettanomyces curstersii), 사카로마이세스 우브즈런(Saccharomyces uvzrun), 캔디다 브래시카에(Candida brassicae) 등 당업계에 알려진 통상적인 균주 중 어느 것이라도 사용할 수 있다. 발효공정은 당화공정과 별도로 수행 시 25~30 ℃, 특히 29 ℃의 온도에서 10~20 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.

참고예 1: 옥수수 및 볏짚의 화학성분 분석

가을에 추수하고 남은 볏짚과 옥수수대를 시료로 사용하였다. 볏짚과 옥수수대는 기건 상태로 방치한 후 2~3 ㎝로 절단하였다. 옥수수와 볏짚을 40~60 메쉬의 분말로 제조한 후 화학성분을 분석하였다. 볏짚의 화학성분을 분석한 결과를 표 1a에 나타내었다.

실시예 1: 팝핑법을 이용한 전처리

가을에 추수하고 남은 볏짚과 옥수수대 100 ㎎을 하루 동안 충분히 물에 담가 두었다. 그 후 팝핑기(popping machine)를 사용하여 5~25 ㎏/㎠의 압력 하에 파쇄를 실시하였다. 전처리된 볏짚과 옥수수대의 외관을 사진으로 촬영하여, 도 2에 나타내었다. 또한, 그 화학성분을 분석하여 그 결과를 표 1b에 나타내었다.

상기 도면 및 표에 나타낸 바와 같이, 팝핑기를 사용하여 전처리된 바이오매스는 전처리되지 않은 것에 비해, 회분, 홀로셀룰로스, 리그닌 등의 함량에서 큰 차이는 없는 것으로 나타났으나, 물리적·형태적으로 큰 변화를 일으킨 것으로 나타났다.

실시예 2: 효소에 의한 당화

무처리(대조구) 및 팝핑기를 사용하여 파쇄한(실험구) 볏짚과 옥수수대 50 ㎎에 각각 셀룰라제(CBDⅡ와 Cel5C) 1 ㎎, 자일라나제(XynT) 1 ㎎ 및 혼합효소(CBDⅡ+XynT와 Cel5C+XynT) 1 ㎎을 가하고, 40 ℃의 온도에서 12 시간 동안 당화공정을 수행하였다. 당화 후 볏짚과 옥수수대 분해산물의 환원당을 DNS법을 사용하여 측정하였다. 그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다.

상기 도면에 나타낸 바와 같이, 볏짚의 경우, 무처리구는 단지 0.00 내지 0.07의 가수분해율을 나타냄에 비해, 팝핑 처리된 실험구는 최대 1.21에 달하는 높은 가수분해율을 나타내었다. 옥수수대의 경우, 무처리구는 단지 0.00 내지 0.06의 가수분해율을 나타냄에 비해, 팝핑 처리된 실험구는 0.42~1.31에 달하는 높은 가수분해율을 나타내었다. 이러한 결과는 팝핑 처리된 바이오매스가 효소를 이용한 생물공학적 공정에 매우 적합한 것임을 명확히 보여주는 것이라 할 수 있다.

실시예 3: 바이오에탄올의 생산

가을에 추수하고 남은 볏짚과 옥수수대 50 ㎎을 하루 동안 충분히 물에 담가 두었다. 그 후 팝핑기를 사용하여 21 ㎏/㎠의 압력 하에 파쇄를 실시하였다. 전처리된 볏짚과 옥수수대에 각각 셀룰라제(CBDⅡ와 Cel5C) 1 ㎎, 자일라나제(XynT) 1 ㎎ 및 혼합효소(CBDⅡ+XynT와 Cel5C+XynT) 1 ㎎을 가하였다. 여기에 바이오에탄올 생산을 위한 발효균주로 사카로마이세스 세레비지에 15 g/ℓ를 가하여, 29 ℃의 온도에서 15 시간 동안 동시 당화발효 공정을 수행하여 바이오에탄올을 생산하였다.

도 1은 일반적인 바이오매스로부터 에탄올로의 생물학적 전환공정을 보여주는 모식도이고;

도 2는 팝핑기를 사용한 전처리 후 옥수수대와 볏짚의 형태 변화를 보여주는 사진이며;

도 3은 팝핑기를 사용한 전처리 후 볏짚의 효소 가수분해율 변화를 나타낸 그래프이고;

도 4는 팝핑기를 사용한 전처리 후 옥수수대의 효소 가수분해율 변화를 나타낸 그래프이다.

Claims (9)

1. 리그노셀룰로스계 바이오매스를 팝핑(popping)하는 단계를 포함하는, 리그노셀룰로스계 바이오매스의 가수분해를 위한 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 바이오매스를 수침한 후 팝핑하는 전처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 바이오매스를 5~25 ㎏/㎠의 압력 하에 팝핑하는 전처리 방법.
4. 1) 리그노셀룰로스계 바이오매스를 팝핑하여 전처리하고;

   2) 전처리된 바이오매스를 당화시키거나 당화 및 발효시키는:

   단계를 포함하는, 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 당화합물 또는 바이오에탄올을 생산하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 단계 1)에서 바이오매스를 수침한 후 5~25 ㎏/㎠의 압력 하에 팝핑하는 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 단계 2)에서 당화효소를 사용하여 당화를 수행하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 당화효소는 셀룰라제, 자일라나제, β-글루코시다제 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인 방법.
8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 단계 2)에서 당화효소를 바이오매스 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 양으로 사용하는 방법.
9. 제4항 또는 제5항에 있어서, 단계 2)에서 당화와 발효를 단일 반응기 내에서 수행하는 방법.

Images