WO2012087068A2 - 당수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법 및 이에 사용되는 첨가제 - Google Patents

당수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법 및 이에 사용되는 첨가제 Download PDF

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정찬덕
엄인용
홍경식
송봉근
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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
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

Definitions

  • the present invention relates to biomass maximizing the yield of sugar obtained from biomass by using a specific additive in the pretreatment and enzymatic saccharification processes. It relates to a treatment method of and an additive used therein.
  • Background of the Invention In recent years, in order to effectively cope with the depletion of fossil fuels and global warming caused by greenhouse gases, many research and developments have been made to produce fuels and necessities of raw materials from renewable biomass and apply them to actual production. Attempts have been made to continue.
  • Biomass that human beings can reproduce indefinitely includes lignocellulosic biomass mainly containing above-ground plants and algal biomass mainly including algae growing in water.
  • cellulose composed of glucose which is a major nutrient source of fermentation strains in fermentation engineering of bioalcohols such as bioethanol and biobutanol, is not a sugar preferred by fermentation microorganisms, but a raw material of xylide Hemicellulose mainly containing pentose sugars such as xylose, and lignin, which is still mainly used as a heat source during the biomass processing process, but is drawing attention in terms of the use of a benzene ring compound.
  • each component of such biomass is closely fused with each other, and because they are interconnected by various chemical bonds, they cannot be easily fractionated into each component as it is in nature. Therefore, in the case of lignocellulosic biomass, in order to make each component easy to fractionate, first, the biomass is pulverized and powdered, and then the process of disintegrating tissue using various physicochemical methods. After the biomass pretreatment of phosphorus biomass, the sugar is obtained through enzymatic saccharif ication or simultaneous saccharif ication and cofermentation using hydrolase.
  • hemicellulose or lignin is dissolved in biomass through the pretreatment to expose the cellulose, and the lignin component is known as the biggest obstacle to lowering the sugar yield.
  • lignin dissolved during pretreatment directly inhibited enzyme activity in enzymatic saccharification process, and re-adsorbed onto cellulose surface during recrystallization of molten lignin to physically block enzyme access. It is known that the conversion rate of salulose to glucose is lowered as the enzyme is irreversibly adsorbed onto the surface of lignin and finally inactivated.
  • the hydrothermal pretreatment or weak acid pretreatment in which hemicellulose is hydrolyzed by acid catalysis at high temperature, and some lignin is decomposed and eluted as a water-soluble component, results in pretreatment conditions in which the yield of hemicelose is eluted is maximized.
  • the pretreatment conditions in which the yield of glucose is maximized by enzymatic saccharification are very different, two steps of pretreatment are usually necessary to maximize the sugar yield.
  • the median of two-stage reaction condition is taken to achieve high sugar yield with only one pretreatment, hemicellulose may be overly degraded.
  • fur fur
  • fermentation strains it is inevitable that the glucose conversion rate of cellulose is slightly reduced.
  • an organic solvent is added to the biomass pretreatment process to dissolve lignin (organosol ve pretreatment)
  • organosol ve pretreatment Organosol ve and ozone treatment of biomass to enhance enzymatic saccharif ication
  • Another method for increasing the sugar conversion rate by enzyme saccharification after pretreatment of biomass is to remove various impurities such as lignin decomposition products by separating the supernatant from the pretreatment and solids and washing the solids with a large amount of hot water.
  • ⁇ L- ⁇ l ⁇ (Charles E. Wyman et al., Bioresource Technology, 2011, Article in press, Comparative data on effects of reading pretreatments and enzyme loadings and formulations on sugar yields from different switchgrass sources), phase separation Due to the need for a process, several washing processes, and a large amount of wastewater treatment processes, a significant increase in process costs is inevitable.
  • the present inventors have repeatedly studied to increase the sugar yield obtained from biomass, and can achieve the above object by using a specific additive in any one of biomass pretreatment and enzymatic saccharification or these two processes.
  • the present invention was completed by confirming.
  • SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for treating biomass that maximizes the yield of sugars obtained from biomass by pretreatment and enzymatic saccharification or co-glycosylation fermentation.
  • Another object of the present invention is to provide a pretreatment additive that maximizes the yield of sugars from biomass.
  • Another object of the present invention is to provide a saccharification additive that maximizes the yield of sugars from biomass.
  • the present invention is a process of any one of the above pretreatment and enzymatic saccharification in the enzymatic saccharification of the biomass by suspending the biomass in water or acid aqueous solution (autohydrolysis or acid pretreatment)
  • a biomass treatment method is provided in which these additives are selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat resistant organic polymers, activated carbon and combinations thereof.
  • the present invention provides a biomass pretreatment additive selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat-resistant organic polymers, activated carbon and combinations thereof.
  • the present invention provides a biomass saccharification additive selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat-resistant organic polymers, activated carbon and their mixtures.
  • the biomass treatment method of the present invention can effectively bind lignin-derived substances and various enzyme-activating inhibitors by the use of specific additives, thereby promoting the saccharification of salose by salulose hydrolase. It is possible to maximize the yield of sugar obtained from the biomass.
  • DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION the biomass powder is suspended in water or an aqueous acid solution, followed by autohydrolysis or acid pretreatment, followed by enzyme saccharification. It is technically characterized by the addition of an additive selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat resistant organic polymers, activated carbon and mixtures thereof to one or both processes.
  • the term "pretreatment" of biomass refers to a process of first processing the pulverized biomass in order to make the biomass work well on the enzyme in the enzymatic hydrolysis process of biomass.
  • the term "pretreatment" of biomass refers to a process of first processing the pulverized biomass in order to make the biomass work well on the enzyme in the enzymatic hydrolysis process of biomass.
  • OS hydrolase or the simultaneous saccharification fermentation process in which enzyme and fermentation strain are put together.
  • it refers to a process of dispersing the biomass powder in water or an aqueous acid solution and applying steam while stirring in a sealed state.
  • enzymes such as cellulose hydrolase, hemicalose hydrolase, xylanase, arabinase (eg For example, glucose from cellulose and hemicelluloseose contained in biomass pretreated using Novozymes Korea's Ce Hue last 1.5L and Novozyme 188, or a combination of Cellic CTec2 and Cellic HTec2) conversion to monosaccharides such as glucose, xylose, etc.
  • the additive according to the invention can be added to a pretreatment process. Heating the suspension to which is added, followed by rapid cooling to room temperature, more specifically,
  • the suspension to which the additive is added in step (a) may be heated to 160 to 230 ° C and then maintained at the temperature for 2 seconds to 24 hours, and then rapidly cooled to room temperature.
  • the additive according to the present invention may be added during enzymatic saccharification or co-glycosylation fermentation process. This includes adding the additive of the present invention to a pretreatment produced through a conventional pretreatment process, stirring the mixture for a predetermined time, and then adding an enzyme to saccharify it. More specifically,
  • the additives of the present invention may be added to both pretreatment and enzymatic saccharification processes.
  • pretreatment additives The additives used in the pretreatment process of the present invention are termed “pretreatment additives” and the additives used in the enzymatic saccharification process of the present invention are termed “enzyme saccharification additives” or “glycosylation additives.”
  • the additives to be added may be selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat resistant organic polymers, activated carbon and combinations thereof.
  • silicate minerals include diatomite or diatomaceous earth, puller's earth (calcium bentonite or attapulgite), Mica, zeolite, kaolinite, talc, talc, pyrophyllite, sand, and mixtures thereof.
  • artificial silicate minerals include single or two natural silicate minerals. Powders or granules prepared by mixing a mixture of two or more, or those obtained by molding the powder into granules and then sintering at a high temperature may include glass beads and synthetic zeolites.
  • the present invention is not limited thereto, and any silicate mineral whose surface is hydrophilic and insoluble in water can be used.
  • Heat-resistant organic polymer that can be used as the additive of the present invention can be applied as long as the transition point (transition point) is 230 ° C or more, specific examples thereof include PTFE (polytetrafluoroethylene, Teflon). Moreover, activated carbon is mentioned as another organic additive.
  • the biomass pretreatment or enzyme saccharification additive of the present invention can be used in particulate form, powder form or granule form. The particulate or powdery additives have a large surface area and are more effective in increasing the sugar yield than most granular additives.
  • Powdered additives can be obtained by simply pulverizing silicate minerals, zirconia, heat-resistant polymers and activated carbon raw materials, granules can be used by pulverizing the raw material to granules, and granules are formed by molding the powder into granules or sintering at high temperature. It can be used to make the shape unchanged during the pretreatment and saccharification of biomass.
  • the amount of the additive used in the present invention can be preferably used in an amount of 0.001 to 10 times the dry weight of the biomass. However, in consideration of the pretreatment or saccharification efficiency of the biomass, it is preferable to use it in an amount of 0.0 to 5 times the dry weight of the biomass.
  • the method for treating biomass according to the present invention may be achieved by adding the above-mentioned additives to the biomass suspension and stirring so that reaction occurs uniformly, or adding the above-mentioned additives to the pretreatment and the temperature in a certain range, for example, at room temperature. Within a range of 100 ° C, for a period of time, for example for 2 seconds to 24 hours, and then Or it is not different from a conventionally known treatment method except adding alkali and adjusting and stirring the pH to 2-9, stirring it at 40-60 ° C, and adding hydrolase.
  • the technology using the biomass additive of the present invention is characterized by being applicable to both hydrohydrolysis or hydrothermolysis and acid pretreatment in which hydrolysis by an acid catalyst is a principle of action.
  • biomass used in the method of the present invention include agricultural by-products such as sunflower stalk, corn stover, bagasse, palm residue, rice straw, barley straw, and straw. , Trees, such as a lily, willow, spruce, and by-products thereof, such as energy crops such as silver grass, reeds and switchgrass, but is not particularly limited thereto.
  • Such biomass may be produced in the production of bioalcohols such as bioethanol or biobutane using biomass as a raw material. Apply to.
  • step (a) of the process of the invention in suspending the biomass powder in an aqueous solution of water or acid, the weight ratio of the biomass and the aqueous solution of water or acid can be adjusted to conventional pretreatment process levels, for example 1:99 to 30. It can be adjusted in the weight ratio range of: 70. For precise control of the pretreatment temperature and uniform mixing of the reactants, the weight ratio range may be smaller, for example 1:99 to 20:80.
  • the predominant temperature and duration of reaction during biomass pretreatment may vary slightly depending on the type and pretreatment of the biomass, ie, batch pretreatment black or continuous pretreatment. It may be heated to C and held at that temperature for 2 seconds to 24 hours. However, in order to achieve the maximum sugar yield or saccharification rate, the maximum hemicellulose can be obtained when pretreated without adding the pretreatment additive of the present invention. As a monosaccharide, temperature and time conditions between conditions showing a xylose rare yield and conditions showing a maximum glucose yield are more preferable.
  • step (b) of the method of the present invention there is no particular limitation on the temperature and the stirring time of the mixture when adding and stirring the saccharification additive to the pretreatment, but the early termination of the smooth adsorption and adsorption reaction of the enzyme inhibitor to the saccharification additive
  • the temperature in a certain range, for example from room temperature to 100 ° C, for a period of time, for example 2 seconds to 24 hours, the pH is adjusted to 2-9 by the addition of acid or alkali
  • stirring and cooling to 40-60 ° C. by adding an enzyme and saccharification can increase the sugar yield increasing effect
  • the adjustment range of the acidity may vary slightly depending on the type of additive.
  • the biomass treatment method according to the present invention can promote glycosylation of cellulose by enzymatic saccharification or co-glycosylation fermentation, for example, cellulose hydrolase, thereby maximizing the yield of sugars obtained from biomass. See example).
  • the present invention provides a biomass pretreatment additive selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat resistant organic polymers, activated carbon, and mixtures thereof.
  • the present invention also provides a biomass saccharification additive selected from the group consisting of natural silicate minerals, artificial silicate minerals, zirconia, heat resistant organic polymers, activated carbon and combinations thereof. Each component used in the additive is as described above.
  • Example 1 Pretreatment and enzyme saccharification of sunflower stalks using pretreatment additives (1) 1 g of sunflower stalk powder having a known composition was placed in a 100 mL small reactor and 20 mL of water was added thereto. 1 g of each pretreatment additive described in Table 1 was added thereto, put in a stir bar, sealed and put in an oil bath to heat.
  • the Erlenmeyer flask was placed in a constant temperature shaker and reacted at 50 ° C. and 200 rpm for 72 hours to hydrolyze carbohydrates (enzymatic glycosylation). 1 mL of the reaction was taken and centrifuged, and the supernatant was analyzed by Waters high performance liquid chromatography equipped with a BioRad Aminex HPX-87H column and a refractive index detector to measure glucose concentration. The average value of the concentrations was obtained, and the results are shown in Table 1 as the weight of glucose obtained per 100 g of dried sunflower stem powder.
  • the control without the pretreatment additive produced 25.1 g of glucose per 100 g of dried sunflower stalk, 34.5 g (100%) of glucose content when all the cellulose in the raw material was converted to glucose. 73% yield).
  • the glucose obtained using the powdered diatomaceous earth during the pretreatment process according to the method of the present invention was up to 29.7 g, the sugar yield was increased by 18% compared to the control.
  • the zeolite addition group which had the least effect of improving sugar yield, increased the sugar yield by about 4% compared to the no addition (control).
  • Example 2 Pretreatment and enzymatic saccharification of sunflower stalks using pretreatment additives (2) 1 g of sunflower stalk powder having a known composition was placed in a 100 mL small reactor and 20 mL of water was added thereto. Each granular pretreatment additive l g shown in Table 2 was added thereto, put in a stir bar, sealed and put in an oil bath to heat. The pretreatment reaction was completed by maintaining the temperature of 185 ⁇ 1 ° C for 30 minutes from the time when the thermometer inserted in the small reactor showed the first 185 ° C, immersed in cold water and rapidly cooled. The rest of the operations were carried out in the same manner without adding the silicate mineral to make a control.
  • control without the pretreatment additive produced 26.4 g of glucose per 100 g of dried sunflower enjoyment, 34.5 g (100%) of glucose content when all the cellulose in the raw material was converted to glucose. )of
  • Example 3 Pretreatment of Oil Palm Trunk with Pretreatment Additive and Enzyme Saccharification Biomass in the same manner as in Example 1, except that oil palm stem purchased from Indonesia was used instead of sunflower stem powder. Pretreatment (180 ° C.) and enzyme saccharification were performed and the results are shown in Table 3 below.
  • the yield of the control group without the pretreatment additive at 180 ° C, the temperature at which the hemicellulose of the palm water can be most eluted was 41.7 g, but according to the method of the present invention.
  • the yield for glucose obtained using granular diatomaceous earth during the pretreatment process was 45.6 g, an increase of 9%.
  • the experimental group to which the granular zeolite was added also showed that the sugar yield was increased by 5% compared to the control group, and the effect of improving the sugar yield was clear according to the method of the present invention.
  • Example 4 Effect of Increase of Sugar Yield by Pretreatment Additives at Various Temperatures 1 g of sunflower stalk powder was placed in a 100 mL small reactor and 20 mL of water was added thereto. To this was added 1 g of 20-30 mesh granular diatomaceous earth as a pretreatment additive The stuffer bar was put in and then sealed and placed in an oil bath for heating. For 40 minutes, the thermometer was inserted into the small reactor and the target pretreatment temperature was maintained. At this time, the pretreatment temperature was set to 170, 180, 190 and 200 ° C. Without the addition of diatomaceous earth granules, the rest of the operations were performed in the same manner as a control.
  • Example 5 Weak Acid Pretreatment and Enzymatic Saccharification of Corn Stalk or Lily Using Pretreatment Additives 1 g of corn stalk powder or lily tree powder was placed in a 100 mL small reactor and 20 mL of a 0.05% sulfuric acid aqueous solution was added.
  • the contents of the pretreated semi-ungunggi were transferred to a 125 mL Erlenmeyer flask, and neutralized to pH 4.8 by addition of calcium carbonate, followed by enzyme glycation as in Example 1. Take 1 mL of the reaction product and centrifuge. Analyze the supernatant by high-performance liquid chromatography. Measure the glucose concentration and other sugar concentrations including xylose, and then calculate the average value. Obtained per 100 g of dried corn stem powder or black lily powder. The results are shown in Table 5 below as the weight of glucose.
  • Example 6 120 g of dried sunflower stalk powder having known glycosylation component composition of sunflower stalk pretreatment using saccharification additives was placed in a 2,000 mL large reactor (Parr reactor, Parr Instrument Co. Ltd, USA) and distilled water 1,380 mL was added and heated. The reaction was performed for 40 minutes from the time when the thermometer showed 180 ° C., followed by rapid reaction to terminate the pretreatment reaction.
  • the contents in the pretreated semi-unggi were homogenized and then, lg equivalent dry weight was transferred to a 125 mL Erlenmeyer flask, and lg saccharification additives of the present invention listed in Table 1 were each added lg (O.lg for activated carbon). Thereafter, the mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, and then the complete citric acid solution was added to 50 mM, sodium azide was added, and adjusted to pH 5. Then, the mixture was shaken at 50 ° C. for 1 hour in a constant temperature shaker and then cooled to room temperature. As a hydrolase, 0.09 mL of Cellic CTec2 (product of Novozymes Korea) and 0.01 mL of Cellic HTec2 (product of Novozymes Korea) were added to enzymatic glycosylation.
  • mica 0.2 g as a saccharification additive in the homogenized pretreatment
  • 0.2 g of mica is added and stirred at 90 ° C. for 10 minutes, and sulfuric acid is added thereto to adjust the acidity of the suspension to pH 3 and then to room temperature while stirring. Cooled. Thereafter, the complete citric acid solution, sodium azide and enzyme were added to enzymatic saccharification.
  • the glucose yield was only 23.7 g, but the saccharification additives during the enzymatic saccharification process of the pretreatment according to the method of the present invention.
  • the sugar yield was found to be higher than the additive-free (control).
  • the sugar yield was increased by 25% compared to the non-addition, and the diatomaceous earth powder also showed a significant improvement in sugar yield.
  • the mica was added as a saccharification additive and the stirring temperature and acidity were adjusted, only 2 g of the additive increased the sugar yield by 18% compared to the no additive.

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Abstract

본 발명은 당수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 특정 첨가제의 사용에 의해 리그닌 유래 물질 및 여러 가지 효소활성 억제물질을 효과적으로 흡착할 수 있으며, 이로 인해 효소당화 또는 동시당화발효, 예컨대 셀룰로오스 가수분해효소에 의한 셀룰로오스의 당화를 촉진할 수 있으므로, 바이오매스로부터 얻어지는 당의 수율을 극대화할 수 있다.

Description

명세서
당수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법 및 이에 사용되는 첨가제 발명의 분야 본 발명은 전처리 (pretreatment) 및 효소당화 (enzymatic saccharification) 과정에 특정 첨가제를 이용함으로써 바이오매스로부터 얻어지는 당의 수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법 및 이에 사용되는 첨가제에 관한 것이다. 발명의 배경 근래 전세계적으로 화석연료의 고갈과 온실가스에 의한 지구 온난화에 효과적으로 대처하기 위해서， 수송용 연료와 생필품 원료를 재생 가능한 바이오매스로부터 생산하고자 많은 연구 개발이 이루어져 왔고， 이를 실제 생산에 적용하려는 시도가 꾸준히 이어지고 있다.
인류가 무한히 재생산할 수 있다고 여기는 바이오매스에는 지상 식물체를 주로 포함하는 리그노셀를로오스계 바이오매스와 물에서 자라는 조류를 주로 포함하는 조류 바이오매스 등이 있다. 이러한 바이오매스의 주성분으로는, 현재 바이오에탄올， 바이오부탄올과 같은 바이오알콜의 발효공학적 제조에 있어서 발효균주의 주요한 영양원인 포도당으로 구성되어 있는 셀를로오스, 발효미생물이 선호하는 당은 아니지만 자일리를의 원료가 되는 자일로오스 등의 오탄당을 주로 함유하는 헤미셀를로오스， 및 아직은 주로 바이오매스 가공공정 중에 열원으로 사용되고 있지만 벤젠고리 화합물의 이용 측면에서 주목받고 있는 리그닌 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 바이오매스의 각 구성성분은 치밀하게 서로 융합되어 있으며， 여러 가지 화학적 결합으로 상호 연결되어 있으므로 자연 그대로는 각각의 성분으로 용이하게 분획하여 얻을 수 없다. 따라서， 리그노셀를로오스계 바이오매스의 경우에는 각각의 성분을 분획하기에 용이한 상태로 만들기 위해， 먼저 바이오매스를 분쇄하여 분말화한 다음 여러 가지 이화학적 방법을 사용하여 조직을 와해시키는 과정인 바이오매스의 전처리 과정 (biomass pretreatment)을 거친 다음， 가수분해효소를 이용한 효소당화 (enzymatic saccharif ication) 또는 동시당화발효 (simultaneous saccharif ication and cofermentation) 과정을 거쳐 당을 얻게 된다. 상기 바이오매스의 전처리에 널리 적용되고 있는 기술로는 열수전처리 (autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis)， 약산전처리 (dilute acid pretreatment), 석회전처리 (lime pretreatment), 암모니아 전처리 (ARP 등)， 폭쇄법 (steam explosion) 등을 들 수 있으며, 상기 전처리 과정을 통해 바이오매스 중 헤미셀를로오스 혹은 리그닌이 녹아 셀를로오스가 노출되는데, 상기 리그닌 성분이 당수율을 저하시키는 최대의 장애물로 알려져 있다. 선행 연구결과에 의하면, 전처리 중에 녹아나온 리그닌이 효소당화 공정에서 직접 효소의 활성을 저해하고， 용융되었던 리그닌이 재결정화되는 과정에서 셀를로오스 표면에 재흡착되어 효소의 접근을 물리적으로 차단할 뿐만 아니라， 효소가 리그닌 표면에 비가역적으로 흡착되어 불활성화됨으로써 , 최종적으로 샐를로오스가 포도당으로 전환되는 비율 (conversion rate)이 낮아지는 것으로 알려져 있다.
고온에서 산촉매 작용에 의해 헤미셀를로오스가 가수분해되고， 일부 리그닌이 분해되어 수용성 성분으로 용출됨으로써 전처리 효과가 발생하는 열수전처리 혹은 약산전처리는 용출되는 헤미샐를로오스의 수율이 극대화되는 전처리 조건과 최종적으로 효소당화하여 포도당의 수율이 최대가 되는 전처리 조건이 매우 다르므로， 당수율을 극대화하기 위해서는 통상적으로 2 단계의 전처리가 필수적이다. 그러나 단 1회의 전처리로 높은 당수율을 달성하기 위해서 2단계 반응조건의 중간값을 취할 경우 헤미셀를로오스의 과분해로 인해 발효균주 저해물질로 알려진 퍼퍼랄 (furfural)이 과량 생성될 뿐만 아니라 셀를로오스의 포도당 전환율이 다소 저하되는 것이 불가피하다. 상기 문제점을 극복하기 위해， 바이오매스의 전처리 공정에 유기용매를 함께 첨가하여 리그닌을 녹여내는 전처리 기술 (organosol ve pretreatment ) (Edgardo 등， Enzyme and Microbial Technology, 2008， 43:214-219; 미국 특허출원 제 2009ᅳ 640351호， Organosol ve and ozone treatment of biomass to enhance enzymatic saccharif ication)이 개발된 바 있으나, 이 방법은 전처리 후 용매의 회수율과 공정비용 둥 여러 가지 면에서 상당한 개선이 요구된다.
또한， 바이오매스의 전처리 후 효소당화에 의한 당전환율을 높이기 위한 또 다른 방법으로는 전처리물의 상징액과 고형분을 분리하고ᅳ 고형분을 대량의 온수로 세척하여 리그닌 분해물 등의 여러 가지 불순물을 제거하는 방법이 있긴 ^l-^l ^(Charles E. Wyman등, Bioresource Technology, 2011, Article in press, Comparative data on effects of reading pretreatments and enzyme loadings and formulations on sugar yields from different switchgrass sources) , 고액분리 (phase separation) 공정과 여러 번의 세척 공정， 대량의 폐수처리 공정 등이 필요하므로 공정 비용의 대폭 증가가불가피하다. 이에 본 발명자들은 바이오매스로부터 얻어지는 당수율을 높이기 위해 연구를 거듭하던 중， 바이오매스의 전처리 및 효소당화 과정 중 어느 하나의 과정 또는 이들 두 과정에 특정 첨가제를 사용하여 상기 목적을 달성할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. 발명의 요약 따라서， 본 발명의 목적은 전처리 및 효소당화 또는 동시당화발효 등에 의해 바이오매스로부터 얻어지는 당의 수율을 극대화시키는 바이오매스의 처리 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 바이오매스로부터 당의 수율을 극대화시키는 전처리 첨가제를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 바이오매스로부터의 당의 수율을 극대화시키는 당화 첨가제를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여， 본 발명은 바이오매스를 물 또는 산 수용액에 현탁시켜 열수전처리 (autohydrolysis) 또는 산전처리 (acid pretreatment)한 다음 효소당화함에 있어서， 상기 전처리 및 효소당화 중 어느 하나의 과정 또는 이들 두 과정에 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물， 지르코니아， 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 첨가하는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법을 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여， 본 발명은 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물， 지르코니아， 내열성 유기고분자, 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 전처리 첨가제를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여， 본 발명은 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물， 지르코니아, 내열성 유기고분자, 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 당화 첨가제를 제공한다.
본 발명의 바이오매스 처리 방법은 특정 첨가제의 사용에 의해 리그닌 유래 물질 및 여러 가지 효소활성 억제물질을 효과적으로 홉착할 수 있어 샐를로오스 가수분해효소에 의한 샐를로오스의 당화를 촉진할 수 있으므로， 전처리된 바이오매스로부터 얻어지는 당의 수율을 극대화할 수 있다. 발명의 상세한 설명 본 발명의 바이오매스 처리 방법은, 바이오매스 분말을 물 또는 산 수용액에 현탁시켜 열수전처리 (autohydrolysis) 또는 산전처리 (acid pretreatment)한 다음 효소당화함에 있어서， 상기 전처리 및 효소당화 중 어느 하나의 과정 또는 이들 두 과정에 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물， 지르코니아, 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 첨가하는 것을 기술구성상 특징으로 한다.
본 발명에 사용된 용어 바이오매스의 "전처리 (pretreatment)"는 바이오매스의 효소가수분해 공정에서 바이오매스가 효소에 잘 작용되도톡 하기 위해서 분쇄된 바이오매스를 먼저 가공하는 공정을 의미하며， 샐를로오스 가수분해효소에 의한 단당류화 공정 혹은 효소와 발효균주를 함께 넣어 수행하는 동시 당화발효 공정의 이전 단계를 지칭한다. 즉， 바이오매스 분말을 물 혹은 산 수용액에 분산시키고 밀봉된 상태에서 교반하면서 열을 가하여 찌내는 공정을 말한다.
또한 본 발명에 사용된 용어 "효소당화' '는 셀를로오스 가수분해효소， 헤미샐를로오스 가수분해효소， 자일라나아제， 아라비나아제 등의 각종 효소를 함유하는 소위 셀를라아제 복합효소 (예를 들면 노보자임스 코리아 제품인 Ce Hue last 1.5L과 Novozyme 188의 흔합물, 혹은 Cellic CTec2와 Cellic HTec2의 흔합물)를 사용하여 전처리된 바이오매스에 함유되어 있는 셀를로오스와 헤미셀를로오스를 포도당 (glucose)과 자일로스 (xylose) 등의 단당류로 전환하는 공정을 의미한다. 본 발명의 하나의 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 첨가제는 전처리 과정에 첨가될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 첨가제가 첨가된 현탁액을 가열한 후 상온까지 급속 냉각하는 것을 포함하는데， 보다 구체적으로，
(a) 바이오매스를 물 또는 산 수용액에 현탁시킨 후 본 발명에 따른 첨가제를 첨가하고， 교반하면서 일정 온도까지 가열한 다음 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지하고， 상기 현탁액을 상온까지 급속 넁각하여 반응을 종료시켜 바이오매스를 전처리하고，
(b) 상기 전처리물을 교반하면서 온도와 산도를 일정 범위내에서 조절한 후, 효소를 첨가하고 교반하는 동시에 온도와 산도를 일정하게 유지하면서 당화함으로써， 당수율을 극대화할 수 있다.
상기 단계 (a)에서 첨가제가 첨가된 현탁액은 160 내지 230°C까지 가열한 다음 해당 온도에서 2초 내지 24시간 동안 유지한 후， 상온까지 급속냉각될 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에 있어서, 본 발명에 따른 첨가제는 효소당화 또는 동시당화발효 과정 중에 첨가될 수 있다. 이는 통상적인 전처리 공정을 거쳐 생성된 전처리물에 본 발명의 첨가제를 첨가하여 일정 시간 교반한 다음 효소를 첨가하여 당화하는 것을 포함하는데， 보다 구체적으로,
(a) 바이오매스를 물 또는 산 수용액에 현탁시킨 후 교반하면서 일정 온도까지 가열한 다음 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지하고, 현탁액을 상온까지 급속 넁각하여 반웅을 종료시켜서 바이오매스를 전처리하고，
(b) 상기 전처리물에 본 발명의 당화 첨가제를 첨가하고 교반하면서 온도와 산도를 일정 범위 내에서 조절한 후， 효소를 첨가하고 교반하는 동시에 온도와 산도를 일정하게 유지하면서 당화함으로써 , 당수율을 극대화할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 본 발명의 첨가제는 전처리 및 효소당화 공정에 모두 첨가될 수 있다.
본 발명의 전처리 과정에 사용되는 첨가제는 "전처리 첨가제' '라 명명하고， 본 발명의 효소당화 과정에 사용되는 첨가제는 "효소당화 첨가제" 또는 "당화 첨가제 "라 명명한다. 본 발명의 방법에 사용되는 첨가제는 천연 규산염 광물, 인공 규산염 광물， 지르코니아, 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
천연 규산염 광물의 구체적인 예로는 규조토 (diatomite 혹은 diatomaceous earth) , 백토 (Ful ler ' s earth; calcium bentonite혹은 attapulgite) , 운모 (mica), 제오라이트 (zeolite), 카올린 (kaolinite)， 탈크 (talc), 납석 (pyrophyllite), 모래 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며， 인공 규산염 광물의 구체적인 예로는 천연 규산염 광물을 단독으로 혹은 두 가지 이상 흔합하여 제조된 분말 또는 과립, 또는 상기 분말을 과립으로 성형한 다음 고온에서 소결한 것 글래스 비드 (glass bead) 및 합성 제오라이트 등을 들 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 이에 한정되지 않고， 표면이 친수성이면서 물에 녹지 않는 규산염 광물이라면 모두 사용 가능하다.
본 발명의 첨가제로 사용할 수 있는 내열성 유기고분자는 상전이 온도 (transition point)가 230 °C 이상인 것이면 모두 적용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 PTFE(polytetrafluoroethylene, Teflon)을 들 수 있다. 또한， 다른 유기성 첨가제로는 활성탄을 들 수 있다. 본 발명의 바이오매스 전처리 혹은 효소당화 첨가제는 미립자상， 분말상 혹은 과립상으로 사용이 가능하다. 미립자상 혹은 분말상 첨가제는 표면적이 커서 대부분 과립상 첨가제보다 당수율 증대 효과가 우수하다. 분말상 첨가제는 규산염 광물， 지르코니아， 내열성 고분자 및 활성탄 원료를 단순히 분쇄하여 얻을 수 있고， 과립은 상기 원료를 과립이 될 때까지 분쇄하여 사용할 수 있고, 또한 과립은 분말을 과립으로 성형하거나 고온에서 소결함으로써 바이오매스의 전처리 및 당화과정 중에 모양이 변하지 않도록 만들어 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서 첨가제의 사용량에는 특별히 한정은 없으나, 바람직하게는 바이오매스 건조 중량의 0.001배 내지 10배의 양으로 사용할 수 있다. 다만, 바이오매스의 전처리 혹은 당화 효율을 고려할 때 바이오매스 건조 중량의 0.0이배 내지 5배의 양으로 사용함이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이오매스의 처리 방법은 전술한 첨가제를 바이오매스 현탁액에 첨가하고 반웅이 균일하게 일어나도록 교반하는 것， 또는 전술한 첨가제를 전처리물에 첨가하고 온도를 일정 범위， 예를 들어 상온에서 100°C의 범위 내에서， 일정시간 동안， 예를 들어 2초 내지 24시간 동안 교반한 다음, 산 혹은 알카리를 첨가하여 pH를 2 내지 9로 조절 및 교반하고 40~60°C로 넁각한 후 가수분해효소를 첨가하는 것을 제외하고는， 통상적으로 알려진 처리 방법과 다르지 않다. 본 발명의 바이오매스 첨가제를 이용하는 기술은 산촉매에 의한 가수분해가 작용원리인 열수전처리 (autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis)와 약산 전처리 (acid pretreatment)에 모두 적용이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 방법에 사용되는 바이오매스의 구체적인 예로는 해바라기 줄기 (sunflower stalk), 옥수수 줄기 (corn stover), 바가세 (bagasse)， 팜 지상부 (palm residue), 볏짚， 보리짚， 밀짚 등의 농업부산물， 백합나무， 버드나무， 가문비나무 등의 임목 및 그의 부산물， 억새, 갈대 및 스위치그라스 등의 에너지 작물 등을 들 수 있으나， 이에 특별히 한정되지는 않는다. 이러한 바이오매스는 바이오매스를 원료로 하는 바이오에탄올이나 바이오부탄을 등 바이오알콜의 생산 흑은 바이오매스로부터 화학소재를 생산코자 하는 바이오리파이너리를 위한 전처리에서 통상적으로 사용하는 분쇄된 형태， 즉 파쇄물 혹은 분말로 적용한다.
본 발명의 방법의 단계 (a)에서, 바이오매스 분말을 물 또는 산 수용액에 현탁시킴에 있어서 바이오매스와 물 또는 산 수용액의 중량비는 통상적인 전처리 공정 수준으로 조절할 수 있는데, 예컨대 1:99 내지 30:70의 중량비 범위로 조절할 수 있다. 전처리온도의 정밀한 조절과 반응물의 균일한 흔합을 위해서 상기 중량비 범위는 더 작아질 수 있는데， 예를 들면 1:99 내지 20:80일 수 있다.
바이오매스를 전처리할 때 반응이 일어나는 주된 온도와 지속 시간은 바이오매스의 종류와 전처리 방식， 즉, 회분식 전처리 흑은 연속식 전처리 등에 따라 약간씩 다를 수 있지만， 통상적으로 바이오매스 현탁액을 160 내지 230°C까지 가열한 다음 해당 온도에서 2초 내지 24시간 동안 유지할 수 있다. 하지만 최대의 당수율 혹은 당화율을 달성하기 위해서는， 본 발명의 전처리 첨가제를 첨가하지 않고 전처리하였을 때 최대의 헤미샐롤로오스 (혹은 단당류로서 자일로오스) 희수율을 보이는 조건과 최대의 포도당 수율을 보이는 조건 사이의 온도와 시간조건이 보다 바람직하다 . 본 발명의 방법의 단계 (b)에서， 전처리물에 당화 첨가제를 가하고 교반할 때 흔합물의 온도와 교반 시간에는 특별히 제한이 있지는 않지만, 당화 첨가제에 대한 효소저해인자의 원활한 흡착과 흡착반응의 조기 종결을 위해서 온도를 일정 범위, 예를 들어 상온 내지 100°C의 범위 내에서， 일정시간 동안， 예를 들어 2초 내지 24시간 동안 교반한 다음， 산 혹은 알카리를 첨가하여 pH를 2 내지 9로 조절 및 교반하고 40-60 °C로 냉각한 후 효소를 첨가하고 당화함으로써 당수율 증대효과를 높일 수 있으며， 산도의 조정폭은 첨가제의 종류에 따라 다소 달라질 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 바이오매스 처리 방법은 효소당화 또는 동시당화발효， 예컨대 셀를로오스 가수분해효소에 의한 셀롤로오스의 당화를 촉진할 수 있어 바이오매스로부터 얻어지는 당의 수율을 극대화할 수 있다 (실시예 참조). 한편， 본 발명은 천연 규산염 광물, 인공 규산염 광물， 지르코니아, 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 전처리 첨가제를 제공한다. 또한， 본 발명은 천연 규산염 광물, 인공 규산염 광물, 지르코니아， 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 당화 첨가제를 제공한다. 상기 첨가제에 사용되는 각 구성성분들은 위에서 설명한 바와 같다. 이하， 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단， 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 실시예 1: 전처리 첨가제를 이용한 해바라기 줄기의 전처리와 효소당화 (1) 성분 조성을 알고 있는 해바라기 줄기 분말 1 g을 100 mL 용량의 소형반응기에 넣고 물 20 mL를 가하였다. 여기에 표 1에 기재된 각각의 전처리 첨가제 1 g을 가하고 스터 바 (stir bar)를 넣은 다음 밀봉하고 오일수조에 넣어 가열하였다. 소형반웅기에 삽입된 온도계가 최초 180°C를 나타낼 때부터 40분 동안 180土 1°C를 유지한 후 꺼내어 넁수에 담가 급속 넁각하여 전처리 반응을 종료하였다. 상기 전처리 첨가제를 가하지 않고 나머지 조작은 동일하게 하여 대조구로 하였다.
이와 같이 전처리된 반응기 내의 내용물을 모두 125 mL용 삼각플라스크에 옮기고, 시트르산 완층액 (pH 4.8, 1M) 2 mL, 소디움 아자이드 (sodium azide, 1% 수용액) 1.3 mL, Celluclast 1.5 L (셀를라아제 복합제제 , 노보자임스 코리아 제품) 0.25 mL, Novozyme 188(베타글루코시다아제, 노보자임스 코리아 제품) 13 yL 및 증류수를 넣었다. 산도를 4.8로 조정한 다음 pH4.8의 시트르산 완층액 (50 mM)을 추가하여 내용물의 중량을 40 g으로 맞추었다. 실험은 2반복으로 수행하였다. 삼각플라스크를 항온 진탕기에 넣어 50°C, 200 rpm에서 72시간 동안 반응시켜서 탄수화물을 가수분해하였다 (효소당화). 반응물 1 mL를 취하여 원심분리하고 상징액을 바이오라드 아미넥스 (BioRad Aminex) HPX-87H 컬럼과 굴절률계 (refractive index detector)가 장착된 워터스 (Waters) 고속액체크로마토그래피로 분석하여 포도당 농도를 측정하였다. 농도의 평균치를 구하고， 건조된 해바라기 줄기 분말 100 g당 얻어진 포도당의 중량으로서 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
【표 1】
Figure imgf000012_0001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 전처리 첨가제를 가하지 않은 대조구는 건조된 해바라기 줄기 100 g당 25.1 g의 포도당을 생성하여 원료 중의 셀를로오스가 모두 포도당으로 전환된 경우의 포도당 함량인 34.5 g(100%)의 73%의 수율을 보였다. 반면에， 본 발명의 방법에 따라 전처리 공정 중에 분말상 규조토를 사용하여 얻은 포도당은 최대 29.7 g으로 당수율이 대조구 대비 18% 증가하였다. 이외에도 가장 당수율 증진 효과가 작았던 제을라이트 첨가구도 무첨가구 (대조구)보다 약 4% 정도 당수율이 증가하였다. 실시예 2: 전처리 첨가제를 이용한 해바라기 줄기의 전처리와효소당화 (2) 성분 조성을 알고 있는 해바라기 줄기 분말 1 g을 100 mL 용량의 소형반응기에 넣고 물 20 mL를 가하였다. 여기에 표 2에 기재된 각각의 과립상 전처리 첨가제 lg을 가하고 스터 바 (stir bar)를 넣은 다음 밀봉하고 오일수조에 넣어 가열하였다. 소형반응기에 삽입된 온도계가 최초 185°C를 나타낼 때부터 30분 동안 185±1°C를 유지한 후 꺼내어 냉수에 담가 급속 냉각하여 전처리 반웅을 종료하였다. 규산염 광물을 가하지 않고 나머지 조작은 동일하게 하여 대조구로 하였다. 이와 같이 전처리된 반웅기 내의 내용물을모두 125 mL용 삼각플라스크에 옮기고， 시트르산 완층액 (pH 4.8， 1M) 2 mL, 소디움 아자이드 (sodium azide, 1% 수용액) 1.3 mL, Celluclast 1.5 L (샐를라아제 복합제제 , 노보자임스 코리아 제품) 0.5 mL, Novozyme 188 (베타글루코시다아제, 노보자임스 코리아 제품) 25 및 증류수를 넣었다. 산도를 4.8로 조정한 다음 ρΗ4.8의 시트르산 완층액 (50 mM)을 추가하여 내용물의 중량을 40 g으로 맞추었다. 실험은 2반복으로 수행하였다. 삼각플라스크를 항온 진탕기에 넣어 50°C, 200 rpm에서 72시간 동안 반웅시켜서 탄수화물을 가수분해하였다. 반웅물 1 mL를 취하여 원심분리하고 상징액을 고속액체크로마토그래피로 분석하여 포도당 농도를 측정한 다음 평균치를 구하고 : 건조된 해바라기 줄기 분말 100 g당 얻어진 포도당의 중량으로서 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
【표 2】
Figure imgf000013_0001
상기 표 2에서 보는 바와 같이， 전처리 첨가제를 가하지 않은 대조구는 건조된 해바라기 즐기 100 g당 26.4 g의 포도당을 생성하여 원료 중의 셀를로오스가 모두 포도당으로 전환된 경우의 포도당 함량인 34.5 g(100%)의
77%의 수율을 보였다. 반면에， 본 발명의 방법에 따라 전처리 공정 중에 과립상 규조토를 사용하여 얻은 포도당은 최대 30.5 g으로 당수율이 대조구 대비 16% 증가하였다. 이외에도 가장 당수율 증진 효과가 작았던 글래스 비드 첨가구도 무첨가구 (대조구)보다 약 3%정도 당수을이 증가하였다. 실시예 3: 전처리 첨가제를 이용한 오일팜 수간 (palm trunk)의 전처리와 효소당화 바이오매스로서 해바라기 줄기 분말 대신에 인도네시아에서 구입한 오일팜 수간을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전처리 (180°C) 및 효소당화를 수행하여， 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
【표 3]
Figure imgf000014_0001
상기 표 3에서 보는 바와 같이， 팜 수간의 헤미셀를로오스가 가장 많이 용출될 수 있는 온도인 180°C에서 전처리 첨가제를 가하지 않은 대조구의 포도당에 대한 수율은 41.7 g이었지만， 본 발명의 방법에 따라 전처리 공정 중에 과립상 규조토를 사용하여 얻은 포도당에 대한 수율은 이보다 9%가 증가한 45.6 g이었다. 또한 과립상 제올라이트를 첨가한 시험구도 당수율이 대조구에 비해 5% 증가된 것으로 나타나， 본 발명의 방법에 따른 당수율 증진효과가 뚜렷하였다. 실시예 4: 여러 가지 온도에서 전처리 첨가제에 의한 당수율 증대효과 해바라기 줄기 분말 1 g을 100 mL 용량의 소형반웅기에 넣고 물 20 mL를 가하였다. 여기에 전처리 첨가제로서 20-30 메쉬 과립상 규조토 1 g을 가하고 스터 바를 넣은 다음 밀봉하고 오일수조에 넣어 가열하였다. 소형반웅기에 삽입된 온도계가 목표한 전처리 온도를 나타낼 때부터 40분 동안 목표은도士 rc를 유지한 후 꺼내어 넁수에 담가 급속 넁각하여 전처리 반응을 종료하였다. 이때 전처리 온도는 170, 180， 190 및 200 °C로 설정하였다. 규조토 과립을 가하지 않고 나머지 조작은 동일하게 하여 대조구로 하였다.
이와 같이 전처리된 반응기 내의 내용물을 모두 125 mL용 삼각플라스크에 옮긴 다음 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 효소당화하였다. 반웅물 1 mL를 취하여 원심분리하고 상징액을 고속액체크로마토그래피로 분석하여 포도당 농도와 자일로오스를 포함한 기타 당 농도를 측정한 다음 평균치를 구하고， 건조된 해바라기 줄기 분말 100 g당 얻어진 포도당의 중량으로서 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
【표 4】
Figure imgf000015_0001
상기 표 4에서 보는 바와 같이， 본 발명의 방법에 따라 전처리 공정 중에 과립상 규조토를 사용한 경우 모든 전처리 온도에서 당수율이 첨가제 무첨가구 (대조구)보다 증가되었다. 특히 헤미셀를로오스의 수율이 최대가 되는 180°C에서 당수율이 17%나 증가하는 것을 확인할 수 있는데， 이는 단 한번의 전처리로도 포도당과 자일로스 등 모든 당을 훨씬 높은 수율로 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 실시예 5: 전처리 첨가제를 이용한 옥수수 줄기 또는 백합나무의 약산 전처리 및 효소당화 옥수수 줄기 분말 혹은 백합나무 분말 1 g을 100 mL 용량의 소형반웅기에 넣고 0.05% 황산 수용액 20 mL를 가하였다. 여기에 전처리 첨가제로서 20~30 메쉬 과립상 규조토 1 g을 가하고 스터 바를 넣은 다음 밀봉하고 오일수조에 넣어 가열하였다. 소형반웅기에 삽입된 온도계가 목표한 전처리 온도를 나타낼 때부터 40분 동안 목표온도土 1°C를 유지한 후 꺼내어 냉수에 담가 급속 넁각하여 전처리 반웅을 종료하였다. 이때 전처리 온도는 170 및 180°C로 설정하였다. 규조토 과립을 가하지 않고 나머지 조작은 동일하게 하여 대조구로 하였다.
이와 같이 전처리된 반웅기 내의 내용물을 모두 125 mL용 삼각플라스크에 옮기고 탄산칼슘을 가하여 pH 4.8까지 중화한 다음 실시예 1에서와 같이 효소당화하였다. 반웅물 1 mL를 취하여 원심분리하고 상징액을 고속액체크로마토그래피로 분석하여 포도당 농도와 자일로오스를 포함한 기타 당 농도를 측정한 다음 평균치를 구하고， 건조된 옥수수 줄기 분말 흑은 백합나무 분말 100g 당 얻어진 포도당의 중량으로서 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
【표 5]
Figure imgf000016_0001
상기 표 5에서 보는 바와 같이 , 본 발명의 방법에 따라 전처리 공정 중에 과립상 규조토를 사용한 경우 모든 전처리 온도에서 당수율이 첨가제 무첨가구 (대조구)보다 증가되었음을 알 수 있다. 실시예 6: 당화 첨가제를 이용한 해바라기 줄기 전처리물의 효소당화 성분 조성을 알고 있는 건조된 해바라기 줄기 분말을 120 g을 2,000 mL 용량의 대형반웅기 (Parr reactor, Parr Instrument Co. Ltd, 미국)에 넣고 증류수 1,380 mL를 가하고 가열하였다. 온도계가 180°C를 나타낼 때부터 40분 동안 반응시킨 다음 급속 넁각하여 전처리 반웅을 종료하였다.
이와 같이 전처리된 반웅기 내의 내용물을 균질화한 다음 건조 중량 lg 상당량을 125 mL용 삼각플라스크에 옮기고 표 1에 열거된 본 발명의 당화 첨가제를 각각 lg씩 (활성탄의 경우 O.lg) 첨가하였다. 이후, 상온에서 10분간 교반한 다음 시트르산 완층액을 50 mM이 되도록 가하고 소디움 아자이드를 가한 다음 pH 5가 되도록 조정하였다. 그 후, 항온 진탕기에 넣어 50°C에서 1시간 동안 진탕한 다음 상온으로 냉각하였다. 여기에 가수분해효소로서 Cellic CTec2(노보자임스 코리아 제품) 0.09 mL와 Cellic HTec2(노보자임스 코리아 제품) 0.01 mL를 가하여 효소당화하였다.
한편， 균질화된 전처리물에 당화 첨가제로서 운모 0.2 g을 사용하는 경우 운모 0.2 g을 가하고 90°C에서 10분간 교반하고， 여기에 황산을 가하여 현탁액의 산도를 pH 3으로 조절한 다음 교반하면서 상온까지 냉각하였다. 그 후 시트르산 완층액， 소디움 아자이드 및 효소를 첨가하여 효소당화하였다.
상기 반응물 1 mL를 취하여 원심분리하고 상징액을 BioRad Aminex HPX-87H 컬럼과 굴절률계 (refractive index detector)가 장착된 워터스 (Waters) 고속액체크로마토그래피로 분석하여 포도당 농도를 측정하였다. 농도의 평균치를 구하고， 건조된 해바라기 분말 100 g당 얻어진 포도당의 중량으로서 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
【표 6】
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000018_0001
상기 표 6에서 볼 수 있듯이， 전처 리물에 당화 첨가제 없이 효소만을 첨가하여 당화시킨 대조구 시료의 경우 포도당 수율이 23.7 g에 불과하였지 만， 본 발명의 방법에 따라 전처 리물의 효소당화 공정 중에 당화 첨가제를 사용한 경우 당수율이 첨가제 무첨가구 (대조구)보다 증가한 것으로 나타났다. 특히， 백토 (Fuller's earth) 첨가구의 경우 무첨가구에 비해 당수율이 무려 25%나 증가하였으며， 규조토 분말도 당수율 증진효과가 뚜렷하였다. 또한 운모를 당화 첨가제로 가하고 교반 온도와 산도를 조정하였을 때에는 단지 으2 g의 첨가제만으로도 당수율이 무첨가 대비 18%나 증가하여 당수율 중진 효과가 현저하였다.

Claims

특허청구범위 청구항 1. 바이오매스를 물 또는 산 수용액에 현탁시켜 열수전처리 (autohydrolysis) 또는 산전처리 (acid pretreatment)한 다음 효소당화함에 있어서， 상기 전처리 및 효소당화 중 어느 하나의 과정 또는 이들 두 과정에 천연 규산염 광물, 인공 규산염 광물， 지르코니아， 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 첨가하는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 2. 제 1항에 있어서， 상기 바이오매스가 파쇄물 또는 분말 형태인 것을 특징으로 하는, 바이오매스의 처리 방법. 청구항 3. 계 2항에 있어서， 상기 바이오매스 파쇄물 또는 분말이 해바라기 줄기， 옥수수 줄기， 바가세, 팜 지상부， 볏짚, 보리짚 및 밀짚을 포함하는 농업부산물， 백합나무， 버드나무 및 가문비나무를 포함하는 임목 및 그의 부산물， 및 갈대， 억새 및 스위치그라스를 포함하는 에너지 작물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스로부터 유래되는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 4. 제 1항에 있어서， 상기 천연 규산염 광물이 규조토， 백토 (Fuller's earth), 운모， 제오라이트, 카올린， 탈크, 납석 (pyrophyl lite)， 모래 및 이들의 흔합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 5. 제 1항에 있어서， 상기 인공 규산염 광물이 천연 규산염 광물을 단독으로 혹은 두 가지 이상 흔합하여 제조된 분말 또는 과립， 또는 상기 분말을 과립으로 성형한 다음 고온에서 소결한 것, 합성 제오라이트 또는 글래스 비드인 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 6. 제 1항에 있어서， 상기 내열성 유기고분자가 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene)인 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법 . 청구항 7. 제 1항에 있어서， 상기 첨가제가 미립자， 분말 또는 과립 형태인 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 8. 제 1항에 있어서 , 상기 첨가제가 바이오매스 건조 중량의 0.0이배 내지 10배의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 9. 제 1항에 있어서, 상기 첨가제가 전처리 과정에 첨가되는 경우, 현탁액을 160 내지 230°C까지 가열한 다음 해당 온도에서 2초 내지 24시간 동안 유지한 후 상온까지 급속 넁각하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스의 처리 방법. 청구항 10. 계 1항에 있어서, 상기 첨가제가 효소당화 과정에 첨가되는 경우， 전처리물에 상기 첨가제를 가하고 상온에서 100°C의 범위 내에서 2초 내지 24시간 동안 교반한 다음， 산 혹은 알카리를 첨가하여 pH를 2 내지 9로 조절 및 교반하고 40~60°C로 냉각한 후 가수분해효소를 첨가하여 당화시키는 것을 특징으로 하는， 바이오매스의 처리 방법. 청구항 11. 계 1항에 있어서， 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물， 지르코니아, 내열성 유기고분자, 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 전처리 첨가제. 청구항 12. 천연 규산염 광물， 인공 규산염 광물, 지르코니아， 내열성 유기고분자， 활성탄 및 이들의 흔합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 바이오매스 당화 첨가제.
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