Pretreatment efficiency and structural characterization of corn stover by sequential two-step pretreatment using dilute acid and alkali

Abstract

화석연료의 고갈과 이산화탄소의 발생량에 따른 지구온난화로 인하여 대체에너지 즉 지속 가능한 새로운 에너지 개발에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그 중에서, 바이오 매스를 이용한 재생 가능한 바이오 연료를 생산하는 바이오 리파이너리 시스템에 대한 관심이 증대되고 있다. 최근 활발히 연구 되고 있는 목질계 바이오 매스의 경우 풍부한 생산량과 농업 부산물의 성격을 가지고 있어 수급이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 리그닌이라고 하는 특수한 구조적 특성으로 인해 미생물의 발효 가능한 당을 회수하기 위한 전처리 공정이 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 목질계 바이오매스인 옥수수대에 새로운 전처리 (산, 알칼리 순차적인 두 단계)공정을 도입하여 1)효소 당화 효율 향상- 효소 당화율 및 당화 속도 향상2)전처리 부산물 발생 저감 – 비독성화(detoxification)과정 불필요

다음과 같은 두 가지 효과를 얻을 수 있었다. 또한 바이오 매스의 구조적인 변화를 종합적으로 분석하여 (BET, SEM, XRD, FT-IR) 전처리 공정 효과와 구조적 변화의 관계를 고찰하고자 하였다. 전처리 공정은 두 단계로 구성하였고 첫 번째 묽은 산 처리의 경우 CSF(Combined severity factor

온도, 시간, 산 농도를 하나의 통일된 인자로 변환)가 1.4-1.8인 전처리 조건 당화액에서 자일로스 수율이 71.2-75.9%으로 가장 높게 나타났으며 CSF가 1.4-1.8이상 조건에서는 자일로스 과분해가 진행되어 프루프랄(furfural)이 후단의 미생물의 발효에 영향을 줄 수 있는 농도 이상 생성되었다. 따라서, 첫 번째 공정에서 부산물의 농도가 미생물에 영향을 주지 않고 당화효율이 가장 높은 세가지 조건 (140°C 15분1.00%, 160°C 10분 0.50%, 180°C 1분 0.50%)을 선정하여 추가적으로 알칼리 전처리를 진행하였다. 알칼리 전처리 공정 결과 리그닌의 제거율이 85.9-89.4% 였으며, 두 단계 전처리 공정을 거친 옥수수대 효소(cellulase) 당화 효율이 95.4-100%으로 한 단계 전처리 공정에 비해 약 1.4-1.7배 향상된 결과를 나타내었다. 효소와 기질의 접근성의 지표로 사용되는 효소 초기 반응속도의 경우도 한 단계 전처리 공정 대비 약 1.4 배 가량 증가된 수치를 나타내었다. 다음과 같은 전처리 효과를 바이오 매스의 구조적인 특성과 연결해보면, 첫 번째 단계의 산 전처리를 통해서 다량의 헤미셀룰로스가 액화됨에 따라 고체 표면에 정공(pinhole)이 발생되는 것을 확인하였다. 따라서 표면에 생성된 정공(pinhole)을 통해 효소-셀룰로스 접근성이 향상 되는 것으로 사료된다. 두 번째 단계의 염기 전처리 의해 표면에 효소와 비특이적인 결합을 하던 리그닌이 제거됨에 따라 셀룰로스가 표면으로 노출되어 효소와 쉽게 반응할 것으로 판단된다. 따라서 효소 초기 속도 및 당화 효율 향상 결과들을 구조적인 변화로 증명할 수 있었다. 결론적으로 옥수수대의 두 단계 전처리 공정을 도입하여 효소 당화 효율 향상 및 전처리 부산물(byproducts)의 생성을 저감 할 수 있었다. 또한 전처리 효과를 바이오 매스의 구조적인 특성과 연결함에 따라 기존 전처리 선행 연구에 비해 종합적으로 전처리 효과를 파악할 수 있었다.

An effective sequential two-step pretreatment of corn stover using dilute-acid and alkali followed by enzymatic hydrolysis, was developed for enhancement of fermentable sugars production and minimization level of inhibitor in the hydrolysates. Dilute sulfuric acid was applied by a combined severity factor (CSF) 1.4-1.8 at 140-180°C in the first step which solubilized most of hemicellulose (71.2-75.9%) and generated byproducts below the inhibitory levels for microorganisms. Sodium hydroxide was used in the second step that selectively removed lignin (85.9-89.4%) and contributed to the main component of corn stover into pure cellulose. The enzymatic hydrolysis yield of the two-step treated samples was reasonable value obtained for 95.4-100.0% and 88.2-95.9% with enzyme loading of 60 and 15FPU/g of glucan, respectively.In this study, it was also investigated that the structural characteristics expressed by total surface area, crystallinity, FT-IR spectra and SEM microscopy imagery, which were strongly correlated with improvement of enzymatic saccharification of two-step treated corn stover. These results demonstrate that two-step treatment process showed great promise and could be replaced the conventional dilute acid pretreatment.