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영어

Lignocellulose represents a key sustainable source of biomass for transformation into biofuels and bio-based products. Unfortunately, lignocellulosic biomass is highly recalcitrant to biotransformation, both microbial and enzymatic, which limits its use and prevents. As a result, effective pretreatment strategies are necessary. The vast majority of pretreatment strategies have focused on achieving a reduction of lignin content. In this work, an ethanosolv pretreatment has been evaluated for extracting lignin from barley straw. 75% ethanol was used as a pretreatment solvent to extract lignin from barley straw. The influence on delignification of three independent variables are temperature, time, catalyst (1 M H2SO4) dose. The best pretreatment condition observed was 180℃, 120 min, 0.2% H2SO4 and delignification was 38%. A combined roasting and ethanosolv, 2-step pretreatment, was developed in order to improve the delignification. Roasting didn't increase the delignification but reduced the pretreatment time. X-ray diffraction results indicated that these physical changes enhance the enzymatic digestibility in the ethanosolv treated barley straw. The cellulose in the pretreated barley straw becomes more crystalline without undergoing ethanosolv.

한국어

현재까지 바이오에탄올 제조에는 식물계에서 유래한 전 분과 당이 이용되고 있으나 연료용 에탄올의 대량생산을 위해서는 섬유소계 (lignocellulosic) 바이오매스를 이용해 야 한다. 섬유소계 바이오매스는 바이오연료 및 고부가가 치 바이오기반 물질로 전환하기 위한 잠재적인 당 (sugar) 소스로서 인식되어져 왔다. 리그노셀룰로스는 셀룰로스 (cellulose), 헤미셀룰로스 (hemicellulose), 리그닌 (lignin) 의 세 가지 중합체로 구성되어있다. 이 세가지 물질은 모 두 화학적, 물리적, 구조적으로 분명하게 다른 특징을 갖 는다. 헤미셀룰로스는 상대적으로 무정형이며 xylanase, glycosidase에 의해 당으로 분해되지만 셀룰로스는 높 은 결정성구조를 지닌다. 리그닌은 방향족 고분자로서 phenylpropanoid 단위로 구성되어 있으며 셀룰로스와 헤미 셀룰로스를 결합시키는 접착제로서 작용하며 리그노셀룰 로스에 내구성을 갖게 한다. 섬유소계 물질이 바이오에탄올로 전환되기 위해서는 다 음의 세단계를 거쳐야 한다: ① 다당류 (polysaccharide) 의 미생물 혹은 효소 분해반응을 증진시키기 위한 전처리 (pretreatment); ② 셀룰로오스 (cellulose)와 헤미셀룰로스 (hemicellulose)를 발효가 가능한 환원당 (reducing sugar) 으로 전환하는 가수분해단계; ③ 당을 에탄올로 전환하는 발효단계. 이중 섬유소계 바이오매스를 이용한 바이오에탄 올 생산에서 극복해야할 가장 중요한 단계는 전처리이다. 효소 또는 미생물에 의한 리그노셀룰로스의 가수분해는 셀룰로오스 자체의 내구성과 리그닌의 난분해성 때문에 전처리가 반드시 선행되어야 한다. 적절한 전처리 없이는 리그노셀룰로스 중의 셀룰로스로부터 이론적 당화수율의 20% 정도의 당화가 가능하지만 적절한 전처리를 거친 후 효소당화 하게 되면 이론적 수율의 90%이상까지 포도당 으로 전환 할 수 있다. 전처리 과정에서 리그노셀룰로스는 리그닌과 헤미셀룰로스로 분리되며 셀룰로오스의 결합이 느슨한 형태로 바뀌고 셀룰로오스 또한 부분적으로 분해되 어 효소가 좀 더 쉽게 셀룰로오스에 접근할 수 있는 구조 로 바뀌게 된다 [1-3]. 지금까지 여러 전처리 방법들이 제시되어 왔고 그중 organosolv pretreatment도 그 중 하나이다. organosolv pretreatment는 제지공정의 organosolv pulping을 응용 한 방법이며 이 organosolv pulping을 통해 리그닌이 선택 적으로 추출되며 추출된 리그닌은 다른 이물질이 함유 되지 않아 부가가치가 높은 다른 화학물질로의 전환 공 정 개발이 용이하여 이와 관련된 여러 연구가 진행된 상 태이다. 하지만 에탄올을 용매로 사용하는 ethanosolv (ethanol organosolv pretreatment)는 목재 바이오매스 를 처리하는 몇몇 연구가 진행되었을 뿐이다. 에탄올은 고온, 고압 하에서 주로 소수성 화합물인 리그닌을 용해 한다고 알려져 있다. 또한 에탄올은 취급이 용이하며, 중화를 시켜야 하는 경제적 부담도 제거되고, 장치 설계 시 고려되는 산화에 대한 부분을 경감시켜 줄 수 있다. 그리고 에탄올의 끓는점이 물보다 낮기 때문에 물과 분리 가 쉽고 에탄올은 수거해 재사용 할 수 있다는 큰 장점 을 갖고 있다 [4-7]. 보릿짚은 우리나라 농업부산물 바이오매스 중 가장 이 용률이 낮으며 벼 이앙하기 전에 대부분 토양의 산성을 방지하기 위해 소각 처리하는 경우가 많으며 농촌 환경오 염을 일으키는 원인이 되고 있다. 그러나 보릿짚은 발생 장소 및 시기가 집중되어있기 때문에 수거비용이 적고 품 종별로 균일한 바이오매스를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 현재 전국의 보리 재배 면적은 약 15만 ha이며 이중 20% 가 전라북도에 집중되어 있다. 따라서 농업부산물로서 발 생하는 보릿짚을 바이오 에탄올의 원료로 사용함으로써 농업의 에너지 산업화를 촉진 할 수 있다. 바이오매스의 리그닌함량은 최종적인 가수 분해율에 결정적인 영향을 미치고 셀룰로스의 결정성은 효소가 기질에 접근할 수 있는 흡착 자리에 영향을 미치기 때문 에 초기가수분해 속도에 영향을 미치며 총 가수분해 시 간 및 투입해야 하는 효소량을 결정짓는다 [8-11]. 따라 서 본 연구에서는 에탄올을 생산하기 위한 보릿짚의 전 처리에 ethanosolv공정을 적용하여 타당성과 함께 적정 공정조건을 탐색하기 위하여 전처리를 통한 리그닌제 거율에 초점을 맞추었다. 이외에 XRD 측정을 통하여 결정도를 분석, ethanosolv 처리가 바이오매스의 결정 도에 미치는 영향 및 리그닌제거와 결정도와의 관계를 확인하였다.