Korean Chemical Engineering Research

The Korean Institute of Chemical Engineers (한국화학공학회)
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Characterization of Pretreatment for Barley straw by Alkaline Solutions

염기 용매를 이용한 보릿짚의 전처리 특성

  • Received : 2011.05.24
  • Accepted : 2011.06.17
  • Published : 2012.02.01
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Abstract

Lignocellulose is difficult to hydrolyze due to the presence of lignin and the technology developed for cellulose fermentation to ethanol is not yet economically viable. However, recent advances in the extremely new field of biotechnology for the ethanol production are making it possible to use of Agriculture residual biomass, e.q., Barley straw, because of their several superior aspects as Agriculture residual biomass; low lignin, high contents of carbohydrates. Barley straw consists of 39.78% cellulose (glucose), 22.56% hemicelluloses and 19.27% lignin. Pretreatment of barley straw using NaOH pretreatment solutions concentration with 2%, temperature $85^{\circ}C$ and reaction times 1 hr were investigates. $NH_4OH$ pretreatment condition was solutions concentration with 15%, temperature $60^{\circ}C$, and reaction times 24hr were investigates. Furthermore, enzymatic saccharification using cellulose at $50^{\circ}C$, pH 4.8, 180 rpm for conversion of cellulose contained in barley straw to monomeric sugar. The pretreatment of barley straw using NaOH and $NH_4OH$ can significantly improve enzymatic saccharification of barley straw by extract more lignin and increasing its accessibility to hydrolytic enzymes. The result showed NaOH pretreatment extracted yield of lignin was 24.15%. $NH_4OH$ pretreatment extracted yield of lignin was 29.09%. Shaccharification of barley straw pretreatment by NaOH for 72hr and pH 4.8 result in maximum glucose concentration 15.39g/L (58.40%) and by $NH_4OH$ for 72hr and pH 4.8 result in maximum glucose concentration 16.01g/L (64.78%).

최근의 식량자원과 충돌의 우려가 있는 전분질계 에탄올 생산에 문제점이 대두되고 있고, 기존의 화석에너지를 대신할 새로운 재생가능 에너지개발에 대한 요구가 지속적으로 증가하면서 새로운 에너지 자원으로서 셀룰로오즈 계열 바이오매스가 지속적인 주목을 받고 있다. 하지만 지난 수십 년 간의 연구에도 불구하고 셀룰로오직 에탄올이 가격 경쟁력을 가지지 못하는 이유는 셀룰로오스 계열 바이오매스의 구성성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 분리과정이 어렵고, 전처리 과정 중 생산되는 부산물질에 의한 당화 및 발효율이 낮다는 점과, 당화를 위해 다량의 효소가 필요하고 가격이 비싸다는 점이다. 바이오 에탄올 생산을 위한 전처리 공정 기술을 상용화 단계까지 효율적이고, 경제적으로 구축하기 위해서는 경제성이 확보되고 원천 기술 적용이 가능한 바이오매스의 선정과 더불어 기존 기술들의 문제점을 파악, 극복하면서 전체 생산 수율을 높이는 동시에 에너지 저감형태의 새로운 전처리 공정 기술 개발이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 문제 점을 해결하기 위해 이전부터 많은 연구가 이루어진 농업 부산물 계열의 볏짚과 그 특성이 비슷할 것으로 보이는 보릿짚을 바이오매스로 선택하여 보편적으로 이용되고 있는 염기 전처리를 적용하여 그 특성에 대하여 파악해 보고자 하였다. 보릿짚은 볏짚과 비교하였을 때 셀룰로오스와 리그닌의 함량이 각각 41.60%와 17.56%로 그 함량이 비슷하게 나타났고 가축 사료로 사용되고 있는 볏짚에 비해 수급단가 또한 상대적으로 낮아 매우 경제적인 바이오매스로 보여진다. 보릿짚을 이용한 암모니아 침지 반응을 통한 볏짚과의 비교에서는 암모니아 농도; 15%, 반응온도; $60^{\circ}C$ 반응시간; 24hr의 조건에서 전처리 후 리그닌 제거율 29.09%, 가수분해도 64.78%(16.01 g/L), 에탄올 수율 56.50%(8.65 g/L)로 나타나 볏짚에 비해 그 효과가 낮은 것으로 나타났지만 암모니아에 의한 전처리에 상당한 효과가 있는 것으로 보여진다. NaOH 침지 반응은 NaOH 농도; 2%, 반응온도; $85^{\circ}C$, 반응시간; 1hr 동안 반응하여 볏짚과 암모니아 침지 반응에 대한 비교를 통해 그 특성을 파악하였다. NaOH 침지 반응 후 보릿짚의 상대적인 리그닌 제거율; 24.15%, 가수분해도; 58.40%(15.39 g/L), 에탄올 수율 52.56%(8.35 g/L)의 결과를 얻어, 보릿짚이 암모니아를 이용한 전처리와 NaOH를 이용한 전처리 즉 염기 용매를 이용한 전처리에 있어 효과적인 리그닌 제거가 가능한 것으로 결론 지을 수 있고 본 연구 결과를 바탕으로 차 후 NaOH와 암모니아 침지 반응 및 침출 반응의 최적화 연구를 통해 각 전처리의 최적화 조건을 설정할 수 있을 것으로 보인다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 농림수산식품부

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