암모니아 수용액을 이용한 섬유성 바이오매스의 전처리방법에 관한 연구

한건국, 조명찬*, 박상권**, 윤현희

경원대학교 화학공학과, 동서대학교 화학공학과*, 동국대학교 화학공학과**

Cellulosic Biomass Pretreatment Using Aqueous Ammonia

Keonkook Han , Myung-Chan Jo*, Sangkwon Park**, Hyon Hee Yoon

Dept. of Chemical Engineering, Kyungwon University

Dept. of Chemical Engineering, Dongseo University*

Dept. of Chemical Engineering, Dongguk University**

서론

목질계 biomass로부터 액체 연료인 에탄올을 생산하는 공정은 전처리, 당화, 발효 및 알코올 회수 공정으로 구성되어 있는데 특히 biomass의 섬유소 기질을 효소당화에 용이한 상태로 변환시키는 전처리공정은 bioenergy 생산의 경제성 여부를 결정하는 중요한 단계로 여겨지고 있다. 현재까지 보고된 전처리 기술은  steam explosion, alkaline, sulfur dioxide, organosolve, hydogen peroxide, supercritical ammonia, dilute acid 처리법, 그리고 ammonia freeze explosion process(AFEX) 등이 주목되고 있다.(1) 이러한 공정들은 대부분 실험실 규모에서 연구되고 있으며 제각기 장단점을 갖고 있으나 경제성과 환경문제 등으로 인하여 실용성의 여부는 현재로서는 불확실한 상태이다.

일반적으로 이상적인 전처리방법은 biomass의 섬유소(cellulose)성분의 손실 없이 선택적으로 lignin 및 hemicellulose 성분을 제거하여 biomass가 효소에 의한 당화에 용이한 형태로 변환(표면적 증대 및 결정 구조 파괴)시키는 것이다. 본 고에서는 암모니아수용액을 이용한 새로운 전처리방법(AAP: Aqueous Ammonia Pretreatment)(2)에 관한 연구 결과를 소개하고자 한다.

암모니아가 lignin 제거에 효과적이라는 사실은 이미 잘 알려져 있다.(3,4) 암모니아는 강한 반응성을 갖고 있어 lignin 제거 이외에 다양하게 biomass의 물리화학적 상태를 변화시킬 수 있다.(5)  암모니아는 산처리공정에서 사용되는 황산에 비하여 저가이며, 회수가 쉽고 또한 부식성이 상대적으로 낮은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 암모니아 수용액을 이용한 biomass 전처리방법의 효과를 조사하기 위하여 충진탑 형태의 반응기에 암모니아 수용액을 연속적으로 흘려 보내는 실험을 수행하여 암모니아농도, 반응온도, 반응시간 등의 영향을 관찰 하였다.

재료 및 방법

실험 재료:  본 실험에서 사용한 목분 시료는 hybrid poplar를 1/16in.-60mesh 크기로 분쇄한 것이다. 가수분해에 사용된 효소는 Cytolase CL(Environmental Biotechnology,Inc.)이었다. 이 효소의 filter paper activity 는 103 FPU/□, □-G activity=88.9 pNPGU/□, 그리고 Endo-G activity는 269  CMCU/□, 그리고 Endo-G activity는 269 CMCU/□ 이었다.

실험장치 및 방법:  실험 장치는 Fig.1 에 표시된바 와 같이 암모니아 수용액 저장조, 충전탑 반응기, pump, sandbath, 그리고 유출액 저장조 등으로 구성되어 있다. 반응기는 SS-316 tubing(5/8 in OD×6 in L)으로 제작되었다. 유출액저장조는 600□ 용량의 autoclave( Parr Instrument)로서 질소 cylinder 와 연결되어 전체 system의 압력을 조절하였다. 반응기에 biomass를 충전시킨 후 암모니아 수용액을 preheating-coil을 통하여 반응기로 일정한 유속으로 주입하였다. Preheating coil과 반응기의 온도는 sand bath로 조절되었다. 반응기로부터 유출되는 암모니아수용액은 유출액저장조에 저장된다. 반응기의 압력은 질소 cylinder를 연결하여 325psi로 조절하였다. 반응 종결 후 biomass 시료는 증류수로 씻은 다음 여과하여 일부는 효소가수분해 실험을 위하여 냉장고에 보관하고, 나머지는 105℃에서 건조한 후 중량 손실과 성분분석을 수행하였다.

Digestibility test:  전처리된 biomass 1g(dry basis)과 0.3□의 효소(cytolase CL, 30 IFPU)를 50□의 phosphate buffer(pH 5.0)에 혼합하여 50℃ 150rpm의 shaker bath에서 효소가수분해 실험을 수행하였다. 정해진 시간에 따라 액체 시료를 취하여 glucose 농도를 HPLC로 분석하였다. 반응 72시간까지 생성된 전체 glucose의 양으로부터 효소 digestibility를 계산하였다.

분석 방법:  전처리된 목분시료의 lignin함량은 Klason lignin으로 측정하였고, 당성분(glucose, xylose,mannose)은 NREL의 standard procedure에 따라 HPLC (BIO-RAD, AMINEX HPX-87C/87P column)로 분석하였다.

결과 및 토론

반응온도, 반응시간, 암모니아농도 등을 실험변수로하여 전처리효과에 미치는 영향을 조사하였다.

1. 암모니아 농도의 영향

160℃와 175℃의 두 반응온도에서 각각 암모니아 농도를 2.5wt%에서 20.0wt%까지 변화시키면서 전처리한 biomass의 성분변화와 효소당화도를 Table 1에 표시하였다. 비교 자료로서 전처리하지않은 biomass의 자료를 포함시켰다. Table 1에 나타난 바와 같이 암모니아수용액을 이용한 전처리방법이 실제로 biomass의 효소당화도를 증가시킨다는 것을 보여주고 있다. 본 실험의 범위에서 전처리된 biomass의 효소당화도는 63∼87%이었다. 반응온도 60℃에서 암모니아 농도에 따라 biomass의 효소당화도가 증가하였고 반응온도 175℃에서는 암모니아 농도가 10.0wt%까지 효소당화도가 증가하였으며 그 이상에서는 증가하지 않았다. 전처리 후 20∼35wt%의 무게가 감소되었는데, 이러한 무게손실은 주로 lignin과 hemicelluose의 추출에 의한 것이다. Table 1에 표시된 바와 같이 암모니아 농도에 따라 44%까지의 lignin과 25%까지의 hemicellulose가 유체 상으로 추출되었다.

2. 반응온도의 영향

암모니아 농도를 10%로 고정하고 반응온도를 150℃에서 190℃까지 변화시키면 전처리실험을 수행하였다. Table 2에 전처리한 biomass의 성분변화 및 효소당화도를 나타내었다. 일반적으로 반응온도의 증가에 따라 효소당화도가 증가하였고 최대의 효소당화도는 95%였다. 그러나 180℃에서 부터는 전처리도중 상당량의 glucan이 손실되어 실제 glucose수율은 감소하였다. 190℃에서 14%의 glucan이 전처리 도중 추출되었다. 180℃와 170℃에서는 glucan손실이 각 각 6.8과 3.7%이었다. 각 전처리실험에서의 효소당화도와 제거된 lignin 및 xylan의 양과의 관계를 표시한 결과(Fig.2) lignin과 xylan의 추출정도가 전처리효과를 나타내는 중요한 인자로서 이 두 성분의 제거량이 높을수록 당화효소가 증가하는 것를 관찰할 수 있었다. 그러나 lignin과 xylan제거량이 각 각 15%와 20%이상일 때는 더 이상의 효소당화도 증가는 나타내지 않았다.

3. 반응시간의 영향

반응시간에 따른 효소당화도는 Fig.3 (암모니아 농도 10%, 반응온도를 175℃)에 나타낸 바와 같이 1시간까지는 급격히 증가하다가 이후는 서서히 증가하였다. 그러나 반응시간의 증가는 cellulose의 손실이 뒤따르기 때문에 적절한 반응시간을 선택해야 할 것이다.  현재까지의 실험 자료로부터 180℃의 반응 온도, 1 시간의 반응시간, 10wt%의 ammonia 농도가 암모니아수용액을 이용한 전처리공정의 적절한 조업 조건으로 생각된다. 이러한 조건에서 전 처리된 biomass의 효소당화도는 90%이상이고 당화수율(전 처리하기 전 biomass의 glucose 함량 기준 )은 85∼90%이었다.

참고문헌

1. McMillan, J.D., "Processes for Pretreating Lignocellulosic Biomass: A          Review", NREL/TP-421-4978 (1992).

2. Yoon, H.H., Wu, Z.W. and Lee, Y.Y., Applied Biochem. Biotech., 51/52,       5 (1995).

3. Detroy, R.W., Biotechnol. Bioeng. Symp., 10, 135, (1980)

4. Waiss, A.C., J. Anim. Sci.. 35, 109 (1972)

5. Han, Y.W., Adv. Appl. Microbiol., 23, 119, (1978)

Table 1. Effect of Ammonia Concentration on the Composition of Solid Residues in AAP Pretreatment condition

Ammonia, wt%	Temp.,℃	%Wt remaining	%Lignin content	%Glucan content	%Xylan content	%Digestibility, 72h
Untreated biomass		100.0	26.0	42.9	14.8	7.8
2.5	160	77.5	22.7	40.9	13.7	62.7
5.0	160	75.5	21.1	41.0	13.4	73.3
10	160	72.5	15.4	40.5	12.8	78.2
20	160	70.7	14.6	39.5	12.5	83.8
2.5	175	75.1	21.1	39.6	11.6	78.9
5.0	175	73.0	18.2	4.09	9.7	78.5
10	175	69.2	15.3	41.3	9.5	87.0
20	175	68.5	15.2	41.8	10.6	81.4

Table 2. Effect of Pretreatment Temperature on the Composition of Solid Residues and Enzymatic Digestibility

Pretreatment temterature,℃	%Wt remaining	%Lignin content	%Glucan content	%Xylan content	%Digestibility 72h
Untreated biomass	100	26.0	42.9	14.8	7.8
150	84.7	18.7	42.0	12.4	70.6
160	76.5	15.4	41.0	11.2	77.2
170	70.9	15.6	41.3	10.4	81.9
180	68.9	13.2	40.0	8.8	95.2
190	69.8	13.1	37.0	7.7	95.2