Study on Affecting Variables Appearing through Chemical Pretreatments of Poplar Wood (Populus euramericana) to Enzymatic Hydrolysis

이태리 포플러의 화학적 전처리 공정을 통한 효소가수분해 영향 인자 분석

To evaluate the effects of chemical pretreatments of lignocellulosic biomass on enzymatic hydrolysis process, Populus euramericana was pretreated for 1 hr with 1% sulfuric acid ($H_2SO_4$) at $150^{\circ}C$ and 1% sodium hydroxide (NaOH) at $160^{\circ}C$, respectively. Before the enzymatic hydrolysis, each pretreated sample was subjected to drying process and thus finally divided into four subgroups; dried or non-dried acid pretreated samples and dried or non-dried alkali pretreated samples and chemical and physical properties of them were analyzed. Biomass degradation by acid pretreatment was determined to 6% higher compared to alkali pretreatment. By the action of acid ca. 24.5% of biomass was dissolved into solution, while alkali degraded ca. 18.6% of biomass. However, reverse results were observed in delignification rates, in which alkali pretreatment released 2% more lignin fragment from biomass to the solution than acid pretreatment. Unexpectedly, samples after both pretreatments were determined to somewhat higher crystallinity than untreated samples. This result may be explained by selective disrupture of amorphous region in cellulose during pretreatments, thus the cellulose crystallinity seems to be accumulated in the pretreated samples. SEM images revealed that pretreated samples showed relative rough and partly cracked surfaces due to the decomposition of components, but the image of acid pretreated samples which were dried was similar to that of the control. In pore size distribution, dried acid pretreated samples were similar to the control, while that in alkali pretreated samples was gradually increased as pore diameter increased. The pore volume which increased by acid pretreatment rapidly decreased by drying process. Alkali pretreatment was much more effective on enzymatic digestibility than acid pretreatment. The sample after alkali pretreatment was enzymatically hydrolyzed up to 45.8%, while only 26.9% of acid pretreated sample was digested at the same condition. The high digestibility of the sample was also influenced to the yields of monomeric sugars during enzymatic hydrolysis. In addition, drying process of pretreated samples affected detrimentally not only to digestibility but also to the yields of monomeric sugars.

본 연구는 화학적 전처리 공정이 목질계 바이오매스의 효소 가수분해에 미치는 영향을 구명할 목적으로 이태리포플러 분말을 1% 황산과 수산화나트륨 수용액을 이용하여 각각 $150^{\circ}C$와 $160^{\circ}C$에서 한 시간 동안 전처리를 실시하였다. 전처리된 시료는 건조과정을 거친 시료와 건조과정을 거치치 않은 시료로 각각 구분하여 화학적, 물리적 성상 및 효소 당화 효율에 미치는 영향을 비교, 분석하였다. 황산 전처리에 의한 바이오매스의 분해율은 약 24.5%로 수산화나트륨 전처리에 의한 분해율(18.6%)보다 약 6% 이상 높게 측정되었다. 반면, 탈리그닌화는 수산화나트륨이 우수하여 황산을 이용한 전처리보다 약 2% 가량 높게 나타났다. 결정화도는 미처리 시료와 비교하였을 때 황산과 수산화나트륨으로 전처리한 시료 모두 다소 높은 값을 나타내었는데, 이는 전처리 과정에서 비결정성 셀룰로오스가 결정영역보다 선택적으로 분해됨으로서 나타난 결과로 예측되었다. 주사전자현미경에 의한 표면 미세구조 관찰 결과, 황산, 수산화나트륨 전처리 모두 구성 성분들을 분해함으로써 목질바이오매스의 표면을 미처리 시료보다 거칠게 만들고 부분적인 균열을 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 황산 전처리-건조 시료에서는 이러한 표면 거칠음이 대조구와 유사하게 다시 변화하였음을 관찰하였다. 시료 표면의 기공분포는 두가지 전처리 과정 모두를 통해 크게 증가하였음을 확인하였다. 그러나 수산화나트륨에 의해 전처리된 시료는 건조과정을 거친 경우에도 기공분포가 점차적으로 증가하는 경향을 보였지만, 황산으로 전처리한 시료는 건조과정을 거치면서 전처리에 의해 증가한 기공 분포가 다시 급격히 감소하여 미처리 시료와 유사한 기공분포를 나타내었다. 황산 전처리 후 건조과정을 거친 시료와 미건조 시료는 효소가수분해에 의한 소화율이 각각 7.0%와 26.9%로 측정된 반면, 수산화나트륨 전처리 후 건조된 시료와 미건조시료는 각각 39.7%와 45.8%로 나타나 알칼리에 의한 전처리가 산 전처리보다 소화율 향상을 위해 더 우수하였으며, 이러한 높은 소화율은 당화 효율에도 커다란 영향을 미치는 것으로 판명되었다. 아울러 전처리된 바이오매스의 건조는 소화율 및 당화 수율에 지대한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.