• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.105.2-105.2
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• 2010

전처리 후 얻어진 셀룰로스 고분자를 단당류로 전환하기 위해서는 셀룰라제를 이용한 당화 과정이 필요하다. 통상 실험식 연구에서는 셀룰로스 당화시 당수율을 최대로 하기위해 pH조절을 위한 Citrate buffer와 미생물 오염을 막기 위한 Autoclave에서의 멸균 과정을 거친다. 하지만 대량생산을 목적으로 하는 산업체에서는 적용이 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서 이를 대신하여 산업체에서 적용 가능한 당화전환 공정의 효율성을 평가하고자 하였다. Autoclave 멸균을 대체하는 공정으로 항생제 첨가와 여과에 의한 제균을 선택하였고, citrate buffer를 대신하여 buffer를 첨가하지 않은 물을 pH를 조정하여 사용 하였다.실험결과 기존의 당화공정을 사용하였을 때 당화율이 81%이었고, pH를 조절한 제균 water에 항생제를 첨가하는 공정은 71%로 나머지 배지들 중 가장 높은 당화율을 나타냈다. 이것은 기존의 당화율보다 10% 낮은 수치이나 공정비를 교려하여 봤을 때 효율성 있는 공정으로 판단된다.

• KSBB Journal
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• 제23권1호
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• pp.1-7
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• 2008

비록 전 세계적으로 많은 수의 소규모 시범 셀룰로식 에탄올 생산연구가 보고되고 있으며 셀룰로식 에탄올 생산을 위한 많은 연구들이 진행되고 있지만 현재까지 전분계나 설탕계 에탄올과 경쟁할 수 있을 정도의 경제적 생산이 가능한 상용화된 셀룰로식 에탄올 생산시설은 현재까지 보고 된 바 없다. 또한 일부 환경경제학자들은 옥수수 작물자체가 수확기까지 많은 양의 수분과 에너지를 필요로 하고 매년 토양을 침출시키는 작물이어서 환경적인 문제점을 불러 올 수 있다는 점, 이후 옥수수 바이오매스로부터 에탄올을 생산할 때까지 들어가는 에너지의 양이 높다는 점등을 지적하며 옥수수로부터의 에탄올대량생산에 신중해야 한다는 의견도 있다(24). 하지만 가까운 장래에 석유를 대체할 액체연료 중 에탄올이 가장 적합하다는 미국이나 유럽의 목표에 따라 옥수수 줄기나 잎을 이용한 셀룰로식 에탄올 생산계획은 계속해서 추진될 것으로 보이며 상용화도 미국정부의 계획대로라면 수년 내에 이루어 질 것으로 보인다. 셀룰로식 에탄올의 상용화를 위해서는 여러 점들을 고려하여야 한다. 첫째로, 분자 및 유전자 수준까지의 식물에 대한 이해가 필요하다. 왜냐하면 이러한 지식의 바탕에서 바이오매스를 효과적으로 정제할 수 있는 방안들이 가능하기 때문이다. 이를 위해서는 셀룰로스보다 상대적으로 덜 알려진 식물체 내에서의 리그닌 합성경로 및 결합구조나 헤미셀룰로스의 합성 및 리그닌과의 결합관계 둥에 대한 연구가 더욱 필요하다. 둘째로는 셀룰로식 에탄올생산의 상용화를 위해서는 화석연료의 수요를 대체할 수 있는 작물의 개발과 수확작물을 처리하여 공장이나 공업단지까지 경제적으로 수송할 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 현재 거론되고 있는 셀룰로식 에탄올공장의 생산규모를 연간 1억 내지 1억 8천만 리터 정도의 규모로 생각하고 연간 250-300일 작업 기준으로 생각한다면 적어도 하루 2000톤 정도의 biomass를 처리하여야 됨으로 이 정도의 바이오매스가 지속적이고, 경제적으로 공급되어야 한다. 미국의 경우, 옥수수작물이 셀룰로식 에탄올 생산을 위해 가장 적합한 원료물질로 거론되고 있다. 이는 현재 옥수수 열매 는 전분이나 에탄올 생산을 위해 공장으로 수송되지만 엄청난 양의 잎과 줄기는 밭에 남겨져 있기 때문이다. 이들 corn stover로 통칭되는 식물원료 물질이 바이오매스 중 연간 생산량이 가장 많은 1억 건조 톤 이상으로 현재로도 공급이 가능하고 잠재적으로는 10억 톤까지도 생산될 수 있다고 전망하기 때문이다. 따라서 미국의 경우 셀룰로식 에탄올의 생산은 corn stover의 이용이 불가피해 보인다. 더불어 톱밥이나 임업부산물의 경우는 현재 3800만 건조 톤 정도의 공급이 가능하며 미래 3억 7000만 건조 톤이 공급될 수 있을 것으로 예상하고 있다(25). 하지만 이러한 자원은 부피가 크고 무게가 가벼워 수송밀도가 낮아 고밀도 형태로 운송할 수 있는 방법이 모색되어야 한다. 또한 원료물질을 처리 시설까지 운반하는 운송비를 줄일 수 이는 다른 방법들도 모색되어야한다. 셋째로는 바이오매스의 구조를 당화과정과 발효과정에 적합하게 변환시킬 수 있는 경제성 있는 전처리 방법의 개발이 필수적이다. 이상적 전처리 방법은 리그닌을 효과적으로 분리해내 이를 이용한 공정에 필요한 에너지로 사용하거나 차후 부가가치가 높은 물질의 원료로 사용할 수 있게 하여야 한다. 또한 헤미셀룰로스와 셀룰로스의 손실을 최소화하여 차후 이들 식물탄수화물을 이용한 에탄올 생산을 극대화할 수 있는 방법이어야 하며 이와 함께 경제성을 담보하여야 한다. 이러한 전처리방법의 개발은 현재까지 개발된 여러 전처리 방법들의 장단점들을 파악하고 이를 극복할 수 있는 방법들을 모색하는 노력으로 가능할 수 있겠다. 마지막으로 5탄당과 6탄당을 동시에 발효할 수 있는 미생물 균주의 개발이나 효소비용을 획기적으로 줄일 수 있는 생산방법이 개발되어야 하겠다. 이는 셀룰로식 에탄올이 90% 이상의 높은 수율과 시간당 1.5-2.5 g/L의 생산성을 보이고 있는 전분이나 설탕으로부터 생산되는 에탄올과 경쟁력을 갖기 위한 필수적인 요소이기 때문이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.179.1-179.1
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• 2011

Pretreatment of cellulosic biomass is necessary before enzymatic saccharification and fermentation. The objective of this study was to evaluate the effect of combined aqueous ammonia-dilute sulfuric acid treatment on cellulosic biomass. Miscanthus was pretreated using aqueous ammonia and dilute sulfuric acid solution under high temperature and pressure conditions to be converted into bioethanol. Aqueous ammonia treatment was performed with 15 %(w/w) ammonia solution at $150^{\circ}C$ of reaction temperature and 20 minutes of reaction time. And then, dilute sulfuric acid treatment was performed with 1.0 %(w/w) sulfuric acid solution at $150^{\circ}C$ of reaction temperature and 10 minutes of reaction time. The compositional variations of this combined aqueous ammonia-dilute sulfuric acid treatment resulted in 68.0 % of cellulose recovery and 95.7 % of hemicellulose, 81.3 % of lignin, 89.1 % of ash removal respectively. The enzymatic digestibility of 90.5 % was recorded in the combined pretreated Miscanthus sample and it was 14.7 times higher than the untreated sample. The ethanol yield in the Simultaneous Saccharification and Fermentation was 90.4 % of maximum theoretical yield based on cellulose content of the combined pretreated sample and it was about 98 % compared to the ${\alpha}$-cellulose ethanol yield.

• 신재생에너지
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• 제6권4호
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• pp.6-14
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• 2010

Pretreatment of cellulosic biomass is necessary before enzymatic saccharification and fermentation. Extrusion is a well established process in food industries and it can be used as a physicochemical treatment method for cellulosic biomass. Aqueous ammonia soaking treatment at mild temperatures ranging from 60 to $80^{\circ}C$ for longer reaction times has been used to preserve most of the cellulose and hemicellulose in the biomass. The objective of this study was to evaluate the effect of extrusion treatment on aqueous ammonia soaking method. Extrusion was performed with miscanthus sample conditioned to 2mm of particle size and 20% of moisture content at $200^{\circ}C$ of barrel temperature and 175rpm of screw speed. And then aqueous ammonia soaking was performed with 15%(w/w) ammonia solution at $60^{\circ}C$ for 1, 2, 4, 8, 12 hours on the extruded and raw miscanthus samples respectively. In the combined extrusion-soaking treatment, most compositions removal occurred within 1~2 hours and on a basis of 1 hour soaking treatment values, cellulose was recovered about 85% and other compositions, including hemicellulose, are removed about 50% from extruded miscanthus sample. The combined extrusion-soaking treated and soaking only treated samples were subjected to enzymatic hydrolysis using cellulase and ${\beta}$-glucosidase. The enzymatic digestibility value of combined extrusion-2 hours soaking treated sample was comparable to 12 hours soaking only treated sample. It means that extrusion treatment can shorten the conventional long reaction time of aqueous ammonia soaking. The findings suggest that the combination of extrusion and soaking is a promising pretreatment method to solve both problems for no lignin removal of extrusion and long reaction time of aqueous ammonia soaking.

• KSBB Journal
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• 제25권6호
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• pp.533-538
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• 2010

We investigated the effect of inhibitory compounds derived lignocellulosic hydrolysates on cell growth, sugar consumption and ethanol productivity, and also we intended to identify the potential for ethanol production based on lignocellulosic hydrolysates. Cell growth and ethanol production in the presence of acetate were initiated after 12 hr. Furans showed a longer lag time and phenolics showed a significant effect on strain and ethanol production in comparison to other model compounds. In the case of lignocellulosic hydrolysates, the acetate strongly affected cell growth and ethanol production.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.112.1-112.1
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• 2011

쌀을 주식으로 하는 우리나라의 여건상 연간 추정치로 싸라기 약 12만톤, 미강 약 49만톤, 왕겨 약 79만톤의 벼 도정 부산물이 발생하고 있다. 본 연구에서는 벼 도정 부산물 중 비식량 자원인 왕겨를 대상으로 고효율 효소 당화를 위한 바이오매스 전처리 방법을 탐색하였다. 왕겨 원시료의 초기 조성은 셀룰로스 34.5%, 헤미셀룰로스 20.5%, 리그닌 25.3%, 회분 14.6%로 나타났는데, 억새 등 초본계 바이오매스와 비교하여 특이하게 높은 성분은 회분으로 이는 벼에 대한 규산질 비료의 시용에서 기인한 것이다. 바이오매스 전처리에 많이 사용되는 암모니아, 희황산 용매와 규산염에 침식성을 가지는 가성소다 용매를 이용하여 각 용매별 단독 및 알칼리-산 복합 처리 하였을 때 효소 가수분해 효율, 고상시료 성분변화 등을 상호 비교하였다. 예비실험을 통하여 암모니아 처리조건은 15%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 가성소다 처리조건은 1.5%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 희황산 처리조건은 1.0%(w/w) $150^{\circ}C$ 10분으로 설정하였다. 암모니아 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합 처리 시료의 효소 가수분해 효율은 각각 37.8%, 39.1%, 42.8%로 약 40%선에서 큰 차이가 없었다. 반면 가성소다 단독, 가성소다-희황산 복합 처리시료의 효소 가수분해 효율은 각각 62.7%, 82.8%로 나타나 앞선 3가지 처리방법 대비 50%, 100%에 가까운 효소 가수분해 효율 향상을 보였다. 이 때 전처리 고상시료의 성분 변화를 살펴보면 회분 함량에서 큰 차이를 보였는데 암모니아 단독, 가성소다 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합, 가성소다-희황산 복합 처리에서 각각 47.8%, 77.1%, 43.5%, 55.8%, 94.7%의 회분 성분 기각률(rejection rate)을 나타냈다. 이는 왕겨 효소 가수분해 효율의 최대 저해요인이 회분임을 추정할 수 있다. 왕겨 전처리 알칼리 용매는 암모니아보다 가성소다가 더 효과적이었고 희황산 복합 처리시 그 효과가 크게 상승하였다. 따라서 규산염(회분) 함량이 높은 바이오매스는 고온 고압 조건에서 가성소다 용액으로 처리한 후 그 고상분을 희황산 용액으로 복합 처리하는 시스템이 효소 당화 증진에 매우 유리함을 확인하였다.