• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 2011.05a
• /
• pp.177.2-177.2
• /
• 2011

세계적인 자원고갈과 지구온난화와 같은 환경문제가 발생됨에 따라 대체에너지 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 섬유소 기질을 이용한 바이오에탄올 생산은 세계적으로 막대한 자원이 있으며 광합성에 의해 재생산되는 무한한 재원으로서 환경적으로도 대기오염물질을 적게 배출하여 유용한 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 섬유소 기질은 cellulose, hemicellulose, lignin과 같은 고분자 화합물이 유기적으로 결합된 단단한 결정구조로 이루어져 있어 이를 분해하여 원하는 물질을 얻기 위해서는 전처리 과정이 필요하다. 전처리 공정은 바이오에탄올을 생산하는 당화 및 발효공정의 효율 및 반응시간 단축에 기여하며, 특히 섬유소 기질일 경우에는 필수불가결한 공정이다. 전처리 공정은 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 나누어지며, 이러한 방법들 중 기질의 특성과 처리효율에 따라 기술들을 병합하여 사용하기도 한다. 이에 본 연구에서는 산 처리, 암모니아 처리, 과산화수소 처리 및 효소를 이용한 생물학적 처리를 단독 또는 병행하여, 전환된 당 성분 및 함량을 조사함으로서 섬유소계 기질인 채소 음식물류 쓰레기를 대상으로 바이오에탄올을 경제적으로 생산하기 위한 적합한 전처리법을 검토하였다. 전처리 방법별 당화율을 살펴보면, 산 처리와 암모니아-과산화수소-계면활성제 처리가 각각 65.3 % 및 65.7 %로 가장 높았으며, 과산화수소 처리는 16.2 %로 가장 낮았다. 반면 전처리 공정 없이 효소를 이용한 당화만을 실시한 경우에는 4.3 %의 낮은 당화율을 나타내었다. 섬유소계 기질의 전처리 효율을 향상시키기 위해 첨가하는 계면활성제의 효과는 암모니아-과산화수소 및 암모니아-과산화수소-계면활성제 처리의 당화율을 비교한 결과, 뚜렷한 효과를 확인할 수 없었다. 전처리 방법별 당의 성분 및 함량을 비교한 결과 육탄당은 암모니아-과산화수소-계면활성제 전처리에서 가장 많이 검출되었다. 오탄당은 산 처리 후 그 함량이 현저히 높았으며, 오탄당 중 xylose의 함량이 60.49 mg/g로 가장 많이 차지하고 있었다. 이 결과로부터 전처리 방법에 관계없이 당화율은 유사한 수준을 보이지만, 당화된 당의 성분 및 함량에는 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. 이당류의 경우 과산화수소 및 암모니아-과산화수소 처리를 제외한 나머지 전처리 방법에서 유사한 수준을 나타내었다. 암모니아 처리 및 과산화수소 처리를 순차적으로 병행한 암모니아-과산화수소 처리에서는 각각의 처리시보다 육탄당의 함량은 증가하였으나 암모니아 처리시보다 이당류의 함량은 감소한 것으로 나타났다.

• Journal of Energy Engineering
• /
• v.4 no.1
• /
• pp.76-84
• /
• 1995

본 연구에서는 코코넛 껍질로부터 제조한 활성탄을 열 및 산소-암모니아의 혼합가스로 전처리하여 표면의 특성 변화와 이산화황 흡착능에 미치는 영향을 살펴보았다. 전처리한 활성탄으로 이산화황 흡착실험을 수행한 결과, 전처리한 활성탄은 기본 활성탄 시료보다 높은 흡착능력을 보였다. 본 연구의 전처리 실험에서는 산소와 암모니아를 주입하여 활성점을 제공하는 산소와 환원성 분위기를 조성하는 질소관능기를 도입하였다. 전처리 조건은 0∼25%의 암모니아와 473∼1273K의 온도이며 처리조건을 변화시킴으로써 표면 기능의 척도가 되는 세공구조와 원소조성 및 표면 관능기 등에 직접적인 영향을 주었다. 흡착능력은 고정층 반응기에서 전자 비틀림 저울로 이산화황 흡착량을 측정하여 비교하였고, 이 과정 중의 활성탄 표면의 특성변화를 원소분석, 승온탈착법, 산-염기 적정법, 주사현미경법 등의 분석 방법을 통해서 알아보았다. 그 결과, 이산화황의 최대 흡착 능력은 온도조건 973∼1173K에서 나타났다. 또한, 암모니아로 처리하지 않은 활성탄에 비하여 암모니아로 처리한 활성탄은 그 주입농도에 관계없이 이산화황의 흡착제거율을 약 48% 정도 향상시켰다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• v.53 no.4
• /
• pp.417-424
• /
• 2015

In this study, the pretreatment of Helianthus tuberosus residue had been performed. The two-stage pretreatment on flow-through process were applied in the interests of increase of sugar production yield on enzymatic saccharification. The delignification by aqueous ammonia and the fractionation of hemicellulose by sulfuric acid solution as pretreatment solution were confirmed for effects of enzymatic saccharification. Two-stage pretreatment process was performed using aqueous ammonia and sulfuric acid. The first step was performed with aqueous ammonia for 40 min at $163.2^{\circ}C$ and the second step was performed with sulfuric acid solution for 20 min at $169.7^{\circ}C$. And then, the first step was performed with sulfuric acid solution and the second step was pretreated with aqueous ammonia. At this time, the glucose production was 30.7 g and the glucose yield was 72.4% in the first step process with aqueous ammonia. And, the glucose production was 20.9 g and the glucose yield was 49.3% in the first step process with sulfuric acid solution.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• v.49 no.3
• /
• pp.292-296
• /
• 2011

Liberation of fermentable sugars from lignocellulosic biomass is one of the key challenges in production of cellulosic ethanol. Aqueous ammonia cleaves ether and ester bonds in lignin carbohydrate complexes. It is an effective swelling reagent for lignocellulosic biomass. The aqueous ammonia pretreatment selectively reduces the lignin content of biomass. However, at high temperatures, this process solubilizes more than 50% of the hemicellulose in the biomass. Here we conducted a SAA(Soaking in Aqueous Ammonia) process by moderate reaction temperatures at atmospheric pressure using various lignocellulosicbiomass. The optimum condition of this process was 15 wt% of aqueous ammonia at 50 of reaction time during 72 hr. The delignification was up to 60% basis on initial biomass and the enzymatic digestibility was 60-90% for agricultural biomass, respectively.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 2011.11a
• /
• pp.112.1-112.1
• /
• 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.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• v.52 no.4
• /
• pp.430-435
• /
• 2014

Physical and chemical barriers, caused by the close association of the main components of cellulosic biomass, hinder the hydrolysis of cellulose to fermentable sugars. Since the main goal of pretreatment is to increase the enzyme accessibility improving digestibility of cellulose, development of an effective pretreatment process has been considered to be important. In this study, SAA (Soaking in Aqueous Ammonia) was chosen as pretreatment because this is the simple and low-cost method. Rice straw of which the production is outstandingly high in domestic agriculture residues in Korea was chosen as raw material. SSA pretreatment with various reaction time of 3 h to 72 h was tested. The enzymatic hydrolysis and SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation) were performed at three different temperature (30, 40 and $50^{\circ}C$) to investigate performance of SSF upon various pretreatment conditions. As a result, this SAA treated-rice straw was found to have great potential for effective enzymatic hydrolysis and SSF with lower enzyme dosage at lower temperature ($30^{\circ}C$) than its conventional SSF. In SAA addition, SAA reduced fermentation time to 24 h owing to increase the initial hydrolysis rate substantially.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• v.47 no.1
• /
• pp.89-95
• /
• 2009

Because of high contents of cellulose (~37 wt%) and hemicellulose (~17%), rice straw seems to be a potential lignocellulosic biomass for production of bioethanol. In this study, Ammonia Recycled Percolation (ARP) pretreatment of rice straw was extensively investigated. In particular, the experimental study included the effects of temperature, reaction time and concentration of ammonia on compositions and enzymatic digestibility of the resulting solid residues; the ranges of pretreatment conditions were, in turn, $150{\sim}190^{\circ}C$, 10~90 min and 0~20 wt%. Through ARP pretreatment, the lignin content was reduced by as high as ~84% while 20~80% of the hemicellulose was also solubilized. The solid residue resulted from the pretreatment with 15 wt% aqueous ammonia solution at $170^{\circ}C$ for 90 mim showed as high as ~90% of digestibility with 15FPU/g of glucan enzyme loading. Supplement of xylanese to cellulase led to a notable enhancement of digestibility, indicating a discernable inhibitory role of hemicellulose. Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) and Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation (SSCF) were performed to obtain ethanol productions of 13.8 g/L (corresponding to 81% yield) and 15 g/L (corresponding to 89% yield), respectively.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 2010.11a
• /
• pp.106.1-106.1
• /
• 2010

본 연구는 팜 부산물로부터 바이오 에탄올을 생산하는 전처리-당화-발효 공정의 첫 번째 단계인 전처리 공정에서 팜 부산물을 NaOH를 이용하여 효율적으로 전처리하고자 하였다. 암모니아 침지법과 NaOH 침출법을 비교한 결과 팜 부산물에 대해서는 암모니아 침지에 의한 탈리그닌 효과가 적으며 NaOH 전처리가 적합한 방법임을 알 수 있었다. 40-100 mesh 크기의 팜 부산물을 이용하여 반응온도(110, 130, $150^{\circ}C$), 반응시간(20, 40, 60분) 및 NaOH 농도(5%, 11%)의 변화에 따른 팜 부산물의 탈리그닌율과 글루코스 및 자일로스 회수율 간의 상호관계를 확인하였다. $150^{\circ}C$까지의 온도 조건에서 온도에 의한 자일로스의 분해는 일어나지 않는 것으로 확인되었다. 팜 부산물의 탈리그닌율은 시간이 증가할수록 증가하였으며, 높은 NaOH 농도에서 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 글루코스 및 자일로스의 회수율은 높은 농도에서 낮게 나타났으며, 시간이 지날수록 감소하여 손실이 많은 것으로 나타났다. 따라서 NaOH 농도가 낮을수록 당 회수율은 높게 나타나지만, 탈리그닌율이 낮아 당화 효율이 떨어지므로 효소 당화 후에 최종 당 회수율이 높은 NaOH 농도 조건을 결정하여야 하겠다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2003.07b
• /
• pp.779-782
• /
• 2003

Hot filament 플라즈마 화학기상 증착법 (HFPECVD)를 사용하여 전처리 조건에 따른 탄소나노튜브의 성장 특성을 관찰하였다. 암모니아 ($NH_3$)를 희석가스로 사용하였고, 아세틸렌 ($C_2H_2$)를 탄소 원료가스로 각각 사용하였다. 암모니아 가스 플라즈마를 사용하여 전처리 된 니켈 촉매 층의 SEM (Scanning Electron Microscopy) 이미지를 관찰하여 본 결과, 나노 사이즈의 촉매 그레인(grain)을 발견할 수 있었다. 그리고 탄소 나노튜브의 직경과 성장 밀도 또한 전처리 된 촉매 층에 따라 다른 양상을 보였다. TEM (Transmission Electron Microscopy)를 사용하여 탄소나노튜브를 관찰한 결과 공동구조(hollow)를 한 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 관찰할 수 있었다. 성장된 나노튜브는 끝에 금속팁을 가지고 있으며, 나노튜브의 팁은 촉매로 사용한 것과 같은 물질로 구성되어 있었다. Raman spectroscopy를 사용하여 측정된 B-밴드와 G-밴드의 피크들은 각각 $1360cm^{-1}$와 $1598cm^{-1}$ 부근에서 나타났으며, 전처리 조건을 달리하여 성장시킨 탄소나노튜브 필름에서 이들 두 피크의 위치는 이동하지 않았고, 두 피크의 강도 비율 ($I_G/I_D$)은 전처리 조건에 따라 변하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• v.51 no.3
• /
• pp.303-307
• /
• 2013

This study compares the efficacy of soaking and percolation pretreatments with alkaline solutions for lignocellulosic biomass. Various biomass such as rice straw and barley were pretreated by soaking processes in various alkaline solutions including sodium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia and sodium carbonate. The enzymatic digestibility of rice straw and barley that had been pretreated by soaking in aqueous ammonia was over 80%. Eucalyptus residue, Larix leptolepis and Pinus rigida exhibited relatively low enzymatic digestibility. Nevertheless, the enzymatic digestibility of pretreated eucalyptus residue was increased by five times compared to that of the initial biomass. And, the enzymatic digestibility of the percolation pretreated eucalyptus residue was increased 12 times.