Lignocellulosic biomass conversion to biofuels such as ethanol and other value-added bio-products including activated carbons has attracted much attention. The development of an efficient, cost-effective, and eco-friendly pretreatment process is a major challenge in lignocellulosic biomass to biofuel conversion. Although several modern pretreatment technologies have been introduced, few promising technologies have been reported. Microwave irradiation or microwave-assisted methods (physical and chemical) for pretreatment (disintegration) of biomass have been gaining popularity over the last few years owing to their high heating efficiency, lower energy requirements, and easy operation. Acid and alkali pretreatments assisted by microwave heating meanwhile have been widely used for different types of lignocellulosic biomass conversion. Additional advantages of microwave-based pretreatments include faster treatment time, selective processing, instantaneous control, and acceleration of the reaction rate. The present review provides insights into the current research and advantages of using microwave-assisted pretreatment technologies for the conversion of lignocellulosic biomass to fermentable sugars in the process of cellulosic ethanol production.
The high costs for ethanol production with lignocellulosic biomass as a second generation energy materials currently deter commercialization of lignocellulosic biomass, especially wood biomass which is considered as the most recalcitrant material for enzymatic hydrolysis mainly due to the high lignified structure and the nature of the lignin component. Therefore, overcoming recalcitrance of lignocellulosic biomass for converting carbohydrates into sugar that can subsequently be converted into biobased fuels and biobased products is the primary technical and economic challenge for bioconversion process. This study was mainly reviewed on the research trend of the enhancement of enzymatic hydrolysis for lignocellulosic biomass after pretreatment in bioethanol production process.
In recent years, the municipal wastes recognized resources. This study was performed to survey the changes of main components of the pretreated(chemical, physical) lignocellulosic biomass. The result can be summerized as follows; In pulp fiber composition, newsprint and corrugating container were mainly consist of softwood fiber(tracheid). But computer print out and magazine had a large amount of hardwood fiber(wood fiber). And, carbohydrate content in the various lignocellulosic biomass increases as the following orders : Magazine < Newsprint < Corrugating container < Computer print out. In the chemical pretreatments for the delignification, sodium hypochlorite pretreatment was more effective than sodium hydroxide. By washing, ash content of lignocellulosic biomass was decreased. Physical pretreatments were less effective than chemical pretreatment for the delignification. On the other hand, in physical pretreatments, ash content of lignocellulosic biomass was the same tendency as in the chemical pretreatments.
목질바이오매스 원료는 구성성분 특성 및 분포상 생물 화학적 전환에 매우 큰 장애요소를 지니고 있다. 특히 셀룰로우스를 이용하고자 하는 경우의 리그닌 장애는 해결해야 할 중요한 요소로 인식되고 있어 바이오에탄올 생산에서도 당화공정에 앞서 전처리 공정이 필연적이며 최종 에탄올 수율 및 생산비용에도 영향이 커서 다양한 전처리 방법들이 제안되고 있는 상황이다. 본 총설은 문헌연구를 통하여 최근 세계적으로 진행되고 있는 목질바이오매스 대상의 전처리 연구에 대한 동향을 파악하고, 이들 전처리공정의 특징 및 장단점을 분석하여 국내 목질바이오매스 원료 및 생산여건에 적합한 공정 연구 개발에 필요한 기초자료를 마련하고자 하였다. 국내외적으로 활발하게 연구되는 주요 전처리 기술은 각각 공정 및 경제성 면에서 장단점이 있어 원료나 생산여건 환경에 따라 적합한 전처리 공정을 선택해야 할 필요가 있는 것으로 고찰되었다.
This study reviewed on the research trend of sources and utilization of the byproducts(Lignin) from bioethanol production process with lignocellulosic biomass such as wood, agri-processing by-products(corn fiber, sugarcane bagasse etc.) and energy crops(switch grass, poplar, Miscanthus etc.). During biochemical conversion process, only Cellulose and hemicellulosic fractions are converted into fermentable sugar, but lignin which represents the third largest fraction of lignocellulosic biomass is not convertible into fermentable sugars. It is therefore extremely important to recover and convert biomass-derived Lignin into high-value products to maintain economic competitiveness of cellulosic ethanol processes. It was introduced that lignin types and characteristics were different from various isolation methods and biomass sources. Also utilization and potentiality for market of those were discussed.
Bio-ethanol is a promising alternative energy source for reducing both consumption of crude oil and environmental pollution from renewable resources like lignocellulosic biomass such as wood, forest residuals, agricultural leftovers and urban wastes. Based on current technologies, the cost of ethanol production from lignocellulosic materials is relatively high, and the main challenges are the low yield and high cost of the hydrolysis process. Development of more efficient pretreatment technology (physical, chemical, physico-chemical, and biological pretreatment), integration of several microbiological conversions into fewer reactors, and increasing ethanol production capacity may decrease specific investment for ethanol producing plants. The purpose of pretreatment of lignocellulosic material is to improve the accessible surface area of cellulose for hydrolytic enzymes and enhance the conversion of cellulose to glucose and finally high yield ethanol production which is economic and environmental friendly.
The present work explores the potential of wet air oxidation (WAO) for pretreatment of mixed lignocellulosic biomass to enhance enzymatic convertibility. Rice husk and wheat straw mixture (1:1 mass ratio) was used as a model mixed lignocellulosic biomass. Post-WAO treatment, cellulose recovery in the solid fraction was in the range of 86% to 99%, accompanied by a significant increase in enzymatic hydrolysis of cellulose present in the solid fraction. The highest enzymatic conversion efficiency, 63% (by weight), was achieved for the mixed biomass pretreated at $195^{\circ}C$, 5 bar, 10 minutes compared to only 19% in the untreated biomass. The pretreatment under the aforesaid condition also facilitated 52% lignin removal and 67% hemicellulose solubilization. A statistical design of experiments on WAO process conditions was conducted to understand the effect of process parameters on pretreatment, and the predicted responses were found to be in close agreement with the experimental data. Enzymatic hydrolysis experiments with WAO liquid fraction as diluent showed favorable results with sugar enhancement up to $10.4gL^{-1}$.
본 연구는 바이오에탄올을 생산하고자 목질계 바이오매스의 효소당화에서의 반탄화의 영향을 비교분석하였다. 전처리로서, 목질계 바이오매스의 반탄화는 무산소 조건에서 $250{\sim}350^{\circ}C$의 온도로 시행되었다. 또한 비이온성 계면활성제인 Tween-80을 첨가하여 반탄화로 인한 소수성변환에 대처하여 당화효율을 높이기 위한 실험을 진행하였다. 그 결과, 반탄화 전처리한 바이오매스를 효소당화한 후 글루코즈 생산량이 전처리하지 않은 바이오매스의 글루코즈 생산량보다 높았다. 그리고 Tween-80의 첨가하여 효소당화하였을 때 당 전환율이 더 높았다. 이로 인해 반탄화를 목질계 바이오매스의 전처리로 적용할 수 있으며 Tween-80을 첨가하였을 때 효소당화에 영향이 있다는 것을 알 수 있었다.
Bio-ethanol is the most potential next generation automotive fuel for reducing both consumption of crude oil and environmental pollution from renewable resources such as wood, forest residuals, agricultural leftovers and urban wastes. Lignocellulosic based materials can be broken down into individual sugars. Therefore, saccharification is one of the important steps for producing sugars, such as 6-C glucose, galactose, mannose and 5-C xylose, mannose and rhamnose. These sugars can be further broken down and fermented into ethanol. The main objective of this research is to study the feasibility and optimize saccharification and fermentation process for the conversion of lignocellulosic biomass to low cost bioethanol.
본 논문에서는 최근 목질계바이오매스를 원료로 한 수송용(transportation) 바이오연료의 국제적 상용화 기술의 흐름과 산업체 동향에 대하여 조사하였다. IEA, Bioenergy Task 39에서 집계한 수송용 바이오연료 관련 산업체에서 목질계 원료를 사용하는 산업체는 93개 업체였고, 그중에서 Commercial type의 산업체를 기준으로 생화학적 전환기술을 채택한 업체는 전체의 84%로 나타나 생화학적 전환공정이 목질계 바이오연료 분야의 주류 기술인 것으로 밝혀졌다. 생화학적 전환공정을 채택한 Commercial type 산업체의 주요 생산품은 바이오에탄올로서 연간 약 115만 5천 톤, 바이오오일은 약 12만 톤으로 전 세계의 수송용 연료에 혼입목표량을 대체하기에 매우 부족한 상황인 것으로 밝혀져 수송용 바이오연료 시장은 기술과 규모 면에서 기술개발과 상용화 노력이 더욱 요구됨이 시사되었다. 또한 pilot type의 산업체에서 생화학공정 및 열화학공정기술을 활용한 실험적 생산이 다수 진행되고 있어, 향후 목질계 원료에 의한 액체바이오연료 기술이 다양하게 실용화될 가능성이 큰 것으로 시사되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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