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이진 노
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1 - Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 4, August 2012, 효소 당화효율 증진을 위한 왕겨의 전처리 방법 연구 박선태 구본철 문윤호 차영록 윤영미 김중곤 안기홍 박광근 박돈희* 농촌진흥청 국립식량과학원 바이오에너지작물센터, *전남대학교 대학원 바이오에너지 및 바이오소재 협동과정 (2012년 5월 10일 접수, 2012년 6월 5일 심사, 2012년 6월 18일 채택) Study on the Pretreatment of Rice Hull to Enhance Enzymatic Saccharification Efficiency Surn-Teh Bark, Bon-Cheol Koo, Youn-Ho Moon, Young-Lok Cha, Young-Mi Yoon, Jung Kon Kim, Gi Hong An, Kwang-Geun Park, and Don-Hee Park* Bioenergy Crop Research Center, National Institute of Crop Science, RDA, Jeonnam , Korea *Interdisciplinary Program of Bioenergy and Biomaterials, Chonnam National University, Gwangju , Korea (Received May 10, 2012; Revised June 5, 2012; Accepted June 18, 2012) 비식량 농업부산물인 왕겨로부터 에탄올 생산을 위한 효율적인 바이오매스 전처리 방법을 탐색하였다. 고온 고압 조건의 회분식 반응기에서 알칼리 용매는 암모니아와 가성소다, 산 용매는 희황산을 사용하였다. 가성소다 용액 처리 후 희황산 용액으로 복합처리한 시료의 효소 당화효율이 82.8%로 가장 높게 나타났고 이때 약 94.7%의 회분 성분 제거율을 보였다. 전처리 왕겨 시료의 효소 당화효율과 회분 성분 제거율 추세가 거의 비슷하게 나타나 왕겨의 효소 당화 최대 저해요인이 회분(규산염) 성분임을 알 수 있었다. 따라서 규산염 함량이 높은 바이오매스는 고온 고압 조 건하에서 가성소다-희황산 복합 처리법을 적용하는 것이 효소 당화효율 증진에 매우 유리함을 확인하였다. The objective of this study was to investigate the efficient pretreatment method for bioethanol production from rice hull. Ammonia and sodium hydroxide as an alkaline solution and dilute sulfuric acid as an acidic solution were used in a batch reactor under high-temperature and high-pressure conditions. The highest enzymatic saccharification efficiency of 82.8% and ash removal rate of 94.7% were obtained in the dilute sulfuric acid treated sample after the sodium hydroxide solution treatment. The enzymatic saccharification efficiencies and ash removals of pretreated have very similar variation tendency. This means that the maximum obstructive factor for the enzymatic saccharification of rice hull is the ash (silicate) content in biomass. The findings suggest that the combined sodium hydroxide-dilute sulfuric acid treatment system under high-temperature and high-pressure conditions is a promising pretreatment method to enhance the enzymatic saccharification of the silica-rich biomass. Keywords: rice hull, silicate, pretreatment, enzymatic saccharification, bioethanol 1) 1. 서 론 벼의 부산물인 왕겨는 벼 수확량에 비례하여 발생하며 그 비율은 벼 생산지와 품종, 작황 및 도정수율에 따라 조금씩 차이가 있으나 약 16 18% 정도이다[1]. 2011년 우리나라 벼의 총 수확량은 562만톤으 로[2] 왕겨 생산량은 약 100만톤으로 추정된다. 왕겨는 주로 축사 바닥깔개, 퇴비, 땔감 등의 용도로 이용되었으나 근래에는 활성탄 원료, 태양전지 소재로 사용하기 위한 실리카 원료 [3], 생분해성 바이오 필름 및 육묘용 포트 원료[4] 등 고부가 가치 용 도로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 억새, 갈대 등의 섬유질계 원료와 같이 왕겨에는 당으로 전환될 수 있는 셀룰로스, 헤미셀룰로 스 성분이 포함되어 있는데 셀룰로스 성분의 당화를 통해 얻어지는 교신저자 ( oushiza@korea.kr) 포도당을 이용한 바이오에탄올 생산도 왕겨 이용성 제고의 한 방편이 될 수 있을 것이다. 지구 온난화 및 이상 기후로 인하여 온실가스 배출 규제가 강화되 는 추세인데, 이와 관련된 국내의 상황을 살펴보면 2020년까지 배출 전망치(BAU) 대비 온실가스 배출량 30% 감축안이 2009년 11월 국무 회의에서 확정된 바 있고[5] 2012년 5월에 온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률이 국회를 통과하여 온실가스 배출권 거래제가 오는 2015년부터 시행될 예정이다[6]. 이와 같은 이산화탄소 배출 억제기 류에 따라 친환경 탄소 순환성 에너지원 확보가 크게 요구되고 있는 데, 그 중 하나로 수송용 연료인 가솔린의 보완재 내지 대체재 역할을 할 수 있는 에탄올을 들 수 있다. 과거 미국의 옥수수 전분질계 바이 오에탄올 생산 확대에서 비롯된 애그플레이션(agflation) 부작용으로 인해 곡물과 경합을 피할 수 있는 비식량 섬유질계 바이오매스를 이 용한 에탄올 생산이 크게 대두되고 있다. 399

Study on the Pretreatment of Rice Hull to Enhance Enzymatic Saccharification Efficiency Surn-Teh Bark, Bon-Cheol Koo, Youn-Ho Moon, Young-Lok Cha, Young-Mi Yoon, Jung Kon Kim, Gi Hong An, Kwang-Geun

2 400 박선태 구본철 문윤호 차영록 윤영미 김중곤 안기홍 박광근 박돈희 Table 1. Pretreatment Conditions of Rice Hull Sample code Solutions used in pretreatment Reaction temperature ( ) Reaction time (min) R-A 15% (w/w) NH 4OH R-N 1.5% (w/v) NaOH R-S 1.0% (w/w) H 2SO R-A-S R-N-S 15% (w/w) NH 4OH % (w/w) H 2SO % (w/v) NaOH % (w/w) H 2SO Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample. 2. Sample code R-N stands for the sodium hydroxide solution treated sample. 3. Sample code R-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample. 4. Sample code R-A-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after ammonia solution treatment. 5. Sample code R-N-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after sodium hydroxide solution treatment. < Specification > Capacity : 500 ml Material : 316SS, Hastelloy-C276 Design pressure : max 100 kg/cm 2 Design temperature : max 250 Heating : Electric band heater Figure 1. Experimental facility for cellulosic biomass pretreatment under high-temperature and high-pressure conditions. 섬유질계 원료를 이용하여 바이오에탄올을 생산하기 위해서는 전 처리, 당화, 발효, 증류 과정을 거치게 되는데 전처리 과정은 효소를 이용한 당화 과정이 잘 이행될 수 있도록 원료에 물리 화학적 처리 를 가하여 바이오매스 조직을 연화 해체시키고 후속과정에서 저해 작용을 할 수 있는 성분들의 제거에 그 목적이 있다. 고온 고압 조건 하에서 수행하는 바이오매스 전처리 작업에는 보통 산, 알칼리 용매 가 사용되는 데 희산은 헤미셀룰로스를, 알칼리는 리그닌을 주로 용 해시킨다[7-10]. 왕겨는 다른 섬유질계 원료의 성분과 비교하여 회분(규산염) 함량 이 매우 높은 특성을 가지는데 이는 벼에 대한 규산질 비료의 시용에 서 기인한 것이다[11]. 섬유질계 원료에서 에탄올을 얻기 위해서는 우 선적으로 셀룰로스 성분의 효소 당화효율을 높일 수 있도록 대상 원 료 특성에 적합한 전처리 방법을 찾는 것이 중요할 것이다. 본 연구에서는 암모니아와 규산염 성분 용해에 효과가 있는 가성소 다[12]를 알칼리 용매로, 산 용매로는 희황산을 사용하여 고온 고압 조건에서 각 용매별 단독 및 알칼리-산 복합 처리하였을 때 고상시료 성분변화, 효소 당화효율 등을 비교하여 왕겨 바이오매스에 적합한 전처리 방법을 탐색하였다. 2. 실험방법 2.1. 공시재료 바이오매스는 농촌진흥청 국립식량과학원 답작과에서 공급받은 왕 겨를 분쇄(Laboratory Mill 3100, Perten)하여 mesh 입경 범위 의 것을 45 에서 건조하여 사용하였고, 시료 성분 분석 및 효소 당 화효율 확인을 위해 표준물질로 Glucose (G5767, SIGMA), Xylose ( , JUNSEI), Arabinose (A , ACROS), α-cellulose (C8002, SIGMA)를 사용하였다 전처리 작업 Figure 1과 같이 회분식 고온 고압반응장치(HR-8300, 한울엔지니 어링)에 왕겨분말과 용매를 고액비 1 : 10으로 투입하여 반응시켰다. 알칼리 용매로 암모니아와 가성소다, 산 용매로 희황산을 사용하였고 예비실험을 통해 확인된 적정 용매농도, 반응온도, 반응시간 조건들을 바탕으로 각 용매별 단독 및 알칼리-산 조합으로 하여 총 5가지 방법 으로 처리하였다(Table 1). 전처리한 왕겨 시료는 나일론 메시(Gilson company, S ) 를 통해 흡인 여과하여 고액 분리하였고 잔사는 ph 7이 되도록 증류 수로 충분히 세척하여 회수하였다. 회수한 잔사에서 일부를 분취하여 105 에서 12 h 건조한 것은 시료 수분함량 측정 및 성분 분석용으 로 사용하였고 나머지 습윤상태의 시료는 효소 당화 실험을 위해 기 밀성이 잘 유지되게 하여 냉장 보관하였다 전처리 시료 성분 분석 전처리 건조시료를 NREL/TP [13], 42622[14]에 따라 분 석하여 전처리 후의 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌, 회분 함량을 정 량하였다. 시료 0.3 g에 72% (w/w) H 2SO 4 3 ml을 넣어 30 에서 1 h 동안 1차 산 가수분해 시킨 뒤 증류수 84 ml을 첨가하여 121 고압멸균 기에서 1 h 동안 2차 산 가수분해 하였다. 고액 혼합물을 도가니형 유 리 필터(IW-32940FNL2G4)로 흡인 여과하여 고액 분리 한 후 액상분 은 CaCO 3로 중화하여 원심분리 튜브에 분취하였다 rpm, 15 min 조건으로 원심분리한 후 0.2 µm 주사기 필터(Advantec)로 여과한 시 액을 HPLC (Waters, USA)로 Glucose, Xylose, Arabinose를 정량하였 으며 분석조건은 Table 2와 같다. 셀룰로스 함량은 Glucose 0.9, 헤 미셀룰로스 함량은 (Xylose + Arabinose) 0.88의 관계식에 의해 환 산하였다[15]. 도가니형 유리 필터에 남은 산 불용성 고상분을 105 에서 건조시킨 후 575 회화로에서 3 h 강열시켰을 때 휘발 감량분 이 리그닌이고, 별도로 전처리 건조 시료 약 1 g을 도가니에 분취하여 575 회화로에서 3 h 강열시켰을 때 잔류분이 회분이다. 공업화학, 제 23 권 제 4 호, 2012

0% (w/w) H 2SO 4 150 10 R-A-S R-N-S 15% (w/w) NH 4OH 150 20 1.0% (w/w) H 2SO 4 150 10 1.5% (w/v) NaOH 150 20 1.0% (w/w) H 2SO 4 150 10 1. Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample.

3 효소 당화효율 증진을 위한 왕겨의 전처리 방법 연구 401 Table 2. HPLC Conditions for Analyzing Sugar Contents Column Detector Conditions Aminex HPX-87H Ion Exclusion Column ( ) Waters 2414 Refractive Index Detector Column oven temp. 65 Detector temp. 40 Mobile phase solvent 5 mm H 2SO 4 Flow rate 0.5 ml/min Injection volume 10 µl Run time per sample 2.4. 효소 당화 및 시액 성분 분석 20 min 암모니아 단독처리 왕겨시료(R-A), 가성소다 단독처리 왕겨시료 (R-N), 희황산 단독처리 왕겨시료(R-S), 암모니아 처리 후 희황산 복 합처리 왕겨시료(R-A-S), 가성소다 처리 후 희황산 복합처리 왕겨시 료(R-N-S), 미처리 왕겨시료(R-Raw), α-cellulose를 대상으로 NREL/ TP [16]에 따라 수행하였다. 50 ml 삼각플라스크에 각각의 시료를 셀룰로스 당량 및 건조중량 기준으로 0.1 g씩 분취한 후 0.1 M-Sodium citrate buffer (ph 4.8) 5 ml을 투입하였다. 효소는 Cellulase (Celluclast 1.5 L, C2730, SIGMA) 와 β-glucosidase (Novozyme 188, C6105, SIGMA)를 각각 30 FPU/ g-cellulose, 60 CBU/g-cellulose 첨가하였고 전량 10 ml이 되도록 증 류수로 나머지 양을 채웠다. 진탕배양기(DS-310C2, 다솔과학)에서 50, 150 rpm 조건으로 72 h 반응시킨 후 시료 상등액 약 2 ml을 원심분리 튜브에 분취한 것을 끓는 물 중탕으로 5 min간 가열하여 효소 활성을 없애고 실온에서 방 냉하였다 rpm, 15 min 조건으로 원심분리한 후 0.2 µm 주사기 필터로 여과한 시액을 HPLC로 Glucose를 정량하였으며 분석조건은 Table 2와 같다 효소 당화효율 산출 효소 당화효율은 투입된 셀룰로스량(0.1 g)에 대한 72 h 반응 후 얻 어진 Glucose량의 셀룰로스 변환량(Cellulose = Glucose 0.9)의 백분 율로 계산하였다[16]. 효소 당화효율(%) 2.6. 주사전자현미경(SEM) 관찰 = 시액 중 셀룰로스(g) 투입된 셀룰로스(g) 100 주사전자현미경(TM-1000, HITACHI)을 통해 전처리 전후 왕겨 시 료 표면의 미세 구조변화를 관찰하여 효소 당화효율과 물리적 구조변 화 간의 연관성 여부를 확인하였다 왕겨 원시료의 화학 조성 3. 결과 및 고찰 원시료 초기 조성은 셀룰로스 34.5%, 헤미셀룰로스 20.5%, 리그닌 Table 3. Compositions of Cellulosic Biomass Feedstocks Compositions (%) Cellulose Hemicellulose Lignin Ash Rice hull Rice straw Miscanthus Reed Cattail %, 회분 14.6%로 나타났다. Table 3에 왕겨 외 여러가지 섬유질 계 바이오매스 성분 분석결과를 함께 나타냈는데, 같은 벼 부산물인 볏짚도 왕겨와 같이 회분 성분이 약 14%로 높게 나타났다. 왕겨, 볏짚 의 경우 억새나 갈대에 비해 셀룰로스 함량이 낮고 회분 함량은 높기 때문에 셀룰로스 손실을 최소화 하고 당으로 전환되지 않는 회분, 리 그닌 성분 제거를 최대화 할 수 있는 바이오매스 전처리 방법이 필요 할 것이다 전처리 시료의 조성 변화 전처리 방법에 따른 시료의 조성 변화를 살펴보면 다음과 같다. 셀룰로스 회수율은 R-N이 75.7%로 가장 높게 나타났으나 후속 과 정으로 희황산 처리를 한 R-N-S와 비교하여 차이가 거의 없었다. 알 칼리 용매별 단독처리 및 희황산 복합처리 시료의 셀룰로스 회수율을 상호 비교해보면, R-A 67.4%에서 R-A-S 56.3%로 11.1% 감소하였으 나 R-N 75.7%에서 R-N-S 75.4%로 0.3% 감소하는데 그쳐 가성소다 처리가 희황산의 침식으로부터 셀룰로스 손실을 크게 막아줌을 알 수 있다. 이는 왕겨의 셀룰로스 성분이 가성소다와 반응하여 셀룰로스 표면에 희황산의 침식을 막아주는 보호막 형성 가능성에서 기인한 것 으로 추측할 수 있다(Table 4, Figure 2(a)). 헤미셀룰로스 제거율은 희황산 처리를 공통으로 거친 R-S, R-A-S, R-N-S가 R-Raw 대비 약 93 97%로 높은 값을 보였고 R-N은 43.2% 로 가장 낮은 값을 보였다. R-N의 경우 R-A보다 헤미셀룰로스 제거 율이 13.5% 낮게 나타나 가성소다의 셀룰로스 성분 보존현상이 헤미 셀룰로스에도 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 가성소다 단독처리시 바이오매스 성분 중 당으로 전환되는 부분의 보존력이 증대됨을 알 수 있다. 하지만 후속과정으로 희황산 처리를 거칠 경우 헤미셀룰로 스 함량이 R-A 8.9%에서 R-A-S 0.5%로 8.4% 감소한 반면 R-N 11.6%에서 R-N-S 1.4%로 10.2% 감소하여 셀룰로스 경우와 같이 가 성소다 처리의 희황산 침식으로부터 헤미셀룰로스 보존현상은 관찰 되지 않았다(Table 4, Figure 2(b)). 리그닌 제거율은 R-N, R-A-S, R-N-S에서 R-Raw 대비 약 73%로 비 슷한 값을 보였고, 알칼리 단독처리의 경우 R-N이 R-A보다 7.9% 높 게 나타나 리그닌 제거에 암모니아보다 가성소다가 더 효과적임을 알 수 있다(Table 4, Figure 2(c)). 회분 함량은 R-N-S가 0.8%로 크게 감소하여 R-Raw 대비 94.7%의 제거율을 보여 가장 좋았고 뒤이어 R-N에서 77.0%의 제거율을 나타 냈다. R-A-S 55.8%, R-A 47.8%, R-S 43.5%의 회분 성분 제거율을 보 여 약 45 55%대로 비슷한 값을 나타냈다. 용매별 단독처리 결과를 비교하면 R-N이 R-A와 R-S보다 회분 제거율이 각각 1.6, 1.8배 상승 하여 가성소다의 규산염 침식효과를 확인할 수 있다(Table 4, Figure 2(d)). Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 4, 2012

40 Mobile phase solvent 5 mm H 2SO 4 Flow rate 0.5 ml/min Injection volume 10 µl Run time per sample 2.4. 효소 당화 및 시액 성분 분석 20 min 암모니아 단독처리 왕겨시료(R-A), 가성소다 단독처리 왕겨시료 (R-N), 희황산 단독처리 왕겨시료(R-S), 암모니아

4 402 박선태 구본철 문윤호 차영록 윤영미 김중곤 안기홍 박광근 박돈희 Table 4. Effect of Pretreatment on the Compositions in Rice Hull Samples Sample code Solid remaining (%) Compositions (%) Cellulose Hemicellulose Lignin Ash R-Raw ± ± ± ± 0.3 R-A 48.1 ± ± ± ± ± 0.6 R-N 49.6 ± ± ± ± ± 0.3 R-S 44.8 ± ± ± ± ± 0.2 R-A-S 32.4 ± ± ± ± ± 0.7 R-N-S 33.7 ± ± ± ± ± All compositions are based on oven-dry untreated biomass. 2. Values are expressed as mean and standard deviation (n = 3 for the composition analysis). 3. Sample code R-Raw stands for the untreated sample. 4. Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample. 5. Sample code R-N stands for the sodium hydroxide solution treated sample. 6. Sample code R-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample. 7. Sample code R-A-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after ammonia solution treatment. 8. Sample code R-N-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after sodium hydroxide solution treatment. (a) Comparison of cellulose recovery rate in pretreated (b) Comparison of hemicellulose removal rate in pretreated (c) Comparison of lignin removal rate in pretreated (d) Comparison of ash removal rate in pretreated Figure 2. Changes in chemical composition of with pretreatment conditions (The data in the figure show the mean value [n = 3]). 1. Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample. 2. Sample code R-N stands for the sodium hydroxide solution treated sample. 3. Sample code R-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample. 4. Sample code R-A-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after ammonia solution treatment. 5. Sample code R-N-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after sodium hydroxide solution treatment. 공업화학, 제 23 권 제 4 호, 2012

3 R-A 48.1 ± 2.8 23.2 ± 1.5 8.9 ± 1.3 8.8 ± 0.6 7.6 ± 0.6 R-N 49.6 ± 1.4 26.1 ± 1.1 11.6 ± 1.0 6.8 ± 0.4 3.3 ± 0.3 R-S 44.8 ± 2.2 20.3 ± 1.4 0.8 ± 0.3 14.7 ± 0.3 8.2 ± 0.2 R-A-S 32.4 ± 3.3 19.4 ± 1.

5 효소 당화효율 증진을 위한 왕겨의 전처리 방법 연구 403 Figure 3. Comparison of the enzymatic saccharification in pretreated at 72 h (30 FPU of cellulase/g-cellulose, 60 CBU of β-glucosidase/g-cellulose, 50, 150 rpm, The data in the figure show the mean value [n = 3]). 1. Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample. 2. Sample code R-N stands for the sodium hydroxide solution treated sample. 3. Sample code R-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample. 4. Sample code R-A-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after ammonia solution treatment. 5. Sample code R-N-S stands for the dilute sulfuric acid treated sample after sodium hydroxide solution treatment. 6. Sample code R-Raw stands for the untreated sample. (a) Ammonia solution treated sample (R-A) (b) Sodium hydroxide solution treated sample (R-N) (c) Dilute sulfuric acid treated sample (R-S) (d) Dilute sulfuric acid treated sample after ammonia solution treatment (R-A-S) (e) Dilute sulfuric acid treated sample after sodium hydroxide solution treatment (R-N-S) (f) Untreated sample (R-Raw) Figure 4. Scanning electron micrographs of outer epidermis of ( 1000) 효소 당화효율 R-A, R-N, R-S, R-A-S, R-N-S, R-Raw, α-cellulose를 대상으로 효 소 당화를 실시하였고 72 h 반응결과는 Figure 3과 같다. R-A, R-S, R-A-S의 경우 효소 당화효율이 약 40%선에서 매우 낮게 나타난 반면 R-N에서는 앞선 3가지 처리 방법들에 비해 약 50% 향상 된 62.7%, R-N-S에서는 약 100% 향상된 82.8%를 나타냈다. 즉 효소 당화효율 측면에서 가성소다 처리 후 희황산 복합처리가 다른 방법들 에 비해 그 효과가 탁월하였다. 전처리 시료의 성분변화와 연관시켜 살펴보면 회분 제거율이 높을 수록 효소 당화효율이 상승함을 확인할 수 있는데, 시료별 회분제거 Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 4, 2012

3]). 1. Sample code R-A stands for the ammonia solution treated sample. 2. Sample code R-N stands for the sodium hydroxide solution treated sample. 3.

6 404 박선태 구본철 문윤호 차영록 윤영미 김중곤 안기홍 박광근 박돈희 율 양상(Figure 2(d))과 효소 당화효율 양상(Figure 3)이 매우 비슷한 모습을 보여주고 있다. 즉 전처리 시료의 회분 함량이 낮을수록 효소 당화효율은 상승하였는데, 이는 왕겨의 효소 당화효율 최대 저해요인 이 회분(규산염)임을 의미한다고 할 수 있다. 효소 당화효율을 상호 비교해보면, 가장 높게 나타난 R-N-S의 경우 R-A-S 및 R-Raw 대비 각각 1.9, 7.1배 높은 효율을, α-cellulose 대비 약 90%의 효율을 나타냈다 시료 표면의 미세 구조변화 Figure 4(a) (f)에 R-A, R-N, R-S, R-A-S, R-N-S, R-Raw 시료 표면 의 주사전자현미경 관찰 영상을 차례로 나타내었다. Figure 4(f)에서 미처리 왕겨 시료의 표면에 옥수수 알맹이 비슷한 모양의 단위체가 규칙적인 형태로 외부를 덮고 있는 것을 볼 수 있는 데 이것이 왕겨의 규산 껍질(external silica shell)이다[17]. 암모니아 단독처리 시료인 Figure 4(a), 희황산 단독처리 시료인 Figure 4(c), 암 모니아 처리 후 희황산 복합처리 시료인 Figure 4(d)에서 규산 껍질이 부분적으로 파괴되어 내부 섬유조직이 일부 노출되어 있음을 확인할 수 있으나 남아있는 규산 껍질이 더 많아 이들 3가지 방법은 전처리 효과가 약함을 알 수 있다. 가성소다 단독처리 시료인 Figure 4(b)에서 는 규산 껍질의 파괴가 크게 이루어져 노출된 섬유조직 주변에 규산 껍질 조각이 일부 널려져 있는 모습을 보여주고 있다. 가성소다 처리 후 희황산 복합처리 시료인 Figure 4(e)에서는 규산 껍질의 대부분이 제거되었고 아울러 섬유조직의 팽윤 해체가 크게 이루어져 당화효 소가 작용하기 좋게 되어 있음을 알 수 있다. 따라서 시료 표면의 규산 껍질 제거 양상(회분 제거율)과 효소 당화 효율 양상이 R-N-S > R-N > R-A R-S R-A-S > R-Raw의 순으 로 서로 일치함을 확인할 수 있다. 4. 결 론 본 연구에서는 왕겨에 적합한 전처리 용매 및 시스템을 탐색하기 위해 알칼리 용매로 암모니아와 가성소다, 산 용매로 희황산을 사용 하였고 각 용매별 단독 및 알칼리-산 복합으로 바이오매스 전처리 과 정을 수행한 결과 확인된 사항들은 다음과 같다. 첫째, 셀룰로스 잔존률면에서 가성소다 처리가 가장 우수하였고 후 속 과정으로 희황산 복합 처리시 셀룰로스 추가 유실률이 0.3%로 매 우 낮게 나타났는데, 이는 셀룰로스 성분의 일부가 가성소다와 반응 하여 셀룰로스 표면에 희황산 침식을 막아주는 보호막 형성 가능성에 서 기인한 것으로 추측할 수 있다. 둘째, 왕겨의 효소 당화 최대 저해요인이 회분(규산염) 성분임을 확 인하였다. 효소 당화효율이 82.8%로 가장 높게 나타난 R-N-S의 경우 회분 제거율도 94.7%로 가장 높았고 전체적으로 전처리 시료별 효소 당화효율 양상과 회분 제거율 양상이 매우 비슷한 모습을 보였는데, 이는 왕겨 효소 당화효율의 최대 저해요인이 회분임을 의미하는 것으 로 해석할 수 있다. 이와 같은 사실은 시료 표면의 주사전자현미경 관 찰 영상으로도 확인되었다. 셋째, 효소당화 과정을 통해 섬유질계 바이오매스에서 Glucose 등 6탄당 생산을 위해서는 전처리 시료의 고상분 중 셀룰로스 성분의 잔 존률 및 효소 당화 저해성분의 제거율이 높아야 한다. 따라서 왕겨와 같이 회분(규산염) 함량이 높은 바이오매스의 경우 고온 고압 조건 에서 가성소다 용액으로 처리한 후 그 고상분을 희황산 용액으로 복 합 처리하는 방법이 셀룰로스 성분 보존 및 효소 당화효율 증진 측면 에서 매우 유리함을 확인하였다. 감 사 본 연구는 농촌진흥청 벼 도정 부산물 이용성 제고 및 실용화 연구 ( ) 과제비로 수행되었습니다. 참 고 문 헌 1. S.-J. Park, M.-H. Kim, and H.-M. Shin, J. of Biosystems Eng., 30, 229 (2005). 2. Statics Korea Web site, index.board?bmode=read&aseq= Siminsori Web site, 4. Agrinet Web site, 16&category1=농산&main_link=1. 5. Chosun Ilbo Web site, /11/18/ html. 6. Financial Shinmum Web site, html?uid= The Korean Institute of Chemical Engineers, Energy Engineering, 2, Kyobo Press, Seoul (1996). 8. K. Sakanishi, S. Sawayama, T. Endo, and T. Minowa, Thoroughly Easy Book for Bioethanol, 10, The Nikkan Kogyo Shimbun, Tokyo (2009). 9. C.-H. Chung, Korean J. Biotechnol. Bioeng., 23, 1 (2008). 10. D. J. Hayes, Catal. Today, 145, 138 (2009). 11. Y.-S. Song, H.-J. Jun, B.-G. Jung, W.-K. Park, K.-S. Lee, H.-K. Kwak, J.-H. Yoon, C.-S. Lee, B.-Y. Yeon, P.-J. Kim, and Y.-S. Yoon, Korean J. Soil Sci. Fert., 40, 354 (2007). 12. H.-J. Chun, K.-S. Kim, B.-N. Sung, and B.-H. Cho, Encyclopaedia Physica-Chimica, 11, Bopkyong Pub., Seoul (2001). 13. A. Sluiter, B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter, D. Templeton, and D. Crocker, Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass, 4, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO. (2008). 14. A. Sluiter, B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter, and D. Templeton, Determination of Ash in Biomass, 4, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO. (2008). 15. L. Zhu, J. P. O Dwyer, V. S. Chang, C. B. Granda, and M. T. Holtzapple, Bioresour. Technol., 99, 3817 (2008). 16. M. Selig, N. Weiss, and Y. Ji, Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass, 4, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO. (2008). 17. S. Shackley, S. Carter, T. Knowles, E. Middelink, S. Haefele, S. Sohi, A. Cross, and S. Haszeldine, Energy Policy, 42, 49 (2012). 공업화학, 제 23 권 제 4 호, 2012

시료 표면의 미세 구조변화 Figure 4(a) (f)에 R-A, R-N, R-S, R-A-S, R-N-S, R-Raw 시료 표면 의 주사전자현미경 관찰 영상을 차례로 나타내었다.

012임수진

012임수진 Received : 2012. 11. 27 Reviewed : 2012. 12. 10 Accepted : 2012. 12. 12 A Clinical Study on Effect of Electro-acupuncture Treatment for Low Back Pain and Radicular Pain in Patients Diagnosed with Lumbar