KR101560576B1 - 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 바이오매스(biomass)의 분자구조를 변화시키도록, 상기 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계, 및 바이오매스의 화학적 반응 영역을 증가시키도록, 상기 분자구조가 변화된 바이오매스에 NMMO(n-methylmorpholine n-oxide) 혼합용매를 혼합하여 상기 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법.
Description
본 발명은 바이오매스에 포함된 당류를 추출함에 있어, 방사선을 이용하여 당류의 수율을 높이는 추출방법에 관한 것이다.
바이오매스(biomass)로부터 에탄올 전환시 필요한 발효가능 당류들을 추출하기 위한 전단계 공정으로서 바이오매스의 전처리 공정이 수행된다. 상기 전처리 공정은 바이오매스의 구조상 탄수화물, 예를 들어 셀룰로오스(cellulose) 및 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(lignin)의 치밀한 화학적 결합의 분해에 그 목적이 있다.
탄수화물과 리그닌의 분리가 당류의 수율에 미치는 영향을 고려할 때, 바이오매스에서 리그닌을 제거하는 단계는 중요하며, 셀룰로오스를 둘러싸고 있는 헤미셀룰로오스의 화학적 결합의 분해 또한 중요하다.
전처리 공정 중 화학적 전처리법을 이용하는 이유는 사용하는 화학물질의 종류와 각각의 농도에 따라 전처리 목적이 다르기 때문이다. 예를 들어, 산이나 염기를 이용한 단일 전처리 공정이 있다. 산을 이용한 전처리의 경우, 셀룰로오스의 수율에는 장점이 있지만, 반면 산에 쉽게 용해되는 헤미셀룰로오스의 손실로 인하여 결과적으로 자일로스의 수율확보에 어려움이 있다. 염기를 이용한 전처리의 경우, 리그닌의 제거에는 효과적이나 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 분리가 효과적이지 못하여 수율이 낮아지는 단점이 있다.
일반적으로 기존의 산이나 염기를 이용한 단일 전처리 공정을 보완하기 위하여 물리적 전처리법, 친환경 용매 전처리법, 고온고압의 증기를 폭발적으로 갑자기 배출하는 폭쇄법, 또는 물리화학적 전처리법, 화학적 저온저압의 수증기 전처리법, 방사선수증기 전처리법과 같이 각각의 단일 공정을 조합하여 처리하는 복합 전처리 공정도 널리 이용되고 있다.
본 발명은 방사선을 이용하여, 바이오매스에 포함된 당류의 수율을 향상시키는 방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법은, 바이오매스(biomass)의 분자구조를 변화시키도록 상기 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계, 및 바이오매스의 화학적 반응 영역을 증가시키도록, 상기 분자구조가 변화된 바이오매스에 NMMO(n-methylmorpholine n-oxide) 혼합용매를 혼합하여 상기 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 노출시키는 단계는 상기 바이오매스에 총 100 kGy 내지 500 kGy의 방사선을 조사할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 노출시키는 단계는, 상기 방사선이 조사되는 상기 바이오매스의 표면적을 넓히도록 상기 바이오매스를 분쇄시켜 분말상태로 만드는 단계, 및 미세화된 상기 바이오매스에 상기 방사선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계는, 고체 상태의 바이오매스에 액체 상태의 팽윤제를 혼합하여 슬러리(slurry)화된 바이오매스를 교반(stirring)하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 바이오매스와 상기 팽윤제의 혼합물에서 상기 바이오매스가 차지하는 중량비는 1% 내지 10%일 수 있다.
상기 팽윤된 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 단계를 더 포함하고, 상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록 상기 바이오매스에 조사되는 총 방사선량을 조절시킬 수 있다.
상기 팽윤된 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 것은, 배양기에서 상기 바이오매스와 상기 효소의 혼합물을 배양하는 단계를 포함하고, 상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록 상기 배양 시간을 조절시킬 수 있다.
상기 효소는 셀룰라아제(cellulase), 베타-글루코시다아제(beta-glucosidase) 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 바이오매스는 섬유소계(cellulosic) 바이오매스와 목질계(lignocellulosic) 바이오매스 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 방사선의 조사는 감마선, 전자선, 이온빔, 자외선(UV), 엑스선(x-ray), 플라즈마(plasma), 중성자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 방사선의 조사는 시간의 간격을 두고 조사 및 중단을 반복할 수 있다.
본 발명의 당류를 추출하는 방법은 바이오매스를 방사선에 노출시켜 바이오매스의 분자구조를 변화시킴으로써, 바이오매스의 구성성분 간의 화학적 결합력이 약화된 상태에서 상기 바이오매스로부터 보다 많은 당류를 추출할 수 있다.
또한, 본 발명의 당류를 추출하는 방법은 방사선에 노출되어 분자구조가 변화된 바이오매스를 팽윤시킴으로써, 효소를 이용한 당류의 추출시 상기 바이오매스로의 효소 접근성을 높여 당류의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 산(acid)이나 염기(alkali) 등을 이용하여 특정 당류만을 추출하는 화학적 전처리법과 비교하여, 본 발명의 당류를 추출하는 방법은 다양한 종류의 당류를 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 당류의 추출방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 도 1에 도시된 당류의 추출방법에 따라 측정한, 총 방사선량 및 효소당화 시간에 따른 당류의 수율을 나타낸 그래프.
도 2는 도 1에 도시된 당류의 추출방법에 따라 측정한, 총 방사선량 및 효소당화 시간에 따른 당류의 수율을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은 바이오매스(biomass)에 포함된 당류의 수율을 향상시키기 위한 전처리 과정 및 전처리된 상기 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 방법에 관한 것이다.
이하, 방사선을 이용하여 바이오매스(biomass)로부터 당류를 추출하는 방법에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 당류의 추출방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1에 도시된 당류의 추출방법에 따라 측정한 총 방사선량 및 효소당화 시간에 따른 당류의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법은 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계(S100) 및 바이오매스를 팽윤시키는 단계(S200)를 포함한다.
먼저, 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계(S100)에서는 바이오매스의 분자구조를 변화시키도록 바이오매스를 방사선에 노출시킨다. 구체적으로, 바이오매스는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 같은 탄수화물 및 식물골격의 구성성분 중 하나인 리그닌(lignin)을 함유하고 있으며, 이들 성분들은 서로 화학적으로 치밀하게 결합되어 있다.
이 상태에서, 상기 바이오매스를 방사선에 노출시키면, 상기 바이오매스는 방사선에 의하여 물리적 손상을 입게되고, 이를 통하여 상기 바이오매스의 분자구조가 변화하게 된다. 예를 들어, 상기 바이오매스의 분자구조의 변화는 표면적, 다공도(porosity) 및 분지(basin)화 중에서 적어도 1개 이상의 변화를 포함할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 상기 바이오매스의 화학적 결합구조를 약화시킬 수 있다.
상기 방사선에 노출시키는 단계는 상기 바이오매스에 총 100 kGy 내지 500 kGy의 방사선을 조사함으로써 이루어질 수 있다. 이때, 총 조사 선량이 100 kGy 이하인 경우 바이오매스의 분자구조의 변화가 발생되기 어려우며, 총 조사 선량이 500 kGy 이상인 경우 바이오매스에 포함되는 상기 셀룰로오스를 분해시켜 상기 셀룰로오스로부터 추출할 수 있는 당류의 수율을 낮추는 원인이 된다.
또한, 상기 방사선의 조사는 감마선, 전자선, 이온빔, 자외선(UV), 엑스선(x-ray), 플라즈마(plasma), 중성자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 방사선의 조사는 시간의 간격을 두고 조사 및 중단을 반복할 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오매스에 방사선을 조사하면, 상기 바이오매스에 지속적으로 열이 상승하게 되어 바이오매스에 포함되는 탄수화물 성분이 파괴될 가능성이 있다. 본 발명에서는 바이오매스에 방사선을 조사한 후 일정시간 이후 상기 조사를 중단하고, 온도가 내려간 바이오매스에 다시 방사선을 조사함으로써, 바이오매스에서 발생되는 열로 인한 상기 탄수화물의 파괴를 방지하여 보다 많은 양의 당류의 추출이 가능하다.
또한, 상기 바이오매스는 섬유소계(cellulosic) 바이오매스와 목질계(lignocellulosic) 바이오매스 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 광합성에 의하여 생성되는 다양한 조류(algae) 및 식물 자원으로서, 옥수수, 사탕수수, 팜, 바나나, 코코넛, 콩, 보리, 볏짚 등일 수 있다.
한편, 상기 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계(S100)는, 상기 방사선이 조사되는 상기 바이오매스의 표면적을 넓히도록, 상기 바이오매스를 분쇄시켜 분말상태로 만드는 단계(S110)와 미세화된 상기 바이오매스에 상기 방사선을 조사하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 바이오매스의 보다 넓은 면적에 대하여 방사선의 조사가 이루어질 수 있다.
다음으로, 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계(S200)에서는 바이오매스의 화학적 반응 영역을 증가시키도록 바이오매스를 팽윤시킨다. 구체적으로, 방사선에 노출되어 분자구조가 변화된 바이오매스에 NMMO(n-methylmorpholine n-oxide) 혼합용매를 혼합하면, 바이오매스가 상기 혼합용매를 흡수하여 부풀어오르게 된다. 이를 통하여 화학적 결합구조가 약화된 상기 바이오매스에서 특정 화학반응을 일으킬수 있는 반응영역이 확대될 수 있다. 예를 들어, 상기 NMMO 혼합용매는 물과 상기 NMMO를 50:50의 비율로 혼합시켜 만들 수 있다.
또한, 상기 바이오매스를 팽윤시키는 단계는, 고체 상태의 바이오매스에 액체 상태의 팽윤제를 혼합하여 슬러리(slurry)화된 바이오매스를 교반(stirring)하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 바이오매스와 상기 팽윤제의 혼합물에서 상기 바이오매스가 차지하는 중량비는 1% 내지 10%로 이루어질 수 있다.
상기의 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계(S100) 및 바이오매스를 팽윤시키는 단계(S200)에 의하여, 바이오매스로부터 당류를 추출하기 전, 방사선을 이용하여 바이오매스를 구성하는 탄수화물의 화학적 결합을 약화시키고, 아울러 화학적 결합이 약화된 상기 바이오매스를 팽윤시킴으로써 이후 당류를 추출하는 단계에서 반응이 일어나는 영역을 확대하여 보다 많은 당류의 추출이 이루어질 수 있다.
한편, 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법은 상기 팽윤된 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 단계(S300)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 효소가 바이오매스에 포함된 탄수화물에 작용하여 당류를 추출하며(이하 효소당화라 함.), 이때, 상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록, 상기 바이오매스에 조사되는 총 방사선량을 조절시킬 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 바이오매스에 상기 방사선을 조사하는 단계(S120) 및 상기 NMMO 혼합용매를 혼합하는 단계(S200)를 수행하지 않은 경우(Raw)와 대비하여, 상기 조사되는 총 방사선량을 증가시킴에 따라 상기 단계들을 수행하는 경우(E100+NMMO, E300+NMMO, E500+NMMO) 당류의 수율이 증가됨을 알 수 있다. 이에 따라, 상기 조사되는 총 방사선량을 조절시켜 상기 당류의 수율을 결정할 수 있다. 여기서, E100, E300 및 E500은 각각 상기 바이오매스에 조사되는 총 방사선량 100kGy, 300kGy 및 500kGy 이다.
그리고, 상기 팽윤된 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 것은, 배양기에서 상기 바이오매스와 상기 효소의 혼합물을 배양하는 단계를 포함하고, 상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록, 상기 배양 시간을 조절시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 각각의 조건별(Raw, NMMO, E100+NMMO, E300+NMMO, E500+NMMO)로 상기 당류의 수율이 도시되어 있다. 여기서, 상기 각각의 조건별로 다시 상기 배양 시간을 조절하여 당류의 수율을 측정하였다. (각각의 조건별로 좌측부터 24시간, 48시간, 72시간이다.) 이에 따라, 상기 바이오매스와 상기 효소의 혼합물을 배양하는 시간을 조절시켜 상기 당류의 수율을 결정할 수 있다.
또한, 상기 효소는 셀룰라아제(cellulase), 베타-글루코시다아제(beta-glucosidase) 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 상기 셀룰라아제는 상기 셀룰로오스에 작용하고, 상기 베타-글루코시다아제는 상기 헤미셀룰로오스에 작용하여 상기 바이오매스로부터 당류를 추출한다.
한편, 방사선을 이용하여 바이오매스로부터 당류를 추출하는 방법은 상기 팽윤된 바이오매스를 증류수로 세척하고, 상기 세척된 바이오매스를 건조시키는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 단계를 수행한 이후 상기 효소당화를 실시할 수 있다.
다만, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정됨은 아니고, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.
Claims (11)
- 바이오매스(biomass)의 분자구조를 변화시키도록, 상기 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계;
상기 바이오매스의 화학적 반응 영역을 증가시키도록, 상기 방사선에 노출됨에 의해 화학적 결합관계가 약화된 상기 바이오매스에 NMMO(n-methylmorpholine n-oxide) 혼합용매를 혼합하여 상기 방사선에 노출된 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계; 및
상기 NMMO 혼합용매에 의해 팽윤된 상기 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 단계를 포함하고,
상기 바이오매스를 방사선에 노출시키는 단계는, 상기 바이오매스에 총 100 kGy 내지 500 kGy의 방사선을 조사하되, 상기 조사에 의한 열 상승으로 상기 바이오매스에 포함되는 탄수화물 성분의 파괴를 억제하기 위하여 상기 방사선의 조사를 소정의 시간 간격을 두고 조사와 조사의 중단을 반복하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 노출시키는 단계는,
상기 방사선이 조사되는 상기 바이오매스의 표면적을 넓히도록, 상기 바이오매스를 분쇄시켜 분말상태로 만드는 단계; 및
미세화된 상기 바이오매스에 상기 방사선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제3항에 있어서,
상기 바이오매스를 팽윤(swelling)시키는 단계는, 고체 상태의 바이오매스에 액체 상태의 팽윤제를 혼합하여 슬러리(slurry)화된 바이오매스를 교반(stirring)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제4항에 있어서,
상기 바이오매스와 상기 팽윤제의 혼합물에서 상기 바이오매스가 차지하는 중량비는 1% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제1항에 있어서,
상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록, 상기 바이오매스에 조사되는 총 방사선량을 조절시키는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제6항에 있어서,
상기 팽윤된 바이오매스에 효소를 첨가하여 당류를 추출하는 것은, 배양기에서 상기 바이오매스와 상기 효소의 혼합물을 배양하는 단계를 포함하고,
상기 당류의 수율(yield rate)을 결정하도록, 상기 배양 시간을 조절시키는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제7항에 있어서,
상기 효소는 셀룰라아제(cellulase), 베타-글루코시다아제(beta-glucosidase) 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제1항에 있어서,
상기 바이오매스는 섬유소계(cellulosic) 바이오매스와 목질계(lignocellulosic) 바이오매스 및 이들을 혼합하여 이루어진 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 제1항에 있어서,
상기 방사선의 조사는 감마선, 전자선, 이온빔, 자외선(UV), 엑스선(x-ray), 플라즈마(plasma), 중성자 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 당류의 추출방법. - 삭제
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