리그노셀룰로오스 바이오매스의 향상된 효소 가수분해 효율을 위한 lab-scale과 pilot-scale steam explosion 전처리 비교

하시영1*, 김현철1, 임우석1, 양재경1

(1경상국립대학교 환경재료과학과)

Comparison of lab-scale and pilot-scale steam explosion pretreatment for enhanced enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass

Si Young Ha1*, Hyeon Cheol Kim1, Woo Seok Lim1, Jae-Kyung Yang1

(1Department of Environmental Material Science, Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University)

요약: 이 논문의 목적은 이전에 많은 연구자들이 보고한 압력, 온도 및 반응 시간에 대한 steam explosion 전처리의 매개변수에서 확장된 전처리 scale에 따른 steam explosion 전처리 공정이 목질계 바이오매스의 당화 수율에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 이 연구에서는 먼저 5cm보다 작은 혼합 목질계 바이오매스 샘플을 225℃에서 5분간 steam explosion 처리하였으며, 변수는 바이오매스 loading weight와 scale (Lab scale, Pilot scale)이었다. Steam explosion 샘플을 당화 효소로 72시간 동안 가수분해한 후, 당 (glucose, xylose, galactose, mannose, arabinose 등)의 함량을 분석했다. Steam explosion 처리된 목질계 바이오매스에서 가장 높은 glucose 수율은 시료 0.2kg, 압력 25kgf, Lab scale에서 도출되었다. 이러한 조건에서 steam explosion처리된 목질계 바이오매스의 포도당 수율은 85.8%로 분석되었다. Steam explosion 처리된 목질계 바이오매스는 Lab scale에서 더 높은 포도당 함량을 보였지만, 그 차이는 Pilot scale과 통계적으로 유의미하지 않았다 (p>0.05, 약 1.2배). 따라서 Pilot scale은 steam explosion 처리된 목질계 바이오매스의 산업화에 적합한 것으로 제안할 수 있다.

Abstract: Pressure, temperature, and retention time are the most studied parameters in steam explosion pretreatment. However, this work aimed to fix these parameters and to evaluate the influences of less investigated scales on the saccharification yield in hydrolysis. In this study, firstly, mixed hardwood samples smaller than 5 cm were treated with steam explosion at 225 ℃ for 5 min. The variable parameters were biomass loading, and scale. Steam-exploded samples were hydrolyzed with the enzyme for saccharification for 72 h, the sugar content was analyzed to estimate the yield of glucose, xylose, galactose, mannose, and arabinose. The best glucose yield in the steam exploded mixed hardwood was achieved with 0.2 kg of the sample, the pressure of 25 kgf, and lab scale. These conditions gave a glucose yield of 85.8% in the steam exploded mixed hardwood. Although steam explosion-treated mixed hardwood exhibited a higher glucose content at the lab scale, the difference was statistically insignificant (p>0.05; approximately 1.2 times). Therefore, the pilot scale is suggested as suitable for the industrial production of steam explosion-treated mixed hardwood.

사사: 본 연구는 산림청(한국임업진흥원)에서 제공하는 산림생물소재 활용 기반 기술개발 사업(사업번호 '2023473G10-2425-EE0261382116530102')의 지원을 받아 수행되었다.