In the first study, response surface methodology (RSM) was employed to optimize alkaline pretreatment condition for maximum glucose yield of rice straw with respect to NaOH concentration (1.0-4.0%), reaction temperature (60-100 ℃) and pretreatment time (30-90 min). The maximum glucose yield of 254.5 ± 1.2 g/kg biomass was obtained at the desirable pretreatment condition of 2.96%, 81.79 ℃ and 56.66 min. The ANOVA test revealed that the model and all independent parameters were considered statistically significant at 95% confidence level. Furthermore, we tried to explore the effect of ultrasonication on alkaline pretreatment. The sample with both NaOH and ultrasound showed a slightly higher digestibility yield than the sample with NaOH only, but the difference was not significant.
In the second study, we investigated a new approach to FeCl3 pretreatment combining with fuel cell system to generate electricity. FeCl3 pretreatment has been known to improve the enzymatic hydrolysis by removing ether linkages between lignin and carbohydrates. After pretreatment, ferric iron (Fe3+), a strong catalyst on carbohydrate catalyst, was found to be reduced to ferrous iron (Fe2+) due to the oxidation of lignin. This ferrous iron was employed to the anode part of the fuel cell generating power of 1110 mW/m2. Ferrous iron was completely removed through oxidation to ferric iron forming a precipitate. Optimal conditions for performing fuel cell were pH of 7.0 and ferrous iron concentration above 0.008 M. These results suggest that fuel cell system could be used not only for removing ferrous iron in liquid hydrolysate, but also for producing electricity.
목질계 바이오매스 기반의 에탄올 생산은 그 원재료가 풍부하고 다양하며, 정제 휘발유에 비해 85% 이상의 온실가스 배출감소를 가져올 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 다당류의 연결체인과 리그닌으로 구성되어 있는 목질계 바이오매스는 높은 에너지 저장량에도 불구하고 미생물의 효소를 이용한 가수분해가 어렵다는 단점을 지닌다. 따라서 수많은 연구 개발을 통해 효과적인 전처리 방법, 가수분해와 당의 에탄올 발효에 최적인 효소 및 미생물을 발굴, 개량하기 위한 작업이 이루어져왔다. 특히 목질계 바이오매스의 단단한 구조체적 특성상 효소의 당화효율을 높이기 위해서는 입자크기를 줄이고 표면적을 높이는 전처리 공정이 반드시 필요하다.
본 연구에서는 다양한 전처리 방법을 이용하여 당화효율을 높이고, 동시에 경제적으로 가치 있는 부산물을 얻는 시스템을 적용하였다. 첫번째 연구에서는 RSM프로그램을 이용하여 통계학적으로 볏짚의 알칼리 전처리법의 최적화된 조건을 찾는데 주목하였다. 알칼리 전처리법은 주로 리그닌을 제거하고 구조상 swelling을 야기하여 효소의 접근성을 향상시키는 화학적 처리법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 알칼리 전처리법의 중요한 요소인 알칼리 농도, 반응 온도와 시간을 통계학적 방법을 통해 각각 조건을 달리하여 최적화된 조건을 찾고, 각 요소들의 상호관계를 찾고자 하였다. 또한 기존의 알칼리법에 케비테이션 효과를 발생시키는 것으로 알려진 초음파를 결합한 실험을 진행하여 그 향상성을 알아보고자 하였다.
두번째 연구에서는 최근 들어 기존의 산처리를 대신해 많은 연구가 진행중인 FeCl3를 이용한 전처리법을 수행하였다. FeCl3를 이용한 전처리법은 특히 대부분의 헤미셀룰로오스를 분해하여 높은 액체 상태의 xylose 회수율을 보였다. 또한 FeCl3는 전처리 과정에서 헤미셀룰로오스를 가수분해하는 촉매제 역할과 동시에 리그닌을 산화시키는 산화제 역할을 하여 대부분의 삼가 철이온 (Fe3+)이 이가 철이온 (Fe2+) 으로 환원되었음을 확인하였다. 따라서 환원된 이가 철이온은 연료 전지의 음극부분의 전해질로 이용되어 전기를 발생시키는데 활용하는 시스템을 개발하였다.
따라서 본 연구는 통계학적 방법을 통해 기존 화학적 전처리법의 최적화된 조건을 찾고 결과에 영향을 미치는 주요 인자들의 상호관계를 확립하고, FeCl3전처리법에 연료전지 시스템을 결합하여 이가 철이온을 제거함과 동시에 전기를 생산함으로써 전처리 공정의 비용을 최소화할 수 있는 방안을 제시하였다.
