This research is focused on the development of pretreatment methods for lignocelluloses in the broader context of a biorefinery. In the first two studies, a laboratory twin-gear reactor (TGR) was investigated as new means for the handling of thick biomass slurries. This high shear stress device was used as a base of thermo-mechanical action for the pretreatment of high solids loading of biomass. By adapting new pretreatment pathways, its unique helical gears were able to disrupt the biomass structure to significantly reduce the subsequent enzyme dosage for an enhanced sugar yield.
Although this TGR was effective enough but at the same time it offers the loss of the biomass components. Therefore, for the remaining studies I used different approaches without the use of TGR to address above issues.
In my next study, I introduced a new persulphate based oxidative pretreatment. I used potassium persulphate to induce Fenton-like reaction for the disruption of biomass structure. This pretreatment was unique in a sense that it does not dissolve any component of biomass and escalated the hydrolysis yield. Although, this new oxidative pretreatment was indeed a drastic approach but at the same time it was prohibitively expensive.
So, in the last two studies new approaches were investigated to enhance the economics of a biorefinery operation. In first study, ammonium carbonate (AC) was introduced as a zero cost catalyst. This AC pretreatment, specifically combined with a $CO_2$ capture process, was found effective for the pretreatment and it also provided a nitrogen supplement in the subsequent fermentation process.
In the last study, I introduced $FeCl_3$ as a duel function catalyst for the pretreatment as well as for the production of biochemicals. This catalyst has the regeneration capability after the pretreatment and thus can be helpful to reduce the financial burdens of a biorefinery.
본 연구의 목적은 효과적으로 목질계 바이오매스를 전처리하는 것이며, 먼저 소개 될 두 실험은 고함량 고형물 목질섬유소의 전처리를 위한 새로운 수단으로써, 랩 스케일의 트윈기어 반응기 (TGR)를 적용하였다. TGR은 높은 전단응력을 낼 수 있는 장치로 높은 고형물 부하량의 바이오매스를 전처리하기 위하여 산과 염기 촉매가 함께 적용되었다. 이 특별한 나선 기어는 바이오매스 구조들을 파괴시킬 수 있었고, 추후 공정 기술인 효소 주입 공정의 주입량을 상당히 줄일 수가 있었기 때문에, 새로운 목질 섬유소 전처리를 위한 방법으로 적용하였다.
추후 세가지 연구는 TGR의 적용없이 단지 회분식 실험만으로 진행하였으며, 먼저 볏집 전처리를 위하여 과황산 칼륨을 새로운 촉매제로 사용하였다. 과황산 칼륨은 하이드록실 라디칼과 유사하게 강력한 산화제로써 이용할 수 있으며, 유사펜톤반응을 위한 또 다른 산화제로 알려져있다. 따라서 본 연구에서는 과황산칼륨을 볏집 전처리를 위한 강력한 산화제로 이용하였고, 온도, 과황산 칼륨의 함량 그리고 반응시간와 같은 공정의 핵심 파라터들의 최적화 실험을 통해 높은 당 회수를 위한 최적의 조건을 확립시켰다.
또한 전처리 촉매제로써 탄산 암모늄 (AC)을 사용하였는데, 이 촉매는 비용이 들지 않는 촉매제이다. 이 AC는 바이오 에탄올 생산 공정 증진을 위한 시료의 전처리 공정 촉매제로 사용할 수 있으며, 동시에 지속적인 발효공정의 질소원으로 이용가능하기 때문이다. 마지막으로 염화제2철을 전처리 촉매제로 사용하였는데, 이는 전처리를 위한 촉매로 사용할 수 있을 뿐만아니라 동시에 자원으로 활용가능한 생화학 시약을 생산할수 있다는 강점을 가지고 있다. 본 실험에서는 0.1M의 염화 제2철을 사용하여 헤미셀룰로오스 부분을 용해시켜 74%의 자일로오스 수율을 얻을 수 있었으며, 이 촉매는 제2철이온으로 재생산되어 열처리를 통해 푸르푸랄을 생산할 수 있었다.
