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Hydrolysis of microalgal biomass by using solid acid catalyst = 고체산 촉매를 이용한 미세조류 바이오매스 가수분해 연구
서명 / 저자 Hydrolysis of microalgal biomass by using solid acid catalyst = 고체산 촉매를 이용한 미세조류 바이오매스 가수분해 연구 / Hyun Woo Joo.
저자명 Joo, Hyun Woo ; 주현우
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

Golenkinia sp. is a microalga with potential commercial value because of its high carbohydrate content (more than 40%). The major challenge is to find hydrolytic processes that can efficiently convert these carbohydrates into fermentable sugars. Hydrolysis of microalgal biomass generally uses a dilute liquid acid catalyst, such as hydrochloric acid, sulfuric acid, or nitric acid. However, neutralization and desalting processes are needed after this procedure for production of a hydrolysate that is suitable for use as a fermentable broth. These processes require large amounts of energy and are ,therefore, very expensive. In this work, we hydrolyzed 10 g/L of Golenkinia sp. using 9.2 g/L of Amberlyst 36 with 0.01 N of nitric acid at 150℃ for 160 min, a process that required no desalting. 88% of total sugar yield mainly glucose and galactose was obtained after a 120 min reaction. Our results also showed that these 2 catalysts had a prominent synergistic effect, in that the yield when both catalysts were used together was much greater than the sum of the yields of the individual catalysts. Futhermore, rotating packed bed reactor was suggested for recycle of Ambelryst 36. The structure of Amberlyst 36 was destroyed due to physical forces. Rotating packed bed prevented that damage and enhanced recyclability of Amberlyst 36. When the Amberlyst 36 was packed in the column, it could be used infinitely without significant destruction. Also, cell debris coated on surface of Ambelryst 36 was eliminated by sonication to maintain more than 70%(g/g) of total sugar yield until 6th recycle run. After 11th recycle run, the sulfonic groups of Amberlyst 36 was totally neutralized or missed. These dead Amberlyst 36 was reactivated with sulfuric acid and it recovered to initial state. Those developed process was optimized to hydrolysis 10g/L of microalgal biomass, but that was not suitable for concentrated biomass. Therefore newly Amberlyst 45 was introduced, and 71.9 % of total sugar yield was obtained at 180℃ when 30g/L of biomass was loaded. Unfortunately, in case of over the 50g/L biomass, 31.3% of total sugar was obtained, therefore these system was not acceptable for hydrolysis concentrated biomass effectively.

골렌키니아는 40%이상의 탄수화물 함량을 가지고 있어, 상업적 잠재성이 큰 미세조류 종 중 하나로 알려져 있다. 이렇게 미세조류가 함유하고 있는 탄수화물을 발효당으로 가수분해 하는 공정을 개발하는 것이 중요하다. 미세조류 바이오매스를 가수분해하기 위해 보편적으로 염산, 질산, 황산과 같은 액체산 촉매를 많이 사용한다. 하지만 이런 촉매를 사용하여 가수분해 후, 그 가수분해 산물을 사용하기 위해서는 적절한 중화공정과 염제거공정이 꼭 필요하게 된다. 이러한 공정들은 큰 에너지와 비용을 소모하게 되어 비 경제적이라는 문제점을 안고있다. 이번 연구에서 우리는, 10 g/L의 골렌키니아 바이오매스를 9.2 g/L의 엠벌리스트36과 0.01 N의 질산을 150도에서 160분 동안 반응하여 88%의 당화수율을 얻었다. 이렇게 고체산과 액체산을 동시에 사용하는 공정을 통해 각 촉매를 단독사용할 때 보다 당 수율 측면에서 큰 시너지효과를 얻을 수 있었다. 거기에 더해, 엠벌리스트 36의 회수 및 재사용을 위한 회전식 컬럼 반응기도 제안하였다. 엠벌리스트36의 구조는 교반 시, 물리적인 힘에 의해 파쇄가 일어나는데, 컬럼안에 충진하여 보호하면서, 교반을 진행하게 되면 특별한 파쇄 없이도 지속적으로 사용가능함을 확인 할 수 있었다. 또한 미세조류 잔사물들이 엠벌리스트36의 표면에 코팅되어, 반응성을 경감시키는 것을 예방하기 위해, 소니케이션을 도입하였으며, 6 번째 재사용 단계까지 70% 이상의 당화수율을 보임을 알 수 있었고, 11번째 재사용까지도 별 다른 구조적 파쇄가 일어나지 않았다. 그 이후 엠벌리스트36에 있는 황산기가 중화 및 탈착되어 ‘죽은’촉매가 되어 사용할 수 없게 되는데, 황산을 사용하여 재활성화 시키면 다시 원상태로 복구가 됨을 확인하였다. 이러한 일련의 공정은, 10g/L의 바이오매스를 당화하는데 최적화되어 있으므로 고농도 당화액을 제조하는데 적합하지 않았다. 따라서 새로운 Amberlyst45라는 촉매를 도입하였으며, 이를 이용하여 30g/L의 바이오매스를 당화하기 위해180℃까지 올렸을 때 71.9 %의 당화효율을 달성할 수 있었다. 하지만 50 g/L 이상의 바이오매스를 당화 시, 31.3%의 낮은 당화효율을 보였으며, 따라서 이 이상의 농도에서 현 시스템에서는 효율적으로 당화를 진행할 수 없었다.

서지기타정보

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청구기호 {DCBE 18004
형태사항 xiii, 109 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 주현우
지도교수의 영문표기 : Yong Keun Chang
지도교수의 한글표기 : 장용근
수록잡지명 : "Hydrolysis of Golenkinia sp. biomass using Amberlyst 36 and nitric acid as catalysts". Algal research, 25, 32-38(2017)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 99-106
주제 Golenkinia sp.
Amberlyst 36
Solid acid hydrolysis
Rotating packed bed reactor
Recyclability
Reactivation
골렌키니아
엠벌리스트 36
고체 산 촉매 가수분해
회전식 충전 반응기
재사용성
재활성화
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