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바이오매스 (biomass) 란

태양에너지를 (광합성을 이용하여) 이용 저장하는 '최근 (생성 cycle이 짧은)'에 생성된 유기물 ((proteins, oils, and carbohydrates) 들을 지칭하며 보통 식물계와 동물계로 나눌수 있다. 바이오매스의 가장 큰 특징은 '풍부/대량 (abundant)'과 '재생가능 (renewable)'이다. 지금까지는 당류나 곡류 (옥수수, 쌀, 밀, 보리 등)등의 1세대 바이오매스인 식량을 바이오매스로 이용을 하였으나 미래에는 목질계 (농업 부산물, 생활 폐기물, 나무, 에너지 작물 등) 나 해양 바이오매스 (조류 등) 같은 2세대 바이오매스를 주로 이용하게 될 것이다.

Biorefinery (바이오리파이너리)란

현대의 석유 (화석원료) 정제를 (oil refinery) 통해 여러가지 제품을 생산하는 것과 같이, 바이오매스 (biomass)를 원료로 이용하여 여러 제품을 생산하고자 하는 개념이다.

바이오매스는 lignins, carbohydrates, protein, lipids등의 성분들로 이루어져 있는데, 먼저 이 성분들을 분리하여야 하고, 그 각각의 성분들에서 부터 여러가지 제품들을 chemical/biological conversion reaction을 이용하여 생산할 수 있다. 각각의 성분 분리 및 정제 분야를 upstream biorefinery, 그 분리된 성분을 이용하여 중간/최종 제품을 생산하는 분야를 downstream biorefinery로 나눈다.

전처리 (pretreatment)란

목질계 바이오매스 (lignocellulosic biomass)의 단단한 구조를 여러가지 방법을 통하여 효소 가수 분해 반응의 속도와 수율을 향상시킬 수 있도록 하여 주는 것을 말한다. 효소 가수 분해는 미생물 발효에 비해 속도가 훨씬 느리고 힘든 반응이기 때문에 (limiting step) 이 과정만 향상시킬 수 있다면 전체 바이오에탄올 공정의 수율, 반응 속도 향상은 쉽게 이룰 수 있다. 그러므로 전처리의 중요도가 크다.

목질계 바이오매스는 전처리를 하지 않으면 보통 효소 당화율이 10-20% 정도 밖에 되지 않는다. 그 주된 이유로는 목질계 바이오매스의 heterogeneous composition과 구조적인 특성 때문에 그렇다고 여겨지고 있다. 그리고 셀룰로스는 crytalline한 구조를 가지고 있으며 각 cellulose molecule들이 hydrogen bond로 연결되어 있으며, 효소나 산 가수 분해에 잘 견디는 특성을 가지고 있다.

전처리의 궁극적 목표는 단단하고 분해가 잘 되지 않는 구조를 부드럽게 만들어주고 효소가 셀룰로스나 다른 carbohydrates들에 잘 접근 하여 반응 속도와 수율을 향상 시킬 수 있도록 해주는 것이다. 전처리에는 주로 산, 알칼리, 스팀 등의 pretreatment reagent와 함께 고온에서의 열적 처리가 주로 사용되고 있다.

일반적으로 전처리로 생기는 효과는 다음과 같다.

  • Decrease of lignin, hemicellulose, and extraneous components.
  • Increase of surface area, porosity, and pore size.
  • Reduce the crystallinity of cellulose
  • Enhance the accessibility of enzyme to the cellulosic substrate

위에서도 언급했지만 전처리는 효소가수분해를 향상시키기 위한 것이다. 그러면 바이오매스의 효소 반응에 미치는 요인들은 어떤 것들이 있을까? Chemical barriers와 physical barriers, 두 가지로 크게 나눌 수 있겠으나 크게 보면 겹치는 부분도 있다.

Chemical barriers

  • Lignin
  • Hemicellulose
  • Acetic acid

Physical barriers

  • Biomass crystallinity
  • Degree of polymerization
  • Particle size
  • Surface area, Pore size/porosity