목질계 바이오매스는 친환경에너지 및 화학물질의 생산이 가능한 석유 대체 자원이지만 공급 원료의 다양성과 복잡한 구조로 인해 바이오리파이너리 공정의 효율을 높이기 위한 새로운 전처리 공정을 필요로 한다. 목질계 바이오매스의 효율적인 전처리를 위해서는 전처리와 당화 효율에 영향을 미치는 다양한 인자와 복잡한 결합 구조를 이해해야하며 전처리 후 생산되는 분해산물의 분석 비용 및 시간 등을 절약 할 수 있는 효율적인 분석 기술을 개발해야 한다.
본 연구에서는 목질계 바이오매스의 당화율을 향상시키고자 펜톤산화-열수 처리를 적용한 2단계의 복합 전처리 공정 개발을 시도하였으며 다양한 영향인자를 고려한 최적의 전처리 조건을 확립하고자 하였다. 전처리 및 당화 메커니즘을 이해 하고자 목질계 바이오매스의 리그닌-탄수화물 복합체(lignin?carbohydrate complex, LCC) 분해거동을 파악하였다. 또한 펜톤산화-열수 처리된 바이오매스와 분해산물의 신속하고 정확한 성분분석을 위해 근적외선 분광법과 부분최소자승법(Partial least squares, PLS)을 이용한 예측 모델을 개발하고 시료의 입자 크기와 수분에 따른 상관관계를 구명하고자 하였다.
펜톤산화는 목질계 바이오매스의 초기분해를 효과적으로 유도하였다. 목질계 바이오매스의 펜톤산화를 위한 최적의 펜톤시약(FeSO4·7H2O과 H2O2) 몰 비는 1:25였으며 바이오매스의 구성성분 중 헤미셀룰로오스가 펜톤산화와 열수 처리에 의해 효과적으로 분해되었다.
저농도(10%)의 펜톤시약이 첨가된 조건의 경우 펜톤산화 후 190℃에서 10분 열수 처리된 바이오매스(14.16 g/L)에서 원시료의 열수 처리된 바이오매스(3.72 g/L)와 비교하여 높은 농도의 자일로스가 검출되었다. 바이오매스의 분해율은 반응온도(190~210℃)와 반응시간(10~80분)에 따라 증가하였으며 펜톤산화-열수 처리(저농도10%) 된 바이오매스(32.23~49.68%)는 원시료(28.28~36.20%)에 비해 높은 값을 나타냈다. 펜톤산화 처리된 바이오매스는 210℃에서 10분 동안 열수 처리 후 효소가수분해하였을 때 원시료(67.92%)와 비교하여 가장 높은 셀룰로오스 전환율(79.54%)을 나타냈다.
펜톤시약의 농도(18%, 55%) 증가는 목질계 바이오매스의 분해를 촉진시켰다. 170℃에서 10분 열수 처리된 바이오매스에서 18%와 55%의 펜톤시약이 첨가된 경우, 액상가수분해산물에서 각각 13.75~14.34 g/L, 14.32~16.51 g/L의 자일로스 농도를 나타냈다.
펜톤산화 후 바이오매스에 잔존하는 Fe가 열수 처리, 효소가수분해에 미치는 영향을 확인하고자 바이오매스 세척 여부에 따라 열수 처리, 효소가수분해를 수행하였다. 펜톤산화 후 고농도(18%, 55%)의 세척 바이오매스와 비세척 바이오매스에서 각각 306.74~823.46 ppm와 729.58~2456.45 ppm의 Fe가 검출되었다. 열수 처리 효율은 잔존 Fe의 농도가 높을수록 향상되었으며 비세척 바이오매스(34.16~34.75%)의 분해율은 세척 바이오매스(28.94~32.88%)에 비해 증가하였다. 열수 처리 후 바이오매스의 잔여 Fe (세척 바이오매스: 53.38~124.13 ppm, 비세척 바이오매스: 98.25~249.85 ppm)는 효소가수분해에 부정적인 영향을 미치며 셀룰로오스 전환율은 세척 여부에 따라 차이를 나타냈다. 세척 바이오매스와 비세척 바이오매스에서 각각 80.32~91.80%와 78.85~83.53%의 셀룰로오스 전환율을 보였다. 본 연구에서는 펜톤산화-열수 처리 시 세척 과정을 생략하고 효소가수분해 시 세척 과정을 추가할 경우 가장 효율적인 당화율을 얻었다. 최적의 펜톤산화-열수 처리 조건은 55% 농도의 펜톤시약을 이용하여 170℃에서 10분 동안 열수 처리 한 것이다.
펜톤산화와 열수 처리에 따른 바이오매스의 구조변화가 전처리와 효소가수분해에 미치는 영향을 분석하고자 백합나무와 낙엽송의 원시료, 펜톤산화 바이오매스, 펜톤산화-열수 처리 바이오매스로부터 LCC를 분리하였다. 펜톤산화 및 펜톤산화-열수 처리 후 두 수종 모두 각각 약 8%와 약 30%의 고형 바이오매스 분해율을 나타냈다. 펜톤산화-열수 처리 후 백합나무의 헤미셀룰로오스는 주로 자일란을 함유하였고 낙엽송은 갈락탄과 만난, 자일란으로 구성되었다. 바이오매스의 결정화도는 펜톤산화와 열수 처리가 수행됨에 따라 증가하였으며 백합나무와 낙엽송에서 각각 50.71~63.60%, 39.51~53.35%를 나타냈다. 펜톤산화와 열수 처리 후 96시간 동안 효소가수분해된 백합나무는 93.53%의 셀룰로오스 전환율을 나타낸 반면 낙엽송은 26.23%의 수율을 나타냈다. 낙엽송의 LCC는 백합나무의 LCC와 비교하여 높은 농도의 헤미셀룰로오스와 리그닌을 포함하였고, 특히 낙엽송의 LCC2 (glucomannan-lignin)는 전체 LCC의 30%를 차지하였다. 펜톤산화-열수 처리 후 생성된 낙엽송의 LCC에는 β?β'', β-5, benzyl ester 결합이 잔존하였다. 백합나무 LCC에 비해 상대적으로 높은 농도의 헤미셀룰로오스 및 리그닌과 β?β'', β-5, benzyl ester 결합으로 구성된 낙엽송의 LCC 구조는 바이오매스의 효소가수분해의 저해인자로 작용한 것으로 판단된다.
바이오매스 구성성분 및 분해산물을 신속하고 정확한 비파괴방법으로 분석하고자 근적외선 분광법을 적용하였다. 근적외선 분광법(near infrared spectroscopy, NIR)과 계량분석화학(chemometrics) 중 부분최소자승법(partial least squares, PLS)을 융합한 고형 바이오매스의 NIR-PLS 예측 모델에서 입자 크기와 함수율 차이는 스펙트럼의 RMS (root mean square) 값에 따라 통계적으로 유의하게 나타났다. 그러나 이러한 차이를 보정하기 위해 수학적 전처리가 수행되었음에도 차이를 감소시키기 위한 효과가 크게 나타나지 않았다. 20~80 mesh의 입자 크기와 10% 미만의 함수율을 함유한 조건에서 침엽수와 활엽수 모두 가장 높은 모델 정확성을 나타냈다. 고형 바이오매스의 구성성분 중 활엽수와 침엽수 모두 이와 같은 조건에서 리그닌의 함량을 분석하기 위한 모델 정확도가 가장 높았다. 수분함량이 높은 고형 바이오매스는 모델의 예측 성능 평가에 부정적인 영향을 주며 액상가수분해산물은 고형 바이오매스와 비교하여 모델의 정확도가 낮았다. 전처리된 고형 바이오매스와 액상가수분해산물에 포함된 대부분의 성분은 샘플의 스크리닝에 적합한 것[R2 > 0.5, RPD (residual predictive deviation) > 1.5, RER (ratio of error range) > 2.4]으로 나타났다. 현재 NIR-PLS 모델을 통한 바이오매스 구성성분의 정량분석은 대부분 원시료를 기반으로 개발되었으므로 본 연구 결과는 전처리 후 생성된 분해산물의 정량 분석을 위한 기초자료가 될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 친환경 전처리 기법인 목질계 바이오매스의 펜톤산화-열수 처리 기법을 개발하였으며 공정의 최적조건을 확립하였다. 펜톤산화-열수 처리 공정에서 생성된 바이오매스 표면의 잔존 Fe는 열수 처리와 효소가수분해 효율에 영향을 미치는 인자이며, 백합나무와 낙엽송을 구성하는 LCC 구조 차이는 당화 수율을 결정하는 영향인자로 밝혀졌다. 또한 전처리된 고형 바이오매스와 액상가수분해산물로부터 성분을 스크리닝 할 수 있는 신속하고 정확한 성분분석 모델을 개발하였다. 이와 같은 연구 결과는 바이오매스 수종에 따른 반응조건에 효과적으로 대처 가능하고 현장 적용에 용이하며 품질 분석 시간 및 비용 단축을 유도할 수 있으므로, 바이오기반 물질 생산의 산업화에 대비하기 위한 친환경적 전처리 공정 모듈화에 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.

Lignocellulosic biomass is an alternative resource for producing eco-friendly energy and chemicals that can replace petroleum resources. However, due to the diversity and complex structure of raw materials, a new pretreatment process for lignocellulosic biomass should be developed for increasing the efficiency of the biorefinery process. For efficient pretreatment of lignocellulosic biomass, it is necessary to analyze various factors and complex structures of biomass that affect the pretreatment and enzymatic hydrolysis efficiency. In addition, an efficient analytical technique should be developed that can reduce the cost and analysis time for the degradation products generated from pretreatment should be developed.
In this study, a Fenton oxidation-hydrothermal treatment was developed to improve the enzymatic hydrolysis yield, and optimal pretreatment conditions were established considering various factors. Then, decomposition behavior of the biomass lignin-carbohydrate complex (LCC) was investigated to understand the pretreatment and enzymatic hydrolysis mechanisms. Finally, a predictive model was developed to rapidly and accurately analyze the degradation products derived from Fenton oxidation-hydrothermal treatment of biomass using near infrared spectroscopy (NIR) and partial least squares (PLS).
Fenton oxidation effectively induced the initial decomposition of the biomass, and the optimum molar ratio of Fenton''s reagents (FeSO4·7H2O and H2O2) was 1:25. Hemicellulose was effectively decomposed by Fenton oxidation and hydrothermal treatment. With sequential Fenton oxidation (with 10% Fenton''s reagent) and hydrothermal treatment (190℃ for 10 min), xylose concentration in the hydrolysate was high (14.16 g/L) than the in raw material (3.72 g/L) (with only hydrothermal treatment at 190°C for 10 min). The degradation rate of biomass increased with an increase in the reaction temperature (190-210℃) and reaction time (10-80 min). The degradation rate was higher for Fenton oxidation treated biomass (32.23-49.68%) than that for raw material (28.28-36.20%) in the 10% Fenton’s reagent. The cellulose conversion yield was highest (79.54%) when hydrothermal treatment of Fenton oxidation treated biomass was performed at 210℃ for 10 min, whereas the yield of raw material was as low as 67.92% under the same conditions. Increasing the concentration of Fenton''s reagent (18%, 55%) improved the biomass degradation and reduced the energy consumed in the hydrothermal treatment. With sequential Fenton oxidation (with 18% and 55% Fenton''s reagent) and hydrothermal treatment (170℃ for 10 min), xylose concentration in the hydrolysate ranged from 13.75 g/L to 14.34 g/L and 14.32 g/L to 16.51 g/L, respectively.
Following the Fenton oxidation with 18% and 55% reagent, the effect of Fe remaining in the biomass on hydrothermal treatment and enzymatic hydrolysis was investigated depending on whether the biomass was washed. The concentrations of Fe remaining on the biomass after Fenton oxidation were 306.74-823.46 ppm and 729.58-2456.45 ppm for washed and unwashed biomass, respectively. The efficiency of hydrothermal treatment improved as the concentration of remaining Fe on the biomass increased, and the degradation rate of unwashed biomass (34.16-34.75%) was high than that of washed biomass (28.94-32.88%). The remaining Fe on the biomass after hydrothermal treatment (washed biomass: 53.38-124.13 ppm, unwashed biomass: 98.25-249.85 ppm) had a negative effect on enzymatic hydrolysis, and the cellulose conversion rate differed depending on whether the biomass was washed. The cellulose conversion rates of washed biomass and unwashed biomass were 80.32-91.80% and 78.85-83.53%, respectively. Overall, the optimal process for monosaccharide production from the biomass involved sequential Fenton oxidation (55% Fenton''s reagent), hydrothermal treatment (170℃ for 10 min with unwashed biomass), and enzymatic hydrolysis (with washed biomass).
The structural changes in biomass during Fenton oxidation and hydrothermal treatment were investigated. The LCC was separated from raw materials (larch and yellow poplar), Fenton oxidation treated biomass, and Fenton oxidation-hydrothermal treated biomass. After Fenton oxidation and Fenton oxidation-hydrothermal treatment, degradation rates of the biomass were 8% (for larch) and 30% (for yellow poplar). Fenton oxidation-hydrothermal treated yellow poplar mainly contained xylan, whereas larch contained galactan and mannan. The biomass crystallinity increased with Fenton oxidation and hydrothermal treatment to 50.71-63.60% (for yellow poplar) and 39.51-53.35% (for larch). Larch contains benzyl ester bonds, thus, it is difficult to degrade by hydrothermal treatment. Therefore, the concentration of lignin was high in larch LCC after Fenton oxidation-hydrothermal treatment, especially LCC2 (glucomannan-lignin) comprised 30% of total LCC. Larch LCC contains relatively high concentrations of lignin, hemicellulose, β-β'', β-5, benzyl ester bonds compared to yellow poplar LCC. Therefore, the enzymatic hydrolysis of larch was inhibited by structural properties of the biomass.
NIR spectroscopy was conducted to analyze the chemical compositions of biomass and degradation products as a non-destructive method. The NIR-PLS prediction model for the chemical composition of biomass and the root mean square (RMS) value differed depending on particle size and moisture contents of the biomass. Although mathematical preprocessing was performed to increase reliability, its effect was very small. For hardwood and softwood, lignin composition analysis was successful using an NIR-PLS prediction model under 20-80 mesh particle size and less than 10% moisture contents [R2>0.5, RPD (residual predictive deviation) >1.5, RER (ratio of error range)>2.4]. The biomass with high moisture content negatively affected evaluation of the NIR-PLS prediction model. The NIR-PLS prediction model was not suitable for degradation product analysis in the hydrolysate. Currently, the NIR-PLS model development is for quantitative analysis of raw material chemical compositions, and this study attempted to quantitatively analyze the chemical compositions of pretreated biomass and pretreatment degradation products.
In this study, an eco-friendly pretreatment method (Fenton oxidation and hydrothermal treatment) of biomass was suggested for monosaccharide production, and the optimum conditions for the process were established. In addition, the Fe remaining in the biomass after Fenton oxidation and hydrothermal treatment process was identified as a factor affecting the efficiency of pretreatment and enzymatic hydrolysis. Next, the effect of yellow poplar and larch LCC structure on the enzymatic hydrolysis yield was confirmed. Finally, an NIR-PLS prediction model was developed for rapid and accurate component analysis of pretreated biomass and hydrolysate. The results obtained herein can lead to reduction in analysis time and cost for bio-based material production and will provide the basic data for modularization of an eco-friendly pretreatment process.