섬유소계 바이오매스의 에탄올 오르가노솔브 전처리를 통한 흑액으로부터 퍼퓨랄 생산 최적화

국문 초록 (Abstract)

기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위한 대안으로 바이오매스 기반 플랫폼 화학물질 생산 기술이 주목받고 있다. 바이오매스로부터 얻을 수 있는 르블린산(levulinic acid)과 퍼퓨랄(furfural)은 친환경 연료로 사용되는 2-MTHF의 중간체로 작용한다. 효율적으로 많은 양의 르블린산과 퍼퓨랄을 생산하기 위해서, 바이오매스 원료를 전처리하여 사용해야 한다. 그러나 전처리 공정은 바이오매스 산업에서 높은 공정비용을 요구하기 때문에, 전처리 과정에서 발생하는 산물을 모두 이용해야 할 필요가 있다. 특히, 전처리 과정에서 분획된 흑액(black liquor)은 폐수로 처리되는 경우가 많아 자원 활용도가 낮다. 이에 따라 재생 가능 자원인 흑액을 활용하고 공정을 단순화할 수 있는 전처리 기술의 개발이 요구된다.
본 연구에서는 흑액의 분획을 위해 초본계 바이오매스인 왕겨와 비교군으로 목본계 바이오매스인 소나무를 에탄올 오르가노솔브 전처리하였다. 에탄올을 이용한 전처리는 바이오매스로부터 흑액으로 자일로오스를 분별하기 쉬운 공정이다. 전처리는 160℃, 에탄올 30~90 vol.%, 황산 0.5~1.5 wt.%, 30~90분간 진행되어 고형물과 흑액을 분획하여 각각의 성분을 파악하였다. 또한, 후속 공정으로 진행한 산 가수분해를 통해 왕겨와 소나무 고형물에서 르블린산 생산을 확인하였다. 흑액으로부터 퍼퓨랄 생산은 왕겨에는 적합하나 소나무에서는 적합하지 않음을 나타냈다. 따라서, 왕겨의 흑액으로부터 퍼퓨랄 생산 공정 조건을 반응표면분석법을 통해 최적화하였고, 최적의 반응 조건은 반응온도 170℃, 황산 2.0 wt.%, 반응시간 10분이었으며, 그때의 퍼퓨랄 수율은 69.386%였다. 최종적으로, 왕겨의 전처리부터 산 가수분해 공정에 대한 물질 수지를 세웠으며, 35.3225 g의 글루칸으로부터 8.1409 g의 르블린산, 13.079 g의 자일로오스으로부터 5.8082 g의 퍼퓨랄을 확보할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The production of biomass-derived platform chemicals has gained increasing attention as a sustainable alternative for climate change mitigation and carbon neutrality. Among these chemicals, levulinic acid and furfural serve as important platform chemicals for synthesizing environmental friendly fuels such as 2-MTHF. Efficient production of levulinic acid and furfural requires pretreatment of lignocellulosic biomass. However, pretreatment accounts for a major portion of total process costs. Therefore, utilizing all fractions generated during pretreatment is essential for establishing an economically viable process. In particular, black liquor, often treated as wastewater, has low resource utilization despite its potential value as a renewable feedstock. This highlights the need for pretreatment technologies capable of simplifying process steps and enabling effective use of black liquor.
In this study, ethanol organosolv pretreatment was applied to herbaceous rice husk and woody pinus biomass to fractionate black liquor from raw biomass. Ethanol based pretreatment was selected due to its low cost and favorable ability to solubilize xylose into the liquor phase. The pretreatment was conducted at 160℃ using 30-90 vol.% ethanol, 0.5-1.5 wt.% sulfuric acid, and reaction times of 30-90 min, after which the resulting solid and black liquor were analyzed. Subsequent acid hydrolysis verified levulinic acid production from the solid residues of both rice husk and pinus. While furfural could be effectively generated from rice husk black liquor, pinus was not suitable for furfural production. Therefore, reaction conditions for converting rice husk black liquor into furfural were optimized using response surface methodology. The optimal conditions were 170℃, 2.0 wt.% sulfuric acid, and 10 min, yielding a furfural production efficiency of 69.386%.
Finally, a complete material balance was established for the pretreatment and hydrolysis processes. From 35.3225 g of glucan in rice husk, 8.1409 of levulinic acid was obtained, while 5.8082 g of furfural was produced from 13.079 g of xylose. These results demonstrate the feasibility of integrating organosolv pretreatment with black liquor valorization to achieve efficient production of platform chemicals from rice husk.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구배경 1
• 제 1 절 연구목적 3
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 제 1 절 바이오매스 4
• 제 2 절 전처리 8
• 제 1 항 전처리의 필요성과 전처리 방법 8
• 제 2 항 에탄올 오르가노솔브 전처리 10
• 제 3 절 산 가수분해 11
• 제 4 절 르블린산과 퍼퓨랄 12
• 제 3 장 실험재료와 방법 15
• 제 1 절 실험재료 15
• 제 2 절 에탄올 오르가노솔브 전처리 16
• 제 3 절 산 가수분해 17
• 제 4 절 고체 성분 분석과 생성물 분석 19
• 제 5 절 반응표면분석법을 이용한 퍼퓨랄 수율 최적화 21
• 제 4 장 결과 및 고찰 22
• 제 1 절 바이오매스의 에탄올 오르가노솔브 전처리 22
• 제 1 항 전처리 전 바이오매스의 특성과 전처리 방법 선택 22
• 제 2 항 에탄올 오르가노솔브 전처리와 고형물 보존율 25
• 제 3 항 고체 성분 분석과 흑액 성분 분석 29
• 제 4 항 당 순도와 회수율 36
• 제 5 항 흑액의 2차 가수분해 39
• 제 2 절 르블린산 생산과 퍼퓨랄 생산 42
• 제 1 항 시약급 글루코오스로부터 르블린산 생산 42
• 제 2 항 시약급 자일로오스로부터 퍼퓨랄 생산 45
• 제 3 항 잔류 고형물로부터 르블린산 생산 48
• 제 4 항 흑액으로부터 퍼퓨랄 생산 53
• 제 3 절 왕겨의 흑액으로부터 퍼퓨랄 생산 최적화 59
• 제 4 절 물질 수지 65
• 제 5 장 결론 70
• 참고문헌 73
• Abstract 79