새만금 목재에너지림에서 생산된 바이오매스의 화학적 특성 분석

정한섭 ( Hanseob Jeong ),이형원 ( Hyung Won Lee ),주영민 ( Young Min Ju ),김아란 ( Ahran Kim ),이태주 ( Tae Joo Lee ),김석주 ( Seokju Kim ),이위영 ( Wi Young Lee ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.2

새만금 단벌기 목재에너지림은 단기순환벌채림으로서 산림청에서 국내 목질계 바이오매스를 보다 효율적으로 확충하고자 시범으로 조성된 지역이다. 이에 본 연구에서는 새만금 단벌기 목재에너지림에 조성된 포플러류 및 버드나무류 수종들을 바이오에너지 자원으로서 활용 가능성을 확인하고자 바이오매스들의 화학적 특성 분석을 수행하였다. 공시재료는 총 4종(현사시, 이태리포플러, 미루나무, 버드나무)으로 4년생을 새만금 단벌기 목재에너지림에서 실험용으로 수확하여 사용하였다. 원목은 톱밥제조기를 이용하여 분쇄하였고, 선별(1 cm×1 cm) 및 건조 후에 함수율 10% 내외로 상온에 보관하였다. 이어서 실험용 밀링기로 0.5 mm 이하 분말로 분쇄하여 화학조성 분석에 사용하였다. 화학성분분석은 NREL(National Renewable Energy Laboratory)법에 따라 당, 리그닌, 추출물, 회분 함량을 측정하였고, 추가적인 화학적 특성을 보기 위해 공업분석 및 열중량 분석을 수행하였다.

실증규모 초임계수 가수분해 중 산 촉매 농도에 따른 당 함량 변화

정한섭(Hanseob Jeong),주영민(Young Min Ju),채광석(Kwang-Seok Chea),안병준(Byoung-Jun Ahn),이수민(Soo Min Lee) 한국산림바이오에너지학회 2020 산림바이오에너지 Vol.30 No.1

본 연구에서는 당 생산을 위한 신갈나무의 실증규모 초임계수 가수분해를 수행하였고, 투입된 황산 촉매의 농도에 따른 당 함량 변화를 분석하였다. 초임계수 가수분해는 실증규모 장비를 사용하여 반응온도 390±5℃, 반응압력 230±5 bar에서 130 kg/h의 유속(바이오매스 슬러리: 80±10 kg/h, 초임계수: 50±5 kg/h)으로 실험을 실시하였다. 실험 결과, 황산 농도가 증가함에 따라 총 당(모노머 및 올리고머) 수율이 증가하였으며, 0.05% 황산 농도에서 최대 36.57%(글루코오스), 20.44%(자일로오스)를 나타냈다. 그러나 0.1% 황산에서는 당 수율이 감소하여 퓨란계 화합물 같은 당 분해산물(발효저해물질)의 함량이 급증하는 경향을 나타냈다. 결과적으로 본 연구 범위 내에서는 0.05% 황산 촉매를 사용하는 것이 당 생산에 가장 효율적인 것으로 사료된다. 또한 글루코오스 및 자일로오스의 물질수지 분석 결과, 각 당이 황산 농도 증가에 따라 전환되는 경로를 간접적으로 검증하였으며, 액상 내 유리되지 못하고 바이오매스에 잔류하는 당의 비율도 확인하였다. In this study, pilot-scale supercritical water hydrolysis of lignocellulsic biomass for sugar production was performed, and the change in sugar content according to the concentration of the input acid catalyst was analyzed. Supercritical water hydrolysis was performed using pilot-scale equipment at a reaction temperature of 390±5℃ and a reaction pressure of 230±5 bar at a flow rate of 130 kg/h (Biomass slurry: 80±10 kg/h, supercritical water: 50±5 kg/h). As a result of the experiment, as the H₂SO₄ concentration increased, the total sugar (monomer and oligomer) yield increased, and up to 36.57% (glucose) and 20.44% (xylose) at 0.05% H₂SO₄. However, in 0.1% H₂SO₄, the sugar yield decreased and the content of sugar decomposition products (fermentation inhibitors) such as furanic compounds tended to increase rapidly. As a result, the use of 0.05% H₂SO₄ catalyst is considered to be the most efficient for sugar production within the scope of this study. In addition, as a result of analysis of the mass balance of glucose and xylose, the pathways in which each sugar was converted in accordance with the increase in H₂SO₄ concentration were indirectly verified, and the proportion of sugars remaining in the biomass that could not be separated into a liquid phase was also confirmed.

당화액의 전기화학적 정제 처리 방법에 따른 발효저해물질의 함량 변화 분석

정한섭(Hanseob Jeong),이형원(Hyung Won Lee),주영민(Young Min Ju),김아란(Ahran Kim),이수민(Soo Min Lee) 한국산림바이오에너지학회 2019 산림바이오에너지 Vol.29 No.2

본 연구에서는 초임계수 가수분해로 얻은 당화액(액상 가수분해물) 내 발효저해물질(유기산, 퓨란계 화합물, 페놀성 화합물)을 제거하기 위하여 전기화학적 처리(전기분해 및 전기응집)를 수행하였다. 당화액의 전기분해 처리는 탄소 전극을 이용하여, 초기 pH 7, 전압 10 V, 전해질(NaCl) 농도 0.8%, 상온의 조건 하에서 반응시간 240분까지 실시되었다. 또한 알루미늄 전극을 이용하여 동일한 조건에서 전기응집 처리 실험을 하였고 처리 종류에 따른 결과를 비교하였다. 실험 결과, 당 손실율은 두 처리법 모두 10% 이하(글루코오스 기준)로 낮은 수준이었으나 전기응집 처리가 상대적으로 당 손실이 적었다. 페놀성 화합물 제거율의 경우 전기응집에 비해 전기분해(약 80%)가 높은 결과를 나타냈다. 반면, 퓨란계 화합물은 두 처리에서(>150분) 대부분 제거되는 경향을 나타냈는데, 전기분해시 일부 유기산으로 분해되는 경향을 확인했다. 유기산의 경우는 전기분해를 통해서만 일부 제거되었다. 결론적으로 두 전기화학적 처리는 기작이 서로 다름에 따라 발효저해물질 제거율 및 전환 양상에 있어서 상기와 같은 차이를 나타내는 것으로 사료된다. In this study, electrochemical treatment (electrolysis and electro-coagulation) was performed to remove fermentation inhibitors (organic acid, furan compound, and phenolic compound) in saccharified liquid (liquid hydrolyzate) obtained by supercritical water hydrolysis. The electrolytic treatment of the saccharified solution was carried out using a carbon electrode up to a reaction time of 240 minutes under conditions of initial pH 7, voltage 10 V, electrolyte (NaCl) concentration of 0.8%, and room temperature. In addition, the experiment of electro-coagulation treatment under the same conditions using aluminum electrode and the results according to the treatment types were compared. As a result, the sugar loss rate was lower than 10% (glucose) in both treatments, but the electro-coagulation treatment showed relatively low sugar loss. In the case of phenolic compound removal rate, electrolysis (about 80%) was higher than that of electro-coagulation. On the other hand, the furan-based compound showed a tendency to be removed most of the two treatments (> 150 min), it was confirmed that the decomposition to some organic acids during electrolysis. Organic acids were partially removed only by electrolysis. In conclusion, the two electrochemical treatments show the difference in removal rate and conversion of fermentation inhibitors according to different mechanisms.

탈리그닌 전처리에 의한 신갈나무의 화학조성 분석

정한섭 ( Hanseob Jeong ),장수경 ( Soo-kyeong Jang ),김종화 ( Jong-hwa Kim ),최인규 ( In-gyu Choi ),안지은 ( Ji-eun An ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

본 연구에서는 목질계 바이오매스의 탈리그닌 전처리와 초임계수 가수분해를 통해서 상업용 당(sugar)을 생산하고자 하였다. 이를 위해 아염소산나트륨과 아세트산을 촉매로 이용하여 목질계 바이오 매스의 탈리그닌화를 진행하였고, 100℃ 이하에서 촉매 투입량, 바이오매스:용매 비율(고액비), 반응시간 등을 조절하여 실험하였다. 그 결과, 촉매 투입량이 증가함에 따라 전처리를 통한 바이오매스의 당과 리그닌의 분해율이 증가하였고 당은 최대 17%, 리그닌은 최대 20%까지 액상 내로 분해되었다. 바이오매스 대비 용매의 양이 증가할 경우는 1:13까지 바이오매스 구성성분에 대한 분해율이 증가하였고, 특히 리그닌은 최대 60%까지 제거하는 결과를 나타냈다. 한편 반응시간이 증가함에 따라서는 전처리 고형분내 각 성분의 함량이 소폭 감소하였고, 당 손실 대비 리그닌 제거율이 반응시간이 지남에 따라 향상됨을 확인하였다.

목질계 당 생산을 위한 실증규모 초임계수 당화 공정의 전력소비량 분석

정한섭 ( Hanseob Jeong ),주영민 ( Young Min Ju ),채광석 ( Kwang-seok Chea ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1

목질계 당 생산을 위한 바이오매스의 초임계수 당화 공정은 높은 온도 및 압력의 물을 사용하는 공정이다. 따라서 공정 중 반응조건을 유지하기 위해서 일정 수준 이상의 에너지 소비가 예상되는 당화 기술이다. 본 연구에서는 이러한 초임계수 당화 공정 중 소비되는 에너지양을 계산하고자 보유 중인 실증규모 초임계수 당화 장비를 구동하고 반응 중 전력소비량을 측정하였다. 실증규모 초임계수 당화 장비는 펌프 3개, 회화로 2개, 냉각기 등을 포함하고, 운전 시 관 압력은 240 bar, 회화로는 300~400℃로 유지된다. 장비 구동 중 전력량 측정은 10분 단위로 4회 측정하여 평균값을 계산하였으며, (1)장비가 반응온도 및 압력까지 도달하는 구간(예열시간), (2)반응조건 하에서 운전하는 구간, (3)바이오매스 슬러리가 투입되어 실제 반응하는 구간으로 구분하여 측정하였다. 실험 결과, 초임계수 당화 공정 중 시간당 전력소비량은 약 33.1 kWh(예열시간), 19.9 kWh(바이오매스 투입 전 대기시간), 30.1 kWh(반응시간)로 나타났다.

< 구두-D-10 > 액상 가수분해물 내 퓨란계 및 페놀성 화합물 저감을 위한 전기분해 처리 조건 최적화

정한섭 ( Hanseob Jeong ),이형원 ( Hyung Won Lee ),주영민 ( Young Min Ju ),이재정 ( Jaejung Lee ),채광석 ( Kwang-seok Chea ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

본 연구에서는 목질계 바이오매스의 초임계수 가수분해를 통해 효율적으로 당(glucose, xylose)을 생산하기 위하여 당 생산 공정 중 하나인 정제공정을 개선하고자 하였다. 이를 위해 공정 중 발생된 액상 가수분해물의 전기화학적인 처리를 통해서 액상 내 퓨란계 화합물 및 페놀성을 화합물 함량을 저감시키고 반응조건을 최적화하였다. 일반적으로 전기화학적 처리 방법은 수처리 분야에서 사용되어왔으며, 다양한 산업·생활 폐수의 BOD, COD 등을 효과적으로 저감시켜주는 것으로 알려져 있다. 전기화학적인 방법은 전기분해와 전기응집 처리로 구분되며 기존의 화학약품 처리보다 제어효율이 우수하고 생물학적 처리보다 처리조건 상의 제약이 적다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이 중 전기분해 방법을 통해서 액상 가수분해물 정제를 수행하였으며, 전압, pH, 반응시간을 변수로 반응표면분석법을 이용하여 furfural, 5-HMF, total phenolic compounds의 제거율이 높고 당 손실율이 낮은 최적조건을 도출하였다. 실험결과, pH 4.63, 151분, 12.8 V에서 상기 조건을 만족하는 최적의 결과을 확인하였으며, 해당 조건에서 당 손실율은 4% 이하, furfural 및 5-HMF의 제거율은 95% 이상, total phenolic compounds의 제거율은 78.5%이었다.

정제 조건에 따른 액상 가수분해물 내 바이오매스 및 리그닌 응집물 크기 분석

정한섭 ( Hanseob Jeong ),장수경 ( Soo-kyeong Jang ),이남희 ( Namhee Lee ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2023 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2023 No.1

목탄 처리에 의한 당화액 내 5-hydroxymethylfurfural 및 푸르푸랄 제거

정한섭 ( Hanseob Jeong ),김용식 ( Yong Sik Kim ),이재정 ( Jaejung Lee ),채광석 ( Kwang Seok Chea ),안병준 ( Byoung Jun Ahn ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2016 목재공학 Vol.44 No.5

본 연구에서는 목질계 바이오매스의 초임계수 처리 후 얻어진 당화액 내 발효저해물질인 퓨란계 화합물 (5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), 푸르푸랄)을 제거하기 위한 목탄 처리의 효과를 구명하고자 하였으며, 이를 위해 유사 당화액을 제조하고 목탄 투입량 및 처리 시간에 따른 당 및 퓨란계 화합물의 제거율을 계산해 활성탄의 경우와 비교분석하였다. 글루코오스, 자일로오스, 5-HMF, 푸르푸랄이 포함된 유사 당화액에 목탄 또는 활성탄을 0.5, 1, 2, 4, 8, 12% (w/v) 농도로 투입하여 1, 3, 6, 12, 24시간 동안 처리하였다. 처리 결과, 목탄 투입량 및 처리 시간이 증가 함에 따라 5-HMF 및 푸르푸랄 제거율이 점차 증가하여 목탄 투입량 8%, 처리 시간 3시간 이상에서는 5-HMF, 푸르푸랄 모두 95% 이상 제거되었으며, 동시에 당의 손실(< 2%)은 거의 없었다. 반면, 활성탄을 처리하였을 경우, 목탄보다 온화한 조건(활성탄 투입량: 8%, 처리 시간: 1시간)에서도 5-HMF 및 푸르푸랄 제거율이 95% 이상이었으나, 글루코오스 및 자일로오스 또한 각각 10% 이상이 제거되었다. 따라서, 결론적으로 당 생산 및 추가적인 당 활용 공정을 고려할 때, 목탄을 이용하는 것이 상대적으로 당화액의 퓨란계 화합물을 효과적으로 제거하고 당 수율을 유지하는 방법으로 판단된다. The main aim of this study was to investigate the potential of wood charcoal on removing furan compounds (5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), furfural) known as fermentation inhibitors in sugar hydrolysates obtained from supercritical water treatment of lignocellulosic biomass. For this aim, model hydrolysate was prepared, and removal rates of sugars or furan compounds depending on wood charcoal concentration and treatment time were calculated and analyzed in comparison with the case of activated carbon. 0.5, 1, 2, 4, 8, or 12% (w/v) of wood charcoal or activated carbon was loaded into the model hydrolysate, containing glucose, xylose, 5-HMF, and furfural, and treatment was conducted for 1, 3, 6, 12, or 24 h. After treatment, removal rates of 5-HMF and furfural gradually increased as wood charcoal concentration or treatment time increased, and over 95% of 5-HMF and furfural were removed at 8% of wood charcoal concentration and 3 h of treatment time, while the loss of sugars (< 2%) was hardly observed. On the other hand, in the case of activated carbon treatment, removal rates of 5-HMF and furfural were over 95% at mild condition (activated carbon concentration: 8%, treatment time: 1 h), but over 10% of glucose and xylose were removed. Therefore, considering sugar production and further process applied sugar, the wood charcoal treatment of sugar hydrolysate was more effective for removing furan compounds and maintaining the sugar yield.

국산 주요 수종의 특성 DB 구축을 위한 소나무와 백합나무의 화학조성 분석

정한섭 ( Hanseob Jeong ),이남희 ( Namhee Lee ),안지은 ( Ji-eun An ),이재정 ( Jaejung Lee ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.2

In this study, in order to establish basic characteristic information on major domestic tree species, the chemical composition of the representative tree species, pine and poplar, was conducted. By referring to ISO, ASTM, and KS analysis methods, a self-analysis manual was prepared, and analysis was performed using it. As a result of chemical composition analysis (in the order of pine and poplar), the ash content was 0.194% and 0.273%, and the extract content was 6.909% and 2.488%. Also, the lignin content was 27.884% and 24.437%, and the total sugar content was 63.994% and 62.270%. Overall, it showed a similar trend to the results of previous studies related to lignocellulosic biomass. Pine, a softwood, had more fat-soluble substances such as rosin than poplar, a hardwood, so the extract content was higher. The total sugar content of the two species was similar, but pine had a higher hemicellulose-derived sugar content than poplar. To increase the reliability of the results, reproducibility and repeatability tests are in progress.

< 전시-P-39 > 당화액 내 페놀성 화합물 및 퓨란계 화합물 저감을 위한 전기응집 처리

정한섭 ( Hanseob Jeong ),이형원 ( Hyung Won Lee ),주영민 ( Young Min Ju ),이재정 ( Jaejung Lee ),채광석 ( Kwang-seok Chea ),이수민 ( Soo Min Lee ) 한국목재공학회 2018 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2018 No.2