목질바이오매스 원료는 구성성분 특성 및 분포상 생물 화학적 전환에 매우 큰 장애요소를 지니고 있다. 특히 셀룰로우스를 이용하고자 하는 경우의 리그닌 장애는 해결해야 할 중요한 요소로 인식되고 있어 바이오에탄올 생산에서도 당화공정에 앞서 전처리 공정이 필연적이며 최종 에탄올 수율 및 생산비용에도 영향이 커서 다양한 전처리 방법들이 제안되고 있는 상황이다. 본 총설은 문헌연구를 통하여 최근 세계적으로 진행되고 있는 목질바이오매스 대상의 전처리 연구에 대한 동향을 파악하고, 이들 전처리공정의 특징 및 장단점을 분석하여 국내 목질바이오매스 원료 및 생산여건에 적합한 공정 연구 개발에 필요한 기초자료를 마련하고자 하였다. 국내외적으로 활발하게 연구되는 주요 전처리 기술은 각각 공정 및 경제성 면에서 장단점이 있어 원료나 생산여건 환경에 따라 적합한 전처리 공정을 선택해야 할 필요가 있는 것으로 고찰되었다.
The high costs for ethanol production with lignocellulosic biomass as a second generation energy materials currently deter commercialization of lignocellulosic biomass, especially wood biomass which is considered as the most recalcitrant material for enzymatic hydrolysis mainly due to the high lignified structure and the nature of the lignin component. Therefore, overcoming recalcitrance of lignocellulosic biomass for converting carbohydrates into sugar that can subsequently be converted into biobased fuels and biobased products is the primary technical and economic challenge for bioconversion process. This study was mainly reviewed on the research trend of the enhancement of enzymatic hydrolysis for lignocellulosic biomass after pretreatment in bioethanol production process.
Bio-ethanol is a promising alternative energy source for reducing both consumption of crude oil and environmental pollution from renewable resources like lignocellulosic biomass such as wood, forest residuals, agricultural leftovers and urban wastes. Based on current technologies, the cost of ethanol production from lignocellulosic materials is relatively high, and the main challenges are the low yield and high cost of the hydrolysis process. Development of more efficient pretreatment technology (physical, chemical, physico-chemical, and biological pretreatment), integration of several microbiological conversions into fewer reactors, and increasing ethanol production capacity may decrease specific investment for ethanol producing plants. The purpose of pretreatment of lignocellulosic material is to improve the accessible surface area of cellulose for hydrolytic enzymes and enhance the conversion of cellulose to glucose and finally high yield ethanol production which is economic and environmental friendly.
Lignocellulosic biomass is the most abundant organic material on earth and also promising raw material for bioenergy production. Agricultural residues in the process of bio-oil extraction, is an abundant and low-cost lignocellulosic material. The technology for conversion of lignocellulosic biomass resources to fuels and chemicals, such as ethanol, has been under development for decades. One of the well-studied technologies that are currently being commercialized is to use a dilute acid-catalyzed pretreatment followed by enzymatic hydrolysis and fermentation to produce ethanol. In this work, the dilute-acid hydrolysis of agricultural residues was optimized through the utilization of statistical experimental design. Evaluation criteria for optimization of the pretreatment conditions were based on high xylose recovery and low inhibitor contents in the hydrolyzates. The purpose of this study was to gain a more accurate understanding of the quantities of acid required for effective hydrolysis and the reactivity trade-offs with reaction time and temperature that will enable overall process optimization.
Rice husk flours were analyzed by chemical composition and thermogravimetric methods in nitrogen atmosphere to discuss its feasibility as a raw material for manufacturing agricultural lignocellulosic fiber-thermoplastic polymer composite. It was revealed in the chemical composition analysis that rice husk flour was composed of moisture, 5.0%; lignin, 21.6%; holocellulose, 60.8%; ash, 12.6%. In the thermogravimetric analysis (TGA), thermal decomposition behavior of rice husk flour from room temperature to $350^{\circ}C$ was similar to that of wood flour, but rice husk flour was more thermally stable from 350 to $800^{\circ}C$ than wood flour because of higher silica content in the rice husk flour and smaller particle size of rice husk flour. The activation energy of thermal decomposition was evaluated using Flynn & Wall expression. As the thermal decomposition proceeded in rice husk flour, the activation energy of thermal decomposition appeared almost constant up to ${\alpha}=0.25$, but thereafter increased. Activation energy of thermal decomposition in wood flour, however, decreased steeply up to ${\alpha}=0.3$, but thereafter remained almost constant. From the results, rice husk flour was thought be a substitute for wood flour in manufacturing agricultural lignocellulosic fiber-thermoplastic polymer composite in the aspect of thermal decomposition.
As polysaccharides in lignocellulosic materials are encrusted with aromatic lignin molecules and have high crystallinity, these require pretreatment to improve their digestability by cellulolytic enzymes. Though a number of pretreatment methods have been proposed, the steam explosion process is evaluated as a promising method. This study was performed to investigate the effect of delignification treatment by alkali, methanol and the others on the enzymatic hydrolysis. Delignification treatment resulted in great increase rate in enzymatic hydrolysis. Concerning to the effect of delignication reagents on the enzymatic hydrolysis, methanol treatment was more effective than alkali in the case of oak wood. In pine wood, the delignification did not showed any significant enhancement of hydrolysis rate. Complete delignification by Alkali-Oxygen. Alkali treatment showed high saccharification rate of 99.5%.
Thin sections of cellulose fibers were incubated with an endo- and an exoglucanase labeled with gold particles of differing sizes. The hydrolytic sites were then visualized under transmission electron microscopy (TEM). The potential interaction between the ${\beta}$-1, 4-glucan substrates and the endo- and the exoglucanases was investigated using cellulosic and lignocellulosic substrates. The simultaneous visualization was very successful in distinguishing preferred substrates for each cellulase in lignocellulosic substrates. When plant lignocellulose was preincubated with endocellulase, density of the gold labeling greatly increased suggesting that preliminary exposure of lignocellulosic material to endocellulase may have enhanced the accessibility of the substrate to endocellulase and exocellulase. This result provided a plausible explanation for the observed endo/exo cellulase co-hydrolysis.
In recent years, the use of natural fiber as reinforcement in polymer composites to replace synthetic fiber such as glass fiber is receiving increasing attention. Because of increasing usage according to the high demand, the cost of thermoplastic has increased rapidly over the past decades. We used a thermoplastic polymer(polypropylene) as the matrix and a lignocellulosic material(rice-husk flour) as the reinforcement filler to prepare a particle-reinforced composite to examine the possibility of using lignocellulosic material as reinforcement filler and to determine data of test results for physical, mechanical and morphological properties of the composite according to the reinforcement filler content in respect to thermoplastic polymer, In this study, PLA/PP rice-husk fiber-reinforced thermoplastic composites that made by the hot press molding method according to appropriate manufacturing process was evaluated as mechanical properties.
섬유성 기질을 물 가수분해하여 생긴 당을 최대한 회수하는 여러 회수방법을 조사하였다. 사용한 전처리 조건은 반응온도가 $170\~180^{\circ}C$, 반응시간이 1시간이었다. 반응 온도가 170에서 $180^{\circ}C$로 증가함에 따라 xylan의 용해율은 증가하지만 $180^{\circ}C$ 이상에서는 상당양의 당이 분해됨을 알 수 있었다. 가수분해 결과로부터 남은 고체기질과 당화액에서 얻은 당의 물질수지를 조사하였는데 glucan의 경우는 비교적 잘 맞으나, 헤미셀룰로오스는 처리되지 않은 기질에 포함된 초기양과 비교할 때 상당한 차이가 났다. 그래서 여러가지 회수방법을 고안하여 당의 물질수지를 조사한 결과 회수기간동안 열을 가하거나 초음파를 조사하는 방법과 같은 물리적인 자극을 주면 액상에서 헤미셀룰로오스 회수율이 증가되는 것이 확인되었다. 이런 사실로부터 당 회수시 기질이 크고 전처리 후 침출용매를 많이 사용할 수 없는 상업적인 공정의 경우 상당양의 올리고당이 고체기공내 갇혀 액상으로 회수되지 못할 것으로 생각된다.
Jimenez-Quero, A.;Pollet, E.;Zhao, M.;Marchioni, E.;Averous, L.;Phalip, V.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제27권1호
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pp.1-8
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2017
The production of high-value chemicals from natural resources as an alternative for petroleum-based products is currently expanding in parallel with biorefinery. The use of lignocellulosic biomass as raw material is promising to achieve economic and environmental sustainability. Filamentous fungi, particularly Aspergillus species, are already used industrially to produce organic acid as well as many enzymes. The production of lignocellulose-degrading enzymes opens the possibility for direct fungal fermentation towards organic acids such as itaconic acid (IA) and fumaric acid (FA). These acids have wide-range applications and potentially addressable markets as platform chemicals. However, current technologies for the production of these compounds are mostly based on submerged fermentation. This work showed the capacity of two Aspergillus species (A. terreus and A. oryzae) to yield both acids by solid-state fermentation and simultaneous saccharification and fermentation. FA was optimally produced at by A. oryzae in simultaneous saccharification and fermentation (0.54 mg/g wheat bran). The yield of 0.11 mg IA/g biomass by A. oryzae is the highest reported in the literature for simultaneous solid-state fermentation without sugar supplements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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