서 론

우리나라는 세계 10대 에너지 소비국으로서 에너지의 97% 를 해외수입에 의존하고 있다. 향후 온실가스 감축 의무가 부 과될 경우, 우리나라 경제가 안게 될 부담은 매우 크게 증대될 것으로 예상되며, 기후 변화 문제가 심각해질수록 국제사회는 점차 강한 규제를 통해 각국의 탄소배출을 억제할 것으로 예 측된다(배, 2009).

바이오에너지는 광합성에 의하여 생성되는 유기물과 유기물 을 소비하여 발생하는 모든 바이오매스(Biomass)를 활용하여 생성되는 에너지로 재생가능(Renewable)하며 환경 친화적일 뿐 만 아니라 기존 인프라에 큰 변화를 가하지 않으면서도 화석 연료를 대신할 수 있는 에너지로 최근 많은 대체에너지로 바 이오에탄올, 바이오디젤, 바이오오일, 바이오가스, 바이오수소 등이 연구되고 있다. 국내에서는 섬유질작물을 이용한 다양한 연구가 진행되고 있으며 최저 투입방법에 관한 연구가 옥수수 와 베치에서 다양한 연구가 진행되었다(Kim et al., 2001). 하 지만 전세계적으로 볼 때 바이오에탄올과 바이오디젤은 친환 경적 특성과 수송연료로 즉시 사용할 수 있는 특성으로 인하 여 다른 바이오연료에 비하여 경제성과 에너지 효율측면에서 성장 가능성이 가장 큰 것으로 알려져 있다(Bae, 2009; Koo et al., 2008).

하지만, 식량자원으로부터 바이오 에탄올 생산은 향후 식량 고갈 문제와 원료수급의 불안정으로 인한 원료비 상승과 원료 확보의 문제점이 나타났으며, 비식용 바이오매스의 활용이 필 요한 상황이지만 국내 사용가능한 목질섬유소(lignocellulose), 폐가구 등의 비식용 목질계 바이오매스는 바이오연료나 화학 제품으로 전환하기 위해 물리적, 화학적 또는 생물학적 전처 리 방법을 필요로 한다.

대표적인 전처리 방법으로는 증기폭쇄법(Steam explosion) (Sawada et al., 1995), 산처리법(Shin et al., 2009), 알칼리처 리법(Fernandez et al. 1999), 암모니아 처리법(Park et al., 2011), 전자빔(Bak et al., 2009)이나 마이크로파(Ma et al., 2009)처리법 등이 있으며, 다양한 전처리 공정으로 인한 생산 비용 상승과 함께 목질계 바이오매스에서의 낮은 당화효율, 에 탄올 생산성의 문제로 경제성이 낮아 여러 가지 개선해야 할 부분이 존재하며, 목질계 바이오매스를 에탄올로 전환하는 공 정에는 자연적으로 효소당화에 적용하기 어려운 까닭에 원료 의 전처리, 가수분해 및 당화반응, 발효, 회수 및 폐기물 처리 등 다단계 공정을 거치고 특히 셀룰로오스를 당류로 분해하는 공정은 아직 해결해야 할 많은 문제점이 남아 있다(Ballamy et al., 1974; Hendriks et al., 2009; Kim et al., 2005; Lynd et al., 1999; Sherrard et al., 1945 ; Sudha et al., 1998).

목질계 바이오매스 중 모든 목재 폐기물은 원칙적으로 Fiber 화하여 Particle Board (PB), Medium Density Fiberboard (MDF)로 재자원화가 가능하고 이러한 MDF는 가구산업에서 사용되는 목질재료를 주원료로 하여 고온에서 해섬하여 얻은 목섬유(Wood fiber)를 합성수지 접착제로 결합시켜 성형, 열압 하여 만든 0.4 ~ 0.8g/cm³의 목질판상 제품으로서 국내에서 연 간 200만 m³ 이상 사용 및 폐기되고 있다. 폐기된 폐MDF의 경우 Fiber 길이가 20 ~ 30 mm로 Fiber화 되어 있어 재활용 을 위해 해리하게 되면 Fiber의 길이가 10 mm 이하로 짧아 져 MDF로 재활용시 MDF로서 가져야 하는 물성을 만족시키 지 못하게 되어 재활용 용도로 사용할 수 없어 전량 폐기처분 되고 있다.

이러한 폐MDF를 원료로 환경공학(ET)과 타 첨단기술(NT, IT, BT)의 융복합기술을 통해 생화학적 원리와 특성을 활용하 여 신재생 에너지 보급량에 기여하고, 폐MDF의 재활용률을 높이는 바이오에탄올 생산기술 개발은 반드시 필요하며, 이렇 게 다량으로 발생되는 가구산업 폐기물인 폐MDF를 이용한 에너지화가 이루어지면 제품의 원가 중 에너지 비용이 20%를 차지하는 에너지 다소비 업종으로 경쟁력이 약화되고 있는 국 내산업 전반에 생산원가 절감으로 기업의 경쟁력이 크게 강화 될 것으로 기대됨에 따라 이를 이용한 재자원화 기술이 반드 시 필요하다고 사료된다(Kim et al., 2013). 기존에 차아염소 산을 이용한 목재의 당화법은 일부 소개되었으나 폐MDF를 이용한 당화법은 없으므로 다양한 당화법(알카리, 산, 암모니 아)을 활용후 최종적으로 최고 효율을 선행 연구를 통해 얻은 결과를 토대로 본 연구에서는 폐MDF를 이용하여 재자원화 하고자 폐MDF의 화학적인 성분을 분석하고 아염소산나트륨 을 이용한 탈리그닌화를 실시한 후 효소당화, 발효 과정을 거 쳐 에탄올로 전환하기 위한 적절한 효소 당화 조건을 확인하 여 바이오에탄올 생산을 위한 폐MDF의 활용 가능성을 평가 하였다.

재료 및 방법

공시재료

공시재료는 동화기업에서 제공된 폐MDF (Medium Density Fiberboard, 리그닌 28.4, α-cellulose 42.7, Hemi-cellulose 17.5, 기타 11.4%)를 사용하였으며, 분쇄기(Fritsch Universal Cutting Mill, Germany)를 이용하여 1mm 크기로 분쇄한 폐 MDF 시료를 증류수에 침지해 고온·고압 처리 후 열수 처리 하여 합성수지, 수용성 탄수화물, 배당체 등을 제거하여 건조 기에서 105°C로 건조한 후 탈지시료를 추출하여 사용하였다. 전처리를 위한 아염소산나트륨 (Sodium chlorite, NaClO₂, Daejung Co. Ltd., Goryeong, Korea)은 순도 73.0% 제품을 사용하였다. 효소로는 Novozyme Cellic® CTec2와 HTec2 (Novozyms, Bagsvaerd, Denmark)를 제공받아 사용하였다.

화학조성 분석

폐MDF의 전처리 전과 후의 화학적 성분을 알아보기 위해 회분, 리그닌, 홀로셀룰로오스 분석을 실시하였다. 회분 함량은 회화로(675 ± 25°C)에서 완전히 회화시켜 구하였고, 알코올-벤제 혼합 유기용매(1 : 2, v/v)로 추출한 후 탈지된 시료로 황산법을 이용하여 클라손 리그닌 함량을 구하고, Wise법(Wise et al., 1946)을 사용하여 홀로셀룰로오스 함량을 구하였다. 모든 분석 법은 표준분석법에 따라 분석하였다(임산화학실험서, 향문사).

아염소산나트륨 전처리

전처리를 위해 5 L 삼각 플라스크에 0.5M Acetic acid Buffer 3,000 L에 탈지시료 300 g을 넣고 아염소산나트륨 120 g 과 아세트산 수용액 24 mL을 첨가하였다(Wise et al., 1646). 반응조에 교반기를 장착하고 1시간 동안 70°C에서 150 rpm으 로 교반하며 반응시켰다. 1시간 간격으로 같은 양의 아염소산 나트륨과 아세트산 수용액을 첨가하였으며 1시간부터 최대 5시 간 탈리그닌 처리하였다. 반응이 끝난 후 글라스필터로 여과 후 중성이 될 때까지 증류수를 이용하여 세척한 다음 폭쇄 (Auto clave, 121°C, 25분) 처리 후 다시 증류수를 이용하여 세척하는 과정을 2회 반복 후 건조하여 보관하였다.

효소 당화

삼각플라스크(250 mL)에 전처리된 바이오매스를 Sodium citrate buffer solution (0.1M, pH 5.0)에 Novozyme Cellic® CTec2와 HTec2 (Novozyms, Bagsvaerd, Denmark) 효소를 기질 농도 10%(w/v)로 혼합한 후에 50°C, 140 rpm 조건으 로 효소당화를 실시하였다. 당화실험 중 일정시간(24, 48, 72, 96, 120)마다 1.5 mL씩 시료를 채취하여 0.2 μm Syringe filter로 여과 후 글루코오스(Glucose)와 자일로오스(Xylose) 생 성량을 HPLC를 이용하여 정량분석 하였다.

당류 분석을 위해서 당류 표준물질인 Glucose와 Xylose는 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, USA)로부터 구입하여 사용하 였고, Agilent 1260 series (Agilent Technologies, Palo Alto, USA) HPLC를 이용하였으며, 컬럼과 굴절률 검출기로 각각 ZORBAX Carbohydrate Analysis (Agilent Technologies, 4.6 × 150 mm, 5 μm)와 RID (Refractive index detector)를 사용하 였다. 이동상은 초순수와 Acetonitrile을 혼합한 75% Acetonitrile 용액을 사용하였으며, 온도 30°C, 유속 0.8 mL/min, 주 입량 10 μL 조건으로 분석하였다.

결과 및 고찰

화학조성

목질계 바이오매스는 셀룰로오스(Cellulose), 헤미셀룰로오스 (Hemicellulose), 리그닌(Lignin)과 같은 화학적 조성분이 매우 견고하게 결합되어 있으며 일반적으로 셀룰로오스 40 ~ 50%, 헤미셀룰로오스 25 ~ 35%, 리그닌 15 ~ 20%로 구성되어 있다 (Kim, 2010).

폐MDF에서의 화학조성 분석은 셀룰로오스를 감싸고 있는 헤미셀룰로오스를 해리시키고 리그닌을 제거해 주는 방법이 가장 좋으며(Dale et al., 1999), 전처리의 효율을 알아보기 위 해 폐MDF에서의 전처리 전후 성분을 화학 분석한 결과 홀로 셀룰로오스의 경우60.2%에서 53.1%로 전처리 후 7.1%의 손 실을 보이며, 리그닌은 전처리 전에는 28.4%에서 5.2%로 23.2% 감소하였으며, 회분은 0.10에서 0.03으로 0.07%로 감소 하였다. 기타 추출물은 11.30%에서 41.67%로 증가하는데 이 는 전처리 과정에서 손실된 홀로셀룰로오스와 용출된 리그닌 및 유기용매에 의해 추출되는 유지, 색소, 수지 등으로 보인다 (Table 1).

전처리 전과 후 시료를 효소처리 후 이들 시료의 형태학적 변화와 가수분해 정도를 알아보기 위해 주사전자현미경 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, TESCAN Co., Brno, Czech)을 관찰하였다(Fig. 1). 폐MDF 시료에는 표면이 매끄러워 효소가 표면에만 작용하여졌으며 군데군데에 서만 효소 가수분해 양상을 볼 수 있었다(kim et al., 2011). 그에 비해 전처리 후 효소 처리한 시료에서는 섬유들이 해리 되고 탈리그닌화 되면서 이에 따른 목섬유 사이 다공성으로 분해된 모습을 관찰할 수 있었으며, 전처리 전 시료보다 더 효율적으로 효소가 작용할 수 있었던 것으로 판단된다(Khanal et al., 2010).

효소 당화

효소 당화에 사용된 Novozyme Cellic® CTec2와 HTec2의 밀도는 제조사에 따르면 1.203에서 1,238 g/mL로 CTec2 enzyme의 total cellulase activity는 132 FPU/mL로 2008년 Adney & Baker에 의해 filter paper assay에서 보고한 것과 일치하는 경향을 보인다(Adney et al., 2008).

효소제 Cellic CTec2 series의 적절한 사용량을 확인하기 위 해 전처리한 폐MDF 대비 1, 3, 5, 7 및 10% (w/w)로 하여 24시간 간격으로 효소 당화 결과를 Fig. 2로 나타내었다. 효소 사용량이 증가 할수록 glucose 농도가 증가하는 경향을 보였 으며 특히, 1%와 3%에서는 당화가 120시간까지 계속 진행된 반면 효소 사용량은 5 ~ 10%에서는 48시간까지 급격한 기질 과의 반응속도를 보이며 72시간에서 기질농도가 증가하더라도 더 이상 생성물의 형성률이 높아지지 않는 최대반응 속도를 나타내며(Pengilly et al., 2015) 효소제 농도를 10% (w/w)로 사용하면 72시간에서 당화율이 76.1%로 당화 속도 및 전환율 은 투입 효소량에 비례하여 증가함을 볼 수 있다. 이는 섬유 소계 바이오매스를 암모니아수를 이용한 전처리 후 효소당화 를 실시하여 72시간에서 약 91%의 당전환율을 보이는 결과와 유사하며(Park et al., 2011), 목본계열 낙엽송의 암모니아수를 이용한 전처리 후 효소당화에서는 효과가 없는 것에 비해 아 염소산나트륨 전처리한 목질계 바이오매스에서의 효소당화에 서는 효과가 있을 것으로 기대된다.

효소 당화가 우수한 Cellic CTec2 series를 선발하여, CTec2와 HTec2의 최적혼합 비율을 조사하기 위해 CTec2와 HTec2의 혼합비율을 각각 1 : 9, 3 : 7, 5 : 5, 7 : 3 및 9 : 1로 하여 폐MDF를 당화한 결과 Fig. 3으로 나타내었다. 효소 비 율에 따른 glucose 함량은 9 : 1 비율이 당화속도가 가장 빨랐 으며 48시간 당화에서 17,833 mg/L로 초기 glucose 함량이 가장 높았지만 72시간 당화에서 glucose 함량은 5 : 5에서 7 : 3, 9 : 1 까지는 각각 20,300, 20,153, 20,183 mg/L로 비율 간의 차이가 없었으며 효소혼합 비율 1:9에서 glucose 함량이 가장 낮게 나타났다. Xylose 함량은 72시간까지 당화에서 모 든 효소 혼합비율에서 5,053 ~ 5,450 mg/L로 처리간의 유의적 인 차이가 인정되지 않았지만 glucose 함량의 변화와 유사한 경향을 보였다. 효소당화에서 CTec2가 일정 양 이상 포함되어 야 당화에 유리한 것으로 나타났다. Wang 등(2012) 은 큰개 기장의 당화에서 CTec2와 HTec2의 비율에서 CTec2의 비율을 높게 하여 당화 하였으며, CTec2의 농도에서 당화가 이루어짐 을 알 수 있었다(Mclntosh et al., 2012). 본 연구에서 CTec2 와 HTec2의 혼합 비율에서 HTec2 효소의 비율이 CTec2의 비율보다 적거나 같은 것이 유리 할 것으로 사료된다.

바이오에탄올 생산을 위한 전처리 과정으로 바이오매스 고 형분을 효소제와 혼합하여 당화하는 과정에서 바이오매스 농 도에 따른 당화정도는 발효에 중요한 영향을 미친다. 폐MDF 의 특성으로 분쇄 후 부피가 부풀어 효소 당화를 위해 buffer 용액에 침지 시 12%이상 침지가 어려워 본 시험에서 최대 12%로 침지하여 당화하였다.

본 시험에서 폐MDF 고형분 농도에 따른 당 함량의 변화를 알아보고 전처리 폐MDF 사용량을 높이기 위해 0.1 N Acetate buffer (pH 5.0)에 폐MDF를 2, 4, 6, 8, 10 ,12, 12- FB (Fed Batch)% (w/v)로 제조하고 효소제는 Cellic CTec2 series를 10% (w/w), CTec2와 HTec2의 사용비율은 9 : 1로 첨가하였으며, 전처리 폐MDF 사용량을 초기부터 높이는 방 법이 한계가 있어 Fed Batch 타입으로 초기에 8% (w/v)로하 여 24시간 효소 당화한 후 전체량 대비 4% (w/v)의 폐MDF 를 추가하여 최종 12% (w/v)로 제조하여 효소 당화하는 방법 을 추가로 실시하였다.

폐MDF 사용량 시험에서는 고형분의 2%농도에서 Glucose 와 Xylose의 함량이 각각 10,188, 322 mg/L로 가장 낮았으며 12-FB% 농도에서 Glucose와 Xylose의 함량이 각각 65,309, 11,178 mg/L로 가장 높게 나타나 고형분의 농도가 높을수록 Glucose와 Xylose 함량이 증가하였으나(Fig. 4) 12%이상 높일 경우 고체 시료가 수분을 다 흡수하여 효소반응이 원활하지 않았다. 따라서, 폐MDF를 활용한 바이오에탄올 생산을 위해 폐 고형분의 농도를 12% 이상 최대로 높이는 연구도 수반되 어야 할 것으로 사료된다.

알콜발효 수율을 위하여 초기부터 전처리 폐MDF 사용량을 높인 8, 10, 12 및 12-FB%(w/v)로 제조하고 효소 당화 실험 을 실시하여 효소 당화율이 각각 69.6, 66.0, 61.9, 그리고 64.3%로 함량이 높아질수록 효소 당화율이 감소하였고, 12% 일 때 Fed batch 타입으로 실시한 실험에서는 2.4%정도 높았 으나 큰 차이는 확인되지 않았으며 폐MDF 사용량을 12% (w/v) 이상 높일 경우 당화율이 감소하여 발효 및 증류에 어 려움이 있을 것을 감안하여 점도계(DV2T, Brookfield, USA) 를 이용하여 점도값을 측정하였다. 폐MDF 사용량을 8, 10, 12 및 12-FB%(w/v)로 하였을 때 각각 4.8, 12.0, 27.0 및 34.8 cP (19°C)의 sle 2)되었으며, 국내 주정산 업에서 사용하는 전분질 효소 당화액이 20-30 cP 정도의 점도 를 사용하므로 발효 및 증류에 문제없이 사용할 수 있을 것으 로 사료된다.

적 요

본 연구에서는 폐MDF를 이용하여 재자원화 하고자 아염소 산나트륨을 이용하여 전처리 후 탈리그닌화를 실시하였으며 Novozyme Cellic® CTec2와 HTec2(Novozyms, Bagsvaerd, Denmark) 효소를 이용하여 효소당화의 특성을 알아보았다.