Pilot-scale pretreatment of sugarcane straw using a combined sulfuric acid- and bisulfite-catalyzed steam explosion process

기술 요약: 황산 및 아황산염 촉매 증기 폭쇄를 결합한 사탕수수 짚의 파일럿 규모 전처리

문제 정의
브라질의 녹색 기계식 수확의 부산물인 사탕수수 짚은 셀룰로오스 바이오리파이너리(cellulosic biorefineries)를 위한 중요한 잠재적 원료를 나타낸다. 그러나 셀룰로오스 바이오연료의 상업적 생산은 바이오매스의 난분해성(recalcitrance)과 전처리 과정 중 발생하는 저해 구조의 형성에 의해 저해되고 있다. 특히, 산 촉매 증기 폭쇄는 헤미셀룰로오스 제거에는 효과적이지만, "의사 리그닌(pseudo-lignin)"(다당류 유래 휴민)의 형성과 천연 리그닌의 축합을 초래하는 경우가 많다. 이러한 구조들은 셀룰로오스 표면에 퇴적되어 효소의 비생산적 흡착을 유발하고 가수분해 수율을 감소시킨다. 아황산염 촉매는 리그닌을 설폰화(sulfonate)하여 축합 반응을 완화할 수 있는 것으로 알려져 있으나, 파일럿 규모의 일단계 결합 산-아황산염 공정에서 사탕수수 짚에 대한 그 효능, 특히 헤미셀룰로오스 회수(자일로스 수율)와 셀룰로오스 접근성 사이의 상충 관계(trade-off)에 대해서는 추가적인 규명이 필요하다.

방법론
본 연구는 브라질 바이오리뉴어블 국립 연구소(LNBR)의 파일럿 규모 인프라를 활용하여 사탕수수 짚 전처리를 평가하였다. 공정은 Iogen의 방식을 기반으로 한 개념을 따랐으며, 산/아황산염 침지 단계와 증기 폭쇄 과정을 포함한다.

• 원료: 브라질 캄피나스에서 수집된 사탕수수 짚을 사용하였으며, 평균 입자 크기는 5.0 mm(초기 실험), 7.3 mm, 3.9 mm(아황산염 실험)로 분쇄하였다.
• 전처리 공정: 50°C에서 20분 동안 황산(나트륨 메타바이설파이트(Na₂S₂O₅) 포함 또는 미포함) 용액에 짚을 침지하였다. 침지된 재료는 탈수 과정을 거친 후 20 L 하스텔로이(Hastelloy) 반응기 내에서 193°C로 증기 폭쇄를 수행하였다.
• 실험 설계:
  • 초기 단계: 산 촉매 실험(아황산염 미포함)을 수행하였으며, 중심 합성 회전 설계(CCRD)를 사용하여 최적의 심도(severity, 1.15–2.33) 및 온도/시간 조합을 결정하였다.
  • 결합 단계 (S1–S6): 침지 pH (1.17–1.45), 아황산염 투입량 (0–0.31% w/w 용액 기준), 입자 크기를 변화시키며 6회의 시험을 수행하였다.
• 특성 분석: 전처리된 고체는 화학적 조성(NREL 프로토콜), 입자 크기, 결정성(XRD), 구조적 변화(FTIR, ¹³C 고체 상태 NMR), 리그닌 분포(공초점 레이저 주사 현미경 - CLSM), 그리고 기공 구조/수분 이동성(¹H NMR 이완 시간 측정법)에 대해 분석되었다.
• 가수분해: 셀룰로오스 접근성을 평가하기 위해 다양한 효소 투여량(6.3, 12.6, 140 mg protein/g cellulose)으로 Cellic® CTec3 HS를 이용한 효소 가수분해를 수행하였다.

주요 기여 및 결과

1. 산 촉매 조건의 최적화:
   초기 실험을 통해 전처리 심도가 약 1.90일 때 최적의 글로벌 단량체 수율을 확인하였다. 더 높은 심도(>2.00)는 헤미셀룰로오스 제거를 증가시켰으나, 의사 리그닌 형성 증가와 리그닌 축합으로 인해 가수분해 수율이 정체되는 양상을 보였다. 이는 리그닌 전환율의 감소와 가혹한 조건에서의 셀룰로오스 결정성 지수(CrI) 감소로 입증되었다.

2. 아황산염 및 침지 pH의 영향:
   결합 산-아황산염 시험 결과, 침지 pH와 아황산염 투입량 사이의 결정적인 상호작용이 밝혀졌다.

   • 낮은 pH (~1.20): 아황산염을 첨가하더라도 낮은 pH 조건은 전처리 중 높은 자일로스 수율을 선호했으나, 상당한 양의 의사 리그닌 형성을 초래했다. 이는 펄프 내 높은 리그닌 함량, FTIR 및 NMR에서의 강한 방향족 신호, 그리고 CLSM 이미지상의 리그닌 응집체 존재를 통해 입증되었다. 결과적으로 효소 접근성이 낮아져 높은 가수분해 수율을 달기 위해 더 높은 효소 투여량이 요구되었다.
   • 높은 pH (~1.45)와 아황산염: S4 시험(pH 1.45, 0.31% w/w 용액 기준 아황산염 투입, 바이오매스 대비 약 1.65% 해당)은 높은 pH와 아황산염 첨가가 의사 리그닌 형성을 유의미하게 완화했음을 보여주었다. 이 조건은 가장 낮은 펄프 리그닌 함량, 방향족 응집체가 없는 "깨끗한" 섬유 표면(CLSM 스펙트럼의 녹색/황색 표시), 그리고 거의 100%에 달하는 효소 접근성을 나타냈다.

3. 가수분해 성능 및 효소 투여량:
   S4 조건(pH 1.45, 아황산염 첨가)은 가장 낮은 효소 투여량(6.3 mg protein/g cellulose)에서 가장 높은 가수분해 글루코스 수율(약 83%)을 달성하였다. 반면, S2 조건(낮은 pH, 아황산염 미포함)은 더 작은 입자 크기에도 불구하고 유사한 수율에 도달하기 위해 더 높은 효소 투여량을 필요로 했다.

   • 입자 크기: 입자 크기를 7.3 mm에서 3.9 mm로 줄이는 것이 낮은 효소 투여량에서 가수분해를 개선하기는 했으나, 리그닌의 화학적 상태에 비하면 최대 수율을 결정짓는 결정적인 요인은 아니었다.
   • 글로벌 수율: 상충 관계가 관찰되었다. S2 조건(낮은 pH)은 가수분해 접근성은 낮았음에도 불구하고, 전처리 중 우수한 자일로스 회수 덕분에 가장 높은 글로벌 단량체 수율(약 80%)을 제공했다. S4 조건은 우수한 가수분해 접근성을 제공했으나, 완만한 전처리로 인해 자일로스 회수가 감소하여 글로벌 수율은 낮았다.

4. 구조적 통찰:

   • ¹H NMR 이완 시간 측정법: 가혹한 증기 폭쇄(S2)는 세포벽 간극 척도(T2 분포의 피크 2)를 감소시키고 기공 크기를 줄였는데, 이는 과도한 심도가 수분 이동성과 효소 접근에 해로울 수 있음을 시사한다.
   • 메커니즘: 본 연구는 아황산염이 벤질형 카보카티온(benzylic carbocations)의 스캐빈저(scavenger)로 작용하여 리그닌의 재중합을 방지하고 의사 리그닌 형성을 억제함으로써 셀룰로오스 접근성을 향상시킨다는 점을 확인하였다.

의의 및 주장
본 논문은 산-아황산염 증기 폭쇄 결합 공정이 사탕수수 짚의 소화성을 높이는 데 유효함을 파일럿 규모 평가를 통해 입증한다고 주장한다. 주요 의의는 침지 pH와 아황산염 투여량이 헤미셀룰로오스 회수와 셀룰로오스 접근성 사이의 균형을 조절하는 핵심 레버임을 식별한 데 있다.

저자들은 낮은 pH(~1.20)가 자일로스 수율을 극대화하는 데는 유리하지만, 의사 리그닌 형성을 효과적으로 억제하고 효소 가수분해 성능을 개선하기 위해서는 더 높은 아황산염 투입량(테스트된 1.19% w/w를 초과할 가능성 있음)이 필요하다고 결론지었다. 반대로, 높은 침지 pH(1.45)에서 적절한 아황산염 첨가(바이오매스 대비 1.65% w/w)를 운용하면, 자일로스 회수의 손실을 감수하더라도 낮은 효소 부하로 거의 완전한 효소 접근성과 높은 가수분해 수율을 얻을 수 있다. 본 연구는 의사 리그닌을 완화하는 것이 바이오리파이너리의 핵심 경제적 장벽인 셀룰로오스 효소 소비 비용을 줄이는 데 필수적임을 강조한다.