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(주)나무바이오켐의 Pretreatment 기술은 무엇인가요?

독자적인 전처리 기술과 나노셀룰로스 제조 기술 기반의 친환경 첨단 신소재 개발 기술과 가능성 보유

• 목질계 바이오매스 (lignocellulosic biomass)는 자연 상태에서 부분적으로만(5~20%) 생물학적 분해가 가능하며, 이는 바이오매스의 물리화학적 불균일성과 셀룰로스 섬유의 구조적으로 높은 결정성 등이 원인인 것으로 알려져 있습니다.

• 전처리(pretreatment)의 목적은 셀룰로스 바이오매스가 셀룰라제 효소가 적은 양으로도 원할하게 작용하게 만드는 것입니다.

• 다시 말해서, 목질계 바이오매스의 단단한 구조를 여러가지 방법을 통하여 효소가수분해 반응과 발효공정의 반응속도와 수율을 향상시킬 수 있도록 하여 주는 것을 말합니다.

• 효소 가수 분해는 미생물 발효에 비해 속도가 훨씬 느리고 힘든 반응이기 때문에(limiting step) 이 과정만 향상시킬 수 있다면 전체 바이오제품의 생산 공정의 수율, 반응 속도 향상을 이룰 수 있고 효소 사용량 등을 저감할 수 있을 수 있기 때문에 전처리의 중요도는 매우 큽니다.

• 목질계 바이오매스는 전처리를 하지 않으면 보통 효소 당화율이 10-20% 정도 밖에 되지 않습니다.

• 여러 연구에 의하면 그 주된 이유로는 목질계 바이오매스의 heterogeneous composition과 구조적인 특성 때문에 그렇다고 여겨지고 있고 셀룰로스는 crytalline한 구조를 가지고 있으며 각 cellulose molecule들이 hydrogen bond로 연결되어 있으며, 효소나 산 가수 분해에 잘 견디는 특성을 가지고 있다고 알려져 있습니다.

• 전처리의 궁극적 목표는 단단하고 분해가 잘 되지 않는 구조를 부드럽게 만들어주고 효소가 셀룰로스나 다른 카보하이드레이트에 잘 접근 하여 반응 속도와 수율을 향상 시킬 수 있도록 해주는 것입니다.

• 전처리에는 주로 산, 알칼리, 스팀 등의 전처리 매개체와 함께 고온에서의 열적 처리가 주로 사용되고 있습니다.​

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(주)나무바이오켐은 여러 가지 원료를 알칼리(NaOH, NH4OH 등), 열수(hot-water), 산(sulfuric acid 등) 등의 다양한 용매를 사용하여 리그닌, C5성분, C6성분의 분리와 회수하는 연구를 20년 이상 수행했던 경험과 노하우를 가지고 있는 한양대학교 ERICA 재료화학공학과의 실험실 창업기업으로 원천 기술을 보유한 스타트업 기업입니다.

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일반적으로 전처리로 생기는 효과는 다음과 같습니다.

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• Decrease of lignin, hemicellulose, and extraneous components.

• Increase of surface area, porosity, and pore size.

• Reduce the crystallinity of cellulose

• Enhance the accessibility of enzyme to the cellulosic substrate

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위에서도 말했지만 전처리는 효소가수분해 반응과 미생물 발효 공정의 반응속도와 수율을 향상시키기 위한 것입니다.

그러면 바이오매스의 효소 반응에 미치는 요인들은 어떤 것들이 있을까? Chemical barriers와 physical barriers, 두 가지로 크게 나눌 수 있겠으나 크게 보면 겹치는 부분도 있습니다.