<h1>1. 서론</h1><p>화석연료의 과도한 사용과 고갈로 바이오매스 유래 연료 및 화학물질 개발이 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 목질계 바이오매스는 약 \(75%\)가 당으로 구성되어 있어 연료 또는 화학물질로 전환이 적합한 소재이다. 목질계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그니의 유기적인 결합으로 효율적인 당 생산을 위해 전처리 과정이 필요하며 방법에 따라 시간과 많은 에너지가 소모되는 반면 폐지는 재활용이 비교적 쉽다는 장점이 있다. 폐지는 생산과정에서 물리/화학적인 전처리가 수행되어 대부분이 셀룰로오스와 소량의 헤미셀룰로오스로 구성된 섬유소계 자원으로 분류된다. 따라서 폐지는 전처리 과정을 생략하고 추가적인 열·화학·생물학적 공정 등을 통해 다양하게 재활용될 수 있다. 우리나라에서 폐지는 도시 고형 폐기물 중 약 \( 48 \% \)를 차지하며 공급 가격이 낮아 원료 측면에서 경쟁력이 있다. 무엇보다 폐지 수출이 금지된 현재 시점에서 풍부한 셀룰로오스를 포함하고 있는 폐지를 효율적으로 사용하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 최근 폐지로부터 숙신산, 젖산, 이타콘산, 바이오에탄올, 바이오부탄올 등의 바이오 화학물질로 전환하는 연구가 집중적으로 수행되고 있다.</p><p>레불린산은 바이오 기반 화학물질 중 하나로서 카르보닐기와 카르복실기를 포함하고 있어 반응성이 우수하여 용매, 식품 향료, 화학물질 생산을 위한 전구체 등 다양한 산업에서 사용되며 \(6\)탄당이 과당으로 전환된 후 탈수를 통해 생성된다. 폐지를 계면할성제 또는 화학약폼을 이용하여 탈묵처리 한 후 셀룰로오스를 글루코오스로 분해하여 레불린산을 생산할 수 있다. 하지만 계면활성제는 종류에 따라 잉크 분리 능력이 상이하여 탈묵효과가 낮아 글루코오스 전환율을 감소시키기도 한다. 하지만 효소가수분해에 사용되는 완충액은 탈묵에 긍정적인 영향을 미친다. 따라서 탈묵처리 대신 효소가수분해를 수행한다면 더 간단하고 친환경적으로 글루코오스를 생산할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐지로부터 레불린산 생산을 위해 효소를 사용하여 글루코오스를 생산하였다. 이후 반응표면분석법 (Response Surface Methodology)을 이용해 효소가수분해 액상으로부터 레불린산 생산을 위한 최적 조건을 도출하였으며, 실험결과를 바탕으로 한 회귀 분석을 실시하여 모델을 검증하였다.</p><h1>2. 재료 및 방법</h1><h2>2.1 공시재료</h2><p>본 실험에서는 파쇄기에서 파쇄된 후 블록 형태로 압축된 사무용 폐지를 광주과학고등학교에서 제공받았으며 별도의 분쇄 없이 사용하였다. 대조구로 참나무(Quercus acutissima, Quercus variabilis) 목분(\(20-80\) mesh)을 사용하였다.</p><h2>2.2 기질(사무용 폐지 및 참나무)의 침지시간에 대한 효소가수분해</h2><p>기질의 침지시간 변화에 대한 글루코오스 수율을 확인하기 위해 참나무 또는 폐지와 sodium citrate buffer( \( \mathrm{pH} \) 4.8)를 \( 1: 40 \) 비율로 \( 250 \mathrm{~mL} \) 삼각플라스크에 투입한 후 (폐지 \( 2 \mathrm{~g} \), buffer \( 80 \mathrm{~mL} \) ) shaking incubator에서 \( 50^{\circ} \mathrm{C} \), \( 150 \mathrm{rpm} \)으로 \( 0,1,12,24 \)시간 동안 침지하였다. 이후 Novozymes의 Cellic® CTec\(2\) 효소를 \(17.5 \mathrm{FPU/g}\) 투입하여 \( 50^{\circ} \mathrm{C}, 150 \mathrm{rpm} \)으로 \(96\)시간 동안 효소가수분해를 진행하였다. \(24\)시간 간격으로 상등액을 취하여 HPLC (e\(2695\), Waters, Milford, MA, USA)로 글루코오스 농도를 측정하였다. HPLC 분석에 사용된 분석 컬럼은 Aminex \( 87 \mathrm{H} \) \( (300 \times 7.8 \mathrm{~mm}) \)이며, 이동상 \( (5 \mathrm{mM} \) 황산)을 \( 0.6 \mathrm{~mL} / \mathrm{min} \)의 유속으로 분석하였다. 검출기는 refractive index detector (\(2414\), Waters, Milford, MA, USA)을 사용하였다.</p>
과도한 사용과 고갈로 새로운 대안이 제기 되고 있는 기존의 연료는 무엇인가?
화석연료