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실험실 실험

 NAMU BioChem's 
Technology Focus Areas

친환경 바이오화학산업의 기초 원료인 Biomass

태양에너지를 (광합성을 이용하여) 이용 저장하는 '최근 (생성 cycle이 짧은)'에 생성된 유기물 ((proteins, oils, and carbohydrates) 들을 지칭하며 보통 식물계와 동물계로 나눌수 있는데, 당, 전분, 목질계 등으로 구분하기도 하고 1세대, 2세대 등으로 시기에 따라 구분하기도 합니다.

바이오매스의 가장 큰 특징은 '풍부/대량 (abundant)'과 '재생가능 (renewable)'입니다.

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지금까지는 당류나 곡류 (옥수수, 쌀, 밀, 보리 등)등의 1세대 바이오매스인 식량을 바이오매스로 이용을 하였으나 가까운 미래에는 목질계 바이오매스(농업 부산물, 생활 폐기물, 나무, 에너지 작물 등)나 해양 바이오매스 (조류 등) 같은 2세대 바이오매스를 주로 이용하여 석유화학제품을 대체할 수 있는 친환경이며 재순환성이 높은 제품을 생산하고 사용할 수 있게 될 것입니다.

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(주)나무바이오켐의 Pretreatment 기술은 무엇인가요?

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.

Chemical barriers

  • Lignin

  • Hemicellulose

  • Acetic acid

Physical barriers

  • Biomass crystallinity

  • Degree of polymerization

  • Particle size

  • Surface area, Pore size/porosity

다양한 바이오매스 성분분리.png

(주)나무바이오켐의 Biorefinery의 핵심 기술 (1)
​Pretreatment

목질계 바이오매스는 글루코스(포도당), 자일로스 등의 당(탄수화물)과 리그닌(폴리페놀화합물) 등으로 이루어져 있는데, 미래 바이오화학산업의 쌀이라고 할 수 있는 당(포도당) 성분을 효율적으로 사용하기 위해서는 위에서 설명한 화학적, 물리적 방해물질과 요소들을 쩨거하는 공정이 필요합니다.

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(주)나무바이오켐에서는 다양한 바이오매스를 물리적, 화학적,  생물학적 전처리를 통해 이러한 방해 성분과 요소들을 제거하고 유용한 당 성분을 활용할 수 있도록 기초 원료화 할 수 있는 세계 최고 수준의 기술과 노하우를 가지고 있습니다.

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바이오매스 전처리 효과.png
목질계바이오매스 SEM.png

(주)나무바이오켐의 Biorefinery의 핵심 기술 (2)
Fractionation

바이오리파이너리(Biorefinery)라는 개념은 현대의 석유 (화석원료) 정제를 (oil refinery) 통해 여러가지 제품을 생산하는 것과 같이, 바이오매스 (biomass)를 원료로 이용하여 여러 제품을 생산하고자 하는 개념입니다.

특히, 목질계 바이오매스는 lignins, carbohydrates, protein, lipids등의 성분들로 이루어져 있는데, 먼저 이 성분들을 분리하여야 하고, 그 각각의 성분들에서 부터 여러가지 제품들을 chemical/biological conversion reaction을 이용하여 생산할 수 있습니다.

이를 위해 각각의 성분 분리 및 정제 분야를 upstream biorefinery, 그 분리된 성분을 이용하여 중간/최종 제품을 생산하는 분야를 downstream biorefinery로 나눌 수 있습니다.

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(주)나무바이오켐에서는 다양한 바이오매스를 물리적, 화학적,  생물학적 전처리를 통해 다양한 성분으로 분리하고 기초 원료화 할 수 있는 세계 최고 수준의 기술과 노하우를 가지고 있습니다.

바이오매스 성분 예시.png
Biorefinery 컨셉 01.png
전처리반응기01.png

​바이오매스 기반의 친환경 필름 소재

현재 포장재, 종이컵 등의 코팅 제품들은 편리하고 뛰어난 물성으로 인해서 시장에서 수요가 높고 무분별한 사용으로 인해 다량의 폐기물이 발생하고 있으나 재활용이 어렵기때문에 제조-폐기 시 다량의 탄소발생이 되고 환경 파괴의 주요 원인이 되고 있다.

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(주)나무바이오켐이 보유한 전처리 기술을 이용해 바이오매스를 탈리그닌하여 리그노셀룰로오스 나노셀룰로오스(LCNC; ligno-cellulose nano-cellulose) 원료소재를 만들고, 이를 기반으로 하는 LCNC-고분자 소재를 합성하여, 차세대 바이오화학소재인 LCNC 기반의 향상된 산소차단성을 가지는 친환경 기능성 포장소재 및 코팅소재 연구 및 제조기술 개발을 하고 있습니다.

현재 사용되고 있는 PE, PP 등의 석유원료의 플라스틱 소재를 대체할 수 있는 환경친화적이고 탄소 재순환성이 높은 소재를 개발하여 제품을 만드려는 노력을 하고 있습니다. 저희가 만드는 제품은 일정 수준 이상의 산소차단성, UV차단성 등 기존 소재를 대체할 만한 물성(예, 내수성, 내유성)을 가진 친환경 바이오 소재로 만들 것입니다.

(주)나무바이오켐은 바이오 포장소재의 사업화를 위한 다양한 제조공정에 대한 기초 연구를 진행하고 있으며 기초 소재를 적용한 제품개발(예, 코팅소재/라미네이팅소재/성형소재 등)을 추진하고 있습니다.

[그림] 바이오매스 기반 바이오-나노 복합필름 제조 공정

참나무-to-바이오필름 공정 (1).jpg

비식용 원료를 이용한 환경친화적 식음료 제품

​곡류를 재배하는데 많은 물과 시간이 필요합니다. 

현재 주요 기호 식품인 주류, 커피 등은 식량원료를 사용하여 생산하고 있습니다.

특히 이러한 기호식품들은 많은 양의 곡물이 필요하기 때문에, 결과적으로 많은 물과 시간, 노력을 소비하게 되는 식품이고 전 세계 식량이 부족한 상황에서 '착한 식품'이라고 할 수 없습니다.

또한 다량의 물과 비료를 필요로하게 되어 탄소배출량이 높아 기후변화에 임팩트가 큰 제품이라는 문제점도 가지고 있습니다.

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(주)나무바이오켐은 우리가 당면한 식량 문제와 기후변화 문제를 해결하기 위해 저희가 가지고 있는 기술​과 혁신적인 아이디어를 이용하여 친환경 기호식품을 만들고 싶습니다.

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바이오매스 기반의 친환경 페인트

(주)나무바이오켐은 혁신적이고 새로운 제품에 관심이 많습니다.

​인테리어 제품 중, 기존의 벽지와 페인트의 장점만을 가진 새로운 제품을 바이오매스에서 추출한 기초 소재를 이용하여 개발하고 있습니다.

​이러한 제품은 기존의 이름으로 부를 수 없는 새로운 이름이 될 것이고 바이오제품도 충분히 경쟁력이 있다는 것을 보여줄 것입니다.

궁극적으로 환경을 보호하고 우리의 건강한 생활을 만들어 줄 수 있는 신개념의 제품이 될 것입니다.

기존제품과 친환경페인트 비교.jpg
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바이오화학 소재
친환경 소재
​바이오 연료

(주)나무바이오켐은 환경친화적 산업용 화학소재, 섬유, 식품, 환경, 화장품 산업의 기초 원료와 소재 개발을 위해 노력하고 있습니다.

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보다 자세하게는 Nanocellulose, ethanol, lactic acid, levulinic acid, furfural, 5-HMF 등의 친환경 building block chemicals 효소반응공학과 발효공정을 이용한 천연물기반 소재 개발​을 진행하고 있습니다.

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촉매, 효소, ​미생물 발효 공정

(주)나무바이오켐은 재생가능한 원료인 cellulose, hemicellulos, lignin, lipid, protein 등의 화학적-생물학적 분리 정제 기술과 이들 소재를 원료로 응용한 제품 기술을 위해 연구 하고 있습니다.

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또 한편으로는 고부가가치 양조(맥주) 공정기술 개발, 성분분석, 신제품 개발을 위해 노력하고 있습니다.

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