리그노셀룰로오스 바이오부탄올 생산에서 고압 반응기의 주요 기능은 식물 바이오매스의 자연적인 난분해성을 극복하는 것입니다. 고온 및 고압의 제어된 환경을 조성하여 복잡한 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 중합체의 가수분해를 촉진합니다. 이 과정은 질긴 식물 섬유를 발효 가능한 단당류 단량체, 특히 포도당과 자일로스로 효율적으로 전환합니다.
핵심 요점 리그노셀룰로오스 물질은 조밀하고 결정질 구조를 가지고 있어 생물학적 분해에 자연적으로 저항합니다. 고압 반응기는 열 에너지, 압력 및 화학 촉매(산 또는 효소 등)를 사용하여 이 구조를 용매 생산 박테리아가 소비할 수 있는 단순한 당으로 분해하는 필수적인 "잠금 해제" 메커니즘 역할을 합니다.
분해 메커니즘
가수분해 환경 조성
반응기의 근본적인 역할은 고온 및 고압 환경을 유지하는 것입니다.
이 환경은 물에 의해 화학 결합이 끊어지는 가수분해 반응을 촉진하는 데 필요합니다. 이 과정은 종종 반응기 용기 내에 묽은 황산이나 특정 효소를 첨가하여 촉진됩니다.
구조적 파괴 및 팽창
단순한 가열을 넘어 반응기는 바이오매스를 물리적으로 변형시킵니다.
일부 고압 시스템은 압력의 급격한 방출을 허용하는 통합 압력 방출 메커니즘을 사용합니다. 이 갑작스러운 압력 강하는 증기 폭발과 유사한 팽창력을 생성하여 셀룰로오스의 조밀한 물리적 구조를 격렬하게 파괴합니다.
투과성 증가
반응기에 의한 물리적 파괴는 재료의 투과성과 표면적을 크게 증가시킵니다.
반응기는 조밀한 결정질 구조를 파괴함으로써 바이오매스가 더 이상 고체이고 통과할 수 없는 덩어리가 아니도록 합니다. 이를 통해 가수분해제(효소 또는 산)가 재료 내부 깊숙이 침투할 수 있으며, 표면에서만 작용하는 것이 아닙니다.
발효 가능한 공급원료 제공
반응기의 최종 출력은 단순한 당의 흐름입니다.
반응기는 장쇄 중합체를 분해하여 포도당과 자일로스를 생산합니다. 이 특정 단당류는 후속 발효 단계에 사용되는 용매 생산 Clostridia 박테리아의 필수 연료원입니다.
운영 고려 사항
압력 시스템의 복잡성
충격과 마찰에 의존하는 기계적 분쇄 방법(볼 밀 등)과 달리 고압 반응기는 정밀한 열역학적 제어에 의존합니다.
운영자는 통합 압력 방출 시스템을 신중하게 관리해야 합니다. 전처리 효율성은 종종 압력 강하 속도에 따라 달라집니다. 느린 방출은 세포벽을 효과적으로 파괴하는 데 필요한 팽창력을 생성하지 못할 수 있습니다.
발효 용기와 구별
고압 전처리 반응기와 충전층 반응기(PBR)와 같은 발효 용기를 혼동하지 않는 것이 중요합니다.
고압 반응기는 열과 압력을 사용하여 기질을 분해하는 데 중점을 두는 반면, PBR은 바이오매스(생물막)를 성장시키고 실제 용매를 생산하도록 설계되었습니다. 고압 반응기는 음식을 준비하고, 발효 반응기는 이를 소비합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
적절한 전처리 기술을 선택하는 것은 바이오매스가 제시하는 특정 장벽에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 화학적 전환인 경우: 고압 반응기를 우선적으로 사용하여 가수분해를 촉진하고 중합체를 Clostridia를 위한 발효 가능한 당(포도당/자일로스)으로 전환합니다.
- 주요 초점이 기계적 크기 축소인 경우: 열압력 대신 물리적 충격을 통해 입자 크기를 줄이고 표면적을 늘리기 위해 볼 밀을 고려하십시오.
고압 반응기는 원료의 사용할 수 없는 식물 물질을 사용할 수 있는 생물학적 공급원료로 변환하는 다리입니다.
요약표:
| 특징 | 고압 반응기 기능 | 바이오부탄올 생산에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 가수분해 | 중합체의 화학적 분해 촉진 | 셀룰로오스/헤미셀룰로오스를 포도당/자일로스로 전환 |
| 구조적 파괴 | 고온/고압 및 증기 폭발 | 식물 난분해성 및 조밀한 결정질 극복 |
| 투과성 | 재료 표면적을 빠르게 증가시킴 | 효소와 산이 섬유 깊숙이 침투하도록 함 |
| 출력 공급원료 | 단순 단당류 생산 | Clostridia 발효에 필요한 연료 제공 |
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참고문헌
- Sandip B. Bankar, Tom Granström. Biobutanol: the outlook of an academic and industrialist. DOI: 10.1039/c3ra43011a
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