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문제 정의
- 4의 time = 0일 때의 당화율인데 이 결과는 전처리 공정에만 계면활성제를 사용하는 경우보다는 당화율이 2% 정도 조금 낮았다' 이것은 계면활성제를 전처리나 가수분해 공정 중 한번만 사용하면 된다는 것을 뜻한다. 그래서 효소 가수분해에서 당화율을 높이기 위하여 기질에 계면활성제와 효소의 첨가순서에 따른 당화율을 조사하였다' 기질에 계면활성제와 효소를 동시에 넣으면 이 두 성분이 경쟁적으로 기질에 흡착하므로 첨가순서가 가수분해 반응에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음 두 방법을 고안하였다. 고체 cellulose가 용해될 수 있는 당으로 전환되기 위해서는 먼저 효소가 cellulose 표면에 흡착되어야 한다, 그래서 계면활성제가 리그닌 등에 흡착하여 리그닌에 의한 효소의 비활성화를 예방해 준다는 설명을 근거로 먼저 계면활성제를 첨가하고 나중에 효소를 첨가하는 방법을 생각하였다.
- 신문지와 같은 폐지의 가수분해에 미치는 계면활성 제의영향을 조사하였다. 전처리 공정에 적합한 계면활성제는 사용한 9종의 비이온 계면활성제 중 NP 계열 계면활성제가 가장 좋은 전처리 효과를 나타내었다.
- 그러나 전처리 공정에서는 TW 계열 계면활성제보다 NP 계열의 계면활성제가 상당히 좋은 효과를 나타내었다(13). 이 연구의 목적은 전처리 공정에 적합한 계면활성제를 찾아내어 공정을 최적화하고, 효소 가수분해 공정에서 계면활성제의 영향과 효소와 계면활성제의 첨가순서에 따라 당화율의 변화를 조사하였다. 효소 가수분해 공정에는 이미 효과가 검증된 TW 계열의 계면활성제만 사용하였다.
제안 방법
- 가수분해 반응은 총 72시간 동안 실시하였고, 항온조 내 왕복 속도는 90 strokes/min으로 해주었다. 가수분해 실험은 모든 시료에 대해 중복 실험하였고, 가수분해가 진행되는 동안 매 24시간마다 1.5 mL씩 시료를 채취하여 HPLC로 glucose 양을 측정하고 당화율을 계산하였으며, 결과는 평균 당화율로 표시하였다.
- 계면활성제는 건조기질 10 g에 대한 0.25-2.0 wt%에 해당하는 양을 첨가하였다. 전처리는 전처리 온도 30-50°C, 전처리 시간 30-240분, 교반속도 0~400 rpm에 서행하였다.
- 그래서 효소 가수분해에서 당화율을 높이기 위하여 기질에 계면활성제와 효소의 첨가순서에 따른 당화율을 조사하였다' 기질에 계면활성제와 효소를 동시에 넣으면 이 두 성분이 경쟁적으로 기질에 흡착하므로 첨가순서가 가수분해 반응에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음 두 방법을 고안하였다. 고체 cellulose가 용해될 수 있는 당으로 전환되기 위해서는 먼저 효소가 cellulose 표면에 흡착되어야 한다, 그래서 계면활성제가 리그닌 등에 흡착하여 리그닌에 의한 효소의 비활성화를 예방해 준다는 설명을 근거로 먼저 계면활성제를 첨가하고 나중에 효소를 첨가하는 방법을 생각하였다. 또한 계면활성제가 처음부터 투입되면 기질에 먼저 흡착된 계면활성제가 효소의 기질 흡착을 방해할 수 있기 때문에 먼저 효소를 첨가하고 나중에 계면활성제를 첨가하는 방법을 생각하였다.
- 계면활성제를 사용하여 전처리된 기질을 계면활성제를 첨가하여 가수분해하면 가수분해에서 계면활성제의 효과가 거의 없었다. 그래서 가수분해 공정에서만 계면활성제를 사용하여 효소와 계면활성제의 첨가순서에 따른 당화율을 조사하였다. 조사결과 기질에 효소를 넣고 난 후 계면활성제의 첨가시기가 늦을수록 당화율이 낮아지는 경향을 나타내었다.
- 그래서 본 연구에서는 당화율을 최대화하기 위해 NP-20 을 사용하여 기질을 전처리하고 효소 가수분해에서는 TW 계열의 계면활성제를 사용하였다. Fig.
- 또한 계면활성제가 처음부터 투입되면 기질에 먼저 흡착된 계면활성제가 효소의 기질 흡착을 방해할 수 있기 때문에 먼저 효소를 첨가하고 나중에 계면활성제를 첨가하는 방법을 생각하였다. 그래서 첫 번째 방법은 기질과 계면활성제를 먼저 넣고 진탕 배양기에서 교반시킨 다음 효소를 첨가하는 방법을, 두 번째 방법은 기질과 효소를 먼저 넣고 교반한 후 계면활성제를 넣는 방법을 고안하였다.
- 05 M citrate buffer® 만들어 사용하였고, 효소는 15 FPU/g glucan에 해당하는 양을 넣어주었다. 그리고 계면활성제는 건조기질 기준 0.5 wt% 첨가하였다. 이때 계면활성제는 미리 증류수에 용해시켜첨가해 주었다.
- procedures #001-005(19)에 따라 분석하였다. 당 분석을 측정하기 위해 Bio-Rad Aminex HPX-87H column (condition: 0.6 mL/min, 65°C, 0.005 M H2SO4)을 사용하였고, 이를 연결한 HPLC (Thermo Separation Products)로 분석하였다. 이 칼럼은 xylose, mannose, galactose를 분리할 수없으므로 세 성분을 합하여 표기하였다.
- 5%, 100 rpm, 30°C와 1시간일 때 최적조건이었다. 당화율을 최대화하기 위하여 기질을 NP-20으로 전처리하고 전처리된 기질을 TW-80을 첨가하여 가수분해하였다. 계면활성제를 사용하여 전처리된 기질을 계면활성제를 첨가하여 가수분해하면 가수분해에서 계면활성제의 효과가 거의 없었다.
- 3은 가수분해 공정에서 계면활성제 사용량에 따른 당화율을 조사한 그림이다. 두 계면활성제의 농도를 건조 기질에 대해 0.25%에서 2% 범위 (실제 용액에서는 0.0045-0.036 wt%) 내에서 실험하였다. NP-20으로 전처리하여 당화율을 측정한 결과(Fig.
- 고체 cellulose가 용해될 수 있는 당으로 전환되기 위해서는 먼저 효소가 cellulose 표면에 흡착되어야 한다, 그래서 계면활성제가 리그닌 등에 흡착하여 리그닌에 의한 효소의 비활성화를 예방해 준다는 설명을 근거로 먼저 계면활성제를 첨가하고 나중에 효소를 첨가하는 방법을 생각하였다. 또한 계면활성제가 처음부터 투입되면 기질에 먼저 흡착된 계면활성제가 효소의 기질 흡착을 방해할 수 있기 때문에 먼저 효소를 첨가하고 나중에 계면활성제를 첨가하는 방법을 생각하였다. 그래서 첫 번째 방법은 기질과 계면활성제를 먼저 넣고 진탕 배양기에서 교반시킨 다음 효소를 첨가하는 방법을, 두 번째 방법은 기질과 효소를 먼저 넣고 교반한 후 계면활성제를 넣는 방법을 고안하였다.
- 제지의 잉크 제거 공정에서는 미세섬유의 손실을 방지하기 위하여 주로 비이온 계면활성제를 사용하므로 여기서도 모두 비이온 계면활성제를 선택하였다. 사용한 계면활성제 중 NP 계열의 계면활성제의 전처리 효과가 가장 높은 것으로 나타났고 NP 계열 중 HLB 값이 가장 높은 NP-20의 당화율이 근소하지만 가장 높아 전처리 공정에 사용할 계면활성제로 NP-20을선택하였다. 여기서 각 계면활성제가 잉크 제거과정에 관여하는 정도를 정량적으로 나타내기가 쉽지 않아 자세한 설명은 할 수 없을 것 같다.
- 전처리 공정에 계면활성제를 사용하면 가수분해 공정에거 사용한 계면활성제가 당화율의 향상에 미치는 영향이가 의 없으므로 전처리에는 계면활성제를 사용하지 않고 질수분해 공정에만 계면활성제를 사용하였다. 이 경우 ;시을 가수분해 전에 다른 처리는 하지 않고 미리 물에 간 침지시켰다.
- 전처리 공정을 최적화하기 위해 먼저 NP-20의 최적 사용량을 조사하였다(Fig. 1). 여기서 untreated는 가수분해 전 아무런 전처리를 하지 않은 기질이다.
- 전처리는 전처리 온도 30-50°C, 전처리 시간 30-240분, 교반속도 0~400 rpm에 서행하였다. 전처리 후 전처리된 기질을 1 L의 증류수로 세척하고, 세척이 끝난 기질은 수분이 70-80% 정도 포함하도록 처리한 후 반으로 나누어 하나는 수분함량 측정과 당 성분 분석을 하고, 나머지는 냉장고에 보관하여 효소 가수분해에 사용하였다.
대상 데이터
- 기질로 사용된 신문지는 매일경제와 경남일보를 5 X 5 mm의 크기로 잘라 혼합하여 사용하였다. 건조시료의 초기성분을 분석한 결과 glucan: 59.
- 0 wt%이었다. 사용한 계면활성제는 Table 1에 나타내었는데 Tween 계열 (Sigma Chemical CO., USA.)을 제외한 모든 계면활성제는 TCI (Tokyo Kasei Kogyo, Japan) 제품을 사용하였다. 효소는 상업용 cellulase 와 p-glucosidase (Novo Nordisk, Bagvard, Denmark) 인 Celluclast 1.
- 이 연구의 목적은 전처리 공정에 적합한 계면활성제를 찾아내어 공정을 최적화하고, 효소 가수분해 공정에서 계면활성제의 영향과 효소와 계면활성제의 첨가순서에 따라 당화율의 변화를 조사하였다. 효소 가수분해 공정에는 이미 효과가 검증된 TW 계열의 계면활성제만 사용하였다.
- )을 제외한 모든 계면활성제는 TCI (Tokyo Kasei Kogyo, Japan) 제품을 사용하였다. 효소는 상업용 cellulase 와 p-glucosidase (Novo Nordisk, Bagvard, Denmark) 인 Celluclast 1.5 L (60 FPU/mL) 과 Novozym 188 (792 CBU/mL)를 사용하였다. 가수분해 반응 중 생성되는 cellobiose의 가수분해 저해 작용을 최소화하기 위해 cellulase오} 卩-glucosidase를 4 : 1의 부피비로 첨가해 주었다.
이론/모형
- 고체시료의 수분, 당, klason lignin과 회분은 NREL standard procedures #001-005(19)에 따라 분석하였다. 당 분석을 측정하기 위해 Bio-Rad Aminex HPX-87H column (condition: 0.
- 당화율 측정실험은 NREL standard procedure #009(19)에 따라 수행하였다. 가수분해 용액은 250 mL 플라스크에 0.
성능/효과
- 036 wt%) 내에서 실험하였다. NP-20으로 전처리하여 당화율을 측정한 결과(Fig. 1에 나타난 결과), 즉 NP-20을 사용하여 전처리하고 가수분해 공정에서는 계면활성제를 사용하지 않은 경우와 비교하면 TW-20의 경우는 당화율이 약 5% 낮았고 TW-80의경우는 거의 같았다. 이것은 효소 가수분해 공정에만 계면활성제를 사용하면 당화율을 상승시킨다는 기존의 연구 결과와는 달리 전처리 공정에서 계면활성제를 사용하고 또 효소 가수분해 공정에 계면활성제를 사용하면 가수분해 공정에서 계면활성제 효과가 거의 없음을 의미한다.
- 전처리 공정에 적합한 계면활성제는 사용한 9종의 비이온 계면활성제 중 NP 계열 계면활성제가 가장 좋은 전처리 효과를 나타내었다. NP-20을 사용하여 전처리 공정을 최적화한 결과 계면활성제 농도, 교반 속도, 전처리 온도와 시간이 0.5%, 100 rpm, 30°C와 1시간일 때 최적조건이었다. 당화율을 최대화하기 위하여 기질을 NP-20으로 전처리하고 전처리된 기질을 TW-80을 첨가하여 가수분해하였다.
- 크기로 잘라 혼합하여 사용하였다. 건조시료의 초기성분을 분석한 결과 glucan: 59.0 wt%, (xylan + mannan + galactan): 16.2 wt%, klason lignin: 12.4 wt%, ash: 6.0 wt%이었다. 사용한 계면활성제는 Table 1에 나타내었는데 Tween 계열 (Sigma Chemical CO.
- 이와 같은 현상은 계면활성제가 효소-기질사이 흡착을 방해하는 것이 아니라 계면활성제가 기질 표면의 친수성을 높여 효소가 기질에 접근하기 쉽도록 해준다고 설명 (15), 또는 효소가 초기에 기질에 존재하는 리그닌과 같은 물질과 비생산적인 결합하는 것을 계면활성제가 막아주어 효소 가수분해가 잘되도록 해준다는 설명(14)을 간접적으로 뒷받침해 준다고 볼 수 있다. 결론적으로 계면활성제를 가수분해 공정에 참가하는 방법보다 전처리 공정에 첨가하는 방법이 2% 정도 조금 높은 당화율을 얻을 수 있으나 전처리 공정에 첨가하면 가수분해 전 반드시 전처리된 기질을 물로 세척해야 하는 과정이 필요하다는 문제가 있다. 가수분해 공정에 계면활성제를 첨가하면 전처리 공정으로 기질을 물에 침지시키는 과정은 필요하나 세척시킬 필요는 없는 이점이 있다.
- 여기서 untreated는 가수분해 전 아무런 전처리를 하지 않은 기질이다. 사용한 기질에 대한계면활성제의 중량 %가 1%를 정점으로 작지만 증가하다 감소하는 추세를 보였다. 그래서 0.
- 그래서 전처리에서 사용한 계면활성제를 제거하지 않은 기질에 효소를 첨가하여 가수분해하면 전처리에만 계면활성제를 사용한 경우보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있지 않을까 하여 선행연구에서 실험한 적이 있다(12). 예상과는 달리 전처리공정 후 남은 기질을 가수분해하기 전에 물로 세척하지 않으면 당화율이 물로 세척한 경우보다 상당히 낮은 것을 알 수 있었다. 이것은 전처리 공정과 가수분해 공정에서 같은 계면활성제를 사용할 필요가 없다는 것을 의미한다.
- 4에서 time = -2, -4, -6에서 보여 지는데 이들 결과는 효소를 첨가하기 2, 4, 6시간 전에 기질과 계면활성제를 넣고 교반시킨 다음 효소를 첨가시켜 얻었다. 이들 결과를 기질, 효소와 계면활성제를 동시에 넣은 얻은 결과 (time = 0의 결과)와 비교하면 당화율의 차이는 거의 없어 계면활성제가 효소보다 먼저 투입되어도 계면활성제가 효소의 기질 흡착을 방해하는 않는 것으로 생각할 수 있다. 두 번째 방법의 결과는 Fig.
- 조사하였다. 전처리 공정에 적합한 계면활성제는 사용한 9종의 비이온 계면활성제 중 NP 계열 계면활성제가 가장 좋은 전처리 효과를 나타내었다. NP-20을 사용하여 전처리 공정을 최적화한 결과 계면활성제 농도, 교반 속도, 전처리 온도와 시간이 0.
- 그래서 가수분해 공정에서만 계면활성제를 사용하여 효소와 계면활성제의 첨가순서에 따른 당화율을 조사하였다. 조사결과 기질에 효소를 넣고 난 후 계면활성제의 첨가시기가 늦을수록 당화율이 낮아지는 경향을 나타내었다.
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