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문제 정의
- 실제 당화액은 발효저해물질과 당이 함께 포함되어 있는 혼합물이다. 그러므로 당화액의 무독화처리 시 사용되는 무독화 방법에 따라 포함되어 있는 당의 손실이 생길 수 있는데, 본 연구에서는 합성용액을 사용하여 여러 가지 무독화 방법에 따른 당 손실의 정도를 알아보았다. 당은 6 탄당인 glucose와 5 탄당인 xylose를 대상으로 하였다.
제안 방법
- 생물학적 무독화 방법으로는 peroxidase와 laccase 와 같은 효소를 이용하였고, 물리화학적 방법으로는 이온교환수지와 활성탄을 이용하였다. 또한 무독화 방법의 비교를 통해 저해물질의 종류에 따른 최적의 무독화 방법을 제시하였다.
- 5 g을 각각 첨가하였다. 무독화는 상온에서 1시간 동안 교반 반응한 후 각각의 성분을 분석하였으며, 초기 농도와 비교하여 제거율을 평가하였다.
- 2g (24 LAMU)를 첨가하였으며, CiP 사용 시 과산화수소 15 μL를 첨가하였다. 물리화학적 무독화를 위해 합성용액 10 mL에 이온교환수지 20% (v/v), 활성탄 0.5 g을 각각 첨가하였다. 무독화는 상온에서 1시간 동안 교반 반응한 후 각각의 성분을 분석하였으며, 초기 농도와 비교하여 제거율을 평가하였다.
- 본 연구에서는 리그노셀룰로스 가수분해물과 유사한 조성을 갖는 합성 용액을 이용하여 무독화 실험을 진행하였다. 생물학적 무독화 방법으로는 peroxidase와 laccase 와 같은 효소를 이용하였고, 물리화학적 방법으로는 이온교환수지와 활성탄을 이용하였다.
- 이온교환수지 또한 리그노셀룰로스 당화액의 무독화를 위해 널리 사용되고 있다 [11,18]. 본 연구에서는 음이온 교환수지 (anion exchange resin, AER), 양이온 교환수지 (cation exchange resin, CER), 비이온성 교환수지 (XAD 4, XAD) 등 세 가지의 이온교환수지를 이용하여 무독화 실험을 실시하였는데, Fig. 3에서 보는바와 같이 사용된 수지에 따라 저해물질의 종류에 따라 상이한 제거율을 나타냈다. 페놀계 화합물의 경우 음이온 교환수지에 의한 제거율이 약 100%로 가장 높게 나타난 반면, 양이온교환수지와 비이온성 교환수지의 제거율은 상대적으로 낮게 나타났다.
- 페놀계, 퓨란계 화합물 및 당, 아세트산의 농도는 액체 크로마토그래프 (Agilent model 1200 liquid chromatograph)로 분석하였다. 페놀계 화합물과 5-HMF, furfural은 다이오드어레이 검출기로 분석하였고, 당과 아세트산은 굴절률 검출기로 분석하였다. 각각의 분석에 사용된 컬럼과 용매조건은 Table 2와 같다.
- 페놀계, 퓨란계 화합물 및 당, 아세트산의 농도는 액체 크로마토그래프 (Agilent model 1200 liquid chromatograph)로 분석하였다. 페놀계 화합물과 5-HMF, furfural은 다이오드어레이 검출기로 분석하였고, 당과 아세트산은 굴절률 검출기로 분석하였다.
- 효소를 이용한 무독화를 위해 합성용액 10 mL에 CiP 20 U/mL, Laccase 0.2g (24 LAMU)를 첨가하였으며, CiP 사용 시 과산화수소 15 μL를 첨가하였다.
대상 데이터
- cinereus peroxidase)를 정제, 농축하여 사용하였으며, 효소의 활성도는 20,000 U/mL이었다 [14]. Laccase는 활성도가 120 LAMU/g 인 Novozyme사 (Bagsvaedr, Denmark)의 Denilite II S를 사용하였다. 음이온 교환수지는 (주)삼양(Seoul, Korea)의 AMP 24 (0.
- Peroxidase는 Coprinus Cinereus IFO8371에서 생산된 CiP (C. cinereus peroxidase)를 정제, 농축하여 사용하였으며, 효소의 활성도는 20,000 U/mL이었다 [14]. Laccase는 활성도가 120 LAMU/g 인 Novozyme사 (Bagsvaedr, Denmark)의 Denilite II S를 사용하였다.
- 그러므로 당화액의 무독화처리 시 사용되는 무독화 방법에 따라 포함되어 있는 당의 손실이 생길 수 있는데, 본 연구에서는 합성용액을 사용하여 여러 가지 무독화 방법에 따른 당 손실의 정도를 알아보았다. 당은 6 탄당인 glucose와 5 탄당인 xylose를 대상으로 하였다.
- 무독화 실험을 위한 대상용액으로 실제 당화액과 유사한 합성용액을 조제하여 사용하였으며, 그 조성은 Table 1과 같다. 효소를 이용한 무독화를 위해 합성용액 10 mL에 CiP 20 U/mL, Laccase 0.
- 활성탄은 페놀계, 아세트산, furfural, 방향족 화합물 등을 흡착에 의해 제거할 수 있는 효과적인 방법으로 알려져 있다 [10,17]. 본 연구에서는 4-8 mesh 크기의 granular 형태의 활성탄을 이용하여 무독화 실험을 진행하였다. Fig.
- Laccase는 활성도가 120 LAMU/g 인 Novozyme사 (Bagsvaedr, Denmark)의 Denilite II S를 사용하였다. 음이온 교환수지는 (주)삼양(Seoul, Korea)의 AMP 24 (0.35-0.55 mm, 0.9 meq/mL), 양이온 교환수지는 (주)삼양의 CMP 16 (0.35-0.55 mm, 1.75 meq/mL)을 사용하였으며, 비이온성 수지로는 Sigma사 (st. Louis, USA)의 XAD 4 (20-60 mesh)를 사용하였다. 활성탄은 Sigma사의 4-8 mesh 크기의 Granular 형태를 사용하였다.
- Louis, USA)의 XAD 4 (20-60 mesh)를 사용하였다. 활성탄은 Sigma사의 4-8 mesh 크기의 Granular 형태를 사용하였다. 이온교환수지는 1 N의 NaOH와 HCl을 이용하여 음이온교환수지는 OH- form으로, 양이온 교환수지는 H+ form으로 처리 한 후 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 리그노셀룰로스 가수분해물과 유사한 조성을 갖는 합성 용액을 이용하여 무독화 실험을 진행하였다. 생물학적 무독화 방법으로는 peroxidase와 laccase 와 같은 효소를 이용하였고, 물리화학적 방법으로는 이온교환수지와 활성탄을 이용하였다. 또한 무독화 방법의 비교를 통해 저해물질의 종류에 따른 최적의 무독화 방법을 제시하였다.
성능/효과
- 0으로 산계열의 페놀계 화합물인 4-HBA, vanillic acid, coumaric acid, ferulic acid의 경우 이 pH에서는 이온의 형태로 존재하게 되므로 비이온성 수지인 XAD 4는 산계열의 페놀계 화합물에 대해 낮은 제거효율을 보인 것으로 판단된다. 5-HMF와 furfural은 음이온교환수지와 양이온교환수지에 의해서는 약 20% 내외의 낮은 제거효율을 보인 반면, 비이온성수지인 XAD 4에 의해서는 5-HMF 63%, furfural 81%의 높은 제거효율을 보였다. 기존의 연구에 의하면 비이온성수지인 XAD 8이 음이온교환수지나 양이온교환수지에 비해 furan 알데히드의 제거에 탁월하다는 보고가 있다 [11].
- 1에서 보는바와 같이 peroxidase와 laccase 모두 합성 용액 중의 발효저해물질 중 페놀계 화합물에 대해서만 특이적인 제거율을 나타내는 것을 알 수 있다. Peroxidase가 laccase에 비해 조금 더 우수한 특성을 보였는데, peroxidase 가 vanillic acid, p-coumaric acid, ferulic acid, vanillin과 같은 산, 알데히드계 물질에 대해 약 100%의 제거율을 보인 반면, laccase는 vanillin, syringaldehyde와 같은 알데히드계 물질에 대해 80% 내외의 비교적 낮은 제거율을 나타내었다. 특히 4-HBA의 경우 laccase에 의해서는 거의 제거되지 않는 것으로 나타났는데, 이는 이 물질이 본 효소에 대해 매우 낮은 turnover capacity를 갖는 것으로 판단된다 [13].
- 양이온 교환수지도 40%에서 60% 정도의 제거 효율을 나타냈는데, 이는 양이온교환수지와 페놀계 화합물의 방향족간의 결합에 의한 것으로 이온교환 메커니즘과는 다른 기작으로 판단된다. XAD 4의 경우는 페놀계산의 제거율이 50% 미만으로 낮은 반면, 알데히드 계열의 페놀계 화합물인 vanillin, syringaldehyde의 게거율은 95%이상으로 매우 높게 나타났다. 실험에 사용된 합성용액의 pH는 7.
- 또한 알콜연료 생산을 위한 발효미생물들도 발효저해물질들의 독성에 각기 다른 저항성을 보이기 때문에 실제 적용하고자 하는 시스템에 맞는 무독화 전략이 필요하다고 할 수 있다. 본 연구결과에 따르면, 페놀계 화합물이 주된 저해물질이라면 효소를 이용한 무독화 방법이 가장 효율적일 것으로 판단된다. 활성탄과 음이온교환수지도 페놀계 물질의 제거에 좋은 결과를 보였지만, 효소에 비해 재사용의 번거로움과 당손실 등의 단점을 고려하여야 한다.
- 아세트산은 음이온교환수지에 의해 약 85% 제거되었으며, 양이온교환수지와 비이온성수지에 의해서는 거의 제거되지 않았다. 아세트산의 이온화상수는 약 4.
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