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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국산재를 알칼리 조건에서 선추출한 후 얻어진 선추출물에 대하여 다양한 용매를 이용하여 헤미셀룰로오스를 분리하고 특성을 평가함으로써 선추출물 내 헤미셀룰로오스 정제에 대한 용매의 영향을 구명하고, 최적 용매 탐색을 위한 기초 연구 자료로 활용하고자 하였다.
가설 설정
- 선추출물 내에는 헤미셀룰로오스와 리그닌만 존재한다는 가정하에 Eq. [2]과 동일한 방법으로 리그닌 회수율을 평가하였고, Fig.
제안 방법
- 정제물 내 리그닌 함량을 평가하기 위하여 황산가수분해를 통해 Klason lignin 함량을 평가하였다. UV spectrophotometer를 이용하여 여과액 내 acid soluble lignin 함량을 평가하였으며 Klason lignin과 acid soluble lignin의 합으로 총 리그닌 함량을 계산하였다.
- 선추출물의 용매 침전 이후 Eq. [1]을 이용하여 선추출물로부터 얻어진 정제물의 수율을 평가하였다.
- 1과 Eq. [3]를 이용하여 선추출물로부터의 헤미셀룰로오스 및 리그닌 총 분리 효율(total separation efficiency, ET)을 계산하였다.
- 선추출을 통해 얻어진 선추출물 내 헤미셀룰로오스로부터 용매 침전을 통해 얻어진 헤미셀룰로오스의 함량을 평가하였다. 침전 이후 검출된 헤미셀룰로오스의 총량을 선추출물 내 헤미셀룰로오스의 함량으로 나누어 백분율로 나타낸 것을 헤미셀룰로오스 회수율 (Recovery efficiency)이라고 정의하였다 (Eq.
- 알칼리 선추출을 통해 얻어진 선추출물을 isopropanol, ethanol, 1,4-dioxane, DMSO 그리고 KOH를 이용하여 침전시켰고, 이 때 얻어진 정제물 내 헤미셀룰로오스 함량을 평가하였다. 선추출물 정제 시 사용되는 용매에 따라 정제물 내 헤미셀룰로오스 및 리그닌 함량이 변화 하였다.
- 1,4-dioxane (4℃) 용액은 원심분리 후 dioxane : water (2:1) 용액으로 맑은 상등액이 나올 때까지 세척하였다. 이후 dioxane, 메탄올, 아세톤 순으로 세척하였고 대기 중에서 건조하였다.
- 에서 알칼리 선추출 시 최대 헤미셀룰로오스 수율을 얻을 수 있었던 조건을 선정하였다. 전건칩 무게 대비 NaOH 12%, 150℃, 90분 조건에서 실험실용 배치 다이제스터를 이용하여 선추출하였고 이때 목재 내 헤미셀룰로오스 함량 대비 선추출물 내 헤미셀룰로오스의 추출 수율은 26%이었다.
- 정제물 내 리그닌 함량을 평가하기 위하여 황산가수분해를 통해 Klason lignin 함량을 평가하였다. UV spectrophotometer를 이용하여 여과액 내 acid soluble lignin 함량을 평가하였으며 Klason lignin과 acid soluble lignin의 합으로 총 리그닌 함량을 계산하였다.
- 정제물 내 헤미셀룰로오스 함량을 평가하기 위해 황산 가수분해를 통해 얻은 여과액을 HPLC (HPLC Spectra System P2000, TSP)를 이용하여 당분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 0%)을 사용하였다. 선추출 이후 선추출물 내 헤미셀룰로오스 침전을 위한 용매로는 1,4-dioxane (99.5%), isopropanol (99.0%), ethyl alcohol (99.9%), DMSO (dimethylsulfoxide, 99.9%), KOH (bead 95.0%)를 사용하였다. 침전 시 pH를 조절하기 위해 아세트산 (99.
- 0%)를 사용하였다. 침전 시 pH를 조절하기 위해 아세트산 (99.5%)과 염산 (1.0 M)을 사용하였다. 침전 후 세척을 위해 메탄올 (99.
- 0 M)을 사용하였다. 침전 후 세척을 위해 메탄올 (99.9%), 아세톤 (99.9%) 그리고 에탄올 (70%)을 사용하였다.
- 헤미셀룰로오스 선추출을 위하여 무림 P&P (주)로부터 제공받은 국산 활엽수 혼합 칩 (Korean mixed hardwood chip)을 공시 칩으로 사용하였다.
- 헤미셀룰로오스 정제를 위한 선추출물을 얻기 위해 Cho의 연구10)에서 알칼리 선추출 시 최대 헤미셀룰로오스 수율을 얻을 수 있었던 조건을 선정하였다. 전건칩 무게 대비 NaOH 12%, 150℃, 90분 조건에서 실험실용 배치 다이제스터를 이용하여 선추출하였고 이때 목재 내 헤미셀룰로오스 함량 대비 선추출물 내 헤미셀룰로오스의 추출 수율은 26%이었다.
- 헤미셀룰로오스 추출을 위한 용매로 수산화나트륨 (bead 98.0%)을 사용하였다. 선추출 이후 선추출물 내 헤미셀룰로오스 침전을 위한 용매로는 1,4-dioxane (99.
성능/효과
- Isopropanol (아세트산) 정제의 경우 낮은 헤미셀룰로 오스 회수율에 비해 상대적으로 높은 리그닌 회수율 때문에 총 분리 효율이 가장 낮았다. 1,4-dioxane (4℃) 정제의 경우 동일한 양의 정제물 내에서 헤미셀룰로오스 함량이 매우 높고 리그닌 함량이 낮았으며 (Fig. 3), 리그닌 회수율이 가장 낮았음에도 불구하고 선추출물로부터의 낮은 헤미셀룰로오스 회수율로 인해 총 분리 효율은 23.5%에 그쳤다. 그러나 비록 총 분리 효율이 가장 낮음에도 불구하고 극히 적은 리그닌 회수율로 인해 정제물 내 헤미셀룰로오스 순도 측면에서는 가장 유리하다가 볼 수 있다.
- 2에 나타내었다. DMSO를 이용하여 선추출물 정제 시 총 전건 선추출물 대비 21.2%로 가장 많은 정제물을 얻을 수 있었고, 1,4-dioxane (80℃), KOH 정제 또한 다른 용매들에 비해 다소 높은 수율을 얻을 수 있었다. 1,4-dioxane (4℃) 을 이용한 정제 시 4.
- 총 분리 효율이 높다는 것은 정제 시 선추출물로부터 헤미셀룰로오스 회수율이 높고 리그닌 회수율은 낮다는 것을 의미한다. KOH를 이용한 정제 시 DMSO에 비해 헤미셀룰로오스 회수율은 약간 낮았지만 상대적으로 낮은 리그닌 회수율로 인해 총 분리 효율이 76.6%로 가장 높았다. Isopropanol (아세트산) 정제의 경우 낮은 헤미셀룰로 오스 회수율에 비해 상대적으로 높은 리그닌 회수율 때문에 총 분리 효율이 가장 낮았다.
- 알칼리 선추출물을 알칼리 및 유기용매를 이용하여 침전시킨 후 정제물의 색을 관찰한 결과 정도의 차이는 있었지만 대부분 황색 및 검은색을 띠었으며, isopropanol (염산)을 이용한 침전물이 상대적으로 가장 밝은 색상을 나타냈다. 겉보기 색상으로는 가장 밝은 isopropanol (염산) 정제물 내의 헤미셀룰로오스 함량이 가장 높을 것으로 예상되었으나, 색이 어두움에도 불구하고 KOH 및 1,4-dioxane (4℃)을 이용한 정제물의 헤미셀룰로오스 함량이 가장 높은 경향을 보였다. 이를 통하여 항상 색상의 밝고 어두움에 비례하여 헤미셀룰로오스 및 리그닌 함량이 증감하는 것은 아니라고 판단된다.
- 반면에 1,4-dioxane (4℃)의 경우 정제물 수율은 낮았지만 헤미셀룰로오스 비율이 높고 리그닌 비율이 낮아 순도가 가장 우수하였으며, DMSO 정제의 경우 높은 정제물수율로 인해 선추출물로부터의 헤미셀룰로오스 회수율이 가장 좋았다. 그러나 총 분리 효율 면에서는 KOH 정제 시 높은 헤미셀룰로오스 회수율과 낮은 리그닌 회수율로 인해 우수하였다. 따라서 선추출물의 용매에 의한 정제 시 목적에 따라 적절한 용매를 이용할 수 있을 것으로 보인다.
- 선추출물 정제 시 사용되는 용매에 따라 정제물 내 헤미셀룰로오스 및 리그닌 함량이 변화 하였다. 동일한 양의 정제물 내에서 헤미셀룰로오스가 차지하는 비율은 KOH 정제 시 가장 높았으나 이와 동시에 리그닌 함량도 상대적으로 높았다. 반면에 1,4-dioxane (4℃)의 경우 정제물 수율은 낮았지만 헤미셀룰로오스 비율이 높고 리그닌 비율이 낮아 순도가 가장 우수하였으며, DMSO 정제의 경우 높은 정제물수율로 인해 선추출물로부터의 헤미셀룰로오스 회수율이 가장 좋았다.
- 0%에 그쳤다. 반면 DMSO를 이용한 정제 시 동일한 양의 정제물 내 헤미셀룰로오스 함량이 1,4-dioxane (4℃) 정제 경우보다 낮았으나 선추출물 대비 정제물 수율이 가장 높았기 때문에 헤미셀룰로오스 회수율이 87.2%로 가장 높았다.
- 동일한 양의 정제물 내에서 헤미셀룰로오스가 차지하는 비율은 KOH 정제 시 가장 높았으나 이와 동시에 리그닌 함량도 상대적으로 높았다. 반면에 1,4-dioxane (4℃)의 경우 정제물 수율은 낮았지만 헤미셀룰로오스 비율이 높고 리그닌 비율이 낮아 순도가 가장 우수하였으며, DMSO 정제의 경우 높은 정제물수율로 인해 선추출물로부터의 헤미셀룰로오스 회수율이 가장 좋았다. 그러나 총 분리 효율 면에서는 KOH 정제 시 높은 헤미셀룰로오스 회수율과 낮은 리그닌 회수율로 인해 우수하였다.
- 알칼리 선추출물을 알칼리 및 유기용매를 이용하여 침전시킨 후 정제물의 색을 관찰한 결과 정도의 차이는 있었지만 대부분 황색 및 검은색을 띠었으며, isopropanol (염산)을 이용한 침전물이 상대적으로 가장 밝은 색상을 나타냈다. 겉보기 색상으로는 가장 밝은 isopropanol (염산) 정제물 내의 헤미셀룰로오스 함량이 가장 높을 것으로 예상되었으나, 색이 어두움에도 불구하고 KOH 및 1,4-dioxane (4℃)을 이용한 정제물의 헤미셀룰로오스 함량이 가장 높은 경향을 보였다.
- 5에 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 회수율과 총 분리 효율을 나타내었다. 앞서 언급한 것처럼 1,4- dioxane (80℃), DMSO와 KOH 정제 시 선추출물로부터의 헤미셀룰로오스 회수율이 매우 높은 경향을 나타냈고, 1,4-dioxane (4℃)을 비롯한 알코올류의 용매를 이용한 정제 시 회수율이 상대적으로 낮은 경향을 보였다. 리그닌 회수율은 최저 1.
- 3에 나타내었다. 정제물 내 헤미셀룰로오스가 차지하는 비율은 KOH와 1,4-dioxane (4℃)을 이용한 정제 시 각각 55.8%, 53.4%로 가장 높 았고, isopropanol (아세트산, 염산)을 이용한 정제 시 11.7%, 26.9%로 낮은 경향을 보였다. Isopropanol의 경우 반응 시 pH를 산성 조건으로 조절하였는데, 산 조건에서 추출물 내 리그닌은 용매에 녹지 않고 침전되는 반면에 헤미셀룰로오스는 분해에 의한 손실이 발생하여 상대적으로 리그닌의 비율이 높고 헤미셀룰로오스 비율은 낮아진 것으로 판단된다.
- KOH 정제 역시 pH를 약산성 조건으로 조절하여 리그닌이 차지하는 비율이 높아졌으나 이후 ethanol 침전 반응을 통해 동시에 헤미셀룰로오스 침전 또한 이루어져 함량이 높아진 것으로 판단된다12). 주목할 점은 1,4-dioxane을 이용한 정제시 정제물 내 리그닌 함량이 1,4-dioxane (4℃)의 경우 16.0%, 1,4-dioxane (80℃)의 경우 22.9%로 다른 용매 조건에 비해 낮은 경향을 보였고 헤미셀룰로오스 비율 역시 각각 53.4%, 43.7%로 매우 높은 경향을 보였다. Dioxane은 헤미셀룰로오스-리그닌 복합체와 반응 시 이들 간의 결합을 끊어 리그닌을 녹여내는 데에 있어서 매우 좋은 용매로 알려져 있기 때문에13,14), 1,4-dioxane 정제 시 헤미셀룰로오스 비율은 높고 리그닌 비율은 낮은 순도 높은 헤미셀룰로오스 정제물을 얻을 수 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 선추출물 내 헤미셀룰로오스 정제 시 사용하는 용매에 따라 헤미셀룰로오스 순도 및 수율에 미치는 영향이 상이하기 때문에 목적에 따라 적절한 용매를 선택하여 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구의 범위에서는 선추출물로부터 헤미셀룰로오스 정제 시 헤미셀룰로오스의 최종 수율이 낮으므로 헤미셀룰로오스의 순도와 수율을 동시에 높일 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 비록 총 분리 효율이 가장 낮음에도 불구하고 극히 적은 리그닌 회수율로 인해 정제물 내 헤미셀룰로오스 순도 측면에서는 가장 유리하다가 볼 수 있다. 따라서 선추출물 내 헤미셀룰로오스 정제 시 사용하는 용매에 따라 헤미셀룰로오스 순도 및 수율에 미치는 영향이 상이하기 때문에 목적에 따라 적절한 용매를 선택하여 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구의 범위에서는 선추출물로부터 헤미셀룰로오스 정제 시 헤미셀룰로오스의 최종 수율이 낮으므로 헤미셀룰로오스의 순도와 수율을 동시에 높일 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- Dioxane은 헤미셀룰로오스-리그닌 복합체와 반응 시 이들 간의 결합을 끊어 리그닌을 녹여내는 데에 있어서 매우 좋은 용매로 알려져 있기 때문에13,14), 1,4-dioxane 정제 시 헤미셀룰로오스 비율은 높고 리그닌 비율은 낮은 순도 높은 헤미셀룰로오스 정제물을 얻을 수 있는 것으로 판단된다. 또한 dioxane 정제 시 정제물 순도 측면에서는 4℃ 조건이 더 유리하지만 선추출물로부터 얻어지는 수율이 매우 낮고, 반면에 80℃ 조건의 경우 순도 면에서는 4℃에 비해 다소 불리하더라도 정제물 수율이 약 3배에 이르기 때문에 목적에 맞는 정제법을 선택하여 사용해야 할 것으로 생각된다. 나머지 경우에서는 약 30% 범위 근처에서 높은 리그닌 함량을 보였다.
- 목재뿐만 아니라 비목재로부터 얻어지는 헤미셀룰로오스는 식품, 제약업 등에서 안정제, 증점제 등2)으로 쓰일 수 있고, 특히 제지 산업에서 제지용 첨가제2,3)로서 적용 가능하다. 추출된 헤미셀룰로오스가 제지용 첨가제로서 활용된다면 펄프 생산성 향상 및 활용성 증대로 인해 펄프 용재로 사용되는 목재 자원 소비량을 감소시킬 수 있고, 펄프 섬유의 강도 향상에도 매우 효과적이며 폐수로 방출될 때에도 환경오염에 미치는 영향이 매우 적어질 것이다.
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