지방산 생산을 위한 돈지의 아임계수 가수분해 공정을 최적화하기 위하여 17-run 중심합성법(central composite design)에 기초한 반응표면법(response surface methodology)이 사용되었다. 반응 온도, 오일 대비 물의 몰 비, 반응 시간과 같은 변수 및 이들의 상관관계가 지방산 함량에 미치는 영향을 조사하였으며, 지방산 함량을 예측하기 위하여 2차 다항 회귀방정식이 제안되었다. 최대 지방산 함량을 얻을 수 있는 반응 조건은 $288.5^{\circ}C$, 39.5몰 비, 29.5분이었으며, 이 조건에서의 예측 및 실제 지방산 함량은 각각 97.06% 및 96.99%였다.
지방산 생산을 위한 돈지의 아임계수 가수분해 공정을 최적화하기 위하여 17-run 중심합성법(central composite design)에 기초한 반응표면법(response surface methodology)이 사용되었다. 반응 온도, 오일 대비 물의 몰 비, 반응 시간과 같은 변수 및 이들의 상관관계가 지방산 함량에 미치는 영향을 조사하였으며, 지방산 함량을 예측하기 위하여 2차 다항 회귀방정식이 제안되었다. 최대 지방산 함량을 얻을 수 있는 반응 조건은 $288.5^{\circ}C$, 39.5몰 비, 29.5분이었으며, 이 조건에서의 예측 및 실제 지방산 함량은 각각 97.06% 및 96.99%였다.
Response surface methodology (RSM) in combination with a 17-run central composite design (CCD) was applied to optimize the non-catalytic hydrolysis of lard using subcritical water to produce fatty acids (FA). The effects of three variables including temperature, molar ratio of water to oil and time,...
Response surface methodology (RSM) in combination with a 17-run central composite design (CCD) was applied to optimize the non-catalytic hydrolysis of lard using subcritical water to produce fatty acids (FA). The effects of three variables including temperature, molar ratio of water to oil and time, and their relationship on FA content were investigated. A quadratic regression model was employed to predict the FA contents. Optimum reaction conditions for maximizing the FA content were obtained as follows: reaction temperature of $288.5^{\circ}C$, molar ratio of water to oil of 39.5 and reaction time of 29.5 min. Under the optimum conditions, the predicted and experimentally obtained FA contents were 97.06% and 96.99%, respectively.
Response surface methodology (RSM) in combination with a 17-run central composite design (CCD) was applied to optimize the non-catalytic hydrolysis of lard using subcritical water to produce fatty acids (FA). The effects of three variables including temperature, molar ratio of water to oil and time, and their relationship on FA content were investigated. A quadratic regression model was employed to predict the FA contents. Optimum reaction conditions for maximizing the FA content were obtained as follows: reaction temperature of $288.5^{\circ}C$, molar ratio of water to oil of 39.5 and reaction time of 29.5 min. Under the optimum conditions, the predicted and experimentally obtained FA contents were 97.06% and 96.99%, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 아임계수를 이용한 폐 돈지로부터 지방산 생산의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 정제 돈지의 아임계수 부촉매 가수분해를 수행하였다. 또한, 최적 공정조건을 결정하기 위하여 통계적 실험설계법을 사용하였다.
본 연구에서는 지방산 생산을 위한 돈지의 아임계수 가수분해의 최적화를 수행하였다. 중심합성법에 기초한 반응표면 법을 이용하여 지방산 생산을 최대화하는 공정조건을 예측하였다.
제안 방법
1에 나타내었다. SUS316 재질의 25 ml 반응기를 사용하였으며, 전기로(electric furnace)와 PID 온도조절장치를 이용하여 반응온도를 조절하였다. 압력 게이지와 K-type thermocouple이 반응 압력 및 온도를 측정하는 데 사용되었으며 마그네틱 바를 이용하여 교반을 하였다.
아임계수를 이용한 가수분해공정의 최적화를 위하여 반응표면 법을 이용하며, 실험계획은 중심합성법을 사용하였다. 무 촉매 가수분해 공정에 영향을 미치는 중요한 독립변수로는 온도, 기름에 대한 물의 몰비, 시간을 선정하였으며, 그에 해당하는 수준(level)을 Table 1에나 타내었다. 5수준 3인자 CCD와 실험에 의한 반응 값을 Table 2에나 타내었다.
반응이 진행되는 동안 500rpm의 속도로 교반 효과를 주었고 원하는 반응 조건에 도달하면 미리 정한 반응시간까지 반응을 진행한 후 냉각 수조에 담금으로써 반응을 종결시켰다. 반응 후 얻어진 액상을 회전식 감압증발기를 통하여 90℃, 20분 간물을 제거하였으며, 원심분리기를 이용하여 글리세린을 분리한 후 상층 시료에 포함된 지방산의 함량을 분석하였다.
참고로 기존의 전통적인 실험법인 1회 일인자(one factor at a time) 방법은 다른 변수들은 고정한 채 오직 하나의 변수만을 변화시키는 실험방법으로서 복잡한 공정에서 중요한 인자 간의 상호작용을 고려하지 못하고, 실험영역 전체를 균형 있게 판단하지 못하기 때문에 국지 최적점을 찾게 되는 문제점이 있다. 본 논문에서는 반응표면 법(response surface methodology)을 이용하여 반응에 영향을 미치는 변수들의 영향 및 상호작용을 알아보았으며, 지방산 함량을 최대화하는 최적 공정조건을 통계적으로 예측하였다.
2 µm film thickness)이 장착된 GC(Agilent, HP-6890)를 이용하여 분석하였다. 부산물로 얻어진 글리세린은 FT-IR(800 FT-IR,Varian Inc.)을 이용하여 분석하였다.
SUS316 재질의 25 ml 반응기를 사용하였으며, 전기로(electric furnace)와 PID 온도조절장치를 이용하여 반응온도를 조절하였다. 압력 게이지와 K-type thermocouple이 반응 압력 및 온도를 측정하는 데 사용되었으며 마그네틱 바를 이용하여 교반을 하였다.
에스터화 시, 약 400mg의 지방산과 4 mL의 BF3-methanol를 80℃에서 2시간 반응시켰으며, 이후 얻어진 지방산 메틸에스터를 FID와 모세관 컬럼(Agilent, HP-88, 100 m length,0.25 mm I.D., 0.2 µm film thickness)이 장착된 GC(Agilent, HP-6890)를 이용하여 분석하였다.
예측된 모델의 유효성을 증명하기 위하여, 결정된 최적 공정조건에서 3번의 반복실험을 수행하였다. 그 결과 얻어진 지방산의 평균함량은 96.
본 연구에서는 지방산 생산을 위한 돈지의 아임계수 가수분해의 최적화를 수행하였다. 중심합성법에 기초한 반응표면 법을 이용하여 지방산 생산을 최대화하는 공정조건을 예측하였다. 최적 공정조건은 288.
지방산 조성을 확인하기 위하여 가수분해 후 얻어진 지방산을 BF3-methanol 이용하여 에스터화시킨 후 기체크로마토그래피(GC) 분석을 수행하였다. 에스터화 시, 약 400mg의 지방산과 4 mL의 BF3-methanol를 80℃에서 2시간 반응시켰으며, 이후 얻어진 지방산 메틸에스터를 FID와 모세관 컬럼(Agilent, HP-88, 100 m length,0.
지방산 함량을 최대화하는 각 변수의 범위를 구하기 위해 Minicab 을이 용하여 지방산 함량의 profile을 계산하였다. 아임계수를 이용한 무 촉매 가수분해 반응의 최적 공정은 X1이 0.
최적 공정조건에서 얻어진 반응물의 품질을 확인하기 위하여, 지방산과 글리세린을 각각 GC와 FT-IR을 이용하여 분석하였고, 그 결과를 각각 Fig. 3과 4에 나타내었다. Fig.
대상 데이터
반응 후 얻어진 지방산의 함량을 분석하기 위하여 analytical grade의 수산화칼륨, 다이에틸 아세테이트, 에탄올, 페놀프탈레인을 사용하였다. BF3-methanol(33040-U, Sigma-Aldrich Co.,Ltd.)이 지방산을 에스터화하는 데 사용되었으며, FAME mixture(47885-U, Sigma-Aldrich Co., Ltd.)를 GC분석 시 표준물질로 이용하였다.
9% others) 및 탈염수를 가수분해 실험에서의 원료 물질 및 반응매개체로 사용하였다. 반응 후 얻어진 지방산의 함량을 분석하기 위하여 analytical grade의 수산화칼륨, 다이에틸 아세테이트, 에탄올, 페놀프탈레인을 사용하였다. BF3-methanol(33040-U, Sigma-Aldrich Co.
본연구에서는 정제 돈 지(지방산 조성 1.8% myristic acid, 24.7% palmiticacid, 2.5% palmitoleic acid, 0.2% heptadecanoic acid, 12.1% stearicacid, 44.4% oleic acid, 11.9% linoleic acid, 1.5% α-linolenic acid,0.9% others) 및 탈염수를 가수분해 실험에서의 원료 물질 및 반응매개체로 사용하였다.
데이터처리
는 변수를 나타낸다. 2차 다항 회귀모형의 적합성(goodness of fit)은 결정계수(R2)와 분산분석(ANOVA) 때문에 평가되었다. p-value는 각 독립변수항과 변수 간의 상호작용 항의 적합성 및 유의성(significance)을 평가하는 기준으로 사용되었다.
본 연구에서는 아임계수를 이용한 폐 돈지로부터 지방산 생산의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 정제 돈지의 아임계수 부촉매 가수분해를 수행하였다. 또한, 최적 공정조건을 결정하기 위하여 통계적 실험설계법을 사용하였다. 참고로 기존의 전통적인 실험법인 1회 일인자(one factor at a time) 방법은 다른 변수들은 고정한 채 오직 하나의 변수만을 변화시키는 실험방법으로서 복잡한 공정에서 중요한 인자 간의 상호작용을 고려하지 못하고, 실험영역 전체를 균형 있게 판단하지 못하기 때문에 국지 최적점을 찾게 되는 문제점이 있다.
5수준 3인자 CCD와 실험에 의한 반응 값을 Table 2에나 타내었다. 실험은 무작위화의 원칙을 준수하였으며, 중심점(centerpoint)을 제외한 모든 실험은 3회 실험한 후 평균값을 사용하였다. 실험의 재현성을 확인하기 위하여, 3개의 중심점을 설정하였다.
이론/모형
돈지와 물의 양은 중심합성법(central composite design) 에 의하여 설계된 실험조건에 따라 몰 비를 계산하여 사용하였다. 계산된 양을 반응기에 넣은 뒤 아르곤 가스로 퍼징(purging)하였다.
혐의 재현성을 확인하기 위하여, 3개의 중심점을 설정하였다. 반응 값과 독립변수들 사이의 상관관계를 확인하기 위하여, 2차 다항회귀모형(quadratic polynomial regression model) 을 사용하였고 최소자승법(least square fitting technique)에 의하여 얻어지는 다항식의 계수를 추정하기 위하여 Minitab Release 14 software(Minitab Inc.)을 사용하였다. 일반적인 2차 다항회귀식을 식 (2)에 나타내었다.
반응 후 얻어진 반응물의 지방산 함량을 분석하기 위하여 수산화칼륨 용액을 이용한 적정법을 사용하였다. 한국산업표준 KS H ISO660 [22]에 따라 올레산을 기초로 유리지방산의 함량을 계산하였으며, 이때 사용된 계산식을 식(1)에 나타내었다.
아임계수를 이용한 가수분해공정의 최적화를 위하여 반응표면 법을 이용하며, 실험계획은 중심합성법을 사용하였다. 무 촉매 가수분해 공정에 영향을 미치는 중요한 독립변수로는 온도, 기름에 대한 물의 몰비, 시간을 선정하였으며, 그에 해당하는 수준(level)을 Table 1에나 타내었다.
반응 후 얻어진 반응물의 지방산 함량을 분석하기 위하여 수산화칼륨 용액을 이용한 적정법을 사용하였다. 한국산업표준 KS H ISO660 [22]에 따라 올레산을 기초로 유리지방산의 함량을 계산하였으며, 이때 사용된 계산식을 식(1)에 나타내었다.
성능/효과
예측된 모델의 유효성을 증명하기 위하여, 결정된 최적 공정조건에서 3번의 반복실험을 수행하였다. 그 결과 얻어진 지방산의 평균함량은 96.99%였으며, 이 값은 반응표면모델에 의해 예측된 지방산 함량과 거의 일치하였다.
반응온도 280℃에서, 몰 비는 시간 레벨 0 이하에서 지방산 함량에 거의 영향을 미치지 않았다. 시간이 증가함에 따라 지방산 함량은 증가하였으며 시간 레벨 1과 몰비 레벨 -1 부근에서 최대 함량을 나타내었다.
CCD에 의하여 설계된 중심점을 포함한 17번의 실험이 수행되었으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험조건에 따라 반응 값은 다양했으며 지방산의 함량 범위는 18.14에서 94.97%였다. Table 3은 Minicab에 의하여 얻어진 다항식의 계수와 각 계수에 해당하는 ANOVA 분석을 나타낸다.
온도가 증가함에 따라 지방산 함량이 증가하였지만, 온도 레벨 0 이하에서는 몰 비의 영향이 거의 없었다. 온도 레벨 0 이상에서는, 몰 비가 증가함에 따라 지방산 함량이 증가하였으며, 어느 이상의 몰비에서는 지방산 함량이 오히려 감소하였다. 이 감소는 가수분해 반응에서 산 촉매로 작용할 수 있는 지방산이 물의 양이 많아짐에 따라 촉매로서 기여도가 감소했기 때문이라 사료된다[2].
그림에 보이는 바와 같이 온도와 시간은 지방산 함량에 상당한 영향을 주었다. 온도와 시간이 증가함에 따라 지방산 함량은 약 97%까지 증가하였으며 두 변수의 레벨 약 1 부근에서 최대 함량을 나타내었다. 온도와 시간 레벨 1 이상에서는 지방산 함량이 오히려 감소하였다.
중심합성법에 기초한 반응표면 법을 이용하여 지방산 생산을 최대화하는 공정조건을 예측하였다. 최적 공정조건은 288.5℃, 39.5 몰 비(물/오일), 29.5분이었으며, 이 조건에서의 예측 및 실제 지방산 함량은 각각 97.06% 및 96.99%로 거의 차이가 나지 않음을 알 수 있었다. 본 연구결과는 아임계수 가수분해를 통하여 돈지로부터 지방산을 환경친화적이며 효율적으로 생산하기에 유용한 정보를 제공하리라 사료된다.
후속연구
99%로 거의 차이가 나지 않음을 알 수 있었다. 본 연구결과는 아임계수 가수분해를 통하여 돈지로부터 지방산을 환경친화적이며 효율적으로 생산하기에 유용한 정보를 제공하리라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지방산이란?
지방산은 대표적인 함유화합물(oleochemical)로서 동·식물성유지의 가수분해를 통하여 쉽게 제조된다. 이 물질은 비누, 계면활성제, 윤활제, 가소제, 페인트, 제약의 주된 구성성분이며[1], 최근에는 바이오디젤[2-7]이나 탄화수소연료(diesel-like fuel)[8-10]의 원료 물질로도 사용된다.
가수분해 반응은 어떻게 수행되는가?
가수분해 반응은 가열된 증기를 이용한 기-액 또는 액-액 반응같이 열적으로 수행될 수 있다. 아임계상태(압력: 10~20MPa, 온도:270~350℃)의 물은 상온 상압의 물에 비하여 독특한 특성을 가지고 있다.
지방산은 무엇의 주된 구성성분인가?
지방산은 대표적인 함유화합물(oleochemical)로서 동·식물성유지의 가수분해를 통하여 쉽게 제조된다. 이 물질은 비누, 계면활성제, 윤활제, 가소제, 페인트, 제약의 주된 구성성분이며[1], 최근에는 바이오디젤[2-7]이나 탄화수소연료(diesel-like fuel)[8-10]의 원료 물질로도 사용된다.
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