초록 ▼

□ 연구개요
산업적 미래가치를 지닌 고부가 희귀 당류 물질의 대표적 주자라 할 수 있는 푸코오스 (fucose)와 자일로바이오스(xylobiose)의 경제적 생산을 위한 고순도 고효율의 분리정제 공정을 각각 개발한다.
(1) 미세조류의 바이오디젤 원료유 추출 후 폐기되는 잔여물(defatted microalgal waste)을 대상으로 한 푸코오스 연속분리 회수 공정을 개발한다. 이 과정에서 푸코오스의 최적 분리 회수를 위한 simulated moving bed(SMB) 공정을 도입하고 푸코오스의 고순도 및 고수율 보장

□ 연구개요
산업적 미래가치를 지닌 고부가 희귀 당류 물질의 대표적 주자라 할 수 있는 푸코오스 (fucose)와 자일로바이오스(xylobiose)의 경제적 생산을 위한 고순도 고효율의 분리정제 공정을 각각 개발한다.
(1) 미세조류의 바이오디젤 원료유 추출 후 폐기되는 잔여물(defatted microalgal waste)을 대상으로 한 푸코오스 연속분리 회수 공정을 개발한다. 이 과정에서 푸코오스의 최적 분리 회수를 위한 simulated moving bed(SMB) 공정을 도입하고 푸코오스의 고순도 및 고수율 보장을 위한 SMB 설계 및 운전 기술을 확보한다.
(2) 국내 연안에 풍부하게 분포되어 있는 갈조류 또는 푸코이단을 바탕으로 초고순도(>99.5%)의 푸코오스를 생산할 수 있는 고성능 고효율의 공정을 개발한다. 이 과정에서 갈조류 또는 푸코이단에 대한 효과적인 전처리(pretreatment) 기술과 초고순도 확보를 위한 SMB 최적화 노하우를 확보하고 이를 적용한다.
(3) 옥수수심 분말 유래 자일로올리고당으로부터 자일로바이오스만을 초고순도(>99.5%)로 연속분리 회수해낼 수 있는 고성능 고효율의 SMB 공정을 개발한다. 이 과정에서 낮은 selectivity 환경 하에서도 고순도 및 고수율의 유지와 높은 수준의 생산성 및 생산 농도의 달성이 충분히 가능한 맞춤형 SMB 공정설계 기술을 확보하고 이를 적용한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 미세조류 활용 후 폐기 잔여물로부터 유래되는 단당류 혼합물 성분들을 파악하고 이들 중 푸코오스만을 고순도 및 고수율로 연속분리해낼 수 있는 맞춤형 SMB 공정을 최적설계하였으며 이 설계 결과를 SMB 실험을 통해 검증하였다. 또한 SMB 분리 부하의 절감에 적합한 “푸코오스 분리 맞춤형 발효 시스템”을 발굴하였고 이의 활용에 바탕을 둔 푸코오스 분리 SMB 공정(푸코오스-발효산물 간의 연속분리 SMB 공정)을 개발하였다. 이 과정에서 고순도의 푸코오스와 고순도의 발효산물을 동시에 획득할 수 있는 SMB 공정을 최적설계하고 실험적으로 검증하였다.
(2) 갈조류와 푸코이단 기반의 푸코오스 생산 공정 개발을 위해 각각에 대한 당화 및 전처리 과정을 구축하고 그 일련의 과정을 최적화하였다. 이어서 갈조류와 푸코이단의 당화 및 전처리 용액 내 구성 성분을 조사하고 이들 중 푸코오스만을 초고순도로 연속분리해낼 수 있는 SMB 공정을 개발하였다. 개발된 SMB 공정에 대한 검증 실험의 결과 99.9% 이상의 푸코오스 순도 획득을 확인하였다.
(3) 자일로올리고당 원료로부터 자일로바이오스(X2)만을 초고순도로 연속분리해낼 수 있는 SMB 공정을 개발하였다. 이 과정에서 X2 분자의 안정성을 보장해줄 수 있는 흡착제 modification 방법과 낮은 selectivity 환경 하에서도 고순도 및 고수율의 X2 회수를 보장해줄 수 있는 SMB 설계 기술을 확보하여 이를 X2 연속분리 공정의 개발에 적용하였다. 개발된 공정에 대한 검증 실험을 통해 99.5% 이상의 X2 순도를 획득할 수 있었다.
(4) β-xylosidase X1→X2 반응을 기반으로 한 초고순도(>99.9%)의 X2 분리 SMB 공정을 개발하였다. 이 과정에서 초고순도의 X2 생산뿐만 아니라 반응물 원료에 해당되는 X1(xylose)의 고순도 및 고수율 회수(회수된 X1의 반응 재사용을 통해 100%의 X1 전환율 달성에 기여)까지 보장할 수 있는 SMB 최적설계를 수행하였고 이 결과를 실험적으로 검증하였다.
(5) 상기 X2 분리 SMB 공정에 대하여 고순도의 X2 확보와 높은 수준의 X2 product 농도 유지를 보장하는 요건 하에서 X2 생산성을 극대화시킬 수 있는 SMB 최적화 연구를 수행하였다. 이 연구의 결과를 바탕으로 X2 분리 SMB 공정의 최적 수율과 최적의 흡착제 입자크기를 결정하였다.
(6) 연구기간 동안 총 12편의 논문들을 모두 교신저자로 SCI급 저널에 게재하였다. 그 중 11편의 논문들은 학문분야별 IF 상위 10% 저널에 게재되었다.

□ 연구개발결과의 중요성
(1) 본 연구에서는 푸코오스의 원료물질 공급원으로 미세조류 활용 후 폐기되는 잔여물 또는 국내 연안에 분포하고 있는 푸코이단과 갈조류 등을 사용하였기 때문에 본 연구의 개발 결과는 미세조류의 바이오디젤 생산 경제성의 향상에 일조하고 이와 동시에 국내 해양자원의 활용 및 국내 해양 바이오산업 발전에 기여하는 효과가 있을 수 있다.
(2) 연속분리공정 기술의 대표 주자라 할 수 있는 SMB 공정기술이 푸코오스의 분리 및 생산에 적용된 사례가 아직까지 전혀 없었다. 이러한 관점에서 본 연구에서 개발된 “푸코오스의 고순도 연속분리를 위한 맞춤형 SMB 공정”은 푸코오스 생산 관련 연구에 있어 최초의 적용 사례이며 추후 국내 푸코오스 관련 산업의 활성화에 기여할 것이다.
(3) 현재 전 세계적으로 구입 가능한 X2는 아주 미량으로만 생산되고 있으며 그 순도 또한 95% 미만이라는 점들을 고려한다면 본 연구에서 개발된 “고순도(>99.5%) 자일로바이오스의 경제적 규모 생산을 위한 맞춤형 SMB 공정”은 추후 산업적으로 큰 파급 효과를 줄 수 있을 것이다.
(4) 본 연구에서 구축한 X2 분자의 분해 방지를 위한 흡착제 modification 기술과 낮은 selectivity 환경 하에서의 초고순도 확보 SMB 설계 기술은 고순도 요건을 중요시하는 의약품과 정밀화학제품 등의 다른 분리정제공정 설계에서도 충분히 활용 가능할 것이다.
(5) 장내 비피더스균에 대한 높은 선택흡수성으로 인해 건강기능식품 또는 의약품 등의 원료로 활용 가능한 X2는 현재까지 전 세계 어느 곳에서도 경제적 규모의 고순도 생산 공정개발이 이루어지지 않았다. 이러한 점을 고려할 때 본 연구의 개발결과는 국내 X2 관련 새로운 고부가 산업 창출에 기여할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 가. 연구의 필요성 ... 5
• 나. 연구의 최종목표 ... 5
• 다. 연구의 범위 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 22
• 4. 참고문헌 ... 23
• 5. 연구성과 ... 25
• 대표적 연구실적 ... 30
• 끝페이지 ... 45