초록 ▼

□ 연구개요
갈락토올리고당(galactooligosaccharides, 이하 “GOS”) 원료혼합물로부터 프리바이오틱스 성분 전체 또는 고성능 프리바이오틱스 성분만을 고순도(high purity) 및 고수율(high yield)로 대량 회수해낼 수 있는 고효율의 GOS 분리공정을 개발한다. (1) GOS 프리바이오틱스의 고순도 대량 연속회수에 최적화된 “맞춤형 simulated moving bed(SMB) 공정 시스템”을 개발하고 이에 대한 실험적 검증을 완료한다. 이를 위해 우선적으로 GOS 프리바이오틱스와 non-prebi

□ 연구개요
갈락토올리고당(galactooligosaccharides, 이하 “GOS”) 원료혼합물로부터 프리바이오틱스 성분 전체 또는 고성능 프리바이오틱스 성분만을 고순도(high purity) 및 고수율(high yield)로 대량 회수해낼 수 있는 고효율의 GOS 분리공정을 개발한다. (1) GOS 프리바이오틱스의 고순도 대량 연속회수에 최적화된 “맞춤형 simulated moving bed(SMB) 공정 시스템”을 개발하고 이에 대한 실험적 검증을 완료한다. 이를 위해 우선적으로 GOS 프리바이오틱스와 non-prebiotics 간의 분리선택도가 우수한 흡착제 및 운용조건을 확립하고 이를 바탕으로 GOS 혼합물 각 성분들에 대한 기초파라미터를 결정한다. 이 결과를 바탕으로 GOS 분리 SMB 공정을 최적설계하고 이에 부합되는 공정 장치를 제작한 후 검증실험을 수행한다. (2) 상기 언급한 GOS-SMB 공정의 흡착제상에서 프리바이오틱스 성분이 non-prebiotics 성분들로 분해되는 현상(G_n(n≥3) → glucose, galactose)을 방지할 수 있는 흡착제 modification 방법을 확보하고 이를 적용한다. (3)분리대상 성분 수의 증가와 낮은 분리선택도 환경 하에서도 목표성분에 대한 고순도확보가 충분히 가능한 “맞춤형 SMB 공정설계 기술”과 “맞춤형 SMB 장치 하드웨어 구성 방안”을 확보하고 이를 GOS 프리바이오틱스 전체(G_3-8)와 고성능 프리바이오틱스성분으로 예상되는 G₃(galactotriose)의 고순도 대량회수 분리공정 개발에 적용한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
GOS 원료혼합물 내 프리바이오틱스와 non-prebiotics 간의 분리 및 프리바이오틱스내 고성능 프리바이오틱스(G₃)의 회수에 적합한 흡착제를 선정하였고 이 흡착제의 최적 이온형과 운용 온도는 각각 K⁺형과 65°C임을 규명하였다. 선정된 흡착제 및 운용조건 하에서 GOS 구성성분 각각에 대한 이동현상을 규명하고 기초파라미터를 결정 및 검증하였다. 검증된 기초파라미터를 바탕으로 “GOS 원료혼합물 내 프리바이오틱스와 G₃의 고순도 및 고수율 연속회수를 위한 SMB 공정 (GOS-SMB)”의 최적 구조 및 운전조건을 결정하였다. 이 과정에서 유전자알고리즘과 컬럼모델에 기초한 SMB 최적화 도구를 구성하고 활용하였다. 최적설계된 GOS-SMB 공정에 대한 시뮬레이션 결과 GOS 각 성분 solute band의 front와 rear 부분이 SMB의 지정된 세부영역(zone) 내에서 효과적으로 통제됨을 확인하였다. 이론적 검증이 완료된 GOS-SMB에 대한 실험적 검증을 위해 관련 공정장치를 제작하였다. 제작된 장치와 최적설계 결과를 바탕으로 GOS-SMB에 대한 검증 실험을 수행하였다. 실험 결과 프리바이오틱스는 99.5% 이상의 순도와 99.9% 이상의 수율로 연속 회수되었으며, G₃ 성분은 98.9%의 순도와 92.7%의 수율로 연속 회수되었다. GOS-SMB의 스케일업 및 경제성 향상을 위한 SMB 포괄 최적화를 수행하고 이를 통해 GOS-SMB의 시스템 파라미터 전반에 대한 포괄 최적화를 수행하였다. 이 과정에서 tandem SMB 모드 대상의 새로운 최적화 전략을 개발하고 반영하였으며 더 나아가 생산성 극대화와 용매사용량 최소화의 동시 추구를 위한 다중목적함수 최적화를 수행하고 그 결과를 확보하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 개발된 GOS-SMB 공정은 고순도 프리바이오틱스 생산성의 향상과 관련 시장의 확대를 추진하고 있는 산업 영역에서 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. 특히 고성능프리바이오틱스 성분으로 알려진 G₃의 고순도 대량생산이 가능하게 된다면 의약품과 건강기능식품의 산업분야 등에서 상당한 활용 가치를 발생시킬 수 있을 것이다. 그러나 현재까지 G₃만을 고순도로 대량생산한 전례가 없었기 때문에 G₃에 대한 임상시험 자체가 불가능하였다. 이러한 관점에서 볼 때 본 연구에서 개발된 “GOS 내 G₃의 고순도 및 고수율 회수를 위한 맞춤형 SMB 공정”은 고순도 G₃에 대한 체계적인 프리바이오틱스 임상시험 연구를 가능하게 하고 더 나아가 고성능 프리바이오틱스에 대한 대량생산 시스템의 구축과 산업화를 앞당기게 할 수 있을 것이다. 한편 본 연구의 GOS-SMB 개발 과정에서 구축된 “고순도 확보 맞춤형 SMB 설계 기술”과 “고순도 확보 맞춤형 SMB 장치 조립 방안”은 고순도 조건을 상시 요구하고 있는 의약품과 정밀화학제품 등의 다른 분리정제공정 개발에서도 충분히 활용 가능할 것이다. 더 나아가 본 연구에서 제작된 SMB 포괄 최적화 전산도구 및 이에 포함된 tandem SMB 대상의 새로운 최적화 전략 기법은 다른 고부가 제품 대상의 분리공정들에 대한 스케일업 및 경제성 향상에 상당한 도움을 줄 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 자체점검표 ... 15
• 7. 참고문헌 ... 15
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 19
• 끝페이지 ... 34