수식셀룰라아제의 탈묵공정을 이용한 재생지 물성향상에 관한 연구 II

박 진 원, 박 귀 남, 이 병 준*

연세대학교 화학공학과, 신무림 제지(주)*

Improvement of physical properties of the recycled paper

by deinking process with modified cellulase II

Park, J.W., Park, K.N., Lee, B. J.*

Department of Chemical Engineering, Yonsei University,

ShinMooRim Paper Inc.*

서  론

전 세계적으로 주목받고 있는 환경문제의 해결책은 재활용이 주된 방법이라 할 수 있다. 제지 공정에서 사무용 폐지를 탈묵하여 재사용하는 것은 일찍이 실험, 적용되고 있다. 기존의 가성소다와 계면활성제 첨가 방법은 잉크제거 효율이 떨어지고[1,2], 황변 현상을 일으키는 등 물성 저해의 큰 요인이 되고 있다.

이에 효소를 이용한 탈묵현상의 연구가 진행되는 상태이고, 공중합 고분자를 셀룰라아제에 수식시켜서 수식셀룰라아제를 만든 후, 탈묵에 적용하는 방법이 연구 중이다[3]. 수식 셀룰라아제를 사용한 탈묵공정은 그 약품의 투입이 한가지이므로 공정의 단순화를 이룰 수 있고, 고분자를 효소에 붙임으로써 효소의 내열성, 내 pH성을 증강시키고 시간에 따른 활성 저하를 늦출 수 있다. 셀룰라아제를 사용한 공정은 온화한 조건에서 탈묵이 일어나므로, 탈묵후 폐수의 COD도 화학적인 방법보다는 약 25%정도 낮다[4,5]. 특히, 수식 셀룰라아제로 탈묵한 종이의 물성은 여수도, 백감도와 인장강도 등에서 약 20∼30%정도 향상된 결과를 보였으며, 백색도, 인장강도와 잉크입자 제거효율은 기질의 탈묵 공정과 거의 비슷한 수준이었다[6].

본 연구에서는 수식 셀룰라아제의 보조 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 온도, 농도, pH 등의 영향을 규명하였으며, 탈묵효과와 탈묵된 종이의 물성들을 고찰함으로써 보조 계면활성제와 수식 셀룰라아제의 탈묵제로서의 역할을 살펴보았다.

실험방법

(1) 수식셀룰라아제의 제조

본 실험에서는 Aspergillus niger로부터 생산된 셀룰라아제인 Y-NC(Yacult Co, Japan)를 사용하였다. Y-NC의 단백질 함유량과 FPase 활성도는 각각 21.1 %와 0.19 Unit/mg protein이었다. 수식제는 AKM-0530 (Nippon Oil & Fats Co., Japan)을 사용하였는 바, 이는 polyethylene glycol alkylallylether와 maleic acid anhydride의 공중합체로서 분자량은 18,000이었다.

수식반응은 고분자 수식제중의 무수 말레인산과 효소의 아미노기와 결합하는 말레일화 반응(maleylation)에 의한다. 이 수식제는 셀룰라아제와 결합하여 셀룰라아제의 활성을 장시간 유지시킴과 동시에 탈묵 공정 중 floatation 공정에서 거품을 생성시켜 잉크 입자를 제거하는 역할을 한다.

본 연구에서 사용한 수식셀룰라아제는 그 수식율이 58%인 것으로 제조하였으며, 셀룰라아제의 수식 방법은 Kajiuchi와 Park과 같은 방법을 사용하였다[7]. 셀룰라아제의 아미노기는 trinitrobenzene sulfonic acid(TNBS)를 사용하여 측정하였다[8].

(2) 펄핑(pulping) 및 부상(floatation)

본 연구에서 사용한 고지는 white ledger 재질이며 레이저 인쇄, xerography 및 옵셑 등을 비롯한 여러 방법으로 인쇄된 용지이다. 펄핑은 날개가 2개인 1.5 L 용량의 mixer를 사용하였으며, 3000 rpm으로 교반하였다. 펄핑 온도는 50 ℃, 고지의 농도는 5.0 wt%로 하였고, 수식셀룰라아제는 고지의 1.0 wt%가 되도록 첨가하였다. Floatation시에는 직접 교반기를 이용하여 교반하였으며, 공기는 4 L/min으로 공급하였다. Floatation은 3분간 행하였으며, floatation시 고지의 농도는 0.8 wt%로 하였으며, 총 용액의 부피는 6 L였다.

(3) 잉크입자 분포측정

잉크입자 분포측정을 위하여 부상 전과 후 각각을 12.5 □의 여과지(Whatman No. 42)에 걸러 종이를 만들었다. 종이의 농도는 65-70 g/□이었다. 생성된 종이는 광학 현미경으로 40배 확대하여 여러 장소를 촬영한 후 잉크입자의 갯수를 측정하였다. 잉크입자 개수로부터 잉크입자 제거효율(효율)을 구하였으며, 효율의 정의는 다음과 같다.

[eqn: Efficiency~=~1``-``{No.`` of`` ink`` particles`` after`` floatation} over {No.`` of`` ink`` particles`` before`` floatation}]

(4) 종이의 물성

종이의 물성시험을 위한 샘플은 hand sheet machine을 사용하여 목표평량 80 g/m2 으로 수초지를 제조하였다. 백감도와 백색도는 Hunter Lab. Test 기기로 인열강도와 열단장은 Chatillon Tensile Tester로, 여수도는 Canadian Standard Freeness Test를 사용하여 측정하였다. 잉크입자의 측정은 TAPPI 펄프 이물질 측정방법을 사용하였다.

실험 결과 및 고찰

(1) 수식 셀룰라아제의 농도

수식 셀룰라아제의 농도에 따른 잉크입자 제거효율을 살펴보았다(Fig.1). 보조 계면활성제(Triton x-305)를 0.2% 펄핑시에 첨가하고 수식 셀룰라아제의 농도를 변화시킨 결과 농도가 약 0.3% 일 때, 최적인 것으로 나타났다. 이는 수식 셀룰라아제의 농도가 높아짐에 따라 펄핑 슬러리 안에서의 이온 강도가 높아져 거품이 일찍 깨지는 현상이 일어난 것이다.

농도의 변화에 따른 물성값을 기존 탈묵 공정과 수식셀룰라아제만 사용하였을 경우와 비교한 결과(Table 1), 수식 셀룰라아제와 보조 계면활성제를 사용한 수식 셀룰라아제에는 큰 변화가 없었고, 보조 계면활성제를 사용한 경우 기존의 탈묵공정에 비해 인장강도와 백감도가 증가하였고 백색도는 거의 비슷한 정도이었다. 특히, 최적의 수식 셀룰라아제 농도에서는 인장강도가 15%, 백감도가 12%, 백색도가 1% 정도 증가하였다.

2) 보조 계면활성제의 농도

수식 셀룰라아제의 농도를 0.3%로 고정시키고 보조 계면활성제의 농도를 변화시키며 실험을 해본 결과(Fig.1), 보조 계면활성제의 농도가 2.25% 정도일 때 최적이고 더 높은 농도로 첨가하였을 경우 오히려 효율이 떨어졌는데, 이는 보조 게면활성제의 부상능력이 너무 뛰어나 미세한 섬유를 많이 끌고 올라오기 때문이다.

보조 계면 활성제가 종이의 물성에 미치는 영향은(Fig 2) 백감도의 경우 수식 셀룰라아제의 농도 변화일 때와 같은 경향을 나타내었지만 인장강도의 경우 반대현상을 나타내었다. 이는 보조 계면활성제의 농도가 작을 때는 수식 셀룰라아제에 의한 영향으로 인장강도가 높다가, 보조 계면활성제가 최적의 영향을 나타낼 때에는 인장강도가 최저의 값을 나타냄으로써 보조 계면활성제의 첨가가 잉크 입자의 제거를 도와주지만, 강도에는 저해 요인인 것으로 나타났다.

	Blank	수식 효소	수식효소 + 보조계면활성제
			0	0.1	0.2	0.3	0.4
백색도(%)	75.5	76.5	76.4	76.1	75.8	76.6	76.2
백감도(%)	66.6	75.6	74.3	73.3	72.3	74.7	74.9
인장강도(□/□)	4.14	4.91	4.37	4.52	4.70	4.79	4.54
제거효율	85	84	71.7	80.6	86.2	88.1	87.8

Fig. 1. Effect of modified cellulase concentration	Table. 1. Effect of M-cellulase concentration         on ink particle removal efficiency.	on physical properties.

Fig. 2. Effect of modified cellulase concentration	Fig. 3. Effect of cosurfactant concentration          on physical properties of the product.               on physical properties of the product.

(3) 온도의 영향

펄핑 온도에 따른 잉크입자의 제거 효율을 실험하여 본 결과(Fig.4), 효소의 최대 활성온도인 50℃에서 최적의 효과가 나타났고, 이는 아직도 효소의 반응온도가 중요하다는 것을 나타내주는 것이다.

온도에 따른 물성은 거의가 같은 경향을 나타내고 있다(Fig.5). 백색도, 백감도, 인장강도 등이 모두 40∼50℃에서 최적을 나타내고 있다.

(4) pH의 영향

잉크입자 제거효율을 최대로 할 수 있는 공정 조건에 pH의 변화를 실험하여 보았다(Fig.6).

효소의 최대 활성 pH인 5에서의 잉크입자 제거효율이 크게 증가하여 보조 계면활성제 사용할 때 거품생성능력 향상으로 펄핑조건이 수식 셀룰라아제의 최대 조건으로 가까워짐을 알 수 있었으나, 아직은 pH를 조절하지 않은 7.7에서의 탈묵 능력이 더욱 뛰어났고, 용액의 이온강도가 거품생성 저하에 큰 영향을 미치는 것이 나타났다.

종이의 물성은 역시 같은 경향을 나타내었고(Fig.7), 최적의 공정 조건에서 인장강도는 15%, 백감도는 10%, 백색도는 1.5% 정도의 향상을 보였으나, 이 모든 값이 효소의 최대 조건인 pH 5의 값보다 낮거나 동일한 값을 나타내고 있어, 보조 계면활성제의 거품 생성능력이 뛰어날수록 모든 공정 조건은 효소반응의 최적 조건으로 옮겨갈 수도 있다는 예측을 하게 해준다.

Fig. 4. Effect of pulping temperature on	Fig. 5. Effect of pulping temperature on             ink particle removal efficiency.	physical properties of the product.

Fig. 6. Effect of pulping pH on ink	Fig. 7. Effect of pulping pH on physical

particle removal efficiency.	properties of the product.

참고문헌

1. Vidotti, R.M., Johnson, D.A., and Thompson, E.V.: TAPPI Pulping

Conference Proceedings, TAPPI PRESS, Atlanta, 643(1992).

2. Jeffries, T.W., Klungness, J.H., Sykes, M.S., and Rutledge-Cropsey, K.R.:

TAPPI J. 77(4), 173(1994).

3. 박귀남,오준택,박진원,김중현: 공중합 고분자 수식 셀룰라아제를 이용한 폐지의 탈묵에 관한 연구, 한국화학공학회, 2(1), 733(1996)

4. Kim, T., Ow,S., and Eom, T.: TAPPI Pulping Conference Proceedings,  TAPPI PRESS, Atlanta, 1023(1991).

5. Zeyer, C, Joyce, T.W. Heitmann, J.A., and Rucker: Tappi J., 77(10),

169(1994).

6. 박진원,박귀남,오준택,김중현: 수식셀룰라아제의 탈묵공정을 이용한 재생지 물성향상에 관한 연구, 한국화학공학회, 2(2), 1943(1996)

7. Kajiuchi, T. and Park, J.W., J.: Chem. Eng. Japan, 25(2), 202(1992).

8. Habeeb,A.F.S.F.:Anal.Biochem., 14, 328(1966).