Gellan gum과 Xanthan gum의 교반과 흐름특성에 관한 비교 연구

이은미, 정봉우

전북대학교 화학공학부

Comparative Studies on Mixing and Rheological Characterization

of Gellan gum and Xanthan gum

Eun-Mi Lee, Bong-Woo Chung

School of Chemical Engineering and Technology, College of Engineering,

Chonbuk National University, Chonju 561-756, Korea

서론

Gellan gum과 xanthan gum 등의 수용성 생고분자들은 낮은 농도에서도 높은 점성을 나타내는 특성으로 현재 식품 첨가물, 화장품 첨가제, 특수한 화학약품, 의약품 등 다양한 산업적 유용성으로 그 용도가 증대되고 있으나[1][2], 그들의 특성에 대한 연구가 아직 미흡한 실정이다.

본 실험에서는 생물고분자 중 최근 산업적인 응용면에서 큰 관심을 모으고 있는 gellan gum과 xanthan gum의 교반특성과 흐름특성을 알아보고자 한다. 최근 널리 이용되고 있는 교반형 원통 반응기에서 교반특성을 연구하기 위해, 임펠러의 모형 및 크기, 장착위치, 수용액의 농도, aeration에 따른 동력소요와 분산효과를 무차원 수를 사용하여 도식적으로 비교하여 고점성 다당류 배양시 동력학적 정보를 얻는다. Gellan gum과 xanthan gum의 rheology 특성들을 비교하기 위해 고유점도의 pH와 염에 대한 의존성과 chain stiffness 등을 확인하고 steady shear viscosity의 전단력, 시료농도, 온도, 염종류에 대한 의존성을 xanthan gum과 비교 연구함으로써 gellan gum의 산업적 응용을 넓히고자한다.

이론

고유점도는 Huggins equatuion[3]의 외삽법에 의해 계산되었다.

[eqn: rm□ sub sp /C = [□]+K`[□] sup 2 `C]	(1)

여기서

[eqn: rm& □ sub sp = specific~ viscosity ~= ~{viscosity ~~ of ~ solution} over { viscosity ~ ~of ~ solvent } -1 #rm& C= 시료의~농도, ~~[□] = 고유점도,~~K= 상수]

사슬 강성도(chain stiffness)는 Smidsord와 Hung equation[4]에 의해 구한다.

[eqn: rm [□] = A sub 1 + B`[□] sub 0.1 sup 1.3 `C sub s sup -1.2]	(2)

[eqn: rm &A sub 1 = 상수,~~B=chain ~stiffness ~, ~~[□] sub 0.1= 0.1M``KCl에서 ~고유점도, ~~ #rm& C sub s = 염농도]

Overlap parameter(concentration)는 고유점도의 역수 고유점도를 측정함으로써 계산되었다.

[eqn: rm C sub h = 1/[□]]	(3)

여기서

[eqn: rm C sub h = o v e rlap ~parameter, ~~[□] =고유점도]

Yield stress(Y)는 낮은 shear rate data를 이용하여 shear stress를 zero shear rate에 외삽하여 측정된다.

[eqn: rm □=b {dot □} sup 1/2 +Y sup 1/2]	(4)

[eqn: rm &□= shear ~stress, ~~dot □ =shear~ rate, ~~b=비례상수 #rm&Y= yield ~stress]

Pseudopalstic 영역의 shear rate와 shear stress 관계는 power law equation에 의해 분석된다.

[eqn: rm□=Y + b { dot □ } sup s]	(5)

[eqn: rm s=flow ~behavior~i n d e x]

실험방법

사용시료

Gellan gum과 xanthan gum은 각각 Kelco사와 Sigma사 것을 사용하여 교반 특성 및 흐름 특성 실험에 적합한 농도의 수용액을 만들어 사용하였다.

교반특성

발효조에 gellan gum 수용액(1.0∼3.0wt%)과 xanthan gum(1.0wt%)을 넣고 교반 시켰을 때 소요 동력을 측정하기 위해 전류계와 전압계를 교반 모터에 연결하였다. 발효조에 방해판이 부착된 상태로 6-blade disk turbine 2개가 연결된 임펠러 교반 발효조에서 공기를 주입하지 않았을 때와 주입하였을 때(1vvm)를 각각 측정하여 비교하였다. 임펠러 크기와 기울림 각을 변형시켰으며 이에 대한 내용은 Fig. 1과 Table 1에 나타냈다.

흐름특성

고유점도는 calibrated Cannon fenske capillary viscometer를 사용해 시료를 유입한 후 25℃로 유지시키기 위해 항온수조에서 20분간 방치 후 측정하였다. pH와 염농도 의존성에 대한 고유점도는 Huggins 방정식의 외삽법에 의해 계산되었으며 chain stiffness는 Smidsrod와 Hang식에 의해 구했으며, overlap parameter는 고유점도의 역수로서 고유점도를 측정함으로써 계산되었다. 겉보기 점도는 brookfield viscometer RV계 sindle No. 3을 사용하여 10∼200sec-1의 shear rate 범위에서 측정하였다.

결과 및 토론

본 연구에서는 생고분자의 하나인 gellan gum 특성을 알기 위해 교반특성과 흐름특성을 xanthan gum과 비교 고찰하였다.

고점성 다당류 수용액들은 비뉴튼 유체에 속하기 때문에 회전수에 따라 점도가 달라진다. Gellan과 xanthan 수용액의 농도를 변화시켜 회전 속도의 증가에 따른 동력 소모를 측정한 결과 150rpm 이상에서는 농도가 진한 수용액이 오히려 동력소모가 적게 드는 것을 알 수 있었으며, 150rpm 이하의 교반에서는 농도가 진한 용액의 동력소모가 증가하는 경향을 나타냈다. C-90임펠러를 가지고 물, gellan 수용액과 xanthan 수용액의 동력소모를 비교한 결과 150rpm 부근에서 물의 동력 증가율은 일정하나, 고점성다당류 수용액의 경우 xanthan이 gellan에 비해 증가율이 낮음을 보인다. Gellan과 xanthan gum 각 1wt% 수용액을 가지고 임펠러의 각을 기울이면서 포기 동력 소요와 비포기의 동력소요를 비교 측정하면 낮은 교반 속도에서는 거의 일치함을 보이나 기포 분산점의 이동은 각을 기울일수록 높은 rpm에서 나타남을 볼수 있다. 동력소요에 대한 aeration 영향은 기울인 각이 클수록 더 적게 받는 것을 알 수 있었는데(Fig. 2, 3), 그 이유는 임펠러의 아래 부분에 공기 체류량이 많고, 반경 방향 흐름의 폭이 좁고 크기 때문으로 판단된다.

Gellan gum과 xanthan gum의 흐름특성을 비교한 결과 염을 가하지 않았을 때 각각의 고유점도는 pH 7에서 21.2□/g, 43.2□/g으로 가장 높았으며, 염을 첨가한 경우 gellan gum과 xanthan gum은 염의 농도가 증가함에 따라 고유점도가 감소되는 염 의존성을 나타냈다. Gellan gum의 사슬강성도(chain stiffness)는 0.03으로 xanthan gum의 0.05보다 덜 단단한 것으로 나타났으며, 특성(characteristic)농도는 각각 0.47g/□와 0.24g/□였으며 이 이상의 농도에서는 entanglement가 시작된다.

Gellan gum과 xanthan gum은 shear rate가 증가함에 따라 겉보기 점도가 급격히 감소하고 shear stress는 증가하는 pseudoplastic 거동을 나타냈다. Gellan gum의 농도가 증가함에 따라 yield stress와 비례상수는 미소한 증가를 나타냈고, shear index는 7.5g/□까지는 증가했으나 그 이상의 농도에서는 감소하는 특성을 나타냈다. 염의 종류에 대한 gellan gum과 xanthan gum의 의존성을 Fig. 4, 5에 나타냈다.

참고문헌

[1]. P. E. Jansson, B. Lindbreg and P. A. Sandford, structural studies of           Gellan Gum, an Extracellular Polysacchride Elaborated by Pseudomonas       elodea, Carbohydrate, Res., 124, 135∼139, (1983).

[2]. M. A. O'Neill, R. R. Selvendran and V. J. Morris, Structure of the Acidic      Extra Cellular Gelling Polysaccharide produced by Pseucomonas elodea,       Carbohydrate Res., 124, 123∼133(1983).

[3]. W. R. Krigham and P. J. Folory, Polymer Sci., H, 37, (1953).

[4]. O. Smidrod and H. Hang, Biopolymers, 1213, (1971).

Table. 1. Demension sizes of 6-blade disk              turbine impeller in the  Fig.2

Impeller	A (cm)	B (cm)	C (cm)	D (cm)	E (cm)	□ (。)
A - 90	12.25	8.65	3.65	3.00	0.45	90
A - 67	12.25	8.65	3.65	3.00	0.45	67.5
A - 45	12.25	8.65	3.65	3.00	0.45	45
A - 22	12.25	8.65	3.65	3.00	0.45	22.5
B - 90	10.75	7.25	3.00	2.50	0.35	90
B - 67	10.75	7.25	3.00	2.50	0.35	67.5
B - 45	10.75	7.25	3.00	2.50	0.35	45
B - 22	10.75	7.25	3.00	2.50	0.35	22.5
C - 90	8.70	6.10	2.60	2.15	0.27	90
C - 67	8.70	6.10	2.60	2.15	0.27	67.5
C - 45	8.70	6.10	2.60	2.15	0.27	45
C - 22	8.70	6.10	2.60	2.15	0.27	22.5

Fig. 1. 6-blade disk turbine impeller diagram.

Fig. 2  Effect of aeration in the power

consumption with gellan(1 wt.%)

sloutions for various impeller.

Fig. 3  Effect of aeration in the power

consumption with xanthan(1 wt.%)

solution for various impeller.

Fig. 4   Effect of salts on the apparent

viscosity of gellan gum solution

at a shear rate 100 sec-1(5 g/l,

25 ℃).

Fig. 5  Effect of salts on the apparent

viscosity of xanthan gum solution

at a shear rate 100 sec-1 (5 g/l,

25℃).