폐 신문지의 효소가수분해율을 향상시키기 위한

비이온 계면활성제를 첨가한 전처리

전진원, 김현주, 김성배*

경상대학교 응용화학공학부

sb_kim@nongae.gsnu.ac.kr

Pretreatment with Nonioic Surfactant for Improving in

Enzymatic Digestibility of Used Newspaper

Jin-Won Chun, Hyun-Joo Kim, Sung Bae Kim*

Division of Applied Chemical Engineering, Gyeongsang National University

sb_kim@nongae.gsnu.ac.kr

서론

폐 신문지는 바이오 에탄올을 얻을 수 있는 재생 가능한 에너지원 중의 하나이다.[1] 이러한 에탄올을 얻는 과정 중 효소가수분해 단계가 가장 비용이 높고 효율이 낮아 실용화의 어려움을 주고 있다. 이는 효소의 가격이 비싸고, 구조적으로 효소가 cellulose에 접근하기 어렵기 때문이다.[2,3] 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 가수분해하기 전 기질의 전처리가 필요하다. 신문지는 목질계, 초본계 바이오 매스와는 달리 종이가 생산되는 과정 중 리그닌이 많이 제거된 기질이다. 따라서 기존의 전처리 방법만으로는 당화율을 상승시킬 수 없다. 또 신문지 표면에 잉크가 인쇄, 건조되면서 기질과 물리, 화학적으로 결합하여 가수분해를 방해하고 있다. 따라서 신문지의 가수분해율을 상승시키기 위해서는 좀 더 효과적인 전처리방법이 필요로 하다. Todor Nikolov 등[4]은 제지공정에서 나오는 폐 cellulose fibers에 효소의 접근을 용이하게 하기 위해서는 장해물인 접착물질을 제거하는 것이 가장 큰 문제라고 했으며, 이를 위해 묽은 인산으로 전처리 했다. Moon 등[5]은 신문지 표면의 잉크의 효과적인 제거가 가수분해율을 상승시키는 요인이라 하여 신문지를 묽은 암모니아-과산화수소 용액으로 전처리해서 당화율을 높였다. 따라서 본 연구에서는 암모니아-과산화수소를 사용한 전처리 방법에 비이온 계면활성제를 첨가하여 계면활성제가 당화율에 미치는 영향을 조사하였다. 계면활성제는 PEG nonyl phenyl ether를 사용하였고 전처리 후 기질의 상태와 가수분해 후 효소가수분해율을 비교해 봄으로써 당화율 상승에 미치는 영향을 알아보았다. PEG nonylphenyl ether는 탈묵공정에서 많이 사용되는 비이온 계면활성제로써 강력한 분산제 역할을 하며, 잉크 입자가 친수성을 띠는 것을 촉진시켜주어 적은 농도로도 탈묵 효과가 좋은 것으로 알려져 있다.[6]

실험 재료 및 방법

1. 시료

시료는 신경남 일보, 매일 경제 등을 5×5mm 크기로 각 각 잘라 혼합하여 사용하였다. 시료의 성분 분석은 NREL Standard Procedure #001∼#003, #005에 따라 시행하였으며, 기질 g 당 시료의 조성은 glucan 56.2wt%, xylan+mannan+glactan(XMG) 13.9wt%, klason lignin 15.0wt%, ash 7.4wt% 그리고 수분 함량은 6.8%였다.

2. 전처리

전처리 용액으로는 4%암모니아-2%과산화수소 수용액을 사용하였고, 여기에 비이온 계면활성제를 첨가해 주었다. 전처리는 500mL autoclave 용기에 기질 5g을 넣고 여기에 고체와 액체의 비율이 1:20이 되도록 전처리 용액을 100g 넣어주었다. 첨가되는 비이온 계면활성제는 NP series(Polyethylene Glycol Mono-4-nonylphenyl Ether, TCI, Japan)로 각각 다른 hydrophile-lipophile balance(HLB)를 가지는 것을 수분을 함유한 기질에 대해 0.1∼1.5wt%의 양으로 농도를 다르게 하여 넣어주었다. 전처리에 첨가되는 계면활성제는 매우 소량이므로 미리 100g의 물에 용해를 시킨 후 전처리 용액에 첨가하였다. 전처리는 40℃, 130 strokes/min의 조건의 진탕 항온 수조에서 3시간 동안 실시하였다.

3. 효소가수분해 및 분석

효소를 이용하여 가수분해하는 당화반응은 NREL standard procedure #009에 따라 수행하였다. 효소는 상업용 cellulase와 □-glucosidase 인 Celluclast 1.5L과 Novozym 188(Novo Nordic, Bagavaerd Denmark)를 사용하였고, 가수분해 반응 중 생성되는 cellobiose의 저해 작용을 최소화하기 위해 cellulase와 □-glucosidase를 4:1의 부피비로 첨가 해 주었다. 가수분해 용액은 250 mL의 플라스크에 0.5g glucan에 해당하는 기질을 넣고 여기에 buffer, 효소 그리고 증류수를 포함하여 전체 부피를 50 mL로 하였다. Buffer는 0.05M, pH 4.8이 되는 citrate buffer를 만들어 사용하였고, 효소는 60 IFPU/g glucan에 해당하는 양을 첨가해 주었다. 가수분해 반응은 총 72시간 동안 90 strokes/min로 실시하였다. 가수분해가 진행되는 동안 glucose의 양을 측정하기 위해 매 24시간마다 1.5 mL씩 시료를 채취하였다. 당 성분 분석은 Bio-Rad Aminex HPX-87H column (condition : 0.6mL/min, 65℃, 0.005M H2SO4)이 연결되어있는 HPLC로 수행하였고, 그 결과로부터 효소가수분해율을 계산하였다.

결과 및 토론

1. 적절한 HLB 값의 비이온 계면활성제 결정

HLB(hydrophilie-lipophilie balance)라는 것은 계면활성제 분자 중에서 친유성인 부분과 친수성인 부분의 균형을 나타내는 수치를 말한다. 잉크 제거 공정의 하나인 세척법에서는 HLB가 높은 계면활성제를 첨가하게되면 떨어져 나온 잉크에 수용성 성질을 높여주어 좋은 탈묵 효과를 얻을 수 있다.[6] 따라서 본 연구에서는 각 각 10.0, 13.3, 16.0의 HLB를 가지는 NP-5, NP-10, NP-20을 기질 질량의 0.5%에 해당하는 양으로 전처리 용액에 각각 첨가하여 HLB에 따른 전처리 효과를 비교해 보았다. Fig 1은 HLB 값이 다른 NP를 첨가하여 전처리한 기질의 효소가수분해율을 나타낸 그림으로, 여기서 control은 신문지에 4%암모니아-2%과산화수소 용액을 넣고 진탕항온수조에서 3시간, 130strokes의 조건에서 전처리한 기질이다[5]. control의 경우 팽윤된 기질로부터 잉크가 떨어져 나와 전처리 용액의 상층부로 분리되어진 것을 볼 수 있다. 반면 NP를 첨가한 용액은 전처리가 끝난 뒤 잉크 띠가 형성되는 것은 거의 볼 수 없었다. 이는 전처리를 통해 떨어져 나온 잉크입자가 계면활성제에 의해 용액에 분산되어 있다가 세척 시 물과 함께 씻겨 나간 것으로 생각된다. 이러한 전처리 결과 NP를 첨가하여 전처리한 기질의 당화율이 훨씬 높게 나올 것으로 예상했으나 control과 거의 같은 90%정도 였다.

Fig 1. Effect of HLB value on enzymatic digstibility on ammonia-

hydrogen peroxide treatment with NP seriese

Fig 2. Effect of NP-5 concentration on enzymatic digestibility

on ammonia-hydrogen peroxide treatment

2. 계면활성제의 농도에 따른 전처리 효과

위의 결과 중 임의로 NP-5를 선택해 기질 질량 당 0.1% 0.5%, 1.0% 1.5% 씩 첨가해 전처리 효과를 비교해 보았다. Fig 2은 NP-5를 농도에 따라 전처리 용액에 첨가한 후 그 기질을 가수분해한 결과이다. NP-5가 첨가되는 양이 많을수록 당화율은 높아졌지만 크게 향상되지는 않았다. 첨가량이 0.5%보다 크면 당화율의 증가가 거의 없어 0.5%가 가장 적당한 것으로 생각된다.

3. 효소 부하량에 따른 가수분해율 비교

NP-5를 0.5%로 선택하여 신문지를 전처리해 보고 이 기질을 효소 부하량에 따라 가수분해하여 Fig 3에 나타내었다. 결과를 비교해 보면 효소 부하량이 60 IFPU일 때는 NP로 전처리한 기질과 control의 당화율은 크게 차이가 나지 않는다. 같은 효소부하량에서 control의 당화율과 비교할 때 NP를 사용하여 전처리한 기질의 당화율은 매우 크게 증가하였다. 이것은 적은 양의 계면활성제를 사용하여 전처리 하면 효소부하량을 반으로 줄일수 있다는 것을 의미한다. 즉 60 IFPU에서 30 IFPU로 줄여도 비슷한 효소당화율을 얻을 수 있다. 이렇게 계면활성제를 넣고 전처리한 기질이 효소 부하량이 적을 때는 높은 가수분해율을 보였는데, 이는 전처리 후 기질에 남아있을 수 있는 미량의 계면활성제가 가수분해 시 효소의 활성에 영향을 미쳐 당화율을 상승시켰거나 전처리를 하는 중 생긴 다른 기작에 따른 것으로 생각된다. 결과적으로 계면활성제를 첨가하여 전처리한 기질은 효소부하량을 30 IFPU로 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

Fig 3. Effect of enzymatic loading on enzymatic digestibility with treated NP-5

참고문헌

1. Ye Sun, Jiayang Cheng (2002), Bioresource Technol., 83, 1-11

2. J. N. Saddler (1993), Bioconversion of Forest and Agricultural Plant Residues, pp.93-103, C.A.B International

3. Maruamma Abraham and G. Muraleedhara Kurup (1996), Applied Biochemistry and Biotechnol., 62,

4. Todor Nikolov, Nadka Bakalova, Svetla Petrova, Rozalia Benadova, Spas Spasov, Dimiter Kolev (1999), Bioresource Technol., 71, 1-4

5. Moon N. K. and Kim S. B. (2001), Korean J. Biotechnol. Bioeng. 16, 446-451

6. Jonh K. Borchardt(1997),  Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology : Recycling Paper, John Wiley & Sons, Inc.