Microwave를 이용한 Chitin 분리 공정에 관한 연구

김 현상, 최 광진*, 심 상준*, 조 영상*, 김 경림

한국과학기술연구원 청정기술연구센터*

연세대학교 화학공학과

Study of Chitin Separation Process by using Microwave

H. S. Kim, G. J. Choi*, S. J. Sim*, Y. S. Cho*, K. L. Kim

*Clean Technology Research Center, KIST

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서    론

Chitosan은 천연물인 게, 새우, 곤충 등의 갑피에 많이 포함되어 있는 Chitin의 유도체이며, 지구상에서 cellulose 다음으로 풍부한 천연자원이다. 매년 막대한 양의 게 껍질이 우리 나라 동해안 지역의 게 가공업체들로부터 산업폐기물로 배출되고 있다. 이 폐기물은 방치시 주요 환경오염원이 될 수 있으나 경제적 활용 측면에서는 Chitin의 우수한 원료로 이용될 수 있다.

Chitin(poly-□-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamine)은 □-Chitin과 □-Chitin이 있으며, □-Chitin은 갑각류 외각의 주요 구성성분이다. 지금까지 갑각류 폐기물로부터 키틴을 분리하기 위한 여러 방법들이 개발되어 왔으며, 이들은 화학적 처리법을 그 기초로 하고 있다.

갑각류 폐기물은 주로 30~40% 단백질, 30~50%의 탄산칼슘 그리고 20~30%의 Chitin으로 구성되어 있으나, 이들 비율은 갑각류의 종류 및 계절 등의 요인에 따라 다르고 이에 따른 Chitin 분리조건도 다르다. 따라서 분리된 물리화학적 특성 및 기능성도 갑각류의 종류와 제조방법에 따라 차이가 있다1). 그러나, 여러 화학적 처리에 기초를 두고 있는 분리방법들(대표적으로 Hackman method)의 공통적인 문제점은 고농도의 염산 폐수와 수산화나트륨 폐수의 발생과 처리, 고농도의 산-염기 용액으로 인한 Chitin의 변성이다.

본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 Microwave를 이용한 새로운 공정을 고안하여 더욱 환경친화적으로 Chitin을 분리하기 위한 방법을 모색하였다.

실 험 방 법

Microwave를 이용하여 반응시간과 반응 농도를 달리해 가며 기존의 Hackman 에서 약간 개선되어진 방법2)(이후 Hackman방법이라 함)과 Microwave를 이용하는 새로운 방법을 비교하여 그 차이점을 관찰해 보았다.

우리는 실험을 2단계로 나누어서 각각 따로 실험을 하여, 최종적인 Chitin을 얻는 것보다 각 과정에서 제거되어지는 탄산칼슘과 단백질의 양에 더 관심을 두었고 Hackman방법과는 남은 Shells의 잔류 질량으로 비교하였다.

< 실험내용 >

1. 탈탄산칼슘 실험

건조된 게 껍질을 일정 크기로 분쇄한 후 0.1N, 1N, 5N의 HCl solution에 넣 어 교반시켜 주면서 각각 1hr, 5hr동안 반응시켰다. 여과후 Oven에 overnight 건조시키고, 건조된 Shells를 1000ml 증류수에 수세한 후 여과시켜 잔류 HCl을 제거시켰다. 위와 같은 수세 과정을 3회 이상 반복했다. 잔류 HCl이 제거된 Shells를 Oven에 overnight 건조시킨 후, 무게를 쟀다.

Microwave를 이용한 실험에서는 0.1N의 저 농도에서만 실험하였고, 반응 시간은 반응시 발생하는 거품이 어느 정도 사라지는 7min으로 하였다. 또한 Hackman방법으로 60OC-70OC로 가열하면서 1시간 반응시켜 온도의 영향을 알아보았고, Hackman방법으로 1시간 반응 후 Microwave에 다시 한번 반응시켜 그 효과를 알아보았다.

2. 탈단백질 실험

건조된 게 껍질을 일정 크기로 분쇄하고 0.01N, 0.2N, 1N, 5N의 NaOH 용액에 넣고 각각 2hr, 5hr동안 reflux상태에서 반응시키고 여과한 후, Oven에 overnight 건조시켰다. 건조된 Shells를 1000ml 증류수에 수세한 후 여과시켜 잔류 NaOH를 제거시켰다. 위와 같은 수세 과정을 3회 이상 반복했다. 잔류 NaOH가 제거된 Shells를 Oven에 overnight 건조시킨 후, 무게를 쟀다.

Microwave를 이용한 실험에서는 0.01N NaOH와 0.2N NaOH에서 각각 30min동안 reflux상태에서 반응시켰다.

결과 및 고찰

1.탈탄산칼슘 실험

1hr 반응

HCl 농도	0.1N	0.2N	1N	5N
초 기 양 (g)	20	20	20	20
반응후 잔류양 (g)	14.65	6.72	6.80	6.93

(표1-1. 다른 농도에서 1시간 반응 결과 비교)

0.1N HCl 500ml

	1hr 반응 (Hackman method)□	5hr 반응 (Hackman method)	60oC-70oC로 가열하면서 반응 (Hackman method)	1hr 반응 후 (Hackman method) Microwave 5min반응	Microwave 7min 반응
초 기 양 (g)	20	20	20	20	20
반응후 잔류양 (g)	14.65	14.52	14.64	14.6	14.33

(표1-2. 0.1N HCl에서 다른 반응 조건에서의 실험)

표1-1에서와같이 반응 시간을 1시간으로 통일 시켜, 농도에 변화를 주면서 실험하였을 때 0.2N HCl 이상의 농도에서 반응시킨 후 남은 잔류량이 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 또한 0.1N HCl과 0.2N HCl에서의 잔류량이 거의 2배가 되므로 이 반응은 HCl : CaCO3 = 1 : 2로 반응함을 알 수 있었고, 이 반응식은 CaCO3 + 2HCl → Ca2+ + 2Cl- + CO2↑ + H2O 라 생각된다. 또한 표1-2에서와같이 반응 농도를 0.1N로 고정시켜 놓고 반응 시간 및 반응 조건을 다르게 한 실험에서, 먼저 온도의 영향에 대해서는 상온 반응과 60oC-70oC 가열 반응, 그리고 100oC이상인 Microwave 반응에서의 잔류량을 비교하면 거의 차이가 없었다. 즉, 탈탄산칼슘 과정에서 온도의 영향은 거의 없다는 것을 알 수 있다. 반응 시간에 대해서도  각각 1시간과 5시간동안 Hackman방법으로 반응시킨 결과 잔류량이 거의 같다. 즉, 일정 시간 이상의 반응은 탈탄산칼슘 과정에 아무런 영향을 끼치지 않는다. 그러나, 단 시간에 많은 에너지를 발생시키며, 분자내의 dipole을 진동시키는 Microwave를 이용하였을 때 7분 정도의 반응만으로 Hackman방법으로 1시간 반응시킨 효과를 얻었다. 즉, Microwave를 이용하였을 때 같은 농도의 HCl 용액에서 더 많은 CaCO3를 녹여내지는 못했으나, 그 반응 시간을 7분으로 단축시키는 효과를 보였다.

2.탈단백질 실험

단백질 제거과정의 실험에서도 반응 시간, 반응 농도를 변화시키면서 실험하였다. 아래 결과표에서 보는 바와 같이 농도에 따라서는 잔류량에 어느 정도의 차이를 보이지만 반응 시간에 따라서는 거의 차이가 없었다. 또한 5N에서 잔류량이 많이 감소한 것은 탈단백질 뿐 아니라 탈아세틸화 반응이 일어난 영향으로 생각되어 진다. 5N의 결과를 제외하면 0.2N과 1N의 잔류량이 거의 비슷하므로 1N에서 탈단백질 과정이 거의 완결되었고, 그 이상의 농도는 단백질을 녹여내는 것 이외에 탈아세틸 반응을 일으키는 것으로 생각되어진다. 시간에 따라서는 2시간 반응과 5시간 반응의 잔류량이 거의 같았다. 그러므로 탈단백질 과정에서 2시간 이상의 반응은 반응 결과에 아무런 영향을 미치지 않는다는 결론을 내렸다. Microwave로 30분 동안 반응시켰을 때는 기존의 Hackman방법보다 단백질이 약간 덜 제거되는 양상을 보이지만 그 차이는 아주 적어서 거의 무시할 수 있다. 이 실험에서도 저농도의 Microwave 추출효과(저농도에서 Hackman방법보다 더 많은 단백질의 제거)는 없었지만 그 반응시간이 약 1/4로 줄어드는 효과를 보였다.

NaOH 500ml, 초기량 30g

□	Conventional method		Microwave
	2hr	5hr	30min
0.01N	23.52g	22.96g	24.07g
0.2N	20.49g	20.7g	20.94g
1N	20.17g	20.12g
5N	16.8g	16.85g

요  약

게 껍질로부터 Chitin 추출에 Microwave를 이용하여, 기존에 사용하고 있는 방법보다 저 농도의 염산 용액과 수산화나트륨 용액에서 짧은 시간 안에 추출이 가능한지 실험하였다. 탈탄산칼슘 과정에서 농도에 따른 Microwave의 추출향상효과는 없었으나, 그 반응 시간이 1시간에서 7분으로 줄어들어 반응 시간이 약 88.33% 단축되는 효과를 보였다. 또한 탈 단백질 과정에서도 농도에 따른 Microwave의 추출효과는 기존의 Hackman 방법보다 약간 떨어졌으나, 반응 시간이 2시간에서 30분으로 약 75% 단축되었다. 현재 단백질 제거 시에 사용하는 NaOH대신 Ba(OH)2를 사용하여 더욱 환경 친 화적인 Chitin 분리공정을 연구 중에 있다. 최근 문헌에 Peptide를 녹여내는데 Ba(OH)2가 효과적이라고 알려졌고3), 이 Ba(OH)2의 반응 조건을 조절해 주면 저농도에서 게 껍질에 있는 단백질의 제거 및 Chitin의 탈아세틸화를 효과적으로 촉진시킬수 있을 것이라 예상된다.

참 고 문 헌

1. Brine, C. J. and Austin, P. R. : Chitin variability with species and method       of preparation. Comp. Biochem. Physiol., 69B, 283 (1981)

2. 노홍균□이문이 : □게 가공 폐기물로 부터 키틴의 분리□. 한국영양식량학회        지., 24, 1, p.105-113

3. A. K. Bose, N. Lavlinskaia, C. D. Sareen, D. Gandhi, M. Jayaraman and         M. S. Manhas. : 'PEPTLDE HYDROLYSIS'., First World Congress on          Microwave Processing., 14