화학적 전처리 방법에 따른 신문지의 효소 가수분해

문남규, 허석중, 김성배, 박순철*

경상대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소*

Enzymatic Hydrolysis of Newspaper

by Chemical Pretreatment Method

Nam Kyoo moon, Sug Jung Huh, Sung Bae Kim, Soon-Chul Park*

Division of Applied Chemical Engineering and RIIT, Gyeongsang National University,

Biomass Research Lab., Korea Institue of Energy Research*

서론

최근 대체 에너지에 대한 관심의 폭이 넓어지면서 섬유성 바이오매스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 폐지와 같은 도시 고형물은 자원의 재활용과 환경문제 해결의 측면에서 각광을 받고 있으며, 매일 쏟아져 나오는 신문지는 수송원료인 에탄올 생산을 위한 좋은 원료로 생각된다. 신문지는 대부분 품질이 나쁜 침엽수를 이용하여 생산하므로 주요구성 성분은 목질계와 동일하며, 그 외에 잉크, 충진물등 여러종류의 화학물질이 첨가 되어있다.[1]. 섬유성 기질은 물리, 화학적으로 복잡한 구조를 형성하고 있기 때문에, 효소 당화율을 높이기위해서는 전처리를 통해서 리그닌 또는 헤미셀룰로오스를 제거하거나, 셀룰로오스 결정성을 감소시키는 방법이 채택 되어왔다[2]. 그러나 기질이 신문지일 때는 목질계나 농산 부산물과는 달리 다음과 같은 몇가지 제한요소를 가진다; 1. 신문용지 제조시 기계적, 화학처리를 거치면서 첨가되는 충진물이 효소가수분해에 영향을 미칠수 있다는 점. 2. 신문지는 이미 제지공정과 표백공정을 통해 일차 전처리가 된 상태이므로 리그닌 또는 헤미셀룰로오스를 제거하여 효소 당화율을 올리기는 어렵다는 점. 3. 신문용지를 덮고있는 잉크에는 지방산, resin acid, glicerol ester, wax등 포함되어 있으므로, 전처리로인해 새로운 물질이 생성되어 효소가수분해를 방해할수 있다는 점이다[3].

따라서 본 연구에서는 전처리를 통해 시료의 외형적 변화를 관찰하고, 효소 당화율을 조사함으로써 효소가수분해에 방해가 되는 요소를 알아보고, 최대 효소당화율을 얻기위한 최적 전처리방법을 모색하는데 있다.

재료 및 방법

시료 및 분석

시료는 신경남 일보, 중앙 일보, 동아 일보, 매일 경제를 혼합하여 10×10mm의 크기로  잘라 사용했다. 시료의 성분은 NREL Standard Procedure #001∼#003, #005에 따라 결정하였으며, 반응 후 분리한 반응 용액과 고체의 당함량은 NREL S. P. #002에 따라 HPLC 로 분석하였다. 초기시료의 조성은 셀룰로오스 (61.3%), 헤미셀룰로오스 (9.7%), 리그닌(12.0%),  ash(5.7%) 였다.

전처리

전처리는 hot plate를 사용하여 100℃이하의 온도, 상압의 조건에서 실시했으며 증발하는 기체는 응축기를 이용해 순환시켰다. 사용된 화학물질로는 0.5% 황산, 암모니아 10%, 20%, 그리고 순수 물이었고, 산화제로는 과산화수소를 사용했다.

효소가수분해

효소는 한국에너지기술연구소로부터 제공받은 상업용 셀룰레이즈와 베타 글루코시데이즈(Novo Nordic, Bagvaerd Denmark)를 사용했다. 효소를 이용하여 섬유소를 가수분해시키는 당화 반응은 250 mL의 플라스크에 25 mL Sodium citrate buffer(0.05M, pH4.8), 0.5g 셀룰로오스, 0.4 mL 셀룰레이즈(60 IFPU/g cellulose)와 0.1 mL 베타글루코시데이즈, 그리고 증류수를 포함하여 전체 작용부피를 50 mL로 하였다. 가수분해는 72시간 동안 실시하였으며, 매 24시간마다 1.5 mL씩 시료를 채취하여 HPLC로 글루코오스 함량을 분석하였다.

결과 및 토의

ash 첨가에 따른 효소 당화율의 변화

사용된 시료에는 5.7%의 ash가 포함되어 있었다. 이를 기준으로 0, 2, 4, 6%의 ash를 □-cellulose에 첨가하여 효소 당화율을 조사하였다. ash는 Fig. 1에 나타난 바와같이 효소당화율에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. 그러나 ash 6%를 물에 첨가하여 pH를 조사한 결과 5.7에서 10.6으로 크게 상승했다. 이것을 볼 때 시료를 전처리 했을 때 pH가 상승하는 것은 ash의 영향임을 알 수 있었다.

시료의 크기에 따른 효소 당화율의 변화

시료의 크기에 따른 효소 당화율을 살펴보기 위해 Fig. 2에 나타낸것처럼 시료의크기는 네종류, 즉 10mm이상, 1.7∼10mm, 0.4∼1.7mm, 그리고 0.4mm이하로 분류하였다. 결과는 예상과는 달리 시료크기에 따른 효소 당화율의 변화는 거의 없었다. 이것은 가수분해가 진행됨에 따라 진탕 배양기의 회전으로 인한 물리적 충격과 효소가수분해에 의해 기질의 크기가 작아져서 가수분해가 어느 정도 진행되면 입자의 크기가 거의 같아지기 때문이라고 생각된다.

암모니아 처리 후 효소 당화율의 변화

알카리에 의한 탈묵은 pH 9이상에서 실행되는데, 본 실험에서 사용한 암모니아의 pH는 12이상이므로 약간의 탈묵이 이과정에서 진행된것으로 생각된다. 따라서 어느 정도의 탈묵은 농도에 상관없이 발생했을 것이다. Fig. 3의 결과를 보면 암모니아의 농도가 높을수록 당화율은 미세하지만 낮았고, 특히 전처리한 시료의 당화율이 전처리 하지 않은 시료의 당화율보다 낮다는 점에 주목할 필요가 있다. 암모니아 처리된 시료의 외형적 변화를 살펴보면 전처리전의 시료에 비해 검게 변했다는 것을 알 수 있었다. 이것은 암모니아에 의한 탈묵 과정에서 발생하는 잉크의 번짐이라 설명할 수 있겠다. 잉크 속에는 15∼35%의 wood resin과 20∼50%의 지방산 알카리 금속염이 존재한다. 이것은 용액의 pH가 6이상이면 지방산과 resin acid에 의해 알카리 금속염을 형성되고. pH 8.5∼9.0에서는 특히 알루미늄 알카리 금속염을 형성된다. pH 6이상에서 생성된 알루미늄 알카리 금속염은 물에 잘 녹지 않고 아교나 풀 따위의 기능을 한다[4]. 이것이 섬유질의 표면으로 번져 나오면서 섬유 상에 하나의 막을 형성하여 효소 가수분해를 방해하는 것으로 판단된다. 암모니아 처리 후 시료를 건조시켰을 때 딱딱해지는 것 또한 같은 맥락에서 설명이 가능하다.

산 처리 후 효소 당화율의 변화

산 처리 후 용액은 약간 붉은 빛을 띄며 시료 역시 붉은 빛을 띄고, 건조 후에도 암모니아보다는 달리 시료가 푸석푸석함을 관찰할 수 있었다. pH가 낮아 암모니아처럼 시료의 외형이나 용액의 색깔로는 탈묵이 있다는 것은 확인 할 수 없었고. 효소 당화율은 Fig. 4.의 결과와 같이 암모니아 처리 때보다는 전체적으로 높음을 알 수 있다. 특히 50℃일 때 가장 높은 당화율을 나타내고 있다. 어떤 이유에서 그같은 현상이 발생하는지는 연구중이며, 신문용지의 구성성분과 잉크에 대한 연구가 좀 더 이루어져야 할 것 같다.

순수물에 의한 전처리 후 당화율 변화

Fig. 5.의 결과를 보면 물에 의한 처리는 다른 전처리보다 전체적으로 높은 당화율을 나타내고 있다. 특히 100℃로 끓였을때는 전처리하지 않은 것보다는 12% 정도 높았고, 121℃로 처리했을 때보다는 6%정도 더 높음을 알 수 있다. 그러나 100℃의 경우는 환류응축기를 걸어 상압에서 처리한 반면, 121℃의 경우는 autoclave로 가압한 상태에서 처리하였다. 121℃는 외형적으로 변화가 없었지만, 100℃는 물방울에 의해 시료의 형태가 많이 부풀여진 상태라는 것을 알 수 있었다. 이것은 탈묵을 하기 위해 공기를 불어넣는 일종의 flotation 작용이라 할 수 있겠다[5]. 이 작용으로 시료의 내부에 존재하는 효소가수분해 방해 물질이 일부 제거되고, 시료의 공극 부피가 커지기 때문에 효소 당화율이 높게 나타나는 것으로 보인다. 또한 증류수의 pH는 5.7정도이므로 알루미늄 알카리 금속염의 발생이 적다는 것도 효소 당화율이 높게 나타나는 이유가 될 것이라 생각한다.

참고 문헌

[1]. Sheldon J. B. Duff, John W. Moritz, and Tracy E. Casavant, Biotech. Bioeng., 45,

239-244(1995).

[2]. Douglas B. Rivers and George H. Emert, Biotech. Bioeng., 31, 278-281(1988).

[3]. Pratima Bajpai, Biotechnol. Prog., 15, 147-157(1999).

[4]. L. H. Allen, B. B. Sithole, C. L. Lapointe, and R. Truitt, Pulp and Paper Science, 23,

No. 4, 15-160(1997).

[5]. Xuenjun Pan, Yanling Liu, Jun Yu, Laisu Xie, and Yanquan Long, Department of Chemical

Engineering Tianjin Institute of Light Industry 1038 Dagu Nanlu, Tianjin 300222 P. R. China.

Fig. 1. Effect of ash from newspaper                           Fig. 2. Effect of substrate size

on enzymatic digestibility of newspaper.                     on enzymatic digestibility of newspaper.

Fig. 3. enzymatic digestibility of ammonia treated newspaper in batch reactor.

Fig. 4. Enzymatic digestibility                               Fig. 5. Enzymatic digestibility

of sulfuric acid treated newapaper in reacter.                    of water treated newspaper in batch reactor.