KR101511744B1 - 효소순환공정을 이용한 세틸화된 지방산 복합물의 생산장치 - Google Patents

효소순환공정을 이용한 세틸화된 지방산 복합물의 생산장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 효소순환공정을 이용하여 우지와 세틸알코올로부터 세틸화된 지방산 복합물을 생산할 수 있는 장치에 관한 것으로, 효소순환 공정에 의해 세틸화된 지방산 복합물을 효과적으로 제조할 수 있는데, 생성된 불포화 지방산의 산화를 방지하고, 상대적인 저온과 저압을 이용하여 에너지 소비를 줄임과 동시에 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

효소순환공정을 이용한 세틸화된 지방산 복합물의 생산장치 {Method for production of cetylated fatty acid complex by enzyme cycling reation}
본 발명은 세틸화된 지방산 복합물의 생산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 효소순환공정을 이용하여 우지와 세틸알코올로부터 세틸화된 지방산 복합물을 생산할 수 있는 장치에 관한 것이다.
'세틸화된 지방산 복합물'은 세틸화된 복합 지방산으로, 세틸기가 있는 에스테르화된 중간 및 긴사슬지방산을 함유하는데, NIH 스위스 알비노 마우스 종에서 처음 추출되었다. 세틸화된 불포화 지방산은 관절염에 대해서 효능이 있는 것으로 확인된 바 있다.
그런데, 세틸화된 지방산 복합물을 마우스 종에서 추출하는데에는 한계가 있어 다른 추출원을 찾았고, 세레노아 레펜스 (Serenoa repens)라는 야자과 식물이 그 중 하나로 발굴되었다. 하지만, 비용이 많이 소요되고, 추출량 또한 많지 않은 문제가 있었다.
따라서, 다른 후보를 찾아 보았는데, 식품용 기름으로 빈번하게 사용되고 있는 소의 기름 즉, 우지(牛脂)가 발굴되었다. 우지가 '세틸화된 지방산 복합물'이 되기 위하여 크게 지방산을 분리하는 가수분해공정, 필요한 중간 및 긴사슬지방산의 함유율을 높이는 농축공정, 그리고 농축을 통하여 얻어진 지방산을 세틸알코올과 에스테르화 반응시키는 공정이 필요하다.
지방의 가수분해공정은 전통적으로 고온 및 고압 환경 (250℃ 내외, 2-6 MPa (20-60 bar))에서 물을 지속적으로 흘려주어, 지방을 글리세롤 1개 분자와 지방산 3개 분자로 분리시키는 공정을 지칭한다. 이때, 촉매를 사용하기도 하는데, 대부분은 알칼리 성분을 이용한다.
지방산의 농축공정은 원치 않는 지방산 종류를 분리하고자 진행되는데, 전통적으로 지방산의 증류를 통한 분리방법 (distillation)과 점진적인 냉각을 통한 부분분리방법 (fractionation)을 사용한다.
지방산의 에스테르화는 전통적으로 가열 (>150 °C) 혹은 촉매제를 이용하는데, 황산 (H2SO4) 등 강산성 물질 혹은 금속염 (FeCl3·6H2O 등)을 사용한다.
상기 방법들은 짧게는 수십 년간 사용되어 온 표준 방법들이지만, 촉매제, 특히 강한 산성과 염기성을 사용하게 됨으로써 생길 수 있는 식용 가능성의 문제, 액상 촉매제를 제거하기 위한 후속 처리의 비경제성, 고온 및 고압 등 가혹 조건을 유지하기 위한 에너지의 과소비, 가혹조건 속에서 생길 수 있는 불포화 지방산의 산화 등 많은 문제점이 존재한다. 따라서, 새로운 생산방법 또는 생산장치의 개발이 요구된다 할 것이다.
대한민국 특허공개번호 제10-2010-0112558호 (공개일자 2010. 10. 19)에는, 식물유 또는 동물 지방에 함유된 트리글리세라이드가 연속된 복수의 혼합기-침전기 단계의 혼합기에서 CH3OH 및/또는 C2H5OH와 염기 촉매적 방식으로 에스테르교환반응하고, 이에 따라 생산된 혼합물을 각 혼합기의 하류에 배치된 침전기에서 지방산 에스테르(FAE) 및 C3H5(OH)3 함유 상으로 분리하는, 상기 식물유 또는 동물 지방으로부터 지방산 메틸 에스테르(FAME) 또는 지방산 에틸 에스테르(FAEE) 및 C3H5(OH)3를 생산하는 방법이 기재되어 있다.
본 발명에서는 효소순환공정을 이용하여 우지 및 세틸알코올로부터 세틸화된 지방산 복합물을 제조할 수 있는 장치를 개발하여 제공하고자 한다.
본 발명은 우지와 세틸알코올이 투입되어 존재하는 곳으로, 반응 부산물인 글리세롤과 물이 배출될 수 있는 퇴출구(40)를 구비하는 주반응기(10); 상기 주반응기와 연결되어, 주반응기에 물을 공급할 수 있는 정제수공급기(20); 상기 주반응기와 연결되어 있고, 내부에 리파아제 효소가 고정화되어 있는 것으로, 주반응기에 존재하는 반응액이 흘러들어가 반응이 일어나고, 반응산물을 주반응기에 되돌려 주는 효소반응기(30); 상기 주반응기와 연결되어 있고, 주반응기에서 발생하는 수증기를 액화시켜 제거할 수 있는 분리기(50);를 구비하는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)를 제공한다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 상기 세틸알코올은, 바람직하게 우지의 가수분해로부터 유래한 글리세롤이 제거된 후, 주반응기(10)에 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 상기 주반응기(10)는, 바람직하게 우지가 첨가된 후, 35~60℃의 온도, 대기압~10 bar의 압력 상태로 유지될 수 있다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 상기 주반응기(10)는, 바람직하게 세틸알코올이 첨가된 후, 25~100℃의 온도, 진공~대기압의 압력 상태로 유지될 수 있다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 상기 리파아제는, 일 예로 캔디다 안타르티카 (Candida antartica) 또는 라이조무코르 미에헤이 (Rhizomucor miehei) 유래인 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 상기 반응은, 일 예로 우지의 가수분해반응일 수 있다. 또한, 세틸알코올과 지방산의 에스테르화반응일 수 있다. 또한, '우지의 가수분해반응'과 '세틸알코올과 지방산의 에스테르화반응' 둘 다 일 수도 있다.
한편, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)에 있어서, 주반응기(10)는 고정화된 리파아제가 추가로 투입되어 있을 수도 있다.
본 발명의 생산장치에 의할 경우, 효소순환 공정에 의해 세틸화된 지방산 복합물을 효과적으로 제조할 수 있는데, 생성된 불포화 지방산의 산화를 방지하고, 상대적인 저온과 저압을 이용하여 에너지 소비를 줄임과 동시에 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 생산장치를 개략적으로 보여주는 도이다.
도 2는 분리기가 도시된 본 발명의 생산장치를 개략적으로 보여주는 도이다.
본 발명의 주재료인 우지(牛脂)는 소로부터 얻어진 지방 조직을 정제 (render) 하여 용출한 기름이다. 우지를 구성하는 지방은 다양한 중간 및 긴사슬지방산을 포함하고 있으며, 주요 포화지방산은 팔미트산(palmitic acid, C16:0), 스테아르산(stearic acid, C18:0) 등이 있고, 단일 불포화지방산으로는 올레산(oleic acid, C18:1)과 팔미톨레산(palmitoleic acid, C16:1) 등이 있으며, 다중 불포화지방산으로는 리놀레산(linoleic acid, C18:2)와 리놀렌산(linolenic acid, C18:3) 등으로 구성되어 있다. 우지는 그 산화에 대한 저항성 때문에 식용으로 많이 사용되고 있으며, 등급에 따라 산업용으로 사용되기도 한다.
한편, 지방 알코올은 탄소 8개 이상인 화학식 RCH2OH의 분자군으로서, 친수성 알코올기와 지방기를 둘 다 지니고 있어 유화제, 연화제, 점도 증가제 등으로, 화장품, 약제, 세제 등 많은 식용 또는 공업용 쓰임새를 가지고 있다. 본 발명에서 사용하는 세틸알코올도 지방 알코올의 한 종류이다.
한편, 리파아제(lipase)는 지방을 분해 또는 합성하는 효소들의 총칭으로서, 구조, 기능, 도출된 원 생물 등에 따라 특정 지방 구조물에 특이적으로 반응을 촉진시킨다. 대표적인 리파아제로 휴먼 판크레아틱 리파아제 (human pancreatic lipase)가 있는데, 이는 췌장에서 분비되는 효소로 인간이 지방을 분해 및 흡수하기 위하여 필수적인 효소이다. 최근에는 공업용 지방의 처리를 위하여 다양한 자연 도출 리파아제 및 생물공학적으로 변형된 리파아제들이 화장품용 원료 등을 생성하는 데 사용되고 있지만, 식품에서의 사용은 아직 범용화 되지 않았다.
한편, 세틸알코올과 우지를 합성한 세틸화 지방산 복합물은 세틸 미리스테이트 (cetyl myristate), 세틸 미리스톨리에이트 (cetyl myristoleate), 세틸 팔미테이트 (cetyl palmitate) 등을 포함하고 있는데, 이 성분들은 관절염, 류머티스 관절염, 섬근육통 등 많은 통증 질환에 임상적인 효능을 보였으며, 구강 섭취용 및 바르는 크림용 등 다양한 제형을 통하여 그 효능이 입증되었다.
본 발명의 발명자들은 통상적인 지방산과 지방 알코올의 합성 시 적용되는 유해한 촉매제들의 사용과 과도한 에너지 소비 등의 문제들을 바이오 기술을 적용하여 해소함과 동시에 식용을 위한 후처리의 낭비를 막기 위한 제조 공법을 설계하기 위하여 많은 시간과 노력을 들여 연구한 결과, 본 발명과 같은 식품용 안전성을 확보한 친환경 저에너지 생산장치를 개발하게 되었다.
이하, 본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치에 대하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 세틸화된 지방산 복합물 생산장치(100)는, 우지와 세틸알코올이 투입되어 존재하는 곳으로, 반응 부산물인 글리세롤과 물이 배출될 수 있는 퇴출구(40)를 구비하는 주반응기(10); 상기 주반응기(10)와 연결되어, 주반응기(10)에 물을 공급할 수 있는 정제수공급기(20); 상기 주반응기(10)와 연결되어 있고, 내부에 리파아제 효소가 고정화되어 있는 것으로, 주반응기(10)에 존재하는 반응액이 흘러들어가 반응이 일어나고, 반응산물을 주반응기(10)에 되돌려 주는 효소반응기(30); 상기 주반응기(10)와 연결되어 있고, 주반응기(10)에서 발생하는 수증기를 액화시켜 제거할 수 있는 분리기(50);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 주반응기(10)는 우지와 세틸알코올이 투입되어 존재하는 곳으로, 반응 부산물인 글리세롤과 물이 배출될 수 있는 퇴출구(40)를 구비하고 있다. 퇴출구(40)에는 밸브가 구비될 수 있다. 또한, 주반응기(10)에는 정제수공급기(20), 효소반응기(30), 분리기(50)로 가는 액의 흐름을 차단하는 밸브(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 주반응기(10)에는, 필요할 경우 고정화된 리파아제를 추가로 투입할 수도 있다. 고정화된 리파아제가 주반응기(10)에 추가로 투입될 경우, 효소반응이 한층 가속화 될 수 있기 때문이다.
주반응기(10)는 우지가 첨가된 후, 바람직하게 35~60℃의 미열 및, 대기압~10 bar의 저압을 유지하는 것이 좋은데, 이 상태에서 첨가된 우지는 유동상태가 된다. 그 후, 정제수공급기(20)에서 주반응기로 정제수를 흘려주고, 주반응기(10)에서 효소반응기(30)로의 밸브를 열어주면, 가수분해반응이 개시된다. 이때, 지속적으로 정제수를 흘려주면 가수분해(hydrolysis) 반응이 정방향으로 유지된다. 가수분해의 화학 반응은 다음과 같이 일어난다.
(RCOO)3C3H5+3H2O --> 3RCOOH+C3H5(OH)3
가수분해의 반응물인 글리세롤(C3H5(OH)3)은 밀도차를 이용하여 퇴출구(40)를 통해 제거한다.
세틸알코올은 우지 가수분해물인 지방산과 에스테르반응을 일으켜, 세틸화된 지방산 복합물을 생성하는데, 주반응기(10)의 가수분해반응이 종료된 후, 글리세롤을 제거하고 주반응기(10)에 투입되는 것이 좋다. 세틸알코올이 첨가된 후, 주반응기(10)는 25~100℃의 온도, 진공~대기압의 압력 상태로 유지하는 것이 좋다. 이 조건에서 첨가된 세틸알코올은 녹아, 반응 준비 상태에 돌입하게 된다.
한편, 본 발명의 정제수공급기(20)는 상기 주반응기(10)와 연결되어, 주반응기(10)에 물을 공급한다. 주반응기(10)와는 파이프로 연결될 수 있다. 정제수공급기(20)에는 밸브(미도시)가 구비되어, 주반응기(10)로의 물 공급을 조절할 수 있다. 주반응기(10)로 물이 공급될 경우, 우지의 가수분해반응인 정반응이 가속되어, 에스테르화반응이 일어나는 역방향의 반응을 억제시킬 수 있다.
한편, 발명의 효소반응기(30)는 상기 주반응기(10)와 연결되어 있고, 내부에 리파아제 효소(미도시)가 고정화되어 있는데, 주반응기(10)에 존재하는 반응액이 흘러들어가 반응이 일어나고, 반응산물을 주반응기(10)에 되돌려 주는 역할을 한다. 효소반응기(30)는 주반응기(10)와 파이프로 연결될 수 있다. 효소반응기(30)에는 밸브(미도시)가 구비되어, 주반응기(10) 내 반응액이 효소반응기(10)로 들어가는 것을 조절할 수 있다.
효소반응기(30)에서는 '우지의 가수분해반응'과 '우지의 가수분해로 생성된 지방산과 세틸알코올의 에스테르화반응' 둘 다가 일어난다. 먼저, 가수분해반응에 대해 설명하자면, 주반응기(10) 내 유동상태의 우지가 효소반응기(30)로 들어가면 효소반응기(30) 내에 고정화되어 있는 리파아제(미도시)와 접촉하여 가수분해 반응이 일어난다. 가수분해 후, 반응산물인 지방산과 글리세롤('글리세린'이라고도 함)은 주반응기(10)로 되돌려 흘러간다. 또한, 에스테르화반응에 대해 설명하자면, 주반응기(10)에 존재하는 반응액(우지의 가수분해 결과 생성된 지방산, 세틸알코올)이 효소반응기(30)로 흘러 들어가면, 효소반응기(30) 내에 고정화되어 있는 리파아제(미도시)와 접촉하여 에스테르화 반응이 일어나게 된다. 에스테르화 반응이 일어나면 세틸화된 지방산 복합물이 생성되는데, 생성된 세틸화 지방산 복합물은 다시 주반응기(10)로 되돌아 간다. 이때, 리파아제는 캔디다 안타르티카 (Candida antartica) 또는 라이조무코르 미에헤이 (Rhizomucor miehei) 유래인 것을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 분리기(50)는 상기 주반응기(10)와 연결되어 있고, 주반응기(10)에서 발생하는 수증기를 액화시켜 제거할 수 있다. 세틸알코올을 주반응기(10)에 첨가하여 녹일 경우, 수증기가 발생하는데, 분리기(50)는 이 수증기를 빨아 들인 후, 액화시켜 밖으로 배출한다.
이하, 본 발명의 내용이 작동되는 과정을 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.
[ 실시예 1: 본 발명의 생산장치를 이용한 지방산 복합물의 제조]
1) 재료의 준비
식용 우지(牛脂)를 시중에서 구입한 뒤 식용 적합성을 평가한 후 주반응기 (10)에 투여했다.
한편, 무반응성 지지체에 고정된 리파아제를 구매하여 품질 기준 적합성을 평가 후, 효소반응기(30)에 고정시켰다. 이때, 사용된 리파아제는 라이조무코르 미에헤이 (Rhizomucor miehei), 캔디다 안타르티카 (Candida antartica), 캔디다 실리드라세아 (Candida cylidracea), 아스퍼질러스 나이거 (Aspergillus niger) 등 특수 균종에서 얻어진 트리아실글리세롤 하이드롤라아제 (triacylglycerol hydrolase) 기능이 있는 특이적 리파아제 혹은 리파아제의 혼합물을 사용할 수 있다. 한편, 식품 제조용에 적합한 정제수를 구매하여 정제수공급기(20)에 채웠다.
2) 가수분해
우지의 녹는 점 이상이면서 리파아제의 최적 활성 온도 (35~60℃)로 주반응기(10)와 효소반응기(30)를 맞춘 후, 주반응기(10)의 믹서(미도시)를 가동하여 우지를 유동 상태로 만들었다. 그 후 정제수공급기(20)에서 주반응기(10)로 정제수를 흘려주었다. 정제수의 부피가 우지 부피의 20%가 되었을 때, 급수 속도를 줄이면서 주반응기(10)에서 효소반응기(30)로의 밸브를 열어주어 효소 반응이 진행되도록 하였다.
반응이 약 1시간 진행된 후, 주반응기(10) 아래에 위치한 퇴출구(40) 밸브를 열어 지속적으로 글리세롤을 제거함과 동시에 정제수공급기(20)에서 주반응기(10)로 가는 급수 속도를 다시 올려주어 전체 부피가 일정하게 유지되도록 했다.
반응이 총 6시간 동안 지속한 후, 효소반응기(30)의 밸브와 정제수공급기(20)의 밸브를 닫고, 그 시점부터 입력 우지 부피의 20%의 글리세롤과 물을 퇴출구(40)로 배출한 후, 퇴출구(40) 밸브를 닫았다.
3) 농축
지방산 농축 설비 제조사의 지침에 따라 주반응기(10)에 진공을 가하고 열을 가하여 중간 및 긴사슬지방산의 분획을 획득하였다. 이때, C18 군의 농도는 50%였다.
4) 지방 알코올과 에스테르화 반응
농축된 지방산이 있는 주반응기(10)에 고체상 세틸알코올(cetyl alcohol)을 1:1 몰비 (molar ratio)로 넣은 후 75℃로 가열하여 세틸알코올을 녹임과 동시에 믹서(미도시)를 가동하여 잘 섞이도록 했다. 진공을 80 mmHg로 걸어 수증기가 분리기(50)로 빠지도록 하고, 분리기(50)를 가동시켜 수증기를 액화시켜 폐기하였다. 효소반응기(30)의 밸브를 열어 세틸알코올과 지방산의 혼합물이 효소와 접촉하도록 하였다. 약 6시간 가동 후에 진공상태, 효소반응 및 분리기 작동을 멈춘 후, 95% 이상 순도의 세틸화된 지방산 복합물을 얻었다.

Claims (8)

  1. 우지와 세틸알코올이 순차적으로 투입되며, 우지의 가수분해반응 부산물인 글리세롤과 물을 밀도차를 이용하여 배출시키는 퇴출구가 구비된 주반응기;
    상기 주반응기와 연결되어, 주반응기에 우지의 가수분해반응을 위한 물을 공급할 수 있는 정제수공급기;
    상기 주반응기와 연결되어 있고, 내부에 리파아제 효소가 고정화되어 있는 것으로, 주반응기에 존재하는 반응액이 흘러들어가 반응이 일어나고, 반응산물을 주반응기에 되돌려 주는 효소반응기;
    상기 주반응기와 연결되어 있고, 주반응기에서 세틸알코올 첨가시 발생하는 수증기를 액화시켜 제거할 수 있는 분리기;를 구비하며,
    상기 효소반응기는 우지의 가수분해반응 수행 후, 세틸알코올과 지방산의 에스테르화반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    세틸알코올은,
    우지의 가수분해로부터 유래한 글리세롤이 제거된 후, 주반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주반응기는,
    우지가 첨가된 후, 35~60℃의 온도, 대기압~10 bar의 압력 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주반응기는,
    세틸알코올이 첨가된 후, 25~100℃의 온도, 진공~대기압의 압력 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리파아제는,
    캔디다 안타르티카 (Candida antartica) 또는 라이조무코르 미에헤이 (Rhizomucor miehei) 유래인 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주반응기는,
    고정화된 리파아제가 더욱 투입되어 있는 것을 특징으로 하는 세틸화된 지방산 복합물 생산장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0661255B2 (ja) * 1986-07-28 1994-08-17 農林水産省食品総合研究所 酵素反応装置
JP2897966B2 (ja) * 1991-05-14 1999-05-31 日本碍子株式会社 酵素固定化型バイオリアクター
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KR20130004286A (ko) * 2010-03-01 2013-01-09 트랜스 바이오디젤 엘티디. 지방산 알킬 에스테르의 효소적 합성을 위한 방법

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