KR840000128B1 - 농산 폐자원을 이용한 크실리톨의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

농산 폐자원을 이용한 크실리톨의 제조방법

본 발명은 섬유질 농산폐자원을 미생물에 의해 생산되는 사일라네이스(xylanases)로 처리해서 크실로오스(xylose)를 생산하고 이것을 화학적 방법으로 환원시켜 크실리톨(xylitol)을 제조하는 새롭고도 진보된 제조방법에 관한 것이다.

섬유질 농산폐자원, 즉 볏짚, 보리짚, 밀짚 또는 옥수수 속에는 대체로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 각각 36%, 25% 및 20% 정도로 구성되어 있는데, 지금까지는 이중 가장 많은 부분을 차지하는 셀룰로오스의 재활용에 대한 연구가 대부분이었다.

본 발명에서는 헤미셀룰로오스를 효과적으로 활용하는 방법으로써 헤미셀룰로오스로부터 크실리톨을 생산하는 것을 주목적으로 한다. 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스와 달리 주로 크실로오스와 아라비노오스 등의 오탄당으로 이루어진 복합중합체이며 셀룰로오스에 비해 결정 구조가 없으므로 산·알칼리에 의해 비교적 쉽게 가수분해 된다. 그러나 이러한 산·알칼리에 의한 가수분해법은 선택성이 결여되어 있으며, 또한 부반응을 수반하므로 분해 생성물의 정제에 많은 어려움이 따르고 부반응의 결과 생성된 부산물이 분해 생성물의 이용을 저해하는 것이 결점으로 지적되고 있다.

한편 효소를 이용한 효소 가수분해법은 매우 온화한 조건에서 이루어짐으로 열에너지를 절약할 수 있을뿐 아니라 기질을 특이적으로 분해하여 소정의 분해 생성물을 높은 순도로 얻을 수 있다.

또한 부반응이 생기지 않으므로 정제 및 이용이 용이한 장점이 있다. 따라서 다음의 실시예에서 보는 바와 같이 본 공정에서는 효소 분해법을 사용하여 여러가지 농산 폐기물을 가수분해한 결과 높은 순도의 크실로오스를 얻을 수 있었으며, 별다른 중간공정없이 다음 단계인 환원반응 기질로 사용할 수 있었다.

효소를 사용한 가수분해 공정은 효소의 작용을 용이하게 하기 위한 원료 물질의 전처리가 선행되어야 한다. 이러한 전처리 공정에는 기계적으로 분해하는 방법과 알칼리 등을 사용한 화학적 처리법이 있다.

따라서 지금까지 보고된 산·알칼리 및 효소 가수분해 공정에 있어서 이들 공정의 효율을 요약하여 보면 다음과 같다.

첫째로 산가수분해법(Rosenberg, Enz. Microb. Technol. , 1980, 2, 185)은 보리짚을 원료로 사용하여 2% 황산수용액 속에서 150℃, 10분간 가수분해 시킴으로써 함유된 헤미셀룰로오스의 74% 수율을 얻었는데 그 순도는 60% 정도였다. 시톤(Sitton) 등(Process Biochem. Sep 1979, p. 7)은 옥수수대를 4.4%의 황산용액 속에서 100℃, 50분간 가수분해 시킴으로써 94%의 수율을 얻었는데 순도는 77.8%였다.

다음으로 효소 가수분해법의 선예로서는 쿠사카베등(일본 노예학회지 50, 209(1976))에 의한 연구가 있으며, 이들은 옥수수축, 볏짚 및 자작나무 목재를 각각 5%, 5% 및 3% 암모니아수에 30℃에서 5일간 침지 전처리한 후 55℃에서 24시간 효소 가수분해시킴으로써 각각 72%, 59% 및 68의 수율을 올렸는데, 크실로오스의 순도는 79.9%, 70.8% 및 92.7%였다.

본 발명에서는 토양에서 분리 동정한 사일라네이스의 생산성이 우수한 아스퍼질러스 나이거 KG 79(KFCC 10034)(1981. 7. 25자 기탁)를 사용하여 매우 온화하고 짧은 시간의 전처리(실온에서 알칼리 수용액에 24시간) 과정을 거쳐 온화한 조건에서 크실로오스를 생산하는 것을 특징으로 한다. 이러한 가수분해 조건은 실온과 약산성에서 이루어지므로 (pH 4-5에서 48시간) 열에너지의 절약과 함께 많은 공간 및 시간을 절약할 수 있다. 또한 이러한 효소는 크실란(Xylan)을 선택적으로 가수분해하기 때문에 높은 순도(87%)와 높은 수율(86.8%)의 크실로오스를 얻을 수 있었을 뿐만 아니라 부반응이 일어나지 않으므로 그 다음 과정에서 크실로오스를 이용하는데에 저해요소가 발견되지 않았다. 즉, 활성탄을 사용하여 탈색공정만 거치면 곧 바로 환원반응에 의해 크실리톨의 생산에 이용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 발명의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면, 볏짚, 보리짚, 밀짚, 옥수수속, 톱밥, 왕겨등의 농산폐자원을 알칼리수용액으로 48시간 이내에 전처리하고, 얻어진 농축액에 아스퍼질러스 나이거 KG 79(KFCC 10034)에서 생산되는 사일라네이스 효소를 첨가하여 가수분해시켜 D-크실로오스를 얻은 후 공지의 방법으로 수소첨가하여 크실리톨을 얻는 새롭고도 진보된 크실리톨의 제조방법이다.

본 발명에서의 알칼리 수용액이라 함은 농산 폐자원을 분해시키는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨 등을 말하는데 이들을 각각 단독으로 또는 두가지 이상으로 혼합하여 사용할 수 있다.

경제성을 고려하여 수산화나트륨이 바람직한 약품이며, 알칼리 수용액의 농도는 3% 정도이나 바람직한 농도 범위는 0.5-2%이다. 가수분해시 반응은 약산성에서 이루어지는데 pH는 4에서 6까지의 범위가 좋으나, 최적 pH 범위는 4-5이다.

본 발명의 상세한 내용은 다음 실시예에서 설명해줄 것이나 이에 국한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

토양중에서 분리 동정한 사일라네이스 효소의 생산성이 우수한 미생물 아스피질러스, 나이기 KG 79를 밀기울과 보리짚으로 이루어진 고체배지에서 배양한 후 추출하여 효소액을 얻는다. 밀기울 160g, 보리짚 40g과 물 150g을 잘 섞은후 얕은 용기에 담아 가압증기 멸균후 위 곰팡이 모균을 접종한후 30℃에서 3일간 배양한후, 1,000g의 물을 가해 추출하여 얻은 효소액을 사용한다. 이와 같이 제조된 효소액은 40u/ml의 활성을 나타냈다.

원료로 사용될 섬유질 폐자원 특히 보리짚 1,000g을 절단기를 사용하여 1cm정도로 분쇄한후 1.0% 가성소오다 용액 5배양으로 24시간 처리하여 전처리를 한후 염산으로 중화하고 pH를 4.5로 조절한다.

이렇게 해서 얻어진 효소용액과 보리짚을 혼합하여 30℃에서 48시간 처리하여 가수분해를 시킨다. 이때 액체의 양이 보리짚 양의 10배를 넘지 않도록 한다. 가수분해후(15.8%) 모액을 압착기를 사용하여 추출한후 활성탄을 사용하여 탈색을 시킨후에 진공농축기를 사용하여 농축하면서 탈염을 시킨다.

농축액에 300g의 에틸알코올을 혼합하면서 침전물을 제거한 후 라니니켈 50g을 가하고 30℃ 온도에서 2.5 기압의 수소가스를 존재하에 교반반응, 환원시킨다. 반응종료후 라니니켈을 제거하고 결정화에 의해 크실리톨을 일차 회수한다. 잔액을 다시 이온교환수지를 통과한후 재결정하여 순수한 크실리톨을 얻는다.

이렇게 해서 중간생성물이 크실로오스를 86.8%의 수율 및 87%의 순도로 얻었으며 최종 산물 크실리톨을 116g을 얻을 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 기술된 바와 같이 사일라네이스를 생산하기 위하여 아스퍼질러스나이거 KG 79을 배양할때에 사용된 배지중에서 보리짚 40g 대신에 옥수수 헤축의 분말 40g를 사용하여 효소액을 제조하였다.

이와 같이 제조된 효소액에는 42u/ml의 사일라네이스 활성을 나타냈으며 이 효소액을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 보리짚 1kg을 가수분해하여 크실로오스 130g을 얻었으며, 이것을 환원시켜 크실리톨 118g을 얻을 수 있었다.

[실시예 3]

보리짚 1,000g를 절단기로 길이 1cm 정도로 절단한 다음 2.0% 가성소오다용액 5배량으로 24시간 전처리하여 염산으로 중화한 다음 실시예 1의 방법에 따라 제조된 효소액을 처리하여 보리짚속의 크실란을 가수분해하였다. 이와 같이 하여 얻은 크실로오스 용액에서 정제회수하여 순수 크실로오스를 145g를 얻었으며 이 순수 크실로오스를 물에 녹여 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가 반응을 거쳐 크실리톨 120g을 얻을 수 있었다.

[실시예 4]

보리짚 100g을 볼밀을 사용하여 분말상태로 분쇄한후 0.5% 가성소오다 용액에 24시간 전처리한후 중화하여, 실시예 1과 같은 방법으로 가수분해시킨 결과, 15g의 크실로오스를 얻을 수 있었으므로, 이것을 실시예 1과 같은 수소첨가반응을 시켜 11.5g의 크실리톨 결정을 얻었다.

[실시예 5]

보리짚 1kg에서 실시예 1과 같은 조건으로 처리하여 크실로오스 158g 정제결정을 얻은후 실시예 1과 같은 조건에서 수소를 상압으로 불어넣어 주면서 환원시킨 결과 110g이 크실리톨을 얻을 수 있었다.

[실시예 6]

기타 농산폐자원을 500g씩 사용하여 실시예 1과 동일한 전처리공정을 거친후 효소가수분해를 시킨 결과 볏짚은 8.0%, 보리짚은 15.8%, 옥수수 수축은 19.6%, 톱밥은 6.8%, 왕겨는 4.5%의 크실토으스를 얻을 수 있었다. 이와 같이 얻은 크실로오스는 실시예 1과 같은 방법으로 수소첨가 반응을 거쳐 크실리톨을 제조하였다.

[실시예 7]

보리짚 500g를 실시예 1과 같은 방법으로 알카리로 전처리한 후 효소반응 용량을 줄이기 위하여 보리짚량의 5배용량의 반응액중에서 가수분해시킨 결과 62g의 크실로오스를 얻을 수 있었다. 이와 같이 적은 반응용량으로 보리짚을 처리할 때에는 보리짚 부피를 줄이기 위하여 중력을 가하여 눌러놓았다.

Claims (3)

1. 0.5-2%의 알칼리수용액으로 전처리한 농산 폐자원 시료를 아스퍼질러스나이거 KG79(KFCC 10034)에서 생산되는 사일라네이스(xylanase)로 가수분해시켜 D-크실로오스를 얻은 다음, 공지 방법으로 수소 첨가하여 크실리톨을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 농산 폐자원이 볏짚,보리짚, 밀짚, 옥수수속, 톱밥, 왕겨 등으로 이루어진 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 알칼리수용액이 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄염칼륨 중에 단독 또는 두가지 이상의 수용액으로 이루어진 제조방법.