KR880002534B1 - 다당류 용액 농축법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다당류 용액 농축법

본 발명은 보조 기름회수에 사용되는 다당류를 함유한 용액 농축법에 관한 것이다. 크산토모나스형 박테리아에 의해 생성된 크산탄(Xanthan)과 같은 미생물을 이용하여 탄수화물을 발효시킬때 나오는 다당류는 공지의 것이지만 분말형태로나 묽은 용액으로 얻고 있다.

병참학적(兵站學的)인 면에서 보면 분말형태가 묽은 용액보다 수송하기에 훨씬 좋지만 분말은 흡습성이 크고 특히 물에 용해시키기가 곤난하다는 등의 취급상 단점이 있다. 또한 제품의 품질은 저장도중 건조시에 산화에 의해 구조가 손상을 입기 때문에 열화(劣化)된다.

이러한 단점과 묽은 용액은 수송하는데 있어서의 단점을 농축액으로 만드므로서 극소화 시킬수 있고 본 발명에 의해 초여과법으로 적절한 농축액을 제조할 수 있는 것이다.

크산토모나스에 의해 생성된 다당류의 점도는 극히 크기 때문에(7000cp정도 이상인데 이것은 2% wt/wt 수용액에 대한 것임) 초과여법으로 처리하기가 극히 어려운 물질인 것이다. 더우기 미생물에 의해 생성된 제품중에는 대개 세포질의 부스러기 같은 물질을 함유하고 있으므로 이들이 여과막을 폐쇄시켜 에너지 소모를 크게 하고 있고 극히 유량이 작게한다. 놀라운 점으로서는 점성도가 극히 큰 묽은 다당류 요액은 세포질 부스러기를 함유할 경우라도 막을 크게 오염시키지 않고서 가능한 점도의 유량이 나오도록 초여과법으로 농축시킬 수 있다는 점이다.

따라서 본 발명은 수용성 다당류로된 점성이 있는 수용액을 다당류가 막을 통과하지 못하게끔 충분히 작은 기공을 가진 다공성 막과 접촉시켜 막을 통해 침투한 액체를 배출시키므로서 용액을 초여과시키므로서 용액을 농축시키는 방법에 관한 것이다. 어떤 특수한 이론에 구속됨이 없이 의가소성(疑可塑性), 즉 전단(剪斷)약화 점성을 가지고 있다는 것은 최소한 초여과법으로 나타나는 농도와 점성도의 정도에 놀라울 만치 그 영향이 부분적으로 미치므로해서 본 발명에 의한 방법은 특히 이러한 성질을 가진 다당류에 적용할 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 방법으로 농축되는 다당류 수용액은 물속에 적당한 수용성 다당류를 용해시켜 얻을 수도 있고, 다른 방법으로는 보다 편리하게 이용되는 것으로 크산토모나스 같은 다당류 생성 미생물을 발효시킬 때 나오는 실질적인 발효액을 이용하는 것이다. 적당한 배양기(培養基)(녹말, 글루코오스 또는 밀기울 같은 동화성 탄소공급원과 암모늄염, 효모추출물 또는 탈지된 콩가루 같은 동화성 질소 공급원을 함유한것)와 미생물(예 : 종래의 코리네박테리움 또는 크산토모나스 캄페스트리스 ATCC 13951 또는 B 1459 같은 크산코모나스 박테리아 또는 NCIB 11264 또는 11592 같은 슈우도모 나스종)을 함께 발효시켜 나오는 직접 생성물은 다당류, 다당류를 생성하는 미생물 및 인산염, 질산염, 칼륨 및 마그네슘 등의 각종 무기 이온을 포함하는 기타 물질을 함유한 발효즙이다. 점성도가 최소한 100cp인 발효즙을 초여과 하여 사용가능한 농도를 얻을 수 있으며 초기 점성도가 4000cp인 발효즙 이라도 만족하게 취급할 수 있다.

본 발명에 의한 초여과 농축법을 초여과법과 막을 통해 다당류의 통과를 방지할 수 있는 충분히 작은 기공을 가진 다공질 막을 사용한 공지의 장치를 이용하여 실시할 수 있다. 적당한 막 물질로서는 분자량(즉 막을 통과할 수 있는 생성물의 최대 분자량)이 최대한 60,000인(20,000을 초과하지 않는 것이 좋음)것으로서 시중에서 확보 가능한 플루오르화 폴리비닐덴막과 폴리술폰막이 있다. 물론 이들 막은 뒷 받침판 위에 지지시켜 막이 초여과법에 의해 부과되는 물리적인 응력에 견딜수 있도록 한다. 보통 초여과법은 2-20바아(bar)의 범위내의 정압(正 t1 )하에서 실시하는데 4-10바아의 범위로 하는 것이 좋다. 점성이 극히 큰 다당류 용액을 초여과 처리할 수 있는데 이때 단지 낮은 압력강하가 일어나지만 큰 유량을 얻을 수 있고 또한 유지할 수 있다. 적당한 초여과 장치로서는 관모양 막, 나선형으로 감은 막, 판상막 및 프레임 막이 있다. 이중에서 프레임막은 보통 가장 양호한 결과를 주지만 어떤 특수한 예에 있어서 적합한 계통은 기계적인 제한을 크게 받으며 또한 소요의 막면적과 처리되는 재료의 부피에 대해 공간적인 제한을 받는다. 위에서 상술한 바와 같이 다당류 용액이 사실상 발효즙일때 여기에는 보통 세포질 부스러기와 비생균(非生菌)박테리아가 함유되므로해서 침전물과 주입용수 여과기의 폐쇄가 일어난다는 점에서 중합체 이용면에 있어서 어려움을 겪게된다. 다당류를 함유하는 세포질 부스러기가 있는 수용액을 정화하는데 대한 문헌을 보면 여러가지 방법이 제시되어 있는데, 그 예로서 효소처리법이 있고(미국특허 제3,966,610호) 이 방법을 고체질의 규산질물질상에 흡착시켜 사용하는 방법(미국특허 제4,119,491호)로 있으며 가성화법 또는 응고법도 있다. 어느 방법이나 발효즙을 정화하는데 사용되는 것으로서 다당류를 함유한 발효즙을 초여과 농축시킬때 같이 사용된다.

이러한 방법을 병용하므로서 농축 및 정제된 다당류 용액을 만들수 있다. 초여과법과 효소처리법을 병용하므로서 농축 및 정제가 양호하게 된다. 따라서 본 발명에 의한 적절한 예를 보자면 수용성 다당류도 된 점성이 있는 수용액을 처여과 처리하여 세포 용해성 효소 처리를 하므로서 농축 및 정제하는 방법인 것이다. 효소를 초여과 처리전후에 첨가한다. 한가지 편리한 예를 보면 다음에 상술되겠지만 효소를 초여과 처리물중에 첨가하여 UF계통을 통해 순환시키므로서 저분자량이 생성물을 효소로 파괴하여 막을 통과할 수 있게 하므로서 침투물에서 제거하는 것이다.

효소 처리법에 사용되는 효소는 점성이 크게 상살되지 않고서도 다당류 용액을 정제할 수 있을 정도로 미생물 세포나 세포질 부스러기를 분해할 수 있는 것이라야 한다.

이 방법에 적절히 사용할 수 있는 효소는 “알카라아제(Alcalase)”와 “에스페라아제(Esperase)”(예 : NOVO)“막사자임(Maxazyme)”과 “막사타아제(Maxatase)”(예 : Gist-Brocades) 및 “키타라아제(Kitalase)”(예 : Kumiai)등이 있다.

특히 에스페라아제를 세포용해 작용이 있는 효소로 사용하면 양호한 결과를 얻게 된다.

공지의 방법으로 효소 처리법을 실시할 수 있다. 예를 들자면 효소 또는 효소를 함유한 용액을 소량 다당류 및 세포 부스러기를 함유한 발효즙에 첨가하고 이 혼합물을 교반하던지 하지 않던지간에 일정시간 두어 효소작용을 일으키므로서 세포물질의 분해와 용해가 충분히 일어나도록 하는 것이다.

사용되는 효소 농도는 사용되는 다당류의 농도와 불용성 세포질 부스러기로 오염되는 정도에 따라 달라진다. 보통 효소 농도를 10-500ppm으로 하여 사용하지만 50-250ppm 범위로 하는 것이 좋다.

또한 농도를 편의상 0.5 또는 1Au/발효즙 Kg(Au : Anson unit)으로 할때 앤손 단위로 측정하여 실질적으로 프로테아제 활성의 항으로 나타내기도 한다. 교반을 하지 않고 효소 처리법을 실시할 수 있지만 발효즙을 교반하여 시간을 줄이고 고체의 침강을 방지하도록 하는 것이 좋다. 효소 처리를 실온 또는 이 보다 약간 높은 온도에서 하는 것이 편리하다. 효소 처리를 70℃정도의 약간 고온에서 할 경우도 효과적인 때가 많다. 효소로서 에스페라아제를 특히 사용할 경우 효소처리를 50°-70℃에서 하는 것이 편리한데 60-65℃에서 하는 것이 좋다.

70℃이상이 되면 세포 용해성 효소가 신속히 분해되므로 이온도를 피해야 한다. 적당한 세포분해 작용을 일으키자면 다당류 수용액의 pH를 2-11정도의 범위로 적당히 유지 하는 것인데 4-10사이로 pH를 조절하는 것이 좋다. pH 약 9와 약 7 정도의 에스페라아제와 막사타아제를 효소로 사용하여 양호한 결과를 얻었다.

본 발명에 의한 방법을 회분식(回分式) 또는 연속적으로 실시할 수 있다. 초여과법과 효소처리법을 병용하면 다당류 수용액을 묽은 발효즙 또는 묽게 하지 아니한 발효즙으로 함유한 저장탱크에 효소를 함유한 용액을 첨가하거나 필요에 따라 크산탄 검 같은 분리된 다당류나 시판되는 미정제된 다당류로 만든 수용액으로 첨가하므로서 편리하게 효과를 볼 수 있을때는 전체공정을 연속공정으로 하는 것이 좋다. 반응용기의 크기를 충분한 크기로 해야 하고 적당한 효소 존재하에 고체세포질 부스러기를 함유한 수용액에 충분한 체류시간을 부여하므로서 소요의 세포분해정도가 될 수 있도록 효소와 다당류 첨가 속도를 유지해야 한다. 필요에 따라서는 용기를 효소가 적정한 활성을 나타내는 온도까지 가열해야 한다. 반응이 종료되는 즉시 효소처리된 다당류 용액을 초여과 장치로 옮겨서 고체질의 규산물질과 생성물을 최소한 일부를 접촉시키는 추가적인 정제 처리과정을 거치거나 그데로 사용할 수 있을 정도의 농축된 제품을 얻는다. 초여과 처리동중의 어떤 단게에서 얻는 농축액중 최소한 일부를 반응용기로 순환시켜 효소처리를 할 수도 있다. 이 방법은 아직 분해되지 아니한 세포질 부스러기를 체류 시간동안 첨가하거나 이전에 존재하였든 효소로 다시 처리한다는 장점이 있는 것이다. 앞서 상술한 데서 분명히 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 방법으로 제조한 농축된 다당류 용액의 장점은 수송이 용이하고 사용이 용이하다는데 있다. 그러나 농축물을 중합체로 처리된 유동액용으로 사용할 수는 없으나 소요의 점성도에 따라 적당한 농도를 묽게 해야 한다. 대개 적당한 농도 범위는 200-1500ppm인데, 특히 500-1250ppm범위로 한다.

본 발명에 의해 제조된 농축액을 다당류 분말보다 훨씬 작업성이 좋은 농도로 묽게 할 수 있겠으나 점진적인 희석법으로 농축물을 균질 상태로 효과적으로 묽게 할 수 있다. 이 방법중 한가지 편리한 예로서는 농축액의 흐름을 일정하게 하여 저장탱크에서 순환이 되도록 하는 것이다. 순환 펌프를 통해 농축물과 물이 통과하게 되므로서 보통 혼합이 만족스럽게 되지만 필요에 따라서는 정적 혼합기를 통하여 추가 혼합시켜 통과시킨후 저장탱크로 보낸다.

묽게된 다당류 농축물을 침투성 저류(低流)속으로 직접 주입하는데 사용할 수 있으나 규조토 같은 여과조제를 이용하여 여과하므로서 묽은 용액에 최종적인 정제처리를 하는 것이 필요하다. 필요에 따라서는 정제단계를 농축물 제조과정중에 포함시켜도 되는데, 즉 초기의 묽은 발효즙을 효소에 의한 세포 파괴, 규조토 여과 및 초여과 농축법을 결합시킨 복합공정으로 처리한다.

또한 기공 크기가 0.2-0.8마이크론인 다공질 막을 통과시키는 미량 여과법으로 잔존하는 세포 부스러기를 제거할 수도 있다. 막의 폐쇄를 극소화하자면“펠리콘(Pellicon)”미공(微孔)거르개 카세트의 경우처럼 막에 대하여 유체이동을 접선 방향이 되게 해야한다.

이 계(系)는 다소 초여과법에서 사용된 것과 유사한데 근본적인 차이점은 미량 여과단계에서 나온 소요의 제품은 세포가 함유되지 않은 여과액인 반면 초여과단계에서 소요의 제품은 농축된 물인 것이라는 점이다.

그러나 복합공정에 의해 최소한이 처리를 필요로 하는 제품을 얻을 수 있겠으나 일반적으로 농축초여과법에 의한 처리물의 점성도가 증가되므로서 여과층이나 막을 통과하는 유효유량을 유지 하기가 어렵다.

본 발명을 실시예 따라 상술한다.

[실시예 1]

효소처리가 다당류용액에 미치는 영향을 설명하기 위해 발효즙(예 : TNO) 그데로의 것과 52℃ 및 pH9.4에서 에스페라아제(200mg/ 발효즙 kg)로 처리한 후의 발효즙에 대해 흡광도를 측정했다(전단속도 6.28sec^-1에서 25℃에서 브룩필드 점성도도 아울러 측정했음).

처리하지 아니한 용액의 흡광도는 2.7(abs/cm)인 반면 에스페라아제로 처리한 용액의 흡광도는 1시간 경과후에 0.13이었는데 이 값은 최소한 그 다음 시간 동안 일정하게 유지되었다. 52℃ 및 pH7.25에서 동일한 발효즙의 다른 시료를 막사타아제(402mg/ 발효즙 kg)로 처리한 결과 1시간 경과후 흡광도가 2.1이었고 2시간 경과 후에는 1.8이었다. 처리하지 아니한 발효즙의 점성도(1900-2200cp)은 관찰도중 그다지 변화하지 않았다.

[실시예 2]

효소처리와 농축처리를 병행한 후 생물중합체의 질소(세포질 부스러기에서 나온것)감소량을 설명하기 위하여 생물중합체와 초 여과처리 도중에서 생성된 각종 처리물의 시료를 이용하여 질소분석을 실시했다.

브룩필드 점성도가 약 3700cp(전단속도 6.28sec^-1에서 25℃에서 측정한 것)이고 흡광도가 2.69(abs/cm)인 발효즙(예 : TNO)을 이용하여 실험을 하였다. 질소분석에서 나타난 결과는 무효소처리한 발효즙에서 나온 생물중합체의 농축물중의 질소함량은 6.8%wt.이었는데 반하여 에스페라아제로 처리한 발효즙의 질소함량은 5%wt.이었는 데, 이것은 원래의 질소량이 상당히 감소되었음을 나타내는 것이다. 각종 처리물의 질소함량은 0.01%wt.이하로 급격히 감소 되었다. 에스페라아제로 처리한 발효즙의 점성도는 3300cp이었고 흡광도는 0.17(abs/cm)가 되었다. 막사자임으로 처리한 발효즙을 이용했을 때도 마찬가지 결과를 얻었다. 이 효소로 처리한 발효즙의 점성도는 초기의 발효즙의 점성도보다 훨씬 컸다. 질소량과 흡광도는 에스페라아제로 처리한 발효즙에서 관찰된 것과 유사한 양상을 나타내었다.

[실시예 3]

초 여과법을 이용하였을 때와 이용하지 않았을 때 및 효소처리를 하였을 때와 하지 않았을 때에 대해 1바아의 정압하에서 압력 실린더를 이용하여 몇 가지 발효즙의 여과성을 측정하였다. 1.2㎛ 및 0.45㎛의 미공 거르개를 각각 이용하였다. 초여과처리 후에 얻은 다당류 농축물을 침투제로 1.4%wt.까지 묽게 한 후 증류수를 이용하여 1000ppm으로 묽게 했다. 비교해 볼 목적으로 크산플루드 액(Xanflood Solution)(A), 발효즙(예 : TNO)(B), 농축처리하지 아니한 (A)와 (B) 및 초여과 처리하지 아니한 에스페라아제 처리된 발효즙(예 : TNO)(C)를 이용하여 여과시험을 하였다. 사용된 기공크기에서의 일정시간 후에 얻을 전체 여과액으로 나타낸 여과성 데이터는 표 1 에 있는 바와 같다.

[표 1]

[실시예 4]

제작회사 설명서에 따라 분자량이 65,000인 GR 50p형 막을 이용하여 덴마크제 초 여과장치 및 펌프〔De Danske Sukkerfabrikker (DDS) Lab·Module〕를 조립했다. 시판품되는 크산탄 제품인 “켈잔(kelzan)”MF로 된 1%수용액을 이 장치속으로 7-15바아의 유입압을 유지할 수 있는 속도로 순환시켰다. 침투제와 순환물에 있어서 크산탄 농도를 측정했는데 침투제에 있어서는 이 농도를 무시했으나 순환물에 있어서는 초기농도 1%가 최종 농도 18%로 증가했다.

[실시예 5]

크산토모나스를 발효시켰을때 나온 크산탄을 함유한 액즙을 여러가지 공급물질에서 얻어 200l 시험 순환처리 계통에 설치한 DDS모듈(35-2.25형)을 이용하여 초여과 농축 처리했다. 모듈에는 7개의 막판(膜板)이 평행으로 연결되어 있어서 전체 막면적이 1.05㎡이었고 이 막은 GR 5라는 명칭으로 DDS에서 공급되어 있는 것인데 분자량이 60,000인 폴리술폰으로 된 막이다. 어떤 경우에 있어서 세포용해성 효소를 발효즙에 첨가하여 세포질 부스러기를 파괴하였다. 농도가 커짐에 따라 막전체에 걸친 압력차가 증가하였고 펌프속도는 감소하였으며 이 결과는 표 2에 있는 바와 같다. 표 2 에서 알 수 있는 것은 다당류의 농도를 10wt.%이상 증가시킬 수 있다는 점이다.

[표 2]

Claims (5)

1. 막을 통해 다당류가 통과하지 못하게 할 수 있는 충분히 작은 크기의 기공을 가진 다공질막을 통해 초 여과 시키므로써, 점도가 100cp이상(25℃, 6.28의 전단속도하에 측정)인 수용성 전단약화 다당류로 된 점성이 있는 수용액을 농축시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서 다공질막에 대해 막의 평면과 평행방향으로 다당류 용액을 순환시키는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 막의 기공이 분자량이 6000이상인 거대분자를 통과하지 못하게 한 막을 이용하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서 다당류를 생성하는 미생물을 발효시켜 나오는 발효즙을 다당류 수용액으로 사용하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서 초 여과 처리된 전후에 발효즙에 세포 용해성 효소를 첨가하는 방법.