셀룰로스의 포도당 전환은 산 분해, 효소 분해에 의해 진행되는데 산 분해는 고온에서 운전되고 부식될 위험이 있으며 에탄올 생산성이 낮은 단점이 있다. 단점을 해결하기 위하여 가두기 방법, 담체로 키토산과 PVA를 사용하는 방법, 가교 공유 결합 방법, 실리카겔과 같은 무기물 또는 고분자에 의한 고정방법 등 효소 고정화 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 cellulase 고정화를 통해 효소의 안정화를 증가시키고 셀룰로스의 가수분해 능력을 향상시키는 데 목적이 있다. 자유효소, 고정화 효소에 의한 분해특성을 비교하고 Michaelis-Menten 속도식을 기초로 한 가수분해 수학적 모델을 제시하였다.
<h1>서 론</h1> <p>바이오매스를 당(sugar)으로 전환한 후 발효 혹은 화학적 변환에 의해 에탄올과 같은 액체 연료나 화학물질을 생산하는 것에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 바이오매스에 포함된 셀룰로스계 물질의 주 성분은 헤미셀룰로스(hemicellulose), 셀룰로스 그리고 리그린(lignin)으로 구성된다. 이 중 셀룰로스는 변환에 의해 포도당으로 전환되지만 헤미셀룰로스는 pentose로 전환되어 발효에 의해 에탄올로 전환하는 것이 어렵다.</p> <p>셀룰로스가 포도당으로 전환하는 공정은 산 분해 혹은 효소분해에 의해 진행되는데 산 분해는 고온에서 운전되고 부식의 문제가 있으며 또한 에탄올 생산성이 낮은 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 효소 가수 분해 공정을 사용한다. Cellulase는 셀룰로스를 당으로 분해하는 효소로서 3가지 구성 성분을 가진 복합 효소이다. 첫째 성분은 셀룰로스를 무작위로 가수 분해하는 endoglucanase이고, 둘째 성분은 비환원 말단에서 이당류 단위로 가수 분해하여 cellobiose를 생산하는 exoglucanase이고 마지막으로 이당류인 cellulobiose를 포도당으로 분해하는 \(\beta\)-glucosidase로 구성되어 있다.</p> <p>Cellulase는 전분을 가수 분해하는 효소인 amylase에 비해 활성이 매우 낮기 때문에 바이오매스를 활용하여 재생 에너지를 생산하는 연구에 걸림돌이 되고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위한 일환으로 효소 고정화에 대한 연구가 진행되고 있다. 고정화 효소를 사용하면 안정성이 높고 재사용이 가능하기 때문에 전체 공정의 비용을 줄일 수 있다. 고정화 방법으로는 가두기(entrapment)에 의한 방법, 담체로 키토산과 PVA을 사용하는 방법, 가교에 의한 공유 결합 방법, 실리카 겔과 같은 무기물이나 polyacrylamide와 같이 고분자에 의한 고정화 방법 등이 있다. 효소 고정화의 단점인 기질의 물질전달에 의한 확산 저항을 감소시키기 위한 연구도 진행되었다. 고정화 효소 반응기로는 충진층 반응기, 유동층 반응기, 그리고 막 반응기 등이 사용되었다</p> <p>셀룰로스의 효소 가수분해에 대한 수학적 모델은 대량 생산공정 개발에 필수적이다. 셀룰로스의 가수 분해의 속도를 연구하기 위해 용해성 셀룰로스로 CMC (carboxy-methyl cellulose)와 WSCA (water-soluble cellulose acetate)를 기질로 사용한다. 셀룰로스의 가수 분해 속도식을 결정하기 위해 초기 속도법과 적분 속도 방정식을 사용한다. 셀룰로스의 분해에서 생성되는 포도당과 cellubiose는 효소반응의 저해물질로 작용하는 것이 알려져 있다. 저해작용이 있는 효소 속도 반응식은 용해성 기질을 사용할 때 Michaelis-Menten 속도식을 변형하여 사용한다.</p> <p>본 연구의 목적은 cellulase 고정화를 통한 효소의 안정성을 증가시키고 셀룰로스의 가수 분해 능력을 향상시키는 것이다. 이것을 위해 본 연구에 사용된 약 염기성 음이온 교환수지 담체는 식품용으로 적절하고 연속조업에서 안정성을 보인 Duolite A568을 사용하였고 이것에 대한 효소의 흡착 특성을 조사하였다. 자유 효소와 고정화 효소에 의한 cellulase의 분해 특성을 비교하고 Michaelis-Menten 속도식에 기초한 가수분해에 대한 수학적 모델을 제시하였다. 충진층 반응기에서 운전 조건에 따른 가수분해 능력과 안정성을 평가하였다.</p>