모자반을 묽은 산 가수분해법을 이용해 환원당과 levulinic acid을 생산목적으로 반응을 수행하며 각각의 실험은 \(\mathrm{50 ml}\) 규모의 회분식 스테인리스 스틸 재질의 반응기를 사용하여 고/액비(solid-to-liquid ratio,w:v) 1:15로 설정하고, 반응표면분석법을 적용한 실험계획을 디자인하기 위하여 Design-Expert 7 software (Stat-Ease, Inc., USA)를 이용,5-수준-3-인자의 중심합성회전설계법을 적용한다. 시료 중 환원당은 glucose를 표준물질로 사용, DNS법으로 분석한다.
<h1>재료 및 방법</h1> <h2>실험재료</h2> <p>실험재료로 사용한 모자반(S. fulvellum)은 전남 완도에서2009년에 수확한 것을 건조한 후 분쇄하여 실험에 사용하였다. Sulfuric acid, calcium carbonate, levulinic acid 및 기타 시약은 시약 급의 제품을 사용하였다.</p> <h2>실험방법</h2> <p>모자반을 묽은 산 가수분해법을 이용하여 환원당과 levulinic acid을 생산하기 위하여 다음과 같은 반응을 수행하였다. 각각의 실험은 \(\mathrm{50 ml}\) 규모의 회분식 스테인리스 스틸 재질의 반응기를 사용하여 고/액비(solid-to-liquid ratio,w:v) 1:15로 설정하였다. 반응의 시작은 반응기 내부의 온도가 설정온도에 도달하는 시점을 0으로 시작하였으며, 대략 5분 정도가 소요되었다. 반응기의 온도는 기름 중탕을 이용하여 \(\mathrm{150-200^ \circ C} \)의 조건으로 PID 온도컨트롤러를 이용하여 조절하여 반응시간(9.8-60.2분) 동안 반응하였다. 반응기 내의 반응물은 반응도를 높이기 위하여 마그네틱 바를 이용하여 약 \(200\mathrm{rpm}\)으로 교반하였다. 반응이 종료되면 반응기를수돗물을 사용하여 실온으로 빠르게 냉각시킨 후 시료를 취하였다. 얻어진 시료는 calcium carbonate를 이용하여 pH를 6으로 조절한 다음 8,800 × g로 20분간 원심분리하여 생성된calcium sulfate를 제거하여 얻은 상등액을 환원당과 levulinic acid 농도 분석에 사용하였다.</p> <h2>실험계획 및 통계분석</h2> <p>반응표면분석법을 적용한 실험계획을 디자인하기 위하여<p>Design-Expert 7 software (Stat-Ease, Inc., USA)를 이용하여 5-수준-3-인자의 중심합성회전설계법을 적용하였다. 반응온도 \( \left(150-200^{\circ} \mathrm{C}\right) \), 촉매농도 \( (0.3-3.7 \mathrm{wt} \%) \), 반응시간(9.8-\( 60.2 \) 분)을 반응인자로 설정하여 실험을 계획하였다. 실험 결과(Table 1)를 바탕으로 Design-Expert 7 프로그램을 이용 하여 회귀분석 및 quadratic response surface model을 구성하였으며, 모델의 질(quality)은 측정계수 \( \left(\mathrm{R}^{2}\right) \) 와 변이분석 (ANOVA)을 통하여 평가하였다.</p> <h2>Combined severity factor의 정의.</h2> <p>Combined severityfactor (CSF)는 반응온도, 반응시간, 그리고 pH의 함수로써반응의 가혹도(severity)를 나타내는 것이다.</p> <p>\( \mathrm{CSF}=\log \left[t \exp \left(T-T_{r e f}\right) / 14.75\right]-\mathrm{pH} \)</p> <p>여기에서, \( t \) 는 반응시간 \( (\mathrm{min}), T(t) \) 는 반응온도 \( \left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right) \), 기준 반응온도 \( \left(T_{r e f}\right) \) 는 100 , 그리고 \( 14.75 \) 는 임의상수 값을 나타낸다. \( \mathrm{pH} \) 는 실온에서 반응 전의 \( \mathrm{pH} \) 값을 사용하였다.</p> <h2>분석 방법</h2> <p>시료 중의 환원당은 glucose를 표준물질로 사용하여 DNS법으로 분석하였다. Levulinic acid의 농도는 굴절률 검출기가 장착된 HPLC 시스템(Agilent 1100, USA)을 사용하여 분석하였다. Aminex 87H 칼럼(Bio-rad사, USA)과 칼럼온도 \( 65^{\circ} \mathrm{C} \), 이동상 \( 5 \mathrm{mM} \) sulfuric acid \( (0.6 \mathrm{ml} / \mathrm{min}) \) 의 조건에서 분석하였다.</p>