Endoglucanase와 endoxylanase가 펄프의 특성과 셀룰로오스 나노피브릴 제조에 미치는 영향

Abstract

셀룰로오스 나노피브릴(셀룰로오스 nanofibrls, CNF)는 기계적인 힘을 가하여 제조한, 폭 100nm이하, 길이 수 µm 이하의 나노셀룰로오스를 일컫는다. CNF는 높은 비 인장강도와 낮은 열팽창계수, 높은 비표면적, 친환경성과 생분해성등의 다양한 장점으로 많은 관심을 받아오고 있다.

CNF를 제조하는 방법은 펄프를 1~2% 지료로 준비하고 강한 기계적 전단력을 가하는 것인데, 나노화 과정까지 많은 에너지가 요구되기 때문에 이를 줄일 필요가 요구되어왔고, 여러 전처리 방법들을 통해 CNF의 제조에 필요한 에너지 소모를 줄이려는 노력이 시도되어왔다.

본 연구에서는 CNF 생산에 효소 전처리가 미치는 영향을 구명하고자 미건조 활엽수 표백 크래프트 펄프를 대상으로 endoglucanase와 endoxylanase 두 효소를 이용하여 전처리를 가하였을 때, 효소 전처리가 펄프의 특성과 나노피브릴화에 미치는 영향을 평가하였다. 전건 펄프 무게 대비 효소를 0.5 wt%, 효소 혼합비는 endoglucanase와endoxylanase의 무게비를 100:0부터 0:100까지 6가지 조건으로 다르게 해서 전처리를 실시하였다. 펄프의 특성으로 섬유장, 여수도, 보수도. CED 점도, 화학적 조성비를 측정하였으며, 효소 전처리된 펄프를 그라인더와 호모게나이저를 이용하여 나노화를 실시하고 그 통과횟수별로 시료의 형태와 저전단점도를 측정하여 나노화 양상을 살펴보았다.

효소를 단일 처리한 경우보다 혼합처리한 경우 펄프 특성에 있어 더 큰 변화가 있었다. 미세분 함량과 셀룰로오스 중합도가 감소하고 여수도와 보수도가 증가하였으며, 이는 단일효소 처리한 경우보다 혼합처리한 경우 더 많이 변화하였다. 펄프의 결정화도나 화학적 조성비는 효소 전처리에 의해 큰 영향을 받지 않았다. 각 효소 전처리 펄프를 그라인더를 이용하여 나노화하였을 때, 1% 농도 조건에서 CNF 현탁액은 무처리 펄프로 제조한 것보다 200~800 cPs 더 낮은 400~1000 cPs의 점도를 지녔다. 무처리 펄프는 CNF를 제조하기 위해 그라인더를 30번 통과하여야 했지만, 효소 전처리 펄프는 18번 그라인더를 통과하는 것만으로도 CNF로 분화되어, 더 적은 그라인더 통과횟수 즉, 적은 에너지로 CNF 제조가 가능하였다. 최종적으로 얻은 30번 그라인더를 통과한 CNF의 폭은 무처리 조건과 효소 전처리 조건 모두 20 nm 근처의 폭을 가진 것으로 나타났다. 각 효소 전처리 펄프들에 기계적 처리를 추가로 실시하였을 때, 효소 전처리 펄프가 단순 고해 전처리 펄프보다 미세분이 더 많이 발생하였다. 특히 endoxylanase의 배합비가 증가할수록 고해를 거치며 미세분이 더 많이 발생하였다. Endoenzyme을 함께 사용하여 전처리한 펄프는 고해를 거치면 효소전처리 없이 고해만 가한 펄프나 단일 효소 + 고해 펄프보다 더 높은 보수도를 가져 피브릴화가 더 많이 발생한 것으로 판단된다. 효소만으로 전처리된 펄프들은 호모게나이저를 이용하여 분화할 수 없었지만, 15분동안 추가로 고해를 가하면 부분적으로 호모게나이저를 이용하여 나노화가 가능하였다. 이렇게 얻은 CNF는 400~600 cPs의 점도를 지녔으며 20nm의 평균 폭을 지녔다. 효소 전처리 펄프를 고해 후 그라인더를 이용하여 제조한 CNF는 최종적으로 그라인더 30번 통과 후 1% 현탁액 농도가 800~1500cPs의 점도를 지녀, 같은 조건에서 고해를 거치지 않은 효소 전처리 펄프를 이용하여 제조한 CNF 현탁액보다 더 높은 점도를 지닌 CNF를 획득할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 효소 전처리를 통해 CNF의 생산시 요구 에너지를 감소시키거나 최종적으로 획득하는 CNF의 물성을 조절할 수 있을 것으로 기대한다.

주요어 : 펄프, 효소, 고해, 셀룰로오스 나노피브릴, endoglucanase, endoxylanase