1.히드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)HPMC는 건설, 제약, 식품, 화장품 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 중요한 셀룰로스 에테르입니다. HPMC는 증점, 필름 형성, 유화, 현탁 및 보수성이 우수하여 여러 산업에서 핵심적인 역할을 합니다. HPMC 생산은 주로 화학적 변형 공정에 의존합니다. 최근 생명공학의 발전과 함께 미생물 발효 기반 생산 방법 또한 주목을 받고 있습니다.
2. HPMC의 발효 생산 원리
전통적인 HPMC 생산 공정은 천연 셀룰로스를 원료로 사용하고 알칼리화, 에테르화, 정제와 같은 화학적 방법을 통해 생산됩니다. 그러나 이 공정은 다량의 유기 용매와 화학 시약을 사용하며, 이는 환경에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 미생물 발효를 통해 셀룰로스를 합성하고 에테르화하는 것이 더욱 환경 친화적이고 지속 가능한 생산 방식으로 자리 잡았습니다.
최근 몇 년간 미생물을 이용한 셀룰로스(BC) 합성이 뜨거운 관심사였습니다. 코마가타에이박터(Komagataeibacter xylinus 등)와 글루콘아세토박터(Gluconacetobacter)를 포함한 박테리아는 발효를 통해 고순도 셀룰로스를 직접 합성할 수 있습니다. 이 박테리아는 포도당, 글리세롤 또는 기타 탄소원을 기질로 사용하여 적절한 조건에서 발효를 진행하며, 셀룰로스 나노섬유를 분비합니다. 생성된 박테리아 셀룰로스는 히드록시프로필 및 메틸화 변형을 거쳐 HPMC로 전환될 수 있습니다.
3. 생산 과정
3.1 박테리아 셀룰로스의 발효 과정
발효 공정 최적화는 박테리아 셀룰로스의 수율과 품질을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.
균주 선별 및 배양: 가축화 및 최적화를 위해 Komagataeibacter xylinus와 같은 고수율 셀룰로스 균주를 선택합니다.
발효 배지: 탄소원(포도당, 자당, 자일로스), 질소원(효모 추출물, 펩톤), 무기염(인산염, 마그네슘염 등) 및 조절제(아세트산, 구연산)를 제공하여 박테리아 성장과 셀룰로스 합성을 촉진합니다.
발효 조건 제어: 온도(28~30℃), pH(4.5~6.0), 용존산소 수준(교반 또는 정적 배양) 등을 포함합니다.
수집 및 정제: 발효 후, 여과, 세척, 건조 등의 단계를 거쳐 박테리아 셀룰로오스를 수집하고, 잔류 박테리아 및 기타 불순물을 제거합니다.
3.2 셀룰로오스의 히드록시프로필 메틸화 변형
얻어진 박테리아 셀룰로오스는 HPMC의 특성을 갖도록 화학적으로 변형되어야 합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.
알칼리화 처리: 적정량의 NaOH 용액에 담가 셀룰로스 사슬을 확장하고 후속 에테르화 반응의 활성을 향상시킵니다.
에테르화 반응: 특정 온도와 촉매 조건 하에서 프로필렌 옥사이드(하이드록시프로필화)와 메틸 클로라이드(메틸화)를 첨가하여 셀룰로스 하이드록실기를 대체하여 HPMC를 형성합니다.
중화 및 정제: 반응 후 산으로 중화하여 반응하지 않은 화학 시약을 제거하고, 세척, 여과, 건조를 통해 최종 생성물을 얻습니다.
분쇄 및 분류: HPMC를 사양에 맞는 입자로 분쇄하고, 다양한 점도 등급에 따라 선별하여 포장합니다.
4. 핵심기술 및 최적화 전략
균주 개량: 미생물 균주의 유전공학을 통해 셀룰로스 수율과 품질을 개선합니다.
발효 공정 최적화: 동적 제어를 위한 생물 반응기를 사용하여 셀룰로스 생산 효율성을 개선합니다.
녹색 에테르화 공정: 유기 용매의 사용을 줄이고 효소 촉매 변형과 같은 더욱 환경 친화적인 에테르화 기술을 개발합니다.
제품 품질 관리: HPMC의 치환도, 용해도, 점도 및 기타 지표를 분석하여 적용 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
발효 기반HPMC이 생산 방식은 재생 가능하고 환경 친화적이며 효율적이라는 장점을 가지고 있어 녹색 화학과 지속 가능한 개발이라는 추세에 부합합니다. 생명공학의 발전과 함께 이 기술은 전통적인 화학적 방법을 점진적으로 대체하고 건설, 식품, 의학 등 다양한 분야에서 HPMC의 적용 범위를 확대할 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2025년 4월 11일