This work investigated the effect of specific surface area and pore size distribution of cellulose on enzymatic hydrolysis of cellulose. The specific surface area was obtained from BET equation by nitrogen adsorption and pore size distribution was calculated from adsorption isotherm curve.
The specific surface area and initial reaction rate were determined for compression-milled celluloses. It was found that the initial reaction rate was independent of specific surface area for compression-milled celluloses and the increase in initial reaction rate for compression-milled celluloses was due to the reduction in crystallinity by compression milling.
After various drying methods were attempted for solvent-exchanged cellulose and cellulose without solvent exchange, it was found that the solvent-drying under vacuum at room temperature was the best drying method which could preserve the water-swollen state. Using the solvent-drying method, water swelling effect was investigated for Avicel and Solka Floc. There was no great difference among the pore size distributions of water-swollen celluloses. Even though cellulose was swollen by water, the initial reaction rate of water-swollen celluloses decreased due to the recrystallization phenomenon by water.
Monitoring the changes in specific surface area for untreated Solka Floc and mercerized Solka Floc during hydrolysis showed that specific surface area was not a limiting factor that slowed hydrolysis in its late stage. And for mercerized Solka Floc, interfibrillar swelling caused the higher conversion than untreated Solka Floc and the decrease of specific surface area after initial stage.
After monitoring the changes in specific surface area and pore size distribution for Sweco 270 during hydrolysis, which is a more amorphous cellulose than Solka Floc, specific surface area and pore size distribution were found to be related to the initial reduction in hydrolysis rate.
For regenerated Solka Floc, the structure remained completely amorphous without any change in structural parameters during hydrolysis.
For phosphoric acid-treated Solka Floc, as specific surface area increased, initial reaction rate increased. But, enzyme adsorption did not change greatly over 77% phosphoric acid concentration.
Therefore, it was concluded that for highly amorphous cellulose, hydrolysis rate is dependent upon the specific surface area and pore size distribution of cellulose and the increase in specific surface area is a partly contributing factor to increasing the enzyme adsorption and hydrolysis rate.
본 연구에서는 셀룰로오즈의 표면적과 구멍 크기 분포도 (pore size distribution)가 셀룰라아제에 의한 셀룰로오즈의 가수분해에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 셀룰로오즈의 표면적은 질소 흡착을 이용해 BET 식으로부터 구하였으며 구멍 크기 분포도는 흡착 등은 곡선으로부터 구하였다.
압축 분쇄된 셀룰로오즈에 대해 표면적과 초기반응속도를 구해본 결과 초기 반응 속도는 표면적에 무관한 결과가 나와서 압축 분쇄된 셀룰로오즈의 초기반응속도 증가는 셀룰로오즈의 결정도 감소에 기인한 것임을 알았다.
용매 교환된 셀룰로오즈와 용매 교환하지 않은 셀룰로오즈에 대해 여러가지 건조 방법으로 건조한 결과 용매 교환하고 상온에서 진공 건조하는 것이 물에 의한 팽창된 상태를 가장 잘 유지하였다. 이 방법을 이용하여 Avicel 과 Solka·Floc 에 대해 물에 의한 팽창 효과를 조사한 결과 팽창된 셀룰로오즈간에 구멍크기 분포도의 차이는 크게 없었다. 그리고 비록 셀룰로오즈가 물에 의해 팽창되었으나 초기반응속도는 물에 의한 재결정 현상에 의해 감소 하였다.
처리하지 않은 Solka Floc 과 가성소오다로 처리된 Solka Floc 에 대해 반응되는 동안 표면적 변화를 조사한 결과 표면적은 반응후기에 반응속도를 감소시키는 인자가 아님을 알았다. 그런데 가성소오다로 처리된 Solka Floc 은 섬유소 사이의 팽창 interfibrillar swelling에 의해 처리되지 않은 Solka Floc 에 비해 전환율 이 더 높았고 반응후기에 표면적이 감소하였다.
Solka Floc 보다 더 무정형인 Sweco 270에 대해 반응이 진행되는 동안 표면적을 조사한 결과 반응초기의 반응 속도 감소는 표면적과 구멍 크기 분포도의 감소와 관련되어 있었다. 그리고 85% 인산으로 처리하여 재생시킨 Solka Floc 에 대해서는 반응이 진행되더라도 구조에 아무런 변화가 없이 무정형 상태로 존재하였다.
인산으로 처리된 Solka Floc 에 대해 표면적과 초기 반응속도를 구하고 효소 흡착 실험을 한 결과 표면적이 증가하면 초기 반응 속도는 증가했지만 77% 이상 인산으로 처리된 셀룰로오즈에 대해서는 효소 흡착율이 크게 변함이 없었다.
따라서 셀룰라아제에 의한 셀룰로오즈의 가수분해 속도는 무정형 정도가 큰 셀룰로오즈에 대해서 그 셀룰로오즈의 표면적과 구멍 크기 분포도에 의존한다고 할 수 있다. 그리고 표면적 증가는 반응 속도와 효소 흡착 증가에 부분적으로 기여하여 인자라고 할 수 있다.
