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Development of simulated moving-bed chromatography processes for the high-purity recovery of fucose from undaria pinnatifida hydrolysates = 미역 당화액으로부터 고순도 푸코오스의 회수를 위한 모사이동상크로마토그래피 공정 개발
서명 / 저자 Development of simulated moving-bed chromatography processes for the high-purity recovery of fucose from undaria pinnatifida hydrolysates = 미역 당화액으로부터 고순도 푸코오스의 회수를 위한 모사이동상크로마토그래피 공정 개발 / Seokbin Hong.
저자명 Hong, Seokbin ; 홍석빈
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

Fucose belongs to deoxys-monosaccharides and is a raw material for pharmaceuticals and health functional food, and its useful industrial application values were reported. Fucose mainly exists in brown algae, which is one of macroalgae, and in microalgae with small amount. It can be obtained by acid hydrolyzing the biomasses. There are many impurities in the hydrolysate such as other monosaccharides, amino acids, salts and residues. Monosaccharides are critical problem to produce high purity fucose because they have very similar structures and characteristics with fucose. In this study, simulated moving-bed chromatography (SMBc) was introduced to solve the problem. First, proper adsorbent was selected and its intrinsic parameters were evaluated. Then, we obtain 97% purity of fucose from model solution with 4 g/L of monosaccharides components stemmed from microalgal hydrolysate through developing SMBc process. Also, 99% purity of fucose was purified with 98% yield through developed two-stage SMBc process from a model solution composed of monosaccharides, amino acids, and glycerol. For the study with real biomasses, fucoidan was chosen first because its composition of hydrolysate was less complex than that of Undaria pinnatifida. Feed solution for SMBc process was prepared by acid hydrolysis and pretreatment processes. We developed two-stage SMBc process, and successfully recovered fucose with over 99% purity. Through whole processes, the total yield of fucose was about 70%. The loss of fucose occurred in SMBc process was about 3%, and rest of them arose in pretreatment processes. Finally, development of SMBc process for the high-purity recovery of fucose from U. pinnatifida was carried out. Feed solution for SMBc process was prepared through acid hydrolysis and pretreatment processes including neutralization, activated carbon treatment, electrodialysis, and ion-exchange chromatography, and simple lab-scale optimization of pretreatment was performed to reduce the loss of fucose. Two-stage SMBc process (Ring I & Ring II) was developed. After Ring I SMBc process, over 97% purity of fucose was obtained. Then, over 99% purity of fucose was gained after Ring II SMBc process. There was no loss occurred in SMBc process, but about 23% of loss arose in pretreatment process.

푸코오스는 디옥시당 계통에 속하는 의약품 및 건강기능식품 등의 원료 물질로서 그 산업적 활용가치가 매우 큰 것으로 보고되고 있다. 푸코오스는 거대조류인 갈조류에 주로 존재하며, 미세조류에도 소량 존재하는데 산가수분해로 바이오매스를 분해하여 단당류의 형태로 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 가수분해 산물에는 푸코오스 이외에도 다양한 단당류, 아미노산, 염, 가수분해찌꺼기 등이 존재하고 있다. 고순도 푸코오스를 얻기 위해 가장 문제가 되는 물질은 단당류들인데, 푸코오스와 매우 비슷한 구조와 성질을 갖고 있기 때문에 분리가 어렵기 때문이다. 이를 해결하기 위해 모사이동상크로마토그래피(SMBc) 공정을 도입하였다. 먼저, 푸코오스 분리에 적합한 흡착제 선정 및 특성을 확립하였으며, 일차적으로 미세조류 가수분해액에 포함되어 있는 단당류들을 각 4g/L씩 섞어 만든 모델용액에서 푸코오스를 분리하여 순도 97% 이상의 푸코오스를 얻었다. 또한, 단당류와 아미노산 글리세롤을 섞은 모델 용액으로부터 2단계의 모사이동상크로마토그래피를 이용하여 순도 99% 이상의 푸코오스를 98% 이상의 수율로 얻는 공정을 개발하였다. 실제 바이오매스를 이용한 연구는 먼저 상대적으로 불순물이 적은 후코이단을 이용하여 모사이동상크로마토그래피 공정 개발을 진행하였다. 피드용액은 산가수분해, 전처리공정을 통해 준비되었고, 이로부터 순도 99% 이상의 푸코오스를 얻는 2단계의 모사이동상크로마토그래피를 개발하였다. 모든 공정을 통한 푸코오스의 최종수율은 약 70% 였으며 이 중 모사이동상크로마토그래피에서 발생한 손실은 약 3% 정도이고 나머지는 전처리공정에서 발생하였다. 마지막으로 국내산 미역귀 가루를 이용하여 고순도 푸코오스를 회수하기 위한 공정개발을 진행하였다. 산가수분해를 통해 푸코오스를 추출해 낸 후, 전처리공정으로 피드용액을 준비하였다. 전처리는 중화, 활성탄처리, 전기투석, 이온교환크로마토그래피를 이용하였으며, 이때 발생하는 다량의 푸코오스 손실을 줄이기 위해 간단한 최적화공정을 진행하였다. 2단계로 이루어진 모사이동상크로마토그래피를 개발하였으며, 첫번째 단계 이후에는 순도 97% 이상의 푸코오스를, 두번째 단계 이후에는 순도 99% 이상의 푸코오스를 얻는데 성공하였다. 모사이동상크로마토그래피에서의 손실은 없었고, 전처리공정에서 약 23%의 손실이 발생하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 19037
형태사항 xiii, 147 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 홍석빈
지도교수의 영문표기 : Yong Keun Chang
지도교수의 한글표기 : 장용근
수록잡지명 : "Development of an efficient process for recovery of fucose in a multi-component mixture of monosugars stemming from defatted microalgal biomass". Journal of Industrial and Engineering Chemistry, v.56, pp.185-195(2017)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 138-143
주제 Fucose
simulated moving-bed chromatography
high purity separation
continuous separation process
undaria pinnatifida
fucoidan
푸코오스
모사이동상크로마토그래피
고순도분리
연속분리공정
국내산미역
후코이단
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