Continuous Hydrolysis of Cod Skin Gelatin in an Ultrafiltration Reactor

한외여과막 반응기를 이용한 어피젤라틴의 연속적 가수분해

A continuous stirred tank membrane reactor(CSTMR ) was developed and optimized for the production of cod skin gelatin hydrolyzates using endo-protease Alcalase. A experimental design methodology was used to optimize the four performance variables: enzyme concentration, substrate concentration, permeate flux and reactor volume. All four variables studied had an effect on substrate conversion, with enzyme and substrate concentrations being predominant. Conversion increased with the increase in enzyme concentration, with the decrease in substrate concentration, at high volumes and low flux. A strong interaction was observed between enzyme and substrate concentrations and smaller interactions between enzyme and flux and substrate and flux. The optimum operating conditions for the CSTMR process for an initial substrate concentration for 10% were $50^{\circ}C$, pH 8, flux 7.3ml/min, residence time 82 min, and Alcalase to substrate ratio 0.02(w/w). A gradual decay in reactor activity during 8 hrs was 2.1% conversion/hr. Enzyme leakage through the 10, 000 MWCO membrane was 16% at $50^{\circ}C$ and 12% at $35^{\circ}C$, 6hrs. However, there was no apparent correlation between enayme leakage and substrate conversion. The Km value for the CSTMR was 20 times higher than the batch reactor. The productivity(expressed as mg product/mg enzyme) of the CSTMR was more than six fold higher than the batch at $50^{\circ}C$. The hydrolyzate was non-bitter.

효소를 이용하여 대구피 젤라틴 가수분해물을 연속적으로 생산하기 위해 한외여과막 반응기에서의 젤라틴 가수분해 최적 공정조건 및 한외여과막 반응기를 장시간 작동하였을 때의 효소활성 저하원인을 규명하였다. 효소농도가 0.4mg/ml까지 증가함에 따라 기절의 전환율은 증가하였으나 기질의 경우는 농도가 증가함에 따라 전환율이 감소하였다. 유량(Flux)이 클수록 전환율은 감소되었으며 잔류시간이 길수록 전환율을 증가하였다. 한외여과막 반응기 장치의 작동시 가질의 전환율은 반응시간 1시간 부근에서 최대 전환율을 나타내었으며 시간당(8시간 작동) 평균 전환율 감소는 2.1%였다. 한외여과막을 통한 효소 누출은 반응시간 10~60분 범위에서 최대였으며 6시간 이후에는 거의 누출되지 않았다. 전체 효소량 중 누출량은 $50^{\circ}C$에서 16%인데 비해 $35^{\circ}C$에서는 12%였다. 그러나 효소 누출과 기질 전환율 사이에 명백한 상호관계는 나타나지 않았다. 막에 의한 효소의 활성저하는 작동시간 120분까지 나타났으며, 이때 초기속도의 36%가 저하하였다. 연속식(CSTMR)에서 $K_m$ 값은 회분식의 그것보다 20배 큰 반면 $K_2$ 10.5배 낮았다. 최적 가수분해조건은(기질농도 10%, $50^{\circ}C$, pH 8.0, 유량 7.31ml/min, 잔류시간 82분, S / E = 50w / w) 하에서의 생산량은 효소 mg당 가수분해물이 285mg으로 회분식 44.8mg에 비해 6배 이상이었다.