Horseradish peroxidase 효소촉매를 이용하여 dioxane:수용액(80:20 v/v) 혼합용액에서 poly(p-phenylphenol) 수지를 합성하기 위한 최적 반응조건과 생성된 수지의 열분해 안정성과 가열특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanningcalorimetry (DSC) 방법을 통해서 각각 조사하였다. 효소의 사용량이 0.25 mg/mL로 증가할 때 수지의 합성수율은 급격하게 증가하였으나 효소의 사용량이 0.25 mg/mL 이상으로 증가하더라도 수지의 합성수율은 크게 증가하지 않았다. 또한 sodium acetate (100 mM, pH 4~6)와 sodium phosphate (100 mM, pH 7~9) 완충용액을 수용액으로 사용할 경우 pH가 증가할수록 페놀수지의 합성수율이 증가하였다. 그러나 수용액의 pH가 6과 9일 때, 수지의 합성수율은 사용하는 완충염의 종류에 따라서 크게 좌우되었다. 즉 pH 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate를 사용하면 합성 수율은 15% 정도 감소하였다. 또한 pH 9에서 sodium phosphate 대신 sodium bicarbonate를 사용할 경우 합성 수율이 약 20% 정도 크게 감소하였다. 수용액의 pH가 4~7 범위에서 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 전자전달체로 사용하면(2 mM) 합성 수율이 약 10% 정도 향상되었다. TGA 실험결과 pH 9인 수용액에서 ABTS가 2 mM이 첨가된 합성수지의 $800^{\circ}C$에서의 잔류량(char yield)이 47%로 열분해 안정성이 가장 우수하였다. DCS 측정 결과 산성수용액에서 합성된 수지와 중성 및 염기성 수용액에서 합성된 수지의 구조특성은 서로 달랐다. 그러나 모든 합성수지는 열경화성 수지의 특성을 보여주었다.
Horseradish peroxidase 효소촉매를 이용하여 dioxane:수용액(80:20 v/v) 혼합용액에서 poly(p-phenylphenol) 수지를 합성하기 위한 최적 반응조건과 생성된 수지의 열분해 안정성과 가열특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을 통해서 각각 조사하였다. 효소의 사용량이 0.25 mg/mL로 증가할 때 수지의 합성수율은 급격하게 증가하였으나 효소의 사용량이 0.25 mg/mL 이상으로 증가하더라도 수지의 합성수율은 크게 증가하지 않았다. 또한 sodium acetate (100 mM, pH 4~6)와 sodium phosphate (100 mM, pH 7~9) 완충용액을 수용액으로 사용할 경우 pH가 증가할수록 페놀수지의 합성수율이 증가하였다. 그러나 수용액의 pH가 6과 9일 때, 수지의 합성수율은 사용하는 완충염의 종류에 따라서 크게 좌우되었다. 즉 pH 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate를 사용하면 합성 수율은 15% 정도 감소하였다. 또한 pH 9에서 sodium phosphate 대신 sodium bicarbonate를 사용할 경우 합성 수율이 약 20% 정도 크게 감소하였다. 수용액의 pH가 4~7 범위에서 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 전자전달체로 사용하면(2 mM) 합성 수율이 약 10% 정도 향상되었다. TGA 실험결과 pH 9인 수용액에서 ABTS가 2 mM이 첨가된 합성수지의 $800^{\circ}C$에서의 잔류량(char yield)이 47%로 열분해 안정성이 가장 우수하였다. DCS 측정 결과 산성수용액에서 합성된 수지와 중성 및 염기성 수용액에서 합성된 수지의 구조특성은 서로 달랐다. 그러나 모든 합성수지는 열경화성 수지의 특성을 보여주었다.
The optimum synthetic conditions of poly(p-phenylphenol) by horseradish peroxidase in dioxane:water (80:20 v/v) mixtures were studied. The stability against thermal degradation and structural properties of the synthesized phenolic resins were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and diff...
The optimum synthetic conditions of poly(p-phenylphenol) by horseradish peroxidase in dioxane:water (80:20 v/v) mixtures were studied. The stability against thermal degradation and structural properties of the synthesized phenolic resins were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The synthetic yield of poly(p-phenylphenol) increased upon the increase of the amount of enzyme up to 0.25 mg HRP/mL, then leveled off for further increase of the enzyme usage. When sodium acetate (100 mM, pH 4~6) and sodium phosphate (100 mM, pH 7~9) were used as the buffering salts for the aqueous component (20% v/v), the synthetic yield of the resin increased at higher pH of the aqueous buffer. But when the pHs of the aqueous buffer were 6 and 9, the synthetic yield strongly depended on the types of the buffering salts; if sodium phosphate was used instead of sodium acetate at pH 6, the yield decreased by about 15% and if sodium bicarbonate was used instead of sodium phosphate, the yield decreased by almost 20%. When the pH range of the aqueous buffer was from 4 to 7, the addition of a radical mediator, 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS), up to 2 mM improved the synthetic yield of the resin by about 10%. TGA experiments revealed that the thermal stability of the resin synthesized in dioxane:water (100 mM sodium phosphate, pH 9) (80:20 v/v) was high having the char yield of 47% upon the heating at $800^{\circ}C$. DCS results showed that the structures of the polymers synthesized in acidic aqueous buffers were different from those of the polymers synthesized in the basic aqueous buffers. However, all the synthesized resins were found to have the property of the thermosetting resins.
The optimum synthetic conditions of poly(p-phenylphenol) by horseradish peroxidase in dioxane:water (80:20 v/v) mixtures were studied. The stability against thermal degradation and structural properties of the synthesized phenolic resins were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The synthetic yield of poly(p-phenylphenol) increased upon the increase of the amount of enzyme up to 0.25 mg HRP/mL, then leveled off for further increase of the enzyme usage. When sodium acetate (100 mM, pH 4~6) and sodium phosphate (100 mM, pH 7~9) were used as the buffering salts for the aqueous component (20% v/v), the synthetic yield of the resin increased at higher pH of the aqueous buffer. But when the pHs of the aqueous buffer were 6 and 9, the synthetic yield strongly depended on the types of the buffering salts; if sodium phosphate was used instead of sodium acetate at pH 6, the yield decreased by about 15% and if sodium bicarbonate was used instead of sodium phosphate, the yield decreased by almost 20%. When the pH range of the aqueous buffer was from 4 to 7, the addition of a radical mediator, 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS), up to 2 mM improved the synthetic yield of the resin by about 10%. TGA experiments revealed that the thermal stability of the resin synthesized in dioxane:water (100 mM sodium phosphate, pH 9) (80:20 v/v) was high having the char yield of 47% upon the heating at $800^{\circ}C$. DCS results showed that the structures of the polymers synthesized in acidic aqueous buffers were different from those of the polymers synthesized in the basic aqueous buffers. However, all the synthesized resins were found to have the property of the thermosetting resins.
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문제 정의
효소촉매를 이용해서 poly(p-phenylphenol)을 합성하기 위하여 가장 대표적으로 사용되어 온 용액은 dioxane-수용액 혼합 용액이다 [18]. 단량체인 p-phenylphenol의 용해도를 높이고 효소의 활성을 유지하는 것으로 알려진 용액인 80% (v/v) dioxane을 반응용매로 사용해서 난연성이 우수한 poly(p-phenylphenol)의 합성수율을 높이기 위한 조건을 연구하였다. 우선 poly(p-phenylphenol) 합성을 위해서 사용된 산성용액(100 mM sodium acetate, pH 5)과 HRP의 활성이 우수한 중성용액(100 mM sodium phosphate, pH 7)을 각각 수용액 성분(20% v/v)으로 사용할 때 효소의 사용량을 0.
그러나 현재는 이들 난연제의 환경 유해성으로 인해서 비 할로겐 난연제의 개발이 요구 되고 있다. 본 연구는 친환경적인 난연수지의 개발 방법으로서 HRP 효소에 의해서 합성된 페놀계 수지를 난연물질로 사용할 수 있는 가능성을 함께 탐색하였다. 이를 위해서 다양한 반응조건에서 생성된 poly(p-phenylphenol)의 열분해에 대한 안정성 및 가열 특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을 이용해서 분석하였다.
O)이 생성되기 때문에 강한 산성용액과 유독한 산화제를 사용하는 기존의 중합방법을 대체하기 위한 환경친화적 방법으로서 기대되고 있으며 다양한 페놀고분자와 아민 고분자를 합성하기 위한 방법이 연구되어 왔다[10-16]. 본 연구에서는 HRP에 의해서 합성되는 대표적인 고분자 수지인 poly(p-phenylphenol)의 합성수율을 높이기 위한 연구를 시도하였다. Akkara 등(1991)은 HRP에 의한 p-phenylphenol의 합성 실험을 시행했다[17].
본 연구에서는 pH 4~9까지 더욱 넓은 범위의 pH 용액을 사용하고, 라디칼 전달체인 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 첨가하여 수지의 합성 수율을 높이기 위한 실험을 실시하였다.
제안 방법
합성된 최종 고분자 수지의 열분해성질은 thermogravimetric analysis (TGA) 장치(TGA Q50, TA instruments)를 이용해서 측정하였다. TGA 실험에서는 건조된 시료 약 10 mg을 질소분위기에서 50~850 ℃로 10 ℃/min의 속도로 가열하면서 5%와 10% 무게감소 온도 및 800 ℃에서 잔류량(char yield)을 측정하였다. 합성된 수지의 구조특성은 differential scanning calorimetry (DSC)장치 (Q20, TA Instruments)를 사용해서 측정하였다.
DSC 실험방법으로는 약 4~6 mg의 시료를 30 ℃에서 유지한 후 질소가스의 유량을 50 mL/min로 유지하면서 온도를 10 ℃/min의 속도로 300 ℃까지 높였다. 또한 DSC의 가열주기를 2회 실시하여 수지의 열가소성(thermoplastic) 및 열경화성(thermosetting)을 파악하였다.
완충용액의 pH가 4와 9에서 ABTS의 초기농도가 2 mM인 조건에서 합성된 고분자의 열분해에 대한 안정성을 TGA 방법을 이용해서 특정하였으며 그 결과는 Fig. 5A에 나타내었다. 또한 TGA 실험을 통해서 무게감소가 5%일 때의 온도, 무게감소가 10%일 때의 온도, 그리고 800 ℃에서의 잔류량의 무게 %를 측정해서 Table 2에 나타내었다.
단량체인 p-phenylphenol의 용해도를 높이고 효소의 활성을 유지하는 것으로 알려진 용액인 80% (v/v) dioxane을 반응용매로 사용해서 난연성이 우수한 poly(p-phenylphenol)의 합성수율을 높이기 위한 조건을 연구하였다. 우선 poly(p-phenylphenol) 합성을 위해서 사용된 산성용액(100 mM sodium acetate, pH 5)과 HRP의 활성이 우수한 중성용액(100 mM sodium phosphate, pH 7)을 각각 수용액 성분(20% v/v)으로 사용할 때 효소의 사용량을 0.05~0.5 mg/mL 범위로 변화시키면서 poly(p-phenylphenol) 물질의 합성수율을 측정하여 Fig. 2에 나타내었다. 고분자의 합성수율은 효소의 사용량이 증가할수록 증가하였다.
합성된 최종 고분자 수지의 열분해성질은 thermogravimetric analysis (TGA) 장치(TGA Q50, TA instruments)를 이용해서 측정하였다. TGA 실험에서는 건조된 시료 약 10 mg을 질소분위기에서 50~850 ℃로 10 ℃/min의 속도로 가열하면서 5%와 10% 무게감소 온도 및 800 ℃에서 잔류량(char yield)을 측정하였다.
대상 데이터
에서 구입하였다. 산화제로서 사용된 과산화수소는 30% (w/w) 용액을 사용하였다.
효소의 사용량을 줄이고 고분자 합성수율을 높이기 위해서 반응 혼합액에 전자전달물질로 사용되는 ABTS를 함께 사용하였다[19]. 이 때 효소의 사용량은 2.
이론/모형
본 연구는 친환경적인 난연수지의 개발 방법으로서 HRP 효소에 의해서 합성된 페놀계 수지를 난연물질로 사용할 수 있는 가능성을 함께 탐색하였다. 이를 위해서 다양한 반응조건에서 생성된 poly(p-phenylphenol)의 열분해에 대한 안정성 및 가열 특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을 이용해서 분석하였다.
TGA 실험에서는 건조된 시료 약 10 mg을 질소분위기에서 50~850 ℃로 10 ℃/min의 속도로 가열하면서 5%와 10% 무게감소 온도 및 800 ℃에서 잔류량(char yield)을 측정하였다. 합성된 수지의 구조특성은 differential scanning calorimetry (DSC)장치 (Q20, TA Instruments)를 사용해서 측정하였다. DSC 실험방법으로는 약 4~6 mg의 시료를 30 ℃에서 유지한 후 질소가스의 유량을 50 mL/min로 유지하면서 온도를 10 ℃/min의 속도로 300 ℃까지 높였다.
효소의 사용량이 0.5 mg/mL일 경우 각 pH에서 합성된 고분자의 열분해에 대한 안정성을 TGA 방법을 이용해서 특정하였으며 그 결과는 Fig. 3A에 나타내었다. TGA 실험을 통해서 무게감소가 5%일때의 온도, 무게감소가 10%일 때의 온도, 그리고 800 ℃에서의 잔류량의 무게%를 측정해서 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
(1) 효소의 사용량이 0.25 mg/mL까지 증가할수록 증가하다가 그 이상의 효소를 사용하더라도 더 이상 크게 증가하지 않았다.
(2) 수용액의 pH가 높을수록 증가하였다.
(3) 수용액의 pH가 6과 9에서는 20% (v/v)수용액의 pH를 조절하기 위해서 sodium phosphate와 sodium bicarbonate를 사용할 경우 각각약 15%와 20% 감소하였다.
(4) 전자전달체인 ABTS를 2 mM까지 첨가할 경우, pH가 7 이하인 수용액을 사용하면 약 10% 정도 증가하였으나 pH가 8과 9인 알칼리성 수용액을 사용하면 변화가 없었다.
HRP에 의해서 합성된 poly(p-phenylphenol)은 열경화성 수지인 것으로 밝혀졌으며 열 안정성은 800 ℃에서 가열한 후 잔류량이 약 45% 이상으로 비교적 우수하였다.
TGA 실험을 통해서 무게감소가 5%일때의 온도, 무게감소가 10%일 때의 온도, 그리고 800 ℃에서의 잔류량의 무게%를 측정해서 Table 1에 나타내었다. TGA 실험결과 pH 5 완충용액을 사용해서 합성된 poly(p-phenylphenol)의 열 안정성이 pH 7 완충용액을 사용해서 합성된 고분자보다 우수하였다. 그러나 800 ℃에서의 잔류량은 두 완충용액의 경우 약 46%로 비슷하였다.
또한 TGA 실험을 통해서 무게감소가 5%일 때의 온도, 무게감소가 10%일 때의 온도, 그리고 800 ℃에서의 잔류량의 무게 %를 측정해서 Table 2에 나타내었다. TGA 실험결과 pH 9 완충용액을 사용해서 합성된 poly(p-phenylphenol)의 열 안정성이 pH 4 완충용액을 사용해서 합성된 고분자보다 우수하였다. 특히 80 ℃에서의 잔류량은 47.
2에 나타내었다. 고분자의 합성수율은 효소의 사용량이 증가할수록 증가하였다. 특히 효소의 사용량이 0.
본 연구에서도 pH 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate (100 mM) 완충용액을 사용한 결과 ABTS의 농도가 0~2 mM 범위에서 사용할 경우 모두 수율은 13~17%로 매우 낮았다. 또한 pH 9 완충용액을 제조하기 위해서 사용되는 sodium bicarbonate를 완충염으로 사용할 경우 수지의 합성수율은 25~31%로 sodium phosphate를 완충염으로 사용할 경우의 합성수율인 51~57%에 비해서 매우 낮았다. 즉 HRP에 의한 poly(p-phenylphenol)의 합성수율은 완충염의 경계 pH에서, 사용하는 완충염의 종류에 매우 민감하게 좌우되었다.
완충용액의 pH가 6일 경우 인산염이 주로 사용 된다. 본 연구에서도 pH 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate (100 mM) 완충용액을 사용한 결과 ABTS의 농도가 0~2 mM 범위에서 사용할 경우 모두 수율은 13~17%로 매우 낮았다. 또한 pH 9 완충용액을 제조하기 위해서 사용되는 sodium bicarbonate를 완충염으로 사용할 경우 수지의 합성수율은 25~31%로 sodium phosphate를 완충염으로 사용할 경우의 합성수율인 51~57%에 비해서 매우 낮았다.
또한 pH 9 완충용액을 제조하기 위해서 사용되는 sodium bicarbonate를 완충염으로 사용할 경우 수지의 합성수율은 25~31%로 sodium phosphate를 완충염으로 사용할 경우의 합성수율인 51~57%에 비해서 매우 낮았다. 즉 HRP에 의한 poly(p-phenylphenol)의 합성수율은 완충염의 경계 pH에서, 사용하는 완충염의 종류에 매우 민감하게 좌우되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Phenol-formaldehyde 수지를 제조하기 위해 사용되는 formaldehyde의 특징은 무엇인가?
Phenol-formaldehyde 수지는 표면 코팅제, 접착제, laminates, 마찰제, 난연제 등 다양한 목적으로 사용되어 왔다[1,2]. 그러나 이 수지를 제조하기 위해서 사용되는 formaldehyde는 합성 후에도 수지에 잔류하게 되고 수지를 이용해서 제조된 최종제품을 사용할 때 서서히 방출되는 건강 및 환경에 유해한 유독성 물질이다[3]. 따라서 최근에는 많은 국가에서 기존의 phenol-formaldehyde의 사용을 규제하고 있다[4].
Phenol-formaldehyde 수지는 어떻게 사용되었는가?
Phenol-formaldehyde 수지는 표면 코팅제, 접착제, laminates, 마찰제, 난연제 등 다양한 목적으로 사용되어 왔다[1,2]. 그러나 이 수지를 제조하기 위해서 사용되는 formaldehyde는 합성 후에도 수지에 잔류하게 되고 수지를 이용해서 제조된 최종제품을 사용할 때 서서히 방출되는 건강 및 환경에 유해한 유독성 물질이다[3].
cupper 혹은 cupper complex의 단점은 무엇인가?
이에 따라서 환경에 유해한 물질인 formaldehyde를 사용하지 않으면서 간단하고 비용이 저렴한 페놀수지의 개발이 요구되고 있다. 화학적인 방법으로는 cupper 혹은 cupper complex를 이용한 방법이 연구되었으나 치환기를 가지고 있는 페놀 수지의 합성이 어렵고 유독성 화학촉매를 사용한다는 단점이 있다[5-8]. 이러한 화학적 합성방법을 대체하기 위해서 효소를 촉매로 사용할 수 있다.
참고문헌 (19)
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Akkara, J. A., Senecal, K. J. and Kaplan, D. I., "Synthesis and Characterization of Polymers Produced by Horseradish Peroxidase in Dioxane," J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 29(11), 1561-1574(1991).
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