[논문]실로퓨트에 의한 Taxus chinensis 유래 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 평형, 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 특성

박세훈; 김진현

doi:10.9713/kcer.2020.58.1.113

실로퓨트에 의한 Taxus chinensis 유래 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 평형, 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 특성
Equilibrium, Isotherm, Kinetic and Thermodynamic Studies for Adsorption of 7-Epi-10-deacetylpaclitaxel from Taxus chinensis on Sylopute 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.1, 2020년, pp.113 - 121

박세훈 (공주대학교 화학공학부) , 김진현 (공주대학교 화학공학부)

초록
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실로퓨트에 대한 Taxus chinensis 유래 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착을 회분식 실험에서 연구하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin 및 Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용한 결과, Langmuir 등온흡착식이 가장 높은 정확도를 나타내었다. 흡착 용량은 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 실로퓨트에 대한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착은 적합한 물리적 공정이었다. 흡착 데이터는 유사 이차 동역학 모델과 매우 잘 일치하였으며, 경계층 확산과 입자 내 확산은 흡착 과정에 거의 영향을 미치지 않았다. 실로퓨트에 대한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀 흡착 과정은 발열이며 비자발적이었다. 또한, 등량흡착열은 흡착량에 의존하지 않아 흡착제의 표면 에너지가 균일함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In batch experiments, the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel was studied using Sylopute. Experimental equilibrium data were applied to Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich isotherm models. Among the four isotherm models tested, the Langmuir isotherm model gave the highest accuracy. The adsorption capacity was found to decrease with increases in temperature and the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute was a favorable physical process. Adsorption kinetic data agreed very well with the pseudo-second-order kinetic model, while boundary layer diffusion and intraparticle diffusion did not play a key role in the adsorption process. The process of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel adsorption onto Sylopute was exothermic and nonspontaneous. Also, the adsorption isosteric heat was independent of surface loading indicating an energetically homogeneous adsorbent.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. The chemical structure of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel.
그림 Fig. 2. Adsorption isotherm for 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute at different temperatures.
표 Table 1. Langmuir, Freundlich, Temkin, and Dubinin-Radushkevich isotherm constants for the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute
그림 Fig. 3. Adsorption isotherms using linear form for 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute at different temperatures: (A); Langmuir isotherm, (B); Freundlich isotherm, (C); Temkin isotherm, and (D); Dubinin-Radushkevich isotherm.
그림 Fig. 4. Pseudo-second-order plot (A) and intraparticle diffusion plot for the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute at a 7-epi-10-deacetylpaclitaxel concentration of 4,500 mg/L and a Sylopute concentration of 10 g/L.
표 Table 2. Comparison of adsorption characteristics of typical paclitaxel’s derivatives from Taxus chinensis onto Sylopute at different temperatures (298-313 K)
표 Table 3. Parameters of pseudo-second-order kinetic model for the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute at different temperatures
그림 Fig. 5. Plot of ln k₂ versus 1/T (r²=0.989) (A), ln K_e versus 1/T (r²= 0.766) (B), and ln k2/T versus 1/T (r²=0.991) (C).
그림 Fig. 6. Plot of ln C_e versus 1/T (A) and ΔH_X versus q_e (B) for the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute.
표 Table 4. Thermodynamic parameters and activation parameters for the adsorption of 7-epi-10-deacetylpaclitaxel onto Sylopute at different temperatures

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실로퓨트를 이용한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 해석을 통해 흡착 특성을 정량적으로 조사하고자 하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온 흡착식에 적용하여 각 모델의 매개 변수와 흡착 특성을 파악하고, 결정계수(coefficient of determination, r²)와 평균제곱근표준편차 (root mean square deviation, RMSD)를 이용하여 가장 적합한 모델식을 선정하였다.

제안 방법

7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량은 HPLC 시스템(SCL-10AVP, Shimadzu, Japan)과 Capcell Pak C18 column (250×4.6 mm, Shiseido, Japan)을 이용하여 측정하였다.
더 나아가 Eyring 식을 이용하여 활성화 파라미터(activation parameters)인 활성화 엔탈피 변화(ΔH*), 활성화 엔트로피 변화(ΔS*), 활성화 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG*)를 계산하였다[12,13].
흡착 후 여과로 얻은 여액을 감압 상태(313 K, 24 시간)에서 건조하고 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량을 HPLC로 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착 온도 303, 308, 313 K에서 각각 반복 실험을 수행하였다. 각 시간 별 흡착량은 식 (3)을 이용하여 계산하였다.
흡착이 평형에 도달한 후 여과로 얻은 여액을 313 K, 감압상 태에서 24시간 건조한 후 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량을 HPLC를 이용하여 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착 온도를 303, 308, 313 K로 달리하여 반복 실험을 수행하였다. 7-에피-10-디아세 틸파클리탁셀의 흡착량은 식 (1)로 계산하였다[13].
등온흡착실험은 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀(순도: 98%) 1,000~5,500 mg/L와 실로퓨트(Fuji Silysia Chemical Ltd., Japan) 10 g/L를 메틸렌 클로라이드(methylene chloride)에 첨가하여 항온조(EYELA, PS-1000)에서 흡착 온도를 298 K로 유지하고, 30 min 동안 교반하면서 등온흡착시켰다. 실로퓨트의 표면적, 기공 부피, 주성분, 세공 직경은 각각 331 m²/g, 1.
먼저 직선의 기울기와 절편으로부터 ΔH0와 ΔS0를 계산한 후 ΔG0를 구하였다(Table 4).
먼저 직선의 기울기와 절편으로부터 활성화 엔탈피 변화(ΔH*)와 활성화 엔트로피 변화(ΔS* )를 계산한 후 활성화 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG*)를 구하였다(Table 4).
메틸렌 클로라이드에 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀(4,500 mg/L)와실로퓨트(10 g/L)를 첨가하여 298 K 항온조(EYELA, PS-1000)에서 흡착 시간(1, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min)을 달리하여 실험을 수행 하였다. 흡착 후 여과로 얻은 여액을 감압 상태(313 K, 24 시간)에서 건조하고 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량을 HPLC로 분석하였다.
본 연구에서는 상용 흡착제 실로퓨트를 이용하여 식물세포 Taxus chinensis 유래 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 해석을 통해 흡착 특성을 정량적으로 조사하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin 및 Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용한 결과, 흡착 공정이 적합하였으며, 온도 증가에 따라 흡착 용량이 감소하였고, 물리적 흡착력에 의한 발열 공정이었다.
흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온 흡착식에 적용하여 각 모델의 매개 변수와 흡착 특성을 파악하고, 결정계수(coefficient of determination, r²)와 평균제곱근표준편차 (root mean square deviation, RMSD)를 이용하여 가장 적합한 모델식을 선정하였다. 유사 일차 반응속도식, 유사 이차 반응속도식, 입자 내 확산 모델식을 이용하여 동역학적 해석을 수행하였으며, 열역학적 해석을 위해 열역학적 파라미터(thermodynamic parameters), 활성화 파라미터(activation parameters), 활성화 에너지(activation energy), 등량 흡착열(isosteric heat of adsorption)을 계산하였다. 이를 통해 실로퓨트에 의한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀 흡착 메커니즘을 조사하였으며, 더 나아가 식물세포 Taxus chinensis 배양을 통해 생산되는 파클리탁셀 유도체들의 실로퓨트에 대한 흡착 특성을 비교하였다.
유사 일차 반응속도식, 유사 이차 반응속도식, 입자 내 확산 모델식을 이용하여 동역학적 해석을 수행하였으며, 열역학적 해석을 위해 열역학적 파라미터(thermodynamic parameters), 활성화 파라미터(activation parameters), 활성화 에너지(activation energy), 등량 흡착열(isosteric heat of adsorption)을 계산하였다. 이를 통해 실로퓨트에 의한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀 흡착 메커니즘을 조사하였으며, 더 나아가 식물세포 Taxus chinensis 배양을 통해 생산되는 파클리탁셀 유도체들의 실로퓨트에 대한 흡착 특성을 비교하였다.
흡착 온도에 따른 C_e-q_e데이터를 네 종류 등온흡착식에 각각 적용하여 실로퓨트에 대한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착 양상을 조사하였다. 흡착 온도 298, 303, 308, 313 K에서 각각 30분간 등온흡착평형 실험을 수행한 결과를 Fig.
메틸렌 클로라이드에 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀(4,500 mg/L)와실로퓨트(10 g/L)를 첨가하여 298 K 항온조(EYELA, PS-1000)에서 흡착 시간(1, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min)을 달리하여 실험을 수행 하였다. 흡착 후 여과로 얻은 여액을 감압 상태(313 K, 24 시간)에서 건조하고 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량을 HPLC로 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착 온도 303, 308, 313 K에서 각각 반복 실험을 수행하였다.
81 cm²/g, SiO₂, 40~60 nm이다 [12]. 흡착이 평형에 도달한 후 여과로 얻은 여액을 313 K, 감압상 태에서 24시간 건조한 후 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 함량을 HPLC를 이용하여 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착 온도를 303, 308, 313 K로 달리하여 반복 실험을 수행하였다.

대상 데이터

시료 주입량은 20 μL이며 227 nm에서 UV로 검출하였다[17]. HPLC 분석은 표준정량곡선을 이용하였으며 표준 시료(순도: 98%)는 ㈜삼양바이오팝으로부터 제공받았다.
본 실험에 사용된 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀(순도: 98%)은 식물세포 Taxus chinensis 배양액에서 회수된 바이오매스(식물 세포)로부터 정제되었으며[10], ㈜삼양바이오팜으로부터 제공받았다.

이론/모형

V는 용액의 부피(L), W는 건조된 흡착제의 질량(g)이다. C_e에따른 q_e의 변화에 대한 실험 데이터를 네 종류의 등온흡착식 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich에 적용하여 흡착 특성 및적합성을 조사하였다[12,14]. 실험값과 계산값의 일치도를 확인하기 위한 통계 방법으로 r² 와 RMSD를 이용하였다[14].
는 각 흡착 시간에서 여과액에 존재하는 7-에피-10-디아세 틸파클리탁셀의 농도(mg/L)이다. 각 흡착 온도에서 얻은 데이터를 유사 일차 반응속도식(pseudo-first-order model), 유사 이차반응속 도식(pseudo-second-order model), 입자 내 확산 모델식 (intraparticle diffusion model)에 적용하였다[15,16]. 동역학 모델의 유효성은 식 (4)의정규화된 표준 편차(normalized standard deviation)인 Δq(%)를 통해 확인하였다[12]
등량 흡착열(ΔHX )은 공정 최적화를 위한 특성 중의 하나이며, 이를 계산하기 위하여 흡착량(qe)을 60~110 mg/g으로 설정하고 Ce와 qe를 Clausius-Clapeyron 식에 적용하였다.
또한 Arrhenius 식과 Clausius-Clapeyron 식을 이용하여 활성화 에너지(Ea)와 등량 흡착열(ΔHx)을 각각 계산하였다.
C_e에따른 q_e의 변화에 대한 실험 데이터를 네 종류의 등온흡착식 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich에 적용하여 흡착 특성 및적합성을 조사하였다[12,14]. 실험값과 계산값의 일치도를 확인하기 위한 통계 방법으로 r² 와 RMSD를 이용하였다[14]. r²는와 RMSD 는 각각 1과 0에 가까운 값을 가질수록 실험값과 계산값 사이의 오차가 적다는 것을 의미한다.
흡착 공정에서 율속 단계(rate-limiting step)를 확인하기 위하여식 (11)의 입자 내 확산 모델식에 적용하였다.
흡착질 양의 증가에 따라 흡착량이 비례적으로 증가하지 않는 것은 흡착제 용량이 한정적 임을 의미한다. 흡착 특성을 조사하기 위하여 흡착 평형 데이터를 네 가지(Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich) 등온흡착식에 적용하였다. 먼저 식 (5)의 Langmuir 등온흡착식에 적용하여 1/q_e와 1/C_e을 각 온도별로 도식화하여 Fig.
따라서 본 연구에서는 실로퓨트를 이용한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 해석을 통해 흡착 특성을 정량적으로 조사하고자 하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온 흡착식에 적용하여 각 모델의 매개 변수와 흡착 특성을 파악하고, 결정계수(coefficient of determination, r²)와 평균제곱근표준편차 (root mean square deviation, RMSD)를 이용하여 가장 적합한 모델식을 선정하였다. 유사 일차 반응속도식, 유사 이차 반응속도식, 입자 내 확산 모델식을 이용하여 동역학적 해석을 수행하였으며, 열역학적 해석을 위해 열역학적 파라미터(thermodynamic parameters), 활성화 파라미터(activation parameters), 활성화 에너지(activation energy), 등량 흡착열(isosteric heat of adsorption)을 계산하였다.
흡착 평형 데이터를 van’t Hoff 식에 적용하여 열역학적 파라미터(thermodynamic parameters)인 표준 엔탈피 변화(ΔH0), 표준 엔트로피 변화(ΔS0), 표준 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG0)를 계산하였다.

성능/효과

ΔH0(-0.76 kJ/mol)와 ΔS0(-0.020 kJ/mol·K)는 모두 음의 값을 보여 흡착 공정이 발열이며 흡착이 진행됨에 따라 무질서도가 감소함을 알 수 있었다.
네 종류의 등온흡착식을 비교한 결과, 높은 r2 값(>0.978)과 낮은 RMSD 값(<4.68)을 보인 Langmuir 등온흡착식에 가장 잘 따름을 알수 있었다.
높은 r2값(>0.978)과 낮은 RMSD 값(<4.68)을 보인 Langmuir 등온흡착식이 가장 적합하였다.
또한 온도 증가에 따라 ΔG0가 증가하므로, 흡착이 온도 증가에 따라 더 비자발적임을 알 수 있었다.
4(B)에서 보는 바와 같이 흡착 진행 시간(1~30 min) 동안 평형 단계만이 관찰되었는데, 이는 실로퓨트에 대한 7-에피-10-디아세틸 파클리탁셀의 흡착이 빠른 시간 내에 평형에 도달함을 의미한다[27]. 즉, 경계층 확산과 입자 내 확산은 전체 흡착 속도에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 고순도(~98%)의 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀(space-filling 모델에 기반한 분자 크기: <1.
68)을 보인 Langmuir 등온흡착식이 가장 적합하였다.흡착 공정은 유사 이차 반응속도식에 잘 따름을 알 수 있었으며, 입자내 확산 모델식로부터 흡착이 빠르게(1분 이내) 평형에 도달하여 경계층 확산과 입자 내 확산은 전체 흡착 속도에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. ΔH⁰(-0.
계산된 파라미터는 Table 1에 정리하였다. 흡착 온도 298, 303, 308, 313 K에서 최대흡착용량 q_max는 각각 243.90, 232.56, 217.39, 196.08 mg/g이었으며, 온도가 증가할수록 q_max 값이 감소하였다. 이는 온도 감소에 따라 한정된 흡착 범위 내에서 흡착질의 흡착이 원활하게 이루어지는 발열 공정임을 의미한다.
본 연구에서는 상용 흡착제 실로퓨트를 이용하여 식물세포 Taxus chinensis 유래 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀의 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 해석을 통해 흡착 특성을 정량적으로 조사하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin 및 Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용한 결과, 흡착 공정이 적합하였으며, 온도 증가에 따라 흡착 용량이 감소하였고, 물리적 흡착력에 의한 발열 공정이었다. 높은 r²값(>0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착제 처리에 사용되는 상용 흡착제에는 무엇이 있는가?	식물세포배양으로부터 파클리탁셀의 분리 및 정제를 위하여, 바이오매스-용매 추출, 액-액 추출, 흡착제 처리, 헥산 및 분별 침전 등과 같은 여러 공정이 이용되고 있는데, 이 중 흡착제 처리 과정에서 파클리탁셀과 그 유도체들이 효과적으로 분리되어 높은 순도의 파클리탁셀을 얻을 수 있었다[8]. 흡착제 처리에서 상용 흡착제인 활성 백토, Diaion HP-20, 활성탄, 실로퓨트(Sylopute) 등이 사용될수 있는데, 실로퓨트가 다른 흡착제에 비해 분리능이 우수하여 높은 수율의 파클리탁셀을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 흡착제 처리 후 여과 속도 측면에서도 가장 효과적임을 알 수 있었다[9-11]. 하지만 기존 연구들은 주로 파클리탁셀 정제 목적으로 흡착제 처리 과정에서 공정 변수의 영향 및 최적화에 대한 정성적 연구에 집중되어 있으며, 상용 흡착제 실로퓨트를 이용한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 특성에 관한 정량적인 연구는 상당히 미흡하다.
	실로퓨트는 다른흡착제에 비해 어떤 장점을 가지는가?	식물세포배양으로부터 파클리탁셀의 분리 및 정제를 위하여, 바이오매스-용매 추출, 액-액 추출, 흡착제 처리, 헥산 및 분별 침전 등과 같은 여러 공정이 이용되고 있는데, 이 중 흡착제 처리 과정에서 파클리탁셀과 그 유도체들이 효과적으로 분리되어 높은 순도의 파클리탁셀을 얻을 수 있었다[8]. 흡착제 처리에서 상용 흡착제인 활성 백토, Diaion HP-20, 활성탄, 실로퓨트(Sylopute) 등이 사용될수 있는데, 실로퓨트가 다른 흡착제에 비해 분리능이 우수하여 높은 수율의 파클리탁셀을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 흡착제 처리 후 여과 속도 측면에서도 가장 효과적임을 알 수 있었다[9-11]. 하지만 기존 연구들은 주로 파클리탁셀 정제 목적으로 흡착제 처리 과정에서 공정 변수의 영향 및 최적화에 대한 정성적 연구에 집중되어 있으며, 상용 흡착제 실로퓨트를 이용한 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀 흡착에 대한 등온흡착식, 동역학 및 열역학적 특성에 관한 정량적인 연구는 상당히 미흡하다.
	7-에피-10-디아세틸파클리탁셀과 파클리탁셀의 분리를 위해 무엇이 사용되는가?	하지만 7-에피-10-디아세틸파클리탁셀과 파클리탁셀의 구조적 유사성으로 두 물질의 분리는 상당히 어렵다[4]. 이들 성분의 분리를 위해 고성능 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC) 또는 초임계 유체 크로마토그래피 (supercritical fluid chromatography, SFC)를 이용하고 있다[5-7]. 하지만 HPLC의 경우 처리량이 적고 비용이 많이 소요되며, SFC 또한 분리능이 낮아 대량생산에 어려움이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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