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문제 정의
- 본 논문은 CCS방법의 단점인 추가적인 처리 비용이 없이 경제적, 사회적, 환경적으로 이산화탄소를 효과적으로 처리하기 위하여 생체촉매효소[CA (Carbonic anhydrase)와 HDS (Hemocyte of Diseased Shell)]을 이용한 이산화탄소 포집 실험을 진행하였다. 자연적으로 진행되는 CO2(aq)+H2O↔HCO3-+H+↔ CO32-+2H+화학식을 기초를 두고 최종적으로 CO32 와 Ca2+을 반응하여 CaCO3로 석출되는 방법으로 CO2을 particle(CaCO3)형태로 형성하여 처리 하는 방법을 사용하였다.
제안 방법
- 시간에 따른 pH변화량은 Thermo scientific Co. Orion Star Series pH미터로 측정하여 200m/s로 실시간 모니터링 하였다.
- 마지막으로 준비된 이산화탄소 용액을 혼합하여 실험을 하였다. pH, 반응온도, 효소농도, 등의 변수를 적용. 생성된 탄산칼슘의 량, 구조를 파악하기 위해 미리 무게를 측정한 필터에 용액을 여과하여 25, 50, 80, 100℃로 순차적으로 온도를 높이며 건조를 진행하여 건조 시 갑작스런 온도변화로 인한 탄산칼슘의 응집현상의 오류를 최소화하였으며 건조된 탄산칼슘의 무게측정, SEM을 통하여 형성구조를 파악하였다.
- 분석기기 Optizen 2120F UV/vis spectrophotometer를 사용하여 파장범위를 350 ~450nm으로 설정한 후 p-NPA의 농도, 효소농도를 변화하여 반응속도를 측정하였다. 각각 효소의 반응 속도 분석시간은 1분 간격으로 10회 측정하여 용액의 탁도값을 분석하여 반응속도를 측정하였다.
- 하지만 굴에서 직접 추출한 HDS는 적확한 분자량을 알 수 없다. 그래서 MALDI-TOF기기를 이용하여 [표 1]과 같은 각각의 효소 분자량을 구였다. V는 p-NP의 형성 비율이고 Vmax는 최대속도이며 Kcat은 촉매속도이다.
- Tris-HCl buffer 용액에 확산 증가를 위하여 임펠러로 교반하면서 반응기 하부에 준비된 sintered filter로 질소를 30분간 주입을 하여 Tris-HCl buffer용액에 잔류하고 있는 모든 가스상 물질을 제거하였으며 준비된 각각의 효소를 넣어 15분간 교반하였다. 다음으로 이산화탄소, 산소, 질소를 원하는 유량으로 혼합하여 투입하고 pH가 평형 점에 이르는 시간 동안 반응기 내부에서의 pH 변화를 측정하였다. 반응온도, 이산화탄소농도, 효소 농도 등의 변수를 적용하여 각기 다른 실험값을 모니터링해서 결과를 도출하였다.
- 다음으로 이산화탄소, 산소, 질소를 원하는 유량으로 혼합하여 투입하고 pH가 평형 점에 이르는 시간 동안 반응기 내부에서의 pH 변화를 측정하였다. 반응온도, 이산화탄소농도, 효소 농도 등의 변수를 적용하여 각기 다른 실험값을 모니터링해서 결과를 도출하였다.
- 0ml의 UV큐벳을 사용. 분석기기 Optizen 2120F UV/vis spectrophotometer를 사용하여 파장범위를 350 ~450nm으로 설정한 후 p-NPA의 농도, 효소농도를 변화하여 반응속도를 측정하였다. 각각 효소의 반응 속도 분석시간은 1분 간격으로 10회 측정하여 용액의 탁도값을 분석하여 반응속도를 측정하였다.
- pH, 반응온도, 효소농도, 등의 변수를 적용. 생성된 탄산칼슘의 량, 구조를 파악하기 위해 미리 무게를 측정한 필터에 용액을 여과하여 25, 50, 80, 100℃로 순차적으로 온도를 높이며 건조를 진행하여 건조 시 갑작스런 온도변화로 인한 탄산칼슘의 응집현상의 오류를 최소화하였으며 건조된 탄산칼슘의 무게측정, SEM을 통하여 형성구조를 파악하였다.
- 자연적으로 진행되는 CO2(aq)+H2O↔HCO3-+H+↔ CO32-+2H+화학식을 기초를 두고 최종적으로 CO32 와 Ca2+을 반응하여 CaCO3로 석출되는 방법으로 CO2을 particle(CaCO3)형태로 형성하여 처리 하는 방법을 사용하였다. 생체촉매효소의 이산화탄소 포집성능 측정방법은 앞에 기술한 CO2(aq)에서 HCO3-,로 HCO3-에서 CO32-전환 시 수소이온의 생성에 따른 pH변화량을 분석하는 간접적인 방법으로 CO2 포집성능 결과를 도출하였다.
- 실험방법은 배치 상태의 반응기에 원하는 실험온도까지 상승시킨 후 30분간 유지하여 반응기내의 온도 편차가 없도록 하였다. Tris-HCl buffer 용액에 확산 증가를 위하여 임펠러로 교반하면서 반응기 하부에 준비된 sintered filter로 질소를 30분간 주입을 하여 Tris-HCl buffer용액에 잔류하고 있는 모든 가스상 물질을 제거하였으며 준비된 각각의 효소를 넣어 15분간 교반하였다.
- 생체촉매효소가 pH에 미치는 영향을 평가하기 위한 Tris-HCl Buffer는 Sigma-Aldrich Co.의 것을 사용하여 동질 효소에 대한 성능평가인 초기실험을 진행하였다. 시간에 따른 pH변화량은 Thermo scientific Co.
- 이산화탄소를 포집하기 위하여 사용된 효소 BCA는 Sigma-Aldrich Co.의 것을 사용하여 실험을 진행하였으며 주사기로 살아있는 굴의 심낭부위에서 HDS를 추출하여 실험을 하였다. 생체촉매효소가 pH에 미치는 영향을 평가하기 위한 Tris-HCl Buffer는 Sigma-Aldrich Co.
- 자연 상태의 carbonic acid반응의 느린 반응속도와 생체촉매효소 사용으로 인한 향상된 반응속도의 차이를 비교하였다. p-NPA용액 Sigma-Aldrich Co.
- 자연적으로 진행되는 CO2(aq)+H2O↔HCO3-+H+↔ CO32-+2H+화학식을 기초를 두고 최종적으로 CO32 와 Ca2+을 반응하여 CaCO3로 석출되는 방법으로 CO2을 particle(CaCO3)형태로 형성하여 처리 하는 방법을 사용하였다.
대상 데이터
- 을 석출하기 위하여 증류수에 이산화탄소를 1시간 동안 주입. 임펠러로 교반을 하여 가스상의 이산화탄소를 증류수 내부로 용해시켜 CO2(aq)상태의 이산화탄소 용액을 제조하였다.
데이터처리
- 온도의 따른 효소 활성을 판단하기 위하여 각각3회 실험하였으며 측정된 데이터의 평균값으로 [그림 2]의 결과를 얻었다. BCA와 HDS는 25℃가 5℃와 비교하였을 때 다소 빠른 수화 반응을 나타내는 것으로 보아 25℃가 최적의 온도임을 알 수 있다.
이론/모형
- p-NPA를 이용한 반응속도 측정에 Michaelis - Menten식(9)과 Lineweaver–Burk식(10)을 적용하여 km, kcat값을 구하여 Kcat/Km값으로 각각의 효소의 반응속도 상수를 구할 수 있다.
성능/효과
- BCA와 HDS는 25℃가 5℃와 비교하였을 때 다소 빠른 수화 반응을 나타내는 것으로 보아 25℃가 최적의 온도임을 알 수 있다. 60℃에서는 최적으로 판단되는 25℃보다 약 5/1의 활성을 보임으로 효소는 최적의 온도에서 높아질수록 활성이 점차적으로 낮아져 활성을 잃어버리게 된다는 것을 결과를 토대로 알 수 있다. 생체촉매효소는 온도에 영향을 많이 받으며 BCA와 HDS의 최적 활성온도는 5~30℃가 적당한 것으로 판단된다.
- BCA > HDS > HCA > EPF순으로 수화반응속도가 빠르게 나타났으며 CA류인 HCA보다 HDS가 더욱 수화반응 속도가 빠른 결과를 보이고 있다.
- 온도의 따른 효소 활성을 판단하기 위하여 각각3회 실험하였으며 측정된 데이터의 평균값으로 [그림 2]의 결과를 얻었다. BCA와 HDS는 25℃가 5℃와 비교하였을 때 다소 빠른 수화 반응을 나타내는 것으로 보아 25℃가 최적의 온도임을 알 수 있다. 60℃에서는 최적으로 판단되는 25℃보다 약 5/1의 활성을 보임으로 효소는 최적의 온도에서 높아질수록 활성이 점차적으로 낮아져 활성을 잃어버리게 된다는 것을 결과를 토대로 알 수 있다.
- 따라서 HDS가 순수한 활성 효소가 아니라는 점을 감안하면 반응속도의 차이는 더욱 줄어들 것으로 판단이 된다. 이렇게 정제 효소가 아닌 HDS와 BCA 의 반응속도는 효소의 농도가 1M이상이 되면 평균 kcat값이 같아지는 것을 결과를 통하여 알 수 있으며 효소의 농도가 1M이상이 되면 BCA보다 HDS를 사용하는 것이 경제성 측면에서 적합할 것으로 판단된다.
- 형성된 광물구조는 calcite로 같지만 효소를 사용한 것이 효소를 사용하지 않은 것에 비해 크기가 작게 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같이 크기의 차이를 보이는 것은 효소가 빠른 속도로 형성과정을 유도함에 따라 CaCO3가 크게 형성될 시간을 충분히 주어지지 않음으로 입자의 크기가 작게 형성되는 것으로 판단이 된다.
후속연구
- 또한 향후에는 실내공기정화와 화력발전소에 별도의 온도보정 장치를 설치하여 다량의 배가스에 존재하는 이산화탄소를 처리하는 공정에 적용이 용이 할것으로 판단이 된다.
- 그리고 BCA와 비교하여 보아도 HDS는 결코 뒤지지 않는 활성을 보이고 있다. 이러한 결과로 보아 향후에 값비싼 BCA를 대체하여 경제적으로 안정된 HDS를 적용할 것으로 판단이 된다.
- 차후에는 HDS를 정제하여 활성의 향상을 이루어야 하며 p-NPA를 이용한 간접적으로 효소와 이산화탄소의 반응속도를 측정하는 것이 아니라 CSTR을 이용한 방법으로 실험하여 BCA와 HDS의 직접적인 반응속도를 측정하는 연구가 진행되어야 할 것이다.
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