초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 전기, 식품, 환경 등 고부가가치 산업에 응용할 수 있도록 휴대성, 안정성이 향상된 새로운 형태의 전극을 개발을 위해 전극의 전자 전달 향상을 위한 mediator 선정 및 개발, 전기전도성을 향상 시킬 효소 고정화 기술 개발, 효소 연료전지에 전기 생산량을 증가를 위한 효소 선정, 마이크로 센서에 사용되는 cellobiose dehydrogenase를 정제하여 향상된 전극에서 효소 연료전지에서 전력 생산 및 마이크로 센서를 이용하여 반응물질 검출을 최종 목표로 한다.

연구결과

연구의 목적 및 내용
본 연구는 전기, 식품, 환경 등 고부가가치 산업에 응용할 수 있도록 휴대성, 안정성이 향상된 새로운 형태의 전극을 개발을 위해 전극의 전자 전달 향상을 위한 mediator 선정 및 개발, 전기전도성을 향상 시킬 효소 고정화 기술 개발, 효소 연료전지에 전기 생산량을 증가를 위한 효소 선정, 마이크로 센서에 사용되는 cellobiose dehydrogenase를 정제하여 향상된 전극에서 효소 연료전지에서 전력 생산 및 마이크로 센서를 이용하여 반응물질 검출을 최종 목표로 한다.

연구결과
1차년도
▪ 전극의 전자 전달 향상을 위한 Mediator 선정 및 개발
-전자 전달 효율 평가 통해 가장 우수한 Cobalt를 Mediator의 구성 성분으로 선정
-Mediator 증착 후, 전력 생산 값이 1,050 μW/cm²에 도달함
▪ 재조합 균주 발현 및 pcCDH효소 대량 생산
-백색부후균에서 cdh 유전자(2353bp) 추출 후 Pichia에 발현 및 PcCDH효소 대량 생산
-최적화된 발현 배지(pH 6.0, 30℃)에서 PcCDH 효소 생산 확인 (37.19 mg/L)

2차년도
▪ 전자전달이 향상된 전극에 적합한 효소 고정화 기술 개발
-전자전달이 향상된 전극에 적합한 효소 고정화 기술 개발을 위해 반응 온도(4℃), 고정화 시간 8 h, 아세트산 농도 5% 에서 가장 높은 전력밀도를 (2184.71 μW/cm²) 확인함. EDC/NHS (공유결합)와 Glutaraldehyde (가교결합)를 이용하여 효소 고정화를 수행하였음
▪ 효소 연료전지 및 센서의 필름형태 전극 설계 및 제작
-필름형 전극 을 교체하여 사용 가능하도록 Acrylic plastic 재질로 된 전극 모듈 설계 및 제작, 필름형 전극 반응기
▪ PcCDH 효소 분리정제 및 효소 최적화
-본 배양에서 생산된 PcCDH를 분리 정제하여 SDS-PAGE로 확인 (약 100 kDa)
-PcCDH 효소는 pH 4.5, 온도 25~65℃, 락토오스 기질에서 높은 효소 활성을 보임.

3차년도
▪ 필름 형태의 전극에 개발된 효소 고정화 기술 적용
-효소 고정화시 pH 7.0에서 AlC 필름전극 전력밀도 (439.86 μW/cm²) 온도 상온(25℃)보다 4℃에서 향상된 전력밀도 (4℃에서 337.30 μW/cm², 25℃에서 332.21 μW/cm²의 전력밀도를 확인) 기질 농도에 따른 전력밀도는 0.1 M 에서 가장 높은 전력 밀도 확인 (337.28 μW/cm²)
▪ 필름 형태 전극이 적용된 시스템의 평가
-효소 연료전지 최적 조건 PcCDH (23.17 mg/L). pH4.5, 100mM 락토오스)에서 최대 전력 밀도 확인( 2922.92 μW/cm²)
-개발된 필름형 전극에서 최고감도 4.49 μAμM^-1cm^-2측정 범위 (10 uM~550 uM)에서 락토오스 검출

연구결과의 활용계획
- 개발된 필름형 전극 개발 및 본 연구 기간 동안 구축된 효소 연료 전지 시스템 기술을 기반으로 필름형 전극에 적용하였으며, 필름형 전극의 바이오 센서 적용을 위한 새로운 전극 소재 carbon paper와 같은 플랙서블한 전극을 활용할 수 있도록 연구를 추진할 예정임.
- 효소연료 전지가 수용하지 못하는 출력 특성 영역을 채울 수 있는 고출력, 긴수명 전기에너지 저장 기기인 슈퍼커패시터를 개발하여 필름형 효소연료 전지와 일체형 연구를 추진할 예정임

( 출처 : 한글요약문 4p )

Abstract ▼

Purpose&contents
This project aimed to develop the technology of portable enzymatic fuel cell(EFC) and microsensor with high stability, which has been widely applied in electronic, food and environment fields. The objective is to achieve the following researches; 1) Development of mediator to enh

Purpose&contents
This project aimed to develop the technology of portable enzymatic fuel cell(EFC) and microsensor with high stability, which has been widely applied in electronic, food and environment fields. The objective is to achieve the following researches; 1) Development of mediator to enhance electron transfer on electrode, 2) Improvement of enzyme immobilization to increase elecrtoconductive on electrode, 3) Selection of enzymes to increase electron production of EFC, 4)Purification of cellobiose dehydrogenase(CDH) to apply in microsensor.

Result
1^st Year
▪ Development and selection of mediator material for enhanced electron transfer
-Cobalt was selected as the main component in the mediator material through electron transfer efficiency test.
-After mediator deposition, achieved power density of 1,050 μW/cm²
▪ Recombinant strain expression and PcCDH enzyme mass production
-Extracted cdh gene (2353bp) from Phanerochaete chrysosporium was expressed in Pichia for mass production of PcCDH enzyme
-Optimized main culture (pH 6.0, 30℃) confirmed enzyme production (37.19 mg/L)

2^nd Year
▪ Development of suitable enzyme immobilization method
-Reaction temperature 4℃, immobilization time 8h, acetic acid concentration 5% confirmed highest power density (2184.71 μW/cm²). EDC/NHS and glutaraldehyde immobilization method were utilized.
▪ Film type electrode design for development for EFC and sensor device
-Acrylic plastics was used for construction of film type electrodes test modules
▪ PcCDH enzyme isolation, purification and optimization
- Purified PcCDH was confirmed using SDS-PAGE (~100 kDa)
-PcCDH showed highest activity at pH 4.5, 25~65℃ and with lactose substrate

3^rd Year
▪ Application of developed enzyme immobilization technique on film type electrodes
-Power density result under various conditions: at pH 7.0 (439.86 μW/cm²), enhanced power density confirmed at 4℃ than 25℃, 337.30 μW/cm² and 332.21 μW/cm² respectively, 0.1M substrate concentration was highest at 337.28 μW/cm²
▪ Film type electrode application system evaluation
-Optimized EFC conditions for PcCDH enzyme: 23.17 mg/L. pH 4.5, 100 mM lactose concentration and maximum power density of 2922.92 μW/cm²
-Developed film type electrode had highest sensitivity of 4.49 μAμM^-1cm^-2 and detection range of 10 uM~550 uM of lactose concentration

Expected Contribution
-During the research period, film type electrode was developed based on the developed EFC technology and successfully applied in the EFC and sensor system. Flexible electrode specifically for biosensor applications will be researched further utilizing various electrode materials such as carbon paper.
-Natural disadvantages of enzymatic fuel cell characteristics will be minimized through utilization of supercapacitors for stable electrical power and current output. Convergence technology of supercapacitor, EFC and sensor systems will be researched further.

( 출처 : SUMMARY 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 45
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 52
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 52
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 55
• 8. 참고문헌 ... 55
• 9. 연구성과 ... 57
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 73
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 73
• 12. 기타사항 ... 74
• 별첨1 대 표 연 구 실 적 ... 75
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 88
• 끝페이지 ... 105