보고서 정보
주관연구기관 |
울산과학기술원 Ulsan National Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
이성국
|
참여연구자 |
심증엽
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2020-02 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200006754 |
과제고유번호 |
1415161826 |
사업명 |
바이오산업핵심기술개발(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-08-27
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키워드 |
바이오 락톤.발효공정.분리정제.생합성경로.재조합 균주.합성생물학.효소공학.
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초록
▼
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
40 g/L 농도, 300 L 발효 규모의 바이오 감마락톤계 화학 소재 생산 신규 생물공정 개발
□ 개발내용 및 결과
개발 내용
1. 주관기관 [울산과학기술원]:
■ 균주 성능 향상: 대사경로 성능 개선 및 최적화
✓ 합성 생물학 기법을 이용한 발현 system 구축
✓ 대장균 발현 시스템 최적화
✓ 슈도모나스 발현 시스템 최적화
✓ 발현 균주 성능 비교 및 최적화 균주 선정
■ Enzyme engineerin
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
40 g/L 농도, 300 L 발효 규모의 바이오 감마락톤계 화학 소재 생산 신규 생물공정 개발
□ 개발내용 및 결과
개발 내용
1. 주관기관 [울산과학기술원]:
■ 균주 성능 향상: 대사경로 성능 개선 및 최적화
✓ 합성 생물학 기법을 이용한 발현 system 구축
✓ 대장균 발현 시스템 최적화
✓ 슈도모나스 발현 시스템 최적화
✓ 발현 균주 성능 비교 및 최적화 균주 선정
■ Enzyme engineering을 통한 핵심 효소의 성능개선 및 최적화
✓ Site-directed mutagenesis 및 directed evolution 에 의한 효소 성능 개선
✓ 변이 효소의 활성, 안정성 등 조사
✓ 최적효소 선정
✓ 신규 생합성 경로의 검증 및 기본 균주 개발
✓ 선정된 대상 화합물을 중심으로 생합성 경로 구성
✓ 생합성 유전자 탐색 및 선정; 효소 활성 대사 산물 분석 확립
✓ 발현 시스템, 세포 선정 및 생합성 기본 균주 개발
2. 참여기관 [(주)노루홀딩스]:
■ 생물 반응기 발효
✓ 바이오 감마락톤 생산을 위한 발효배지, 조건 등 최적화
✓ 실제 발효액 확보 및 특성 조사
■ 실제 발효액으로부터 4HV, 4VL의 분리 정제
✓ 가상 발효액 분리 공정의 실제 발효액 적용 및 개선
✓ 실제 발효액의 분리 정제 공정 확립
개발 결과
■ 5 L 가상 발효액 제조에 필요한 4-HV를 확보하기 위하여 4VL의 가수 분해 반응을 200 g scale로 진행하고 정제하여 93%의 수율로 합성 완료
■ 생합성 효소의 최적화 pH 및 온도, aeration 조건 탐색
■ 생합성에 필요한 최적화 carbon source 및 배지 조건 탐색
■ Site-directed mutagenesis & directed evolution을 통한 효소개선
■ 변이 효소의 활성, 안정성 등 조사
■ Site-directed mutagenesis & dircted evolution을 통한 효소개선
■ 변이 효소의 활성, 안정성 등 조사
■ DHBA 생산을 위한 경로 구성, 발현 시스템 개발, 기본 균주 제작 완료. 2가지 경로를 제안하고 각각의 숙주 및 효소를 선정하여 균주를 제작함
■ 생물공정을 최적화하여 불필요한 부산물 생성의 억제
■ 간단한 탄소원과 질소원을 사용하여 정립된 배지를 제작하고, 생물공정의 개발을 통해 배양액에서 기질로 사용되는 LA의 완전한 제거
■ 생리학적 조건 최적화, pH, 온도
■ 실제 발효액의 NMR & HPLC 분석을 통하여 각각의 불순물을 정의하고, 예측된 조성으로 가상 발효액의 제조
■ 생성된 혼합물의 조성을 정의 하고, 분리정제 중 합성되어지는 4VL의 물성의 특성을 이용한 vacuum distillation을 통해 결과물을 분리
■ 5, 100, 300 L scale continuous extraction 장치를 이용하여 실제 발효액의 분리 정제를 진행
■ 최종적으로 300L scale에서 48시간 배양 후 50g/L의 4HV 생산량을 달성
■ 분리 공정부터 정제 공정까지 총 수율 80%, 순도 95% 이상의 4VL을 얻는데 성공
□ 기술개발 배경
■ 바이오화학 산업은 화학제품의 생산 및 활용에 있어서 화석원료 및 화학공정 기반의 화학산업을 바이오매스 원료 및 바이오(화학) 공정으로 대체하는 산업으로써 향후 화학 관련 전후방산업의 패러다임을 전환할 수 있는 새로운 산업임
■ 다양한 락톤화합물 중에서 γ-butyrolactone(GBL), valerolactone (GVL), caprolactone (CPL), methylene-γ-butyrolactone (MeGBL), γ-hydroxybutyrolactone (HBL) 등은 정밀화학 원료, 생분해성 폴리머, 나일론 합성원료, 의약품중간체 등 다양한 분야에 광범위하게 활용되고 있음
■ 일반적으로 락톤 화합물은 귀금속 촉매 하에서 기상 또는 액상 수소화 반응을 통해 생산할 수 있음. GVL의 경우 Levulinic acid (LA)로부터 생산이 가능하며, 수소화 반응에 좀 더 경제적인 촉매 및 공정을 적용하는 연구들이 진행되고 있음.
■ 최근 연구에 따르면 GVL 생산 원료인 LA는 균질(homogeneous) 산촉매(산 또는 산 수용액) 액상반응으로 바이오매스로부터 생산될 수 있음. 허나 이러한 생산 방법은 귀금속 촉매를 사용한다는 점에서 비용적 제한을 가짐
■ 이에 따라 생물학적으로 LA로부터 GVL을 생산하고자 하는 연구가 진행되었으나 생산량과 수율이 낮아 상업화에 이르지는 못함
■ 따라서 40g/L의 생산량을 300L의 산업용 스케일에서 생합성으로 이루어낸다면 높은 부가 가치를 지닐 것으로 생각됨
□ 핵심개발 기술의 의의
■ 여러 lactone 화합물 중에서 GBL은 반도체 공정의 photoresist, 의약품 등으로 쓰이고, GBL의 원료 물질인 2,4-dihydroxy butyric acid (DHBA)는 methionine 대용 동물 사료 첨가제 등의 생산에 많은 용도가 있어서 산업적 가치가 매우 높음
■ 화학적으로 DHBA나 GBL은 생산이 매우 까다로워 가격이 고가임. 또한 생물학적으로 생산할 경우 광학적으로 순수한 이성질체를 생산할 수 있으므로 화학 중간체로서의 가치는 화학적으로 생산하는 제품에 비해 월등히 우수할 것임. 아직까지 이들 화합물 생산을 위한 생물학적 경로가 전혀 밝혀지지 않았음
■ 본 연구에서는 세계 최초로 2가지 경로가 생물학적으로 가능하다는 것을 증명하였음. 추가적인 연구를 통해 이들 화합물을 생물학적으로 값싸게 생산할 수 있다면 매우 우수한 정밀화학 원료가 될 수 있을 것임
□ 적용 분야
■ 본 연구에서는 앞서 기술한 여러 lactone 화합물 중 C4, C5 감마락톤을 생물학적으로 생산하고자 함
■ 다양한 락톤화합물 중에서 γ-butyrolactone(GBL), valerolactone (GVL), caprolactone (CPL), methylene-γ-butyrolactone (MeGBL), γ-hydroxybutyrolactone (HBL) 등은 정밀화학 원료, 생분해성 폴리머, 나일론 합성원료, 의약품중간체 등 다양한 분야에 광범위하게 활용되고 있음
✓ GVL : 에탄올보다 더 많은 에너지를 저장하고 있으며, 그 자체를 그대로 연료로 사용할 수도 있고 다른 연료의 첨가제 혹은 전구체로도 사용할 수 있음. 또한 재생 고분자를 생산할 수 있는 기초 물질(building block) 혹은 청정 용매로도 사용할 수 있음
✓ GBL : 정밀화학 중간제품으로 융해성, 전기적 성질, 안정성이 우수하고 독성이 없어 석유화학, 제약 및 농약 분야에서 광범위하게 사용됨. 현재 전 세계 생산량은 연간 수십만 톤이상으로 추정되고 있음. 그 중 수산화기가 결합된 HBL은 의약품 중간체 및 전자산업 등에 사용되며 단가 US$ 450/kg이상의 고부가가치 화합물임
✓ CPL : Nylon 6 단량체인 카프로락탐(caprolactam)의 전구체와 생분해성 고분자인 polycarpolactone(PCL)의 단량체로 사용됨
✓ MeGBL : 고분자로 합성된 poly(MeGBL)은 optically clear rigid thermoplastic으로서 내구성이 뛰어나며, 높은 refractive index와 Tg(약 195oC)를 가짐
■ 한편 C4 플랫폼 화합물로서의 GBL은 THF, 1,4-BDO, n-Butanol 등 다양한 물질로 전환이 가능함. GBL은 C4H6O2 구조를 가지는 cyclic C4 물질로서 반도체 공정에 중요 용매로 사용됨
✓ Tetrahydrofuran(THF)은 C4H8O2 구조를 가지는 cyclic C4 물질로서 중합도 750도 이상의 수지를 잘 용해시킬 수 있는 용제로 각종 수지, 특히 염화비닐계 수지의 용제로서, 표면코팅, 보호코팅, 접착제, 필름의 제조 등에 사용됨. 또한 인쇄잉크의 용제, 콜드클리너, 페인트 제거제, 합성피혁 표면 처리제 등으로도 사용됨
✓ 1,4-butanediol(BDO)의 전 세계 시장은 현재 약 160만 톤을 상회함. BDO는 succinic acid로부터도 화학적으로 생산할 수 있고, THF, GBL, 2-pyrrolidone 등 다양한 물질로 전환될 수 있음
■ GBL계 유도체 화합물인 3-hydroxybutyrolactone (3HBL)은 특히 주목받는 화합물임
✓ 3HBL은 C4H3O5 구조를 가지는 cyclic C4 물질로서 2종의 isomers가 존재함. Kow(octanol과 water에서 용매의 분배계수; log Kow의 값이 낮을 수록 극성이 높음) 값이 1 보다 낮은 강한 극성(polarity) 물질임
✓ 3HBL은 의약품 제조에 있어서 중요한 중간물질로 사용됨. 콜레스테롤(cholesterol) 강하와 anti-HIV protease 억제 기능이 있으며, 다양한 항생제 제조에도 사용됨. 또한 천연 비타민(vitamin)인 카르니틴(carnitine)으로 전환이 가능하여 건강식품 및 강장제(roborant) 첨가제로도 사용이 가능함.또한 에스테르화(esterification)와 탈수(dehydration) 반응을 통하여 3-hydroxytetrahydrofuran, γ-butenyl-lactone, 3-aminotetrahydrofuran, epoxy-lactone, 2-amino-3-hydroxy tetrahydrofuran, acrylate-lactone으로의 전환이 가능함
✓ 현재 상업적으로 사용되고 있는 대부분의 3HBL은 fumaric acid나 malic acid를 원료로 화학반응을 통해 생산되고 있음. Fumaric acid, malic acid는 maleic anhydride로부터 얻어지는데, maleic anhydride는 석유화학공정에서 생산된 butane의 vapor phase oxidation 반응을 통해 생산되고 있음
✓ Speciality chemical로 분류되는 3HBL은 제조공정이 복잡하여 대량 생산이 어렵고 따라서 가격이 매우 높은 물질임. 최근 biomass인 starch나 malto-oligosaccharides를 원료로 사용하는 제조 방법이 제시되고 있지만 sugar를 분해하는 과정에서 구조적/물리적으로 3HBL과 매우 유사한 부산물들이 동시에 과량 생성되어 분리 및 정제가 매우 어렵고 고순도(purity) 3HBL을 얻기 어렵다는 한계가 있음.
✓ 이에 미생물 발효를 통하여 전구체들을 저렴하게 생산함으로써 3HBL 생산 가격을 낮추고자 하는 노력이 활발히 진행되고 있음
■ 또한 2-hydroxy-gamma-butyrolactone (2HGBL)도 매우 중요한 화합물임
✓ 2HGBL은 C4H6O3 구조를 가지는 cyclic C4 물질로서 화학공정에 중요 용매로 사용됨
✓ 2HGBL에 아크릴레이트기 (메타아크릴레이트 포함)를 도입할 경우 GBLMA라는 화합물이 생성됨. 이 화합물은 전자소자를 만드는 공정 중에 photoresist의 핵심 물질로 이용이 되고 있음
✓ 현재 GBLMA는 일본에서 전량 독점 생산되고 있음
(출처 : 최종보고서 초록 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 13
- 목차 ... 18
- 제 1 장 서론 ... 19
- 제 1 절 과제의 개요 ... 19
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 25
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 25
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 25
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 31
- 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 31
- 제 3 장 결과 ... 32
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 32
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 32
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 35
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 100
- 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 100
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 102
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 103
- 제 4 장 사업화 계획 ... 104
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 104
- 제 2 절 사업화 계획 ... 107
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 108
- 끝페이지 ... 109
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