KR101914110B1

KR101914110B1 - 효소반응기

Info

Publication number: KR101914110B1
Application number: KR1020160108513A
Authority: KR
Inventors: 김중배; 유지성; 이인선
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-11-01
Also published as: KR20170024568A

Abstract

본 발명은 효소반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적으로 공급되는 대상에 대한 화학적/생물학적 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 유도할 수 있고, 공급되는 대상의 투입속도/투입량 등의 변화에 대응하기 용이하며, 효소의 회수가 간편해 재사용이 가능함에 따라서 이산화탄소 포집/전환 및 활용(carbon capture/conversion and utilization)뿐만 아니라 단백질 가수분해(protein digestion), 생물전환(bioconversion), 바이오정화(bioremediation), 식품 생산 공정(food manufacturing process) 및 제약 공정(pharmaceutical process) 등의 다양한 효소 응용 분야에 사용될 수 있는 효소반응기에 관한 것이다.

Description

효소반응기{enzyme reactor}

효소는 생명체의 화학반응을 촉진시키는 나노미터(2 ~ 20㎚) 크기의 생촉매(biocatalyst) 이다. 효소는 아미노산으로 이루어진 선형 생고분자(linear biopolymer)로서 특정한 형태의 구조로 자가조립(self-assembly) 되는데, 이 접힘 과정(folding)에 의해 효소의 유용한 성질인 효소 선택성을 결정짓는 결합주머니(binding pocket)가 형성된다. 이 효소의 선택성은 이미 아주 다양한 분야에서 쓰이고 있고, 새로운 학문의 발전에 따라 그 응용분야가 점점 넓어지고 있다. 예를 들면, 효소는 제약, 정밀화학, 식품 및 세제산업 등에서 널리 사용되고 있으며, 바이오정화, 바이오화학전환 등에서도 오랜 응용의 역사를 가지고 있다. 근래에는 바이오디젤 생산, 프로테오믹 분석에서의 트립신 가수분해(trypsin digestion), 폴리메라아제 사슬 반응(polymerase chain reaction), 바이오 센서, 바이오 연료전지 등에서 효소의 새로운 응용이 확산되고 있는 실정이다.

상술한 효소는 적절한 환경이 유지되지 못한 경우 활성저하 또는 상실의 문제가 있을 수 있음에 따라서 외부의 물리/화학적 자극에 민감하며, 목적하는 반응의 촉매로써 기능하나 반응 후에 잔존하는 효소의 회수가 어려움에 따라서 최근에는 나노구조물질에 효소를 결합시킨 효소구조체를 구현하여 효소의 안정성, 회수 및 재활용성을 향상시키고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

이러한 효소구조체를 목적하는 반응물에 투입 시, 적절한 반응이 유도되기 위해서는 반응물이 상기 효소와 일정시간 접촉하는 것이 요구되며, 더 많은 양의 반응을 유도하기 위해선 더 많은 양의 효소가 효소구조체에 구비되는 것이 유리하고, 이러한 측면에서 효소구조체의 나노구조물질은 단위 무게당 높은 표면적을 가지는 것들이 유리할 수 있으며, 일예로, 나노구조물질로써 나노섬유(nanofibers), 다공성 물질(porous materials), 나노입자(nanoparticle), 나노비드(nanobead) 등을 사용할 수 있다.

상술한 효소구조체는 이산화탄소 포집/전환 및 활용(carbon capture/conversion and utilization)뿐만 아니라 단백질 가수분해(protein digestion), 생물전환(bioconversion), 바이오정화(bioremediation), 식품 생산 공정(food manufacturing process) 및 제약 공정(pharmaceutical process) 등의 다양한 화학/생물학적 반응이 적용되는 산업 분야에 응용될 수 있다. 실제 산업 적용을 위해서는 외부적 요인에 따른 구조적 변화에 의한 효소 활성 및 안정성의 감소 한계를 극복해야 하는 점뿐만 아니라, 대량의 반응물질을 처리해야 하는 특성상 공급되는 대상의 투입속도/투입량 등을 고려하여 효소구조체의 위치 및 양을 조절해야 한다. 이때 효소구조체의 구조적 형태에 따라서 대상의 투입속도/투입량이 제한될 수 있기 때문에, 반응기를 설계하는 과정에서 효소구조체의 구조적 특성과 반응기 내에서의 배열 및 위치가 매우 중요하다.

만일, 반응물질이 효소구조체가 포함된 반응기에 투입된 이후에, 새로운 반응물질의 투입이 없이 반응을 진행하는 경우(회분식 반응기, batch reactor)에는 제안되는 전환률에 도달할 충분한 반응시간 이후에 결과물을 방출시키기만 하면 된다. 하지만 반응물질이 연속적으로 반응기에서 투입되면서 반응이 일어남과 동시에 결과물을 방출시키는 경우(연속 교반-탱크 반응기, continuous stirred-tank reactor)에는 투입속도/투입량에 따라서 결과물의 방출속도가 결정되며, 반응기의 구조적 형태에 따라서 투입속도/투입량이 제한될 수 있다. 구체적으로 효소구조체를 통한 반응물의 전환에는 소정의 반응시간이 소요될 수 있으며, 이를 위해 반응기 내부에서 반응물질이 일정시간 이상 체류해야 할 수밖에 없다. 그러나 반응물 전환능력을 초과할 정도로 반응기로 반응물질의 공급양이 많거나 공급속도가 빠를 경우 반응기에 배압(back pressure)이 현저히 증가하고, 이로 인하여 공정을 자체를 불안정하게 만들 수 있고, 반응기의 손상/파손을 초래할 수 있는 문제가 있다.

만일 이를 해결고자 반응기에 많은 양의 효소구조체를 투입하여 반응기의 물질전환능력을 증가시키고, 이를 통해 반응기 내부의 반응물질 체류시간을 감소시켜 배압 발생을 저지하는 방법을 고려해볼 수 있으나 반응기에 많은 양으로 투입된 효소구조체는 오히려 반응물질의 반응기 내부의 흐름을 방해하여 배압발생을 오히려 조장할 우려가 있다.

또한, 반응물의 공급양과 공급속도 및 효소구조체의 양이 적절한 경우에도 반응기 내부에서 위치가 고정되지 않은 효소구조체의 경우 유체흐름으로 위치가 반응기의 배출구 쪽으로 위치하기 쉽고, 이 경우 배출구의 유체흐름을 막아 또 다른 배압의 증가원인이 될 수 있다.

나아가, 효소구조체가 섬유상의 나노구조물질을 사용하는 경우 반응기 내부에 초도에 배치시킬 때 각 섬유마다 반응물질이 통과/접할 수 있는 섬유간 이격공간이 확보된 경우에도 연속되어 공급된 유체의 압력에 의해 섬유상의 나노구조물질은 섬유간 이격공간 없이 압착될 수 있어서 반응물질과 효소간 접촉이 어려워져 반응물질을 전환시키기 매우 어려워질 수 있는 문제가 있다.

한편, 반응기에 효소구조체가 투입된 후에는 투입된 효소구조체의 양을 조절하는 것은 용이하지 않다. 즉, 상술한 것과 같이 나노구조물질이 포함된 효소구조체는 그 크기가 매우 작아서 반응기 내부의 효소구조체를 목적하는 양만큼 분리하여 줄이는 것이 쉽지 않다. 특히, 효소구조체의 나노구조물질이 섬유상일 경우 타래와 같이 서로 간에 얽혀 있을 수 있고, 얽혀있는 섬유를 인위적으로 분리시키는 것 자체가 용이하지 않으며, 분리한다고 하더라도 구비된 효소들이 손상 및/또는 탈리될 수 있다. 이에 따라서 반응기에 효소구조체가 한번 투입되고 나면 배압 등을 조절하기 매우 어려운 문제가 있다.

이에 배압 발생을 최소화하면서 목적하는 물질을 목적하는 양과 수율로 전환/생산함과 동시에 배압 조절이 용이한 반응기에 대한 개발이 시급한 실정이다.

대한민국 특허공개공보 제10-2015-0121978호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연속적으로 공급되는 대상에 대한 화학적/생물학적 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 유도할 수 있고, 과도한 배압으로 인한 반응기의 손상이 방지되며, 공급되는 대상의 투입속도/투입량 등의 변화에 대응하기 용이하고, 효소의 회수가 간편해 재사용이 가능한 효소반응기를 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 반응챔버; 및 상기 반응챔버 내부의 소정의 위치에 배치되는 효소카트리지;를 포함하고, 상기 효소카트리지는 효소들 및 상기 효소들을 상기 소정의 위치에 정주시키며, 상기 반응챔버 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하는 구조체를 포함하는 효소반응기를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 반응챔버는 상기 유체가 유입되는 유입부 및 효소를 통해 반응물질이 전환 또는 전환촉진된 생성물질을 배출시키는 유출부를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 구조체는 상기 유체가 통과할 수 있는 적어도 하나의 개구를 구비할 수 있다.

또한, 상기 구조체는 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 테플론, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리, 플래티늄, 티타늄, 니켈, 아연 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 효소들은 상기 구조체 상에 직접 고정되거나 구조체 내부의 빈 공간에 담지되어 간접 고정될 수 있다.

또한, 상기 효소카트리지는 구조체 상에 직접 고정 또는 구조체 내부에 수용되어 간접 고정된 적어도 하나의 지지체를 더 구비하고, 상기 효소들은 상기 지지체 상에 직접 고정되거나 지지체 내부의 빈 공간에 담지되어 간접 고정될 수 있다. 이때, 보다 바람직하게는 상기 지지체는 상기 구조체 상에 직접 또는 간접 고정된 섬유상의 제1지지체 및 상기 제1지지체 상에 직접 고정된 다공성의 제2지지체를 포함하고, 상기 효소들은 상기 제2지지체의 기공에 담지될 수 있다.

상기 지지체는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기재료, 또는 금속재료 및 비금속재료 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기재료로 형성될 수 있다.

또한, 상기 효소들은 탄산무수화효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 락타아제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 글루코스 산화효소, 피라노스 산화효소, 포름산 탈수소 효소, 알데하이드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 효소들은 다수개가 상호간 비결합된 효소집합체 및 다수개가 상호 결합된 효소가교결합복합체 중 어느 하나 이상의 형태로 구비

또한, 상기 효소가교결합복합체는 효소간 가교결합제를 개재하여 형성되며, 상기 가교결합제는 디이소시아네이트, 디안히드라이드, 디에폭사이드, 디알데하이드, 디이미드, 1-에틸-3-디메틸 아미노프로필카보디이미드, 글루타르알데하이드, 비스(이미도에스테르), 비스(석신이미딜에스테르), 디애시드 클로라이드, 도파민, 도파민 유래 카테콜기를 포함하는 화합물, 제니핀 및 에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또는, 상기 효소가교결합복합체는 석출화제를 통해 석출된 효소 간 가교결합제를 개재하여 형성되며, 상기 석출제는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부틸알콜, 아세톤, 폴리에틸렌글리콜, 암모늄 설페이트, 소듐클로라이드, 소듐설페이트, 소듐포스페이트, 포타슘클로라이드, 포타슘설페이트, 포타슘포스페이트 및 이들의 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 효소카트리지는 다수개로 구비되며, 다수개의 효소카트리지는 반응챔버 내에 소정의 간격으로 이격 배치될 수 있다.

또한, 본 발명은 효소들; 및 상기 효소들을 효소반응기 내 소정의 위치에 정주시키며, 효소반응기 내부로 유입되는 유체의 흐름을 조절하는 구조체;를 포함하는 효소반응기용 효소카트리지를 제공한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 효소반응기의 반응챔버로 반응물질을 포함하는 유체를 공급하는 단계; 반응챔버 내부로 유입된 유체가 효소카트리지를 통과하여 상기 반응물질을 효소들을 통해 생성물질로 전환시키는 단계; 및 전환된 생성물질을 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 효소반응기를 통한 전환공정을 제공한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 효소반응기;를 구비하는 효소반응장치를 제공한다.

이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대해 설명한다.

본 발명에 사용한 용어로써, "고정"은 직접고정 및 간접고정을 포함하고, A가 B에 직접고정 된다는 것은 물리적(융착, 흡착 등), 화학적(화학적 결합 등)으로 A와 B간 결합이 발생하는 경우를 의미하며, A가 B에 간접고정 된다는 것은 A와 B간 물리/화학적 결합은 없으나 B의 구조적 특성 등으로 인하여 A가 B의 영역 내에 위치하게 됨을 의미한다.

본 발명은 연속적으로 공급되는 대상에 대한 화학적/생물학적 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 유도할 수 있고, 과도한 배압으로 인한 반응기의 손상이 방지되며, 공급되는 대상의 투입속도/투입량 등의 변화에 대응하기 용이할 수 있다. 또한, 효소의 회수가 간편해 재사용이 가능하다. 나아가, 각 단계가 특정의 효소를 필요로 하는 여러 단계를 거쳐 반응물질이 생성물질로 전환되는 반응을 하나의 반응기를 통해 수행할 수 있어서 전환공정을 보다 용이하게 수행할 수 있고, 설비를 간소화시킬 수 있음에 따라서 산업분야 전반에 걸쳐 널리 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 효소반응기의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 효소카트리지의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 효소들이 지지체에 결합되는 다른 실시예를 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 효소카트리지의 도면으로써, 도 4a는 효소카트리지 사시도, 도 4b는 도 4a의 X-X' 경계선에 따른 단면도, 그리고
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 효소반응기의 부분분해사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 효소반응기(1000)는 반응챔버(200) 및 상기 반응챔버(200) 내부의 소정의 위치에 배치되는 효소카트리지(100)를 포함하여 구현된다.

상기 반응챔버(200)는 내부에 반응물질을 포함하는 유체를 수용할 수 있는 빈 공간을 구비하며, 연속되어 유체가 반응챔버 유입 및 유출될 수 있도록 상기 유체가 유입되는 유입부(210) 및 효소를 통해 반응물질(A)이 전환 또는 전환촉진된 생성물질(A')을 배출시키는 유출부(220)를 더 구비할 수 있다.

상기 반응챔버(200)는 그 재질, 크기 및 형상에 있어서 제한이 없으며, 직경이 작은 컬럼에서부터 많은 양의 반응물질을 수용 및 처리가능 하도록 하는 대규모 설비에 사용될 수 있을 정도의 크기를 가질 수 있다.

상기 반응챔버(200)는 내부 측벽에 후술하는 효소카트리지를 고정시킬 수 있는 결합부재(미도시)를 더 구비할 수 있고, 일예로, 상기 결합부재는 도 2와 같은 효소카트리지 구조체의 측면돌출부와 억지끼움 방식으로 결합될 수 있는 요홈 또는 측면돌출부를 슬라이딩 방식으로 수용할 수 있는 홈을 갖는 돌출형 결합부재일 수 있다.

상기 효소카트리지(100)는 도 2를 참고하여 설명하면, 효소들(130b) 및 구조체(110,120)를 포함한다.

먼저, 상기 구조체(110,120)는 효소들(130b)을 반응챔버(200) 내 소정의 위치에 정주시키며, 반응챔버(200) 내부로 유입되는 유체(A)의 흐름을 조절하는 기능을 수행한다.

상술하였듯이 반응챔버 내부에 위치가 고정되지 않은 효소들은 공급되는 유체의 양, 속도 등에 따라서 뭉쳐서 존재하기 쉽다. 특히 효소의 안정성, 집적성 등을 높이기 위해 별도의 지지체를 더 구비하여 효소를 집적시킨 경우 상기 지지체가 유체의 흐름을 방해하거나 유체의 배출구를 막아버리는 문제가 있다. 또한, 지지체가 유체의 압력에 의해 형상이 변화할 경우 유체 내 포함된 반응물질과 효소들의 접촉 빈도, 면적이 현저히 감소될 수 있음에 따라서 목적하는 수준의 전환공정을 수행할 수 없을 수 있다.

그러나 상기 구조체(110,120)는 효소들을 반응챔버(200) 내 소정의 위치에 정주시킴에 따라서 유체에 포함된 반응물질과 효소들 간에 균일하고 지속적인 반응을 유도할 수 있으며, 유체의 흐름을 방해하거나 막는 현상을 방지할 수 있어서 반응기내 배압이 증가하는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 빠른 공급속도로 반응챔버(200) 내부로 유체가 유입될 경우 효소와 반응물질 간 반응에 필요한 체류시간을 확보하지 못하고 반응물질이 그대로 배출될 수 있는데, 상기 구조체(110,120)를 통해 반응챔버(200) 내부로 유입된 유체의 흐름을 적절히 조절함으로써 반응물질과 효소간 반응이 일어날 수 있는 반응시간을 확보하여 더 많은 반응물질이 전환되도록 유도할 수 있다.

상기 구조체(110,120,110')는 도 2 및 도 4a에 도시된 것과 같이 유체가 통과할 수 있는 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있고, 상기 개구를 통해 구조체(110,120)의 일방에서 타방으로 유체가 통과하여 유체흐름의 저해를 최소화시킬 수 있다. 상기 개구의 개수 및 직경은 반응챔버의 크기, 유입되는 유체의 양, 속도를 고려하여 적절히 변경될 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 개구의 단면형상은 도 2와 같이 사각형일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 삼각형, 오각형 등의 다각형이나 원, 타원 등의 원형일 수 있고, 정형적인 형상인 아닌 비정형의 형상일 수도 있다.

또한, 도 2와 같이 구조체(110,120)가 상/하 분리형일 수 있고, 또는 도 4a와 같이 구조체(110')가 일체형일 수 있다.

이때, 도 2와 같은 구조체(110,120)는 어느 일 구조체(110)에 다른 구조체(120)와 결합될 수 있는 돌출부(113)를 구비할 수 있고, 다른 구조체(120)에는 상기 돌출부(113)를 억지끼울 수 있는 수용홈(123)을 구비할 수 있다. 또한, 도 2와 같이 구조체(110,120)는 유체를 통과시킬 수 있는 격자형의 메쉬부(112) 및 상기 메쉬부를 고정 및 지지하는 프레임(111)을 포함할 수 있다. 또는 도 2와 다르게 상기 구조체는 상/하 분리형이나 메쉬부 및 프레임이 일체로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 구조체(110,120,110')의 재질은 연속하여 공급되는 유체의 압력에 대항하여 형상을 유지하고 효소들을 소정의 위치에 정주시킬 수 있는 재질인 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 유기재료 또는 무기재료일 수 있고, 일예로써, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 테플론, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리, 플래티늄, 티타늄, 니켈, 아연 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 구조체는 상술한 재료를 이용한 공지된 방법으로 제조된 것일 수 있어서 본 발명은 상기 구조체의 제조방법을 한정하지 않으며, 일예로, 3D프린팅을 통해 구현된 것일 수 있다. 이 경우 목적하는 형상으로 낮은 비용으로 용이하게 설계 변경할 수 있는 이점이 있다.

다음으로, 상술한 구조체(110,120,110')에 의해 반응챔버(200) 내부 소정의 위치에 정주되는 효소들(130b)에 대해 설명한다.

상기 효소들(130b)은 유입되는 반응물질을 생성물질로 전환시키는 반응을 유발 및/또는 촉진시키는 기능을 수행하며, 공지된 반응을 매개하는 공지된 효소일 수 있다. 일예로, 상기 효소들은 탄산무수화효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 락타아제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 글루코스 산화효소, 피라노스 산화효소, 포름산 탈수소 효소, 알데하이드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 효소들(130b)은 다수개가 상호간 비결합된 효소집합체 및 다수개가 상호 결합된 효소가교결합복합체 중 어느 하나 이상의 형태일 수 있다. 상기 효소가교결합복합체는 가교결합제를 개재하여 효소간에 결합된 것으로써, 효소집합체에 비해 효소들의 탈리를 방지하고, 효소에 가혹적인 환경(ex, 고온, 낮거나 높은 pH 조건 등)하에서도 안정적으로 반응을 유도할 수 있는 이점이 있다.

상기 가교결합제는 디이소시아네이트, 디안히드라이드, 디에폭사이드, 디알데하이드, 디이미드, 1-에틸-3-디메틸 아미노프로필카보디이미드, 글루타르알데하이드, 비스(이미도에스테르), 비스(석신이미딜에스테르), 디애시드 클로라이드, 도파민, 도파민 유래 카테콜기를 포함하는 화합물, 제니핀 및 에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 효소가교결합복합체는 석출제를 통해 효소가 석출된 후 가교결합제를 통해 효소간 가교결합된 것일 수 있는데, 이 경우 효소들이 더욱 높은 밀도로 집적되어 가교됨으로써 전환공정의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 상기 석출제는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부틸알콜, 아세톤, 폴리에틸렌글리콜, 암모늄 설페이트, 소듐클로라이드, 소듐설페이트, 소듐포스페이트, 포타슘클로라이드, 포타슘설페이트, 포타슘포스페이트 및 이들의 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상술한 효소가교결합복합체에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 발명자에 의한 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0128128호 등이 본 발명의 참조로 삽입될 수 있다.

한편, 상기 효소들(130b)은 구조체(110,120,110')로부터 이탈을 방지하여 목적하는 위치에 지속 정주될 수 있도록 구조체(110,120,110') 상에 고정될 수 있는데, 이하, 상기 효소들(130b)이 구조체(110,120,110') 상에 고정되는 다양한 실시예들에 대해 설명한다.

상기 효소들은 상기 구조체 상에 직접고정 되거나 구조체에 구비된 기공에 담지되어 간접고정될 수 있다. 또는 상기 효소들은 구조체상에 직접고정 또는 구조체 내부에 수용되어 간접고정된 적어도 하나의 지지체를 더 구비하여 구조체상에 고정될 수 있다.

먼저, 효소들이 지지체를 더 구비하여 구조체상에 고정되는 경우에 대해 설명한다. 지지체를 더 구비하여 효소들이 구조체상에 고정되는 것과 관련하여 본 발명의 발명자에 의한 대한미국 공개특허공보 제10-2011-0128128호, 제10-2011-0128134호, 제10-2011-0137756호 등이 참조로 삽입될 수 있다.

구체적으로 도 2에 도시된 것과 같이 1개 이상의 섬유상 지지체(130b)는 구조체(110,120)가 결합될 때 생기는 내부공간에 수용됨으로써 간접 고정될 수 있다.

또는, 도 2와 다르게 지지체는 구조체에 직접 고정될 수 있다. 이때, 상기 지지체는 별도의 접착성분을 개재하여 구조체에 직접 고정될 수 있다. 또는 상기 지지체는 구조체 표면에 단량체들을 중합시켜 직접 성장시킨 섬유상의 지지체일 수 있고, 이를 통해 상기 지지체는 구조체에 직접고정 될 수 있다. 다만, 구조체와 지지체가 직접고정되는 경우는 이에 제한되는 것은 아니며, 공지된 다양한 방식으로 직접 고정될 수 있다.

이때, 상기 효소들(130b)은 도 2와 같이 지지체(130a)에 구비된 작용기(130c)와 화학결합을 통해 직접 고정될 수 있다. 또는 도 2와 다르게 별도의 접착성분(미도시)을 통해 지지체(130a) 상에 직접 고정될 수 있다.

또는, 도 3에 도시된 것과 같이 적어도 1개의 섬유상의 제1지지체(131a)상에 구비되는 다수개의 제2지지체(131a')를 구비하여 상기 효소들(131b)은 다공성 지지체(131a') 내부의 빈 공간에 담지되어 간접 고정될 수 있다.

이때, 상기 다공성의 제2지지체(131a')의 외부는 키토산(131d)이 가교결합제(131c)로 가교결합된 키토산 외피(131c,131d)로 둘러싸일 수 있고, 이를 통해 다공성의 제2지지체(131a') 내부에 담지된 효소들(131b)의 탈리를 더욱 방지할 수 있는 동시에 상기 키토산(131d)을 통해 제2지지체(131a')를 더욱 용이하게 제1지지체(131a)상에 고정시킬 수 있다. 상기 키토산(131d)은 카테콜 아민 등 아민기를 포함하는 다른 공지된 성분들에 비해 다공성의 제2지지체(131a')를 더욱 많은 양과 우수한 결합력으로 제1지지체(131a)상에 고정시킬 수 있는 이점이 있다.

한편, 도 3과 같은 형태로 효소들(131b)을 구조체에 고정시킬 경우 다공성의 제2지지체(131a')가 가진 넓은 기공 부피를 활용하여 효소 담지량을 극대화시킬 수 있는 점과, 가교결합제에 의해 쉽게 변성되는 효소를 담지할 때 제2지지체(131a') 외부의 키토산(131d)에만 가교결합을 유도시켜 효소의 변성을 최소화하여 안정성을 향상시킬 수 있음에 따라서 효소카트리지의 수명을 향상시키면서 많은 양의 반응물질 전환이 가능하며, 효소활성을 발현하기 어려운 환경/조건에서 반응물질의 전환이 요구되는 경우에도 활용이 가능한 측면에서 더욱 유리할 수 있다.

상술한 지지체(130a,131a,131a')는 효소들을 지지할 수 있는 공지된 재질로 형성된 것일 수 있고, 일예로써, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기재료, 또는 금속재료 및 실리카 등의 비금속재료 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기재료로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 지지체(130a,131a,131a') 형상이 입상, 섬유상, 판상 및 비정형 적인 형상일 수 있으며, 목적에 따라 달리 설계될 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.

또한, 상기 지지체는 고분자 섬유, 다공성 입자, 탄소 튜브, 고분자 튜브, 와이어, 필라, 그래핀, 풀러렌, 구형입자 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 지지체는 크기의 제한은 없으나, 직경, 폭 등이 나노단위일 수 있으며, 이를 통해 지지체가 구비되는 한정된 부피 내 상술한 효소들을 고정시킬 수 있는 비표면적 또는 공간을 증가시켜 더욱 많은 양의 효소들을 집적시킬 수 있는 이점이 있다.

다음으로 지지체를 구비하지 않고 효소들은 구조체에 고정될 수 있고, 이때 구조체 상에 직접고정 또는 간접 고정될 수 있다.

구체적으로 상기 효소들은 구조체에 구비된 작용기를 통한 화학결합 또는 흡착 등의 물리적결합을 통해 직접 고정될 수 있다.

또는, 도 4a 및 도 4b와 같이 상기 효소들(130b')은 구조체(110')에 구비된 빈 공간, 예를 들어 다수의 기공(130a')에 담지되어 간접 고정됨으로써 효소카트리지(100')를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 5에 도시한 것과 같이 효소카트리지(101,102)는 반응챔버(200'a,200'b)내 다수개로 구비될 수 있고, 이 때 각각의 효소카트리지(101,102)는 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 반응챔버(200'a,200'b) 내부에 구비되는 효소카트리지(101,102)의 개수는 유입되는 반응물질의 양, 유입속도, 효소와 반응물질의 반응시간을 고려한 반응물질의 체류시간 등을 종합적으로 고려하여 변경시킬 수 있다.

한편, 종래의 효소반응기와 다르게 효소들이 구조체에 고정된 형태로 구현됨에 따라서 반응기 내부에 효소의 양을 증가시켜야 할 경우 효소카트리지의 개수를 증가시키고, 효소의 양을 줄여야 할 경우 카트리지 개수를 감소시키면 됨에 따라서 반응기 내부의 효소양을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 효소반응기의 작동 중에 효소 카트리지의 삽입 또는 제거가 가능하도록 반응챔버의 구조를 설계할 경우 효소반응기 작동 중에 작동을 정지하지 않고도 효소카트리지의 개수 변경을 통해 효소의 양을 조절할 수도 있다.

한편, 도 5와 같은 효소반응기(1001)는 반응물질을 생성물질로 전환시키는 반응이 여러 단계를 거쳐 이루어지고 각 단계마다 각기 다른 효소를 요구하는 반응에 있어서 유용하게 활용될 수 있다. 일예로, 반응물질 A를 생성물질 A'로 전환시키는 반응에서 중간생성물인 B가 생성되며, A를 B로 전환시키는 반응에 효소a가 사용되고, B를 A'로 전환시키는 반응에서 효소b가 필요할 경우 상기 효소반응기(1001)는 제1효소카트리지(101)에 효소a들을 구비시키고, 제2효소카트리지(102)에 효소b를 구비시켜 목적하는 반응을 하나의 효소반응기를 통해 효율적으로 유도할 수 있다.

상술한 효소반응기(1000,1001)를 통한 전환공정은 효소반응기의 반응챔버로 반응물질을 포함하는 유체를 공급하는 단계; 반응챔버 내부로 유입된 유체가 효소카트리지를 통과하여 상기 반응물질을 효소들을 통해 생성물질로 전환시키는 단계; 및 전환된 생성물질을 외부로 배출시키는 단계;를 포함하여 수행된다.

이때, 반응물질을 포함하는 유체의 공급속도, 양은 반응기의 수용용량 및 전환능력, 생성되는 배압을 고려하여 변경될 수 있다. 또한, 상기 효소카트리지에 구비되는 효소의 종류는 반응물질의 전환반응을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 결국, 효소반응기를 통한 전환공정은 전환반응의 종류, 목적하는 수율, 생산량, 설비의 크기 등을 고려하여 구체적인 조건들이 조절될 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대해 구체적인 설명을 생략한다.

또한, 본 발명은 상술한 효소반응기(1000,1001)를 구비하는 효소반응장치를 구현할 수 있다.

상기 효소반응장치는 효소반응기(1000,1001) 반응기 이외에 요구되는 반응물질의 저장탱크, 생성물질의 저장탱크, 이들을 이동시킬 수 있는 배관, 펌프 등의 공지된 구성을 더 구비할 수 있으며, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정 및 설명하지 않는다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

100,100',101,102: 효소카트리지 110,120,110': 구조체
130a,131a,131a': 지지체 130b,130b',131b: 효소들
130c: 작용기 131c:가교제
131d: 키토산 200,200'a,200'b: 반응챔버
1000,1001: 효소반응기

Claims

반응물질을 포함하는 유체가 유입되는 유입부, 유입된 상기 유체를 수용하여 상기 반응물질의 전환반응이 일어나는 수용부 및 상기 전환반응으로 전환된 생성물질이 배출되는 유출부를 포함하는 반응챔버; 및
상기 수용부 내 상기 유체의 이동경로 상 소정의 위치에 고정배치 되는 효소카트리지;를 포함하고,
상기 효소카트리지는 효소들, 및 상기 효소들이 상기 유체의 이동경로를 따라서 이동하지 않도록 상기 효소들을 소정의 위치에 정주시키며, 상기 유체의 흐름을 조절하는 구조체를 포함하는 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소카트리지는 상기 구조체 내부에 수용되어 상기 유체의 이동경로를 따라서 이동하지 않도록 간접 고정된 섬유상의 지지체를 더 구비하고,
상기 효소들은 상기 섬유상의 지지체 상에 고정된 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 구조체는 상기 유체가 통과할 수 있는 적어도 하나의 개구를 구비한 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 구조체는 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 테플론, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리, 플래티늄, 티타늄, 니켈, 아연 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소들은 상기 구조체 상에 직접 고정되거나 구조체 내부의 빈 공간에 담지되어 간접 고정된 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소카트리지는 구조체 상에 직접 고정 또는 구조체 내부에 수용되어 간접 고정된 적어도 하나의 지지체를 더 구비하고,
상기 효소들은 상기 지지체 상에 직접 고정되거나 지지체 내부의 빈 공간에 담지되어 간접 고정된 효소반응기.
제6항에 있어서,
상기 지지체는 상기 구조체 상에 직접 또는 간접 고정된 섬유상의 제1지지체 및 상기 제1지지체 상에 직접 고정된 다공성의 제2지지체를 포함하고,
상기 효소들은 상기 제2지지체의 기공에 담지된 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소들은 탄산무수화효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 락타아제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 글루코스 산화효소, 피라노스 산화효소, 포름산 탈수소 효소, 알데하이드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소들은 다수개가 상호간 비결합된 효소집합체 및 다수개가 상호 결합된 효소가교결합복합체 중 어느 하나 이상의 형태로 구비되는 효소반응기.
제6항에 있어서,
상기 지지체는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기재료, 또는 금속재료 및 비금속재료 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기재료로 형성된 효소반응기.
제9항에 있어서,
상기 효소가교결합복합체는 효소간 가교결합제를 개재하여 형성되며,
상기 가교결합제는 디이소시아네이트, 디안히드라이드, 디에폭사이드, 디알데하이드, 디이미드, 1-에틸-3-디메틸 아미노프로필카보디이미드, 글루타르알데하이드, 비스(이미도에스테르), 비스(석신이미딜에스테르), 디애시드 클로라이드, 도파민, 도파민 유래 카테콜기를 포함하는 화합물, 제니핀 및 에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 효소반응기.
제11항에 있어서,
상기 효소가교결합복합체는 석출화제를 통해 석출된 효소 간 가교결합제를 개재하여 형성되며,
상기 석출화제는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부틸알콜, 아세톤, 폴리에틸렌글리콜, 암모늄 설페이트, 소듐클로라이드, 소듐설페이트, 소듐포스페이트, 포타슘클로라이드, 포타슘설페이트, 포타슘포스페이트 및 이들의 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 효소반응기.
제1항에 있어서,
상기 효소카트리지는 다수개로 구비되며, 다수개의 효소카트리지는 반응챔버 내에 소정의 간격으로 이격 배치되는 효소반응기.
유입부와 유출부를 포함하는 효소반응기의 상기 유입부를 통해 효소반응기 내부로 유입된 후 상기 유출부를 향해 형성된 유체의 이동경로 상 상기 유입부와 유출부 사이의 소정의 위치에 고정배치 되는 효소카트리지로서,
효소들; 및
상기 유체의 이동경로를 따라서 상기 효소들이 이동하지 않도록 상기 효소들을 소정의 위치에 정주시키며, 상기 유체의 흐름을 조절하는 구조체;를 포함하는 효소반응기용 효소카트리지.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 효소반응기의 반응챔버로 반응물질을 포함하는 유체를 공급하는 단계;
반응챔버 내부로 유입된 유체가 효소카트리지를 통과하여 상기 반응물질을 효소들을 통해 생성물질로 전환시키는 단계; 및
전환된 생성물질을 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 효소반응기를 통한 전환방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 효소반응기;를 구비하는 효소반응장치.