KR102353345B1 - A manufacturing method of powder of silk fibroin - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실크 피브로인 분말의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 절단이나 분쇄가 어려운 누에고치를 물리적인 분쇄방법을 통해 미분말화함으로써 실크 고유의 나노 분자구조를 파괴하지 않으면서도 100㎛ 이하의 분말화가 가능한 실크 피브로인 분말의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silk fibroin powder, and more specifically, by pulverizing a cocoon, which is difficult to cut or pulverize, into a fine powder through a physical pulverization method, without destroying the inherent nano-molecular structure of silk, it can be made into a powder of 100 μm or less. It relates to a method for producing a possible silk fibroin powder.
누에고치는 집누에(가잠, Bombyx mori)가 번데기를 보호하기 위하여 만든 것으로 그동안 인류는 고급 섬유 소재인 실크를 제조하는 원료로 사용하여 왔다. 실크는 자연계에서 얻을 수 있는 가장 길고 가늘며 질긴 섬유로 알려져 있다. 따라서, 누에고치에 대한 연구 분석은 주로 섬유용 소재로서의 특성 분석에 한정되어 연구 개발되어 왔다.The cocoon is made by the house silkworm (Bombyx mori) to protect the pupae. In the meantime, mankind has used it as a raw material for manufacturing silk, a high-quality textile material. Silk is known to be the longest, thinnest and toughest fiber obtained in nature. Therefore, research and analysis on silkworm cocoons have been researched and developed mainly limited to characterization as a material for textiles.
누에의 원사는 두 줄기의 피브로인 단백질과 이를 싸고 있는 세리신이라는 단백질로 구성되어 있는데, 세리신 단백질은 수용성으로 효소에 의해 쉽게 분해되지만 소수성 구조인 피브로인 단백질은 효소에 의해 잘 분해되지 않는 특성이 있다.Silkworm yarn consists of two fibroin proteins and a protein called sericin that envelops them. Sericin protein is water-soluble and easily degraded by enzymes, but fibroin protein, a hydrophobic structure, is not easily degraded by enzymes.
피브로인은 실크 특유의 광택과 탄력을 나타내는 실크 섬유의 주 단백질로 생체적합성과 보습성이 우수하여, 바이오메디컬 응용분야(필름(film), 섬유(fabric), 그물(net), 그물망(mesh), 막(membrane), 실(yarn), 스펀지(sponge), 하이드로겔(hydrogel), 조직재생 지지체 등)에서 널리 이용되고 있고, 세리신은 보습성과 점착성, 인체 친화성이 좋은 것으로 알려져 있다.Fibroin is the main protein of silk fibers that exhibits silk's unique luster and elasticity. It has excellent biocompatibility and moisture retention properties, so it can be used in biomedical applications (film, fabric, net, mesh), It is widely used in membranes, yarns, sponges, hydrogels, tissue regeneration supports, etc.), and sericin is known to have good moisturizing properties, adhesion properties, and human body compatibility.
또한 최근 누에고치는 그 특유의 나노구조가 앤더슨 광응집현상을 발생시킨다는 것이 증명되었다. 앤더슨 응집현상은 파동의 전도성이 불규칙한 구조에 의해 사라지고 내부에 갇힌다는 현상으로, 불규칙적인 누에고치의 나노구조가 빛을 오래동안 가둬주는 역할을 하는 것을 의미한다. 이 현상은 산란된 파동간의 간섭이 잘 일어나거나 산란의 세기가 강할 때 잘 일어나는데, 나란히 정렬된 나노 섬유는 빛의 산란 방향을 정렬하여 산란된 파동이 결맞음이 잘 맞아 높은 확률로 서로 간섭되도록 하고, 빛의 파장과 비슷한 크기를 갖는 여러 개의 나노 섬유 산란체는 산란 세기를 극대화 시키기 때문에 빛을 가두고 전송하는 광섬유와 유사한 기능을 하거나, 생체소재와 빛 사이에 강력한 상호작용이 생기게 함으로써 진단, 치료, 바이오센서, 복제 불가능한 생체이식 암호 등 다양한 의료용 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.In addition, it has recently been demonstrated that the cocoon's unique nanostructure causes Anderson's photocoagulation. Anderson's agglomeration is a phenomenon in which the conduction of waves is lost by an irregular structure and is trapped inside. This phenomenon occurs well when interference between scattered waves occurs well or when the intensity of scattering is strong. Nanofibers aligned side-by-side align the scattering directions of light so that the scattered waves have a good coherence and interfere with each other with a high probability, Multiple nanofiber scatterers with a size similar to the wavelength of light maximize the scattering intensity, so they function similar to optical fibers that trap and transmit light, or create a strong interaction between biomaterials and light, so that diagnosis, treatment, It is expected that various medical technologies such as biosensors and non-replicable bioimplantable passwords will be developed.
그러나 누에고치는 그 자체로는 섬유상의 형태를 갖기 때문에 사용에 제약이 따를뿐만 아니라, 내부의 나방 유충을 보호하기 위해 형성되는 것이기 때문에 기본적으로 결정성과 분자량이 높으며, 강력한 강도로 인해 섬유로 사용하기에는 최적의 조건을 갖고 있으나 분말화 하기에는 매우 어렵고 높은 가공 비용의 문제점이 있다. 특히 누에의 품종에 따라 다르나 절단 인장강도가 18 MPa에서 최대 90 MPa 이상을 보이고 있으며, 단위 두께당 무게인 견층밀도 또한 0.3 내지 0.8 g/㎜으로 상당히 치밀한 구조를 갖기 때문에 물리적인 절단이 매우 어렵다.However, since the cocoon itself has a fibrous form, there are restrictions on its use, and because it is formed to protect the inner moth larva, it has high crystallinity and molecular weight, and is optimal for use as a fiber due to its strong strength. However, it is very difficult to pulverize and has a problem of high processing cost. In particular, although it differs depending on the species of silkworm, the tensile strength at cut is 18 MPa up to 90 MPa or more, and the thickness of the silk layer, which is the weight per unit thickness, also has a fairly dense structure of 0.3 to 0.8 g/mm, so it is very difficult to physically cut it.
이 때문에 대부분의 실크 분말 생산기술은 실크를 효소 분해하거나 산 또는 염으로 녹여 액상으로 제조한 후 분말화하는 기술이 제안되고 있으나, 분말로서 불규칙한 분자량의 분포로 인하여 기능성의 극대화는 기대할 수 없다. 또한 산 혹은 염을 사용함으로써 분자량의 조절이 매우 어려울 뿐 아니라 중화 뒤에도 고 분자량 혹은 가혹한 조건을 사용함으로써 특정 수소이온 농도에서의 단백질 분자들 사이의 인력 및 반발로 인한 겔화, 침전물 그리고 저분자화로 인한 필요성분의 급속한 유출 등이 생기는 등 제품 공정상의 제한성을 불러일으키고 있다. 여기에 무엇보다도 실크를 용해하면 상술한 나노구조가 무너지기 때문에 나노 섬유 산란체를 형성할 수 없어 바이오 센서로 이용할 수 없는 단점을 가진다.For this reason, most silk powder production technologies have been proposed in which silk is enzymatically decomposed or dissolved in acid or salt to form a liquid and then powdered. In addition, it is very difficult to control the molecular weight by using acid or salt, and by using high molecular weight or harsh conditions even after neutralization, gelation, sediment and low molecular weight are required due to attraction and repulsion between protein molecules at a specific hydrogen ion concentration. It is causing limitations in the product process, such as the rapid leakage of Above all, when silk is dissolved, the above-described nanostructure is destroyed, so it cannot form a nanofiber scatterer, so it cannot be used as a biosensor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 절단이나 분쇄가 어려운 누에고치를 물리적인 분쇄방법을 통해 미분말화함으로써 실크 고유의 나노 분자구조를 파괴하지 않으면서도 100㎛ 이하의 분말화가 가능한 실크 피브로인 분말의 제조방법 제공을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above problems, and by pulverizing the cocoon, which is difficult to cut or pulverize, through a physical pulverization method, it is possible to pulverize the silk to a size of 100 μm or less without destroying the unique nano-molecular structure of silk. An object of the present invention is to provide a method for preparing silk fibroin powder.
본 발명은 실크 피브로인 분말의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silk fibroin powder.
본 발명의 일 양태는,One aspect of the present invention is
a) 누에고치에 정련액을 접촉시켜 누에고치를 정련하는 정련 단계;a) a refining step of refining the cocoon by contacting the refining solution to the cocoon;
b) 상기 정련된 누에고치를 건식 기계적 분쇄수단으로 단섬유로 분쇄하는 제1분쇄 단계; 및b) a first pulverizing step of pulverizing the refined cocoon into short fibers using a dry mechanical pulverizing means; and
c) 상기 단섬유를 건식 기계식 분쇄수단으로 분쇄하여 평균 입경 100㎛ 이하의 미분말로 분쇄하는 제2분쇄 단계;c) a second grinding step of pulverizing the short fibers into a fine powder having an average particle size of 100 μm or less by pulverizing the short fibers with a dry mechanical grinding means;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 실크 피브로인 분말의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing silk fibroin powder comprising a.
본 발명에서 상기 a) 단계는 50 내지 200℃로 설정된 알칼리 수용액, 산성 수용액, 효소 수용액 및 아민 수용액에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정련액에 0.1 내지 5시간 동안 누에고치를 접촉시켜 진행하며,In the present invention, step a) is carried out by contacting the cocoon with any one or a plurality of scouring solutions selected from an aqueous alkali solution, an acidic aqueous solution, an enzyme aqueous solution, and an amine aqueous solution set at 50 to 200 ° C. for 0.1 to 5 hours,
상기 b) 단계는 임펠러가 구비된 파우더 믹서(powder mixer)를 사용하여 수행하되, 상기 임펠러의 공전 속도가 10 내지 50 rpm, 누에고치의 분쇄속도가 1,000 내지 15,000rpm이며, 1 내지 5분간 분쇄하는 것을 특징으로 한다.The step b) is carried out using a powder mixer equipped with an impeller, the revolution speed of the impeller is 10 to 50 rpm, and the grinding speed of the cocoon is 1,000 to 15,000 rpm, and grinding for 1 to 5 minutes characterized in that
또한 상기 c) 단계는 직경이 서로 다른 세 종류의 볼(ball)이 구비된 유성밀(planetary mill)을 사용하여 수행하되, 상기 볼은 직경이 10 내지 30㎜인 대직경볼, 직경이 5 내지 20㎜인 중직경볼 및 직경이 1 내지 10㎜인 소직경볼이 혼합되어 구비되며, 100 내지 800 rpm의 속도로 0.1 내지 2시간 분쇄하며, 상기 c) 단계 진행 시 보울(bowl)에 누에고치와 볼(ball)을 순차적으로 투입하고 분쇄를 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, step c) is performed using a planetary mill equipped with three types of balls having different diameters, wherein the balls are large-diameter balls with a diameter of 10 to 30 mm, and a diameter of 5 to A medium-diameter ball of 20 mm and a small-diameter ball having a diameter of 1 to 10 mm are mixed and provided, and pulverized for 0.1 to 2 hours at a speed of 100 to 800 rpm, and a cocoon in a bowl during step c) It is characterized in that the balls are sequentially introduced and the grinding is performed.
본 발명에 따른 실크 피브로인 분말은 제조 시 효소나 기타 약품에 의한 가수분해, 용해 등으로 재결정화한 것이 아닌 건식 기계식 분쇄수단만을 이용하여 분말화한 것으로, 실크가 가지는 특유의 나노구조를 파괴하지 않고 최대한 유지할 수 있기 때문에 진단, 치료, 바이오센서, 복제 불가능한 생체이식 암호 등 다양한 의료용 기술에 적용할 수도 있으며, 이외에도 피브로인 분말을 포함하는 생분해성 고분자, 의약품, 화장품, 기능성 식품 등에 폭넓게 이용 가능하다.Silk fibroin powder according to the present invention is not recrystallized by hydrolysis or dissolution by enzymes or other drugs during manufacture, but is powdered using only dry mechanical grinding means, without destroying the unique nanostructure of silk. Since it can be maintained as much as possible, it can be applied to various medical technologies such as diagnosis, treatment, biosensor, and non-copyable biotransplantation code.
도 1은 실시예 1을 통한 실크 피브로인 분말의 제조과정 중 파우더믹서의 분쇄 후를 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1을 통한 실크 피브로인 분말의 제조과정 중 유성밀의 분쇄 전(a)과 분쇄 후(b)를 도시한 것이다.
도 3은 실시예 2를 통한 실크 피브로인 분말의 제조과정 중 유성밀의 분쇄 전(a)과 분쇄 후(b)를 도시한 것이다.
도 4는 실시예 3을 통한 실크 피브로인 분말의 제조과정 중 유성밀의 분쇄 전(a)과 분쇄 후(b)를 도시한 것이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 실시예 1을 통해 제조된 실크 피브로인 분말을 도시한 것이다.1 is a view showing after pulverization of the powder mixer during the manufacturing process of the silk fibroin powder according to Example 1.
Figure 2 shows the before (a) and after (b) grinding of the planetary mill during the manufacturing process of the silk fibroin powder according to Example 1.
3 shows before (a) and after (b) grinding of the planetary mill during the manufacturing process of silk fibroin powder according to Example 2.
Figure 4 shows the before (a) and after (b) grinding of the planetary mill during the manufacturing process of the silk fibroin powder according to Example 3.
5 (a) and (b) shows the silk fibroin powder prepared in Example 1.
이하, 본 발명에 따른 실크 피브로인 분말의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 소개되는 구체 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.Hereinafter, a method for producing silk fibroin powder according to the present invention will be described in more detail. However, the embodiments introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체 예들은 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 이하 제시되는 구체 예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.Therefore, the present invention is not limited to the embodiments presented below and may be embodied in other forms, and the embodiments presented below are merely described to clarify the spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, unless there are other definitions in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the following description, it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. A description of possible known functions and configurations will be omitted.
또한 명세서 및 첨부된 특허 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태로 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.
본 발명에 따른 실크 피브로인 분말의 제조방법은,The method for producing silk fibroin powder according to the present invention,
a) 누에고치에 정련액을 접촉시켜 누에고치를 정련하는 정련 단계;a) a refining step of refining the cocoon by contacting the refining solution to the cocoon;
b) 상기 정련된 누에고치를 건식 기계적 분쇄수단으로 단섬유로 분쇄하는 제1분쇄 단계; 및b) a first pulverizing step of pulverizing the refined cocoon into short fibers using a dry mechanical pulverizing means; and
c) 상기 단섬유를 건식 기계식 분쇄수단으로 분쇄하여 평균 입경 100㎛ 이하의 미분말로 분쇄하는 제2분쇄 단계;c) a second grinding step of pulverizing the short fibers into a fine powder having an average particle size of 100 μm or less by pulverizing the short fibers with a dry mechanical grinding means;
를 포함하여 진행할 수 있다. can proceed, including
본 발명에서 상기 a) 단계는 누에고치에 정련액을 접촉시켜 불필요한 성분인 세리신(sericin)을 제거하는 정련 단계이다.In the present invention, step a) is a refining step of removing unnecessary component sericin by contacting the refining solution with a cocoon.
일반적으로 18종의 아미노산으로 구성된 누에의 견사선에서 생합성된 액상의 실크는, 누에의 토사에 의하여 결정화도가 높은 섬유배열이 형성되며, 강신도가 3.8 내지 4.2g/d에서 18 내지 24% 정도의 신도를 갖는 약 75 중량%의 피브로인(fibroin)과 약 25 중량%의 세리신(sericin)의 2성분으로 형성된 실크가 생산된다. In general, the liquid silk biosynthesized from the silk glands of silkworms composed of 18 amino acids has a high crystallinity fiber arrangement by the silt of the silkworm, and has an elongation of 18 to 24% at 3.8 to 4.2 g/d. Silk formed from two components of about 75% by weight of fibroin and about 25% by weight of sericin is produced.
세리신은 대표적인 수용성 구형 단백질로 겔 상의 검을 형성하여 섬유 본체인 피브로인의 주위를 싸고 있다. 피브로인 섬유끼리, 또 고치와 토대를 접착하는 작용을 하며 피브로인 섬유화할 때 윤활제로서 기능하나, 피브로인의 분쇄에 방해가 되므로 이를 제거하는 것이 바람직하다.Sericin is a representative water-soluble globular protein that forms a gel-like gum and wraps around fibroin, a fiber body. It acts as a bonding agent between the fibroin fibers and the cocoon and the base, and functions as a lubricant when forming fibroin fibers.
본 발명에서 상기 누에고치는 당업계에서 섬유용 또는 바이오용 등으로 통상적으로 사용되는 것이라면 종류에 한정치 않는다. 우리나라의 경우 누에고치 생산 및 교육용 누에 생산을 목적으로 17종의 누에 장려품종을 지정하고 있는 바, 본 발명에서는 이들 모두 사용 가능하며, 예를 들어 장려품종으로 금옥잠, 대성잠, 일본종으로 SK-1, N28, 추화, N74(방추형 고치), 중국종으로 혹누에, 유럽종으로 Bagdad(1화성), Romogua(1화성), 열대종으로 SA6(다화성), 한국종으로 삼면홍회백(4면잠), 선3호(3면잠) 등을 포함할 수 있으며, 이들을 둘 이상 혼합하여 사용하여도 무방하다.In the present invention, the cocoon is not limited to the type as long as it is commonly used for textile or bio use in the art. In the case of Korea, 17 kinds of silkworm incentives are designated for the purpose of cocoon production and educational silkworm production, and in the present invention, all of them can be used. -1, N28, Chuhwa, N74 (fusiform cocoon), Chinese silkworm, European Bagdad (1 Hwaseong), Romogua (1 Hwaseong), tropical SA6 (multiple cocoon), Korean three-sided red chrysanthemum (4 Myeonjam), Seon No. 3 (three-sided sleep), etc. may be included, and two or more of these may be mixed and used.
다만 누에고치는 품종에 따라 견층의 무게나 두께, 견층 밀도, 인장강도 등이 상이하므로 후술할 분쇄 공정의 조건이나 생산되는 실크 분말의 평균 입경 등에 따라 선택적으로 적용할 수 있다. 예를 들어 절단강도가 큰 선3호나 삼면홍회백 등의 품종은 분쇄 단계에서의 임펠러나 볼 회전속도를 높이거나 분쇄 시간을 길게 가져가는 것이 좋으며, 절단강도가 낮은 SA6이나 N74 등은 임펠러나 볼 회전속도를 낮추거나 볼의 크기 등을 조절하는 식으로 실크 입자의 입경을 결정할 수 있다.However, since the weight and thickness of the silk layer, the density of the silk layer, the tensile strength, etc. are different depending on the type of cocoon, it can be selectively applied depending on the conditions of the grinding process described later or the average particle size of the silk powder produced. For example, it is recommended to increase the rotation speed of the impeller or ball in the crushing stage or to take a longer crushing time for varieties such as Seon 3 or three-sided red ginseng that have high cutting strength. The particle size of silk particles can be determined by lowering the rotation speed or adjusting the size of the ball.
본 발명에서 상기 정전제는 통상적으로 누에고치에서 세리신을 제거할 때 사용하는 정련제라면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼슘, 규산나트륨, 인산나트륨, 중탄산나트륨, 붕사, 암모니아 등의 수용액인 알칼리 수용액; 젖산, 타타르산, 구연산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 초산, 클로로아세트산, 디클로로아세트산 트리클로로아세트산 등의 수용액인 산성 수용액; 트립신(Trypsin), 파파인(Papain) 등의 수용액인 효소 수용액; 및 메틸 아민, 에틸 아민 등의 아민를 포함하는 아민 수용액이 있으며, 이외에도 탈로우 오일(Tallow oil), 올리브 오일(Olive oil), 코코넛 오일(Coconut oil), 카스터 오일(Caster oil), 아라키스 오일(Arachis oil), 코튼 씨드 오일(Cotton seed oil), 크라이살리스 오일(Chrysalis oil), 소듐 라우레이트(Sodium Laurate), 소듐 미리스테이트(Sodium Myristate), 소듐 스테아레이트(Sodium Stearate), 소듐 아라키데이트(Sodium Arachidate), 소듐 올레이트(Sodium Oleate), 소듐 리시놀레이트(Sodium Ricinoleate) 등의 계면활성제를 물에 용해하여 사용하여도 무방하다.In the present invention, the electrostatic agent may be used as long as it is a refining agent commonly used when removing sericin from a cocoon. Aqueous alkali aqueous solution which is, for example, aqueous solutions, such as sodium hydroxide, sodium carbonate, calcium carbonate, sodium silicate, sodium phosphate, sodium bicarbonate, borax, ammonia; acidic aqueous solutions, such as lactic acid, tartaric acid, citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, acetic acid, chloroacetic acid, dichloroacetic acid and trichloroacetic acid; Enzyme aqueous solution which is an aqueous solution, such as trypsin (Trypsin) and papain (Papain); and an amine aqueous solution containing amines such as methyl amine and ethyl amine, in addition to tallow oil, olive oil, coconut oil, caster oil, arachis oil Arachis oil, Cotton seed oil, Chrysalis oil, Sodium Laurate, Sodium Myristate, Sodium Stearate, Sodium Arachidate (Sodium Arachidate), Sodium Oleate (Sodium Oleate), Sodium Ricinoleate (Sodium Ricinoleate), etc. surfactants dissolved in water may be used.
상기 정련제를 포함하는 정련욕에 대한 실크의 욕비는(Bath ratio, w/v, g/mL)는 실크 : 정련욕 부피로 1 : 5 내지 100인 것이 바람직하다. 욕비가 상기 범위 미만인 경우 정련액이 실크에 충분히 침지되지 않아 세리신의 제거가 효율적으로 이루어지지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.The bath ratio of silk to the scouring bath containing the scouring agent (Bath ratio, w/v, g/mL) is preferably 1:5 to 100 by volume of silk:scouring bath. When the bath ratio is less than the above range, the scouring solution is not sufficiently immersed in the silk, so that the removal of sericin is not performed efficiently.
상기 a) 단계는 50 내지 200℃로 설정된 정련액에 0.1 내지 5시간 접촉시켜 수행할 수 있다. 상기 정련 공정을 통해 손상 없이 피브로인만을 효과적으로 수득할 수 있으며, 상기 온도나 시간 범위 미만으로 공정을 수행할 경우 세리신이 충분히 제거되지 않으며, 상기 범위 초과로 공정을 수행할 경우 정련 과정에서 피브로인의 절단이 발생하여 나노구조가 파괴될 수 있다.Step a) may be performed by contacting the refining solution set at 50 to 200° C. for 0.1 to 5 hours. Only fibroin can be effectively obtained without damage through the refining process, and when the process is performed below the above temperature or time range, sericin is not sufficiently removed. This can lead to destruction of the nanostructure.
상기 a) 단계는 필요에 따라 물리적인 교반을 통해 피브로인 성분만을 수집할 수 있다. 이때 물리적인 교반 수단으로 예를 들면 초음파나 교반기, 교반봉 등이 있으며, 이를 이용한 교반 조건은 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 한정하지 않는다. In step a), only the fibroin component may be collected through physical stirring if necessary. At this time, as a physical stirring means, for example, there is an ultrasonic wave, a stirrer, a stirring rod, etc., and the stirring conditions using the same are not limited within the range that does not impair the object of the present invention.
본 발명에서 상기 b) 단계는 제1분쇄 단계로, 상기 정련된 누에고치를 건식 기계적 분쇄수단으로 단섬유로 분쇄하는 공정이다. 이때 상기 ‘단섬유’는 필라멘트의 형태를 갖는 피브로인이 수 회 절단되어 형성되는 것으로, 길이를 한정하는 것은 아니나 대략 5㎝ 이하의 길이를 갖는 것을 의미한다.In the present invention, step b) is a first grinding step, and is a process of grinding the refined cocoon into short fibers by a dry mechanical grinding means. In this case, the 'short fiber' is formed by cutting fibroin having the shape of a filament several times, and the length is not limited, but it means having a length of about 5 cm or less.
상기 b) 단계에서 사용 가능한 분쇄기는 건식 공정을 통해 장섬유인 피브로인을 단섬유 형태로 절단 가능한 것이라면 종류에 한정하지 않으며, 예를 들어 에어제트밀(air jet mill), 로터리밀(rotary mill), 해머밀(hammer mill), 압출식밀(extruder mill), 유압식 파쇄기, 파우더믹서(powder mixer) 등이 있으며, 이들 중 임펠러가 내부에 구비되어 피브로인 섬유가 균일하게 혼합되면서 동시에 분쇄 및 표면개질 등의 효과를 달성할 수 있는 파우더믹서를 사용하는 것이 바람직하다.The pulverizer usable in step b) is not limited to the type as long as it can cut long-fiber fibroin into short fibers through a dry process, for example, an air jet mill, a rotary mill, There are hammer mills, extruder mills, hydraulic crushers, powder mixers, and the like. Among them, an impeller is provided inside so that the fibroin fibers are uniformly mixed while simultaneously grinding and surface modification. It is preferable to use a powder mixer that can achieve
본 발명에서 파우더믹서는 형태 및 구성을 본 발명에서 한정하지는 않으나 기본적으로 대한민국 등록특허 제10-1276352호와 같이 분쇄가 일어나는 본체와, 상기 본체 내부에 회전 가능하게 장착되며 횡단면이 절곡된 형태의 날개를 가지는 임펠러 및 상기 임펠러를 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.In the present invention, the shape and configuration of the powder mixer is not limited in the present invention, but basically, as in Korean Patent Registration No. 10-1276352, a main body to be pulverized and a blade rotatably mounted inside the main body and bent in cross section It may include an impeller having and a motor rotating the impeller.
이때 본체는 상측에 개구부가 형성되고, 개구부의 일단에는 상기 개구부를 개폐하는 뚜껑이 장착되어 상기 피브로인의 분쇄 시 단섬유가 본체 밖으로 탈출하는 것을 막을 수 있으며, 상기 임펠러는 상기 본체의 내면 중 바닥면에 회전 가능하게 장착되는 것이 바람직하다.At this time, an opening is formed on the upper side of the main body, and a lid for opening and closing the opening is mounted at one end of the opening to prevent short fibers from escaping out of the main body when the fibroin is pulverized, and the impeller is a bottom surface of the inner surface of the main body. It is preferable to be rotatably mounted to the.
상기 임펠러는 회전축과 결합하는 보스와 상기 보스의 외측면에 형성되는 다수의 날개로 구성될 수 있으며, 필요에 따라 상기와 같은 임펠러가 하나 또는 둘 이상 구비될 수도 있다. The impeller may include a boss coupled to the rotation shaft and a plurality of blades formed on an outer surface of the boss, and one or two or more of the above impellers may be provided as necessary.
또한 상기 임펠러와는 별개로 상기 피브로인 섬유의 분쇄를 원활히 하고, 분쇄된 피브로인 섬유의 직경(섬도)이나 길이를 짧게 하기 위해 세라믹 비드를 본체 내부에 함께 수용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 비드는 임펠러에 의해 움직이면서 피브로인 섬유와의 마찰을 일으키고, 그 결과로 상기 섬유의 길이나 섬도를 더욱 짧게 한다.In addition, it is preferable to accommodate the ceramic beads together in the body in order to facilitate the grinding of the fibroin fibers separately from the impeller and to shorten the diameter (fineness) or length of the pulverized fibroin fibers. The ceramic beads cause friction with the fibroin fibers while being moved by the impeller, resulting in a shorter length or fineness of the fibers.
상기 보스는 본체의 바닥면에 회전 가능하게 장착되며, 필요에 따라 회전과 동시에 상기 축방향으로 본체 내부에서 상하로 운동할 수 있다. 상기 보스는 중앙에 회전을 위한 축이 삽입되는 삽입공이 형성될 수도 있으며, 상술한 모터에 의해 회전력을 전달받아 운동하게 된다.The boss is rotatably mounted on the bottom surface of the main body, and can move up and down inside the main body in the axial direction at the same time as the rotation if necessary. The boss may be formed with an insertion hole into which a shaft for rotation is inserted in the center, and is moved by receiving rotational force by the above-described motor.
상기 날개는 상기 보스의 외주면에 상기 본체의 내주면 방향으로 서로 방사상으로 배치되되, 소정의 각도로 경사지게 부착될 수 있다. 이때 상기 날개는 일방향으로 긴 사각 형상이며 끝단에는 상기 피브로인 섬유의 절단을 위해 칼날 형태로 형성된 칼날부가 구비되는 것이 바람직하다.The wings are disposed on the outer circumferential surface of the boss radially to each other in the direction of the inner circumferential surface of the main body, and may be attached to be inclined at a predetermined angle. In this case, it is preferable that the blade has a long rectangular shape in one direction and a blade portion formed in the shape of a blade for cutting the fibroin fiber is provided at the end.
상기 모터는 상기 회전축을 회전시켜 임펠러에 회전을 전달하기 위한 것으로, 피브로인 섬유의 단섬유화와 분쇄 시간을 단축시키기 위해 회전수를 높게 유지하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 모터는 상기 임펠러의 공전속도(revolution)가 10 내지 50rpm, 누에고치의 분쇄속도(자전속도, rotation)가 1,000 내지 15,000rpm이 되도록 축을 회전시키는 것이 바람직하다.The motor rotates the rotation shaft to transmit rotation to the impeller, and it is preferable to maintain a high number of rotations in order to shorten the fibroin fiber formation and grinding time. Specifically, the motor preferably rotates the shaft so that the revolution speed of the impeller is 10 to 50 rpm, and the grinding speed (rotation speed, rotation) of the cocoon is 1,000 to 15,000 rpm.
또한 상기 파우더믹서는 대한민국 등록특허 제10-0935688호에 기재된 바와 같이 본체를 회동시키기 위한 회동수단이 더 구비될 수도 있다. 상기 회동수단은 본체 자체를 공전시킴으로써 상기 임펠러에 의한 피브로인 섬유의 이동 이외에 상하좌우로 움직이면서 상기 임펠러와 피브로인 섬유의 접촉 횟수를 높여줌과 동시에 절단된 단섬유 형태의 피브로인 섬유가 상기 본체의 바닥에 적층되어 더 이상 절단이 이루어지지 않는 것을 방지할 수 있다.In addition, the powder mixer may further include a rotating means for rotating the main body as described in Korean Patent Registration No. 10-0935688. The rotation means increases the number of contact between the impeller and the fibroin fiber while moving up, down, left and right in addition to the movement of the fibroin fiber by the impeller by revolving the body itself, and at the same time the cut short fiber type fibroin fiber is laminated on the bottom of the body It is possible to prevent further cuts from being made.
상기 b) 단계는 상술한 바와 같이 모터의 구동으로 임펠러를 회전시켜 피브로인 섬유의 절단을 유도하되, 임펠러의 공전 속도가 10 내지 50 rpm, 누에고치의 분쇄속도가 1,000 내지 15,000rpm을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 범위 미만으로 구동되는 경우 섬유장이 길어지기 때문에 후술할 제2분쇄가 제대로 이루어지지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우 모터 회전 속도 증가에 따른 분쇄 효과 증가가 미비하다. 또한 상기 b) 단계는 1 내지 5분간 진행하는 것이 바람직하다.In step b), as described above, the impeller is rotated by driving the motor to induce cutting of the fibroin fiber, but the revolving speed of the impeller is 10 to 50 rpm, and the grinding speed of the cocoon is preferably maintained at 1,000 to 15,000 rpm. do. When it is driven below the above range, the second crushing, which will be described later, is not properly performed because the fiber length becomes longer. In addition, it is preferable that step b) proceeds for 1 to 5 minutes.
다음으로 상기 c) 단계와 같이 상기 피브로인 단섬유를 건식 기계식 분쇄수단으로 분쇄하여 평균 입경 100㎛ 이하의 미분말로 분쇄하는 제2분쇄 단계를 진행할 수 있다.Next, as in step c), a second grinding step of pulverizing the short fibroin fibers into a fine powder having an average particle size of 100 μm or less by pulverizing the fibroin short fibers with a dry mechanical pulverizing means may be performed.
본 발명에서 상기 c) 단계는 단섬유 형태의 피브로인 섬유를 기계적 분쇄수단으로 분쇄하여 미분말 형태로 제조하는 공정이다. 이때 상기 ‘미분말’은 단섬유 형태의 피브로인이 완전히 마모되어 아주 작은 직경을 가지는 입자로 형성되는 것으로, 입경을 한정하는 것은 아니나 대략 100㎛ 이하의 직경을 갖는 것을 의미한다.In the present invention, step c) is a process for producing a fine powder form by pulverizing the fibroin fibers in the form of short fibers with a mechanical grinding means. In this case, the 'fine powder' means that the fibroin in the form of short fibers is completely abraded to form particles having a very small diameter, and the particle size is not limited, but it means having a diameter of about 100 μm or less.
상기 c) 단계에서 사용 가능한 분쇄기는 상기 b) 단계와 유사하게 건식 공정을 통해 장섬유인 피브로인을 단섬유 형태로 절단 가능한 것이라면 종류에 한정하지 않으며, 예를 들어 에어제트밀(air jet mill), 로터리밀(rotary mill), 해머밀(hammer mill), 압출식밀(extruder mill), 유압식 파쇄기, 파우더믹서(powder mixer), 유성밀(planetary mill) 등이 있으며, 이들 중 볼과 함께 회전시켜 볼에 의해 상기 피브로인 분말의 분쇄 및 마모를 유도할 수 있는 유성밀을 사용하는 것이 바람직하다.The pulverizer usable in step c) is not limited to the type as long as it can cut long-fiber fibroin into short fibers through a dry process similar to step b), for example, an air jet mill, There are rotary mills, hammer mills, extruder mills, hydraulic crushers, powder mixers, planetary mills, etc. It is preferable to use a planetary mill capable of inducing grinding and abrasion of the fibroin powder.
상기 유성밀은 고속으로 공전과 자전을 동시에 할 수 있도록 제작되어진 장비로, 하나 이상의 보울(bowl)을 가지고 있으며, 상기 보울이 원형의 회전판 상에 고정되도록 구비된다. 상기 회전판이 회전함과 동시에 상기 보울이 각각 독립적으로 회전판의 회전방향과 반대 방향으로 회전하도록 구성되며, 상기 보울 내부에는 볼(ball)과 함께 분쇄 대상 물질이 위치하여 고속 회전에 따라 발생하는 충격력에 의해 분쇄-분산이 이루어지는 원리를 이용한 것이다.The planetary mill is a device manufactured to simultaneously revolve and rotate at high speed, has one or more bowls, and is provided so that the bowl is fixed on a circular rotating plate. At the same time as the rotating plate rotates, the bowl is each independently configured to rotate in the opposite direction to the rotating direction of the rotating plate. It uses the principle of pulverization-dispersion by
상기 회전판과 보울이 회전하는 경우, 보울 내부에 투입된 볼에는 보울의 공전으로 인한 제1원심력과 보울의 자전으로 인한 제2원심력이 작용하게 된다. 제1원심력은 볼이 공전축인 회전판의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 작용하고, 제2원심력은 볼이 자전축인 보울의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 작용한다. 이러한 제1원심력 및 제2원심력의 크기 및 작용방향은 볼밀볼의 위치에 따라 달라지게 된다.When the rotating plate and the bowl rotate, the first centrifugal force due to the revolution of the bowl and the second centrifugal force due to the rotation of the bowl act on the ball injected into the bowl. The first centrifugal force acts in a direction away from the axis of rotation of the rotating plate, which is the orbital axis of the ball, and the second centrifugal force, acts in a direction away from the axis of rotation of the bowl, which is the axis of rotation of the ball. The magnitude and action direction of the first centrifugal force and the second centrifugal force vary depending on the position of the ball mill ball.
또한 회전판이 회전하는 상태에서 보울이 회전하는 경우, 볼과 보울 벽면 사이의 마찰력에 의해 볼이 보울과 동일한 방향으로 회전하게 된다. 이러한 힘들의 작용에 의해 보울 내부의 볼은 다른 볼, 특히 다른 직경을 가지는 볼들, 피브로인 단섬유 또는 보울의 내벽과 충돌하는 운동을 하거나, 다른 볼, 피브로인 단섬유 또는 보울의 내벽과 접촉한 상태에서 해당 볼의 회전에 의해 마찰하는 운동, 즉, 기계적 전단력을 인가하는 운동을 하게 된다. In addition, when the bowl rotates while the rotating plate rotates, the ball rotates in the same direction as the bowl due to the frictional force between the ball and the bowl wall. Due to the action of these forces, the balls inside the bowl collide with other balls, especially balls of different diameters, short fibroin fibers or the inner wall of the bowl, or in the state of contact with other balls, short fibroin fibers or the inner wall of the bowl. A frictional motion by the rotation of the corresponding ball, that is, a motion applying a mechanical shear force is performed.
회전판과 보울의 회전속도에 따라, 보울 내부의 볼은 상기와 같은 힘들의 작용에 의해 다양한 운동을 하게 된다. 구체적으로 일정한 속도로 회전판이 회전하는 상태에서 보울을 자전시키면서 보울의 회전속도를 점진적으로 증가시키는 경우 보울의 회전속도에 따라 내부의 볼은 서로 다른 운동을 하게 된다.According to the rotational speed of the rotating plate and the bowl, the ball inside the bowl undergoes various motions by the action of the above-mentioned forces. Specifically, when the rotational speed of the bowl is gradually increased while rotating the bowl in a state in which the rotating plate rotates at a constant speed, the inner balls perform different motions according to the rotational speed of the bowl.
예를 들어 회전판의 속도(공전속도)를 V2라 하고, 보울의 속도(자전속도)를 V1이라 하였을 때, V2 > V1인 경우, 보울의 공전에 의한 제1원심력이 볼에 크게 작용하고, 이에 따라 볼은 보울의 내부 공간 중 공전축으로부터 가장 멀리 위치하는 지점에서 공전축을 기준으로 회전운동을 하게 된다. 이 경우 보울의 자전에 의해 보울의 내벽은 볼에 마찰력을 인가하므로, 볼은 자체적으로 회전하게 된다.For example, it referred to the speed (revolution speed) of the spindle V 2, and when the speed (rotation speed) of the bowl hayeoteul as V 1, the case of V 2> V 1, a first centrifugal force due to revolution of the bowl is larger in view In this way, the ball rotates about the orbital axis at the point located farthest from the orbital axis in the inner space of the bowl. In this case, since the inner wall of the bowl applies a frictional force to the ball by the rotation of the bowl, the ball rotates by itself.
회전판의 속도가 하한치와 상한치를 갖는 범위를 가질 때, 보울의 속도가 상기 범위 내에 포함되는 경우 보울의 공전에 의한 제1원심력과 자전에 의한 제2원심력이 상호작용하여 볼이 보울 내부의 공간을 이동하여 보울의 벽과 충돌하는 운동을 하게 된다.When the speed of the rotary plate has a range having a lower limit and an upper limit, if the speed of the bowl is included in the above range, the first centrifugal force due to the revolution of the bowl and the second centrifugal force due to the rotation of the bowl interact to cause the ball to occupy the space inside the bowl. It moves and collides with the wall of the bowl.
V2 < V1인 경우 보울의 자전에 의한 제2원심력이 크게 작용하여 볼은 보울의 벽면과 접촉한 상태에서 자전축을 기준으로 한 회전운동을 하게 된다. 이 경우 보울의 내벽과 볼 사이의 거리가 줄어들게 되어 자연스럽게 그 사이에 위치하는 피브로인 단섬유가 받는 압력은 증가하게 된다.When V 2 < V 1 , the second centrifugal force due to the rotation of the bowl acts greatly, and the ball rotates about the rotation axis while in contact with the wall surface of the bowl. In this case, the distance between the inner wall of the bowl and the ball is reduced, and the pressure applied to the short fibroin fibers naturally located therebetween increases.
따라서 상기 볼이 제1원심력에 의한 마찰운동을 할 수 있도록 보울과 회전판의 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 최소한 보울 내부 공간에 위치한 볼들 중 공전축에 가장 가깝게 위치한 볼에 작용하는 제1원심력이 제2원심력보다 더 커졌을 때 상기 피브로인 단섬유에 기계적 전단력이 인가되어 분말의 입경이 균일해지고 수율 또한 증가한다. Therefore, it is preferable to control the speed of the bowl and the rotating plate so that the ball can perform frictional motion by the first centrifugal force. That is, at least, when the first centrifugal force acting on the ball located closest to the orbital axis among the balls located in the inner space of the bowl becomes greater than the second centrifugal force, a mechanical shear force is applied to the short fibroin fibers, so that the particle size of the powder becomes uniform and the yield is also increased do.
이를 위해 상기 c) 단계는 분쇄된 피브로인 섬유의 입경을 100㎛ 이하로 조절하도록 100 내지 800 rpm의 속도로 0.1 내지 2시간 분쇄하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 입자의 크기가 100㎛를 초과하거나 입자 크기가 균일하지 않으며 분말의 수율이 떨어질 수 있어 바람직하지 않다. 또한 상기와 같이 분쇄가 진행되는 중에는 피브로인 분말의 지나친 산화를 방지하기 위해 보울 내부는 공정 동안 비활성 기체 분위기로 유지하는 것이 바람직하다.To this end, in step c), it is preferable to pulverize the pulverized fibroin fibers at a speed of 100 to 800 rpm for 0.1 to 2 hours to adjust the particle size of the pulverized fibroin fibers to 100 μm or less. If it is out of the above range, the particle size may exceed 100 μm or the particle size may not be uniform, and the yield of the powder may be reduced. In addition, during the grinding process as described above, in order to prevent excessive oxidation of the fibroin powder, it is preferable to maintain the inside of the bowl in an inert gas atmosphere during the process.
또한 상기와 같은 기계적 전단력은 보울의 공전 속도에도 영향을 받으며, 공전 속도가 증가할수록 볼이 더욱 보울 내벽과 접촉하는 횟수가 증가함으로써 볼과 보울 사이에 단섬유가 위치하였을 때 단섬유를 분쇄하여 분말화할 수 있다. 다만 상술한 바와 같이 보울의 공전속도가 너무 빨라지게 되면 보울 내부의 볼이 회전하지 않고 내벽에 접촉하게 되므로 보울의 공전속도를 일정 범위로 조절하는 것이 바람직하다.In addition, the mechanical shear force as described above is also affected by the revolving speed of the bowl, and as the revolving speed increases, the number of times the ball comes into contact with the inner wall of the bowl increases. can get angry However, as described above, if the orbital speed of the bowl becomes too fast, the ball inside the bowl does not rotate and comes into contact with the inner wall, so it is preferable to adjust the orbital speed of the bowl to a certain range.
더욱 구체적으로 상기 회전판과 보울의 회전속도를 특정 범위로 조절하는 것이 바람직하며, 0.3 ≤ V2/V1 ≤ 0.6인 것이 좋다. 즉 공전속도에 대한 분쇄속도의 비가 상기 범위를 초과하는 경우 보울의 자전에 의한 원심력이 증가하여 볼이 보울의 내벽과 주로 접촉하게 됨으로써 볼의 회전력이 피브로인 단섬유로 제대로 전달되지 않으며, 상기 범위 미만인 경우 볼 자체의 회전 속도가 낮아 피브로인 단섬유에 인가되는 볼의 회전력이 너무 작아질 수 있다. More specifically, it is preferable to adjust the rotational speed of the rotary plate and the bowl in a specific range, and it is preferable that 0.3 ≤ V 2 /V 1 ≤ 0.6. That is, when the ratio of the grinding speed to the revolution speed exceeds the above range, the centrifugal force due to the rotation of the bowl increases and the ball mainly comes into contact with the inner wall of the bowl, so that the rotational force of the ball is not properly transmitted to the fibroin short fibers, and less than the above range In this case, the rotational speed of the ball itself is low, so the rotational force of the ball applied to the short fibroin fiber may be too small.
본 발명에서 상기 보울 내부에 삽입되는 볼(ball)은 용어와 같이 전체적으로 둥근 모양을 가지는 구형의 물체로, 판상 등의 각진 형상을 제외하는 것을 의미하고, 완벽한 구 형태를 의미하는 것이 아니라 타원형이거나 그 일부가 찌그러진 구 형태도 포함할 수 있다.In the present invention, the ball inserted into the bowl is a spherical object having an overall round shape as in the term, meaning excluding angular shapes such as plate shape, and does not mean a perfect spherical shape, but an oval or its It may also include a spherical shape with some dents.
상기 볼은 기본적으로 세라믹 입자로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 세라믹 입자의 예를 들면 마노(agate), 알루미나, 질화알루미늄, 실리카, 산화티탄, 지르코니아 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용하여도 무방하다.Preferably, the ball is basically formed of ceramic particles. Examples of such ceramic particles include agate, alumina, aluminum nitride, silica, titanium oxide, zirconia, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more.
또한 상기 볼은 직경을 한정하는 것은 아니나 1 내지 50㎜의 직경을 갖는 것이 바람직하며, 모든 볼이 동일한 직경을 갖는 것을 적용할 수도 있으나, 직경이 서로 다른 세 종류의 볼(ball)이 혼합되어 상기 보울 내부에 위치하는 것이 바람직하다. 이때 상기 볼은 직경이 10 내지 30㎜인 대직경볼, 직경이 5 내지 20㎜인 중직경볼 및 직경이 1 내지 10㎜인 소직경볼이 혼합되어 구비되는 것이 바람직하다.In addition, the ball is not limited in diameter, but preferably has a diameter of 1 to 50 mm, and all balls having the same diameter may be applied, but three types of balls having different diameters are mixed and the It is preferably located inside the bowl. In this case, it is preferable that the ball is provided with a mixture of a large-diameter ball having a diameter of 10 to 30 mm, a medium-diameter ball having a diameter of 5 to 20 mm, and a small-diameter ball having a diameter of 1 to 10 mm.
상기와 같이 볼의 크기를 다양하게 가져가는 것은, 일반적으로 회전수가 높아질수록 볼에 투입되는 힘이 커지게 되며, 상대적으로 크기가 큰 볼을 사용할 경우 힘이 더욱 증가되기 때문에 물리적인 강성이 높은 실크 섬유를 쉽게 절단할 수 있기 때문이다.As described above, taking various sizes of the balls generally increases the force applied to the balls as the number of rotations increases. This is because the fibers can be cut easily.
다만 볼의 직경이 크게 되면 상대적으로 보울의 크기가 커져야 하기 때문에 회전을 가하기 위한 에너지가 과도하게 소모될 수 있으므로 직경이 작은 볼을 함께 투입하여 추가적인 분쇄를 진행할 수 있다. 특히 임계회전속도를 넘어가면 볼이 보울을 따라 회전하면서 볼의 회전속도가 보울의 회전속도와 동일하게 빨라짐에 따라 충격에너지 및 분쇄속도가 증가하게 되는데, 직경이 큰 볼은 보울 내에 많은 양을 투입할 수 없기 때문에, 피브로인 섬유와 볼과의 접촉 횟수를 높이기 위해 직경이 작은 볼을 함께 투입하는 것이다.However, if the diameter of the ball is large, since the size of the bowl must be relatively large, the energy for applying the rotation may be excessively consumed. In particular, when the critical rotation speed is exceeded, the impact energy and crushing speed increase as the ball rotates along the bowl and the rotation speed of the ball increases to the same as the rotation speed of the bowl. Since it cannot be done, a ball with a small diameter is put together to increase the number of contact between the fibroin fiber and the ball.
상기 볼은 보울 한 개당 대직경볼이 1 내지 5개, 중직경볼이 10 내지 50개, 소직경볼이 100 내지 1,000개 투입되는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 피브로인 섬유와 볼과의 적절한 비율을 벗어나게 되어 분말의 입자 크기가 제각각이 되거나 제대로 분쇄가 진행되지 않는 등, 분쇄 효과가 떨어질 수 있다.The balls are preferably 1 to 5 large-diameter balls, 10 to 50 medium-diameter balls, and 100 to 1,000 small-diameter balls per bowl. If it is out of the above range, the proper ratio between the fibroin fibers and the balls is exceeded, so that the particle size of the powder is different or the grinding effect is not performed properly, and the grinding effect may be deteriorated.
여기에 상기 c) 단계는 보울(bowl)에 누에고치와 볼(ball)을 순차적으로 투입하고 분쇄를 진행하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 보울에 피브로인 단섬유를 먼저 투입하여 바닥면에 위치하도록 한 후, 상기와 같이 3 가지 크기의 직경을 갖는 볼을 먼저 균일하게 혼합하고 이를 상기 보울에 투입하여 상기 피브로인 단섬유 위에 볼이 위치하도록 하는 것이다. 상기와 같이 피브로인 단섬유 위에 볼을 위치시키게 되면 피브로인 분말의 직경이 100㎛ 이하로 균일해지며, 수율 또한 90% 이상을 달성할 수 있다.Here, step c) is characterized in that the cocoon and the ball are sequentially put into a bowl and pulverized. That is, after putting the short fibroin fibers into the bowl first and placing them on the bottom surface, the balls having the three sizes of diameters are first uniformly mixed as described above, and then put into the bowl to make the balls on the short fibroin fibers. to place it. When the ball is placed on the short fibroin fibers as described above, the diameter of the fibroin powder becomes uniform to 100 μm or less, and a yield of 90% or more can be achieved.
이를 더욱 상세히 설명하면 상술한 바와 같이 유성밀 분쇄를 진행할 때 피브로인 단섬유에 기계적 전단력을 부여하는 것이 중요한 바, 상기 기계적 전단력은 볼이 피브로인 단섬유를 가압하는 압력에도 영향을 받기 때문에 볼이 피브로인 단섬유를 최대한 압박할 수 있도록 상기와 같이 보울 내에 피브로인 단섬유를 투입한 후 그 위에 볼을 투입하는 것이 바람직하며, 피브로인 단섬유와 볼의 투입 순서가 반대가 될 경우 원심력 및 단섬유와 볼의 무게차에 의해 피브로인 단섬유가 보울의 상단면 쪽으로 먼저 이동하게 되고 볼이 그 밑에 위치하게 되기 때문에 기계적 전단력이 피브로인 단섬유로 거의 전달되지 않으며 분말 직경이 불규칙해지고 수율이 떨어지게 된다.To explain this in more detail, it is important to apply a mechanical shear force to the short fibroin fibers when performing planetary mill grinding as described above. In order to compress the fibers as much as possible, it is preferable to put the short fibroin fibers into the bowl as described above and then put the balls on them. Due to the difference, the short fibroin fibers first move toward the top surface of the bowl and the ball is located below it, so the mechanical shear force is hardly transmitted to the short fibroin fibers, and the powder diameter becomes irregular and the yield decreases.
상기와 같은 공정을 통해 생성된 피브로인 분말은 필요에 따라 후처리를 더 가할 수 있다. 특히 상기와 같이 볼에 의한 밀링 시 세라믹 분말이 함께 발생할 수 있으므로 원심분리 등의 방법을 통해 직경이 큰 입자나 무거운 볼 분말을 제거하여 순수한 피브로인 분말만을 수득하는 것이 바람직하다.The fibroin powder produced through the above process may be further subjected to post-treatment if necessary. In particular, since ceramic powder may be generated together during milling by a ball as described above, it is preferable to obtain only pure fibroin powder by removing large-diameter particles or heavy ball powder through a method such as centrifugation.
본 발명에 따른 실크 피브로인 분말은 제조 시 효소나 기타 약품에 의한 가수분해, 용해 등으로 재결정화한 것이 아닌 건식 기계식 분쇄수단만을 이용하여 분말화한 것으로, 실크가 가지는 특유의 나노구조를 파괴하지 않고 최대한 유지할 수 있기 때문에 진단, 치료, 바이오센서, 복제 불가능한 생체이식 암호 등 다양한 의료용 기술에 적용할 수도 있으며, 이외에도 피브로인 분말을 포함하는 생분해성 고분자, 의약품, 화장품, 기능성 식품 등에 폭넓게 이용 가능하다.Silk fibroin powder according to the present invention is not recrystallized by hydrolysis or dissolution by enzymes or other drugs during manufacture, but is powdered using only dry mechanical grinding means, without destroying the unique nanostructure of silk. Since it can be maintained as much as possible, it can be applied to various medical technologies such as diagnosis, treatment, biosensor, and non-copyable biotransplantation code.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 따른 실크 피브로인 분말의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예들은 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예들에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method for producing silk fibroin powder according to the present invention will be described in more detail by way of example. However, the following examples are only examples for explaining the present invention in more detail, and the present invention is not limited to the following examples.
(제원)(Specification)
실시예에 사용된 누에고치, 믹서 및 볼의 제원은 하기 표 1과 같다Specifications of cocoons, mixers and balls used in Examples are shown in Table 1 below.
[표 1][Table 1]
(실시예 1)(Example 1)
먼저 누에고치를 탄산나트륨 5g/ℓ로 용해되었으며, 온도가 80℃로 설정된 정련액에 투입하되, 액비를 3 : 100의 부피비로 하였으며 2시간 동안 담근 후 수세 건조하였다.First, the cocoon was dissolved with sodium carbonate 5g/ℓ, put into a scouring solution having a temperature of 80°C, and the liquid ratio was 3: 100 by volume, soaked for 2 hours, washed with water and dried.
다음으로 피브로인 상태의 누에고치를 상기 표 1의 파우더믹서에 투입하고 공전속도 15 rpm, 분쇄속도 10,000 rpm으로 설정하여 3분간 분쇄하였다. 분쇄 후 1분간 휴지기를 가진 후 다시 3분간 분쇄하는 것을 반복하여 총 10회 분쇄하여 도 1과 같은 단섬유 상태의 피브로인을 수득하였다.Next, the cocoon in the fibroin state was put into the powder mixer of Table 1, and the idle speed was set to 15 rpm and the grinding speed was 10,000 rpm, and the mixture was pulverized for 3 minutes. After having a rest period for 1 minute after grinding, grinding was repeated for 3 minutes again, and the grinding was performed 10 times in total to obtain fibroin in a short-fiber state as shown in FIG. 1 .
다음으로 상기 피브로인 단섬유 3.3g과 상기 표 1의 밀링용 볼을 상기 유성밀에 투입하되, 도 2의 (a)와 같이 보울에 피브로인 단섬유를 먼저 투입한 후 밀링용 볼을 투입하였다. 그리고 공전속도 300 rpm, 분쇄속도 690 rpm으로 설정하여 90분간 분쇄하였다. 분쇄된 피브로인 분말에서 불순물을 제거한 수 회수한 양을 측정하여 초기 피브로인 단섬유와의 비율을 계산하여 하기 표 2에 기재하였다. Next, 3.3 g of the short fibroin fibers and the milling balls of Table 1 were put into the planetary mill, but as shown in FIG. Then, an idle speed of 300 rpm and a grinding speed of 690 rpm were set, and the grinding was performed for 90 minutes. The ratio with the initial fibroin short fibers was calculated by measuring the amount of recovered water from which impurities were removed from the pulverized fibroin powder, and it is shown in Table 2 below.
(실시예 2)(Example 2)
상기 실시예 1에서 유성밀로 피브로인 단섬유를 분쇄할 때 도 3의 (a)와 같이 보울에 밀링용 볼을 먼저 투입한 후 피브로인 단섬유를 투입한 것을 제외하고 동일한 방법으로 피브로인 분말을 제조하였다. 제조된 피브로인 분말의 수율을 계산하여 하기 표 2에 기재하였다.When pulverizing the short fibroin fibers with the planetary mill in Example 1, a fibroin powder was prepared in the same manner as in FIG. The yield of the prepared fibroin powder was calculated and shown in Table 2 below.
(실시예 3)(Example 3)
상기 실시예 1에서 유성밀로 피브로인 단섬유를 분쇄할 때 도 4의 (a)와 같이 보울에 밀링용 볼의 반을 먼저 투입한 후 피브로인 단섬유를 투입하고 다시 나머지 밀링용 볼을 투입한 것을 제외하고 동일한 방법으로 피브로인 분말을 제조하였다. 제조된 피브로인 분말의 수율을 계산하여 하기 표 2에 기재하였다.In Example 1, when grinding the short fibroin fibers with the planetary mill, half of the milling balls were first put into the bowl as shown in FIG. and fibroin powder was prepared in the same way. The yield of the prepared fibroin powder was calculated and shown in Table 2 below.
[표 2] [Table 2]
상기 표 2와 같이 본 발명에 따른 피브로인 분말의 제조방법은 파우더믹서와 유성밀의 2 단계 건식 분쇄 과정을 거침에 따라 최대 90%의 분말 수득율을 확보할 수 있었다. 다만 유성밀을 이용한 피브로인 단섬유의 분쇄 시 밀링용 볼과 피브로인 단섬유의 투입 순서에 따라 피브로인 분말의 입경 균일성과 수율에 영향을 준 것을 알 수 있으며, 특히 보울에 밀링용 볼을 먼저 투입한 실시예 2의 경우 피브로인 단섬유의 분쇄가 제대로 진행되지 않아 불순물이 대량 발생하였으며, 수율 또한 50%로 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2 above, in the method for producing fibroin powder according to the present invention, a powder yield of up to 90% could be secured by going through a two-step dry grinding process of a powder mixer and a planetary mill. However, it can be seen that the particle size uniformity and yield of the fibroin powder were affected according to the order of input of the milling balls and the fibroin short fibers when grinding the short fibroin fibers using the planetary mill. In particular, the milling balls were put into the bowl first In the case of Example 2, the pulverization of the fibroin short fibers did not proceed properly, so that a large amount of impurities were generated, and it was confirmed that the yield was also very low at 50%.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이며, 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석 되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and various modifications will be possible without departing from the technical spirit of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, The examples do not limit the present invention. The scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technologies within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (7)
b) 상기 정련된 누에고치를 건식 기계적 분쇄수단으로 단섬유로 분쇄하는 제1분쇄 단계; 및
c) 상기 단섬유를 직경이 10 내지 30㎜인 대직경볼, 직경이 5 내지 20㎜인 중직경볼 및 직경이 1 내지 10㎜인 소직경볼이 혼합된 볼을 포함하는 유성밀(planetary mill)을 사용하여 100 내지 500 rpm의 속도로 0.1 내지 2시간 분쇄하여 평균 입경 100㎛ 이하의 미분말로 분쇄하는 제2분쇄 단계;
를 포함하며,
상기 c) 단계는 보울(bowl)에 누에고치와 볼(ball)을 순차적으로 투입하고 분쇄를 진행하는 것을 특징으로 하는 실크 피브로인 분말의 제조방법.
a) a refining step of refining the cocoon by contacting the refining solution to the cocoon;
b) a first pulverizing step of pulverizing the refined cocoon into short fibers using a dry mechanical pulverizing means; and
c) a planetary mill comprising a ball in which the short fibers are mixed with a large-diameter ball having a diameter of 10 to 30 mm, a medium-diameter ball having a diameter of 5 to 20 mm, and a small-diameter ball having a diameter of 1 to 10 mm a second grinding step of grinding into fine powders having an average particle size of 100 μm or less by grinding for 0.1 to 2 hours at a speed of 100 to 500 rpm using
includes,
Step c) is a method for producing silk fibroin powder, characterized in that the cocoon and the ball are sequentially put into a bowl and pulverized.
상기 a) 단계는 50 내지 200℃로 설정된 알칼리 수용액, 산성 수용액, 효소 수용액 및 아민 수용액에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정련액에 0.1 내지 5시간 동안 누에고치를 접촉시켜 진행하는 것을 특징으로 하는 실크 피브로인 분말 제조방법.
The method of claim 1,
The step a) is performed by contacting the cocoon with any one or a plurality of scouring solutions selected from an aqueous alkali solution, an acid solution, an enzyme solution and an amine solution set at 50 to 200° C. for 0.1 to 5 hours. Silk, characterized in that Fibroin powder manufacturing method.
상기 b) 단계는 임펠러가 구비된 파우더 믹서(powder mixer)를 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 실크 피브로인 분말 제조방법.
3. The method of claim 2,
Step b) is a method for producing silk fibroin powder, characterized in that it is performed using a powder mixer equipped with an impeller.
상기 b) 단계는 상기 임펠러의 공전 속도가 10 내지 50 rpm, 누에고치의 분쇄속도가 1,000 내지 15,000rpm이며, 1 내지 5분간 분쇄하는 것을 특징으로 하는 실크 피브로인 분말의 제조방법.
4. The method of claim 3,
In step b), the revolution speed of the impeller is 10 to 50 rpm, the grinding speed of the cocoon is 1,000 to 15,000 rpm, and the method for producing silk fibroin powder, characterized in that it is pulverized for 1 to 5 minutes.
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2021
- 2021-04-29 KR KR1020210055651A patent/KR102353345B1/en active IP Right Grant
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