KR20090128767A - Method for preparing nylon 4 using the enzymatic and chemical reactions - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A novel method for preparing nylon 4 combining enzyme reaction and chemical reaction is provided to produce from biomass-derived raw material and reduce production cost. CONSTITUTION: A method for preparing nylon 4 from biomass through enzyme reaction and chemical reaction comprises: a first step of using glutamic acid or glutamic acid dicarboxylase(GAD) to obtain 4-aminobutylic acid; a second step of producing 2-pyrrolidone from 4-aminobutylic acid using catalyst or dehydrating agent; and a third step of adding initiator and catalyst from 2-pyrrolidone to obtain the nylon 4. The glutamic acid dicarboxylase is gadA or gadB enyme from E.coli or gad1, gad2 or gad3 enzyme from lactobacillus. The E.coli is Escherichia coli W3110. The catalyst is alumina(Al2O3), chromium oxide (Cr2O3), or titanium dioxide (TiO2) or tungsten oxide (WO3).

Description

바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법{Method for preparing Nylon 4 using the enzymatic and chemical reactions}Method for preparing Nylon 4 using the enzymatic and chemical reactions from biomass

본 발명은 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미생물 발효에 의해 생산된 글루탐산 또는 글루탐산나트륨을 출발물질로 하여 4-아미노부틸산 및 2-피롤리돈을 중간물질로 하는 효소반응 및 화학반응을 결합한 나일론 4의 신규 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing nylon 4 using enzymatic and chemical reactions from biomass, and more particularly, 4-aminobutyl acid and 2-pyri, based on glutamic acid or sodium glutamate produced by microbial fermentation. The present invention relates to a novel method for producing nylon 4, which combines enzymatic reactions and chemical reactions with rolidone as an intermediate.

최근 전세계적인 석유수급 불안과 석유자원 고갈에 대한 위기의식으로 국제원유 가격이 지속적으로 상승하는 상황은 원유에 의존하여 생산되는 납사등의 기초 유분은 2차 석유화합물의 제조비용을 급격히 상승시켜 석유화학산업의 제품가격을 빠르게 상승시키고 있다. 이러한 원유에 의존하는 석유화학산업에 대한 대안으로 최근에 산업바이오 기술을 이용하여 바이오매스에서 유래한 대체 생산방법이나 대체 화합물을 생산하기 위한 전 인류적인 노력이 바이오에너지, 바이오플라스틱, 바이오화합물 등의 다양한 분야에서 가시화 되고 있다.Recently, global oil prices continue to rise due to global oil supply and unstable crisis, and basic oils such as naphtha produced in dependence on crude oil sharply increase the production cost of secondary petroleum compounds. The price of products in the industry is rising rapidly. As an alternative to the petrochemical industry that relies on crude oil, all human efforts to produce alternative production methods or alternative compounds derived from biomass using industrial biotechnology have recently been developed such as bioenergy, bioplastic, and bio compounds. It is visible in various fields.

바이오에너지 분야의 경우 휘발류를 대체하기 위한 바이오에탄올은 미국, 브라질을 중심으로 이미 2007년말 100조 갤런의 시장으로 급성장 하였으며, 디젤을 대체하기 위한 바이오디젤도 유럽을 중심으로 급속히 성장하고 있다. 바이오매스를 활용하여 생산되는 바이오 플라스틱 시장의 경우 2002년 카길-다우사에 의해 상업화된 폴리유산(Poly Lactic acid)가 신규 화합물로 기존의 PET, PS 등을 대체하기 위해 최근 시장이 급속히 확대되고 있으며, 그 이전에 개발되어 Metabolix사에 의해 상업화된 PHA계 바이오 플라스틱도 기존의 고가 의료용 고분자 시장에서 벗어나 범용 고분자 시장으로의 진출을 위한 공장건설이 진행 중에 있다. 이외에도 숙신산을 활용한 PBS 등도 광범위하게 상업화 되어 사용되고 있다. 바이오 화학제품 시장의 경우 듀폰사가 2006년말 상업화한 1,3-프로판디올이 기존의 석유화학공정을 바이오매스 기반의 산업바이오 공법으로 대체한 성공적인 예이며, 이외에도 다양한 화학제품들이 기존의 석유화학 공법에서 지속가능한 산업바이오 공법으로 대체되리라 예측된다.In the bioenergy sector, bioethanol to replace gasoline has grown rapidly to 100 trillion gallons by the end of 2007, mainly in the US and Brazil, and biodiesel to replace diesel is rapidly growing in Europe. In the bioplastics market produced using biomass, the market is rapidly expanding to replace polylactic acid (Poly Lactic acid), commercialized by Cargill-Dausa in 2002, to replace existing PET and PS with new compounds. In addition, PHA-based bioplastics, which were previously developed and commercialized by Metabolix, are also in the process of constructing a factory to enter the general-purpose polymer market beyond the conventional medical polymer market. In addition, PBS using succinic acid has been widely commercialized and used. In the biochemical market, 1,3-propanediol, commercialized by DuPont at the end of 2006, is a successful example of replacing the existing petrochemical process with biomass-based industrial biotechnologies. It is expected to be replaced by sustainable industrial biotechnology.

나일론 4는 종래의 경우 석유화학의 C4 유분을 이용한 1,4-부탄디올을 원료로 2-피롤리돈을 제조하고 이를 활용하여 나일론 4를 제조하는 것이 일반적인 방법이다. 나일론 4의 경제성 있는 대체생산기술의 개발은 이의 상업화를 촉진할 수 있으리라 기대된다. 또한 나일론 4는 일반적인 나일론의 특성인 유기용매내성, 내마모성, 고온성, 난연성, 가공성 등이 우수하여 최근 상업화가 활발한 PLA 등의 바이오 플라스틱의 단점을 상당부분 보완할 수 있는 새로운 바이오 나일론이 될 수 있을 것으로 판단된다. In the case of nylon 4, it is common to prepare 2-pyrrolidone using 1,4-butanediol using C4 fraction of petrochemical as a raw material and to prepare nylon 4 using the same. The development of an economical alternative production technology for nylon 4 is expected to accelerate its commercialization. In addition, nylon 4 has excellent organic solvent resistance, abrasion resistance, high temperature, flame retardancy, and workability, which are characteristics of general nylon, and can be a new bio nylon that can substantially compensate for the shortcomings of bio plastics such as PLA, which has recently been commercialized. It seems to be.

본 발명과 관련된 바이오 플라스틱 분야의 나일론의 경우를 좀 더 살펴보면, 대표적인 거대 나일론 시장을 형성하고 있는 나일론 6와 나일론 6,6에서 기존의 석유화학공법을 바이오매스 유래 공법으로 대체하려는 기존의 시도가 있었다. 즉, 나일론 6의 경우 2005년 미국 미시간 대학의 프로스트 등(PCT/US2005/020326)이 기존의 미생물 발효에 의해 대량 생산되는 사료첨가제용 아미노산인 라이신을 이용하여 고리화 및 탈아민 반응을 통해 나일론 6의 단량체인 카프로락탐을 생산하는 기술을 개발하였다. 나일론 6,6의 경우는 1994년 드라스 등(J. Am. Chem. Soc. 116: 399-400 (1994))은 포도당을 원료로 미생물 발효에 의해 시스,시스-뮤콘산을 생산하고 이를 화학적 전환에 의해 아디픽산으로 전환하는 기술을 개발한 바 있다. 하지만 이외에 다른 나일론에 대해서는 아직까지 구체적인 기술개발이 보고된 바 없다.In the case of nylon in the field of bioplastics related to the present invention, there have been existing attempts to replace the existing petrochemical method with biomass-derived methods in nylon 6 and nylon 6,6, which form the representative large nylon market. . In other words, in case of nylon 6, Frost 6 (PCT / US2005 / 020326) of the University of Michigan in 2005 (PCT / US2005 / 020326) uses nylon 6 through cyclization and deamine reaction using lysine, an amino acid for feed additive, which is mass-produced by conventional microbial fermentation. The technology for producing caprolactam, which is a monomer, has been developed. In the case of nylon 6,6, in 1994, Dr. et al. (J. Am. Chem. Soc. 116: 399-400 (1994)) produced cis, cis-muconic acid by microbial fermentation based on glucose, He has developed a technique to convert to adipic acid by conversion. However, other technical developments have not been reported for other nylons.

한편, 본 발명의 나일론 4 생산에 있어 중간물질들인 4-아미노부틸산, 2-피롤리돈 등에 대해서는 일부 연구개발 예가 있는데, 먼저 4-아미노부틸산의 경우 감마아미노부틸산(GABA, r-aminobutyric acid)이라고도 하는데, 체내에서는 신경전달물질 억제효과에 의한 저혈압 및 진통효과가 있다고 알려져, 현재 식품 및 의약품 소재로 활용되고 있다(Erlander et al., Neurochem Res. 16: 215-226 (1991)). 이러한 4-아미노부틸산는 글루탐산을 원료로 글루탐산 디카복실라제(Glutamate decarboxylase)에 의해 제조될 수 있는데, 현재까지 다양한 글루탐산 디카복실라제가 보고되어 있다(Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87: 8491-8495(1990), Protein Expression and Purification 8: 430-438 (1996), Biosci. Biotechnol. Biochem. 66(12): 2600-2605(2002)). 하지만 대부분 4-아미노부틸산을 최종제품으로 하는 경우로 이를 원료로 2-피롤리돈을 거쳐 나일론 4을 제조한 예는 없다. 2-피롤리돈의 경우 1990년 Pathak 등(Tetrahedron 46(5): 1733-1744 (1990))이 발암성 물질의 전구체 합성의 중간과정에서 4-아미노부틸산으로부터 합성한 방법을 보고하였으며, 2003년 BASF는 기존의 석유화합물인 감마-부틸로락톤을 암모니아와 액상에서 반응하여 2-피롤리돈을 연속적으로 제조하는 방법에 대한 특허를 출원한 바 있다(PCT/EP2002/009721). 그러나 이러한 기존의 선행 연구들은 나일론 4의 제조와는 무관한 단위 화학물질의 생산에 관련된 기술이다.On the other hand, there are some research and development examples for the intermediates 4-aminobutyl acid, 2-pyrrolidone, etc. in the production of nylon 4 of the present invention, first, in the case of 4-aminobutyl acid, gamma aminobutyl acid (GABA, r-aminobutyric) acid), which is known to have hypotension and analgesic effects due to neurotransmitter inhibition and is currently used as a food and pharmaceutical material (Erlander et al., Neurochem Res. 16: 215-226 (1991)). Such 4-aminobutyl acid can be prepared by glutamate decarboxylase based on glutamic acid, and various glutamic acid dicarboxylase have been reported to date (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87: 8491 -8495 (1990), Protein Expression and Purification 8: 430-438 (1996), Biosci. Biotechnol. Biochem. 66 (12): 2600-2605 (2002)). However, most of them use 4-aminobutyl acid as a final product, and there is no example of producing nylon 4 through 2-pyrrolidone as a raw material. In the case of 2-pyrrolidone in 1990, Pathak et al. (Tetrahedron 46 (5): 1733-1744 (1990)) reported a method synthesized from 4-aminobutyl acid in the middle of the precursor synthesis of carcinogenic substances, 2003 BASF filed a patent for a method for continuously producing 2-pyrrolidone by reacting gamma-butylolactone, an existing petroleum compound, in a liquid phase with ammonia (PCT / EP2002 / 009721). However, these previous studies are related to the production of unit chemicals that are not related to the production of nylon 4.

이에 본 발명자는 석유화학 원료의 의존도가 낮은 나일론 4의 개발에 각고의 노력을 거듭한 결과, 글루탐산 또는 글루탐산나트륨으로부터 3단계에서 걸쳐 나일론 4를 제조하는 본 발명에 이르게 되었다. As a result, the present inventors have made great efforts to develop nylon 4 having low dependence on petrochemical raw materials. As a result, the present inventors have led to the present invention for producing nylon 4 in three steps from glutamic acid or sodium glutamate.

본 발명의 목적은 종래 석유 의존형 나일론 4의 제조방법을 대체하기 위한 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing nylon 4 using an enzyme reaction and a chemical reaction from biomass to replace the conventional method for producing petroleum-dependent nylon 4.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for preparing nylon 4 using an enzyme reaction and a chemical reaction from biomass.

본 발명은 바이오매스로부터 미생물 발효에 의해 생산된 글루탐산나트륨이나 글루탐산을 출발물질로 하여 나일론 4를 생산하는 신규한 제조방법에 관한 것으로, 종래 원유 의존형 원료를 출발물질로 하여 제조되던 나일론 4를 바이오매스 유래 원료로부터 제조가능하는 원천기술을 제공함으로써 고유가 환경에서 석유화합물의 의존도를 낮출 수 있고, 제조단가도 대폭 절감할 수 있는 효과를 제공하는 바, 석유화학 분야에서 매우 유용한 발명이라 할 것이다. The present invention relates to a novel production method for producing nylon 4 using sodium glutamate or glutamic acid produced by microbial fermentation from biomass as a starting material. By providing a source technology that can be produced from the raw materials can be reduced the dependence of petroleum compounds in the high oil price environment, and provides an effect that can significantly reduce the manufacturing cost, it will be a very useful invention in the petrochemical field.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing nylon 4 using enzyme reactions and chemical reactions from biomass.

상기 나일론 4의 제조방법은 출발물질인 글루탐산 또는 글루탐산나트륨으로부터 글루탐산 디카복실라제(GAD)를 이용하여 4-아미노부틸산을 제조하는 단계(단계 1);The method for preparing nylon 4 may include preparing 4-aminobutyl acid from glutamic acid or sodium glutamate using glutamic acid dicarboxylase (GAD) (step 1);

상기 단계 1에서 제조된 4-아미노부틸산으로부터 촉매 또는 탈수제를 이용하여 2-피롤리돈을 제조하는 단계(단계 2); 및Preparing 2-pyrrolidone from the 4-aminobutyl acid prepared in step 1 using a catalyst or a dehydrating agent (step 2); And

상기 단계 2에서 제조된 2-피롤리돈으로부터 개시제 및 촉매를 첨가하여 중합함으로써 나일론 4를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어진다. Nylon 4 is prepared by adding an initiator and a catalyst from 2-pyrrolidone prepared in Step 2 to polymerize (Step 3).

상기 단계 1은 하기 반응식 1과 같이, 바이오매스에서 미생물의 발효에 의해 생산된 글루탐산이나 글루탐산나트륨으로부터 4-아미노부틸산을 제조하는 단계이다. Step 1 is a step of preparing 4-aminobutyl acid from glutamic acid or sodium glutamate produced by fermentation of microorganisms in biomass as in Scheme 1 below.

<반응식 1><Scheme 1>

Figure 112008041694826-PAT00001
Figure 112008041694826-PAT00001

상기 단계 1의 4-아미노부틸산의 제조는 글루탐산이나 글루탐산나트륨의 알 파-카르복실기를 제거하는 활성을 갖는 글루탐산 디카복실라제(gluatamate decarboxylase; GAD)를 과량 생산하는 재조합 대장균을 바이오 촉매로 제조하여 반응에 사용한다. 바람직하게는 상기 단계 1의 글루탐산 디카복실라제는 대장균으로부터 분리한 gadA 또는 gadB 효소이거나 락토바실러스 속(屬)으로부터 분리한 gad1, gad2 또는 gad3 효소일 수 있다. The preparation of 4-aminobutyl acid in step 1 is carried out by producing a recombinant E. coli overproducing glutamic acid decarboxylase (GAD) having an activity of removing alpha-carboxyl groups of glutamic acid or sodium glutamate as a biocatalyst. Used for Preferably, the glutamic acid dicarboxylase of step 1 may be a gadA or gadB enzyme isolated from E. coli or a gad1, gad2 or gad3 enzyme isolated from the genus Lactobacillus.

구체적으로, 대장균으로부터 분리한 gadA 또는 gadB를 이용하는 방법은 야생형 대장균 W3110의 염색체를 분리한 후 이를 주형으로 하여 PCR 반응을 수행하여 대장균의 글루탐산 디카복실라제(gadA 또는 gadB)를 클로닝 한 후 이를 대장균에서 유전자를 과발현시켜 해당 효소를 대량생산할 수 있는 발현벡터에 도입하여 글루탐산 디카복실라제를 과량 생산하는 재조합 대장균 바이오촉매를 제조한다. 이렇게 제조한 재조합 대장균을 효소생산이 최적인 조건에서 배양하여 효소균주를 얻은 후 이를 초음파 분쇄 혹은 클로로포름 또는 헥산등의 유기용매를 처리하여 기질인 글루탐산 나트륨이나 글루탐산과 효소가 반응할 수 있도록 한다. 최적의 4-아미노부틸산 생성을 위해 적절한 완충용액을 이용하여 pH를 최적조건으로 유지하고 효소반응의 조효소인 PLP(Pyrridoxal 5-phosphate)를 첨가한 후 다양한 기질 조건에서 반응을 수행하여 4-아미노부틸산을 얻는다. 이렇게 얻은 4-아미노부틸산은 크로마토그래피를 통해 1차 분리한 후 이를 농축하여 결정화함으로써 다음 단계의 반응에 사용한다. Specifically, the method using gadA or gadB isolated from Escherichia coli isolates the chromosome of wild type E. coli W3110 and performs a PCR reaction using this as a template to clone the glutamic acid dicarboxylase (gadA or gadB) of Escherichia coli and then, in Escherichia coli The recombinant E. coli biocatalyst is produced by overexpressing a gene and introducing the enzyme into an expression vector capable of mass production, thereby overproducing glutamic acid dicarboxylase. The recombinant Escherichia coli thus prepared is cultured under optimal conditions for enzyme production to obtain enzyme strains, and then ultrasonically pulverized or treated with organic solvents such as chloroform or hexane so that the substrate can react with sodium glutamate or glutamic acid. For optimal production of 4-aminobutyl acid, pH was maintained at an optimal condition using an appropriate buffer solution, and PLP (Pyrridoxal 5-phosphate), a coenzyme of enzyme reaction, was added, followed by reaction under various substrate conditions. Butyl acid is obtained. The 4-aminobutyl acid thus obtained is first separated by chromatography, concentrated and crystallized, and used for the next step of reaction.

한편, 락토바실러스로부터 분리한 gad1, gad2 또는 gad3을 이용하는 방법은 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis)의 염색체를 분리한 후 이를 주형으 로 하여 PCR 반응을 수행하여 락토바실러스의 글루탐산 디카복실라제(gad1, gad2 또는 gad3)를 클로닝 한 후 이를 대장균에서 유전자를 과발현시켜 해당 효소를 대량생산할 수 있는 발현벡터에 도입하여 글루탐산 디카복실라제를 과량 생산하는 재조합 대장균 바이오촉매를 제조한다. 추후 방법은 상기 대장균으로부터 분리한 효소를 이용하는 방법과 동일하게 수행한다.On the other hand, the method using gad1, gad2 or gad3 isolated from Lactobacillus is isolated from the chromosome of Lactobacillus brevis ( Lactobacillus brevis ) and then subjected to a PCR reaction using the template as a glutamic acid dicarboxylase (gad1, gad2) of Lactobacillus Alternatively, after cloning gad3), E. coli overexpresses the gene and introduces it into an expression vector capable of mass-producing the enzyme, thereby producing a recombinant E. coli biocatalyst that overproduces glutamic acid dicarboxylase. Subsequent methods are carried out in the same manner as using the enzyme isolated from E. coli.

상기 gad 효소를 얻는 균주는 대장균의 경우 gad A 또는 B 효소 유전자를 포함하는 대장균을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 에셰리키아 콜리(E. coli) W3110(KCTC 223) 균주일 수 있다. E. coli strain may be used to obtain the gad enzyme E. coli, including the gad A or B enzyme gene, preferably E. coli ( E. coli ) W3110 (KCTC 223) strain.

또한, 상기 gad 효소를 얻는 락토바실러스 속 균주의 경우 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis), 락토바실러스 카세이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 애시도필러스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus), 락토바실러스 스포로제네스(Lactobacillus sporogenes), 락토바실러스 퍼멘툼(Lactobacillus fermentum), 락토바실러스 헬베티쿠스(Lactobacillus helveticus) 및 락토바실러스 루테리(Lactobacillus reuteri)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있으나, 바람직하게는 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis ATCC 367)을 이용할 수 있다.In addition, Lactobacillus brevis ( Lactobacillus brevis ), Lactobacillus casi ( Lactobacillus casei ), Lactobacillus ashdophyllus ( Lactobacillus acidophilus ), Lactobacillus vulgaricus ( Lactobacillus bulgaricus ) The Bacillus ramno suspension (Lactobacillus rhamnosus), Lactobacillus spokes to jeneseu (Lactobacillus sporogenes), Lactobacillus buffer lactofermentum (Lactobacillus fermentum), Lactobacillus helveticus (Lactobacillus helveticus) and Lactobacillus ruteri selected from the group consisting of (Lactobacillus reuteri) Any one may be used, but preferably, Lactobacillus brevis ATCC 367 may be used.

본 발명의 제조방법 중 단계 2는 하기 반응식 2와 같이 단계 1에서 수득한 4-아미노부틸산으로부터 2-피롤리돈을 제조하는 단계이다.Step 2 of the preparation method of the present invention is to prepare 2-pyrrolidone from 4-aminobutyl acid obtained in step 1 as shown in Scheme 2.

<반응식 2><Scheme 2>

Figure 112008041694826-PAT00002
Figure 112008041694826-PAT00002

구체적으로, 상기 단계는 딘-스타크 장치가 부착된 반응기에 4-아미노부틸산과 중성 알루미나를 녹인 톨루엔 용액을 넣은 다음 가열하여 반응 시킨다. 이후 반응을 종결시키고 상온까지 냉각시킨 다음 유리필터를 이용하여 여과한다. 상기 여과 중 메탄올/클로로포름 혼합용매를 이용하여 반응물을 여러 번 세척한다. 여과 후 회전 증발기를 이용하여 용매를 진공 증류법으로 제거시켜 2-피롤리돈을 제조한다. Specifically, in the step, a toluene solution of 4-aminobutyl acid and neutral alumina dissolved in a reactor to which a Dean-Stark device is attached is heated and reacted. After the reaction was terminated, cooled to room temperature and filtered using a glass filter. The reaction is washed several times with methanol / chloroform mixed solvent during the filtration. After filtration, the solvent is removed by vacuum distillation using a rotary evaporator to prepare 2-pyrrolidone.

상기 단계 2 중 중성 알루미나 대신에 촉매인 산화크롬(Cr2O3), 이산화티타늄(TiO2) 또는 산화텅스텐(WO3)을 사용할 수 있으며, 탈수제인 산화인(P2O3), 요오드(I2), 염화아연(ZnCl2), BF3-에테르화합물(BF3-etherate), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 옥시염화인-피리딘 화합물(POCl3-pyridine), 황산수소칼륨(KHSO4) 또는 수산화칼륨(KOH)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Instead of neutral alumina, chromium oxide (Cr 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ) or tungsten oxide (WO 3 ) may be used in step 2 , and phosphorus oxide (P 2 O 3 ) and iodine ( I 2 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), BF3-etherate (BF 3 -etherate), dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfoxide, phosphorus oxychloride-pyridine compound (POCl 3 -pyridine), potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) Or potassium hydroxide (KOH) may be used, but is not limited thereto.

본 발명의 제조방법 중 단계 3은 하기 반응식 3과 같이 단계 2에서 수득한 2-피롤리돈으로부터 나일론 4를 제조하는 단계이다. Step 3 of the preparation method of the present invention is to prepare nylon 4 from 2-pyrrolidone obtained in step 2 as shown in Scheme 3.

<반응식 3><Scheme 3>

구체적으로, 상기 단계 3의 나일론 4 중합반응은 교반기가 부착된 반응기에 2-피롤리돈을 넣고, 가열한 후 질소기류 하에서 80 oC 까지 가열을 한다. 그리고나서 3.4 g의 수산화칼륨을 넣어 단량체와 수산화칼륨 간에 반응이 일어나게 하여 물이 발생되게 한다. 이때 생성된 물은 1 토르(Torr) 정도의 진공상태에서 반응기로부터 제거되며 적절한 양의 물이 나올 때 까지 계속 반응을 시킨다. 이 때 반응시간은 약 15분 정도가 바람직하다. 이후 뜨거운 상태의 반응물을 질소를 미리 채운 폴리에틸렌 병으로 질소 분위기 하에서 옮긴 다음 적정양의 사염화실리콘(Silicone tetrachloride)를 함께 넣어 고분자 중합을 진행한다. 약 10분 후부터 50 oC 정도의 반응 온도에서 흰색 가루 상태의 침전물이 생기기 시작하면서 나일론 4가 제조되기 시작하며, 약 24시간 후 반응은 종결된다. 이렇게 제조된 나일론 4는 매우 딱딱한 상태의 고체 상태로 존재하며, 상기 고체상태의 나일론 4를 망치를 이용하여 잘게 부순 다음 0.1 % 포름산과 섞어 여과를 하여 미반응 모노머를 제거한다. 상기 여과 중에는 0.1 %의 포름산으로 먼저 세척을 하고, 그다음 충분한 양의 증류수를 이용하여 세척하며, 최종적으로 알콜로 세척을 한다. 세척 후 진공 상태에서 건조하여 순수한 상태의 나일론 4를 수득할 수 있다. Specifically, the nylon 4 polymerization of step 3 is put 2-pyrrolidone in a reactor with a stirrer, and heated to 80 o C under a nitrogen stream after heating. Then, 3.4 g of potassium hydroxide is added to cause a reaction between the monomer and potassium hydroxide to generate water. At this time, the generated water is removed from the reactor in a vacuum of about 1 Torr, and the reaction is continued until an appropriate amount of water comes out. At this time, the reaction time is preferably about 15 minutes. Then, the reactants in the hot state are transferred to a polyethylene bottle filled with nitrogen under nitrogen atmosphere, and then polymerized by adding an appropriate amount of silicon tetrachloride together. After about 10 minutes, a white powdery precipitate began to form at a reaction temperature of 50 ° C., and nylon 4 began to be produced. After about 24 hours, the reaction was terminated. The nylon 4 thus prepared is present in a very hard solid state, and the nylon 4 in the solid state is crushed with a hammer and then mixed with 0.1% formic acid to remove unreacted monomer. During the filtration, it is first washed with 0.1% formic acid, then with a sufficient amount of distilled water, and finally with alcohol. After washing, drying in vacuo may yield nylon 4 in a pure state.

상기 단계 3의 중합반응 개시제로 사염화실리콘 대신에 삼염화실란(SiHCl3) 또는 (C5H5)2TiCl2을 사용할 수 있고, 촉매제로 수산화칼륨 대신에 수산화나트륨(NaOH) 또는 칼슘하이드라이드(CaH2)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. As the polymerization initiator of step 3, trichlorosilane (SiHCl 3 ) or (C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 may be used instead of silicon tetrachloride, and sodium hydroxide (NaOH) or calcium hydride (CaH) instead of potassium hydroxide as a catalyst. 2 ) may be used, but is not limited thereto.

이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1: 나일론 4의 제조(1)Example 1 Preparation of Nylon 4 (1)

단계 1: 대장균으로부터 분리한 gadA 효소를 이용한 4-아미노부틸산의 제조Step 1: Preparation of 4-Aminobutyl Acid Using gadA Enzyme Isolated from Escherichia Coli

하기 반응식에 나타낸 방법으로 글루탐산나트륨 또는 글루탐산으로부터 글루탐산 디카복실라제(GAD) 효소를 이용하여 4-아미노부틸산을 제조하였다. 4-Aminobutyl acid was prepared from glutamic acid or glutamic acid using glutamic acid dicarboxylase (GAD) enzyme by the method shown in the following scheme.

<반응식 1><Scheme 1>

Figure 112008041694826-PAT00004
Figure 112008041694826-PAT00004

대장균 전체 염기서열로부터 gadA 유전자를 클로닝하기 위하여 먼저 대장균 W3110 (KCTC 223) 균주를 배양한 후 박테리아 염색체 회수 시스템(프로메가사)을 이용하여 염색체 DNA를 분리하였다. In order to clone the gad A gene from the whole E. coli nucleotide sequence, E. coli strain W3110 (KCTC 223) was cultured and chromosomal DNA was isolated using a bacterial chromosome recovery system (Promega).

상기 분리한 염색체 DNA를 활용하여 대장균의 trc 프로모터로 발현시키기 위한 프라이머를 제작하였으며 구체적인 염기서열은 다음과 같다. Using the isolated chromosomal DNA was prepared a primer for the expression of E. coli trc promoter and the specific sequence is as follows.

<프라이머 1><Primer 1>

정방향 프라이머 5‘-gctagcaatggataagaagc-3’ (서열번호 1)Forward primer 5'-gctagcaatggataagaagc-3 '(SEQ ID NO: 1)

역방향 프라이머 5‘-gagctcagtccacacaaatt-3’ (서열번호 2)Reverse primer 5’-gagctcagtccacacaaatt-3 ’(SEQ ID NO: 2)

상기 프라이머를 활용하여 PCR 반응을 1단계 95℃에서 30초, 2단계 55도℃에서 30초, 3단계 72℃에서 1.5분을 30회 반복하는 형태로 수행하여 gadA 유전자를 확보한 후, 이를 Topo 클로닝 시스템(인비트로젠사)을 활용하여 클로닝하였다. 이렇게 클로닝한 gadA 유전자를 pSE380 벡터(인비트로젠사)로 서브클로닝함으로써 최종적으로 대장균에서 gadA 유전자를 과발현할 수 있는 최종 벡터를 제작할 수 있었다. Using the primers, the PCR reaction was performed in the form of repeating 30 seconds at 1 step 95 ° C., 30 seconds at 2 steps 55 ° C., 30 minutes at 3 steps 72 ° C., and securing gad A gene 30 times. Cloning was performed using Topo cloning system (Invitrogen). By subcloning the cloned gad A gene into the pSE380 vector (Invitrogen), a final vector capable of finally overexpressing the gad A gene in E. coli was produced.

상기 벡터를 대장균에 형질전환함으로써 gadA 단백질을 과발현할 수 있는 효소균주를 제작하였으며, 상기 균주를 앰피실린이 포함된 LB 배지에 접종하여 30℃에서 5시간 배양한 후 0.5 mM IPTG를 첨가함으로써 gadA 효소의 과발현을 유도하고 이를 추가적으로 6시간동안 배양한 후 원심분리를 통해 효소균주를 회수하였다. 상기 회수한 효소균주로부터 gadA 효소를 얻어내기 위하여 초음파 분쇄기를 사용하여 균주를 파쇄시켰다. 파쇄조건은 0.1 M Tris-HCl (pH 7.4)에서 0.1 mM EDTA, 0.2 mM PLP, 5 mM DTT를 첨가한 후 초음파 분쇄기에서 5분간 파쇄한 후, 원심분리기를 이용하여 14,000 rpm에서 20분간 침전시킨 후 상등액을 회수하여 반응을 위한 효소첨가액으로 사용하였다.By transforming the vector into Escherichia coli, an enzyme strain capable of overexpressing a ga dA protein was prepared. The strain was inoculated in LB medium containing ampicillin, incubated at 30 ° C. for 5 hours, and then gadA was added by adding 0.5 mM IPTG. Enzyme overexpression was induced and further cultured for 6 hours, and then the enzyme strain was recovered by centrifugation. In order to obtain gadA enzyme from the recovered enzyme strain, the strain was crushed using an ultrasonic mill. The crushing conditions were added 0.1 mM EDTA, 0.2 mM PLP, 5 mM DTT in 0.1 M Tris-HCl (pH 7.4), and then crushed in an ultrasonic mill for 5 minutes, and then precipitated at 14,000 rpm for 20 minutes using a centrifuge. The supernatant was recovered and used as the enzyme addition solution for the reaction.

반응을 위해 0.2 M 소디움 아세테이트 버퍼(pH 5.0)에 기질로서 글루탐산나트륨 또는 글루탐산 각각을 1 M 농도로 첨가한 후 여기에 효소를 부피기준으로 1/10 첨가하고, 1 mM PLP를 첨가한 후 37℃에서 150 rpm으로 흔들어 주면서 반응을 실시하였다. 반응 1시간 이후 글루탐산나트륨 또는 글루탐산이 몰전환율 기준으로 100% 4-아미노부틸산으로 전환됨을 확인할 수 있었다. 이는 종래의 어떤 발명이나 문헌보다 우수한 결과이다.For reaction, sodium glutamate or glutamic acid was added to 0.2 M sodium acetate buffer (pH 5.0) as a substrate at a concentration of 1 M, followed by 1/10 of the enzyme by volume, 1 mM PLP, and 37 ° C. The reaction was performed while shaking at 150 rpm. After 1 hour of reaction, it was confirmed that sodium glutamate or glutamic acid was converted to 100% 4-aminobutyl acid based on the molar conversion rate. This is a better result than any conventional invention or literature.

상기 반응으로 생성된 4-아미노부틸산을 회수하기 위해서 효소반응액 100 mL에 5N 수산화나트륨을 각각 1 mL 첨가하여 pH를 10.0 이상으로 조정한 후 양이온교환수지가 침착된 컬럼에 통과시켜 4-아미노부틸산을 부착시킨 후 이를 메탄올 50%와 0.1 N 염산으로 구성된 용리액을 활용하여 4-아미노부틸산을 탈착시켜 회수한 후, 이를 진공 증발기를 활용하여 농축한 후 결정화를 통해 92%의 생성된 4-아미노부틸산을 회수할 수 있었다. In order to recover 4-aminobutyl acid produced by the reaction, 1 mL of 5N sodium hydroxide was added to 100 mL of the enzyme reaction solution to adjust the pH to 10.0 or more, and then passed through a column in which a cation exchange resin was deposited. After attaching butyric acid, it was recovered by desorbing 4-aminobutyl acid using an eluent composed of 50% methanol and 0.1 N hydrochloric acid, concentrated using a vacuum evaporator, and then produced 92% by crystallization. Aminobutyl acid could be recovered.

단계 2: 2-Step 2: 2- 피롤리돈의Pyrrolidone 제조 Produce

하기 반응식 2에 나타낸 방법으로, 단계 1에서 수득한 4-아미노부틸산으로부터 2-피롤리돈을 제조하였다.By the method shown in Scheme 2 below, 2-pyrrolidone was prepared from 4-aminobutyl acid obtained in step 1.

<반응식 2><Scheme 2>

Figure 112008041694826-PAT00005
Figure 112008041694826-PAT00005

딘-스타크(Dean-Stark) 장치가 부착된 500mL 반응기에 5.2 g(50 mmol)의 4-아미노부틸산과 중성 알루미나 15 g(150 mmol)을 녹인 톨루엔 용액 250 mL를 넣은 다음 가열하여 10시간 동안 역류시켜 반응시켰다. 상기 반응에서 촉매로 알루미나 대신에 Cr2O3, TiO2 또는 WO3 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있으며, P2O5, I2, ZnCl2, BF3-etherate, Dimethyl sulfoxide, POCl3-Pyridine, KHSO4 또는 KOH 등과 같은 탈수제(Dehydrating agent)를 사용할 수도 있다.In a 500 mL reactor equipped with a Dean-Stark apparatus, 250 mL of a toluene solution dissolved in 5.2 g (50 mmol) of 4-aminobutyl acid and 15 g (150 mmol) of neutral alumina was added and heated to reflux for 10 hours. To react. In the reaction, a metal oxide such as Cr 2 O 3 , TiO 2, or WO 3 may be used instead of alumina, and P 2 O 5 , I 2 , ZnCl 2 , BF 3 -etherate, Dimethyl sulfoxide, POCl 3 -Pyridine Dehydrating agents such as KHSO 4 or KOH can also be used.

상기 반응 종결 후, 상온으로 냉각시킨 다음 유리필터를 이용하여 여과하였다. 여과 중 메탄올/클로로포름(1:1) 혼합용매를 이용하여 상기 반응물을 수회 세척하였다. 여과 후 회전증발기를 이용하여 여과 여액에 포함된 용매를 진공 증류법으로 제거하였다. 상기 용매제거 후 반응 결과물로서 노란색의 oily한 액체시료인 2-피롤리돈(2-Pyrrolidone) 4.1 g을 얻었으며, 수율은 약 96%였다.After completion of the reaction, the mixture was cooled to room temperature and then filtered using a glass filter. The reaction was washed several times using a methanol / chloroform (1: 1) mixed solvent during filtration. After filtration, the solvent contained in the filtrate was removed by vacuum distillation using a rotary evaporator. After removing the solvent, 4.1 g of 2-pyrrolidone was obtained as a yellow oily liquid sample, and the yield was about 96%.

단계 3: 나일론 4의 제조Step 3: Preparation of Nylon 4

하기 반응식 3에 나타낸 방식으로, 단계 2에서 수득한 2-피롤리돈으로부터 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared from 2-pyrrolidone obtained in step 2 in the manner shown in Scheme 3 below.

<반응식 3><Scheme 3>

Figure 112008041694826-PAT00006
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진공증류를 위한 클라이센 헤드(Claisen head)와 온도계, 그리고 교반기를 부착한 250 mL 크기의 반응기에 단계 2에서 제조한 120 g의 2-피롤리돈을 넣은 다음, 히팅 맨틀(Heating Mantle)을 이용하여 질소기류 하에서 80 oC까지 가열하였다. 그리고 나서, 3.4 g의 수산화칼륨(97% 순도)을 넣어 상기 피롤리돈 단량체와 수산화칼륨 간에 반응을 일으키게 하며, 상기 반응 중 부수적으로 물이 생성되었다. 상기 생성된 물은 1 Torr 정도의 진공상태에서 반응기로부터 제거시키고, 약 20 mL 정도의 물이 나올 때 까지 계속 반응을 진행하였다. 상기 반응 시간은 약 15분 정도였다. 상기 뜨거운 상태의 반응물을 질소를 미리 채운 폴리에틸렌 병으로 질소 분위기 하에서 옮긴 다음 반응개시제로 0.5 g의 사염화실리콘(SiCl4; Silicone tetrachloride)를 함께 넣어 고분자 중합을 진행하였다. 약 10분 후부터 50oC 의 반응 온도에서 흰색 가루 상태의 침전물인 나일론 4가 생성되기 시작하였고, 약 24시간 후 반응은 종결되었다. Into a 250 mL reactor equipped with a Claisen head, a thermometer and a stirrer for vacuum distillation, 120 g of 2-pyrrolidone prepared in Step 2 was used, followed by a heating mantle. And heated to 80 ° C. under a nitrogen stream. Then, 3.4 g of potassium hydroxide (97% purity) was added to cause a reaction between the pyrrolidone monomer and potassium hydroxide, in which water was incidentally generated. The produced water was removed from the reactor in a vacuum of about 1 Torr, and the reaction was continued until about 20 mL of water came out. The reaction time was about 15 minutes. The hot reactant was transferred to a polyethylene bottle filled with nitrogen under a nitrogen atmosphere, and then 0.5 g of silicon tetrachloride (SiCl 4 ; Silicone tetrachloride) was added as a reaction initiator to proceed with polymer polymerization. After about 10 minutes, a white powdery precipitate of nylon 4 began to form at a reaction temperature of 50 ° C., and after about 24 hours, the reaction was terminated.

상기 제조된 매우 딱딱한 고체 상태의 나일론 4를 망치를 이용하여 잘게 부순 다음 0.1 % 포름산(Formic acid)과 혼합하여 여과하였다. 상기 여과로 미반응 단량체를 제거하였으며, 여과 중에는 0.1 %의 포름산으로 먼저 세척을 하고, 그다음 충분한 양의 증류수를 이용하여 세척하며, 최종적으로 알콜로 세척을 하였다. 세척 후 진공 상태에서 건조하여 순수한 상태의 나일론 4를 제조하였다. 제조된 나일론 4의 양은 약 74 g 정도였다. (단량체 전환율 : 74 %)The nylon 4 in a very hard solid state prepared above was crushed using a hammer and then mixed with 0.1% formic acid and filtered. The unreacted monomer was removed by the filtration, and during filtration, washing with 0.1% formic acid first, followed by washing with a sufficient amount of distilled water, and finally with alcohol. After washing, dried in a vacuum to prepare a nylon 4 in a pure state. The amount of nylon 4 produced was about 74 g. (Monomer conversion: 74%)

상기 반응 중의 촉매로 수산화칼륨 대신에 수산화나트륨, CaH2 등과 같은 금속 수산화물 또는 금속 하이드라이드를 사용할 수도 있으며, 개시제인 사염화실리 콘 대신에 SiHCl3, (C5H5)2TiCl2 등과 같은 금속 하이드라이드를 사용할 수 있다. Instead of potassium hydroxide, metal hydroxides or metal hydrides such as sodium hydroxide and CaH 2 may be used as the catalyst during the reaction, and metal hydrides such as SiHCl 3 and (C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 may be used instead of silicon tetrachloride as an initiator. Can be used.

실시예Example 2: 나일론 4의 제조(2) 2: Manufacture of Nylon 4 (2)

4-아미노부틸산을 대장균으로부터 분리한 gadB 효소를 이용하여 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다.Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared as follows using gadB enzyme isolated from Escherichia coli.

대장균 전체 염기서열로부터 gadB 유전자를 클로닝하기 위하여 실시예 1에서 획득한 염색체 DNA를 이용하여 대장균의 trc 프로모터로 발현시키기 위한 프라이머를 제작하였으며 구체적인 염기서열은 다음과 같다. In order to clone the gad B gene from the entire E. coli nucleotide sequence, a primer was prepared to express the trc promoter of E. coli using the chromosomal DNA obtained in Example 1, and the specific nucleotide sequence is as follows.

<프라이머 2><Primer 2>

정방향 프라이머 5‘-gctagcaatggataagaagc-3’ (서열번호 3)Forward primer 5’-gctagcaatggataagaagc-3 ’(SEQ ID NO: 3)

역방향 프라이머 5‘-gagctcagtccatacaaatt-3’ (서열번호 4)Reverse primer 5’-gagctcagtccatacaaatt-3 ’(SEQ ID NO: 4)

상기 프라이머를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 PCR을 수행하고, 대장균 발현 벡터에 서브클로닝한 후 대장균을 형질전환하고, 균주를 초음파 분쇄하여 90% 수율로 4-아미노부틸산을 수득하였다. 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다. PCR was carried out in the same manner as in Example 1 using the primers, subcloning the E. coli expression vector, E. coli was transformed, and the strain was ultrasonically ground to obtain 4-aminobutyl acid in 90% yield. The subsequent steps were carried out in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4.

실시예Example 3: 나일론 4의 제조(3) 3: Manufacture of Nylon 4 (3)

4-아미노부틸산을 락토바실러스로부터 분리한 gad1 효소를 이용하여 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다.Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared as follows using gad1 enzyme isolated from Lactobacillus.

글루탐산 디카복실라제의 활성이 우수한 것으로 알려진 락토바실러스속 균주에서 gad 유전자를 클로닝하기 위하여 전체염기서열이 알려진 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis)로부터 gad 1 유전자를 클로닝하였다. 즉, 먼저 락토바실러스 브레비스 염색체 DNA를 얻기 위하여, 상기 균주를 MRS 배지에 37℃에서 16시간동안 배양한 후 대장균에서 사용한 것과 동일한 프로메가사 키트를 활용하여 염색체 DNA를 수득하였다. 상기 수득한 염색체 DNA로부터 gad1 유전자를 각각 대장균에서 발현할 수 있는 trc 프로모터에 융합하기 위하여 프라이머를 제작하였으며, 구체적인 염기서열은 다음과 같다. In order to clone the gad gene in the Lactobacillus strain known to have excellent activity of glutamic acid dicarboxylase, the gad 1 gene was cloned from Lactobacillus brevis , whose whole nucleotide sequence is known. That is, in order to first obtain Lactobacillus brevis chromosomal DNA, the strain was incubated in MRS medium at 37 ° C. for 16 hours, and then chromosomal DNA was obtained using the same promegasa kit used in Escherichia coli. From the obtained chromosomal DNA, gad 1 genes were prepared for fusion to the trc promoter that can be expressed in Escherichia coli, respectively, and specific nucleotide sequences are as follows.

<프라이머 3><Primer 3>

정방향 프라이머 5‘-gagctcgttagtgagtgcctttgtgg-3‘ (서열번호 5)Forward primer 5’-gagctcgttagtgagtgcctttgtgg-3 ’(SEQ ID NO: 5)

역방향 프라이머 5‘-ggatccaaaaccatggttccgtgata-3’ (서열번호 6)Reverse primer 5’-ggatccaaaaccatggttccgtgata-3 ’(SEQ ID NO: 6)

상기 프라이머를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 PCR을 수행하고, 대장균 발현 벡터에 서브클로닝한 후 대장균을 형질전환하고, 균주를 초음파 분쇄하여 90% 수율로 4-아미노부틸산을 수득하였다. 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다. PCR was carried out in the same manner as in Example 1 using the primers, subcloning the E. coli expression vector, E. coli was transformed, and the strain was ultrasonically ground to obtain 4-aminobutyl acid in 90% yield. The subsequent steps were carried out in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4.

실시예Example 4: 나일론 4의 제조(4) 4: Manufacture of Nylon 4 (4)

4-아미노부틸산을 락토바실러스로부터 분리한 gad2 효소를 이용하여 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared as follows using gad2 enzyme isolated from Lactobacillus.

락토바실러스 브레비스 전체 염기서열로부터 gad2 유전자를 클로닝하기 위하 여 실시예 3에서 획득한 염색체 DNA를 이용하여 대장균의 trc 프로모터로 발현시키기 위한 프라이머를 제작하였으며 구체적인 염기서열은 다음과 같다. In order to clone the gad 2 gene from the entire nucleotide sequence of Lactobacillus brevis, a primer for the expression of the trc promoter of E. coli was prepared using the chromosomal DNA obtained in Example 3, and the specific nucleotide sequence is as follows.

<프라이머 4><Primer 4>

정방향 프라이머 5‘-ctgcaggtacaccgatcttactccgg-3’ (서열번호 7)Forward primer 5'-ctgcaggtacaccgatcttactccgg-3 '(SEQ ID NO: 7)

역방향 프라이머 5‘-ggatcctgcgtaaactcaagcttgaa-3’ (서열번호 8)Reverse primer 5’-ggatcctgcgtaaactcaagcttgaa-3 ’(SEQ ID NO: 8)

상기 프라이머를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 PCR을 수행하고, 대장균 발현 벡터에 서브클로닝한 후 대장균을 형질전환하고, 균주를 초음파 분쇄하여 94% 수율로 4-아미노부틸산을 수득하였다. 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다. PCR was carried out in the same manner as in Example 1 using the primers, subcloning the E. coli expression vector, E. coli was transformed, and the strain was sonicated to obtain 4-aminobutyl acid in 94% yield. The subsequent steps were carried out in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4.

실시예Example 5: 나일론 4의 제조(5) 5: Preparation of Nylon 4 (5)

4-아미노부틸산을 락토바실러스로부터 분리한 gad3 효소를 이용하여 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared as follows using gad3 enzyme isolated from Lactobacillus.

락토바실러스 브레비스 전체 염기서열로부터 gad2 유전자를 클로닝하기 위하여 실시예 3에서 획득한 염색체 DNA를 이용하여 대장균의 trc 프로모터로 발현시키기 위한 프라이머를 제작하였으며 구체적인 염기서열은 다음과 같다. In order to clone the gad 2 gene from the entire nucleotide sequence of Lactobacillus brevis, primers were prepared to express the trc promoter of Escherichia coli using the chromosomal DNA obtained in Example 3. Specific sequences are as follows.

<프라이머 5><Primer 5>

정방향 프라이머 5‘-gagctcattaatgtaatacccgttag-3’ (서열번호 9)Forward primer 5'-gagctcattaatgtaatacccgttag-3 '(SEQ ID NO: 9)

역방향 프라이머 5‘-cgatcgctgtgtccaaccagttgcag-3’ (서열번호 10)Reverse primer 5’-cgatcgctgtgtccaaccagttgcag-3 ’(SEQ ID NO: 10)

상기 프라이머를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 PCR을 수행하고, 대 장균 발현 벡터에 서브클로닝한 후 대장균을 형질전환하고, 균주를 초음파 분쇄하여 85% 수율로 4-아미노부틸산을 수득하였다. 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다. PCR was carried out in the same manner as in Example 1 using the primers, subcloning the E. coli expression vector, E. coli was transformed, and the strain was ultrasonically ground to obtain 4-aminobutyl acid in 85% yield. The subsequent steps were carried out in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4.

실시예Example 6: 나일론 4의 제조(6) 6: Manufacture of nylon 4 (6)

실시예 1의 1단계에서 초음파분쇄기 대신에 클로로포름을 이용하여 4-아미노부틸산을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared in the first step of Example 1 using chloroform instead of the ultrasonic mill.

클로로포름 같은 유기용매를 사용하여도 효소의 세포밖으로의 분비가 가능하므로, 상기 유기용매를 이용하여 4-아미노부틸산의 수득율을 비교하였다. Since the use of an organic solvent such as chloroform can secrete the enzyme out of the cells, the yield of 4-aminobutyl acid was compared using the organic solvent.

1/10 부피의 클로로포름을 첨가하여 균주를 처리한 결과 95%의 전환된 4-아미노부틸산을 수득할 수 있었고, 이를 이용하여 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다.The strain was treated with the addition of 1/10 of the volume of chloroform to obtain 95% of the converted 4-aminobutyl acid, which was used in the subsequent steps in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4.

실시예Example 7: 나일론 4의 제조(7) 7: Preparation of nylon 4 (7)

실시예 1의 1단계에서 초음파분쇄기 대신에 헥산을 이용하여 4-아미노부틸산을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4-aminobutyl acid was prepared in the first step of Example 1 using hexane instead of the ultrasonic mill.

1/20 부피의 헥산을 첨가하여 균주를 처리한 결과 90%의 전환된 4-아미노부틸산을 수득할 수 있었고, 이를 이용하여 추후 단계를 실시예 1과 동일하게 수행하 여 나일론 4를 제조하였다.The strain was treated with the addition of 1/20 volume of hexane to obtain 90% of the converted 4-aminobutyl acid, which was then used in the same manner as in Example 1 to prepare nylon 4 .

실시예Example 8: 나일론 4의 제조(8) 8: Manufacture of nylon 4 (8)

실시예 2의 1단계에서 초음파분쇄기 대신에 클로로포름을 이용하여 4-아미노부틸산을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 2, except that 4-aminobutyl acid was prepared by using chloroform instead of the ultrasonic mill in the first step of Example 2 as follows.

1/10 부피의 클로로포름을 첨가하여 균주를 처리한 결과 85%의 전환된 4-아미노부틸산을 수득할 수 있었고, 이를 이용하여 추후 단계를 실시예 2와 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다.The strain was treated with the addition of 1/10 of the volume of chloroform to obtain 85% of the converted 4-aminobutyl acid, which was followed by the same steps as in Example 2 to prepare nylon 4.

실시예Example 9: 나일론 4의 제조(9) 9: Manufacture of Nylon 4 (9)

실시예 2의 1단계에서 초음파분쇄기 대신에 헥산을 이용하여 4-아미노부틸산을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일한 방법으로 나일론 4를 제조하였다. Nylon 4 was prepared in the same manner as in Example 2, except that 4-aminobutyl acid was prepared in the first step of Example 2 using hexane instead of the ultrasonic mill.

1/20 부피의 헥산을 첨가하여 균주를 처리한 결과 87%의 전환된 4-아미노부틸산을 수득할 수 있었고, 이를 이용하여 추후 단계를 실시예 2와 동일하게 수행하여 나일론 4를 제조하였다.The strain was treated with the addition of 1/20 volume of hexane to obtain 87% of converted 4-aminobutyl acid, which was followed by the same steps as in Example 2 to prepare nylon 4.

실험예Experimental Example 1: 단계 1의 4-아미노부틸산의 동정 1: Identification of 4-Aminobutyl Acid of Step 1

글루탐산나트륨 및 4-아미노부틸산은 박막 크로마토그래피 분석(TLC)로 정성 적으로 분석할 수 있는데 실리카겔로 0.2 mm 코팅된 알루미늄 시트(Merck type 60, Deamstadt, Germany) 상에서 전개액으로 노말부탄올/아세트산/물(5/3/2, v/v/v)을 사용하여 30분정도 전개시킨 후 60% 닌히드린 용액을 스프레이한 후 가열하여 글루탐산나트륨 및 4-아미노부틸산을 가시화함으로써 글루탐산나트륨으로부터 4-아미노부틸산의 생성을 확인할 수 있었다. 또한 정량적 분석을 위해서 XTerra(Waters, RP 185m, 4.6mm X 150 mm) 컬럼을 이용한 HPLC 방법을 이용하여 일반적으로 아미노산 분석에 사용되는 OPA 유도체화 방법으로 샘플을 유도체화 반응시킨 후 HPLC로 분석하여 정량화할 수 있었으며 성공적으로 4-아미노부틸산이 제조됨을 확인할 수 있었다.Sodium glutamate and 4-aminobutyl acid can be qualitatively analyzed by thin layer chromatography analysis (TLC), which is normal butanol / acetic acid / water as developer on a 0.2 mm coated aluminum sheet (Merck type 60, Deamstadt, Germany) coated with silica gel. (5/3/2, v / v / v) with about 30 minutes and then sprayed with 60% ninhydrin solution and heated to visualize sodium glutamate and 4-aminobutyl acid to 4-amino from sodium glutamate The production of butyric acid was confirmed. For quantitative analysis, the HPLC method using an XTerra (Waters, RP 185m, 4.6mm X 150mm) column was used to derivatize the sample by OPA derivatization method, which is generally used for amino acid analysis, and then quantitated by HPLC. It was confirmed that 4-aminobutyric acid was prepared successfully.

실험예Experimental Example 2: 단계 2의 2- 2: 2- of step 2 피롤리돈의Pyrrolidone 동정 Sympathy

실시예 1 내지 9에서의 단계 2의 물질에 대하여 1H-NMR(BRUKER AMX-500)과 IR(Nicolet IR-Plan Advantage), GC/MS(Hewlett-Packard 5890A Gas Chromatography/Jeol JMS-DX303 Mass Spectrometer)을 이용하여 구조분석을 수행하였다. 그 결과는 도 2 내지 4에 나타내었으며, 하기와 같이 2-피롤리돈으로 확인되었다.1 H-NMR (BRUKER AMX-500), IR (Nicolet IR-Plan Advantage), GC / MS (Hewlett-Packard 5890A Gas Chromatography / Jeol JMS-DX303 Mass Spectrometer) for the material of step 2 in Examples 1-9 Structural analysis was performed using. The results are shown in Figures 2 to 4, it was confirmed as 2-pyrrolidone as follows.

bp760 : 245℃bp 760 : 245 ℃

NMR(CDCl3) : δ 1.88(m,2H,H-4), 2.06(t,2H,H-3), 3.17(t,2H,H-5). 7.52(s,1H,N-H)NMR (CDCl 3 ): δ 1.88 (m, 2H, H-4), 2.06 (t, 2H, H-3), 3.17 (t, 2H, H-5). 7.52 (s, 1H, NH)

IR(KBr) : 3219(N-H), 2983(cyclic alkane), 1673(cyclic amide)cm-1 IR (KBr): 3219 (NH), 2983 (cyclic alkane), 1673 (cyclic amide) cm -1

Mass(m/z) : 85(M+,100), 42(47), 41(46), 30(28)Mass (m / z): 85 (M + , 100), 42 (47), 41 (46), 30 (28)

실험예Experimental Example 3: 단계 3의 나일론 4의 특성분석 3: Characterization of Nylon 4 in Step 3

실시예 1 내지 9에서의 단계 3의 제조된 나일론 4에 대하여 DSC를 이용하여 열분석을 수행하여 열적 성질을 살펴보았다. 측정결과는 하기와 같다. The thermal properties of the prepared nylon 4 of the step 3 in Examples 1 to 9 by using DSC to examine the thermal properties. The measurement results are as follows.

<열분석 조건><Thermal analysis conditions>

온도범위 : 25 ~ 300 oCTemperature range: 25 ~ 300 o C

가열 및 냉각 속도 : 분당 10 oCHeating and cooling rate: 10 o C per minute

분위기 : 질소 분위기 Atmosphere: Nitrogen atmosphere

<열분석 결과><Thermal Analysis Results>

Tg : 110 oC (2차 가열곡선으로부터)Tg: 110 o C (from 2nd heating curve)

Tm : 251 oC (2차 가열곡선으로부터)Tm: 251 o C (from 2nd heating curve)

상기 열분석 결과, 통상적인 석유화학공법으로 제조한 것과 동일한 특성의 나일론 4가 생성되었음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명을 이용하는 경우 고유가 환경에서 지속가능한 대체 생산방법의 확보가 가능하고, 경제적인 방법으로 나일론 4를 제조할 수 있을 것이다.As a result of the thermal analysis, it was confirmed that nylon 4 having the same properties as that produced by the conventional petrochemical method was produced. Therefore, when using the present invention it is possible to secure a sustainable alternative production method in a high oil price environment, it will be possible to manufacture nylon 4 in an economical way.

도 1은 본 발명의 나일론 4를 제조하는 방법을 간략하게 도식화한 것이다. 1 is a simplified diagram of a method of making nylon 4 of the present invention.

도 2는 2-피롤리돈 합성 결과물의 NMR 스펙트럼 결과이다.2 is an NMR spectral result of 2-pyrrolidone synthesis result.

도 3은 2-피롤리돈 합성 결과물의 FT-IR 스펙트럼 결과이다.3 is an FT-IR spectral result of the 2-pyrrolidone synthesis result.

도 4는 2-피롤리돈 합성 결과물의 Mass 스펙트럼 결과이다.4 is a mass spectral result of the 2-pyrrolidone synthesis result.

Claims (10)

출발물질인 글루탐산 또는 글루탐산나트륨으로부터 글루탐산 디카복실라제(GAD)를 이용하여 4-아미노부틸산을 제조하는 단계(단계 1);Preparing 4-aminobutyl acid from glutamic acid or sodium glutamate using glutamic acid dicarboxylase (GAD) (step 1); 상기 단계 1에서 제조된 4-아미노부틸산으로부터 촉매 또는 탈수제를 이용하여 2-피롤리돈을 제조하는 단계(단계 2); 및Preparing 2-pyrrolidone from the 4-aminobutyl acid prepared in step 1 using a catalyst or a dehydrating agent (step 2); And 상기 단계 2에서 제조된 2-피롤리돈으로부터 개시제 및 촉매를 첨가하여 중합함으로써 나일론 4를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법.A method for producing nylon 4 using enzymatic and chemical reactions from biomass comprising the step (step 3) of preparing nylon 4 by polymerizing by adding an initiator and a catalyst from 2-pyrrolidone prepared in step 2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 글루탐산 디카복실라제는 대장균으로부터 분리한 gadA 또는 gadB 효소이거나 락토바실러스 속(屬)으로부터 분리한 gad1, gad2 또는 gad3 효소인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법.The enzyme reaction from biomass according to claim 1, wherein the glutamic acid dicarboxylase of step 1 is a gadA or gadB enzyme isolated from E. coli or a gad1, gad2 or gad3 enzyme isolated from the genus Lactobacillus. Method for preparing nylon 4 using a chemical reaction. 제2항에 있어서, 상기 글루탐산 디카복실라제는 대장균 또는 락토바실러스 속의 염색체 DNA로부터 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하여 각각 gadA 또는 gadB와 gad1, gad2 또는 gad3 유전자를 수득하는 단계;The method of claim 2, wherein the glutamic acid dicarboxylase is subjected to a polymerase chain reaction (PCR) from chromosomal DNA of E. coli or Lactobacillus to obtain gad A or gad B and gad 1, gad 2 or gad 3 genes, respectively. ; 상기 gadA, gadB, gad1, gad2 또는 gad3를 각각 대장균용 발현벡터에 서브클로닝하는 단계; Subcloning said gad A, gad B, gad 1, gad 2 or gad 3 into an E. coli expression vector, respectively; 상기 유전자가 서브클로닝된 발현벡터를 대장균에 형질전환하는 단계; 및Transforming E. coli into an expression vector subcloned into the gene; And 상기 대장균을 배양한 후 초음파분쇄 또는 클로로포름이나 헥산을 사용하여 형질전환된 대장균이 발현하는 글루탐산 디카복실라제를 회수하는 단계;Recovering glutamic acid decarboxylase expressed by E. coli transformed using ultrasonic pulverization or chloroform or hexane after culturing the E. coli; 를 포함하는 방법에 의하여 수득되는 것임을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법.Method for producing nylon 4 using the enzyme reaction and chemical reaction from the biomass, characterized in that obtained by the method comprising a. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대장균은 에셰리키아 콜리(E. coli) W3110 균주인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the E. coli is Escherichia coli ( E. coli ) W3110 strain from the biomass, characterized in that the production of nylon 4 using the enzyme reaction and chemical reaction. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 락토바실러스 속은 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis), 락토바실러스 카세이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 애시도필러스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus), 락토바실러스 스포로제네스(Lactobacillus sporogenes), 락토바실러스 퍼멘툼(Lactobacillus fermentum), 락토바실러스 헬베티쿠스(Lactobacillus helveticus) 및 락토바실러스 루테리(Lactobacillus reuteri)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법. According to claim 1 or 2, wherein the genus Lactobacillus Lactobacillus brevis ( Lactobacillus brevis ), Lactobacillus casei ( Lactobacillus) casei ), Lactobacillus acidophilus , Lactobacillus vulgaris ( Lactobacillus) bulgaricus ), Lactobacillus rhamnosus ), Lactobacillus sporogenes ), Lactobacillus fermentum ), Lactobacillus helveticus ) and Lactobacillus reuteri ( Lactobacillus reuteri ) is a method for producing nylon 4 using an enzyme reaction and a chemical reaction, characterized in that any one selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 4-아미노부틸산은 글루탐산 또는 글루탐산나트륨으로부터 글루탐산 디카복실라제를 이용하여 4-아미노부틸산을 얻고 이를 양이온 교환수지가 침착된 컬럼 및 진공증발기를 이용하여 정제한 것임을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법.The method of claim 1, wherein the 4-aminobutyl acid of Step 1 is obtained from glutamic acid or sodium glutamate using glutamic acid dicarboxylase to obtain 4-aminobutyl acid, which is purified using a column and a vacuum evaporator on which a cation exchange resin is deposited. Method for producing nylon 4 using the enzyme reaction and chemical reaction from the biomass, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 촉매는 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 이산화티타늄(TiO2) 및 산화텅스텐(WO3)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법. The method of claim 1, wherein the catalyst of step 2 is any one selected from the group consisting of alumina (Al 2 O 3 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ) and tungsten oxide (WO 3 ). Method for producing nylon 4 using the enzyme reaction and chemical reaction from the biomass, characterized in that the. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 탈수제는 산화인(P2O3), 요오드(I2), 염화아연(ZnCl2), BF3-에테르화합물(BF3-etherate), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 옥시염화인-피리딘 화합물(POCl3-pyridine), 황산수소칼륨(KHSO4) 및 수산화칼륨(KOH)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법. The dehydrating agent of claim 2, wherein the dehydrating agent of step 2 is phosphorus oxide (P 2 O 3 ), iodine (I 2 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), BF 3 -ether compound (BF 3 -etherate), dimethyl sulfoxide (Dimethyl) sulfoxide), phosphorus oxychloride-pyridine compound (POCl 3 -pyridine), potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) and potassium hydroxide (KOH) from any one selected from the group consisting of enzymatic and chemical reaction from biomass Nylon 4 manufacturing method using. 제1항에 있어서 상기 단계 3의 개시제는 사염화실리콘(SiCl4), 삼염화실란(SiHCl3) 및 (C5H5)2TiCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법. The biomass of claim 1, wherein the initiator of step 3 is any one selected from the group consisting of silicon tetrachloride (SiCl 4 ), trichlorosilane (SiHCl 3 ), and (C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 . Method for producing nylon 4 using the enzyme reaction and chemical reaction. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 촉매는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 칼슘하이드라이드(CaH2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오매스로부터 효소반응 및 화학반응을 이용한 나일론 4의 제조방법. The method according to claim 1, wherein the catalyst of step 3 is any one selected from the group consisting of potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and calcium hydride (CaH 2 ) and the enzyme reaction from biomass and Method for preparing nylon 4 using a chemical reaction.
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