KR20110055614A - 리그닌 분해용 촉매, 알코올류 및 유기산류의 제조 방법, 리그닌 분해 생성물의 제조 방법, 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 수소 이온의 유리 방법, 그리고 포르피린 - Google Patents

리그닌 분해용 촉매, 알코올류 및 유기산류의 제조 방법, 리그닌 분해 생성물의 제조 방법, 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 수소 이온의 유리 방법, 그리고 포르피린 Download PDF

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Abstract

포르피린을 함유하여 이루어지는 리그닌 분해용 촉매, 방향족 탄화수소 분해용 촉매. 리그닌에 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액에 원하는 바에 따라 리그닌 분해용 촉매를 작용시키고, 원하는 바에 따라 광 조사하는 것, 또는 리그닌에 원하는 바에 따라 리그닌 분해용 촉매를 작용시키고, 광 조사함으로써 알코올류 및 유기산류를 분리시킨다. 알코올류 및 유기산류를 분리할 때에 발생하는 분해 생성물을 회수하고, 또, 수소 이온을 유리시킨다. 리그닌을 알코올류 및 유기산류로 변환하는 촉매 기능을 갖는 포르피린, 벤젠 고리를 형성하는 탄소에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물을 분해하는 촉매 기능을 갖는 포르피린, 또, 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균을 배양하여 얻어진 포르피린.

Description

리그닌 분해용 촉매, 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 그리고 포르피린 {CATALYST FOR DEGRADING LIGNIN, CATALYST FOR DEGRADING AROMATIC HYDROCARBON, AND PORPHYRIN}
본 발명은 리그닌 분해용 촉매, 알코올류 및 유기산류의 제조 방법, 리그닌 분해 생성물의 제조 방법, 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 수소 이온의 유리 방법, 그리고 포르피린에 관한 것으로, 특히 포르피린으로 이루어지는 리그닌 분해용 촉매, 리그닌으로부터 메탄올 등의 알코올류 및 유기산류를 제조하는 방법, 리그닌 분해 생성물의 제조 방법, 포르피린으로 이루어지는 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 포르피린으로 이루어지는 리그닌 분해용 촉매를 사용하여 리그닌으로부터 수소 이온을 유리하는 방법, 그리고 포르피린에 관한 것이다.
21 세기에 들어 지구상의 온난화가 가속도적으로 진행되고, 이산화탄소가 산업계, 나아가서는 세계 경제를 컨트롤하는 열쇠가 되고 있다. 지중 또는 해저에 봉입된 화석 연료를 에너지원으로 하는 한, 대기 중의 이산화탄소를 감소시키기는 커녕, 증가를 억제하는 것조차 곤란하다. 그래서 주목받고 있는 것이 식물로부터 제조하는 바이오 에탄올 등의 알코올류이고, 이것은 에너지원으로서 유망하다. 그러나, 이 경우, 종래 기술의 대부분은 당류를 원료로 하고 있기 때문에, 인류의 식료원과 에너지원이 경합한다는 문제가 발생하고 있다. 최근에는, 점차로 식료원과 경합하지 않는, 예를 들어 셀룰로오스 등을 탄소원으로 한 알코올류의 제조 기술이 진보되어 오고 있다.
목재나, 식료가 되지 않는 초류 (草類) 는 주로 셀룰로오스와 리그닌으로 이루어진다. 폐재나, 칩 형상의, 건축 자재로는 부적절한 이른바 폐기물에 가까운 목재나, 초류의 셀룰로오스를 탄소원으로 함으로써, 이산화탄소 배출을 억제하여, 산업계, 경제계에 공헌할 수 있다.
셀룰로오스의 이용이 상기와 같이 진보하고 있는 것에 비해, 셀룰로오스와 같이 풍부한 탄소원인 리그닌의 유효 이용은 아직 매우 한정되어 있다. 실용 단계에 있는 것으로는, 예를 들어 열원으로서 단순히 연소시키거나, 방부제나, 콘크리트에 혼합하는 구조 강화제 등이 있다.
또, 과학 기술 및 산업이 발전함에 따라, 자연계에서는 본래 고농도에서는 존재하지 않는 화합물인 산업 폐기물의 축적이 발생하여, 인류에게 있어서 큰 마이너스 자산이 되고 있다. 이들의 화합물의 상당수는 벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물이다. 예를 들어, 다이옥신류 등을 들 수 있다. 다이옥신류에 관해서는, 발생원인 먼지의 연소 단계에서의 고온 처리에 의해 상당히 개선되어 있지만, 이미 확산된 유해 화합물도 적지 않다. 따라서, 이들의 유해 화합물을, 본래 자연계에 존재하는, 유해 화합물 분해 촉매를 사용하고, 또한 무한하게 지표에 쏟아지는 태양광을 이용하여 분해할 수 있으면, 자연의 정화 및 인류의 건강 유지에 공헌할 수 있는 것이다. 그러나, 아직도 유용한 분해 촉매는 제안되어 있지 않다.
또한 최근, 에너지원으로서 주목받고 있는 것이 수소 이온의 이동에 의해 기전력을 얻는 연료 전지이다. 그러나, 수소 가스를 수소 이온원으로 하는 경우, 수소 가스의 대부분을 화석 연료로부터 제조하고 있는 것이 현상황이다. 또, 물의 전기 분해에 의해 수소 가스를 얻을 수 있지만, 이 경우에도 전력을 공급할 필요가 있다.
또, 전력을 태양광으로부터 얻는 태양 전지의 경우, 반도체 장치의 제조가 필요하고, 그것을 위한 자원과 비용은, 현행의 에너지 수요를 태양 전지에 의존하고자 하는 경우, 막대한 것이 된다. 색소 증감형 태양 전지에 대해서도, 나노 사이즈의 산화 티탄이 필요하고, 또한 어느 정도의 기전력이 얻어지는 합성 색소는 고가이다.
종래, 광 조사하에서 리그닌계 물질을 기능수에 접촉시켜 분해하는 리그닌계 물질의 분해 방법이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이 종래 기술에는, 기능수로서 수산화나트륨을 포함한다는 기재는 있지만, 분해물이 무엇인지에 대해서는 구체적으로 기재되어 있지 않고, 알코올류가 얻어지는 것에 대한 기재도 없다. 또, 다수개의 Cl 및 F 를 포함하는 포르피린에 대해, 리그닌의 산화, 알칸으로부터 알코올로의 전화 등의 반응에 활성인 것이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조). 그러나, 이 종래 기술에는, 알칼리 화합물, 광 촉매의 사용에 관한 기재는 없다.
일본 공개특허공보 2000-144592호 (특허 청구의 범위, 단락 : 0030) 일본 공표특허공보 평2-503086호 (제 4 페이지 좌상란)
본 발명의 과제는 종래 기술에는 없는 포르피린으로 이루어지는 리그닌 분해용 촉매, 리그닌을 원료로 하여 메탄올 등의 알코올류 및 유기산류를 제조하는 방법, 리그닌 분해 생성물을 제조하는 방법, 포르피린으로 이루어지는 방향족 탄화수소 분해용 촉매, 리그닌을 원료로 하여 수소 이온을 유리하는 방법, 그리고 포르피린을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 리그닌 분해용 촉매는 광 조사에 의해 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리그닌 분해용 촉매는 또, 알칼리 용액 중에서 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리그닌 분해용 촉매는 또, 광 조사에 의해 알칼리 용액 중에서 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 포르피린 고리에 메틸기 및 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 포르피린 고리에 4 개의 메틸기, 4 개의 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 분자 중에 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 분자 중에 합계 2 개, 4 개 또는 8 개의 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 우로포르피린, 프로토포르피린 및 코프로포르피린에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 대장균을 배지에서 배양하고, 그 배지로부터 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 이 촉매가 대장균을 배지에서 배양하여 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물 함유 배지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 대장균이 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균인 것을 특징으로 한다.
상기 리그닌 분해용 촉매에 있어서, 대장균이 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 알코올류 및 유기산류의 제조 방법은 리그닌에 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해 광 조사 (바람직하게는, 자외선 또는 태양광 등에 의한 조사) 한 후에, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 추가로 상기 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 상기 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에, 추가로 광 조사 (바람직하게는, 자외선 또는 태양광 등에 의한 조사) 하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 알코올류 및 유기산류의 제조 방법은 또, 리그닌에 대해 상기 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 알코올류 및 유기산류의 제조 방법은 또, 리그닌에 대해 광 조사(바람직하게는, 자외선 또는 태양광 등에 의한 조사) 하고, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 리그닌에 대해 상기 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에, 광 조사 (바람직하게는, 자외선 또는 태양광 등에 의한 조사) 하고, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 알칼리 화합물이 KOH 및 NaOH 중 적어도 1 종인 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 알코올류가 메탄올이고, 유기산류가 포름산, 아세트산, 말산, 숙신산 및 피루브산인 것을 특징으로 한다.
상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 알코올류의 분리를 증류에 의해 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리그닌 분해 생성물의 제조 방법은 상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 따라 알코올류 및 유기산류를 분리할 때에 발생하는 저분자량의 탄소 함유 화합물인 리그닌 분해 생성물을 회수하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소 분해용 촉매는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 대장균을 배지에서 배양하여, 그 배지로부터 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 이 촉매가 대장균을 배지에서 배양하여 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물 함유 배지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 대장균이 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 대장균이 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 포르피린 고리에 메틸기 및 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 포르피린 고리에 4 개의 메틸기, 4 개의 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 우로포르피린, 프로토포르피린, 코프로포르피린 및 에티오포르피린에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 분자 중에 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 포르피린이 분자 중에 합계 2 개, 4 개 또는 8 개의 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 한다.
상기 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 있어서, 방향족 탄화수소가 다이옥신류인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수소 이온의 유리 방법은 리그닌 또는 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 상기 리그닌 분해용 촉매를 작용시키고, 이 용액에 대해, 광 조사 (바람직하게는, 자외선 또는 태양광 등에 의한 조사) 를 실시하여, 수소 이온을 유리시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 포르피린은 리그닌을 알코올류 및 유기산류로 변환하는 촉매 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 포르피린은 또, 벤젠 고리를 형성하는 탄소에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물을 분해하는 촉매 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 포르피린은 또, 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균을 배양함으로써 얻어진 것이다.
본 발명의 리그닌 분해용 촉매는 또한 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균을 배양하여 얻어진 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 포르피린, 예를 들어 대장균을 이용하여 생물학적으로 제조한 포르피린 구조를 갖는 테트라피롤 화합물이나 합성 포르피린이 유효한 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매로서의 효과를 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 리그닌에 대해, 알칼리 화합물, 광 조사, 상기 리그닌 분해용 촉매를 단독으로 또는 조합하여 작용시킴으로써, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 제조할 수 있음과 함께, 저분자량의 분해 생성물을 얻을 수 있고, 추가로 수소 이온을 유리할 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.
도 1 은 제조예 1 에서 얻어진 산생물의 구조식이다.
도 2 는 제조예 1 에서 얻어진 산생물에 대한, 흡광도 분석 결과를 나타내는 스펙트럼이다.
도 3 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 4 는 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 5 는 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 HSQC 스펙트럼이다.
도 6 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 COSY 스펙트럼이다.
도 7 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 HMBC 스펙트럼이다.
도 8 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 NOESY 스펙트럼이다.
도 9 는 제조예 1 에서 얻어진 시료 1 에 대한 NOESY 스펙트럼이다.
도 10 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 2 에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 11 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 2 에 대한 13C NMR 스펙트럼이다.
도 12 는 제조예 1 에서 얻어진 시료 2 에 대한 NEOSY 스펙트럼을 확대하여 나타낸다.
도 13 은 제조예 1 에서 얻어진 시료 2 에 대해 상대 존재량을 나타내는 스펙트럼이다.
도 14 는 ESI-MS 로 실시한 분석 결과를 나타낸다.
도 15 는 제조예 1 에서 얻어진 산생물을 열분해 GC-MS 로 분석한 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명에 관련된 리그닌 분해용 촉매 및 벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소 분해용 촉매의 일 실시형태에 의하면, 이들 촉매는 광 조사에 의해 및/또는 알칼리 용액 중에서 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지고, 이 포르피린은, 대장균을 배지에서 배양하고, 배지 중에 분비된 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물이나 합성 포르피린인 것이 바람직하다. 예를 들어, 이들 촉매는 대장균을 배지에서 배양하여 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물 함유 배지로 이루어지는 것이어도 되고, 배양하여 얻어진 세포로부터 회수한 것이어도 되며, 배양하여 얻어진 세포로부터 얻어진 추출물이어도 된다.
상기 대장균은 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균과 같은 유전자 발현을 변화시킨 대장균인 것이 바람직하고, 또, 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주인 것이 보다 바람직하다. 상기 포르피린은 포르피린 고리에 메틸기 (예를 들어, 4 개), 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) (예를 들어, 4 개) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 관련된 대장균 유래의 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매는, 예를 들어, 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.
상기 촉매를 제조하기 위한 배지로는, 대장균을 배양할 수 있는 배지이면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 대장균을 빈영양 배지나 부영양 배지에서 배양하고, 이 배지로부터 테트라피롤 화합물을 분리·회수함으로써, 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매를 구성하는 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물을 제조할 수 있다. 배지 중에서 대장균을 배양, 증식시키는 과정에서 대장균에 테트라피롤 화합물을 산생시키고, 배지 중에 분비된 테트라피롤 화합물을 회수함으로써, 테트라피롤 화합물을 제조한다. 배지 중에 있는 천연물 등의 성분이 테트라피롤 화합물을 분리할 때의 장해가 되는 것을 방지하기 위해서는, 빈영양 배지를 사용하는 것이 바람직한데, 이 배지에 특별히 한정되는 것은 아니다. 빈영양 배지로는, 글루코오스 또는 락토오스를 함유하는 것이 바람직하게 사용되는데, 이것에 한정되는 것은 아니다.
리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매를 제조하는 데에 사용하는 대장균은 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 것인 것이 바람직하다. 예를 들어, K12 주 및 BL21 주 유래의 대장균 등을 들 수 있다. 예를 들어, K12 주 유래의, 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균이 바람직하게 사용된다. 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균주로는, 예를 들어, 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주가 있다. 이 변이주에서는, 유전자 ypjD(b2611) 의 발현이 부분적 또는 완전히 결실된 상태에 있다. 또한, K12 주는 예를 들어 내셔널 바이오 리소스로부터 입수할 수 있고, BL21 주는 예를 들어 다카라 바이오로부터 입수할 수 있다. 또, 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주로는, 예를 들어, 내셔널 바이오 리소스로부터 입수 가능한 JD23504 등이 있다.
본 실시형태에 있어서는, 먼저, 대장균을 빈영양 배지 중에서 배양한다. 이 때, 대장균을 빈영양 배지 이외의 적당한 배지, 예를 들어 LB 배지 등의 배지 중에서 전배양하고, 얻어진 전배양물을 빈영양 배지에 접종하여 본배양하는 것이 바람직하다. 또, 배지로는, 빈영양 배지 이외에 부영양 배지나 합성 배양액 등을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 탈이온수에 KH2PO4, K2HPO4, (NH4)2SO4, 시트르산 2 수화물, 글루코오스, 및 MgSO4 등을 첨가하여 얻어진 수용액인 합성 배양액이어도 된다. 어느 것이든, 대장균 세포를 증식시킬 수 있는 배지이면, 특별히 제한은 없다.
대장균의 배양 조건은 대장균에 대한 일반적인 조건이면 된다. 이것은, 예를 들어, 대장균을 전배양하고 나서 배지를 바꾸어 빈영양 배지 중에서 본배양한 경우, 어느 쪽의 배양 조건에 대해서도 동일하다. 예를 들어, LB 배지를 이용하여, 15 ℃ ∼ 40 ℃ 의 온도에서 6 시간 ∼ 24 시간에 걸쳐 전배양한 후, 얻어진 세포 현탁액을, 빈영양 배지 중에서, 20 ℃ ∼ 40 ℃ 의 온도에서 12 시간 ∼ 96 시간에 걸쳐 본배양한다. 이로써, 배지 중에서 세포가 증식해 가고, 목적으로 하는 테트라피롤 화합물에 특유한 색조를 띤 배양물 (산생물) 이 얻어진다.
다음으로, 상기의 배양물로부터, 이하와 같이 하여, 목적으로 하는 테트라피롤 화합물을 분리한다.
구체적으로는, 배양물을 원심 분리하여 얻어진 상청액을 여과한 후, 예를 들어, 이온 교환 수지 칼럼 또는 역상 칼럼 등을 사용하여, 여과액으로부터 테트라피롤 화합물을 흡착, 분리한다. 예를 들어, 배양물을 원심 분리기에 가하여 세포를 침전시키고, 배양물 (산생물) 을 포함하는 상청액을 얻는다. 다음으로, 이 상청액을, 소정의 포아 사이즈 (예를 들어, 0.22 ㎛) 의 필터로 여과한 후, 상기 칼럼을 사용하여 이온 교환 수지에 흡착시킨다. 이어서, 예를 들어, 20 % 아세토니트릴-0.1 % 트리플루오로아세트산 용액 등을 사용하여 이온 교환 수지로부터 산생물을 용출시킨 후, 동결 건조시킨다. 또한, 이 경우의 용출에는, 유기 용매에 산 또는 알칼리의 용액을 포함한 것을 사용할 수도 있다. 본 실시형태에 의하면, 1 종류 또는 2 종류 이상의 테트라피롤 화합물을 얻을 수 있고, 예를 들어, 500 ㎖ 의 세포 현탁액으로부터 수 ㎎ ∼ 수십 ㎎ 의 테트라피롤 화합물을 얻을 수 있다.
상기의 조작에 의해 분리된 산생물을, NMR (Nuclear Magnetic Resonance ; 핵자기 공명) 등에 의해 분석하면, 테트라피롤 화합물이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또, 이 산생물을 흡광 광도 분석에 가하면, 색소에 특유의 파장역에 흡수를 갖는 화합물인 것을 알 수 있다. 많은 경우, 클로로필, 헴 또는 프탈로시아닌과 유사한 2 봉성 (峰性) 의 피크를 나타내는 색소 화합물이다. 이러한 색소 화합물은 광에 의해 전자가 여기되는 광 촉매나 전자 전달체로서 유용하다. 또, 수용액 중에서, 또는, 세포막을 개재하여 산화 환원 반응과 관계되므로, 전지에 있어서도 기능하는 것으로 생각된다.
상기한 바와 같이, 대장균을 이용하여, 포르핀, 포르피린 등의 포르피린류 와 같은 테트라피롤 화합물을 제조할 수 있기 때문에, 화학적 합성법에 의한 경우와 같이, 목적으로 하는 화합물의 종류에 따른 제조 장치나 촉매 등을 필요로 하지 않고, 또, 용제를 사용할 필요도 없어, 환경에 악영향을 미칠 우려도 적다. 또, 대장균을 배양할 때에는, 배지 중에 5-아미노레블린산 등의 테트라피롤 화합물의 전구체를 첨가할 (일본 공개특허공보 평5-244937호) 필요가 없고, 또한 테트라피롤 화합물은 배지 중에 분비된 것을 회수하면 되어, 균체로부터 채취할 (일본 공개특허공보 평5-91866호) 필요는 없다. 즉, 대장균의 배양이나 테트라피롤 화합물의 회수에 특정의 화합물이나 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 간편하게 테트라피롤 화합물을 제조할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 테트라피롤 화합물은 의료, 식품 및 일렉트로닉스 등의 여러 가지의 산업 분야에 있어서의 용도에 이용될 수 있다.
상기에 있어서는, 배양물로부터 테트라피롤 화합물을 분리하여, 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매로 하였다. 배양물로부터 회수한 화합물을 사용하는 것이 바람직하지만, 배양물이나 배양하여 얻어진 세포에는 테트라피롤 화합물이 포함되어 있으므로, 이 배양물 자체나 세포 자체를 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매로서 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서 사용할 수 있는 리그닌 분해용 촉매 및 방향족 탄화수소 분해용 촉매로는, 상기 외에 합성 포르피린으로서, 예를 들어, 프로토포르피린, 우로포르피린, 코프로포르피린 및 에티오포르피린 등에서 선택된 적어도 1 종을 들 수 있다. 단, 에티오포르피린은 리그닌을 분해하지 않는다. 이들 포르피린으로서, 이하의 실시예에서는, 분자 내에 카르복실기를 2 개 포함하는 프로토포르피린 IX (ALDRICH 사 제조), 분자 내에 카르복실기를 8 개 포함하는 우로포르피린 I (SIGMA 사 제조), 분자 내에 카르복실기를 4 개 포함하는 코프로포르피린 I (ALDRICH 사 제조), 및 분자 내에 카르복실기를 포함하지 않는 에티오포르피린 (ALDRICH 사 제조) 을 사용하였다. 이 포르피린도, 상기한 대장균을 배양하여 얻어지는 포르피린과 마찬가지로, 포르피린 고리의 중심에 천이 금속 원자는 배위하지 않았다.
다음으로, 본 발명에 관련된 알코올류 및 유기산류의 제조 방법의 실시형태에 대해 설명한다. 본 발명에 의하면, 알코올류 및 유기산류는, 리그닌에 대해, 알칼리 화합물, 광 조사, 상기 리그닌 분해용 촉매를 단독으로 또는 조합하여 작용시킴으로써 제조할 수 있다.
즉, 메탄올 등의 알코올류는, 예를 들어, (1) 리그닌에 KOH 및 NaOH 등에서 선택된 적어도 1 종의 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해 알코올류를 분리시킴으로써, (2) 리그닌에 상기 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해 자외선 (자외선으로서 예를 들어, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 (260 c/j 나, 280 c/j 등) 이나 UVP 사 제조의 UVL-56 Hand Held 등의 자외선 램프로부터의 자외선을 사용할 수 있다) 이나 태양광 등의 넓은 파장역을 갖는 광을 소정 시간 조사한 후, 조사 후의 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써, (3) 리그닌에 상기 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해 상기한 리그닌 분해용 촉매를 소정 온도에서, 소정 시간 작용시킨 후, 이 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써, (4) 리그닌에 상기 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해 상기한 리그닌 분해용 촉매를 소정 온도에서 소정 시간 작용시킨 후, 이 용액에 대해 자외선이나 태양광 등의 넓은 파장역을 갖는 광을 소정 시간 조사하고, 이어서 조사 후의 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써, (5) 리그닌에 대해 상기한 리그닌 분해용 촉매를 소정 온도에서 소정 시간 작용시킨 후, 이 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써, (6) 리그닌에 대해 자외선이나 태양광 등의 넓은 파장역을 갖는 광을 소정 시간 조사하고, 이어서 이 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써, 그리고 (7) 리그닌에 대해 상기한 리그닌 분해용 촉매를 소정 온도에서 소정 시간 작용시킨 후, 이 용액에 대해 자외선이나 태양광 등의 넓은 파장역을 갖는 광을 소정 시간 조사하고, 이어서 조사 후의 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 예를 들어 증류 등에 의해, 효율적으로 알코올류를 분리시킴으로써 제조할 수 있다. 상기 광 조사를 실시하는 경우에는, 리그닌을 포함하는 반응액을 공기나 산소, 산소 및/또는 질소를 포함하는 가스 등에 접촉시킨 분위기 중에서 실시하는 것이 효율적으로 포르피린의 촉매 기능을 발휘시킬 수 있으므로 바람직하다. 예를 들어, 리그닌 농도 2.5 ㎎/㎖, 포르피린 50 ㎍/㎖ (질량비 50 : 1) 로 한 경우, 리그닌 1 ㎎ 당 0.2 ∼ 0.5 ㎖ 정도의 산소를 사용할 수 있다.
또, 포름산, 아세트산, 말산, 숙신산 및 피루브산 등의 유기산류는, 상기한 알코올류의 경우와 동일하게 하여, 리그닌으로부터 분리시킬 수 있다.
본 발명에서 사용하는 리그닌으로는 특별히 제한은 없고, 예를 들어, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (예를 들어, SIGMA 사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000 ; ALDRICH 사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (예를 들어, SIGMA 사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (예를 들어, ALDRICH 사 제조, 카탈로그 No.370967) 등을 사용할 수 있다. 본 발명에 의하면, 이들 리그닌 모두로부터, 거의 동일한 정도의 메탄올 등의 알코올류 그리고 포름산, 아세트산, 말산, 숙신산 및 피루브산 등의 유기산류를 분리할 수 있다. 즉, 불순물의 존재나, 평균 분자량, 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌이면 본 발명에 의해 알코올류 및 유기산류를 분리, 제조할 수 있다.
알칼리 화합물의 용액으로는 특별히 제한은 없고, 예를 들어, 0.0025 M ∼ 0.05 M 정도의 KOH 및/또는 NaOH 등을 사용하는 것이 바람직하다. 알코올 및 유기산의 분리 효율에 높낮이가 보이지만, 알칼리 화합물의 용액은 이 농도 범위 내에는 한정되지 않는다.
본 발명에 관련된 벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소 분해용 촉매의 일 실시형태에 의하면, 이 촉매는 상기한 포르피린을 함유하여 이루어지는 리그닌 분해용 촉매와 같은 구성을 갖는 것이므로, 상세한 설명은 생략한다.
상기 촉매를 작용시키는 방향족 탄화수소로는, 예를 들어, 다이옥신류나 다이옥신 유사 화합물 등을 들 수 있다. 이 다이옥신류에는, 예를 들어, 폴리염화디벤조-파라-디옥신 (PCDD), 폴리염화디벤조푸란 (PCDF) 등이 포함되고, 다이옥신 유사 화합물에는, 예를 들어, 코프라나 폴리염화비페닐 (다이옥신양 (樣) PCB) 등이 포함된다. 본 발명에 관련된 방향족 탄화수소 분해용 촉매에 따르면, 이들 다이옥신류는 분해되어, 무독화될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 리그닌으로부터 수소 이온을 유리시키는 방법에 있어서, 리그닌-알칼리 화합물 용액에, 상기한 대장균 유래의 피롤 화합물로 이루어지는 포르피린이나 합성 포르피린을 함유하여 이루어지는 리그닌 분해용 촉매를 첨가함으로써, 수소 이온을 유리시킴과 함께, 리그닌의 광 분해를 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 따라 알코올류 및 유기산류를 분리할 때에 발생하는 리그닌 분해 생성물인 저분자량의 탄소 함유 화합물을 회수할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다. 이하, 본 발명의 제조예 및 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
(제조예 1)
상기한 바와 같이, 리그닌에, 리그닌 분해용 촉매로서, 포르피린 (피롤 화합물) 을 첨가함으로써, 알코올류 및 유기산류를 제조할 수 있고, 리그닌의 광 분해를 실시하여 분해 생성물을 얻을 수 있음과 함께, 수소 이온을 유리할 수 있다. 또, 포르피린 구조를 갖는 테트라피롤 화합물이나 합성 포르피린이 다이옥신 등의 방향족 탄화수소에 대한 분해용 촉매로서 유효하다. 이 경우에, 포르피린으로서 예를 들어, 대장균을 이용하여 생물학적으로 제조한 것을 사용할 수 있다. 본 제조예에서는 대장균을 사용하는 피롤 화합물의 제조예에 대해 설명한다.
먼저, 대장균 유래의 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주 (내셔널 바이오 리소스 JD23504) 의 세포를, 2 ㎖ 의 LB 배지 (Bacto-tryptone : 1 %, Bacto-yeast extract : 0.5 %, NaCl : 0.5 %) 에 있어서, 37 ℃ 에서 12 시간 전배양하였다. 얻어진 세포 현탁액 1 ㎖ 를, 탈이온수 1 ℓ 에 KH2PO4 를 9 g, K2HPO4 를 21 g, (NH4)2SO4 를 2 g, 시트르산 2 수화물을 1 g, 글루코오스를 3.6 g, 및 MgSO4 를 200 ㎎ 첨가하여 얻은 수용액 500 ㎖ 중에 첨가하고, 37 ℃ 에서 24 시간 본배양하였다.
이렇게 하여 얻어진 배양액의 색은, 본배양을 개시한 시점에서 무색이었지만, 24 시간 경과 후에는 핑크색이 되었다. 이 배양액을 원심 분리기에 가하여 세포를 침전시키고, 얻어진 상청액을 포아 사이즈 0.22 ㎛ 의 필터로 여과하였다. 이어서, 여과액을 음이온 교환 수지 충전 칼럼에 통과시킨 후, 수지에 흡착한 배양물을, 20 % 아세토니트릴-0.1 % 트리플루오로아세트산 용액으로 용출시키고, 용출물을 동결 건조시켰다. 이로써, 핑크색을 띤 산생물이 얻어졌다.
이 산생물에 대해, 이하 기재하는 각종 기기 분석을 실시한 결과, 도 1 에 나타내는 구조를 가지고 있는 테트라피롤 화합물인 것이 확인되었다. 도 1 중의 기호 A∼G 는, 도 4 에 나타내는 13C NMR 스펙트럼의 기호에 대응하고, 그 밖의 도면에 있어서도 동일하다. 또, 산생물을 NMR 에 의해 분석한 결과, 테트라피롤 화합물이 포함되어 있는 것이 확인되었다. 또한 ICP (Inductively Coupled Plasma) 질량 분석에 의해 칼륨 (K) 이 검출된 점에서, K 와 이온 결합 또는 착물을 형성하는 화합물로서 회수된다. 또한, 흡광 광도 분석을 실시한 결과, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 소레트대를 포함하는 포르피린 특유의 2 봉성의 피크가 확인되었다. 도 2 에서는, 파장 395 ㎚ 와 파장 549 ㎚ 에 각각 피크가 있다. 이 점에서, 산생물은 자유 전자가 이동 가능한 유기 색소인 것을 확인할 수 있었다.
상기에서 얻어진 테트라피롤 화합물을 상이한 용매에 녹이고 (시료 1 및 시료 2), 2 차원 NMR 측정 (COSY, NOESY, HSQC, HMBC) 을 실시하고, 그 스펙트럼을 해석하여, 구조 해석을 실시하였다.
시료 1 에 관해서는, 시료를 CD3OD 에 용해하고, 이하의 조건에서 NMR 측정을 실시하였다.
·장치 : INOVA 500 형 (varian 사 제조)
·공명 주파수: 499.8 MHz (1H)
·기준 : 3.31 ppm (CD2HOD, 1H NMR)
49.421 ppm (CD3OD, 13C NMR)
·적산 횟수 : 1H NMR (16 회), 13C NMR (53428), COSY (16 회), NOESY (8 회), HSQC (32 회), HMBC (128 회)
·그 외 : NOESY 의 혼합 시간은 400 msec 로 설정하였다.
또, 시료 2 에 관해서는, 시료를 CD3CN : D2O : CD3COOD = 90 : 10 : 0.1 의 용매에 용해하고, 이하의 조건에서 NMR 측정을 실시하였다.
·장치 : INOVA 600 형 (varian 사 제조)
·공명 주파수: 599.8 MHz (1H)
·기준 : 1.92 ppm (CD2HCN, 1H NMR)
1.28 ppm (CD3CN, 13C NMR)
·적산 횟수 : 1H NMR (64 회), 13C NMR (50000), COSY (16 회), NOESY (16 회), HSQC (32 회), HMBC (128 회)
·그 외 : NOESY 의 혼합 시간은 400 msec 로 설정하였다.
시료 1 에 관한 구조 해석 :
도 3 에 1H NMR 스펙트럼을 나타내었다 (용매 : CD3OD). 그 결과, 10.0 ∼ 10.5 ppm 부근 (d), 4.3 ppm 부근 (f), 3.6 ppm 부근 (g), 및 3.2 ppm 부근 (e) 에, 목적 성분에서 유래하는 것으로 추측되는 시그널이 관측되었다. 각각의 시그널 강도비는 대략 1 : 2 : 3 : 2 였다. 이 d ∼ g 는 그 밖의 도면에 있어서도 동일하다.
도 4 에 13C NMR 스펙트럼을 나타내었다. B, C 의 시그널로부터 방향족인 것이 추정되었다.
여기서, 1H NMR 의 d 시그널은, 화학 시프트값으로부터 보아, 통상에서는 볼 수 없는 특징적인 시그널이며, 또한, 방향족 화합물인 것을 고려하면, 포르피린 골격이 후보로서 생각되었다. 이하 서술하는 바와 같이, 2 차원 NMR 스펙트럼 (도 5∼9) 을 포르피린으로서 해석하면 모순없이 해석할 수 있었다. 또, 도 1 의 추정 구조와 유사한 화합물은 J.org.Chem.Vol.164, No.21, 1999 (7973-7982) 에 보고되어 있고, 1H NMR 의 화학 시프트값은, 상당히 양호하게 일치하고 있는 점에서도, 포르피린 구조는 타당하였다.
이하, 2 차원 NMR 의 해석에 대해 설명한다.
도 5 에 HSQC 스펙트럼을 나타내었다. HSQC 스펙트럼은 J1 CH 를 검출하는 측정법이다. 해석 결과를 도면 중에 기재하였다. 프로톤 시그널에 대해, 직접 결합하는 탄소 번호의 대문자로 번호를 부여하였다.
도 6 에 COSY 스펙트럼을 나타내었다. COSY 스펙트럼은 1H-1H 사이의 스핀 결합을 검출하는 측정법이다. 해석의 결과, f 와 e 가 스핀 결합되어 있는 것을 알 수 있고, 시그널 강도비 및 F 와 E 의 화학 시프트값으로부터, -CH2-CH2-X 일 가능성이 높은 것으로 생각되었다. 여기서 X 는 구조가 불명확한 미확정 성분이다.
도 7 에 HMBC 스펙트럼을 나타내었다. HMBC 스펙트럼은 Jn CH (n = 2∼4 정도) 를 검출하는 측정법으로, 이종 핵원격 결합 상관 스펙트럼이 얻어진다. 이 스펙트럼을 해석한 결과, (e, A), (e, B), (e, F), (g, B), (g, C), (f, A), (f, B), (f, C), (f, E) 등의 상관을 얻을 수 있었다. 이들의 상관은 도 1 에 나타내는 추정 구조와 모순되지 않았다.
도 8 및 도 9 에 NOESY 스펙트럼을 나타내었다. NOESY 스펙트럼은 자화 (磁化) 의 교환을 검출하는 측정법이며, 교차 완화에 의한 자화 이동으로부터, 핵스핀 간의 거리에 관한 정보를 얻을 수 있다. 스펙트럼을 해석한 결과, (g, e), (f, g), (f, e), (d, f), (d, e), (d, g) 에 NOE 상관이 관측되었다. 이들의 NOE 상관은 도 1 에 나타내는 추정 구조를 지지하는 것이었다.
시료 2 에 관한 구조 해석 :
도 10 에 1H NMR 스펙트럼을, 도 11 에 13C NMR 스펙트럼을 나타내었다 (용매 : CD3CN : D2O : CD3COOD = 90 : 10 : 0.1). 도 10 중에서 사각의 프레임으로 둘러싼 시그널은 불순물이다. 상기한 시료 1 의 스펙트럼과 비교한 결과, 주성분의 구조가 동일한 것으로 추측되었다. 이것은 COSY, NOESY, HSQC 및 HMBC 의 각 스펙트럼의 해석 결과로부터도 지지되었다.
도 12 에, 시료 2 의 NOESY 스펙트럼을 확대하여 나타내었다. d 프로톤이 4 종으로 분리되어 관측되고 있는 점에서, 저자장 (숫자가 작은 쪽) 쪽부터 d1 에서 d4 로 번호를 붙였다. NOE 상관을 이하에 정리하였다.
·d1 및 d4 는 메틸기와 -CH2-CH2-X 모두 NOE 상관이 있었다.
·d2 는 -CH2-CH2-X 하고만 NOE 상관이 있었다.
·d3 은 메틸기하고만 NOE 상관이 있었다.
이것과, 메틸기끼리나 -CH2-CH2-X 끼리에 NOE 상관이 명확하게 관측되어 있지 않은 점에서, 도 1 의 측사슬의 배치가 얻어졌다.
13C 시그널 및 1H 시그널의 번호를 붙이는 데에 있어서는, 거의 동일한 영역에 관측되고 있는 시그널을 일괄하여 번호를 붙였다. 이것은, 포르피린의 골격이 반복 구조이기 때문에, 세세한 귀속이 곤란하기 때문이다. 반복의 개수에 관해서는, 메틸기 (g) 가 4 개 관측되고 있는 점에서, 4 개로 추측된다.
이상과 같이, 시료 1 및 2 의 분석 결과로부터, 도 1 의 구조를 얻을 수 있었다. 단, 측사슬인 메틸기 및 -CH2-CH2-X 의 각각은 합계 4 개이면 되고, 부가 부위는 도 1 에 나타낸 8 지점 중 어느 장소에서도 데이터와 모순은 없고, 도 1 에 나타낸 부가 위치에 한정되지 않는다.
다음으로, -CH2-CH2-X 에 있어서의 X 에 상당하는 부분에 대해 검토하였다. 상기에서 얻어진 산생물에 대해, 이하의 분석을 실시하였다.
(1) 열분해 GC/MS 에 의한 정성 분석 :
TFA 등의 제거를 위해, 시료를 가열로 내에서, 280 ℃ × 10 min 가열한 후, 600 ℃ 에서 열분해시키고, 분해물을, 이하에 기재하는 가스 크로마토그래프/질량 분석 장치 (이하, 「GC/MS」라고 칭한다) 로 분리 분석하였다.
장치명 : Agilent Technologies 제조 HP5973 형 질량 선택형 검출기 부착
HP6890 형 가스 크로마토그래프
FRONTIER LAB 제조 PY-2020iD 가열로식 열분해 장치
측정 시료 : 시료 2 ㎎ 에 AcCN 을 1 ㎖ 첨가한 용액을 시료 컵에 0.5 ㎖ 주입하고, 질소 퍼지로 AcCN 을 제거하였다.
(2) 일렉트로 스프레이-질량 분석 장치에 의한 분석 :
용액 중 성분의 분자량을 조사하기 위해서, 이하에 기재하는 일렉트로 스프레이-질량 분석 장치 (이하, 「ESI-MS」라고 칭한다) 에 의한 분석을 실시하였다.
장치명 : Applied Biosystems 제조 Qstar
도입 용매 : AcCN/0.05 % 포름산 수용액 (50/50)
도입 방법 : 30 ㎕ 의 루프를 사용하여 측정 용액을 직접 도입하였다.
측정 모드 : Positive mode
측정 용액 : 시료 2 ㎎ 에 AcCN 를 1 ㎖ 첨가한 용액을 바이알병에 소량 채취 후, 도입 용매로 약 100 ppm 에 희석하였다.
상기 GC/MS 로 실시한 분석의 결과, 시료로부터 이산화탄소가 검출되었다. 또, 상기 ESI-MS 로 실시한 분석의 결과 (도 14), 분자량 59 의 프래그먼트 이온 (피크는 4 개) 이 검출됨으로써, 이 프래그먼트는 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 것이 확인되었다.
추가로 상기 산생물을 열분해 GC-MS 로 분석한 결과, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 주된 성분은 피롤 화합물이었다. 이것은 각 성분의 질량스펙트럼을 데이터 베이스와 조합 (照合) 함으로써 확인할 수 있고, 분자 중에 피롤 고리의 구조를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또, 상세한 분자량에 대해서는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 수소 이온이 부가한 이온으로서 검출되고, 분자량 655.2760-1.0078=654.2682 를 얻을 수 있었다. 이상에 의해, 측사슬에 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 4 개와, 메틸기를 4 개 포함하는 분자량 654, 분자식 C36H38O8N4 의 포르피린 화합물인 것, 또, 포르피린 고리의 중심에 천이 금속은 없는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진, 분자 중에 카르복실기를 4 개 갖는 포르피린 : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 후, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 170 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 이 때, 포름산이 140 ㎍/㎖, 말산이 25 ㎍/㎖, 아세트산이 19 ㎍/㎖, 숙신산이 5.4 ㎍/㎖, 피루브산이 6.2 ㎍/㎖ 얻어졌다. 이 경우, 건조 리그닌 중량 기준으로, 6.8 중량% 에 해당되는 메탄올, 5.6 중량% 에 해당되는 포름산을 얻을 수 있었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량 및 상기 유기산량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리 제조할 수 있는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량 및 유기산량으로서 동일한 결과가 얻어졌다.
상기한 바와 같이 자외광을 조사하여 얻어진 반응액의 샘플을 HPLC (고속 액체 크로마토그래피) 로 겔 여과 칼럼을 사용하여 분석하였다. 대조로서 자외선 조사 전의 용액에 대해서도 분석하였다. 분석의 결과, 조사 전의 경우, 리그닌은, 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7-9 min 에서 용출되는 피크로서 검출되지만, 상기한 바와 같이 리그닌에 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사하여 메탄올이나 유기산류로 변환시킨 경우에는, 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7-9 min 에서 용출되는 리그닌의 피크의 면적이 20 % 로 축소하였다. 즉, 리그닌에 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사함으로써, 80 % 의 리그닌이 분해된 것을 알 수 있다. 이 분해 생성물은, 겔 여과에 의해, 보다 저분자량의 프랙션에 용출되었다. 따라서, 분해된 리그닌 기준으로, 약 8.5 중량% 에 해당되는 메탄올, 약 7 중량% 에 해당되는 포름산을 얻을 수 있었다.
실시예 2
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 및 합성 포르피린으로서 분자 내에 카르복실기를 2 개 포함하는 프로토포르피린 IX (ALDRICH 사 제조), 분자 내에 카르복실기를 8 개 포함하는 우로포르피린 I (SIGMA 사 제조), 분자 내에 카르복실기를 4 개 포함하는 코프로포르피린 I (ALDRICH 사 제조) 의 각각 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 각 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 이렇게 하여 얻어진 반응액을 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석하였다. 상기 조작을 복수 회 반복한 결과, 프로토포르피린 IX, 우로포르피린 I, 및 코프로포르피린 I 의 각각의 경우에 있어서, 건조 리그닌 중량 기준으로, 실시예 1 의 경우와 거의 동등한 양의 메탄올 및 포름산이 얻어졌다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로, 약 6∼9 중량% 가 메탄올로, 약 2∼4 중량% 가 포름산으로 변환되어 있었다.
상기와 같이 하여 얻어진 각 반응액의 샘플을 HPLC (고속 액체 크로마토그래피) 로 겔 여과 칼럼을 사용하여 분석하였다. 대조로서 자외선 조사 전의 용액에 대해서도 분석하였다. 분석의 결과, 조사 전의 경우, 리그닌은, 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7-9 min 에서 용출되는 피크로서 검출되지만, 리그닌에 상기 각 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사하여 알코올 및 유기산류 (포름산 등) 로 변환시킨 반응액에서는, 프로토포르피린 IX 의 경우 약 60 % 로, 우로포르피린 I 의 경우 약 15 % 로, 코프로포르피린 I 의 경우 약 20 % 로 축소되었다. 즉, 리그닌에 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사함으로써, 프로토포르피린 IX 의 경우 약 40 %, 우로포르피린 I 의 경우 약 85 %, 코프로포르피린 I 의 경우 약 80 % 의 리그닌이 분해된 것을 알 수 있다. 이 분해 생성물은, 겔 여과에 의해, 보다 저분자량의 프랙션에 용출되었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 합성 포르피린을 사용한 경우에도, 리그닌의 분해에 대해 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌을 동일한 정도로 분해할 수 있다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 리그닌의 분해에 대해 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 3
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 1.8 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 및 시그마사 제조의 프로토포르피린 IV (카탈로그 No.258385-1G) : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 후, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 54 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로 3.0 중량% 의 메탄올을 얻을 수 있었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 알코올류를 분리 제조할 수 있는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 4
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 7.5 ㎎/㎖ 및 0.05M KOH 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 93 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로 1.24 중량% 의 메탄올을 얻을 수 있었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 메탄올을 동일한 정도로 제조할 수 있다는 것을 알았다.
실시예 5
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 7.5 ㎎/㎖ 및 0.05M KOH 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 24 시간 조사하였다. 그 후, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 150 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로 2 중량% 의 메탄올을 얻을 수 있었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 메탄올을 동일한 정도로 제조할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 6
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린 : 25 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 후, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 160 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로 6.4 중량% 의 메탄올을 얻을 수 있었다. 리그닌-알칼리 화합물 용액에, 추가로 광 촉매로서 포르피린을 첨가함으로써, 리그닌으로부터의 메탄올의 제조량이 비약적으로 촉진하는 것을 알았다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 메탄올을 동일한 정도로 제조할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 7
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 24 시간 조사하였다. 그 후, 80 ℃ 에서 60 분간 가열하고, 휘발된 가스를 시마즈 GC/MS QP-2010, 칼럼 DB-WAX 를 사용하여 분석한 결과, 21 ㎍/㎖ 의 메탄올이 측정되었다. 즉, 건조 리그닌 중량 기준으로 0.84 중량% 의 메탄올을 얻을 수 있었다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량으로서 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 메탄올을 동일한 정도로 제조할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 메탄올량에 대해 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 8
본 실시예에서는, 벤젠 고리에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소에 대해, 본 발명의 방향족 탄화수소 분해용 촉매를 사용하여 분해 처리하는 방법에 대해 설명한다.
벤젠 고리에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물인 레마졸 브릴리언트 블루 (RBBR ; SIGMA 사 제조) 를 사용하여 그 광 분해를 실시하였다. 이 RBBR 은 다이옥신류를 분해하는 지표로서 사용되는 유사 시약이다.
RBBR : 250 ㎍/㎖, 0.05M KOH, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린, 프로토포르피린 IX (ALDRICH 사 제조), 우로포르피린 I (SIGMA 사 제조), 및 코프로포르피린 I (ALDRICH 사 제조) 의 각각 25 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 (용매로서, 30 % 아세토니트릴, 0.1 % 트리플루오로아세트산, 60 % 메탄올을 사용하였다) 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 2 시간 조사하였다. 그 결과, 어느 포르피린 및 용매를 사용한 경우에도, RBBR 의 푸른 색조가 소실되어, RBBR 이 분해된 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일하게 RBBR 의 분해를 확인할 수 있었다.
실시예 9
본 실시예에서는, 벤젠 고리에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물인 자일렌시아놀 (다카라사 제조) 및 브로모 페놀 블루 (다카라사 제조) 를 사용하여 그 광 분해를 실시하였다.
자일렌시아놀 : 5 ㎎/㎖ 및 브로모 페놀 블루 : 5 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 그리고 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린, 프로토포르피린 IX (ALDRICH 사 제조), 우로포르피린 I (SIGMA 사 제조), 코프로포르피린 I (ALDRICH 사 제조) 및 에티오포르피린 (ALDRICH 사 제조) 의 각각 40 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 (용매로서, 30 % 아세토니트릴, 0.1 % 트리플루오로아세트산을 사용하였다) 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 2 시간 조사하였다. 그 결과, 어느 포르피린 및 용매를 사용한 경우에도, 자일렌시아놀 및 브로모 페놀 블루의 청색 그리고 황색의 색조가 소실되어, 자일렌시아놀 및 브로모 페놀 블루가 분해된 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일하게 자일렌시아놀 및 브로모 페놀 블루의 분해를 확인할 수 있었다.
실시예 10
본 실시예에서는, 본 발명의 리그닌 분해용 촉매를 사용하여, 리그닌으로부터 수소 이온을 유리시키는 방법에 있어서, 리그닌으로서, 환원당 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다.
이 리그닌 2.5 ㎎/㎖, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린 : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 결과, 리그닌 반응액의 pH 가 9.2 에서 6.4 로 강하되었다. 이렇게 하여, 리그닌으로부터 수소 이온이 유리된 것을 알았다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 수소 이온이 동일하게 유리하였다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 수소 이온을 동일한 정도로 유리할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 11
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 2.5 mM KOH, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린 : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 이 샘플을 HPLC (고속 액체 크로마토그래피) 로, 겔 여과 칼럼을 사용하여 분석하였다. 대조로서 자외선 조사 전의 용액에 대해서도 분석하였다. 분석의 결과, 조사 전의 경우에는, 파장 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7-9 min 에서 용출되는 피크로서 검출되지만, 리그닌에 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사한 경우에는, 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7-9 min 에서 용출되는 리그닌의 피크의 면적이 78 % 까지 축소되었다. 즉, 리그닌에 포르피린을 첨가하고, 자외광을 조사함으로써, 22 % 의 리그닌이 분해된 것을 알았다. 또, 리그닌 반응액의 pH 가 10.7 에서 6.2 로 강하되었다. 이렇게 하여, 리그닌으로부터 수소 이온이 유리된 것을 알았다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌을 동일한 정도로 분해함과 함께, 수소 이온을 동일한 정도로 유리할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 12
본 발명의 리그닌 분해용 촉매를 사용하여, 리그닌으로부터 수소 이온을 유리시키는 방법에 있어서, 리그닌으로서, 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000) 을 사용하였다.
상기 리그닌 5 ㎎/㎖ 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린 화합물 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 결과, 리그닌 반응액의 pH 가 6.2 에서 4.8 로 강하되었다. 이렇게 하여, 리그닌으로부터 수소 이온이 유리된 것을 알았다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000, 및 알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌으로부터 수소 이온을 동일한 정도로 유리할 수 있다는 것을 알았다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 13
리그닌 분해용 촉매를 사용하여, 리그닌으로부터 수소 이온을 유리시키는 방법에 있어서, 리그닌으로서, 환원당 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다.
상기 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 2.5 mM KOH, 및 포르피린 (시그마사 제조의 프로토포르피린 IV, 카탈로그 번호 258385-1G) : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 그 결과, 리그닌 반응액의 pH 가 10.7 에서 7.4 로 강하되었다. 이렇게 하여, 리그닌으로부터 수소 이온이 유리된 것을 알았다.
또, 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 14
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 : 2.5 ㎎/㎖, 0.05M KOH, 및 상기 제조예 1 에 따라 얻어진 포르피린 : 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 1 ㎖ 를, 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 12 시간 조사하였다. 얻어진 샘플을 HPLC 로 겔 여과 칼럼을 사용하여 분석하였다. 대조로서 자외선 조사 전의 용액에 대해서도 분석하였다. 분석의 결과, 조사 후의 샘플은, 조사 전의 샘플에 비해, 310 ㎚ 의 흡광에 있어서, 7 min 에서 용출되는 리그닌의 피크의 면적으로부터, 72 % 의 리그닌이 분해되어 있는 것을 알았다. 이 분해 생성물은, 겔 여과에 의해 보다 저분자량의 프랙션에 용출되었다. 본 발명에 있어서의 리그닌의 분해 생성물의 흡광도는 낮기 때문에, 310 ㎚ 의 흡광도에서는 묘출할 수 없었지만, 휘발성이 아닌 분해 생성물로서 용출 샘플을 동결 건조시킨 결과, 동일부에 일치하여 분해 생성물의 침전이 얻어졌다.
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 그리고 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 실시했는데, 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌-알칼리 화합물 용액에, 추가로 광 촉매로서의 포르피린을 첨가함으로써, 리그닌의 광 분해에 관하여 동일한 정도의 결과가 얻어졌다.
또, 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 동일한 결과가 얻어졌다.
실시예 15
리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471003, 분자량 60,000) 을 사용하였다. 이 리그닌 205 ㎎/㎖ 에 대해, 0.05M KOH, 및 합성 포르피린으로서 분자 내에 카르복실기를 4 개 포함하는 코프로포르피린 I (ALDRICH 사 제조) 50 ㎍/㎖ 를 함유하는 용액 0.5 ㎖ 를, 공기의 스페이스를 남기도록 하여 2 ㎖ 용량의 폴리프로필렌제 에펜도르프 튜브 정도의 광 투과성을 갖는 원통형 튜브에 넣고, 스펙트로닉스사 제조의 ENF 형 자외광 램프를 사용하여 자외광을 48 시간 조사하였다. 이렇게 하여 얻어진 반응액을 실시예 2 의 경우와 동일하게 처리하였다. 그 결과, 리그닌의 80 % 이상이 분해되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또, 공기의 스페이스에 대해 산소를 충전하고, 상기와 동일하게 하여 자외광을 조사한 결과, 동일하게, 리그닌의 80 % 이상이 분해되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한 공기의 스페이스에 대해 질소를 충전하고 상기와 동일하게 하여 자외광을 조사한 결과, 리그닌의 10 % 정도가 분해되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기에 있어서의 포르피린 함유 리그닌 용액을, 에펜도르프 튜브 내에 공기의 스페이스가 없는 양으로 충전하고, 상기와 동일하게 자외광을 조사한 결과, 리그닌의 분해는 대부분 확인되지 않았다.
또, 리그닌으로서, 환원당이나 셀룰로오스 등의 불순물을 포함하지 않는, 순도가 높은 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.471046, 분자량 12,000), 환원당을 함유하고 약간 순도가 낮은 제품 (시그마사 제조, 카탈로그 No.471038, 분자량 52,000), 및 물에 녹지 않는 제품 (알드리치사 제조, 카탈로그 No.370967) 을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 리그닌의 분해에 대해 동일한 정도의 결과가 얻어졌다. 즉, 사용하는 리그닌 중의 불순물의 존재나, 리그닌의 평균 분자량이나, 리그닌의 물에 대한 용해성에 관계없이, 리그닌을 동일한 정도로 분해할 수 있다.
또한 자외광 대신에 태양광을 사용하여 상기 프로세스를 반복한 결과, 리그닌의 분해에 대해 동일한 결과가 얻어졌다.
산업상 이용가능성
본 발명의 리그닌 분해용 촉매는, 백색 부후균 등의 효소가 아니고, 비단백질로 이루어지는 촉매이다. 이 촉매를 사용함으로써, 주로 광 에너지를 사용하여 리그닌을 분해하고, 목재의 20∼30 % 에 이르는 비유효 자원인 리그닌으로부터, 간편한 방법으로 메탄올 등의 알코올류나 포름산 등의 유기산류나 수소 이온을 유리할 수 있으므로, 자연계에서는 분해가 곤란한 리그닌의 이용 분야를 확대할 수 있다. 즉, 리그닌으로부터 취출된 알코올류는, 가솔린 등의 화석 연료의 대체 연료로서 연료 산업의 분야에서 이용할 수 있고, 유기산류는 각종 산업 분야에서 이용할 수 있고, 또, 리그닌으로부터 얻어진 수소 이온은 예를 들어 연료 전지에 이용할 수 있으므로, 전력 산업의 분야에서 이용할 수 있다.
또, 본 발명의 방향족 탄화수소 분해용 촉매는 벤젠 고리에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 분해하므로, 유해한 산업 폐기물의 처리나, 이미 오염된 토양이나 지표의 정화를 가능하게 한다. 따라서, 산업 폐기물 처리 분야나, 토양 등의 정화 분야에서 이용할 수 있다.

Claims (42)

  1. 광 조사에 의해 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  2. 알칼리 용액 중에서 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  3. 광 조사에 의해 알칼리 용액 중에서 촉매 기능을 발현하는 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 포르피린 고리에 메틸기 및 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 포르피린 고리에 4 개의 메틸기, 4 개의 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 분자 중에 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  7. 제 6 항에 있어서,
    포르피린이 분자 중에 합계 2 개, 4 개 또는 8 개의 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  8. 제 6 항에 있어서,
    포르피린이 우로포르피린, 프로토포르피린 및 코프로포르피린에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 대장균을 배지에서 배양하고, 그 배지로부터 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이 촉매가 대장균을 배지에서 배양하여 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물 함유 배지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    대장균이 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대장균이 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
  13. 리그닌에 알칼리 화합물을 포함하는 용액을 첨가하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해 광 조사한 후에, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    광 조사가 자외선 또는 태양광에 의한 조사인 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 추가로 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에, 추가로 광 조사하고, 이 리그닌-알칼리 화합물 용액으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리하는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    광 조사가 자외선 또는 태양광에 의한 조사인 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    알칼리 화합물이 KOH 및 NaOH 중 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  20. 리그닌에 대해 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  21. 리그닌에 대해 광 조사하고, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  22. 리그닌에 대해 광 조사하고, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 있어서, 리그닌에 대해 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 리그닌 분해용 촉매를 작용시킨 후에 광 조사하고, 리그닌으로부터 알코올류 및 유기산류를 분리시키는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    광 조사가 자외선 또는 태양광에 의한 조사인 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  24. 제 13 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    알코올류가 메탄올이고, 유기산류가 포름산, 아세트산, 말산, 숙신산 및 피루브산인 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  25. 제 13 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    알코올류의 분리를 증류에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 알코올류 및 유기산류의 제조 방법.
  26. 제 13 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 기재된 알코올류 및 유기산류의 제조 방법에 따라 알코올류 및 유기산류를 분리할 때에 발생하는 리그닌 분해 생성물을 회수하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 생성물의 제조 방법.
  27. 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  28. 제 27 항에 있어서,
    포르피린이 대장균을 배지에서 배양하고, 그 배지로부터 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  29. 제 27 항에 있어서,
    이 촉매가 대장균을 배지에서 배양하여 얻어진 포르피린 고리 구조를 갖는 테트라피롤 화합물 함유 배지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    대장균이 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  31. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대장균이 유전자 ypjD(b2611) 의 트랜스포존 삽입 변이주인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  32. 제 27 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 포르피린 고리에 메틸기 및 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  33. 제 27 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    포르피린이 포르피린 고리에 4 개의 메틸기, 4 개의 에틸에스테르 또는 아세트산기 (프로피온산기) 를 포함하는 테트라피롤 화합물인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  34. 제 27 항에 있어서,
    포르피린이 우로포르피린, 프로토포르피린, 코프로포르피린 및 에티오포르피린에서 선택된 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  35. 제 27 항에 있어서,
    포르피린이 분자 중에 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  36. 제 35 항에 있어서,
    포르피린이 분자 중에 합계 2 개, 4 개 또는 8 개의 카르복실기를 갖는 포르피린인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  37. 제 27 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    방향족 탄화수소가 다이옥신류인 것을 특징으로 하는 방향족 탄화수소 분해용 촉매.
  38. 리그닌 또는 리그닌-알칼리 화합물 용액에 대해, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 리그닌 분해용 촉매를 작용시키고, 이 용액에 대해 광 조사하고, 수소 이온을 유리시키는 것을 특징으로 하는 수소 이온의 유리 방법.
  39. 리그닌을 알코올류 및 유기산류로 변환하는 촉매 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 포르피린.
  40. 벤젠 고리를 형성하는 탄소에 산소 원자가 결합된 방향족 탄화수소를 포함하는 화합물을 분해하는 촉매 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 포르피린.
  41. 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균을 배양하여 얻어진 포르피린.
  42. 유전자 ypjD(b2611) 가 변이에 의해 발현할 수 없게 된 대장균을 배양하여 얻어진 포르피린을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해용 촉매.
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