KR20210143996A - Biodegradable materials based on defatted Chlorella biomass and its preparing method - Google Patents

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KR20210143996A KR1020200060673A KR20200060673A KR20210143996A KR 20210143996 A KR20210143996 A KR 20210143996A KR 1020200060673 A KR1020200060673 A KR 1020200060673A KR 20200060673 A KR20200060673 A KR 20200060673A KR 20210143996 A KR20210143996 A KR 20210143996A
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Abstract

The present invention relates to a biodegradable material based on chitosan and defatted chlorella biomass (DCB) and a method for preparing the same. Particularly, the present invention relates to use of DCB as an additive of a chitosan-based formulation for the purpose of reducing the cost required for materials and for improving the performance of the resultant composite material at the same time. According to the present invention, the biodegradable material can be applied widely to the field of bioplastics, including biodegradable and edible food packaging films, which have improved properties, such as heat stability, tensile strength, water steam permeability, water content and expandability, light transmission and opacity. In addition, polyurethane/DCB composite materials having improved properties, such as tensile strength, elongation at break, antioxidation degree and water absorptivity, can be produced and applied widely not only to the existing application field of polyurethane but also to the field of medical and food packaging films requiring antioxidative property.

Description

탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 생분해성 재료 및 그 제조방법{Biodegradable materials based on defatted Chlorella biomass and its preparing method}Biodegradable materials based on defatted Chlorella biomass and its preparing method

본 발명은 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 생분해성 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a delipidated chlorella biomass-based biodegradable material and a method for manufacturing the same.

최근, 재생 가능한 천연자원으로부터 생분해성 재료의 개발이 화석 연료의 소비를 완화시키는 동시에 비분해성 플라스틱 기반 재료의 폐기물 처리에 의해 야기되는 부정적인 환경 영향을 감소시키는 실용적인 해결책이 연구되어 왔다. 특히 다양한 다당류 중에서, 키틴의 탈아세틸화로부터 수득된 키토산은 우수한 필름 형성 능력, 생분해성, 생체적합성 및 낮은 독성으로 인해 필름 형성 재료로서 특히 관심을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 키토산 기반의 필름은 친수성이 매우 높기 때문에 부서지기 쉽고 수분 장벽이 좋지 않아 수분 전달 제어가 필요한 식품 포장 응용 제품의 사용이 제한될 수 있다. 이와 관련하여 지방산과 왁스를 포함한 지질이 키토산과 결합되어 수분 이동에 대한 저항성을 제공하였다. 그러나 지질을 키토산 기반의 필름에 포함 시키면 3차원 네트워크가 약해지고 기계적 성질에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 선택된 바이오 폴리머로부터 블렌드 또는 다층 필름을 생산하는 개념은 하나의 성분으로 만들어진 필름과 비교하여 개선된 특성을 갖는 새로운 지속 가능한 포장 재료를 생성하는 유망한 전략으로 떠오르고 있다. 이러한 맥락에서, Lan 등은 키토산, 카르복시메틸셀룰로오스 및 알긴산 나트륨이 3 : 1 : 3의 비율로 혼합된 복합 필름의 기계적 특성 및 친수성 특성의 감소를 보고하였다 (Lan, W., He, L., & Liu, Y. (2018). Preparation and properties of sodium carboxymethyl cellulose/sodium alginate/chitosan composite film. Coatings, 8(8), 291). 그러나 복합 또는 다층 하이드로 콜로이드계 필름은 고가의 바이오 폴리머로 인해 실제 사용이 다소 제한적이다. 최근에는 친환경 기술의 발전을 통해 농업 부산물 및 폐기물로부터 새로운 바이오 물질의 개발이 주요 과제로 대두되고 있다. 이러한 맥락에서, Crizel 등은 올리브 잔류물 분말을 키토산 매트릭스에 포함 시키면 필름의 인장강도가 크게 향상되고 항산화 능력이 증가한다고 보고하였다 (de Moraes Crizel, T., de Oliveira Rios, A., D. Alves, V., Bandarra, N., Mold

Figure pat00001
o-Martins, M., & Hickmann Fl
Figure pat00002
res, S. (2018). Active food packaging prepared with chitosan and olive pomace. Food Hydrocolloids, 74, 139-150).Recently, a practical solution has been studied for the development of biodegradable materials from renewable natural resources to mitigate the consumption of fossil fuels while reducing the negative environmental impact caused by the waste treatment of non-degradable plastic-based materials. Especially among various polysaccharides, chitosan obtained from deacetylation of chitin is of particular interest as a film-forming material due to its excellent film-forming ability, biodegradability, biocompatibility and low toxicity. Nevertheless, chitosan-based films are very hydrophilic, making them brittle and poor moisture barrier, which may limit their use in food packaging applications where moisture transfer control is required. In this regard, lipids including fatty acids and waxes were combined with chitosan to provide resistance to water movement. However, incorporation of lipids into chitosan-based films could weaken the three-dimensional network and negatively affect its mechanical properties. Thus, the concept of producing blends or multilayer films from selected biopolymers is emerging as a promising strategy to create new sustainable packaging materials with improved properties compared to films made from one component. In this context, Lan et al. reported a decrease in mechanical properties and hydrophilic properties of composite films in which chitosan, carboxymethylcellulose and sodium alginate were mixed in a ratio of 3: 1: 3 (Lan, W., He, L., & Liu, Y. (2018). Preparation and properties of sodium carboxymethyl cellulose/sodium alginate/chitosan composite film. Coatings, 8(8), 291). However, the practical use of composite or multi-layered hydrocolloid-based films is somewhat limited due to expensive biopolymers. Recently, development of new biomaterials from agricultural by-products and wastes is emerging as a major task through the development of eco-friendly technologies. In this context, Crizel et al. reported that the incorporation of olive residue powder into the chitosan matrix significantly improved the tensile strength of the film and increased its antioxidant capacity (de Moraes Crizel, T., de Oliveira Rios, A., D. Alves). , V., Bandarra, N., Mold
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o-Martins, M., & Hickmann Fl
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res, S. (2018). Active food packaging prepared with chitosan and olive pomace. Food Hydrocolloids, 74, 139-150).

클로렐라 (Chlorophyta, Trebouxiophyceae)는 전 세계적으로 상업적 규모의 재배를 수행하는 70개 이상의 회사에서 가장 광범위하게 연구된 미세 조류 중 하나이며 클로렐라 바이오매스의 연간 생산량은 2,000톤 이상으로 추정된다. 클로렐라 바이오매스는 주로 식이 보조제, 에탄올 생산을 위한 공급 원료 등 다양한 용도로 사용되었지만 소수의 연구만이 바이오 플라스틱 및 열가소성 혼합물의 개발에 사용되는 것으로 보고하였다 (Zeller, M. A., Hunt, R., Jones, A., & Sharma, S. (2013). Bioplastics and their thermoplastic blends from Spirulina and Chlorella microalgae. Journal of Applied Polymer Science, 130(5), 3263-3275). 또한, 대부분은 식품 포장 분야의 종래의 복합재에 대한 첨가제로서 탈지질 잔류 조류 바이오매스를 이용하는 것이 아니라 조류 바이오매스 전체를 이용하는 것에 초점을 맞추었다 (Otsuki, J., Zhang, F., Kabeya, H., & Hirotsu, T. (2004). Synthesis and Tensile Properties of a Novel Composite of Chlorella and Polyethylene. Journal of Applied Polymer Science, 92(2), 812-816). 그러나 조류 바이오 디젤 생산 과정에서 탄수화물과 단백질이 풍부한 다량의 탈지질 조류 바이오매스가 생성되며 (Yun, J.-H., Cho, D.-H., Lee, B., Lee, Y. J., Choi, D.-Y., Kim, H.-S., & Chang, Y. K. (2020). Utilization of the acid hydrolysate of defatted Chlorella biomass as a sole fermentation substrate for the production of biosurfactant from Bacillus subtilis C9. Algal Research, 47, 101868), 이는 바이오 플라스틱 생산을 위한 공급 원료 역할을 할 수 있다. Chlorella (Chlorophyta, Trebouxiophyceae) is one of the most extensively studied microalgae, with over 70 companies carrying out commercial-scale cultivation worldwide, with annual production of chlorella biomass estimated at over 2,000 tonnes. Chlorella biomass has been used for a variety of applications, mainly as a dietary supplement, as a feedstock for ethanol production, but only a few studies have reported its use in the development of bioplastics and thermoplastic mixtures (Zeller, MA, Hunt, R., Jones, A., & Sharma, S. (2013). Bioplastics and their thermoplastic blends from Spirulina and Chlorella microalgae. Journal of Applied Polymer Science, 130(5), 3263-3275). In addition, most have focused on using whole algal biomass rather than using delipidated residual algal biomass as an additive to conventional composites in the food packaging field (Otsuki, J., Zhang, F., Kabeya, H). ., & Hirotsu, T. (2004). Synthesis and Tensile Properties of a Novel Composite of Chlorella and Polyethylene. Journal of Applied Polymer Science, 92(2), 812-816). However, in the process of algal biodiesel production, large amounts of delipidated algal biomass rich in carbohydrates and proteins are produced (Yun, J.-H., Cho, D.-H., Lee, B., Lee, YJ, Choi, D.-Y., Kim, H.-S., & Chang, YK (2020).Utilization of the acid hydrolysate of defatted Chlorella biomass as a sole fermentation substrate for the production of biosurfactant from Bacillus subtilis C9. Algal Research, 47 , 101868), which can serve as feedstocks for bioplastics production.

폴리우레탄 (PU)은 일반적으로 2개 이상의 NCO기를 함유하는 이소시아네이트(isocyanate)를 2개 이상의 히드록실기로 구성된 폴리올과 반응시켜 합성되는 고분자 물질이다. PU는 좋은 유연성 및 우수한 내구성을 가지나 낮은 강성과 약한 강도는 많은 산업 분야에서의 적용을 제한 할 수 있다. PU의 기계적 특성을 향상시키고 지속 가능성, 낮은 비용, 생분해를 촉진하기 위해 많은 연구자들이 PU와 천연 바이오필러의 통합에 관심을 가져왔다. Rozman 등 (H.D. Rozman, Y.S. Yeo, G.S. Tay, A. Abubakar, The mechanical and physical properties of polyurethane composites based on rice husk and polyethylene glycol, Polym. Test. 22 (2003) 617-623)은 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)을 폴리올로 사용하고 디 페닐 메탄 디이소시아네이트를 커플링제로 사용하여 PU/왕겨 복합 필름을 개발하고, 생성된 복합체의 인장 강도를 증가시켰다. 그러나 땅콩 껍질 및 소나무 수피를 바이오필러로 첨가한 경우, PU 계 필름의 압축 강도는 급격히 감소하였다 (Q. Zhang, X. Lin, W. Chen, H. Zhang, D. Han, Modification of rigid polyurethane foams with the addition of nano-SiO2 or lignocellulosic biomass, Polymers 12 (2020) 107).Polyurethane (PU) is a polymer material that is generally synthesized by reacting an isocyanate containing two or more NCO groups with a polyol consisting of two or more hydroxyl groups. PU has good flexibility and good durability, but its low rigidity and weak strength may limit its application in many industrial fields. In order to improve the mechanical properties of PU and promote sustainability, low cost, and biodegradation, many researchers have been interested in the integration of PU with natural biofillers. (HD Rozman, YS Yeo, GS Tay, A. Abubakar, The mechanical and physical properties of polyurethane composites based on rice husk and polyethylene glycol, Polym. Test. 22 (2003) 617-623) is polyethylene glycol (PEG) was used as a polyol and diphenyl methane diisocyanate as a coupling agent to develop a PU/rice hull composite film, and to increase the tensile strength of the resulting composite. However, when peanut shells and pine bark were added as biofillers, the compressive strength of PU-based films was drastically reduced (Q. Zhang, X. Lin, W. Chen, H. Zhang, D. Han, Modification of rigid polyurethane foams). with the addition of nano-SiO2 or lignocellulosic biomass, Polymers 12 (2020) 107).

따라서 본 발명에서는 재료 비용을 감소시키고 동시에 생성된 복합 물질의 성능을 향상시키기 위한 목적으로 탈지질 클로렐라 바이오매스 (defatted Chlorella biomass, DCB)를 고분자 수지의 첨가제로서 이용하였다. 이를 위해, 제조된 키토산/DCB (Cs/DCB) 복합 물질의 물리적 및 기능적 특성에 대한 열처리 및 DCB 함량의 영향을 조사하였다. 또한 PEG 기반 PU에 DCB를 첨가하여 PU/DCB 복합 재료를 합성하고 물리적 및 기능적 특성을 조사하여 본 발명을 완성하였다.Therefore, in the present invention, defatted Chlorella biomass (DCB) was used as an additive to the polymer resin for the purpose of reducing the material cost and improving the performance of the composite material produced at the same time. To this end, the effect of heat treatment and DCB content on the physical and functional properties of the prepared chitosan/DCB (Cs/DCB) composite material was investigated. In addition, the present invention was completed by synthesizing a PU/DCB composite material by adding DCB to PEG-based PU and examining the physical and functional properties.

대한민국 등록특허 제10-0466480호Republic of Korea Patent Registration No. 10-0466480 대한민국 공개특허 제10-2019-0136975호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0136975

Lan, W., He, L., & Liu, Y. (2018). Preparation and properties of sodium carboxymethyl cellulose/sodium alginate/chitosan composite film. Coatings, 8(8), 291Lan, W., He, L., & Liu, Y. (2018). Preparation and properties of sodium carboxymethyl cellulose/sodium alginate/chitosan composite film. Coatings, 8(8), 291 Otsuki, J., Zhang, F., Kabeya, H., & Hirotsu, T. (2004). Synthesis and Tensile Properties of a Novel Composite of Chlorella and Polyethylene. Journal of Applied Polymer Science, 92(2), 812-816Otsuki, J., Zhang, F., Kabeya, H., & Hirotsu, T. (2004). Synthesis and Tensile Properties of a Novel Composite of Chlorella and Polyethylene. Journal of Applied Polymer Science, 92(2), 812-816 H.D. Rozman, Y.S. Yeo, G.S. Tay, A. Abubakar, The mechanical and physical properties of polyurethane composites based on rice husk and polyethylene glycol, Polym. Test. 22 (2003) 617-623H.D. Rozman, Y.S. Yeo, G.S. Tay, A. Abubakar, The mechanical and physical properties of polyurethane composites based on rice husk and polyethylene glycol, Polym. Test. 22 (2003) 617-623

따라서, 본 발명의 목적은 열안정성, 인장강도, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도, 광 투과율 및 불투명도 등의 물성이 향상된 생분해성, 식용 식품 포장용 필름을 비롯한 바이오 플라스틱 분야에 광범위하게 응용할 수 있는 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 생분해성 재료 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다. 또한 인장강도, 파단시 신율, 항산화도, 수분 흡수율 등의 물성이 향상된 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.Therefore, an object of the present invention is a biodegradable, edible food packaging film with improved physical properties such as thermal stability, tensile strength, water vapor permeability, moisture content and expansion, light transmittance and opacity, which can be widely applied in the field of bioplastics. To provide a biodegradable material based on lipid chlorella biomass and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a delipidated chlorella biomass composite material with improved physical properties such as tensile strength, elongation at break, antioxidant, and water absorption, and a method for manufacturing the same.

이상에서의 본 발명에서 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이에 한정하는 것이 아니라, 후술할 실시예 및 청구범위에 기재된 사항을 통하여 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 분명하게 이해될 수 있을 것이다.Various problems to be solved in the present invention in the above are not limited thereto, but can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains through the examples and claims to be described later. will be.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 키토산에 탈지질 미세조류 바이오매스를 필러로 첨가하여 필름 등 생분해성 바이오 플라스틱을 경제적으로 제조하는 방법 및 이들의 향상된 물성을 제공하는 것으로, 키토산 질량 대비 선택된 양의 DCB (5, 10, 15, 20, 25, 30 및 35 wt%)를 1% 아세트산에 분산시킨 후 실온에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 완전히 분산시킨 후, 2%(w/v)의 키토산을 각 DCB 분산액에 첨가하고, 생성된 혼합물을 실온에서 24시간 동안 연속적으로 교반하였다. 이어서, 가소제로서 글리세롤을 키토산의 20 wt%의 일정한 농도로 필름 형성 용액에 첨가하였다. 각각의 필름-형성 용액을 90 mm 내부 직경의 페트리 디쉬에 붓고, 40 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 평균 두께 100 ± 7 μm의 필름을 형성하였다. 이어서, 생성된 필름을 100 ℃에서 2시간 동안 열처리 하였다. 이어서, 처리된 필름을 48시간 동안 25 ℃ 및 50% 상대 습도의 챔버에서 컨디셔닝하여 제조되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for economically manufacturing biodegradable bioplastics such as films by adding delipidated microalgal biomass to chitosan as a filler and improved physical properties thereof, in an amount selected relative to the mass of chitosan of DCB (5, 10, 15, 20, 25, 30 and 35 wt%) was dispersed in 1% acetic acid and then sonicated at room temperature for 30 min. After complete dispersion, 2% (w/v) chitosan was added to each DCB dispersion, and the resulting mixture was stirred continuously at room temperature for 24 hours. Glycerol as a plasticizer was then added to the film forming solution at a constant concentration of 20 wt % of chitosan. Each film-forming solution was poured into a 90 mm inner diameter Petri dish and dried at 40° C. for 24 hours to form a film with an average thickness of 100±7 μm. Then, the resulting film was heat-treated at 100 °C for 2 hours. The treated film is then prepared by conditioning in a chamber at 25° C. and 50% relative humidity for 48 hours.

전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 키토산에 바이오디젤 생산 폐기물인 탈지질 클로렐라 미세조류 바이오매스를 필러로 첨가하여 열안정성을 향상시키고, 인장강도를 19.6에서 67.4 MPa로 증가시키며, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도를 감소시키고, 광 투과율 및 불투명도를 감소시켜 식품 광산화를 억제하는 물질로 사용가능하다. 또한 생성된 Cs/DCB 복합체는 토양에 60일 동안 매립 후 50% 이상 빠르게 생분해될 수 있다. According to the present invention as described above, by adding delipidated chlorella microalgal biomass, which is biodiesel production waste, to chitosan as a filler, thermal stability is improved, tensile strength is increased from 19.6 to 67.4 MPa, water vapor permeability, water content and reducing swelling and reducing light transmittance and opacity to inhibit food photooxidation. In addition, the resulting Cs/DCB complex can be biodegraded faster than 50% after being buried in soil for 60 days.

따라서, 열안정성, 인장강도, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도, 광 투과율 및 불투명도 파단시 신율, 항산화도, 수분흡수율 등의 물성이 향상된 DCB이용 복합재료를 제조하여 건설, 자동차, 코팅, 실란트, 접착제, 폼, 컴포지트 등 기존의 폴리우레탄 활용 분야는 물론 항산화성이 필요한 의료용, 식품 포장용 필름 등의 분야에 광범위하게 응용될 수 있다.Therefore, by manufacturing a composite material using DCB with improved physical properties such as thermal stability, tensile strength, water vapor permeability, water content and expansion, light transmittance and opacity, elongation at break, antioxidant, and water absorption, construction, automobile, coating, sealant, It can be widely applied not only to the existing polyurethane application fields such as adhesives, foams, and composites, but also to medical and food packaging films that require antioxidant properties.

이상에서의 본 발명에 따른 효과는 상기에 한정되는 것은 아니며, 기타 본 발명의 효과들은 후술할 실시예 및 청구범위에 기재된 사항을 통하여 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 분명하게 이해될 수 있을 것이다.The effects according to the present invention in the above are not limited to the above, and other effects of the present invention can be clearly identified by those of ordinary skill in the art through the examples and claims to be described later. can be understood

도 1은 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 생분해성 필름 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 복합 필름과 DCB, 키토산 (대조군) 의 TGA, DTG 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 복합 필름의 인장강도 대 변형, 인장강도 및 파단시 신율을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 복합 필름의 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽윤도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 복합 필름의 파장에 따른 광 투과율 및 불투명도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 키토산 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 복합 필름의 토양과 접촉하기 전후의 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 PEG 기반 폴리우레탄 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료의 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 PEG 기반 폴리우레탄 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료의 인장강도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 PEG 기반 폴리우레탄 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료의 파단시 신율을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 PEG 기반 폴리우레탄 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료의 DPPH 라디칼 소거 활성을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 PEG 기반 폴리우레탄 및 탈지질 클로렐라 바이오매스 복합재료의 수분 흡수 백분율을 나타낸 것이다.
1 shows a biodegradable film manufacturing process based on chitosan and delipidated chlorella biomass of the present invention.
Figure 2 shows the TGA and DTG curves of the chitosan and delipidated chlorella biomass-based composite film of the present invention, DCB, and chitosan (control).
Figure 3 shows the tensile strength versus deformation, tensile strength and elongation at break of the chitosan and delipidated chlorella biomass-based composite film of the present invention.
Figure 4 shows the water vapor permeability, water content and swelling degree of the chitosan and delipidated chlorella biomass-based composite film of the present invention.
5 shows the light transmittance and opacity according to the wavelength of the chitosan and delipidated chlorella biomass-based composite film of the present invention.
Figure 6 shows the images before and after contact with the soil of the chitosan and delipidated chlorella biomass-based composite film of the present invention.
7 shows the manufacturing process of the PEG-based polyurethane and the delipidated Chlorella biomass composite of the present invention.
Figure 8 shows the tensile strength of the PEG-based polyurethane and the delipidated chlorella biomass composite of the present invention.
9 shows the elongation at break of the PEG-based polyurethane and the delipidated chlorella biomass composite of the present invention.
10 shows the DPPH radical scavenging activity of the PEG-based polyurethane and the delipidated Chlorella biomass composite of the present invention.
11 shows the water absorption percentage of the PEG-based polyurethane and the delipidated Chlorella biomass composite of the present invention.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 탈지질 클로렐라 바이오매스 기반 생분해성 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a delipidated chlorella biomass-based biodegradable material and a method for manufacturing the same.

본 발명에 따르면 고분자 수지 및 탈지질 미세조류 바이오매스를 포함하는, 생분해성 복합체를 제공한다.According to the present invention, there is provided a biodegradable complex comprising a polymer resin and delipidated microalgal biomass.

클로렐라(chlorella)는 녹조류 클로렐라과 클로렐라속에 있는 미세조류를 총칭하는 것으로서, 전 세계적으로 상업적 규모의 재배를 수행하는 70개 이상의 회사에서 가장 클로렐라 바이오매스의 용도로 광범위하게 연구된 미세 조류 중 하나이다. 클로렐라 바이오매스의 연간 생산량은 2,000톤 이상으로 추정된다. 클로렐라 바이오매스는 주로 식이 보조제, 에탄올 생산을 위한 공급 원료 등 다양한 용도로 사용된다. 본 발명에서는 바이오 플라스틱 및 열가소성 복합물질을 생성하는데 사용하였다. 본 발명에 따르면 클로렐라를 이용한 것으로 설명되나, 미세조류로서 바이오매스에 사용될 수 있는 클로렐라(Chlorella) 또는 스피루리나(Spirulina)를 이용할 수 있다.Chlorella is a generic term for microalgae in the genus Chlorella and the green alga Chlorella, and it is one of the most extensively studied microalgae for the use of chlorella biomass by more than 70 companies that carry out commercial-scale cultivation worldwide. Annual production of chlorella biomass is estimated to be over 2,000 tonnes. Chlorella biomass is mainly used as a dietary supplement and as a feedstock for the production of ethanol. In the present invention, it was used to produce bioplastics and thermoplastic composites. According to the present invention, it is described as using chlorella, but Chlorella or Spirulina that can be used in biomass as microalgae can be used.

본 발명에 따르면, 재료 비용을 감소시키고 동시에 생성된 복합 물질의 성능을 향상시키기 위한 목적으로 탈지질 클로렐라 바이오매스 (defatted Chlorella biomass, DCB)를 고분자 수지의 첨가제로서 이용하였다. 이를 위해, 키토산 계 제제 및 PEG 기반 폴리우레탄의 첨가제로서 탈지질 클로렐라 바이오매스를 이용하여 제조된 키토산/DCB (Cs/DCB) 및 PEG 기반 폴리우레탄/DCB (PU-PEG/DCB) 복합 물질의 물리적 및 기능적 특성에 대한 열처리 및 DCB 함량의 영향을 확인하였다.According to the present invention, defatted Chlorella biomass (DCB) was used as an additive to the polymer resin for the purpose of reducing the material cost and improving the performance of the composite material produced at the same time. To this end, chitosan/DCB (Cs/DCB) and PEG-based polyurethane/DCB (PU-PEG/DCB) composite materials prepared using delipidated chlorella biomass as an additive of chitosan-based formulations and PEG-based polyurethanes. and the effect of heat treatment and DCB content on functional properties.

본 발명에서 고분자 수지 기재는 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephtalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketon, PEEK), 사이클릭 올레핀 중합체(cyclic olefin polymer, COP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 및 트리아세틸셀룰로오스(triacetylcellulose, TAC), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합성 고분자를 이용할 수 있다.In the present invention, the polymer resin substrate is polyimide (PI), polyimideamide (polyimideamide), polyetherimide (PEI), polyethyleneterephtalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), poly Etheretherketone (polyetheretherketone, PEEK), cyclic olefin polymer (COP), polyacrylate (PAC), polymethylmethacrylate (PMMA), and triacetylcellulose (TAC) One or more synthetic polymers selected from the group consisting of , polyurethane (PU) may be used.

또한, 히알루론산, 키토산, 셀룰로오스, 콘드로이틴 설페이트, 헤파린, 알긴산, 젤라틴, 콜라겐, 덱스트란 및 더마탄 설페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 천연 고분자를 이용할 수 있다.In addition, at least one natural polymer selected from the group consisting of hyaluronic acid, chitosan, cellulose, chondroitin sulfate, heparin, alginic acid, gelatin, collagen, dextran, and dermatan sulfate may be used.

본 발명에서 바람직하게는 친수성 고분자로서 (메타)아크릴레이트 계 또는 (메타)아크릴아미드 계 또는 폴리우레탄 계 제제 또는 키토산, 셀룰로오스, 알긴산 또는 덱스트란을 이용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리우레탄 또는 키토산을 이용할 수 있다.In the present invention, preferably, a (meth)acrylate-based or (meth)acrylamide-based or polyurethane-based agent or chitosan, cellulose, alginic acid or dextran may be used as the hydrophilic polymer, and more preferably, polyurethane or chitosan may be used. Available.

본 발명에서 가소제는 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate), 솔비톨(sorbitol) 중에서 선택되는 1종 이상이 가소제를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 글리세롤(glycerol) 또는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol)를 이용할 수 있다.In the present invention, one or more plasticizers selected from glycerol, polyethylene glycol, triethyl citrate, and sorbitol may be used as the plasticizer. More preferably, glycerol or polyethylene glycol may be used.

본 발명에서 고분자 수지 대비 탈지질 미세조류 바이오매스는 10 내지 70 중량%로 이용될 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 70 중량%이고, 더욱 바람직하게는 50 중량%일 수 있다.In the present invention, the amount of delipidated microalgal biomass compared to the polymer resin may be used in an amount of 10 to 70% by weight, preferably 30 to 70% by weight, and more preferably 50% by weight.

구체적으로 본 발명에 따른 생분해성 복합체는 도 1에 기술된 방법에 따라 제조될 수 있다. 키토산 중량 대비 선택된 양의 DCB (5, 10, 15, 20, 25, 30 및 35 wt%)를 1% 아세트산에 분산시킨 후 실온에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 완전히 분산시킨 후, 2%(w/v)의 키토산을 각 DCB 분산액에 첨가하고, 생성된 혼합물을 실온에서 24시간 동안 연속적으로 교반하여 제조할 수 있다. 여기에 가소제로서 글리세롤을 키토산의 20 wt%의 일정한 농도로 첨가할 수 있다.Specifically, the biodegradable complex according to the present invention may be prepared according to the method described in FIG. 1 . A selected amount of DCB relative to the weight of chitosan (5, 10, 15, 20, 25, 30 and 35 wt %) was dispersed in 1% acetic acid and then sonicated at room temperature for 30 minutes. After complete dispersion, 2% (w/v) of chitosan can be added to each DCB dispersion, and the resulting mixture can be prepared by continuously stirring at room temperature for 24 hours. Here, as a plasticizer, glycerol may be added at a constant concentration of 20 wt% of chitosan.

본 발명에서 생분해성 복합체 소재를 이용하여 생분해성 필름을 제조할 수 있다. 구체적으로 제조된 생분해성 복합체를 90 mm 내부 직경의 페트리 디쉬에 붓고, 40 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 평균 두께 100 ± 7 μm의 필름을 제조될 수 있다. 여기서 생성된 필름을 100 ℃에서 2시간 동안 열처리 하고, 처리된 필름을 48시간 동안 25 ℃ 및 50% 상대 습도의 챔버에서 컨디셔닝될 수 있다.In the present invention, a biodegradable film can be prepared using the biodegradable composite material. Specifically, the prepared biodegradable composite is poured into a Petri dish having an inner diameter of 90 mm, and dried at 40° C. for 24 hours to prepare a film having an average thickness of 100 ± 7 μm. The resulting film may be heat treated at 100° C. for 2 hours, and the treated film may be conditioned in a chamber at 25° C. and 50% relative humidity for 48 hours.

폴리우레탄/탈지질 클로렐라 바이오매스(PU-DCB) 복합체 소재는 도 7에 기술된 방법에 따라 제조될 수 있다. A polyurethane/delipidated chlorella biomass (PU-DCB) composite material can be prepared according to the method described in FIG. 7 .

복합재료 제조를 위해, DCB를 먼저 60 ℃ 오븐에서 6 시간 동안 진공 건조시켰다. 이어서, DCB를 분쇄하고 10 mL DMSO에 첨가 하였다. 그 후, DCB-DMSO 혼합물을 30 분 동안 프로브 초음파 처리 (진폭 : 50 %, 펄스 : 50 초 / 10 초)하였다. 생성된 DCB-DMSO 용액을 PU 합성에 사용하였다. For composite preparation, DCB was first vacuum dried in an oven at 60° C. for 6 hours. Then, the DCB was triturated and added to 10 mL DMSO. Then, the DCB-DMSO mixture was probe sonicated (amplitude: 50%, pulse: 50 sec/10 sec) for 30 min. The resulting DCB-DMSO solution was used for PU synthesis.

PEG 200 (2 g)을 비이커에서 1 % (v/w) 디부틸틴 디라우레이트(dibutyltin dilaurate)과 5 분 동안 실온에서 혼합하였다. 이어서, 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate. HMDI)를 용액에 적가하고 5 분 동안 완전히 혼합하였다. 여기서 이소시아네이트/하이드록실 (NCO/OH) 비는 2 : 1로 유지시키는 것이 바람직하다.PEG 200 (2 g) was mixed with 1% (v/w) dibutyltin dilaurate in a beaker for 5 minutes at room temperature. Then, hexamethylene diisocyanate (HMDI) was added dropwise to the solution and thoroughly mixed for 5 minutes. Here, it is preferable to keep the isocyanate/hydroxyl (NCO/OH) ratio at 2:1.

상이한 함량의 DCB (PEG 200 질량의 10, 30, 50 및 70 Wt%)를 적가하고 실온에서 30 분 동안 혼합시킨다. 이어서, 유리판에 캐스트하기 전에 DMSO를 첨가하여 생성된 용액을 추가로 희석하고 기포 포획을 위해 50 ℃에서 5 내지 8 분 동안 진공 건조시켜 제조할 수 있다. Different amounts of DCB (10, 30, 50 and 70 Wt% of PEG 200 mass) are added dropwise and mixed at room temperature for 30 minutes. It can then be prepared by further diluting the resulting solution by adding DMSO before casting to a glass plate and vacuum drying at 50° C. for 5 to 8 minutes for bubble entrapment.

이후, 진공 하에서 샘플 변형을 피하기 위해 공기를 주입하였다. 마지막으로, 샘플을 80 ℃에서 24 시간 동안 경화시킴으로서 필름을 제조할 수 있다.Then, air was injected under vacuum to avoid sample deformation. Finally, the film can be prepared by curing the sample at 80° C. for 24 hours.

키토산 및 폴리우레탄에 바이오디젤 생산 폐기물인 탈지질 클로렐라 미세조류 바이오매스를 필러로 첨가하여 열안정성을 향상시키고, 인장강도를 19.6에서 67.4 MPa로 증가시키며, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도를 감소시키고, 광 투과율 및 불투명도를 감소시켜 식품 광산화를 억제하는 물질로 사용가능하다. 또한 생성된 Cs/DCB 복합체는 토양에 60일 동안 매립 후 50% 이상 빠르게 생분해될 수 있다. By adding delipidated chlorella microalgal biomass, a biodiesel production waste, to chitosan and polyurethane as a filler, the thermal stability is improved, the tensile strength is increased from 19.6 to 67.4 MPa, and the water vapor permeability, water content and swelling are reduced. , it can be used as a material for inhibiting food photooxidation by reducing light transmittance and opacity. In addition, the resulting Cs/DCB complex can be biodegraded faster than 50% after being buried in soil for 60 days.

또한 DCB 함량을 증가시키면 순수 PU-PEG 필름과 비교하여 복합재료의 파단시 인장 강도 및 신장률이 각각 33.85%에서 115.74%로, 69.64%에서 247.62%로 증가 하였다. DCB를 70% 첨가하였을 때 순수한 PU-PEG에 비해 복합재료의 항산화 활성 및 친수성을 각각 69.3% 및 85% 이상 증가시켰다. 또한, 인장강도, 파단시 신율, 항산화도, 수분흡수율이 향상되었다.In addition, when the DCB content was increased, the tensile strength and elongation at break of the composite material increased from 33.85% to 115.74% and from 69.64% to 247.62%, respectively, compared with the pure PU-PEG film. When DCB was added by 70%, the antioxidant activity and hydrophilicity of the composite material were increased by 69.3% and 85%, respectively, compared to pure PU-PEG. In addition, the tensile strength, elongation at break, antioxidant, and water absorption were improved.

본 발명에 의하면 키토산 또는 폴레우레탄에 탈지질 미세조류 바이오매스를 필러로 이용한, 생분해성 복합체와, 이를 이용한 필름 등 생분해성 바이오 플라스틱을 제조하는 방법 및 이들의 향상된 물성을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a biodegradable bioplastic such as a biodegradable composite using a delipidated microalgal biomass as a filler in chitosan or polyurethane, a film using the same, and improved physical properties thereof.

본 발명에 따른 생분해성 복합체를 이용함으로써 열안정성, 인장강도, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도, 광 투과율 및 불투명도 파단시 신율, 항산화도, 수분흡수율 등의 물성이 향상된 DCB이용 복합재료를 제조하여 건설, 자동차, 코팅, 실란트, 접착제, 폼, 컴포지트 등 기존의 폴리우레탄 활용 분야는 물론 항산화성이 필요한 의료용, 식품 포장용 필름 등의 분야에 광범위하게 응용될 수 있다.By using the biodegradable composite according to the present invention, a composite material using DCB with improved physical properties such as thermal stability, tensile strength, water vapor permeability, moisture content and expansion, light transmittance and opacity, elongation at break, antioxidant, and water absorption It can be widely applied to fields such as medical and food packaging films requiring antioxidant properties as well as existing polyurethane applications such as construction, automobiles, coatings, sealants, adhesives, foams, and composites.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 구체화하기 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아닐 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are only intended to embody the contents of the present invention, and the present invention will not be limited thereby.

<실시예 1> DCB를 포함하는 필름의 제조<Example 1> Preparation of a film comprising DCB

1-1. 탈지질 클로렐라 바이오매스 제조1-1. Preparation of delipidated chlorella biomass

탈지질 클로렐라 바이오매스(DCB)는 Yun, J.-H. 등의 제조방법을 이용하여 제조하였다. 배양된 클로렐라 바이오매스를 수확하여 48 시간 동안 동결 건조한 후, 헥산-메탄올 (4 : 1 (v / v))을 동결 건조된 샘플과 10 : 1 (v/w)의 비율로 첨가하여 60 ℃, 200 rpm의 교반 속도를 갖는 반응기에서 하룻밤 동안 추출시켜 지질을 제거하였다. 6000 rpm에서 원심 분리 후 상등액을 제거하고 생성된 바이오 매스를 65 ℃에서 완전히 건조시켜 DCB를 제조하였다.Defatted chlorella biomass (DCB) was described in Yun, J.-H. It was prepared using a manufacturing method such as After harvesting the cultured Chlorella biomass and freeze-drying for 48 hours, hexane-methanol (4: 1 (v / v)) was added to the freeze-dried sample in a ratio of 10: 1 (v/w) at 60 °C, Lipids were removed by extraction overnight in a reactor with a stirring speed of 200 rpm. After centrifugation at 6000 rpm, the supernatant was removed and the resulting biomass was completely dried at 65° C. to prepare DCB.

1-2. 키토산-탈지질 클로렐라 바이오매스(Cs/DCB) 필름 제조1-2. Chitosan-Delipid Chlorella Biomass (Cs/DCB) Film Preparation

Cs/DCB 복합 필름은 도 1에 기술된 방법에 따라 제조되었다. 키토산 질량 대비 선택된 양의 DCB (5, 10, 15, 20, 25, 30 및 35 wt%)를 1% 아세트산에 분산시킨 후 실온에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 완전히 분산시킨 후, 2%(w/v)의 키토산을 각 DCB 분산액에 첨가하고, 생성된 혼합물을 실온에서 24시간 동안 연속적으로 교반하였다. 이어서, 가소제로서 글리세롤을 키토산의 20 wt%의 일정한 농도로 필름 형성 용액에 첨가하였다. 각각의 필름 형성 용액을 90 mm 내부 직경의 페트리 디쉬에 붓고, 40 ℃에서 24 시간 동안 건조시켜 평균 두께 100 ± 7 μm의 필름을 형성하였다. 이어서, 생성된 필름을 100 ℃에서 2시간 동안 열처리 하였다. 이어서, 처리된 필름을 48시간 동안 25 ℃ 및 50% 상대 습도의 챔버에서 컨디셔닝하였다.A Cs/DCB composite film was prepared according to the method described in FIG. 1 . Selected amounts of DCB relative to the mass of chitosan (5, 10, 15, 20, 25, 30 and 35 wt %) were dispersed in 1% acetic acid and then sonicated at room temperature for 30 minutes. After complete dispersion, 2% (w/v) chitosan was added to each DCB dispersion, and the resulting mixture was stirred continuously at room temperature for 24 hours. Glycerol as a plasticizer was then added to the film forming solution at a constant concentration of 20 wt % of chitosan. Each film-forming solution was poured into a Petri dish with an inner diameter of 90 mm, and dried at 40° C. for 24 hours to form a film having an average thickness of 100 ± 7 μm. Then, the resulting film was heat-treated at 100 °C for 2 hours. The treated films were then conditioned in a chamber at 25° C. and 50% relative humidity for 48 hours.

1-3. 폴리우레탄-탈지질 클로렐라 바이오매스(PU-DCB) 필름 제조1-3. Polyurethane-Delipidated Chlorella Biomass (PU-DCB) Film Preparation

폴리우레탄/탈지질 클로렐라 바이오매스(PU-DCB) 복합 필름은 도 7에 기술된 방법에 따라 제조되었다. 복합재료 제조를 위해, DCB를 먼저 60 ℃ 오븐에서 6 시간 동안 진공 건조시켰다. 이어서, DCB를 분쇄하고 10 mL DMSO에 첨가 하였다. 그 후, DCB-DMSO 혼합물을 30 분 동안 프로브 초음파 처리 (진폭 : 50 %, 펄스 : 50 초 / 10 초)하였다. 생성된 DCB-DMSO 용액을 PU 합성에 사용하였다. A polyurethane/delipidated Chlorella biomass (PU-DCB) composite film was prepared according to the method described in FIG. 7 . For composite preparation, DCB was first vacuum dried in an oven at 60° C. for 6 hours. Then, the DCB was triturated and added to 10 mL DMSO. Then, the DCB-DMSO mixture was probe sonicated (amplitude: 50%, pulse: 50 sec/10 sec) for 30 min. The resulting DCB-DMSO solution was used for PU synthesis.

PEG 200 (2 g)을 비이커에서 1 % (v/w) 디부틸틴 디라우레이트(dibutyltin dilaurate)과 5 분 동안 실온에서 혼합하였다. 이어서, 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate. HMDI)를 용액에 적가하고 5 분 동안 완전히 혼합하였다. 이소시아네이트/하이드록실 (NCO/OH) 비는 2 : 1로 유지되었다. 상이한 함량의 DCB (PEG 200 질량의 10 %, 30 %, 50 % 및 70 %)를 적가하고 실온에서 30 분 동안 혼합하였다. 이어서, 유리판에 캐스트하기 전에 DMSO를 첨가하여 생성된 용액을 추가로 희석하고 기포 포획을 위해 50 ℃에서 5 내지 8 분 동안 진공 건조시켰다. 이후, 진공 하에서 샘플 변형을 피하기 위해 공기를 주입하였다. 마지막으로, 샘플을 80 ℃에서 24 시간 동안 경화시켰다.PEG 200 (2 g) was mixed with 1% (v/w) dibutyltin dilaurate in a beaker for 5 minutes at room temperature. Then, hexamethylene diisocyanate (HMDI) was added dropwise to the solution and thoroughly mixed for 5 minutes. The isocyanate/hydroxyl (NCO/OH) ratio was maintained at 2:1. Different amounts of DCB (10%, 30%, 50% and 70% of PEG 200 mass) were added dropwise and mixed at room temperature for 30 minutes. The resulting solution was then further diluted by adding DMSO before casting to a glass plate and vacuum-dried at 50° C. for 5-8 minutes to trap air bubbles. Then, air was injected under vacuum to avoid sample deformation. Finally, the samples were cured at 80 °C for 24 h.

<실시예 2> 생성된 필름의 열 안정성<Example 2> Thermal stability of the resulting film

키토산 계 필름의 열분해 거동에 대한 DCB 혼입의 효과는 도 2에 도시하였다. 전체적으로, 순수 키토산 및 Cs/DCB 복합 필름의 TGA 및 DTG 곡선은 2단계 분해를 보였다. 첫 번째 중량 감소는 필름 매트릭스에서 수분과 글리세롤의 배출과 관련된 110-240 °C에서 발생하였다. 두 번째 중량 감소는 250 ~ 450 °C의 넓은 온도 범위에서 관찰되었으며, 이는 주로 키토산과 DCB 내의 탄수화물 및 단백질과 같은 유기 물질의 분해와 관련이 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 키토산 열분해와 관련된 피크에서 저온으로의 이동이 Cs/DCB 복합 필름에 대해 나타났으며, 탈지질 조류 바이오매스가 생성된 필름의 열 안정성을 향상시키는 능력을 나타냈다. Cs/DCB 복합 필름의 이러한 열 안정성의 향상은 DCB의 높은 열 안정성과 함께 DCB와 키토산 사이에 형성된 강한 수소 결합에 기인한다. 완전한 분해 후 대조군 (순수 키토산, 0% DCB) 필름의 80 % 중량 손실과 비교하여 Cs/DCB 복합 필름은 더 낮은 중량 손실 (70 %)을 나타냈다.The effect of DCB incorporation on the thermal decomposition behavior of chitosan-based films is shown in FIG. 2 . Overall, the TGA and DTG curves of pure chitosan and Cs/DCB composite films showed two-step degradation. The first weight loss occurred at 110–240 °C associated with the release of moisture and glycerol from the film matrix. A second weight loss was observed over a wide temperature range of 250 to 450 °C, which is mainly related to the degradation of chitosan and organic substances such as carbohydrates and proteins in DCB. As shown in Figure 2, a shift from the peak associated with chitosan pyrolysis to a lower temperature was shown for the Cs/DCB composite film, indicating the ability of the delipidated algal biomass to improve the thermal stability of the resulting film. This improvement in thermal stability of the Cs/DCB composite film is attributed to the strong hydrogen bond formed between DCB and chitosan along with the high thermal stability of DCB. After complete degradation, the Cs/DCB composite film showed a lower weight loss (70%) compared to the 80% weight loss of the control (pure chitosan, 0% DCB) film.

<실시예 3> 생성된 필름의 기계적 특성<Example 3> Mechanical properties of the resulting film

키토산 필름의 기계적 특성에 대한 상이한 함량으로 DCB를 혼입하는 효과는 인장강도 (TS) 및 파단 신율 (% E)의 관점에서 조사되었다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, DCB 함량을 25 wt%로 증가시키면 키토산 계 필름의 TS가 19.6에서 67.4 MPa로 상당히 증가되었으며, DCB의 첨가로 키토산 필름의 % E 감소가 관찰되었다. 생성된 복합 필름의 인장강도에서의 이러한 개선은 키토산 사이의 강력한 수소 브릿지 상호 작용의 확립과 함께 중합체 매트릭스 내로의 DCB 입자의 균일한 분포에 기인할 수 있다.The effect of incorporating DCB in different amounts on the mechanical properties of chitosan films was investigated in terms of tensile strength (TS) and elongation at break (% E). As can be seen from FIG. 3, when the DCB content was increased to 25 wt%, the TS of the chitosan-based film was significantly increased from 19.6 to 67.4 MPa, and a decrease in % E of the chitosan film was observed with the addition of DCB. This improvement in the tensile strength of the resulting composite film can be attributed to the uniform distribution of DCB particles into the polymer matrix with the establishment of strong hydrogen bridge interactions between chitosan.

<실시예 4> 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도<Example 4> Water vapor permeability, water content and swelling degree

도 4a는 키토산 계 필름의 수증기 투과도 (WVP)에 대한 상이한 농도에서의 DCB 혼입의 효과를 보여준다. 전반적으로, DCB의 첨가는 Cs/DCB 복합 필름의 WVP를 상당히 감소시켰다. 이 감소는 순수한 키토산 필름과 비교하여 35% DCB가 혼입된 필름의 경우 60% 이상이었다. 수증기 투과 특성의 이러한 개선은 중합체 매트릭스와 혼입 된 DCB 사이의 분자간 수소 결합의 확립에 기인할 수 있으며, 이는 중합체 매트릭스의 자유 부피를 감소시킬 수 있는 가교 네트워크 구조의 형성을 초래한다. 또한 필름을 열처리 (100 °C에서 2 시간 동안) 함에 따라, 중합체 사슬의 이동성을 감소시키고 복합 필름을 통한 물 분자의 확산을 감소시키는 것으로 여겨지는 가교 효과에 의해 물 분자 확산이 크게 감소될 수 있다. 마찬가지로 DCB 함량을 5에서 35%로 증가시킨 결과, Cs/DCB 복합 필름의 수분 함량 및 팽윤도의 현저한 감소가 기록되었다 (도 4b). Cs/DCB 복합 필름의 배리어 특성의 이러한 개선은 아미노 및 히드록실기와 같은 유리 친수성 잔기가 물과 결합할 수 있는 Cs와 DCB 분자 사이의 상호 작용에 기인할 수 있다.Figure 4a shows the effect of DCB incorporation at different concentrations on the water vapor permeability (WVP) of chitosan-based films. Overall, the addition of DCB significantly reduced the WVP of the Cs/DCB composite film. This reduction was more than 60% for the film incorporating 35% DCB compared to the pure chitosan film. This improvement in water vapor transmission properties can be attributed to the establishment of intermolecular hydrogen bonds between the polymer matrix and the incorporated DCB, which results in the formation of cross-linked network structures that can reduce the free volume of the polymer matrix. In addition, as the film is heat treated (100 °C for 2 h), water molecule diffusion can be greatly reduced by a crosslinking effect, which is believed to reduce the mobility of polymer chains and reduce the diffusion of water molecules through the composite film. . Similarly, as the DCB content was increased from 5 to 35%, a significant decrease in the water content and swelling degree of the Cs/DCB composite film was recorded (Fig. 4b). This improvement of the barrier properties of the Cs/DCB composite film can be attributed to the interaction between Cs and DCB molecules in which free hydrophilic moieties such as amino and hydroxyl groups can bind water.

수증기 투과도는 AFNOR NF H00-030 표준 방법에 따라 중량 측정으로 측정되었다. 측정하기 전에, 필름을 25 ℃ 및 50% 상대 습도에서 48시간 동안 컨디셔닝하였다. 이어서, 전처리된 필름을 실리카 겔로 충전된 컵에 장착하였다. 이어서, 컵을 제어 된 온도 (38 ± 1 ℃) 및 상대 습도 (90 ± 3 %) 오븐에 두었다. 30 분 간격으로 중량을 측정하였고, 무게의 변화는 시간의 함수로서 기록되었다. 선형 회귀를 사용하여 무게의 기울기와 시간 플롯을 계산하였다. 필름의 WVP는 식 (1)을 사용하여 계산되었다. 여기서 수증기 투과율 (WVTR)은 기울기/필름 면적 (g/m2 h), L은 필름 두께, Δp는 부분 수증기압의 차이 [Δp = p(RH2-RH1) = 5.942 kPa, 여기서 p는 38 ℃에서의 물의 포화 증기압] 이다.Water vapor permeability was determined gravimetrically according to the AFNOR NF H00-030 standard method. Prior to measurement, the films were conditioned at 25° C. and 50% relative humidity for 48 hours. The pretreated film was then mounted in a cup filled with silica gel. The cups were then placed in a controlled temperature (38 ± 1 °C) and relative humidity (90 ± 3%) oven. Weights were measured at 30 minute intervals and the change in weight was recorded as a function of time. Linear regression was used to calculate slope and time plots of weight. The WVP of the film was calculated using equation (1). where the water vapor transmission rate (WVTR) is the slope/film area (g/m2 h), L is the film thickness, and Δp is the difference in partial water vapor pressure [Δp = p(RH2-RH1) = 5.942 kPa, where p is the saturated vapor pressure].

Figure pat00003
Figure pat00003

수분 함량 (WC) 및 팽윤도 (SD)는 다음과 같이 측정하였다. 각 필름 샘플을 정사각형 (20 × 20 mm)으로 절단하고 중량을 측정하여 초기 중량 (mo)을 수득하였다. 이어서 필름 샘플을 100 ℃에서 24시간 동안 열풍 오븐에서 건조시켜 초기 필름 건조 중량 (m1)을 수득하였다. 그 후, 필름 시편을 30 mL의 증류수를 함유한 페트리 접시에 담그고 덮고 실온에서 24시간 동안 방치하였다. 남은 물을 제거하고 건조시킨 후 질량을 측정하였다 (m2). 각 필름 샘플에 대해 3가지 측정을 수행하여 식 2 및 3에 따라 수분 함량 및 팽윤도 평균값을 계산하였다.Water content (WC) and degree of swelling (SD) were measured as follows. Each film sample was cut into squares (20 x 20 mm) and weighed to obtain the initial weight (mo). Then, the film sample was dried in a hot air oven at 100° C. for 24 hours to obtain an initial film dry weight (m1). Thereafter, the film specimen was immersed in a Petri dish containing 30 mL of distilled water, covered, and left at room temperature for 24 hours. After removing the remaining water and drying, the mass was measured (m2). Three measurements were made for each film sample to calculate the average value of water content and swelling degree according to equations 2 and 3.

Figure pat00004
Figure pat00004

<실시예 5> 광 투과율 및 불투명도<Example 5> Light transmittance and opacity

200-800 nm의 파장 범위에서 상이한 DCB 함량이 혼입된 키토산 필름의 UV 및 가시광 투과율이 도 5a에 도시되어 있다. UV 투과 (200-280 nm)의 경우 DCB 함량을 5%에서 35%로 증가시키면 키토산에 비해 Cs/DCB 복합 필름의 광 투과율이 크게 감소하여 DCB가 광 배리어 특성을 향상시키는 능력을 나타내었다. 따라서 식품 시스템에서 UV 유도 지질 산화를 제한하는 포장 물질로서의 활용이 기대된다. 가시광선 투과 (350-800 nm)의 경우, DCB 함량이 증가하면 Cs/DCB 복합 필름의 투과율이 크게 감소하였다. DCB 함량이 가장 높은 키토산 필름의 경우 700 nm 파장에서 90% 이상의 투과광 감소가 관찰되었다.The UV and visible light transmittances of chitosan films incorporating different DCB contents in the wavelength range of 200-800 nm are shown in Fig. 5a. For UV transmission (200-280 nm), increasing the DCB content from 5% to 35% significantly reduced the light transmittance of the Cs/DCB composite film compared to chitosan, indicating the ability of DCB to improve light barrier properties. Therefore, it is expected to be used as a packaging material to limit UV-induced lipid oxidation in food systems. In the case of visible light transmission (350-800 nm), the transmittance of the Cs/DCB composite film decreased significantly when the DCB content was increased. In the case of the chitosan film with the highest DCB content, a transmittance reduction of more than 90% was observed at 700 nm wavelength.

순수 키토산 및 Cs/DCB 복합 필름의 불투명도 값은 도 5b에 제시되어 있다. 전반적으로, DCB와 혼입된 필름은 순수한 키토산 필름과 비교하여 더 높은 불투명도 값을 나타냈다. 이와 관련하여, DCB 함량이 가장 높은 필름은 최고의 차광 특성을 나타내며 식품 광 산화를 억제하는 잠재적 물질로 사용될 수 있다.The opacity values of pure chitosan and Cs/DCB composite films are presented in Figure 5b. Overall, the films incorporated with DCB showed higher opacity values compared to the pure chitosan films. In this regard, the film with the highest DCB content exhibits the best light-shielding properties and can be used as a potential material for inhibiting food photooxidation.

<실시예 6> 생분해도<Example 6> Biodegradability

60일 동안 토양과 접촉하기 전후의 키토산 및 Cs/DCB 복합 필름의 이미지는 도 6에 나와 있다. 전반적으로, 필름은 초기 외관과 구조적 완전성을 잃었으며, 토양에 존재하는 미생물의 분해에 의한 다공성 구멍이 있는 거칠고 침식된 표면을 보여주었다. 필름 생분해도의 정량 지수는 중량 손실에 의해 추정되었다. DCB 함량에 관계없이, Cs/DCB 복합 필름의 생분해 속도는 토양에 60일 동안 매립 후 50% 이상인 것으로 추정되었다. 따라서 생성된 Cs/DCB 복합체는 빠른 분해 공정으로 인해 생분해성 물질로 간주 될 수 있다.Images of chitosan and Cs/DCB composite films before and after contact with soil for 60 days are shown in FIG. 6 . Overall, the film lost its initial appearance and structural integrity, and showed a rough, eroded surface with porous pores due to the degradation of microorganisms present in the soil. The quantitative index of film biodegradability was estimated by weight loss. Regardless of the DCB content, the biodegradation rate of the Cs/DCB composite film was estimated to be more than 50% after embedding in soil for 60 days. Therefore, the resulting Cs/DCB complex can be considered as a biodegradable material due to its rapid degradation process.

<실시예 7> 생성된 PU-PEG/DCB 필름의 기계적 특성<Example 7> Mechanical properties of the resulting PU-PEG/DCB film

DCB 함량을 10 내지 50 %로 첨가한 경우 PU-PEG/DCB 복합 필름의 인장강도가 순수한 PU-PEG 필름과 비교하여 33.85-115.74 % 증가되었다 (도 8). PU-PEG/DCB 복합 필름의 강도 향상은 매체에 존재하는 PEG-HMDI 프리폴리머의 이소시아네이트 그룹과 DCB 바이오 필러의 하이드록실 그룹 사이에 화학적 결합과 수소 결합이 형성되었기 때문이다. DCB를 10 %에서 70 %로 첨가한 경우 순수한 PU-PEG 필름과 비교하여 69.64-247.62 %의 범위에서 파단시 신율이 증가되었다 (도 9). PU-PEG 기반 필름의 유연성이 증가한 이유는 DCB의 혼입이 표면의 평활성 및 응집성을 향상시켜 균열을 지연시키며, DCB가 PU 매트릭스 전체에 걸쳐 네트워크의 확장을 생성하는 중합체 사슬 사이의 가교 역할을 하기 때문이다.When the DCB content was added to 10 to 50%, the tensile strength of the PU-PEG/DCB composite film was increased by 33.85-115.74% compared to the pure PU-PEG film (FIG. 8). The strength improvement of the PU-PEG/DCB composite film is due to the formation of chemical bonds and hydrogen bonds between the isocyanate groups of the PEG-HMDI prepolymer present in the medium and the hydroxyl groups of the DCB bio-filler. When DCB was added from 10% to 70%, the elongation at break was increased in the range of 69.64-247.62% compared to the pure PU-PEG film (Fig. 9). The increased flexibility of PU-PEG-based films is because the incorporation of DCB improves the smoothness and cohesiveness of the surface to retard cracking, and DCB acts as a bridge between the polymer chains creating an extension of the network throughout the PU matrix. am.

<실시예 8> 생성된 PU-PEG/DCB 필름의 항산화 특성<Example 8> Antioxidant properties of the resulting PU-PEG/DCB film

PU-PEG/DCB 복합 필름의 항산화 활성은 도 10에 나타내었다. DCB 함량을 증가시킬수록 PU-PEG/DCB 필름의 DPPH 라디칼 소거 활성이 증가하였다. 순수한 PU-PEG 필름의 DPPH 라디칼 소거 활성은 15%였으며, DCB를 70% 첨가한 경우 최대 69.3%의 DPPH 라디칼 소거 활성을 보였다. PU 필름의 항산화 특성의 개선은 아스타잔틴, 칸타잔틴, 루테인, 베타-카로틴 및 엽록소와 같은 클로렐라 세포에 존재하는 항산화 카로티노이드의 양이 많기 때문이다. 또한 탐침 초음파 처리에 의한 세포벽의 파괴는 세포질로부터 카로티노이드의 방출을 촉진시켜 PU-PEG/DCB 복합 필름의 항산화 활성을 향상시키는 데 기여할 수 있다.The antioxidant activity of the PU-PEG/DCB composite film is shown in FIG. 10 . As the DCB content increased, the DPPH radical scavenging activity of the PU-PEG/DCB film increased. The DPPH radical scavenging activity of the pure PU-PEG film was 15%, and when DCB was added 70%, the DPPH radical scavenging activity was up to 69.3%. The improvement of the antioxidant properties of the PU film is due to the large amount of antioxidant carotenoids present in chlorella cells such as astaxanthin, canthaxanthin, lutein, beta-carotene and chlorophyll. In addition, destruction of the cell wall by probe sonication promotes the release of carotenoids from the cytoplasm, which may contribute to enhancing the antioxidant activity of PU-PEG/DCB composite films.

<실시예 9> 생성된 PU-PEG/DCB 필름의 수분 흡수 특성<Example 9> Water absorption properties of the resulting PU-PEG/DCB film

도 11은 PU-PEG/DCB 복합 필름의 수분 흡수에 대한 DCB 함량의 효과를 나타낸다. DCB 함량을 증가시킬수록 PU 매트릭스의 벌크 친수성이 증가하였다. 순수한 PU-PEG 필름의 수분 흡수 백분율은 15%였으며, DCB를 70% 첨가한 경우 최대 27%의 수분 흡수 백분율을 보였다. PU 매트릭스의 친수성 증가는 DCB에 갈락토스, 아라비노스, 만노스, 글루코오스, 자일로스 및 람노스와 같은 단당류의 풍부함과 함께 친수성 특성으로 알려진 PEG의 존재에 기인 할 수 있다. 또한 PU 친수성의 향상은 중합체 매트릭스 내에 존재하는 풍부한 -OH 기에 기인 할 수 있다. 이 결과는 생성된 친수성 복합재료의 가수 분해 및 생분해에 중요한 역할을 할 수 있다.11 shows the effect of DCB content on water absorption of PU-PEG/DCB composite films. As the DCB content increased, the bulk hydrophilicity of the PU matrix increased. The water absorption percentage of the pure PU-PEG film was 15%, and when DCB was added 70%, the maximum water absorption percentage was 27%. The increase in the hydrophilicity of the PU matrix can be attributed to the presence of PEG, known for its hydrophilic properties, along with the abundance of monosaccharides such as galactose, arabinose, mannose, glucose, xylose and rhamnose in DCB. The enhancement of PU hydrophilicity can also be attributed to the abundance of —OH groups present in the polymer matrix. This result could play an important role in the hydrolysis and biodegradation of the resulting hydrophilic composites.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명되었으나, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, although specific embodiments of the present invention have been described in detail, those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add, change, delete, etc. other components within the scope of the same spirit, and other degenerate inventions However, other embodiments included within the scope of the present invention may be easily proposed. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present invention. should be interpreted as

Claims (13)

고분자 수지 및 탈지질 미세조류 바이오매스를 포함하는, 생분해성 복합체.
A biodegradable composite comprising a polymer resin and delipidated microalgal biomass.
제1항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephtalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketon, PEEK), 사이클릭 올레핀 중합체(cyclic olefin polymer, COP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 및 트리아세틸셀룰로오스(triacetylcellulose, TAC), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합성 고분자 또는 히알루론산, 키토산, 셀룰로오스, 콘드로이틴 설페이트, 헤파린, 알긴산, 젤라틴, 콜라겐, 덱스트란 및 더마탄 설페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 천연 고분자인, 생분해성 복합체.
According to claim 1,
The polymer resin is polyimide (PI), polyimideamide (polyimideamide), polyetherimide (PEI), polyethyleneterephtalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polyetheretherketone (polyetheretherketon, PEEK), cyclic olefin polymer (COP), polyacrylate (PAC), polymethylmethacrylate (PMMA), and triacetylcellulose (TAC), polyurethane (polyurethane, PU) at least one synthetic polymer selected from the group consisting of or at least one selected from the group consisting of hyaluronic acid, chitosan, cellulose, chondroitin sulfate, heparin, alginic acid, gelatin, collagen, dextran and dermatan sulfate A natural polymer, a biodegradable complex.
제1항에 있어서,
상기 생분해성 복합체는 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate), 솔비톨(sorbitol) 중에서 선택되는 1종 이상의 가소제를 더 포함하는, 생분해성 복합체.
According to claim 1,
The biodegradable complex further comprises one or more plasticizers selected from glycerol, polyethylene glycol, triethyl citrate, and sorbitol.
제1항에 있어서,
상기 탈지질 클로렐라 미세조류 바이오매스는 바이오디젤 생산 후의 폐기물인, 생분해성 복합체.
According to claim 1,
The delipidated Chlorella microalgal biomass is a waste after biodiesel production, biodegradable complex.
제1항에 있어서,
상기 생분해성 복합체는 열안정성, 인장강도, 수증기 투과성, 수분 함량 및 팽창도, 광 투과율 및 불투명도가 향상되는, 생분해성 복합체.
According to claim 1,
The biodegradable composite has improved thermal stability, tensile strength, water vapor permeability, moisture content and swelling, light transmittance and opacity, the biodegradable composite.
제1항에 있어서,
상기 생분해성 복합체는 고분자 중량 대비 탈지질 미세조류 바이오매스가 10 내지 70 중량% 인, 생분해성 복합체.
According to claim 1,
The biodegradable complex is 10 to 70% by weight of the delipidated microalgal biomass relative to the high molecular weight, the biodegradable complex.
탈지질 클로렐라 바이오매스, 고분자 수지 및 산성용액을 포함하는 혼합물을 교반시키는 단계; 및,
상기 혼합물에 가소제를 첨가하여 경화시키는 단계;를 포함하는 생분해성 복합체 제조방법.
agitating a mixture containing the delipidated chlorella biomass, a polymer resin, and an acidic solution; and,
A method for producing a biodegradable composite comprising a; curing by adding a plasticizer to the mixture.
제7항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephtalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketon, PEEK), 사이클릭 올레핀 중합체(cyclic olefin polymer, COP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 및 트리아세틸셀룰로오스(triacetylcellulose, TAC), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합성 고분자 또는 히알루론산, 키토산, 셀룰로오스, 콘드로이틴 설페이트, 헤파린, 알긴산, 젤라틴, 콜라겐, 덱스트란 및 더마탄 설페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 천연 고분자인, 생분해성 복합체 제조방법.
8. The method of claim 7,
The polymer resin is polyimide (PI), polyimideamide (polyimideamide), polyetherimide (PEI), polyethyleneterephtalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polyetheretherketone (polyetheretherketon, PEEK), cyclic olefin polymer (COP), polyacrylate (PAC), polymethylmethacrylate (PMMA), and triacetylcellulose (TAC), polyurethane (polyurethane, PU) at least one synthetic polymer selected from the group consisting of or at least one selected from the group consisting of hyaluronic acid, chitosan, cellulose, chondroitin sulfate, heparin, alginic acid, gelatin, collagen, dextran and dermatan sulfate A method for producing a biodegradable complex, which is a natural polymer.
제7항에 있어서,
상기 가소제는 글리세롤(glycerol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol), 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate), 솔비톨(sorbitol) 중에서 선택되는 1종 이상인, 생분해성 복합체 제조방법.
8. The method of claim 7,
The plasticizer is at least one selected from glycerol, polyethylene glycol, triethyl citrate, and sorbitol, a biodegradable composite manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 탈지질 클로렐라 미세조류 바이오매스는 바이오디젤 생산 후의 폐기물인, 생분해성 복합체 제조방법.
8. The method of claim 7,
The delipidated Chlorella microalgal biomass is a waste after biodiesel production, a method for producing a biodegradable complex.
제1항 내지 제6항 중에 어느 한 항의 생분해성 복합체를 포함하는, 성형 재료.
A molding material comprising the biodegradable composite of any one of claims 1 to 6.
제1항 내지 제6항 중에 어느 한 항의 생분해성 복합체를 이용하여 제조된 성형품.
A molded article manufactured using the biodegradable composite of any one of claims 1 to 6.
제12항에 있어서,
상기 성형품은 필름, 포장재, 접착제, 폼 또는 용기 중에 하나 인 성형품.
13. The method of claim 12,
The molded article is one of a film, a packaging material, an adhesive, a foam, or a container.
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