KR20220092085A - 저분자화된 세리신의 무약제 정련 고농축 회수방법 - Google Patents

저분자화된 세리신의 무약제 정련 고농축 회수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농축 세리신 회수방법을 제공한다. 본 발명의 세리신 회수방법은 무약제 고압 정련으로, 저분자화된 세리신을 고농축으로 저렴하고 손쉽게 회수할 수 있다.

Description

저분자화된 세리신의 무약제 정련 고농축 회수방법{A method for Recovering High Cocentration Sericin of low molecular weight with Non-reagent Degumming}
본 발명은 고농축 세리신 회수방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 실크정련 폐액에서 저분자화된 세리신을 고농축으로 회수하는 방법에 관한 것이다.
실크의 생사는 견섬유의 본질인 피브로인(fibroin)을 중심으로 하여 세리신(sericin)이 둘러싸고 있는 형태이며, 이외의 불순물로서 왁스질, 지방질, 광물질 등을 소량 함유하고 있다. 세리신은 냉수에 팽윤되고 비누, 탄산나트륨의 열액에는 쉽게 용해하는 반면, 피브로인은 이런 처리로는 전혀 용해되지 않는다. 따라서, 실크의 생사를 정련하면 세리신과 기타 불순물이 제거되어 다른 섬유에서 볼 수 없는 우아하고 고상한 광택과 부드러운 촉감을 지니는 가장 고귀한 피복 재료로서 상용되고 있다.
한편 세리신은 실크 정련 과정에서 폐수로 배출되어 왔는데, 세리신은 섬유, 화장품, 식품 또는 의료용품으로 사용될 수 있으므로, 세리신의 회수 또는 재생 연구가 다양한 분야에서 진행되었으나 고비용의 경제적 측면으로 상용화에 큰 걸림돌이 되어왔다. 구체적으로, 실크 정련 공정에서 폐기되는 세리신은 과거에 분리막으로 정제하는 사업이 진행되었으나, 농도 분극에 의한 막힘 현상, 단백질 변성, 농축 시간과 비용 증가 등의 문제로 아직까지 상용화되지 못하고 있는 실정이다.
이에 변질되지 않은 다량의 순수 세리신을 저렴하고 손쉽게 회수하는 방법의 개발이 필요한 상황이다. 또한, 화장품 등 다양한 분야에 적용될 수 있도록 저분자화된 세리신을 회수하는 방법의 개발도 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제0338684호 대한민국 등록특허공보 제0353474호
본 발명의 목적은 실크폐액으로부터 저분자화된 세리신을 고농축으로 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 하기 단계를 포함하는 세리신 회수방법을 제공한다:
(S-1) 1:2 내지 1:6의 정련 욕비로 실크 방적사를 정련하는 단계; 및
(S-2) 정련 폐액으로부터 세리신을 회수하는 단계.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계에서 정련에 관여하는 배관 이외의 관로는 모두 폐쇄하는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계에서 치즈 정련기의 액류 흐름을 IN→OUT 으로만 설정하는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계에서 치즈 정련기의 내압 및 외압의 차이가 1 bar 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계는 물 이외의 시약을 사용하지 않는 무약제 정련일 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계는 100 내지 150 ℃에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-2) 단계는 단백질 분해효소를 처리하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 (S-2) 단계에서 상기 단백질 분해효소는 Alcalase일 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-2) 단계는 50 내지 70 ℃에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-2) 단계는 pH 7.0 내지 9.0에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-2) 단계에서 단백질 분해효소를 처리한 후 멸균처리할 수 있다.
본 발명에 따른 회수방법에 따라, 무약제 정련으로 저분자화된 세리신을 고농축으로 저렴하고 손쉽게 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 세리신 회수 공정을 나타낸 사진이다.
도 2는 정련 욕비를 줄이기 위하여 개선된 치즈 와인딩을 나타낸 사진이다.
도 3은 정련 욕비를 줄이기 위하여 정련 케리어의 폴대 간 간격을 감소시킨 것을 나타낸 사진이다.
도 4는 정련 욕비를 줄이기 위하여 일부 배관을 폐쇄시킨 것을 나타낸 사진이다.
도 5는 정련용수 개선에 따른 모식도이다.
도 6은 회수된 세리신의 유해물질 안전성 검사 시험성적서이다.
도 7은 회수된 세리신의 전기영동 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 세리신 회수 공정에 대한 모식도이다.
도 9는 회수된 세리신의 효소처리 전후의 성상을 나타낸 사진이다.
도 10은 동결건조된 세리신을 나타낸 사진이다.
도 11은 회수된 세리신의 효소처리 또는 동결건조 전후 분자량을 측정한 결과이다.
도 12는 회수된 세리신 농축액의 아미노산 분석도이다.
도 13은 회수된 세리신 희석액의 아미노산 분석도이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
또한, 용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명은 하기 단계를 포함하는 세리신 회수방법을 제공한다.
(S-1) 1:2 내지 1:6의 정련 욕비로 실크 방적사를 정련하는 단계; 및
(S-2) 정련 폐액으로부터 세리신을 회수하는 단계.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 본 발명의 세리신 회수방법은, (S-0) 실크 방적사를 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S-0) 내지 (S-2) 단계는 도 1에 예시적으로 표시된 바와 같이 수행될 수 있다. 이하에서는 상기 (S-0) 내지 (S-2) 단계에 대하여 상세히 살핀다.
(S-0) 세정 단계
세리신은 선염직물을 제직하기 위하여 정련이 필수 공정으로 이뤄지는데, 세리신을 회수하기 위해서는 우선 제사 공정에서 생성된 불순물 제거를 위해 60 내지 90 ℃의 온수로 10 내지 30분간 세정할 수 있다. 만약 기계유 등 기름 성분을 제거가 필요한 경우에는 60 내지 90 ℃의 알칼리수로 10 내지 30분간 세정한 후 정련공정을 시작할 수 있다.
(S-1) 정련 단계
본 발명에 따르면, 상기 (S-1) 단계에서 기존 공정의 1:10 정련 욕비를 1:2 내지 1:6으로 감소시킴으로써, 고농축의 세리신을 회수할 수 있다. 구체적으로, 상기 (S-1) 단계에서 정련 욕비는 1:5 일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 정련 욕비를 줄이기 위하여 실크 생사의 와인딩을 개선하였다. 구체적으로, 치즈 기계의 정련 욕비를 높이기 위하여 용수 대비 피염물의 중량을 늘리는 것이 필요하며, 보다 구체적으로 사층이 무너지지 않는 범위 안에서 와인딩의 적층 각도를 증가시켜 와인딩의 중량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 적층 각도를 50°에서 60°로 높일 경우 12 mm 두께의 150 g을 추가로 와인딩할 수 있다(도 2 참조). 또한, 치즈 와인딩의 중량을 증가시키기 위하여 치즈 와인딩의 폭을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 치즈 와인딩의 폭을 기존 11 cm에서 13 cm으로 증가시킬 경우 중량을 508 g에서 650 g으로 28 % 증가시킬 수 있다(도 2 참조).
또한 본 발명의 다른 구체예에 따르면, 정련 욕비를 줄이기 위하여 치즈 염색기의 케리어를 개선하였다. 구체적으로, 정련 케리어의 폴대 간격을 감소시킴으로써 폴대의 숫자를 줄였고, 이를 통하여 정련 용량을 높일 수 있다. 예를 들어, 정련 케리어의 폴대 간격을 기존 15 cm에서 13 cm으로 감소시킬 경우 폴대의 숫자가 10% 증가하여 정련 용량을 높일 수 있다(도 3 참조).
또한 본 발명의 다른 구체예에 따르면, 정련 욕비를 줄이기 위하여 치즈 염색기의 공정을 개선하였다. 구체적으로, 정련 기계의 정련용수를 줄이기 위하여 환류 시스템의 여러 배관 중 정련에 관여하는 배관 이외의 관로를 모두 폐쇄함으로써 정련 욕비를 최소화할 수 있다(도 4 참조). 또한, 정련 기계 내부의 정련용수를 기존에 비해 3/4 위치까지 줄이기 위해서는 정련 기계의 액류 흐름을 기존 IN↔OUT을 IN→OUT로만 설정하고, 내압과 외압의 차이를 1 bar 이상으로 평상시에 비해 2배 이상 높게 설정하여 용수에 담기지 않는 피염물 부분이 용수에 담긴 부분과 같은 흐름이 될 수 있도록 하여 IN→OUT을 원활하게 할 수 있다. 이와 같이 정련용수의 수위를 1/4을 줄여 정련함으로써 욕비를 650 L에서 520 L로 줄이면서 20 % 감소시킬 수 있다(도 5 참조).
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계는 물 이외의 시약을 사용하지 않는 무약제 정련일 수 있다. 따라서, 본 발명의 세리신 회수방법은 환경오염을 예방할 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-1) 단계는 100 내지 150 ℃에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 130 ℃에서 30 분 동안 정련할 수 있다.
(S-2) 회수 단계
본 발명에 있어서, 상기 정련 단계가 마무리되면 냉각 시스템 등을 이용하여 60 내지 90 ℃로 냉각시킨 후, 피염물이 들어있는 케리어를 들어낸 후 다시 냉각시켜 용기에 용액 상태의 세리신을 회수할 수 있다. 회수된 세리신의 보존성을 높이기 위해 40 ℃ 이하까지 식혀 바로 2 ℃ 이하의 냉장 보관을 하면 세리신 농축액이 sol 상태가 된다.
본 발명의 세리신 회수방법은 물 이외의 시약을 사용하지 않으므로, 회수된 세리신은 섬유제품 유해물질 안전검사인 포름알데히드, 노닐 페놀의 유해성 검사를 실시하였을 때 유해성분이 없어 섬유제품 안전요건(KC)을 충족하였다(도 6 참조).
본 발명의 회수방법에 따라 회수된 세리신의 분자량 분포를 알기 위해, 전기영동(Hoefer社 SE-245)으로 측정한 결과 분자량이 20 내지 120 kDa 사이에 많이 분포하는 것으로 측정되었다(도 7 참조). 회수된 세리신의 분자량의 최대 분포 지점인 60 kDa의 단백질은 분자량이 커서 피부 흡수가 원활하지 못해 화장품 등으로 이용하기 위해서는 저분자화가 필요하다.
본 발명에서는 고분자의 세리신 분자량을 5kDa 이하의 저분자화 하기 위해 효소를 이용하여 단백질의 분자쇄를 잘라 저분자화 하는 공정을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 효소처리를 위하여 단백질 분해효소를 처리할 수 있다. 구체적으로, 상기 단백질 분해효소는 Alcalase(Novozymes社)일 수 있다. Alcalase 2.5L은 고초균(Bacillus subtilis)이 생산하는 단백질 가수분해효소로인 Subtilisin으로 온도 50~60℃, pH는 8.5에서 가장 활성화하는 조건으로 알려져 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 효소처리는 50 내지 70 ℃에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 효소처리는 pH 7.0 내지 9.0에서 수행될 수 있다. 다만, 무약제 회수방법을 달성하기 위하여 물에 가까운 pH 조건에서 수행될 수 있다. pH가 7.0 내지 9.0인 상태로 조절하기 위해 약 알칼리 약제인 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용하면 가장 양호한 결과를 도출할 것으로 판단되나 본 발명에서는 무약제 상황에서 세리신을 회수하고 이를 이용하는 개발을 위해, 인위적으로 pH를 조정하지 않은 상황 하에서 온도만 활성화에 가장 적합한 온도조건인 50 내지 70 ℃, 바람직하게는 55℃에서 진행하여 무약제 세리신회수를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (S-2) 단계에서 단백질 분해효소를 처리한 후 멸균처리할 수 있다. 구체적으로, 효소처리 후 80 내지 100 ℃까지 다시 승온하여 5 내지 20분간 교반시켜 효소를 완전히 사멸시킬 수 있다. 이후 30 내지 50 ℃까지 냉각시켜 효소처리된 세리신을 얻을 수 있다.
본 발명의 세리신 회수방법 및 효소처리 공정은 도 8에 예시적으로 도시된 방법에 따라 수행될 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이 효소처리되지 않은 세리신은 sol 상태이지만, 효소처리된 세리신은 미량의 고형분이 가라앉고 상층부는 투명한 미색의 세리신 용액이 형성됨이 확인된다.
또한, 본 발명에 따라 회수된 세리신 용액은 동결건조가 가능하다(도 10 참조). 예를 들어, 동결건조기(일신바이오베이스社 LP10~30)를 이용하여 동결건조하였을 때 투입대비 약 5%의 세리신 분말을 회수할 수 있다. 동결건조된 세리신 역시 20 내지 120 kDa의 분자량 분포를 나타내는 것으로 보아 동결건조후의 세리신의 분자량 변화는 거의 없다는 것을 알 수 있다(도 11 참조).
한편, 본 발명의 방법에 따라 효소처리된 세리신 단백질을 아미노산분석기(Biochrom社)를 통해 아미노산분석을 하였고, 세리신 농축액 및 그 희석액(1×10의 아미노산 분석에서 회수 세리신의 원액과 1×10 dilute한 아미노산 함량은 Alanine〉Serine〉Proline〉Cysteine순으로 나타났다(도 12 및 도 13 참조).
본 발명의 방법에 따라 회수된 세리신은 화장품, 섬유가공제, 의료용 코팅제, 또는 식품 등 많은 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.

Claims (11)

  1. (S-1) 1:2 내지 1:6의 정련 욕비로 실크 방적사를 정련하는 단계; 및
    (S-2) 정련 폐액으로부터 세리신을 회수하는 단계;
    를 포함하는 세리신 회수방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-1) 단계에서 정련에 관여하는 배관 이외의 관로는 모두 폐쇄하는 것인, 세리신 회수방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-1) 단계에서 치즈 정련기의 액류 흐름을 IN→OUT 으로만 설정하는 것인, 세리신 회수방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-1) 단계에서 치즈 정련기의 내압 및 외압의 차이가 1 bar 이상인, 세리신 회수방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-1) 단계는 물 이외의 시약을 사용하지 않는 무약제 정련인, 세리신 회수방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-1) 단계는 100 내지 150 ℃에서 수행되는 것인, 세리신 회수방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (S-2) 단계는 단백질 분해효소를 처리하는 공정을 포함하는 것인, 세리신 회수방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (S-2) 단계에서 상기 단백질 분해효소는 Alcalase인, 세리신 회수방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (S-2) 단계는 50 내지 70 ℃에서 수행되는 것인, 세리신 회수방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (S-2) 단계는 pH 7.0 내지 9.0에서 수행되는 것인, 세리신 회수방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 (S-2) 단계에서 단백질 분해효소를 처리한 후 멸균처리하는 것인, 세리신 회수방법.
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