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Enzymatic reaction in batch emulsion liquid membrane process = 회분 에멀션 액막 공정에서의 효소 반응
서명 / 저자 Enzymatic reaction in batch emulsion liquid membrane process = 회분 에멀션 액막 공정에서의 효소 반응 / Jae-Hwa Chang.
저자명 Chang, Jae-Hwa ; 장재화
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1993].
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The research on the enzymatic reaction in a batch emulsion liquid membrane process was carried out in two aspects. First, a mathematical model was developed for analyzing the rate and conversion of reaction using an enzyme encapsulated by stable water-in-oil (W/O) emulsion. Second, the influence of emulsion preparation variables on the reaction conversion and membrane stability was investigated for optimizing the practical process. The proposed mechanism of model is bases on the simple-diffusion (type 1) facilitation of the permeation-consumption of substrate and the carriermediated (type 2) facilitation of the generation-permeation of product. Input to the model is the phase and chemical equilibria at the interface of external-emulsion and internal-membrane phase. The developed model takes into account the reactivity of internal enzyme, intra-emulsion diffusion and peri-emulsion mass transfer for both substrate and product. Parametric study showed that several parameters have significant influence on the enzymatic reaction with emulsion liquid membrane. The parameters affecting the substrate consumption are Thiele modulus, Biot number, and the relative emulsion capacity to the external phase. The parameters influencing the product generation are carrying capacity and pumping parameter. The proposed model was applied to the hydrolysis of L-phenylalanine methyl ester into L-phenylalanine by an emulsion liquid membrane containing α-chymotrypsin in the internal phase. All parameters needed for modeling could be estimated without using adjustable parameters, but only the thermodynamic, transport, emulsion and enzyme properties. The model predicts satisfactorily the experimental results of the enzymatic reaction in a batch system under various conditions. The effects of W/O emulsion preparation variables on the membrane stability, as well as the transport rate of substrate and product, were studied in a same batch EELM process as that in model application. The experimental data were qualitatively supported by detailed information about emulsion, e.g., emulsion drop size, internal droplet size and emulsion viscosity. The main results are made as follows. ⅰ) The optimum value of W/O volume ratio was determined as 1/1. The enzyme reaction capacity is lower at smaller W/O ratio, while the product transport rate is decreased by higher emulsion viscosity for an emulsion with higher W/O ratio. ⅱ) Extremely high emulsification energy-emulsifier speed and emulsification time-reduces the permeation rate of product as well as enzyme activity. ⅲ) Low concentration of emulsifying agent causes the leakage of enzymes due to membrane breakage. When using an emulsion with large amount of emulsifying agent, the swelling, which is mediated by surfactant molecule, decreases the permeation rate of product. The membrane breakage and swelling have detrimental effects on the continuous process.

'효소 에멀션 액막 공정'은 분산상(내부상)에 수용성 효소가 고정화된 W/O Emulsion을 반응물(기질)이 첨가된 연속 수용상(외부상) 에서 일정한 교반으로 분산시켜 일시적인 이중 에멀션 상태에서 생성물을 얻는 공정이다. 본 논문에서는 이 공정의 회분계 해석을 위하여 수학적인 모델 제시로부터 적절한 인자의 산출을 통한 실험에 의한 검증이 이루어 졌다. 또한, 실제공정을 최적화하기 위하여 효소 반응 전화율 및 액막 안정성에 대한 액막 제조 변수의 영향을 에멀션 특성 - 내부상 및 에멀션 입자 크기 분포, 에멀션 점도 등 - 에 관한 실험을 통하여 정성적으로 해석하였다. 모델은 에멀션의 형태를 고려한 구형 좌표계에서 기질과 생성물의 에멀션내의 전달과정을 반경방향으로의 Fick의 확산 제2법칙에 근거하여 이루어졌다. 기질은 물리적 용해도에 의하여 외부 수용상에서 내부 수용상으로 단순 확산(제 1 형태)하여 내부상의 효소에 의하여 생성물이 생성된다. 생성물은 수용상에만 용해되므로 유기상인 에멀션의 연속상 (액막상)을 지나기 위하여 운반체(Carrier)가 필요하다. 즉, 수용상과 액막상 간의 계면에서 생성물과 운반체는 가역적인 이온 교환 반응을 하여 액막상에 용해되는 혼합체와 수용성 역이온(Counterion)을 생성하게 된다. 이러한 이온 교환 반응은 두 계면, 즉 내부상과 액막상 그리고 외부상과 액막상의 계면에서 일어나며, 생성물은 혼합체의 형태로 외부상으로 이동하게 된다. 이 때 운반체와 혼합체는 액막상내에서 순환하게 되며, 이를 제 2 형태 라고 한다. 효소 반응 실험계는 아미노산 유도체 (L-Phenylalanine Methyl Ester)로부터 아미노산 (L-Phenylalanine)으로의 가수분해 반응으로 α-chymotrypsin 효소가 사용되었다. 이 반응은 화학 합성에 의해 생성된 D,L-Phenylalanine Racemic 혼합물의 광학분할 (Optical resolution)의 중요 단계인 D,L-Phenylalanine Methyl Ester로부터 L-Phenylalanine의 생성 반응과 관련된다. 모델링에 필요한 인자는 기질, 생성물, 효소, 운반체 등에 대한 열역학 특성값, 효소 반응 동적 인자, 물질 전달 계수, 확산 계수 등으로 보조 실험 또는 경험식에 의해서 산출되었으며, 모델은 반응 속도및 전화율에 대한 실험 변수들의 영향을 해석할 수 있었으며, 실험 결과를 예측할 수 있었다. 적당한 가정 - 예를 들면, 시간에 따라 일정한 에멀션 크기, 내부상 입자 크기의 무시, 액막 파괴 무시 등 - 하에 이루어진 모델로서 예측할 수 없는 실험 변수들의 영향은 몇가지 에멀션 특성값을 얻을 수 있는 실험으로 정성적으로 해석이 가능하였다. 이러한 실험 변수는 높은 에멀션내의 W/O 부피비, 유화제(계면활성제) 농도, 에멀션 제조에 필요한 에너지 등으로 에멀션 제조 조건과 관련된다. 정성적 해석을 위한 실험은 사진 촬영에의한 에멀션의 크기및 분포 측정, 입자 크기 분석기 (Particle Size Analyzer)에 의한 내부상 입자의 크기및 분포 측정, 점도계를 사용한 에멀션 점도 측정 등이다. 실험 결과, 안정한 액막을 유지하면서 반응 전화 속도를 높이는 최적 에멀션의 W/O 부피비는 1/1로 제시되었고, 낮은 W/O 부피비에서는 반응 속도가 늦은 반면 높은 W/O 부피비에서는 에멀션의 점도가 높아 생성물의 투과 속도가 낮았다. 높은 에멀션 제조 교반 속도 및 오랜 교반 시간은 효소의 활성을 감소시킬 뿐만 아니라 생성물의 투과 속도도 떨어 뜨렸다. 낮은 농도의 유화제 (emulsifying agent)를 사용한 에멀션의 경우는 막 파괴 로 인한 효소의 유출이 심하였고, 높은 농도에서는 계면 활성제 (유화제) 분자들이 물분자의 이동 운반체 역할을 하여 팽윤 (swelling) 현상이 일어났다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 93017
형태사항 x, 130 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 장재화
지도교수의 영문표기 : Won-Kook Lee
지도교수의 한글표기 : 이원국
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Reference : p. 117-125
주제 Enzymes.
Chemical reactors.
Emulsions.
효소 반응. --과학기술용어시소러스
회분 조작. --과학기술용어시소러스
에멀션. --과학기술용어시소러스
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