HRP를 이용한 Kraft Lignin의 새로운 공중합 화합물 합성

이 성문, 임 철현, 유 영제*

서울대학교 응용화학부 생물화공연구실

Synthesis of Novel Polymers Using HRP

via Chemical Degradation of Kraft Lignin

Sung Moon Lee, Chul Hyun Lim and Young Je Yoo*

Biochemical Engineering Lab, Division of Chemical Engineering,

Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

Introduction

Lignin은 지구상에서 cellulose 다음으로 풍부한 천연고분자로서 매년 펄프공정과 제지공정에서 약 50 x 106 t 정도의 양이 배출되고 있다. 그러나 유용한 물질로 사용되지 못하고 대부분 연료로 쓰이고 있는 실정인데, 이는 그 구조가 너무 복잡하고 polydisperse하며 규칙성이 없기 때문에 화학적, 생물학적인 방법을 사용하여 유용한 물질로 바꾸는 데에는 많은 어려움이 있기 때문이다.

최근 유기용매에서 horseradish peroxidase(HRP)를 촉매로 한 여러 가지 phenolic compounds에 대한 중합이 이루어지고 있다. Phenylpropanoid units (coniferyl alcohol, p-coumatyl alcohol, 그리고 sinapyl alcohol) 의 aryl결합과 alkyl ether결합으로 이루어진 lignin은 phenolic polymer의 합성에서 사용하는 monomer와 비슷한 형태의 phenol기를 갖는 monomer가 가지형태의 고분자로 되어져 있는 것이므로 적절한 변형이 이루어진다면 photoresist, polymeric dispersants, soil conditioning agents, adhesive, laminates로서 사용할 수 있는 잠재성을 지니고 있다.

본 연구에서는 kraft공정에서 생산되는 lignin을 화학적으로 분해시킨 후 HRP를 사용하여 p-cresol, phenol 등과 공중합을 시도하였고 이것을 통하여 구조적으로 복잡한 lignin의 단점을 극복할 수 있을지, 더 나아가 phenol을 대체할 monomer로서의 가능성이 있는 지 가능성을 타진해 보았다. 이를 위해 분해된 lignin과 p-cresol copolymer의 구조를 관찰하였으며 분해된 kraft lignin과 phenolic compounds 공중합체의 열적 특성을 측정하였다.

Materials and Methods

실험에 사용한 효소는 horseradish peroxidase이며 solvent는 solvent는 1,4-dioxane, N,N- dimethylformamide(DMF), tetrahydrofura (THF)등이었다.

Lignin의 acidolysis를 위해 Dioxane-water (9:1 v/v) 100ml에 kraft lignin (1g/100ml)을 넣고 0.2M HCl이 되도록 조절하여 넣어준다. 이 때 이 용액은 reflux를 해 주어야 하여 70∼80℃ 정도로 맞추어 주고 4시간 이상 교반시킨다. 주의해야할 사항은 dioxane-water azeotrope (81.6% dioxane)의 끓는 점은 87.8℃이므로 acidolysis로 처리하는 동안 용매가 손실되지 않도록 한다.

위에서 acidolysis를 통하여 얻어진 용액에 0.2M  Tris(hydroxymethyl) aminomethane를 넣어주어서 pH 7이 되도록 한다. pH 7로써 조절이 이루어지면 dioxane 과 buffer 용액이 5:5가 되도록 buffer용액 혹은 dioxane을 넣어준다.

중합실험시 Phenolic compounds 0.2M을 dioxane 20ml에 녹이고 pH 7의 buffer solution을 15ml을 첨가하여 35ml의 solution에 phenolic compound가 녹아있는 상태의 용액을 얻는다. HRP(0.001g/40ml)와 13.68M H2O2 (35% solution)를 제조하여 이미 준비된 용액에 먼저 HRP를 약간 가하고 H2O2를 소량씩 남아있는 HRP와 함께 가함으로써 중합반응을 시작한다. 반응온도는 25℃로 일정하게 유지하고 12∼18시간 동안 교반을 한다. 이 상태의 용액에 Tri-chloro acetic acid (TCA) solution을 약간 가하여 HRP의 활성이 더 이상 반응에 영향을 끼치지 못할 정도로 저하시킴으로써 반응을 완료한다.

고분자를 얻기 위해서 사용된 dioxane과 buffer는 25℃에서 건조시킨다. 이 때 고분자의 열적 성질이 변화할 수 있으므로 가급적 온도를 상온으로 유지시켜주도록 한다. 건조된 고분자는 물로 세척하여 반응하지 않은 phenolic compounds의 monomer와 효소, buffer등을 제거하고 다시 25℃상태에서 건조를 하여 완전히 말린 후 시료를 얻는다.

Results and Discussion

고분자 합성 실험은 pH 7.0의 buffer를 사용하여 dioxane : buffer(pH 7.0) = 50 : 50 (v/v)에서 HRP로 (a) kraft lignin 과 p-cresol (b) acidolysis kraft lignin (c) acidolysis kraft lignin 과 p-cresol (d) coniferyl alcohol 과 p-cresol (e) p-cresol (f) acidolysis kraft lignin과 phenol (g) acidolysis kraft lignin과 kraft lignin의 공중합체에 대하여서 이루어졌다. 각각의 고분자에 대한 분자량은 Table 1과 같다. lignin을 이용한 중합체들의 분자량은 대체로 10,000~13,000 정도로서 종류에 관계없이 유사한 값들을 보이고 있다.

polymer	molecular weight (Mn)
(a) Kraft lignin	15,000 ∼ 17,000
(b) Acidolysis products polymer	9,000 ∼ 13,000
(c) Acidolysis products + p-cresol copolymer	8,500 ∼ 12,000
(d) Coniferyl alcohol + p-cresol copolymer	9,500 ∼ 14,000
(e) p-Cresol polymer	9,300 ∼ 13,500
(f) Acidolysis products + phenol copolymer	9,200 ∼ 13,200
(g) Acidolysis products + lignin copolymer	9,500 ∼ 14,000

Table 1  The number average molecular weight(Mn) of polymers

고분자의 열 분석은 (a) acidolysis kraft lignin의 HRP 중합 고분자 (b) acidolysis lignin 과 p-cresol의 공중합체 (c) acidolysis kraft lignin과 phenol의 공중합체 등에서 행해졌다.

Acidolysis kraft lignin을 HRP로 합성한 고분자와 acidolysis kraft lignin과  p-cresol의 copolymer의 경우 Fig 1, Fig 2에서 보는 바와 같이 두 개의 열적흡수를 보이고 있는데 이는 두 종류의 고분자가 존재한다는 것을 의미한다.  p-cresol의 중합체는 오직 단일한 구조만이 얻어지므로 이 경우 효소에 의해 lignin이 중합에 간여되었다는 것을 알 수 있다. 또한 TGA등의 다른 데이타를 통해 이것이 acidolysis라는 과정에 기인한 것이 아니라 HRP에 의해 원래와 다른 중합체가 형성되었음을 알 수 있다.

Fig 1  Thermal property of acidolysis products polymer using HRP

Fig 2  Thermal property of acidolysis lignin and p-cresol copolymer

Acidolysis Kraft lignin과 phenol과의 공중합체의 경우 Tm이 148.5℃ 와 261.0℃이인 중합체가 공존하였다. fig 3 을 보면 앞의 중합체와 마찬가지로 두 가지의 peak를 볼 수 있지만 [eqn: DELTA]H값이 작아진 것을 확인할 수 있다. phenol을 포함하는 고분자의 경우 다른 고분자에 비하여 높은 Tm에 대한 낮은 Tm의 [eqn: DELTA]H값 비율이 증가하는 것을 볼 수있다.

Lignin이 가공된 새로운 고분자는 열적 성질이 우수하여 내열성의 소재로 사용할 수 있다 또한 두가지의 중합체가 공존하기 때문에 가공성도 우수하므로 산업적 응용성이 풍부하다. 또한 C13 NMR data 분석 결과 benzene ring의 ortho위치에 결합이 형성되는 선형구조가 대부분을 차이하고 있는 것으로 보아 자외선에 안정한 성질을 지니고 있는 것을 알 수 있다.

Fig 3 Thermal property of acidolysis lignin and phenol copolymer

Reference

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Lignins via Peroxidase-Catalysed Copolymerization in Nonaqueous Media",      Enzyme Microb. Technol., 13, 964-968(1991).

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