생분해성 플라스틱의 분리·정제 및 생분해도 평가에 관한 연구

Abstract

Polymeric materials are of immense importance for various applications. Chemically synthesized polymers have, in contrast to biopolymers, almost unlimited life-spans and thus result in soild waste problems. Utilization of biodegradable plastics can solve the solid waste problems due to plastics. In addition, the use of biopolymers is based on renewable resources and contributes to material cycling analogous to the natural biochemical cycles in nature. Poly(β-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate, PHB/V) have attracted much attention in recent years as biocompatible and biodegradable thermoplastics with potential application in agriculture, marine and medical filed. PHB/V is an energy and carbon storage material accumulated intracelluarly by numerous microorganims under an favorable growth conditions in the presence of excess carbon source. The purpose of this study was to develop a simpler and more economical way of recovering PHB/V from broth produced by Ralstonia eutropha, and in this study, the biodegradation of PHB/V films with different comonomer composition is investigated. PHB/V purification and recovery using SDS(sodium dodecyl sulfate) and NaOH were carried out with the cell broth of R. eutropha . When PHB/V content of cell broth was 66%(HV 6.8mol%), PHB/V content 83%(HV 8.0mol%), PHB/V content 84%(HV 14.5mol%), and PHB/V content 80.3%(HV 21.2mol%), the cell concentrations were 100, 150, 200g/L and the weight ratio of SDS/NaOH/Biomass was over 0.3:0.02:1, the purity and recovery of PHB/V were obtained over 95%. Especially, in the high PHB/V content, the purity and recovery were 99% at SDS/NaOH/Biomass 0.1:0.02:1. Therefore, SDS and NaOH digestion method was found to be effective to purification and recovery. Biodegradability of the poly(β-hydroxybutyrate-co-3 -hydroxyvalerate, PHB/V) containing 0, 7 and 14mol% hydroxyvalerate [HV] was studied. Biodegradability of PHB/V was evaluated at 30℃ for 58 days and 55℃ for 33 days by monitoring the time-dependent changes in weight loss(erosion) of aerobic conditions in a temperature-controlled microcosms containing the earthworm cast (30℃) and compost (55℃). It was found that PHB/V biodegradability occurred with increasing HV monomer concentration from 0 mol% to 14 mol%.;Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate, PHB/V)는 생분해성 플라스틱으로서 기존의 합성 플라스틱과 물성이 유사하면서도 완전히 분해되기 때문에 관심을 모으고 있다. 그러나 생분해성 플라스틱은 생산단가가 높아서 이의 사용이 보편화되기 위해서는 생산단가의 절감이 필요하다. 높은 생산단가의 절감을 위해서는 효율적인 배양기술 개발, productivity가 높은 균주의 개발, 그리고 경제적이고 효율적인 분리·정제 기술의 개발이 시급하다[3]. 생분해성 플라스틱 개발도 중요하지만 개발된 생분해성 플라스틱이 생분해도를 평가하는 것도 중요하다. 본 연구에서는 Ralstonia eutropha를 이용하여 생산된 PHB/V 함량이 다양한 배양액을 가지고, SDS와 NaOH를 이용하여 효과적으로 PHB/V를 분리·정제하는 방법과 PHB/V의 생분해도 평가에 관하여 연구하였다. Ralstonia eutropha를 이용하여 생산된 PHB/V 함량이 66%(HV content 6.8%), 83%(HV content 8.0%), 84%(HV content 14.5%), 80.3%(HV content 21.2%)인 세포배양액으로 PHB/V를 SDS와 NaOH를 이용하여 분리·정제하였다. 건조세포 중량을 100, 150, 200g/L가 되게 하고, 각각의 세포농도에서 SDS/Biomass의 중량비가 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5인 조건과 SDS/NaOH/Biomass의 중량비가 0.1:0.02:1, 0.2:0.02:1, 0.3:0.02:1, 0.4:0.02:1, 0.5:0.02:1인 조건에서 정제 실험을 수행하였다. PHB/V 함량이 74.6%(HV content 14.1%)인 세포 배양액에 SDS만을 첨가하였을 경우 SDS:Biomass 0.3:1 이상일 때 회수된 PHB/V의 순도가 95%이상 되었다. 그리고 NaOH 첨가 효과를 보기 위해 SDS와 NaOH의 첨가량을 다양하게 하여 정제 실험을 수행하였는데, NaOH:Biomass 0.02:1의 비율로 SDS와 함께 첨가하였을 때 회수된 PHB/V의 순도와 회수율이 가장 좋았다. SDS의 첨가량이 적을수록 NaOH를 첨가함으로써 순도를 높일 수 있었으므로, NaOH를 소량 첨가하여 SDS의 첨가량을 줄일 수 있었다. 순도 95% SDS를 사용하여 얻은 PHB/V 분리·정제 효율은 순도 99% SDS를 사용했을 경우와 거의 유사하였다. 따라서, 순도 95% SDS 시약을 이용함으로써 PHB/V 분리·정제 비용을 저감할 수 있다. 본 연구에서 사용한 방법은 배양액에 직접 SDS와 NaOH를 첨가하여 PHB/V를 회수하는 방법으로, 기존의 방법에 비해 배양액으로부터 균체 회수 및 세정 공정이 생략 가능한 간단한 방법임을 확인을 하였다. 지렁이 분변토와 퇴비를 이용하여 생분해성 플라스틱 분해 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용한 생분해성 플라스틱은 Ralstonia eutropha에 의해 생산된 PHB/V로서 HV 함량이 0mol%, 7mol%, 그리고 14mol%인 3종류의 배양액으로 PHB/V film을 만들어 사용하였다. 지렁이 분변토 및 퇴비 microcosm에서 PHB/V film의 생분해도를 조사한 결과, 30℃ 지렁이 분변토에서는 배양 58일후에 PHB/V film이 80%이상 분해되었다. 이에 비해 55℃ 퇴비에서는 PHB/V film이 거의 대부분이 분해되는데 약 33일이 소요되었다. 본 실험에서 30℃보다는 55℃에서 PHB/V의 분해가 빠르게 진행되어, PHB/V 분해는 비교적 고온에서 급격히 촉진되는 것으로 판단되었다. HV 함량이 0, 7 및 14mol%인 3종류의 PHB/V film의 생분해도를 비교한 결과, HV 함량이 가장 높은 14mol% PHB/V 시료의 분해도가 가장 좋았다. PHB/V 분해에 따른 microcosm의 특성 변화를 pH, 전기전도도, 탈수소효소 측정으로 조사하였다. 지렁이 분변토 microcosm에서 PHB/V film을 분해시켰을 때, 배양 시간이 경과함에 따라 분변토의 pH는 6.2에서 4.5로 저하되었다. 그러나 퇴비 microcosm의 경우 배양 시간이 경과함에 따라 pH는 7.8에서 9.0으로 상승하였다. 각 microcosm에서 분변토와 퇴비의 전기전도도는 배양시간에 따라 감소하였다. 각 microcosm에서 PHB/V film이 분해되는 동안의 분변토와 퇴비의 미생물 활성 변화를 탈수소 효소 활성으로 조사하였는데, 각각의 경우, 탈수소 효소 활성은 증가하다가 감소하는 경향이 관찰되었다.