키토산 및 키틴 막에 의한 단백질의 친화 여과 크로마토그래피 1 : 다공성 친화 막의 제조와 특성 평가

염경호,육영재 한국막학회 2006 멤브레인 Vol.16 No.1

실리카 입자를 기공 형성제로 사용하여 다공성 키토산 및 키틴 막을 제조하였다. 다공성 막의 제조는 다음의 3단계 절차로서 수행되었다: (1) 키토산 용액에 실리카 입자를 첨가시켜 필름을 형성시킨 후, (2) 이 필름을 알카리 용액에 침지시켜 실리카 입자를 제거하여 다공성의 키토산 막을 제조하였으며, (3) 다공성 키토산 막을 acetic anhydride를 사용하여 아세틸화시킴으로서 다공성 키틴 막을 제조하였다. 물리적 강도가 우수하고, 적절한 순수 투과량을 갖는 다공성 키토산 막과 키틴 막의 최적 제막조건이 제시되었다. 단백질 친화성을 부여하기 위해 다공성 키토산 막에 반응성 염료인 Cibacron Blue 3GA를 고정화시켰으며, BSA 단백질 및 lysozyme 효소의 흡착실험을 수행하여 친화 키토산 막 및 키틴 막의 단백질 결합용량을 측정하였다. 친화 키토산 막의 BSA 단백질 결합용량은 약 22 mg/mL이었으며, 친화 키틴 막의 lysozyme 효소 결합용량은 약 26 mg/mL로서 이는 키토산 또는 키틴을 기반으로 하여 제조된 hydrogel bead의 단백질 결합용량보다 수~수십 배 큰 값으로서, 향후 막여과 크로마토그래피용 친화 막으로의 효과적인 활용이 기대된다. Porous chitosan and chitin membranes were prepared by using silica particles as porogen. Membrane preparation was achieved via the following three steps: (1) chitosan film formation by casting an chitosan solution containing silica particles, (2) preparation of porous chitosan membrane by dissolving the silica particles by immersing the film into an alkaline solution and (3) preparation of porous chitin membrane by acetylation of chitosan membrane with acetic anhydride. The optimum preparation conditions which could provide a chitosan and chitin membranes with good mechanical strength and adequate pure water flux were determined. To allow protein affinity, a reactive dye (Cibacron Blue 3GA) was immobilized on porous chitosan membrane. Binding capacities of affinity chitosan and chitin membranes for protein and enzyme were determined by the batch adsorption experiments of BSA protein and lysozyme enzyme. The maximum binding capacity of affinity chitosan membrane for BSA protein is about 22 mg/mL, and that of affinity chitin membrane for lysozyme enzyme is about 26 mg/mL. Those binding capacities are about several~several tens times larger than those of chitosan and chitin-based hydrogel beads. Those results suggest that the porous chitosan and chitin membranes are suitable in affinity filtration chromatography for large scale separation of proteins.

고분자 용액의 한외여과에서 농도분극층 저항에 관한 연구

염경호 한국막학회 1992 멤브레인 Vol.2 No.1

십자류 흐름 평판형 cell에서 비대칭 cellulose acetate 막으로 PEG #6000 및 dextran 70T 용액의 한외여과를 압력차와 도입용액 농도 변화에 따라 실험하여 막투과량 및 용질 배제도를 측정하고, 막투과량에 미치는 농도분극층 저항을 고찰하였다. 이 결과 농도분극층 저항 Rb1을 농도분극층내의 고분자 용액의 평균 농도 Cb1과 상관시켜 다음의 무차원 관계식으로 나타낼 수 있다. Rb1Rm=α[ρb1Cb1]β The experimental studies were carried out on ultrafiltration of PEG #6000 and dextran 70T macromolecules. using an asymmetric cellulose acetate membrane in a cross flow plane type cell. Effects of pressure difference. feed concentration were studied on permeate flux and observed rejection for both the macromolecules. and the concentration polarization layer resistance Rb1 on permeate flux was analysed. The concentration polarization layer resistance Rb1 was correlated with the average macromolecule concentration Cb1 in polarization layer. The resulting dimensionless correlation was expressed as : Rb1Rm=α[ρb1Cb1]β

키토산 및 키틴 막에 의한 단백질의 친화 여과 크로마토그래피 2 : BSA 및 Lysozyme의 분리

염경호,육영재 한국막학회 2009 멤브레인 Vol.19 No.2

실리카 입자를 기공 형성제로 사용하여 물리적 강도와 단백질 결합용량이 높은 다공성 키토산 및 키틴 친화 막을 제조하였다. 키토산 친화 막의 BSA 단백질 결합용량은 최대 21.8mg/mL이었으며, 키틴 친화 막의 lysozyme 효소 결합용량은 최대 26.1mg/mL이었다. 제조된 다공성 키토산 및 키틴 친화 막을 사용하여 단백질 용액의 loading 유량, loading 양 및 농도 변화에 따른 BSA와 lysozyme의 친화 막 여과 크로마토그래피 분리 실험을 수행하였다. 친화 막 여과 크로마토그래피 분리 실험을 통해 얻어진 loading/washing/elution의 단계로 구성된 일련의 크로마토그램으로부터 단백질 용출량과 결합수율을 구하였다. 키토산 및 키틴 친화 막에의 BSA 및 lysozyme 단백질의 결합량과 결합수율은 loading용액의 유량이 작을수록, 주입량 및 농도가 클수록 증가하였다. 이 결과로부터 실리카 입자를 기공 형성제로 사용하여 제조된 다공성 키토산 및 키틴 막은 단백질의 대규모 여과 크로마토그래피 분리를 위한 친화 막으로서 효과적인 활용이 기대된다. Porous affinity chitosan and chitin membranes with good mechanical strength and high protein binding capacity were prepared by using silica particles as porogen. The maximum binding capacity of affinity chitosan membrane for BSA protein is 21.8mg/mL, and that of affinity chitin membrane for lysozyme enzyme is 26.1mg/mL. Chromatographic separations of BSA and lysozyme proteins using the porous affinity chitosan and chitin membranes were performed with change of the flow rate, loading amount and concentration of protein loading solutions. Protein eluted amount and binding yield were calculated from the filtration chromatograms consisted of loading/washing/elution sequences. Protein binding amount and yield were increased with decreasing of flow rate, increasing of loading amount and concentration of protein loading solutions. Those results suggest that the porous chitosan and chitin membranes prepared by using silica particles as porogen are suitable in affinity filtration chromatography for large scale separation of proteins.

나노여과에 의한 중금속 함유 산성 폐에칭액의 재생(I): 상용 나노여과 막의 산 안정성 평가

염경호,신화섭,진천덕,Youm, Kyung-Ho,Shin, Hwa-Sup,Jin, Cheon-Deok 한국막학회 2009 멤브레인 Vol.19 No.4

본 연구는 전자 및 반도체 산업의 각종 에칭공정에서 발생되는 중금속 함유 산성 폐에칭액을 NF 막분리법을 이용하여 에칭액 회수와 중금속 처리를 효율적으로 수행하기 위한 NF 막공정의 운전조건을 설정하기 위한 기본 자료를 확보하는데 있다. 이를 위해 3가지 종류의 상용 NF 막(General Electric Co. Duraslick NF-4040 막, Dow Co. Filmtec LP-4040 막 및 Koch Co. SelRO MPS-34 4040 막)을 대상으로 $Pb^{+2}$ 중금속을 함유한 모의 질산 폐에칭액의 회분식(dead-end) 막여과 실험을 수행하여 폐에칭액의 투과 플럭스와 $Pb^{+2}$ 중금속 이온의 총괄 배제도를 측정하여 폐에칭액 처리에 우수한 NF 막을 선정하였다. 실험결과 질산용액에의 막 보관기간이 길수록, 질산용액의 pH가 낮을수록 산에 의한 막의 손상이 심해졌으며, 질산에 의한 막의 손상은 SelRO MPS-34 4040 < Duraslick NF-4040 < Filmtec LP-4040 막의 순서로 심하게 일어났다. 또한 질산용액에의 막 보관기간이 길수록, 질산용액의 pH가 낮을수록 $Pb^{+2}$ 이온의 배제도가 낮아졌으며, 배제도 값은 Duraslick NF-4040 막의 경우에는 95% 수준의 초기 배제도 값에서 질산용액에의 4달 보관 후에는 20% 수준으로, SelRO MPS-34 4040 막의 경우에는 초기 85% 수준에서 4달 후 65% 수준으로, Filmtec LP-4040 막의 경우에는 초기 90% 수준에서 4달 후 10% 이하 수준으로까지 감소하였다. 3종류의 상용 NF 막 중 내산성 용도로 개발된 SelRO MPS-34 4040 막이 중금속 함유 산성 폐에칭액의 재생에 가장 적합하였다. In this study the nanofiltration (NF) membrane treatment of a nitric acid waste solutions containing $Pb^{+2}$ heavy metal ion discharging from the etching processes of an electronics and semiconductors industry has been studied for the purpose of recycling of nitric acid etching solutions. Three kinds of NF membranes (General Electric Co. Duraslick NF-4040 membrane, Dow Co. Filmtec LP-4040 membrane and Koch Co. SelRO MPS-34 4040 membrane) were tested for their separation efficiency (total rejection) of $Pb^{+2}$ ion and membrane stability in nitric acid solution. NF experiments were carried out with a dead-end membrane filtration laboratory system. The membrane permeate flux was increased with the increasing storage time in nitric acid solution and lowering pH of acid solution because of the enhancing of NF membrane damage by nitric acid. The membrane stability in nitric acid solution was more superior in the order of Filmtec LP-4040 < Duraslick NF-4040 < SelRO MPS-34 4040 membrane. The total rejection of Pb+2 ion was decreased with the increasing storage time in nitric acid solution and lowering the pH of acid solution. The total rejection of $Pb^{+2}$ ion after 4 months NF treatment was decreased from 95% initial value to 20% in the case of Duraslick NF-4040 membrane, from 85% initial value to 65% in the case of SelRO MPS-34 4040 membrane and from 90% initial value to 10% in the case of Filmtec LP-4040 membrane. These results showed that SelRO MPS-34 4040 NF membrane was more suitable for the treatment of an acidic etching waste solutions containing heavy metal ions.

막유화 다중 에멀젼을 이용한 생분해성 폴리카프로락톤(PCL) 마이크로캡슐의 제조

염경호,지연주 한국막학회 2017 멤브레인 Vol.27 No.6

막유화(membrane emulsification, ME)는 SPG 막과 같이 균일한 크기의 세공을 갖는 막을 사용하여 좁은 입도분 포의 에멀젼을 제조하는 기술이다. 본 연구에서는 막유화법으로 형성시킨 다중 에멀젼을 사용하여 폴리카프로락톤(PCL) 마이크로캡슐의 제조를 연구하였다. 먼저 초음파 유화기로 W 1 /O 단일 에멀젼을 제조한 후, premix 막유화를 적용하여 W 1 /O/W 2 다중 에멀젼을 형성시킨 후 용매 증발을 통해 모델 약물인 BSA가 담지된 PCL 마이크로캡슐을 제조하였다. 연속상에 대한 분산상의 비율(D/C ratio), PCL 농도, 유화제 농도, 모델 약물의 농도, 막간 압력차 등 막유화 변수가 제조된 마이크 로캡슐의 입경과 입도 분포에 미치는 영향을 실험하였다. Premix-ME를 적용하여 평균 입경 5~6 µm의 균일한 크기를 갖는 모델 약물 BSA의 함침량이 약 26%인 다중 코어형 PCL 마이크로캡슐을 제조할 수 있었다. The membrane emulsification (ME) is a technology for producing emulsions with narrow size distribution by using the well-defined porous membranes such as the SPG membrane. In this study, the preparation of polycaprolactone (PCL) microcapsules by using the multiple emulsions obtained from membrane emulsification method is studied. After the making of W 1 /O single emulsions by sonication method, then W 1 /O/W 2 multiple emulsions are formed by premix-ME method. The PCL microcapsules impregnated with BSA model drug are prepared by solvent evaporating from W 1 /O/W 2 multiple emulsions. The effects of various parameters such as the ratio of disperse/continuous phase (D/C ratio), the concentration of PCL, emulsifier and model drug and the transmembrane pressure on the size and distribution of PCL microcapsules are investigated. The uniform PCL microcapsules with about 5~6 µm of mean size and 26% of BSA loading are obtained by the premix membrane emulsification.

막유화법을 이용한 실리카 마이크로겔의 제조

염경호,곽노신 한국막학회 2009 멤브레인 Vol.19 No.2

세공경 1.5μm인 SPG (Shirasu porous glass) 막이 설치된 실험실 규모의 막유화 장치를 사용하여 구(球) 형상의 단분산 실리카 마이크로겔을 제조하기 위한 막유화 공정변수의 최적조건을 결정하였다. 막유화의 공정변수로는 분산상 내규산소다의 농도, 분산상 압력, 연속상에 대한 분산상의 비율, 연속상 내 유화제의 농도, 연속상의 교반속도로 설정하고, 이들 변수가 제조된 실리카 마이크로겔의 입자 크기와 분포에 미치는 영향을 검토하였다. 막유화의 공정변수들 중에서 연속상에 대한 분산상의 비율, 분산상 압력 및 분산상 내 규산소다의 농도가 증가할수록 겔 입자의 크기가 증가하였다. 반면 유화제의 농도와 연속상의 교반속도가 증가할수록 겔 입자의 크기가 감소하였다. 막유화의 공정변수 조절을 통해 최종적으로 평균 입자 크기가 6 μm인 입도분포가 균일한 구 형상의 실리카 마이크로겔을 제조할 수 있었다. We prepared monodispersed spherical silica microgels by controlling various conditions of emulsification procedure using a lab-scale membrane emulsification system equipped with SPG (Shirasu porous glass) porous membrane having pore size of 1.5μm. We determined the effects of process parameters of membrane emulsification (ratio of dispersed phase to continuous phase, sodium silicate concentration, emulsifier concentration, dispersed phase pressure, stirring speed) on the mean size and size distribution of silica microgels. The increase of the ratio of dispersed phase to continuous phase, dispersed phase pressure and sodium silicate concentration led to the increase in the mean size of microgels. On the contrary, the increase in emulsifier concentration and stirring speed of the continuous phase caused the reduction of the mean size of microgels. Through controlling these parameters, monodisperse spherical silica microgels with about 6 μm of the mean size were finally prepared.

PES-TiO2 복합막의 제조 및 막 특성 평가

염경호,이미선 한국막학회 2007 멤브레인 Vol.17 No.3

침지침강 상변환법으로 폴리에테르설폰(PES)-TiO2 복합막을 제조하였다. 14 wt% 및 20 wt%의 PES/NMP 기준 고분자 용액에 TiO2 나노입자를 PES에 대해 0~60 wt%로 첨가량을 달리하여 복합막 제조에 사용될 캐스팅 용액을 준비하였다. 제조된 PES-TiO2 복합막의 막 특성과 몰폴로지를 TiO2 첨가량에 따른 캐스팅 용액의 점도, coagulation value, 광투과도와 복합막의 인장강도, 세공크기 및 접촉각, 표면 및 단면 SEM 사진, BSA 용액의 한외여과 실험을 통해 규명하였다. 캐스팅 용액에 첨가시킨 TiO2 입자의 함유량이 증가함에 따라 점도는 증가하고 coagulation value는 낮아져 캐스팅 용액의 열역학적 불안정성이 증가하였다. TiO2 입자의 첨가량이 증가함에 따라 1) 순간분리의 침강형식을 유지하면서 침강속도가 빨라졌으며, 2) 순수투과량, 세공크기 및 압밀화 안정성이 증가하며, 3) 인장강도와 접촉각은 감소하였다. PES-TiO2 복합막의 BSA 용액에 대한 전량여과식 한외여과 실험결과 TiO2 입자의 함유량이 증가함에 따라 막의 친수화 특성이 증가하여 투과플럭스가 증가하였으며, TiO2가 첨가되지 않은 막과 비교하여 최대 7배까지 투과 플럭스가 향상되었다. The polyethersulfone(PES)-titanium oxide(TiO2) hybrid membranes were prepared by immersion precipitation phase inversion method. The casting solution for the preparation of PES-TiO2 hybrid membrane was provided by adding TiO2 nano particles into the basis polymer solution of 14 wt% and 20 wt% PES/N-methyl-2-pyrrolidone(NMP). The TiO2 loading [wt% (TiO2/NMP)] in eating solution was varied from 0 to 60 wt%. Membrane performance and morphological change of the resulting PES-TiO2 hybrid membranes were discussed in aspect of TiO2 loading, by viscosity, coagulation value and light transmittance of the casting solution, measurement of tensile strength, pore size and contact angle, surface and cross sectional SEM images of the hybrid membrane, and ultrafiltration experiments using the hybrid membrane. According as increase of TiO2 loading in the casting solution, viscosity is increased and coagulation value becomes lower, therefore the thermodynamic instability of the casting solution is increased. It is found that when TiO2 loading is increased, 1) precipitation rate becomes faster while instantaneous demixing is maintained, 2) pure water flux, membrane pore size and compaction stability of the resulting membranes are increased, 3) tensile strength and contact angle are decreased. Dead-end ultrafiltration of bovine serum albumin(BSA) solution using the hybrid membrane shows that membrane performance(flux of BSA solution) enhanced up to 7 times compared with the results obtained using the pure PES membrane(not containing TiO2 particle), due to the increase of hydrophilicity.

Cross - flow 막모듈을 이용한 Cyclodextrins 의 효소적 생산과 동시 분리

염경호,홍준기 한국화학공학회 2000 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.38 No.1

Cross-flow 막모듈이 설치된 막 생물반응기를 사용하여 가용성 전분으로부터 cyclodextrins(CDs)의 효소적 생산과 동시 분리에 대한 연구를 수행하였다. 이 결과 막 반응기는 CDs를 생산 즉시 crass-flow 막모듈을 통해 연속 분리시킴으로써 CDs의 효소 저해 및 선형 maltooligosaccharide로의 전환을 억제시켜 전분의 CDs로의 전환율을 37%로 일정하게 유지시킬 수 있었다. 10%(wt/vol)전분용액, 2 atm의 조작압력 및 600㎖/min의 순환유량 하에서 막 반응기를 24시간 동안 운전하였을 때 CDs의 막 단위 면적당 총 생산량은 약 6.7㎏/㎡이었으며, 이때의 α-, β-, γ-CD 각각의 생산비는 약 4.4. : 5.5 : 1 이었다. Cross-flow 막모듈을 설치한 막 반응기에서의 CDs 전체의 생산량과 생산성은 dead-end 막모듈을 설치한 막 반응기의 경우보다 약 1.8-2배 증가하였다. A study on the enzymatic production and simultaneous separation of cyclodextrins(CDs) from soluble starch was performed in a membrane bioreactor equipped with the cross-flow membrane module. The conversion of starch to CDs was maintained at a constant value of 37%, since the cross-flow membrane module, in which the separation of CDs from the reaction solution was occurred, suppressed the product inhibition and the breakdown of CDs to the linear maltooligosaccharide. After the reaction for 24 hr using a 10%(wt/vol) soluble starch solution, the produced amount of total CD per unit membrane area was about 6.7 ㎏/㎡ at the operating pressure of 2 atm and the circulation rate of 600 ㎖/min. Under these operating conditions, the production ratio of α-CD : β-CD : γ-CD was about 4.4 : 5.5 : 1. The produced amount and productivity of CDs in a membrane reactor equipped with the cross-flow membrane module were about 1.8-2 times higher than that in a membrane reactor equipped with the dead-end membrane module.

초음파를 이용한 한외여과의 성능 향상

염경호,육영재 한국막학회 2003 멤브레인 Vol.13 No.4

BSA 용액을 대상으로 한 dead-end 및 cross-flow 한외여과에서 막모듈에의 초음파 조사가 막성능 향상에 미치는 효과를 연구하였다. 이 결과 막모듈에의 간헐적 또는 연속적 초음파 조사는 막오염의 형성 억제 및 막오염 층의 제거에 상당한 효과가 있음이 확인되었다. 초음파 조사에 의한 막성능 향상 효과는 막오염을 크게 유발시키는 운전조건(도입액 농도와 TMP가 높고, 유량이 낮은 운전조건)일수록 더 컸으며, 막모듈에 초음파를 조사시키면 조사시키지 않은 경우와 비교할 때 dead-end 한외여과에서는 최대 약 1.9배, cross-flow 한외여과에서는 최대 약 1.5배의 투과플럭스 향상을 얻을 수 있었다. To improve membrane performance, the dead-end and Cross-flow ultrafiltration with or without ultrasound irradiation onto the membrane module were carried out using a BSA protein solution. Intermittent or continuous irradiation of ultrasound effectively suppressed the formation of fouling on membrane or removed the fouling layers from membrane. Effect of ultrasound irradiation on the enhancement of ultrafiltration performance was more increased at the operating conditions which form more membrane fouling (at the operating conditions of higher feed concentration and TMP, and lower flow rate). The permeate flukes were enhanced up to 1.9 times in case of the dead-end ultrafiltration and 1.5 times in case of the cross-flow ultrafiltration by ultrasound irradiation onto the membrane module.

막크로마토그래피에 의한 단백질 분리정제

염경호 한국막학회 2021 한국막학회 총회 및 학술발표회 Vol.2021 No.11