Earticle

This review presents the preparation, transport mechanism and application of molecularly imprinted membranes (MIM). Molecular imprinting has now been established as a technique which allows the creation of tailor-made binding sites for many classes of compounds. MIM have some advantages; a high capacity due to a large surface area, faster transport of substrate molecules and faster equilibrium of binding cavities compared to molecularly imprinted particles. MIM were prepared by covalent and non-covalent chemical bonding systems, by interactions between functional monomer and template. MIM can be prepared by in-situ polymerization, wet phase inversion, dry phase inversion, and surface imprinting method. MIM can continuously separate mixtures based on facilitated or retarded diffusion of the template. MIM can change their permeability in the presence of templates. MIM have a potential to be used to separate chiral compounds and materials with similar structures. However the application of MIM by the chemical industries is still in its infancy stages.

이상을 통해 숙신산 분리정제를 위한 반응추출의 원리와 연구개발 및 적용 사례를 살펴보았다. 반응추출은 에너지가 적게 드는 고효율 생물분리공정이라는 장점을 확인할 수 있었으며 향후 카르복실산 이외에 항생제를 비롯한다양한 생물분자들의 분리정제에 적용할 수 있는 높은 응용 가능성을 갖고 있다. 그러나 특정 카르복실산의 회수를 목적으로 할 경우 추출제의 pH제한성은 극복되어야 할 문제점으로 작용할 수도 있다. 이와 병행하여 추출된 특정카르복실산의 효과적인 회수 및 용매 재활용을 위한 재생공정의 개발도 요구된다. 기존에는 온도-스윙-재생법(temperature-swing-regeneration, TSR)이나 희석제-스윙-재생법 (diluent-swing-regeneration, DSR)을 주로 사용하였으나 회수율이 낮은 단점이 있다. 반응추출 공정의 경제성 향상을 위해서는 이를 개량하거나 대체할 수 있는 공정의 개발이 요구된다. 아울러 발효공정의 수율향상과 생성물의 동시분리를 위해반응추출을 발효공정에 in-situ로 적용하기 위해서는 추출제 및 희석제의 생물적합성 향상을 위한 연구도 필요하다.

Succinic acid is an important material in industries producing biodegradable polymers, food and pharmaceutical products, and green solvents. Furthermore, succinate fermentation is a novel process due to the fixation of CO2 into succinate during fermentation. However, the impurities in fermentation broth make the separation process of succinic acid be difficult. Reactive extraction has been proposed to be an effective primary separation step of succinic acid from dilute fermentation broth. This article presents the principles of reactive extraction along with the characteristics of tertiary amine extractants. A brief overview on the current research on reactive extraction of succinic acid is presented. Finally, for the succinic acid separation, reactive extraction as a primary step is suggested in the whole downstream process for succinic acid from fermentation broth.

PLC는 약물과 천연물질의 분리에 많이 사용된다. 분석용으로부터 제조용으로의 scale-up에 따른 분리도가 낮아지는 것을 방지하여야 하며 또한 분리에 대한 효율성과 생산성을 고려하여야 한다. PLC의 최적조건을 선정하는 것은 많은 조업변수에 대한 고려를 해야 하는 힘든 작업이다. 소프트웨어를 이용한 분리공정의 디자인, 최적화, 모사, 분석 등을 통하여 시간을 절약할 수 있으며 효율적으로 공정에 적용되게 한다. 하드웨어에 대한 기초 실험과 예비 생산을 통하여 이러한 공정에 대한 모사를 검증하고 생산량을 결정하고 분리효율을 증가시킬 수 있다. 소프트웨어와 하드웨어의 특성, 종류, 응용을 예로 들어 설명함으로써 분리하고자 하는 물질에 대한 적합한 시스템을 선택하고 적용하여 분리공정을 생산화할 수 있다. 크로마토그래피의 중요성이 증가함에 따라 고성능 및 사용하기 더욱 편리한 소프트웨어와 하드웨어가 나타날 것이며 많은 영역의 분리공정에서 필수적으로 이용될 것이다.

Recently preparative liquid chromatography (PLC) has been used more frequently to separate drugs and natural substances. This modern separation methodologies require reliable tools that perform on a high level in terms of efficiency and reproducibility. However, large-scale PLC easily tends to reduce the yield and purity of the product. To promote the separation efficiency of PLC, we need to properly understand the controlling effects of the process, which may enable to predict the process and to improve the design and operation of PLC. Progress in computer technology allows the use of sophisticated models, provided their parameters can be measured. Some hardwares as well as softwares for PLC were already commercially available. In this work, the separation characteristic of PLC will be reviewed and compared on both the software and the hardware.

In bioengineering field, current academic trends and informations on crystallization technology for bioproduct separation were summarized. It is essential for utilizing the crystallization technology to understand the fundamental phenomena of crystallization of crystal nucleation, crystal growth, crystal agglomeration and population balance for the design of crystallizers. In general, the crystal nucleation that the crystalline solids occur from the solution is analyzed by Gibb's free energy change in the aspect of thermodynamics and in the present paper the crystal nucleation models based on the above thermodynamics are summarized by their key characteristics. The crystal growth and agglomeration, which have been studied over 50 years and are essential phenomena for separation technology, are reviewed from their basic concept to most leading edge trend of researches. In the material and population balances for the designs of crystallization separation process, the analysis of crystallizers is summarized. Thereon, the present review paper will academically contribute the understanding the crystallization phenomena and the design of the crystallization separation process.

Simulated moving bed (SMB) chromatography was used in the petrochemical industry in the 1960s and its use has been widened to separate chiral compounds in the 1990s. Chiral stationary phase (CSP) is the key component in SMB for the separation of the chiral compounds. CSP has been developed for the analytical use in HPLC, however, its development successfully adapted for the preparative use in SMB chromatography. This review covers the present state-art technology of CSP for SMB chromatography in terms of selectivity, stability, and capacity.

현재 석유화학 및 화학분야에서 이온성 액체를 이용한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 휘발성 유기용매의 대체 물질로서 각광을 받고 있는 이온성 액체는 최대 250억불 이상의 시장을 형성할 것으로 기대된다. 위에서 말한 바와 같이 생물공학 분야에서도 이온성 액체를 이용한 연구가 시작되어 용매로 사용하는 방법, 분리매개체로서 사용하는 방법 등 다양하게 이용되고 있다. 이러한 이온성 액체는 효소의 활성, 안정성을 증대시킬 뿐 아니라, 분리 과정도 손쉽게 실현할 수 있다. 또한 환경적 측면과, 경제적인 측면을 고려하여 청정용매로 널리 사용할 수 있을 것이다. 앞에서 말한 바와 같이 생물공학에서 이온성 액체의 응용 가능성은 무한하다 볼 수 있다. 또한, 나노공학과 생물공학을 접목하는 분야에서도 널리 이온성 액체가 쓰일 수 있을 것이다. 유럽과 미국에서는 주로 청정용매로서의 응용에 대한 연구를, 일본에서는 주로 이온 전도성 재료로서의 응용에 대한 연구를 활발히 하고 있다. 이러한 전 세계적인 연구의 활성화에 비하여 국내 상황은 대학 및 연구소에서 산발적으로 연구가 진행되고 있는 수준이다. 이에 국내에서도 이에 대한 관심과 더불어 정부 및 기업체, 대학 및 연구소에 의한 컨소시엄을 형성하여 보다 체계적인 연구지원이 이뤄져야 할 것이다.

Ionic liquids, composed of organic cations and either organic or inorganic anions remain liquid over a wide range of temperature. Ionic liquids are a new group of solvents or extractants of great interest as a potential 'green solvent'. Ionic liquids are gaining wide recognition as novel solvents in many research fields, such as chemistry, chemical engineering, electrochemistry, etc. However, not much researches have been done related to biotechnology using ionic liquids, while a lot of researches have been performed in chemistry. The merits of ionic liquids in bioseparation technology are originated from some unique properties of ionic liquids, such as negligible vapor pressure, good thermal stability, controllable viscosity and miscibility with water and organic solvents. An appropriate selection of ionic liquid for bioprocesses requires basic knowledge on physicochemical properties of ionic liquids. This review gives a brief overview on the application of ionic liquids in biotechnology, including bioconversion and bioseparation.

Chromatography has been a method of choice in the separation of complex biological mixtures for the analytical purpose in particular for the last half of century. In current years, chromatographic method extends its use to the preparative separation where the productivity per resin amount and solvent use become a matter of concern. Recently, simulated moving bed (SMB) method which claims high separation efficiency of the ideal counter-current moving bed chromatography has become a workhorse of preparative separation. SMB technology was developed in the early 1960s for large-scale hydrocarbon separation by UOP and approximately 120 Sorbex units have been licensed to date. Recently, SMB separation technology has been successfully extended from hydrocarbons and sugars to fine chemicals, particularly biochemicals, from laboratory to pilot to production plant. In this paper, the current status of SMB and its modifications were reviewed.

이상 랩온어칩에서 사용된 생물분리 방법과 그 예를 소개하였다. 랩온어칩에서는 수백 마이크로미터 이하의 미세채널을 사용하므로 유사한 크기의 채널을 사용하는 capillary electrophoresis에서 사용되었던 기법들이 가장 많이 활용되어왔으며, 랩온어칩 내에서 물질분리를 위한 기본 방법으로 적용되어왔다. 현재까지 CE에 사용되었던 기법들은 모두 랩온어칩 상에 구현된 바 있으며, 이러한 기술들은 랩온어칩의 활용 가능성 및 활용 분야 증대에 크게 기여하였다. 이외에도, laminar flow의 특성을 이용하거 나, 막을 제작하거나, 추출 기법을 활용하는 등의 다양한 시도가 있었다. 그러나, high-throughput, 이동형 장비를 지향하는 랩온어칩에서 고전압을 사용하는 경우 활용에 제약을 가져올 수 있어, 용도에 맞는 적절한 분리기술의 개발 및 선택이 랩온어칩의 활용 가능성을 결정짓는 중요한 요인이 될 것으로 판단된다.

Lab-on-a-chip is a miniaturized analytical device in which all of the procedures for the analysis of molecules are carried out, such as pretreatment, reaction, separation, detection, etc. Lab-on-a-chip has increasing concern as a device not only for rapid detection of molecules but also for high throughput screening and point of care, because conventional laborious and time consuming analytical procedures can be substituted. Thus, a lot of microfabrication and analytical techniques for lab-on-a-chip have been developed with microstructures smaller than a few hundreds of micrometers. Separation of the molecules is one of the most important components of lab-on-a-chip, because effective separation method can simplify the design and can provide better sensitivity. The electrokinetic separation based on capillary electrophoresis is most widely employed technique in lab-on-a-chip for the control of fluids and the separation of molecules. In this article, bioseparation techniques and its applications realized in lab-on-a-chip are reviewed.

초임계 유체를 이용하여 참기름을 생산하기 위한 기초연구로 참깨에만 존재하는 천연항산화제인 세사몰을 고함유한 참기름의 특성에 대해 연구하였다. 참깨의 볶음온도와 시간, 초임계 유체의 압력과 온도 그리고 초임계 유체의 유속 그리고 보조용매로 물을 사용시 세사몰의 함량에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 그 결과 참깨를 200℃ 이상 배전시 급격히 세사몰 양이 증가하였고, 배전시간을 늘림으로써 그 양을 더욱 증가시킬 수 있었다. 초임계 유체추출시 세사몰 함량은 온도와 압력 증가에 따라 증가하였다. 그리고 초임계 유체의 유속의 경우 유속을 오히려 낮췄을 때 세사몰의 함량이 증가하였는데 이는 유속이 낮아짐으로서 시료와의 접촉시간이 증가하므로 세사몰의 추출메카니즘이 확산에 의해 이뤄짐을 알 수 있었다. 보조용매로 물을 0~1%로 증가함으로서 세사몰의 함량이 증가되었다. 이상의 결과를 토대로 기존 압출추출방법과 초임계추출 방법을 비교한 결과 기존 방법 대비 세사몰 함량이 6.6배, 보조 용매 사용시 11.5배 증가함을 확인할 수 있었다.

Studies for the commercial production of sesame oil using th supercriticl carbon dioxide were made. Characteristics of sesame oil containing one of natural antioxidant 'sesamol', which only exist at sesame seed were also studied during the supercritical fluid extraction. Among the various factors influencing the sesamol contents in the sesame oil, the roasting time and temperature were checked, because sesamol can be converted from sesamolin through pyrolysis. We found that the sesamol content was increased rapidly under the condition of roasting temperature over 200℃ with longer roasting time. The sesamol content was increased as the temperature and pressure increased, which was caused by increase of solubility of sesamol against sesamol oil. And the sesamol content was increased also with lower speed of supercritical fluid, which increased the contact time with the raw material. The sesamol content was also increased using water increase up to 1% as the entrainer. When the extraction performance with the suprcritical fluid was compared to the conventional compressed extraction, the sesamol content was increased up to 11.5 times with the entrainer.

초임계 유체를 이용하여 참기름을 생산하기 위한 기초연구로 참깨에 존재하는 천연항산화제인 γ-토코페롤을 고함유한 참기름에 대해 연구하였다. γ-토코페롤은 α-토코페롤에 비해 비타민 E 효력은 약하긴 하나, 참깨의 리그난과 길항적으로 작용하면 생체내 잔존율이 높아져 α-토코페롤처럼 과산화지질 생성을 억제한다고 한다. 참깨의 볶음온도와 시간, 초임계 유체의 압력과 온도 그리고 초임계 유체의 유속 변화 시 γ-토코페롤의 함량에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 그 볶음 온도 변화 시 200℃ 이후 γ-토코 페롤의 농도가 거의 일정하게 유지되었고, 200℃에서 배전시간을 증가함으로써 약 1.13배 정도 γ-토코페롤의 농도가 증가되었다. 초임계 유체 추출 시 250 bar를 제외한 압력변화에 의해 γ-토코페롤의 농도는 거의 변화하지 않았다. 그러나 같은 온도에서 초임계 유체의 유속을 1~3 ㎖/L로 변화시킴에 의해 γ-토코페롤의 농도가 1.1배~1.5배 증가되었는데, 이는 γ-토코페롤의 이 추출 메카니즘이 탈착보다는 확산에 의해 이뤄짐을 알 수 있었다. 이상의 결과를 토대로 기존 압출추출방법과 초임계　추출 방법을 비교한 결과 γ-토코페롤의 농도가 1.3~1.6배 증가함을 확인할 수 있었다.

The characteristics of sesame oil containing one of natural antioxidant, 'γ-tocopherol', were studied with the supercritical CO2 extraction. Although γ-tocopherol has a lower vitamin E value in biological systems than α-tocopherol, it is a more potent antioxidant with in oils. For the research of various factors influence to the γ-tocopherol contents increment, we have checked roasting time and temperature, as well as pressure, temperature and flow rate of supercritical fluid. As a result, we found that the γ-tocopherol content was maintained constant under the condition of roasting temperature over 200℃. With the longer roasting time, γ-tocopherol content was increased. Except 250 bar, the γ-tocopherol content was maintained constant under the condition of the various pressure of supercritical fluid. But γ-tocopherol content was increased with lower flow rate of supercritical fluid from 1 ㎖/L to 3 ㎖/L. When the extraction performance with the suprcritical fluid was compared to the conventional compressed extraction, γ-tocopherol content was increased up to 1.6 times.

Bacillus clausii I-52에서 생산되는 염기성 단백질 분해효소를 통계학적 방법을 이용하여 최적화하였다. 7개의 배지성분 중 Plakett-Burmann 방법을 이용하여 단백질 분해효소활성에 영향을 주는 3개의 성분을 선택했고, 또 영향을 주는 농도 범위를 Box-behken 방법에 의해 결정했다. 세 성분을 포함하는 염기성 단백질 분해효소의 생산 함수식을 구했고 이로부터 최적조건을 표면반응분석법을 이용해서 계산했다. 이에 근거한 이론적 최대 생산 활성 (Wheat flour: 0 g/l, Sodium citrate: 5 g/l, Sodium carbonate: 10 g/l)일 때 74000 U/mL의 결과를 얻었다. 실제 최적 배지를 이용한 실험에서는 92000 U/mL의 염기성 단백질 분해효소를 보였다. 최적화 이전 경우 생산량은 49000 U/mL로서 90%의 증가율을 보였다.

Production of alkaline protease by Bacillus clausii I-52 was optimized by experimental design methods. Among 7 medium components, three (wheat flour, sodium citrate, sodium carbonate) were selected as components affecting the protease activity significantly by Plackett-Burman methods. Furthermore the ranges of effective concentrations were determined by Box-Behnken methods. The objective function describing the alkaline protease production was obtained and optimum concentration of 3 components was determined by using response-surface methods (RSM). Theoretical maximum production was 74000 U/mL (Wheat flour: 0 g/L, Sodium citrate: 5 g/L, Sodium carbonate: 10 g/L). With the optimized medium composition, 92000 U/mL alkaline protease was produced experimentally, resulting in 90% increase compared to before-optimization production (49000 U/mL).

독소루비신 생합성 유전자의 발현을 촉진시키는 유전자인 dnrI와 다나루비신으로부터 독소루비신으로의 생전환에 관여하는 유전자인 doxA를 ermE* 프로모터가 포함된 pSE34에 도입하였을 때 각각 5.5배, 2.5배의 독소루비신 생산성 증가가 이루어졌다. 독소루비신 생합성 유전자군의 발현패턴 분석을 위한 DNA microarray system을 구축하였고, 고생산 균주의 독소루비신 생합성 유전자 발현 패턴을 DNA microarray를 통해 확인하였다. 독소루비신 생합성 유전자군의 세포성장에 따른 발현패턴을 분석한 결과, 독소 루비신 생산성 증가에 따라 생합성 유전자의 발현도 증가함을 확인할 수 있었고, pSE34를 통해 도입해준 doxA, dnrI 유전자의 경우 전체 생합성 유전자의 평균보다 높은 수준의 발현량을 보여줌으로써, ermE* 프로모터에 의해 발현이 극대화되었음을 확인할 수 있었다. 독소루비신 내성 유전자의 경우 다른 독소루비신 생합성 유전자들에 비해 발현정도가 크게 증가했고, DnrI에 의해 조절을 받는 다른 유전자들의 발현 수준과 비교하였을 때 TDP-daunosamine을 생합성의 첫 번째 단계에 관여하는 dnmL 유전자는 그 발현양의 증가가 크지 않았다. 따라서 DNA microarray 시스템 분석 결과, 독소루비신 생산성 극대화를 위해서는 dnrI, doxA, drrA, drrB, drrC, dnmL 등의 유전자들의 안정적 발현이 매우 중요하고도 핵심적인 인자임이 확인되었다.

Doxorubicin is an anthracycline-family polyketide compound with a very potent anti-cancer activity, typically produced by Streptomyces peucetius. To understand the potential target biosynthetic genes critical for the doxorubicin overproduction, a doxorubicin-specific DNA microarray chip was fabricated and applied to reveal the growth-phase-dependent expression profiles of biosynthetic genes from two doxorubicin-overproducing strains along with the wild-type strain. Two doxorubicinoverproducing S. peucetius strains were generated via over-expression of a dnrI (a doxorubicin-specific positive regulatory gene) and a doxA (a gene involved in the conversion from daunorubicin to doxorubicin) using a streptomycetes high expression vector containing a strong ermE* promoter. Each doxorubicin-overproducing strain was quantitatively compared with the wild-type doxorubicin producer based on the growth-phase-dependent doxorubicin productivity as well as doxorubicin biosynthetic gene expression profiles. The doxorubicin-specific DNA microarray chip data revealed the early-and-steady expressions of the doxorubicin-specific regulatory gene (dnrI), the doxorubicin resistance genes (drrA, drrB, drrC), and the doxorubicin deoxysugar biosynthetic gene (dnmL) are critical for the doxorubicin overproduction in S. peucetius. These results provide that the relationship between the growth-phase-dependent doxorubicin productivity and the doxorubicin biosynthetic gene expression profiles should lead us a rational design of molecular genetic strain improvement strategy.

본 연구에서는 우리나라 민속약이나 한방의 약재로 널리 사용되어 온 참쑥 (Artemisia mongolica fishcher)으로부터 추출한 쑥 추출물이 포도상구균 (Staphylococcus aurues)과 유산균 Lactobacillus spp.)에 대해 선택적 저해 효과를 갖는 지 조사하였다. 우선 항균 활성 실험을 통해 포도상구균을 저해하는 우수한 항균력을 가진 유산균 7균주를 선별하였다. 그리고 쑥을 추출한 용매의 종류, 농도 그리고 추출시간을 달리하여 쑥 추출물의 최적 농도 조건을 결정하였다. 생존율을 측정하기 위해 배양액에 각각 3일 동안 용매 100% (아세톤, 에탄올, 메탄올)로 추출한 쑥 추출물을 17% 첨가하였고, 이때 항균 활성 있는 유산균 KLB 224은 배양 48시간까지 생존하였다. 그러나 포도상구균은 동일한 조건에서 모두 사멸되었다. 또한 주사전자현미경 관찰을 통해 쑥 추출물이 세포 형태에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과, 포도상구균은 세포 형태가 심하게 손상되었지만 유산균은 저해를 받지 않고 세포형태를 유지함을 관찰하였다.

In this study, Artemisia mongolica fischer extract was examined for its possible differential inhibitory activity against pathogenic bacteria including Staphylococcus aureus and Lactobacillus spp. isolated from women's vagina. First, seven Lactobacillus spp. were selected based on their in vitro high anti-staphylococcal activity. Various samples extracted using different concentrations of organic solvents (acetone, ethanol, methanol) were examined for optimal anti-staphylococal activity. When the Artemisia extract obtained using 100% solvents was added to the cell suspension at 17% (vol/vol), Lactobacillus sp. KLB 224 maintained its viability for 48 hr, whereas S. aureus was completely inactivated showing differential antimicrobial activity of the extract. Using scanning electron microscopy the effect of the extract on the cell morphology was observed: S. aureus showed markedly distorted cell morphology while Lactobacillus sp. KLB 224 appeared to remain intact.

Kromasil KR100-5CHI-TBB 칼럼을 사용하여 HPLC를 통한 비스테로이드 계통의 진통 및 소염제인 racemic ibuprofen의 분리특성을 연구하였다. 이동상의 조성비 변화에 따른 분리도 (resolution), 이론단수 (number of theoretical plates), 이론단높이 (HETP; Height Equivalent to a Theoretical Plate), 용량인자 (capacity factor)를 계산하고, 그 결과 정성분석 기준치 이상의 분리도를 갖고 분리시간을 단축할 수 있는 hexane /t-BME의 조성이 55 / 45일 때 1%의 acetic acid를 첨가했을 때의 용매를 최적의 이동상으로 결정했다. 유속에 따른 칼럼의 효율을 비교하기 위한 실험을 통해 유속의 상승은 칼럼의 효율의 감소를 야기하고, 분리도를 감소시킴을 보였다. PIM (Pulsed Input Method)을 사용하여 분석한 결과 ibuprofen의 농도가 증가할수록 Langmuir 등온흡착식을 따르는 비선형 거동을 보임을 증명하였고, 그 결과 등온흡착식을 결정하였다. 등온흡착식은 S-form과 R-form의 경우 각각 C S, S = 1.178C M, S 1+0.019C M, S , C S, R =1.866C M, S1+0.017C M, S로 결정하였다.

Chiral separation of racemic ibuprofen was achieved on a Kromasil KR100-5CHI-TBB column. Some chromatographic parameters (resolution, number of theoretical plates, HETP, capacity factor) are calculated under different separation conditions such as change of mobile phase compositions (hexane / t-BME = 85 / 15, 75 / 15, 65 / 35, 55 /45) as well as acetic acid concentrations for adjusting pH (0.1 to 1 v/v%). Flow rate versus number of theoretical plates and HETP were compared to evaluate column efficiency. To determine the adsorption isotherms, PIM (Pulsed Input Method) was carried out. At concentrations of racemic ibuprofen between 0.1 and 0.3 mg/ml, S- and R-ibuprofen have the same retention time of 4.48 and 5.81 min. Ibuprofen isotherms show a linear form under concentrations of 0.3 mg/ml with eluent (hexane / t-BME = 55 / 45).