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효소 고정화를 위한 PDMS 기반 폴리아닐린 나노섬유 제조 및 응용

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Author(s)
이란희
Issued Date
2020
Keyword
Polyaniline, PVdF-HFP, PDMS, Electrospinning, Immobilization, Enzyme, Lipase, β-Galactosidase, Microreactor
Abstract
Nanofibers with high surface area to volume ratio were prepared using polyaniline (PANI) and the surface of electrospinned poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVdF-HFP) was coated with them for enzyme immobilization. In order to overcome the low solubility of PANI, 2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonic acid (AMPSA) and 4-dodecylbenzenesulfonic acid (DBSA) with long alkyl chains were used to resolve PANI. Since the viscosity increased rapidly with the addition of PANI, the PANI concentration was limited to a maximum of 20 wt% for electrospinning. In order to control the size and handle the fiber carrier easily, nanofibers were electrospun on the surface of micropatterned polydimethylsiloxane (PDMS) and used as an enzyme reactor for immobilization. PVdF-HFP/PANI was incoporated into a microfluidic device consisting of a reaction chamber with inlet and outlet flows. It has been found that polyaniline can be used as an additive to improve the enzymatic activity and stability of nanofibers. The presence of amine groups in PVdF-HFP/PANI nanofibers confirmed improved enzyme activity and stability, pH, thermal stability, good reuse and long-term storage. The immobilized lipase and β-galactosidase showed excellent reusability even after 10 cycles of reaction and the residual activities of them were over 90% and 60%, respectively. The PVdF-HFP/PANI/Lipase showed enhanced enzyme catalytic performance at a residence time of 7.8 s using microreactor. 27.1% of p-nitrophenol conversion and 12.3 mol/h·L of productivity were achieved with 0.1 mM of p-NPB. PVdF-HFP/PANI/Lipase retain over 75.2% of their initial activity after 65 days. The PVdF-HFP/PANI/β-galactosidase microreactor showed enhanced catalytic performance at a residence time of 10.4 s. 27.4% of o-nitrophenol conversion and 9.4 mol/h·L of productivity of were achieved with 0.1 mM of ONPG. The enzyme reaction rates using developed microreactor increased 1081.3 times for lipase and 248.7 times for β-galactosidase more than those with batch reactor.
Alternative Title
Development and Application of PDMS-based Polyaniline Nanofibers for Enzyme Immobilization
Alternative Author(s)
Lee Ran-hee
Affiliation
조선대학교 대학원
Department
일반대학원 화학공학과
Advisor
이중헌
Awarded Date
2020-08
Table Of Contents
List of Tables ⅴ
List of Figures ⅵ
Abstract ⅷ
Abbreviations ⅹ

제1장 서론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 문헌 배경 3
1. 효소 고정화 3
가. 흡착법 3
나. 공유결합법 4
다. 가교결합법 4
2. 고정화 효소의 응용 5
가. 고정화된 Lipase 5
나. 고정화된 β-Galactosidase 5
다. 효소 고정화 담체로서 나노섬유의 이용 6
3. 전기방사 된 나노섬유의 특성 8
4. PDMS 적용 9
5. Polyaniline 합성 9
6. Microreactor 12

제2장 실험재료 및 방법 13
제1절 실험 재료 13
제2절 Polyaniline 합성 14
1. Polyaniline Nanofibers 제조 14
2. Emeraldine Base 제조 14
3. Alkyl group으로 doping된 PANI 16
4. Polyaniline 분석 17
가. Polyaniline FT-IR 분석 17
나. SEM 분석 17
다. Polyaniline의 용해성 평가 17
제3절 나노섬유 담체 제조 18
1. PDMS 마이크로패턴 제조 18
2. 전기방사 고분자 용액 제조 19
가. PVDF-HFP Solution 제조 19
나. PVdF-HFP/PANI Blending 용액 제조 19
3. 전기방사 조건 20
4. Polyaniline 나노 섬유 분석 22
가. PVdF-HFP/Polyaniline 나노섬유 FT-IR 분석 22
나. SEM 분석 22
제4절 효소 고정화 23
1. 효소 고정화 방법 23
2. 효소 활성 측정 25
제5절 담체 안정성 평가 27
1. pH와 열에 대한 효소 안정성 27
2. 장기 저장성과 재사용성 27
제6절 Microreactor 공정 최적화 28
1. Microreactor 설계 28
2. 반응 조건 최적화 29
3. 연속 흐름 반응 29
제7절 β-Galactosidase 고정화 30
1. 효소 고정화 방법 및 활성 측정 30
가. β-Galactosidase 고정화 방법 30
나. β-Galactosidase 활성 측정 30
2. pH와 열에 대한 효소 안정성 31
3. 장기 저장성과 재사용성 31
4. Microreactor에 적용 31

제3장 결과 및 고찰 32
제1절 Polyaniline Nanofibers 32
1. Polyaniline의 FT-IR 분석 32
2. SEM 분석 35
3. Polyaniline의 용해성 36
제2절 PVdF-HFP/PANI 나노섬유 제조 37
1. 나노섬유 Morphology 분석 37
2. 나노섬유 FT-IR 분석 41
제3절 고정화 효소 특성 44
1. Polyaniline 농도에 따른 효소 고정화 결과 44
2. pH와 열에 따른 효소 안정성 평가 47
가. pH 안정성 측정 47
나. 열 안정성 측정 49
3. 장기저장성과 재사용성 평가 51
가. 재사용 안정성 측정 51
나. 장기저장 안정성 측정 53
제4절 Microreactor 56
1. 체류시간에 따른 전환율 56
2. Microreactor 조건 최적화 58
3. 효소 연속 반응 운전 안정성 61
제5절 β-Galactosidase 고정화 64
1. pH와 열에 대한 안정성 64
2. 재사용과 저장 안정성 66
3. Microreactor 조건 최적화 68
4. 연속 반응 안정성 70

제4장 결론 72

Reference 74
Degree
Master
Publisher
조선대학교 대학원
Citation
이란희. (2020). 효소 고정화를 위한 PDMS 기반 폴리아닐린 나노섬유 제조 및 응용.
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/14361
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000334819
Appears in Collections:
General Graduate School > 3. Theses(Master)
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  • AuthorizeOpen
  • Embargo2020-08-28
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