폴리-A
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : PVA/DNA Blend Film의 물리적 특성과 생분해성에 관한 연구
영문 : Physical Properties and Biodegradability of PVA/DNA Blend Films
과제 팀명
폴리-A
지도교수
이종범 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 김*아(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20153400** 구*원
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 김*성
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 최*영
서울시립대학교 화학공학과 20193400** Ally **** Mohammed
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
개발 과제의 배경
PVA는 플라스틱 산업, 의류나 산업용 섬유, 의료용 재료에 이르기까지 여러 방면에 널리 이용되고 있지만, 수용성이면서도 생물학적 분해가 쉽지 않기 때문에 환경오염을 일으킬 수 있다. PVA에 DNA를 혼합한다면 기존 PVA보다 분해가 잘되는 재료를 만들 수 있다. 하지만 DNA 비율이 높아질수록 분해는 잘 되지만 플라스틱의 성질을 유지하기 어렵기 때문에 적절한 비율을 찾는 것이 중요하다. DNA 혼합 비율에 따른 장력과 분해속도와 분해정도를 비교한다면 적절한 PVA/DNA blend 비율을 찾을 수 있을 것이다. 이러한 과제를 통해 기존 PVA보다 생분해성이 높은 재료를 만들 수 있을 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Preparation and characterisation of poly(vinyl) alcohol (PVA)/starch (ST)/halloysite nanotube (HNT) nanocomposite films as renewable materials
- 폴리 비닐 알코올 (PVA)은 우수한 기계적 및 열적 특성뿐만 아니라 우수한 투명성 및 산소 투과에 대한 내성을 가진 합성 수용성 생체 고분자이다. 그럼에도 불구하고 토양과 같은 일부 환경에서는 분해율이 낮고 PVA의 반복 단위에 수산기가 존재하기 때문에 상대적으로 높은 비용과 열악한 내수성을 가지고 있다. PVA와 전분 (ST)을 혼합하면 생분해성이 크게 향상되고 비용이 절감된다. ST는 토양 및 퇴비에서 완전히 생분해성 폴리머로, 무독성이며 상대적으로 저렴한 기능을 가진 식물의 예비 저장소로 풍부하다. 가소화된 PVA/ST 블렌드는 1980년대부터 잘 활용되어 왔다. 이러한 blend는 생물 의학 공학 및 재료 포장과 같은 수많은 응용 분야에서 사용되는 광범위한 재료 시스템에 속한다. 글리세롤 (GL)은 가까운 용해도 매개 변수로 인해 PVA / ST 블렌드와 혼합된 가장 인기있는 가소제 중 하나이다. 가소화된 PVA/ST 블렌드의 많은 수산기로 인해 약한 내수성을 가지게 되는데 이러한 단점을 극복하기 위해서는 기계적 및 열적 특성뿐만 아니라 장벽 특성을 향상시키기 위해 적용 가능한 나노 필러와 이러한 블렌드를 강화하는 것이 필수적이다.
◇ Preparation of bioplastic consisting of salmon milt DNA
- 바다를 오염시키는 미세 플라스틱은 전 세계적으로 심각한 문제이다. 자연에서 분해되는 biopolymer로 구성된 bioplastic이 보고되었지만 salmon milt와 같은 DNA 핵산으로만 이루어진 bioplastic은 보고된적 없다. DNA 플라스틱을 만들기 위해 DNA pellet을 formaldehyde (HCHO) 용액에 담그고 가열하여 제조하였다. 그 결과 HCHO 20% 이상의 농도에서 수용성 DNA 플라스틱이 만들어졌고 특히 25% HCHO 처리된 DNA 플라스틱은 물에 녹지 않고 열적으로 안정하며 기계적 특성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 또한, DNA 플라스틱은 뉴클레아제 함유 수용액에서 생분해성 특성을 나타내었고 생분해성 안정성은 HCHO 농도에 의해 조절될 수 있어 salmon milt DNA가 생분해성 플라스틱이 될 가능성을 보여주었다.
◇ Sustainable Bioplastic Made from Biomass DNA and Ionomers
- 플라스틱은 현대 생활에서 중요한 역할을 하며 현재 플라스틱 재활용의 개발은 매우 까다롭다. 이러한 딜레마를 완화하기 위한 한 가지 옵션은 전체 재료 수명 주기 동안 환경과 호환되는 새로운 지속 가능한 바이오 플라스틱을 개발하는 것이다. 우리는 DNA 플라스틱이라고 불리는 천연 DNA와 바이오 매스 유래 이오노머로 만든 지속 가능한 바이오 플라스틱을 보고한다. 지속 가능성은 DNA 플라스틱의 생산, 사용 및 수명 종료 옵션의 모든 측면을 포함한다. 게다가, DNA 플라스틱은 플라스틱 컵과 같은 임의의 디자인 제품을 형성하기 위해 "아쿠아 용접"될 수 있다. 이 연구는 바이오 기반 하이드로 겔을 바이오 플라스틱으로 변환하는 솔루션을 제공하고 지속 가능한 재료의 개발을 발전시킬 DNA 플라스틱의 폐쇄 루프 재활용을 보여준다.
- 특허조사
폴리비닐알코올 및 셀룰로오스계 고분자를 혼합한 분해도가 조절된 혼합 생분해성 고분자 필름 및 이의 제조방법 -특허번호 : 1020100125565(1020120064368) -출원일 : 10.12.09 -등록일 : 12.09.14 -출원 기관명 : 주식회사 에코백 본 발명은 폴리비닐알코올(PVA) 및 셀룰로오스계 고분자를 포함하고 상기 폴리비닐알코올(PVA)과 상기 셀룰로오스계고분자의 혼합비율을 조절하여 분해도를 조절할 수 있는 고분자 필름으로서, 상기 고분자 필름은 식물보호제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분해도가 조절된 혼합 생분해성 고분자 필름을 제공한다. 상기 분해도가 조절된 혼합 생분해성 고분자 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 수거가 필요없는 농업용 멀칭 필름을 제공한다.
BIODEGRADABLE PLASTIC -특허번호 : IB2019/050991(2019/155398) -출원일 : 19.02.07 -등록일 : 19.08.15 -출원 기관명 : SPOOR&FISHER 본 발명은 생분해성 플라스틱과 바이오 기반 고분자와 농업 부산물 재생 가능 자원 기반으로부터 생분해성 플라스틱을 제조하는 방법에 관한 것이다. 생분해성 플라스틱은 PBS(polybutylene succinate); 및 적어도 하나의 다른 바이오 기반 고분자를 포함하거나 포함하는 고분자 블렌드를 멜트 블렌딩하는 공정으로 제조된다. 상기 다른 바이오계 고분자는 PBAT(polybutylene adipate co-terephthalate) 또는 PLA(polylactic acid) 또는 PHB(polyhydroxy butyrate) 또는 수정될 수 있는 열가소성 전분 등의 biopolyester일 수 있다.
- 특허전략
◇ 기술 분야
- 본 과제에서의 발명은 DNA와 PVA의 혼합에 따른 분해성 정도와 물리적 특성에 관한 것이다.
◇ 배경 기술
- 폴리 비닐 알코올 (PVA)은 우수한 기계적 및 열적 특성뿐만 아니라 우수한 투명성 및 산소 투과에 대한 내성을 가진 합성 수용성 생체 고분자이다. 그럼에도 불구하고 토양과 같은 일부 환경에서는 분해율이 낮고 PVA의 반복 단위에 수산기가 존재하여 상대적으로 높은 비용과 열악한 내수성을 가지고 있다. PVA와 전분 (ST)을 혼합하면 생분해성이 크게 향상되고 비용이 절감된다. 가소화된 PVA/ST 블렌드의 많은 수산기는 약한 내수성을 제공한다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 기계적 및 열적 특성뿐만 아니라 장벽 특성을 향상시키기 위해 적용 가능한 나노 필러와 이러한 블렌드를 강화하는 것이 필수적이다.
◇ 해결하려는 과제
- 현재 여러 분야에서 사용되고 있는 PVA의 사용량은 증가하는 추세이다. 하지만 PVA 성분은 수용성이면서도 생물학적 분해가 쉽지 않기 때문에 환경오염의 중요한 원인 물질이 될 수 있다. 따라서 PVA에 DNA를 혼합하여 PVA의 함량을 낮추면서도 플라스틱의 성질을 갖는 혼합비율을 찾는 것이 본 과제이다.
◇ 과제의 해결 수단
- PVA에 셀룰로오스계 고분자를 첨가하여 생분해성을 높일 수 있다. 이때 셀룰로오스계 고분자 대신 DNA를 사용하여 PVA/DNA blend film을 만든다. DNA를 여러 비율로 첨가하고 DNase Ⅰ 효소로 분해하여 분해성을 측정한다. 또한, DNA 비율에 따른 PVA DNA 필름의 물리적 특성을 측정하여 플라스틱의 형태가 유지되면서 분해성이 증가하는 특정 비율을 찾는다.
◇ 발명의 효과
- 이전까지는 PVA에 녹말을 첨가하거나 DNA만을 이용하여 bioplastic을 만들어 생분해성을 증가하는 방향으로 연구가 진행됐지만 본 연구에서는 DNA와 PVA을 혼합하여 필름의 분해성을 높이고 플라스틱의 물리적 특성을 유지하여 환경오염을 줄일 수 있다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ PVA/DNA blend 비율에 따라 분해성 정도와 플라스틱 물리적 성질의 유지 정도를 조절할 수 있다.
◇ PVA 뿐만 아니라 다른 바이오 기반 고분자에도 DNA를 blend시켜 다양한 바이오 플라스틱 재료 제작을 기대할 수 있다.
◇ 제시된 바이오플라스틱 처리공정을 기반으로 더 효율적인 효소 및 처리공정 개발을 기대할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ PVA를 적게 사용하더라도 DNA와 blend 하면서 플라스틱의 형태를 유지할 수 있다. 결과적으로 PVA 사용 감소로 인해 환경오염이 적게 발생될 것을 기대할 수 있다.
◇ 자연환경에서 분해되지 않는 석유 기반 바이오플라스틱도 생분해하기 위한 공정 제시함으로써 매립 후 반영구적으로 남게 되는 플라스틱 및 미세플라스틱의 최소화를 기대할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 김경아 - PVA/DNA blend 염색
- PVA/DNA blend film의 stress와 strain 측정, 정리 및 분석
- nanodrop을 이용한 DNA 순도 측정 결과 정리 및 분석
◇ 구대원 - PVA/DNA blend film 제작,
- PVA/DNA blend film 분해속도 측정과 시간에 따른 DNA 농도 추출 및 측정
- PVA/DNA blend film의 농도 계산 및 분석
◇ 최지영 - film 염색을 위한 염색 방법 분석
- 시간에 따른 DNA 농도 추출 및 nanodrop을 이용한 DNA 순도 측정
- PVA/DNA blend film stress와 strain 분석
◇ 김준성 - PVA/DNA blend film 분해속도 측정 및 DNA 농도 측정
◇ Ally Alya Mohammed - film 제작
- 관련 논문 조사
설계
설계방법
◇ film 형태로 제작 가능한 PVA/DNA blend 비율을 알아보기 위해 0/10부터 10/0의 비율로 film 제작
◇ 제작 가능한 10/0~3/7 비율의 PVA/DNA를 염색시킨 후 PVA/DNA blend film 제작
* Remazol Brilliant Blue R 시약으로 PVA 염색
◇ PVA/DNA blend film의 플라스틱 성질 비교를 위해 장력을 측정하고 비율별로 비교 분석
◇ PVA/DNA blend film의 생분해성을 알아보기 위해 DNase Ⅰ을 사용한다.
- DNase Ⅰ은 DNA 골격에서 phosphodiester bond의 가수분해에 의한 절단을 촉매하여 분해하는 효소
◇ Film 조각에 DNase Ⅰ solution 가한 후, 육안상으로 완전히 분해되는 데에 걸리는 시간 측정 및
시간대별 DNA 농도를 NanoDrop형 Spectrophotometer 이용해 측정하여 결과 비교 분석
(10, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 120, 180, 240, 300 (min)) (이때 시간대별 sample 2µl에 DNase Ⅰ solution 8µl 넣어서 5D로 희석 후 4회 측정하여 평균값으로 한다.)
이론적 계산 및 시뮬레이션
DNA가 다 녹았을 때의 DNA 농도를 이론적으로 계산 - DNA MW = 650 Da - 15mM DNA & 10wt% PVA → 2/8, 3/7, 5/5, 7/3 blend - Using 0.3ml solution → 1cm×3cm×1mm film → 1cm×1mm×1mm sample - Blending DNaseⅠ solution & 150𝜇𝐿
(moles of 𝐷𝑁𝐴)/(total volume of 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛)×0.3ml×1/30 = A
𝐴×(650𝑚𝑔/𝑚𝑚𝑜𝑙)/150𝜇𝐿 = Theoretical DNA concentration
상세설계내용
◇ Film 형태로 제작 가능한 DNA/PVA 비율 확인 및 염색
DNA 비율이 높아질수록 플라스틱의 성질이 감소하므로 DNA/PVA 비율을 10:0부터 0:10로 하여 가로 1cm, 세로 3cm, 두께 1mm의 film을 제작한 결과, DNA 비율이 80% 이상인 blend는 film형태를 유지하지 못했다. 따라서 인장력 및 생분해성 평가를 위한 DNA/PVA 비율을 2:8~7:3으로 설정한 후 Remazol Brilliant Blue 시약을 이용해 PVA를 염색시켰다.
◇ DNA blend 비율에 따른 인장력 비교분석
DNA blend 비율에 따른 인장력 차이 분석을 위해 Tensile test 실시하였다. Stress-strain curve의 개형분석 및 DNA blend 비율별 ultimate tensile strength, yield strength, ductility, Young’s modulus, resilience, toughness를 비교분석한다.
◇ DNA blend 비율에 따른 생분해성
DNA-PVA 필름에 DNase Ⅰ solution을 가하면 DNA의 농도는 시간이 지남에 따라 증가하다가 DNA가 완전히 분해되는 시점에서 일정해진다. 육안상으로 필름이 다 분해된 것으로 보이지만 DNA-PVA 결합에 의해 분해되지 않은 DNA가 존재 가능하므로, 효소반응이 완료되는 시점을 파악하기 위해 DNA가 다 녹았을 때의 농도를 이론적으로 계산했다.
결과 및 평가
핵심 결과
1. 장력테스트
Stress-strain 개형분석으로 PVA, 2/8 blend film은 tough & strong plastic의 특성을 가지고, 3/7, 5/5, 7/3 blend film은 hard & tough plastic의 특성을 가짐을 알 수 있다.
- DNA blend 비율별 ultimate tensile strength, yield strength, ductility, Young’s modulus, resilience, toughness를 그림 7과 같이 그래프로 나타냈다.
- Strength는 변형에 저항하는 정도로, ultimate tensile strength, yield strength로 나뉜다.
Ultimate tensile strength는 필름을 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값이고, yield strength는 탄성범위를 벗어나 소성변형이 일어나기 시작하는 강도이다. 두 값 모두 DNA blend 비율이 높아질수록 plastic 성질이 감소함에 따라 값이 감소한다.
- Ductility는 재료를 늘일 때, 파괴되지 않고 계속 늘어나는 성질로 필름이 절단될 때의 strain 값을 비교했다. 연성이 크면 탄성한도를 넘어도 파괴되지 않고 소성변형이 발생한다. 3/7 blend에서 가장 큰 값을 나타냈다.
- Young’s modulus는 yield strength에 도달하기 전까지 linear한 구간(탄성범위)에서 직선의 기울기로, 값이 클수록 변형률이 작다. 따라서 DNA blend 비율이 높아질수록 값이 감소함을 볼 수 있다.
- Resilience는 탄성 변형 시 에너지 흡수력 및 하중 제거 시 회복력의 척도로, stress-strain을 0에서 elastic limit까지 적분하여 구할 수 있다. 3/7 blend 비율에서 가장 큰 값을 나타냈다.
- Toughness는 절단까지 에너지 흡수력으로, fracture 이전까지 stress-strain curve 적분함으로써 구할 수 있다. toughness 높을수록 high stress와 high strain에서 견딜 수 있다. 일반적으로 strength와 ductility 높을수록 toughness 높다.
그림의 Bioplastic usage를 보고 ductility 및 resilience 특성이 중요하다고 판단하여 tensile test에서는 적절한 strength와 high ductility, resilience 보이는 3/7 blend를 best로 평가했다.
2. 생분해성 평가
DNA가 다 녹았을 때의 DNA 농도를 이론적으로 위 표와 같이 계산하여 효소 반응이 완료되는 시점을 파악하려 했다.
하지만 DNA 농도 실험값이 이론적인 DNA 농도를 넘어서도 계속 증가해 반응 완료시점을 이론적으로 파악하는 데에는 실패했다. 따라서 임의로 DNase Ⅰ solution 투여 후 300분까지의 농도를 측정했다.
이 때 이론적인 계산값과 측정값의 최종 농도가 차이나는 이유는 필름 제작과 300분간의 분해성 실험과정에서 증발하는 물의 양을 통제하지 못했기 때문이다. 또한, 측정오차가 존재했을 것으로 예상된다.
위 그래프를 보면 모든 DNA blend 비율에서 시간이 지남에 따라 농도가 증가하다가 일정해지는 경향성을 보인다.
하지만 노이즈가 존재해 그래프만으로 분해속도를 평가하기에 어려움이 있어 데이터값 피팅을 실시했다.
DNA/PVA blend 비율에 따른 분해속도를 분석하기 위해 실험데이터를 이용하여 곡선을 피팅하여 분석을 진행하였다. DNA가 완전히 녹았을 때의 이론적으로 계산한 농도는 위 표2와 같다. 이때 실험데이터로 피팅된 곡선에서 이론적으로 계산한 DNA 최종농도에 도달하는 시간을 계산한 결과 아래 표와 같다. 그 결과 3/7 blend에서 가장 짧은 시간에 최종농도에 도달하였다.
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
DNA-PVA blend 플라스틱은 100% 생분해 플라스틱이 아니므로 분해 과정에서 미세플라스틱이 유발된다. 따라서 생분해 플라스틱 연구 뿐 만 아니라 처리 및 재활용 공정 개발이 필요하다.
그림은 polymer 일종인 ionomer와 corn의 DNA를 이용해 DNA plastic을 만들고 재활용 및 처리하는 과정을 그림으로 나타낸 것이다. DNA plastic은 재활용과정을 거치다 수명이 다하면 효소처리 후 분해된다. 따라서 일반 플라스틱과 분리하여 선택적으로 회수하는 것이 가장 우선시되고, 회수된 플라스틱의 재사용, 기계적/유기물 리사이클링, 퇴비화 등의 재사용을 위한 공정 개발이 필요하다. 또한, 분해 시 각각의 polymer를 빠르게 분해할 수 있는 효소 연구 또한 병행되어야 DNA plastic의 분해 과정에서 생기는 미세플라스틱으로 인한 환경오염을 방지할 수 있다.
참고 문헌
◇ Lee, K., Kim, J., Lee, K., Zun, H., Kim, C., & Yoon, K. (2019). Study on the biodegradable PLA sheet with multiple functionalities. The Journal of the Convergence on Culture Technology, 5(1), 341–346. https://doi.org/10.17703/JCCT.2019.5.1.341
◇ Yamada, M., Kawamura, M. & Yamada, T. Preparation of bioplastic consisting of salmon milt DNA. Sci Rep 12, 7423 (2022).
◇ Han, J., Guo, Y., Wang, H., Zhang, K., & Yang, D. (2021, November 14). Sustainable Bioplastic Made from Biomass DNA and Ionomers. Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society (ACS).