등록특허 (51) Int. Cl. C02F 1/46 ( ) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 01 월 03 일 년

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여림 상
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1 (51) Int. Cl. C02F 1/46 ( ) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 01 월 03 일 년 12 월 27 일 (21) 출원번호 (65) 공개번호 (22) 출원일자 2005년06월24일 (43) 공개일자 2006년12월29일 심사청구일자 2005년06월24일 (73) 특허권자광주과학기술원광주북구오룡동 1 번지 (72) 발명자문승현전남장성군진원면선적리 연경호광주광산구월계동 755-2, 첨단대우아파트 103 동 -706 호 조승희전북군산시경암동 신흥아파트 402 호 김가영서울금천구독산 1 동공군철매아파트라동 202 호 심준목서울강남구역삼 1 동 (74) 대리인백남훈이학수 (56) 선행기술조사문헌 EP A1 * 심사관에의하여인용된문헌 US A 심사관 : 박재우 전체청구항수 : 총 6 항 (54) 고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기및그의제조방법 (57) 요약 본발명은고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기및그의제조방법에관한것으로서, 더욱상세하게는동식물세포유래의효소인호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP) 를다공성탄소 (reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에고정시키고가수분해저해물질을사용하여다공성탄소전극에높은전하효율을부여하며, 이러한다공성탄소전극이적용된전기화학적수처리용반응기를사용하여수처리를수행함으로써, 기존의미생물을이용 - 1 -

2 한수처리방법의경우에는기질특이성등의문제점으로인하여분해할수없었던물질의분해능을향상시키고, 사멸된미생물의연속적인제거및신규미생물의연속적인공급에따라요구되던부대시설에대한필요성이생략되며, 폐수의전기화학적처리시필연적으로발생하는과산화수소에의한효소의활성화및과산화수소자체의높은산화력으로인해페놀류등의난분해성물질의분해성능을현저하게향상시킬수있도록한고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기및그의제조방법에관한것이다. 대표도 도 1 특허청구의범위 청구항 1. 삭제 청구항 2. 금속전극인양극 (anode) 과다공성탄소전극인음극 (cathode), 및양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여구성되는전기화학적수처리용반응기에있어서, 상기다공성탄소전극표면에카르복시기가도입되어있고, 상기카르복시기와호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP, EC ) 가펩티드결합을이루며고정된것을특징으로하는고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기. 청구항 3. 금속전극인양극과다공성탄소전극인음극을포함하여이루어진전기화학적수처리용반응기의제조방법에있어서, 상기다공성탄소전극표면을개질시켜카르복시기를도입시키는과정, 상기표면이개질된다공성탄소전극표면을활성화시키는과정, 및 상기활성화된다공성탄소전극의표면에호스래디쉬퍼록시다제를도포하여고정화시키는과정을포함하여구성되는것을특징으로하는고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기의제조방법. 청구항 4. 제 3 항에있어서, 상기활성화된다공성탄소전극의표면에가수분해저해제를도포하여과정을추가적으로포함하는것을특징으로하는고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기의제조방법. 청구항 5. 제 3 항에있어서, 상기활성화는디이미드기 (diimide group) 을함유하는커플링제 (coupling agent) 를사용하여수행되는것을특징으로하는고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기의제조방법. 청구항

3 제 3 항에있어서, 상기호스래디쉬퍼록시다제는다공성탄소전극 100 ppi(pores per linear inch) 에대하여 U/ml 범위로도포되는것을특징으로하는고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기의제조방법. 청구항 7. 금속전극인양극과다공성탄소전극인음극, 양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여이루어진반응기를사용한고도산화수처리방법에있어서, 청구항 1 의전기화학적효소반응기를사용하고, 양극와음극사이에채워진전해질을농도가 mm 범위와 ph 가 범위가되도록조절하며, 공급전압을 Ag/AgCl 을기준으로하여 volt 로조절하고, 외부산소주입량을 ml/ 분으로조절하여수행되는것을특징으로하는전기화학적고정화효소반응기를이용한고도산화수처리방법. 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명은고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기및그의제조방법에관한것으로서, 더욱상세하게는동식물세포유래의효소인호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP) 를다공성탄소 (reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에고정시키고가수분해저해물질을사용하여다공성탄소전극에높은전하효율을부여하며, 이러한다공성탄소전극이적용된전기화학적수처리용반응기를사용하여수처리를수행함으로써, 기존의미생물을이용한수처리방법의경우에는기질특이성등의문제점으로인하여분해할수없었던물질의분해능을향상시키고, 사멸된미생물의연속적인제거및신규미생물의연속적인공급에따라요구되던부대시설에대한필요성이생략되며, 폐수의전기화학적처리시필연적으로발생하는과산화수소에의한효소의활성화및과산화수소자체의높은산화력으로인해페놀류등의난분해성물질의분해성능을현저하게향상시킬수있도록한고도산화수처리공정을위한전기화학적고정화효소반응기및그의제조방법에관한것이다. 낙동강의페놀유출사고, 미국의미시시피강그리고영국의 Dee 강의페놀오염사건등으로유해물질에대한경각심이국내외적으로증가되고있으며특히제지및플라스틱사업장의유출수에서다량발생되는페놀과같은방향족유기물질들은환경에유출되면먹이사슬을통해인체에유입되어발암성물질이되거나환경호르몬으로작용하고있어생물체에심각한영향을끼치는독성물질이다. 한편, 한국특허공고제 호에는페놀및페놀유도체를분해하는미생물및이를이용한페놀류를함유한폐수의처리방법에관한내용이개시되어있다. 상기한페놀을처리하기위한방법으로활성탄소 (activated carbon), 추출 (extraction) 및화학적산화 (chemical oxidation) 에의한방법등이알려져왔으나높은유지및처리비용, 제한된적용범위, 처리의불완전성, 유해한 2 차오염물질이발생된다는단점을지니고있다. 또한, 고도수처리방법의경우특정미생물에의한생물학적폐수처리에의해분해활성을높이는기술을제공함으로서미생물의분해능력과분해물질이제한될수밖에없었으며분해능력을증가시키기위해서는반응기의용적비율이증가됨으로서설비비용과부지비용이증가하는문제점이표출되었다. 반응기내에서미생물을일정하게유지하기위해미생물을반응기로반송하기위한부대시설이필요하며사멸된미생물을연속적으로제거해야하는문제점을내포하고있었다. 또한균주나효소를이용하여생물학적인방법으로배출허용기준치에맞게처리한예도있으나이또한외부주입된균주나효소의회수가어려워공정비용을높이는단점이발생하였다 - 3 -

4 한편, 2 차오염물질의발생없이균주나효소, 특히동식물세포유래의효소인호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP, EC ) 와주름버섯담자균유래의효소 (tyrosinase, EC ) 와같은산화 환원효소를이용한페놀의고분자화또는침전에의한생물학적인방법에관한연구는아주오래전부터진행되어지고있다. 특히, 상기효소로서호스래디쉬퍼록시다제 (HRP) 는페놀뿐아니라아닐린, 클로로페놀등많은오염물질처리에적합하다고보고되어있다. 이와같이페놀처리에유용하게사용되어질수있는 HRP 의여러가지특성과응용분야등을정리하면다음표 1 과같다. [ 표 1] 특성 비고 산화환원전위 (V) ca. 1.0 특이성 다양한물질, 특히페놀류 C-C 결합제거 보고된바없음 안정성 높음 2차매개체 티올류 (thiols) 분자량 (kda) 44 최적 ph 약산성이나중성 촉매핵 (catalytic center) 철-프로토포르피린 (Fe-protoporphyrin) 구조 모노머, 글리코프로테인 페놀류분해 응용분야 크라프트 (kraft) 유출수의정화블랙리큐르 (black liquor) 정제 페놀검출을위한바이오센서 그러나, 상기와같은 HRP 의우수한페놀분해특성에도불구하고외부주입으로인한효소회수의어려움그리고산화제로쓰이는과산화수소의계속적인공급및수송저장의문제점을안고있어많은제한이따르고있다. 발명이이루고자하는기술적과제 이에본발명의발명자들은상기한문제점을해결하기위하여연구노력한결과, 전기화학반응기의다공성탄소전극표면에동식물유래효소인호스래디쉬퍼록시다제 (HRP) 를고정화시킨후이를수처리에적용할경우반응기내에서자체발생되는과산화수소가다공성탄소전극의표면에고정화된효소를활성화시켜난분해성물질중특히페놀의분해성능을향상시킬수있음을알게되어본발명을완성하였다. 본발명에서는특히페놀처리에적합하다고보고된호스래디쉬퍼록시다제 (HRP) 를디이미노기를포함하는커플링제 (coupling agents) 를사용하여미리개질시켜활성화된다공성탄소전극표면의카르복시기와펩티드결합으로고정화시키며, 여기에가수분해저해물질을도포하여탄소전극표면에생성된카르복시기와커플링제의펩티드결합을안정화및촉진시킴으로써, 화학적으로안정한전극을제조할수있도록한다. 또한본발명에의하면전기화학적수처리수행이필수적으로발생되는과산화수소가다공성탄소전극표면에고정화된효소를활성화시키며, 이때활성화된효소가페놀등의난분해성물질을산화시키면서환원상태로복귀하는과정이반복적으로수행됨으로써 2 차오염물질이발생되지않으며, 효소의회수가불필요하게되므로공정비용을획기적으로낮출수있다. 따라서본발명은전기화학적수처리반응기내에고정화효소전극 ( 다공성탄소전극 ) 을도입한신규한전기화학적수처리용반응기와그의제조방법및이러한전기효소법 (electroenzymatic process) 도입으로인하여페놀등과같은난분해성물질의효과적인분해및제거가가능한개선된고도산화수처리방법을제공하는데그목적이있다. 발명의구성 - 4 -

5 본발명은금속전극인양극 (anode) 과다공성탄소전극인음극 (cathode), 및양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여구성되는전기화학적수처리용반응기에있어서, 상기다공성탄소전극표면에호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP, EC ) 가고정된고정화효소에의한전기화학적수처리용반응기를특징으로한다. 또한본발명은금속전극인양극 (anode) 과다공성탄소전극인음극 (cathode) 을포함하여이루어진전기화학적수처리용반응기의제조방법에있어서, 상기다공성탄소전극표면을개질시켜카르복시기를도입시키는과정, 상기표면이개질된다공성탄소전극표면을활성화시키는과정, 및상기활성화된다공성탄소전극의표면에호스래디쉬퍼록시다제를도포하여고정화시키는과정을포함하여구성되는전기화학적수처리용반응기의제조방법을포함한다. 또한본발명은금속전극인양극 (anode) 과다공성탄소전극인음극 (cathod), 양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여이루어진반응기를사용한고도산화수처리방법에있어서, 상기전기화학적효소반응기를사용하고, 양극과음극사이에채워진전해질을농도가 mm 범위와 ph 가 범위가되도록조절하며, 공급전압을 volt ( 기준전극 Ag/AgCl 에대한전압 ) 로조절하고, 외부산소주입량을 ml/ 분으로조절하여수행되는전기화학적효소반응기를이용한고도산화수처리방법을포함한다. 이하본발명을상세하게설명한다. 본발명은동식물세포유래의호스래디쉬퍼옥시다제 (horseradish peroxidase, HRP) 를다공성탄소 (reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에고정시키고가수분해저해물질을사용하여다공성탄소전극에높은전하효율을부여하며, 이러한다공성탄소전극이적용된전기화학적수처리용반응기를사용하여수처리를수행함으로써, 기존의미생물을이용한수처리방법의경우에는기질특이성등의문제점으로인하여분해할수없었던물질의분해능을향상시키고, 사멸된미생물의연속적인제거및신규미생물의연속적인공급에따라요구되던부대시설에대한필요성이생략되며, 폐수의전기화학적처리시필연적으로발생하는과산화수소에의한효소의활성화및과산화수소자체의높은산화력으로인해페놀류등의난분해성물질의분해성능을현저하게향상시킬수있도록한고정화효소에의한전기화학적수처리용반응기, 그의제조방법및이를이용한고도산화수처리방법에관한것이다. 이하본발명을첨부도면을위주로하여상세하게설명한다. 본발명은특히페놀처리에적합하다고보고된 HRP 를도입한효소전극을만들기위해높은전류밀도 (current density), 낮은전기저항 (electrical resistance), 그리고전극표면에서전극활성물질의전달을촉진시켜높은전하효율을지니는다공성탄소전극 (reticulated vitreous carbon, RVC) 을전극물질로선정하여전극표면에화학적으로고정화시켜페놀을처리하고자하였다. 도 1 은전기화학반응기에효소를도입한전기효소법에의한오염물질의분해과정을나타낸것이다. 전기효소법은전극반응에의해생성된과산화수소 (H 2 O 2 ) 에의해효소가활성화되고활성화된효소는특정물질을산화시키고자신은본래상 태로환원되면서오염물질을처리하는공정이다. 과산화수소는전극반응에의해다음과같은단계에의해생성된다. 먼저, 양극 (anode) 표면에물 (H 2 O) 이흡착되고, 물분해 (Water dissociation) 현상에의해수소이온 (proton, H + ) 이생성 되며, 생성된수소이온이양이온교환막 (cation exchange membrane) 을통해음극실 (cathodic compartment) 로이동하고, 음극 (cathode) 표면에서외부주입된산소와결합하여과산화수소로환원된다. 즉, 다음식과같이전기화학반응기내에서자체발생된과산화수소는효소내부에존재하는보결군 (prosthetic group) 을활성화시키고활성화된보결군이특성물질을산화시키고자신은원래상태로환원된다

6 도 2 는유리 HRP 의페놀류에대한분해특성을나타낸그래프이다. 도 2 에의하면 1 mm 의페놀류를처리하는데있어 HRP 의촉매반응에의해거의 95 % 이상분해됨을알수있고, 분해반응속도가상당히빠른것을확인할수있다. 이에따라 HRP 는페놀류에대해기질특이성을지니고있어우수한분해특성을보임을확인하였고, 본발명에서는전기화학반응기내에서전극에이러한 HRP 를고정화시킴으로써페놀류에대해높은처리효율을기대하였다. 한편, 상기한특성을가지는전기효소법을실제공정에도입하기위해서본발명에서는전극표면에효소를화학적으로고정화시켰다. 이러한효소의화학적고정화에의하여효소의재이용을가능하게하고, 촉매활성에더욱좋은조건을제공하며, 이로인한공정비용의감소시킬수있었다. 다음표 2 는높은전하량이요구되어지는전기화학반응기에이용되어지고있는 RVC(100 ppi (pores per linear inch)) 전극의물리적인특성을나타내고있다. 특성압축세기 (compression strength) 장력 (tensile strength) 탄성율 (modulus of elasticity) 전단율 (shear modulus) 경도 (hardness) [ 표 2] 수치 psi psi psi psi 6 7 Mohs 비열 (specific heat) 1.26 J g -1-1 열팽창계수 (coefficient of thermal expansion) mm mm -1-1 용적저항율 (bulk resistivity) ohm cm 승화점 (sublimation point) 3500 한계온도 (termperature limitation) - 공기중 - 혐기성환경 육각평면형태를갖는 RVC 는높은전류밀도 (current density), 낮은전기 / 유체저항 (electrical/fluid flow resistance) 그리고낮은부피감소를요구하는공정에전극물질로서유용하게쓰인다. 특히높은면적 / 부피비율과다공특성을지니고있어단위부피당높은전하량을요구하는전기화학반응기에널리이용되어지고있으며, 또한전극표면에서전극활성물질의전달을촉진시켜높은전하효율과낮은검출한계를보이므로효소고정화를위한전극물질로서적합하다고볼수있다. 본발명의전기화학적수처리용반응기는금속전극인양극 (anode) 과다공성탄소전극인음극 (cathode), 및양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여구성되는전기화학적수처리용반응기에있어서, 음극인다공성탄소전극표면에호스래디쉬퍼록시다제 (horseradish peroxidase, HRP, EC ) 가화학적으로공유결합시킨것이다. 이러한미세다공성탄소전극에효소를화학적으로고정화시킨본발명의전기화학적수처리용반응기는다음과같은방법으로제조한다. 본발명의전기화학적수처리용반응기는금속전극인양극과다공성탄소전극인음극및수소이온이이동할수있는양이온교환막을포함한다. 이러한다공성탄소전극의표면을개질시킨후효소를고정화시키는일련의화학적메커니즘은첨부도면도 3 에나타내었다

7 첫번째과정으로, 다공성탄소전극표면을개질시켜카르복시기 (carboxylic group) 를도입시킨다. 다공성탄소전극표면에카르복시기를도입하기위해진한황산 (98 %) 과질산 (65%) 의 3:1 혼합용액에다공성탄소전극을넣고전극내부까지반응시키기위해 2 시간동안초음파처리 (ultrasonication) 를한후 1 N 염산용액을이용하여다시한번초음파처리한다. 산성처리된다공성탄소전극을증류수를이용하여수차례세척한후 80 에서 12 시간동안방치한다. 도 4 에는본절차에따라 HRP 의아민기와펩티드결합을위해 RVC 표면에카르복시기생성여부를확인하기위한 FT-IR 스펙트럼이다. 카르복시기는 1740 cm -1 에서 1720 cm -1 범위에서발견되는데진한황산과질산의혼합용액으로초음파처리 (ultrasonication) 시킨 RVC 표면에 1730 cm -1 에서카르복시기피크 (peak) 가나타났다. 이는강산혼합용액의작용에의해카르복시기가 RVC 표면에성공적으로생성되어효소의아미노기와펩티드결합을형성할수있음을보이고결과이다. 두번째과정으로, 상기표면이개질된다공성탄소전극표면을활성화시킨다. 상기활성화는디이미드기 (diimide group) 을함유하는커플링제 (coupling agent) 를사용하여수행되며, 필요에따라상기활성화된다공성탄소전극의표면에가수분해저해제를도포하여과정을추가하면보다안정적인효소의고정화가가능해진다. 상기한커플링제로는분자내디이미드기를함유한커플링제를사용하고, 구체적으로예를들면 N- 에틸 -3-(3- 디메틸아미노프로필 ) 카보디이미드 -HCl (N-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)carbodiimide-hcl, EDC), N- 시아노헥실 -N'- (b-[n- 메틸모포린노 ] 에틸 ) 카보디이미드 -p- 톨루엔설포네이트 [N-cyclohexyl-N'-(b-[N-methylmorpholino]ethyl) carbodiimide -p-toluene sulfonate, CMC] 및글루타르알데히드 (glutaraldehyde, GA) 등을선택사용할수있으며, 특히 EDC 를사용하면보다바람직하며, 이때상기 EDC 는액상에서매우불안정한특성을지니고있어사용하는데많은제약이따르기때문에이를방지하고효소가가지는일차아민기와의반응을촉진시키기위해가수분해저해제 (hydrolysis-resistant active intermediate) 인 N- 히드록시석신이미드 (N-hydroxy succinimide, NHS) 를도포할수있다. 세번째과정으로, 상기활성화된다공성탄소전극의표면에호스래디쉬퍼록시다제를도포하여고정화시킨다. 즉, 상기활성화된다공성탄소전극의표면에형성된카르복시기와효소의아미노기가펩티드결합 (peptide link) 을통해화학적으로고정화되도록한다. 상기호스래디쉬퍼록시다제는다공성탄소전극 100 ppi(pores per linear inch) 에대하여 U/ml 범위로도포되도록하는데, 이때도포량이상기범위미만이면고정화된효소의양이적어오염물처리에적합하지않고, 상기범위를초과하면다공성탄소전극표면에고정화되고남는효소의양이많아다량의효소손실을가져오게된다. 최적효소투입량을결정하기위해카르복실기가생성된 RVC 전극표면에분말형태의 HRP(1280 U/mg Solid) 를 5 mm EDC 와 12.5 mm NHS 를포함하는 ph 4.5, 50 ml 용액에 HRP 의투입량을달리하여녹인후표면에카르복시기가생성된 RVC 전극과반응시켜공정화전과후의활성을비교하여 HRP 수득율및단위부피당효소수득량을계산하여다음표 3 에제시하였다. 효소의활성은 ABTS 혼합용액 (2,2 -Azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6- sulfonic acid)(5 % ABTS 0.32 ml wt % H 2 O ml M 아세테이트완충용액 (ph 5.0) 2.42 ml + HRP 샘플 0.1 ml) 의흡광도를 흡광도 - 시 간 모드로측정하여그래프의초기기울기값을통해계산하였다. RVC 투입량 (U/ml) [ 표 3] HRP 수득율 (%) 수득량 (U/ml /cm 3 material)

8 상기표 3 에나타낸바와같이, 100 ppi RVC 에대해 HRP 투입량 580 U/ml 정도에서의수득율에비해약 1050 U/ml 의투입량에대한수득율및단위부피당 HRP 수득율이급격히증가하였으나그이상의 HRP 투입량에대해서는효소수득율및단위부피당수득량이크게증가하지않았다. 이는 HRP 를 RVC 에고정화할때약 1050 U/ml 의투입량에대해수득율 35 %, 단위부피당 HRP 수득량이약 470 U/ml 정도의효소가 100 ppi RVC 에화학결합함을알수있다. 한편, 금속전극인양극과다공성탄소전극인음극, 양극과음극사이의수소이온이동을위한양이온교환막을포함하여이루어진반응기로서, 다공성탄소전극에효소가고정화된본발명의고정화효소에의한전기화학적수처리용반응기를이용하여고도산화수처리를수행할경우, 양극와음극사이에채워진전해질을농도가 mm 범위와 ph 가 범위가되도록조절하며, 공급전압을 volt ( 기준전극 Ag/AgCl 에대한전압 ) 로조절하고, 외부산소주입량을 ml/ 분으로조절하여수행되도록한다. 전기효소법을이용한난분해성물질을처리하는데있어서산화제인과산화수소의발생은효소내부의보결군 (prosthetic group) 을산화시켜오염물질을분해한다. 또한현장에서의과산화수소발생은높은산화력에도불구하고불안정성에의한저장과보관의단점을극복함으로써실제현장에서의응용가능성을높이는효과를기대할수있다. 첨부도면도 5 와도 6 은이러한특성을고려하여본발명에사용되어진 RVC 의자체과산화수소발생특성에관한결과를실험조건에따라도시한것이다. 모든실험조건에서전압및전하량은포텐쇼스탯 / 갈바노스탯 (PGST 30, Autolab, Netherlands) 의 GPES program 에의해공급 측정되었다. 과산화수소의농도는 DMP 방법에의해결정되어졌고, 측정된과산화수소의농도와흐른전하량의값을이용하여다음식에대입하여전류효율 (CE H2O2 ) 을계산하였다. 상기식에서, F 는페러데이상수 (faraday constant, coulombs) 이고, V 는전해질부피 (L) 이며, Q 는흐른전하량 (coulombs), C H2O2 는발생된과산화수소의농도 (mol/l) 이다. 모든실험조건에서운전시간에따라과산화수소의발생량이거의선형적으로증가하였는데, 이를통해 2 구획 (2- compartment) 반응기내에서연속적으로과산화수소가자체발생함을알수있다. 과산화수소의발생량및전류효율을고려했을때과산화수소발생을위한전해질조건은 mm 농도범위, 바람직하기로는 100 mm 이상의농도범위, 가장바람직하기로는전해질농도가 100 mm 인것이좋다. 전해질농도가 10 mm 미만이면효소를활성화시키기위한전기화학반응기내의과산화수소발생량이작고 60 % 미만의전류효율을나타내고, 200 mm 를초과하면과산화수소발생량은증가하지만과산화수소발생에필요한전류역시증가하여전류효율이 60 % 미만으로나타났다. 전해질의 ph 는 범위, 바람직하기로는중성에가까운 ph 범위가되도록하는데, 이러한수소이온농도조건은고정화되는 HRP 의활성에도영향을미치는인자로, HRP 의경우약산성이나중성조건에서최적활성을나타내므로자체발생되는과산화수소의최적 ph 조건에서큰변성 (denaturation) 없이활성을유지할수있을것으로예상되어진다. 도 6 은외부조건에따른과산화수소의발생특성에관한결과로공급전압이 volt ( 기준전극 Ag/AgCl 에대한전압 ) 이상의범위에서는전압증가에따른과산화수소의자체발생량이그다지크게증가하지않았으며, volt 범위, 바람직하기로는전류효율이가장높은 volt 의범위에서효과적으로과산화수소를자체발생시켰다. 그리고외부산소주입량을 ml/ 분의범위에대해외부산소주입량 20 ml/min 이상조건에서는거의일정한농도의과산화수소가자체발생되었으며, 과산화수소발생에가장효과적으로전류를이용한 30 ml/ 분조건에서가장바람직 - 8 -

9 하다. 이는 30 ml/min 의외부산소주입량에의해전해질이충분히포화되었으며과포화조건에서는약간의전류효율감소가나타남으로 -0.4 volt -0.6 volt ( 기준전극 Ag/AgCl 에대한전압 ) 그리고 30 ml/min 의외부산소주입량이과산화수소의자체발생조건으로결정할경우가장바람직하다. 도 7 은본발명의 HRP 가고정화된 RVC 전극이도입된전기화학적수처리용반응기를나타낸것이다. 양극은티타늄표면에백금이도금된전극을사용하였으며음극은 RVC 전극이나 HRP 가고정화된 RVC 전극을사용하였다. 양극액부분 (Anolyte compartment) 에서생성된 H + 를음극 (cathode) 표면으로이동시켜과산화수소의발생을촉진하기위해수소이온에대한선택성이높은나피온 (Nafion) 양이온교환막을사용하였고전력공급기 (Power supply, Agilent 6613C, USA) 를이용하여전기화학반응기의양끝단에서상기조건으로전력을공급해주었다. 본전기화학반응기를이용하여효소가고정화되지않은 RVC 전극과 HRP 가고정화된 RVC 전극간의 1 mm 페놀에대한처리특성을비교한결과를다음표 4 에제시하였다. [ 표 4] 공급전압 (volt) C 60 / C 0 RVC HRP/RVC 상기표 4 에의하면공급전압이증가할수록초기페놀농도에대한전기화학반응기내에서 60 분동안운전한페놀의상대농도가감소함을알수있다. 이는전기화학반응기내의전압이증가할수록반응기내에서자체생산되는과산화수소의양이증가하여페놀의분해에적절하게사용되었기때문이다. 또한모든공급전압조건하에서 HRP 가고정화된 RVC 전극을이용한반응기의페놀에대한분해효율이 RVC 전극만을사용한전기화학반응기에비해높음을알수있다. 이는전기장하에서자체발생된과산화수소에의해 HRP 의활성이높아져페놀의분해에촉매로작용하였음을의미한다. 상기한결과를종합하면, 본발명에의하여다공성탄소전극표면에고정화효소를도입하는개선된전기효소법을이용할경우기조의전기화학반응기에비해더욱효과적으로페놀을분해할수있음을알수있다. 발명의효과 상술한바와같이, 본발명에의하면별도의산화제인화학물질의첨가없이도난분해성물질인오염물질의처리가가능하며, 2 차오염원을발생시키지않으므로환경적으로건전하고지속가능한개발 (ESSD) 을추구하는다양한분야의청정기술의산업화를위한기반기술확립에기여할수있으며, 기존의수처리방법을대체함으로써환경문제를효과적으로해결할수있다. 또한, 효소가지니는기질특이성때문에다양한난분해성오염물질과내분비계장애물질의처리가가능해이에대한환경규제장벽에능동적으로대처할수있고전기화학적수처리공정에서필수적으로발생되는과산화수소를이용하여효소의활성화를야기할수있으므로기존의경우처럼별도로산화제를수송및저장함에따른어려움을극복할수있어실제현장에서의응용가능성을높일수있다. 도면의간단한설명 도 1 은고정화된효소전극에의한전기효소법의오염물질분해메커니즘을나타낸것이다. 도 2 는고정화되지않은유리 HRP 의페놀류에대한분해특성을나타낸것이다

10 도 3 은 HRP 를 RVC 전극에고정화시키는메커니즘을나타낸것이다. 도 4 는 RVC 전극표면에생성된 COOH 의 FT-IR 스펙트럼을나타낸것이다. 도 5 는전해질농도변화 (a) 와전해질의 ph 변화 (b) 에따른 RVC 전극의 2- 구획 (2-compartment) 내과산화수소발생량및전류효율을나타낸그래프이다. 도 6 은공급전압의변화 (a) 와외부주입산소량 (b) 에따라 RVC 전극의 2- 구획 (2-compartment) 내과산화수소자체발생량및전류효율을나타낸그래프이다. 도 7 은 RVC 전극및 HRP 가고정화된 RVC 전극이도입된원형전기화학반응기의일구현예를나타낸것이다. 도면 도면 1 도면

11 도면 3 도면

12 도면

13 도면 6 도면

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Journal of Life Science 2011 Vol. 21. No. 8. 1120~1126 ISSN : 1225-9918 DOI : http://dx.doi.org/10.5352/jls.2011.21.8.1120 μ μ μ α β Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No. 8 1121 μ μ 1122 생명과학회지 2011,