본 연구에서는 phenyl oxirane의 가수분해 반응에서 생기는 phenyl-1,2-ethanediol을 제거할 수 있는 기능을 가진 2단계 hollow-fiber 반응기 시스템을 제안한다. 이는 Phenyl-1,2-ethanediol 추출용 potassium phosphate buffer를 hollow-fiber membrane의 lumen side로 흘려 phenyl-1,2-ethanediol을 제거하는 방식이다. 성능 테스트를 위해 phenyl oxirane 기질에 대하여 R.toruloides SJ-4의 EH 활성을 이용한 입체선택적 가수분해 반응과 \( 1 \mathrm{M} \)의 racemic phenyl oxirane에 대한 동력학적 분해 반응을 수행하였다. 실험 결과 이 시스템을 통해 광화활성 phenyl oxirane을 제조할 수 있음을 알 수 있었으며, 입체선택적 가수분해반응을 수행하기 위해서는 고활성 생촉매 개발 및 수용 액상에 대한 높은 유기 용매 선정의 추가 연구가 필요함을 알았다.
<h2>2단계 Hollow-fiber 반응기 시스템을 이용한 광학활성 phenyl oxirane 생산</h2><p>고농도 phenyl oxirane의 입체선택적 가수분해 반응에서 생기는 고농도의 phenyl-1,2-ethanediol을 제거할 수 있는 기능을 가진 두 번째 hollow-fiber를 직렬로 연결한 2단계 hollow-fiber 반응기 시스템을 구성하였다. 우선, 1단계에서와 마찬가지로 세포 현탁액을 포함한 \( 100 \mathrm{mM} \) potassium phosphate buffer는 water bath를 이용하여 \( 35^{\circ} \mathrm{C} \)로 유지시키면서 일정 속도로 첫 번째 hollow-fiber membrane의 shell side룰 통해 순환시켰다. 라세믹 phenyl oxirane 기질은 유기용매에 녹인 후 첫 번째 hollow-fiber membrane의 lumen side에서 counter-current로 일정속도로 순환시켰다. 첫 번째 hollow-fiber 막의 표면적을 통해 EH whole-cell 생촉매와 접촉하게 되면서 입체선택적 가수분해 반응이 일어나게 된다. 가수분해반응에서 생기는 phenyl-1,2-ethanediol을 추출 · 제거하기 위하여 두 번째 hollow-fiber membrane을 직렬로 부착하였다. Phenyl-1,2-ethanediol 추출용 potassium phosphate buffer를 두 번째 hollow-fiber membrane의 lumen side로 흘려주어 세포 현탁액에 포함되어 있는 phenyl-1,2-ethanediol을 추출하여 제거하도록 구성하였다.</p><p>2단계 hollow-fiber 반응기 시스템을 이용하여 \( 300 \mathrm{mM} \)의 phenyl oxirane 기질에 대하여 R. toruloides SJ-4의 EH 활성을 이용한 입체선택적 가수분해 반응을 수행하였다. 9시간 정도의 반응을 동해 광학적으로 순수한 \((\ >98\%\) ee) (S)-phenyl oxirane (yield \( =11.8 \% \), 이론 수율 대비)을 얻을 수 있었다. 따라서, phenyl-1,2-ethanediol을 제거를 통해 고농도에서도 phenyl oxirane에 대해 입체선택적 분할 반응을 진행시킬 수 있음을 알 수 있었다. 2단계 hollow-fiber 반응기 시스템의 성능을 평가하기 위하여 매우 고농도인 \( 1 \mathrm{M} \)의 racemic phenyl oxirane에 대한 동력학적 분해 반응을 수행하였다. R. toruloides SJ-4를 생촉매로 이용하여 약 \(18 \sim24\)시간 정도의 반응을 동헤 \( 3 \% \)수준의 낮은 수율로 광학적으로 순수한 \( (>98 \% \) ee)(S)-phenyl oxirane을 얻을 수 있었다. R. toruloides SJ-4 자체가 생촉매로써의 촉매능에 문제가 있어 \( 1 \mathrm{M} \)의 고농도에서 효율적인 입체선택적 가수분해 반응을 수행할 수 없었는지를 판단하기 위하여 Aspergillus niger 등의 다른 생촉매를 사용하여 2단계 hollow-fiber 반응기를 운전한 경우에서도 R. toruloides SJ-4와 유사한 수준으로 동력학적 분해 결과를 보여주었다. 따라서, hollow-fiber 반응기를 이용하여 \( 300 \mathrm{mM} \) 수준의 고농도에서도 EH의 입체선택적 가수분해 반응으로 광화활성 phenyl oxirane을 제조할 수 있음을 알 수 있었으며, 이론 수율 대비 \( 12 \sim 35 \% \) 수준인 낮은 수율을 높이고 \( 300 \mathrm{mM} \)이상의 고농도에서의 입체선택적 가수분해반응을 수행하기 위해서는 고활성 생촉매 개발 및 수용 액상에 대한 유기용매상에서의 기질 분배도가 높은 유기 용매 선정 등에 대한 추가 연구가 필요함을 알 수 있었다.</p>