2010-1

화학생명공학실험1 (예비)

실험주차 : 2주차

실험제목 : 유전자 조작실험 1, DNA 제한효소 처리

제출날짜 :2010년5월12일

담당교수 :

학번 :

이름 :

2. 실험원리

(1) 제한효소란

대부분의 세균에서 발견된 제한효소는 외래 생물체의 DNA를 인식하고 분해한다. 세균은 수백만년동안 외래 DNA의 침입에 직면해 왔으며, 침투한 DNA를 파괴하는 동안 자신의 DNA를 보존하는 보호 메커니즘으로써 이들 효소들을 발전시켜왔다. 각 제한 효소는 일반적으로 4~6염기쌍 정도의 짧은 염기서열만을 인식한다. 예를 들어 최초로 분리된 제한효소중 하나인 EcoR1(Escherichia coli로부터 분리 됨)은 오직 오른쪽 염기서열을 가진 DNA만을 절단한다.

이 경우 표적 염기서열은 앞쪽과 뒤쪽으로 똑같이 읽혀지기 때문에 팔린드롬 구조( 또는 회문성 구조) (palindrome)라 부른다. 간단히 언급하면 많은 제한효소 (모두를 의미하지않음) 는 회문성 구조의 표적서열을 인식한다. 만일 이 서열이 침입한 원형의 플라스미드에 하나 존재한다면 효소는 그곳을 한번 절단하여 원형을 푼다. 만약 이 서열이 여러부위에 있다면 DNA는 여러 조각으로 절단되게 된다. 일반적으로 제한효소의 명칭은 출처 박테리아의 속명 첫 자와 종명의 처음 두 문자로 나타낸다. (예를 들면 EcoR 1은 Escherichia coli에서 분리되었고 HindⅢ는 Hemophilus influenzae, Taq1은 Thermus aquatius로부터 분리되었다.)

Type Ⅰ : 제한효소와 메틸화효소가 뭉쳐져 있고, 인식자리와 제한자리가 서로 다르다. 염기서열은 특이적으로 인식하지만, 인식자리에서 약 1000개 염기 정도 떨어진 곳에서 비특이적으로 DNA를 자른다. 또한 활성에 ATP나 AdoMet, Mg2+를 필요로 한다. 따라서 실제 실험에서는 거의 사용하지 않는다.

Type Ⅱ : 인식자리가 특이적이고 제한자리 또한 주변의 염기로 특이적으로 작용한다. 실험실에서 주로 사용하는 것이 이 Ⅱ형이다.

Type Ⅲ : Ⅰ형과 마찬가지로, 제한효소와 메틸화효소가 합쳐져 있다. 효소 활성에 ATP가 꼭 필요하고, 완전 절단이 거의 일어나지 않는 특징이 있다. DNA를 자르기 위해서는 DNA 분자 반대 방향으로 놓여 있는 또 다른 인식 염기서열이 있어야 한다. ex) EcoPⅠ, HintⅢ, StyLTⅠ

(2) star activity란 , 줄일 수 있는 방법

Star activity는 효소가 그들이 최적 환경과 다른 조건 안에서 DNA를 자르는 제한효소의 특이성이 변질되고 약화되는 것이다. 결과는 전형적으로 목표부위를 자르지 않게 되거나 때때로 특이성을 완전히 상실해 버린다. star activity를 일으키는 차이점은 낮은 ionic strength, 높은 pH, 그리고 높은 글리세롤 농도가 있다. 후자의 조건에 관심을 가질 수 있는 것은 공업 제한효소들은 보통 상당한 양의 글리세롤을 포함하는 buffer에서 공급되기 때문에 그것은 의미는 불충분한 효소의 희석용액은 star activity를 야기 시킬 수 있다는 것이다. 이를 줄이기 위해서는 제한 효소가 활동할 수 있는 적절한 환경을 갖춰 주면 에러를 줄일 수 있다.

(3) sticky end/blunt end

sticky end : Non-blunt end는 다양한 overhangs에서 만들어진다. overhangs는 DNA분자들의 끝에서 짝짓지 않은 nucleotide들의 뻗침이다. 이 nucleotide들은 3‘ 또는 5’ overhangs를 형성할 수 있는 가닥이 될 수 있다. 이 ovehangs는 대부분 팔린드롬 구조( 또는 회문성 구조 [palindrome])에 있다. overhangs의 가장 간단한 구조는 단일 nucleotide이다. 이것은 가장 아데노신이 많고 몇의 DNA polymerase로 의해 3‘ overhang로써 만들어졌다. 흔히 이것은 그러한 효소들에 의해서 만들어진 PCR 생성물을 복제하는 것에 쓰인다. 생성물은 3’티민 overhangs가 있는 직선 DNA 분자와 결합을 한다. 아데닌과 티민이 염기 쌍을 형성하기 때문에 이것은 원형 분자를 만들어 내면서 리가아제(ligase)에 의해 두 분자 결합이 촉진된다. 더 긴 overhangs들은 sticky ends 또는 cohensive

blunt end : 이중가닥 분자의 가장 간단한 DNA 말단은 blunt 말단이라 불린다. Blunt 말단인 분자에서 양쪽 가닥은 염기쌍을 없애버린다. 밑의 그림과 같이 제한효소가 작용한다. blunt 말단은 자발적으로 원형화 될 수 없다. 또한 DNA 리가아제를 쓰면 두 분자가 하나로 합쳐져서 blunt 말단이 매우 적게 존재하기 때문에 Blunt 말단들은 항상 존재하는 것은 아니다.

(4) unit(enzyme 단위)

효소 단위는 특정한 효소의 양에 대한 단위이다.

1 U는 단위 분 동안 1 μmol의 기질을 촉진시키는 효소의 양으로 정의한다. 조건 또한 명명확하게 되어야한다 : 25℃, 가장 많은 기질이 생성될 수 있는 pH 값과 기질 농도

3. 참고문헌

분자생물학,4판,George M. Malacinski 저, 심웅섭 외 7 역 p350~352

http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_unit

http://en.wikipedia.org/wiki/Star_activity

http://en.wikipedia.org/wiki/Sticky_end#Overhangs_and_sticky_ends

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%9C%ED%95%9C%ED%9A%A8%EC%86%8C

2010-1

화학생명공학실험1 (결과)

실험주차 :1 주차

실험제목 :PCR을 이용한 유전자 증폭

실험날짜 :2010년5월8일

제출날짜 :2010년5월11일

담당교수 :

학번 :

1. 실험목적 : Polymerase Chain Reaction 을 이용하여 DNA에서 원하는 부분만을 증폭하고 그 원리를 이해한다.

2. 실험 방법 및 재료

실험방법

(1) 10× Taq polymerase PCR buffer와 dNTP(10mM) , Primer (10 pmol/㎕)를 미리 얼음 위에서 녹인다.

(2) 증폭하고자 하는 target 유전자를 포함한 DNA를 준비한다.

(3) 멸균된 PCR tube에 준비된 재료들을 넣고 섞어 반응액을 만든다.

(4) 준비된 반응액에 Taq polymerase를 첨가한다.

(5) Thermo cycler의 program을 setting 하고, PCR 반응을 시작한다.

(6) PCR반응이 완료되면 전기영동을 실시하여 PCR product band를 확인한다.

(7) PCR product purification kit 또는 agarose gel elution kit를 이용하여 정제한다

시약

buffer : 중합효소가 활성을 가기위해 최적의 이온 농도나 PH값을 갖게 하는 것으로 HCl, 등이 있다. 효소를 구입하게 되면 그에 맞는 buffer가 같이 오게 된다 .

dNTP : DNA가 중합되는데 재료가 되는 4가지의 염기를 말한다.

primer : polymerase는 중합 개시부분을 인식하지 못하여 primer가 주형 DNA의 template에 접하여 중합을 시작하게 한다.

template : 중합하는데 기준이 되는 DNA로써 polymease가 상보적 염기를 따라 합성하게 되는 가닥이다.

pfu polymerase : Taq polymerase는 없는 교정기능을 가지고 있기 때문에 속도는 약간느리지만 에러율이 급격히 낮아진다. 3'->5' 방향의 exonuclease를 가지고 있으며 90℃에서 200분 이상까지 버틸 수 있다.

3. 실험결과

실험결과 우리가 넣어준 DNA는 1500 bps였고 전기영동을 한 결과 역시 1500bps에 band를 나타 내었다. 이것은 중합된 DNA들이 모두 1500bps 의 길이에 밀접한다는 것을 뜻하며 실험이 성공적이라고 할 수 있겠다.

4. 고찰

(1) Predenaturation : 94℃에서 3분간 진행한다. denaturation,은 DNA에 열을 가해서 DNA를 변성시키는 과정이다. DNA을 중합하기에 앞서 각 염기들은 상봊거으로 수소 결합을 하고 있기 때문에 double strand DNA을 single strand 로 만들어 공간을 확보할 필요가 있다.체내에서의 DNA과정에서는 Helicase라는 DNA의 꼬임을 풀어주는 효소가 있지만 그 역할을 대신하기위해서 온도를 가해 수소결합을 끊어 사이에 효소가 작용하면서 중합하게 된다. 이런 과정을 DNA의 변성이라고 하며 이 가닥이 풀어지는 때의 온도를 Tm이라고 한다. Tm은 Adenine(A)과 Tymine(T)이 이중결합을 하는 반면 Guanine(G) 과 Cytocine(C)이 삼중결합을 하기 때문에 GC의 함유랑이 많을 수록 Tm 값이 높아진다. 따라서 Tm값은 대략 4*(G,C)+2*(A,T)에 비례한다.

(2) DNA denaturation : 94℃에서 30초간 진행한다. 위 과정과 비슷하다.

(3) Primer Annealing : target template에 primer가 결합하는 과정으로 56℃에서 30초간 진행한다. 물론 이때 56℃는 Tm보다 크다.

(4) Extension : primer가 template에 결합한 후 상보적 염기 서열을 따라 nucleotide를 합성하는 과정으로 72℃에서 30sec동안 진행된다.

(5) 2번부터 4번 과정을 1주기로 25 cycle을 돌게된다.

(6) End filling(final extention) : 주형 DNA의 3'쪽의 충분한 Extension을 위해 72℃에서 7분간 실시한다.

(7) 4℃에 보관한다.

(8) 전기영동으로 실험 결과를 관찰하게 된다

.

＊전기 영동이란 길이가 각기 다른 DNA를 agarose gel 이나 polyacrylamide gel 상에서 전하를 걸어 이동시키는 방법이다. 짧고 가벼운 DNA일 수록 망상조직을 쉽게 통과해 더 밑으로 갈 수 있고 큰 DNA일수록 조직에 걸려서 밑으로 조금밖에 이동을 하지 못할 것이다. 원리에 따라 위 결과처럼 밑으로 갈수록 천단위 bp에서 점점 백단위 bp 로 줄어드는 것을 볼 수 있다.

시약을 준비하는데 있어서 시약은 우리가 원하는 만큼만 있는 것이 아니라 준비 시약과 실험에 필요한 시약의 양은 다르다. 따라서 준비시약의 농도에 따라 우리가 취하고자 하는 mol 또는 부피 만큼 간단한 계산을 하였다. 이론을 정립한 후 실험을 실행한다. 위 실험방법에서 보듯이 시약이 우리가 필요한 만큼 주어지는 것이 아니라 파이펫을 이용해 ㎕단위로 따야 한다. 파이펫을 사용함에 있어서 주의를 할 것은 작은 단위의 부피를 취하고자 한다면 큰 단위의 파이펫보다 보다 근접하고 작은 단위의 파이펫을 사용하도록 하자. 오차를 줄이려는 노력이다. 또한 파이펫으로 취하고 tube에 옮겨 넣을 때 살짝 걸릴 때 까지 누르면 취한 액체가 나가고 한번 더 누르면 남아 있는 방울까지 모두 tube안에 넣을 수 있다. 단위가 매우 작기 때문에 남아있는 한방울도 오차가 크게 발생할 수 있기 때문에 유의한다. 파이펫을 다 사용한 뒤 눈금을 원점으로 맞춰 놓도록 한다. 영점조정을 하지 않으면 용수철이 늘어나거나 줄어든 채로 고정되어 후에 파이펫의 오차를 늘일 수가 있다. 해당 시약을 넣을 때도 부피가 큰 순서대로 넣는 것이 좋고 polymerase가 먼저 들어가면 꼬일 수가 있기 때문에 맨 나중으로 배치하는 것이 옳다.

필요한 조건들을 만족시키고 전기영동을 했더니 우리가 원하는 1500bps 에 집중되어있는 band가 나왔다. 실험은 아주 깔끔하게 나왔다. 만약 band가 뚜렷하지 않고 위 아래로 흩어져 있어서 흐리게 나온다면 DNA mutation을 의심할 수 있다. DNA의 1,2개의 bp가 돌연변이를 일으켜 primer가 muation한곳에 어닐링 함으로써 중합한 DNA의 bp가 다양하게 나오게 되고 그에 따라 밴드가 흐릿하게 나오는 것이다.

5. 참고문헌

분자생물학,4판,George M. Malacinski 저, 심웅섭 외 7 역 p30, p49~50, p356~357

The PCR technique : DNA sequencing/james Ellingboe, Ulf B. Gyllenstmp/ p1~6

시계열

스무살 여행, 내인생의 터닝포인트 , 브라이언 트레이시

스무살 여행, 내 인생의 터닝포인트 국내도서 저자 : 브라이언 트레이시(Brian Tracy) / 이성엽역 출판 : 황금부엉이 2007.10.05 상세보기

가장친한친구가 권한책. 평소에 좋아라하던 친구여서 기꺼이 읽었다.
아직 다 읽진 안않지만 평소에 여행을 좋아하던 캐나다 태생이 북미 여행을 지루하다가 아프리카를 가는 내용이다. 참 부럽다고 느낀거는 우리같이 학교나 어떤것에 얽혀 있지않고 자유롭게 돌아 다닐 수 있다는것. 특이한게 캐나다를 떠나서 미국 동쪽에 잠시 정착하는데 거기서 일자리를 얻어서 살아가고 또 돈모으고 어떻게든 살아간다는게 참 대담하고 부러웠다. 나와 다른것은 나의 20살은 학점과 스펙으로 쌓였다면 이사람은 여행을 통해 인생을 깨닫는다는 것. 나도 평소에 생각을 많이 하는 편이라 공감이 많이갔다. 이사람은 특징은 다른사람과 '같은 길'을 추구하지 않는다는것. 쉬운 길은 시시하다고 느끼고 새로운 길을 찾아나선다. 이때 내 중학교 시절이 생각나는 것이 같이 학원을 다녔던 친구가 있었는데 항상 그는 남들과 같은 길을 선택하지않고 좀더 돌아가더라도 실력을 쌓는 (중학생이니까 공부^^;) 그런 길을 택하던 친구였다. 나 역시 그런 부분이 좋아서 굳이 남들이 보기엔 멍청한 짓을 많이 했지.. 그런데 후회는 하지않는다. 그만큼 우리는 가치가 있는 행동이라 여겼고 혼자가 아니였기 때문에 힘들지도 않았다. 중학교땐 그랬다. 하지만 어쩔 수 없이 타협하면서 다른사람과 같은 길을 걷곤 했다. 그게 고등학교 길이였지.
하지만 대학에 들어서면서 생각이 바뀌었다. 내 길은 내 길이고 다른사람의 길은 길이다.

이쯤 되니까 내 고등학교친구의 글이 생각난다.

' 결국은 하나가 되어 만날 수 없는게 두 길이다.

애초에 다른 목적을 가지고 시작한것인데

그 끝이 같다면 그게 더 애석한 일이다. '

참 깊은생각을 가진 친구다. 두 길, 두 목적....
누구와 열심히 미래 얘기를 하던중에 이런말을 하더라 남들과 똑같아 지는게 싫다고 남들과 똑같이 학교를 다니고 똑같이 과제를 하고 시험을보고 회사를 가고...

난 이런생각에 정말 의아해했다. 그러면서 대답한 것이 고작 ' 나는 내 개성이 뚜렷해. 내가 하는 것은 날 위한것이고 다른 어떤 누구를 위한것도 아니니까 그런건 생각할 필요가없어' 라고 자신있게 말해놓고 나도 생각에 빠졌다. 그리고 아직도 답을 내지 못했다. 이게 남들과 같은 길인가? 확실히 사회와 타협하여 다 가는 대학을 가서 같은 길을 걷고 있다는 것은 부정하지 못했다. 나는 한길과 다른 길의 차이를 잘못 인식하고 있는건가?

우리가 걷고 있는 이길이 사회에 타협에 의해 가꾸어진 길인가? 한 길에 여러명이 서있는 것인가 아니면 다른 길들이 잠시 합쳐진 것인가?

나는 내 길이 이곳이 맞는것같은데


책후기 쓰려다가 길로 새버렸군...


마지막으로 요즘 내가생각하는 가치관과 공감가는 글 하나

여섯번째 교훈 : 유연하게 행동하라

목표를 명확하게 해야 하지만, 그것을 달성하는 과정은 유연하게 하라. 그 과정에 변화를 주고 새로운 것을 기꺼이 시도해 보라. 마음가짐을 개방적이고 유동적이고 유연하게 유지하라. 주어진 환경으로부터 기꺼이 피드백을 받아들이고 당신이 취하고 있는 과정을 올바르게 수정하라.
유연성은 정상을 탈환하는 성공인들의 핵심적인 자질이다. 그들은 특정한 활동 과정에 경직되거나 고정되어있지 않다. 그들은 항상 목표에 도달하는 방법들만큼이나 그들이 잘못할 수 있다는 가능성을 기꺼이 인정한다.
유연성을 당신이 가지고 있는 것이 아니라, 당신이 성공이나 실패를 결정짓는 것을 당신이 행하는 것이다. 그리고 그것은 당신이 대응하는 방식이다. 인생의 역경들에 대응하고 조정해 가는 능력은 당신이 누구이고, 당신이 무엇을 달성할 수 있는지 말해 주는 실질적인 잣대이다.

그리스 철학자 에픽테투스는 "환경이 사람을 만들지 않는다. 환경은 진실된 모습을 그 자신에게 드러내 보일 뿐이다. " 라고 말했다. 당신이 큰 실패나 절망에 직면해서 그만두거나 돌아가려는 유혹에 빠질 때, 당신이 누구인지를 발견할 것이다. 고난은 진정한 시험이다. 그리고 당신이 통과할 것인가, 아니면 실패할 것인가의 문제이다. 그 결정은 항상 당신에게 달려있다.

어떤 문제에 해당하는 답은 항상 같지않다. 우리는 진리라는 정답을 가지고 있지만 그것은 너무 딱딱해서 변화무쌍한 문제에 명확한 해답이 되지 못한다. 따라서 우리는 유연성을 가져야 한다. 그것을 상황에 맞춰 바꿔야한다.
횡단보도가 있다. 그리고 신호등이있다.
우리는 사회 구성원으로써 지켜야하는 법이라는 것이 존재한다.
평소에는 그 법을 지켜야한다. 신호등의 색깔에 따라 우리는 움직여야하고 상식적으로 그 틀안에서 생각해야한다.
하지만 밤이 되고 허망한 도로 앞에서 굳이 법을 지킬 필요는 없다. 자동차 하나 보이지않는 도로 앞에서 신호등을 기다리고 있다면 그것은 다소 멍청해 보일 것이다. 이 때 나의 행동을 유연하게 할필요가 있다.
옆에 어린아이가 있다면 그것은다르다. 아이는 아직 유연함을 깨우치기 앞서 법이란 것을 확고히 할필요가 있다.
그때 아이를 위해 신호등을 기다려준다면 그것 또한 유연성이라 할 수 있겠다.

항상 변해가는 세상속에 남아있는건 왼손의 진리와 오른손의 유연성임을 항상 기억한다.

초임계유체란 ?

초임계유체(supercritical fluid, SCF)란 임계 압력 및 임계 온도 이상의 조건을 갖는 상태에 있는 물질로 정의되며 일반적인 액체나 기체와는 다른 고유의 특성을 갖는다. 임계점(critical point)은 물질이 액체 또는 기체 상(phase)으로 평형(equilibrium)을 이루며 존재할 수 있는 한계점을 의미한다. 이는 아래의 상선도(phase diagram)로부터 이러한 현상을 쉽게 설명할 수 있다.

임계점 이하의 압력 및 온도 조건에서는 물 또는 이산화탄소가 기체, 액체 그리고 고체 상으로 존재하고 있으며 각 곡선은 두 가지 상이 평형을 이루며 공존하는 압력이나 온도 조건을 의미한다. 즉, 액체와 기체 간의 곡선은 각 압력 조건 하의 끓는 점을 의미하며 이 선을 따라 온도나 압력을 증가시키면 임계점에 도달하게 된다. 온도나 압력의 증가에 따라 액체 상은 열팽창(thermal expansion)으로 인하여 밀도가 감소하고 기체 상은 압력 증가에 따라 밀도가 증가하는 상반된 변화를 계속하다가 임계점 이상의 고온, 고압 조건에 도달하게 되면 두 상의 밀도가 동일한 값을 가지게 되고 두 가지 상 간의 구분이 없어지게 된다. 이러한 상태를 초임계 상태(supercritical state)라고 하며 고체와 달리 변형이 쉽고 자유로이 흐르는 유체의 특성을 가지기 때문에 초임계유체(SCF)라고 불리게 되었다. 참고적으로 물의 임계점은 221 bar, 374℃이며 이산화탄소는 73.8 bar, 31.1 ℃이다.

언급한 바와 같이 온도에 따라 상 변화가 일어나지 않으면서도 밀도나 용해도의 급격한 변화가 나타나는 영역을 볼 수 있다. 특히, 유전상수(dielectric constant)의 경우 상온에서 78 정도의 값을 가지다가 임계온도에 도달하면 6 정도로 감소하게 되는데, 상온에서는 단지 이온 상태의 물질만을 용해시킬 수 있지만 초임계 상태에서는 파라핀족(paraffins)이나 방향족(aromatics)과 같은 유기물(organics)들을 용해시킬 수 있는 특성을 갖게 되는 것을 의미한다. 이러한 초임계유체 고유의 특성으로 인하여 추출이나 화학반응 공정에 이를 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 인간이 합성한 물질이 아닌 지구의 구성 물질인 물이나 이산화탄소를 사용할 수 있기 때문에 인체에 무해하고 친환경적인 청정기술(green chemistry or clean technology)로서의 장점을 갖기 때문에 초임계유체 활용 기술은 많은 관심의 대상이 되고 있다.

활용분야

초임계유체가 활용되는 분야는 추출에 의한 분리 공정과 고분자 중합 또는 초임계수 산화를 이용한 난분해성 폐기물 처리 등을 들 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 친환경적인 물질이면서 임계점이 73.8 bar, 31.1 ℃로 낮은 범위에 있어 기술적으로 다루기 용이하고 지구상에 풍부하기 때문에 경제성을 확보할 수 있는 이산화탄소를 사용하는 연구가 주로 이루어지고 있다. 초임계 상태의 이산화탄소의 경우에는 이미 커피나 차에서 카페인을 제거하는 초임계 추출(supercritical fluid extraction, SFE) 공정에 상용화되어 있다. 이외에도 맥주의 원료인 홉이나 다른 천연물, 약품의 전구체, 천연오일, 환경오염물질까지 초임계 이산화탄소를 이용하여 추출하는 공정이 개발 또는 상용화 되어 있다. 드라이크리닝의 독성 유기용제를 초임계 이산화탄소로 대치하는 기술 또한 상용화되어 성공적으로 운전 중에 있으며 반도체 세정에도 초임계유체를 이용하려는 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 초임계 이산화탄소의 또다른 주요응용분야는 고분자 중합(polymerization)이다. 대표적인 예로는 미국 DuPont 사의 polytetrafluoroethylene(PTFE) 생산 공정이 있다. 기존에 원료인 TFE를 녹이는 반응 용매(reaction solvent)로 사용되던 CFC's(chlorofluorocarbons)가 오존층 파괴와 같은 환경문제를 야기함에 따라 몬트리얼 의정서(1987)에 의하여 생산이 점차적으로 금지됨에 따라 이를 대체할 반응 용매로 초임계 이산화탄소를 선택하였으며 2006년에는 상업공정이 운전에 들어갈 예정으로 공사중에 있다. 이외에도 약물이나 촉매 등의 나노입자 제조에도 초임계 이산화탄소를 사용하는 연구가 성과를 거두고 있으며 여러 가지 화학반응의 반응 매체로 초임계유체를 사용하려는 시도가 증가하고 있다. 상용화가 활발한 초임계 유체 기술로는 초임계수 산화(supercritical water oxidation, SCWO) 반응을 활용하는 공정이다. 기존 공정에서는 처리되지 않는 난분해성 폐수의 처리 또는 제거율이 99.999 %에 달하는 고도의 산화 처리를 목적으로 한다. 초임계수는 임계점 부근에서 높은 반응 활성과 유기 화합물의 용해도를 가지고 산화 반응에 필요한 산소 기체와 완벽하게 혼합되어 단일 상을 이룸에 따라 일반적인 반응율속단계인 물질전달 저항이 최소화되어 반응속도가 빨라지는 특성을 가진다. SCWO 공정은 주로 온도는 400-600 ℃, 압력은 200-350 bar 조건에서 운전되는데, 1~5 분 정도의 짧은 체류시간만으로도 유기오염물질의 99.9 % 이상의 물, 이산화탄소로의 완전 산화가 가능하며 이들 최종 생성물은 2차 오염을 야기하지 않는 환경친화적 공정이다. 반면에 초임계수의 높은 활성으로 인하여 할로겐족이 포함된 경우 장치의 부식 문제가 심각하게 발생하며 염의 생성 또한 동시에 고려되어야 할 문제 중 하나이다. 따라서, 초임계수 산화 공정의 경우에는 장치의 재질 선택이 중요한 문제이며 최근에는 double shell reactor, tranpired wall reactor 등 여러 가지 형태의 반응기가 시험되고 있다. 초임계유체 기술은 한동안 관심을 끌지 못하다가 최근에 다시 친환경적인 청정기술로서 주목을 받기 시작하였다. 식품 또는 약품 생산에 필요한 유용성분의 추출 공정 뿐만아니라 기존 화학 반응 공정 및 세정에 사용되는 유독성 반응 용매 대체, 중금속 촉매의 사용 억제 또는 난분해성 폐수 처리 등 친환경적이면서도 고부가가치 산업으로서의 면모를 갖추어가는 중에 있다. 기존 화학공정이 갖는 많은 단점이나 한계(특히, 환경적인 문제)를 극복할 수 있는 가능성을 지닌 기술이지만 아직 학문적, 기술적인 난제가 산적하여 많은 연구가 필요한 분야이므로 앞으로도 활용 분야는 지속적으로 확대될 것이다.

Supercritical Fluid Extraction (초임계유체 추출, SFE)

초임계유체를 이용한 추출은 초임계유체를 활용한 기술 중에서도 가장 많은 연구가 이루어졌고 상용화 또한 가장 많이 이루어진 분야이다. 1980년대 초반에는 커피의 카페인 제거나 홉의 추출 공정 등이 상용화되어 현재까지 독일, 미국 등지의 식품 산업과 관련된 여러 플랜트가 건설되어 성공적으로 운전되고 있으며, 최근에 들어서면서 한의학이 발달한 한, 중, 일 3국을 중심으로 식물 내의 생약 성분 추출에 관련된 연구가 집중적으로 연구되고 있는 실정이다.

SFE의 기본 원리는 일반 추출과 마찬가지로 추출물을 포함하는 원료 물질이 SCFs와 접촉하게 되면 휘발성 물질이 초임계 상(supercritical phase)으로 분배되는 제 1단계와 추출물을 포함하는 SCFs는 원료 물질과 분리된 후 온도/압력 조절을 통하여 추출물을 분리하는 2단계 과정으로 나어 생각할 수 있다. SFE의 경우에는 특히, 이산화탄소와 같은 경우에는 상온, 상압에서 기체 상태가 되기 때문에 기존 추출 공정과는 달리 2단계에서 추출물과 용매의 완전한 분리가 가능하며 분리된 용매는 온도/압력을 증가시켜 추출 가능한 초임계 상태로 만들어 재순환시켜 사용한다.

SFE에서는 친환경적인 물질이면서 임계점이 73.8 bar, 31.1 ℃로 낮은 범위에 있어 기술적으로 다루기 용이하고 지구상에 풍부하기 때문에 가격이 저렴한 이산화탄소(scCO2)를 주로 이용한다. SFE의 경우 기존 추출공정에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다. SCFs는 기존 유기 용매들과 비슷한 정도의 용해도를 가지면서도 액체 상태에 비하여 확산계수가 크고 점도와 표면장력이 작기 때문에 물질 전달 저항이 작아진다. 온도/압력을 조절함에 따라 용해도가 급격히 변화하기 때문에 용매로부터 용질 성분을 선택적이면서, 빠르고 편리하게 분리해 낼 수 있다. 메탄올을 scCO2에 첨가하는 것과 같이 modifier를 사용하여 SCFs의 극성(polarity)과 같은 물성을 변화시키는 것이 가능하므로 선택성이나 추출 성능을 향상시킬 수 있다. 비교적 저온(scCO2의 경우 31.1 ℃ 이상)에서 공정이 운전되기 때문에 열적 내성이 약한 물질의 분리에 적절하다. 휘발성이 높은 용매(상온, 상압에서 CO2는 기체 상태)를 사용하기 때문에 잔류 용제를 완전히 제거할 수 있으며 이는 기존 공정과는 달리 잔존 유기 용매의 유독성 문제가 발생하지 않는다. 사용된 용매는 거의 완전한 분리와 회수가 가능하여 재사용이 용이하므로 처리나 재구입에 드는 비용 뿐만아니라 추가적인 오염 발생을 최소화 할 수 있다.

반면에, 다음과 같은 단점 또한 지니고 있다.

고압 공정이므로 초기 장치 투자비나 운전비가 많이 든다.

온도/압력 조절에 필요한 에너지 비용을 최소화하기 위하여 정밀한 제어와 용매의 재순환이 필수적이다.

상평형이나 물질 이동 특성 등의 기본 물성 데이터가 부족하다.

따라서, 이와 같은 단점을 상쇄할 수 있을 만큼 고부가가치 산업이거나, 난분해성 폐수와 같이 다른 대안이 없는 경우 - 특히, 환경적인 측면 또는 인체 건강과 관련된 산업의 경우가 이에 해당한다. 따라서, 식품 산업이나 제약 산업과 같이 건강과 관련되고 부가가치가 높은 분야에 적용이 가능한 초임계유체 추출 공정이 일찍부터 관심의 대상이 되어 왔다. 또한, SFE 공정은 기존의 기술로는 분리가 어려웠던 이성질체, 열변성 혼합물의 분리, 고분자물질의 정제, 천연식물로부터 의약, 향료와 같은 유효 성분의 분리 등을 비롯해서 에너지 절약형 무공해 공정 등 그 응용범위가 넓어 앞으로도 활발한 연구가 진행될 것으로 기대된다.

초임계장치

초임계수산화

물이 임계점, (22 MPa) 이상으로 가열되고 압력을 받으면, 유기물과 산소의 물에 용해도가 크게 증가한다. 이러한 초임계상태의 물의 특성의 장점을 취하여 유기물질을 완전하게 분해하는 기술을 초임계적 물 산화 기술(supercritical water oxidation technology) 이라고 한다. 이기술은 단시간에 모든 난분해성 물질을 완전히 분해하여 이산화탄소, 물, 무기염으로 전환시켜 무기화한다. 오래곤(Oragon)이라는 회사는 초임계적 물 산화 기술을 개발하고 있으며, 지구의 청정화에 기여하고 있다.

초임계유체 추출

초임계 유체란 임계점 이상의 온도 및 압력을 가지는 물질의 상태를 나타낸 용어이며 초임계 유체의 밀도는 액체의 밀도와 비슷하지만 점도는 기체의 점도처럼 낮다. 확산계수는 액체의 값보다 수백 또는 수천 배 정도 크다. 즉, 초임계 유체는 점도가 기체처럼 작으므로 시료 침투력이 좋아 추출 효율이 향상되고, 확산계수가 크므로 평형에 빨리 접근할 수 있는 특징을 가지는 등, 초임계 유체를 추출에 이용할 때 기존의 용매 추출과 비교하여 여러가지 장점을 지니고 있다.

Supercritical Anti Solvent

상 거동 (phase behavior)은 초임계 유체에 포함된 혼합 시스템에서 큰 변화를 보여주며 이러한 특성들은 결정화에 이용되어질 수 있다. 용매에 초임계 유체를 용해시키면 그 용매가 역용매(anti-solvent) 가 되어 분리되며 용질상을 침전시킨다. 이것이 SAS법이다. 초임계 유체가 사용되어지면 온도, 압력을 변화시킴으로서 유체의 용해 정도를 조절할 수 있으며, 이것으로 최적의 역용매 조건을 상대적으로 쉽게 찾을 수 있다.

[출처] 초임계유체|작성자 너럭바위

초임계물 (=초임계수)

온도와 압력을 더 올려서 만약에 400C, 400bar가 되었다고 하면 이 상태의 물은 기체도 액체도 (그리고 고체도 아닌) 초임계상태의 물이 됩니다. 초임계상태가 되면 상(Phase)이 하나밖에 없기 때문에 자유도가 2가 됩니다. 따라서 온도와 압력을 우리가 원하는 데로 선택할 수 있습니다. (기화선 위에서는 기체와 액체 2상이 존재하므로 자유도가 1이되어 온도를 선정하면 압력을 저절로 고정이 됩니다) 즉 초임계 상태의 물에서는 온도를 400C로 정해서 압력을 우리 맘대로 400bar, 500bar, 600bar등 원하는대로 조절할 수 있습니다.

초임계물의 특성

초임계물은 물과는 다른 특성을 지니고 있습니다. 물의 특성은 분자간의 수소결합으로부터

오기 때문에 극성입니다. 따라서 비극성인 질소, 산소 등을 잘 녹일 수 없습니다. 그러나 그성인 암모니아 등은 매우 잘 녹입니다. 벤젠과 같은 비극성 유기용매는 잘 녹일 수 없으나 알코올과 같은 극성물질은 잘 녹입니다. 또한 소금은 매우 잘 녹이는 성질을 가지고 있습니다. 초임계물은 수소결합이 매우 약해져서 비극성에 가깝운 용매가 됩니다. 따라서 초임계물은 질소, 산소, 수소등을 잘 녹일 수 있습니다. 벤젠, 헥산과 같은 비극성 용매와도 잘 섞입니다. 그러나 소금은 전혀 용해할 수 없게 됩니다.

그리고 초임계상태의 물은 표면장력도 거의 없고 (물은 매우 강한 표면장력을 가짐), 점도는 기체처럼 낮고 확산계수는 기체처럼 매우 높은 특성이 있습니다.

더욱이 초임계물은 온도압력을 조절하여 밀도를 자유자재로 변하게하여 우리가 원하는 물성을 얻을수 있는 장점을 지니고 있습니다.

초임계물의 이용

이러한 초임계물의 독특한 물성을 이용하여 여러가지 기술이 개발 중에 있습니다. 초임계물을 이용한 폐수처리 (SCWO: Supercritical Water Oxidation), 세라믹 나노입자제조, 추출, 화학반응, 에너지변환공정 등 다양한 분야에서 응용이 되고 있습니다. 국내에서는 한화석유화학이 개발한 TNT제조공정 폐수처리(남해화학), TPA제조공정 폐수처리(삼남석유화학), 세라믹 나노입자제조공정(한화석유화학) 등이 상업적 규모로 운전이 되고 있으며 이 분야의 기술개발은 우리나라가 세계를 선도하고 있습니다.

경향신문 원문 기사전송 2008-12-18 09:20