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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

'그는 하버드대의 수재였다. 아버지는 부유한 의사, 어머니는 예술에 조예가 깊었다. 정서적으로 안정돼 있었고, 판단력이 뛰어났다. 이상도 높았고 건강했다. 그러나 31세에 부모와 세상에 적대감을 드러내기 시작했다. 돌연 잠적하더니 마약을 한다는 소문이 돌았다. 어느 날 갑자기 사망했다. '전쟁 영웅이었고 평화운동가였다'는 부음기사가 나갔다.' (141번 사례)

'활발하던 한 학생은 결혼 후 세 아이를 낳고 이혼했다. 동성애 인권운동가가 됐다. 삶에 더 남은 것이 없다며 술에 빠져 살다가 64세에 계단에서 떨어져 죽었다.'(47번 사례)

1937년 미국 하버드대 남학생 268명이 인생사례 연구를 위해 선발됐다. 세계 최고의 대학에 입학한 수재 중에서도 가장 똑똑하고 야심만만하고 환경에 적응을 잘하는 이들이었다. 후에 제35대 미국 대통령이 된 존 F 케네디(Kennedy), 워싱턴포스트 편집인으로서 닉슨의 워터게이트사건 보도를 총괄 지휘했던 벤 브래들리(Bradlee·현재 부사장)도 끼어 있었다.

당시 2학년생으로 전도유망했던 하버드생들의 일생을 72년에 걸쳐 추적한 결과가 12일 시사월간지 '애틀랜틱 먼슬리' 6월호에 공개됐다. 1967년부터 이 연구를 주도해온 하버드 의대 정신과의 조지 베일런트(Vaillant) 교수는 "삶에서 가장 중요한 것은 인간관계이며, 행복은 결국 사랑"이라고 결론지었다.

연구결과 47세 무렵까지 형성돼 있는 인간관계가 이후 생애를 결정하는 데 가장 중요한 변수였다. 평범해 보이는 사람이 가장 안정적인 성공을 이뤘다. 연구 대상자의 약 3분의 1은 정신질환도 한때 겪었다. "하버드 엘리트라는 껍데기 아래엔 고통받는 심장이 있었다"고 잡지는 표현했다. 행복하게 늙어가는 데 필요한 요소는 7가지로 추려졌다. 고통에 적응하는 '성숙한 자세'가 첫째였고, 교육·안정적 결혼·금연·금주·운동·적당한 체중이 필요했다.

베일런트 교수는 "어떠한 데이터로도 밝혀낼 수 없는 극적인 주파수를 발산하는 것이 삶"이라며 "과학으로 판단하기에는 너무나 인간적이고, 숫자로 말하기엔 너무나 아름답고, 학술지에만 실리기에는 영원하다"고 말했다.

◆ 금연·운동 등 7대 요소중 5가지 이상 갖춘 106명은 80세에도 절반이 행복

특정 개인의 역사를 장기적으로 추적한 '종적(縱的) 연구'의 최고봉을 보여주는 '하버드대 2학년생 268명 생애 연구'는 1937년 당시 하버드 의대 교수 알리 복(Bock)이 시동을 걸었다. 연구를 재정적으로 지원한 백화점 재벌 W T 그랜트(Grant)의 이름을 따 '그랜트 연구'라고도 불린다.

연구는 "잘 사는 삶에 일정한 공식이 있을까"라는 기본적인 의문에서 출발했다. 연구진에는 하버드대 생리학·약학·인류학·심리학 분야의 최고 두뇌들이 동원됐다. 이들은 정기적인 인터뷰와 설문을 통해 대상자의 신체적·정신적 건강을 체크했다.

268명 대상자 중 절반 정도는 이미 세상을 떠났다. 남은 이들도 80대, 90대에 이르렀다. 지난 42년 간 이 연구를 진행해온 조지 베일런트(Vaillant) 교수는 대상자들의 행적이 담긴 파일을 소개하며 "기쁨과 비탄은 섬세하게 직조(織造)돼 있다"는 윌리엄 블레이크(Blake·1757~1827)의 시구를 인용했다.

최고 엘리트답게 그들의 출발은 상쾌했다. 연방상원의원에 도전한 사람이 4명이었고 대통령도 나왔다. 유명한 소설가도 있었다. 그러나 연구 시작 후 10년이 지난 1948년 즈음부터 20명이 심각한 정신 질환을 호소했다. 50세 무렵엔 약 3분의 1이 한때 정신질환을 앓았다.

행복하게 나이가 들어가는데 필요한 '행복 요소' 7가지 중, 50세에 5~6개를 갖춘 106명 중 절반이 80세에 '행복하고 건강하게' 살고 있었다. '불행하고 아픈' 이들은 7.5%에 그쳤다. 반면 50세에 3개 이하를 갖춘 이들 중 80세에 행복하고 건강하게 사는 사람은 아무도 없었다. 3개 이하의 요소를 갖춘 사람은 그 이상을 갖춘 사람보다 80세 이전에 사망할 확률이 3배 높았다.

50세 때 콜레스테롤 수치는 장수(長壽)와 무관했다. 장기적으로 봤을 때, 콜레스테롤 수치가 중요한 시기가 있고 무시해야 할 시기가 있다고 연구진은 밝혔다. 어릴 적 성격도 장기적으로는 영향력이 줄어들었다. 수줍음을 타던 어린이가 청년기에는 고전하더라도 70세에는 외향적인 아이들과 마찬가지로 '행복하고 건강하게' 살았다. 대학교 때의 꾸준한 운동은 그 후 삶의 신체적 건강보다는 정신적 건강에 긍정적인 영향을 끼쳤다.

성공적인 노후로 이끄는 열쇠는 지성이나 계급이 아니라 사회적 적성, 즉 인간관계였다. 형제·자매 관계도 중요하다. 65세에 잘 살고 있는 사람의 93%가 이전에 형제·자매와 원만하게 지낸 사람들이었다.

인간의 기억이 나이가 들어가며 왜곡되는 모습도 보여줬다. 제2차 세계대전에 참전한 이들 중 34%가 1946년에 "적군의 포탄 아래 놓여본 적이 있다"고 답했다. 25%는 "적군을 죽여본 적이 있다"고 밝혔다. 42년 후인 1988년 똑같은 질문을 던졌다. "포탄 아래 놓여봤다"는 답변자는 40%로 늘었고, "죽여봤다"는 답변은 14%로 줄었다. "기억은 시간이 갈수록 모험성은 첨가되고 치명적 위험성은 약화되는 쪽으로 왜곡된다"는 것이 베일런트 박사의 진단이다.

한편, 뉴욕타임스의 칼럼니스트 데이비드 브룩스(Brooks)는 "이번 연구는 대작가 도스토옙스키의 상상력 속에서만 가능할 것 같은 소설 같은 삶이 현실에도 존재함을 보여준다"며, "과학의 잣대도 숨을 죽일 수밖에 없을 정도로 삶은 미묘하고 복잡하다는 것을 확인할 수 있다"고 평했다.

신정선 기자 violet@chosun.com

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0. 발단

[암 종말론](96) 물담배는 과연 안전한가?

ㆍ(아시아 건강백태 시리즈-11)

ㆍ중동지역 유행…일반 담배보다 수백배 더 위험

ㆍ물이 필터 역할…발암물질·유해중금속 못 걸러

터키뿐 아니라 이집트나 이란, 두바이, 사우디아라비아 등 중동지역을 여행하다 보면 길거리나 시장 골목에 위치한 다방 같은데서 서너명이 둘러 앉아 홍차 같은 것을 마시면서 물병에 꽂아둔 긴 대롱을 통해 무엇인가를 열심히 빨아대는 모습을 쉽게 볼 수 있다. 중동지역 아랍인들에게서 공통적으로 볼 수 있는 물담배 피우는 습관이다.

보통 시샤라고 불리는데, 인도 혹은 이집트에서 시작되었다고 한다. 원리는 간단하다. 항아리처럼 생긴 물을 통해 담배 연기를 거른 후 긴 대롱으로 연기를 빨아들이는 방법으로, 물이 필터 역할을 하고 여기에 향료를 사용한다.

터키의 물담배.

저장용량 무제한 웹하드 매달 무료?

이 물담배는 일반 담배를 피우는 것에 비해 흡연의 해독이 적을까? 그렇지 않다. 담배를 피우는 것보다 더 해가 많을 수도 있다. 보고에 의하면 물담배를 1시간 정도 피우면 일반적인 담배를 100개비 혹은 200개비를 피우는 것과 같은 정도의 해가 된다고 한다.

물은 필터의 역할을 할 것으로 기대되지만 사실은 물이 하는 역할은 담배를 연기를 다소 희석시켜 연기의 양을 적게 하고, 담배를 빨 때 발생되는 가열 온도를 낮추어 맛을 순하게 한다고 애연가들은 느끼기 때문에 마치 타르나 니코틴이 물에 녹아 없어지며, 따라서 건강에 지장이 없다고 생각한다.

그러나 담배 속에는 4000종 이상의 화학물질이 함유되어 있으며, 그 중에는 국제적으로 인정된 발암물질이 69종이나 함유되어 있다. 나프탈린이나 디디티 같은 유해 화학물질이나 벤조피렌과 같은 발암물질과 대부분의 중금속은 물에 용해되지 않는다. 최근 보고에 의하면 물담배를 통해 흡연하는 경우 일산화탄소 섭취량이 일반 담배 15~52개를 흡연하는 것과 같으며, 타르의 측면에서는 27~102개피를 흡연하는 것과 같다 한다.

맛이 순하다고 느껴지면 흡연자들은 더 깊게 빨아 들이고 더 오래 피우게 되며, 결국 담배 연기에 폭로되는 총량은 그만큼 증가하기 때문에 건강에 주는 영향은 그만큼 클 수밖에 없다. 담배를 줄이겠다고 순한 담배로 바꾸는 사람들이 결국 더 많이 들여 마시는 것과 같은 맥락이다.

결과적으로 물담배는 흡연에 의한 구강암이나 폐암과 같은 건강장해를 전혀 줄이지 못하고 오히려 심장질환이나 만성 폐질환까지도 촉진시키는 악영향을 준다. 물담배는 시샤라는 기구를 통해 여러 사람이 돌아가면서 피우기 때문에 결핵이나 헤르페스 등 비 위생적인 구강 감염병이 생길 수도 있으니 여행 중에 호기심으로 피우는 경우에도 주의를 기울여야 할 것이다.

< 서울의대 유근영 교수 / 전 국립암센터 원장 / 한국과학기술한림원 정회원 http://blog.naver.com/bkkyyoo >

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1. 보고서 제목

물담배의 원리와 일반 담배와의 비교, 분석

 

약간의 거부감이 들 수 있음

 초기단계 잘 안보이겠지만 계란 가운데 하얗게 점비슷한게있읍니다 그게

 

발생 초기의 배  상태입니다. 여기서 부터 자라죠 나머지 노란자는 영양분이라 보시면됩니다.

 

 

 

  흰 개체가 보이시죠? 그게 바로 위의 흰 점에서 발달한 약간의 생물형상입니다. 가운데 투명한거는 아마도 태반+탯줄로 추정이 됩니다만

 

 

 

 이제 핏기가 나오기시작합니다

 

안쪽에 검은 색이 바로 눈이고요   몸에 비해 굉장히 큽니다. 그리고 약간 태아의 모습을 갖춥니다.

 

  꽤 무섭습니다 네   눈이 굉장히크고 노른자와 연결된 피 색깔의 태반이 보일껍니다.

 

   좀 무섭죠 ㅋㅋㅋㅋ

 

 자 더 발달한 형태입니다 굉장히 핏기가 많고요  마치 핏줄이 벽에 사방 팔방 뻗쳐 있는것 같죠?? 이제부터는 피반 노른자 반입니다. 노른자가 점점없어진다는거에서 양분으로 활용됨을 알수있습니다.

 

 

 

 

 펼쳐놓은 모습입니다. 아 정말 실제로보면 외계인이 따로없습니다.

 

눈도 두개고 태반도 있고 노른자는 이미 쪽쪽빨려서  반구의 모양을 흩어뜨린지 오래구요

 

 

 

   아쉽게도 마지막 거의 성체의 모양은 찍지못했습니다.

 

대신 일반적으로 포름알데히드를 이용해 생물을 보관하는 것을 찍었는데요  작아서 그렇지 완전한 조류의 상태입니다.

 

 

 

 

 

 

 

사진은 이게 다입니다. 놀랍게도 한차례 한차례 모습이 바뀔때마다 시간적 차이는 2~3일 밖에 돼지않습니다.

 

매일 계란을 깰때마다 성장에 놀라곤했었죠.  이 모든과정이 거의 2주만에  되었던것으로  기억납니다.

 

 

 

생명체이니만큼  관찰이 끝날때마다 조교의 지시에 따라 잘 묻어주었습니다.  솔직히 죄책감이 들어서  곱게 묻어줄수밖에없었어요

 

나중에 갈수록 더욱이요 ㅜㅜ   미안하다 병아리들아....

 

 

언젠가 이런 동물실험에 관한 강의를 짧게나마 들은적이있는데  결론은 ' 인류를 위해 어쩔수 없다 '였습니다.

 

저는 비록 수업을 위해 했지만  이런 생명을 한낱 보고서를 위해 다신 바치고싶지않네요

 

 

 

 

그리고 너무 혐오스러운까마 조그맣게 해드렸습니다. 많이줄인거예요 ㅋㅋㅋ

 

 

 

궁금증 1) 왜 조류와 표유류는  태아시절 비슷한 형상을할까?

 

궁금증 2) 계란의 흰자는 무슨역활일까? 완충작용?

역시 껍질을 벗겨보니

 

혈관이 보였다 이젠 아주 뚜렷하게

 

핏기가 맴돌았고

 

혈관이 달걀 안쪽 전체에 뻗쳐있는것같았다.

 

위쪽에 까보니 역시 눈이 크게 자라있고 다리가 존재하는 생명체가보였으며

 

글라스에 엎어보니 (마지막에 달걀껍질에 붙어있는듯한 그래서 핀셋으로 떼어냈더니 한꺼번에 떨어졌다)

 

생명체가 더욱 커졌고  몸 안쪽에서 뭔가 쪼그마하게 움직였다 일정한 박자로

 

아마 심장으로 추측이된다.

 

이제는 노란색 반 빨간색반이였고  눈이 몸의 1/2을 차지했다.

옛날에 아주 아름답고 평온한 마을이 있었다.        

즉 natural number village(?)였다.        

그 마을의 이름은 자연수 마을.        

그런데 어느날 마을에 미분 귀신이 나타났다.        

미분 귀신은 마을 사람들을 하나씩 미분시켜서 모조리 0으로 만들었다.        

마을은 점점 황폐해가고 이를 보다 못한 촌장과 동네사람들이 반상회를 개최하였다.        

몇 시간의 토론 끝에 이웃에 있는 방정식 마을에 구원을 요청하기로 하였다.        

이웃마을의 소식을 들은 마을에서는 x^2(엑스제곱)장군을 자연수 마을에        

급파하였다.        

전투시에 수시로 자신의 모습을 바꾸는 x^2장군 앞에서 잠시 당황한 미분귀신...        

그러나 미분귀신은 잠시 생각하더니 3번의 미분을 통해서 간단히 해치우고 말았다.        

         

그러자 방정식 마을에서는 x^3(엑스세제곱) 장군을 급파하였다.        

그러나 그 역시 미분 귀신의 적수가 되기엔 역부족이었다.        

단 4번의 미분에 그만작살이 나고야 말았다.        

당황한 방정식 마을에서는 x^n(엑스엔제곱) 참모총장마저 보내는 초강수를        

택하였으나        

그 역시 n+1 번의 미분 앞에서 힘없이 무너지고 말았다.        

이제 아무도 미분 귀신의 적수가 될 수 없으리라 생각했으나....        

방정식 나라에는 마지막 희망 sinx,cosx 두장군이 있었다.        

좌 sinx, 우 cosx 장군이 미분 귀신과 전투를 시작하였다.        

미분 귀신은 적잖이 당황하지 않을 수 없었다.        

아무리 미분을 하여도 서로 모습만 바꿔가며 계속 덤비는 sinx, cosx 장군 앞에서        

더 이상 싸울 힘이 없었다.        

         

그러나 그 순간 미분 귀신은 꾀를 내었다.        

그리고 cosx 장군을 미분시켜 sinx장군에게 던져버린 것이다.        

마지막 희망이었던 두 장군은 서로 부디쳐서 그만 자폭하고 말았다.        

일이 이쯤 되자 방정식 마을에서는 용병을 구하느라 난리가 일고 있었다.        

그런데 전설적인 용병이 등장하였다.        

그의 이름은 바로 exponential 검신이었다.        

그가 가진 e^x (이의엑스제곱) 라는 무기는 미분 귀신이 수백번의 미분을 해도        

전혀 손상되지 않았기 때문이다.        

미분귀신은 당황하기 시작하였다.        

이제 승리는 exponential의 것처럼 보였다.        

하지만 끝내 그마저 미분 귀신에게 패하고 말았다.        

글쎄....        

         

         

그 미분귀신이...        

y 로 편미분을 해버리고 말았던 것이다...        

         

         

미분귀신2        

         

미분귀신이 마을을 쓸어버리고 난 뒤, 자연수마을에 다시 찾아온 재앙이 있었으니..        

그것이 바로 적분귀신이었다.        
적분귀신은 자연수들을 적분해 쓸데없이 덩치를 키워버리는가 하면,        
출처가 불분명한 c(적분상수)라는 것들을 대량으로 만들어내었고,        
심지어는 x로 적분한뒤 다시 y로 적분해 xy라는 악질 돌연변이까지 만들어 내는        
것이었다.        
자연수마을은 다항식마을에 도움을 청했지만, 다항식 마을은 자기 마을의 인구가        
늘어난다며        
오히려 적분귀신을 환영할 뿐이었다.        
할 수 없이 자연수마을은 자신들을 쓸어버렸던 미분귀신에게 도움을 청할 수 밖에        
없었다.        
하지만 너무 위험한 관계로 자연수들은 모두 꽁꽁 숨어있기로 했다.        
마을 광장에서 마주친 적분귀신과 미분귀신. 적분귀신 "문제를 내어 이기는 쪽이        
사라지도록 하자"        
미분귀신 "좋다(흐흐.. 내겐 편미분이라는 무기가..-_-+)"        

그.러.나...        

적분귀신이 문제로 제시한 것은 무한다변수 다항식        

lim a1*a2*....*an 이 었다.        
n->∽        

아무리 편미분을 해 봐도 끊임없이 쏟아지는 변수들..        

미분귀신 "포기다.. 너의 솜씨를 보여다오..-_-;;"        

적분귀신 "가소로운 것.. 에잇!"        

눈앞의 무한다변수다항식이 흔적도 없이 소멸되어버리는 것이 아닌가...        

미분귀신 "어.. 어떻게?-_-;;;"        
적분귀신 "......."        
그렇다...        
적분귀신은 다항식을 0에서 0까지 정적분해 버렸던 것이다...-_-;;        

적분귀신은 정말 대단했다.        

승승장구를 치던 적분귀신에게 대적할만한 상대가        
자연수 마을에서는 더이상 존재하지 않았다.        
여지없이 무너진 미분귀신은 함께 힘을 합하여        
적분귀신을 물리칠 동업자를 찾아 나섰다.        

정수마을, 유리수마을, 실수마을, 심지어        

그 복잡하다는 복소수(complex number)마을까지...        
그러나 미분귀신은 더이상 동업자를 찾을 수 없는듯 했다.        

"수의 마을에서는 도저히 찾을 수 없는것인가?..."        

자포자기한 미분귀신 앞에 펼쳐진 광경은        
정말 놀라운 광경이었다.        
실수 및 복소수 마을에서 연속(continuous)인 함수들이        
어떤 놈에게 여지없이 터져서는 산산조각이 나는 것이었다.        
"저놈이닷!" 미분귀신이 외쳤다.        
자세히 보니 그놈은 델타함수(delta function)였다.        
연속함수들을 sampling을 통해        
이산(discrete)함수로 만들고 있었던 것이다.        

며칠 후...        

자연수 마을로 돌아온 미분귀신은        
델타함수를 적분귀신 앞에 내놓았다.        
적분귀신은 자신의 비장의 무기인        
0에서 0까지 정적분을 사용했다.        
그러나 델타함수는 사라지지 않고 1을 남겼다.        
델타함수는 정말 대단했다.        
특이하게도 0(-0)에서 0(+0)까지 정적분을 하면 1이되는 것이었다.        
순간 당황한 적분귀신은 정신을 가다듬고        

다시 0에서 0까지 정적분을 시도했다.        

그러자 1이 사라졌다.        
이때 나선 미분귀신은 델타함수를 무한번 미분해주기 시작했다.        
적분귀신이 아무리 아무리 0에서 0까지 정적분을 시도해도        
미분을 통해 계속 델타함수의 변종들이 나타나는 것이었다.        
적분귀신은 드디어 두손두발,        
아니 두 인티그랄(integral)을 다 들고 말았다.        
미분귀신과 델타함수의 연합전선은 정말 대단했다.        
그러나 잠시잠깐 그들이 한눈을 판 사이에 그들은 사라지고 말았다.        
"무슨일이지...?" 적분귀신이 고개를 들었다.        
...        

        

..        
...        
그 거대한 몸짓.        
그는 말 한마디로 모든 것을 사라지게 할 수 있는 거의 신적인 존재였다.        
그는 바로        
'정의(definition)귀신'이었다.        
미분귀신과 델타함수가 열심히 ally를 해도        
마지막에 정의귀신이 "= 0" 한마디면 끝나는 것이었다.        
과연 정의귀신을 대적할 자가 이세상에 존재할런지.....        

         

        

         

미분귀신3        

         

..  바야흐로 중원의 미분 귀신과 적분 귀신에 의한 전국 시대는        

정의 귀신이라는 새로운 귀신의 등장으로 인하여 새로운 국면에 접어들게 되었다.        
정의 귀신의 활약은 대단했다.        
정의 귀신이 지나간 자리는 모두 0으로 황폐화 되고,        
모든 마을 사람은 정의 귀신이 나타났다는 소문만 나도 무서워서 꼼짝을 못하게        
되었다.        
그러던 어느날, 정의 귀신은 한 작은 마을을 지나게 된다.        
정확하게 말하자면, 그 마을의 규모를 파악할 수 없었지만, 겉보기에는 별 것 아닌        
듯하게 보이는 마을이었다.        
하지만.. 문제는..        
마을 사람들이 정의 귀신이 마을에 도착했는데도 별다른 반응이 없었던 것이다.        
-_-;;        
그동안 모든 사람들에게 공포의 대상이었던 자신이        
이렇게 무시당하는 것에 정의 귀신은 황당함 이전에 분노가 끓어 올랐다.        
마침 굉장히 어리버리해 보이는 한 꼬마가 눈에 띄였다.        
정의 귀신은 자신의 힘을 과시하겠다는 듯,        
"= 0"        
을 외쳤다. 그러나 그 어리버리해 보이는 꼬마는 눈 깜짝 하지 않고, 대뜸 이렇게        
반문하는 것이었다.        
"아저씨, 그건 95%의 신뢰 구간에서는 채택될 지 몰라도 저는 유의수준이거든요.        

딴 데 가서 알아봐요."        

정의 귀신으로서는 알 수 없는 방어였지만, 굉장히 자존심이 상했다.        
무슨 공격을 해도 공격 자체에 대한 집합을 기각해 버리는 그 꼬마한테는 먹혀들지        
않는 것이었다.        
화가난 정의 귀신은 옆에서 미소를 짓고 있는 청년에게 화풀이성 공격을 하였다.        
하지만, 그 청년은 정의 귀신이 공격할 때마다 계속해서 실수(real number)를        
만들어내는 것이 아닌가?        
정의 귀신은 이해할 수 없었다.        

왜 사라지기는 커녕 계속해서 실수를 만들어내는 것인가?        

정의 귀신은 그 청년에게 도대체 정체가 무엇이며, 여기는 어디인가를 묻지 않을        
수가 없었다.        
청년은 대답했다.        
"저는 확률 함수(probability function)라고 합니다. 당신이 어떠한 정의를 내리건        
간에 그에 따른 확률을 계산합니다."        
"이럴수가.. -_-;;;"        
"이 마을은 '확률과 통계'라는 연합 마을입니다.        
이 마을 사람들은 당신과 같이 정의내리기 좋아하는 족속들에게 진실을        
알려주지요."        
"그렇군. 그래서 나의 공격이 전혀 먹혀들지 않았던 것이군.        
한 가지만 더 묻겠다. 왜 그런 힘을 지니고 있으면서도 세상을 지배하려 하지 않는        
것이지?"        

"저희가 가진 힘은 시계열(time series)이란 마을 사람들이 가진 힘에 비교하면        

아무 것도 아니기 때문입니다.        
그 마을 사람들은 미래를 예언하고, 또한 원하는 미래를 실현시키는 무서운 능력을        
갖고 있지요.        
시계열 마을 뿐 만이 아닙니다. 저 길로 계속 가면 또 어떤 마을이 있는지는        
시계열 마을 사람들도 극소수만이 알고 있습니다.        
소문에는 넓이는 유한한데 둘레는 무한해서 그 형체를 알 수 없는        
프랙탈(fractal)이라는 마을이 제일 가까이 있다고 합니다."        

"..."        

역시 세상은 넓다고 했던가..        

정의 귀신은 자신의 나약함과 어리석음을 깨닫고 중원을 떠나고야 만다.

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

2, 실험 원리

(1) PCR 원리

1983년 새로운 기술인 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction [PCR])이 고안되었다. 이 기술은 드물게 존재하는 DNA 서열의 탐지와 클로닝을 가능하게 한다. 방법은 게놈 DNA내 표적 DNA 서열의 증폭에 기초를 두고 있다. 이 방법은 기본적으로 큰 DNA 절편에 해당되는 작거나 중간크기의 절편을 다수 생성하는 것이다. PCR 방법의 뚜렷한 장점은 반응에 아주 소량의 시료가 필요하다는 것이다. 증폭하고자 하는 표적 DNA의 한 DNA 사슬 3‘ 말단에 상보적인 것과 그 반대 사슬의 3’ 말단에 상보적인 두 개의 특정 oligonucleotide를 합성한다. 이 oligodeoxynucleotide를 원하는 절편을 함유한 변성된, 한 가닥의 표적 DNA와 혼성화반응을 시킨다. 이 oligonucleotide는 프라이머 (또는 시발체)로 작용한다. 올리고 누클레오티드의 5‘말단은 Taq 중합효소(열에 안정성이 있는 DNA-의존 DNA중합효소로 호열성 세균인 Thermus aquaticus에서 분리됨)에 의한 주형사슬의 증폭 개시점으로 작용한다. 주형 사슬이 복제된 후 그 복제산물들은 융해에 의해 변성되며, 반응물은 합성된 산물과 주형사슬 모두에 primer가 어닐링 annealing)되도록 어닐링 온도를 낮추고, 또 다른 복제 과정을 시작한다. 10분 이내가 소요되는 이 과정은 원하는 만큼 반보갈 수 있다. 첫 번째 몇 번의 과정 후 대부분 증폭산물은 주형 DNA 3’부위 사이의 절편이 증폭된 것이다. 이 후 주형 DNA 연장은 무시 할 정도로 희석된다. Taq 중합효소는 각 라운드 후 사슬을 분리하기 위한 가열 단계에서도 불활성되지 않는 성질을 갖고 있기 때문에 이용된다. 중합효소 연쇄반응은 온도 순환과정을 자동으로 프로그램화 할 수 있는 기계를 이용해 수행한다.

(2) Polymerase 종류 및 특성

DNA Polymerase I : 진핵생물에서의 DNA 복제 과정에 참여하는 효소이다.

DNA Polymerase Ⅱ : 진행생물의 손상된 DNA 복구에 관여한다.

DNA Polymerase Ⅲ : 박테리아의 주요 중합효소이다(DNA 복제 신장)

그 외 에도 DNA Polymerase Ⅳ, Ⅴ 등 이 있다.

Taq Polymerase : 내열성의 DNA 중합효소로 DNA의 작은 절편을 크게 확장 시키는 방법으로 PCR에 많이 쓰인다.

Pfu Polymerase : hyperthermophilic archaeon Pyrococcus furiosus에서 발견되는 효소로 생물체 안에서 유기체의 DNA를 복제하는 기능을 한다. Pfu는 PCR에서 DNA를 확장하는데 이용되곤 한다.

(3) PCR 각 step 마다 원리/이유(시간, 온도 등)

• DNA 의 변성(denaturation)

90℃ ~ 96℃로 가열하여 double strand DNA(ds DNA)를 sing strand DNA(ss DNA)로 분리 시킨다. 높은 온도 일수록 ssDNA가 잘 이행 되지만 taq DNA polymerase도 온도가 아주 높은 상태에서는 활성이 낮아 질수 있으므로 보통 94℃로 한다. 첫 cylce 에서는 확실한 quss성을 위하여 약 5분간 지속시키도록 한다.

• Primer 의 결합 (annealing)

50℃ ~ 65℃에서 진행한다. 염기간의 결합은 G와 C는 세 군데에서 수소결합이 일어나고, A와 T는 두군데에서 겨합이 일어나므로 G+C 비율에 따라 결합온도에 변화를 주는 것이 좋다. 사실 primer 를 만드는 것도 이 annealing temperature를 고려하여 합성해야 하는데, 일반적으로 GC content가 50%가 되는 primer 쌍을 이용한 것이 바람직하다. 약 30초~1분정도 지속한다.

• DNA의 합성(Polymerization)

70℃~ 74℃에서 시행하며 원하는 PCR 산물의 크기가 크거나 반응요소의 농도가 낮을 때에는 시간을 연장시키는 것이 좋다. Taq DNA polymerase는 보통 1분에 2,000~4,000 nucleotides를 합성할 수 있으므로 원하는 PCR 산물의 크기 1kb마다 1분의 시간을 배당하면 충분히 반응이 일어날 수 있다. cycle이 계속되면서 효소 활성이 감소할 수 있고 DNA 산물은 점점 많이 존재하게 되므로 cycle 후반부에는 반응시간을 조금씩 늘려가는 것도 좋은 방법의 하나이며, 마지막 cycle에는 시간을 충분히(10분) 주어 효소의 활성이 충분히 바휘 되도록 한다.

(4) Primer 역할

Primer란 PCR에서 증폭시킬 위치에 보합하여 DNA복제를 유도하는 짧은 인조DNA를 칭한다.

3. 참고 문헌

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

http://en.wikipedia.org/wiki/Polymerase - Polymerase

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A4%91%ED%95%A9_%ED%9A%A8%EC%86%8C_%EC%97%B0%EC%87%84_%EB%B0%98%EC%9D%91 - 중합효소

http://en.wikipedia.org/wiki/Pfu - Pfu polymerase

http://en.wikipedia.org/wiki/Taq_polymerase - Taq polymerase