1970년대의 유전자재조합 및 세포융합 기술개발에 의하여 insulin, interferon 등의 많은 의약품이 개발되고 있으며, 최근에는 아미노산, 효소 등 정밀 화학 제품의 개발, 석유화학 대체공정의 개발, 환경 보존에의 응용, 대체에너지의 개발등을 목표로 많은 연구가 수행되고 있어 생물공학의 분야가 계속 영역을 넓혀가고 있다. 실험실에서 개발한 생물공학의 연구결과를 실용화하기 위하여는 경제성있는 생물 공정기술이 뒷받침되어야 하는데 이러한 생물공정 기술 중에서 핵심이 되는 부분의 하나가 생물반응기 기술이라고 하겠다. 우수한 생물반응기를 설계하고 경제적으로 운전하기 위해서는 공정연구및 개발단계에서 최적화 및 제어에 대한 개념을 포함시켜야하며, 실제 조업을 하는 경우에도 제품 품질의 균일성, 에너지 및 자원의 절약, 운전실수의 방지및 안전을 목적으로 조업조건을 최적화하고 제어하여야한다. 또한 접종상태 및 생물반응 조건의 사소한 차이에도 원하는 제품의 생합성이 다륵 변화하므로 생물공정을 monitoring하여 사소한 변화라도 공정의 최적화및 제어전략에 반영되도록 하여야 한다. 본고에서는 생물반응기의 최적화 및 제어기술에 대하여 몇가지 예를 들어 그 필요성과 최근의 연구동향을 간단히 소개하고자 한다.
불소계 계면활성제 및 정밀화학제품의 precursor로 널리 쓰이는 n-perfluorooctanesulfonyl fluoride(n-PFOSF)를 전해불소화 반응으로 제조하는 과정에서 전극 및 반응물의 분극특성의 조사와 불소발생 전위를 측정하였다. 그리고 회분식 전해반응기를 사용하여 정전위법으로 전해반응을 실시하고 반응 종료후 전극과 생성물을 GC, GC/MS, IR 등으로 분석하여 반응과정에 대한 기초자료를 얻으려 하였다. 불소기체의 생성전위는 침적전위 붕괴곡선으로 부터 약 2.8V(vs. $Cu/CuF_2$)로 보이며 니켈불화물이 덮힌 상태의 전극에서 불소화반응이 진행된다. 회분식 반응기에서 정전위법에 의한 전해불소화 반응은 초기의 전기화학 반응과 후반의 화학반응의 두 단계로 구분된다. 생성물은 전극에 부여된 전위가 낮을수록 적게 생성되며 7V(vs. $Cu/CuF_2$) 이상 반응물의 무게비로 약 100% 정도를 유지하며 일정해지며 생성물의 분포도 7V(vs. $Cu/CuF_2$) 이상에서 부터 PFOSF의 생성율이 일정해진다.
Acrylamide, N-alkyl substituted acrylamides and N,N-diethylacrylamide를 트리에틸아민과 palladium acetate-triorthotolyl phosphine 촉매 존재하에서 브롬화 방향족화합물들과 비닐화 반응을 실시하여 여러 기능기로 치환된 aryl conjugated enamides를 합성하였다. 이들 반응은 모두 선택적으로 진행되어 (E)-이성질체의 aryl conjugated enamides를 생성하였다. N-alkyl substituted acrylamides는 브롬화 방향족화합물들과의 반응에서 acrylamide와 N,N-diethylacrylamide보다 더 좋은 반응성을 나타내어 생성물들을 높은 수득율로 얻을 수 있었다. 또한 브롬화 방향족화합물이 전자받기 기능기로 치환된 경우에 좋은 반응성을 나타냈으며 전자 주기 기능기를 갖는 경우 acrylamide와 N,N-diethylacrylamide와의 반응에서는 반응이 전혀 진행되지 않거나 낮은 반응성을 나타냈다.
돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스의 nucleocapsid와 반응을 하는 SDOW17 단크론항체를 이용하여 중성 포르말린에 고정시킨 자연감염된 포유자돈의 폐장에서 면역조직화학법을 이용하여 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스 항원을 확인하였다. 서울대학교 수의과대학 병리학교실에 의뢰된 포유자돈들 중에서 병리조직학적으로 폐장에서 간질성 폐렴이 관찰된 포유자돈 7두를 임의로 선택하여 본 실험을 실시하였다. 간질성 폐렴의 병변으로 많은 수의 대식세포 침윤을 동반한 폐포벽 두께의 증가와 제II형 폐포세포의 비후가 관찰되었다. 검사한 7두 포유자돈중에서 6두에서 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스에 대한 항체를 enzyme-linked immunosorbent assay에 의해 확인하였다. SDOW17 단크론항체를 이용한 면역조직화학염색과 간질성 폐렴의 대식세포에서 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스의 항원을 검출하였고, 항원은 (주로)대식세포의 세포질에서만 진한 갈색의 양성반응이 관찰되었다. 이상 검사결과 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스는 폐장의 간질과 폐포강에 분포되어 있는 대식세포에서 주로 증식하는 것으로 판명되었다. 본 실험에서 사용한 면역조직화학법은 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스 감염여부를 바이러스 분리 또는 혈청검사 없이 진단하는데 사용할 수 있는 유용한 진단방법으로 판명되었다.
반도체 및 디스플레이 산업은 많은 공정들에서 저온 플라즈마 반응을 이용한다. 특히 소자 제작을 위한 실리콘 박막의 증착은 저온 플라즈마 공정의 주요 공정이다. 하지만 실리콘 박막을 합성하는데 있어서 저온 플라즈마에서 형성되는 실리콘 나노 입자는, 오염입자로써 박막의 특성을 악화시켜 소자생산 수율을 악화시키는 주요 원인이 되고 있다. 따라서 플라즈마에서 입자 형성의 원인이 되는 화학반응 및 입자들의 성장 매커니즘에 대한 연구는, 1980년대 플라즈마 공정에서 입자 합성이 보고된 이래 공정의 최적화를 위해 꾸준히 연구되어왔다. 이러한 매커니즘의 연구들은, 플라즈마 화학반응에 의해 실리콘 입자 핵을 만들어 내는 과정과 입자들이 충돌에 의해 성장해가는 과정으로 나눠진다. 플라즈마 화학 반응 과정은 아레니우스 방정식에 의해 정의된 반응계수를 이용하여 플라즈마 내 전자와 이온, 중성 화학종들이 전자 온도와 전자 밀도, 챔버 온도 등에 의해 결정되는 현상을 모사한다. 또한 이 과정에서 실리콘을 포함하는 화학종들의 반응에 의해 핵이 생성 되가는 양상을 모사한다. 생성된 핵은 충돌에 의해 입자가 성장해 가는 과정의 가장 작은 입자로써 이용된다. 입자들이 성장해가는 과정은 입자들이 서로 충돌하면서 다양한 입경의 입자로 분화되어가는 현상을 모사한다. 이 과정에 의해 다양한 입경분포로 분화된 입자들은 플라즈마 내 전자에 의해 하전되며, 이러한 하전 양상은 입경에 따라 다른 분포를 보인다. 본 연구에서는 입자의 하전 분포를 고려하여, 입자들의 성장의 주요 원인인 입자간의 충돌을 대표하는 충돌주파수를 수정하는 방식을 채택하여 보다 정밀한 입자 성장 양상을 모델링하였다. Inductively coupled plasma (ICP) 타입의 저온 플라즈마 반응기에서 합성된 입자들을 Particle Beam Mass Spectrometer (PBMS)와 Scanning Electron Microscope (SEM)를 이용하여 입경분포를 측정한 데이터와 모델링에 의해 계산된 결과를 비교하여 본 모델의 유효성을 검증하였다. 검증을 위해 100~300 mtorr의 챔버 압력 조건과 100~350 W의 입력 전력 조건들을 달리하며 측정한 결과와 계산한 데이터를 조건별로 비교하였다.
APM의 화학적, 효소적 합성방법의 선택은 각기의 장단점을 비교 검토한 후 결정해야 할 문제로서, 수율, 공정의 효율성, 작업환경, 경제성 등의 여러 요인이 영향을 줄 수 있으나, 최근의 연구동향 및 산업적 생산의 추이는 효소를 이용한 bioconversion process에 의한 방식으로 나아가는 듯 하다. 결론적으로 bioconversion process에 의한 APM의 생산은 반응매질로써 유기용매의 사용이 불가피하므로 효소의 안정성을 증가시켜 장기간 사용할 수 있는 신기술의 개발이 필요하며 기존의 고정화 기술은 그 좋은 예가 될 수 있다. 또한 보호기의 도입과 제거과정이 보다 용이해야하며 더 나아가서 보호기의 부착없이도 반응을 가능케하는, 기질에 대한 특이성이 높은 새로운 효소(예를 들어 exopeptidase를 사용하면 기질에 보호기를 붙일 필요가 없으므로 화학적 방법에 비해 훨씬 유리하다)의 screening이 절실하다. 아울러 유기용매로 인한 효소의 deactivation mechanism의 규명과 반응기 운전 system의 개발이 요구된다 하겠다.
램 가속기에 대한 연구는 램 가속기의 작동 조건이 고온, 고압, 초고속이라는 점과 가속기 내부에서 급격한 화학반응이 수반된다는 특성으로 인하여 실험과 해석상의 상당한 어려움이 존재한다. 램 가속기는 작동 모드에 따라 탄체 후방의 열적 질식 조건을 이용한 열적 질식 모드(Thermally Choked Mode)와 탄체 표면에 형성되는 데토네이션파를 이용한 초폭굉모드(Superdetonative Mode)로 나뉘어진다. 본 연구는 초폭굉 모드로 작동하는 램 가속기의 작동 성능 향상을 위한 방법으로 수치 최적화 기법을 이용한 램 가속기 내부 예 혼합기의 조성비 최적화를 수행하였다. 설계 변수로는 수소와 질소의 조성비를 선정하였으며, 최적 설계 목표는 일정한 질량과 형상을 갖는 탄체를 초기속도 2500m/s에서 3000m/s로 가속시키기 위하여 필요한 최소 램 가속관의 길이로 정하였다. 본 연구에서는 구베법에 기반한 Simplex 방법 및 SLP(Sequential Linear Programming)등의 수치 최적화 기법을 적용하였고, 가속기 내부의 유동장은 해석의 효율성을 고려하여 이차원 비점성 유동으로 가정하였고, 비평형 화학반응 해석을 수행하였다.
but-3-enoic acid의 retro-ene 탈탄산 반응에 있어서 그 반응성에 대한 ${\beta}$-치환기 효과를 이론적으로 연구하였다. 그 결과 전하 효과에서, 실험에서의 치환체에 의한 ${\pi}$-전자 전달만이 관여되는 것이 아니라, $CH_3$-치환같은 경우는 편극 효과도 상당히 관여됨을 알 수 있었다. 그러나 이들 반응성을 전하 효과로만 결정지을 수 없으며, HOMO와 LUMO간의 에너지 간격이 또한 반응성에 크게 영향을 미친다. 결과적으로, 일반적으로 논하는 치환체의 ${\pi}$-전자 주게 능력이 클수록 반응이 빨라진다는 사실에는 변함이 없었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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