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한국화학공학회> 화학공학> LNG 냉열을 활용한 저압 액화 공기 생산 공정 설계 및 경제성 평가

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LNG 냉열을 활용한 저압 액화 공기 생산 공정 설계 및 경제성 평가

Design and Economic Analysis of Low Pressure Liquid Air Production Process using LNG cold energy

문하늘 ( Haneul Mun ) , 정근호 ( Geonho Jung ) , 이인규 ( Inkyu Lee )
  • : 한국화학공학회
  • : 화학공학 59권3호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 08월
  • : 345-358(14pages)
화학공학

DOI


목차

1. Introduction
2. Problem Statement
3. Process Description
4. Simulation Result
5. Conclusion
감 사
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본 연구에서는 액화천연가스(LNG; liquefied natural gas) 재기화 과정에서 버려지는 냉열을 회수하는 방법으로 액화 공기를 생산하는 공정을 개발하였다. 액화 공기는 LNG 수출국으로 운송하여 천연가스 액화를 위한 냉매를 부분적으로 대체하는 용도로 활용될 수 있다. 이를 위하여, 액화 공기는 LNG 운반선에 저장 가능한 압력을 만족하여야 한다. 따라서, 가장 널리 사용되는 멤브레인 탱크로 액화 공기를 운송하기 위해 약 1.3 bar에서 공기가 액체 상태로 존재할 수 있도록 설계하였다. 제안한 공정에서, 공기는 LNG와의 열교환 이후 추가적인 질소 냉매 사이클과의 열교환을 통해 과냉된다. LNG 운반선의 최대 용량만큼 액화 공기를 생산할 때 운송비용 측면에서 가장 경제적일 수 있으며, 천연가스 액화공정에서 활용할 수 있는 냉열이 많아지게 된다. 이를 비교하기 위하여, 동일한 1 kg/s의 LNG 공급 조건 하에서 기존 공정을 이용한 Base case와 제안공정 내 유입 공기 유량을 각각 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s으로 하는 Case1, Case2, Case3를 구성하고 열역학적 및 경제적 측면에서 분석하였다. 액화 공기 생산량이 많을수록 1kg의 생산량 당 더 많은 에너지가 요구되는 경향을 보였으며 Case3는 Base case 대비 0.18 kWh 높게 나타났다. 그 결과 Case3의 액화 공기 1 kg 당 생산 비용이 $0.0172 더 높게 나타났다. 그러나 액화 공기의 생산량이 증가함에 따라 1 kg 당 운송 비용이 $0.0395 감소하여 전체 비용 측면에서 Case3는 Base case에 비해 1 kg 당 $0.0223 적은 비용으로 액화 공기를 생산 및 운송할 수 있음을 확인하였다.
This study focuses on the development of the liquid air production process that uses LNG (liquefied natural gas) cold energy which usually wasted during the regasification stage. The liquid air can be transported to the LNG exporter, and it can be utilized as the cold source to replace certain amount of refrigerant for the natural gas liquefaction. Therefore, the condition of the liquid air has to satisfy the available pressure of LNG storage tank. To satisfy pressure constraint of the membrane type LNG tank, proposed process is designed to produce liquid air at 1.3bar. In proposed process, the air is precooled by heat exchange with LNG and subcooled by nitrogen refrigeration cycle. When the amount of transported liquid air is as large as the capacity of the LNG carrier, it could be economical in terms of the transportation cost. In addition, larger liquid air can give more cold energy that can be used in natural gas liquefaction plant. To analyze the effect of the liquid air production amount, under the same LNG supply condition, the proposed process is simulated under 3 different air flow rate: 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s, correspond to Case1, Case2, and Case3, respectively. Each case was analyzed thermodynamically and economically. It shows a tendency that the more liquid air production, the more energy demanded per same mass of product as Case3 is 0.18kWh higher than Base case. In consequence the production cost per 1 kg liquid air in Case3 was $0.0172 higher. However, as liquid air production increases, the transportation cost per 1 kg liquid air has reduced by $0.0395. In terms of overall cost, Case 3 confirmed that liquid air can be produced and transported with $0.0223 less per kilogram than Base case.

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간행물정보

  • : 공학분야  > 화학공학
  • : KCI등재
  • : SCOPUS
  • : 계간
  • : 0304-128x
  • : 2233-9558
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1963-2021
  • : 5303


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59권3호(2021년 08월) 수록논문
최근 권호 논문
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1교합형 동방향 이축압출기의 스크류 조합에 대한 고찰

저자 : 이시춘 ( Shichoon Lee ) , 김형수 ( Hyungsu Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 305-315 (11 pages)

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교합형 동방향이축압출기는 고분자재료의 컴파운딩에 주로 사용되는 기계이다. 이축압출기는 가공하는 재료와 생산제품에 적합한 스크류 조합을 설계하여 품질과 생산성이 양호한 컴파운딩공정을 구축할 수 있다. 스크류조합을 구성하는 스크류와 니딩 엘리먼트의 종류, 형상 및 사양에 대하여 정리하였고, 각각의 엘리먼트가 조합될 때 고분자 수지의 가공성에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 범용수지의 대량생산에 보편적으로 적용되는 스크류 조합의 원리를 설명하였고, 피딩, 용융혼련 및 미터링영역에 적합한 스크류조합의 방향과 사례를 나열하였다. 액상첨가제나 무기필러의 사이드피딩, 반응압출, 탈기공정, 밝은 색상과 투명도가 요구되는 제품의 생산 및 겉보기비중이 낮은 재료의 가공 등 각각의 경우에 맞는 스크류조합의 방향과 원리를 제시하였다.


An intermeshing corotating twin screw extruder is mainly used for compounding polymeric materials. Twin screw extruder can adopt modular-type screw configurations, which directly controls the quality and productivity of the products. The types, shapes, and specifications of the screw and kneading elements are summarized, and the effects of screw configuration on the processabiliy of the materials are discussed. The principles of screw configuration universally applied to mass production of general-purpose resins are explained, and the guidelines of screw combination according to the roles of feeding, melt mixing, and metering zones are listed. The strategies of screw combination suitable for various cases, such as side feeding of liquid additives or inorganic fillers, reactive extrusion, devolatilization process, production of products requiring bright color and transparency, and processing of materials with low apparent specific gravity, are presented.

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2수환경 내 미세플라스틱 검출분석법 최신 동향 연구

저자 : 오수림 ( Soorim Oh ) , 이도균 ( Do Gyun Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 316-325 (10 pages)

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인간의 편의를 위해 생산된 플라스틱은 500년 이상 썩지 않고 생태계로 유입되어 육상 및 수생태계를 위협하고 있다. 2025년까지 2억 5천만 톤의 플라스틱이 바다로 유입될 것으로 예상되고, 2015년부터 미세플라스틱 관련 연구가 기하급수적으로 급증하고 있지만, 전 세계적으로 미세플라스틱 정의 및 분석 방법에 대한 표준화가 이뤄지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 미세플라스틱 분석방법 표준화를 위해 우선적으로 수환경에서의 미세플라스틱 분석방법의 최신 연구동향을 조사하여 프로세스 순으로 제시하였으며, 이에 대한 분석방향을 제시하고자 하였다. 추후 미세플라스틱 표준화를 위한 기초자료로써 활용 가능하며, 표준화 이후 더욱 효과적인 미세플라스틱 관리 정책이 마련될 것으로 기대한다.


Human-made plastics takes more than 500 years to break down and have been introduced into the ecosystem, threatening terrestrial and aquatic organisms. By 2025, there will be more than 250 million tons of plastics in the ocean. Although studies regarding microplastics have been exponentially increasing since 2015, international standards for defining the size classification for microplastics, as well as methods for qualitative/quantitative analysis have not been concluded yet. Thus, in this study, the latest trends in analytical methodologies have been reviewed. Further, the study suggests directions for future research approaches can be taken to analyze aquatic microplastics, which could be as useful information for establishing effective microplastic management policy via standardization in microplastic analysis.

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3수열 합성법으로 제조된 구형의 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성

저자 : 최나현 ( Na Hyun Choi ) , 이종대 ( Jong Dae Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 326-332 (7 pages)

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본 연구에서는 수열 합성법을 이용하여 나노 실리콘이 포함된 구형의 탄소 복합체를 합성하고, 석유계 피치로 코팅하여 제조된 음극 소재의 전기화학 특성을 조사하였다. 수크로스의 몰 농도를 변화시켜 수열합성한 후, 유기 용매로 THF를 사용하여 피치로 코팅된 음극 복합소재를 제조하였다. 제조된 음극 소재는 SEM, EDS, XRD 및 TGA를 사용하여 물리적 특성을 분석하였으며, 1.0M LiPF6 (EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 vol%) 전해액에서 사이클, 율속, 순환전 압전류 및 임피던스 테스트를 통해 리튬이차전지의 전기화학 성능을 조사하였다. 1.5 M의 수크로스와 피치를 사용하여 제조된 실리콘/탄소 소재는 구형 형태를 보였으며, 1756 mAh/g의 높은 초기 용량, 50 사이클 후 82 %의 용량 유지율 및 2 C/0.1 C에서 81%의 우수한 속도 특성을 확인할 수 있었다.


In this study, a spherical carbon composite material containing nano-silicon was synthesized using hydrothermal synthesis, and coated with petroleum pitch to prepare an anode material to investigate the electrochemical characteristics. Hydrothermal synthesis was performed by varying molar concentration, and the pitch was coated using THF as an organic solvent to prepare a composite material. The physical properties of anode materials were analyzed using SEM, EDS, XRD and TGA, and the electrochemical performances were investigated by cycle, C-rate, cyclic voltammetry and electrochemical impedance tests in 1.0 M LiPF6 electrolyte (EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 vol%). The pitch-coated silicon/carbon composite (Pitch@Si/C-1.5) with sucrose of 1.5 M showed a spherical shape. In addition, a high initial capacity of 1756 mAh/g, a capacity retention ratio of 82% after 50 cycles, and an excellent rate characteristic of 81% at 2 C/0.1 C were confirmed.

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4PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가시간 단축

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 조원진 ( Wonjin Cho ) , 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 333-338 (6 pages)

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대형 상용차용 PEMFC 스택 내구성은 승용차용보다 5배 이상 되어야 한다. 승용차용 PEMFC 고분자막의 화학적 가속 내구성 평가(AST)를 대형 상용차용에 그대로 적용하면 AST 시간이 2,500시간 이상이 되는 문제점이 있다. DOE(Department of Energy)의 AST 시간을 단축시키기 위해 Cathode 가스로 공기대신 산소를 사용하여 고분자막의 화학적 내구성을 평가하였다. 본 연구에서는 Nafion XL을 고분자막으로 사용해 OCV, 90 ℃, RH 30%, H2 (Anode), 공기 또는 산소조건으로 가속 내구성을 평가하였다. DOE 내구 목표 기준 중 Short 저항 감소가 제일 빨리 나타났다. 공기 대신 산소를 사용함으로써 전극 열화의 영향을 적게 받으면서, 고분자막의 열화 속도를 가속화시켜 고분자막 내구성 평가시간을 절반 이하로 단축시켰다.


The durability of the PEMFC stack for large commercial vehicles should be more than 5 times that for passenger vehicles. If the Chemical Accelerated Stress Test (AST) of PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) membrane for passenger cars is applied as it is for large commercial vehicles, there is a problem that the AST time becomes more than 2,500 hours. In order to shorten the AST time of DOE (Department of Energy), the chemical durability of the polymer membrane was evaluated using oxygen instead of air as a cathode gas. In this study, Nafion XL was used as a polymer membrane to evaluate accelerated durability under OCV, 90?, RH 30%, H2/(air or oxygen) conditions. Among the DOE membrane durability target criteria, the decrease rate of short resistance was the fastest. By using oxygen instead of air, the degradation rate of the polymer membrane was accelerated while being less affected by electrode deterioration, reducing the polymer membrane durability evaluation time to less than half.

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5화학적/기계적 열화 병행방법에 의한 PEMFC 고분자막 내구성 평가

저자 : 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 정성기 ( Sunggi Jung ) , 정지홍 ( Jihong Jeong ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 339-344 (6 pages)

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고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 내구성 향상을 위해서 고분자막의 내구성을 짧은 시간에 정확히 평가하는 것은 중요하다. 최근에 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 고분자막의 화학적 내구성과 기계적 내구성을 결합해 평가하는 프로토콜을 보고하였다. 이 프로토콜은 개회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 유지 상태에서 가습/건조를 반복함으로써 화학적/기계적 열화를 고분자막에 가한다. OCV 변화 반복에 따른 전극 열화의 영향을 많이 받고 평가시간이 장시간인 점들이 이 프로토콜의 문제점이다. 본 연구에서 DOE 프로토콜의 다른 조건들은 그대로 두고 양극(Cathode) 가스로 공기 대신 산소를 사용함으로써 내구평가 시간을 408시간에서 144시간으로 단축시킬 수 있었다. 전압변화 사이클 횟수를 1/3로 감소시킴으로써 전압변화 사이클에 의한 전극열화는 종료 시점에서 공기에 비해 산소 사용 시 1/12로 감소시켜서, 고분자막 내구 평가를 보다 정확히 할 수 있게 하였다.


In order to improve the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) durability, it is important to accurately evaluate the durability of the membrane in a short time. Recently, DOE (Department of Energy) reported a protocol that combines the chemical and mechanical durability of membranes to evaluate them effectively. This protocol applies chemical/mechanical deterioration to the membrane by repeating wet/dry while OCV (Open Circuit Voltage) holding. The problem of this protocol is that it is highly affected by electrode degradation due to change cycles in OCV and that the evaluation time is long. By using oxygen instead of air as the cathode gas while leaving the other conditions of the DOE protocol as it is, the durability evaluation time could be reduced from 408 hours to 144 hours. By reducing the number of voltage change cycles to 1/3, the electrode degradation due to the voltage change cycle was reduced to 1/12 when oxygen was used compared to air at the end, thereby enabling more accurate evaluation of polymer membrane durability.

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6LNG 냉열을 활용한 저압 액화 공기 생산 공정 설계 및 경제성 평가

저자 : 문하늘 ( Haneul Mun ) , 정근호 ( Geonho Jung ) , 이인규 ( Inkyu Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 345-358 (14 pages)

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본 연구에서는 액화천연가스(LNG; liquefied natural gas) 재기화 과정에서 버려지는 냉열을 회수하는 방법으로 액화 공기를 생산하는 공정을 개발하였다. 액화 공기는 LNG 수출국으로 운송하여 천연가스 액화를 위한 냉매를 부분적으로 대체하는 용도로 활용될 수 있다. 이를 위하여, 액화 공기는 LNG 운반선에 저장 가능한 압력을 만족하여야 한다. 따라서, 가장 널리 사용되는 멤브레인 탱크로 액화 공기를 운송하기 위해 약 1.3 bar에서 공기가 액체 상태로 존재할 수 있도록 설계하였다. 제안한 공정에서, 공기는 LNG와의 열교환 이후 추가적인 질소 냉매 사이클과의 열교환을 통해 과냉된다. LNG 운반선의 최대 용량만큼 액화 공기를 생산할 때 운송비용 측면에서 가장 경제적일 수 있으며, 천연가스 액화공정에서 활용할 수 있는 냉열이 많아지게 된다. 이를 비교하기 위하여, 동일한 1 kg/s의 LNG 공급 조건 하에서 기존 공정을 이용한 Base case와 제안공정 내 유입 공기 유량을 각각 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s으로 하는 Case1, Case2, Case3를 구성하고 열역학적 및 경제적 측면에서 분석하였다. 액화 공기 생산량이 많을수록 1kg의 생산량 당 더 많은 에너지가 요구되는 경향을 보였으며 Case3는 Base case 대비 0.18 kWh 높게 나타났다. 그 결과 Case3의 액화 공기 1 kg 당 생산 비용이 $0.0172 더 높게 나타났다. 그러나 액화 공기의 생산량이 증가함에 따라 1 kg 당 운송 비용이 $0.0395 감소하여 전체 비용 측면에서 Case3는 Base case에 비해 1 kg 당 $0.0223 적은 비용으로 액화 공기를 생산 및 운송할 수 있음을 확인하였다.


This study focuses on the development of the liquid air production process that uses LNG (liquefied natural gas) cold energy which usually wasted during the regasification stage. The liquid air can be transported to the LNG exporter, and it can be utilized as the cold source to replace certain amount of refrigerant for the natural gas liquefaction. Therefore, the condition of the liquid air has to satisfy the available pressure of LNG storage tank. To satisfy pressure constraint of the membrane type LNG tank, proposed process is designed to produce liquid air at 1.3bar. In proposed process, the air is precooled by heat exchange with LNG and subcooled by nitrogen refrigeration cycle. When the amount of transported liquid air is as large as the capacity of the LNG carrier, it could be economical in terms of the transportation cost. In addition, larger liquid air can give more cold energy that can be used in natural gas liquefaction plant. To analyze the effect of the liquid air production amount, under the same LNG supply condition, the proposed process is simulated under 3 different air flow rate: 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s, correspond to Case1, Case2, and Case3, respectively. Each case was analyzed thermodynamically and economically. It shows a tendency that the more liquid air production, the more energy demanded per same mass of product as Case3 is 0.18kWh higher than Base case. In consequence the production cost per 1 kg liquid air in Case3 was $0.0172 higher. However, as liquid air production increases, the transportation cost per 1 kg liquid air has reduced by $0.0395. In terms of overall cost, Case 3 confirmed that liquid air can be produced and transported with $0.0223 less per kilogram than Base case.

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7부유 분진의 정전압에 의한 최소착화에너지 위험성평가

저자 : 한우섭 ( Oue-sup Han )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 359-365 (7 pages)

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본 연구에서는 분진의 착화 특성 및 정전기 위험성 평가법을 실험적으로 조사하였다. 착화에너지 시험은 PE(HD), PE(LD), PMMA 분진에 대해 MIKE-3장치를 사용하여 실시하였다. PE (HD)의 경우 약 8 ms의 일정 시간 경과 후에 분진운의 착화 화염이 형성되고, 착화원 중심부에서는 화염 핵이 관찰되지 않았다. 분진의 분산 횟수가 증가함에 따라 정전압이 증가하고 분진 농도에 따른 정전압 발생 증가율은 PMMA, PE(LD), PE (HD) 순으로 가장 높았다. PE(HD) 분진의 분산 조건이 정전압에 미치는 영향을 조사하였으며, 분산 횟수가 많아질수록 정전압이 증가하였고 동일한 분산 횟수에서는 분진 농도가 높아질수록 정전압이 증가하였다. 정전기 착화에 의한 화재폭발사고 예방을 위한 안전 정전압은 PE(HD), PE(LD)-1, PE(LD)-2, PMMA에 있어서 각각 2.58, 44.72, 25.82, 8.16 kV로 추정되었다. 정전압 측정 자료를 사용하여 정전기 착화 위험성을 효율적으로 조사하여 최소착화에너지를 추정하는 방법을 제안하였다.


We investigated experimentally the ignition characteristic of dust and the hazard evaluating for electrostatic discharge. The ignition energy experiments were performed on sample dusts such as PE(HD), PE(LD), PMMA using the MIKE-3 apparatus. The formation of flame during the ignition of PE(HD) dust clouds occurred after the delay time of about 8 ms, and the flame kernels were not observed in center of ignition occurrence area. The voltage increased with increasing the number of dust dispersions and the increase rate of measured voltage with dust concentration was the highest in the order of PMMA, PE(LD) and PE(HD). For the effect of dispersion condition on the voltage in PE(HD) dust, the results were obtained that the voltage increased as the number of dispersions increased and as the concentration increased under the same dispersion number. The safety voltages to prevent fire and explosions by electrostatic ignition were estimated that PE(HD), PE(LD)-1, PE(LD)-2, and PMMA were 2.58, 44.72, 25.82, and 8.16 kV, respectively. We proposed the method for estimating the minimum ignition energy by using the measured voltage data for efficient investigation of electrostatic ignition hazard.

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8형광공명에너지전이 알파카테닌 센서를 활용한 세포 부착접합부에서의 힘 전달 이미징

저자 : 장윤관 ( Yoon-kwan Jang ) , 서정수 ( Jung-soo Suh ) , 석명은 ( Myungeun Suk ) , 김태진 ( Tae-jin Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 366-372 (7 pages)

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캐드헤린-카테닌 복합체는 세포의 부착 접합부에서 힘의 전달에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나 기계적 힘 신호를 시각화 하고 감지하는 적절한 도구의 부재로, 캐드헤린-카테닌 복합체가 세포 간 접합에서 힘 전달을 조절하는 기본 메커니즘은 아직 파악하기가 어렵다. 본 연구에서는 형광공명에너지전이를 기반으로 설계된 알파카테닌 센서를 사용하여 캐드헤린에 의해 매개되는 힘 전달을 시각화 하였다. 이러한 결과는 알파카테닌이 세포-세포 접합부에서 캐드헤린 매개 기계적에너지변환(mechanotransduction) 경로의 핵심적인 힘 트랜스듀서(force transducer) 임을 보여준다. 본 연구는 향후 기계적 힘의 세포-세포 상호간의 의사소통에 미치는 영향과 생리학적/병리학적 현상과의 관계를 연구하는 데 중요한 이해를 제공할 것이라 본다.


Cadherin-Catenin complex is thought to play an essential role in the transmission of force at adherens junction. Due to the lack of proper tools to visualize and detect mechanical force signals, the underlying mechanism by which the cadherin-catenin complex regulates force transmission at intercellular junctions remains elusive. In this study, we visualize cadherin-mediated force transmission using an engineered α-Catenin sensor based on fluorescence resonance energy transfer. Our results reveal that α-catenin is a key force transducer in cadherin-mediated mechanotransduction at cell-cell junctions. Thus, our finding will provide important insights for studying the effects of chemical and physical signals on cell-cell communication and the relationship between physiological and pathological phenomena.

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9젖산 연료전지용 효소전극 제작 및 특성 분석

저자 : 장연청 ( Yanqing Zhang ) , 김창준 ( Chang-joon Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 373-378 (6 pages)

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본 연구는 땀에 존재하는 젖산을 연료로 사용하여 전기를 생산하는 웨어러블 연료전지용 고전력 젖산 산화효소 전극을 개발하는 데 그 목적이 있다. 유연성 있는 탄소종이 기반의 고정화효소 전극을 제작하고 평가하였다. 전해질 내 젖산농도 증가에 따라 젖산 산화효소(lactate oxidase, LOx)의 촉매작용으로 전류생성량이 증가하였다. 금 나노입자가 부착된 탄소종이에 고정화된 LOx가 탄소종이에 부착된 LOx보다 1.5배 많은 전류를 생성하였다. 빌리루빈 산화효소(bilirubin oxidase, BOD)가 고정화된 cathode는 질소로 퍼지(purge)된 전해질보다 산소로 포화된 전해질에서 높은 환원전류를 발생시켰다. 두 전극으로 구성된 연료전지를 제작하여 방전전류 변화에 따른 셀전압을 측정하였다. 방전 전류밀도 값이 66.7 μA/㎠에서 셀 전압은 0.5±0.0 V였고, 셀 전력량은 최대치인 33.8±2.5 μW/㎠를 나타내었다.


The study aimed to develop a high-power enzymatic electrode for a wearable fuel cell that generates electricity utilizing lactate present in a sweat as fuel. Anode was fabricated by immobilizing lactate oxidase (LOx) on flexible carbon paper. As the lactate concentration in the electrolyte solution increased, the amount of current generated by catalysis of lactate oxidase increased. The immobilized LOx generated 1.5-times greater oxidation current density in the presence of gold nanoparticles than carbon paper only. Bilirubin oxidase (BOD)-immobilized cathode generated a larger amount of reduction current in the electrolyte saturated with oxygen than purged with nitrogen. A fuel cell composed of two electrodes was fabricated and cell voltage was measured under different discharge current. At the discharge current density of 66.7 μA/㎠, the cell voltage was 0.5±0.0 V leading to maximum cell power density of 33.8±2.5 μW/㎠.

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10Taxus chinensis로부터 파클리탁셀 정제를 위한 개선된 아세톤-물 분별침전 공정 개발 및 그 동역학 및 열역학적 해석

저자 : 강회종 ( Hoe-jong Kang ) , 김진현 ( Jin-hyun Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 379-392 (14 pages)

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본 연구에서는 초음파 캐비태이션 버블와 가스 버블를 이용한 파클리탁셀의 개선된 아세톤-물 분별침전 공정을 개발하였다. 전통적 방법에 비해 침전에 소요되는 시간이 20~25배 단축되었다. 또한 파클리탁셀의 침전물 크기는 3.5~5.5배 감소하였으며 파클리탁셀의 확산 계수는 3.5~6.7배 증가하였다. 초음파 캐비태이션 버블을 이용한 침전의 경우 초음파 파워는 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 가스 버블을 이용한 침전의 경우 가스 유량은 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 열역학적 해석을 통해 개선된 분별침전은 비자발적 발열 공정이었다.


In this study, an improved acetone-water fractional precipitation process for paclitaxel using ultrasonic cavitation bubbles and gas bubbles was developed. Compared to the conventional method, the time required for precipitation has been reduced by 20~25 times. In addition, the particle size of paclitaxel decreased by 3.5~5.5 times and the diffusion coefficient of paclitaxel increased by 3.5~6.7 times. In the case of precipitation using ultrasonic cavitation bubbles, as the ultrasonic power increased and the temperature decreased, the precipitation rate constant increased. In the case of precipitation using gas bubbles, as the gas flow rate increased and the temperature decreased, the precipitation rate constant increased. Thermodynamic parameters revealed the exothermic, irreversible, and nonspontaneous nature of the improved fractional precipitation.

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1교합형 동방향 이축압출기의 스크류 조합에 대한 고찰

저자 : 이시춘 ( Shichoon Lee ) , 김형수 ( Hyungsu Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 305-315 (11 pages)

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교합형 동방향이축압출기는 고분자재료의 컴파운딩에 주로 사용되는 기계이다. 이축압출기는 가공하는 재료와 생산제품에 적합한 스크류 조합을 설계하여 품질과 생산성이 양호한 컴파운딩공정을 구축할 수 있다. 스크류조합을 구성하는 스크류와 니딩 엘리먼트의 종류, 형상 및 사양에 대하여 정리하였고, 각각의 엘리먼트가 조합될 때 고분자 수지의 가공성에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 범용수지의 대량생산에 보편적으로 적용되는 스크류 조합의 원리를 설명하였고, 피딩, 용융혼련 및 미터링영역에 적합한 스크류조합의 방향과 사례를 나열하였다. 액상첨가제나 무기필러의 사이드피딩, 반응압출, 탈기공정, 밝은 색상과 투명도가 요구되는 제품의 생산 및 겉보기비중이 낮은 재료의 가공 등 각각의 경우에 맞는 스크류조합의 방향과 원리를 제시하였다.

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2수환경 내 미세플라스틱 검출분석법 최신 동향 연구

저자 : 오수림 ( Soorim Oh ) , 이도균 ( Do Gyun Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 316-325 (10 pages)

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인간의 편의를 위해 생산된 플라스틱은 500년 이상 썩지 않고 생태계로 유입되어 육상 및 수생태계를 위협하고 있다. 2025년까지 2억 5천만 톤의 플라스틱이 바다로 유입될 것으로 예상되고, 2015년부터 미세플라스틱 관련 연구가 기하급수적으로 급증하고 있지만, 전 세계적으로 미세플라스틱 정의 및 분석 방법에 대한 표준화가 이뤄지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 미세플라스틱 분석방법 표준화를 위해 우선적으로 수환경에서의 미세플라스틱 분석방법의 최신 연구동향을 조사하여 프로세스 순으로 제시하였으며, 이에 대한 분석방향을 제시하고자 하였다. 추후 미세플라스틱 표준화를 위한 기초자료로써 활용 가능하며, 표준화 이후 더욱 효과적인 미세플라스틱 관리 정책이 마련될 것으로 기대한다.

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3수열 합성법으로 제조된 구형의 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성

저자 : 최나현 ( Na Hyun Choi ) , 이종대 ( Jong Dae Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 326-332 (7 pages)

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본 연구에서는 수열 합성법을 이용하여 나노 실리콘이 포함된 구형의 탄소 복합체를 합성하고, 석유계 피치로 코팅하여 제조된 음극 소재의 전기화학 특성을 조사하였다. 수크로스의 몰 농도를 변화시켜 수열합성한 후, 유기 용매로 THF를 사용하여 피치로 코팅된 음극 복합소재를 제조하였다. 제조된 음극 소재는 SEM, EDS, XRD 및 TGA를 사용하여 물리적 특성을 분석하였으며, 1.0M LiPF6 (EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 vol%) 전해액에서 사이클, 율속, 순환전 압전류 및 임피던스 테스트를 통해 리튬이차전지의 전기화학 성능을 조사하였다. 1.5 M의 수크로스와 피치를 사용하여 제조된 실리콘/탄소 소재는 구형 형태를 보였으며, 1756 mAh/g의 높은 초기 용량, 50 사이클 후 82 %의 용량 유지율 및 2 C/0.1 C에서 81%의 우수한 속도 특성을 확인할 수 있었다.

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4PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가시간 단축

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 조원진 ( Wonjin Cho ) , 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 333-338 (6 pages)

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대형 상용차용 PEMFC 스택 내구성은 승용차용보다 5배 이상 되어야 한다. 승용차용 PEMFC 고분자막의 화학적 가속 내구성 평가(AST)를 대형 상용차용에 그대로 적용하면 AST 시간이 2,500시간 이상이 되는 문제점이 있다. DOE(Department of Energy)의 AST 시간을 단축시키기 위해 Cathode 가스로 공기대신 산소를 사용하여 고분자막의 화학적 내구성을 평가하였다. 본 연구에서는 Nafion XL을 고분자막으로 사용해 OCV, 90 ℃, RH 30%, H2 (Anode), 공기 또는 산소조건으로 가속 내구성을 평가하였다. DOE 내구 목표 기준 중 Short 저항 감소가 제일 빨리 나타났다. 공기 대신 산소를 사용함으로써 전극 열화의 영향을 적게 받으면서, 고분자막의 열화 속도를 가속화시켜 고분자막 내구성 평가시간을 절반 이하로 단축시켰다.

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5화학적/기계적 열화 병행방법에 의한 PEMFC 고분자막 내구성 평가

저자 : 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 정성기 ( Sunggi Jung ) , 정지홍 ( Jihong Jeong ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 339-344 (6 pages)

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고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 내구성 향상을 위해서 고분자막의 내구성을 짧은 시간에 정확히 평가하는 것은 중요하다. 최근에 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 고분자막의 화학적 내구성과 기계적 내구성을 결합해 평가하는 프로토콜을 보고하였다. 이 프로토콜은 개회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 유지 상태에서 가습/건조를 반복함으로써 화학적/기계적 열화를 고분자막에 가한다. OCV 변화 반복에 따른 전극 열화의 영향을 많이 받고 평가시간이 장시간인 점들이 이 프로토콜의 문제점이다. 본 연구에서 DOE 프로토콜의 다른 조건들은 그대로 두고 양극(Cathode) 가스로 공기 대신 산소를 사용함으로써 내구평가 시간을 408시간에서 144시간으로 단축시킬 수 있었다. 전압변화 사이클 횟수를 1/3로 감소시킴으로써 전압변화 사이클에 의한 전극열화는 종료 시점에서 공기에 비해 산소 사용 시 1/12로 감소시켜서, 고분자막 내구 평가를 보다 정확히 할 수 있게 하였다.

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6LNG 냉열을 활용한 저압 액화 공기 생산 공정 설계 및 경제성 평가

저자 : 문하늘 ( Haneul Mun ) , 정근호 ( Geonho Jung ) , 이인규 ( Inkyu Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 345-358 (14 pages)

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본 연구에서는 액화천연가스(LNG; liquefied natural gas) 재기화 과정에서 버려지는 냉열을 회수하는 방법으로 액화 공기를 생산하는 공정을 개발하였다. 액화 공기는 LNG 수출국으로 운송하여 천연가스 액화를 위한 냉매를 부분적으로 대체하는 용도로 활용될 수 있다. 이를 위하여, 액화 공기는 LNG 운반선에 저장 가능한 압력을 만족하여야 한다. 따라서, 가장 널리 사용되는 멤브레인 탱크로 액화 공기를 운송하기 위해 약 1.3 bar에서 공기가 액체 상태로 존재할 수 있도록 설계하였다. 제안한 공정에서, 공기는 LNG와의 열교환 이후 추가적인 질소 냉매 사이클과의 열교환을 통해 과냉된다. LNG 운반선의 최대 용량만큼 액화 공기를 생산할 때 운송비용 측면에서 가장 경제적일 수 있으며, 천연가스 액화공정에서 활용할 수 있는 냉열이 많아지게 된다. 이를 비교하기 위하여, 동일한 1 kg/s의 LNG 공급 조건 하에서 기존 공정을 이용한 Base case와 제안공정 내 유입 공기 유량을 각각 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s으로 하는 Case1, Case2, Case3를 구성하고 열역학적 및 경제적 측면에서 분석하였다. 액화 공기 생산량이 많을수록 1kg의 생산량 당 더 많은 에너지가 요구되는 경향을 보였으며 Case3는 Base case 대비 0.18 kWh 높게 나타났다. 그 결과 Case3의 액화 공기 1 kg 당 생산 비용이 $0.0172 더 높게 나타났다. 그러나 액화 공기의 생산량이 증가함에 따라 1 kg 당 운송 비용이 $0.0395 감소하여 전체 비용 측면에서 Case3는 Base case에 비해 1 kg 당 $0.0223 적은 비용으로 액화 공기를 생산 및 운송할 수 있음을 확인하였다.

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7부유 분진의 정전압에 의한 최소착화에너지 위험성평가

저자 : 한우섭 ( Oue-sup Han )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 359-365 (7 pages)

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본 연구에서는 분진의 착화 특성 및 정전기 위험성 평가법을 실험적으로 조사하였다. 착화에너지 시험은 PE(HD), PE(LD), PMMA 분진에 대해 MIKE-3장치를 사용하여 실시하였다. PE (HD)의 경우 약 8 ms의 일정 시간 경과 후에 분진운의 착화 화염이 형성되고, 착화원 중심부에서는 화염 핵이 관찰되지 않았다. 분진의 분산 횟수가 증가함에 따라 정전압이 증가하고 분진 농도에 따른 정전압 발생 증가율은 PMMA, PE(LD), PE (HD) 순으로 가장 높았다. PE(HD) 분진의 분산 조건이 정전압에 미치는 영향을 조사하였으며, 분산 횟수가 많아질수록 정전압이 증가하였고 동일한 분산 횟수에서는 분진 농도가 높아질수록 정전압이 증가하였다. 정전기 착화에 의한 화재폭발사고 예방을 위한 안전 정전압은 PE(HD), PE(LD)-1, PE(LD)-2, PMMA에 있어서 각각 2.58, 44.72, 25.82, 8.16 kV로 추정되었다. 정전압 측정 자료를 사용하여 정전기 착화 위험성을 효율적으로 조사하여 최소착화에너지를 추정하는 방법을 제안하였다.

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8형광공명에너지전이 알파카테닌 센서를 활용한 세포 부착접합부에서의 힘 전달 이미징

저자 : 장윤관 ( Yoon-kwan Jang ) , 서정수 ( Jung-soo Suh ) , 석명은 ( Myungeun Suk ) , 김태진 ( Tae-jin Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 366-372 (7 pages)

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캐드헤린-카테닌 복합체는 세포의 부착 접합부에서 힘의 전달에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나 기계적 힘 신호를 시각화 하고 감지하는 적절한 도구의 부재로, 캐드헤린-카테닌 복합체가 세포 간 접합에서 힘 전달을 조절하는 기본 메커니즘은 아직 파악하기가 어렵다. 본 연구에서는 형광공명에너지전이를 기반으로 설계된 알파카테닌 센서를 사용하여 캐드헤린에 의해 매개되는 힘 전달을 시각화 하였다. 이러한 결과는 알파카테닌이 세포-세포 접합부에서 캐드헤린 매개 기계적에너지변환(mechanotransduction) 경로의 핵심적인 힘 트랜스듀서(force transducer) 임을 보여준다. 본 연구는 향후 기계적 힘의 세포-세포 상호간의 의사소통에 미치는 영향과 생리학적/병리학적 현상과의 관계를 연구하는 데 중요한 이해를 제공할 것이라 본다.

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9젖산 연료전지용 효소전극 제작 및 특성 분석

저자 : 장연청 ( Yanqing Zhang ) , 김창준 ( Chang-joon Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 373-378 (6 pages)

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본 연구는 땀에 존재하는 젖산을 연료로 사용하여 전기를 생산하는 웨어러블 연료전지용 고전력 젖산 산화효소 전극을 개발하는 데 그 목적이 있다. 유연성 있는 탄소종이 기반의 고정화효소 전극을 제작하고 평가하였다. 전해질 내 젖산농도 증가에 따라 젖산 산화효소(lactate oxidase, LOx)의 촉매작용으로 전류생성량이 증가하였다. 금 나노입자가 부착된 탄소종이에 고정화된 LOx가 탄소종이에 부착된 LOx보다 1.5배 많은 전류를 생성하였다. 빌리루빈 산화효소(bilirubin oxidase, BOD)가 고정화된 cathode는 질소로 퍼지(purge)된 전해질보다 산소로 포화된 전해질에서 높은 환원전류를 발생시켰다. 두 전극으로 구성된 연료전지를 제작하여 방전전류 변화에 따른 셀전압을 측정하였다. 방전 전류밀도 값이 66.7 μA/㎠에서 셀 전압은 0.5±0.0 V였고, 셀 전력량은 최대치인 33.8±2.5 μW/㎠를 나타내었다.

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10Taxus chinensis로부터 파클리탁셀 정제를 위한 개선된 아세톤-물 분별침전 공정 개발 및 그 동역학 및 열역학적 해석

저자 : 강회종 ( Hoe-jong Kang ) , 김진현 ( Jin-hyun Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 379-392 (14 pages)

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본 연구에서는 초음파 캐비태이션 버블와 가스 버블를 이용한 파클리탁셀의 개선된 아세톤-물 분별침전 공정을 개발하였다. 전통적 방법에 비해 침전에 소요되는 시간이 20~25배 단축되었다. 또한 파클리탁셀의 침전물 크기는 3.5~5.5배 감소하였으며 파클리탁셀의 확산 계수는 3.5~6.7배 증가하였다. 초음파 캐비태이션 버블을 이용한 침전의 경우 초음파 파워는 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 가스 버블을 이용한 침전의 경우 가스 유량은 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 열역학적 해석을 통해 개선된 분별침전은 비자발적 발열 공정이었다.

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