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Korean Chemical Engineering Research

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수록정보
수록범위 : 1권1호(1963)~58권4호(2020) |수록논문 수 : 5,242
Korean Chem.Eng.Res.(화학공학)
58권4호(2020년 08월) 수록논문
최근 권호 논문
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KCI등재 SCOPUS

1Electrochemical Biosensors based on Nanocomposites of Carbon-based Dots

저자 : Yen-linh Thi Ngo , Jayasmita Jana , Jin Suk Chung , Seung Hyun Hur

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 499-513 (15 pages)

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Among the many studies of carbon-based nanomaterials, carbon-based dots (CDs) have attracted considerable interest owing to their large surface area, intrinsic low-toxicity, excellent biocompatibility, high solubility, and low-cost with environmentally friendly routes, as well as their ability for modification with other nanomaterials. CDs have several applications in biosensing, photocatalysis, bioimaging, and nanomedicine. In addition, the fascinating electrochemical properties of CDs, including high active surface area, excellent electrical conductivity, electrocatalytic activity, high porosity, and adsorption capability, make them potential candidates for electrochemical sensing materials. This paper reviews the recent developments and synthesis of CDs and their composites for the proposed electrochemical sensing platforms. The electrochemical principles and future perspective and challenges of electrochemical biosensors are also discussed based on CDs-nanocomposites.

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2스트레스 내성 식물 호르몬인 앱시스산의 산업적 활용 전망

저자 : 이정호 ( Jeongho Lee ) , 김승희 ( Seunghee Kim ) , 유하영 ( Hah Young Yoo )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 514-523 (10 pages)

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이동성이 없는 식물은 주위 환경에서 다양한 형태의 스트레스를 받게 되는데 이를 대응하기 위한 방어 기작으로 스트레스 저항성 단백질과 조절 단백질이 생성된다. 앱시스산은 이러한 신호전달 역할을 하는 호르몬 분자로 잘 알려져 있으며, 잎의 노화, 종자의 휴면 등 식물의 생리적 반응에도 관여한다. 특히 식물이 아닌 동물, 조류(algae) 등 다른 생물계에서도 다양한 기능을 수행하는 것으로 밝혀졌다. 본 총설에서는 앱시스산의 생합성 및 신호전달 과정 그리고 그 기능에 대하여 조사하였고, 농생명공학, 의생명공학, 산업생명공학을 포함한 다양한 생명공학분야에서 앱시스산을 활용한 작물량 증대, 질병 치료제 개발, 바이오에너지 생산 등 최신 응용 연구 및 산업적 활용에 대한 동향을 살펴보았다.


Plants are exposed to various types of stresses in their surroundings, and stress-resistant and regulatory proteins are produced as defense mechanisms. Abscisic acid is well known for its important role in stress signals as a phytohormone and is also involved in the physiological reactions of plants such as leaf senescence and seed dormancy. In particular, it has been found to perform a variety of functions in other biological systems, such as animals and microalgae, not plants. In this review, the biosynthesis and signaling process of abscisic acid and its function were investigated and the future prospects for the industrial application of abscisic acid in various biotechnologies, including agriculture, biomedical and industrial biotechnology, have been proposed based on study of emerging applications such as increased crop yields, disease treatment development and bioenergy production.

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3PEMFC의 고분자막에서 지지체가 고분자전해질 막 성능 및 전기화학적 내구성에 미치는 영향

저자 : 오소형 ( Sohyung Oh ) , 임대현 ( Dae Hyun Lim ) , 이대웅 ( Daewoong Lee ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 524-529 (6 pages)

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고분자전해질 연료전지의 기계적 내구성을 높이기 위해 고분자막에 지지체를 넣은 강화막이 사용되고 있다. 지지체는 주로 e-PTFE를 사용하는데 소수성이고 이온전달이 안되므로 성능저하의 원인이 될 수 있다. 그래서 본 연구에서는 e-PTFE 지지체가 PEMFC 성능과 전기화학적 내구성 미치는 영향에 대해 연구하였다. 본연구에서는 지지체가 들어간 강화막과 들어가지 않은 단일막(비강화막)을 비교하였는데, 지지체의 소수성 때문에 강화막의 물 확산계수가 단일막보다 낮았다. 강화막은 물확산 계수가 낮아 이온의 막 이동 저항이 단일막보다 높았다. 지지체의 낮은 수소투과도 때문에 강화막의 OCV가 단일막보다 높았다. 지지체가 수소투과도를 감소시킴으로서 라디칼 발생속도를 감소시켜 강화막의 전기화학적 내구성도 향상시킴을 보였다.


To increase the mechanical durability of the proton exchange membrane fuel cells, a reinforced membrane in which a support is placed in the polymer membrane is used. The support mainly uses e-PTFE, which is hydrophobic and does not transfer ions, which may cause performance degradation. In this study, we investigated the effect of e-PTFE support on PEMFC performance and electrochemical durability. In this study, the reinforced membrane with the support was compared with the single membrane (non-reinforced membrane). Due to the hydrophobicity of the support, the water diffusion coefficient of the reinforced membrane was lower than that of the single membrane. The reinforced membrane had a lower water diffusion coefficient, resulting in higher HFR, which is the membrane migration resistance of ions, than that of a single membrane. Due to the low hydrogen permeability of the support, the OCV of the reinforced membrane was higher than that of the single membrane. The support was shown to reduce the hydrogen permeability, thereby reducing the rate of radical generation, thereby improving the electrochemical durability of the reinforced membrane.

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4고압 균질기를 이용한 세라마이드가 함유된 나노에멀젼 제조 및 안정성 평가

저자 : 마르셀죠나단히다잣 ( Marcel Jonathan Hidajat ) , 노종호 ( Jongho Noh ) , 박종범 ( Jongbeom Park ) , 홍재화 ( Jaehwa Hong ) , 김현효 ( Hyeonhyo Kim ) , 조완택 ( Wantaek Jo )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 530-535 (6 pages)

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본 연구에서는 고압 균질기를 이용해 세라마이드가 포함된 나노에멀젼을 제조하고 물성변화 및 장기 안정성을 알아보았다. 고압 균질기 압력 및 통과 횟수를 변화 시켜 제조된 나노에멀젼의 평균입자, 입도분포, 제타전위 그리고 점도를 측정하였다. 고압 균질기 압력이 높고 통과 횟수가 많을수록 평균입자는 작아지고 입도 분포는 조밀하였지만 일정 조건이상에서는 표면에너지 및 계면활성제의 영향으로 입자간 재결합이 확인되었다. 평균입자가 작을수록 점도 값은 높았지만 제타전위 값에는 큰 차이가 없었다. 제조된 나노에멀젼을 25 ℃와 45 ℃로 유지시키며 안정성을 측정한 결과, 초기(7일 이후)에 재결합 현상으로 평균입자가 커진 후 유지되었지만 제조된 나노에멀젼의 안정성에는 큰 변화가 없었다. 이를 통해 고압 균질기를 이용해 세라마이드가 포함된 안정적인 나노에멀젼의 제조가 가능함을 확인하였다.


A ceramide-containing nanoemulsion was synthesized by using a High-Pressure Homogenizer (HPH) to observe its changes in properties and long-term stability. The droplet size, droplet distribution and zeta potential of nanoemulsion were examined by varying the pressure and the number of passes of the HPH. The increase in HPH pressure and number of passes decreased the average droplet size and made the nanoemulsion more uniform. However, beyond certain operating condition, the recombination between the droplets was confirmed due to droplet surface energy and emulsifier. This study also shows that the decrease in droplet size increased the nanoemulsion viscosity although only minimal changes occurred in the zeta potential. The formed nanoemulsion was then tested for its stability by storing it at 25 and 45 ℃ for 28 days. During the first week, the average droplet size increased due to recombination and then subsequently remained constant. We confirmed that ceramide nanoemulsion for industrial application could be synthesized by using HPH.

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5고분자연료전지에 사용되는 e-PTFE 지지체의 펜톤반응 후 화학적 열화

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 임대현 ( Daehyun Lim ) , 이무석 ( Mooseok Lee ) , 이동훈 ( Donghoon Lee ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 536-540 (5 pages)

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고분자연료전지(PEMFC) 고분자막의 지지체는 기계적 내구성 향상에 핵심적인 역할을 한다. 지지체로 사용하는 e-PTFE는 화학적으로 안정하여 PEMFC 구동과정에서 전기화학적인 열화에 대해서는 거의 연구되지 않았다. 본 연구에서는 e-PTFE가 Fenton 반응과정에서 발생한 라디칼과 과산화수소에 화학적으로 안정한지 검토하였다. Fenton 반응 과정에서 e-PTFE의 주사슬이 끊어져 지지체의 화학적 구조와 형태 변화가 발생하였고, 그에 따라 인장 강도가 감소하였다. 실제 PEMFC 구동과정에서 고분자막 이오노머의 전기화학적 열화는 라디칼과 과산화수소에 의해서 고분자막 내부에서 발생하므로, e-PTFE 지지체의 셀 내에서 전기화학적 열화도 발생할 수 있음을 본 연구 결과가 보였다.


The support of the PEMFC membrane plays a key role in improving mechanical durability. The e-PTFE used as a support is chemically stable, so electro-chemical degradation in the PEMFC driving process has been rarely studied. In this study, we investigated whether e-PTFE is chemically stable to radicals and hydrogen peroxide during Fenton reaction. After the Fenton reaction, the main chain of e-PTFE broke, resulting in a change in the chemical structure and morphology of the support, resulting in a decrease in tensile strength. The results of this study showed that electrochemical degradation of the membrane ionomer in the PEMFC process occurs inside the membrane by radicals and hydrogen peroxide, so that electrochemical degradation may also occur at the e-PTFE support in the cell.

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6GABA를 담지한 자성 키토산 나노입자 제조와 약물의흡수 및 방출 연구

저자 : 윤희수 ( Hee-soo Yoon ) , 강익중 ( Ik-joong Kang )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 541-549 (9 pages)

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약물 전달 시스템(Drug Delivery System, DDS)은 인체에 발생한 질환을 치료를 할 때 약물을 효과적으로 투약하므로써 약물성분에 의한 부작용을 최소화하고, 약물의 효능을 최대한으로 크게하기 위해 기존의 알려진 성분의 약물이나 새로운 성분의 제형을 설계하여 환자의 약물치료 과정을 최적화하는 목적을 지향하는 기술로 정의된다. 본 연구에서는 Tripolyphosphate (TPP)의 농도가 키토산과의 가교결합을 통하여 제조되는 Chitosan nanoparticles (CNPs)의 크기에 미치는 영향을 측정하여 TPP의 농도가 낮을수록 작은 크기의 입자가 형성되는 것을 확인하였다. 그리고 산화철(Fe3O4)의 양에 따른 CNPs-Fe3O4의 특성을 측정하여 Fe3O4의 양이 많을수록 자성 약물 전달체로써의 특성이 잘 나타남을 확인하였다. 닌히드린 반응(Ninhydrin test)를 통하여 저농도 구간(0.004~0.02 wt%)에서는 Y = 0.00373 exp (179.729X) - 0.0114 (R2 = 0.989), 고농도 구간(0.02~0.1wt%)에서는 Y = 21.680X - 0.290 (R2 = 0.999) 의 γ-aminobutyric acid (GABA)의 농도에 따른 검량선을 얻었다. 이 검량선을 사용하여 흡수를 위하여 넣어주는 GABA의 양에 따른 최대 흡수율의 관계식 Y = -136.527 exp [(-90.0862)X] + 64.724 (R2 = 0.997) 을 얻었으며, 초기에 넣어주는 GABA의 양이 약 0.04 g인 지점부터는 약 62.5%로 흡수율이 일정해 지고, 시간에 따른 GABA-Fe3O4-CNPs로부터 방출되는 GABA의 양을 측정하여 약 24 hr 이후부터 약물 방출이 종료되는 것을 확인하였다. 또한 최적의 조건에서 만들어진 GABA-Fe3O4-CNPs는 약 150 nm의 구형 입자이며, 그에 따른 입자의 특성이 잘 나타나는 것을 확인하여 약물 전달체로써 적합함을 알 수 있었다.


The Drug Delivery System (DDS) is defined as a technology for designing existing or new drug formulations and optimizing drug treatment. DDS is designed to efficiently deliver drugs for the care of diseases, minimize the side effects of drug, and maximize drug efficacy. In this study, the optimization of tripolyphosphate (TPP) concentration on the size of Chitosan nanoparticles (CNPs) produced by crosslinking with chitosan was measured. In addition, the characteristics of Fe3O4-CNPs according to the amount of iron oxide (Fe3O4) were measured, and it was confirmed that the higher the amount of Fe3O4, the better the characteristics as a magnetic drug carrier were displayed. Through the ninhydrin reaction, a calibration curve was obtained according to the concentration of γ-aminobutyric acid (GABA) of Y = 0.00373exp (179.729X)-0.0114 (R2 = 0.989) in the low concentration (0.004 to 0.02 wt%) and Y = 21.680X-0.290 (R2 = 0.999) in the high concentration (0.02 to 0.1 wt%). Absorption was constant at about 62.5% above 0.04 g of initial GABA. In addition, the amount of GABA released from GABA-Fe3O4-CNPs over time was measured to confirm that drug release was terminated after about 24 hr. Finally, GABA-Fe3O4-CNPs performed under the optimal conditions were spherical particles of about 150 nm, and it was confirmed that the properties of the particles appear well, indicating that GABA-Fe3O4-CNPs were suitable as drug carriers.

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7증류탑 최적 설계를 위한 경험 법칙 제시 및 자동화

저자 : 채현엽 ( Hyunyeob Chae ) , 이종민 ( Jongmin Lee ) , 정광섭 ( Kwangseop Jung )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 550-564 (15 pages)

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증류탑은 경제적 효율성, 높은 신뢰성 및 자료 확보의 용이성으로 석유화학 공정 설계 시 화학 성분의 분리를 위해 적용되는 주된 기술 중 하나이다. 하지만, 기본적으로 에너지 소비 및 투자비가 높은 설비이기 때문에, 운전비와 투자비에 대한 Trade-Off 분석을 진행하여 가장 경제적인 증류탑 설계 진행이 필요하다. 본 연구에서는 가능한 많은 공정 엔지니어의 활용을 위해 대중적 공정 모사 프로그램인 Aspen Plus를 사용하여 검토를 진행하였다. 증류탑 최적화 진행시의 설계 변수를 정의하여 공정 엔지니어의 주관적인 판단에 의한 설계 품질의 편차를 최소화 하였으며, 불필요한 검토 과정 배제 및 체계적/효율적인 절차를 수립하여 설계에 소요되는 시간 및 인력 소요를 최소화 하였다. 또한, 증류탑 단수 최적화 검토시 투자비의 신뢰성 있는 산출을 위해 APEA (Aspen Process Economic Analyzers) 프로그램을 도입하고, APEA 사용에 대한 효율적인 방법에 대해서도 다방면으로 검토하여 최적화 절차를 수립하였다.


Distillation columns are one of the main equipment used for the separation of chemical components in petrochemical process design. However, in spite of the efficient operation in wide range, and the advantage of data collection for equipment verification, the distillation columns are inherently known for high energy consumption and capital cost. Hence, the trade-off analysis needs to be done between investment cost and operation cost to develop the most economical distillation columns. This study was conducted using Aspen Plus, a popular process simulation program, in the pursuit of broad application by as many process engineers as possible. In this paper, design variables for optimization of distillation columns were defined to improve emphatically the design quality with reducing erratic practice of many engineers. In addition, by eliminating unnecessary reviewing step and establishing systematic and efficient procedures, the amount of time for design and human resources were minimized. Aspen Process Economic Analyzers (APEA) program was introduced in order to calculate the investment cost reliably, and the efficient systematic procedure for utilization of APEA was established.

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8증류탑을 위한 머신러닝 기반 플랫폼 개발

저자 : 오광철 ( Kwang Cheol Oh ) , 권혁원 ( Hyukwon Kwon ) , 노지원 ( Jiwon Roh ) , 최영렬 ( Yeongryeol Choi ) , 박현도 ( Hyundo Park ) , 조형태 ( Hyungtae Cho ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 565-572 (8 pages)

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본 연구는 증류탑 분리공정 시스템 최적화를 위하여 인공지능 머신러닝이 적용된 소프트웨어 플랫폼을 개발하였다. 증류탑 분리공정은 석유화학 산업의 대표적이고 핵심적인 공정이다. 하지만 다양한 운전조건과 연속식공정 특성으로 인하여 안정적인 운전이 어려우며 운전자 숙련도에 의하여 공정효율에 차이가 발생된다. 이를 해결하기 위하여 이론적 시뮬레이션을 활용한 제어방법이 개발되어 사용되고 있지만 특수하거나 복잡한 반응이 포함된 공정에는 적용이 어려우며, 거대한 시스템에 대하여 분석이 이루어질 경우 계산비용 증대로 인하여 실시간 제어와 연동이 어려운 한계점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 머신러닝을 기반으로 한 경험적 시뮬레이션 모델을 개발하고 이를 통하여 최적의 공정운영방법을 제시하고자 한다. 경험적 시뮬레이션 개발은 실제 공정에서 수집된 빅 데이터, 데이터마이닝을 통한 특성추출, 공정을 대표하는 데이터 선별, 화학공정 특성에 맞는 모델 선정으로 이루어졌으며, 현장검증 및 테스트를 통하여 증류탑 분리공정 플랫폼이 개발되었다. 최종적으로 개발된 플랫폼을 통하여 운전 조작변수의 예측이 가능하며, 최적화된 운전조건을 제공하여 효율적인 공정운영을 달성할 수 있다. 본 논문은 머신러닝 기법을 화학공정에 적용한 기초연구로서 이후 다양한 공정에 적용하여 4차 산업의 스마트 팩토리의 초석이 되어 널리 활용될 수 있을 것이라 판단된다.


This study developed a software platform using machine learning of artificial intelligence to optimize the distillation column system. The distillation column is representative and core process in the petrochemical industry. Process stabilization is difficult due to various operating conditions and continuous process characteristics, and differences in process efficiency occur depending on operator skill. The process control based on the theoretical simulation was used to overcome this problem, but it has a limitation which it can't apply to complex processes and real-time systems. This study aims to develop an empirical simulation model based on machine learning and to suggest an optimal process operation method. The development of empirical simulations involves collecting big data from the actual process, feature extraction through data mining, and representative algorithm for the chemical process. Finally, the platform for the distillation column was developed with verification through a developed model and field tests. Through the developed platform, it is possible to predict the operating parameters and provided optimal operating conditions to achieve efficient process control. This study is the basic study applying the artificial intelligence machine learning technique for the chemical process. After application on a wide variety of processes and it can be utilized to the cornerstone of the smart factory of the industry 4.0.

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9수소 충전소 최적 위치 선정을 위한 기계 학습 기반 방법론

저자 : 김수환 ( Soo Hwan Kim ) , 류준형 ( Jun-hyung Ryu )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 573-580 (8 pages)

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최근 석유를 대체할 수송 에너지원으로 수소에 대한 관심이 커지고 있다. 수소의 장점을 극대화하기 위해서는 수소 충전소가 많이 보급되어야 한다. 본 논문은 수소 충전소를 보다 가깝게 이용 할 수 있는 최적 위치 선정 방법론을 제안하였다. 기존 에너지의 공급처인 주유소와 천연가스 충전소의 위치를 우선 참고하고, 인구, 등록 차량 수 등의 데이터를 추가 반영하여 수소자동차의 예상 충전 수요를 계산하였다. 기계 학습(machine learning) 기법 중 하나인 k-중심자 군집화(k-medoids Clustering)를 이용하여 예상 수요에 대응하는 최적 수소 충전소 위치를 계산하였다. 제안된 방법의 우수성은 서울의 사례를 통해 수치적으로 설명하였다. 본 방법론과 같은 데이터 기반 방법은 향후 수소의 보급 속도를 높여 환경친화적인 경제 체계를 구축하는데 기여할 수 있을 것이다.


Hydrogen emerged as a sustainable transport energy source. To increase hydrogen utilization, hydrogen refueling stations must be available in many places. However, this requires large-scale financial investment. This paper proposed a methodology for selecting the optimal location to maximize the use of hydrogen charging stations. The location of gas stations and natural gas charging stations, which are competing energy sources, was first considered, and the expected charging demand of hydrogen cars was calculated by further reflecting data such as population, number of registered vehicles, etc. Using k-medoids clustering, one of the machine learning techniques, the optimal location of hydrogen charging stations to meet demand was calculated. The applicability of the proposed method was illustrated in a numerical case of Seoul. Data-based methods, such as this methodology, could contribute to constructing efficient hydrogen economic systems by increasing the speed of hydrogen distribution in the future.

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10안전을 고려한 상용 2,3-Butanediol 탈수반응 시스템 설계

저자 : 송대성 ( Daesung Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : Korean Chem.Eng.Res.(화학공학) 58권 4호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 581-587 (7 pages)

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본 연구에서는 기존의 2,3-Butanediol (2,3-BDO) 탈수 반응시스템의 문제점을 해결하기 위해 새로운 반응 시스템이 제안되었다. 대기압 근처에서 2,3-BDO 반응물을 반응온도 360 ℃ 까지 올리기 위해서, 상용공정에서 일반적으로 사용되는 용광로를 사용하게 되면 반응 시스템이 적절히 작동할 수 없다는 것이 확인되었다. 그것은 2,3-BDO 올리고머로 고려되는 물질 때문이다. 그것은 용광로 튜브 안의 막힘, 폭발과 같은 안전 문제 뿐 아니라 반응 시스템의 유지보수의 어려운 문제점을 일으킬 수 있다. 그러한 문제점을 해결하기 위한 방법은 용광로를 대신해 감압운전 하에서 고압스팀을 사용하는 열교환기를 사용해서 반응물의 온도를 낮추고 반응 온도를 낮추는 것이다. 반응 속도론을 사용하여, 반응기의 성능이 감압운전과 더 낮은 온도, 330 ℃에서 크게 다르지 않다는 것을 보였다. 이 결과는 왜 새로운 반응 시스템이 제안되었는지를 설명한다.


In this study, a new reaction system is proposed to solve the problems of the existing 2,3-Butanediol (2,3-BDO) dehydration reaction system. It was confirmed that the reaction system did not wok as it should operate properly when using a furnace, which is commonly used in commercial processes, to raise the reactant, 2,3-BDO, to the reaction temperature, 360 ℃, at near atmoshperic pressure. It is because of the substance considered to be oligomers of 2,3-BDO. It can lead to safety problems, such as blockages inside the furnace's tube and explosions, as well as tricky maintenance issues in the reaction system. To solve it, the temperature of reactant can be brought down by using a heat exchanger with High Pressure (HP) steam instead of the furnace, which has a hot spot problem through the vacuum operation and reduce the reaction temperature. It can be seen that the reactor performance is almost similar under the vacuum operation and the lower reaction temperature, 330 ℃, by using a reaction kinetics. This result explains why the new reaction system is proposed.

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1연안해역에서 석유오염물질의 세균학적 분해에 관한 연구

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