MinerBa Major Issues and NEws Reviewing from Biological Aspects 동장 2 학년박 부동장 2 학년김 부동장 1 학년윤 목차 1. 동아리의설립취지 2. 동아리의구성 3. 동아리의선발방식 4. 동아리활동개요 1) 현재까지의활

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1 2012 학년도 MinerBa 생물교과심화동아리활동자료집 - 1 -

2 MinerBa Major Issues and NEws Reviewing from Biological Aspects 동장 2 학년박 부동장 2 학년김 부동장 1 학년윤 목차 1. 동아리의설립취지 2. 동아리의구성 3. 동아리의선발방식 4. 동아리활동개요 1) 현재까지의활동 2) 주제별활동예시 첨부 학년도신입생선발지필평가문제, - 토론활동안내 - 2 -

3 1. 동아리의설립취지 -동아리의다양성확대와활발한활동을위해신설된생물학-STS동아리 minerba (Major Issues and NEws Reviewing from Biological Aspects) 는기존과학적지식위주의동아리활동과는다른, 생물학지식과과학, 기술, 사회의상호관련성을이해하는 STS( 참조 ) 활동을결합시킨활동을통해사회에대한관심과올바른이해를바탕으로하는과학적탐구활동을목표로두고있다. STS: Science-Technology-Society의줄임말로써과학, 기술, 사회의상호관련성을강조함으로써과학및기술의과정과탐구능력의개발및개인적, 사회적의사결정에있어과학과기술의과정과지식의이용을목표로두고있다. 2. 동아리의구성 -동아리는한학년당 10명의인원으로구성되며인원중투표를통해동장 1명, 부동장 1명, 서기 2명을선출한다. 전원의참여가필요한활동 ( 아이디어공유, 수업, 토론활동 ) 시를제외한활동에서는각학년당 5명, 총 10명으로구성된소그룹으로활동하며각소그룹에는동장혹은부동장 1명과서기 1명씩이포함된다. 실험등의활동에서필요한경우별도의소그룹을편성하여활동한다. 3. 동아리의선발방식 -동아리는지필평가 * 와면접두단계를통해신입생을선발하며각단계의점수를합산하여평가한다. 동점자발생시엔지필평가의점수를우선시한다. -지필평가: 지필평가의배점은 60점으로하며선행적요소를모두배제시키며다방면으로접근이가능하며동아리의취지에적합한학생을선발하기위한문제들을출제한다. 지필평가의문제는동아리내에서출제위원으로선출된학생들이직접출제하여검증 ( 블라인드테스트 ) 을거친후사용된다. -면접: 면접의배점은 40점으로하며지필평가문제를출제한동원들이실시한다. 면접에는지필평가에서모자란점의보충및각종인성및창의성을묻는질문을준비한다. 면접에서지필평가의문제를맞힐경우지필평가점수에합산한다. 시사에대한관심도, 인성, 창의성에대해면접위원의재량으로점수를채점한다. 4. 동아리활동개요 -본동아리는취지에따라사회적으로화제가되는생물학관련주제를선택하여 1~2개월간토론, 토의, 관련된생물학적지식의공유, 실험, 아이디어발표등여러활동을통해심층적으로분석하고사고하는활동을기본으로한다. * 2012 학년도신입생선발문제첨부 토론활동안내첨부 - 3 -

4 현재까지의동아리활동 ) 일자활동 2011년 12월 28일동아리신설및간부선출 2012년 1월 4일앞으로의활동을위한주제선정및운영방향토의신입생선발을위한지필평가문제출제시작 2012년 1월 11일 3월활동주제 ( 생체모방공학 ) 선정및활동계획과역할분담지필평가문제테스트 2012년 1월 18일토론활동을위한토론포맷설계토론포맷시험을위한토론진행 ( 주제 : 생물특허권, 존속되 2012년 2월중어야하는가 ) 2012학년도신입생선발 주제별활동예시 ) 주제 1: 생체모방공학 (3 월달실시계획 ) 1. 개별심층조사 - 기계공학, 뇌 - 신경시스템, 재료공학, 디자인공학등각분야별로분담하여조사 한후발표를통해정보공유 2. 아이디어조합및발표 - 발표를통해공유한정보를바탕으로소그룹 (4 인 1 조 ) 별로생체모방공학을적용시 킨새로운아이디어들을구상및발표 3. 아이디어실현 - 발표한아이디어중실현가능성이있는아이디어를선택하여직접실험과설계를 통해구현해보는단계 주제 2: 바이오연료 1. 개별심층조사 - 바이오에탄올, 바이오디젤, 미생물연료전지, 바이오매스에너지등각분야별로 분담하여조사한후발표를통해정보공유 2. 토론활동 - 바이오연료는과연미래에너지의대안일까 라는주제로토론진행 3. 탐구활동 - 4 -

5 - 바이오연료제조, 성능시험, 제조법개선등소그룹별로탐구주제를정해활동. 주제 3: 우리주변의환경 / 생태계문제 1. 개별심층조사 - 우리지역의각종환경 / 생태계문제, 환경 / 생태계복원사례등을조사하여발표 를통해정보공유 2. 토론활동 - 이끌어낼수있는주제를통해토론진행 3. 탐구활동 - 소그룹별로주제에적합한탐구주제를선정해탐구진행 4. 현지답사 * - 낙동강하구원답사를통해우리주변의환경 / 생태계문제실태조사및현지에 서각종실험진행 5. 해결책발표대회 - 각종활동들을통해우리주변의환경 / 생태계문제에대한해결책들을제시한 후발표대회형식을통해아이디어공유 이외의주제 -유전자데이터베이스화 -인공생태계 -지속가능한농업시스템 -생물다양성 -환경호르몬 -약물중독 -인공생명체 -유전자조작생명체 -외계지적생명체 -전염병 상황에따라주제를선택하여활동하며동아리진행에따라새롭게추가될수있음 * 낙동강하구원답사활동은부산환경운동연합전시진고문님과연계하여진행할계획 - 5 -

6 첨부 1: 2012 학년도신입생선발지필평가문제 2012 학년도생물학 -STS 동아리 minerba 신입생선발 이름 : 학번 : 간단하게자기를소개해주십시오. 1. 생명체내에서물 ( ) 이필요한이유를 3 가지를적고설명하시오. 2. 주어진자료를바탕으로문제를해결하시오나무를가로로자르면짙은색의동심원이나타원모양을볼수있다. 이부분을나이테라고한다. 나무는형성층에서세포분열이일어나면서줄기가굵어진다. 이때계절에따라세포분열의속도가다르므로나이테가생기게된다. 대체로봄과여름에는세포분열이활발하여세포벽이두껍게자라지못하고, 물이충분히공급되어세포의부피가크다. 그러므로색이연하다. 그러나가을부터는성장속도가급격히감소하여세포벽이두껍고세포의부피가작다. 그러므로조직이치밀하고색이진하다. 이렇게연한조직과짙은조직이번갈아만들어지므로동심원모양의테를갖게된다. 나이테의두께 위그래프는연도별나이테의상대적인두께를나타낸그래프이다. 그래프를보고 1900 년 부터생긴변화를설명할수있는여러가지가능한현상과그가미친영향을서술하시오 - 6 -

7 3. 에세이문항 다음제시된자료를보고자신의의견을서술하시오 ( 예 : 문제점지적, 해결책제시등 ) 자료 1. 생물특허 - 특허대상은인간뿐아니라동식물의유전자 세포나아가비즈니스까지확산되고있다. 특히, 생물과관련된특허를생물특허라부른다. 세포와관련된특허신청은생명공학의발전과더불어점증하고있으며, 최근인간게놈연구가거의완성단계에이름에따라더욱가속화되고있다. 생물특허는바이러스를비롯한인체일부인탯줄 비장 혈액 세포등으로특허범위가확대되고있다. 우리나라는 1998 년 3 월부터동물특허가인정되기시작했다. 식물에대한특허역시활발히이루어지고있다. 최근들어생태계보전이상대적으로양호한제 3 세계가생명공학자들사이에인기가높다. 이곳에서유용한약물을얻어내유전자특허를신청할수있는가능성이많고결국경제적부와연결되기때문이다. 현재까지약효테스트를받은식물이전체식물의 1% 도못된다고한다. 생물공학, 유전자공학의발전이가속화되면서그에따른생물특허경쟁도더욱치열해질전망이다. 자료 2. 유전자변형 (GMO) 농산물 - 생물체의유전자중필요한유전자를인위적으로분리ㆍ결합하여병ㆍ해충저항성, 저장성향상, 고영양성분함유등의특성을갖도록한농산물과식품을말한다. 벼ㆍ감자ㆍ옥수수ㆍ콩같은농작물의유전자를조작하면유전자변형농작물이라부르고, 이농산물을가공하면유전자변형식품이라고한다. 미래의식량문제를해결할수있는대안으로떠오르고있기도하지만그안전성이나생태계교란등의문제점에대한논란도많이일고있다. 자료 3. 자료 대다국적기업의종자시장점유율변화및매출규모 ( 단위 : 백만달러 ) 1996 년 16% 2004 년 49% 2007 년 67% 2008 년 78% 업체명몬산토듀폰신젠타리마 랜드 오레이크 KWS 바이엘사카타 DLF 다게이 매출 국가미국미국스위스프랑스미국독일독일일본네덜란드일본 출처 : ETC group, Action Group on Erosion, Technology and Concentration

8 첨부 2 : 토론활동안내 minerba 토론안내토론구성 -사회자 1명 -서기 2명 ( 각측에 1명씩 ) -토론자총 6명 ( 각측토론자 1, 2, 3으로 3명씩 ) -평가자 ( 청중및서기포함 ) 역할배분 -토론자1: 입론, 토론자 2의질문에답변 -토론자2: 토론자 1의입론에질문, 반론 -토론자3: 평가자의질문에답변, 최종발언 토론규칙 -정해진토론시간을준수한다. -동일측토론자간의정보공유는허용된다. -자료발표가필요한경우사회자에게요청하며자료발표준비시간은토론시간에서가감하지않는다. -각측에는노트북 1대씩이제공된다. -자유토론시손을들어사회자에게발언권을얻어발언한다. 상대가발언중일경우해당발언자에게발언권을구한다. 이때해당발언자는이를거절또는승낙할권리를가진다. -욕설, 고성, 비방을할경우남아있는해당발언시간을몰수한다. -토론자는서기의기록을볼수없으며적발시몰수패처리한다. -평가자들은요청시서기의기록을참조할수있다. -토론자들은토론중녹취, 녹화한자료를참조할수없으며적발시몰수패처리한다. 토론진행표입론 ( 토론자 1) 3분질문 ( 토론자 2) 답변 ( 토론자 1) 2분입론 ( 토론자 1) 질문 ( 토론자 2) 2분답변 ( 토론자 1) 반론 ( 토론자 2) 반론 ( 토론자 2) 3분휴식시간 (5분) 자유토론 (7분-가감가능) 평가자참여자유토론 (10분-가감가능) 휴식시간 (5분) 최종발언 ( 토론자 3) 최종발언 ( 토론자 3) 3분평가및판정 2분 3분 2분 3분 3분 - 8 -

9 주제총정리 1. 생체모방공학 ( 발표 아이디어 ) 2. 바이오연로 1) 발효 2) 에탄올 & 바이오디젤 ( 발표 바이오에탄올 바이오디젤 ) 3. 공동연구보고서 4. 독서활동과기타 - 9 -

10 생체모방공학 ( 디자인 ) 2 학년김 1. 생체모방디자인이란? 자연이가지고있는디자인적요소들의연구및모방을통해인류의과제를해결하려는데에그목적이있다. 이새로운분야는매우과학적인성격을보이는동시에, 오늘날의디자이너들에게도대단히중요하며유용한분야라고할수있으며, 이제까지자연이직접보여주었던성공적인아이디어와디자인에기반하여디자이너에게문제해결을위한풍성한영감을제공하는원천이되고있다. 2. 생체모방디자인의효과생체모방은자연을모방하여보다다양한분야에서현명하고지속가능한디자인을창출하면서문제를해결하고혁신을이룰수있도록도움을주고있다. 이제각분야의디자이너나건축가들은자신의연구나작업공정에생체모방을융합하여커다란효율을얻을수있게되었다. 정리하자면생체모방디자인은디자인의심미성, 기능성에경제성이라는부가혜택까지창출할수있다. 3. 생체모방디자인의과정 디자인스파이럴 이라는디자인과정을통해생체모방디자인이이루어지고있다. 디자인스파이럴은해당과제에생물학적인시각을도입하고질문을통해자연세계로부터영감을얻은후, 최종적인디자인안이과정, 생태계, 형태등모든방면에있어자연을모방하고있는지검토하는데도움을준다. 이러한공정을통해디자이너들은각각의프로젝트의물리적디자인에생체모방을도입할수있을뿐아니라제작과정이나패키징과같은전반적인디자인공정에이러한절차를적용할수있다. 스파이럴, 즉나선형이라는명칭은디자인공정의반복적인특성을강조하고있다. 생체모방을디자인에적용하는작업은디자인을출발점으로삼아진행하는경우와자연이출발점이되는경우로나눌수있다. 전자의경우, 디자인의과제를정확히파악한뒤이와유사한문제및해법을보여주는자연의모습에주목한다. 이렇게접근하는방법은생체모방적인아이디어의착안및영감을구하고자할때유용하다. 또한이는자연에서볼수있는독특한디자인사례가축적된생체모방의데이터베이스를통해이러한작업을원활하게수행할수있다. 이와반대로자연을출발점으로삼는디자인작업은자연에대한연구를통해자연의디자인을인간에게

11 응용할수있는경우를모색함으로써생체모방을적용한다. 4. 디자인의활용분야 1) 건축 오른쪽사진은아프리카흰개미집이다. 이구조는바닥에뚫려있는구멍들로낮에는신선한공기가유입되고데워진공기는상부의구멍으로빠져나간다. 지하로들어온시원한공기가내부를순환하며아래그림과같이열을식히면서온도조절을한다. 이원리로지어진건축물인호주멜버른시의회청사 <Council House2>( 왼쪽 ) 과 <Eastgate Centre> (Harare in Zimbabwe, 오른쪽 ) 이있다. 이들의설계도면을보면오른쪽그림과같다. 이들은개미집의원리를이용하여 38 도의무더운여름날에도에어컨없이항상 24 도를유지한다고한다

12 2) 자동차 오른쪽사진은 2005 메르세데스벤츠사의 박 스카디자인이다. 이는코거북복의공기역학과 형 태의효율성을적용했다고한다. 매우귀여운 형 태의유선형자동차로일반동급차량보다 20 % 이상경제적인 23.9의연비를내며최고시속 19 0km까지낼수있다. 또한제로백이 8.2초로현재맥시멈슈퍼가로불리는 람보르기니가야르도 LP550-2 스파이더 의제로백이 4.2초인것을고려해볼때매우뛰어난성능을자랑한다. 3) 생활용품 1카메라오른쪽사진은 philips' 사의무선웹캠으로이제품은거미혹은낙지에서영감을얻었다고한다. Flynn Product Design' 에서디자인하였으며외관은 ABS수지로만들어졌다고한다. 2페인트오른쪽사진은 Lotusan페인트이다. 이는연꽃의자체정화메커니즘을이용하였다. 이페인트를건물이나주택, 자동차에칠하게되면비가오거나혹은눈이내려녹기만해도스스로

13 먼지를제거하여청결함을유지시켜준다. 3샤워기오른쪽사진은에너지절감형샤워기이다. 프랑스에서개발된이샤워기는인체의혈액순환시스템에서영감을받아에너지를생성한다고한다. 물이순환되고복잡하게연결된파이프관을이동하면서생성된에너지로물을데우는구조로전기가필요없다고한다. 4) 기차마치새의부리처럼날렵한모습의이기차는일본의 Bullet Train이다. 이열차는보통고속열차가터널에서나올때나는매우시끄러운소음을해결하기위해물총새가부리를내리고급하강하여물속의먹이를원활하게잡는모습에착안하여디자인하였다고한다. 4) 선박오른쪽사진은선박이나잠수함에사용되는터빈이다. 이디자인은혹등고래의지느러미에아이디어를얻어디자인되었는데, 혹등고래의지느러미에있는돌기는물속에서혹은하늘에서양력이늘어나안정적인항해및이착륙을할수있으며항력이줄어듬으로써연료의소비를줄이고안정성을크게높일수있다고한다. 이돌기가적용된디자인은프로펠러및선박키등에큰도움을줄수있다

14 5) 섬유오른쪽사진은 Morphotex라는섬유이다. 이는아마존강유역에서식하는모르포나비의 vibrant blue 에아이디어를얻어만들어진섬유인데 Morphotex는유기물의광발색섬유이기때문에염료나안료가불필요하며염색공정이색략되므로친환경적이라고한다. 6) 비행기이비행선은 Air_ray라는비행선으로독일의유명공기압기기회사인 Festo가개발하였으며바다속에서양옆으로크게퍼지는가오리의가슴날개의움직임에서동력원리를착안하였다. 내부는헬륨가스, 원격리모컨조종이가능하다

15 Biomimetics - 재료공학 - 2 학년임, 이, 장 1. 생체모방공학의분류가. 구조와재료 (Structures and Materials) 나. 기구와공정 (Mechanisms and Processes) 다. 행동과제어 (Behavior and Control) 라. 감각기관과의사소통 (Sensors and Communication) 마. 세대간의모방 (Generational Biomimicry) 2. 구조와재료가. 거미줄거미줄은약해보이지만, 같은굵기의철보다 10배나강하여, 만일거미줄을철사굵기만큼엮어놓으면천장에피아노도매달수있다. 또한질기고신축성이뛰어나며통풍성도뛰어나다. 또한 200 이상의열에견딜수있어내열성이뛰어나며 10% 정도의흡습성을지녔으며광택성이우수하다. 일반합성섬유에비해서먼지가잘흡착되지않으면서유전율이커염색이가능하다. 거미줄의이러한설질은방탄복이나낙하산을만드는데에응용된다. 나. 상어비늘상어의비늘의오돌토돌하게돋아난돌기는몸의표면에생기는작은소용돌이를튕겨내추진력손실을줄인다. 상어는물의저항이센코정면에는거친돌기를, 코아래에는부드러운돌기를갖고있어부위별로튕겨내는힘을차등화하여추진력을최대한보존하고쓸데없는마찰은줄이는것이다. 이를수영복에적용하여전신수영복을개발하였고이를착용시기록이단축이된다. 또한이미세돌기들은따개비나해조류들이달라붙어자리잡는것을방지하여선박의밑면에이용되고있다고한다

16 그리고상어피부를현미경으로관찰하면수많은층과결이있음을알수있으며이구조를타이어에적용했다. 그들은타이어표면의홈을계단식으로미세가공해빗길을달릴때노면의수분이빨리타이어홈속으로들어오도록한후타이어가충분히회전할동안수분을머금고있다가양옆으로배출하도록디자인했다. 수막이생기는것을원천적으로차단한것이다. 다. 전복껍질전복껍질은사람이만든가장단단한세라믹보다도훨씬더강하다. 미국의워싱턴대학교의연구팀은전복껍질의분자배열을분석해서전투에사용되는탱크의철갑을만들어냈고, 일본통산성공업기술원오사카공업기술연구소에서는껍질의구조를모방해서새로운세라믹을개발했다. 전복껍질이그토록강도가높을수있는비밀은부피로 99% 를차지하는단단한아라고나이트 (CaCO3) 층과 1% 의유연하고완충적성질을갖는천연생물고분자물질 (biopolymers) 이반복적으로층을이루는구조에있다. 그래서, 탄산칼슘층에균열 (cracks) 이생기면이균열을부드러운고분자층이막아줌으로써균열이쉽사리다음탄산칼슘층으로전달되지않는것이다. 이러한구조덕분에성분물질보다 2배나더견고하고 1,000배나더강한전복껍질이되는것이다. 라. 연잎 연잎의표면을전자현미경으로보면마이크로미터크기의돌기가산봉우리처럼있고여기에나노미터크기의돌기가나무처럼배열돼있다. 이런구조때문에연잎을물을밀어내물방울이퍼지지않고맺히는효과를보인다. 따라서물방울이연잎에서물을구슬모양으로뭉치면물방울이수은처럼굴러가게된다. 이를 ' 연잎효과 ' 라한다. 또물방울이표면의먼지를쓸어내는자기세정효과도있다. 이런연잎의표면구조를필름에모방하여목욕탕거울에코팅하면김이서려뿌옇게되는현상을막을수있고자동차전체에이런필름을코팅하면따로세차하지않도록해결해준다. 이런연잎효과를모방한지붕타일은이미유럽에서건물 30만채에설치돼있다. 또연잎효과를상업화한대표적인제품인미세돌기가적용된페인트는오래돼도물과오물이흡수되지않는것으로알려져있다 마. 모르포나비의날개 모르포나비의날개는매우광범위한각에서강한파란색빛을낸다. 이반사광은

17 염색에의해서보여지는것이아니라날개자체에있는나노구조에의한것이다. 사실같은색상이광범위에서반사돼서보이는현상은그기본구조가간단하지않고다층유전체로되어있다는것을의미한다. 이광학나노구조는수정이광학을끌어들이는것과매우비슷한공통점을가지고있다고한다. 그래서이기술은광학을끌어들이는수정을제조하는완전히다른종류의방법으로분리되어사용될가능성도있다고한다. 이러한기술을응용해각색마다나타내는나노구조를개발해옷을염색하지않아도자체적으로원하는광을낼수있는섬유를제작할수도있고, 핸드폰에도적용할수있기를기대한다

18 생체모방공학 생체모방공학은생물체가갖고있는다양한기능을인위적으로모방하여이용하는기술이라고정의된다. 연잎의미세한털을본따만든차유리빗물맺힘방지스프레이나게코도마뱀의특성을모방한로봇 sticky, 쥐며느리를본따만든산불화재진압용로봇등이이에속한다. 기체의유동저항을줄이는상어의비늘및조류의깃털또한생체모방의대상이될수있다. 1 학년김, 고 2 학년노, 정 쥐며느리를모방한화재진압로봇 이렇게많은생체모방발명품이존재하는것을보며, 우리는한가지의문점을가졌다. 생명체의신체부위를모방한발명품은있는데정신적작용, 즉신경을모방하여개발된발명품은없을까? 이를동기로우리조는인공지능에대한연구로탄생한신경모방공학제품이없을까탐구해보기로하였다. 신경모방공학의경우크게 2가지유형으로분류할수있다. 하나는소프트웨어관점에서신경의정보처리방식을본딴것이고, 다른하나는신경전달과정에관련되는인체부위를모방한하드웨어의관점이다. 신경을모방한소프트웨어로는시리가있다. 애플사의프로그램인시리 (siri) 는미국인공지능연구팀이만든프로그램으로 Speech Interpretation and Recognition Interface( 언어해석및인지인터페이스 ) 의약자이다. 음성을인식하여그에대한결론을출력하는프로그램으로, 일반음성검색프로그램과다를것이없다고생각되기쉬우나그렇지않다. 시리와음성인식프로그램이가장차별화되는점은시리의진화성이다. 애플사의프로그램은문장검색기능을기반으로검색내역이애플데이터베이스에저장되는과정을거친다. 즉, 유저의사용이많으면많을수록점점똑똑해진다는이야기가된다. 때문에 시리 시리는와이파이를비롯한인터넷연결하에사용할

19 수있다. 이는뇌라는데이터베이스에서인터넷이라는정보전달방식을통해정보의입력및출력을하고학습하는생명체와비슷하다. 시리와같은소프트웨어의탄생에가장큰공헌을한연구는신경망이다. 인간의연상방식을재현해내고사람의학습능력을갖게하는것을목적으로하는신경망은실로현대에많이쓰이며, 시리와같은많은인공지능프로그램의기반으로쓰인다. 인간의뇌는천조개이상의뉴런간의연결을갖는다. 이로인해정보간의중요성을따져뇌로보내는것을판단할수도있고, 동시에여러개의연산을할수도있다. 그러나컴퓨터의경우는그렇지못하다. 컴퓨터는한가지처리를빠른속도로처리하는것을기반으로하기때문에, 생명체에비해연산속도가느릴수밖에없다. 신경망은기존의컴퓨터연산방식을개선하기위해인간의연산을도입한다. 이러한생물학적신경망에서아이디어를얻어그래프와수학적알고리즘으로모델링하였다. 뉴런을모델링한유닛과그들사이의연결을시냅스와같이분산시켜연결, 연산 한다. 이는기존의 1 명령 -1 반응이라는컴퓨터의 신경망알고리즘 연산방식을탈피한혁신적인방법이다. 이를이용하면정보검색역시빠른속도로이뤄질수있는데, 이처럼신경망을이용하여다양한정보를한번에검색하는것을에피소딩검색이라고한다. 실제로신경망은뛰어난외부정보에대한대처능력을자랑하며여러분야에사용되고있다. 외부환경이수시로바뀌고, 그에대한결과를도출해야하는데탁월한효율성을자랑한다. AA Technology는핵융합연구를감시, 제어하는데이기술을사용하고있다. 이회사연구소는신경망기술을응용해실험용핵융합플라즈마발생장치안에서수백만분의 1초마다바뀌는조건에반응하면서일어나는융합반응을감시, 제어하고있는데이것은기존컴퓨터로는처리가불가능한속도다. 뿐만아니라, 신경망기술은다축로봇팔의궤적프로그램의작성및제어, 운행, 팔카메라조정, 물체인식에필요한시각 촉각의결합등로봇의여러기능을도와준다. 이기술은로봇의기본개발모델에서부터완제품을생산할때까지의전공정에응용된다. 스위스의경우온도라는지속적으로변화하는자극에대한반응을하는 [Neurobat] 이라는신경망을구축하였다. 로잔공과대학 (EPFL) 에서탄생한창업회사와스위스마이크로테크놀로지연구센터 (CSEM) 는건물의쾌적함을유지하기위한온도조절프로그램을개발했다. 건물의온도는내부의사람수, 계절, 일조량, 시간등에따라달라진다. 이신경망의경우건물내부의사람수를파악하고내부시스템을통해계절이설정된다. 외부에서제공되는날씨와일조량, 시간이라는변수를대입하여창문을여닫거

20 나냉방기의작동여부를결정한다. 이모든것이실시간으로이루어지고, 높은에너지효율을가진다. 일반건물에비해적게는 50%, 최대 65% 의온열에너지를절감한다. 소프트웨어에신경이가미될경우뛰어난발전을이룰수있다는것을위의사례들을보며실감할수있었을것이다. 하드웨어라는물리적장치에신경이어떻게적용될수있을까? 혹자들은이미하드웨어적인발전은모두이룩되었기때문에더이상하드웨어는발전할수없을것이라고주장한다. 하지만신경모방공학은이러한한계를간단히뛰어넘는다. 앞으로소개할두가지하드웨어는컴퓨터업계와외부부품분야에도엄청난파장을몰고올수있을발명품임에틀림없다. 첫번째는실리콘기술을이용한인간뇌모방이다. MIT 연구원들은뇌의뉴런들이새로운정보에반응-적응하는과정을모사하는컴퓨터칩을디자인하였다. 연구팀은약 400개의트랜지스터가내장된실리콘칩을하나로부터다른것으로정보가흐르는두뉴런들사이의연결하였고, 이를통해단일뇌시냅스의활동을시뮬레이션할수있었다. 연구팀은실리콘칩이어떻게뇌가작동하는지에대해신경과학자들에게훨씬많은도움을줄것이고, 인공망막과같은신경인공소자들에사용될수있을것이라고예상한다. 인체의시냅스전뉴런은아세틸콜린과 GABA와같은신경전달물질을방출한다. 신경전달물질은활성화이온채널을활성화시키고, 열고닫는채널들은세포의전위를변화시킨다. 만약전위가충분히변화한다면, 세포는활동전위라불리는전기적임펄스를발생시킨다. MIT 연구팀은트랜지스터들이서로다른이온채널들의활동을흉내낼수있도록컴퓨터칩을디자인하였다. 대부분의칩들이이진법, 온 / 오프모드를조절하는동안, 전류는디지털이아닌아날로그로새로운두뇌칩상에서트랜지스터들을통해흐른다. 전기퍼텐셜의변화도는이온들이세포에서이온채널들을통해흐르는것처럼트랜지스터들을통해전류를흐르게한다. MIT 연구팀은비주얼프로세싱시스템과같은특정모델신경기능들을이용하여시스템을만들기위해새로운칩의사용을계획하고있다. 이러한시스템들은기존의컴퓨터들보다훨씬더빠르다. 대용량컴퓨터시스템들에서단순뇌회로를시뮬레이션하는데에는며칠혹은몇시간이소요된다. 이칩시스템의사용은소프트웨어를사용할경우보다더향상된속도를보일수있으며, 기존의컴퓨터의처리보다시간을훨씬단축시켜준다. 인간의뇌처럼에너지를효율적으로활용하여소프트웨어를실행하는하드웨어도설계되었다. 프로세서와메모리간의정보전달은컴퓨터의효율적설계를위한최대난제중하나였다. 프로세서와메모리두가지역할을동시에수행하는칩이있다면연산능력과에너지효율을크게높일수있어우리가더이상노트북을구매할때무게와성능을놓고고민할필요가없어지는것이다. 여기에 멤리스터 (memristor) 라는기술이등장했다. 시냅스는뉴런사이를연결하는부위로정보는시냅스를통해전달된다. 이때시냅스는마지막으로경험한전기정보가얼마나오랫동안, 얼마나세게지나갔는지기

21 땀구멍에서저항이조절되는원리 멤리스터의저항조절 억한다. 멤리스터는시냅스의이러한기작을모방하여만든것으로마지막에경험한전기자극을기억한다. 따라서전하의흐름을방해하는저항처럼작동하면서동시에메모리기능도갖고있다. 멤리스터 (memristor) 란이름은이런특징을보여주는, 메모리 (memory) 와저항기 (resistor) 를합친말이다. 멤리스터는플래시메모리에비해이론적으로값이더싸고휠씬더빠르며, 보다많은메모리밀도를가능케한다. 또한램 (RAM) 을대체할수있기때문에컴퓨터를켰을때예전에작업하던것을정확하게기억해내어즉시하던작업으로돌아갈수있다. HP사는메모리뿐아니라 멤리스터심볼마크 연산기능까지갖춘멤리스터를개발하고있어 CPU를대체할가능성까지제시되고있다. 보다저렴한가격과여러부품들을병합할수있는멤리스터의장점으로주머니에들어갈만한사이즈에더빠른컴퓨터를만들수있을것으로기대된다. 현재미국국방성산하국방차세대연구프로젝트원 (DARPA) 와 HP IBM HRL연구소등이함께손을잡고메모리와레지스터를통합한 멤리스터 의개발에박차를가하고있다. 전하의양을기억하는멤리스터는부품의저항관점에서정보가저장된다. 한국과학기술원의이경재교수연구진디옥사이드로구성된멤리스터를제조하였다. 음의전압이상부전극에인가되면음이온은티타늄디옥사이드로밀려나가재료의전기저항을감소시키게된다. 이러한저저항상태는이진법관점의 "1" 이되며, 전압이꺼져도최소 2.7 시간동안유지되는것이확인되었다. 이처럼저항을기억하는방안은인간의땀구멍에서본따개발한것이다. 자극이주어질경우, 땀의양이달라지고, 전해질인땀이세포에작용하는전기포텐셜에영향을주기때문에저항에차이가생긴다는것에연구팀은초점을두고모방하였다. 멤리스터가상용화될경우컴퓨터가앞으로더얇아지고성능이좋아질것이다. 더이상사람들은정전에의해컴퓨터자료가날아가는것을두려워하지않아도된다. 이번주제탐구를통해서생체모방은동물의외형만본뜨는것은아니라는것을알수있었다. 눈에보이지않는메커니즘을모방하여한단계더높은발전을기대할수있다는것이놀라웠다. 이처럼다양한생체모방공학제품이존재함을알

22 수있다. 특히신경모방공학의경우그비전이뚜렷하며전망이밝은분야중하나이다. 앞으로는신경전달방식을모방한제품중에서도소프트웨어의발전이많이이루어질것이라고한다. 하드웨어의부피압축에한계가다다른상태에서, 멤리스터는다시한번컴퓨터의부피를줄일수있는발판을마련해주었다. 멤리스터를이용한컴퓨터는 2013년 6월경출시될예정이라고한다. 머지않은미래에는더완전한신경망의개발로보다빠른처리속도를기대할수있을것이며, 인간의융통성과다면적인상황을고려해야하는직업을대체할수도있을것이다. 이로써인류는더안락한생활을영위할수있을것이며, 원자력발전소와같은위험직업군에대한안정성도보장받을수있을것이라고생각한다

23 생체모방공학 ( 에너지부문 - 발광 ) 2 학년장, 전 1. 발광이란 온도가낮은물체에서빛이나오는현상으로열복사로, 가시광선을방출하기불가능한낮은온도의물체에서도빛이나오는경우가있는데, 이렇게빛이나오는현상을 발광 이라부른다. 발광은물질이에너지가높은들뜬상태에서에너지가낮은안정한바닥상태로되면서이둘의상태의에너지차이에해당하는파장의빛을내놓는것이다. 따라서이런빛을내도록하기위해서는물질을에너지가높은불안정한들뜬상태로만드는것이필요하다. 이를위해서는빛, 화학반응, 전기, 열, 또는음극에서나오는전자를이용하는등다양한방법들이사용된다. 2. 발광의종류 1) 화학발광 1 반딧불의발광생물체가외부의도움없이체내의화학반응으로빛을내는현상을 생물발광 이라고한다. 예를들면심해어류와반딧불이내는빛이이에속한다. 이빛은 루시페린 이라는물질이 루시페라제 가사용되는생체내화학반응에서들뜬상태의생성물이만들어지는데바닥상태로내려오면서빛이나오는원리로화학발광의한종류이다. 생물의종류에따라서루시페린과루시페라제의화학적인구조가다르기때문에나오는빛의특성또한다르다. 반딧불은루시페린이산소와반응하여 산화루시페린 이되면서빛을내는데이반응에는루시페라제와함께 ATP와 Mg 2+ 도필요하다. 그림 1. 루시페린의화학발광과정 2 인공적인루미놀반응반딧불이에서일어나는화학반응과비슷한반응을인공적으로일어나게하여빛을내게할수도있다. 인공적인반응에서는루시페린을구하거나합성하기에는많은어려움이있기에인공적으로합성한루미놀을사용하는데 루미놀 과 H2O2간의반응으로들뜬상태의 3- 아미노프탈레이트가생성되는데, 이것이바닥상태로내려가면서발광한다. 이러한루미놀반응은혈액속의헤모글로빈에들어있는철에의해서촉진되는특징을가져범죄수사등

24 에서혈흔을찾는데이용되며실생활의여러분야에활용중이다. 인공적인루미놀반응에서가장큰장점은이반응이거의열을내지않는냉광이기때문에빛에너지로의전환효율이높아실생활대체에너지활용면에서도미래가아주밝으며발전가능성이무한하다. 그림 2. 루미놀의화학발광과정 인공적인루미놀반응에서가장장점은거의열을내지않는냉광이기때문에빛에너지로 의전환효율이높아실생활대체에너지활용면에서도미래가아주밝다. 2) 음극발광음극발광으로는수은등과, 형광등, 브라운관등이있다. 유리관에수은기체를넣으면, 음극선에의해서수은원자가들뜸으로자외선과약한푸른빛을내는것을 19세기에발견된이후로수은등으로사용되기시작하였고유리관벽에형광제를칠했을때수은에서나오는자외선으로형광제가들뜸으로써빛이방출하는데이를이용하여만들어진전등이바로형광등이다. 형광등에사용되는형광제는인광을내는 인광체 이고, 이에서나오는빛은인광이다. 또브라운관 TV는형광등의기본원리를따르면서전자를직접충돌시키는것을덧붙여나오는빛을이용한것이다. 이세가지의기본원리는유리관에넣은기체종류에따라서나오는빛의파장이달라지므로빛의색또한달라진다는것으로자신이원하는색을서로다른기체를넣음으로써알록달록한색을띠게만들수있다. 3) 전기발광전기발광의대표적인예는 TV의혁신으로잘알려진 LED이다. 이는 p형반도체와 n형반도체를접합시킨후 p형반도체에 + 전압을걸어전자를빼어내정공 (hole) 을만든다. 이때정공이란전자를빼어낸원자의빈전자자리로자유전자들이결합할수있는공간이다. n형반도체에는음극을걸어전자를넣으면이들이확산되어접합하는면에서결합할때빛을낸다

25 그림 3. 형광등의원리그림 4. LED 의기본원리 LED의대표적인장점은첫번째로, 고효율광원이라는것이다. 소비전력이백열등의 1/7 수준이며수명또한약 5만시간으로백열등의수명의 10배정도이다. 두번째로, 친환경광원이다. 형광등이나수은등과같이우리몸에해로운물질이없기때문에환경을오염시키지않으며 CO2배출량또한백열등과비교하여약 7배적다. 세번째, 점조명이기때문에사용자중심적인광원이다. 빨강, 파랑, 녹색 LED의조합으로 1000만가지가넘는다양한색을표현할수있다. 이러한장점으로자신이원하는색은얼마든지자유롭게표현가능하다. 이러한장점들외에도반응속도가빠르고밝기의색온도변환은유일하다는특징들을가진다. 최근에는 LED 대신유기화합물을사용하는유기발광다이오드가개발되었는데, 이는기존의디스플레이장치에서 LCD 패널과백라이트가필요없어 LCD보다두께가훨씬얇을뿐만아니라더선명한색상을나타낸다. 이와같은발광기술은조명이나많은전자제품의핵심으로자리를차지하고있다. 이로써발광다이오드는백라이트가필요없어전력소모가매우적어수명이매우길어실생활적용면에서매우뛰어나다는장점을가져미래의실생활에서많이찾아볼수있기를기대해본다

26 생체모방공학아이디어제안 팀원 : 2 학년정, 이, 노 1 학년김, 고 실험주제 : 상어비늘을모방한보일러의열수송개선방안 연구동기 : 상어의비늘은리블렛 (Riblets) 구조로되어있다. 리블렛구조는주유동방향을따라홈이파진형태다. 이런리블렛구조로인해서, 표면주변의유동구조를변화시켜유체소용돌이가발생하여항력이감소하는효과가있다. 그래서우리는상어비늘의리블렛의효과를이용하면, 보일러가열효율을높이기위해온수가여러번돌수있도록관을구부리는형태를사용하여관의꺾인부분등보일러곳곳에잔열이모이면서열효율이떨어지는문제를관내부에상어비늘과유사한구조로만들어리블렛효과에의해열수송의불균형이일어나지않으므로해결할수있을것이라생각하였다. 연구목적 : 현재사용하고있는보일러의열수송불균형을해결하여, 효율성을증가시킨다. 연구내용및방법 : (1) 리블렛 (Riblets) 현상리블렛구조는주유동방향을따라홈이파진표면구조이다. 리블렛이표면주변의유동구조를변화시킴으로써유체소용돌이가생기고, 물체에작용하는항력이줄어드는현상을리블렛현상이라한다. 리블렛의항력감소효과는다음의수식으로나타난다. 여기서 는리블렛의높이, 는리블렛의간격, 는표면마찰계수, 는자유흐름속도, 는동점성계수를나타내며, 와 가각각 30과 25보다작을때리블렛의항력감소효과가나타난다. 리블렛은상어비늘표면의작은돌기에서발견되어현재 MRF(Micro Riblet Film) 와같은형태로수영복이나비행기표면에사용된다. 전신수영복원단에는

27 리블렛 ( 작은돌기 ) 이들어가있는데표면에서물이쉽게흐르도록만들어표면저항을줄여주는역할을한다. 리블렛모양은상어비늘모양에서본뜬삼각형모양이대표적이고비행기동체와날개의홈모양과같은형상도있다. 리블렛이표면저항을줄여주는이유는 [ 그림 1] 처럼수영복표면근처에서발생하는유체의작은소용돌이가리블렛의상부에만작용하여상대적으로좁은표면에만표면저항에영향을받도록하기때문이다. (2) 보일러의구조와원리 [ 그림 1] 리블렛의구조와효과 1) 순간식가스보일러 ( 입식난방 ) 유럽지역의입식난방구조에맞도록만든보일러로라지에이터, 펜코일등으로방안의공기를데워주는난방으로, 온수가동파이프속을통과하면서순간적으로데워주는순간식열교환방식을이용한다. 순간식은보일러본체내에물이저장되지않으므로저탕식가스보일러에비해보일러가동시간이 2배이상길어져연료비와가동전기료가많이든다. 오래사용할경우결로에의한백화현상및부식으로인해열효율이현격히저하된다. 2) 저탕식가스보일러 ( 온돌난방 ) 온돌난방에맞도록만든보일러로방바닥을데우도록설계된난방으로, 보일러본체에온수를저장시켜데우는저탕식열교환방식을이용한다. 저탕식은본체에온수가저장되어있으므로가동시간이짧다. 또한배기가스의온도차로발생하는백화현상이발생하지않으므로장기간사용해도고열효율이유지된다

28 [ 그림 2] 순간식가스보일러구조 [ 그림 3] 저탕식가스보일러구조 (3) 실험구상 A : 관이꺾어져있는보일러 B : 관의꺾어져있는내부표면이리블렛구조로되어있는보일러 A, B 관의꺾어지는부분에온도계를설치하여, 온도를비교하여, 열수송을관찰 한다. 예상결과 : [ 그림 4] 와같이관내부표면에리블렛구조를만들면관이꺾이는부분에서곡면에생기는잔열을유체소용돌이의형성을이용하여없앨수있다. 잔열을없앰으로써열효율이높아지고보일러를여러번돌리지않아도충분한열을공급할수있을것이다. [ 그림 4] 구상도

29 생체모방공학아이디어제안 팀원 : 2 학년김, 박, 이 1 학년안, 윤, 정 실험주제 : 지렁이를모방한토양오염감시로봇구상 연구동기 : 생체모방공학에대해동아리에서활동을하게되었다. 생체모방은자연에서찾아볼수있는구조적, 기능적요소와생물체의특성을연구하여이것을모방해인류의과제를해결하는데목적이있다. 상어의비늘구조를본뜬수영복을제작하고, 사람눈의홍채를모방한건물을건설하고, 연잎의나노돌기를이용하여방수를하는등많은곳에생체모방기술즉, biomimetics가응용되고있다. 우리도이와같이생명체의특성을접합시킨제품을고안해보고자하였다. 연구목적 : 환경오염이현대사회의문제가되고있는지금환경을더이상파괴시키는행위를철저히감시할필요가있다고생각하였다. 특히쓰레기를매립시키고각종오염물을폐기시키므로인해생긴토양오염문제가심각하다. 토양오염은단순히토지의오염만이아니라지하수까지영향을미쳐수질오염으로까지연결될수있기때문에해결해야할시급한문제이다. 우리는토양오염을감시하여오염을최소화하고자토양오염감시로봇을제작하고자하였다. 연구내용및방법 : 1) 전체적구상지렁이의체절과움직임을모방하여토양오염감시로봇을구상해보았다. 지렁이는몸의앞부분을늘리면서흙을밀어내고일부는섭취한다음뒷부분을끌어당기는방식으로움직인다. 이렇게흙속을돌아다니며토양을정화시키는지렁이의움직임을모방한이로봇은탈부착가능한분석기유닛을이용하여토양을분석한다. 입구로토양이유입되면각종분석기를거치며상태를분석하고그데이터를전송한다. 2) 운영방식오염물질이매장된토양에위로봇을여러대투입시킨다. 각로봇이토양의상태를분석하면서무작위적으로토양속을돌아다닌다. 오염물질의농도가증가하는부분의위치좌표를전송한다

30 여러대의로봇이전송한 GPS 좌표를바탕으로 3 차원적위치를파악한다

31 생체모방공학아이디어제안 2 학년김, 전 실험주제 : 개벼룩을응용한유전위치추적로봇 연구동기 : 전세계적으로화석연료의가격이상승하고있다. 그러나유전은한정된매장량과숫자를가지고있고, 새로운유전을발굴하는것도여간힘든것이아니다. 조사한바에따르면, 유전을채굴할때중력이상과같은다양한자료를이용하여유전의예상위치를찾고, 거기다시추선으로비싼비용을들여파보고, 나오면유전안나오면꽝이렇게찾는다고한다. 이것은상당히비효율적인방법이고, 우리는이에개벼륙의생활을이용한유전탐사로봇을고안하기로결심하였다. 집에서개를키우다보면, 가끔산이나밖으로산책을갔다온후개의몸에빨간색개벼룩이붙어있는모습을흔히볼수있다. 개벼룩은개의털사이에들어가긴침을이용하여개의가죽을뚫고피를빨아먹는데, 주로습기가많은부분 ( 눈, 코등 ) 에위치하나다른곳에도있다. 겉으로보기에는붉은색콩이붙어있는모습이어서매우혐오스러우나, 우리는이개벼룩의생활양식을이용하면색다른아이디어가나올수있을것이라고생각하였다. 연구목적 : 현재의비효율적인유전탐사과정을개선할새로운로봇을고안한다. 연구내용및방법 (1) 개벼룩몸길이수컷 2 mm, 암컷 3 mm이다. 주로개에기생하는벼룩이지만사람 여우 고양이 오소리 양 쥐류등에도기생하는수가있다. 인류의전염병에는관계가없다. 볼에나는센털의제1가시는길이가제2가시보다짧다. 전세계에분포한다. 비슷한고양이벼룩 (C. felis ) 은사람 고양이 개 족제비 다람쥐등에기생한다. [ 출처 : 두산백과 ] (2) 고안우선로봇은타원형, 유선형으로생겼으며, 내부에는 CPU, GPS, 센서, 중력측정장치, 연료탱크등이있고, 외부에는시추용드릴 ( 몸체전체가파고들만한 ), 프로펠러, 다리등이부착되어있다

32 작동방법은다음과같다. 우선수면위의배에서소형개벼룩로봇들을활동범위만큼씩띄우면서뿌린다. 기름이차있어서무거운로봇은해저에살짝충돌하고, 충격에의하여내부컴퓨터가작동하여중력측정장치를이용하여중력을측정한다. 그리고내부컴퓨터가이론적중력을계산하여중력보정으로지반밑의물질을추정한다. 유전으로추정되는곳이발견되면, 로봇은즉시드릴을이용하여지반을파고든다. 만약파고들던중센서에원유가인식되면즉시 GPS를이용하여위성에신호를보내고, 위성이전달한신호를받으면그위치에시추선을보낸다. 만약유전을발견하지못했을경우, 끝까지활동하면연료탱크가비므로밀도차에의하여자동으로수면으로떠오르고, 센서에공기가인식되면 GPS를이용하여위치를전송하여다시수거한다

33 지구온난화에대처하는녹색연료 2 학년박, 전, 1 학년윤, 안 녹색연료란? - 녹색연료는흔히말하는바이오연료로써옥수수, 콩, 사탕수수같은작물로 만든휘발유나디젤을대체할수있는연료를말한다. 현재개발된녹색연료 - 현재녹색연료로개발되어생산하고있는것은옥수수와사탕수수등을증류해서만드는에탄올과콩기름, 폐식용유, 야자유등을이용해만드는바이오디젤이있다. 그중가장역사가깊은것은옥수수에탄올인데 100여년전포드가만든최초의승용차가바로이옥수수에탄올을이용했다. 물론그후화석연료의등장으로자취를감추기시작했지만 2000년도부터다시대기오염을줄이기위해휘발유첨가제로사용되기시작했다. 사탕수수에탄올은설탕대국인브라질이독자적으로개발한연료이다. 옥수수에탄올보다수득률이훨씬더높고이산화탄소배출량도적다. 또가격도더싸다. 콩과폐식용유를이용해만드는바이오디젤은우리나라에도잘알려져있다. 콩에서지방성분을추출해에테르화과정을거치면디젤엔진에바로넣어사용할수있는바이오디젤이될수있다. 옥수수를이용해에탄올을만드는과정

34 바이오디젤의원료인콩 현재녹색연료의문제점은? 에탄올의원료가되는사탕수수 - 녹색연료들은모두원료가이산화탄소를흡수해자라는식물이기때문에연소시내뿜는이산화탄소와균형을맞춰환경에아무해가없을것이라는생각을하게하지만현실은그렇지않다. 옥수수를재배하기위해마구뿌려대는농약과비료는토양을오염시키고알코올증류를위해불을이용하기때문에이산화탄소배출량이만만치않다. 또옥수수는중요한식량자원이기때문에녹색연료로만이용하다가는식량안보에문제점이생길수도있다. 지력을많이소모시키는옥수수재배로인해유효한농지감소라는 2차적인피해도무시할수없을것이다. 사탕수수알코올과콩으로만드는바이오디젤은옥수수보단덜하지만여전히문제점을안고있다. 사탕수수를재배하기위해산림을벌채하여결과적으로는이산화탄소자정능력을망가뜨리고, 사탕수수를수확하기위해넓은농장에불을지르는과정에서엄청난이산화탄소가발생한다는점이다. 또콩바이오디젤은단위면적당연료의수득률이너무낮은데다가생산단가가비싸화석연료와의경쟁이힘들다는문제점을안고있다. 마지막으로동남아시아의열대지방에서바이오디젤의원료로사용되는기름야자를재배하기위해농지를확보하는과정에서심한환경파괴가일어난다고한다. 농장을마련하기위해열대우림을벌목하고불로태우기때문에오랑우탄을비롯한수많은생물종들이터전을잃고있다

35 세가지주요녹색연료의상세비교 - 출처 : 내셔널지오그래픽 2007 년 10 월호 녹색연료의미래 - 현재까지녹색연료는식량안보를위협할수있다는점과작물이라는특성상키울수있는곳이한정되어있어석유못지않은편제성이문제점으로지적되었다. 그리고녹색연료라는이름에어울리지않게이산화탄소를배출하고환경을오염시키는 지저분한 생산과정도무시할수없다. 녹색연료가화석연료를완벽히대체할수있는미래의연료로자리잡기위해서는바로이문제점들을해결해야할것이다. 어느정도녹색연료가미래에나아갈길이보이고있다. 그첫번째주자는좀생소한이름의섬유소에탄올이다

36 1섬유소에탄올섬유소에탄올의원료는거의모든식물체, 심지어종이같은식물성폐기물도원료가될수있다. 제조방법은이들의주성분인섬유소를효소를통해포도당으로분해하여발효시키면섬유소에탄올을얻을수있다. 이방법은옥수수나사탕수수를이용해에탄올을만드는것보다훨씬더간단하고비용도적게들며원재료재배과정에서의환경오염도전혀없다. 제조과정도깨끗하다. 그리고가장큰강점은재료의다양성이다. 잡초부터쓰레기까지섬유소면모두가능하니잘만이용하면화석연료를전량수입에의존하고있는우리나라도에너지독립을이룰수있다. 한가지더좋은소식이있다. 섬유소에탄올은아프리카의벌판에서자라나는잡초로도에탄올을만들수있으니저개발국가들이이런섬유소에탄올생산에뛰어든다면자국경제를살리는것은물론, 전세계적인에너지위기에큰도움을줄수있을것이다. 섬유소에탄올에대한정보 2녹조류바이오디젤두번째주자는다름아닌녹조류이다. 녹조류가어떻게연료를생산하는가에대해의문점을가지고있는사람들이많지만녹조류를비롯한조류들은가장획기적인미래의에너지원으로주목받고있다. 생산방법은단순하다. 조류들을투명한비닐봉지에넣고물과이산화탄소, 햇빛만공급해준다면조류들은그대가로식물성기름을내놓게된다. 이기름들을채취해에스테르화과정을거치게되면식물성기름이바이오디젤로재탄생하게되는것이다. 생산성에있어서도다른녹색연료들과엄청난차이를보인다. 콩이 1ha당 560L의바이오디젤을, 옥수수가 1ha당 미국피닉스의녹조류배양시설 2500L 의에탄올을만드는데비해녹조는 1ha 당 4 만 5000L 의바이오디젤을만들

37 어낸다. 게다가녹조류는배양장치를 2층, 3층으로쌓을수있기때문에그양은더늘어날수도있을것이다. 녹조배양은기술이나환경조건등별다른필요조건이없기때문에미래에는사막한가운데녹조류배양튜브를주렁주렁매단연료생산소가나타나고가정집의베란다, 앞마당에녹조류튜브가매달려있을지도모른다. 더많은연구를통해화석연료를완벽히대체하고지구온난화문제를해결해줄밝은녹색연료의앞날을기대해본다

38 바이오디젤 (Bio Diesel) 1 학년최, 김 1. 바이오디젤이란식물이나동물에있는지방성분을경유와비슷한물성을갖도록가공하여경유를대체하거나경유에혼합하여디젤엔진에사용할수있도록만든대체에너지를 바이오디젤 이라한다. 다시말해바이오디젤은석탄과, 석유즉화석연료의사용을대체하기위해서만들어진대체에너지로일반적으로식물성유지 ( 쌀겨, 폐식용유, 대두유, 유채유등 ) 와알코올을반응시켜만든지방산메틸에스테르를말하며순도가 95% 이상인것을말한다. 화학적으로바이오디젤은긴지방산고리를가진단일알킬에스터혼합물이다. 본래기름을원하는에스터로전환하고, 자유지방산을제거하기위해지질에스터교환반응이이용된다. 이런과정을거치면, 바이오디젤은경유와매우비슷한연소특성을가지기때문에, 현재사용되는대부분의경우에경유를대체할수있다. [ 그림 35] 바이오디젤의반응과정 2. 바이오디젤의분자구조바이오디젤은탄소수 C14~C24개의탄화수소사슬을가지는메틸에스테르물질로써, 경유 (C10~C21) 와비슷한탄화수소사슬을가지고있으나산소를포함한형태의분자구조를지니고있다. [ 그림 36] 바이오디젤의분자구조 3. 바이오디젤제조과정

39 [ 그림 37] 바이오디젤제조과정 ( 왼쪽 오른쪽 ) 4. 바이오디젤의장단점 (1) 바이오디젤의장점바이오디젤을사용할경우대기독성물질과발암물질이적고매연, 탄수화물입자의배기량이적으며황산화물과입자상물질 (PM) 배출가능성이거의없다. 또한이산화탄소배출을줄일수있으며연료내산소함유로완전연소가가능하다. SO2, CO 및방향족탄화수소 (aromatic hydrocarbon) 를포함하고있지않고환경적으로안정한생물분해성을가진다. 즉바이오디젤은미생물분해되며, 독성이없다. 그리고연료로서연소될때독성이나기타배출물이현저하게적다. 덧붙여바이오디젤의인화점은약 150 인데이는 64 인경유에비해불이잘붙지않고 -45 인화점의폭발하기쉬운휘발유에비해안정적이며충분히높은온도에도달했을경우에는불이잘붙으므로순수바이오디젤을연료로사용하는차량은사고가날위험이매우적다. [ 그림 38] 바이오디젤의환경적이점 ( 미국NREL/TP_580_24772) (2) 바이오디젤의단점바이오디젤이기존의경유나휘발유를대체하기에는여러가지문제점을가진다. 자동차배출가스의유해물질저감을위해서는바이오디젤의배합비율이높아져야

40 하는데바이오디젤은엔진을부식시키는특성이있어서엔진의고장을유발할수있으며, 오래저장하는경우변질되는문제가있다. 또한바이오디젤을생산하기위해서는많은양의식물자원이필요한데이를재배하기위한토지를확보하기어렵고, 기후변화에따라생산량의변동이있어가격의안정성을확보하기어렵다는등사용량을늘리는데한계가예상된다. 게다가바이오디젤의동결점이경유보다높아서 ( 약 -5 ) 추운기후에서순수한형태로사용하는데제약이따르고 5 이하에서는유동성이떨어져연료공급이원활하지못하다. 이러한이유로 100% 의바이오디젤 (BD100) 을사용하는것보다경유와혼합하여사용하는경우가대다수이다. * 미세조류 미세조류 미세조류를통해서바이오디젤을만들경우, 육상바이오연료자원에비해 1% 수준의비중을가지지만, 광합성과정에서 1kg 당 1.8kg의이산화탄소를소비하며, 다른바이오연로의 2배정도를소비하여, 옥수수와같은식물들을바이오디젤연료로사용하지않기때문에, 식량문제또한해결이될듯하다. 그리고단위면적당에너지생산량또한좋은대체에너지의요인에포함되는데, 미세조류는 1ha당생성되는에너지양은현재대중화되어있는태양광의다음으로높고, 다른바이오연료에비하여, 10~200배가량많은양을생성하는것으로알려져있다. 그러나미세조류로생성한바이오연료는리터당 3500원으로상용화되기위해서는미세조류에대한연구가필요하다. 실제 2002년부터바이오디젤에관한연구가지속되었으며, 기하급수적으로증가하고있다. 연구원들의말에의하면 2015년이내로리터당 2500원이내로감소할것이라고예상하고있다

41 바이오매스에너지와 미생물전지에대한조사 1 학년김, 신, 노 Ⅰ. 바이오매스에너지 1. 개요 1) 바이오매스란? 어느시점에임의의공간내에존재하는특정생물체의양을중량또는에너지양으로나타낸것으로써, 생물량, 생물체량과동의어이다. 즉바이오매스에너지란이러한바이오매스를사용하여만드는에너지라고할수있다. 2) 활용방법 생물체를열분해시키거나발효시켜메테인 에탄올 수소와같은연료, 즉바이오매 스에너지를채취하여사용한다. 3) 장점가 ) 무의미하게버려지는바이오매스폐기물을효율적으로처리할수있다. 나 ) 여태껏동식물이저장해놓은이산화탄소를사용하기때문에연소시에외부로새로운이산화탄소가유출되는것이아니다. 따라서타연료에비해친환경적이다. 다 ) 연간생산되는바이오매스가석유의전체매장량과맞먹어연료가고갈될염려가없다. 4) 셀룰로오스를이용한바이오매스에너지가 ) 가장일반적이나획기적인바이오매스활용법으로써, 셀룰로오스를급속촉매열분해시켜직접방향족화합물로전환하는방법이다. 나 ) 곧바로연료혼합물의재료로쓰거나알칸으로만들어가솔린으로바꿀수도있으며, 정제된셀룰로오스뿐만아니라장작, 사탕수수줄기, 옥수수, 여물등을연료로사용가능하다. 다 ) 기술적으로비효율적이기때문에더욱연구가필요하다

42 < 그림 1> 주요바이오에너지의종류및용도 2. 활용사례 1) 스위스가 ) 현재쓰레기의 1/4인유기폐기물을따로수거하여바이오가스충전소를운영하여자동차연료로사용하고있다. 나 ) 산업공장등에서나온유기폐기물의 70% 가농업분야에서재사용되어연간 2 천 5백만스위스프랑을절약중이다. 2) 브라질 사탕수수와카사바에서알코올을채취하여자동차연료로사용중이다. 3) 미국 미국은케르프라는거대한다시마를바다에서재배하여메테인을추출하는연구가 진행중이며, 상용화단계를앞두고있다. 4) 일본 2010 년까지 300 여개의바이오매스타운을건설했으며, 연간 5000 만엔가량을

43 절약하고있다. < 그림 2> 일본의바이오매스타운건설계획 Ⅱ. 미생물전지 1. 개요 1) 미생물전지란? 미생물이나효소의도움으로유기물의화학에너지가태양광에너지를전기에너지로연속변환하는시스템으로써보통의전지와같이전기에너지를축적하기만한것과는다르다. 2) 장점가 ) 기존의수소연료전지자동차의내연기관에비해효율이 2배정도좋고분진이나배출가스를발생시키지않는다. 나 ) 각종생활찌꺼기를소형발전기처럼전기를공급하는전지원료로사용할수있다. 다 ) 유기물로부터직접전기에너지를생산함으로써매우높은에너지회수율을가진다. 라 ) 열역학적으로폐수내유기물 1kg이가지는화학에너지를전기에너지로환산하면약 4kWh이며, 만약유기물의잠재에너지가 100% 전기에너지로전환될경우

44 기존하 폐수처리장유지운영비의약 3배에달하는에너지가생산되는효과를가진다. 마 ) 혐기성미생물을활용한기술로미생물의신진대사과정에서발생하는전자를회수하기때문에슬러지 ( 찌꺼기 ) 발생량도상당량이저감될수있다. 3) 단점가 ) 촉매로백금이사용되기때문에연료전지가격이비싸고, 연료로공급해야하는수소또한대량공급이어렵고가격이비싸경제적이지못하다. 나 ) 현재에너지변환수율면에서 30% 정도는달성되었지만오랜시간에너지변환이지속되지못한다. 4) 종류 가 ) 습식전지 : 미생물이나효소수용액에전극을직접담금. 나 ) 건식전지 : 미생물이나효소반응으로생성되는기체를이용. < 그림 3> 습식미생물전지의작동메커니즘

45 2. 활용사례 1) 시설에의적용미생물전지의전력생산과찌꺼기분해효과도이용한폐수처리시설. 슬러지를 70% 가량줄일수있어각광받고있다. 또한순수한물을얻을수있다는점을활용, 전력생산과더불어정수시설도만들고있다. 2) 활용가능성 아직까지실용화되지않아구체적인사례는크게눈에띄지않으나, 에너지생산 효율이높고여러가지부가효과가커각국에서앞다투어연구중이다

46 종이를이용한바이오에탄올의제조와종이의종류에따른수득률의비교 연구자 : 김, 장, 최, 김 요약 (Abstract) 화석연료의고갈과환경에대한인식이대두됨에따라, 전세계적으로대체에너지에관한연구가활발하게이뤄지고있다. 그중양산화될가능성이가장높은것이바로바이오에탄올과바이오디젤이나, 바이오에탄올의경우기존의식량을소모하여만든다는점에서윤리성, 효율성의문제를가지고있다. 그래서우리는버려지는종이를이용한바이오에탄올의새로운제조법을고안하였다. 새로운제조법을요약하자면, 종이의주성분인셀룰로오스를셀룰라아제로분해하고, 생성된단당류를효모를이용하여알콜발효시키는것이다. 또일상생활에서흔히볼수있는 A4지 ( 복사용지 ), 휴지, 신문지, 공책으로실험을수행하여같은질량당나온에탄올의부피를측정하여각각의수득률을서로비교해보았다. 결과는 A4, 노트, 휴지, 신문지의순서였고, 이로부터우리는각종이의셀룰로오스함량이얻어진바이오에탄올의양과밀접할것이라는결론을얻었다. 그리고새제조법의수득률을높이기위한방안을추가적으로생각해보는계기를가지게되었다. 정보화시대에돌입함에따라, 전문가들은종이의사용이줄어들것이라고예상했으나, 실제로는더많은출력물과정보의순환이많아짐에따라오히려종이의수요가폭발적으로증가하였다. 종이의재료는거의대부분나무로구성되며, 그이외에표백제와같은첨가물을넣거나코팅을하기도한다. 종이는나무로부터얻은식물의섬유를물에풀어평평하면서얇게서로엉기도록하여물을빼고말려서생산한다. 따라서산림의파괴는종이의사용량과비례한다. 일부제지회사는종이를만들기위해잘라낸만큼나무를새로심는방법으로자연을보호한다고주장하지만, 잘라낸만큼나무가자라기위해서는수십년이상의시간이필요하다

47 그러나종이는생활과교육등다양한분야에서널리, 또밀접하게사용되고있으므로무턱대고종이의사용을규제할수도없다. 또가장흔하게사용되고, 가장흔하게버려지기도한다. 종이를모아재활용지, 휴지를만들기도하지만, 버려지는양을무시할수없을정도이다. 따라서이를활용할다른대책이필요하다. 여기서종이를이용한바이오에탄올의생산을생각해볼수있다. 종이는가공과정에서목질의리그닌성분등을제외하면셀룰로오스를고순도로정제한것이다 ( 고급생명과학에도같은내용의문구가있다 ). 따라서버려지는종이를이용하여바이오에탄올을만들수있을것이라고생각할수있고, 만약이것이가능해진다면목질성에탄올을만들기위해힘들게식물이나켈프에서셀룰로오스를얻어내는복잡한가공과정을생략하고이미한차례가공이이루어진종이에서쉽게바이오에탄올을뽑아낼수있다. 또한종이를이용하게된다면도시에서다시도시로활용되는것이므로물류운송과정을최소화하여운송과정에서생기는이산화탄소발생량도감소시킬수있다. 2. 연구목적 종이를이용하여새로운바이오에탄올의제조법을고안해보고, 다양한종이로실험 을진행하여각각의수득률을비교해본다. 바이오에탄올은식물성다당류를분해하여생산한에탄올로, 바이오디젤과함께화석연료가고갈되어가는현시점에서가장우수한대체연료로각광받고있다. 바이오에탄올은만드는재료에따라전분성에탄올 (starchy bio-ethanol) 과목질성에탄올 (cellulosic bio-ethanol) 로구분하는데, 전분성에탄올은원료물질의가공이쉬운반면목질성에탄올은여러가지물질이복합적으로얽혀있는식물의단단한구조를파괴해야하기때문에비교적만들기가어렵다. 그러나전분성에탄올의경우식량을사용하기때문에식량에대한윤리성과효율성의문제를가지고있다. 따라서현재는목질성에탄올의개발에비중이쏠리고있다. 두방법의기본원리는같은데, 다당류를분해하여단당류로만든후발효를거쳐에탄올을얻는것이다

48 종이는식물의섬유를물에풀어평평하면서얇게서로엉기도록하여물을빼고말린것이다. 그러나종이의종류에는순수식물성성분외에도양의가죽으로만든양피지, 레이온이나합성섬유로만든것도종이로분류하기도한다. 우리가주로쓰고있는양지의주원료는목재펄프이고, 목재펄프는셀룰로오스섬유의집합체이다. 그리고한지는닥나무, 삼, 마등의인피섬유를이용하여만든다. 두종이모두대부분셀룰로오스로구성되어있다. 셀룰로오스 (1-4)-β-글리코시드결합을가수분해하는효소이다. 섬유소분해효소라고도한다. 곰팡이류, 토양세균, 효모, 연체동물, 고등동물에존재한다. 셀룰로오스자원에서셀룰라아제를이용하는글루코오스의생산, 알코올의생산이시도되고있다. 셀룰로오스에대한작용메커니즘은동일하지않고, 동일생물이생성하는셀룰라아제에도몇가지종류가있다. 처음에는크게분해하는셀룰라아제가작용하여어느정도셀룰로오스의분자를짧게하면, 또다른셀룰라아제가작용하여올리고당 ( 糖 ) 이나글루코오스를생기게하는것과같이서로협력하여작용한다. 곰팡이와세균등에서는균체밖으로셀룰라아제를분비하여외계의셀룰로오스를분해하여몸안으로흡수하고, 달팽이와같은연체동물에서는소화효소로작용한다. 반추동물은장 ( 腸 ) 속에있는세균의셀룰라아제에의해셀룰로오스를소화시킨다. 4. 알코올발효미생물에의한탄수화물의무산소적분해의일종으로, 당또는다당류에서최종적으로에탄올과이산화탄소를생성한다. 그반응식은다음과같다. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 이러한작용을갖는미생물로서가장잘알려져있는것은효모이다. 발효는무산소환경에서세포가해당과정을계속진행시켜 ATP를합성하기위하여 NAD를계속만들어내는과정이다. 발효는최종산물의종류로구분하는데, 알코올발효 ( 아세트산균의경우아세트산발효 ), 젖산발효등이있다

49 각각다른종이 (A4지, 휴지, 신문지, 노트 ), 셀룰라아제 (1병), 12g 효모 ( 이스트 ) 4봉지, 종이파쇄기, 핫플레이트, 전자저울, 당도측정기, 2L 비커 4개, 1L 병 6개, 유리막대 4개, 약숫가락 4개, 물, 분별증류장치 ( 리비히냉각기등 ), 100mL 비커 4개, 100mL 메스실린더 1개, 피펫등 1 각각종이를잘게잘라서 100g을재고, 2L 비커에넣은후눈금이 2L에올때까지물을붓는다. 2 비커를핫플레이트위에올린후, 1~2시간가열하며적당히물에풀어질때까지저어준다.( 종이의셀룰로오스를풀어주는역할 ) 3 비커를식힌후, 셀룰라아제를넣어잘저어준다 (2일). 4 각비커에효모를 12g씩넣은후골고루섞어주고, 밀봉하여발효가어느정도일어날때까지관찰하며기록한다.( 발효가일어난것은종이가분해되어모두물위에뜰때까지를기준으로한다 )(5일). 5 밀봉을뜯고종이부분을모두건져낸후, 남아있는액체의부피를재고 400mL 씩덜어낸다. 6 분별증류장치를이용하여각용액의 400mL 속에들어있는에탄올의양을구한다. 7 전체용액의비에구한값을곱하여각종이마다얻어진에탄올의양을추정한다. [ 그래프 1] 셀룰라아제 2 일반응시킨후당도측정결과

50 당도 당도 A4 휴지신문지노트 <A4: 2.7, 휴지 : 1.2, 신문지 : 1.0, 노트 : 1.4( 단위 :Brix)> [ 그래프 2] 얻어진총용액의양 얻어진용액의부피 A4 휴지신문지노트 용액의부피 <A4: 1.6L, 휴지 : 0.6L, 신문지 : 0.55L, 노트 : 1.4L> [ 그래프 3] 400mL 당에탄올의양 <A4: 11mL, 휴지 : 8mL, 신문지 : 8.5mL, 노트 : 10mL>

51 [ 그래프 4] 추정된전체에탄올의양 총에탄올의양 ( 추정 ) A4 휴지신문지노트 총에탄올 <A4: 44mL, 휴지 : 12mL, 신문지 : mL, 노트 : 35mL> 가. 효모의발효효모로발효시키며며칠을관찰해본결과, 3일째까지도특별한외형적변화나특징이없다가, 4,5일정도지난후액체부분의색이크게짙어지며종이부분이모두위로떠오르고, 심한악취를유발하였다. 액체를모두덜어내고보니효모가엄청나게증식하여바닥에모여있는것을관찰할수있었다. 나. 셀룰라아제를이용한분해 A4와노트의경우넓은면에서는코팅때문에큰변화는보이지않았고, 잘린단면쪽모서리는조금씩분해가일어나면서물에풀어지는듯한변화가관찰되었다. 휴지와신문지의경우에는물에풀어진형태였기때문에외형적변화를관찰할수는없었고, 대신일정하게흔들어보면서흔들리는정도, 빛을쪼여보아투과되는정도를비교하여분해된정도를유추하였다. 다. 종이의특성에대한차이대체로 A4와노트, 휴지와신문지의성질이비슷하였다. A4와휴지의경우셀룰라아제를넣어분해한결과작은가닥이완전히분해되지는않고표면과모서리부분이상당히분해된모습이보였다. 또휴지와신문지는물에바로풀어졌다. 같은이유로발효시킨것에서종이를분리해내는과정에서 A4와노트는깔끔하게분리가이루어졌지만, 휴지와신문지의경우에는적셔져있는부분을짜내고도흡수하고있는부분이있어서용액의손실이상당하였다

52 종이는바이오에탄올의재료로실제로사용할수있었다. 실제로실험한결과모두어느정도의바이오에탄올을얻을수있었다. 그러나각종이에따라얻어진바이오에탄올의양은상당히차이가났고, 효모발효가일어난용액자체도양이많이차이가났다. 우리는그이유를종이의특성에따라많은영향을받는것이라고생각한다. 400mL당에탄올의양이차이가난이유는각종이의셀룰로오스함량의차이라고생각할수있다. 기본적으로 A4지와노트는모두펄프에서만든 1차가공된종이이고, 휴지와신문지의경우에는한번쓴종이로다시만든재생지이다. 우리는종이에서재생지를만드는과정에서거치는처리에서셀룰로오스외의성분이첨가되거나, 셀룰로오스자체를파괴하는과정이있을것이라고생각하였다. 그리고전체발효용액의양이차이가난이유는다음과같다. 우선 A4지와노트의경우, 이것들은겉의코팅과같은처리때문에반응이천천히일어나는모습이보였고, 종이자체가물을잘흡수하지않았다. 그러나휴지나신문지의경우, 물을상당히많이흡수하였다. 실험을진행하면서몇번씩짜고걸러냈지만, 휴지와신문지는기초적으로물에젖으면어느정도를흡수하고있어서용액의양이 A4나노트에비해현저히작았다. 관찰된결과는모두비슷하였다. 측정된당도의크기비교, 팽창정도비교, 생성된에탄올의양비교모두같은순서인 A4> 노트 > 휴지 > 신문지순서를나타냈다. 따라서실험과정에따른변화는거의없었다고볼수있고, 결과의차이는종이가많은부분에관여한다는것을알수있었다. 그리고종이로에탄올을만드는과정에서수득률을높이기위한개선점을생각해보았다. 1 분쇄기대신종이를더잘게나눌수있는장치를이용하여셀룰라아제와접촉하는표면적을넓힌다. 2 셀룰라아제와효모의최대활성조건을조사하여최적조건을맞춘다. 3 셀룰라아제로분해를끝낸후불순물을한번걸러내는과정을추가한다. 4 증류과정을여러번거쳐순도높은에탄올을얻는다. 5 산이나염기와같은화학약품을이용하여분해시킨다. 또조사하던도중산림청에서물 (Water) 을이용한 초임계분해법 을사용해서비교적대량의목질계바이오매스를짧은시간안에쉽게분해시키는기술을개발했고, 이방법으로생산한당화액을가지고기능이강화된미생물을이용해바이오에탄올로변환시키는연구가진행되고있다는것도찾을수있었다

53 김 : 셀룰로오스로바이오에탄올을만든다면종이로는엄청난양이나오지않을까? 라는나의엉뚱한생각이엄청난결과를불러오게되었다. 너무빠른기간에정신없이준비하다보니조금놓친부분도없지않아있지만이번실험을진행하며실수나미숙했던점을알수있었고, 또시간을많이썼지만그대신어떻게실험을짜고수행해야하는지, 어떤기구를선택하고장소와물건들을준비하는지, 어떻게보고서를써야하는지등전반적인것들에대해많이배운것같다. 수행평가로만하던실험을스스로계획하고참여하며결론을내는과정에서전에느끼지못했던특별한기분을느낄수있었다. 나의부족함에도기꺼이나의말을따라주고도와준조원들에게감사하고, 특히효모발효의독한냄새를함께이겨낸 이에게특히고맙다고전하고싶다. 장 : 평소에생물학과관련해서에너지생산에대해서생각해본적은얼마되지않았다. 그래서이번실험을기획하고실험을하면서더흥미로웠는지도모르겠다. 실험을할때예상치못했던효모의독한냄새때문에마스크와방독면을써가면서까지열심히실험을수행한,, 이에게정말고맙다는말을하고싶다. 또사탕수수같은여러식물들을이용해서에탄올을제작하는것은알았지만종이를이용한다는생각을해보지않았는데이번기회에정말로종이를통해서도에탄올이만들어지고, 소각될위기에처했던폐지들을다시재활용해청정에너지로만들수있다는사실을알수있었다. 정말의미있는실험활동이었다. 최 : 폐종이를이용한바이오에탄올을탐구하는데있어서실험방법을구상하는것은그리어렵지않았다. 하지만생각외로혼합물을묽은상태로만드는과정에서긴시간이소요되었다. 실험과정을설계할때, 각각의실험방법에대해자세하게검토하지못한채실험을진행한것에대해되돌아보아야할것이다. 비록모든것이완벽하게준비된실험은아니었지만, 동아리에서처음이루어진실험이라배울것도많았다. 전에는사용할기회가거의없었던핫플레이트, 당도측정기등의실험기구의조작방법을알고스스로사용해볼수있었다. 또한실험이끝난후실험과정에서부족했던점을끌어내서보완할방법에대해생각해볼수있었다. 나는조원스스로실험의처음부터끝까지모든것을설계하는데익숙하지않고조금의힘든점이있었지만, 옆에서실험을하는데중심축이되어주었던김준희, 장 선배한테감사하다는말을전한다. 김 : 평상시에다쓴공책또는폐휴지등을그냥버렸었는데폐종이를통한바이오에탄올실험을하면서 평상시별볼일없었던종이로이렇게연료가될수있구나 라는값진경험을얻게된것같다. 물론실험중에는직접종이를뜯고끓이고발효시키는과정에서육체적고통을얻었고, 바이오에탄올냄새가멘탈에신

54 선한충격을주었지만재미있는실험이엇던것같다. 그리고우리가만든바이오에탄올을사용시얻을수있는에너지의양을확인해보고싶고, 전처리과정의시간을좀더절약할수있는방법에대해서연구를해보고싶다.( 물론공장에서만들면금방금방만들겠죠!) [1] 네이버백과사전 [2] 고급생명과학 [3] 생명과학 ( 캠밸 ) [4] 산림청

55 폐식용유를이용한바이오디젤제조과정에서염기의종류에따른바이오디젤의연소효율비교 연구자 : 이, 공, 김, 고 요약 (Abstract) 본연구에서는바이오에탄올과함께대표적바이오에너지인바이오디젤에대해탐구했다. 폐식용유에간단한처리를하면바이오디젤을만들수있는데, 기존에사용되던수산화나트륨외의염기를사용해서바이오디젤을만들고, 만들어진바이오디젤의연소효율을비교함으로써어떤염기가바이오디젤제조에적합한지를판단하였다. 탄산수소나트륨과수산화칼슘을사용한경우용해도가낮아바이오디젤이완전히분리되지않았으며, 일부분리한바이오디젤은불이자주꺼지는등불안정한연소양상을보였다. 수산화나트륨과수산화칼륨을사용한경우에는바이오디젤층이깨끗하게분리되었으며, 연소실험시모두안정적으로연소하였다. 하지만수산화나트륨을사용한경우불완전연소로그을음이생겨수산화칼륨을사용한경우에비해순도가낮은것으로판단되었다. 이에폐식용유를이용한바이오디젤의제조에는수산화칼륨이적합하다는결론을내렸다. 최근들어화석연료가고갈될시점이다가옴에따라대체에너지에대한관심이증가하고있다. 화석연료를대체할수단으로재생이가능한수력발전, 풍력발전, 태양열발전등의대체에너지의연구가이루어지고있다. 우리는이중에서도이산화탄소의과잉배출로인한탄소순환의불균형과지구온난화라는부작용을해소하며화석연료고갈이라는에너지위기를극복할수있는바이오에너지에대해관심을가지게되었다

56 바이오에너지중하나인바이오디젤은가정에서나오는폐식용유에간단한처리를해서만들어볼수있다. 기존에알려진방법의경우제작과정에서수산화나트륨 ( ) 을이용한다. 우리는바이오디젤의제작과정에서꼭수산화나트륨을사용해야하는가에대하여의문을가졌고, 쉽게구할수있는다른염기들을이용할수는없을지알아보기로하였다. 그리고만들어진바이오디젤의효율은연소효율로비교하기로하였다. 2. 연구목적 바이오디젤의제작과정에이용되는염기의종류에따른바이오디젤의연소효율 을비교한다. 바이오매스 (biomass) 란어느시점에임의의공간내에존재하는특정생물체의양을중량또는에너지량으로나타낸것으로생물량, 생물체량이라고도한다. 생태학적의미에서는태양에너지로부터생산된풀, 나무줄기, 뿌리, 잎등의식물과이를먹고살아가는미생물및동물을포함하는생물계유기체를말하며석탄, 석유와같은화석연료를포함하지않는다. 지구상에서 1년간생산되는바이오매스는석유의전체매장량과맞먹기때문에적절하게이용하면고갈될염려가없는이점이있다. 바이오에너지 (bioenergy) 는이러한바이오매스로부터회수할수있는모든에너지를뜻한다. 우리조상들은곡식을재배하고남은부산물인왕겨, 볏짚, 줄기등을태워서중요한열원으로사용하였고식물기름을짜서호롱불을밝혔다. 이것은원시적인바이오에너지의좋은예지만사용이매우불편하다는단점이있었다. 최근에와서야저장과수송이편리한액체나가스형태의바이오에너지를대량으로생산하고자하는노력이진행되고있다. 그대표적인예로사탕수수, 사탕무, 옥수수, 카사바등과같은당분계열작물을발효시켜생산할수있는바이오에탄올 (bio-ethanol) 과야자, 콩, 유채, 해바라기등과같은유지작물로부터생산할수있는바이오디젤 (bio-diesel) 등이있다. 이러한연료가액체연료에해당되며바이오연료 (bio-fuel) 라고도불린다. 일부에서는바이오연료가보급단계에있으나원료작물을생산하기위한농지가많이소요되고경작지를개간하기위한토양침식, 생태계파괴는오히려바이오에너지의가치보다많은희생을요구할뿐만아니라식량부족문제와대립된다는문제점을노출하기도한다. 액체형태의바이오연료이외에도바이오매스로부터수소와메탄과같은열량이높은가스형태의에너지원을회수할수있는데

57 이를바이오가스 (bio-gas) 라고한다. 바이오에너지는무엇보다지구온난화의주범인이산화탄소의양을증가시키지않기때문에친환경적이다. 물론바이오에너지의사용은이산화탄소를배출한다. 그렇지만그양은바이오매스가만들어질때공기로부터흡수된이산화탄소의양과같다. 예를들어바이오매스로사탕수수를이용한다고할때, 사탕수수로부터생산된연료를사용할때에는사탕수수가성장하면서광합성작용을위해흡수한이산화탄소의양만큼만배출하게되는것이다. 그러나사탕수수가다시자라면서같은양의이산화탄소를다시흡수하기때문에화석연료처럼이산화탄소를추가적으로배출하는것이아니라지구상에서일어나는거대한탄소순환 (carbon cycle) 의일부가된다. 즉이산화탄소가담당하는탄소순환의속도가빨라지는것이지그양이증가하는것이아니라고할수있다. 그래서바이오에너지는친환경적인에너지로인정받고있으며지구온난화가스의배출량을규제하기로한 ' 교토의정서 ' 에서도바이오에너지사용에의한이산화탄소의배출량은제외하기로합의하였다. 또한우리의생활이나그주변에서필수적으로발생되지만처리하기어려운유기성폐수, 음식물쓰레기, 농수산쓰레기및축산분뇨등도바이오에너지를회수할수있는좋은바이오매스가된다. 따라서골칫거리였던오염원들을처리함으로써환경보호와에너지생산의효과를기대할수있다. 바이오에너지를생산하기위해서는효과적인생물기술이필요하다. 바이오메스는열처리, 화학적처리또는생물학적처리등에의해서바이오에너지로전환될수있는데가장경제적인방법은생물학적인방법이다. 즉생물학적인방법이생물기술이며이는우리의생활주변과자연생태계의보이지않는곳에서묵묵히분해자역할을수행해온미생물을이용하는것으로앞으로는이미생물이새로운에너지생산자역할도함께담당하게될것이다. 바이오에탄올 (bio-ethanol) 은식물성다당류를이용하여제조된에탄올로, 원료로쓰이는식물성다당류의형태에따라전분성에탄올 (starchy bio-ethanol) 그리고섬유소에탄올 (cellulosic bio-ethanol) 로분류되며, 현재주로생산되는것은전분성에탄올이나식량문제로인해최근들어섬유소에탄올개발을위해연구가진행되고있다. 녹말또는셀룰로오스형태의다당류를단위체인포도당으로분해하고, 알코올발효과정을통해에탄올을얻는데, 이렇게얻어진에탄올은휘발유대용으로사용될수있다. 현재대표적으로이용되는원료는사탕수수, 옥수수등의녹말작물이다. 가장널리이용되는것이사탕수수인데, 사탕수수가많이생산되는브라질에서는차량의 70% 정도가바이오에탄올을연료첨가제로사용할만큼일반화되었다고한다. 바이오에탄올은환경오염물질이발생하지않고, 식물로부터얻는연료이므로재생이가능하다. 특히연소시유해물질이발생하지않아, 실제로바이오에탄올을차량연

58 료에첨가제로사용할경우일산화탄소배출량이대폭감소하는것이확인되었다. 그러나실제로바이오에탄올을사용하기위해서는경제적, 기술적인문제가선행돼야한다. 고유가상황이지속되면바이오에탄올이가격경쟁력이있을것으로예상되지만, 바이오에탄올자체의수요증가등에따른가격불안정성문제가있고, 우리나라의경우거의전량을수입에의존해야한다는문제가있다. 또한자동차연료로사용할경우현행휘발유자동차에 E10( 에탄올 10% 혼합휘발유 ) 까지사용하는데는큰문제가없으나, 에탄올혼합휘발유는일정량이상의수분이유입되면휘발유와에탄올의분리현상이발생하여연료로사용이불가능하다는문제가있다. 바이오디젤 (bio-diesel) 은석유기반인경유의대안으로식물성기름이나동물성지방과같이재생가능한자원을바탕으로제조된다. 화학적으로바이오디젤은긴지방산고리를가진단일알킬에스터혼합물이다. 원래의기름을원하는에스터로전환하고, 자유지방산을제거하기위해지질에스터교환반응이이용된다. 이런과정을거쳐만들어진바이오디젤은비방향족식물성기름과는달리경유와매우비슷한연소특성을가진다. 따라서현재경유가사용되는대부분의경우에바이오디젤로대체할수있다. 그러나현재에는순수초저유황연료의낮은윤활성을향상시키기위해바이오디젤을경유와섞어쓰는경우가많다. 바이오디젤은재생가능한연로로서현재의엔진기름을대체할수있고기존의시설을통해운반, 판매가가능하기때문에가장중요한교통에너지자원인화석연료의유력한대안으로꼽히고있다. 바이오디젤의생산과사용은특히유럽과미국, 아시아에서급격히증가하고있지만, 전체연료시장에서차지하는비율은아직미미하다. 바이오디젤을취급하는주유소가늘어나면서소비자가접할수있는기회가많아졌고, 대형선박의연료에바이오디젤을혼합하는경우가늘어나고있다. 실제로대한민국에서는 2006년 7월 1일부터일반경유에 5% 의바이오디젤이섞인혼합경유를판매하고있고, 독일과이탈리아에서는 2006년에도심버스, 대형트럭에모두 100% 바이오디젤을사용하도록의무화하고있다. 150 의인화점을가진바이오디젤은 64 의인화점을가진경유에비해불이잘붙지않지만 -45 의인화점을가져폭발하기쉬운휘발유보다는안정적이다. 실제로바이오디젤은미국산업안전보건청 (OSHA) 이비가연성액체로분류하고있다. 또한바이오디젤이충분히높은온도가되면불이붙기때문에순수바이오디젤을연료로쓰는차량은사고에더안전하다. 하지만바이오디젤의동결점은약 -5 로경유보다높아서추운기후에서순수한형태로사용하는데제약이있다. 또한 5 이하에서는유동성이떨어져연료공급이원활하지못하다. 이러한이유로 100% 의바이오디젤 (BD100) 을사용하지않고경유와혼합하여사용하게된다. 경유와달리바이오디젤은미생물에의해분해되며독성이없다. 그리고연료로연소될때독성이나기타배출물이현저하게적다. 메틸에스터를제조하기위해서

59 는대개메탄올을사용하지만, 에틸에스터바이오디젤을제조하는데는에탄올도 사용할수있다. 에스터교환과정의부산물로글리세롤이생성된다. 폐식용유,,,,,, 교반기, 마그네틱바, 메스실린더, 분별깔때기, 전자저울, 비커, 감압여과장치, 약수저, 약포지, 튜브, 스포이드 1 감압여과장치를이용해폐식용유를걸러최대한맑은상태로만든다. 2 폐식용유 250ml, 50ml, 0.02mol을정량하여준비한다. 3 준비한 을비커에담아교반기에올리고교반한다. 4 에 를혼합한뒤교반한다. 5 과 가완전히섞이는순간혼합물을폐식용유에넣고 20~30분가량천천히교반한다.( 과 가혼합되면 가생성되는데, 두시약이완전히섞이는순간바로사용해야효율이높아진다.) 6 교반이끝나면혼합물을분별깔때기에넣어하루정도가라앉힌다. 7 혼합물은두층으로나뉘게되는데, 맑게뜬위층이바이오디젤이다. 가라앉은아래층은글리세린으로, 분리하여비누로이용할수있다. 8 아래층을분리해낸후위층의바이오디젤을비커에따로담는다. 9 1~8의과정에서사용한 를,, 의물질로바꾸어동일한실험을진행한다. [ 그림 47] 메탄올과염기 의교반 [ 그림 48] 폐식용유와 메탄올, 염기혼합액의 교반 [ 그림 49] 교반후두층 으로분리된혼합물

60 빈알코올램프 2개, 삼발이 2개, 구리냄비 2개, 메스실린더, 스탠드, 핀치클램프, 초시계, 은박지, 증류수,,,, 를이용한바이오디젤, 점화기, 온도계 1 빈알코올램프에각염기를이용한바이오디젤을각각 30ml씩넣고심지가충분히적셔질때까지기다린다. 2 구리냄비에각각증류수 200ml을담는다. 3 삼발이위에구리냄비를올리고온도계를스탠드의핀치클램프에고정시켜증류수에반쯤잠기도록장치하고, 은박지를이용해구리냄비의열린부분을덮는다. 4 바이오디젤이든알코올램프에불을붙이고구리냄비의정중앙에불이닿도록장치한다. 5 초시계로시간을재면서 1분마다각증류수의온도를기록한다. [ 표 1] 시간에따른증류수의온도변화 시간 ( 분 ) 시간 ( 분 ) 온도 ( ) 온도 ( ) 온도 ( ) 온도 ( )

61 [ 표 2] 시간에따른증류수의온도변화 시간 ( 분 ) 시간 ( 분 ) 온도 ( ) 온도 ( ) 온도 ( ) 온도 ( ) [ 그래프 1] 시간에따른증류수의온도변화

62 [ 그래프 2] 시간에따른증류수의온도변화 바이오디젤제조실험결과 [ 그림 4] 와같이 와 실험군은메탄올에대한각염기의낮은용해도때문인지바이오디젤의완전한분리가일어나지않았다. 연소실험결과 [ 표 2] 와 [ 그래프 2] 에서볼수있듯이 실험군의경우연소효율이좋지않았고, 실험군의경우는연소효율이좋은편이었다. 그러나두실험군은실험시작 20분만에실험을종료할정도로 와 실험군의경우에비해매우불안정한연소를하여바이오디젤제조에는적합하지않다고판단하였다. [ 표 1] 과 [ 그래프 1] 에서볼수있듯이, 바이오디젤제조에 를사용한경우와 를사용한경우의온도변화율에서뚜렷한차이는관찰되지않는다. 그러나 [ 그래프 1] 을보면 를사용한바이오디젤을이용해증류수를가열했을때 를사용한바이오디젤보다안정적인형태의가열곡선이나오는것을알수

63 있다. 이는 를사용한바이오디젤의불완전연소에기인하는것으로생각된다. [ 그림 6] 에서볼수있듯이, 를사용한바이오디젤의경우불완전연소하여그을음이만들어지는것을확인할수있다. 따라서우리는 를사용했을때제조되는바이오디젤의순도가높다고판단하였다. [ 그림 4] 바이오디젤이완전히분리되지않고바닥에침전물이남은 ( 좌 ) 와 ( 우 ) 실험군 [ 그림 5] 불완전연소로인한그을음이관찰되는 [ 그림 6] 그을음이관찰 실험군되지않는 실험군 폐식용유를이용한바이오디젤제조에서기존에사용되던수산화나트륨과이외 3가지염기를사용해보았다. 우선제조과정에서탄산수소나트륨과수산화칼륨은메탄올에대한용해도가매우낮아서바이오디젤이완전히분리되지않을뿐아니라매우불안정한연소를하여폐식용유를이용한바이오디젤의제조에적합하지않음을알수있었다. 수산화나트륨과수산화칼륨을이용한바이오디젤을연소시켰을때는눈에띄는연소효율의차이는관찰되지않았지만수산화나트륨을이용한바이오디젤의경우불완전연소로인한그을음이관찰되었고, 이로인해수산화칼륨을이용한바이오디젤보다불안정한형태의가열곡선이나타났다. 따라서우리는흔히알려진수산화나트륨을이용할때보다수산화칼륨을이용하는경우에순도높은바이오디젤을제조할수있다고결론지었다. [1] 네이버백과사전 [2] 네이버블로그

64 효모의발효조건과바이오에탄올수득의관계에대한연구 * Study on connection between condition of yeast's fermetation and Bio ethanol yield,,, Abstract 40, 이숫자는앞으로우리가석유자원을사용할수있는기간을의미한다. 현재석유는자동차, 공장, 조선등다양한산업분야에서사용되는에너지자원이다. 그러나 40년후면이는모두고갈된다고한다. 이처럼현재산업에서사용되는전반적인에너지자원은머지않아고갈될것이라고많은과학자는예측하고있다. 이를대비해전지구적으로대체에너지개발연구가활발히진행되고있다. 대체에너지중에하나로각광받고있는것이바로바이오연료이다. 본연구에서초점은둔부분은바이오연료중에서도바이오에탄올 (Bio ethanol) 분야이다. 바이오에탄올분야는가장기본적인단위중포도당을포함하는작물을이용하여미생물에서일어나는알코올발효를통해바이오에탄올을생성해내는것이다. 본연구는효모의발효조건과바이오에탄올의수득의관계를실험적, 생물정보학적으로분석하였다. 포도당, 설탕용액의발효를통하여단당류의발효량이이합체의발효량보다높았으며, 온도별로 0, 20, 40, 60 에서의발효와강산, 중성, 강염기에서의발효를통해앞으로개선된실험에서의온도및 ph조절에대한부분을제시하였다. 마지막으로효모가실제로산소공기의영향을받는다는것을알수있었다. 또한생물정보학적분석을통해바이오에탄올생산시작물의종류와농도, 온도, 기질의소모시간에대한연구가선행되어야한다는것을제시할것이다. 1. 연구의필요성및배경동아리활동중바이오에너지에대한탐구를하게되었다. 인류가당면한심각한문제는화석연료의과다사용으로인한고갈이다. 인류는화석연료를주에너지원으로사용하기때문에새로운에너지원, 자원을개발하는것이시급하다. 바이오연료는이러한문제를해결하기위해개발된기술이다. 바이오연료중바이오에탄올은미생물을사용 * 본연구는부산과학고등학교생물학동아리 minerba 에서조별연구로진행되었습니다

65 해당을발효시켜만드는것인데, 우리는이과정에서의효율성을증대시키는것을연 구하고자하였다. 1. 이론적배경 가. 세포호흡 그림 1. 세포의 ATP 생산경로 호흡이란유기물질연료를산화시켜에너지를얻는이화작용이며, 전체과정은다음과같이요약된다. C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 6CO H 2 O + ATP 세포호흡은크게해당, TCA cycle, 전자전달과화학삼투의세가지과정으로진행된다. 가장처음진행되는해당과정에서는 2분자의 ATP를얻으며, 또다른에너지는 NADH 로저장된다, 만약산소가존재하면이 NADH는산화적인산화로 ATP를만드는데사용될수있다. 이렇게해당과정에의하여분해된피루브산으로포도당은세포에따라세포호흡으로연결될수도있고발효로연결될수도있다. 만약산소가존재하게되어해당의다음과정인 TCA cycle 이미토콘드리아의내부구획에서진행되게되면, 피루브산은능동수송을통하여미토콘드리아에들어가 4분자의 NADH와 1분자의 FADH2 가생성된다. 마지막으로전자전달계는미토콘드리아의내막에서일어나게되며최종적으로전자수용체인산소가전자전달계에의해전자를받게되고이러한과정에서 ATP가발생하게된다. 결국기질수준인산화와산화적인산화과정을실행함으로써에너지를생산하게되는것이다. 나. 발효와부패 발효와부패는무산소호흡의결과이다. 대부분의생물들은산소를이용하여호흡 기질 (3 대영양소 ) 을분해함으로써에너지를얻는유산소호흡을하지만일부미생

66 물들은산소가없이도호흡기질을분해하여에너지를얻는데이를무산소호흡이라한다. 사실상발효와부패는무산소호흡이라는같은집합에속하지만과정의생산물이사람에게유익한경우에는발효, 해로운경우에는부패라고부른다. 발효에는젖산발효, 알코올발효, 아세트산발효등이있고, 부패는주로단백질과같은질소화합물을기질로할때일어난다. 이렇게단세포생물체가무기호흡을하는이유는유기호흡은많은에너지를얻을수있으나호흡과정이상당히복잡한반면에무기호흡은적은에너지를얻으나호흡과정이간단하여몸체가작아많은에너지가필요하지않는단세포생물에게적합하다. 다. 발효의종류발효의종류는크게아세트산발효, 알코올발효, 젖산발효의세가지로나뉘게되고명명기준은발효의생성물이다. 1) 아세트산발효에틸알코올을산화하여아세트산을생산하는반응이다. 에틸알코올은호기적으로알코올수소화효소에의해아세트알데히드가되고이어서알데히드탈수소화효소에의해아세트산이된다. 2) 젖산발효젖산발효는해당과정만을통해포도당을젖산 2분자와 ATP 2분자를생성해내는과정이다알코올발효와는달리 co2가생성되지않고, 심한근육운동을할때일어난다. 알코올발효는아래에서자세히언급하도록하겠다. 라. 알코올발효 그림 2. 알코올발효의과정

67 발효는해당과정은물론전자를 NADH로부터피루브산또는피루브산유도체로전달시켜 NAD + 를재생시키는반응으로구성되어있다. 기질수준의인산화로총 2분자의 ATP를생성하는해당과정에서 NAD + 는포도당을계속산화하기위해서재사용된다. 여러가지유형의발효가있는데피루브산에서형성되는최종생성물의종류에따라서구분된다. 알코올발효와젖산발효는흔히나타나는발효의유형들이다. 알코올발효 (alcohol fermentation) 에서피루브산은두단계를거쳐에탄올 ( 에틸알코올 ) 로전환된다. 첫번째단계는피루브산을이산화탄소와 2탄소화합물인아세트알데히드 (acetaldehyde) 로전환시키는것이다. 두번째단계에서아세트알데히드는 NADH에의하여에탄올로환원된다. 이것은해당과정이지속되기위해서필요한 NAD + 의공급을재생하는것이다. 많은세균은무산소조건에서알코올발효를수행한다. 수천년동안인간은맥주제조, 포도주제조, 제빵에효모를사용하여왔다. 2. 연구방법 가. 기질의선정 그림 3. 큐네발효관실험 다음실험을통해효모의발효과정은포도당을기질로한다는것을알수있다. 큐네발효관에포도당용액을넣은후마개로팽대부의구멍을막은뒤발효를시킨다. 발효가충분히진행되면수산화칼륨용액을가하는데이때, 발효를통해생성된기체가없어진다. 결론적으로포도당은효모의발효가효과적으로진행됨을알수있다. 그밖에수산화칼륨용액을가했을때기체가없어지는것으로보아발효를통해생성되는기체는이산화탄소이며, 마개를막고실험을했음에도불구하고발효가일어나는것은이과정에는산소가필요없다는것이라고해석할수있다. 나. 발효량분석방법초기고안했던실험은가장효과적으로결과를관찰할수있도록직접열을가해효모의발효량을측정하고자하였다. 하지만가열도중비커가파손되었다. 이후수정하여새롭게고안한실험은큐네발효관을사용하여설계하였다. 건조효모 5g

68 을 100mL 증류수에풀어효모액을만든뒤 5개의큐네발효관에각각 20mL씩넣는다. 이발효관에각조건에맞추어물질을투입시킨뒤마개로입구를막은후항온수조에넣고 15분동안발효시킨다. 다. 발효조건에따른분석방법여러가지조건에따라효모의발효량이어떻게변할것인지알기위해발효액의종류, 온도, ph, O 2 의유무이 4가지조건에따라실험을진행했다. 그림 4. 초기실험 방법 1) 발효액종류에따른발효량측정발효액종류에따른발효량을비교하기위해포도당용액, 설탕용액, 증류수이세가지를발효액으로이용하였다. 위에언급한것과같이제작한효모액에 1M농도포도당용액과 1M농도의설탕용액, 증류수를각각섞어큐네발효관 5개에투입시킨다. 다른조건은동일하게하여항온수조에서각각의발효액이첨가된효모액을 15분간발효시킨뒤생성된기체의부피를측정한다. 2) 온도에따른발효량측정온도에따른발효량을비교하기위해 0, 20, 40, 60 의온도조건에서실험을진행한다. 효모액이들어있는 5개의큐네발효관에 1M농도의포도당용액을섞는다. 0, 20, 40, 60 의각온도조건에서다른조건은동일하게하여항온수조에서효모액을 15분간발효시킨뒤생성된기체의부피를측정한다. 3) ph에따른발효량측정 ph에따른발효량을비교하기위해 ph1, ph7, ph11로산성도달리하여실험을진행한다. 효모액이들어있는 5개의큐네발효관에 1M농도의포도당용액을섞는다. ph를 ph1, ph7, ph11의세조건으로맞추기위해 ph1은염산을넣어산성상태를맞추고, ph7은증류수를넣어중성상태를맞추며, ph11은 NaOH 용액을넣어염기성상태를맞추어준다. 다른조건은동일하게하여항온수조에서효모액을 15분간발효시킨뒤생성된기체의부피를측정한다. 그림 5. 항온수조에서의 발효과정 4) O 2 유무에따른발효량측정

69 O 2 의유무에따른발효량을비교하기위해다음과같이실험하였다. 효모액이들어있는 5개의큐네발효관에 1M농도의포도당용액을섞는다. O 2 가없는조건을만들기위해발효관의입구를막고, O 2 가존재하는조건을맞추기위해발효관의입구를막지않는다. 다른조건은동일하게하여항온수조에서효모액을 15분간발효시킨뒤생성된기체의부피를측정한다. 그림 6. 실험재료 1. 발효액종류에따른발효량측정 ( 단위 : ml ) 1회 2회 3회 4회 5회 Ave 포도당 설탕 증류수 표 1. 발효액종류에따른발효량측정 CO 2 발생량 (ml) 실험 포도당 설탕 증류수 0 1 회 2 회 3 회 4 회 5 회 Ave 그래프 1. 발효액종류에따른발효량측정 포도당 1M용액, 설탕 1M용액, 증류수를 20ml에대한발효량을 5회측정하였다. 포도당은알코올발효에사용되는기본적인분자단위의기질로위실험에사용하였다. 설탕분자는포도당과과당의이합체로서이합체형성시알코올발효량이얼마나줄어들지알기위해실험하였다. 실험결과는효모의발효에있어설탕과포도당을기질로사용하였을때발효량에는각각 7과 8로큰차이를보이지않았으나포도당이조금더많은발효를하였다. 즉, 포도당이이합체형성시에발효량이줄어든다는것을알수있으며이뿐만아니라, 이후대량발효에서는최대한단당류로쪼개어서발효해야효율이높아진다는것을의미하고있다

70 2. 온도에따른알코올발효량측정 ( 단위 : ml ) 온도 ( ) 1회 2회 3회 4회 5회 Ave 표 2. 온도에따른알코올발효량측정 CO 2 실험 2 발생량 (ml) 회 2 회 3 회 4 회 5 회 Ave 그래프 2. 온도에따른알코올발효량측정 단백질의변성에있어서가장중요한것중하나는바로온도이다. 따라서위의실험에서는실제로효모가온도에어떠한영향을미치는지온도별로탐구하였다. 온도는총 0, 20, 40, 60 에서측정하였는데실험결과는 [ 표 2] 과 [ 그래프 2] 과같다. 먼저 0 와 20 에서는효모의활성이거의일어나지않아발효가되지않은것으로보인다. 그리고 40 와 60 에서는발효가많이일어나는것을알수있는데, 60 에서더욱높은발효량을보이고있고, 60 에서는단백질의변성이일어나발효량이줄어야한다. 그러나위실험에서 60 의발효량이많은것을보이는이유는항온수조에의한온도조절이다. 우리는실험시항온수조에넣고하였는데, 이는실제로효모를변성시키는것이아니라, 큐네발효관안의효모액의온도를높여주는역할을한다. 따라서 40 온도에서는효모액의온도는실제 40 보다작았을것이며, 60 에서는효모액의최적발효조건이되었을것이라고추정한다. 즉, 효모의최적온도에서는발효량이증가하는것을볼수있다. 그러나추가실험에서는실제효모액을용매가되는물의온도를조작변인으로하여실험해야한다는결론을얻을수있다. 3. ph 에따른알코올발효량측정 ( 단위 : ml )

71 ph 1회 2회 3회 4회 5회 Ave 표 3. ph에따른알코올발효량측정 CO2 실험 3 발생량 (ml) 회 2 회 3 회 4 회 5 회 Ave 그래프 3. ph 에따른알코올발효량측정 효소는각효소만의최적 ph 조건을가지고있다. 위실험에서는과연우리가쓰는물, 즉중성일때가효모의최적 ph인가의문이들었다. [ 표 3] 와 [ 그래프 3] 는강산, 중성, 강염기일때발효량을측정한실험의결과이다. 강산과강염기의결과는똑같이발효가되지않았다. 이는효소의변성이일어난결과라고볼수있다. 대조군중에서는중성이가장잘되었다. 있다. 잘되었고, 이후로염기성, 산성순으로발효가잘되었다. 위실험에서는강산과강염기조건에서만하였으나 ph별로발효량을측정하는실험을추가하여야한다고생각한다. 4. 산소유무에따른알코올발효량측정 ( 단위 : ml ) 산소유무 1회 2회 3회 4회 5회 Ave 有 無 표 4. 산소유무에따른알코올발효량측정

72 CO 2 발생량 (ml) 12 실험 有 無 회 2 회 3 회 4 회 5 회 Ave 그래프 4. 산소유무에따른알코올발효량측정 발효는산소가없을시에 NAD + 의재생을위하여일어나는과정이다. 위실험에서는효모가산소가공급될시에발효량이어떻게변화할지확인한시험이다. 실험의결과는산소가있을때가없을때보다발효가잘되지않았다. 이는효모의발효시무산소조건을맞추어주면발효량이보통의경우보다증가할것이라는결론을얻을수있다. 5. 대량효모발효에관한생물정보학적분석 * Ⅲ-5에서는현재효모의대량발효에관한논문에대한분석이다. 참고문헌 [4] 은효모의발효량이온도와 ph, 산소의유무와기질과도관련이깊지만이외에도효모와기질의농도, 시간에따른발효량의변화등에도관련이있다는논문이다. 그래프 5. 작물의종류와농도에따른발효량 먼저, [ 그래프 5] 는작물의종류와농도에따른발효량에관한실험이다. 옥수수를기질로사용하였을때가장발효량이많고기질의농도가높다고해서발효량이무조건큰것이아니며, 약 32.5% 정도에서최대치를보인다. 이는앞으로의실험에서작물의선택의중요성뿐만아니라작물의농도도발효에큰관여를한다는것을보여준다. * 고농도바이오에탄올생산을위한발효최적화및효모균주개량 - 장유리

73 그래프 6. 온도에따른발효량변화 [ 그래프 6] 는온도에따른발효량의변화이다. 대부분의작물에서 32~34 에서최대치를보인다. 이는효모가이온도에서가장큰활성을보인다는의미를알수있으며, 앞으로향후실험과정에서효모의최대활성지점을알려준다. 그래프 7. 시간에따른발효량의변화 [ 그래프 7] 은시간에따른발효량의변화이다. 효모는기질과의반응을통해알코올을만들어내며, NAD+ 를재생한다. 시간이지날수록지속적으로증가하다일정시간이후에는유지되는것을알수있다. 이는기질이모두사용되는시점을알려주는데, 바이오에탄올생성공정에서도기질의반응시간을고려한다면, 시간대비바이오에탄올의수득을최대화시켜줄것이다. 위의실험들은효모가발효를가장효율적으로하기위한최적조건을실험적으로알아내기위한것이며, 향후바이오에탄올제작공정에서이용될가장기초적인실험중하나이다. 실험을통해알아낸결과38 중성의포도당용액에서산소를차단하였을때가장높은발효효율을나타낼것이다. 또한참고문헌 [4] 에따라기질의농도도발효와관계가있으며, 시간에따른발효량을통해기질이모두사용되는시점을알수있다. 이번실험을통해본연구의추가실험의방향성제시및

74 향후바이오에탄올공정시필요한실험을다음과같이제안한다. 본연구의추가실험에서는먼저, 발효량이가장많은작물을찾을것이며뿐만아니라작물의농도에따른발효실험을할것이다. 둘째, 효모액의 ph에따른추가실험에대한계획이다. 본연구에서는강산, 중성, 강염기에서실험을시행하였다. 이는 ph의차이가큰경우이다. 따라서 ph 간격을좀더작게지정하여실험을시행해야한다. 셋째, 기질의반응시간이다. [ 그래프 7] 을통해우리는고려하지못했던기질이모두사용하는시간을알아야한다는것을알았다. 이는바이오에탄올을대량으로생산해낼때가장중요한점이다. 왜냐하면, 기질의소모시간은다음기질을첨가하는시간을알려주며, 이를알시에시간대비바이오에탄올의생산량을증가시킬수있을것이다. 향후바이오에탄올공정시선행되어야할연구는작물종류와농도. 최적의 ph와기질의반응시간이될것이며, 이는본연구에서얻어낸탐구결과를통해제시하는바이다. [1] 캠벨생명과학 (Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman 저 / 전상학역 / 바이오사이언스 / ) [2] 하이탑생물2( 고등학교 7차, 손희도외, 두산동아 ) [3] NAVER 지식 in [4] 고농도바이오에탄올생산을위한발효최적화및효모균주개량 ( 장유리, )

75 발효실험시투입효모량에따른 당도별발효속도차에대한연구 이, 공, 김, 고 요약 (Abstract) 본연구는발효전용액의포도당함량과발효후알코올수득량의관계에대한의문을해결하기위해계획, 진행하였다. 포도당함량차이에비해알코올수득량의차이가적은원인을발효시투입한효모의양으로생각했다. 그리고이가설을검증하기위해다양한당도의포도당용액에투입하는효모의양을조절해가며시간에따른발효량을측정하였다. 실험결과, 투입하는효모량이많을수록당도와발효량의관계가분명하게드러나투입하는효모의양을늘리면이관계를잘드러낼수있다는것은검증하였으나, 이것이주원인은아니라는것을확인하여추가적인연구의필요성을확인하였다. 이연구의목적은바이오에탄올제조실험에서의에탄올수득률에대한의문을해결하여이를바탕으로수득률향상을꾀하는것이다. 일전에 pretreatment 개선을통한수득률향상에관한연구가있었다. 그결과를나타낸아래의 [ 표 1] 에서볼수있듯이 pretreatment를완료하고 cellulase까지처리한용액의당도를측정했을때 pretreatment 방법에따라당도가 0.3Brix, 0.9Brix 로 3배나차이가났음에도불구하고, 이용액 1L당효모 5g을넣어알코올발효시킨결과에탄올의수득량은큰차이를보이지않았다. 우리는발효과정에서의투입효모양을그원인으로보고알코올발효과정에서투입하는효모의양에따라발효효율이어떻게달라지는지연구해보기로하였다

76 [ 표 1] 전처리법에따른 cellulase 처리후당도와산출물의에탄올수득량 전처리법 A 전처리법 B 당도 0.3Brix 0.9Brix 산출물밀도 984.7g/L 982.1g/L 원료 100g당에탄올수득량 23.80g 27.79g 미생물에의한탄수화물의무산소적분해현상 ( 발효 ) 의하나이다. 주정 ( 酒精 ) 발효라고도하며젖산발효와함께대표적인발효현상이다. 단당류또는다당류에서최종적으로에탄올 ( 에틸알코올 ) 과이산화탄소를생성하는반응이며이중포도당 (glucose) 를이용하는알코올발효의경우다음식으로요약된다. 이러한작용을하는미생물로서가장잘알려진것이효모이며글루코오스 (glucose) 프룩토오스 (fructose) 만노오스 (mannose) 말토오스 (maltose) 수크로오스 (sucrose) 를발효시킬수있다. 대부분의동물조직에서는알코올발효가일어나지않으며, 탄수화물은무산소적으로분해되어젖산을생성한다. 발효는여러가지생리현상중에서그대사양식 기서가가장깊이밝혀진것중하나이며, 복잡한여러반응경로의상관성, ATP계와의공액과에너지생산, 효소활성의유도 조절, 나아가서각각효소의정제와그작용메커니즘의효소-화학적해석이진전되고있다. 보조인자로는티아민피로인산 NAD( 조효소 Ⅰ) ATP 외에마그네슘 칼슘 칼륨등의이온이나무기인산등이관여하고있는것이알려져있다. 생물의진화적입장에서보면원시생물은산소가없는조건하에서무산소적발효에의해서에너지를얻었다고생각된다. 그후진화과정에서지상에산소가출현하는것과함께산소를이용하는갖가지에너지획득형식으로이행하였을것이다. 그러나오늘날의대부분의생물이에너지생성의제1단계로서먼저유기물의무산소적분해과정 ( 해당또는발효 ) 을거쳐야한다는것은흥미있는일이다. 발효는미생물이용공업, 발효공업으로서널리인류에게활용되고있다

77 [ 그림 1] 알코올발효 2. 바이오에탄올 (bio-ethanol) 바이오에탄올 (bio-ethanol) 은식물성다당류를이용하여제조된에탄올로, 원료로쓰이는식물성다당류의형태에따라전분성에탄올 (starchy bio-ethanol) 그리고섬유소에탄올 (cellulosic bio-ethanol) 로분류되며, 현재주로생산되는것은전분성에탄올이나식량문제로인해최근들어섬유소에탄올개발을위해연구가진행되고있다. 녹말또는셀룰로오스형태의다당류를단위체인포도당으로분해하고, 알코올발효과정을통해에탄올을얻는데, 이렇게얻어진에탄올은휘발유대용으로사용될수있다. 현재대표적으로이용되는원료는사탕수수, 옥수수등의녹말작물이다. 가장널리이용되는것이사탕수수인데, 사탕수수가많이생산되는브라질에서는차량의 70% 정도가바이오에탄올을연료첨가제로사용할만큼일반화되었다고한다. 바이오에탄올은환경오염물질이발생하지않고, 식물로부터얻는연료이므로재생이가능하다. 특히연소시유해물질이발생하지않아, 실제로바이오에탄올을차량연료에첨가제로사용할경우일산화탄소배출량이대폭감소하는것이확인되었다 ml 의증류수에 ( 증류수의밀도를 1로보았다.) 포도당 0.4, 0.6, 1.0, 1.6g을넣은 0.2, 0.3, 0.5, 0.8 Brix의포도당용액을농도별로 4개씩제작한다. 2 농도별포도당용액에각각효모 0.5g, 1.0g, 1.5g, 2.0g을첨가한다. 3 효모를첨가한용액을큐네발효관에채워입구를봉한후, 40 의항온조에넣

78 는다. 4 1 시간동안발효시키며 30 분후와 1 시간후의기체발생량을각각기록한다. [ 표 2] 투입효모량에따른당도별이산화탄소발생량 효모량 0.5g 1.0g 1.5g 2.0g 시간 30분 1시간 30분 1시간 30분 1시간 30분 1시간 0.2Brix - 0.5ml - 0.8ml 0.6ml 1.1ml 0.8ml 1.3ml 0.3Brix - 0.6ml 0.5ml 1ml 0.8ml 1.5ml 1ml 1.8ml 0.5Brix - 0.7ml 0.7ml 1.5ml 1.1ml 2.3ml 1.6ml 3.1ml 0.8Brix 0.5ml 0.9ml 1ml 2.1ml 1.8ml 3ml 2.1ml 3.8ml 발효관의눈금으로읽을수없을만큼적은기포가발생한경우 (0.5ml 미만 ) - 로표기 하였다. [ 그래프 1] 투입효모량에따른당도별이산화탄소발생량누적그래프 표와그래프에서볼수있듯이, 투입하는효모의양이많을때당도에따른발효속도의차가확연히드러난다. 따라서발효실험에서효모의투입량을늘린다면보다확실한에탄올수득량의차이를보여줄수있을것으로추측된다. 기존실험에서투입한양은용액 1L당효모 5g, 즉이실험에서는효모 1g에해당하는양이다. 그런데이실험에서는효모량이 1g일때도포도당농도에따라발효량이선형성을보여주고있다. 즉, 투입효모량은당도차에비해부족한에탄올수득량차이의원인중하나가될수는있지만, 주된원인은아닐것이라고사료된다

79 섬유소에탄올제조연구중생긴의문사항을해결하기위해계획한본연구에서는큰당도차이에비해매우적은에탄올수득량의원인을발효시투입한효모의양으로보았다. 그리고이가설을검증하기위해여러농도의포도당용액에투입효모량을조절하여당도별발효량의차이를발생이산화탄소량측정을통해분석했다. 실험결과, 효모의투입량이많을때당도별발효량의차가확연히드러나는것으로확인되어효모의투입량을증가시켰을때에탄올수득량의차이가잘드러날것이라는결론을낼수있었다. 그러나기존실험에투입했던만큼의효모를투입한경우에도당도에따른발효량의차이가잘드러나는결과를얻어처음예상했던대로투입효모량이당도차에비해적은에탄올수득량의주된원인이되지는못한다는것을알수있었다. 즉, 이연구의계기가되었던의문을해결하기위해서는보다많은실험이진행되어야할것이다. 아울러, 실험과정에있어 1시간동안만의발효량을측정한것은가설검증에있어상당한맹점으로작용할것이다. 기존의섬유소에탄올제조연구에서는더오랜시간을발효시켰기때문에, 보다오랜시간을발효시켰을때의결과를측정하는것이필요하다. 또한아래 [ 그림 2] 에서보듯이꾸준한바이오에탄올생산량의증가가기대된다. 이에따라이러한발효를이용한기술을정립시켜바이오에탄올수득을통한친환경에너지개발을목적으로한다. [ 그림 2] 바이오에탄올생산의증가 [1] 허윤행, " 발효공학실험," 지구문화사, 서울, 1996: [2] 정기택, 하영선, " 신고발효공학," 수학사, 서울, [3] 김찬조, 김기철, " 발효화학," 수학사, 서울. [4] 서정훈," 공업미생물학," 형설출판사, 서울

80 가공전후의열량차이를통한 바이오매스에너지의효율성비교, 정, 김, 김 요약 (Abstract) 전세계적으로바이오매스에너지에대한관심이높아지고있으며, 이를위한많은연구가진행중이다. 그런데, 바이오매스에너지의경우가공전의자원이가공후의자원보다더많은열량을갖고있을것이다. 그렇다면에탄올등으로가공하는것보다는가공전의원료를이용하는것이더욱효율적일것이라는가정을하여위와같은실험을진행하였다. 우리는볏짚 100g을연소할때와, 볏짚 100g에서추출한에탄올을연소할때의열량을비교하기로하였다. 그러나발효시간과전처리시간이너무짧아분리, 생성된에탄올의양이너무적었고, 에탄올분리시의분별증류횟수가적어에탄올의순도가적었기때문에에탄올이충분히연소를하지못하였고, 비교가불가능하였다. 결국선행연구의자료를얻어각각의값을비교를해보았다. 그결과옥수수의경우에서획득한에탄올이원료연소대비발생열량이가장높았다. 부족한실험방법으로한정된시간에진행하다보니만족할만한성과를얻지못하였다. 그러나추후이론연구의결과화석연구에비해바이오에탄올의효율은굉장히낮았다. 온실효과를방지하고, 화석연료의사용을줄이기위해서라도바이오에탄올생성의효율을증가시켜야할것이다. Ⅰ. 연구동기 요즘바이오매스에너지에대한관심이점점높아지고있다. 무의미하게버려지는생물자원, 즉바이오매스를효율적으로처리할수있고, 이산화탄소의배출과풍부한생산량등의장점으로바이오매스에너지에대한연구또한가속화되고있다. 우리는바이오매스에너지에대한조사를하던도중그효율성에대한본질적인의문이들었다. 바이오매스에너지로사용하기위해가공전의자원의열량이오히려가공후의연료의열량보다크지않을까? 만약그렇다면바이오매스에너지는가공하기보단가공하지않고연소시키는것이더효율적이지않을까? 따라서우리는이의문을해결하기위해다음의실험을진행하였다. Ⅱ. 연구목적 바이오매스에너지의연료가되는가공전천연자원과가공과정을거친후의 연료의열량을비교한다

81 Ⅲ. 사전조사 1) 바이오매스에너지바이오매스란식물이나미생물등을에너지원으로사용하는생물체이다. 바이오매스에너지란이러한바이오매스의대사과정중에쌓인에너지원, 즉바이오매스에들어있는석유성분을추출해산화하거나동물의배설물또는폐기물을메테인발효또는알코올발효시켜에너지를생산하는방법중의하나이다. 2) 바이오매스에너지의종류현재개발되어사용되어지고있는바이오매스에너지는바이오에탄올, 바이오디젤등이있다. 바이오에탄올은녹말작물에서포도당을얻어이를알코올발효시켜생산한에탄올이고, 바이오디젤은식물성기름에서에스터를추출해생산한연료이다. 바이오매스에너지는넓은의미에서바이오에탄올과바이오디젤을포함하지만, 흔히칭하는바이오매스에너지는장작, 사탕수수줄기, 옥수수등의셀룰로오스를급속촉매열분해시켜연료로사용하는것을일컫는다. 3) 사용현황현재스위스, 브라질, 미국등에서바이오매스에너지를생산, 사용하여막대한에너지사용료를절감하고있으며, 일본에서는바이오매스타운을건설하여체계적이고지속적인바이오매스에너지개발에힘쓰고있다. Ⅳ. 실험과정 1 100g 의볏짚을태워나오는열량을계산한다. 2 볏짚 100g 을 0.05M 수산화나트륨용액에넣고 70 에서 20 분간중탕한다

82 3 전처리가끝난볏짚을씻어수산화나트륨을제거한다. 4 효모액에볏짚을넣고 40 에서 24시간동안발효시킨다. 5 분별증류를통해발효가끝난용액에서에탄올을분리한다. 6 분리된에탄올을연소시켜나오는열량을계산하여과정 1 의열량과비교한다. Ⅴ. 연구결과및분석 볏짚등의원료를연소시키기에앞서우리는조사한에탄올분리과정을먼저실시해보기로하였다. 하지만각각의과정에서분리된에탄올이연소되지않아연구에차질을겪었고, 결국한정된시간내에연구를완료하지못했다. 분리된에탄올이연소되지않은이유로써 1 발효시간과전처리시간이너무짧았기때문에분리, 생성된에탄올의양이적은점 2 에탄올분리를위한분별증류를단 1회만실시하였기때문에에탄올의순도가낮은점 3 에탄올증류시초기증류결과물만신빙성있는에탄올이수득된다는점을추론할수있었다. 따라서정확한실험을위해서는다음과같은것이이뤄져야할것이다 : 1. 증류과정을여러회거쳐순도높은에탄올을수득한다. 2. 당도측정기로중간전처리가확실히이루어졌는지확인한다. 3. 충분한발효과정을거칠수있도록한다. Ⅵ. 추가자료및분석결과

83 열량 (/100g) 100g 당에탄올 100g당추출에탄올수득률에탄올열량양 고구마 111kcal 3.05~3.17% 2.73ml 14.93kcal 옥수수 123kcal 20% 19.8ml kcal 현미 354kcal 17.31% 19.9ml kcal 포도당 154kcal 7.2% 4.68ml 25.60kcal 에탄올열량 : 6.93kcal/g=5.47kcal/ml 가솔린열량 : 1200kcal/100g [ 표 1] 각원료별에탄올수득률및열량 본실험목적인보다다양한원료별효율성을검토해보기위해다양한녹말작물에대한 이론조사를시행해보았다. [ 표 1] 이조사결과자료이다. 이를토대로원료별효율성을 계산해보았다. 주목할점은각원료별에탄올수득률도다를뿐더러생산에탄올의열량도 다르다는점이다. 이는원료에포함되어있는원소의차이로부터유래되었을것이라고예상 된다. 고구마옥수수현미포도당가솔린 원료의열량 (/100g) 111kcal 123kcal 354kcal 154kcal 추출에탄올의열량효율 (/ 원료100g) 3.05/100*14.93= kcal 20/100*108.31= 21.62kcal 17.31/100*108.85= 18.84kcal 7.2/100*25.60= 1.84kcal 1200kcal/100g 비 0.4% 17.5% 5.3% 1% [ 표 2] 원료의열량및추출및단위질량당에탄올의열량효율계산 [ 표 1] 에서각원료별에너지효율을알수있다. 고구마의경우 0.4% 의효율만을가지며, 가장높은것으로 17.5% 인옥수수가있다. 시중의바이오에탄올에옥수수가이용되는이 유를알수있다. 원료와비교해보았을때그수득률과그에따른열효율이너무떨어짐을 알수있다. 바이오에탄올의수송편이성과무공해성, 처리의간편성을배제한다면원료를 직접연소시키는것이훨씬효율적이다. 가솔린과의효율비교 고구마 0.3% 옥수수 1.8% 현미 1.5% 포도당 0.15% [ 표 3]. 각원료별가솔린과의열량효율비교 위의자료를보면 [ 표 1] 과는다르게분석할수있다. 가솔린과의연료효율을분석할 시, 옥수수와현미가각각 1.8% 와 1.5% 로효율이비슷했다. 이는원료와의효율비와는다 르며, 차세대바이오에탄올의원료로옥수수와현미가적합함을시사한다. 그러나실제가

84 솔린의 2% 의효율도끌어내지못한다는점에서바이오에탄올의개발이더딘이유를짐작할 수있다. 바이오에탄올이화석연료를대체하는에너지원이되기위해서는더높은효율성 을가져야만할것이다. VII. 느낀점과앞으로의추진방향 한정된시간과연구대상, 완벽하지않은실험방법으로인해연구를완료하지못했다. 따라서다음연구에는신속하고정확한조사와실험설계, 수행으로올바른결론에도달하여야겠다. 이론조사를통한효율성을검토해보면서, 바이오에탄올의실태를알수있었다. 비록연구가진행중이나그효율은상용화되어있는화석연료에비해서너무낮았다. 때문에이러한연구가선진국을제외하고는활발히일어나지않았을것이다. 이번조사를통해서, 앞으로바이오에탄올의상용화를위해서는더뛰어난수득률을가질수있는전처리및발효과정을거쳐야할것이다. 원료의열량을충분히끌어내면서높은열량을가지는에탄올을가질경우효율을더높일수있을것이다. 비록효율성이적다고는하나앞으로의미래환경과자원고갈을고려해볼경우대체연료의연구는필연적이다. 따라서많은나라의정책적 / 금전적지원이필요할것이며, 더많은관심을가지고연구에착수해야할것이다

85 단백질의구조를응용한새로운암호체계개발의가능성탐구 * Studying the Possibility of New Crypto Made by Applying the Protein Structure, 장, 김, 정, 이, 강, 정 Abstract 정보화시대가도래함에따라서현대사회에서는정보의보안이중요하게되어여러가지암호체계가발달하였다. 우리는생명현상을응용하여새로운암호체계개발의가능성을탐구해보기로하였다. 먼저우리는여러가능성을생각하다가단백질이가장적합하다는생각을했다. 그리고이를응용하기위한수학적이론으로그래프이론을생각했으며그래프이론을이용한암호를만들기로하였다. 암호화알고리즘은다음과같다. 알파벳을다른알파벳으로치환을함으로써 1차암호화를시킨다. 이는알파벳의빈도를통한암호를푸는것을막기위한것이다. 2차암호화는같은알파벳끼리연결함으로써오일러경로를만드는작업이다. 오일러경로의개수는매우많아푸는데에있어서어려움이있다. 암호화는간단하고복호화과정인암호문으로부터원문을유추해내기가매우어렵다는점에서암호로써매우적합하다는결론을내렸으며, 후에도프로그래밍을통해암호화프로그램을만들고해독프로그램을만들어보안성을점검할계획이다. I. 서론 1. 연구의필요성및배경트윗, 9만 8천개, 블로그포스팅 1천 500개, 이메일 1억 6천 600만통, 유투브동영상 600개업로드, 구글검색 69만 4천 445개, 이모든것들이사이버세계에서 1분마다일어나는일들이다. 아침에일어나면스마트폰으로이메일을확인하고, 인터넷뱅킹으로금융거래를, 일기대신블로그를운영하고, SNS를통해인간관계를유지한다. 우리가창조했지만, 이제는우리의현실세계를뒤흔들고있는또다른세상... 이드라마는우리가언제나사용하는트위터, 블로그, 아무생각없이누른한번의클릭이어떻게우 * 본연구는부산과학고등학교생물학 -STS 동아리 minerba 와암호학동아리 'SCI 간의 공동연구로진행되었습니다

86 리에게부메랑으로돌아오는지, 심지어누군가의생명을앗아갈수도있는... 모니터뒤 의섬뜩한이면과가려진진실에대한이야기를하고자한다 SBS 드라마 유령 의기획의도 최근유행하는드라마 유령 은우리들이평범하게사용하는 SNS, 블로그등을통해서정보가유출될수있고, 그피해가심각하다는것을시청자로하여금깨닫게해준다. 정보화시대가도래함에따라서온라인을통한해킹에관한사건이빈번하게일어나고있다. 그에따라서정보의보안이중요시되고, 정보를암호화할수있는암호체계가개발에힘쓰고있다. 본연구는부산과학고등학교암호학동아리 SCI' 와생물학-STS 동아리 minerba' 의공동연구로서정보화시대가도래함에따른문제를해결하고자새로운암호체계개발의가능성을제시하고자한다. 우리는인류가암호에대해학문적으로접근하고, 여러암호를개발하기훨씬이전부터가지고있던유전암호체계를최근주목되고있는생체모방기술과융합시킨암호체계생각하게되었다. 유전암호는 DNA서열 ( 평문 ) 통해발현된아미노산의결합을규칙적으로배열하여, 암호화시킨다. 이때, DNA는전사를통해생성된 mrna는 RNA splicing 이라는전사후기작을통해서발현되는아미노산의경우의수가많아져서, 암호를복잡화시킬수있어서위에서말한온라인을통한해킹사건에대비할수있는좋은방안이될것이라생각하였다. 그래서고등학교수학과정에있는한붓그리기 ( 오일러경로 ) 와아미노산의 1차선형적구조를융합한암호체계를만들고실용가능성을확인하였다. 2. 연구문제 1 암호알고리즘 (Algorism) 을스스로설정하여탐구한다. 2 키 (Key) 의설정을한다. 3 전송방법에대해탐구한다. 4 암호의효율성과편의성이좋도록탐구한다

87 Ⅱ. 이론적배경 1. 아미노산서열아미노산은 3개의코돈에의해서특정지정된아미노산이생성되고펩티드결합에의해서아미노산들이 1차구조를형성하게된다. 1차구조는단순한사슬모양이다. R기, 즉아미노산의곁사슬사이의상호작용이 3차구조를결정한다. 공유이황화물다리, 수소결합, 반데르발스힘, 이온결합등여러상호작용이있다. 그중대표적인것이이황화물다리 (disulfide bridge) 이다. 시스테인 ( 아미노산의한종류 ) 곁사슬의황에의해서이황화결합을형성하고, 이황화결합을형성할때아미노산이접히는구조가생기게된다. [ 그림 1] 단백질의 1 차 구조 [ 그림 75] 이황화물다리 2. 오일러경로 ( 한붓그리기, Euler path, Eulerian path) 그래프이론에서오일러경로 (Euler path, Eulerian path) 는그래프의모든변을단한번씩만통과하는경로를뜻한다. 1736년레온하르트오일러가쾨니히스베르크의다리문제를푼것에서유래되었다. 흔히한붓그리기문제라고도한다. 오일러경로 ( 즉, 시작꼭짓점과끝꼭짓점이다른경로 ) 가있을필요충분조건은 1 정확히두개의꼭지점만이홀수의차수를가지고있어야함. 2 그래프가연결되어있다. 3. 현대암호의특성현대의암호체계는통신내용을제삼자로부터보호할수있어야하고 ( 기밀성 -secrecy, 혹은안전성 ) 사용하기편리해야한다는 ( 효율성-efficiency) * 기본적인암호의목적이외에도다음의기능들이추가적으로요구되고있다. 무결성 (integrity): 정보의사실성, 즉수신된정보가제삼자의공격이나송신과정에서변조되지않았는지확인할수있어야한다. 인증 (authentication): 수신된정보를적법한사용자가보낸것인지아니면적법한