초록 ▼

○ 연구결과
1년차 목표인 요소기술개발에서 주사기 펌프를 사용한 배치식과 다이아프램 펌프를 사용한 연속식 주입장치를 개발하고 장치별 특성 및 성능을 검증하였다. 효소ㆍ기질의 반응 시간 및 반응체적 비에 따른 전류값 특성을 분석하여 효소ㆍ기질 혼합 후 튜브 길이, 내경, 형상에 대한 요인을 파악하였다. 전극봉 단면적, 전극봉 간격, 전극봉 설치 형상에 따른 전류값 특성을 분석하여 1회 측정 시간(cycle time)을 고려한 전류 측정 장치의 규격 및 형상을 파악하였다. 완충용액 종류, pH, 효소농도, 혼합 효소액에 대한 특정

○ 연구결과
1년차 목표인 요소기술개발에서 주사기 펌프를 사용한 배치식과 다이아프램 펌프를 사용한 연속식 주입장치를 개발하고 장치별 특성 및 성능을 검증하였다. 효소ㆍ기질의 반응 시간 및 반응체적 비에 따른 전류값 특성을 분석하여 효소ㆍ기질 혼합 후 튜브 길이, 내경, 형상에 대한 요인을 파악하였다. 전극봉 단면적, 전극봉 간격, 전극봉 설치 형상에 따른 전류값 특성을 분석하여 1회 측정 시간(cycle time)을 고려한 전류 측정 장치의 규격 및 형상을 파악하였다. 완충용액 종류, pH, 효소농도, 혼합 효소액에 대한 특정효소 활성도를 측정하여 각 기질 별 사용가능한 완충 용액 종류, 효소농도를 파악하였다.
2년차 목표인 온라인 감시용 측정 장치 개발에서 온라인 감시를 위해 반드시 자동화 되어야 하는 샘플 채취 및 여과장치를 개발하고 수두 및 고형분 함량에 따른 펌프 토출량 변화특성을 파악하고, 포도당 용액을 사용한 토출농도 변화를 측정하여 그 성능을 검증하였다. 전류값으로 농도를 측정하는 형태의 효소센서에서 큰 농도 폭에 따른 전류값 변화에 대응하기 위해 필요한 샘플 자동희석 장치를 개발하고 희석 비율에 따른 희석 전․후 용액 중량, 포도당, 젖산 및 에탄올 용액을 사용한 희석농도를 비교하여 그 성능을 검증하였다. 개발된 샘플용액 채취 및 여과장치, 자동희석 장치를 사용한 센서장치를 이용하여 상업용 시료인 오렌지 쥬스, 포도 쥬스, 유산균 발효유, 소주의 포도당, 젖산, 에탄올 농도를 측정하고 이를 HPLC와 GC 측정값과 비교하여 장치 성능을 검증하였다.
연구의 최종 목표인 발효공정 감시용 센서장치 구성에서 발효장치 및 1, 2년차에서 개발된 센서장치를 일체형으로 구성하고 포도주 및 동치미를 제조하는 과정에서 알코올, 포도당 및 젖산의 농도를 측정하고 HPLC 및 GC를 사용한 측정값과 비교하여 장치 성능 및 사용 가능성을 검증하였다.

Abstract ▼

This research explored the performance of an electric current according to flow velocity, operating variables of a pump, substrate-enzyme and electrode variables, and also explored an adequate buffer solution and the optimum condition of enzyme use through the use of different enzymes and the measur

This research explored the performance of an electric current according to flow velocity, operating variables of a pump, substrate-enzyme and electrode variables, and also explored an adequate buffer solution and the optimum condition of enzyme use through the use of different enzymes and the measurement of enzyme activity. The testing apparatus was composed of basic elements required for development of the flow injection-type biosensor as a preliminary step of the biosensor for on-line monitoring of a fermentation process. Moreover, it was aimed to explore the features of electric current, and finally to verify its performance by the use of commercial specimens. The values of electric current was most sensitively influenced by the flow velocity of the buffer solution and electrode area, but displayed different results according to operation conditions of pump and reaction time between a substrate and an enzyme. The sampling unit of a substrate solution for the on-line monitoring process was considered to be possible to take a sample from the fermentation tank by the diaphragm pump. The minor error, 4%, of an error and relative error between samples led to great possibility for field application. The greater dilution ratio and the more volume of the substrate solution became desirable in decreasing the error. The flow injection-type biosensor was then applied to measure the concentration of commercial samples and finally it was concluded that each concentration error measured by the biosensor, HPLC and GC was 5% from orange juice and Soju(white distilled liquor), and 30% from grape juice and 2244% from yogurt. The concentration relative errors of glucose, alcohol, and lactic acid on the fermentation process of wine and Dongchimi showed over 30%, 60%, and 100%, respectively.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 11
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 15
• 제1절 연구개발의 목적 ... 15
• 제2절 연구개발의 필요성 ... 16
• 1. 기술적 측면 ... 16
• 2. 경제·산업적 측면 ... 17
• 3. 사회·문화적 측면 ... 18
• 제3절 연구개발 범위 ... 19
• 1. 연구개발 목표와 내용 ... 19
• 2. 연차별 연구개발 목표와 내용 ... 21
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제1절 국내현황 ... 24
• 제2절 국외현황 ... 24
• 1. 흐름주입분석 ... 24
• 2. 온라인 모니터링 ... 26
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 30
• 제1절 요소기술 개발 ... 30
• 1. 서언 ... 30
• 2. 재료 및 방법 ... 32
• 가. 실험 재료 ... 32
• 나. 실험 장치 ... 34
• 다. 실험 방법 ... 39
• 1) 유속변화에 따른 전류값 특성 ... 39
• 가) 과산화수소수를 사용한 전류값 특성 ... 39
• 나) 기질과 효소를 사용한 전류값 특성 ... 39
• 2) 펌프의 작동요인에 따른 전류값 특성 ... 40
• 가) 배치식 완충용액 공급 장치의 성능 ... 40
• 나) 연속식 완충용액 공급 장치의 성능 ... 41
• 3) 기질·효소 및 전극봉에 따른 전류값 특성 ... 42
• 가) 기질·효소 반응 시간에 따른 특성 ... 42
• 나) 반응체적 비에 따른 특성 ... 43
• 다) 전극 단면적에 따른 특성 ... 43
• 라) 전극설치 형상과 거리에 따른 특성 ... 44
• 4) 효소 활성도 ... 46
• 가) 적정 완충용액 ... 46
• 나) 적정 반응 효소농도 ... 47
• 다) 기질·효소 간 적정 반응체적 비 ... 47
• 라) 이종 효소 혼합에 따른 활성도 ... 48
• 3. 결과 및 고찰 ... 50
• 가. 유속변화에 따른 전류값 특성 ... 50
• 1) 과산화수소수를 사용한 전류값 특성 ... 50
• 2) 기질·효소를 사용한 전류값 특성 ... 52
• 나. 펌프의 작동요인에 따른 전류값 특성 ... 60
• 1) 배치식 완충용액 공급 장치 ... 60
• 가) 공기방울의 영향 ... 60
• 나) 온라인측정가능성 ... 62
• 2) 연속식 완충용액 공급 장치의 성능 ... 65
• 가) 펌프맥동의 영향 ... 65
• 나) 온라인 측정가능성 ... 66
• 다. 기질·효소 및 전극봉에 따른 전류값 특성 ... 67
• 1) 기질·효소 반응 시간에 따른 특성 ... 67
• 2) 반응 체적 비에 따른 특성 ... 69
• 3) 전극 단면적에 따른 특성 ... 70
• 4) 전극 설치 형상과 거리에 따른 특성 ... 72
• 라. 효소활성도 ... 73
• 1) 적정 완충 용액 ... 73
• 2) 적정 반응 효소농도 ... 77
• 3) 기질·효소 간 적정 반응체적 비 ... 79
• 4) 이종 효소 혼합에 따른 활성도 측정 ... 81
• 4. 결론 ... 82
• 제2절 온라인 감시용 측정 장치 개발 ... 85
• 1. 서언 ... 85
• 2. 재료 및 방법 ... 86
• 가. 실험 재료 ... 86
• 나. 실험 장치 ... 87
• 다. 실험 방법 ... 96
• 1) 샘플용액 채취 및 여과장치 ... 96
• 2) 샘플용액 희석장치 ... 97
• 3) 온라인 감시용 측정 장치 개발 ... 98
• 가) 측정원리 ... 98
• 나) 실험방법 ... 98
• 3. 결과 및 고찰 ... 99
• 가. 샘플용액 채취 및 여과장치 ... 99
• 나. 샘플용액 희석장치 ... 104
• 다. 온라인 감시용 측정장치 개발 ... 110
• 4. 결론 ... 122
• 제3절 발효공정 감시용 센서 장치 구성 ... 125
• 1. 서언 ... 125
• 2. 재료 및 방법 ... 126
• 가. 시료 채취 및 여과장치 구성 ... 126
• 1) 실험 재료 ... 126
• 가) 실험 장치 ... 126
• 나) 실험 재료 ... 128
• 2) 실험 방법 ... 128
• 가) 중량 비교 ... 128
• 나) 농도비교 ... 129
• 나. 발효 장치 구성 ... 131
• 다. 센서 장치 구성 ... 132
• 라. 성능 검증 ... 135
• 1) 포도주 제조 중 포도당 및 알코올 농도 측정 ... 135
• 가) 실험 재료 ... 135
• 나) 실험 방법 ... 136
• 2) 동치미 제조 중 젖산 농도 측정 ... 138
• 가) 실험 재료 ... 138
• 나) 실험 방법 ... 139
• 3. 결과 및 고찰 ... 141
• 가. 시료 채취 및 여과장치 구성 ... 141
• 1) 중량비교 ... 141
• 2) 농도비교 ... 144
• 나. 포도주 제조 중 포도당 및 알코올 농도 측정 ... 148
• 1) 장치 calibration ... 148
• 2) 농도 비교 ... 149
• 다. 동치미 제조 중 젖산 농도 측정 ... 153
• 1) 장치 calibration ... 153
• 2) 농도 비교 ... 153
• 4. 결론 ... 155
• 제4절 종합결론 ... 157
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 161
• 제1절 연도별 연구목표 및 평가 착안점 ... 161
• 제2절 연구개발 목표 달성도 및 관련분야 기여도 ... 162
• 1. 요소 기술 개발 ... 162
• 가. 목표 달성도 ... 162
• 나. 기여도 ... 162
• 2. 온라인 감시용 측정 장치 개발 ... 162
• 가. 목표 달성도 ... 162
• 나. 기여도 ... 163
• 3. 발효공정 감시용 센서장치 구성 ... 163
• 가. 목표 달성도 ... 163
• 나. 기여도 ... 163
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 164
• 제1절 활용계획 ... 164
• 1. 상품화 기술 개발 ... 164
• 2. 타 연구에의 응용 ... 164
• 3. 사업화 방안 ... 164
• 제2절 추가연구 필요성 ... 164
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 166
• 1. 완충용액 연속 공급 장치 ... 166
• 2. 용액순차주입장치(SIA, Sequential Injection System) ... 167
• 제7장 참고문헌 ... 168
• 끝페이지 ... 171