디지털 전기천공을 이용한 미세조류 내 단백질 전달 연구

임도진,Im, Do Jin 한국화학공학회 2018 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.56 No.1

본 연구에서는 기 개발된 액적 접촉충전 기반의 디지털 전기천공 기술을 이용해 미세조류에 단백질을 전달하는 연구를 수행 하였다. Chlamydomonas reinhardtii 중 세포벽이 존재하는 야생종 cc-125에 적용한 결과, 살아 있는 세포의 핵 내부로 형광 단백질 GFP가 10% 이상의 비교적 높은 효율로 전달될 수 있음을 확인하였다. 또한 인가 전기장의 크기 변화에 따른 단백질 전달 효율을 살펴봄으로써 최적의 단백질 전달 효율을 위한 전기천공 전기장 조건을 도출하였다(960 V/cm). 전달 물질의 크기에 따른 영향 분석을 위해 추가로 수행한 핵산 염색 형광 염료 Yo-Pro-1의 전달 특성 분석 결과, 크기에 따른 차이가 존재함에도 최적의 전달 효율을 나타내는 인가 전기장의 세기 조건은 매우 유사한 경향을 보였다. 마지막으로 본 연구 결과의 의미 및 크리스퍼 유전자 가위 기술의 적용 등 향후 활용방안에 대해서 논의하였다. In the present study, we performed electroporation to deliver protein into microalgae using previously developed digital electroporation system. Green fluorescence protein was successfully delivered into a live microalgae cell nucleus without cell wall removal. By investigating the effects of applied voltage on the protein delivery efficiency, optimal electroporation electric field condition was found (960 V/cm). We also investigated the delivery of Yo-Pro-1 into cell to examine the size effects of delivered materials and found that there is little size effects on the optimal condition. Finally, the implications of the present results and future work are discussed.

디지털 미세유체를 이용한 미세녹조류 형질전환에서의 세포벽의 영향 분석

임도진(Do Jin Im) 한국청정기술학회 2015 청정기술 Vol.21 No.2

디지털 미세유체 전기천공 시스템을 활용하여 미세녹조류에 대한 형질전환 실험을 통해 기존 상용화 장치 대비 높은 유전자 전달 효율과 세포 생존도를 확인하였다. 전기천공의 주요 파라미터인 인가전압 및 인가시간 변화를 주며 세포벽이 존재하는 세포종과 세포벽이 없는 세포종에 대한 비교 실험을 수행하였다. 이를 통해 식물 세포의 전기천공에서 세포벽의 역할은 단순히 유전체의 전달을 방해하는 부정적 요소로만 작용하지 않는 다는 사실을 확인하였다. 병렬화 및 온 칩 세포 배양 등을 통해 제안된 디지털 전기천공 기술이 향후 새로운 청정 형질전환 방법으로써의 가능성도 확인하였다. Digital microfluidic electroporation system was used for the transformation of microalgae and we have obtained higher transformation efficiency and viability than that of conventional method. Key parameters of electroporation such as pulse voltage, number, and duration time were systematically investigated for two different microalgal strains with and without cell wall. We have found that cell wall does not always have negative effects on the gene transformation of microalgae. Parallel processing of proposed digital microfluidic electroporation was demonstrated together with on chip culture of microalgae.

유리상 탄소입자의 직접 접촉충전에 의한 전기영동 현상연구

최창용 ( Chang Yong Choi ),임도진 ( Do Jin Im ) 한국화학공학회 2016 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.54 No.4

본 연구에서는 고체 입자인 유리상 탄소입자와 액체인 수용액적을 이용한 접촉충전 비교 실험을 수행하여 액적 접촉충전 현상에 적용했던 완전도체 이론 적용의 적합성 및 고체 도체의 접촉충전 특성을 살펴보았다. 동일한 실험 장치 내에서 비슷한 크기의 수용액적과 유리상 탄소입자를 이용해 가해준 전기장의 세기와 입자의 크기를 변화시키며 충전량을 측정하고 완전도체 이론과의 비교를 통해 충전 특성을 분석하였다. 유리상 탄소입자의 접촉충전 현상은 기본적으로 완전 도체 이론으로 설명이 가능하였으나 실제 충전되는 충전량은 이론치 대비 70~80% 수준으로 측정되었으며 이는 고체 입자가 전극과 접촉하여 전하가 전달되는 과정 중 전극과 오일 사이 오일 필름의 형성으로 주어진 짧은 시간 내에 충분한 전하의 전달이 이루어지지 못해 나타난 것으로 추정된다. 본 연구 결과는 고체 도체의 접촉충전 특성에 대한 이해를 높여 향후 이 분야에 중요한 기초 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. We investigated the charging characteristics of a conducting solid sphere (glassy carbon sphere) comparing with that of a water droplet and check the applicability of the perfect conductor theory. For the systematic research, sphere size, applied voltages, viscosity of the medium were changed and the results were compared with that of corresponding water droplets and the perfect conductor theory. Basically, a glassy carbon sphere follows the perfect conductor theory but the charging amount was lower as much as 70~80% of theoretical prediction value due to oil film formed between electrode and a carbon sphere. We hope this result provides basic understandings on the solid sphere contact charging phenomenon and related applications.

디지털 전기천공시스템에서 형광 염료로 표지 된 DNA 전달 효율의 정량화

배서준 ( Seo Jun Bae ),임도진 ( Do Jin Im ) 한국화학공학회 2020 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.58 No.3

선행된 연구에서 Yo-Pro-1의 전달 효율의 경향과 CFP 유전자의 발현 효율의 경향이 큰 차이를 보였지만 이 문제에 대한 원인을 제시할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 형광 염료를 이용하여 DNA에 표지 후 전달 효율을 정량화함으로써 이 문제에 대한 원인을 찾고자 한다. 표지를 위한 형광 염료로 Yo-Pro-1을 사용하였으며, Yo-Pro-1과 표지 된 DNA의 전달 효율을 비교하였다. 전압 조건에 따른 전달효율 비교에서는 Yo-Pro-1과 Yo-Pro-1으로 표지 된 DNA의 전달 효율 모두 96 V에서 전달 효율이 최대가 되었으며 전압이 더 증가하면 전달 효율이 오히려 감소하는 경향을 보였다. 전압 인가 횟수 조건에 따른 전달 효율 비교에서는 Yo-Pro-1과 Yo-Pro-1으로 표지 된 DNA의 두 전달 물질 모두 8회의 전압 인가 횟수에서 전달 효율이 최대가 되었으며 전압 인가 횟수가 더 증가하면 전달 효율이 감소하는 경향을 보였다. 두 결과를 통해 디지털 전기천공시스템에서 Yo-Pro-1을 사용한 전달 효율 측정이 DNA의 전달 효율을 잘 대변하는 것을 확인하였다. 또한, 본 연구의 결과를 통해 선행된 연구에서 보인 Yo-Pro-1의 전달 효율의 경향과 CFP 유전자의 발현 효율의 경향 차이는 전달 물질의 전달 효율 차이에서 기인한 결과가 아닌 전달 된 유전 물질의 발현 과정에서의 문제로 인한 결과임을 추론해 볼 수 있었다. In the previous study, there was a big difference between the tendency of the delivery efficiency of Yo-Pro- 1 and the expression efficiency of the CFP gene, but there was a problem that could not provide a clue to this problem. Therefore, this study aimed to present a clue to this problem by quantifying and comparing the delivery efficiency after labeling DNA using a fluorescent dye, which was one of the methods for quantifying biomolecules. As a fluorescent dye for labeling, Yo-Pro-1 was used, and the delivery efficiency of the fluorescent dye Yo-Pro-1 and the labeled DNA was compared. The delivery efficiency of Yo-Pro-1 and labeled DNA according to the voltage condition of the digital electroporation system was maximized at 96 V, and the delivery efficiency tended to decrease as the voltage increased further. In the comparison of the delivery efficiency of Yo-Pro-1 and labeled DNA according to the number of voltage application conditions, the delivery efficiency was maximized at the number of 8 voltage application times for both delivery materials, and the delivery efficiency tended to decrease as the number of voltage application increases further. Through the two results, it was confirmed that the delivery efficiency using Yo-Pro-1 in the digital electroporation system represents the delivery efficiency of the system well. In addition, through the results of this study, the difference between the tendency of the delivery efficiency of Yo-Pro-1 and the expression efficiency of the CFP gene shown in the preceding study was not the result of the difference in the delivery efficiency of the delivery material, but it can be predicted to be due to a problem with the expression process of the genetic material that had been delivered.

SLA 3D 프린팅 소재의 후처리에 따른 표면특성 변화 연구

배서준 ( Seo Jun Bae ),임도진 ( Do Jin Im ) 한국화학공학회 2022 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.60 No.1

본 연구에서는 광경화 3D 프린팅 방식인 SLA (Stereo Lithography Apparatus) 방식 출력물의 후처리 방법에 따른 표면 특성의 변화를 체계적으로 비교하고, 용도에 맞는 후처리 방법에 대한 정보를 제공하기 위한 기초 연구를 수행하였다. SLA 방식 출력물은 연마를 통해 표면의 불규칙한 미세구조를 규칙적으로 변화시켜 투명도를 일부 개선할 수는 있었으나, 유리와 같은 충분한 투명도를 확보하기는 어려웠다. 연마에 따른 접촉각 특성 변화는 연마 시간이 증가할 수록 그리고 사용된 사포의 입도가 작을 수록 다소 증가하는 경향을 보였으나 샘플 간 편차가 크고 평균 77~90°의 접촉각을 나타내어 대부분 통계적으로 유의미한 차이를 보이지는 않았다. 연마 이외 다양한 방법을 통한 표면처리 방법이 시도되었으며, 시판되는 차량용 흠집제거제나 실리콘 오일 등을 도포하여 쉽고 간단하게 투명도를 개선하는 것이 가능함을 확인하였다. 또한, 입도 사이즈를 줄이며 순차적으로 연마한 후 흠집제거제를 사용함으로써 유리와 같은 높은 투명도를 확보할 수 있는 방법을 제안하였다. 마지막으로 연마와 다양한 방법을 통해 표면처리를 하더라도 접촉각은 90° 이상을 확보하기 어려웠으며 소수성의 특성을 필요로 하는 경우, 본 연구에서 사용된 다양한 방법 외 소수성 코팅과 같은 추가적인 처리가 필요함을 확인하였다. In this study, a basic study was performed to systematically compare the changes in surface properties according to the post-processing method of the stereolithography (SLA) printing method, which is a photocuring 3D printing method, and to provide information on the post-processing method suitable for the application. Although it was possible to improve some of the transparency of the SLA-type output by regularly changing the irregular microstructure of the surface through polishing, it was difficult to secure sufficient transparency like glass. The change in contact angle characteristics due to grinding showed a tendency to slightly increase as the grinding time increased and the particle size of the sandpaper used was small, but the variation between samples was large and the average contact angle was 77~90°, showing no statistically significant difference. Surface treatment methods other than polishing were tried, and it was confirmed that it was possible to easily and simply improve the transparency by applying a commercially available vehicle scratch remover or silicone oil. In addition, a method for securing high transparency such as glass by using a scratch remover after sequential grinding while reducing the particle size of the sandpaper was proposed. Finally, even after surface treatment through polishing and various methods, it was difficult to secure a contact angle of 90° or more.

디젤탈황 단위공정의 CFD 모델링을 포함한 연료전지 시스템 공정설계 및 최적화

최창용 ( Chang Yong Choi ),임도진 ( Do Jin Im ) 한국화학공학회 2018 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.56 No.3

본 연구에서는 100 kW급 연료전지 시스템의 운영을 위한 공정 및 CFD 모델링을 진행하였다. 공정 모델링을 통해 연료전지 각 단위 공정에 유입되는 유량을 도출하였으며 수소로 전환되지 않는 디젤의 환류량을 도출하였다. 디젤의 환류를 고려한 새로운 유입 유량 조건을 이용해 CFD 해석을 진행한 결과, 환류 디젤이 없는 것으로 가정한 이전 연구 결과에 비해 더 짧은 유입시간과 비슷한 시간의 처리시간을 가지는 이점이 있음을 확인하였다. 6기의 탈황 반응기를 이용해 100 kW급 연료전지를 가동시키는데 필요한 TSA 탈황 시스템 구성을 완료하였으며 전체 TSA 공정 운영을 위한 운용 방안을 도출하였다. 반응기 사이의 열 전달 해석을 통해 저온의 탈황공정과 고온의 재생공정 간의 열 간섭이 크지 않음을 확인하였다. 본 연구결과는 연료전지 시스템의 효율화에 기여할 것이며, 도출된 탈황모듈의 설계는 연료전지 시스템뿐만 아니라 청정 석유화학산업의 기초가 될 것으로 기대된다. We performed process and CFD simulations of a 100 kW fuel cell system. By process simulation, we derived the input flow rate of each unit process and the recycle diesel flow rate. Through CFD simulation considering the recycle diesel flow, more efficient operational condition was found. Using 6 desulfurize reactors, a TSA process for a 100 kW fuel cell system was successfully constructed. Heat interference between reactors was found to be negligible. These results will contribute to increasing the efficiency of fuel cell system and the developed desulfurizing module design will contribute to the clean petrochemical technology as well as fuel cell systems.

탈황, 재생공정 및 흡착속도 추정을 포함한 디젤용 탈황반응기 설계

최창용 ( Chang Yong Choi ),임도진 ( Do Jin Im ) 한국화학공학회 2017 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.55 No.6

본 연구에서는 시판중인 흡착제 및 단열재 정보를 활용하여 탈황반응 및 재생공정을 모사함으로써 100 kW급 연료전지용 디젤 탈황반응기에 적용이 가능한 반응기 디자인 및 공정 조건을 도출하였다. 흡착제의 실험결과를 흡착속도론에 적용하여 흡착제 포화도에 따른 흡착속도를 도출하였으며 수치해석을 통해 검증하였다. 반응기 크기에 따른 탈황성능변화 예측을 통해 100 kW급 연료전지용 반응기 크기를 결정하였다. 결정된 최적 반응기 크기를 이용해 반응기에서 단위 시간 당 처리할 수 있는 디젤의 양을 최대로 할 수 있는 유량을 분석하여 목표 농도에 따른 최적 운전 조건을 도출하였다. 또한 재생공정에 대한 분석을 수행하여 크기가 증가한 반응기의 경우에도 재생공정에 문제가 없음을 확인하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과들은 향후 공정 시뮬레이션 프로그램에 적용하여 최종 공정설계 및 경제성 평가를 진행할 예정이다. In this study, we performed numerical simulation of the adsorptive desulfurization reactor for a 100 kW fuel cell. Using experimental results and the adsorption kinetics theory, the adsorption rate of sulfur in diesel was estimated and verified by numerical analysis. By analyzing the performance of desulfurization according to reactor size, the optimal reactor size was determined. By maximizing processed diesel amount, optimal diesel flow rate was determined. Regenera-tion process was also confirmed for the obtained optimal reactor size. The present work will be utilized to design a die-sel desulfurization reactor for a fuel cell used in a ship by further process modeling and economic analysis.

CFD 모델링을 통한 연료전지용 디젤의 흡착탈황 반응기 디자인

권상구(Sang Gu Kwon),유준(Jay Liu),임도진(Do Jin Im) 한국청정기술학회 2015 청정기술 Vol.21 No.4

현재 국내에서 수소 관련 연구에 대한 관심이 매우 크나 수소원으로 사용하는 디젤 등 연료 내 존재하는 황 화합물을 제거하는 흡착 시스템 개발 관련 연구는 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수치해석을 통해 연료전지용 디젤 흡착 탈황 반응기에 대한 기초 디자인 연구를 수행하였다. 유량에 따른 반응기 내부의 유동 변화와 출구에서의 황 화합물의 농도를 반응기의 지름 및 길이를 변화시켜가며 해석하여, 출구에서의 황 화합물의 기준 농도 (1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였으며 반응기의 길이 증가가 지름 증가보다 효율적임을 확인하였다. 또한, 충전된 탈황 촉매의 투과율에 따른 내부 유동 및 농도 변화를 살펴보았다. 본 연구 결과는 선박 연료전지용 디젤의 흡착 탈황 반응기 디자인 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다. 또한, 연료전지뿐 아니라 일반적으로 정유사에서 생산되는 디젤유의 황 함유량을 감소시키는 저황 시스템 디자인에 활용할 수 있으며 이러한 의미에서 석유화학 산업의 청정화 기술 확보에 이바지할 것으로 기대된다. Recently, there are increasing numbers of study regarding hydrogen fuels but researches on desulfurization of diesel are rare. In this study, we performed diesel desulfurization reactor design by computation fluid dynamics simulation. By analyzing the change in flow and sulfur concentration at the outlet according to the changes in flow rate, reactor length, and reactor diameter, we have found the minimum catalyst performance for the given flow rate condition and the relation between the reactor performance and the reactor size and shape. We also studied the effects of permeability of the packed bed on the flow and sulfur concentration distribution. The present work can be utilized to design a diesel desulfurization reactor for a fuel cell used in ships. Furthermore, the present work also can be used to design low sulfur diesel supply in oil refineries and therefore contribute to the development of clean petrochemical technology.

희생층 프린팅 공법을 이용한 미세유동 채널 제작

하동헌(Dong-Heon Ha),김진오(Jin-Oh Kim),고동현(Dong-Hyeon Ko),김병수,김희진(Heejin Kim),임도진(Do Jin Im),박수영(Soo-Young Park),김동표(Dong-Pyo Kim),조동우(Dong-Woo Cho) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

챔버 부피 및 ZPP 충전량에 따른 닫힌 챔버 내부 압력거동의 수학적 분석

공태연(Tae Yeon Kong),김준형(Junhyung Kim),임도진(Do Jin Im) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12