[바이오화학제품제조기사 필기] 22년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

Monod 방정식은 $\mu = \frac{\mu_{max} \cdot S}{K_s + S}$로 표현되며, 비성장속도(specific growth rate) μ가 최대생장속도 μ_max의 80%일 때를 적용한다.
주어진 조건에서
$0.8\mu_{max} = \frac{\mu_{max} \cdot S}{K_s + S}$이므로, 양변을 μ_max로 나누면
$0.8 = \frac{S}{K_s + S}$가 된다. 양변에 (K_s + S)를 곱하면
$0.8(K_s + S) = S$이고, 정리하면
$0.8K_s + 0.8S = S$이므로
$0.8K_s = 0.2S$이다.
따라서 $\frac{S}{K_s} = \frac{0.8}{0.2} = 4$이다.

포도당은 6개의 탄소를 가진 헥소오스(hexose)이며, 알데하이드기(-CHO)를 가진 알도오스(aldose)로 분류되고, 알데하이드기 때문에 환원당입니다. 반면 퓨라노오스는 5원환 구조를 가진 당의 분류인데, 포도당은 6원환 구조인 피라노오스(pyranose) 형태로 존재하므로 퓨라노오스의 특성을 갖지 않습니다.

곰팡이는 액체배양에서 균사가 뭉쳐 자라므로 현탁액의 탁도를 이용하는 광학밀도 측정법이나 개별 세포 계수법보다 여과·회수한 균체를 건조해 무게를 재는 건조중량 측정법이 균체량 정량에 가장 적합하다. 평판계수법은 생균수 측정, 헤모사이토미터 측정법은 현탁된 개별 세포 수 측정에 주로 사용된다.

Zygosaccharomyces rouxii는 삼투압 친화성 효모(osmophilic yeast)로서 높은 당 농도 환경에서 생장하며, aw 0.6 이하의 매우 낮은 수분활성도에서도 생장 가능하다.
Bacillus subtilis: aw 0.90 이상에서 생장한다.
Aspergillus niger: aw 0.75~0.80 이상에서 생장한다.
Saccharomyces cerevisiae: aw 0.85 이상에서 생장한다.
따라서 나머지는 모두 Z. rouxii보다 필요한 수분활성도가 높다. 수분활성도(aw)는 미생물이 생장하기 위해 필요한 물의 유효성을 나타내며, 낮을수록 건조한 환경에서도 생장할 수 있다.

고박테리아와 진정박테리아는 일반적인 현미경 관찰만으로는 뚜렷하게 구분하기 어렵다. 반면 세포질막의 지질 조성이 다르고, 진정박테리아는 펩티도글리칸 세포벽을 가지며, 리보솜 RNA 염기서열에서도 차이가 나타난다.

가스 크로마토그래피(GC)의 분류 및 원리에 관한 문항으로, 분리관에 충전된 고정상에 따라 GSC와 GLC로 분류한다는 설명이 정확하다. GSC(Gas-Solid Chromatography)는 고정상이 고체(흡착제)이고, GLC(Gas-Liquid Chromatography)는 고정상이 액체인 경우를 구분하는 표준적인 분류 방법이다.
분리관을 통과하며 연소한다: 오류이다. 시료는 이동상(캐리어 가스)에 의해 분리되지만 연소하지 않는다(FID 등의 검출기에서 이후에 연소 반응 발생).
점성 차이에 따라 분리된다: 시료 성분과 고정상 간의 용해도, 흡착력, 극성 차이 등에 따라 분리되는 것이지 점성 차이가 직접적 분리 원인이 아니다.
액화가 가능한 높은 온도의 시료 주입부: 오류이다. 시료 주입부는 시료를 기화시키기 위해 높은 온도(통상 200℃ 이상)를 유지하지만, 이는 액화가 아닌 기화(vaporization)를 목적으로 한다.

해당과정(EMP 경로)에서 포도당 1mol이 발효되어 에탄올로 전환될 때 순생산되는 ATP는 2 mol이다. YX/ATP=10.5g 건조중량/mol ATP이므로, 포도당 1mol당 생성되는 균체량은 10.5×2=21g이 된다. 따라서 YX/S=생성균체량/기질량=21g/180g≈0.117 g 건조중량/g 포도당이 된다.

세포 농도가 두 배가 되는 시간은 배가시간 공식 $t_d=\frac{\ln 2}{\mu}$를 적용한다. $\mu=\ln 2\ \mathrm{h}^{-1}$이므로 $t_d=\frac{\ln 2}{\ln 2}=1\ \mathrm{h}$이며, 따라서 소요 시간은 1시간이다.

대사저해는 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 탄소원에 의해 다른 기질의 분해·대사에 필요한 효소 합성이 억제되는 현상으로, 포도당에서 가장 잘 일어난다. 젖당·섬유소·이눌린은 포도당보다 상대적으로 이용이 늦거나 분해 과정이 필요한 기질이므로 대사저해를 직접 유발하는 대표 기질이 아니다.

배지의 온도는 제조 과정에서 관리해야 하는 조건이지만, 발효배지 조성 자체를 결정하는 핵심 고려사항과는 거리가 있다. 반면 미생물의 대사제어, 대사산물의 생산수율, 세포의 성장속도는 배지 성분과 조성을 결정할 때 직접 고려해야 하는 요소이다.

trp 프로모터는 트립토판이 없을 때 억제 단백질의 활성이 감소하여 발현이 유도되므로, 트립토판 첨가는 발현 유도 방법이 아니라 억제 조건에 해당한다. tac 프로모터는 IPTG 첨가로, gal 프로모터는 갈락토스 첨가로 유도하며, λPL 프로모터는 온도를 30℃에서 42℃로 상승시켜 온도 민감성 억제 단백질을 불활성화함으로써 발현을 유도한다.

포도당 소비로 생성되는 세포량은
$\Delta X=Y S_0=0.4\times20=8\ \mathrm{g/L}$이므로, 최종 세포농도는
$X=0.02+8=8.02\ \mathrm{g/L}$이다.
회분식 배양에서 $X=X_0e^{\mu t}$이므로
$t=\frac{1}{\mu}\ln\frac{X}{X_0}=\frac{1}{0.5}\ln\frac{8.02}{0.02}=2\ln401\approx11.99\ \mathrm{h}$이다.
따라서 포도당이 모두 소비되는 시간은 약 11.99 h이다.

대장균은 일반적으로 항생제 생산 미생물로 이용되지 않으며, 주로 유전자 재조합 단백질 생산에 활용된다. 반면 방선균은 다양한 항생제를 생산하고, 고초균과 곰팡이도 각각 항균물질과 페니실린 등의 항생제 생산에 이용된다.

Zymomonas mobilis는 포도당을 Entner-Doudoroff(ED) 경로로 분해하여 피루브산을 생성한 뒤, 이를 에탄올로 전환하는 대표적인 에탄올 생산 세균이다. Pichia pastoris와 Saccharomyces cerevisiae는 주로 해당과정(EMP 경로)을 이용하며, Bacillus subtilis는 대표적인 에탄올 생산 미생물이 아니다.

효모는 산소가 충분한 조건에서 당을 발효하여 에틸알코올을 생성하기보다 호흡대사를 우선하므로, 배지에 산소가 과량으로 존재하면 알코올 발효가 저해된다. 말토스의 독성이나 상온 배양, 단백질 부족은 제시된 상황에서 가장 직접적인 저해 원인이 아니다.

산소는 기체 상태에서 액체에 용해되어 용존산소가 된 뒤 미생물 세포 내부로 확산되므로 3번이 옳다. 호기성 미생물은 일정 농도 이상의 용존산소를 필요로 하며, 산소 공급이 중단되면 신진대사에 영향을 받는다. 또한 산소는 물에 대한 용해도가 낮아 충분한 공급과 교반이 필요하므로 1번, 2번, 4번은 옳지 않다.

라이신은 곁사슬에 염기성 아미노기를 가진 극성·양전하성 아미노산이므로 비극성(소수성) 아미노산이 아니다. 반면 류신, 트립토판, 페닐알라닌은 일반적으로 비극성 또는 소수성 아미노산으로 분류된다.

총 단백질 농도는 배양액의 전처리와 분석 과정이 필요하고 단백질 종류에 따라 측정값이 달라질 수 있어 온라인 센서로 연속 측정하기 가장 어렵다. 반면 온도, 수소이온농도(pH), 용존산소 농도는 각각 온도 센서, pH 전극, 용존산소 센서로 비교적 쉽게 실시간 측정할 수 있다.

반응식 $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$에서 포도당 1몰(180g)이 에탄올 2몰(2×46=92g)을 생성한다. 따라서 필요한 포도당 농도는 $180 \times \dfrac{100}{92} \approx 195.7\ g/L$로 계산된다.

인베르타아제는 설탕(자당)을 포도당과 과당으로 분해하는 효소이므로 전분 분해 효소가 아니다. 반면 알파 아밀라아제, 베타 아밀라아제, 글루코아밀라아제는 모두 전분을 분해한다.

해당과정의 주요 속도결정 단계는 fructose-6-phosphate가 fructose-1,6-bisphosphate로 전환되는 반응이며, phosphofructokinase-1(PFK-1)이 촉매한다. PFK-1은 해당과정의 대표적인 속도조절 효소로, 세포의 에너지 상태에 따라 활성이 조절된다.

한외여과는 막의 공극 크기와 분자 크기 차이를 이용해 물질을 분리하는 방법이므로, 농도 차와 이온 결합에 의한 분리법이라는 설명은 옳지 않다. 한외여과에서는 막 표면에 젤 층이 형성될 수 있고 농도 구배에 따른 농도 분극이 발생하며, 단백질 농축에도 사용된다.

맥주 제조에서 원심분리 후 남은 효모를 제거하는 마지막 정제 단계에는 filter press가 사용된다. Filter press는 여과포 사이에 고형물을 압착·분리하여 효모와 같은 잔류 고형물을 효과적으로 제거하는 장치이며, candle type·vertical leaf·horizontal plate는 이 공정의 해당 용도와 다르다.

분자체·젤 여과·크기배제 크로마토그래피는 모두 고정상의 공극에 따른 분자 크기 차이로 분리하는 크기배제 원리를 이용한다. 반면 젤 흡착 크로마토그래피는 고정상에 대한 흡착력 차이를 이용하므로 원리가 다르다.

막 분리기술은 일반적으로 미세여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투 순으로 분리 가능한 입자와 분자 크기가 작아진다. 역삼투는 가장 치밀한 막을 사용하여 이온과 저분자 물질까지 분리할 수 있으므로 가장 작은 분자량의 물질을 분리할 수 있다.

페니실린 G 발효 공정은 ㄱ. 배양물을 얻은 후 균사체와 배양액을 분리하는 ㄴ. 균체 분리, 이후 용매를 이용해 페니실린을 추출하는 ㄷ. 원심역류 추출, 추출된 페니실린을 결정화시키는 ㅁ. 결정 석출, 마지막으로 생성된 결정을 회수하는 ㄹ. 결정 회수 순으로 진행된다. 따라서 순서는 ㄱ→ㄴ→ㄷ→ㅁ→ㄹ이다.

황산암모늄 염석은 단백질을 비교적 온화하게 침전시키므로 효소의 변성이 적고 활성 보존에 유리하며, 침전물을 장기간 보관하는 데도 이용할 수 있다. 황산암모늄의 높은 이온강도는 단백질의 수화와 용해도를 낮추며, 황산 이온과 같은 2가 음이온은 1가 음이온보다 염석 효과가 크다. 따라서 침전 단백질이 불안정하여 장기 보관에 부적합하다는 설명이 옳지 않다.

내부유속은 겉보기 유속을 컬럼 내 공극률로 나누어 계산한다. $v_i=\frac{v_o}{\varepsilon}=\frac{10}{0.25}=40\ \mathrm{mL/min}$이므로 충진물 사이에 흐르는 용액의 내부유속은 40mL/min이다.

열에 매우 민감한 액체·비타민·의약품을 40℃ 이하에서 농축할 때는 증발잠열을 회수해 낮은 온도에서 운전할 수 있는 열펌프식 증발기를 사용한다. 칼란드리아식은 일반적인 증발기이며, 열적·기계적 증기재압축 방식은 증기를 재압축해 가열원으로 재사용하는 방식으로 이 조건에 해당하는 대표 답이 아니다.

회전건조기는 주로 고체 입자나 과립을 회전시키며 건조하는 장치로, 용액 및 슬러리 건조에는 적합하지 않다. 반면 교반건조기는 교반하면서 건조하고, 분무건조기는 용액·슬러리를 미세 액적으로 분무하며, 드럼건조기는 액상 원료를 드럼 표면에 얇게 부착해 건조한다.

탈기는 이동상에 녹아 있는 기체를 제거하여 기포 발생에 따른 펌프 압력 변동과 분석 불안정을 방지하는 과정이며, 컬럼 내 기포로 인한 압력 문제도 줄인다. 따라서 시료 여과 후 시료에 형성되는 기포 제거는 일반적인 HPLC 탈기의 목적이 아니다.

Beer-Lambert 법칙 $A=\varepsilon bc$를 적용한다. 입사광의 20%가 투과되므로 흡광도는 $A=-\log(0.20)\approx0.699$이고, $\varepsilon=\frac{A}{bc}=\frac{0.699}{(1.0)(2.0\times10^{-4})}\approx3.5\times10^{3}\ \mathrm{L\,mol^{-1}\,cm^{-1}}$이다. 따라서 몰 흡광계수는 약 3.5×103이다.

미하엘리스-멘텐 식 $v=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$에서 [S]=0.1\,\mathrm{M}가 K_m=10^{-6}\,\mathrm{M}보다 매우 크므로, 초기 반응속도는 최대 반응속도에 거의 도달한다. 따라서 V_{\max}\approx v=0.1\,\mathrm{\mu mol/min}이다.

DNS법은 당의 환원성을 이용하여 분석하므로 환원당인 포도당, 자일로스, 갈락토오스는 분석할 수 있다. 설탕(자당)은 포도당과 과당이 결합한 비환원당으로 자유로운 환원기가 없어 DNS법으로 직접 분석할 수 없다.

촉매효율은 $k_2/K_m$이며, $V_{max}=k_2[E]$이므로 $k_2 = V_{max}/[E]$로 나타낼 수 있다. 두 효소의 농도 $[E]$가 같다고 가정하면, $k_2/K_m \propto V_{max}/K_m$이 된다. a는 $V_{max}/K_m = 10/1000 = 0.01$, b는 $V_{max}/K_m = 1/10 = 0.1$이므로 a의 촉매효율(0.01) < b의 촉매효율(0.1)이다. 따라서 a<b가

Michaelis-Menten식 유도 시 준안정상태(steady-state) 또는 빠른 평형(rapid equilibrium) 가정이 핵심이다. 반응식 $E+S \rightleftharpoons ES \rightarrow E+P$에서 ES 복합체의 생성반응이 P 생성반응보다 훨씬 빨라 평형에 신속히 도달한다고 가정한다.
이에 따라 $[ES]$를 평형상수로 나타내고 이를 이용해 속도식을 단순화한다. 기질이나 효소의 농도가 높아야 한다는 조건, ES의 소멸속도가 빠르다는 조건은 유도 과정의 필수 가정이 아니다.

미세캡슐화법은 효소를 반투과성 막이나 캡슐 내부에 가두는 방법으로, 효소와 담체 사이의 물리·화학적 결합력을 이용하지 않는다. 반면 가교법과 공유결합법은 화학적 결합을, 담체결합법은 담체와의 물리적 흡착 또는 화학적 결합을 이용한다.

유효기한이 임박한 원자재를 먼저 사용하는 방법은 선한선출이다. 선입선출은 입고 순서가 빠른 원자재부터 사용하는 방식이며, 선한선출은 유효기한이 빠른 원자재부터 사용하여 폐기와 품질 저하를 줄인다.

반응식은 $\mathrm{BaH_2+2H_2O\rightarrow Ba(OH)_2+2H_2}$이므로, 먼저 이상기체식으로 수소의 몰수를 구하면 $n=\frac{PV}{RT}=\frac{0.975\times4.36}{0.08206\times(20+273.15)}\approx0.1765\ \mathrm{mol}$이다. 반응식에서 수소화바륨 1 mol당 수소 2 mol이 생성되므로 필요한 $\mathrm{BaH_2}$는 $0.1765/2=0.08825\ \mathrm{mol}$이고, 질량은 $m=0.08825\times139.3\approx12.3\ \mathrm{g}$이다.

사람에게 발병하더라도 치료가 용이한 질병을 일으키는 유전자변형생물체를 개발·이용하는 실험시설로, 환경에 방출되더라도 위해가 경미하고 치유가 용이한 경우는 안전관리 2등급 시설에 해당한다. LMO 연구시설은 위해 정도에 따라 1~4등급으로 분류되며, 1등급은 위해가 없거나 극히 낮은 경우, 3~4등급으로 갈수록 병원성이 높고 치료·예방이 어려운 생물체를 다루는 시설에 해당한다.