AlChem

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

영문 : Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models

과제 팀명

AlChem

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함.

개발 과제의 배경

21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함

개발 과제의 목표 및 내용

본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함.

삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인

● 대상자 수 산정

학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

2. 편익(총 재해비용)

총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.

직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.

비용(Cost)

● 기기 설치비용

후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.

● 연간 유지관리비

급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.

● 전체 소요비용 계산

각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.

급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.

경제성 분석 결과

총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.

B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

● 조리실 내 공기질 개선

조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
미세먼지(PM₁₀)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.

● 조리실 내 환기 시스템 개선

현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.

사회적 파급효과

● 조리사의 폐암 발병률 감소

우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.

추진체계

설계

설계사양

제품 요구사항

● 현 급식실의 문제점

환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.

● 요구사항

● 목적계통도

● QFD(Quality Function Deployment)

실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.

개념설계안

학교 조리실 현황

1. 학교 조리실 기본 현황

경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.

2. 조리 시 발생하는 오염물질

조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m³을 초과하였음.

조리실 내 환기의 흐름

출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q₁)와 전체환기시스템의 배기장치(Q₂)에 의함.
전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

후드

1. 설계 대상 후드의 종류

조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.

2. 에어커튼

오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).

3. 가림판

후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.

전체환기시스템

조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.

소요동력

요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.

송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.

조리실 설계도

일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.

조리실 평면도

조리실 입체도

이론적 계산 및 시뮬레이션

조리실 내 환기유량 계산

1. 실내 오염 발생량(M)

실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.

● 후드의 규격

후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.

● 기존 후드의 흡입량

상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.

후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.

● 실내 오염 발생량(M) 계산

조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM₁₀)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).

2. 개선된 후드의 흡입량(Q₁)

수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.

각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
개선된 후드의 흡입량(Q₁)은 후드 A의 경우 18.78 m³/s, 후드 B의 경우 27.38 m³/s임.
기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
기존 후드의 흡입량인 4.03 m³/s(후드 A)와 5.88 m³/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.

3. 전체 급기량(Q)

수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
초기농도 C_o는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM₁₀)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m³을 기준농도로 사용.
전체환기량은 292.80 m³/s임.

4. 전체환기시스템 배기유량(Q₂)

수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q₁)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q₂) 산정.
개선된 후드 A, B의 흡입량(Q₁) 합계는 46.16 m³/s임.
전체급기량(Q)이 292.80 m³/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q₂)은 246.64 m³/s임.

에어커튼 및 가림판

● 에어커튼 규격

사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.

● 에어커튼 유속

성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.

● 가림판 규격

작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

요리조리 시스템의 운영

조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q₁)을 산정.
계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q₂) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.

조립도

시연할 후드의 전반적인 모습.
실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.

오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

부품도

후드 요소

에어커튼

제어부 및 회로설계

후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도

에어커튼의 아두이노 회로도

위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.

소프트웨어 설계

후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드

에어커튼의 아두이노 코드

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

(단위: 원)

완료작품의 평가

향후계획

본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM₁₀) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행.
전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계.
본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계.

참고문헌

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산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터.
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599.
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이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원.
최윤정. (2022). 2022 산업안전기사. 구민사
통계청. (2022). 「소비자물가조사」
하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원.
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LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204.
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사.
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936>
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883>
삼성서울병원 암교육센터. <http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776>
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv>
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

AlChem

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석

특허조사

관련 시장에 대한 분석

경제성 분석

편익비용비(B/C ratio)

편익-비용 분류

편익 (Benefit)

비용(Cost)

경제성 분석 결과

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

사회적 파급효과

추진체계

설계

설계사양

제품 요구사항

개념설계안

학교 조리실 현황

조리실 내 환기의 흐름

후드

전체환기시스템

소요동력

조리실 설계도

이론적 계산 및 시뮬레이션

조리실 내 환기유량 계산

에어커튼 및 가림판

요리조리 시스템의 운영

조립도

부품도

후드 요소

에어커튼

제어부 및 회로설계

후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도

에어커튼의 아두이노 회로도

소프트웨어 설계

후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드

에어커튼의 아두이노 코드

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

참고문헌

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