이산화탄소 배양기에 왜 결로 현상이 발생하나요?
우리가 사용할 때CO2 배양기세포를 배양할 때, 첨가하는 액체의 양과 배양 주기의 차이로 인해 배양기 내 상대 습도에 대한 요구 조건이 달라집니다.
배양 주기가 긴 96웰 세포 배양 플레이트를 사용하는 실험의 경우, 각 웰에 첨가되는 액체의 양이 적기 때문에 37℃에서 장시간 증발할 경우 배양액이 건조될 위험이 있습니다.
배양기 내 상대 습도를 90% 이상으로 높이면 액체의 증발을 효과적으로 줄일 수 있지만, 새로운 문제가 발생합니다. 많은 세포 배양 실험자들이 고습 환경에서 배양기에 결로가 쉽게 발생한다는 사실을 발견했으며, 이러한 결로를 제어하지 않으면 점점 더 많이 축적되어 세포 배양에 세균 감염 위험을 초래할 수 있습니다.
그렇다면 배양기 내부에 결로가 발생하는 이유는 상대 습도가 너무 높기 때문일까요?
우선 상대습도라는 개념을 이해해야 합니다.상대 습도(Relative Humidity, RH)는 공기 중 실제 수증기 함량이고, 는 동일 온도에서 포화 상태의 수증기 함량 대비 백분율입니다. 공식은 다음과 같습니다.
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상대 습도는 공기 중 수증기 함량과 최대 가능 함량의 비율을 나타냅니다.
구체적으로:
* 습도 0%:공기 중에는 수증기가 없습니다.
* 습도 100%:공기는 수증기로 포화되어 더 이상 수증기를 함유할 수 없으므로 응결이 발생합니다.
* 습도 50%:이는 현재 공기 중 수증기량이 해당 온도에서의 포화 수증기량의 절반임을 나타냅니다. 온도가 37°C일 때 포화 수증기압은 약 6.27kPa입니다. 따라서 상대 습도 50%에서의 수증기압은 약 3.135kPa입니다.
포화수증기압압력은 특정 온도에서 액체 상태의 물과 수증기가 동적 평형 상태에 있을 때 기체 상태의 수증기에 의해 발생하는 압력입니다.
구체적으로, 수증기와 액체 상태의 물이 밀폐된 시스템(예: 밀폐가 잘 된 라도비오 CO2 배양기)에 공존할 경우, 물 분자는 시간이 지남에 따라 액체 상태에서 기체 상태로 계속 변화(증발)하고, 기체 상태의 물 분자는 액체 상태로 계속 변화(응축)합니다.
어느 시점에서 증발 속도와 응축 속도가 같아지며, 그 시점의 증기압은 포화 수증기압이 됩니다. 이는 다음과 같은 특징을 갖습니다.
1. 동적 평형:밀폐된 상에서 물과 수증기가 공존할 때, 증발과 응축이 평형 상태에 도달하면 상 내의 수증기압은 더 이상 변하지 않으며, 이때의 압력은 포화 수증기압입니다.
2. 온도 의존성:포화 수증기압은 온도에 따라 변합니다. 온도가 증가하면 물 분자의 운동 에너지가 증가하여 더 많은 물 분자가 기체 상태로 빠져나갈 수 있으므로 포화 수증기압이 증가합니다. 반대로 온도가 감소하면 포화 수증기압은 감소합니다.
3. 특징:포화수압은 순전히 물질적 특성 매개변수이며, 액체의 양에는 의존하지 않고 온도에만 의존합니다.
포화수증기압을 계산하는 데 일반적으로 사용되는 공식은 앙투안 방정식입니다.
물의 경우, 앙투안 상수는 온도 범위에 따라 다른 값을 갖습니다. 일반적인 상수 세트는 다음과 같습니다.
* A=8.07131
* B=1730.63
* C=233.426
이 상수 세트는 1°C부터 100°C까지의 온도 범위에 적용됩니다.
이러한 상수들을 이용하여 37°C에서의 포화수압은 6.27kPa임을 계산할 수 있습니다.
그렇다면 섭씨 37도에서 포화 수증기압 상태의 공기 중에는 수분이 얼마나 포함되어 있을까요?
포화 수증기의 질량 함량(절대 습도)을 계산하려면 클라우시우스-클라페이론 방정식을 사용할 수 있습니다.
포화 수증기압: 37°C에서 포화 수증기압은 6.27kPa입니다.
온도를 켈빈으로 변환하면: T=37+273.15=310.15 K
공식에 대입하면 다음과 같습니다.
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계산 결과 약 44.6 g/m³가 나왔습니다.
37°C에서 포화 상태의 수증기 함량(절대 습도)은 약 44.6g/m³입니다. 즉, 공기 1세제곱미터는 44.6g의 수증기를 함유할 수 있습니다.
180리터짜리 이산화탄소 배양기에는 약 8그램의 수증기만 담을 수 있습니다.가습 용기와 배양 용기에 액체를 채우면 상대 습도가 쉽게 높은 값, 심지어 포화 습도 값에 근접할 수도 있습니다.
상대 습도가 100%에 도달하면,수증기가 응결되기 시작합니다. 이때 공기 중 수증기의 양은 현재 온도에서 함유할 수 있는 최대값, 즉 포화 상태에 도달합니다. 수증기량이 더 증가하거나 온도가 낮아지면 수증기는 액체 상태의 물로 응결됩니다.
상대 습도가 95%를 초과하면 결로 현상이 발생할 수도 있습니다.하지만 이는 온도, 공기 중 수증기량, 지표면 온도와 같은 다른 요인에 따라 달라집니다. 이러한 영향 요인은 다음과 같습니다.
1. 온도 감소:공기 중 수증기량이 포화 상태에 가까우면 온도가 조금만 낮아지거나 수증기량이 조금만 증가해도 결로가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 배양기 내부의 온도 변화는 결로를 유발할 수 있으므로, 배양기 내부 온도를 안정적으로 유지하면 결로 발생을 억제하는 효과가 있습니다.
2. 이슬점 온도보다 낮은 국지적 표면 온도:표면 온도가 이슬점 온도보다 낮으면 수증기가 표면에 물방울로 응결되므로 배양기의 온도 균일성이 결로 억제에 더 나은 성능을 발휘합니다.
3. 수증기 증가:예를 들어, 가습용 팬이나 액체가 많이 담긴 배양 용기, 그리고 배양기의 밀폐성이 좋을 경우, 배양기 내부 공기 중 수증기량이 현재 온도에서 최대 허용량을 초과하면 온도가 변하지 않더라도 결로가 발생할 수 있습니다.
따라서 온도 조절이 잘 되는 이산화탄소 배양기는 결로 발생을 억제하는 효과가 분명히 있지만, 상대 습도가 95%를 초과하거나 포화 상태에 도달하면 결로 발생 가능성이 크게 증가합니다.그러므로 세포를 배양할 때는 좋은 이산화탄소 배양기를 선택하는 것 외에도 높은 습도를 유지하려다 발생하는 결로 현상을 피하도록 노력해야 합니다.
게시 시간: 2024년 7월 23일