오투버블 기술자료

제목 마이크로버블 및 수중 플라즈마를 이용한 살균력테스트






4. 마이크로버블 테스트 시스템

- 오투버블 마이크로버블 발생기를 포함하여

   UV살균기, 활성산소 발생기, 용존산소센서, 냉각기로 구성된 살균력 테스트 시스템을 구성함.

- 마이크로버블이 수조에서 발생되면, 미세한 기포에 의한 빛의 산란이 발생하여

   투명한 수조가 즉시 뿌옇게 변하는 것을 알 수 있음.

- stokes 법칙()에 의하여 계산한 결과, 수조 내에 발생된 마이크로버블은 20~25㎛의 크기를 가지는 것으로 계산됨.





- 수조에 세균이 생장할 수 있는 최소의 영양분이 섞인 minimal medium을 채 운 담수를 넣고

   1 x 106 CFU/mL 농도로 대장균(wild type BL21 E.coli)을 넣고 친 환경 살균 방식에 따른 살균 능력을 테스트함.

- 살균된 수조의 물을 시간의 경과에 따라 채취하여 37도의 인큐베이터에서 12 시간 이상 배양한 뒤,

   개체의 수를 세어 살균되지 않은 경우와 대비하여 살균된 개체수를 계산하였음.


- 시스템에 구성된 수조는 소형이기 때문에, 마이크로버블을 이용한 살균처리 과정에서,

  마이크로버블이 소멸하면서 발생하는 열에너지가 발산하지 못하고 축 적되어 수조 온도가 상승하는 것을 확인함.(그림 4)


- 세균의 생장환경(온도) 변화가 살균 테스트에 영향을 주기 때문에 냉각기를 가동하여 균일온도(25도)에서 살균 테스트를 진행함.

  그러나, 실제 테스트 베드 또는 양식 수조의 살균 환경은 대형 수조의 순환방식이므로 발생한 열에너지가 발산할 것으로 예상됨.



5. 살균력 테스트


- 공기를 이용하여 발생시킨 마이크로버블을 이용한 살균력 테스트에서 2시간 이내에 살균력 65%에 도달하는 것을 확인함.




- 발생된 마이크로버블이 소멸되면서 세균을 죽이는 효과가 있는 활성이온(O, OH, H2O2, O3, 각종 radical 등)이

   발생되지만, 수조에 존재하는 매우 높은 농도 의 대장균을 제거하기에는 충분하지 못한 것으로 판단됨.


- 마이크로버블에 의해 발생하는 활성 이온의 양을 증가시키고 살균력을 향상시 키기 위하여

공기가 아닌 활성산소를 주입하여 마이크로버블을 발생하도록 활성 산소 발생기를 테스트 시스템에 도입함.






- 마이크로버블 + 활성산소를 이용한 살균 테스트 결과, 40분 이내에 살균력 97%에 도달하였으며,

  이것은 현재 가장 강력한 살균방식으로 알려진 UV 살균기 를 이용한 살균력과 거의 대등한 결과임 (그림 6).

- 마이크로버블화 되지 않은, 일반 기포 크기(수 mm)의 활성 산소를 수조에 발 생시킬 때의 살균력은

   마이크로버블화된 경우에 크게 미치지 못하였으며, 동일시 간 동안 50% 살균력을 보임.

- 마이크로버블 + 활성산소 방식의 살균력이 이처럼 높은 이유는, 마이크로버블 화된 활성 산소 이온들은

   밀리미터 크기의 일반기포의 경우보다 매우 넓은 표면 적을 가지기 때문에, 단위 시간 동안 수조에 퍼져 있는

   세균과 반응하는 확률을 높기 때문임.

- 그러나, 시판 제품인 마이크로버블 발생기는 공기의 주입이 아닌 벤츄리 효과 (Venturi effect)를 이용하여

   마이크로버블의 양과 크기를 조절하도록 설계되어 있 기 때문에, 양압을 가지는 활성 산소의 주입으로

   설계치 이상의 기체가 유입됨에 따라 마이크로버블이 적정 크기 이상으로 발생됨.

- 30분 이내 99% 이상의 살균력에 도달하기 위해서는 마이크로버블 + 활성산 소를 더 미세한 크기로 조절할 필요가 있으며,

   2차년도에 양압의 기체 유입에 최 적화하여 설계가 변경된 마이크로버블 발생기를 제작할 예정임.



6. 용존산소 테스트

- 용존산소량은 수조 내의 어패류의 생장에 결정적인 역할을 하는 요소이며, 요 구되는 용존산소량을 유지하기 위하여

스키머(skimmer)에서 공기중의 산소가 용 해되도록 수조를 설계함.


- 마이크로버블 + 활성 산소 방식의 친환경 살균기는 넓은 표면적을 갖는 활성 산소를 발생하기 때문에

스키머의 기능을 뛰어 넘는 용존산소 증가를 보일 것으 로 예상됨.


- 용존산소 측정기를 수조에 넣고 0.2 L/min의 유량으로 일반 기포 산소를 대조 군으로 하여 용존산소 증가를 측정한 결과,

   기존 방식 대비하여 400% 빠른 용존 산소 공급능력이 있음을 확인함.

- 일반 기포 크기를 갖는 산소를 수조에 주입한 경우, DO 25 mg/L 도달에 80 분이 소요되었으나,

   산소 마이크로버블을 수조에 주입한 경우, DO 25 mg/L 도달 에 20분이 소요됨.


- 그러나, 포화 용존산소량(25도 수온일 때, 8 mg/L) 이상의 용존산소는 수중 내 용존산소의 과포화상태를 일으키며,

  이는 수중생물, 특히 어류에게 과산소증 (hyperxia)을 유발하게 되므로 됨.

- 테스트 베드/실제 양식 수조에서 by-passing 유수를 처리하는 경우는, 대용량 순환수조이므로 용존산소 테스트 결과와 같이

   너무 높은 용존산소량이 실현되지 는 않을 것으로 예상되지만, 적정량 이상의 용존산소를 제거할 수 있도록 설계를 고려해야 함.





∎ 플라즈마 방식 친환경 살균기 평가


1. 플라즈마 빔 조사 방식 및 효과

- DBD(Dielectic Barrier Discharge)플라즈마를 이용하여 담수내 미생물과 유기 물을 처리하는 기술로써

다수의 유전체 석영관을 액상 피처리 대상물 내 설치하 여 담수와 완전히 절연 독립된 금속전극에 고전압을 인가하고 수조 내 접지전극 으로 활용,

담수자체가 상대전극 역할을 하며 담수와 전극 사이에 DBD(Dielectic Barrier Discharge) 플라즈마를 형성하고,

방전 시 생성되는 자외선과 화학적 활성종 기체(O, OH, H2O2, O3, 각종 radical 등)와 자외선(UV)을 동시에 사용하여 각종 산화성물질을 기액반응을 통해

미세기포 형태로 담수 내에 분산시켜 별도의 약품처리 없이 수중 세균 및 미생물을 제거하기 위해 대용량설비에 복합적으로 적용 가능한 기술임.


2. DBD 플라즈마 작동 조건 확인

- 소금을 포함한 담수내에서 작동이 잘 되지 않는 기존의 방식을 개선하고자 함.

- 일반적인 해수의 소금농도는 30~35 g/L - 해수 내에서 플라즈마 작동이 잘 되지 않는 점을 확인하고 NaCl 농도에 따른 플라즈마 빔 조사시간에 관한 테스트를 진행함.

- 펄스 방식중 펄스 회수 및 시간에 따라서도 작동유무가 결정됨을 확인.

- 30 g/L의 NaCl 함유한 조건에서 2초작동후 멈췄다가 다시 작동하는 1회 펄스방식으로 진행해야 함을 확인.


3. 살균력 테스트

o 1차 살균 테스트

- 7 × 106 CFU/mL 대장균을 대조군으로 선정

- 수조 용량 : 38 L - 플라즈마 방식 : DBD & 펄스 방식

- 전체적으로 30분 동안에 약 20~30%의 살균력을 보이고 있으나 편차가 심함.

- CV값을 보아도 대체적으로 분포도가 넓은 것을 확인 (그림 9)


o 2차 살균 테스트

- 3 × 106 CFU/mL 대장균을 대조군으로 선정

- 수조 용량 : 38 L - 플라즈마 방식 : DBD & 펄스 방식

- 전체적으로 30분 동안에 약 60%의 살균력을 보이고 있음.

- CV값을 보아도 대체적으로 분포도가 넓은 것을 확인 (그림 10)

∎ 결론

- 친환경 살균 방식인 마이크로버블 발생기 시판제품을 이용한 살균 테스트에서 97%의 살균력(40분 이내)을 확인함.

수중 플라즈마를 이용한 살균 테스트에서는 60%의 살균력(30 분 이내)을 확인하였음.

















 

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