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문제 정의
- 본 논문에서는 전통적인 점토 숙성과정에서 숙성에 따른 점토의 물성 변화, 유기물성분의 변화, 미생물의 농도 변화 등을 조사하여 숙성효과를 체계적으로 규명하고자 하였다. 또한, 생물공학기술을 활용하여 점토 숙성용 미생물들을 개발하고, 이들 미생물들을 이용하여 점토를 처리하여, 처리전의 원료 점토와 생물공학기술을 활용한 숙성법과 전통 숙성법에 의해 각각 처리한 점토의 강도, 강도, 소성수축률, 입도, 점도 및 색도 등과 같은 물성 변화를 조사하였다.
- 전통적으로 사용되어 왔던 점토의 숙성과정을 과학적으로 규명하였고, 철환원세균의 농화배양액 을 이 용하는 생명공학기술을 이용한 개량된 점토 숙성방법을 연구하였다. 전통적으로 사용되어 왔던 수비법에 의한 점토의 숙성은 토착 미생물들이 점토에 함유된 유기물을 분해하는 과정에서 철불순물을 점토로부터 제거하여 색상을 향상시킬 뿐만 아니라 점토의 점성과 가소성 및 강도를 증진시키는 효과가 있음을 알 수 있었다.
제안 방법
- 하였다. 또한, 생물공학기술을 활용하여 점토 숙성용 미생물들을 개발하고, 이들 미생물들을 이용하여 점토를 처리하여, 처리전의 원료 점토와 생물공학기술을 활용한 숙성법과 전통 숙성법에 의해 각각 처리한 점토의 강도, 강도, 소성수축률, 입도, 점도 및 색도 등과 같은 물성 변화를 조사하였다.
- 분리한 점토를 완전히 건조 후 건조시킨 성형체를 1250 ℃에서 소성 시켜 길이를 측정하였다. 또한, 소성수축률을 측정한 시료의 색도는 색도계(CM1000, MINOLTA)를 사용하여 측정하였다.
- Mould를 분리하기 전에 점토에 길이 5cm정도를 표시한 후, mould에 점토가 붙지 않도록 분리하였다. 분리한 점토를 완전히 건조 후 건조시킨 성형체를 1250 ℃에서 소성 시켜 길이를 측정하였다. 또한, 소성수축률을 측정한 시료의 색도는 색도계(CM1000, MINOLTA)를 사용하여 측정하였다.
- 분쇄하였다. 분쇄한 점토를 200 mesh 표준망체를 이용하여 체 친 후, 물을 45% 첨가하였다. Bowl mill에 넣고 혼합한 후, 점도계 (RVDV-III, Brookfield)를 이용하여 점도를 측정하였다.
- 분쇄하였다. 분쇄한 점토를 325 mesh 표준 망체로 체친 후, 입도 분석기(Maatersizer-S, Malvern)를 이용하여 입도를 측정하였다.
- 소성수축률을 측정하기 위해 점토를 유발에 담아 증류수를 적당량 부은 후 가소성을 지닌 덩어리를 만들었다. Mould에 유화제를 발라둔 후, 잘 반죽한 점토를 mould에 빈틈이 생기지 않도록 조밀하게 넣었다.
- 숙성과정에서 점토 반응액의 혼합여부가 숙성 점토에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 발효조 1기는 1 일 1~2 회 정도 배지를 혼합하여 주었고, 또 하나의 발효조는 점토액을 혼합하지 않았다. 용출된 철의 농도를 측정하기 위하여 점토용액을 5 mL씩 채취하였다 숙성 처리한 점토의 회수과정에서 숙성 점토의 세척여부가 점토의 물성에 미치는 영향도 조사하였다.
- 이러한 상태에서 약 25일 동안 숙성 시켰다. 용출된 철의 농도를 측정하기 위하여 점토용액을 채취하였으며, 1 주일 간격으로 점토 200 g 씩을 채취하여 미생물의 농도 및 유기물의 농도를 측정하였다.
- 산청토 점토 10 g을 500 mL의 배지가 들어 있는 1 L의 혈칭병에 넣고, 질소를 불어넣어 산소를 제거한 후에 butyl rubber로 밀폐시킨 후 30 ℃에서 4~7 일간 배양하였다. 이렇게 얻은 배양균을 5회 연속 계대배양하여 농화배양균(철환원 균)을 얻었다. 점토 숙성용 농화배양균은 배지에서의 환원된 Fe2+의 농도 증가로 확인하였다.
- 전통 도예에서의 점토의 수비를 통한 숙성과정과 본 연구에서 개발한 생명공학을 이용한 숙성과정을 통한 점토의 물성(강도, 점도, 소성 수축율, 입도, 및 색도)의 변화를 조사하였다.
- 전통적인 방법과 농화배양균을 이용한 숙성방법을 이용하여 처리한 점토의 물성을 비교하기 위하여, 강도, 소성수축률, 입도, 점도 및 색도를 다음과 같은 방법으로 측정하였다.
- 점토 숙성용 집식 배양균을 이용하이 산청토의 숙성을 반응기 내의 점토들 매일 1~2회 혼합하여 준 경우와 혼합하기 않은 경우의 두 조건으로 수행하였다(Figure 3과 Figure 4). 점토 반응액을 1일 1~2회 혼합하는 조건에서 점토를 숙성시킨 경우에는(Figure 3) 배양 25시간 동안 탄소윈으로 첨가한 glucose 농도가 초기 40 g/L에서 16 g/L까지 급속하게 감소하였고 이에 대응하여 점토 반응액의 pH도 초기 6.
- 점토 숙성용 철 환원 농화 배양액을 얻기 위해 산청토 점토를 분리원으로 하여 철환원 세균용 배지에서 5번 계대 배양한 배양액을 산청토 점토에 접종하여 철환원능을 조사하였다(Figure 2). 배양이 진행됨에 따라 배양액의 pH는 초기 7.
- 5 mL까지 채운후 510mn 파장에서 흡광도를 측정하였다. 점토 중의 미생물의 농도는 점토와 점토용액을 원심분리하여(8000 rpm, 10 min) 회수한 침전물에 5 N NaOH용액을 첨가하여 100℃ 에서 30분간 중탕 처리하여 얻은 용액 중의 단백질 농도를 측정하는 간접적인 방법을 이용하여 측정하였다. 점토 중의 총 유기탄소(total organic carbon)는 TOC 분석기(Shimadzu 5000, Japan)를 사용하여 분석하였다.
- 점토 중의 미생물의 농도는 점토와 점토용액을 원심분리하여(8000 rpm, 10 min) 회수한 침전물에 5 N NaOH용액을 첨가하여 100℃ 에서 30분간 중탕 처리하여 얻은 용액 중의 단백질 농도를 측정하는 간접적인 방법을 이용하여 측정하였다. 점토 중의 총 유기탄소(total organic carbon)는 TOC 분석기(Shimadzu 5000, Japan)를 사용하여 분석하였다.
- 전통적으로 사용되어 왔던 수비법에 의한 점토의 숙성은 토착 미생물들이 점토에 함유된 유기물을 분해하는 과정에서 철불순물을 점토로부터 제거하여 색상을 향상시킬 뿐만 아니라 점토의 점성과 가소성 및 강도를 증진시키는 효과가 있음을 알 수 있었다. 점토숙성용 철환원세균 농화배양액을 얻는 방법을 제시하였고, 점토에 탄소원을 첨가한 후 혐기적 조건에서 농화배양액을 이용한 점토 숙성 방법을 제시하였다. 생물공학 기술을 활용한 개량점토 숙성법은 전통적인 점토 숙성에서 소요되는 점토의 처리 시간을 약 1/6 수준이하로 단축시킬수 있었고, 점토로부터 철불순물을 보다 효과적으로 제거할 수 있었을 뿐만 아니라 전통적인 방법보다도 물성이 우수한 점토로 고품위화가 가능하였다.
- L 규모의 발효조에 넣었다. 종균으로 농화배양균을 2 L를 접종한 후 수조를 밀폐시킨 후 숙성 시켰다. 숙성과정에서 점토 반응액의 혼합여부가 숙성 점토에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 발효조 1기는 1 일 1~2 회 정도 배지를 혼합하여 주었고, 또 하나의 발효조는 점토액을 혼합하지 않았다.
대상 데이터
- 점토 숙성용 농화배양균은 배지에서의 환원된 Fe2+의 농도 증가로 확인하였다. 농화배양과정에서 얻은 배양균을 산청토 점토에 접종하여 배양한 후 이를 점토 숙성용 종균으로 사용하였다.
- 산청토 9 kg과 수돗물 9 L, 탄소원으로 glucose 360 g을 30 L 규모의 발효조에 넣었다. 종균으로 농화배양균을 2 L를 접종한 후 수조를 밀폐시킨 후 숙성 시켰다.
- 4 이다. 산청토 점토 10 g을 500 mL의 배지가 들어 있는 1 L의 혈칭병에 넣고, 질소를 불어넣어 산소를 제거한 후에 butyl rubber로 밀폐시킨 후 30 ℃에서 4~7 일간 배양하였다. 이렇게 얻은 배양균을 5회 연속 계대배양하여 농화배양균(철환원 균)을 얻었다.
이론/모형
- 배양액중의 철농도를 분석하기 위해서 Muir의 spectropho-tometric법을 이용하였다(10). Fe2+농도는 시료 0.
성능/효과
- 배양 5일 경과 후부터 급격하게 철 환원이 진행되었고, 8일 경과 후 약 58 mg/L의 철이 환원되었다. 결과적으로 농화 배양균은 철환원 세균이 우점종임을 알 수 있었다. 농화배양액으로 부터 철환원 능력을 가진 수종의 순수 균주를 분리하였으나 점토의 숙성은 현실적으로 멸균계에서 수행이 불가능 할 뿐만 아니라 분리한 단일 균주만으로 처리할 경우 탈철율이 현저하게 감소하는 것을 확인하였다.
- 결과적으로 전통적인 점토숙성법과 생물공학을 활용한 숙성법을 이용한 철불순물의 제거특성(Figure 1과 Figure 3-4)과 물성변화들을 종합해 볼 때, 본 연구에서 제안한 철환원세균농화배양액을 이용하는 점토숙성법은 전통적인 점토 숙성방법의 처리 시간(25일)을 약 1/6 수준이하(4일이내)로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 전통적인 방법보다 더 우수한 점토의 물성을 제공할 수 있는 방법임을 의미한다. 또한, 점토 숙성조건으로 포도당과 같은 탄소원을 적당량(점토중량의 3~4 wt%)첨가한 후 숙성기간동안에 점토 배양액을 매일 1-2회 정도 교반해 주고, 처리한 점토를 수 세정할 때 가장 우수한 물성의 고품위 점토를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 결과적으로 농화 배양균은 철환원 세균이 우점종임을 알 수 있었다. 농화배양액으로 부터 철환원 능력을 가진 수종의 순수 균주를 분리하였으나 점토의 숙성은 현실적으로 멸균계에서 수행이 불가능 할 뿐만 아니라 분리한 단일 균주만으로 처리할 경우 탈철율이 현저하게 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, 점토의 숙성은 순수균의 사용보다는 혼합 농화균의 사용이 바람직 한 것으로 사료된다.
- 물성을 제공할 수 있는 방법임을 의미한다. 또한, 점토 숙성조건으로 포도당과 같은 탄소원을 적당량(점토중량의 3~4 wt%)첨가한 후 숙성기간동안에 점토 배양액을 매일 1-2회 정도 교반해 주고, 처리한 점토를 수 세정할 때 가장 우수한 물성의 고품위 점토를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 54 kg/mm2이었다. 반면에 전통적인 숙성방법에 의해 25일간 처리한 시료의 강도는 0.65 kg/mm2로 강도가 약 1.2배 정도 증가하여 물성이 향상되는 것을 확인하였다. 마찬가지로 철환원세균 농화배양액을 이용한 점토의 숙성법에 의해 4일간 처리한 시료의 경우에도 숙성 처리 조건에 따라 점토의 강도의 차이를 보이지만 숙성처리하지 않은 점토보다 강도가 향상되었다.
- 5로 저하되었다. 비혼합 배양 실험에서의 glucose 분해속도가 혼합배양 실험의 glucose 분해속도보다 다소 느림을 알 수 있었다. Fe2+의 용출은 혼합 배양한 경우와 유사하게 배양 20시간부터 관찰되었으나, 용출된 Fe2+의 최고 농도는 200 mg/kg clay로, 혼합 배양의 경우보다는 적은 양의 철이 점토로부터 용출되었다.
- 점토숙성용 철환원세균 농화배양액을 얻는 방법을 제시하였고, 점토에 탄소원을 첨가한 후 혐기적 조건에서 농화배양액을 이용한 점토 숙성 방법을 제시하였다. 생물공학 기술을 활용한 개량점토 숙성법은 전통적인 점토 숙성에서 소요되는 점토의 처리 시간을 약 1/6 수준이하로 단축시킬수 있었고, 점토로부터 철불순물을 보다 효과적으로 제거할 수 있었을 뿐만 아니라 전통적인 방법보다도 물성이 우수한 점토로 고품위화가 가능하였다.
- 숙성 처리 전후의 점토의 색도 변화를 조사한 결과, 숙성처리하지 않은 점토의 백색도, 적색도, 황색도는 각각 58.52%, 7.34%, 25.70% 이었으나, 숙성처리에 의해 적색도는 감소하고 백색도가 증가하였다. 특히, 전통적인 숙성법에 의해 처리한 점토의 백색도와 적색도는 각각 60.
- 또 다른 중요한 물성중의 하나인 숙성 처리 전후의 점토의 입도 변화를 조사한 결과, 입도 분포는 숙성 처리의 유무 및 숙성 처리 방법의 차이에 관계없이 거의 유사하였다(Figure 7). 이러한 결과는, 전통적 점토 숙성법뿐만 아니라, 생물공학을 활용한 점토 숙성법도 점토의 입도 분포에는 거의 영향을 주지 않음을 시사하였다.
- 또한, 숙성 10일 이후에 Fe2+의 용출량이 2-3 mg/kg-clay 에서 약 11-14 mg/kg-clay로 급격하게 증가한 이후에는 Fe2+의 용출이 거의 관찰되지 않았다. 점토용액 중의 TOC 농도는 숙성기간이 증가할수록 점차로 감소하였고, 미생물 농도는 숙성 초기 3 일 동안에는 거의 변화가 없었으나, 7 일 이후부터 급격하게 증가하였다가 다시 감소하는 경향이 관찰되었다. 이러한 미생물 농도변화는 Figure 1 (a)의 Fe2+ 용출 시점과 잘 일치한다.
- 이러한 미생물 농도변화는 Figure 1 (a)의 Fe2+ 용출 시점과 잘 일치한다. 즉, 미생물들의 증식시점에서 점토에 함유된 유기물들이 감소와 Fe2+ 용출량 증가하는 것으로 보아, 전통적인 점토의 숙성은 토착미생물에 의해 점토에 함유된 불순물인 유기물을 분해시키고 점토 중에 함유된 산화철을 전자수용체로 이용하여 수용성인 Fe2+로 환원시켜 철분순물을 제거시키는 일련의 과정을 통해 점토가 안정화되는 것을 알 수 있었다.
- 68 kg/mm2 이었다. 즉, 철환원세균을 이용하여 혼합해주면서 숙성시킨 점토를 물 세정함으로써 강도를 처리전보다 1.4배 정도 향상시킬수 있었다.
- 70% 이었으나, 숙성처리에 의해 적색도는 감소하고 백색도가 증가하였다. 특히, 전통적인 숙성법에 의해 처리한 점토의 백색도와 적색도는 각각 60.01% 및 5.64% 이었으나, 생물공학 활용 숙성법에 의해 처리한 점토의 백색도와 적색도는 각각 64.07%와 4.16%이었다. 일반적으로 적색도가 낮고 백색도가 높은 점토를 양질의 점토로 분류하므로, 생물공학 활용 숙성법에 의해 처리한 점토가 전통적인 방법에 의해 처리한 경우보다 품질이 좋아 진 것을 알 수 있다.
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