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문제 정의
- 센서모듈은 발효기상부 중앙에 위치하도록 하였으며, 공기가 세어나가지 않도록 실리콘 러버로 단단히 고정하였다. 좌측에 추가로 설치된 상대압센서는 발효기 내부와 외부의 공기량을 비교하여 보다 정밀한 데이터를 도출하기 위해 설치되었다. 실험은 온도가 24 ℃로 일정한 장소에서 실시하였으며, 사용되어진 시료는 시판되고 있는 우유 1000 ml와 L.
제안 방법
- 측정장비는 Shimadzu Corporation, OP-1000A를 사용하였다. 가스샘플 채취를 위해 발효기 뚜껑에 구멍을 뚫은 후 가스 콕을 설치하였으며, 발효가 완전히 종료된 직 후 가스밀폐형 주사기를 이용하여 샘플을 채취하였다. 그림 3에서 보는 바와 같이 발생된 가스는 benzenedicarboxylie acid가 주된 화학성분임을 확인하였다.
- 첫 번째 실험을 통해, 유산균이 증식하는 환경의 패턴을 센서로서 관측가능한지 확인하고, 이에 대한 데이터화 가능성을 판별하였다. 두 번째 실험은 실제 유산균 발효 환경 중에 공기량이 유산균 증식에 미치는 영향을 생화학적 실험을 통해 균체수를 정량적으로 측정하여, 센서로 관측된 패턴과 비교하였다.
- 시료 및 발효조건은 위 실험과 동일하게 하였으며, 시료로 사용되어진 혼합유 내의 두 종의 균체는 분리하지 않고 측정하였다. 밀폐용기에 시료양은 공기량이 15 ml, 35 ml, 65 ml, 95 ml, 105 ml가 되도록 채워 공기량의 변화가 유산균 발효에 주는 영향을 관측할 수 있도록 하였다. 유산균수의 측정방법은 세균수(일반세균수) 측정방법에 준하여 시험하고 검체의 희석액은 멸균생리식염수를 사용하였다.
- 유산균수의 측정방법은 세균수(일반세균수) 측정방법에 준하여 시험하고 검체의 희석액은 멸균생리식염수를 사용하였다. 배지는 BCP 첨가 평판 측정용 배지를 사용하여 35~37 ℃에서 72시간 배양한 후 발생한 황색의 집락을 유산균의 집락으로 계측하였다. 그림 7은 위 실험의 결과로서 밀폐용기 내의 공기량이 증가함에 따라 유산균의 균체 수가 비례하여 증가하다가 공기량이 65 ml일 때 최고치에 이른 후 다시 감소하는 모습을 볼 수 있다.
- 본 연구는 전기적인 센서시스템을 통해 유산균의 발효환경을 인식하고, 이 중 공기량에 대한 데이터 변화가 실제 유산균증식과 어떤 관계가 있는지를 생화학적 실험을 통해 비교하였다.
- 위 예측을 정량적으로 검증하고, 밀폐 용기 내의 공기량이 발효 시 유산균의 균체수 증가에 미치는 영향을 관측하기 위해 생화학적 실험을 별도로 실시하였다. 시료 및 발효조건은 위 실험과 동일하게 하였으며, 시료로 사용되어진 혼합유 내의 두 종의 균체는 분리하지 않고 측정하였다. 밀폐용기에 시료양은 공기량이 15 ml, 35 ml, 65 ml, 95 ml, 105 ml가 되도록 채워 공기량의 변화가 유산균 발효에 주는 영향을 관측할 수 있도록 하였다.
- 위 예측을 정량적으로 검증하고, 밀폐 용기 내의 공기량이 발효 시 유산균의 균체수 증가에 미치는 영향을 관측하기 위해 생화학적 실험을 별도로 실시하였다. 시료 및 발효조건은 위 실험과 동일하게 하였으며, 시료로 사용되어진 혼합유 내의 두 종의 균체는 분리하지 않고 측정하였다.
- 이에 앞서 발효 중 발생하는 기체의 화학조성을 확인하기 위해, 본 실험과 동일한 시료 및 조건을 사용하여 요구르트를 제조한 후, 발효기 내의 기체를 채취하여 GC-mass 측정을 실시하였다. 측정장비는 Shimadzu Corporation, OP-1000A를 사용하였다.
- 첫 번째 실험을 통하여 발효기 내에서 유산균이 증식함을 간접적으로 확인하고, 발효환경을 관측하기 위하여 그림 2와 같이 압력, 가스, 습도, 온도를 측정할 수 있는 센서모듈을 발효기 내에 삽입하였다. 이 중 가스센서는 공기의 구성성분과 다른 분자가 감지되면 출력을 나타내는 형태의 센서로서 가스종류에 따라 반응량이 다를 수 있다.
- 첫 번째 실험을 통해, 유산균이 증식하는 환경의 패턴을 센서로서 관측가능한지 확인하고, 이에 대한 데이터화 가능성을 판별하였다. 두 번째 실험은 실제 유산균 발효 환경 중에 공기량이 유산균 증식에 미치는 영향을 생화학적 실험을 통해 균체수를 정량적으로 측정하여, 센서로 관측된 패턴과 비교하였다.
대상 데이터
- 제조된 시료를 135 ml 용기에 90% 채워 센서가 장착된 발효기에 삽입하고, 발효를 시작하는 동시에 컴퓨터로 측정을 시작하였다. 데이터는 시간당 120회 추출되도록 설정하였으며, 총 실험시간(8시간)동안 960개의 데이터를 추출하였다. 그림 5는 실험 준비가 완료된 전체시스템의 모습을 나타내었다.
- 실험은 온도가 24 ℃로 일정한 장소에서 실시하였으며, 사용되어진 시료는 시판되고 있는 우유 1000 ml와 L. acidophilus, S. thermophilus가 균주로 사용된 발효유 150 ml를 섞어 제조하였다.
이론/모형
- 밀폐용기에 시료양은 공기량이 15 ml, 35 ml, 65 ml, 95 ml, 105 ml가 되도록 채워 공기량의 변화가 유산균 발효에 주는 영향을 관측할 수 있도록 하였다. 유산균수의 측정방법은 세균수(일반세균수) 측정방법에 준하여 시험하고 검체의 희석액은 멸균생리식염수를 사용하였다. 배지는 BCP 첨가 평판 측정용 배지를 사용하여 35~37 ℃에서 72시간 배양한 후 발생한 황색의 집락을 유산균의 집락으로 계측하였다.
성능/효과
- 네 가지 센서출력은 컴퓨터를 통하여 동시에 측정, 기록되었다. 그래프 a)를 통하여 발열판에서 발생된 열이 발효기 내 분위기에 적절히 전달됨을 볼 수 있었으며, 실험에서 사용된 두 가지 발효균주의 생육온도인 40 ℃를 유지함을 관찰 할 수 있었다. 또한, b)와 d)의 비교를 통해 가스량의 증가에도 불구하고, 압력은 오히려 감소하는 모순되는 결과를 관측하였다.
- 본 연구를 통하여 유산균 증식환경의 패턴을 센서로서 관측하고, 이를 데이터화하여 발효환경을 제어할 수 있는 가능성을 보였다. 또한, 가정용 발효기를 이용하여 요구르트 제조 시 용기내의 채워지는 혼합유와 공기량의 비가 유산균 증식량에 영향을 줄 수 있음을 규명하였다. 보다 정밀한 요구르트 발효 환경요소를 관측할 수 있도록 센서를 추가하여, 본 연구에서와 같이 생화학적 실험과 관련지으며 구체적인 요구르트 제조환경의 제어가 가능할 것으로 예상된다.
- 본 연구를 통하여 유산균 증식환경의 패턴을 센서로서 관측하고, 이를 데이터화하여 발효환경을 제어할 수 있는 가능성을 보였다. 또한, 가정용 발효기를 이용하여 요구르트 제조 시 용기내의 채워지는 혼합유와 공기량의 비가 유산균 증식량에 영향을 줄 수 있음을 규명하였다.
- 또한, b)와 d)의 비교를 통해 가스량의 증가에도 불구하고, 압력은 오히려 감소하는 모순되는 결과를 관측하였다. 이러한 결과는 발효기 내 온도가 적절한 생육온도(40 ℃)에 이르러 시간에 따라 유산균수가 증가하며, 용기 내 가스 발생량이 증가함과 동시에 산소소비량이 증가하여, 감지된 가스량은 증가하나 산소 소비에 의해 발효기 내의 압력은 감소하는 것으로 예상할 수 있다.
후속연구
- 또한, 가정용 발효기를 이용하여 요구르트 제조 시 용기내의 채워지는 혼합유와 공기량의 비가 유산균 증식량에 영향을 줄 수 있음을 규명하였다. 보다 정밀한 요구르트 발효 환경요소를 관측할 수 있도록 센서를 추가하여, 본 연구에서와 같이 생화학적 실험과 관련지으며 구체적인 요구르트 제조환경의 제어가 가능할 것으로 예상된다.
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