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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 발효공정 감시용 센서 장치를 구성하고 포도주를 제조하여 포도주 발효 중 포도당 농도를 시간별로 측정하여 그 성능을 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 계측된 전류값은 표준포도 포도당 측정된 calibration 전류값을 기준으로 포도당 농도로 환산된다. 공정을 구성하는 펌프 방향제어밸브, 인젝션 밸브의 제어는 basic 언어와 ladder 언어를 동시에 구현할 수 있는 제어장치(compile technology 사, CUBLOC290)를 사용하였으며, 제어장치는 controller, 그래픽 LCD, 접촉형 pad가 일체형으로 구성되었다. 측정된 전류 값은 자료수집장치(Lab VIEW)를 이용하여 컴퓨터로 저장하였다.
- Werasak 등(1999)은 세 종류의 효소를 두 단계로 고정화시킨 여러 개의 전극 봉을 사용하여 흐름 주입분석으로 식품 속에 있는 자당(sucrose)과 포도당(glucose)의 농도를 연속적으로 측정이 가능함을 보여주었다. 그리고 흐름 주입분석을 사용하기 위한 최적의 조건들과 효소의 양, pH, 온도의 영향을 측정하였다. Rocha와 Ferreira(2002)는 대장균(E.
- 그림에서 센서로 측정한 값은 샘플여과장치에서 기공 크기 100 iim필터로 여과 된 고형분이 포함된 시료와 원심분리 후 기공크기 0.45 ml로 여과된 고형분이 포함되지 않은 시료를 각각 비교하여 나타내었다. 포도당의 경우 발효가 진행됨에 따라 농도는 점차 감소하다가 발효 후 60시간 이후부터 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있으며 센서 측정값이 HPLC 측정값보다 크게 나타남을 알 수 있다.
- 발효실험을 위한 발효장치는 발효조(10 L, 0 180x450 mm, Pyrex), 용액 교반용 오거(stainless), 오거구 동용 감속 모터 (AC220V, 23 W, Panasonic), 감속모터 회전수 조절용 인버터(AC220V, 23 W, 600 rpm, Youngjin), 밀폐용 캡 및 오링, 발효조 고정용 프레임 및 지지대로 구성하였다. 제작.
- 발효장치에서 채취된 시료의 전류값을 측정하여 전류 값이 전류계의 측정 범위(199.0 nA)이상이거나 표준전류값 농도 범위 이외의 경우 시료를 다시 채취하여 표준전류값 적정범위로 자동 희석 시킨 다음 전류값을 측정하고 이를 표준 전류 값과 비교하여 농도로 환산하였다 발효 중 포도당 농도는 발효 직후부터 1주일간 매 12시간 간격으로 측정하였으며, 3 회 반복 측정 후 평균값을 대표 값으로 하였다.
- 시료의 농도를 측정하기 전 10, 20, 30 mM의 표준 포도당 용액을 증류수로 희석하여 제조한 후, 5 Unit/mL의 포도당 효소액을 사용하여 각 시료 표준농도에 대한 표준전류값 곡선을 구하였다. 각 농도에서 3회 반복 측정하여 평균값을 대표 값으로 사용하였다.
- 장치 성능 검증을 위해 HPLC(High Performance Liquid Chromatograph)를 사용하여 포도당 농도를 측정한 후 이를 센서에서 측정한 값과 비교하였다. 발효장치에서 채취 및 희석된 시료를 원심분리기(12,000 rpm, 30 min.
- Park 등(1996)은 한 개의 음극과 두 개의 양극(dual cathode system)으로 구성된 효소 고정식 산소 전극봉을 이용하여 탁주 발효공정 중 포도당과 에탄올의 농도 변화를 측정하였다 Kim과 Noh(2002)는 Park 등(1996)이 개발한 센서를 이용하여 식혜 제조 공정 중 포도당과 맥아당 농도를 측정하고 이 결과를 사용하여 식혜 제조공정을 최적화하고 그 결과를 제시하였다 Song과 Irudayaraj(2003)은 미세 투석 장치를 사용하고 기질 .효소를 완충용액 중에서 직접 반응시키는 흐름 주입분석 방식으로 포도당 농도를 측정하였다.
대상 데이터
- glucose oxidase를 사용하였다. Sodium phosphate(mono), sodium phosphate(dibasic), sodium chloride, 증류수를 사용하여 0.5 M의 sodium phosphate 완충용액(pH 7.0, 10 mM NaCl)을 제조하여 사용하였으며, 표준포도당 용액은 완충용액으로 희석시켜 제조하였다. 실험에 사용된 재료의 상세한 규격은 표2와 같다.
- 시중에서 구입한 칠레산 거봉포도(8 kg)의 가지를 제거한 후 물로 깨끗이 세척하고 약 1시간 정도 표면 수분을 제거하였다 당도를 24도로 유지하기 위해 600 g의 백설탕과 효모 1.6 g을(포도 중량의 0.02%) 세척된 포도에 혼합하고 손으로 잘게 파쇄하여 발효장치에 투입하였다. 발효장치에 투입된 포도 액은 실험실 내에서 상온 상태로 약 1주일간 발효시켰다.
- 실험에 사용된 샘플용 액 자동채취 및 여과는 Song 등 (2007)이 개발한 그림 1과 같은 장치를 사용하였다. 그림 1에서 자동채취 및 여과장치는 샘플을 발효시키는 발효 조 샘플 내의 고형분을 여과시키는 여과장치, 샘플 흡입과 송출기능을 갖는 다이어프램 펌프 방향 제어밸브 샘플을 담는 수집 용기로 구성되며, 발효조 및 펌프 조작과정은 수작업으로 이루어지고, 방향제어밸브는 전용 PC를 사용하여 온라인으로 작동된다.
- 포도주제조를 위해 칠레산 거봉 포도 백 설탕, 효모를 시중에서 구입하여 사용하였으며, 포도당 농도 측정을 위해 포도당, glucose oxidase를 사용하였다. Sodium phosphate(mono), sodium phosphate(dibasic), sodium chloride, 증류수를 사용하여 0.
성능/효과
- 기존의 시료 채취를 위한 샘플링 장치에서 발생되는 문제점을 해소하기 위해 발효공정의 온라인 감시를 위한 바이오센서 개발에 반드시 필요한 자동기질용액 채취 및 여과장치를 적용한 발효공정 온라인 감시를 위한 센서장치를 구성하고 포도주제조 중 포도당 농도를 측정하고 HPLC를 사용하여 성능을 검증한 결과, 장치 calibration, 고형분농도 희석비율 증가 등의 요인으로 약 30% 이상의 매우 큰 오차를 보였다. 따라서 개발된 센서 장치의 현장 적용을 위해서는 장치의 정밀도와 관련된 문제점을 구체적으로 파악하고, 이를 해결할 방안에 대한보다 심층적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- White 등(1996)은은, 백금 및 포도당 효소를 얇은 막 형태로 제조한 전극 봉을 사용하여 발효공정 중 포도당 농도를 측정했다. 또한 일주일간 전극 봉을 사용하여 높은 수준의 재현성을 나타내었다. I询endran와 Irudayaraj(2002) 는 미세투석 장치를 사용하는 흐름 주입식 전류 센서를 이용하여 우유 속의 포도당, 젖당, 유당의 농도를 온라인으로 측정하였다.
- 45 ml로 여과된 고형분이 포함되지 않은 시료를 각각 비교하여 나타내었다. 포도당의 경우 발효가 진행됨에 따라 농도는 점차 감소하다가 발효 후 60시간 이후부터 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있으며 센서 측정값이 HPLC 측정값보다 크게 나타남을 알 수 있다. 그림8은 HPLC 측정값을 기준으로 환산한 센서 측정값의 상태 오차를 나타낸 것으로 발효 후 72 시간까지는 30% 이하로 나타났으나 그 이후에는 100% 이상으로 매우 크게 나타남을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 개발된 센서 장치의 현장 적용을 위해서는 장치의 정밀도와 관련된 문제점을 구체적으로 파악하고, 이를 해결할 방안에 대한보다 심층적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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