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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 살균법의 단점을 보완하는 차세대 살균기술로서의 응용성을 확인하기 위하여 분사식으로 토치형 상압 플라즈마 반응기를 제작하여 아르곤과 산소의 혼합기체를 방전시킨 플라즈마 flame의 발생 형태와 특성을 분석하고, 여러 가지 공정 변수에 대하여 미생물 E. col의 살균 효과에 대하여 측정하였다.
제안 방법
- 유전체간의 틈은 1 mm 였으며 이 틈에서 플라즈마 방전이 일어난다. 방전기체는 mass flow controller (MFC) 를 이용하여 방전 기체로 사용하는 아르곤과 산소의 유량을 조절하였다. 플라즈마 발생 전원 장치는 주파수가 30 kHz이고 최대 인가전력이 2 kW인 AC 고전압 전원 공급기 (Uion, P15kVAC)를 사용하였다.
- 플라즈마 발생 전원 장치는 주파수가 30 kHz이고 최대 인가전력이 2 kW인 AC 고전압 전원 공급기 (Uion, P15kVAC)를 사용하였다. 상압 플라즈마 방전 스팩트럼 특성을 분석하기 위하여 optical emission spectroscopy(OES, Neospec 2000i)를사용하였으며 발생된 오존의 농도를 오존 분석기 (ECO Sensors Ozone Analyser UV100)로 측정하였다.
- coli XL1-blue 이 었으며 액체배지를 이용하여 1/100으로 희석하였다. 희석한 용액을 한천을 첨가하여 굳힌 LB(Luria-bertani, Difco.) 배지에 100 μ를 도말한 후에 여러 공정 조건에서의토치형 상압 플라즈마 방전 기체를 LB 배지의 가운데 부분을 조사하였다. 플라즈마 처리 후에 배지를 16시간 배양한 후 광학 사진을 통하여 정량분석을 하였다.
- ) 배지에 100 μ를 도말한 후에 여러 공정 조건에서의토치형 상압 플라즈마 방전 기체를 LB 배지의 가운데 부분을 조사하였다. 플라즈마 처리 후에 배지를 16시간 배양한 후 광학 사진을 통하여 정량분석을 하였다. 상압 플라즈마 반응기의 공정 조건으로 유입되는 기체유입량이 아르곤 3 L/min에 산소혼합 비율이 0%, 5% (150 sccm), 10%(300 sccm), 15%(450 sccm), 20%(600 sccm) 인 조건과 입력전력이 60 W(2.
- 플라즈마 처리 후에 배지를 16시간 배양한 후 광학 사진을 통하여 정량분석을 하였다. 상압 플라즈마 반응기의 공정 조건으로 유입되는 기체유입량이 아르곤 3 L/min에 산소혼합 비율이 0%, 5% (150 sccm), 10%(300 sccm), 15%(450 sccm), 20%(600 sccm) 인 조건과 입력전력이 60 W(2.28 kV), 80 W(3.18 kV), 100 W(4.15 kV) 로 조절하였으며, 처리 시간은 30초에서 180초까지 변화를 시켰다.
- 입력전압과 유도전류에 대한 분석은 오실로스코프 (Tektronix TDS2012B)를 이용하여 플라즈마 발생 시의 전류와 전압 파형의 측정하였다. 산소와 아르곤의 혼합비가 300 sccm과 3 L/min인 혼합기체를 4.
- 토치형 상압 플라즈마에 의한 살균 효과는 배지 위에 생성된 E. coli 균이 담긴 시료에 플라즈마를 조사하여 분석하였다. 살균처리 공정에서 반응기에 유입되는 혼합기체에서 아르곤을 3 L/min으로 고정하였을 때에 산소 공급이 150, 300, 450, 600 sccm 일 때 혼합비율이 5%, 10%, 15%, 20%라 하였다.
- 살균처리 공정에서 반응기에 유입되는 혼합기체에서 아르곤을 3 L/min으로 고정하였을 때에 산소 공급이 150, 300, 450, 600 sccm 일 때 혼합비율이 5%, 10%, 15%, 20%라 하였다. 방전 조건으로 입력전압은 2.28 kV (60 W), 3.18 kV(80 W), 4.15 kV(100 W)였으며, 시료와 반응 기와의 거리는 10 mm 였으며 처리시간은 0에서 180초까지 변화시켰다. Fig.
- 8은 반응기로 유입되는 기체의 혼합비율에 따른 국부 살균 효과를 나타내었다. 입력전압이 4.15 kV(100 W)에서 반응기로 유입되는 아르곤은 3 L/min으로 고정시킨 후 산소혼합 비율을 5, 10, 15 20%에 대한 국부 살균 효과를 알아보아다. (a) 는 플라즈마 처리를 하지 않고 배양시킨 상태이며, (b) 는 아르곤만을 써서 국부살균실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. 본 장치에서는 2개의 길이는 15 cm로 같으나 직경 이서로 다른 석영 관이 2중 격벽의 유전체 막을 구성하며 내경이 4 mm 이며 두께가 1 mm 인 석영관은 봉 형태의 전원인가 전극을 둘러싸며, 내경이 8 mm에 두께가 2 mm 인 외측 석영 관은 두께가 1 mm이고 길이가 4 cm 인 링 타입의 접지전극으로 감싸졌다. 이때 두 개 전극은 모두 스테인레스 스틸 재질로 만들어졌다.
- 토치형 상압 플라즈마의 살균 효과를 분석하기 위한 실험에 사용된 균주는 E. coli XL1-blue 이 었으며 액체배지를 이용하여 1/100으로 희석하였다. 희석한 용액을 한천을 첨가하여 굳힌 LB(Luria-bertani, Difco.
성능/효과
- 2에 나타내었다. 3 L/ min의 아르곤을 주입한 경우에서 플라즈마 flamee 입력전압이 클수록 flame의 길이와 광도가 증가하였다. 입력전압이 4.
- 15 kV 였으며 방출 스펙트럼은 대표적인 아르곤 원자와 산소 원자의 특성 라인이 잘 나타나고 있다. 대표적인 산소 원자의 특성 라인인 777 nm에서 방출 강도가 나타나고 있음을 확인하였다. 이는 방전된 아르곤 플라즈마가 공기 중의 산소와 충돌하여 산소라디칼 (O*)을 형성함에 따라 특정 파장의 빛이 나타나는 것으로 판단된다.
- 5에 나타내었다. 혼합기체 내에 산소의 비율을 5%에서 20%까지 올리고 인가전력도 60 W에서 100 W 까지 높임 에 따라 오존 농도는 모두 증가하는 경향을 보였다. 100 W 의 인가전력에 20% 산소 비율에서 415 ppm으로 가장 높은 오존 농도를 얻을 수 있었다.
- 혼합기체 내에 산소의 비율을 5%에서 20%까지 올리고 인가전력도 60 W에서 100 W 까지 높임 에 따라 오존 농도는 모두 증가하는 경향을 보였다. 100 W 의 인가전력에 20% 산소 비율에서 415 ppm으로 가장 높은 오존 농도를 얻을 수 있었다. 오존 농도의 증가율은 인가전력보다 혼합기체 내의 산소비율에 더 영향을 받음을 나타내었다.
- 100 W 의 인가전력에 20% 산소 비율에서 415 ppm으로 가장 높은 오존 농도를 얻을 수 있었다. 오존 농도의 증가율은 인가전력보다 혼합기체 내의 산소비율에 더 영향을 받음을 나타내었다. 높은 농도의 오존을 얻기 위해서 가급적 높은 인가전력과 산소 비율이 높은 혼합기체가 유리하다.
- 상압 플라즈마 반응기를 통해 나오는 플라즈마 flamee 입력전압, 반응기체의 유량 그리고 아르곤/산소 혼합기체에서의 산소비율에 영향을 크게 받았으며, 플라즈마 flame의 분사 길이는 최대 15 mm 정도였다. 플라즈마 접촉을 통한 표면의 온도 상승효과는 가장 높은 입력전압의 조건에서도 10분 노출 후에도 표면 온도가 43 oC 미만이었다.
- 플라즈마 방전을 통한 자외선의 발생은 매우 작아 자외선과 열을 통한 살균 효과는 극히 미미하다 할 수 있다. 아르곤/산소 혼합기체에서 산소의 비율이 높고 입력전압이 커짐에 따라 오존의 농도가 증가하여 실험조건에서 최고 415 ppm를 얻을 수 있었다. 결과적으로 저온의 표면 처리를 통하여 종래의 살균법의 단점을 보완할 수 있음을 확인하였다.
- 아르곤/산소 혼합기체에서 산소의 비율이 높고 입력전압이 커짐에 따라 오존의 농도가 증가하여 실험조건에서 최고 415 ppm를 얻을 수 있었다. 결과적으로 저온의 표면 처리를 통하여 종래의 살균법의 단점을 보완할 수 있음을 확인하였다. E.
- 결과적으로 저온의 표면 처리를 통하여 종래의 살균법의 단점을 보완할 수 있음을 확인하였다. E. col의 살균처리에서 입력전압의 증가, 아르곤/ 산소 혼합기체에서 산소 비율 증가 그리고 플라즈마 flame 노출 시간의 증가에 따라 살균 효과의 증가 현상을 보였다. 이 결과는 공정 조건에서 오존 발생농도를 높이거나 오존과의 살균유효시간의 증가가 살균 효과를 높이는 것을 나타낸 것이다.
- col의 살균처리에서 입력전압의 증가, 아르곤/ 산소 혼합기체에서 산소 비율 증가 그리고 플라즈마 flame 노출 시간의 증가에 따라 살균 효과의 증가 현상을 보였다. 이 결과는 공정 조건에서 오존 발생농도를 높이거나 오존과의 살균유효시간의 증가가 살균 효과를 높이는 것을 나타낸 것이다. 본 연구 결과에 따르면 토치형 상압 플라즈마는 저온에서 국부적인 미생물 살균효과가 있어 기존의 살균법을 대체할 수 있는 기술임을 확인할 수 있었다.
- 이 결과는 공정 조건에서 오존 발생농도를 높이거나 오존과의 살균유효시간의 증가가 살균 효과를 높이는 것을 나타낸 것이다. 본 연구 결과에 따르면 토치형 상압 플라즈마는 저온에서 국부적인 미생물 살균효과가 있어 기존의 살균법을 대체할 수 있는 기술임을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 초기에 측정된 실온은 27 oC 였으며 5분 후에 40 oC, 10분 후에는 43 oC가 됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에 사용된 토치형 상압 플라즈마 반응기는 저온 특성을 가져 낮은 열적 저항성이 있는 재료 및 도구에 대한 처리에 유용할 것으로 판단된다.
- 이는 아르곤만을 이용한 플라즈마에서는 flame이 닿는 부분에서만 살균이 이루어지는 것은 오존 발생이 flame 부분에만 국부적으로 소량 발생하거나 flane 에 의한 직접 살균 효과에 기인하는 것으로 해석된다. 따라서 flame에의 노출과 적당한 오존 농도에서의 처리가 결합하면 보다 효율적인 살균 효과를 얻을 수 있을 것으로 해석된다.
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