본 연구에서 사용한 QRD(Quadratic Residue Diffusor) 마이크로파는 일반적인 마이크로파와 달리 파장의 위상차를 변화시켜 균일한 살균을 유도할 수 있어 저전력으로 효과를 높일 수 있는 새로운 기술로 알려져 있다. 따라서 친환경적이고 에너지 소비가 적은 QRD 마이크로파를 이용하여 식물공장에 이용되고 있는 배지를 멸균할 수 있는 가능성에 대한 기초적인 연구를 수행하여 얻은 결과는 아래와 같다. 마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형은 배지 내의 수분의 함유량과 마이크로파 출력을 2~8kW까지에서 우레탄스폰지와 암면은 외적변형이 전혀 일어나지 않은 것으로 확인되었다. 그러나 PDA고체배지는 2kW 출력에 60초와 180초에서는 배지가 녹지 않았고, 그 외 처리에서는 전부 배지가 녹았다. Bacillus sp.와 Burkholderia sp.에서 마이크로파의 조사 출력과 처리시간에 따른 균주 표면 온도는 차이가 나타났다. 마이크로파의 조사 출력과 처리시간에 따른 균주 멸균 실험은 마이크로파의 출력 2kW에서 시간과 관계없이 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 모두 자라고 있는 것을 확인하였고, 마이크로파의 출력 6kW에서는 Burkholderia sp.의 60초 처리를 제외한 모든 실험구에서 멸균되었으며, Bacillus sp.는 모든 실험구에서 사멸되었다. 마이크로파의 출력 8kW에서 시간과 관계없이 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 모두 멸균되었음을 확인하였다. 균주를 각각의 배지에 오염시킨 후 마이크로파를 처리한 배지 내의 온도는 처리시간 60초 지난 뒤에는 우레탄스폰지와 암면배지에서의 온도가 $100^{\circ}C$ 이상으로 유지되어 대체로 60초 부터 멸균이 가능한 것으로 판단되었다. 따라서 식물공장내에 가장 문제가 되고 있는 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 본 실험에서 사용된 QRD 마이크로파로 충분히 멸균될 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구에서 사용한 QRD(Quadratic Residue Diffusor) 마이크로파는 일반적인 마이크로파와 달리 파장의 위상차를 변화시켜 균일한 살균을 유도할 수 있어 저전력으로 효과를 높일 수 있는 새로운 기술로 알려져 있다. 따라서 친환경적이고 에너지 소비가 적은 QRD 마이크로파를 이용하여 식물공장에 이용되고 있는 배지를 멸균할 수 있는 가능성에 대한 기초적인 연구를 수행하여 얻은 결과는 아래와 같다. 마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형은 배지 내의 수분의 함유량과 마이크로파 출력을 2~8kW까지에서 우레탄스폰지와 암면은 외적변형이 전혀 일어나지 않은 것으로 확인되었다. 그러나 PDA고체배지는 2kW 출력에 60초와 180초에서는 배지가 녹지 않았고, 그 외 처리에서는 전부 배지가 녹았다. Bacillus sp.와 Burkholderia sp.에서 마이크로파의 조사 출력과 처리시간에 따른 균주 표면 온도는 차이가 나타났다. 마이크로파의 조사 출력과 처리시간에 따른 균주 멸균 실험은 마이크로파의 출력 2kW에서 시간과 관계없이 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 모두 자라고 있는 것을 확인하였고, 마이크로파의 출력 6kW에서는 Burkholderia sp.의 60초 처리를 제외한 모든 실험구에서 멸균되었으며, Bacillus sp.는 모든 실험구에서 사멸되었다. 마이크로파의 출력 8kW에서 시간과 관계없이 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 모두 멸균되었음을 확인하였다. 균주를 각각의 배지에 오염시킨 후 마이크로파를 처리한 배지 내의 온도는 처리시간 60초 지난 뒤에는 우레탄스폰지와 암면배지에서의 온도가 $100^{\circ}C$ 이상으로 유지되어 대체로 60초 부터 멸균이 가능한 것으로 판단되었다. 따라서 식물공장내에 가장 문제가 되고 있는 Bacillus sp.와 Burkholderia sp.는 본 실험에서 사용된 QRD 마이크로파로 충분히 멸균될 수 있을 것이라 판단된다.
Unlike general microwave, QRD (Quadratic Residue Diffusor) Microwave used in this study is known as a new technology that enhances the sterilization effect with low power because it is possible to induce the average sterilization by changing wavelength phase difference. Therefore, basic research was...
Unlike general microwave, QRD (Quadratic Residue Diffusor) Microwave used in this study is known as a new technology that enhances the sterilization effect with low power because it is possible to induce the average sterilization by changing wavelength phase difference. Therefore, basic research was conducted on the function that could sterilize culture media for plant factory by using environmentally friendly and low energy consuming QRD Microwave. The results are as follows: It was confirmed that there was no external deformation in the polyurethane foam and rock wool medium when changing the microwave level between 2 and 8 kW in different water content of culture media. However, PDA solid media at 2 kW were not dissolved in 60 and 180 seconds. All of the media were dissolved in other processing. There was little difference in the microwave irradiation level and surface temperature of the strain according to the processing time between Bacillus sp. and Burkholderia sp. In the sterility test according to the microwave irradiation level and processing time, it was confirmed that both Bacillus sp. and Burkholderia sp. grew in the microwave level 2 kW regardless of time. In the microwave level 6 kW, all experimental groups except the processing of Burkholderia sp. for 60 seconds were sterilized, and all of Bacillus sp. was killed in the all experimental groups. In the microwave level 8 kW, it was confirmed that both Bacillus sp. and Burkholderia sp. were sterilized regardless of time. The temperature in microwave-processed media after contaminating strains to each medium was maintained at more than 100 in polyurethane foam and rock wool medium after 60 seconds. In general, it was shown that it was possible to sterilize after 60 seconds. Therefore, it is considered that Bacillus sp. and Burkholderia sp. which are the biggest problems in the plant factory can be adequately sterilized by QRD Microwave used in this study.
Unlike general microwave, QRD (Quadratic Residue Diffusor) Microwave used in this study is known as a new technology that enhances the sterilization effect with low power because it is possible to induce the average sterilization by changing wavelength phase difference. Therefore, basic research was conducted on the function that could sterilize culture media for plant factory by using environmentally friendly and low energy consuming QRD Microwave. The results are as follows: It was confirmed that there was no external deformation in the polyurethane foam and rock wool medium when changing the microwave level between 2 and 8 kW in different water content of culture media. However, PDA solid media at 2 kW were not dissolved in 60 and 180 seconds. All of the media were dissolved in other processing. There was little difference in the microwave irradiation level and surface temperature of the strain according to the processing time between Bacillus sp. and Burkholderia sp. In the sterility test according to the microwave irradiation level and processing time, it was confirmed that both Bacillus sp. and Burkholderia sp. grew in the microwave level 2 kW regardless of time. In the microwave level 6 kW, all experimental groups except the processing of Burkholderia sp. for 60 seconds were sterilized, and all of Bacillus sp. was killed in the all experimental groups. In the microwave level 8 kW, it was confirmed that both Bacillus sp. and Burkholderia sp. were sterilized regardless of time. The temperature in microwave-processed media after contaminating strains to each medium was maintained at more than 100 in polyurethane foam and rock wool medium after 60 seconds. In general, it was shown that it was possible to sterilize after 60 seconds. Therefore, it is considered that Bacillus sp. and Burkholderia sp. which are the biggest problems in the plant factory can be adequately sterilized by QRD Microwave used in this study.
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문제 정의
Table 5. An investigation of sterilization of strains according to microwave irradiation level and processing time.
본 연구에서는 식물공장용 배지의 세균을 멸균할 수 있는 멸균기의 개발에 앞서 Chamber 내부에 9kW용 QRD 마이크로파를 제작하여 조사출력과 수분조건에 따른 멸균 특성을 구명하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 보완할 수 있는 기술로써 균일분산이 가능하도록 개발된 QRD(Quadratic Residue Diffusor) 기술을 활용하여 식물공장용 배지의 세균을 멸균시키는데 적용하고자 하였다. QRD 기술은 X-ray 회절현상에서 착안된 마이크로파의 파장분산 기술이며 이것은 각기 다른 위상차를 갖는 마이크로파가 피가열물에 작용하여 가열시킴으로서 Mode effect를 최소화시켜 열전도가 아주 낮은 피가열물도 골고루 가열하는 특성을 가진다.
제안 방법
6과 같이 외부형태를 조사하였다. 2 종류의 균주의 멸균 실험은 60초, 120초, 180초 동안 마이크로파를 같은 방법으로 조사하였다. 또한 각각 1,000μl(포화상태, 3 × 108cells) 균주를 각각의 배지에 오염(Fig.
또한 외부형태의 변화와 균주 멸균시험에서 오염 배지의 온도변화 역시 동일한 시험방법으로 실시하였다. 균주의 표면온도는 균주별로 마이크로파의 조사출력과 처리시간에 대한 관련성을 검토하였고, 배지 내의 온도변화는 배지별로 마이크로파의 조사출력과 처리시간에 대한 관련성을 검토하였다. 분석방법은 SAS 9.
Chamber 내의 QRD 마이크로파 조사는 내부에 모두 균일하게 작용이 되지만 마이크로파가 직선으로 도달되는 위치에서는 분산율이 떨어지고, 또한 전자파가 휘어지지 않는 특성이 있으므로 가급적 직선의 위치를 피하는 것(Park, 2005b)이 좋다. 따라서 본 실험은 전자파가 발생되는 Magnetron 직선의 위치를 피하여 Fig. 4와 같이 바가 있는 중간아래의 위치에서 가열실험을 하였다.
또한 각각 1,000μl(포화상태, 3 × 108cells) 균주를 각각의 배지에 오염(Fig. 7)시킨 후, 마이크로파를 처리한 배지 내의 균주 멸균정도를 구명하고자 하였다.
7)시킨 후, 마이크로파를 처리한 배지 내의 균주 멸균정도를 구명하고자 하였다. 또한 외부형태의 변화와 균주 멸균시험에서 오염 배지의 온도변화 역시 동일한 시험방법으로 실시하였다. 균주의 표면온도는 균주별로 마이크로파의 조사출력과 처리시간에 대한 관련성을 검토하였고, 배지 내의 온도변화는 배지별로 마이크로파의 조사출력과 처리시간에 대한 관련성을 검토하였다.
마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형 여부실험은 배지 내의 수분의 포화(100%), 반포화(50%), 불포화(0%) 상태에서 Magnetron 출력을 2, 4, 6, 8kW로 공급하였다. 처리시간은 60초에서 300초까지 처리한 후 Fig.
본 실험을 수행하기 위해 QRD 마이크로파 조사는 기본적으로 2, 4, 6, 8kW로 공급하였다. Chamber 내의 QRD 마이크로파 조사는 내부에 모두 균일하게 작용이 되지만 마이크로파가 직선으로 도달되는 위치에서는 분산율이 떨어지고, 또한 전자파가 휘어지지 않는 특성이 있으므로 가급적 직선의 위치를 피하는 것(Park, 2005b)이 좋다.
시험처리한 각각의 배지를 1 × 1 × 1cm3의 정육면체를 LB 고체배지(10g/L trypton, 5g/L yeast extract 25g/L, 10g/L NaCl, pH 7.0, 16g/L bacto agar)에 접종하여 28 ± 1℃의 생장상의 암상태에서 7일 정도 지난 후 균주의 자란정도의 길이를 조사하여 멸균정도를 구명하였다.
측정된 자료는 AX5232 컨버터를 통하여 산업용 컴퓨터(MODICON, IBM, Korea)에서 일시 기억 후 RS-232C 직렬 통신케이블을 통하여 시스템 컨트롤 스테이션에 실시간으로 기록되도록 하였다. 외부온도는 Thermometer(CEM, DT-8835, UK)를 이용하여 조사하였다.
4와 같이 설계, 제작하였다. 입사파와 반사파가 이루는 만곡점을 균일하게 분포시켜 균일한 가열이 가능하도록 Chamber의 좌측면에 5개, 우측면에 4개로 설치하였고, Chamber 내부에는 알루미늄 Diffusor를 제작 설치하였다. Diffusor는 Chamber의 벽면에서 나오는 마이크로파의 파형을 Fig.
마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형 여부실험은 배지 내의 수분의 포화(100%), 반포화(50%), 불포화(0%) 상태에서 Magnetron 출력을 2, 4, 6, 8kW로 공급하였다. 처리시간은 60초에서 300초까지 처리한 후 Fig. 6과 같이 외부형태를 조사하였다. 2 종류의 균주의 멸균 실험은 60초, 120초, 180초 동안 마이크로파를 같은 방법으로 조사하였다.
또한 시스템 전체의 관리와 온도변화를 측정 및 기록하는 스테이션은 586컴퓨터를 사용하였으며, T-type 열전대로 15 Points를 측정하였다. 측정된 자료는 AX5232 컨버터를 통하여 산업용 컴퓨터(MODICON, IBM, Korea)에서 일시 기억 후 RS-232C 직렬 통신케이블을 통하여 시스템 컨트롤 스테이션에 실시간으로 기록되도록 하였다. 외부온도는 Thermometer(CEM, DT-8835, UK)를 이용하여 조사하였다.
대상 데이터
32m로 자체 제작하였다. Chamber의 내부에 설치된 Magnetron 출력은 Fig. 5와 Table 1의 제원과 같이 1kW용 LG 2M246(LG, Korea) 9개를 Fig. 4와 같이 설계, 제작하였다. 입사파와 반사파가 이루는 만곡점을 균일하게 분포시켜 균일한 가열이 가능하도록 Chamber의 좌측면에 5개, 우측면에 4개로 설치하였고, Chamber 내부에는 알루미늄 Diffusor를 제작 설치하였다.
QRD 마이크로파 실험장치는 Fig. 3과 같이 가로 ×세로× 높이 각각 1.27 × 0.72 × 1.32m로 자체 제작하였다.
02(PCSOFT, Israel)를 사용하였다. 또한 시스템 전체의 관리와 온도변화를 측정 및 기록하는 스테이션은 586컴퓨터를 사용하였으며, T-type 열전대로 15 Points를 측정하였다. 측정된 자료는 AX5232 컨버터를 통하여 산업용 컴퓨터(MODICON, IBM, Korea)에서 일시 기억 후 RS-232C 직렬 통신케이블을 통하여 시스템 컨트롤 스테이션에 실시간으로 기록되도록 하였다.
와 Burkholderia sp.를 경북대학교 농업생명과학대학 응용생명과학부 식물균병학 연구실에서 분양받아 이용하였다.
본 연구에 사용한 마이크로파의 주파수는 2,450MHz이며, Fig. 1의 (A)과 같이 나타난다. 일반 마이크로파는 파형은 입사파와 반사파가 반대의 위상을 가지며 위상차가 큰 부분에서 가열이 일어나 불균일(Mode) 현상이 나타난다.
온도계측을 위해 사용된 시스템은 온도계측용 인터페이스(AX5232, AXIOM, Taiwan) 1장을 12-Slot용 산업용 컴퓨터(AX6150A, AXIOM, Taiwan)에 설치하고, RS232C를 통하여 시스템 컴퓨터에 입력되도록 하였다. Board상에서 영점보상(Cold junction compensation)과 12bit의 분해능, Sample비 100MHz의 성능을 가지고 있다.
이론/모형
Board상에서 영점보상(Cold junction compensation)과 12bit의 분해능, Sample비 100MHz의 성능을 가지고 있다. 그리고 계측을 위한 프로그램은 SCADA 방식의 Wizcon 7.02(PCSOFT, Israel)를 사용하였다. 또한 시스템 전체의 관리와 온도변화를 측정 및 기록하는 스테이션은 586컴퓨터를 사용하였으며, T-type 열전대로 15 Points를 측정하였다.
성능/효과
05). 60초 이상 마이크로파를 출력별로 처리할 경우는 온도가 떨어지는 것을 조사하였는데, 마이크로파를 처리하는 동안 배지의 수분 함량이 줄어들어 마이크로파를 60초 이상 처리하면 배지의 표면온도는 떨어지는 것으로 판단되었다.
는 모두 멸균되었음을 확인하였다. 균주를 각각의 배지에 오염시킨 후 마이크로파를 처리한 배지 내의 온도는 처리시간 60초 지난 뒤에는 우레탄스폰지와 암면배지에서의 온도가 100℃ 이상으로 유지되어 대체로 60초부터 멸균이 가능한 것으로 판단되었다. 따라서 식물공장 내에 가장 문제가 되고 있는 Bacillus sp.
균주를 우레탄스폰지의 배지에 오염시킨 후 마이크로파를 처리한 배지 내의 균주 멸균 정도를 조사한바(Table 6), 마이크로파 출력 2kW, 60초에서 Bacillus sp.rk가 1.8cm로 자랐으나 4kW, 60초에서 0.2cm로 줄어들었음을 알 수 있었다. 또한 Burkholderia sp.
마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형 여부실험은 배지 내의 수분의 포화(100%), 반포화(50%), 불포화(0%) 상태에서 마이크로파를 2, 4, 6, 8kW 조사하여 외부형태를 조사한바(Table 2), 우레탄스폰지와 암면은 외적변형이 전혀 일어나지 않은 것으로 확인되었다. 그러나 PDA고체배지는 2kW 출력에 60초와 180초에서는 녹지 않았고, 그 외 처리에서는 전부 배지가 녹았다.
마이크로파의 조사 출력에 따른 배지의 외적변형은 배지 내의 수분의 함유량과 마이크로파 출력을 2~8kW까지에서 우레탄스폰지와 암면은 외적변형이 전혀 일어나지 않은 것으로 확인되었다. 그러나 PDA고체배지는 2kW 출력에 60초와 180초에서는 배지가 녹지 않았고, 그 외 처리에서는 전부 배지가 녹았다.
배지 내의 온도변화는 배지별로는 유의적 차이가 거의 나타나지 않았으나, 마이크로파의 조사 출력과 처리시간과는 매우 관련성이 높았으며 통계적으로 유의적인 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다(p < 0.05).
와는 통계적으로는 유의적 차이가 거의 나타나지 않았으나, 마이크로파의 조사 출력과 처리시간과는 매우 관련성이 높았으며 통계적으로 유의적인 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다(p < 0.05).
우레탄스폰지와 암면배지에서의 온도는 60초 지난 뒤에는 출력별로 차이가 나타나지 않는 경향이었다. 우레탄스펀지와 암면이 거의 비슷한 온도변화를 나타내었지만 60초에서 온도가 높았고 120초 이상에서는 오히려 낮아졌다. 이와 같이 온도가 조사시간에 대해 낮아진 것은 마이크로파의 조사에 따라 급속한 수분의 건조를 수반하기 때문인 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식물공장 등과 같은 인위적인 환경 조건에서 엽채류와 같은 식물을 생산하는 곳에서 확실한 멸균 기술이 필요한 이유는?
최근 식물공장 등과 같은 인위적인 환경조건에서 엽채류와 같은 식물을 생산하기 위한 연구가 최근 다양하게 이루어지고 있으나, 인공적인 환경의 배지나 시설물에 유해세균이 침입하여 오염되면 순식간에 시설 전체로 확산되어 회복 불가능한 위험이 있으므로 보다 확실한 멸균 기술이 필요하다(Lee et al., 2006).
마이크로파를 이용할 때 불필요한 열에너지 소모가 적은 이유는?
또한 식물공장에 필요한 배지의 이화학적 특성 변화를 줄이고, 에너지도 30~50% 절약할 수 있는 특성이 있다. 뿐만 아니라 마이크로파는 피가열물에 직접 가열·건조하기 때문에 내부의 유전체만 발열되므로 불필요한 열에너지 소모가 거의 없다. 마이크로파를 목재에 조사하였을 때, 휨강도는 다소 약해지나 유의성은 없는 것으로 알려져 있으며 반면에 압축강도는 강해지고 굽음, 갈라짐, 재색변화 등의 품질변화도 없는 것으로 나타나 마이크로파를 통한 목재의 유해충 멸균이 매우 효과적인 방법(Suh와 Lee, 2011)으로 보고되었다.
마이크로파를 이용한 저온멸균 방식이 주목받는 배경은?
, 2006). 이러한 배지나 시설물의 멸균은 실제로 고온 살균하거나(Wilson, 1988), 마이크로필터, 광촉매를 주로 이용하기 때문에 가격이 매우 비싸고(Lee, 1999; Lee, 2007; Miyama 등, 2002; Chung 등, 2010; Chung 등, 2013), 브롬화메탄(CHBr) 및 메틸브로마이드(CH3Br) 같은 화학적인 훈증소독도 있으나 2015년부터 전면 사용금지할 계획이다.
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