본 연구에서는 상압 저온 코로나 방전 플라즈마를 화산암재(스코리아) 분말의 살균에 적용하였다. 스코리아 분말에 Escherichia coli (E. coli) 배양액을 살포하여 균일하게 혼합한 후, 코로나 방전 플라즈마 특성 인자인 방전전력, 방전시간, 주입기체, 전극간격 등의 조건을 변화시키며 E. coli 살균효율을 조사하였다. 실험 결과 상압 저온 코로나 방전 플라즈마는 분말상의 스코리아 살균에 아주 효과적인 것으로 나타났으며, 방전전력 15 W에서 5 min 동안 살균한 결과 E. coli가 99.9% 이상 사멸하였다. 방전전력, 방전시간, 인가전압이 증가할수록 사멸율이 향상되었다. 반응기에 주입되는 기체의 종류에 따른 살균력 실험 결과, 산소 > 모사공기(산소 20%) > 질소 순으로 나타났다. 코로나 방전 플라즈마에 의한 E. coli 살균은 자외선과 활성산화종(산소라디칼, OH라디칼, 오존 등)에 의한 세포막 침식 및 에칭, 그리고 플라즈마 방전스트리머에 의한 대장균 세포막 파괴로 설명할 수 있다.
본 연구에서는 상압 저온 코로나 방전 플라즈마를 화산암재(스코리아) 분말의 살균에 적용하였다. 스코리아 분말에 Escherichia coli (E. coli) 배양액을 살포하여 균일하게 혼합한 후, 코로나 방전 플라즈마 특성 인자인 방전전력, 방전시간, 주입기체, 전극간격 등의 조건을 변화시키며 E. coli 살균효율을 조사하였다. 실험 결과 상압 저온 코로나 방전 플라즈마는 분말상의 스코리아 살균에 아주 효과적인 것으로 나타났으며, 방전전력 15 W에서 5 min 동안 살균한 결과 E. coli가 99.9% 이상 사멸하였다. 방전전력, 방전시간, 인가전압이 증가할수록 사멸율이 향상되었다. 반응기에 주입되는 기체의 종류에 따른 살균력 실험 결과, 산소 > 모사공기(산소 20%) > 질소 순으로 나타났다. 코로나 방전 플라즈마에 의한 E. coli 살균은 자외선과 활성산화종(산소라디칼, OH라디칼, 오존 등)에 의한 세포막 침식 및 에칭, 그리고 플라즈마 방전 스트리머에 의한 대장균 세포막 파괴로 설명할 수 있다.
Atmospheric-pressure nonthermal corona discharge plasma was applied to the sterilization of biologically contaminated scoria powder. Escherichia coli (E. coli) culture solution was uniformly sprayed throughout the scoria powder for artificial inoculation, which was well mixed to ensure uniformity of...
Atmospheric-pressure nonthermal corona discharge plasma was applied to the sterilization of biologically contaminated scoria powder. Escherichia coli (E. coli) culture solution was uniformly sprayed throughout the scoria powder for artificial inoculation, which was well mixed to ensure uniformity of the batch. The effect of the key parameters such as discharge power, treatment time, type of gas and electrode distance on the sterilization efficiency was examined and discussed. The experimental results revealed that the plasma treatment was very effective for the sterilization of scoria powder; 5-min treatment at 15 W could sterilize more than 99.9% of E. coli inoculated into the scoria powder. Increasing the discharge power, treatment time or applied voltage led to an improvement in the sterilization efficiency. The effect of type of gas on the sterilization efficiency was in order of oxygen, synthetic air (20% oxygen) and nitrogen from high to low. The inactivation of E. coli under the influence of corona discharge plasma can be explained by cell membrane erosion or etching resulting from UV and reactive oxidizing species (oxygen radical, OH radical, ozone, etc.), and the destruction of E. coli cell membrane by the physical action of numerous corona streamers.
Atmospheric-pressure nonthermal corona discharge plasma was applied to the sterilization of biologically contaminated scoria powder. Escherichia coli (E. coli) culture solution was uniformly sprayed throughout the scoria powder for artificial inoculation, which was well mixed to ensure uniformity of the batch. The effect of the key parameters such as discharge power, treatment time, type of gas and electrode distance on the sterilization efficiency was examined and discussed. The experimental results revealed that the plasma treatment was very effective for the sterilization of scoria powder; 5-min treatment at 15 W could sterilize more than 99.9% of E. coli inoculated into the scoria powder. Increasing the discharge power, treatment time or applied voltage led to an improvement in the sterilization efficiency. The effect of type of gas on the sterilization efficiency was in order of oxygen, synthetic air (20% oxygen) and nitrogen from high to low. The inactivation of E. coli under the influence of corona discharge plasma can be explained by cell membrane erosion or etching resulting from UV and reactive oxidizing species (oxygen radical, OH radical, ozone, etc.), and the destruction of E. coli cell membrane by the physical action of numerous corona streamers.
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제안 방법
스코리아 분말 시료 20 g을 채취한 후 증류수를 이용하여 40, 800배 희석시킨 다음, 건조필름 배지에 1 mL를 도포시키고 37 ℃ 인큐베이터에서 24 h 배양하여 청색 콜로니를 계수하였다[16]. 각 스코리아 분말 시료는 위와 같은 과정을 3회 반복하여 평균값과 오차를 측정하였다.
고전압 전극과 접지전극 사이의 간격은 35 mm, 스코리아 시료의 높이는 10 mm (200 g), 고전압전극과 스코리아 시료 사이의 거리는 25 mm이다. 고전압 전극에는 양성 (+) 직류 고전압이 공급되었으며, 최대 31 kV까지 전압을 변화시키며 살균 특성을 조사하였다. 기체 종류별 살균 특성 조사는 질소, 산소, 모사공기(산소 20%)를 이용하여 수행되었으며, 기체의 유량은 1 L min-1였다.
고전압 전극에는 양성 (+) 직류 고전압이 공급되었으며, 최대 31 kV까지 전압을 변화시키며 살균 특성을 조사하였다. 기체 종류별 살균 특성 조사는 질소, 산소, 모사공기(산소 20%)를 이용하여 수행되었으며, 기체의 유량은 1 L min-1였다. 반응기 내부가 조사대상의 기체로 완전히 치환되도록 1 h 동안 퍼지 후 실험을 수행하였다.
기체 종류별 살균 특성 조사는 질소, 산소, 모사공기(산소 20%)를 이용하여 수행되었으며, 기체의 유량은 1 L min-1였다. 반응기 내부가 조사대상의 기체로 완전히 치환되도록 1 h 동안 퍼지 후 실험을 수행하였다.
반응기에 주입되는 기체 종류가 E. coli의 사멸에 미치는 영향을 살펴보기 위해 주입기체를 질소, 산소, 모사공기로 변화시키며 E. coli의 살균에 미치는 영향을 조사하였다. Figure 5는 주입기체의 종류에 따른 코로나 방전 처리후의 E.
본 연구에서는 상압 저온 코로나 방전 플라즈마를 이용하여 스코리아 분말의 살균실험을 수행하였다. 코로나 방전 플라즈마를 이용하여 스코리아를 살균할 경우, 스코리아 외부 표면뿐만 아니라 스코리아 내부 기공에서도 플라즈마가 형성되어 기공 내부에 있는 미생물도 효과적으로 사멸된다.
살균실험이 끝난 시료를 채취하여 0.22 μm 여과지(PVDF, Millipore)로 여과한 후, 순차적으로 50, 75, 90, 95% 에탄올에서 각각 30 min씩 그리고 100% 에탄올에서 1 h 동안 탈수를 시켰다.
coli/Coliform Count Plate)가 사용되었다. 스코리아 분말 시료 20 g을 채취한 후 증류수를 이용하여 40, 800배 희석시킨 다음, 건조필름 배지에 1 mL를 도포시키고 37 ℃ 인큐베이터에서 24 h 배양하여 청색 콜로니를 계수하였다[16]. 각 스코리아 분말 시료는 위와 같은 과정을 3회 반복하여 평균값과 오차를 측정하였다.
22 μm 여과지(PVDF, Millipore)로 여과한 후, 순차적으로 50, 75, 90, 95% 에탄올에서 각각 30 min씩 그리고 100% 에탄올에서 1 h 동안 탈수를 시켰다. 이렇게 처리된 시료는 다시 30, 50, 70, 100% isoamyl acetate (용매: 에탄올) 용액에서 각각 30 min씩 처리하여 E. coli를 고정시키고, 고정화된 시료를 건조하여 전자현미경을 이용하여 촬영하였다.
전자현미경의 배율은 10,000배 였다. 자외선을 이용한 살균실험은 254 nm의 자외선 조사, 오존에 의한 살균실험은 오존 농도 500 ppm (1 L min-1)인 기체를 반응기에 주입, 질소 분위기에서의 코로나 방전 플라즈마 살균실험은 9 W 조건에서 실시되었으며, 살균처리시간은 모두 5 min이었다. Figure 6에서 보는 바와 같이 자외선 및 오존을 이용한 살균의 경우 E.
또한 코로나 방전 플라즈마는 상압, 저온에서 살균이 가능하므로 고온 및 높은 습도에 의해 발생되는 스코리아 고유의 색상변화 현상도 발생하지 않는다. 코로나 방전 플라즈마의 살균성능을 조사하기 위하여 스코리아 분말에 E. coli 배양액을 인위적으로 살포, 접종시켜 오염시료를 제조하였다. 주요 운전변수는 방전전력, 처리시간, 기체의 종류 그리고 전극 간격이었다.
코로나 방전에 의해 생성되는 활성산화종 뿐만 아니라 자외선도 박테리아의 사멸에 있어서 중요한 역할을 한다고 알려져 있어, 코로나 방전 플라즈마에 의한 E. coli의 사멸 인자를 조사하기 위해, 세 가지경우(254 nm 자외선 살균, 오존 살균, 질소 분위기에서의 코로나 방전 살균)에 대한 실험을 실시하고, E. coli의 모습을 전자현미경(scanning electron microscope, JSM-6700F, JEOL)으로 관찰하였다. 자외선을 이용한 살균실험에는 254 nm 파장의 자외선 램프(10 W, Sankyo Denki Co.
대상 데이터
E. coli 분석에는 3M사의 건조필름 배지(PetrifilmTM E. coli/Coliform Count Plate)가 사용되었다. 스코리아 분말 시료 20 g을 채취한 후 증류수를 이용하여 40, 800배 희석시킨 다음, 건조필름 배지에 1 mL를 도포시키고 37 ℃ 인큐베이터에서 24 h 배양하여 청색 콜로니를 계수하였다[16].
살균 실험에 사용된 스코리아 분말(500 mesh 이하)은 ㈜제주사랑농수산에서 구입하였으며, 스코리아 분말에 접종된 박테리아는 한국미생물보존센터에서 분양 받은 E. coli (ATCC 11775)였다. 13 g의 액체 배지(lactose broth)(Oxoid, UK)를 증류수 1 L에 용해, 멸균 및 냉각한 후, E.
상압 저온 코로나 방전 플라즈마를 이용하여 화장품의 원료로 사용 되고 있는 스코리아 분말을 살균하였다. 실험 결과 코로나 방전 플라즈마는 스코리아와 같은 분말의 살균에도 아주 효과적인 것으로 나타났다.
스코리아 분말 층의 깊이는 30 mm (600 g), 고전압 전극과 접지전극 사이의 간격은 55 mm (고전압 전극과 스코리아의 간격은 25 mm), 방전전력은 15 W, 처리시간은 5 min, 기체는 모사공기(1 L min-1)였다. 스코리아 분말 층의 깊이별 E. coli 처리 성능 분석을 위해 가장 위부분과 중간부분, 가장 밑부분에서 시료를 채취하였다. Figure 8과 같이 스코리아 분말 층의 위 부분에서 E.
coli의 모습을 전자현미경(scanning electron microscope, JSM-6700F, JEOL)으로 관찰하였다. 자외선을 이용한 살균실험에는 254 nm 파장의 자외선 램프(10 W, Sankyo Denki Co.)가 사용되었다. 살균실험이 끝난 시료를 채취하여 0.
코로나 방전 전력 측정에는 디지털 오실로스코프(TDS 3032, Tektronix)가 사용되었다. 방전 전압은 1000 : 1 고전압 프로브(P6015, Tektronix)를 이용하여 측정하였고, 전류는 저항(153 kΩ) 양단의 전압을 10 : 1 전압 프로브(P6139A, Tektronix)로 측정하여 옴의 법칙으로 계산하였다.
스코리아 분말시료의 양은 200 g (고전압 전극과 접지전극 사이의 간격: 35 mm), 코로나 방전에 의한 처리시간은 5 min, 반응기에 주입된 기체는 모사공기(1 L min-1)였다. 그림에서 보는 바와 같이 방전전력이 증가함에 따라 E. coli 농도가 지수적으로 감소하는 경향을 보여주었으며, 방전전력 15 W에서 E. coli 가 99.9% 사멸되었다. 방전전력이 증가하면 기체의 이온화, 여기, 해리 등의 과정이 빈번히 일어나게 된다.
스코리아 분말시료의 양은 200 g, 방전전력은 9 W, 처리시간은 5 min, 기체의 유량은 1 L min-1였다. 그림에서 볼 수 있듯이, 다른 조건이 모두 동일한 경우 산소를 사용했을 때 E. coli의 사멸율이 가장 높았으며, 공기, 질소 순으로 사멸율이 감소하였다. 이와 같은 이유는 주입기체의 종류에 따라 플라즈마 방전 공간에서 미생물의 살균에 영향을 주는 인자의 농도 및 강도가 달라지기 때문이다.
방전전력이나 처리시간이 증가할수록 E. coli 사멸속도가 증가하였으며, 15 W의 방전전력으로 공기에서 5 min 동안 처리했을 때, 초기 대장균 농도가 1.5 × 105 CFU mL-1에서 100 CFU mL-1 이하로 감소하여 99.9% 이상의 사멸율을 나타냈다.
송이 시료를 대상으로 세 가지 경우(자외선 살균, 오존 살균, 질소 분위기에서의 코로나 방전 살균)에 대해 살균 실험을 실시한 결과, 코로나 방전(84.5%) > 오존(45.3%) > 자외선(6.9%) 순으로 나타났다.
coli 사멸속도가 증가하는데, 이는 코로나 방전 개시전압이 전극간격에 비례하여 증가하므로 전극간격에 따라 코로나 스트리머의 세기가 강해지기 때문이다. 스코리아 분말 층의 깊이 별 살균효율은 활성산화종의 영향을 가장 크게 받고 코로나 스트리머에 직접 노출되어 있는 분말 층 상부가 가장 높았다.
상압 저온 코로나 방전 플라즈마를 이용하여 화장품의 원료로 사용 되고 있는 스코리아 분말을 살균하였다. 실험 결과 코로나 방전 플라즈마는 스코리아와 같은 분말의 살균에도 아주 효과적인 것으로 나타났다. 방전전력이나 처리시간이 증가할수록 E.
코로나 방전 플라즈마에 의한 박테리아 살균은 자외선, 활성산화종 및 코로나 방전 스트리머의 작용으로 설명할 수 있다. 자외선에 의한 살균력은 활성산화종과 코로나 스트리머에 의한 살균력에 비해 영향이 적은 것으로 나타났다. 동일한 방전전력에서 비교하면, 전극간격이 넓을수록 E.
주입기체의 종류에 따른 살균력 실험 결과, 산소 > 공기 > 질소의 순으로 산소농도가 높을수록 활성산화종의 농도가 증가하여 E. coli 살균력이 높아졌다.
후속연구
저온 플라즈마는 미생물 살균에 효과적이고 반응기의 구조가 비교적 간단하여 식품 및 대기, 수질 살균 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 플라즈마를 이용한 살균 기술은 에너지소모가 적고 비독성인 친환경 기술로서 기존의 물리화학적인 살균 방법들을 대체할수 있을 것으로 전망된다[5-10]. 저온 플라즈마 기술에는 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge, DBD), 코로나 방전(corona discharge), 글라이딩 아크 방전 (gliding arc discharge) 등 다양한 방법이 있으며, 특히 코로나 방전은 저온 플라즈마 분야에서 가장 광범위하게 연구되고 있는 기술이다[11].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화산암재란 무엇인가?
제주도 전역의 기생화산지역에 넓게 분포하고 있는 화산암재(스코리아)는 화산이 폭발할 때 분출된 천연물질로 화산암, 화산모래, 기타 화산재 등이 혼합되어 이루어진 약 알칼리성의 화산성토이다[1,2]. 스코리아의 색상은 주로 적갈색, 황갈색으로 이루어져 있으며 암회색, 흑색도 존재한다.
스코리아는 어떠한 특징을 가지고 있는가?
스코리아의 주성분은 SiO2 (약 30∼50%), Al2O3 (약 10∼20%), F2O3 (약 10∼20%)로 이들 세 성분이 전체의 70∼80%를 차지 하며, 그밖에 MgO, CaO, Na2O, TiO2, K2O 등이 함유되어 있다[3]. 스코리아는 비표면적이 넓고 기공이 많아 가벼우며, 흡착능력이 우수하고 강도가 강한 화산광물로 흡착제, 건축자재, 도로포장용, 산업용 타일, 화장품 원료 등으로 사용되고 있다[2]. 특히 스코리아는 흡착성능이 우수하고 각종 미네랄이 함유되어 있어 피부노폐물 제거 및 유용한 영양성분을 공급하는 작용을 할 수 있다.
저온 플라즈마가 기존의 물리화학적인 살균 방법들을 대체할 수 있는 이유는 무엇인가?
저온 플라즈마는 미생물 살균에 효과적이고 반응기의 구조가 비교적 간단하여 식품 및 대기, 수질 살균 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 플라즈마를 이용한 살균 기술은 에너지소모가 적고 비독성인 친환경 기술로서 기존의 물리화학적인 살균 방법들을 대체할수 있을 것으로 전망된다[5-10]. 저온 플라즈마 기술에는 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge, DBD), 코로나 방전(corona discharge), 글라이딩 아크 방전 (gliding arc discharge) 등 다양한 방법이 있으며, 특히 코로나 방전은 저온 플라즈마 분야에서 가장 광범위하게 연구되고 있는 기술이다[11].
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