KR101614406B1 - 삼투압을 이용한 이산화탄소 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 이산화탄소 발생 장치는 용질이 삼투압에 의해 용출(확산)될 수 있도록 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제, 및 영양염류 및 당류를 포함하는 반고체 겔화 또는 젤화 상태로서 반투과성막이 형성된 배지를 형성하여 용매인 물과 용액상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써, 이산화탄소를 발생시키는 CO2 발생 배지용기; 상기 CO2 발생 배지용기를 폐쇄하는 마개; 상기 마개에 천공되어 부착되어 상기 CO2 발생 배지용기에서 발생된 이산화탄소를 함유하는 이산화탄소 발효액을 수조에 공급되도록 이송하는 연결 호스; 및 상기 발생된 이산화탄소 발효액의 상기 수조로의 공급을 방지하도록 상기 연결 호스에 부착되는 발효액 공급방지부;를 포함하며, 그 이산화탄소 발생 방법은 영양염류 및 당류 분말에 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제를 혼합한 혼합물을 멸균하고 완전 용해시킨 후, 냉각하여 상기 CO2 발생 배지용기에 채운 후, 실온 또는 4℃로 냉각하여 반고체 겔화 또는 젤화시켜 반투과성막을 형성한다.

Description

삼투압을 이용한 이산화탄소 발생 장치 및 방법{APPARATUS FOR GENERATING CARBON DIOXIDE USING OSMOTIC PRESSURE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 이산화탄소 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 겔 또는 젤이 흡수하고 있는 용질과 용매(물)의 삼투압을 이용하여 이산화탄소를 발생시키기 위한 반고체 젤화 또는 겔화 상태의 배지를 제조하여 이산화탄소를 발생하는 이산화탄소 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 현재 다양한 분야, 예컨대 관상용으로 식물을 재배하거나, 물속에서 수초를 재배하는 등의 분야에서, 이산화탄소를 필요로 하고 있으며, 이러한 이산화탄소를 안정적으로 공급하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.
특히, 수초 어항에서 식물의 광합성을 촉진시키려면 CO2, 비료, 조명의 조건을 충분히 조절해 주어야 한다. 그 중에서 CO2는 식물의 성장에 매우 중요하다. 이는 CO2가 물에 충분히 녹아있지 않으면, 광합성이 이루어지지 않기 때문이다.
물론 수초 어항내의 어류의 호흡에 의해 수초의 어항에 CO2가 조금이나마 공급되지만, 수초가 성장하기에는 늘 부족하기 때문에 대부분의 수초 어항에는 인위적으로 CO2를 항상 공급해 주어야 하며, 이때 수조내의 수초는 CO2의 농도가 10-20ppm 이상이고, PH가 6.4 정도에서 가장 활발히 성장하므로 반드시 이를 고려하여 CO2를 공급해주어야 한다.
한편, 실온 20℃에서의 이산화탄소의 용해도는 878mg/L 이지만, 산소의 용해도는 31mg/L 이므로, 이산화탄소는 산소보다 용해도가 약 28배 크다 (동화기술: 분석화학실험 부록 305p-기체의 물에 대한 용해도). 즉, 이산화탄소는 산소보다 물에 더욱 잘 녹는다. 그 이유는 이산화탄소가 물에 녹을 때 하기와 같은 화학반응이 진행되면서 탄산(H2CO3)을 형성하기 때문이다.
CO2 +H2O = H2CO3
수초에 활용하는 이산화탄소 공급방법으로는 크게 3가지가 있는데, 이산화탄소를 탄산염으로 액화시킨 알루미늄캔의 고압가스를 이용하는 방법과, 화학반응에 의한 이산화탄소 발생장치를 이용하는 방법 및 효모(酵母: yeast)를 이용한 생물학적 방법을 이용하여 이산화탄소를 공급하고 있다.
이중에서 화학반응에 의한 이산화탄소를 발생장치를 이용하는 방법의 경우, 급격한 반응으로 단시간내에 화학반응이 이루어져 용기가 폭발하는 위험성이 있으므로, 이산화탄소를 저장할 수 없는 문제가 있고, 또한 알루미늄캔에 액상으로 보관되어 있는 탄산가스를 이용하는 방법은 고가의 장치를 활용하여 조절해야 하는 문제를 가지고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 수조내 식물 등의 성장에 필요한 양의 이산화탄소를 공급할 때, 장시간 동안 안전하게 조절하여 공급하는 동시에, 경제적으로 저렴한 비용으로 이산화탄소를 제조하는 것, 즉 이산화탄소를 발생시키는 것이 필요하며, 또한 수중 식물에 필요한 양 만큼을 안전한 방법으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 그 공급을 조절할 수 있는 방법에 대한 기술개발의 필요성이 요구되고 있다.
이에 특허문헌 2에는 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소의 지연발생방법을 개시하고 있으나, 젤과 물, 효모가 발효되면서 발효액이 연결관을 통해 수조로 공급되어 물고기들이 전부 폐사하는 문제점이 있고, 또한 수초를 기르기 위해 고가의 CO2 측정 장비를 구입하여 CO2를 측정해야 하므로, 경제적인 부담이 있다.
또한 기존의 젤을 이용한 제품은 고체 가루와 겔화제 또는 젤화제를 50℃의 물과 함께 용기내에 넣고 뚜껑을 닫은 후, 용기를 손으로 100회 정도 세차게 흔들어 교반하는 물리적 방법을 사용한 제품으로 비과학적일 뿐 만 아니라, 제대로 용매와 용질이 제대로 혼합되지 않으며, 겔화 또는 젤화되는 시간 역시 50시간이 경과되더라도 거의 젤 상태보다는 페이스트 상태로 되며, 또한 기질의 발효가 겔과 당류를 물로 용해시켜 나오는 상태에서 2가지를 동시에 발효시키므로, 24시간이 경과된 이후에야 이산화탄소가 발생되는 시점이 되므로, 효율성 면에서도 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1162315호(2012.06.27. 등록)“이산화탄소 발생장치 및 그를 이용한 이산화탄소 발생방법” 한국공개특허 제10-2014-0077140호(2014.06.23. 공개)“이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법”
본 발명은 상기와 같은 필요성의 요구를 충족하고 또는 문제점을 해소하고자 개발된 것으로서, 그 목적은 반고체 젤화 또는 겔화 상태의 배지에 반 투과성막을 형성하여 겔 또는 젤이 머금고 있는 영양염류, 미네랄, 탄수화물의 용질이 삼투압에 의해 확산되어, 용매인 물과 용액상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써 이산화탄소를 발생하고, 발생되는 이산화탄소를 안정적으로 제공할 수 있는 이산화탄소 발생 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 수조에 공급되는 이산화탄소의 ph, KH(탄산염 경도) 등의 농도를 간편하게 측정할 수 있는 이산화탄소 발생 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 이산화탄소 발생 장치는 용질이 삼투압에 의해 용출(확산)될 수 있도록 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제, 영양염류 및 당류를 포함하는 반고체 젤화 또는 겔화 상태로서, 반투과성막이 형성되는 배지를 형성하여 용매인 물과 용액 상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써, 이산화탄소를 함유하는 이산화탄소 발효액을 발생시키는 CO2 발생 배지용기; 상기 CO2 발생 배지용기를 폐쇄하는 마개; 상기 마개에 천공되어 부착되어 상기 CO2 발생 배지용기에서 발생된 이산화탄소를 수조에 공급하는 연결 호스; 및 상기 발생된 이산화탄소내의 발효액의 상기 수조로의 공급을 방지하도록 상기 연결 호스에 부착되는 발효액 공급방지부;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 이산화탄소 발생 방법은 영양염류 및 당류 분말에 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합물을 110~121℃에서 10~20분 멸균하고 완전 용해시킨 후, CO2 발생 배지용기에 50-60중량% 채운 후, 실온 또는 4℃로 냉각하여 반고체 겔화 또는 젤화시켜 반투과성막을 형성하는 반고체 겔화단계; 및 상기 반고체 겔상 혼합물에 이스트 및 물을 투입하여 이산화탄소를 발생시키는 이스트 및 물 투입단계를 포함한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래와 달리, 당류와 영양염류, 미네랄, 탄수화물의 용질을 포함하는 반고체 상태의 겔화 또는 젤화 상태로서 반투과성막이 형성된 배지가 형성되므로, 용매인 물과 용질과의 삼투압에 의해 반투과성막을 통해 배지내의 용질이 빠져나오며, 삼투압의 농도가 같아질 때까지 용액상에서 이스트와 계속 발효 반응됨으로써, 이산화탄소를 지속적으로 발생시킬 수 있고, 이스트 투입량으로 이산화탄소 발생량을 최적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 겔 또는 젤이 머금고 있는 영양염류 및 당류가 용액 중에서 빠져나와 이스트와 반응을 진행하면서 응집성과 압밀성 등의 겔 또는 젤의 강도가 약해져서 부서지는 1차 반응이 끝남에 따라, 일부 부서진 젤 또는 겔을 폐기하고 용기내 배지 표면에 다시 이스트와 물을 첨가하여 반복 사용하게 되면, 다시 생물학적 반응을 유도하여 이산화탄소의 지속적인 발생이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래와 달리, 당류 및 영양염류, 미네랄, 탄수화물, 겔화제, 물 및 이스트를 이용함으로써, 생물학적 공정이 이루어져 이산화탄소 공급이 되는 시점부터 수조에 도달할 때까지 반응 공정이 안전하여 이산화탄소의 폭발을 방지할 뿐만 아니라, 이산화탄소 발효액과 같은 독성 물질이 수조로 공급되는 것을 차단함으로써, 물고기가 폐사하지 않도록 안전하게 이산화탄소를 공급하고, 또한 농도측정과 이산화탄소량의 조절이 가능하여 경제적으로 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래 고압 이산화탄소와 달리, 이산화탄소가 탄산염으로 많이 용해되는 장점을 이용하여 비색 측정이 가능하도록 설계함으로써, 수중 식물의 성장에 효과적인 저압확산을 통해서 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 발효 진행에 따라 반고체 상태의 겔화 또는 젤화된 당류 및 영양염류, 미네랄, 탄수화물의 용질을 포함하는 생물학적 이산화탄소용 배지이므로, 용매인 물과 배지내 용질의 삼투압에 의해 용액 상에서 이스트와의 발효반응을 유도함으로써, 이산화탄소가 발생되며, 기질의 당량 대 당량 반응이 끝난 후, 반응물을 폐기하고 용이하게 재사용이 가능한 장점이 있고, 또한 중단 시 용매(물)의 첨가에 의해 다시 삼투압을 이용하여 생물학적 반응을 유도하여 효율적으로 이산화탄소를 공급할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 발생 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1 배지용기의 이산화탄소 발생 과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 발생 방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명과 비교예의 이산화탄소 발생 장치 및 방법에 따라 측정된 CO2 발생량, ph, KH을 나타내는 그래프이다.
도 6은 BTB 시약에 의한 비색 측정 결과를 나타내는 비색 측정도이다.
이하에서는 본 발명의 사항을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 발생 장치의 구성을 개략적으로 나타내고 있고, 도 2는 도 1 배지용기의 이산화탄소 발생 과정을 나타내고 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 발생 장치는 1L의 플라스틱 CO2 발생 배지용기(10)와, 상기 CO2 발생 배지용기(10)에서 발생되는 CO2를 수조(12)에 공급하도록 상기 CO2 발생 배지용기(10)에 부착되는 이산화탄소 이송장치를 포함한다.
CO2 발생 배지용기(10)는 생물학적으로 이산화탄소를 발생할 수 있는 발생 상한량인 3kg/cm2의 가스(gas) 압력에 견딜 수 있는 것이 바람직하다.
이산화탄소 이송장치는 CO2 발생 배지용기(10)를 폐쇄하는 마개(20)와, 상기 CO2 발생 배지용기(10)에서 발생된 이산화탄소를 함유하는 이산화탄소 발효액을 이송하여 수조(12)에 공급하는 연결 호스(30), 및 상기 연결 호스(30)를 통해 이송 중인 이산화탄소 발효액의 상기 수조(12)로의 공급을 방지하도록 상기 연결 호스(30)에 부착되는 발효액 공급방지부(40)를 포함할 수 있다.
본 발명 이산화탄소 발생 장치의 연결 호스(30)는 CO2 발생 배지용기(10)와 발효액 공급방지부(40) 사이의 제 1 연결 호스(32)와 수조(12)와 발효액 공급방지부(40) 사이의 제 2 연결 호스(34)로 이루어지며, 제 1 연결 호스(32)에는 조절밸브(36)가 부착될 수 있다.
발효액 공급방지부(40)에는 인입구(42)와 출수구(44)가 포함될 수 있다.
CO2 발생 배지용기(10)에 부착된 마개(20)에 제 1 연결 호스(32)의 일단이 부착되고, 발효액 공급방지부(40)의 인입구(42)에 제 1 연결 호스(32)의 타단이 부착될 수 있다.
한편, 제 2 연결 호스(34)의 일단이 발효액 공급방지부(40)의 출수구(44)에 부착되고, 타단은 수조(12)에 넣어질 수 있다.
제 1 연결 호스(32)의 일단을 마개(20)에 부착하기 위해서, 마개(20)부분에 약 6mm 의 구멍을 뚫은 후, 플라스틱의 제 1 연결 호스(32)의 일단을 접착시켜, 이산화탄소 이송장치를 부착한다.
이때 플라스틱의 제 1 연결 호스(32)를 마개(20)에 부착하기 위하여 종래에는 여러 가지 방법을 사용하였으나, 서로 분리되어 터지는 일이 다반사로 발생하였다. 예컨대, 본드를 사용하여 제 1 연결 호스(32)를 마개(20)에 부착하였지만, 아무리 초강력본드를 직접 사용하더라도 떨어지기 쉬우므로, 본 발명 장치에서는 강력 접착제와 셀룰로오즈 및 전분 용액을 혼합하여 응고시킴으로써, 제 1 연결 호스(32)를 완벽하게 마개(20)에 접착시킬 수 있다.
또한 발효액 공급방지부(40)의 인입구(42)와 출수구(44)는 발효액 공급방지부(40)의 뚜껑에 다시 6mm 연결관 부착용으로 2개 구멍을 뚫어서 연결관을 고정 접착시켜 설치하였다.
CO2 발생 배기용기(10)에서 반응하여 이산화탄소를 발생시키기 위한 배지(50)는 용액 내 삼투압반응을 위한 핵심구성으로, 영양염류를 포함하는 당류(52)와 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)가 고르게 혼합된 혼합물에 물(51)을 투입하여 반투과성막(72)이 형성되는 반고체 겔화 또는 젤화 상태로 존재하는 것이 바람직하다.
당류(52)는 영양염류 외에 미네랄 또는 탄수화물을 포함할 수 있다.
한편 1L의 CO2 발생 배지용기(10)에서 발생되어 제 1 연결 호스(32)를 통해 발효액 공급방지부(40)에 공급된 가스가 발효액 공급방지부(40)를 통과하기 전에 발생가스내의 이산화탄소 발생량을 측정할 수 있도록 발효액 공급방지부(40)에는 증류수 20ml 와 0.3ml BTB 시약이 용해되어 있을 수 있다.
발효액 공급방지부(40)에 용해되어 있던 증류수 20ml 와 0.3ml BTB 시약 혼합액에 의해, 이산화탄소가 통과하면서 하기의 식과 같이, 물과 흡수 반응하여 수조(12)내에서 비색에 의해 청색 혹은 노란색으로 농도에 따라 색깔이 변하게 되며, 이때의 발색 차이로서, 물에 녹는 이산화탄소의 ph, KH(탄산염 경도) 등의 농도를 동시 측정할 수 있고, 또한 발색의 차이로서, 이산화탄소의 농도가 소정량을 초과함을 확인할 수 있음에 따라, 조절밸브(36)를 차단하여 이산화탄소 발효액이 수조(12)로 공급되는 것을 차단할 수 있다.
CO2 +H2O = HCO3 +H+
또한 영양염류 및 당류(52) 100 중량부에 대하여, 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)는 0.70 내지 0.99 중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 0.97 중량부인 것이 효과적이다. 1.0 중량부 이상인 경우에는 젤화 또는 겔화된 배지가 단단하여 기질 등의 생물학적 반응 시, 삼투에 영향을 주며, 또한 용기내의 배지가 바닥에서 기질의 발효반응이 순식간에 이루어져 배지와 발효액이 발효 가스압에 의해 끓게 되어 들뜰수 있어서, 이산화탄소 발효액이 수조로 공급될 수 있는 위험을 초래할 수 있다. 0.70 중량부 이하인 경우 겔 또는 젤의 강도가 약하고 부서져 생물학적 반응 시 장시간 사용하지 못하는 문제가 있다.
여기서, 영양염류 및 당류(52)의 당류는 단당류, 이당류 또는 소당류 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하며, 단당류는 글리코알데히드, 글리세르알데히드, 디히드록시아세톤, 에리트로스, 에리트룰로오스, 리보스, 아라비노스, 자일로스, 마노스, 글루코스, 프룰토오스 또는 갈락토오스 중 적어도 하나를 포함하는 것이 더욱 바람직하며, 이당류는 설탕(Sugar), 말토오스, 락토오스, 트레할로오스, 멜리비오스, 셀로비오스 또는 수크로오스 중 적어도 하나를 포함하는 것이 더욱 바람직하고, 소당류는 라피노오스, 멜레치토스, 말토리오스, 스타키오스, 올리고당, 덱스트린 또는 스트로도우스 중 적어도 하나를 포함하는 것이 더욱 효과적이다. 이들은 본 발명의 이산화탄소 발생을 위한 겔 또는 젤상태의 영양염류를 포함하는 당류의 삼투압반응을 극대화시킬 수 있는 물질들로 수차례의 실험을 통해 도출되었다.
적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)는 로커스트콩검, 펙틴, 한천, 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 젤라틴, 카라기난, 카세인나트륨 또는 알긴산나트륨 중 실온인 35℃ 이하의 온도에서 물에 용해되지 않는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이들 겔 또는 젤화제는 영양염류를 포함하는 당류의 겔화 또는 젤화 반응을 용이한 방법으로 가능하게 할 뿐만 아니라, 용액상 삼투압반응을 효율적으로 수행할 수 있도록 물에 용해되지 않는 겔화제 또는 젤화제에서 선택된 최적화된 물질로 도출된 것이다.
배지(50)는 영양염류를 포함하는 당류(52)와 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)의 혼합물에 물(51)을 넣어 혼합함으로써, 영양염류, 미네랄, 탄수화물의 용질을 포함하는 반고체 겔화 또는 젤화 상태로서 반투과성막(72)이 존재하는 유기,무기염 배지인 것이 바람직하다.
또한 완성된 배지(50)의 표면에 배지의 생물학적 부패 및 오염을 방지하기 위해 건조한 당류 배지분말을 배지량의 10 부피부 정도 도포하여 당분의 농도를 높임으로써 배지(50)를 오염 미생물로부터 보존하는 것이 바람직하다.
한편, 이스트(Yeast)(60)는 도 2에 도시된 바와 같이 배지(50)에 물(56)과 함께 투입되는 용액(70)상에서 용질과 용매의 삼투압에 의한 발효반응에 의해 이산화탄소(80)를 발생시키는 역할을 한다. 그 반응기작의 예는 다음과 같다.
C6H12O6 + 이스트 -> 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP -----단당류(Gay-Lussac 식)
또한, 이스트(60)는 이산화탄소의 발생을 위해 반드시 배지(50)가 겔화 또는 젤화되어 굳은 이후에 배지(50) 표면에 물(56)과 함께 투입되어 용액상의 삼투압 반응이 일어나도록 배지(50)와 분리수납되는 것이 바람직하다.
더구나 이스트(60)는 발효 진행을 위해 영양염류 및 당류(50) 100g 당, 0.6 내지 1.20 g중량부 이하를 사용하는 것이 바람직하고, 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae)를 1.0×109~3.0×109 CFU/g 농도 사용하는 것이 바람직하다. 0.6 중량부 미만인 경우에는 연속적인 이산화탄소 발생반응이 일어나기 어려우며, 1.0 중량부를 초과하는 경우에는 오히려 부분적으로 반응을 저해하거나 과반응이 일어날 수 있는 문제가 있다.
또한 이스트(60)와 함께 당류 배지(50) 100 부피부에 대해, 물(56) 20 내지 40 부피부를 포함하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 35 부피부를 포함하는 것이 효과적이다. 20 부피부 미만인 경우에는 용매와 용질의 삼투압 현상이 충분히 이루어지지 못할 뿐만 아니라, 용매와 용질과 이스트간의 반응이 일어나지 않는 문제가 있으며, 40 부피부를 초과하는 경우에는 이산화탄소 발효액이 수조(12)로 공급될 수 있는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명의 이산화탄소 발생 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합단계(S10), 반고체 겔화단계(S20) 및 이스트와 물 투입단계(S30)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 혼합단계(S10)는 영양염류를 포함하는 당류(52) 분말에 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)를 고르게 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다.
여기서, 영양염류를 포함하는 당류(52) 분말과 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제(54)는 상기 본 발명의 이산화탄소 발생 장치에 기재된 바와 같으며, 그 함량비율 또한 동일하다.
반고체 겔화단계(S20)는 상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 혼합물에 물(51)을 투입하여 상기 혼합물을 반고체 겔화 또는 젤화시키는 단계이다. 이는 본 발명의 핵심요소인 삼투압에 의한 용액 상에서 용매와 용질과 이스트간의 연속반응을 구현하기 위해 상기 혼합물을 반 투과성막(72)의 반고체 겔화 또는 젤화시켜 반투과성막(72)을 형성하는 공정으로서, 물 투입단계(S21), 멸균 용해단계(S22) 및 냉각단계(S23)을 포함하여 이루어진다.
물 투입단계(S21)는 상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 혼합물에 물(51)을 투입하는 단계이다. 물(51)과 영양염류를 포함하는 당류(52) 분말 및 젤화제 또는 겔화제(54) 분말에 대한 물(51)의 함량비율은 영양염류를 포함하는 당류(52) 분말 및 젤화제 또는 겔화제(54) 분말 100 부피부에 대하여, 물(51) 10 내지 30 부피부를 투입하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 부피부를 포함하는 것이 효과적이다. 10 부피부 미만인 경우에는 겔 또는 젤의 강도가 너무 강하여 용액 중으로 용질의 확산에 영향을 주고, 30 부피부를 초과하는 경우에는 겔 또는 젤의 강도가 너무 약하여 제품 제조후 부서지기 쉬운 문제점을 가지고 있다.
멸균 용해단계(S22)는 상기 혼합물을 상기 물(51)에 용해시키는 단계이다. 물(51)과 상기 영양염류, 미네랄, 탄수화물의 용질을 포함하는 혼합물 100 중량% 용액을 오토클레이브(autoclave)에서 110~121℃, 10~20분 멸균하여 완전 용해시켜서 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 배지(50)를 만들 수 있다.
냉각단계(S23)는 반고체 겔화 또는 젤화 혼합물을 50℃까지 냉각 시킨 후, 준비한 도 2의 1리터 플라스틱 CO2 발생 배지용기(10)에 50-60중량% 채운 후, 실온 또는 4℃로 냉각하여 보관하여 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 배지(50)에 반투과성막(72)을 완성시키는 단계이다. 그 보관조건은 1 내지 2시간동안 실온 또는 4℃에 보관하여 완성시키는 것이 효과적이다.
이상과 같은 본 발명은 종래의 방법을 대비하면, 종래에는 고체 가루를 물과 겔화제 또는 젤화제를 섞은 후, 100회 이상 사람이 흔들어 교반시키므로 겔화 또는 젤화가 충분히 진행되기 어려우며, 교반 후에도 50시간을 초과하여 겔 또는 젤을 완성하는 과정을 거치므로 겔화 또는 젤화의 진행이 길며 페이스트상태인 졸 형태로 고르게 혼합물이 겔화 또는 젤화될 수 없었지만, 본 발명방법은 종래 방법에 비해 반고체 겔화 또는 젤화가 신속하게 진행되면서도 고르게 겔화 또는 젤화될 수 있는 장점이 있다.
마지막으로, 이스트와 물 투입단계(S30)는 상기 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 혼합물에 이스트(60) 및 물(56)을 투입하는 단계이다. 이는 삼투압에 의해 용매인 물(56)과 반투과성 막(72)이 형성된 반고체 겔 또는 젤화 상태의 혼합물 층의 용질이 용액(70) 상에서 확산과 이동에 의해 이스트와 발효 반응이 연속적으로 일어나게 하기 위한 공정이다.
이스트와 물 투입단계(S30)에서의 CO2 발생 배지용기(10)의 내부온도, 즉 물(56)의 온도는 기질들이 발효되기 좋은 온도인 17 내지 37℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 23 내지 35℃, 가장 바람직하게는 25 내지 30℃인 것이 효과적이다. 17℃ 미만인 경우에는 이산화탄소의 발생반응이 느리거나 또는 전혀 일어나지 않으며, 37℃를 초과하는 경우에는 빠른 반응진행으로 이산화탄소가 과발생될 뿐만 아니라, 사용기간이 현저히 짧아지는 문제가 있다.
또한, 이스트와 물 투입단계(S30)에서, 이스트(60)와 물(56)이 배지(50)위에 투입되면, 영양염류와 당류를 포함하는 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 혼합물내의 용질이 삼투압에 의해 상기 물(56)과 이스트(60)가 투입된 용액(70) 상에서 상기 이스트(60)와 발효가 시작되어 이산화탄소가 발생된다. 이러한 발효반응은 용액(70) 상에서만 연속적으로 발생하여, 보다 안정적으로 장시간동안 일정양의 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
이스트와 물 투입단계(S30)에서 이산화탄소의 발생이 중단된 경우, 투입되어진 혼탁된 용액을 제거시킨 후, 이스트와 물 투입단계(S30)를 재수행하면, 즉 이스트(60)와 물(56)을 다시 투입하게 되면, 용질이 용액(70) 내에서 삼투압 확산과 이동에 의해 지속적으로 이스트와 반응하여 이산화탄소의 지속적인 발생이 가능하다.
본 발명의 이산화탄소 발생 장치 및 방법은 안전하고 지속적인 이산화탄소 발생이 필요한 어떠한 분야에도 사용할 수 있으나, 특히, 수족관 등에서 수중식물의 재배를 위한 이산화탄소 공급에 매우 효과적이다.
실시예
영양염류를 포함하는 당류(단당류 및 이당류 2종 중 적어도 하나를 사용) 혼합물 100 중량% 내에 물 15 ml과 젤화제로 한천(agar) 0.97 g/중량%를 포함하는 기본배지(50)에 배양에 사용되는 배지 성분으로 발효가 잘 진행될 수 있도록 영양성분인 질소, 인, 칼륨을 포함하는 황산마그네슘(MgSO4), 포도당(Glucose), 제 1 인산칼륨(KH2PO4), 제 2 인산칼륨(K2HPO4) 및 요소((NH2)2CO)를 포함하여 이산화탄소 배지로 사용하였다.
상세하게는 활성제로서 황산마그네슘(MgSO4)을 포함하였고, 질소로서 요소((NH2)2CO)를 포함하였고, 인과 칼륨으로서 제 1 인산칼륨(KH2PO4), 제 2 인산칼륨(K2HPO4) 및 염화암모늄(NH4Cl) 황산아연 등의 미네랄을 더 포함하여 사용하였다.
영양염류 이외에, 미네랄, 탄수화물의 용질 중, 아연 등의 미네랄을 용질로서 더 포함하여, 예를 들어 효모 배양 시의 영양성분비 인 탄소(C):질소(N):인(P)=100:5:1을 고려하여, 요소((NH2)2CO) 5 g/L, 제 1 인산칼륨(KH2PO4) + 제 2 인산칼륨(K2HPO4) 1 g/L, 황산마그네슘 2 g/L, 황산아연 0.2 g/L을 포함할 수 있다.
이상과 같은 물과 상기 영양염류, 미네랄, 탄수화물 및 겔화제의 용질을 포함하는 혼합물 100 중량% 용액을 오토클레이브에서 110 내지 121℃에서 10~20분 멸균하고 완전 용해시킨 후, 50℃까지 냉각 시킨 후, 준비한 1리터 플라스틱 CO2 발생 배지용기(10)에 50~60중량% 채운 후, 실온 또는 4℃로 냉각하여, 1~2시간 후 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 이산화탄소 배지(50)를 완성하였다.
이어서, 굳어있는 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 배지(50)에 이스트(60)로서 효모 3g와 물(51) 약 200ml을 분주하여 배지(50)에 반투과성막(72)을 형성하였다.
이에 따라, 반고체 겔화 또는 젤화 상태의 배지(50) 내의 용질과 용매인 물(56)과의 삼투압에 의해 농도가 낮은 용매(물)는 삼투압이 높은 배지(50)내의 용질 쪽으로 이동하여, 용매와 용질이 평형을 이루며, 같은 삼투 압력을 유지하기 위해, 물이 농도가 높은곳으로 침투하여, 영양염류를 포함하는 당류가 용액(70) 중에서 빠져나와 이스트(60)와 반응을 시작하여 30-60 분 이내에 최종산물인 이산화탄소(80)가 반투과성막(72)을 통해 발생하였다. 이때의 온도는 약 25℃의 중온 이상을 유지하게 된다.
이산화탄소의 양을 유지하기 위하여, 낮은 온도 즉 17℃ 이하에서는 효모의 발효능력이 저하되어 이산화탄소의 발생량이 현저히 줄기 때문에 그 이상의 온도를 유지 하는 것이 바람직하다.
이러한 이스트와 물 투입 단계(S30)에서 상기 이산화탄소의 발생이 중단된 경우, 이스트와 물의 혼탁된 용액을 제거한 후, 상기 이스트와 물 투입단계를 재수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르는 이산화탄소 발생 장치 및 방법은 CO2 발생 배지용기(10)가 3kg/cm2의 압력에 견딜수 있으며, 또한 조절 밸브(36)에 의해 이산화탄소의 발생량의 조절이 가능하며, 발효액 공급방지부(40)에 투입된 증류수 20ml와 0.3ml BTB시약에 의해 이산화탄소가 발효액 공급방지부(40)를 통과하면서 물에 흡수 반응하여 수조(12)에 투입되는 이산화탄소의 ph, KH 등의 농도를 측정할 수 있고, 발효액 공급방지부(40)에 의해 이산화탄소의 발효액이 수조로 공급되는 것을 방지하는 기능까지 제공함에 따라, 물고기의 폐사를 방지하는 동시에, 경제적으로 수초를 관리할 수 있다.
CO 2 발생량, ph, KH의 비교
비교예는 종래의 이산화탄소 발생 장치 및 방법의 사용설명서에 따라 당류 분말 500g에 물 400ML를 섞은 혼합물을 100회 정도 흔들어 교반한 다음, 50시간 방치한 후 얻어진 겔을 시료로 사용하였다.
시료에 물 200 ml와 사카로마이세스 세레비제의 이스트를 3.0x109CFU/g의 농도로 5g 씩을 사용하여 CO2 가스 발생을 유도하였다.
비이커에 1리터의 증류수를 넣고, ph, KH를 확인하기 위해 BTB 시약 1.0 ML을 투입한 후, 실험실 내 온도 25℃에서 1시간 주기로 상술한 본원발명의 실시예와 비교예의 각각의 CO2 발생량, ph, KH 등을 측정하였으며, 그 측정 결과를 도 4 및 5는 그래프로 나타내고 있고, 이를 정리하면 표와 같다.
ph는 OAKTON사의 ph CON-510 Meter를 사용하였고, CO2발생량은 TOADKK사의 CGP-31격막식 글래스(Glass) 전극을 사용하여 측정하였다.
본원발명 1시간 2시간 3시간 4시간 5시간 6시간
CO2 5 15 20 30 40 50
ph 7.6 7.2 7.0 6.8 6.4 6.2
KH 0 34.4 68.8 103.2 171 240.8
비교예 1시간 2시간 3시간 4시간 5시간 6시간
CO2 - - - 15 20 30
ph 7.6 7.6 7.6 7.2 7.0 6.8
KH 0 0 0 34.4 68.8 103.2
상기 표 및 도 4와 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 BTB 시약을 투입한 후, 청색의 상태에서 6시간 후 이산화탄소가 발생하기 시작함에 따라, ph가 7.6, 7.2. 7.0, 6.8, 6.4, 6.2의 상태로 변함과 동시에, 황색의 상태로 변하였지만, 비교예는 청색의 상태에서 4시간 후 이산화탄소가 발생하기 시작하였으며, ph도 7.6, 7.6, 7.6의 상태를 유지하다가, 7.2, 7.0, 6.8의 상태로 변화하면서 황색의 상태로 변하였는 바, 비교예가 본 발명보다 더딘 반응을 나타냄을 알 수 있다.
이와 같이, CO2 발생에 따른 BTB에 의해 색이 바뀌는 것으로부터 본 발명이 비교예보다 CO2발생이 월등히 잘 되고 있음을 알수 있다.
또한 CO2 발생량이 증가 할수록 ph가 7.6에서 6.2로 하강하면서 CO2 발생량과 탄산염(HCO3-)의 경도, 즉 KH값이 증가함을 알 수 있다. 이것은 ph 하강값에 따라 CO2 발생량과 탄산염 경도값이 거의 동일한 비율로 변화함을 확인할 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같은 비색측정도를 이용하여 ph, KH 측정으로 CO2 발생량을 유추해 볼 수 있다.
본 발명은 1시간 후부터 CO2가 발생하는 반면, 비교예는 4시간 후부터 CO2가 발생되었으며, 시간이 지날수록 본 발명과 비교예의 ph, CO2 발생량이 현저한 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다. 그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
10 : CO2 발생 배지용기 12 : 수조
20 : 마개 30 : 연결 호스
32 : 제 1 연결 호스 34 : 제 2 연결 호스
36 : 조절 밸브 40 : 발효액 공급방지부
42 : 인입구 44 : 출수구
50 : 배지 52 : 영양염류를 포함하는 당류
54 : 겔화제 또는 젤화제 51, 56 : 물
60 : 이스트 70 : 용액
72 : 반투과성막 80 : 이산화탄소

Claims (6)

  1. 용질이 용액 상에서 삼투압에 의해 용출(확산)될 수 있도록 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제, 및 영양염류 및 당류를 포함하는 반고체 겔화 또는 젤화 상태로서, 반투과성막이 형성된 배지를 형성하여 용매인 물과 용액상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써, 이산화탄소를 함유하는 이산화탄소 발효액을 발생시키는 CO2 발생 배지용기;
    상기 CO2 발생 배지용기를 폐쇄하는 마개;
    상기 마개에 천공되어 부착되어 상기 CO2 발생 배지용기에서 발생된 이산화탄소를 수조에 공급하는 연결 호스; 및
    상기 발생된 이산화탄소 발효액의 상기 수조로의 공급을 방지하도록 상기 연결 호스에 부착되는 발효액 공급방지부;를 포함하는 이산화탄소 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 호스는 강력 접착제와 셀룰로우즈 및 전분 용액을 혼합하여 응고시켜 상기 마개에 부착되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 발생 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발효액 공급방지부는 인입구와 출수구를 포함하고,
    상기 인입구와 출수구의 각각에 상기 연결 호스가 고정 접착되며,
    상기 CO2 발생 배지용기와 상기 발효액 공급방지부 사이의 연결 호스에는 조절 밸브를 더 포함하는 이산화탄소 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발효액 공급방지부에는 증류수 20ml 와 0.3ml BTB 시약이 용해되는 이산화탄소 발생 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배지에는 질소, 인, 칼륨을 포함하는 황산마그네슘(MgSO4), 포도당(Glucose), 제 1 인산칼륨(KH2PO4), 제 2 인산칼륨(K2HPO4) 및 요소((NH2)2CO)를 포함하는 이산화탄소 발생 장치.
  6. 영양염류 및 당류 분말에 적어도 하나의 겔화제 또는 젤화제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합단계;
    상기 혼합물을 110~121℃에서 10~20분 멸균하고 완전 용해시킨 후, CO2 발생 배지용기에 50-60중량% 채운 후, 실온 또는 4℃로 냉각하여 반고체 겔화 또는 젤화시키는 반고체 겔화단계; 및
    상기 혼합물에 이스트 및 물을 투입하는 이스트와 물 투입단계를 포함하는 이산화탄소 발생 방법.
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