KR102466406B1 - 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체의 제조방법, 포퓰러 톱밥을 준비하는 제1단계, 쌀겨에 물을 넣고 혼합하여 쌀겨물을 제조하는 제2단계, 상기 제1단계의 포퓰러 톱밥과 상기 제2단계의 쌀겨물을 혼합한 후 고압멸균하여 배지를 제조하는 제3단계, 상기 배지에 느타리버섯 종균을 접종한 후 1차 배양하여 배양물을 제조하는 제4단계, 상기 제4단계의 배양물에 밀가루물을 넣고 다시 2차 배양하여 균사체를 제조하는 제5단계 및, 상기 균사체를 180~200℃에서 30~40분동안 가열한 후 이를 성형하여 생분해성 고분자 복합체를 제조하는 제6단계;를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명에 의해, 빠른시간에 대량생산이 가능하면서 기계적 및 열적 특성이 우수하여 폴리스타이렌(polystyrene) 대체제로 사용가능한 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법이 제공된다.

Description

버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법{Mushroom Mycelium Based Biodegradable Polymer Complex and manufacturing method thereof}
본 발명은 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빠른시간에 대량생산이 가능하면서 기계적 및 열적 특성이 우수하여 폴리스타이렌(polystyrene) 대체제로 사용가능한 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
폐플라스틱은 화학적(Chemical recycling), 물리적(Material recycling) 그리고 열적 (Pyrolysis recycling)으로 구분이 된다. 물리적(Material recycling) 리싸이클링의 대표적인 예는 투명 PET(polyethylene terephthalate)를 작은 조각으로 분쇄하여 조각(flake)을 만들어 재생 제품의 원료로 사용하는 방법이다.
하지만 착색된 PET가 있으면 물리적 리싸이클링이 어려워 화학적(Chemical recycling) 리싸이클으로 원료화하게 된다.
열적(Pyrolysis recycling) 리싸이클은 열유화기술을 사용한다. 폐플라스틱의 열화학적 공정을 통해 합성가스 및 오일과 같은 원료를 추출해 제품 생산에 필요한 화학 원료를 대체하는 공정이 개발되었다.
산업용 및 생활용으로 많이 사용하는 폴리우레탄(poly urethane)은 수거된 폐자원에 이물질이 많아 물리적 리싸이클링은 어렵고 소각 시 유해물질이 발생하거나 소각시설의 부식 등 2차오염이 있을 수 있다.
지금 단계에서 플라스틱을 화학적 리싸이클링을 하는 것은 상용화 단계가 미진하나, 추후 매립과 소각을 줄이는 방법으로 화학적 리싸이클링이 대안이 되어야 한다.
플라스틱 제품의 생산단계에서도 재활용이 원활하도록 단일 제품으로 설계가 되어야 하고, 대체 플라스틱에 재료에 관해서도 연구가 필요한 실정이다.
이에 최근에는 바이오 플라스틱이 석유계 플라스틱을 대체하는 친환경 소재로서 그 시장이 빠르게 성장하고 있다. 유럽 플라스틱협회의 발표로는 세계 바이오 플라스틱 생산 능력은 2018년 약211만 톤에서 2023년 262만톤까지 늘어날 것으로 예측하였다.
2018년 211만 톤의 생산량 중에서 57%인 120만 톤은 바이오매스 기반 비분해서 플라스틱이고, 나머지 43%인 91만 톤은 생분해성 플라스틱이다.
국내 상황은 2008년부터 정부 주도하에 생분해성 바이오 플라스틱 사업이 추진되어, 2014년부터 기업 간 상호협력으로 많은 연구가 이루어지고 있다.
하지만 아직 국내 바이오 플라스틱의 시장은 5만 톤 내외이고, 국내 시장에 1% 정도밖에 되지 않는다. 대표적인 대체 플라스틱 소재는 PLA, PBAT가 있다.
PLA는 높은 인장강도와 가공성을 가지며, 대량생산이 가능해 생분해성 고분자 중 석유 기반 고분자를 대체할 가능성이 큰 물질이다. 하지만 취성(brittle)과 낮은 열정 안정성을 갖는 것이 단점이다.
PBAT는 석유기반 합성고분자로써 100% 생분해할 수 있으며, butylene adipate와 butylene terephthalate가 무작위로 구성되어 있어 결정이 낮은 편이다. 다른 생분해성 폴리에스터보다 높은 신장률과 유연성을 가지나, 낮은 modulus, stiffness, 방습성을 지니는 것이 단점이다.
이러한 PBAT는 terephthalate의 함량에 따라 modulus와 열적 특성이 증가하고 신장률을 감소하는 경향을 띠며, butylene adipate 함량이 증가하면 에스터 결합이 많아져 생분해 속도가 증가하나, 높은 생산비용과 낮은 열적 특성, 기계적 강도, modulus, 배리어(barrier) 특성을 갖고 있어 아직까지 이를 보완하는 연구들이 많이 필요한 실정이다.
이에, 최근에는 상기 PLA와 PBAT단점들을 보완하고자 버섯균사체를 이용한 친환경 포장재들에 대한 연구가 이루어지고 있다.
버섯류는 생물학적으로 곰팡이류(fungi)에 속한다. 버섯류는 영양성장 기관인 균사체(Mycelium)와 포자를 지닌 생식기관인 자실체(Fruit body)로 구성된다.
우리가 쉽게 식용으로 사용하는 부분이 버섯의 자실체에 해당하는 부분이다. 균사체는 식물에 비하면 뿌리와 같은 구조로 영양물질을 공급한다. 버섯 균사체는 주변의 나뭇가지나 낙엽 등에서 자라나며 기타 영양소들을 분해하고 흡수한다.
그리고 충분한 영양분을 축적할 때까지 무수히 뻗어 나간다. 그리고 기후와 조건이 맞으면 눈에 보이는 자실체로서 형성하게 된다. 균사체 고분자의 원리는 버섯의 균사체(mycelium)가 긴 실과 같은 뿌리가 얽혀 있는 구조를 띠는 것에 착안하여 고안된 것이다.
버섯 균사체는 성장하는 과정에서 복잡하게 얽히며 구조물을 형성한다. 이때 일정한 틀을 잡아주게 되면 원하는 모양으로 성형할 수 있으며, 이후 열로 균 사멸과정을 통해 균사체를 죽이면 단단하게 굳은 하얀 균사체 고분자를 얻을 수 있다.
그러나, 기존 버섯균사체 고분자를 얻기 위해서는 그 기간이 많이 소요되며여전히 강도가 약하고 단열효과가 낮은 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-2256335호 '버섯 균사체를 이용한 친환경 포장재 및 그 제조방법'
본 발명의 목적은 빠른시간에 대량생산이 가능하면서 기계적 및 열적 특성이 우수하여 폴리스타이렌(polystyrene) 대체제로 사용가능한 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체는 포퓰러 톱밥을 준비하는 제1단계, 쌀겨에 물을 넣고 혼합하여 쌀겨물을 제조하는 제2단계, 상기 제1단계의 포퓰러 톱밥과 상기 제2단계의 쌀겨물을 혼합한 후 고압멸균하여 배지를 제조하는 제3단계, 상기 배지에 느타리버섯 종균을 접종한 후 1차 배양하여 배양물을 제조하는 제4단계, 상기 제4단계의 배양물에 밀가루물을 넣고 다시 2차 배양하여 균사체를 제조하는 제5단계 및, 상기 균사체를 180~200℃에서 30~40분동안 가열한 후 이를 성형하여 생분해성 고분자 복합체를 제조하는 제6단계;를 포함하는 것이 특징이다.
상기 제3단계의 배지제조시, 상기 포퓰러 톱밥은 40~90 중량%, 상기 쌀겨물은 10~60 중량%로 구성되는 것이 특징이다.
상기 제5단계의 균사체 제조시, 상기 제4단계의 배양물과 밀가루물은 4~5 : 1 중량비로 이루어지는 것이 특징이다.
상기 제4단계의 배양물 제조시, 종균 접종 후 20~25℃에서 5~7일동안 1차 배양하여 제조하며, 상기 제5단계의 균사체 제조시, 20~25℃에서 5~7일동안 2차 배양하여 제조하는 것이 특징이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의해, 빠른시간에 대량생산이 가능하면서 기계적 및 열적 특성이 우수하여 폴리스타이렌(polystyrene) 대체제로 사용가능한 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체 및 이의 제조방법이 제공된다.
도 1은 온도에 따른 느타리버섯 균사체 생장을 나타낸 그래프이다.
도 2는 온도와 입자의 크기에 따른 균사체의 성장을 나타낸 도면이다.
도 3는 배양 기간에 따른 느타리버섯 균사체 생장을 나타낸 그래프이다.
도 4는 배양 기간에 따른 균사체의 성장을 나타낸 도면이다.
도 5는 원목의 종류에 따른 느타리버섯 균사체 생장을 나타낸 그래프이다.
도 6은 접종균 양에 따른 느타리버섯 균사체 생장을 나타낸 도면이다.
도 7은 입자 크기에 따른 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 입자 크기에 따른 균사체 고분자 복합체의 단열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 배양 기간에 따른 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 배양 기간에 따른 균사체 고분자 복합체의 단열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 원목의 종류에 따른 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 원목의 종류에 따른 균사체 고분자 복합체의 단열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 사멸온도에 따른 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 사멸온도에 따른 균사체 고분자 복합체의 단열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 밀도에 따른 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 밀도에 따른 균사체 고분자 복합체의 단열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 최종 각 실험 조건별 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성 비교결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 최종 각 실험 조건별 균사체 고분자 복합체의 단열 강도 비교결과를 나타낸 도면이다.
도 19는 PR 조합, 5㎜ 이하, 7일 배양, 단일톱밥, 사멸 180℃ 30min, 밀도 896kg/m³, 고분자 복합체 광학현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 20은 다양한 균사체 고분자 복합체 사용용도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 상세하게 설명하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
<본 발명의 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체의 제조공정>
1. 제1단계 : 포퓰러 톱밥 준비단계
먼저, 포퓰러(Populous sect. Aigeiros) 톱밥을 준비하는 것이 특징이다.
설명하면, 버섯을 재배 하는 방식은 크게 원목 재배법, 버섯판 재배법, 그리고 톱밥재배법이 있으며, 그 중 본 발명에서는 다량의 버섯균사체를 생산하기 위해 버섯재배법 중 톱밥재배법을 적용한다.
톱밥재배법은 배지(영양분)의 주재료가 톱밥이다. 톱밥은 응결되지 않는 성질로 톱밥재배법의 특성상 용기에 담아서 용기별로 종균을 배양 후 관리를 한다.
국내에서 유통되고 있는 버섯재배용 톱밥은 크게 발효 톱밥, 미루나무(포퓰러) 톱밥, 참나무 톱밥으로 구분이 된다. 발효 톱밥은 버섯용으로 재배에 가장 적합한 배합으로 농가에서 가장 많이 사용하는 톱밥으로 다양한 국산 원목을 조합해서 만들며 톱밥의 색은 연한 고동색을 띤다.
포플러 톱밥은 포플러, 버들, 수양버들의 원목으로 생산되며 느타리버섯, 새송이버섯, 팽이버섯 등의 종균 생육용으로 사용되며 톱밥의 색은 밝은 갈색이며 톱밥의 입자가 상대적으로 크다.
참나무 톱밥은 참나무 원목으로 생산되며, 표고버섯, 상황버섯, 새송이버섯 등에 사용이 되며 톱밥의 색은 발효 톱밥에 비해서는 밝으나, 진한 갈색 정도이며, 입자의 크기는 중간 정도이다.
본 발명에서는 상기 여러 톱밥들 종류별로 균사체를 확인한 결과, 하기 실험예에서도 입증되어 있듯이 포퓰러 톱밥이 참나무 톱밥보다 균사의 생장에 더욱 적절함을 확인하였다. 이에, 본 단계에서는 포퓰러 톱밥을 준비한다.
이러한 상기 포퓰러는 버드나무과에 속하는 나무로써, 온대 갈잎나무 종류 가운데 광합성률이 가장 높은 축에 들어서 성장이 매우 빠르며, 이러한 포플러 톱밥은 버섯재배에 흔히 사용되고 있는 재료 중에 하나이다.
이러한 포퓰러를 통해 만들어진 톱밥은 균사체 생장속도에 그 입자의 크기가 매우 중요하게 작용을 한다.
다시말해, 본 단계에서는 상기 포퓰러 톱밥의 입자크기가 5㎜ 이하인 것을 사용하는 것을 특징으로, 입자의 크기가 크면 입자 사이 공간이 생겨 틈으로 균사 생장이 더 빨라지고, 이를 통해 균사체가 많이 생성되긴 하나 강도나 단열면에서는 오히려 떨어지게 된다. 따라서, 단단한 강도 및 단열효과를 갖는 고분자 복합체를 제조하기 위해서는 상기 포퓰러 톱밥의 입자크기가 5mm이하인 것이 가장 좋다.
2. 제2단계 : 쌀겨물 제조단계
본 단계에서는 쌀겨에 물을 넣고 혼합하여 쌀겨물을 제조하는 것이 특징이다.
설명하면, 통상 배지에 영양분을 공급하기 위해 쌀겨를 사용한다. 쌀겨는 버섯의 영양분으로서 요구하는 비타민인 티아민을 보유하고 있으며 톱밥의 셀룰로스 성분에서 부족한 영양분을 공급한다.
이러한 쌀겨는 버섯재배에 통상적으로 쓰이는 영양물질로써, 종균배양이 원활히 이루어지도록 하기 위해 쌀겨에 물을 넣고 수분함량이 60~65%정도의 반죽물 형태로 제조하여 종균 영양물질로 사용한다.
여기서 상기 쌀겨물의 수분함량이 60%미만으로 함유될 경유에는 종균이 잘 자라지 못하게 되며 65%를 초과하게 되면 과도한 수분함량으로 잡균이 발생될 우려가 있는 바, 상기 60~65%의 수분함량을 갖도록 쌀겨물의 최적 수분함량 조건을 맞춰 제조하는 것이 좋다.
3. 제3단계 : 배지 제조단계
본 단계에서는 상기 제1단계의 포퓰러 톱밥과 상기 제2단계의 쌀겨물을 혼합한 후 고압멸균하여 배지를 제조하는 것이 특징이다.
보다 바람직하게는 상기 포퓰러 톱밥은 40~90 중량%, 상기 쌀겨물은 10~60 중량%로 구성되는 것이 특징이다.
이는 하기 실험예들을 통해 뒷받침되는 조건들로써, 상기 혼합비율조건은 균사체의 생장을 최대한 상승시켜주면서, 이를 통해 제조된 고분자 복합체의 경우 강도 및 단열효과가 우수하게 작용하게 되는 것이다. 즉, 상기 혼합비율을 벗어나 혼합하게 되면 본 발명이 목적하는 효과들을 얻지 못하게 되는 바, 상기 혼합비율을 맞춰 배지조성을 이루도록 하는 것이 중요하다.
또한, 상기 고압멸균은 120~130℃에서 10~20분간동안 이루어지는 것을 특징으로, 상기 배지들 상에 존재하는 잡균들을 사멸시키기 위한 것이며, 이를 통해 하기 버섯종균이 잘 자라게 된다.
또한, 상기 배지에는 질소성분을 0.3~0.4%(v/v) 가지고 있는 참나무 발효 톱밥(Ferment Quercus acutissima)을 더 포함하여 구성되기도 하며, 이때, 상기 포퓰러 톱밥은 35~40 중량%, 상기 질소성분을 0.3~0.4%(v/v) 가지고 있는 참나무 발효 톱밥은 35~40 중량%, 상기 밀가루물 5~20 중량%, 상기 쌀겨물은 5~20 중량%로 구성되는 것이 특징이다.
여기서 상기 참나무 발효 톱밥은 질소성분 0.3~0.4%(v/v)를 가지고 있는 것을 특징으로, 보다 바람직하게는 참나무 톱밥분말 10ℓ당 1~2 ℓ의 물을 넣고 혼합하여 수분함량이 50~60%인 톱밥물을 제조한 후, 여기에 쌀가루 또는 밀가루 100~200g을 넣고 잘 혼합한 후, 유청분말 또는 콩가루 50~100g을 넣고 혼합한 다음, 설탕 50~100g을 넣고 잘 혼합한 후, EM원액(효모균, 유산균, 광합성균이 1:1:1로 혼합되어 이루어진 유용미생물 배양액, evermiracle사) 50~100ml을 넣고 잘 혼합한 다음 30~60℃에서 1~2개월동안 발효한 다음 30~40℃에서 20~30일동안 숙성하여 제조되어 질소성분 0.3~0.4%(v/v)를 가지고 있는 것이 참나무 발효톱밥을 사용하는 것이 가장 좋다.
이와 같이 상기 참나무 발효톱밥을 추가할 경우 균사체의 생장이 더 촉진되게 되며, 이는 하기 실험예들을 통해 뒷받침되는 조건들로써, 상기 혼합비율조건은 균사체의 생장을 최대한 상승시켜주면서, 이를 통해 제조된 고분자 복합체의 경우 강도 및 단열효과가 우수하게 작용하게 되는 것이다. 즉, 상기 혼합비율을 벗어나 혼합하게 되면 본 발명이 목적하는 효과들을 얻지 못하게 되는 바, 상기 혼합비율을 맞춰 배지조성을 이루도록 하는 것이 중요하다.
따라서, 상기 쌀겨물 단독사용보다는 쌀겨물과 밀가루물을 1:1 중량비로 배합하여 사용하는 것이 더욱 균사체 생장 정도가 우수하다.
4. 제4단계 : 배양물 제조단계
본 단계에서는 상기 배지에 느타리버섯 종균을 접종한 후 1차 배양하여 배양물을 제조하는 것이 특징이다.
이때, 상기 배양은 20~25℃에서 5~7일동안 이루어지는 것을 특징으로, 이는 하기 실험예들을 통해 뒷받침되는 조건들로써, 5일부터는 온도가 높을수록 균사체가 빠르게 성장하였으며, 배양온도의 경우 25℃일 때 생장이 가장 우수하게 나타남을 확인하였다. 이에, 상기 배양조건을 20℃ 미만 또는 5일 미만으로 적용할 경우 균사체생장이 적어 본 발명이 목적하는 균사체 고분자 복합체 제조하기 어렵게 되는 바, 상기 배양조건을 지켜주는 것이 중요하다.
또한, 상기 느타리버섯(Pleurotus ostreatus) 종균은 일반 느타리, 사철느타리, 여름 느타리, 큰느타리, 노랑 느타리, 복 느타리 등 어느 하나이상을 적용하는 것으로, 더욱 바람직하게는 노랑 느타리버섯 종균을 사용하는 것이 좋다.
상기 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)은 보통 여름과 가을에 걸쳐 활엽수 기둥 또는 그루터기 등에 무리를 지어 자라는 특징을 가지고 있으며, 자실 체는 한 그루에서 뭉쳐서 자라는편이고 장다리로 불릴정도로 길게 균사체 성장이 가능하고 다소 높은 온도에서도 생존이 가능한 바, 본 발명에 가장 적합하다.
5. 제5단계 : 균사체 제조단계
본 단계에서는 상기 제4단계의 배양물에 밀가루물을 넣고 다시 2차 배양하여 균사체를 제조하는 것이 특징이다.
설명하면, 밀가루에는 단백질 성분과 비타민 B1과 섬유소가 들어 있어, 버섯 종균 배양에서 많이 사용하는 영양물질이다. 이에, 균사체의 생존력을 더 높이기 위해 밀가루에 물을 넣고 반죽물 형태로 제조하여 밀가루물로 제조하는데, 이때, 상기 밀가루물은 수분함량이 60~65%정도의 반죽물 형태로 제조하여 종균 영양물질로 사용한다.
여기서 상기 밀가루물의 수분함량이 60%미만으로 함유될 경유에는 추가함량대비 상승된 종균생장능을 나타내기 어려우며 65%를 초과하게 되면 과도한 수분함량으로 잡균이 발생될 우려가 있는 바, 상기 60~65%의 수분함량을 갖도록 밀가루물의 최적 수분함량 조건을 맞춰 제조하는 것이 좋다.
또한, 상기 제4단계의 배양물과 밀가루물은 4~5 : 1 중량비로 이루어지며, 20~25℃에서 5~7일동안 배양하여 균사체를 제조하는 것이 좋다.
다시 말해, 상기 밀가루물은 균사체 생장에 영양분을 더 주는 물질로써, 상기 밀가루물 중량 1을 기준으로 상기 배양물 중량비가 4 미만으로 함유될 경우에는 하기 고분자 복합체로 제조시 그 강도 및 단열정도가 약하게 되며, 5를 초과할 경우에는 초과 함량에 따른 상승된 효과를 기대하기 어렵다.
또한, 상기 배양은 20~25℃에서 5~7일동안 이루어지는 것을 특징으로, 이는 하기 실험예들을 통해 뒷받침되는 조건들로써, 5일부터는 온도가 높을수록 균사체가 빠르게 성장하였으며, 배양온도의 경우 25℃일 때 생장이 가장 우수하게 나타남을 확인하였다. 이에, 상기 배양조건을 20℃ 미만 또는 5일 미만으로 적용할 경우 균사체생장이 적어 본 발명이 목적하는 균사체 고분자 복합체 제조하기 어렵게 되는 바, 상기 배양조건을 지켜주는 것이 중요하다.
이에 최종적으로 상기 균사체 배양 기간은 10~14일 정도 소요될 경우 본 발명이 목적하는 균사체 생장정도를 획득할 수 있어 보다 단단하고 단열도가 높은 고분자 복합체를 제조할 수 있게 된다.
6. 제6단계 : 생분해성 고분자 복합체 제조단계
본 단계에서는 상기 균사체를 180~200℃에서 30~40분동안 가열한 후 이를 성형하여 생분해성 고분자 복합체를 제조하는 제6단계를 포함하는 것이 특징이다.
설명하면, 상기 균사체는 성장하는 과정에서 복잡하게 얽히며 구조물을 형성하는 것으로, 이때 일정한 틀을 잡아주게 되면 원하는 모양으로 성형할 수 있으며, 이후 열로 균 사멸과정을 통해 균사체를 죽이면 단단하게 굳은 하얀 균사체 고분자를 형성할 수 있게 된다. 이에 상기 가열온도가 중요하게 작용을 한다. 이는 하기 실험예에서도 뒷받침되는 것으로써 180℃미만으로 가열할 경우 강도가 약해지게 되며 200℃를 초과하면 오히려 균사체의 일부가 손실되는 우려가 발생된다.
또한, 상기 균사체는 800~900kg/m3의 밀도를 갖도록 압축성형할 경우 기계적 강도 및 단열효과가 우수하다.
이렇게 제조된 상기 고분자 복합체는 압축강도 0.440~0.450 kgf/cm²를 갖으며, 60%이상의 단열효과를 나타내어 300도이상의 온도에서도 단열능을 나타낼 수 있는 큰 특징을 갖게 된다.
이는 기존 폴리스타일렌(polystyrene의 압축강도는 0.445 kgf/cm² 그리고 단열률은 42%)과 유사한 강도 및 단열효과를 나타내는 것으로, 폴리스타일렌 물질은 녹는점이 90℃ 이므로, 해당 온도 이상으로 단열은 불가하지만, 본 발명의 고분자 복합는 300℃ 이상 온도에서도 단열할 수 있는 장점이 있게 된다.
이로 인해, 상기 본 발명의 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체를 이용하여 여러가지 용도(단열제, 포장제, 인테리어 제품, 친환경 벽돌)로 사용가능하게 된다.
이하에서는 실험예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들 실험예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
<실험예 1> 온도 조건에 따른 균사체 생장확인
(1) 원료 종류와 기본 배지 배합
먼저 원료로 버섯 균주를 노란 느타리버섯(Pleurotus ostreatus)으로 선택하였다.
기본 배지의 조합은 참나무(Quercus acutissima)톱밥과 포퓰러(Populous sect)톱밥 그리고 질소(Nitrogen, CAS 7727-37-9)성분을 0.34% 가지고 있는 발효 톱밥(Ferment Quercus acutissima) 3가지를 조합한 배지를 사용하였다.
기본 배지 배양온도는 25℃이다. 배지는 플라스크나 비커에 기본 배지인 PR (Populous sect, 쌀겨물) 배지를 각 120℃ 20분간 고압 멸균한 후 실온에 식힌 후에 균주를 접종할 준비를 하였다.
접종 원은 냉장(5℃~7℃)에서 보관하던 균주를 mycelium disk로 만들어 접종하였다.
Stainless spoon으로 10~50 ㎖를 접종한 후에 7일간 배양한 다음 사용하였다.
균주의 혼합물을 넣은 후에 25℃의 항온기에서 배양한 후에 실험에 사용하였다.
그리고 매 실험에는 새롭게 배양을 해서 테스트를 하였다. 노란 느타리버섯(Pleurotus ostreatus)의 균사의 생육에 최적화되고, 고분자의 물성에 가장 좋은 조합의 배지를 선발하기 위해서 하기 표 1에 공시된 6종류의 배지를 선정하였다.
재료
(Ingredients)		 Concentration(%)
PR QFR PFR FQFR FPFR FFR
참나무톱밥
(Quercus acutissima)		 80 80 40
포퓰러톱밥
(Populus sect)		 80 40
질소성분을 갖고 있는 발효톱밥
(Ferment Quercus acutissima)		 40 40 80
밀가루물 10 10 10 10 10
쌀겨물 20 10 10 10 10 10
즉, 기본 배지인 PR 외에 다른 조합을 5가지로 구성을 하였다. 접종한 각 배지는 25℃의 항온기에서 7일간 배양을 하며 관찰하였고 균사의 생육 정도를 측정하였다. 그리고 각 6가지의 배지의 성장과 다양한 변수를 설정하였다.
(2) 실험방법
상기 표 1에 표기된 기본 PR 배지 200㎖ 를 만들고 30㎖씩 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 이후 다음 플라스크에 접종하여 15℃, 20℃, 25℃의 온도 범위로 설정된 항온기에서 7일간 배양하면서 균사의 생육을 실험하였다.
(3) 실험결과
상기 실험결과 도 1, 도 2에 도시되어 있듯이, 각 온도에서 시간에 따른 균사의 길이를 나타낸 결과 시간이 지남에 따라 균사체의 길이가 직선적으로 증가하였다. 4일까지는 온도변화에 따라 균사체의 길이가 거의 비슷하였으나, 5일부터는 온도가 높을수록 균사체가 빠르게 성장하였다. 각 조건에서 시간에 따른 균사체 성장 속도는 각각 6㎜~12 ㎜/day를 나타내었다. 실험 조건인 7일을 두어 변수를 통제했을 때 15℃, 20℃, 25℃의 온도에서 7일 동안 성장한 균사체 길이는 각각 46㎜, 52㎜, 62㎜로 25℃가 균사의 생장에 가장 적합함을 확인하였다.
<실험예 2> 배양기간에 따른 균사체 생장확인
(1) 실험방법
상기 표 1에 기재된 기본 PR 배지를 50㎖ 용량의 테스트 튜브 플라스크(test tube flask)에 넣어 실험 조건을 갖추었다. 이후 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였고, 후에 10㎖씩 small beaker에 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 분주하여 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하였다. 이후 항온기에서 14일간 배양하면서 균사의 생육을 실험하였다. 비교를 위해 7일 배양 시험 군은 7일 균사 생장 측정 후 오토클레이브에 넣어 균사를 사멸하였다. 14일 배양 시험 군은 14일간 생장을 시킨 후 7일 배양 군과 같이 비교하였다.
(2) 실험결과
상기 실험결과 도 3, 4에 나타나 있듯이, 배양 기간에 따라서 시간에 따른 균사의 길이를 나타낸 결과 시간이 지남에 따라 균사체의 길이가 직선적으로 증가하였다. 7일까지는 온도변 화에 따라 균사체의 길이가 거의 비슷하였으나, 7일부터는 7일 배양 기간 변수인 배지는 균사를 사멸을 시켜 더 성장하지 않았고, 14일 변수인 배지는 12일째까지는 빠르게 성장하였고, 점차 둔화하여 13일째까지 성장하였다. 각 조건에서 시간에 따른 균사체 성장 속도는 각각 2㎜~4㎜/day를 나타내었다. 실험 조건인 7일, 14일을 두어 변수를 통제했을 때 배지의 생장이 7일인 변수와 14일인 변수가 성장한 균사체 길이는 각각 18㎜, 27㎜로 배양 기간이 13일일 때 균사의 생장에 가장 적절함을 확인하였다.
<실험예 3> 원목 종류에 따른 균사체 생장확인
(1) 실험방법
① 참나무(Quercus acutissima) 톱밥과 포퓰러(Populus sect) 톱밥 비교
참나무(Quercus acutissima) 톱밥과 포퓰러(Populus sect) 톱밥을 이용하였다. 배지의 영양분은 쌀겨물과 밀가루물을 절반씩 혼합하였다. 해당 QFR과 PFR 배지의 정확한 혼합 비율은 상기 표 1에 기재되어 있다.
1500㎖ 용량의 비이커에 1000㎖의 QFR(Quercus acutissima 800㎖, 밀가루물 100㎖, 쌀겨물 100㎖) 배지와 1000㎖의 PFR(Populus sect, 800㎖, 밀가루물 100㎖, 쌀겨물 100㎖)를 만들었다. 이후 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였다. 다음 50㎖씩 small beaker에 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 각 배지에 분주하여 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하였다. 이후 항온기에서 7일간 배양하면서 균사의 생육을 실험하였다.
(2) 실험결과
상기 실험결과 도 5에 나타나 있듯이, 배지 원목의 종류에서 7일간 시간이 지난 후 생장한 균사의 길이를 나타낸 결과 시간이 지남에 따라 균사체의 길이가 직선적으로 증가하였다. 4일까지는 온도변화에 따라 균사체의 길이가 거의 비슷하였으나, 5일부터는 포퓰러 톱밥 기반인 PFR 배지의 균사체가 빠르게 성장하였다. 각 배양 조건에서 시간에 따른 균사체 성장 속도는 각각 17㎜~23㎜/day를 나타내었다. 실험 조건인 7일을 두어 변수를 통제했을 때 QFR 배지와 PFR 배지가 7일 동안 성장한 균사체 길이는 각각 105㎜, 120㎜로 PFR 배지인 포퓰러 톱밥이 QFR 배지인 참나무 톱밥보다 균사의 생장에 더욱 적절함을 확인하였다.
<실험예 4> 접종균 양에 따른 균사체 생장확인
(1) 실험방법
250㎖ 용량의 플라스크(flask)에 200㎖의 FQFR(Fermented wood 80㎖ Quercus acutissima 80㎖, 밀가루물 20㎖, 쌀겨물 20㎖) 배지를 제조하여 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였다. 종균의 투입량에 따른 시험조건을 위해 각 시험군별로 20g, 30g, 40g씩 small beaker에 노란 느타리버섯종균 (Pleurotus ostreatus)을 분주하여 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하였다.
이후 항온기에서 7일간 배양하면서 균사의 생육을 실험하였다.
(2) 실험결과
상기 실험결과 도 6에 나타나 있듯이, 배지 접종균에 양에 따라 7일간 시간이 지난 후 생장한 균사의 길이를 나타낸 결과 시간이 지남에 따라 균사체의 길이가 직선적으로 증가하였다. 4일까지는 접종균의 양에 따라 균사체의 길이가 더 많이 성장하였으나, 5일이 지나서는 양과 상관없이 성장 속도가 비슷해졌다. 각 배양 조건에서 시간에 따른 균사체 성장 속도는 각각 3㎜~8㎜/day를 나타내었다. 실험 조건인 7일을 두어 변수를 통제했을 때 접종균의 양이 20g, 30g, 40g인 배지가 7일 동안 성장한 균사체 길이는 각각 31㎜, 32㎜, 32㎜로 접종균의 양이 차이가 배지의 성장에 큰 영향이 없음을 확인하였다.
<실험예 5> 균사체 고분자 복합체의 기계적 강도 및 단열 특성 확인
(1) 균사체 고분자와 입자 크기에 대한 관계
포퓰러(Populous sect. Aigeiros)톱밥을 분류하기 전 채망 (netting)을 통해 지름 5㎜ 초과인 톱밥 입자와 5㎜ 이하의 입자를 가진 톱밥으로 구분하였다. 이후 두시험군으로 각각 기본 배지인 PR 배지를 배합하였다. 해당 PR 배지의 정확한 혼합 비율은 상기 표 1에 나와 있다. 배지를 1,000㎖의 beaker에 넣고 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였다. 후에 50㎖씩 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하며 균사의 생육을 실험하였다. 이후 항온기에서 7일간 배양하였다. 7일 경과 후 각 플라스크에서 배지에 배양된 균사를 꺼냈다. 배지와 균사를 차아염소산수(hypochlorous acid)로 살균한 Bowl에 넣어주었다. Bowl에 밀가루물 50㎖를 추가로 넣어 섞어준 후에 시험편 틀(Ø80㎜ × H40㎜) 속에 넣고 7일을 다시 균사를 배양을 시킨다. 이후 180℃ 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸한 후 시험편(Ø80㎜ × H40㎜)을 제작하여 균사체 고분자 시험편의 물리적 데이터를 측정했다.
① 실험방법
ㄱ. 압축강도 시험 방법
압축강도(compressive strength) 실험을 위해서 압축강도 테스트기를 이용하여 압력을 가해 시험편이 파괴될 때까지 하중을 가했다. 시험편의 넓이가 Ø80㎜ × H 40㎜에 해당하기 때문에 모든 면적에 균일한 힘을 작용하기 위해서 아크 릴판을 이용하였다. 시험편 위에 골고루 힘이 전달 될 수 있도록 설계하였다.
대조군으로서 같은 치수의 스티로폼을 이용하여, 같은 시험조건을 이용하여 해당 강도를 측정하여 비교하였다. 압축강도의 단위는 kgf/cm²로서 시험편 면적이 16πcm²(약 50.24cm)임을 고려하여 산정하였다. 해당 시험편은 해당 면적에 10kg에서 25kg 사이의 하중으로 압축강도를 측정하였다. (15kg 하중으로 파괴가된 시험편은 15kg/50.24cm²로 계산이 되어 0.298 kgf/cm²로 데이터를 측정하 였다.)
ㄴ. 단열 시험 방법
단열 실험을 위해 표면 온도를 원하는 수치만큼 설정이 가능한 HOT PLATE 기계를 이용하였다. 온도의 측정은 적외선 측정기를 이용하여 온도를 측정하였 다. 대조군에는 단열재(Ø80㎜ × H40 ㎜)를 올려두지 않고 기계의 표면을 측정 하고 실험군에는 시험편을 같은 세팅에 기계 표면에 올려두고 시험편의 표면 온도를 측정하였다. 시험편은 60min을 올려두어 충분히 단열 조건을 할 수 있도록 하였다. 대조군과 실험군의 온도계 온도를 비교해 대조군보다 실험군의 온도 감소치를 측정해 해당 시험편의 단열률을 측정하였다. 온도의 범위는 60℃부터 300℃ 범위까지 측정하였다. 스티로폼은 녹는점을 고려해 90℃만 측정을 진행했다. 시험은 100℃, 200℃, 300℃의 표면 온도에 3번을 진행해 평균 단열률을 측정하였다. (시험편이 올려놓지 않은 채로 측정이 된 표면 온도가 100℃일 때, 시험편을 올려두고 60min 지난 후 시험편 위에 온도가 45℃이면 단열률 데이터를 55%로 측정하였다.)
② 실험결과
상기 실험결과 도 7에 나타나 있듯이 배지 입자 크기를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 물리적 특성값을 측정한 결과 입자의 크기가 5㎜ 이하인 시험편은 압축강도는 22.5kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 입자의 크기가 5㎜ 초과인 시험편은 압축강도는 20.1kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편의 입자 크기를 변수를 통제했을 때 5㎜ 초과와 5㎜ 이하 각각 압축강도는 0.400 kgf/cm², 0.448 kgf/cm²로 배지의 입자가 5㎜ 이하일 때가 초과일 때보다 시험편의 기계적 강도가 우수했다.
또한, 도 8에 나타나 있듯이 배지 입자 크기를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 단열 특성을 측정한 결과 입자의 크기가 5㎜ 이하인 시험편은 64%의 단열률을 보였다. 입자의 크기가 5㎜ 초과인 시험편은 57%의 단열률을 보였다. 시험편의 입자 크기를 변수를 통제했을 때 ‘5㎜ < (초과)’와 ‘5㎜ ≥ (이하)’ 각각 단열률은 57%와 64%로 배지의 입자가 5㎜ 이하일 때가 초과일 때보다 시험 편의 단열 특성이 더욱 우수했다.
(2) 균사체 고분자와 배양기간에 대한 관계
① 실험방법
기본 PR 배지를 포퓰러톱밥과 쌀겨물을 사용해 만든다. 상기 표 1에 표기되어 있는 해당 비율로 200㎖ 배지를 만들고 30㎖씩 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 이후 25℃의 온도 범위로 설정된 항온기에서 7일 경과 후 각 플라 스크에서 배지에 배양된 균사를 꺼냈다. 배지와 균사를 차아염소산 수 (hypochlorous acid)로 살균한 Bowl에 넣어주었다. Bowl에 밀가루물 50㎖를 추가로 넣어 섞어준 후에 시험편 틀(Ø80㎜ × H40㎜) 속에 넣고 7일을 다시 균사를 배양을 시킨다. 대조군이 되는 시험편은 같은 조건에 4일만 균사를 시험편 에서 배양시킨다. 이후 180℃ 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸한 후 시험 편(Ø80㎜ × H40㎜)을 제작하여 균사체 고분자 시험편의 물리적 데이터를 측정했다.
압축강도 및 단열 시험방법은 상기 (1)균사체 고분자와 입자 크기에 대한 관계에 제시된 실험방법과 동일하게 적용하였다.
② 실험결과
상기 실험결과 도 9에 나타나 있듯이 시험편의 배양 기간을 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 물리적 특성값을 측정한 결과 시험편 배양일 4일 시험편은 압축강도는 12.3kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편 배양일 7일 시험편은 압축강도는 18.5kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편의 배양 기간을 통제했을 때 7일 배양과 4일 배양의 각각 압축강도는 0.368 kgf/cm², 0.245 kgf/cm²로 시험편의 배양 일자가 7일일 때가 4일일 때보다 시험 편의 기계적 강도가 더욱 우수했다.
상기 실험결과 도 10에 나타나 있듯이 시험편의 배양 기간을 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 단열 특성을 측정한 결과 시험편 배양일 4일 시험편은 38%의 단열률을 보였다. 시험편 배양일 7일 시험편은 49%의 단열률을 보였다. 시험편의 배양 기간을 통제했을 때 7일 배양과 4일 배양의 각각 단열률은 49%와 38%로 시험편의 배양 일자가 7일일 때가 4일일 때보다 시험편의 단열 특성이 더욱 우수했다.
(3) 균사체 고분자와 원목종류에 대한 관계
① 참나무(Quercus acutissima) 톱밥과 포퓰러(Populus sect) 톱밥 비교
ㄱ. 실험방법
참나무(Quercus acutissima) 톱밥과 포퓰러(Populus sect) 톱밥을 이용하였다. 배지의 영양분은 밀가루물과 쌀겨물을 절반씩 혼합하였다. 해당 QFR과 PFR 배지의 정확한 혼합 비율은 상기 표 1에 나와 있다. 1500㎖ 용량의 beaker에 1000㎖의 QFR(Quercus acutissima, 800㎖, 밀가루물 100㎖, 쌀겨물 100㎖) 배지와 1000㎖의 PFR (Populus sect, 800㎖, 밀가루물 100㎖, 쌀겨물 100㎖)를 만들었다. 이후 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였다. 후에 50㎖씩 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하였다. 이후 향온기에서 7일간 배양하였다. 7일 경과 후 Beaker에서 배지에 배양된 균사를 꺼냈다. 배지와 균사를 차아염소산수(hypochlorous acid)로 살균한 Bowl에 넣어주었다. Bowl에 밀가루물 50㎖를 추가로 넣어 섞어준 후에 시험편 틀(Ø80㎜ × H40㎜) 속에 넣고 7일을 다시 균사를 배양을 시킨다. 이후 180℃ 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸한 후 시험편(Ø80㎜ × H40㎜)을 제작하여 균사체 고분자 시험편의 물리적 데이터를 측정했다.
압축강도 및 단열 시험방법은 상기 (1)균사체 고분자와 입자 크기에 대한 관계에 제시된 실험방법과 동일하게 적용하였다.
ㄴ. 실험결과
상기 실험결과 도 11에 나타나 있듯이, 시험편의 배지 원목의 종류를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든후 물리적 특성값을 측정한 결과 PFR 시험편은 압축강도는 20.4kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. QFR 시험편은 압축강도는 18.9kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편의 원목의 종류를 통제했을 때 PFR과 QFR의 각각 압축강도는 0.406 kgf/cm², 0.376 kgf/cm²로 시험편의 원목의 종류가 PFR 때가 QFR 때보다 시험편의 기계적 강도가 더욱 우수했다.
상기 실험결과 도 12에 나타나 있듯이 시험편의 배지 원목의 종류를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든후 단열 특성을 측정한 결과 PFR 시험편은 55%의 단열률을 보였다. QFR 시험편은 52%의 단열률을 보였다. 시험편의 원목의 종류를 통제했을 때 PFR 과 QFR 의 각각 단열률은 55%와 52%로 시험편의 원목의 종류가 PFR 때가 QFR 때보다 시험편의 단열 특성이 더욱 우수했다.
(4) 균사체 고분자와 사멸온도와의 관계
ㄱ. 실험방법
기본 PR 배지를 포퓰러(Populous sect. Aigeiros)톱밥과 쌀겨물을 사용해 만든다. 해당 PR 배지의 정확한 혼합 비율은 상기 표 1에 나와 있다. 해당 비율로 1000㎖ 배지를 만들고 50㎖씩 노란 느타리버섯종균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 이후 25℃의 온도 범위로 설정된 항온기에서 7일 경과 후 각 플라 스크에서 배지에 배양된 균사를 꺼냈다. 배지와 균사를 차아염소산수(hypochlorous acid)로 살균한 Bowl에 넣어주었다. Bowl에 밀가루물 50㎖를 추가로 넣어 섞어준 후에 시험편 틀(Ø80㎜ × H40㎜) 속에 넣고 7일을 다시 균사를 배양을 시킨다. 이후 180℃, 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸한 후 시험편(Ø80㎜ × H40㎜)을 제작한다. 대조군이 되는 시험편은 동일한 조건에 120℃, 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸시킨다. 이후 두 종류의 균사체 고분자 시험편의 물리적 데이터를 측정했다.
압축강도 및 단열 시험방법은 상기 (1)균사체 고분자와 입자 크기에 대한 관계에 제시된 실험방법과 동일하게 적용하였다.
ㄴ. 실험결과
상기 실험결과 도 13에 나타나 있듯이, 시험편의 사멸(heating)온도 설정에 따라 균사체 고분자 시험편을 만든 후 물리적 특성값을 측정한 결과 시험편 배지는 PR로 같다. 120℃ 30min 로 사멸시킨 시험편은 압축강도는 18.7kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 180℃, 30min로 사멸시킨 시험편은 압축강도는 19.4kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편의 사멸(heating)온도로 통제했을 때 180℃, 30min로 사멸한 시험편과 120℃, 30min로 사멸한 시험편의 각각 압축강도는 0.386 kgf/cm², 0.372 kgf/cm²로 시험편의 사멸온도가 180℃, 30min 일 때 시험편의 기계적 강도가 더욱 우수했다.
상기 실험결과 도 14에 나타나 있듯이, 시험편의 사멸(heating)온도 설정에 따라 균사체 고분자 시험편을 만든 후 단열 특성을 측정한 결과 시험편 배지는 PR로 같다. 120℃, 30min로 사멸시킨 시험편은 56%의 단열률을 보였다. 180℃, 30min로 사멸시킨 시험편은 55%의 단열률을 보였다. 시험편의 사멸(heating)온도로 통제했을 때 180℃, 30min로 사멸한 시험편과 120℃, 30min로 사멸한 시험편의 각각 단열률은 56%와 55%로 시험편의 사멸온도가 180℃, 30min일 때 시험편의 단열 특성이 더욱 우수했다.
(5) 균사체 고분자와 밀도와의 관계
ㄱ. 실험방법
포퓰러(Populous sect,) 톱밥과 발효톱밥(Ferment Quercus acutissima)을 사용하 였다. 1500㎖ 용량의 beaker에 1000㎖의 FQFR(Fermented wood 400㎖, Quercus acutissima 400㎖, 밀가루물 80㎖, 쌀겨물 80㎖) 배지를 제조하여 120℃에서 20분간 고압멸균을 하였다. 후에 50㎖씩 노란 느타리버섯종 균(Pleurotus ostreatus)을 접종하였다. 온도 범위는 25℃로 유지하였다. 이후 항온기에서 이후 항온기에서 7일간 배양하였다. 배지와 균사를 beaker에서 꺼내 차아염소산수(hypochlorous acid)로 살균한 Bowl에 넣어주었다. Bowl에 밀가루물 50㎖를 추가로 넣어 섞어준 후에 시험편 틀(Ø80㎜ × H40㎜) 속에 넣고 7일을 다시 균사를 배양을 시킨다. 시험편 틀에 배지를 넣을 때 투입 중량 다르게 넣는다. 각각 100g, 140g, 180g을 같은 부피의 시험편 틀에 넣어 고분자의 밀도를 다르게 한다. 이후 180℃ 30min로 가열을 하여 균을 모두 사멸한 후 3가지 종류의 시험편(Ø 80㎜ H 40㎜)을 제작하여 균사체 고분자 시험편의 물리적 데이터를 측정했다.
압축강도 및 단열 시험방법은 상기 (1)균사체 고분자와 입자 크기에 대한 관계에 제시된 실험방법과 동일하게 적용하였다.
*밀도 단위 측정 p=m/V, kg/m³는 물체의 밀도 (킬로그램 매 세제곱미터)
ㄴ. 실험결과
상기 실험결과 도 15에 나타나 있듯이, 시험편의 배지 밀도를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 물리적 특성 값을 측정한 결과 동일 부피 대비 180g을 넣어 밀도를 가장 높인 시험편의 압축강도는 20.1kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 140g을 넣은 시험편은 압축강도는 15kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 100g을 넣은 시험편은 압축강도는 10.1kg의 프레스 하중에서 시험편의 파괴가 일어났다. 시험편의 배지 밀도를 다르게 통제했을 때 동일 부피(Ø80㎜ × H 40㎜) 대비 180g, 140g, 100g을 (각각 밀도 단위 896 kg/m³, 697 kg/m³ 498 kg/m³) 넣은 시험편의 압축강도는 0.400 kgf/cm², 0.299 kgf/cm², 0.201 kgf/cm²였다. 시험편의 밀도는 높으면 높을수록 시험편의 기계적 강도가 가장 우수했다.
상기 실험결과 도 16에 나타나 있듯이, 시험편의 배지 밀도를 다르게 균사체 고분자 시험편을 만든 후 단열 특성을 측정한 결과 동일 부피 대비 180g을 넣어 밀도를 가장 높인 시험편의 단열률은 평균 57%의 단열률을 보였다. 140g을 넣은 시험편은 41%의 단열률을 보였다. 100g을 넣은 시험 편은 28%의 단열률을 보였다. 시험편의 배지 밀도를 다르게 통제했을 때 동일 부피(Ø80 ㎜ × H 40㎜) 대비 180g, 140g, 100g을 (각각 밀도 단위 896 kg/m³, 697 kg/m³ 498 kg/m³) 넣은 시험편의 단열률은 57%, 41%, 28%였다. 시험편의 밀도는 높으면 높을수록 시험편의 단열 특성이 더욱 우수했다.
(6) 최종 각 실험 조건별 균사체 고분자 복합체의 기계적 특성 관계
(1) 실험방법 및 결과
하기 표 2에 기록된 실험 조건별로 준비하여 각 조건별 균사체 배양속도를 확인하였다. 그 결과 하기 표 2 및 도 17과 같이 나타났다.
Num. Compressive strength Remark
1 0.448 PR,5 ㎜ >=,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
2 0.400 PR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
3 0.245 PR,MIXED,14DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
4 0.368 PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
5 0.376 QFR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
6 0.406 PFR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
7 0.287 FFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
8 0.398 FPFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
9 0.354 FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
10 0.412 PFR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
11 0.432 FPFR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
12 0.372 PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,120℃ 30min,180g
13 0.386 PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
14 0.201 FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,100g
15 0.299 FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,140g
16 0.400 FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
17 0.445 polystyrene
다시말해, 상기 시험조건들에 대한 16가지 균사체 고분자 복합체의 단열률과 압축 강도에 관한 결과이다. PR배지, 입자 크기 5㎜ 미만, 시험편 배양일 수 7일, 단일톱 밥, 사멸 180℃, 30min, 밀도 896 kg/m³ (중량 180g / 부피 Ø80㎜ × H 40㎜)일때 0.448 kgf/cm²의 압축강도를 보여 가장 물성이 우수하였으며, 그다음으로는 FPFR 배지에서 우수한 강도를 나타냄을 확인하였다. 도 19에 해당 시험편을 광학현미경 촬영을 해보면 균일한 균사체가 성장해있고 톱밥을 감싸고 있는 모습을 관찰하였다. 톱밥은 포퓰러톱밥(Populous sect)일 때 시험조건 중에서 고분자 물성이 좋았다. 그리고 다른 톱밥과 섞이지 않고 단일 종의 톱밥일 때 더욱 우수했다. 입자의 크기가 5㎜ 미만으로 입자의 크기가 작을 때 균사가 톱밥을 감싸는 형태로 생장이 되어 고분자 복합체의 기계적 강도가 더욱 좋았다. 종균이 접종되어 시험편으로 들어갈 때 배지의 압착밀도가 높을수록 기계적 강도가 우수하였다.
(7) 최종 각 실험 조건별 균사체 고분자 복합체의 물리적 특성 관계
(1) 실험방법 및 결과
하기 표 3에 기록된 실험 조건별로 준비하여 각 조건별 균사체 배양속도를 확인하였다. 그 결과 하기 표 3 및 도 18과 같이 나타났다.
Num. Thermal insulation Remark
1 64% PR,5 ㎜ >=,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
2 57% PR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
3 38% PR,MIXED,14DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
4 49% PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
5 52% QFR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
6 55% PFR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
7 36% FFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
8 59% FPFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
9 45% FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
10 60% PFR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
11 63% FPFR,5 ㎜ <,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
12 55% PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,120℃ 30min,180g
13 56% PR,MIXED,7DAYS,NitrogenX,180℃ 30min,180g
14 28% FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,100g
15 41% FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,140g
16 57% FQFR,MIXED,7DAYS,NitrogenO,180℃ 30min,180g
17 42% polystyrene
다시말해, 상기 시험조건들에 대한 16가지 균사체 고분자 복합체의 단열률에 관한 결과이다. PR배지, 입자 크기 5㎜ 미만, 시험편 배양일 수 7일, 단일톱밥, 사멸 18 0℃ 30min, 밀도 896 kg/m³ (중량 180g, 부피 Ø80㎜ × H 40㎜)일 때 0.448 kgf/cm²의 압축강도를 보여 가장 단열 특성이 우수했다. 그다음으로는 FPFR 배지에서 우수한 강도를 나타냄을 확인하였다. 도 19에 해당 시험편을 광학현미경 촬영을 해보면 균일한 균사체가 성장해있고 톱밥을 감싸고 있는 모습을 관찰하 였다. 톱밥은 포퓰러톱밥(Populous sect)일 때 시험조건 중에서 단열 특성이 좋았다.
그리고 다른 톱밥과 섞이지 않고 단일 종의 톱밥일 때 더욱 우수했다. 입자의 크기가 5㎜ 미만으로 입자의 크기가 작을 때 균사가 톱밥을 감싸는 형태로 생장이 되어 고분자 복합체의 단열 특성이 더욱 좋았다. 종균이 접종되어 시험편으로 들어갈때 배지의 압착밀도가 높을수록 단열 특성이 우수하였다.
이와 같이 본 발명에 의해, 빠른시간에 대량생산이 가능하면서 기계적 및 열적 특성이 우수하여 폴리스타이렌(polystyrene) 대체제로 사용가능한 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 20에 나타나 있듯이 상기 본 발명의 버섯균사체 기반 생분해성 고분자 복합체를 이용하여 여러가지 용도(단열제, 포장제, 인테리어 제품, 친환경 벽돌)로 사용가능함을 확인하였다.
상기의 본 발명은 바람직한 실험예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실험예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 포퓰러 톱밥을 준비하는 제1단계;
    쌀겨에 물을 넣고 혼합하여 쌀겨물을 제조하는 제2단계;
    상기 제1단계의 포퓰러 톱밥과 상기 제2단계의 쌀겨물을 혼합한 후 고압멸균하여 배지를 제조하는 제3단계;
    상기 배지에 느타리버섯 종균을 접종한 후 1차 배양하여 배양물을 제조하는 제4단계;
    상기 제4단계의 배양물에 밀가루물을 넣고 다시 2차 배양하여 균사체를 제조하는 제5단계 및,
    상기 균사체를 180℃에서 30분동안 가열한 후 이를 성형하여 폴리스타일렌 대체용 복합체를 제조하는 제6단계;를 포함하는,
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계의 배지제조시, 상기 포퓰러 톱밥은 40~90 중량%, 상기 쌀겨물은 10~60 중량%로 구성되는 것이 특징인,
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제5단계의 균사체 제조시, 상기 제4단계의 배양물과 밀가루물은 4~5 : 1 중량비로 이루어지는 것이 특징인
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4단계의 배양물 제조시, 종균 접종 후 20~25℃에서 5~7일동안 1차 배양하여 제조하는 것이 특징인,
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제5단계의 균사체 제조시, 20~25℃에서 5~7일동안 2차 배양하여 제조하는 것이 특징인,
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 선택된 어느 한항의 제조방법에 의해 제조된,
    버섯균사체 기반 폴리스타일렌 대체용 복합체.
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