KR20000040127A - 초음파 조사에 의한 용수의 살균 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 조사에 의한 용수의 살균 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 음향강도가 3.5㎾/㎡ 이상인 강력 초음파를 용수 중에 20분 이상 조사하여 초음파의 음화학 반응으로 생성된 공동화 현상에 의한 고열과 고압으로 용수의 병원성 미생물을 살균하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따라서, 초음파를 조사하여 용수를 처리하는 살균 방법은 다른 살균처리 방법과 다르게 냄새나 부산물의 생성 없이 용수를 살균처리하고 시간과 비용을 절약할 수 있다.

Description

초음파 조사에 의한 용수의 살균 처리 방법

본 발명은 초음파 조사에 의한 용수의 살균 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 초음파의 공동화 현상(cavitation)을 이용하여 용수 중의 병원성 미생물을 살균하기 위해 초음파 반응에 영향을 미치는 인자인 농도, 조사 시간, pH, 및 음향 강도의 영향을 검토하여 병원성 미생물의 효과적인 살균 방법을 제공하기 위한 것이다.

급격한 산업의 발달과 도시인구의 증가로 인하여 생활 오·폐수 및 공장폐수의 양적 증가와 함께 질적으로는 각종 유해한 물질 등이 배출되기 때문에 상수원은 이미 자정작용을 잃고 있으며, 이로 인하여 심각하게 오염되고 있다.

또한, 수질 오염으로 인한 병원성 미생물의 증식은 수인성 질병을 일으키므로 공중 보건 측면에서도 매우 중요하다. 수인성 질병의 원인은 대부분 식수에 기인되므로, 상수원의 오염은 대규모 집단 환자의 발생을 우려케 한다. 식수 중의 미생물 특히 장내세균의 검출은 분변성 오염을 의미하는 것으로써, 이는 병원성 장내세균이나 바이러스의 존재가능성을 의미한다. 따라서, 상수도 계통에서의 병원성 미생물은 식수를 직접 마시는 사람들에게 있어서 급성 질병을 일으킬 위험이 있으며, 장기적으로 복용할 경우에는 치명적일 수 있다. 이에 대한 근본적 대책으로 미생물의 살균을 위하여 정수공정 중 소독을 필요로 한다.

살균(disinfection)이란, 병원성 미생물을 화학적 또는 물리적 방법을 직접 적용하여 파괴하는 것으로 정의할 수 있다.

살균은 바이러스(virus), 박테리아(bacteria) 등의 병원성 미생물로부터 인간의 건강을 보호하는 역할을 한다. 보통 원수(原水)는 침전과 여과 과정만으로도 거의 모든 오염 물질이 제거되어 먹는 물로 사용할 수 있다. 일반적으로 병원성 미생물은 아래 표 1에 나타낸 바와 같이 스크린과 같은 물리적 처리에 대한 저항력이 약하므로 우선적으로 제거되나, 완전하게 처리가 되지 않아 세균이 잔류하는 경우가 발생하게 된다. 이처럼 원수의 오염이 심해짐에 따라 병원성 미생물을 살균하는 정수공정이 필요하게 된다.

다음 표 1에는 각 처리 공정에서의 병원성 균의 살균효율을 나타내었다.

공 정	제 거 율(%)
조대 스크린	0 내지 5
미세 스크린	10 내지 20
침사지	10 내지 25
보통 침전	25 내지 75
약품 침전	40 내지 80
살수여과상	90 내지 95
활성슬러지	98 내지 99
처리된 하수의 염소 살균	98 내지 99

대부분 정수 공정에서는 살균지속력이 우수하고, 비교적 저렴한 살균제인 염소를 주입하여 처리하는 공정을 채택하고 있다.

염소는 가장 대표적인 살균제이고, 살균 조작 후에도 수중에 잔류함으로써 2차 오염을 방지할 수 있다. 수중에서의 반응은 아래와 같고, 염소가스는 물과 즉시 반응하여 차아염소산(HOCl)과 염산의 형태로 된다.

Cl₂+ H₂O ⇔ HOCl + HCl^-

HOCl ⇔ H⁺+ OCl^-

염소에 의한 살균은 강한 산화력으로 미생물의 대사과정에 중요한 미생물의 세포 내에 존재하는 효소를 산화시키는 것을 말하며, 이로 인해 살균작용이 일어나게 된다. 이러한 효소활동 방해작용은 HOCl(hypochlorous acid)과 OCl^-(hpocholite ion)에 의해 발생하며, HOCl(hypochlorous acid)의 살균 효율이 OCl^-(hpocholite ion)의 살균 효율보다 40 내지 80배정도 강하다.

상기 염소는 일반적인 살균 목적이외에도 냄새, 맛, 색깔을 조절하고, 철분, 망간, 황화수소를 제거하며, 암모니아 유기물을 산화시키고, 필터가 막히는 것을 방지하여 준다. 그러나, 상기 염소를 과다하게 투입했을 경우 염소 냄새를 발생시켜 음용 시 거부감을 일으키고, 투입된 염소 중 일부와 자연 생성된 부식성 유기물(humic substances)이 결합하여, 발암성을 갖는 THMs(trihalomethanes)등의 부산물을 생성하는 단점이 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 단점을 보완하고자 염소 대체 물질 및 단위 공정의 개발이 시급한 실정이며, 이미 이산화 염소(ClO₂), 오존 및 자외선 등을 이용한 용수의 살균 처리에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.

이산화 염소는 염소보다 산화력(약 2.5배) 및 살균력이 강하고 넓은 pH 영역을 가지고 있어 pH 조절 부담도 적고 염소와 달리 수중의 질소 화합물 및 페놀과도 반응을 일으키지 않아 불쾌한 냄새를 방지할 수 있고 또한 THMs 전구물질과도 반응하지 않아 THMs 발생의 문제를 야기 시키지 않기 때문에 대체 산화물로서 주목받고 있다.

그러나 상기 이산화 염소를 만들기 위해서는 염소 가스, 아염소산 나트륨(NaClO₂)과 차아염소산 나트륨(NaOCl) 등을 주입해야 하므로 산화 반응 이후에 만들어지는 ClO^-2가 인체에 피해를 주며, 약품이 과다하게 투여될 수 있기 때문에 약품비가 많이 들고 취급이 어렵다.

상기 오존은 환원상태의 화합물 등과 반응하는 강력한 산화제이다. 오존의 산화 능력은 염소보다 1.5배 더 강하고, 살균은 물론 탈취, 탈미 등의 효과가 뛰어나다. 오존의 유효 잔여물(effective residual)이 산소이기 때문에 폐수 중에 페놀이나 암모니아가 함유되어 있어도 유기물이 생성되지 않고, 철, 망간을 불용화시켜 제거한다. 또한, pH의 큰 영향 없이 살균 작용을 하며, 처리속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다.

그러나 염소에 비하여 급수 계통에서 필요 잔류량이 유지될 수 없고, 장치비 및 동력비 등 가격면에서 불리하다는 단점이 있다.

또한, 자외선에 의한 살균은 강력한 햇볕이 자외선 또는 인위적으로 발생시킨 초단파를 조사하여 미생물을 사멸시키는 방법이며 핵속의 데옥시리보핵산(DNA)과 세포질 속의 리보핵산(RNA)을 함유한 박테리아 세포 핵산이 햇볕의 자외선 영역의 에너지를 흡수하여 파괴되는 것으로 알려지고 있다.

상기 자외선에 의한 살균은 약 260nm 정도의 파장을 이용하여 미생물을 사멸시킬 수 있고, 이것은 다른 살균법에 비해 살균 부산물이 생성되지 않고, 무미, 무취이며 조작이 간편하다.

그러나, 살균 지속력이 없으며, 자외선의 투사량을 결정하기 어렵고, 자외선 램프의 표면에 생물막이 형성되어 유지 관리에 어려우며, 무엇보다도 많은 장치비용이 소요된다. 역시 대용량의 물을 살균처리하기에는 경제적으로 타당성이 없기 때문에 소량의 물을 살균하기 위해 제한적으로 사용된다.

다음 표 2에는 상기한 살균제에 일반적인 특성을 비교하였다.

살균제특성	염소	이산화 염소	오존	자외선
미생물에 대한 독성	크다	크다	크다	크다
용해도	크다	크다	크다	-
외부 물질과의 반응	유기물 산화	크다	유기물 산화	-
탈취능	크다	크다	크다	-
안정도	안정	불안정	불안정	불안정

이에 본 발명은 현재 가장 많이 사용되고 있는 살균제인 염소를 대체할 수 있는 살균제의 연구와 개발이 시급한 실정 하에서, 염소가 갖는 단점을 보완 할 수 있고, 염소를 대체할 수 있는 살균제의 개발을 위해 초음파의 공동화 현상을 이용하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 용수의 살균 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 대장균(최확수:MPN법) 실험의 계략도를 나타내고;

도 2는 초음파조사에 의한 살균처리 실험장치의 계략도를 나타내며;

도 3a는 pH 7±0.2 및 반응 온도 30℃에서 다양한 부피의 시료의 대한 초음파 조사 시간과 살균효율과의 관계를 나타내며,

도 3b 는 pH 7±0.2 및 반응 온도 40℃에서 다양한 부피의 시료에 대한 초음파 조사 시간과 살균 효율과의 관계를 나타내고,

도 3c는 pH 7±0.2 및 반응 온도 50℃에서 다양한 부피의 시료에 대한 초음파 조사 시간과 살균 효율과의 관계를 나타내며;

도 4a는 pH 7±0.2 및 시료 부피 150ml에서 다양한 온도에서의 초음파 조사 시간과 살균효율과의 관계를 나타내고,

도 4b는 pH 7±0.2 및 시료 부피 400ml에서의 다양한 온도에서의 초음파 조사 시간과 살균 효율과의 관계를 나타내며,

도 4c는 pH 7±0.2 및 반응 부피 800ml에서의 다양한 온도에서의 초음파 조사 시간과 살균효율과의 관계를 나타내며;

도 5는 반응 온도 50℃ 및 시료 부피 400ml에서 여러 가지 pH에서의 초음파 조사 시간과 살균효율과의 관계를 나타낸다.

본 발명은 음향강도가 3.5㎾/㎡ 이상인 강력 초음파를 용수 중에 20분 이상 조사하여 초음파의 음화학 반응으로 생성된 공동화 현상에 의한 고열과 고압으로 용수 중의 병원성 미생물을 살균하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

소리, 또는 음파란 기체, 액체, 또는 고체 등의 매질에 충격을 가하면 그 물질은 진동하게 되어 그 진동이 매질분자에 전달되고 그것이 다시 바로 이웃의 분자로 이동하는 현상으로써, 이러한 움직임은 그 진동파가 다시 원위치로 돌아오기 전까지 이어지고, 이때 진동파를 전달받은 곳에서의 분자밀도는 커져서 촘촘한 상태가 되며, 다른 부분에서의 밀도는 진동파를 받는 부분에서 증가된 밀도만큼 작아져서 희박(疎)한 상태가 된다. 이로 인해 소리 또는 음파를 소밀파(疎密波)라고 하며, 소밀파의 이동방향은 매질이 기체나 액체일 때는 매질의 진동방향과 동일하고 고체인 경우에는 진동방향이 소밀파(疎密波)의 이동방향에 대해 수직이다.

소리는 여러 가지 주파수로 구성되어 있으며 인간이 들을 수 있는 가청주파수영역은 16Hz 내지 20kHz 이고 16Hz 이하의 주파수를 초저주파(infrasonic), 그리고 20kHz이상의 주파수를 초음파(ultrasonic)라고 한다.

초음파 주파수의 상한계는 뚜렷이 구분되지는 않지만, 일반적으로 기체에 대해서는 5MHz, 액체나 고체에 대해서는 500MHz정도로 볼 수 있다.

따라서 초음파는 매질의 일부를 초음파의 주파수와 동일한 주파수로 진동하게 하여 발생시킬 수 있고 그 발생 방법은 매질의 상(기체, 액체, 고체)에 따라 여러 가지가 있다. 즉, 매질이 액체 및 고체인 경우에는 압전진동자, 고분자압전막, 전왜 진동자, 자왜진동자, 전자유도형 변환기 등을 이용하여 발생시킬 수 있고 기체인 경우에는 콘덴서형 변환기, 할트만 분기발음기 등을 이용하여 발생시킬 수 있다.

발생된 음파의 세기는 음파의 진행방향에 대해 수직인 단위면적을 1초간 통과한 에너지의 양으로 나타내며, 매질의 밀도(ρ)와 매질 속에서의 속도(c), 그리고 음압(P)으로부터 아래의 식에 의해 산출되고 watt(W)/m²의 단위를 갖는 음향강도(sound intensity, I)로 나타낸다. 즉

(1)

이다.

인간의 귀에 감지되는 가청주파수 영역의 음의 음향강도는 10^-12W/m²내지 1W/m²이며 초음파에서는 일반적으로 수백 W/m²내지 수십 ㎾/m²의 음향강도가 사용되고, 상기한 바와 같은 초음파를 액상매질 속에 조사하여 공동화 현상을 일으키게 하기 위해서는 음향강도가 3.5 ㎾/m²이상인 강력 초음파를 사용하여야 한다.

여러 가지 화학 반응에 초음파를 이용할 때 그 반응도를 향상시키는 에너지원은 바로 위에서 언급한 공동화 현상이며, 이 현상은 핵의 생성, 기포의 성장, 그리고 충분한 기포의 폭발적 파열 등의 3단계의 진행과정을 포함한다.

즉 강력 초음파를 액체 매질 속에 조사하면 매질 분자가 진동을 하게 되며 분자 밀도가 큰 촘촘한 상태의 주기에서는 분자들간의 평균거리가 짧아지고 분자 밀도가 작은 희박한 상태의 주기에서는 길어진다. 이때 충분히 큰 부(-)압의 초음파가 조사되면 희박한 상태의 주기에서는 분자들간의 평균거리가 액체상을 유지하는 매질 분자들간의 임계거리보다 길어져 액상매질이 찢어지게 되고 그때 공동화 기포라고 불리는 공동이 생성되는 단계가 핵의 생성단계이다. 기포의 성장단계는 생성된 공동화 기포들이 부(-)압이 최대가 될 때까지 팽창하는 단계이다. 충분히 성장한 기포가 순간적으로 깨어지면서 압력이 수천 기압에 달하는 충격파를 생성시키는 단계가 폭발적 파열단계이다.

따라서, 공동화 현상에 의하여 형성된 기포가 다음의 정(+)의 반주기 동안 가해진 초음파 압력에 의하여 파열될 때 국부적인 높은 온도 상승과 파열 압력이 발생하며 이때 발생하는 에너지에 의하여 화학반응이 촉진되는 것이다.

이러한 공동화 현상은 매체의 특성, 반응액의 초기농도, pH, 반응 온도, 반응 압력, 초음파의 조사 시간, 음향주파수, 음향강도 등의 영향을 받는다.

매체의 특성은 음화학에 깊은 영향을 미치는 변수로서 공동화 현상을 생성시키는 조건을 결정하는데 중요한 요소이다. 특히 매체의 화학반응도가 때때로 매우 중요하며, 공동화의 고온 상태 하에서는 모든 종류의 매체가 반응성을 갖는다. 따라서 매체가 반응물로 작용하는 것을 피하기 위해서는 낮은 증기압을 갖는 무거운 매체(robust solvent)를 사용한다. 또한 매질의 점도가 증가할수록 공동화 생성이 어려워지며 점도가 큰 매질에 대하여 공동화를 얻기 위해서는 보다 강한 세기의 초음파가 요구된다.

반응액의 초기농도와 관련해서는 농도가 높을수록 매질의 용존 이온수가 증가하여 공동화 문턱치(cavitation threshold)가 증대되어 공동화 기포(cavitation bubble)와 충돌하는 횟수가 많아져 반응효과가 증대된다.

또한 반응액의 pH가 높으면 수용액의 OH^-농도가 증가되어 OH·라디칼 생성량이 증가되어 반응속도가 증가하고, pH가 낮으면 HO₂·라디칼이 증가되어 산화분해 반응이 촉진된다. 따라서 본 발명에서의 용수의 살균 효율을 높이기 위해서는 중성 조건보다는 pH 1 내지 4의 산성 범위 또는 pH 11 내지 14의 염기성 범위에서 처리하는 것이 효과적이다.

반응 온도와 관련하여 공동화 현상은 역비례 관계에 있어서 반응 온도가 높으면 일반적으로 공동화에는 방해가 되지만, 반응 온도가 높아지면 용해도가 증가하여 초음파 조사에 의해서 형성된 ·OH 라디칼에 의해 형성된 H₂O₂의 전달 효과가 빨라지기 때문에 살균 효율은 증대된다. 따라서 본 발명에서는 반응 온도를 30 내지 50℃하는 것이 바람직하다.

반응 압력과 관련해서는 압력이 높아지면 기포가 생성되기 위한 부(-)압 상태가 유지될 수 없다. 따라서, 이론적으로 공동화가 거의 일어날 수 없으며 그러한 상황을 보상하기 위해서는 음향강도를 매우 크게 하여야 한다.

또한, 초음파의 조사 시간도 매우 중요하다. 만약 모든 반응물이 충분한 양이 존재하고 공동화가 계속 유지된다면 초음파의 화학 반응 효과는 초음파의 조사 시간에 비례한다. 본 발명에서는 적어도 20분 동안 초음파를 조사하면 거의 모든 병원성 미생물이 사멸하게 된다.

음장의 음향주파수(frequency of the sound field)는 음화학 반응의 특성에 미치는 영향이 크지는 않으며 단지 공동화 발생의 공명크기를 변경시킨다. 따라서 모든 음화학 반응은 공동화가 일어나는 영역 밖에서는 약간의 영향을 받으며, 100㎑이하의 낮은 주파수에서 발생된 공동화는 공명크기가 크고 지속시간이 길어 기포의 동역학(bubble dynamics)을 보다 쉽게 관찰할 수 있는 장점을 갖는다. 그러나 수㎒ 이상의 매우 높은 주파수에서 공동화 발생이 중단되며 일반적으로 음화학 반응은 관찰되지 않으므로 저주파수에서 반응을 진행하는 것이 효과적이다. 즉 주파수가 높아지면 기포가 팽창하는 희박한 상태의 주기가 짧아져 기포가 성장할 수 있는 충분한 시간이 주어지지 않기 때문에 매질 속에서 기포가 생성될 때까지의 소요시간이 길어지며 따라서 생성율이 감소하고 그 결과 충분히 성장한 기포가 깨어질 때 발생하는 충격파의 압력이 감소하여 반응율을 저하시킨다.

그러나 음향강도의 경우에는 높을수록 공동화 효과가 증대되며 따라서 음향주파수를 높임으로서 감소한 반응율은 음향강도를 높임으로서 보상할 수 있다.

그리고 공동화를 일으키기 위해서는 최소한도의 초음파 음향강도(threshold intensity)가 필요하며, 초기에 공동화를 생성시키는데는 초음파 반응을 진행하는데 요구되는 것보다 초음파 세기를 50% 이상 크게 해주어야 하고, 최소한도의 음향강도 이상에서는 화학반응 속도는 일반적으로 초음파의 세기에 비례하며 최적의 초음파 세기에서 반응시킬 때 가장 높은 반응율로 생성물을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에서는 3.5kW/㎡ 이상의 강력 초음파를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 초음파 조사에 의한 병원성 미생물의 손상은 주로 공동화 현상으로 인하여 발생한다. 공동화 현상으로 인한 병원성 미생물의 손상은 몇 가지 중요한 메카니즘에 의한다. 순간적으로 형성되는 공동은 공동이 파괴되는 마지막 단계에서 수천 기압의 압력과 수천도의 온도를 생성하게 된다. 공동에 의한 수천 기압의 충격파는 공동을 둘러싸 있는 물질 즉, 병원성 미생물에게 물리적 손상을 입힌다. 또한, 공동에 의한 수천도의 온도는 병원성 미생물 세포의 결합을 분해할 수 있고, 미생물의 세포와 반응할 수 있는 자유 라디칼을 생성함으로서 세포의 손상을 입힌다.

상기의 초음파의 공동화 현상을 이용하여 병원성 미생물을 허용치까지 사멸시키기 위해 소요되는 시간은 살균제의 선택 및 살균처리 반응조건을 결정하기 위한 중요한 요소이며, 물 속에 존재하는 세포의 수와 초음파의 조사강도에 따라 결정된다. 대부분의 경우 동일한 시간간격 동안에 사멸되는 유기물의 소독율은 일정하여 사멸된 미생물의 살균처리 반응은 미생물의 수에 대해 1차 반응이다. 이와 같은 사실은 Chick의 식으로 나타내어지며 살아있는 미생물의 수 N과 살균제를 투여한 후 의 시간 t에 대한 Chick의 세포파괴 속도식은 아래와 같다.

- = kN (2)

이 식에서 소독제를 투여한 때의 시간과 그 후의 측정시간을 각각 t₀와 t라고 하고 살균처리반응 시작시간을 0으로한 t₀=0와 그 후의 측정시간 t 때의 미생물의 수를 각각 N₀와 N_t라고 하면

- = (3)

인 적분식이 얻어지고 N₀, N_t, 그리고 t와의 관계는

= -kt (4)

또는

N_t=N₀e^-kt (5)

로 된다. 따라서 초기의 미생물수 N₀가 N_t까지 감소될 때까지 소요되는 시간 t는 식(2) 또는 식(3)으로부터 유도된 아래의 식(4)에 의해 산출될 수 있다.

t = - (6)

또한 실험조건의 특성에 따라 다른 값을 갖는 살균처리반응속도상수 k는 식(2)에 의해 ln(N_t/N₀) 대 t 의 그래프로부터 결정할 수 있다. 즉 그 그래프가 Chick의 법칙에 따르는 직선이면 그 직선의 기울기가 바로 k이다.

이하 본 발명의 실시예를 나타낸 것이지만 이에 따라서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

[시료의 채취]

한강의 용수를 시료로 하여 1997년 7월에서 9월까지 실험하였다. 시료 채취용 용기는 증기 멸균기로 멸균 처리된 유리용기를 사용하였고, 채취 시간은 매일 동일한 시간인 오전 10시에 채취하였다. 시료는 상온에서 보관하고 시료 채취 후 3시간 이내에 실험하였다.

[미생물의 계수]

미생물을 계수하기 위하여 사용한 최확수(MPN)법을 사용했으며, 최확수는 시료를 연속적으로 희석한 후 배지에 접종하고 배양하였을 때 균 증식 또는 소정의 반응이 양성으로 나타난 시험관수에서 시료중의 균수를 가장 확실하게 나타내는 수치로써 확률적으로 추계하는 방법으로 대장균군의 정량시험법으로 사용되고 있다.

최확수를 구하는 방법은 시료를 10진법으로 희석하여 조제한 희석액을 연속해서 3단계를 각 단계마다 3개씩의 액체배지에 제각기 일정량씩 접종해 배양 후 균의 발육을 인정한 시험관수를 최확수 표에 대조해 100ml에 대한 최확수로서 나타낸다.

가스검출용 소형시험관을 넣은 시험관에 락토오스 배양액(lactose broth) 10ml씩을 주입하며 3단계(9개의 시험관)를 1조로 하여 6조를 준비하였다(도 1을 참조하시오). 단 시료수 10ml가 사용되어지는 시험관에는 2배의 배양액이 사용된다. 그리고 시험관과 사용기구의 멸균을 위해 고압멸균기(Autoclave, 121℃)에서 15분간 멸균 후 상온에서 냉각시킨다.

1조에는 원수의 일부로 블랭크(blank)를 취하며 그 밖의 조에 각각 반응 후 시료를 주입한다. 시료는 각 단계별로 10ml, 1ml, 0.1ml씩 주입하였다. 시료를 주입한 시험관을 항온조(water bath)에서 37℃, 48시간 배양하며, 최초 24시간 후 가스발생 및 현탁 되어지는 시험관을 양성관으로 하고 확인을 위해 24시간 더 관찰하였다. 나타난 양성관 수로써 최확수표를 이용하여 미생물을 계수하였다.

본 실험에서 측정한 각 조건별 시료의 대장균수를 표 3에 나타내었다.

pH	시료의 부피	반응 온도	대장균 수(MPN/100ml)
4±0.2	400ml	50℃	320
7±0.2	150ml	30℃	264
		40℃	314
		50℃	384
	400ml	30℃	915
		40℃	966
		50℃	1216
	800ml	30℃	352
		40℃	402
		50℃	472
11±0.2	400ml	50℃	462

[초음파에 의한 살균]

본 실험에서 사용한 초음파는 압전형 변환기(piezoelectric transducer. PZT)(21)의 진동자에 티타늄 팁(titanium tip)(22)의 직접 접촉식 혼(direct immersion ultrasonic horn)을 부착한 프루브(probe)형으로 하고 음향 주파수 28㎑, 음향강도는 40W/㎠인 초음파 발생장치(23)를 사용하였다. 또한, 반응조(24)는 각 시료용량에 맞는 유리실린더를 반응조로 하여 실험하였다.

초음파 살균시 초음파의 공동화 현상으로 인해 열이 발생하여 시료수가 가열되기 때문에 발생된 열을 제거하기 위해 살균처리 반응조 외부에 냉각수(cooling water) 순환용 물자켓(water jacket)(25)을 부착하였다. 또한 온도를 설정 실험온도로 일정하게 유지할 수 있도록 하기 위해 살균처리 반응조에는 열센서(thermosensor)를 설치하고, 열센서에는 열 조절기(26)를 연결하여 측정된 온도와 설정온도를 비교하여 그 결과를 냉각수 유입구에 설치한 조절 밸브(27)에 보내 밸브의 개폐를 조절하여 냉각수 탱크(28)로부터의 냉각수의 공급량을 조절함으로써 반응조 내의 온도가 설정온도로 일정하게 유지될 수 있도록 하였다.

매 측정시간별 시료수의 살균효율을 측정하기 위해서는 매 측정시간별로 별도의 시료수를 마련하고 그것들 각각에 대해 정해진 시간 동안 초음파 조사에 의한 살균처리하여 상기한 미생물계수법(MPN법)에 의해 수를 확인하였다. 실험 장치의 계략도를 도 2에 도시하였다.

[초음파의 살균 반응 인자]

(1) 시료 부피의 영향

초음파의 대장균 살균 효율에 대한 시료 부피의 영향을 살펴보기 위하여, 음향주파수 28㎑, 음향강도 40W/㎠, pH 7±0.2 조건하에서 시료를 150, 400, 800ml로 하여 실험하였다. 각 시료에 대하여 초음파 시간 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60분 후의 대장균 수를 계수하였다.

반응 온도 30℃인 경우, 시료의 부피변화에 따른 살균 효율의 차이는 뚜렷하지는 않지나 세균이 거의 사멸되는 조사 시간이 0 내지 20분 사이에서 시료의 부피에 대한 초음파의 살균 능력은 시료의 부피가 적을수록 살균능력이 비교적 좋은 것으로 나타났다. 즉 시료의 부피변화에 따른 살균효율의 차이는 크지 않으나 150ml의 시료에 대한 살균 능력이 가장 우수하며, 800ml의 살균능력이 가장 적은 것으로 나타났다. 30분 경과 후부터는 대장균이 거의 사멸되어(90%이상), 살균능력에 차이가 없이 균일한 것으로 보이며, 조사 시간 50분 경과 후의 살균효율은 95% 이상으로 나타났으며, 살균 효율을 도 3a에 도시하였다.

반응 온도 40℃인 경우, 시료 부피의 변화에 대한 살균 효율의 영향이 크게 나타나지는 않았다. 또한, 조사 시간 30분 동안 시료 부피의 변화에 따른 영향은 크지 않았다. 50분 경과 후의 살균 효율은 95% 이상으로 나타났으며, 살균효율을 도 3b에 도시하였다.

반응 온도 50℃인 경우에서도 시료부피의 변화에 대한 살균 효율의 영향이 크게 나타나지 않았으며, 조사 시간이 40분 동안의 살균효율은 95% 이상을 나타냈다. 40분 경과 후의 살균 효율은 99.2 내지 99.4%으로 거의 대부분의 대장균이 사멸한 것으로 나타났으며, 살균 효율은 도 3c에 도시하였다.

이상의 결과에서 초음파 조사에 의한 살균은 시료부피에 대한 영향은 크지 않으며 초음파 조사 시간이 중요함을 알 수 있었다.

(2) 반응 온도의 영향

초음파의 대장균 살균효율에 대한 반응온도의 영향을 살펴보기 위하여 음향주파수 28㎑, 음향강도 40W/c㎡, pH 7±0.2에서 일정한 시료량에 대해 30℃, 40℃, 50℃에서 실험하였다. 반응 온도 유지를 위해 열조절기를 이용하였다. 각 시료에 대하여 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60분 후의 대장균수를 계수하였다.

시료 부피 150ml인 경우, 조사 시간 0 내지 30분 사이에서의 반응 온도에 대한 영향이 매우 큰 것으로 나타났다. 조사 시간 10분 후의 살균 효율을 살펴보면, 반응온도 30℃일 때 살균효율은 52% 이고, 반응온도 40℃일 때 55% 살균 효율을 보였으나, 반응온도가 50℃인 경우 78%의 살균 효율을 보여 반응온도가 높을 경우 살균효율이 증가하는 것으로 나타났으며, 조사 시간 30분에서 93 내지 98%의 살균효율을 나타냈으며, 30℃, 40℃보다 50℃인 경우의 살균 효율이 비교적 높은 것으로 나타났다. 조사 시간 50분 이상에서는 대장균이 거의 사멸하는 것을 보여주었다. 반응온도 변화에 따른 살균 효율은 도 4a에 도시하였다.

시료 부피 400ml인 경우, 시료 부피 150ml와 마찬가지로 반응 시간 0 내지 30분 사이에서의 반응온도에 대한 영향이 매우 큰 것으로 나타났다. 조사 시간 30분이 경과한 후 살균 효율은 95 내지 99%의 효율을 나타났으며, 조사 시간 50분 이후에는 대장균이 거의 사멸하는 것으로 나타났다. 반응온도 변화에 따른 살균 효율은 도 4b에 도시하였다.

시료 부피 800ml인 경우, 시료 부피 150ml, 400ml와 마찬가지로 조사 시간 0 내지 30분 사이에서의 반응온도에 대한 영향이 매우 큰 것으로 나타났다. 조사 시간 30분 경과 후 살균 효율은 93 내지 97%로 나타났으며, 조사 시간 50분 이후에는 대장균이 거의 사멸하는 것으로 나타났다.

이상의 결과에서 초음파 조사에 의한 살균은 반응 온도가 높을수록 우수하다는 것을 알 수 있었다.

(3) pH의 영향

초음파의 대장균 살균 효율에 대한 pH의 영향을 살펴보기 위하여, 음향 주파수 28㎑, 음향강도 40W/c㎡, 시료 부피 400ml, 반응온도 50℃의 조건하에서, 산성조건(pH4±0.2)으로 조절하기 위해 황산(H₂SO₄)을 이용하였고, 알칼리 조건(pH11±0.2)으로 조절하기 위해 가성소다(NaOH)을 사용하였다. 각 pH조건별 시료에 대하여 조사 시간 60분 동안 10분 간격으로 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60분 후의 대장균수를 계수하였다.

상기 반응 조건에서, 중성 조건(pH 7±0.2)에서의 살균 효율보다 산성 조건(pH4±0.2)인 경우의 살균 효율이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 알칼리 조건(pH11±0.2)인 경우는 중성조건(pH7±0.2)보다 우수한 살균효율을 보여주었다. 조사 시간 30분 경과 후 살균 효율은 98 내지 99%로 나타났으며, 조사 시간 50분 이후에는 대장균이 거의 사멸되었다. 시료의 pH 변화에 따른 살균 효율은 도 5에 도시하였다.

이상의 결과에서 초음파 조사에 의한 살균은 pH의 범위가 산성 또는 염기성일 경우 우수하다는 것을 알 수 있었다.

(4) 살균반응 속도상수 κ의 결정

본 실험에서 세포파괴속도인 살균반응속도상수κ를 결정하기 위하여 Chick의 법칙에 의한 1차 반응으로 보고, 음향 주파수 28㎑, 음향강도 40W/c㎡인 초음파를 조사하여 다음 표 4와 같은 각 실험 조건 대한 살균반응속도상수 κ를 결정하였다.

pH	온도(℃)	시료의 부피(ml)	살균반응속도상수(κ)(min-1)
4±0.2	50	400	0.1797
7±0.2	30	150	0.1283
		400	0.1252
		800	0.0819
	40	150	0.0979
		400	0.0838
		800	0.0828
	50	150	0.1315
		400	0.0906
		800	0.0904
11±0.2	50	400	0.1335

상기 표에서와 같이 각 조건에 대한 살균반응속도상수는 0.0819 내지 0.1797(min^-1) 범위를 나타내었다.

따라서, 시료 부피가 작을수록, 반응 온도가 높을수록, pH가 산성 또는 염기성인 경우 세포파괴속도인 살균반응속도상수가 커짐을 알 수 있었다.

이와 같이 상기 실시예를 통한 살균효율 영향인자에 대한 실험 결과 시료의 부피가 작을수록, 반응 온도가 높을수록, pH 범위가 산성 또는 염기성인 경인 살균 효율이 높아지고, 살균반응속도가 빨라짐을 알 수 있었다.

본 발명에 따라서, 초음파를 조사하여 용수를 처리하는 살균 방법은 일반적 염소 살균방법과는 다르게 냄새나 부산물의 생성 없이 용수를 살균처리하고 시간과 비용을 절약할 수 있다.

Claims (3)

1. 음향강도 3.5 KW/㎡ 이상인 강력 초음파를 용수 중에 20분 이상 조사하여 초음파의 음화학 반응으로 생성된 공동화 현상에 의한 고열과 고압으로 용수 중의 병원성 미생물을 살균하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 용수의 온도 조건은 30 내지 50℃인 용수 중의 병원성 미생물을 살균하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 용수의 pH 조건은 pH 1 내지 4 또는 11 내지 14인 용수 중의 병원성 미생물을 살균하는 방법.