KR20160127600A - 수경재배 배양액 살균 장치 및 살균 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수경재배 배양액 살균 장치와 이를 이용하는 살균 방법에 관한 것으로서, 배양액을 살균 용기로 이동시킨 후 고전압 펄스 전기장을 이용하여 식물에 피해가 없도록 하는 수경재배 배양액 살균 장치와 이를 이용하는 살균 방법을 포함한다.
또한 본 발명은 수경재배 배양액의 살균 장치에 자동화 설비를 구축함으로써, 사용자가 관리할 필요가 없는 살균 장치를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 살균 용기에 구비된 전극으로부터 고전압 펄스 전기장이 발생하면 배양액 내 미생물 세포의 막 전위에 이상을 발생시켜, 세포막을 파괴시킴으로써 결과적으로 배양액이 살균되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 살균 장치에 구비된 컨트롤러가 기 설정된 시간 간격으로 신호를 도관과 고전압 펄스 전기장 발생기에 전송하여 주기적으로 살균처리를 수행할 수 있도록 제어하므로, 사용자가 관리할 필요가 없는 자동화 설비를 구축할 수 있는 효과가 있다.

Description

수경재배 배양액 살균 장치 및 살균 방법{DEVICE FOR STERILIZATION OF CULTURE SOLUTION FOR HYDROPONICS AND METHOD FOR STERILIZING THEREOF}

본 발명은 수경재배 배양액 살균 장치 및 살균 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 고전압 펄스 전기장을 이용함으로써, 기존의 살균 방법과 달리 첨가물질이 없고 에너지 효율 면에서도 이점이 있는 수경재배 배양액 살균 장치 및 살균 방법에 관한 것이다.

수경재배는 흙에서 키우지 않고 물과 수용성 영양분을 사용하여 식물을 기르는 방법을 일컫는다. 수경재배는 흙에서 재배하는 것보다 인력을 줄일 수 있고, 흙을 이용하지 않는다는 점에서 척박한 환경이라도 공간을 잘 활용하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 특히 수경재배는 재배면적에 의해 제한되지 않는다는 점에서 현재 여러 작물의 재배에 적용되고 있다.

수경재배 방식은 크게 두 가지가 있는데, 재배에 쓰이는 배양액을 사용 후 폐기하는 비순환적 수경재배와 배양액을 재사용하는 순환적 수경재배가 있다. 이 중에서 순환적 수경재배는 배양액의 낭비가 적다는 점에서 많은 관련 연구가 진행되고 있다. 배양액의 재사용을 위해서는 사용한 배양액의 살균이 반드시 필요하고, 배양액의 살균 여부는 직접적으로 식물의 생장에 영향을 준다.

살균처리는 세균의 종류에 제한되지 않고 미생물을 제거하면서 인체에는 위해가 적을수록 좋다. 특정 온도에서 잘 자라는 세균이 있기 때문에 가열을 이용하여 살균하는 방법에는 한계가 있을 수 밖에 없다. 이는 비가열 살균을 중요시하는 이유다. 비가열 살균은 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 구분할 수 있다. 그러나 여러 식품이나 식물을 재배하는데 사용되는 배양액과 같은 물질은 화학 물질이 첨가되었을 때 사람이나 식물에게 위해할 수도 있다.

한국생물환경조절학회 학술발표논문집, 2002.11, 241-245 5p.에 따르면 고추역병균(P. capsici)을 접종시킨 수경재배 배양액을 자외선, 염소, 오존 처리를 통해 살균한 후 재배하였을 때, 오존 처리를 한 경우는 상추의 엽고사율이 6 % 정도로 확인되었고, 자외선 처리를 한 경우 생리 장해 현상은 일어나지 않았으나 이병율이 20 % 정도로 확인되었다. 마지막으로 염소 처리를 한 경우는 상추의 잎이 위조되는 장해증상과 병 발생이 동시에 나타나 배양액 소독 방법으로는 적합하지 않다는 것을 확인할 수 있었다. 관련 종래기술로는 한국등록특허 제10-1034628호(2011.05.04.) 등이 있다.

대부분 살균에 쓰이는 화학 물질은 다른 생물에게도 위해하므로, 물리적 방법이 상대적으로 안전하다. 물리적 방법 중에 최근에 들어서 발견된 방법인 고전압 펄스 자기장(High voltage pulsed electric fields, PEF)를 이용한 살균법은 현재 액체 형태의 식품을 대량으로 생산하는 공장 등에서 널리 쓰이고 있다.

따라서 수경재배 배양액의 살균에 있어서도 화학 물질을 사용하는 방법보다는 물리적인 방법을 적용할 필요성이 있으므로, 본 발명에서는 식물에 위해를 가하지 않는 조건하에서 수경재배 배양액을 살균하기 위한 방법으로 PEF를 이용한 살균 장치 및 살균 방법을 제시하였다.

본 발명의 목적은, 배양액을 살균 용기로 이동시킨 후 고전압 펄스 전기장을 이용하여 식물에 피해가 없도록 하는 수경재배 배양액 살균 장치와 이를 이용하는 살균 방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 목적은 수경재배 배양액의 살균 장치에 자동화 설비를 구축함으로써, 사용자가 관리할 필요가 없는 살균 장치로서의 활용 가능성을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수경재배 배양액을 살균하는 장치에 있어서, 배양액을 이동시키기 위한 하나 이상의 도관; 상기 도관을 통해 배양 용기로부터 공급되는 배양액을 보관하며, 전극을 구비하는 비전도성의 살균 용기; 및 상기 전극으로부터 살균 용기 내부에 고전압 펄스 전기장(High voltage pulsed electric fields, PEF)을 발생시키는 고전압 펄스 전기장 발생기를 포함하는 수경재배 배양액 살균 장치를 제공한다.

상기 장치는 도관을 통한 배양액의 이동을 조절하는 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 전극은 분리되어 마주보는 한 쌍으로 상기 살균 용기 내벽의 일부일수 있다.

상기 살균 장치는 기 설정된 시간 간격으로 신호를 전송하여 주기적으로 배양액의 살균처리를 수행할 수 있도록 도관 및 고전압 펄스 전기장 발생기를 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 수경재배 배양액을 살균하는 방법에 있어서, (1) 살균 용기에 배양액을 유입시키는 단계; (2) 상기 살균 용기에 수용된 전극으로부터 배양액에 고전압 펄스 전기장을 적용시키는 단계; (3) 고전압 펄스의 적용으로 인해 배양액에서 살균처리가 수행되는 단계; 및 (4) 상기 살균 용기로부터 살균처리된 배양액을 배출시키는 단계를 포함하는 수경재배 배양액 살균 방법을 제공한다.

상기 방법은 살균 용기를 2개 이상 병렬 배치하고, 고전압 펄스 전기장을 복수 개의 살균 용기에 수용된 각각의 전극으로부터 배양액에 동시 적용시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 살균 용기에 구비된 전극으로부터 고전압 펄스 전기장이 발생하면 배양액 내 미생물 세포의 막 전위(transmembrane potential)에 이상을 발생시켜, 세포막을 파괴시킴으로써 결과적으로 배양액이 살균되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 살균 장치에 구비된 컨트롤러가 기 설정된 시간 간격으로 신호를 도관과 고전압 펄스 전기장 발생기에 전송하여 주기적으로 살균처리를 수행할 수 있도록 제어하므로, 사용자가 관리할 필요가 없는 자동화 설비를 구축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 살균 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구조도.
도 2는 실시예 1에 따른 고체 배지를 이용한 고추역병균의 살균처리 결과.
도 3은 실시에 1에 따른 고체 배지를 이용한 호열균의 살균처리 결과.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 살균 용기의 병렬 연결에 대한 평면구조도.
도 5는 실시예 3에 따른 여러 가지 살균 방법을 적용하여 배양된 상추 잎의 개수 변화 그래프.
도 6은 실시예 3에 따른 여러 가지 살균 방법을 적용하여 배양된 상추 줄기의 둘레 변화 그래프.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다. 본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 살균 장치(1)를 개략적으로 설명하기 위한 구조도이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 살균 장치(1)는 도관(10), 펌프(11), 살균 용기(30), 고전압 펄스 전기장(High voltage pulsed electric fields, PEF) 발생기(40) 및 컨트롤러(50)를 포함할 수 있다.

PEF에 관한 미국 식품의약국(FDA)의 설명에 따르면, PEF는 고전압의 펄스를 2개의 전극 사이에 놓인 액체 형태에 가하는 것이다. PEF에 쓰이는 전기장 세기는 보통 20 내지 80 kV/cm 정도이고, PEF 살균은 주변 온도와 비슷한 환경에서 1초 이내의 시간 안에 시행된다. 따라서 열을 가열하면서 식품의 영양소 파괴가 일어나는 것을 최소화할 수 있다. 식품 산업에서 PEF 기술은 이전에 쓰이던 가열 살균보다 영양소 파괴 방지 면에서 더 좋은 것으로 여겨지고 있다.

PEF 기술에서 중요한 것은 고전압의 생성 기술, PEF 처리 용기 디자인, 온도 상승 없이 일정한 전기장을 가하는 기술, 전기분해가 일어나지 않는 전극의 설계 기술이 중요하다. PEF 장치의 일반적인 구조는 아래와 같다.

고전압 발전 장치를 이용하여 축전기를 충전한 후 사이리스터 스위치를 연결한다. 사이리스터 스위치는 주위의 전압 자극에 의해 전류의 흐름을 조절하는 스위치로, 전압이 크지 않은 펄스 발생기(Pulse Generator)로 신호를 주면 그 신호에 따라 고전압의 펄스가 발생하는 것이다. 사이리스터 스위치와 고전압 전원, 축전기, 펄스 발생기가 있다면 PEF 회로를 구성할 수 있다.

고전압 펄스 전기장(PEF)를 세균에 가해주면 막 전위(Transmembrane Potential(△φ))가 형성된다. 막 전위가 1V 이상 되면 세포막의 투과성에 물리적, 생화학적 변화에 의해 이상이 생기며, 그 결과 세포막이 파괴되어 사멸되는 것이다. 처리용기 내의 반지름 a의 구형 세포가 고전압 펄스 전기장에 노출되면, 세포막의 내막과 외막 사이에 생성되는 막 전위는 다음과 같이 주어진다.

△φ = F·a·E·cosα

이때 F 는 고전압 펄스 전기장 처리를 받는 세포의 형태에 의해 결정되며, 다음과 같이 주어진다.

여기서 l은 세포의 길이이다. 일반적으로 막대형(Rod Type) 세포는 F = 1의 값을 가지며 구형(Coccus Type) 세포의 경우 F = 1.5 (l = 2a)로 표시된다. 또한, α는 전기장의 방향이므로 0 ° 또는 180 °이고, 따라서 cosα = ±1이다. 이에 근거하여 △φ는 a와 외부 전기장 E 에만 의존한다.

다른 방법과 비교하였을 때 PEF는 순환식 수경재배에 적용하기가 용이하다. 가열 살균의 경우는 배양액을 가열한 후 온도를 낮추기 위한 시간이 더 필요하고, 그 과정에서 배양액 내의 영양소 파괴가 우려된다. 또한 UV 살균의 경우는 작물에 영향을 주지 않기 위하여 수경재배 배양액을 다른 곳으로 옮긴 후 그 곳에서 살균이 진행되어야 한다. UV 살균의 경우는 배양액의 깊이가 깊을수록 살균의 효율이 떨어지므로 넓은 공간을 요구된다. PEF 살균의 경우는 흐르는 배양액에도 적용이 가능하고 자동화 설비를 구축하기에 용이하여 활용성이 높을 것으로 예상된다.

도관(10)은 배양액을 이동시키기 위한 것으로 하나 이상일 수 있다. 도관(10)은 배양 용기(20) 또는 살균 용기(30)를 연결하며 탈부착이 가능할 수 있다.

펌프(11)는 도관(10)에 연결되어 도관(10)을 통한 배양액의 이동을 조절할 수 있다.

살균 용기(30)는 배양 용기(20)로부터 공급되는 배양액을 보관하며, 전극(31)을 구비하고 비전도성 원료를 이용하여 제조된다. 배양액은 배양 용기(20)로부터 도관(10)을 통해 공급된다. 살균 용기(30)는 공정이 진행되는 동안 상기 배양액을 보관한다.

전극(31)은 분리되어 마주보는 한 쌍으로 살균 용기(30) 내벽의 일부일 수 있다. 또한 전극(31)은 살균 용기(30)의 내벽에 탈부착이 가능할 수 있다. 전극(31)은 금속 원료를 이용하여 제조될 수 있고, 금속 원료는 바람직하게는 구리일 수 있다. 전극(31)은 양 극의 사이 너비가 좁고 전극판의 크기가 작을수록 전기장의 세기가 강해질 수 있다.

고전압 펄스 전기장 발생기(40)는 전극(31)으로부터 살균 용기(30) 내부에 고전압 펄스 전기장을 발생시킬 수 있다.

컨트롤러(50)는 기 설정된 시간 간격으로 신호를 전송하여 주기적으로 배양액의 살균처리를 수행할 수 있도록 도관(10) 및 고전압 펄스 전기장 발생기(40)를 제어할 수 있다. 시간 간격은 사용자가 원하는 바에 따라 설정되어, 사용자가 별도로 관리하지 않아도 식물의 수경재배 배양액을 살균처리할 수 있도록 자동화된 살균 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

이하에서 본 발명에 따른 수경재배 배양액 살균 장치(1)를 이용한 살균과정을 도 1 및 4를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 수경재배 배양액을 살균하는 방법에 있어서, 살균 용기(30)에 배양액을 유입시키는 단계; 살균 용기(30)에 수용된 전극(31)으로부터 배양액에 고전압 펄스 전기장을 적용시키는 단계; 고전압 펄스 전기장의 적용으로 인해 배양액에서 살균처리가 수행되는 단계; 및 살균 용기(30)로부터 살균처리된 배양액을 배출시키는 단계를 포함하는 수경재배 배양액 살균 방법을 제공한다.

살균 용기(30)에 배양액을 유입시키는 단계는, 배양 용기(20)로부터 도관(10)을 통해 배양액이 이동되는 단계이다. 여기서 도관(10)을 통한 배양액의 이동은 도관(10)에 연결된 펌프(11)에 의해 가능할 수 있다. 바람직하게는 배양 용기(20)와 접촉되는 도관(10)의 말단에 필터를 연결하여 살균처리 중 불필요한 부산물의 생성을 방지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이동한 배양액은 살균 용기(30) 내부에 보관된다.

살균 용기(30)에 수용된 전극(31)으로부터 배양액에 고전압 펄스 전기장을 적용시키는 단계는, 고전압 펄스 전기장 발생기(40)로 인해 전극(31)으로부터 고전압 펄스 전기장이 발생하는 단계이다. 배양액은 살균 용기(30)에 구비된 전극(31)과 접촉한다.

고전압 펄스 전기장의 적용으로 인해 배양액에서 살균처리가 수행되는 단계는, 상기 배양액 내의 미생물이 고전압 펄스 자기장의 영향에 의해 세포막이 파괴되어 제거되는 단계이다.

상기 살균 용기(30)로부터 살균처리된 배양액을 배출시키는 단계는, 살균 용기(30)로부터 도관(10)을 통해 배양액이 이동되는 단계이다. 여기서 도관(10)을 통한 배양액의 이동은 도관(10)에 구비된 펌프(11)에 의해 가능할 수 있다. 바람직하게는 유입 기능을 하는 것과 배출 기능을 하는 것으로 도관(10)을 분리하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 살균 방법은 살균 용기를 2개 이상 병렬 배치하고, 고전압 펄스 전기장을 복수 개의 살균 용기에 수용된 각각의 전극으로부터 배양액에 동시 적용시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 살균 효과의 확인

본 발명의 실시예에 따른 살균 장치(1)의 살균 효과를 확인하기 위해, 고추역병균(P. capsici)과 호열균(B. stearothermophilus)을 이용하여 살균 효과를 분석하기 위한 실험을 진행하였다.

먼저, 고추역병균과 호열균을 각각의 배지에서 분리 배양하였다. 고추역병균의 배지인 PDA 배지는 증류수 500 ㎖에 감자 300.0 g를 깍뚝썰기하여 글루코오스 20.0 g과 함께 넣어 끓이고 완전히 익었을 때 헝겊으로 짜낸 용액의 부피가 1.0 ℓ가 될 때까지 희석하고 pH가 5.4 내지 6.0이 되도록 염산을 첨가하여 제조되었다. 고체 배지를 만들기 위해서는 Agar powder 15.0 g이 첨가되었다. 호열균의 배지인 NA 배지는 Beef extract 3.0 g, Peptone 5.0 g, 증류수 1.0 ℓ를 포함하여 제조되었다. 고체 배지를 만들기 위해서는 마찬가지로 Agar powder 15.0 g 이 첨가되었다.

수경재배 배양액은 증류수와 양액가루(고체)를 1000:1의 질량비로 섞어 제조되었다. 상기 제조된 배양액을 서로 다른 2개의 0.5 ℓ 메스플라스크로 옮긴 뒤 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 멸균하였다. 멸균된 배양액에서 10 ㎖씩 추출해 두 개의 튜브에 옮기고 각 튜브 내의 배양액을 각각 pH 6.8 및 5.7로 맞춰주었다. pH 조절에는 H₂SO₄와 NaOH를 이용하였다. 각각의 튜브에 호열균과 고추역병균을 접종시킨 후, 각각 37 ℃와 28 ℃의 배양기에서 24시간 배양하였다.

배양액들을 각각 10개의 시험관 A₁, B₁, C₁, D₁, E₁(고추역병균으로 감염)과 A₂, B₂, C₂, D₂, E₂(호열균으로 감염)에 0.5 ㎖씩 나눠 넣었다. A의 시험관들은 아무런 처리도 하지 않고, B의 시험관들은 63 ℃의 항온수조에서 5분 동안 가열하고, C의 시험관들은 살균장치(1)를 이용하여 150회(약 1분 소요) PEF 처리를 하고, D의 시험관들은 PEF 처리를 하지 않고 살균 용기(30)에만 1분간 담아 두고, E의 시험관은 5분 간 자외선 아래에 노출시켰다. 살균 용기(30)는 매 시료마다 새로 교체하며 금속 전극은 알코올로 소독하여 사용하였다.

Journal of general microbiology 02/1966; 42(1):147-54에 따르면 호열균의 세포벽 성분에 대한 배양 온도(37 내지 55 ℃)의 영향을 검토한 결과, 고온일수록 세포벽 내 점성 펩티드(Mucopeptide)의 비율이 증가하고 테이코산(Teichoic Acid)은 역으로 감소하여 이상지질을 많이 포함한다고 하였다. Biomembranes Vol. 443 Issue 3 pp.348-359 및 관련 문헌들은 호열균의 지방산 조성 측정 실험에서 55 ℃ 이상의 높은 녹는점을 갖는 지방산의 비율이 배양 온도 42 ℃에서 42 %, 65 ℃에서 69 %로 증가하는 결과를 발표하였다. 이상의 결과로 호열성 균주는 고온에서 지방산 조성의 변화를 일으켜 고온에 견딜 수 있는 자체 방어 기구를 갖는다는 사실이 판명되었다.

이 때문에 상대적으로 가열 살균보다 살균효과가 작다고 알려진 비가열 살균을 확인하는 실험에서는 호열균을 이용하여 살균 효과를 확인하는 실험이 많다. 본 발명에서도 PEF 살균과 가열 살균을 비교하기 위해 호열균을 사용하였다.

각각의 시험관으로부터 60 ㎕를 취하여 알맞은 고체 배지에서 20시간 배양하고, 배지의 콜로니의 크기와 개수를 바탕으로 살균된 정도를 측정하였다.

고추역병균은 곰팡이균으로 콜로니가 아닌 균사 형태로 자라기 때문에 정량적으로 확인하기에는 어려운 점이 많다(도 2). 따라서 사진으로 보이는 결과에 대한 정성적인 분석만이 가능하다. 사진을 살펴보면 대조군인 A₁에 가장 많은 곰팡이가 자랐다. 그 다음은 D₁였다. 고열살균을 한 실험군의 B₁에는 곰팡이가 거의 멸균된 것을 확인할 수 있다. UV를 이용한 E₁는 매우 조금 곰팡이가 자라있으며, PEF를 이용한 C₁도 이와 비슷한 양상을 보였다.

호열균의 경우 콜로니의 크기가 매우 커져서 그 수를 세는 것이 무의미하게 되었다(도 3). 따라서 이 경우도 결과 사진을 보고 정성적으로 분석하였다. 가장 눈에 띄는 샘플은 B₂이다. B₂의 세균은 매우 많이 자라 배지 전체 표면을 덮을 정도로 자랐다. 이는 호열균의 배양적정온도가 45 ℃로 상온보다 높기 때문에, 높은 열에 노출되면, 일반적인 세균과는 달리 생장이 억제되는 것이 아니라 오히려 생장이 촉진되기 때문이다. A₂와 D₂는 거의 비슷한 정도로 세균의 콜로니가 형성되었다. C₂의 경우는 A₂나 D₂보다는 적은 양임을 알 수 있지만 콜로니가 얇은 막 형태로 자라 콜로니의 개수는 확인하지 못했다. E₂는 모든 배지 중에서 콜로니가 가장 작았고, 200 내지 300개의 콜로니를 관찰할 수 있었다.

또한 각각의 시험관으로부터 40 ㎕를 취하여 10 ㎖ 액체 배지에 옮겨 담고 37 ℃, 200 rpm으로 진탕배양기(shaking incubator)에서 4시간 배양하였다. 배지 용액을 희석 없이 큐벳에 넣은 후 분광광도계를 이용하여 600 nm 대의 파장의 흡광도를 측정하였다. OD를 측정할 때 세균 외에 다른 성분의 흡광도가 영향을 주는 것을 고려해주기 위하여 세균이 들어 있지 않은 배지를 사용하여 대조액(blank)와의 차이를 비교해야 한다. 마지막으로 OD와 세포밀도(cell density)의 관계는 OD가 대략 0.4 이하일 때만 성립한다고 한다. 한계 OD에 도달한 시료는 희석해서 사용해야 한다. 대조액으로는 액체 배지 용액을 넣었다(표 1, 2).

고추역병균의 액체 배지 흡광도 측정 결과

살균처리방법	A600	살균율(%)
A1	0.400	0
B1	0.337	15.8
C1	0.340	15.0
D1	0.370	7.5
E1	0.347	13.3

호열균의 액체 배지 흡광도 측정 결과

살균처리방법	A600	살균율(%)
A2	0.159	0
B2	0.734	-361.6
C2	0.065	59.1
D2	0.125	60.4
E2	0.070	56.0

고추역병균과 호열균 모두 PEF로 살균하는 것이 가장 큰 효과를 보였고, 가열하는 방법이 가장 효과가 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 호열균의 경우 가열하였을 때에 오히려 대조군보다 더 많은 균이 성장하여 음의 살균율을 가졌는데, 이는 온도가 올라갈 때 지방산의 구조가 변화하여 높은 온도에서도 균의 생장에 문제가 없고, 오히려 다른 균과는 달리 잘 견디기 때문이다. 실제로 호열균의 적정배양온도는 45 ℃이다. 따라서 63 ℃까지 가열된 호열균은 온도가 서서히 떨어지면서 생장이 잘 일어나는 온도를 거치기 때문에 더 잘 배양되게 된다.

C와 D를 비교하면 전위차에 의하여 살균된 효과를 알 수 있다. 배양액과 구리와의 접촉으로 인한 살균이 효과가 있는 것으로 나타나, PEF 장치에 의한 살균에서 금속에 의한 살균도 무시할 수 없다. 따라서 전극을 구리가 아닌 다른 금속으로 한다면 PEF의 살균 효과 또한 달라질 것으로 보인다.

실시예 2. 살균 용기를 병렬 연결했을 때의 살균 효과

본 발명의 실시예에 따른 살균 장치(1)(도 1)에서 살균 용기(30)와 이에 구비된 전극(31)을 10개씩 만들어 병렬 연결한다(도 4). 살균 용기(30)를 병렬로 연결한 살균 장치(1)에서의 살균 효율을 확인하기 위해 실시예 1의 C와 같은 조건에서 호열균으로 실험하여 실시예 1의 결과와 비교하였다. 구리판 자체에 의한 살균 효과를 배제하기 위해, 전극(31)을 구비하지 않은 샘플을 대조군으로 포함하였다. 10개의 살균 용기(30)를 이용하여 살균처리를 진행한 후, 600 nm에서의 흡광도를 각각 측정하였다(표 3).

병렬 연결했을 때의 PEF 살균 효과

큐벳	Density(cell/ml)	살균율(%)
대조군	0.105	0.0
1	0.091	13.3
2	0.090	14.3
3	0.089	15.2
4	0.086	18.1
5	0.082	21.9
6	0.084	20.0
7	0.087	17.1
8	0.090	14.3
9	0.089	15.2
10	0.090	14.3

실시예 3. 수경재배 진행 중인 배양액의 살균 효과

배양액을 2 ℓ 준비하여 고추역병균 콜로니를 접종한 후 그림과 같이 28 ℃의 배양기에서 24시간 동안 배양시켰다. 상추 모종 20여 개는 모두 같은 환경에서 재배된 것으로 한꺼번에 구입하여 뿌리의 흙을 제거하고 흐르는 물에 세척했다, 이 때 뿌리가 상하지 않도록 조심해야 한다. 뿌리의 물기를 제거하고 각각 모종의 무게를 측정하여 4개씩 4개의 그룹으로 나누는데, 서로 모종의 무게가 유사하고, 각 그룹의 모종의 무게의 합이 유사하도록 나눈다. 플라스틱 용기 4개와, 4개의 구멍이 뚫린 스티로폼, 솜을 동일한 조건으로 준비하였다. 그리고 모종을 1개씩 솜에 말아서 스티로폼의 구멍에 끼워 스티로폼 아래의 솜 높이가 4 cm 정도가 되도록 높이를 맞추어 주었다. 4개의 용기에 스티로폼을 넣고 같은 양의 배양액을 넣어주었다. 이후 12시간 간격으로 배양액 중 10 %를 덜어내어 실시예 1의 4가지 방법으로 처리하고 다시 채워 넣는 과정을 반복했다. 매주 살아있는 잎의 개수, 엽고사율, 줄기의 둘레 길이를 측정하고, 실험이 종료된 후 각 개체의 무게를 측정하여 처음과 비교하였다(표 4 내지 7)(도 5, 6).

잎의 개수의 변화

	0주차	1주차	2주차	3주차
대조군	21	17	15	10
63℃ 가열	22	21	19	17
PEF 처리	20	19	17	16
UV Lamp	22	20	19	17

엽고사율의 변화

	0주차	1주차	2주차	3주차
대조군	0%	18.3%	27.5%	50.0%
63℃ 가열	0%	5.0%	14.2%	23.3%
PEF 처리	0%	5.0%	15.0%	20.0%
UV Lamp	0%	12.5%	18.8%	29.2%

줄기의 둘레의 변화

	0주차(mm)	1주차(mm)	2주차(mm)	3주차(mm)
대조군	11.1	10.7	9.9	8.9
63℃ 가열	12.5	12.4	12.2	11.9
PEF 처리	11.9	11.7	11.6	11.5
UV Lamp	13.1	12.9	12.8	12.7

실험 전 후의 개체의 무게 변화

	실험 전(g)	실험 후(g)	변화율(%)
대조군	10.5	6.4	-39.0
63℃ 가열	10.1	7.9	-21.8
PEF 처리	10.4	8.1	-22.1
UV Lamp	10.3	7.8	-24.3

결과를 살펴본 결과 모두 각 살균방법에 따라서 대조군에 비해 생장이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 세 가지 방법에 의한 살균이 고추역병균을 억제해주는 것을 확인할 수 있었다. 세 가지 살균방법 중 PEF를 이용한 살균방법에서 잎이 약 4 % 더 생존하는 것으로 나타났고, 개체의 무게는 가열살균보다는 더 감소하지만 UV보다는 적게 감소하는 것으로 나타났다. 개체의 무게를 측정한 실험의 경우 마르거나 죽은 잎들은 제거했기 때문에 생장하여도 무게가 줄어든 것으로 나타날 수 있다.

이는 PEF 살균이 처음 예상한 것과 같이 양액의 영양분을 파괴하는 효과가 적기 때문이다. 가열 살균이나 UV 살균의 경우는 양액의 영양소나 성분의 변화가 일어나서 식물의 성장을 저해하는 요인이 될 수 있다.

식물의 생장을 비교한 실험에서도 상추의 모종이 PEF 처리의 경우 근소한 차이로 생장이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 잎은 PEF 처리의 경우 80 %가 남아 있었으나 나머지 살균 방법을 적용한 두 경우는 약 77 %가 남아 있었다. 개체의 무게는 PEF 처리의 경우 22.1 % 줄어들고, UV와 가열 살균의 경우 각각 24.3 %, 21.8 %가 줄어들어 가열 살균의 효과가 더 큰 것으로 나타났다. 그러나 에너지 대비 효율 측면과 호열균을 대상으로 한 살균 방법으로는 가열하는 방법이 적절하지 못하다는 점을 감안하였을 때 PEF를 이용한 살균이 더욱 유용할 수 있다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

1 : 살균 장치
10 : 도관
11 : 펌프
20 : 배양 용기
30 : 살균 용기
31 : 전극
40 : 고전압 펄스 전기장 발생기
50 : 컨트롤러

Claims (6)

1. 수경재배 배양액을 살균하는 장치에 있어서,
   배양액을 이동시키기 위한 하나 이상의 도관;
   상기 도관을 통해 배양 용기로부터 공급되는 배양액을 보관하며, 전극을 구비하는 비전도성의 살균 용기; 및
   상기 전극으로부터 살균 용기 내부에 고전압 펄스 전기장(High voltage pulsed electric fields, PEF)을 발생시키는 고전압 펄스 전기장 발생기를 포함하는 수경재배 배양액 살균 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 장치는 도관을 통한 배양액의 이동을 조절하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수경재배 배양액 살균 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극은 분리되어 마주보는 한 쌍으로 상기 살균 용기 내벽의 일부인 것을 특징으로 하는 수경재배 배양액 살균 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 살균 장치는 기 설정된 시간 간격으로 신호를 전송하여 주기적으로 배양액의 살균처리를 수행할 수 있도록 도관 및 고전압 펄스 전기장 발생기를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 수경재배 배양액 살균 장치.
   
5. 수경재배 배양액을 살균하는 방법에 있어서,
   (1) 살균 용기에 배양액을 유입시키는 단계;
   (2) 상기 살균 용기에 수용된 전극으로부터 배양액에 고전압 펄스 전기장을 적용시키는 단계;
   (3) 고전압 펄스 전기장의 적용으로 인해 배양액에서 살균처리가 수행되는 단계; 및
   (4) 상기 살균 용기로부터 살균처리된 배양액을 배출시키는 단계를 포함하는 수경재배 배양액 살균 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 방법은 살균 용기를 2개 이상 병렬 배치하고, 고전압 펄스 전기장을 복수 개의 살균 용기에 수용된 각각의 전극으로부터 배양액에 동시 적용시키는 것을 특징으로 하는 수경재배 배양액 살균 방법.

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