KR20200057661A - 콘크리트 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 미생물 고정을 위한 코팅 담체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 미생물 고정을 위한 코팅 담체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 포함하는 시멘트 또는 콘크리트용 조성물 및 상기 조성물을 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 부위에 도포하는 단계를 포함하는 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 보수 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미생물 고정을 위한 코팅 담체를 사용할 경우, 탄산칼슘 석출 미생물을 담체 내에서 효율적으로 보호할 수 있고 콘크리트 내부에서의 생존율을 증가시킬 수 있어 친환경적으로 콘크리트의 균열을 보수할 수 있고 내구성을 증진시킬 수 있어 콘크리트의 자기치유 능력을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 코팅된 담체는 친환경적인 자기치유 콘크리트의 골재로써 활용 가능하고 기존의 시멘트 및 폴리머 수지 표면처리 기법의 단기적인 치유 기술을 대체할 수 있는 보다 효과적이며 지속 가능한 기술로 활용될 수 있다.

Description

콘크리트 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 미생물 고정을 위한 코팅 담체 및 이의 제조방법{Bacterial self-healing coated-carrier for concrete and method thereof}

본 발명은 콘크리트의 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 미생물 고정을 위한 코팅 담체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

가용성, 강도, 경제성 및 내구성의 측면에서 콘크리트는 현재 다양한 사회기반 시설물의 건설재료로서 가장 중요한 역할을 담당하고 있다. 하지만, 콘크리트는 제조 및 운반 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출시킨다. 그 양은 4,500만 톤에 달하며 산업공정의 40.9%의 탄소배출이 시멘트 생산에서 발생한다고 알려져 있다. 하여, 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 탄소배출량 감축을 위한 노력이 다방면으로 이루어지고 있는 실정이다.

건물의 수명을 늘리는 방식은 건설 분야의 이산화탄소 배출량을 저감시키는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 콘크리트 구조물의 경우, 차수성 및 화학 저항성이 주요한 내구 요인이 되는데, 이는 균열 발생 시에 성능을 빠르게 저하시킬 수 있는 요인이 된다. 따라서 이를 해결하고자 유기섬유, 유기폴리머, 합성화학섬유 등 다양한 화학 혼화제를 적용하려는 시도가 진행되었다. 하지만 이러한 방법은 장기적인 유지가 어렵고, 많은 유지관리비용이 든다는 문제가 있으며, 또 다른 환경문제를 야기할 수 있다.

이에 최근에는 이러한 문제를 해결하고자 친환경적인 방법으로 스스로 치유하는 콘크리트를 개발하기에 이르렀고, 자기치유 콘크리트에 대한 관심이 증대되고 있으며 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한 미생물 학계에서는 미생물의 생화학적 반응으로 유도된 탄산칼슘 광물 형성(MICP; microbially induced calcium carbonate precipitation) 과정을 활용하는 방법도 연구가 되고 있다.

보다 구체적으로 미생물을 이용하는 방법은 미생물에 의해 석출된 탄산칼슘을 이용하여 콘크리트의 균열을 치유하는 것이다. 미생물은 주변에 충분한 영양소 및 생장 환경이 갖추어지지 않을 경우, 이 과정에서 촉매로 작용하여 소모되지 않고 스스로 포자를 만들어 동면 상태를 유지한다. 하지만 pH, 수분, 영양소의 농도 등이 적절한 경우에는 동면에서 깨어나 다시 활동을 시작하는 특성이 있다. 또한 활동 중에는 이산화탄소를 소모하여 탄산칼슘을 석출하므로 이러한 미생물이 생성하는 탄산칼슘을 이용한 기술은 친환경적이라고 할 수 있으며 온실가스 감축에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보고 있다.

한편, 이러한 미생물을 이용한 기술의 경우, 알칼리 저항성이 높은 균이 박테리아 자기치유 콘크리트에 사용되고 있지만 콘크리트 내부의 압력, 온도 및 알칼리 환경 등에 의해 미생물이 생존의 위협을 받을 수 있고, 균열 발생 시까지 미생물을 활동 가능한 상태로 유지시키지 못하고 있는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 미생물을 환경으로부터 보호하기 위한 담체(Carrier)의 개발과 담체에 박테리아를 고정시킨 후 시멘트 복합체에 첨가하는 기술이 개발되었다.

미생물의 탄산칼슘 석출능을 활용하여 담체에 고정시킨 후에 자기치유 콘크리트 균열을 치유하는 방법과 관련하여 담체의 종류로서 melamine-based microcapsules, diatomaceous earth, polyurethane foam, silica gel- polyurethane 및 hydrogel이 사용되고 있다.

하지만 이러한 담체를 사용할 경우, 시멘트 복합체 내부에서 미생물(박테리아)의 생존률이 극히 떨어지는 문제점이 있고, 또한 미생물 자체의 능력을 다양한 방법으로 개선시킨다고 하여도 물리적인 환경에서 장기간 생존하지 못할 뿐만 아니라 미생물에 의한 콘크리트 자기치유 효과도 미비한 문제점이 있다.

따라서 이러한 문제점을 개선할 수 있는 새로운 기술의 개발이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-0728696호

이에 본 발명자들은 팽창점토(Expanded clay)에 코팅제를 접목하여 박테리아를 고정시킨 담체 사용 시, 코팅 없이 담체만을 활용할 때보다 시멘트 복합체 내부에서의 박테리아의 높은 생존율과 우수한 자기치유 성능을 갖는다는 사실을 확인하였고, 본 발명에 따른 자기치유 성능이 강화된 자기치유 담체를 활용할 경우, 콘크리트의 균열 부위 수복 및 치유를 향상시킬 수 있으며 나아가 콘크리트 부재의 내구성 강화로 콘크리트 건물의 수명을 증가시킬 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

그러므로 본 발명의 목적은 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 방법으로 제조된 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 포함하는 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 부위에 도포하는 단계를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 보수 방법을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은, (1) 미생물의 배양액을 원심분리하여 미생물이 함유된 침전물을 수득하는 단계; (2) 상기 침전물에 효모추출물 및 젖산칼슘을 첨가하고 혼합하여 미생물 혼합액을 제조하는 단계; (3) 담체로서 팽창점도 및 상기 미생물 혼합액을 진공챔버에 투입하고 상기 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시키는 단계; (4) 팽창점도와 미생물 혼합액을 분리하고 미생물이 담지된 팽창점도를 건조시키는 단계; 및 (5) 상기 건조시킨 미생물이 담지된 팽창점도를 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)으로 코팅하는 단계를 포함하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 미생물은 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주(기탁번호: KACC 81048BP)일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (2) 단계에서 상기 효모추출물은 상기 침전물 중량 대비 1~2중량%로 첨가하고, 상기 젖산칼슘은 상기 침전물 중량 대비 2~4중량%로 첨가하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (3) 단계에서 팽창점도와 미생물 혼합액의 접촉은 상기 팽창점도에 상기 미생물 혼합액을 투여하여 침수 처리하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (3) 단계에서 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시킨 후, 챔버 내부 압력을 대기압까지 상승시키는 과정을 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (4) 단계에서 건조는 40~50℃에서 1일~2일 동안 건조시키는 것일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명의 방법으로 제조된, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 담체에 담지된 미생물은 pH 11~13의 알칼리 및 60~70℃의 고온 환경에서도 생존하는 것일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명의 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 본 발명의 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 부위에 도포하는 단계를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 보수 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 콘크리트 자기치유를 향상시킬 수 있는 박테리아 고정을 위한 코팅 담체를 이용할 경우, 탄산칼슘 석출 미생물을 효율적으로 보호할 수 있고 콘크리트 내부에서의 생존율을 증가시킬 수 있는 특징이 있으므로, 친환경적으로 콘크리트의 내구성을 증진시킬 수 있고 콘크리트의 자기치유 능력을 증가시킬 수 있어 콘크리트 구조물의 균열을 효과적으로 보수할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 코팅된 담체는 친환경적인 자기치유 콘크리트의 골재로써 활용 가능성이 높으며, 기존의 시멘트 및 폴리머 수지 표면처리 기법의 단기적인 치유 기술을 대체할 수 있는 보다 효과적이며 지속 가능한 기술로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 코팅 담체의 표면을 분석한 것으로, (A) 담체 표면 사진, (B) 담체 사진, (C) 코팅 담체 표면 사진, (D) 코팅 담체 사진, (E) 시멘트 모르타르에 혼입된 담체의 단면 및 (F) 모르타르 적용한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용한 코팅제의 사진 및 성분표를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 코팅 담체에 대한 (A) 담체 내부 공극 사진 및 (B) 담체 내부 공극 및 미생물 고정 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 사용하여 장비에 관한 것으로, (A)분무기, (B)분쇄기 및 (C) 당의기의 사진이다.
도 5는 코팅 여부에 따른 박테리아의 기간별 생존율 변화를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 알칼리(pH 12) 및 고온(60℃) 환경에서 코팅여부에 따른 담체 내 미생물의 생존율 변화를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 물-시멘트 혼합비 변화(W/C : 0.3, 0.4, 0.5) 및 코팅 여부(YS, YSC)에 따른 박테리아의 생존율 변화를 분석한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에서 투수실험의 수행으로 코팅 여부에 의한 균열 치유량의 정도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 팽창점토에 박테리아 및 영양소를 고정하는 방법의 순서를 그림으로 모식화하여 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에서 시멘트 페이스트 내부에서의 박테리아 생존율을 분석하는 실험 과정을 그림으로 모식화하여 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에서 수행한 투수실험과 관련하여, (A) 모르타르 기둥 분할, (B) 투수 시험 장치 모식도 및 (C) 균열 시편 설정을 나타낸 것이다.

본 발명은 미생물의 탄산칼슘 석출능을 활용하여 담체에 고정시킨 후, 자기치유 콘크리트 균열을 효과적으로 치유할 수 있는 기술에 관한 것으로, 구체적으로 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법을 제공함에 특징이 있다.

앞서 종래기술에서도 언급한 바와 같이, 미생물을 고정시킨 담체를 활용한 콘크리트 균열 치유는 현재까지 연구가 진행되고 있으나, 담체 내에 담지 또는 고정된 미생물이 오래 생존하지 못하거나 탄산칼슘 석출능의 활성을 상실하는 문제점 및 알칼리 또는 고온의 조건에서 미생물이 사멸되는 문제가 있다.

이에 본 발명자들은 시멘트와의 상호보완성 및 강도적 측면에서 장점을 가지고 있는 팽창점토를 담체로 사용하였고, 팽창점토의 미생물 보호능력에 더하여 코팅제로 담체를 코팅할 경우, 콘크리트의 자기치유 성능이 향상됨을 확인하였다.

그러므로 본 발명은 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법을 제공할 수 있으며 바람직하게 상기 방법은, (1) 미생물의 배양액을 원심분리하여 미생물이 함유된 침전물을 수득하는 단계; (2) 상기 침전물에 효모추출물 및 젖산칼슘을 첨가하고 혼합하여 미생물 혼합액을 제조하는 단계; (3) 담체로서 팽창점도 및 상기 미생물 혼합액을 진공챔버에 투입하고 상기 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시키는 단계; (4) 팽창점도와 미생물 혼합액을 분리하고 미생물이 담지된 팽창점도를 건조시키는 단계; 및 (5) 상기 건조시킨 미생물이 담지된 팽창점도를 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)으로 코팅하는 단계를 포함한다.

각 단계별 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 콘크리트 균열 치유를 위한 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조를 위해, (1) 미생물의 배양액을 원심분리하여 미생물이 함유된 침전물을 수득하는 과정을 수행한다.

이때 본 발명에 따른 상기 미생물은 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주(기탁번호: KACC 81048BP)를 사용할 수 있다.

상기 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주는 본 발명자가 2017년 5월 25일 농촌진흥청 농업유전자원센터에 기탁하여 수탁번호 KACC 81048BP를 부여받았고, 16S rRNA 염기서열이 NCBI(National Center for Biotechnology Information)에 등록번호 KY575121로 등재한 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11을 균주를 사용하였다.

상기 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주는 비요소분해 메커니즘으로 탄산칼슘을 형성할 수 있는 활성을 갖는 균주임을 확인한 바 있으며, 본 발명에서는 상기 균주를 LB 배지에 18시간 동안 220rpm으로 액체 배양을 한 후 배양액을 원심분리(3500rpm, 10분)한 침전물을 사용하였으며, 상기 침전물에는 라이시니바실러스 YS11 균주가 함유되어 있다.

다음으로, (2) 상기 침전물에 효모추출물 및 젖산칼슘을 첨가하고 혼합하여 미생물 혼합액을 제조한다.

상기 효모 추출물은 당업계에 사용되고 있는 이스트 추출물이라면 모두 사용 가능하며, 상기 미생물 배양액의 원심분리 후 침전물 중량 대비 1~2중량%로 첨가하여 사용한다.

또한 상기 젖산칼슘 역시 당업계에서 판매하고 있는 것이라면 모두 사용 가능하며, 칼슘 이온 공급을 위해 사용하였다. 젖산칼슘은 상기 미생물 배양액의 원심분리 후 침전물 중량 대비 2~4중량%로 첨가하여 사용한다.

만일, 상기 효모추출물 및 젖산칼슘을 각각 1 중량% 미만 및 2 중량% 미만으로 사용할 경우, 제조된 담체 내에 담지된 미생물의 생존율이 낮아지는 문제점이 있으며, 반면 각각 2 중량% 초과 및 4 중량% 초과로 사용할 경우, 이들 성분을 과량으로 사용하게 됨으로써 미생물의 안정성 및 생존율에 오히려 역효과를 유발하는 문제점이 발생한다.따라서 이들 성분들은 상기 기술된 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 침전물에 효모추출물 및 젖산칼슘을 첨가하여 미생물 혼합액의 제조가 완료되면, 이후 (3) 담체인 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉하는 과정을 수행한다.

상기 접촉은 팽창점도 및 상기 미생물 혼합액을 진공챔버에 투입하여 시도할 수 있으며, 진공챔버내에서 상기 팽창점도에 상기 미생물 혼합액을 투여하되 침수 처리하는 방법으로 수행할 수 있다. 또한 바람직하게는 진공챔버 내부의 압력이 -0.5~ -1.0bar에 다다르는 순간 침수시켜 10~20분 동안 접촉과정을 수행할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 -0.7bar에 다다르는 순간 담체를 미생물 혼합액과 15분 동안 접촉시켰다. 이 과정을 통해 담체인 팽창점도에 미생물과 영양성분들이 담지 또는 고정된다.

또한 상기 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시킨 후, 챔버 내부 압력을 대기압까지 상승시키는 과정을 추가로 진행할 수 있다.

본 발명에서 사용한 상기 팽창점도는 팽창점토류 경량골재를 사용하였고, 크기 1-4mm 및 17~20%의 흡수율을 갖는 팽창점토를 사용하였다.

이후 (4) 팽창점도와 미생물 혼합액을 분리하고 미생물이 담지된 팽창점도를 건조시키는 단계를 수행한다.

상기 분리는 체로 거르는 과정을 통해 담체인 팽창점도를 미생물 혼합액으로부터 분리시킬 수 있고, 건조시키는 과정을 수행한다. 이때 상기 건조는 40~50℃에서 1일~2일 동안 건조시킬 수 있고, 본 발명의 일실시예에서는 40℃에서 1일간 수행하였다.

건조과정 이후, 건조시킨 미생물이 담지된 팽창점도는 코팅제를 이용하여 코팅하는 과정을 수행할 수 있는데, 상기 코팅제로는 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)을 사용한다.

상기 코팅과정을 통해 담체인 팽창점도에 담지된 미생물을 보호하는 효과를 더 증진시킬 수 있으며, 미생물의 생존율도 증가시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 외부의 열악한 환경, 예컨대 알칼리 환경 또는 고온의 환경에서도 담체에 담지된 미생물의 생존율을 유지시킬 수 있으며 미생물이 가지고 있는 고유의 활성도 상실하지 않고 그대로 유지시킬 수 있다.

한편, 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion) 코팅제가 아닌 다른 코팅제를 사용할 경우, 본 발명의 코팅 담체가 갖는 이러한 효과가 도출되지 못하는 문제점이 있다.

이상 본 발명의 방법으로 제조된 코팅된 담체를 사용할 경우, 콘크리트의 자기치유 성능이 향상되는 효과가 있는지를 본 발명자들은 실험을 통해 확인하였다.

본 발명의 일실시예에서는 본 발명의 담체 제조 과정에서 코팅 처리의 유무에 따른 미생물의 생존율 정도를 알칼리(pH 12) 환경 및 고온(60℃)의 환경에서 분석하였는데, 그 결과, 코팅 처리 하지 않은 군은 많은 수의 미생물이 사멸하는 것으로 나타난 반면, 본 발명의 코팅 처리한 담체를 이용한 군에서는 대다수의 미생물이 생존하는 것으로 나타났다.

또한 본 발명의 다른 일실시예에서는 본 발명에서 제조된 코팅 담체를 이용하여 2 종류의 시멘트 복합체(시멘트 페이스트 및 모르타르)에 첨가한 후, 미생물의 생존율 및 콘크리트 자기치유 효능을 검증하였다.

그 결과, 코팅을 적용하지 않은 담체의 경우 1일 대비 28일 미생물의 생존율은 초기 투여 대비하여 0.05~0.08%에 머물렀으나, 코팅을 적용한 본 발명의 담체는 모든 물-시멘트 비(W/C)에서 초기 투여 대비하여 20% 정도의 생존율을 보여, 코팅 처리하지 않은 대조군에 비해 월등히 우수한 생존율을 보였다. 또한, 물-시멘트비(W/C) 0.4, 모래-시멘트비(W/C) 2인 모르타르 내에서 코팅을 적용한 본 발명의 담체 시편은 코팅을 적용하지 않은 대조군 담체 시편보다 6% 가량 증진된 28일 모르타르 균열 치유 성능을 보이는 것으로 나타났다.

따라서 이러한 결과를 통해 본 발명자들은 본 발명의 방법으로 제조된 코팅 처리된 미생물 함유 콘크리트 담체는 상기 담체 내에서 상기 미생물이 효율적으로 탄산칼슘을 형성할 수 있으며 콘크리트 내부에서 생존율을 증진시킬 수 있어 콘크리트의 자기치유 성능을 증진시킬 수 있음을 확인하였다.

그러므로 본 발명은 본 발명의 방법으로 제조된, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 제공할 수 있으며, 나아가 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 제공할 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 상기 시멘트 또는 콘크리트용 조성물을 멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 부위에 도포하는 단계를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 보수 방법; 또는 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 내구성 증진방법을 제공할 수 있다.

상기 본 발명의 코팅 담체에 고정된 미생물은 구조물에 처리되면 상기 미생물이 형성하는 탄산칼슘에 의하여 구조물의 균열 등을 채우는데 사용될 수 있고, 이로써 균열이 충전되고, 구조물의 강도를 증진시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

미생물 고정을 위한 코팅 담체의 제조 및 코팅 담체를 이용한 박테리아의 담지

미생물을 고정시키 위해 담체로서 팽창점토를 사용하였으며, 상기 팽창점토는 독일 Liapor 사의 팽창점토류 경량골재를 사용하였고, 이때 사용한 담체의 크기는 1-4mm 범위이며, 흡수율은 17%인 것을 사용하였다. 팽창점토는 강도와 시멘트와의 상호보완성 측면에서 큰 장점을 지니고 있기에 담체로서 팽참점토를 사용하였다.

또한, 담체 고정 시 젖산칼슘(Calcium Lactate pentahydrate, EP 98%, Samchun) 및 효모추출물 (Yeast Extract, CP, Samchun)을 칼슘이온의 공급원 및 영양소로 함께 사용하였다.

또한, 본 발명에 따른 코팅 담체에 고정시킬 박테리아, 즉, 미생물로는 본 발명자가 2017년 5월 25일 농총진흥청 농업유전자원센터에 기탁한 수탁번호 KACC 81048 BP의 균주를 사용하였고, 상기 균주는 NCBI(National Center for Biotechnology Information)에 등록번호 KY575121로 등록된 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11을 균주이다.

본 발명에 따른 담체인 팽창점토를 이용하여 상기 담체에 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 미생물 및 젖산칼슘과 효모추출물을 고정시키는 과정은 다음과 같은 방법으로 수행하였다.

구체적으로, 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주(박테리아)를 LB 배지에서 18시간 동안 액체 배양하여 대수성장기(exponential phase)에 도달하게 하였다. 담체는 균주 도입 전, 고압멸균(121℃, 20분)으로 멸균한 뒤, 105℃ 건조로에서 24시간 동안 건조시켰다.

이후 배양한 박테리아 혼합액을 원심분리기(3600rpm, 10분)로 원심분리 후, 침전물을 수득하였고, 상기 침전물 중량의 1.5%에 해당하는 효모추출물과 상기 침전물 중량의 3%에 해당하는 젖산칼슘을 함께 투입한 뒤, 충분히 섞일 때까지 교반하여 새로운 박테리아 혼합액을 수득하였다. 그 후 담체인 팽창점토와 상기 혼합액을 진공챔버에 투입하고, 진공챔버의 내부압이 -0.7bar에 다다르는 순간 박테리아 혼합액과 담체를 접촉시켰다. 이후 15분간 담체를 박테리아 혼합액과 접촉시킨 후 챔버 내부 압력을 대기압까지 상승시켰다. 그런 뒤, 담체는 체로 걸러 박테리아 혼합액과 분리시키고 40℃ 건조로에서 1일간 건조하였다. 후에 건조된 담체는 당의기에 놓고 그 위에 코팅제로서 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)을 사용하여 분무 스프레이로 건조 담체를 도포한 후, 다시 건조로에서 1일간 건조시켰다. 상기에서 사용한 분무기, 분쇄기 및 당의기는 도 4에 나타내었다.

이상과 같이 본 발명은 미생물 담지를 위한 코팅 담체(미생물이 담지된 코팅된 팽창점도)를 제조하였고, 전반적인 과정에 대해서는 도 9에 나타내었다.

또한, 본 발명자들은 상기 방법으로 제조된 미생물을 포함한 코팅된 팽창점토(담체)를 현미경으로 관찰하였고(도 3 참조), 코팅하지 않은 담체 및 코팅한 담체의 표면을 도 1에 나타내었다.

<실시예 2>

담체의 코팅 여부에 따른 미생물의 기간별 생존율 분석

상기 <실시예 1>에서 제조한 본 발명에 따른 코팅 담체에 함유된 미생물의 시간에 따른 생존율 변화를 코팅한 담체를 사용한 군과 코팅하지 않은 담체를 사용한 군을 대상으로 분석하였다.

구체적으로 상기 <실시예 1>에서 제조한 박테리아를 담지한 코팅 담체(즉, 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)을 사용하여 분무 스프레이로 건조 담체를 도포한 후, 다시 건조로에서 1일간 건조시킨 과정까지 마친 담체)를 0일, 7일, 14일, 28일 후에 분쇄기를 활용하여 분말화시켰다. 이후 1g의 분말시료를 채취하여 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, pH 7.5) 9ml에 재현탁 한 다음, 연속 희석을 수행하였고, 희석액을 LB 아가 고체 배지에 배양한 후 미생물 배양기에 30℃ 온도로 24시간 배양하였다. 이후 미생물 고체 배지에서의 미생물 군집 개수를 측정하였으며, 분말시료 1g의 미생물 총량을 도출하여 기간별로 미생물 총량을 측정하였다.

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 0일 대비 28일 후의 결과에 의하면, 본 발명의 코딩된 담체에는 0.5% 정도의 미생물이 담지되어 있는 것으로 나타났고, 코팅되지 않은 담체에서는 0.7% 정도의 미생물이 담지되어 있는 것으로 나타났다.

<실시예 3>

알칼리 및 고온 환경에서 본 발명의 코팅 담체 내 미생물의 생존율 분석

나아가 본 발명자들은 열악한 환경, 즉 알칼리 및 고온의 조건에서 본 발명에 코팅 담체를 사용할 경우, 코팅 담체 내 담지된 미생물의 생존율을 증가시킬 수 있는지 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 <실시예 1>에서 제조한 박테리아를 담지한 코팅 담체(즉, 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)을 사용하여 분무 스프레이로 건조 담체를 도포한 후, 다시 건조로에서 1일간 건조시킨 과정까지 마친 담체)를 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, pH 7.5)에 3N NaOH 용액을 첨가하여 pH 12인 용액에 침전시킨 후, 건조로에서 60℃의 고온에 노출시켰다. 이때 대조군으로는 상기 실시예 1에서 코팅과정을 수행하지 않고 제조된 담체를 동일 조건으로 처리하였다. 이후 6시간, 12시간, 24시간, 36시간 및 48시간이 지나고 담체를 꺼내어 분쇄기로 분말화하였고, 분말시료 1g을 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, pH 7.5) 9 ml에 재현탁한 다음 연속 희석을 거쳤고, 희석액을 LB 아가 고체 배지에서 배양한 후 미생물 배양기에 30℃의 온도로 24시간 배양하였다. 이후 미생물 고체 배지에서의 미생물 군집 개수를 측정하여 시료 미생물 총량을 도출하였고, 시간별로 미생물 총량을 비교하였다.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 알칼리 및 고온 환경에서 48시간의 오랜 시간 노출 후, 본 발명의 코팅담체를 사용한 군이 코팅하지 않은 담체를 사용한 군에 비해 미생물의 생존율이 월등히 우수한 것으로 나타났고, 코팅되지 않은 담체에 비하여 코딩된 담체에서 약 4.92배로 생존율이 증가되는 것으로 나타났다.

따라서 이러한 결과를 통해 본 발명자들은 본 발명의 방법으로 제조된 코팅 담체를 사용할 경우, 담지된 미생물의 생존율을 증가시킬 수 있고, 특히 미생물이 생존하기에 어려운 환경 하에서도 미생물을 잘 보호하여 오랜 시간동안 생존율을 유지하고 증진시킬 수 있음을 알 수 있었다.

<실시예 4>

본 발명의 코팅 담체를 이용한 미생물의 고정 및 전자현미경을 이용한 고정된 미생물의 확인

상기 <실시예 1>에서 제조한 박테리아를 담지한 코팅 담체(즉, 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)을 사용하여 분무 스프레이로 건조 담체를 도포한 후, 다시 건조로에서 1일간 건조시킨 과정까지 마친 담체)를 조각낸 후, 미생물 고정 전처리를 수행하였다. 상기 고정 전처리는 전자현미경을 통해 담체 내 존재하는 미생물을 정확하게 확인하기 위한 과정으로, 다음과 같이 진행하였다. 즉, 4℃에서 2시간 동안 카르노프스키 고정액(Karnovsky's fixation: 2% paraformaldehyde, 2.5% glutaraldehyde, 0.1M phosphate buffer, pH 7.2)을 사용하여 상기 시료를 5,000rpm으로 2분 동안 원심분리함으로써 미생물 고정 전처리를 수행하였다. 이후 고정된 미생물 담체 시료를 두 차례에 걸쳐서 0.01M potassium phosphate (pH 7.8) 용액으로 상온에서 세척하였고, 오즈미움 테트라옥사이드 (2% osmium tetroxide) 용액을 이용한 두 번째 시료 고정단계를 4℃에서 2시간 동안 수행하였다. 두 차례 고정된 미생물을 3차 증류수로 두 번 세척하였고, 30%, 50%, 70% 및 100%의 에탄올 용액에 재현탁하여 각각 10분 동안 탈수시켰다. 완성된 시료는 알루미늄 스터브(stub)에 올려 4일간 건조시켰으며, 전자현미경 관찰 직전에 플라티눔(platinum)으로 70초 동안 코팅하여 전도도를 높였다.

전자현미경 관찰 결과, 미생물이 처리되지 않은 팽창점토 대조군에서는 미생물이 관찰되지 않았지만, 미생물이 처리된 본 발명의 코팅 팽창점토에서는 다수의 미생물이 고정되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 3 참조).

<실시예 5>

물-시멘트의 혼합비(W/C)에 따른 시멘트 페이스트 안에서의 박테리아 생존율 분석

서로 다른 물-시멘트 혼합비(W/C)를 갖는 시멘트 페이스트 안에서의 박테리아 생존율을 CFU(colony forming unit)로 측정하여 분석하였다. 시멘트 페이스트는 시멘트와 물로 이루어져 있으며, 모르타르는 ISO 표준사를 페이스트에 넣어 제작하였다. 상기 분석과정은 도 10의 순서에 따라 수행하였다. 또한 물-시멘트 비(W/C)가 각각 0.3, 0.4, 0.5인 페이스트에 본 발명의 박테리아 담체를 부피비 30%로 치환하여 투입하였고, 이때 재령 1, 3, 7, 28일째의 CFU를 측정하였다.

그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 코팅하지 않은 담체 내에서의 미생물 1일 대비 28일 생존율이 0.05~0.08%에 머물렀으나, 본 발명의 코팅 담체 내 미생물의 생존율은 모든 물-시멘트 비(W/C)에서 초기 투여 대비하여 20% 정도의 생존율을 보이는 것으로 나타나, 코팅처리 하지 않은 담체에 비해 코팅 담체를 사용한 군이 약 250배 이상의 높은 생존율을 보이는 것으로 나타났다.

<실시예 6>

본 발명에 따른 미생물 고정 담체의 코팅 여부에 따른 시멘트 투수율 측정

본 발명에서 제조한 박테리아 자기치유 담체를 혼입한 모르타르의 균열을 통한 28일 투수량 감소가 대조군의 모르타르 시편에 비해 20%가량 높은 것으로 나타났다. 이를 위하여 물-시멘트 비(W/C)가 0.4, 시멘트-모래의 비가 2.0인 모르타르를 설정하였으며, 모래의 중량 10%를 제조된 박테리아 담체로 치환하여 모르타르를 배합하였다. 반죽은 높이 50mm, 지름 100mm인 몰드에 부어져 3일 동안 양생 후 탈형하였고, 23℃ 물에서 28일간 수중 양생하였다. 28일째 UTM(Universal Testing Machine) 및 압축 지그를 사용하여 모르타르 기둥을 반으로 분할하였으며(도 11 A 참조), 균열 사이에 실리콘 밴드를 삽입한 후 호스 밴드로 고정하여 균열을 일정한 크기로 생성하여 균열 시편의 제작을 완료하였다(도 11 C 참조). 이후 0일, 7일, 14일, 28일에 투수 시험 장치에 균열 시편을 장착하여 균열을 통해 빠져나오는 물의 단위 분 당 유출량을 측정하였다(도 11 B 참조). 실험에 사용된 박테리아 담체는 전체 잔골재의 중량비 10%를 치환하였다.

그 결과, 초기 유출 수량 대비 28일 유출수 감소량은 코팅을 처리하지 않은 시편의 경우 69%인 것으로 나타났고, 코팅을 적용한 시편의 경우 75%인 것으로 나타나 코팅처리에 의해 자기치유의 성능이 향상된 것으로 나타났다. 한편, 이때 대조군으로 설정된 일반 모르타르의 경우 42% 및 49%인 것으로 나타났다.

이상의 결과를 통해 본 발명자들은 본 발명의 방법으로 제조된 코팅 담체를 사용한 경우, 담체내에 담지 또는 고정된 미생물이 오랜 시간동안 높은 생존율을 보여 미생물의 보호 효과가 우수함을 확인함으로써, 본 발명의 코팅된 담체는 친환경적인 자기치유 콘크리트 또는 건설재료로 활용할 수 있음을 알 수 있었고, 콘크리트의 균열 부위 수복 및 치유를 향상시킬 수 있으며 따라서 궁극적으로 콘크리트 건물의 수명을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. (1) 미생물의 배양액을 원심분리하여 미생물이 함유된 침전물을 수득하는 단계;
   (2) 상기 침전물에 효모추출물 및 젖산칼슘을 첨가하고 혼합하여 미생물 혼합액을 제조하는 단계;
   (3) 담체로서 팽창점도 및 상기 미생물 혼합액을 진공챔버에 투입하고 상기 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시키는 단계;
   (4) 팽창점도와 미생물 혼합액을 분리하고 미생물이 담지된 팽창점도를 건조시키는 단계; 및
   (5) 상기 건조시킨 미생물이 담지된 팽창점도를 스티렌-아크릴-에멀전(stryrene-acrylic emulsion)으로 코팅하는 단계를 포함하는,
   자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미생물은 라이시니바실러스(Lysinibacillus sp.) YS11 균주(기탁번호: KACC 81048BP)인 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 (2) 단계에서 상기 효모추출물은 상기 침전물 중량 대비 1~2중량%로 첨가하고, 상기 젖산칼슘은 상기 침전물 중량 대비 2~4중량%로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 (3) 단계에서 팽창점도와 미생물 혼합액의 접촉은 상기 팽창점도에 상기 미생물 혼합액을 투여하여 침수 처리하는 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 (3) 단계에서 팽창점도와 미생물 혼합액을 접촉시킨 후, 챔버 내부 압력을 대기압까지 상승시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 (4) 단계에서 건조는 40~50℃에서 1일~2일 동안 건조시키는 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체의 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체.
8. 제7항에 있어서,
   상기 담체에 담지된 미생물은 pH 11~13의 알칼리 및 60~70℃의 고온 환경에서도 생존하는 것을 특징으로 하는, 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체.
9. 제7항의 자기치유 성능이 향상된 콘크리트 담체를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트용 조성물.
10. 제9항의 조성물을 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 부위에 도포하는 단계를 포함하는, 시멘트 또는 콘크리트 구조물의 균열 보수 방법.

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