KR20200114534A - 유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법 - Google Patents

유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 키토산 표면 기능기뿐만 아니라 내부에 담지된 유산균이 수소결합 또는 정전기적 상호작용으로 유기염료를 흡착 제거할 수 있는 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 유산균이 담지된 키토산 흡착제는 키토산 나노입자 내부에
유산균을 고정화하므로 유산균 흡착제의 기계적 강도를 높일 수 있고, 키토산과 유산균 함량 제어를 통해 흡착제의 크기 조절이 가능하다.
본 발명의 유산균이 담지된 키토산 흡착제는 키토산 나노입자 내부로 액체 등 물질 이동이 가능하므로 염료나 금속 이온이 키토산에 담지된 유산균에 흡착되거나 키토산 표면 기능기에 흡착될 수 있으므로 흡착 효율을 높일 수 있다.

Description

유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법{Chitosan nanoparticles adsorbent loading lactic acid bacteria and method of preparing the same}
본 발명은 유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 키토산 표면 기능기뿐만 아니라 내부에 담지된 유산균이 수소결합 또는 정전기적 상호작용으로 유기염료를 흡착 제거할 수 있는 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
가정 및 산업 폐수로부터 유출되는 각종 오염 물질은 토양 및 수질 오염을 유발하며, 결국엔 생물체에도 여러 가지 질병을 일으킬 수 있다. 대표적인 오염 물질인 유기성 염료를 사용하는 섬유 산업은 섬유와 직물 등을 염색하는 과정에서 많은 양의 물을 사용한다. 또한 염료는 현재까지 10000 종 이상이 개발되어 사용되고 있으며, 세계적으로 연간 약 70000 톤이 소비되고 있다. 이러한 염료의 사용으로 인해 환경 오염을 방지하기 위해 적절한 처리 방법을 거쳐 염료 폐수를 자연으로 배출하여야 한다.
유기성 염료의 폐수 처리 방법은 생물학적, 화학적 그리고 물리적 처리 방법이 있다. 생물학적 처리는 독성 화학 물질을 덜 해로운 형태로 변형시키는 방법이다. 생물학적 처리를 사용한 염료의 제거에는 박테리아, 조류, 곰팡이 및 식물 등이 사용되며 산소의 이용 유무에 따라 호기성 또는 혐기성 방법으로 세분화된다. 일반적으로 생화학적 산소 요구량 (BOD) 과 부유 고형물 제거 (TSS) 에 효과적이지만, 폐수 속 색소 제거하는 데는 효과가 적다. 때문에 주로 화학적 그리고 물리적 처리와 결합하여 사용하고 있다.
화학적 처리는 오존, 과산화수소, 펜톤 시약과 광촉매 같은 다양한 산화제를 주로 사용하여 염료 분자의 화학적 조성을 변화시키거나, 염료 분자를 분해 및 파괴하는 방법이다. 주로 쓰이는 오존 처리는 염료와의 반응성이 높고, 염료의 제거 효율이 우수하여 효과적이다. 그러나 수명이 짧고, 물에 용해되지 않는 염료 제거의 낮은 효율, 낮은 COD 제거 효율 그리고 비용이 비싸다는 단점이 있다.
염료의 흡착에 기초한 물리적 처리는 오염 물질을 제거하기 위하여 예로부터 많이 쓰여온 방법이다. 다른 방법에 비해 잔류물의 발생이 적고 흡착제의 재활용 가능성도 가지고 있으며, 제거 메커니즘이 매우 간편하기 때문에 현재까지 가장 널리 쓰이는 방법이다. 현재 상용 흡착제로 쓰이고 있는 활성탄은 흡착 능력은 뛰어나지만 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 보다 효과적이고 저렴한 흡착제의 개발이 필요하다.
경제적인 흡착제 기술에 대한 필요성이 증가함에 따라 바이오매스의 흡착 능력을 이용한 오염물질 제거에 대한 연구가 진행되고 있다. 셀룰로오스 다음으로 가장 풍부한 생물 자원인 키토산은 갑각류의 껍질에서 얻을 수 있는 키틴에서 유래된 바이오 폴리머이다. 키토산은 말단기에 존재하는 아민기(-NH2)와 히드록시기(-OH) 로 인하여 변형이 용이하고, 높은 흡착 능력을 지니고 있어 금속, 양이온성 및 음이온성 염료 분자를 흡착하여 제거하는 다양한 연구가 진행되고 있다.
생물학적 처리에도 사용되고 있는 미생물은 세포벽에 존재하는 카르복실기, 인산기, 아민 및 히드록시기 등의 여러 작용기의 존재로 생흡착이 가능한 물질이다. 이때의 생흡착 메커니즘은 흡착, 침착, 이온 교환과 같은 물리적 및 화학적 상호 작용을 포함한다. 미생물 생흡착은 높은 흡착 능력, 빠른 정상상태 도달 및 낮은 공정비용 등의 장점이 있다. 하지만 기본적으로 밀도가 낮고 강도가 약한 입자로 공정 과정에서의 발생할 수 있는 입자의 팽윤, 재생 및 재사용이 불가능하다는 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2012-0127354호에 섬유화되는 키토산에 미생물이 박히거나 혼입되고, 그 위에 양이온성 흡착제가 코팅된 키토산-바이오매스 복합체가 개시되어 있다. 상기 한국 공개 특허는 미생물이 사용되지만, 미생물은 키토산과 양이온 고분자의 결합을 위한 중간매개체일 흡착 능력은 없다는 한계가 있다.
본 발명은 미생물을 고정화하여 입자 크기를 조절하고 기계적 강도를 높일 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다.
본 발명은 미생물뿐만 아니라 미생물을 고정하는 고분자도 흡착 기능을 할 수 있는 흡착제를 제공하는 것이다.
하나의 양상에서 본 발명은
키토산 분말을 물에 용해시키는 단계 ;
유산균 용액을 상기 키토산 용액에 넣어 혼합하는 단계 ;
가교제를 상기 키토산 용액에 적하하는 단계 ;
생성된 입자를 상기 용액으로부터 분리하는 단계를 포함하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자의 제조방법에 관련된다.
다른 양상에서, 본 발명은
내부에 유산균이 담지(load)된 구형의 키토산 나노입자로서,
상기 키토산 나노입자는 액체가 내부로 유입되거나 외부로 유출될 수 있는 복수의 기공이 형성되고,
염료나 금속 이온이 상기 기공을 통해 상기 유산균에 흡착되거나 상기 키토산 나노입자 표면에 흡착되는 유산균이 담지된 키토산 나노입자에 관련된다.
또 다른 양상에서, 본 발명은
앞에서 언급한 키토산 나노입자를 포함한 흡착제로서, 상기 흡착제는 수소결합 또는 정전기적 인력으로 상기 염료 또는 금속이온을 흡착하는 유산균 키토산 흡착제에 관련된다.
본 발명의 유산균이 담지된 키토산 흡착제는 키토산 나노입자 내부에 유산균을 고정화하므로 유산균 흡착제의 기계적 강도를 높일 수 있고, 키토산과 유산균 함량 제어를 통해 흡착제의 크기 조절이 가능하다.
본 발명의 유산균이 담지된 키토산 흡착제는 키토산 나노입자 내부로 액체 등 물질 이동이 가능하므로 염료나 금속 이온이 키토산에 담지된 유산균에 흡착되거나 키토산 표면 기능기에 흡착될 수 있으므로 흡착 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 미생물(유산균)을 준비하는 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 유산균이 담지된 키토산 나노입자를 제조하는 단계를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제의 개념도이다.
도 4는 키토산 나노입자 표면 기능기와 염료와의 흡착 반응을 도시한 것이다.
도 5는 Chitosan의 농도가 나노입자 크기에 미치는 영향에 대하여 DLS로 측정한 것이다.
도 6은 1g/L의 Chitosan을 사용하여 제조된 비교에1(CNPs)와 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 SEM image를 나타낸 것이다.
도 7은 유산균(L.ac), 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 작용기를 IR spectroscope 를 통하여 측정한 결과이다.
도 8은 유산균, 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 5가지 염료에 대한 흡착 전과 흡착 후의 염료 용액의 사진이다.
도 9는 유산균(L. ac)(A), 비교예 1(CNPs)(B), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)(C)의 농도에 따른 BPB에 대한 흡착능과 제거효율을 나타낸다.
도 10은 유산균(L. ac)(A), 비교예 1(CNPs)(B), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)(C)의 시간에 따른 BPB에 대한 흡착능과 제거효율을 나타낸다.
도 11은 Pseudo 2nd-order 모델로부터 얻어진 각각의 흡착제에 대한 선형 방정식이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 미생물(유산균)을 준비하는 과정을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 유산균이 담지된 키토산 나노입자를 제조하는 단계를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 유산균이 담지된 키토산 나노입자 흡착제의 개념도이고, 도 4는 키토산 나노입자 표면 기능기와 염료와의 흡착 반응을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 2를 참고하면, 본 발명의 유산균이 담지된 키토산 나노입자 방법은 키토산 수용액 제조, 혼합 단계, 적하 단계, 분리단계를 포함한다.
키토산 수용액 제조는 키토산을 물에 용해시키는 단계이다. 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 키토산은 특별히 한정되지는 않다. 예를 들면, 상기한 바와 같이 희석 산에 용해되는 키토산뿐만 아니라, 변형된 키토산 유도체도 포함된다.
또한, 키토산 분말을 용매(물)에 용해시켜 사용할 수 있다.
상기 키토산은 1,000 내지 2,000,000, 바람직하게는 5,000 내지 500,000의 중량평균 분자량을 가질 수 있다.
상기 키토산 분말은 증류수에 0.1~5g/L로 용해될 수 있다. 키토산 분말이 5g/L 보다 높은 경우 키토산이 완전히 증류수에 녹지 않을 수 있다.
상기 키토산 수용액의 pH가 3~6, 바람직하게는 5가 되도록 조절할 수 있다.
상기 혼합 단계는 유산균 용액을 상기 키토산 용액에 넣어 혼합하는 단계이다.
상기 유산균 용액은 유산균이 식염수나 물에 분산된 용액이다. 상기 유산균은 락토바실러스속(Lactobacillus), 락토코커스속(Lactococcus), 스트렙토코커스속(Streptococcus), 쌍구균인 류코노스록(Leuconostoc) 또는 비피더스속(Bifidobacterium) 등일 수 있다. 상기 유산균은 락토바실러스속 애시도필러스일 수 있다.
상기 유산균 용액은 유산균이 식염수에 1~20g/L로 희석될 수 있다.
상기 키토산 용액과 상기 유산균 용액의 부피비는 20ml : 0.1 ~ 5ml 범위일 수 있다.
상기 적하(drop) 단계는 가교제를 상기 키토산 용액에 떨어뜨리는 단계이다. 상기 적하단계는 0.5~5 ml 의 0.05~1(w/v)% 가교제, 예를 들면, 1ml의 0.1(w/v)% 가교제를 상기 키토산 용액에 첨가할 수 있다.
상기 가교제는 키토산을 가교시킬 수 있는 공지된 가교제를 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 가교제로 알데히드, 폴리포스페이트 염, 바람직하게는 나트륨 트리폴리포스페이트(TPP)를 사용할 수 있다.
키토산 용액에 가교제를 적하면 고분자 키토산이 가교제에 의해 상호 가교되어 나노 입자화되고, 입자화 과정 중에 유산균이 나노입자 내부에 담지 될 수 있다.
도 2를 참고하면. 본 발명의 키토산 나노입자(10)는 내부에 유산균(20)이 담지된다. 유산균(20)은 키토산 입자 내부에 위치하고, 고분자에 얽혀 고정될 수 있다.
상기 유산균이 락토바실러스 애시도필러스일 수 있다.
상기 키토산 나노입자의 크기는 키토산과 유산균의 함량 제어를 통해 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 키토산 나노입자 크기는 100~1,000nm 일 수 있다.
상기 키토산 나노입자는 고분자 사슬이 엉키고 응집되어 형성된 입자 로서, 유체(액체)가 나노입자의 내부로 유입되거나 외부로 유출될 수 있는 복수의 기공이나 미세 틈이 존재한다.
유체 내에 존재하는 염료나 금속 이온이 상기 기공이나 미세 틈을 통해 유입되어 키토산 나노입자 내부에 위치하는 유산균에 흡착될 수 있다.
또한, 도 3과 같이, 상기 키토산 나노입자는 표면에 아민기, 히트록시기, 카르복실기 등의 기능기를 가지고 있어 염료 등을 수소결합 또는 정전기적 인력으로 흡착할 수 있다.
본 발명의 키토산 나노입자 흡착제는 내부에 고정된 유산균과 나노입자 표면 기능기가 염료 또는 금속이온을 흡착할 수 있다.
상기 염료나 금속이온은 음이온성일 수 있고, 히드록시기를 가지는 염료일 수 있다.
염료는 브로모페놀 블루(Bromophenol Blue), (BPB), 브로모티몰 블루(Bromothymol Blue), 메틸렌 블루(Methylene Blue) 또는 페놀프탈레인(Phenolphthalein)일 수 있고, 바람직하게는 브로모페놀 블루(Bromophenol Blue)일 수 있다.
이하 본 발명을 다음의 실시 예에 의해 좀더 상세하게 설명하겠으나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 범위를 한정하는 것은 아니다.
유산균 준비
100 ml MRS 배지에 L.ac를 접종하여 호기성 조건에서 37℃, 12시간 동안 배양하였다. 배양된 균은 8000 rpm, 4℃ 에서 10분 동안 원심 분리하여 가라앉은 균의 무게와 상등액의 부피 비를 측정하였다(약 10g/L). 0.9 % 의 멸균된 saline 용액으로 2 회 세척하고, 캡슐화 공정을 위하여 초기 배지와 동일한 부피의 멸균된 saline 용액에 희석하여 (10 g/L) 보관하였다.
실시예 1
양이 다른 키토산 가루 (1, 2, 3, 4, 5 g/L ) 를 50 ℃ 에서 1 시간 동안 30 ul 의 아세트산을 첨가하여 최종 용액의 pH가 5가 되도록 한 HPLC water 20 ml 에 완전히 녹여 키토산 용액을 제조하였다.
5개의 키토산 용액 각각에 용액에 앞에서 제조한 L.ac-diluted saline 용액 (10 g/L) 1ml 를 일정하게 교반하며 섞어주었다. 1 시간 동안 교반 후, 1 ml 의 0.1 (w/v)% TPP 용액을 천천히 한 방울 씩 떨어뜨렸다. 5500 rpm, 20에서 20분 동안 원심 분리를 한 뒤, HPLC water 20 ml 에 고르게 재분산하였다. 그 결과, CNPs 보다 약간 더 흰색의 현탁액이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1
양이 다른 키토산 가루 (1, 2, 3, 4, 5 g/L ) 를 50 ℃ 에서 1 시간 동안 30 ul 의 아세트산을 첨가하여 최종 용액의 pH가 5가 되도록 한 HPLC water 20 ml 에 완전히 녹여 키토산 용액을 제조하였다.
교반을 해주며 10ml의 0.1 (w/v)% TPP 수용액을 천천히 한 방울 씩 떨어뜨렸다. 5500 rpm, 20에서 20분 동안 원심 분리를 한 뒤, HPLC water 20 ml 에 고르게 재분산하였다. 이와 같은 조건에서 유백색의 현탁액이 생성되며 이는 CNPs 가 제조되었음을 나타낸다.
유기염료 제거 실험
L.ac, CNPs, L.ac-loadedCNPs의 유기성 염료 제거 효율을 시험하기 위한 5가지의 상이한 염료로 BPB, BTB, MB, MO, PT를 선택하였다. 배치 연구를 위하여, 이전 과정에서 준비한 유산균(L.ac), 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)와 염료를 1:2의 부피 비로 반응한 뒤, 필터를 사용하여 염료가 흡착된 입자를 걸러주고 상등액의 흡광도를 측정하였다. 염료의 흡착에 따라 흡광도의 변화가 제일 잘 일어나는 BPB, BTB, MB, MO, PT의 파장은 각각 592, 430, 665, 465 그리고 229nm이다. 흡착 능력 및 제거 효율은 각각 다음의 방정식에 의하여 계산되었다.
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
Q (mg/g)는 흡착능, q(%)는 제거 효율, Ci(mg/L)는 초기 염료 용액의 농도, Cf(mg/L)는 평형상태에서의 상등액의 농도, V(L)는 염료 용액의 부피, m(g)은 흡착제의 양이다. 모든 분석은 3회에 걸쳐 진행되었고, 결과는 표준편차와 함께 계산된 평균값으로 표현하였다. 0.105g의 키토산 파우더를 30mL 물(42μL 아세트산 포함)에 용해시켰다. 한 시간정도 60℃도에서 1500rpm으로 교반하였다. 한편, 0.027g의 TPP를 25mL의 물에 넣고 상온에서 5분 정도로 교반하였다. 상온에서 키토산 용액을 냉각시킨 후, 키토산 용액 전부를 TPP 용액에 천천히 첨가하였다. 한 시간 정도 교반 후에 약 50ml 용액을 5500rpm으로 20분 동안 원심분리하여 침전물을 분리하였다. 동적 빛 산란(Dynamic light scattering, DLS)으로 키토산 나노입자의 크기를 분석하였다.
도 5는 Chitosan의 농도가 나노입자 크기에 미치는 영향에 대하여 DLS로 측정하여 나타낸 것으로 1, 2, 3, 4, 5 g/L Chitosan과 0.1 wt% TPP가 사용되었다. 일정한 부피의 TPP를 사용하였을 때, Chitosan의 농도에 따라 비교예 1(CNPs)는 112nm 부터 726nm, 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)는 475nm 부터 855nm 크기의 입자가 형성된 것을 확인하였다. 따라서 Chitosan의 농도가 입자의 크기에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 또한 같은 농도의 Chitosan을 사용하여 나노 입자를 제조하였을 때, CNPs에 비하여 L.ac-loaded CNPs의 입자가 더욱 크게 형성된 것으로 보아 로딩된 유산균(L.ac)에 의한 것으로 생각할 수 있다.
도 6은 1g/L의 Chitosan을 사용하여 제조된 비교에1(CNPs)와 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 SEM image를 나타낸 것이다. CNPs는 50~70nm, L.ac-loaded CNPs는 400~500nm의 구형 입자가 형성된 것을 알 수 있다. CNPs의 경우 입자들이 클러스터 형태로 존재하고 있지만, L.ac-loaded CNPs의 경우 입자들이 뭉쳐 있지 않고 독립된 구의 형태로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
도 7은 유산균(L.ac), 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 작용기를 IR spectroscope 를 통하여 측정한 결과이다. 도 7을 참고하면, 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)은 유산균과 비교예 1의 특징적인 피크를 모두 나타내었다. 특히, 실시예 1은 비교예 1(CNPs)에서 나타나지 않았던 2927.47 cm-1(CH2-CN3stretch) 피크, 1643.09 cm-1(C=Ostretch)의 피크는 L.ac 가 CNPs에 잘 로딩되었음을 보여준다.
유산균, 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 5가지 염료에 대한 흡착능을 측정하기 위하여, 배치 조건에서 실험을 수행하고, 각 흡착제에 따른 흡착능 및 제거 효율을 표 1에 나타내었다. 도 8은 흡착 전과 흡착 후의 5개의 염료 용액의 사진이다(1 - BPB, 2 - BTB, 3 - MB, 4 - MO, 5 - PT).
표 1과 도 8을 참고하면, 모든 종류의 염료에 대하여 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 흡착 성능이 유산균(L.ac), 비교예 1(CNPs) 보다 우수하였다. 특히, BPB에 대한 실시예 1의 (L.ac-loaded CNPs)의 흡착 능력은 모든 염료 중에서 가장 우수하며, 흡착 전과 흡착 후의 5개의 염료 용액의 사진으로도 확인할 수 있다.
Figure pat00003
BPB의 제거 효율에 대한 흡착제 농도의 영향을 확인하기 위하여, 다양한 흡착제 농도 조건 하에서 연구를 수행하였다. 도 9 에서 유산균(L. ac), 비교예 1(CNPs), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs)의 농도가 각각 2에서 10 g/L, 1에서 5 g/L, 1에서 5 g/L 로 증가함에 따라, 제거 효율은 각각 18.69에서 21.07%, 75.59에서 87.45%, 89.75에서 99.88%으로 증가하였으며, 흡착능은 각각 0.93에서 0.21 mg/g, 7.56에서 1.75 mg/g, 8.98에서 2.00 mg/g 으로 감소하였다. 보다 적은 양의 흡착제를 사용한 경우, 단위 흡착제 활성 부위의 대부분이 BPB 분자에 노출되어 흡착능은 높지만, 흡착제 표면적의 한계로 인하여 낮은 흡착 효율을 가진다. 보다 많은 양의 흡착제를 사용한 경우, 단위 흡착제 활성 부위에 보다 적은 양의 BPB 분자가 흡착되어 낮은 흡착능을 가지지만, 넓은 흡착제 표면적에 의하여 높은 흡착 효율을 나타낸다. 결과적으로, 흡착제의 흡착능 및 흡착 효율은 염료의 흡착이 가능한 흡착제의 활성 부위 및 표면적의 증감에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있다.
BPB 제거 효율에 대한 염료와 흡착제의 접촉 시간의 영향을 BPB 용액(10 mg/L)과 유산균(L.ac0(10 g/L)), 비교예 1(CNPs(5g/L)), 실시예 1(L.ac-loaded CNPs (5g/L))을 사용하여 상온에서 조사하고 도 10에 나타내었다. 도 10을 참고하면, 모든 흡착제에 대하여 초기에는 빠른 흡착 거동을 보이며 약 30 분 이후부터 흡착능이 평형에 도달하였다. 초기에는 BPB 분자가 흡착제 외부 표면의 활성 부위와 빠르게 접촉하여 흡착 속도가 빠르며, 시간이 지날수록 감소된 활성 부위로 인하여 흡착 속도가 줄어드는 것으로 생각할 수 있다.
흡착 동역학은 수용액에 존재하는 염료의 제거 속도를 이해하는 데 사용된다. Psuedo-1st-order, Pseudo-2nd-order 및 Elovich 등 여러 동역학 모델을 통하여 흡착 공정 메커니즘을 결정하는 데 이용이 가능하다.
Pseudo 2nd-order모델은 염료 분자가 흡착제 표면에 흡착되는 능력에 기초하며 다음과 같은 선형 방정식으로 표현 될 수 있다.
Figure pat00004
(3)
여기서, Qe(mg/g)와 Qt(mg/g)는 각각 평형 상태에서 흡착된 BPB의 양과 시간 t (min)에서 흡착된 BPB의 양을 의미한다. k2(g/mgmin)은 Pseudo 2nd-order의 속도 상수이다. Qe와 k2 는 t/Qt대 t 의 선형 방정식으로부터 예측할 수 있다. 도 11과 표 3은 Pseudo 2nd-order모델로부터 얻어진 각각의 흡착제에 대한 선형 방정식과 그에 따른 파라미터 값을 나타내었다. Pseudo 1st-order와 비교하였을 때, 모든 흡착제에서 각각 R 2 = 0.9997 (L.ac),R 2=0.9997(CNPs),R 2=0.9991(L.ac-loaded CNPs)의 우수한 상관계수 값을 얻었다. 이는 흡착제와 BPB 분자의 흡착 공정의 전체적인 속도가 물리적 흡착이 아닌 정전기적 인력을 통한 화학적 흡착에 의해 제어된 것을 알 수 있다. 즉 L.ac와 CNPs의 다양한 작용기들이 BPB 분자의 sulfonate와 hydroxyl group과의 정전기적 상호작용 및 수소 결합을 형성하여 화학적 흡착이 이루어지는 것으로 생각할 수 있다. 또한 계산된 Q e 값과 실험을 통하여 얻어진 Q e 의 편차가 -0.83%, -1.3%, -4.2% 로 차이가 거의 없는 것을 알 수 있다.
Figure pat00005
이상에서, 본 발명의 바람직한 구현 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위가 이들로 제한되는 것은 아니다.

Claims (9)

  1. 키토산 분말을 물에 용해시키는 단계 ;
    유산균 용액을 상기 키토산 용액에 넣어 혼합하는 단계 ;
    가교제를 상기 키토산 용액에 적하하는 단계 ;
    생성된 입자를 상기 용액으로부터 분리하는 단계를 포함하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 키토산 분말은 0.1~5g/L이고, 상기 유산균은 식염수 용액에 1~20g/L로 희석되고,
    상기 키토산 용액과 상기 유산균 용액의 부피비는 20ml : 0.1 ~ 5ml 범위인 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 적하단계는 0.5~5 ml 의 0.05~1(w/v)% 가교제 용액을 상기 키토산 용액에 떨어뜨리는 단계인 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유산균이 락토바실러스 애시도필러스인 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자의 제조방법.
  5. 내부에 유산균이 담지(load)된 구형의 키토산 나노입자로서,
    상기 키토산 나노입자는 액체가 내부로 유입되거나 외부로 유출될 수 있는 복수의 기공이 형성되고,
    염료나 금속 이온이 상기 기공을 통해 상기 유산균에 흡착되거나 상기 키토산 나노입자 표면에 흡착되는 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 유산균이 락토바실러스 애시도필러스인 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 키토산 나노입자의 크기는 100~1,000nm 인 것을 특징으로 하는 유산균이 담지된 키토산 나노입자.
  8. 제 6항 또는 제 7항의 키토산 나노입자를 포함한 흡착제로서, 상기 흡착제는 수소결합 또는 정전기적 인력으로 상기 염료 또는 금속이온을 흡착하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 염료는 브로모페놀 블루(Bromophenol Blue), (BPB), 브로모티몰 블루(Bromothymol Blue), 메틸렌 블루(Methylene Blue) 또는 페놀프탈레인(Phenolphthalein) 인 것을 특징으로 하는 흡착제.
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