초음파살균기술 연구 경과

초음파살균기술 연구진행

전통적인 살균은 일반적으로 고온 가열, 화학 시약, 자외선과 같은 방법을 사용합니다. 그러나 고온 가열은 물체의 열에 민감한 구성 요소를 파괴할 수 있습니다. 화학적 살균은 유해한 잔류물을 쉽게 남길 수 있습니다. 자외선 살균은 불완전하고 데드존이 존재하는 등의 단점이 있다. 결과적으로 연구자들은 이러한 한계를 피하는 더 빠르고 효과적인 멸균 방법을 탐구하고 연구해 왔습니다. 최근 연구에 따르면 초음파 살균은 효과적인 보조 살균 방법이 될 수 있으며 폐수 처리 및 식수 소독에 성공적으로 사용되었습니다. 맥주, 오렌지 주스, 간장과 같은 액체 식품의 살균에 대한 적용도 광범위하게 연구되었습니다.

이 기사에서는 주로 초음파 멸균의 메커니즘을 소개하고 초음파 멸균 기술의 연구 진행 상황과 다른 멸균 방법(레이저, 마이크로파, 열 및 압력)과의 시너지 활용을 검토합니다.

초음파 살균 메커니즘

초음파는 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음파를 말합니다. 고주파와 단파장은 우수한 방향성, 고출력, 강력한 침투력을 제공할 뿐만 아니라 캐비테이션과 기계적, 열적, 화학적 효과를 포함한 다양한 특수 효과를 유발합니다. 일반적으로 초음파의 살균 효과는 주로 초음파가 생성하는 캐비테이션 효과에 기인한다고 믿어집니다. 초음파 치료 중에 고강도 초음파가 액체 매질을 통해 전파되면 종파가 생성되어 교대로 압축 및 팽창 영역이 생성됩니다. 이러한 압력 변화 영역은 캐비테이션이 발생하기 쉽고 매체 내에 작은 기포 핵을 형성합니다. 단열 수축 및 붕괴 순간에 작은 기포 핵은 5000°C를 초과하는 온도와 50,000kPa를 초과하는 압력을 경험하며, 이는 액체 내의 특정 박테리아를 죽이고 바이러스를 비활성화하며 심지어 더 작은 미생물의 세포벽을 손상시킬 수 있습니다. 그러나 행동의 범위는 제한되어 있다[7,8]. 초음파 살균 기술에 대한 연구는 이미 1930년대부터 제안되었습니다. 일부 연구 결과에 따르면 초음파만으로는 살균 효과가 제한적이나 초음파와 다른 살균 방법을 결합하면 잠재력이 크고 효과적이라는 사실이 밝혀졌습니다.

초음파살균만으로

현재 초음파살균은 폐수처리, 음용수 소독, 식품산업 등에서 주로 활용되고 있으며, 국내외 많은 학자들이 관련 연구를 진행하고 있다. R. Davis는 26kHz 초음파를 사용하여 미생물을 죽이고 대장균(Escherichia coli), 거대균(Bacillus megaterium), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)과 같은 특정 박테리아가 낮은 농도에서 초음파에 민감하다는 사실을 발견했습니다. 그러나 초음파는 포도상구균과 연쇄상구균에 대해서는 덜 효과적이었고 디프테리아 독소에 대해서는 완전히 효과가 없었습니다. McClements는 초음파 살균이 열처리, 오존 또는 화학 시약과 같은 다른 살균 기술과 결합될 때 더 효과적이라고 믿습니다.

국내 수처리 산업에서는 약간 오염된 물의 수질을 개선하고 고도처리를 실시하는 것이 대부분의 수처리장이 직면한 주요 과제입니다. 활성탄, 막생명공학 등 전통적인 폐수 살균 방법은 처리 효율성이 낮고 난치성 유기 오염물질을 제거하는 데 효과적이지 않습니다. 관련 연구에 따르면 초음파는 약간 오염된 물에서 박테리아, 불용성 유기 물질 및 색상을 제거하는 데 효과적이며 1차 역학에 따라 박테리아를 제거하는 것으로 나타났습니다. 또한 COD(화학적 산소 요구량) 및 탁도에 일부 영향을 주지만 중요하지는 않으며 탁도 제거에 대한 효과도 제한적입니다. 식품 산업에서 식품 부패는 주로 품질을 변화시키는 특정 미생물의 존재로 인해 발생합니다. 식품의 안전을 보장하기 위해 멸균은 생산 과정에서 중요한 연결 고리입니다. 식품의 품질은 살균 효과에 직접적인 영향을 받습니다. Zhu Shaohua[5]는 초음파를 이용한 간장 살균에 대한 비교시험을 실시한 결과, 초음파 처리 5분 후 간장 살균율이 72.9%, 10분 처리 후 75%로 저온살균 시 72℃ 78.7%에 비해 약간 낮은 것으로 나타났다. 우유를 초음파로 살균한 경우 15~60초 처리 후 에멀젼이 산패되거나 부패되지 않고 5일 동안 보관될 수 있었습니다. 우유를 초음파로 멸균하면 냉장 보관 시 18개월 동안 보관할 수 있습니다. 초음파 살균의 특징은 속도가 빠르고, 이물질이 들어가지 않으며, 인체에 무해하고, 물체에 손상이 없다는 점입니다. 그러나 살균효과가 철저하지 않고 영향을 미치는 요인이 많다. 1930년대 초부터 관련 연구자들이 초음파 살균에 대한 연구를 시작했으나 진전이 더디어 아직도 주로 보조 살균에 사용되고 있다. 

초음파를 이용한 시너지 살균

초음파 살균에 대한 연구 결과만으로는 그 효과가 크지 않고 주로 보조적인 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 따라서 멸균 효율을 더욱 향상시키기 위해서는 초음파와 다른 멸균 기술의 결합이 필요합니다. 국내외 연구자들이 이 주제에 대해 연구를 진행해 왔습니다. 결과는 초음파를 다른 살균 기술과 결합하여 사용하면 광범위한 응용 가능성이 있음을 나타냅니다. 다음은 오존, 나노이산화티타늄, 마이크로파, 레이저, 자외선, 열 및 압력과 결합된 초음파의 살균 효과에 대한 최근 수십 년간의 연구를 검토한 것입니다.

오존을 이용한 초음파

오존은 산화성이 높은 강력한 산화제이며 오랫동안 매우 효과적인 산화제 및 소독제로 여겨져 왔습니다. 오존은 이미 20세기 초에 식수 살균에 사용되었습니다. 1975년에 Gary et al. 초음파와 오존이 물 살균에 미치는 시너지 효과에 대한 연구를 진행했습니다. 결과는 오존이 초음파와 결합될 때 향상된 살균 효능을 나타냄을 보여주었습니다. Hu Wenrong et al. 초음파를 이용한 오존 살균력 강화에 대한 실험적 연구를 통해 초음파가 오존 살균력을 크게 향상시키는 것으로 입증됐다. 동일한 치료 시간에 대해 오존 단독에 비해 초음파와 오존을 결합한 살균율이 더 높습니다. 오존 사용량이 동일할 경우 초음파 처리 시간을 단축시켜 초음파 에너지를 절약할 수 있습니다. 두 가지를 결합해 살균율이 향상된 가장 큰 이유는 초음파가 오존 기포를 미세 기포로 분해해 용해율을 크게 높이고 오존 농도를 높일 수 있기 때문이다. 고농도 오존은 박테리아를 빠르게 산화시키고 죽일 수 있습니다.

나노이산화티탄과 결합된 초음파

나노티타늄이산화티타늄은 자외선 촉매작용으로 세척과 살균 효과를 동시에 갖고 있어 세라믹, 유리, 타일 등 표면을 세척하는 데 널리 사용된다. 유기물을 제거하고 물 속 박테리아를 죽이는 수처리 분야에서도 주목을 받고 있다. 마찬가지로 나노이산화티탄은 초음파 조사 시 살균효과가 있다. 연구진은 나노이산화티타늄과 초음파의 시너지적 살균효과에 대한 실험적 연구를 진행해왔다. 결과는 나노이산화티타늄 촉매와 초음파가 상당한 시너지적인 살균 효과를 가지고 있음을 보여줍니다. pH를 높이면 초음파의 살균효과에 약간의 영향을 미치며, 자외선을 촉매하는 나노이산화티타늄보다 살균효과가 우수하다. 나노 이산화티탄 촉매 초음파 처리는 강력한 살균 효과가 있을 뿐만 아니라 매끄러운 표면에 일정한 세척 효과도 있습니다. 오염된 장비를 초음파로 세척하는 동시에 살균효과도 얻을 수 있습니다.

초음파 멸균 효율성에 영향을 미치는 요인

실험 및 관련 연구에 따르면 초음파 단독의 살균 효과는 조건에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 초음파 멸균 효과는 주로 초음파 매개변수(진폭, 주파수, 기간), 미생물 특성, 매체 등의 요인에 의해 영향을 받습니다.

액션 매개변수

이 중 초음파의 진폭, 주파수, 지속시간, 처리온도 등이 초음파 멸균에 영향을 미치는 주요 요인이다.

진폭 및 지속 시간

박테리아의 영양 세포와 포자에 대한 초음파의 살균 효과는 초음파 에너지에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 연구에 따르면 초음파의 살균 효과는 치료 기간에 정비례하는 것으로 나타났습니다. 처리 시간이 길수록 멸균 효과가 높아집니다. 초음파 처리 시간이 증가함에 따라 박테리아 생존율은 기하급수적으로 감소합니다. 그러나 해결해야 할 한 가지 문제는 멸균 시간이 길어질수록 배지의 온도 상승이 증가하여 일부 열에 민감한 물질에 해로울 수 있다는 것입니다. 소리 강도 및 주파수

일반 액체의 경우 음의 세기를 높이면 캐비테이션 강도도 높아지지만 일정 값에 도달하면 캐비테이션이 포화되는 경향이 있습니다. 이 시점에서 소리 강도를 더 높이면 쓸모없는 기포가 많이 생성되어 산란 감쇠가 증가하고 캐비테이션 강도가 감소하여 궁극적으로 살균 효과가 감소합니다. 일반적으로 만족스러운 초음파 살균을 달성하기 위해 음의 강도를 무한정 높일 필요는 없습니다. 살균 강도는 1 ~ 61 W/cm⊃2 범위 내에 있어야 합니다.

초음파 주파수가 높을수록 더 큰 소리 강도가 필요합니다. 보고서에 따르면 400kHz의 주파수에서 물에 캐비테이션을 생성하는 데 소비되는 전력은 10kHz에서 소비되는 전력보다 10배 더 높습니다. 즉, 초음파 주파수가 증가함에 따라 캐비테이션 강도가 감소합니다. 이러한 이유로 현재 살균에 사용되는 초음파 주파수는 일반적으로 20~50kHz이다.

미생물 특성

모든 병원체는 초음파에 대해 어느 정도 저항성을 갖고 있으며, 특히 살균을 위해 초음파만 단독으로 사용하는 경우에는 더욱 그렇습니다. 일반적으로 미생물의 세포 크기가 클수록 초음파에 더 민감한 것으로 알려져 있습니다. 이는 막대 모양의 박테리아가 구균보다 더 빨리 죽고, 큰 간균이 작은 간균보다 더 빨리 죽는다는 것을 의미합니다. 그람 양성균은 그람 음성균보다 저항성이 더 큽니다. 호기성 박테리아는 혐기성 박테리아보다 저항력이 더 강합니다. 박테리아 포자는 영양세포보다 저항력이 더 강합니다.

미디어 요인

Lopez-Maloet al. Penicillium digitatum에 대한 열 초음파의 살균 효능에 대한 pH, 수분 활성도 및 온도의 영향을 연구했습니다. 그들은 수분 활성도가 0.99일 때 초음파 진폭을 높이고 pH를 낮추면 D 값이 감소한다는 것을 발견했습니다. pH가 일정하게 유지되고 수분 활성도가 증가하면 D 값이 감소합니다.