제 15 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀명 : SaveTheShips ( 소속고교, 성명등개인정보는기재를금합니다 ) 탐구주제 : 정전기를이용한대기중에서의선박표면의바이오필름을제거하는친환경적방법에대한고찰 1. 탐구동기현재우리나라는대부분의수출과수입과정을선박을이용하여진행한다. 그러다보니보다안전하고효율적으로선박을운용하는것이매우중요하다. 그러나선박을운용하다보면사용하는과정에서다양한결함이생겨많은돈을들여수리해야한다. 선박회사들이가장골머리를앓는문제중하나는바이오필름이기에, 보다효율적인바이오필름제거과정을필요로하는실정이다. 바이오필름이란미생물또는생물에의해생성된막형태의구조물로, 보통선박에는바다에존재하는조류가달라붙어생성된다. 몇몇생물의경우제거시기를놓치면매우빠르게증가하여선체에여러악영향을미치고, 이것때문에선박관련기술의진보에서빠질수없는것이이러한부착물의제거와방지기술이다. 현재에는조류가선체에달라붙으면보통화학약품을이용해제거하는데, 이과정에서사용되는화학약품이바다로흘러들어가면수질오염문제를일으킬수있으며, 그제거방안이까다롭고인체에좋지않다. 또한선체수리과정에서선체는지상으로끌어올려져수리되기때문에대기중에서의바이오필름제거가이루어져야한다. 그러므로본탐구를통해환경을오염시키지않는, 즉정전압을이용한바이오필름제거방안을고안하여보아우리나라선박산업발전에도움을줄수있도록할것이다. 2. 탐구목적우리는선박표면에생겨속도감소, 장비파손, 중량증가의문제를발생시켜선박의기동력을감소 시키는등의다양한경제적손실을발생시키는바이오필름을정전기를이용해제거하는방법을고안 해다음과같은목적을이루고자한다 1. 기존의환경과인간에유해한영향을끼치는화학적제거방식을대체할친환경제거방법개발 2. 대기중에서간단한방법으로바이오필름을제거하는방법을연구해바이오필름으로인해발생하는 다양한경제적손실문제해결 3. 탐구내용및방법바이오필름생물막이라고도하며, 미생물또는생물에의해생성된막형태의구조물로, 일반적으로하나의구조체로서기능을수행할수있는수준의막이형성되었을때이를생물막이라고한다. 바이오필름은운동성을가지는미생물이먼저벽면에붙은뒤, 미생물들끼리접촉을해개체수를불려나간뒤, 일정개체이상이모이면최상층에서포자를생성해자신의자손을만든다. 전기장을이용한바이오필름제어방법 전기장을이용한바이오필름제어방법은제어기작에따라서정전기적반발작용을통한미생물 부착제어, 미생물의운동성을이용한제어, 직접산화반응을통한미생물불활성화, 바이오일렉트릭 1 STS
효과를이용한바이오필름불활성화등의네가지로나눌수있다. 정전기적반발작용은미생물이부착되어있는 ( 또는부착을방지하고싶은 ) 표면에수백마이크로암페어의미세전류를가해재료표면과미생물사이의반데르발스친화력보다정전기적반발력이더강해탈착이나부착방지가된다. 미생물운동성을이용한제어는직전의방법과는반대로미약한양전류를가해미생물이안정적으로부착한상태를유지하지못하고표면상에서무질서하게요동치게하여탈착시키는방법이다. 하지만수중미생물의부착을억제시키는목적으로는부적합한데, 양전류의흐름이끊김과동시에미생물이재부착되어원래의상태와비슷하게된다고한다. 직접산화반응을이용한반응은양전위를가해부착된미생물을불활성화시켜미생물의생리적기능을저하시키는방법이다. 이는미생물셀제거에는적합하지않은방법이나, 미생물이생물막단계까지성장하는것을억제시키는효과가있다. 마지막으로바이오일렉트릭전류를가해주면서소량의항생제를처리해완전히성장한생물막을제거하는방법인데, 자연의복합배양생물막에서는크게효과가없는것으로보고되었다. 각미생물종마다향균제종류와전류에반응하는정도가다르기때문이다. < 바이오필름배양법 > 바이오필름생성에영향을미치는요소는생성환경에서물의흐름, 양분, 매질등이있다. 그중실험에서가장중요하게생각하는요소두가지는물의흐름정도와양분의희석정도인데, 물의흐름정도는바이오필름에서전단력강도를변화시키고생물막두께와밀도를, 양분희석정도에따라바이오필름생성양이변화된다. 실험실에서는이를통제하여실험을진행한다. 먼저양분의희석정도를조절하는배양방법으로는처음주어진양분속에서배양하는회분배양, 계속양분을추가하는유가배양, 연속적으로양분을공급하면서동시에생성물을희석하는연속배양방법이존재한다. 전단력은주로매질을통해부여하는데, 한방향흐름, 회전, 좌우요동등의방식으로부여한다. 본실험에서는해수를가장잘시뮬레이션하기위하여연속배양법을활용하여매질에동적흐름을부여하고, 이를통해전단력을향상시킬것이다. 이는바이오필름제거에가장중요하게작용하는요소는바이오필름의전단력이라고판단하였기때문이다. 연속배양법을활용한 Drip flow system < 실험방법 > I. 선박표면시뮬레이션보다확실한고증을위해사고가났던선박의기종과그기종을구성하는재료를조사하여보았다. 세월호는자동차운반선인로로선을개종하여만든선박으로, 로로선은일반화물선과달리전복하기쉬운구조로, 1997년당시유엔 (UN) 의산하기관인국제해사기구 (IMO) 에서도이미위험성을지적하고있는것으로알려져왔다. 로로선을제작하는데주로사용되는강재는연강으로, 본실험에서유사한상황을시뮬레이션하기위하여이를이용해실험을진행할것이다. 또한선박용페인트도따로구비하여실제선박과비슷한방식으로도포하여볼것이다. 해양에서주로발견되는조류인해양갈조류중한종류를선택하여실험할것이고, 이의선박부착정도는표면의거칠기에좌 2 STS
우되기때문에이역시통제하여실험을진행하여볼것이다. 세부실험내용은다음과같다. 1. 선박제작용연강을 3cmx3cm 크기로동일한두께로잘라여러시료를준비한다. 각시료에페인트를동일한두께로도포한다. 2. 선박의부식을모식하기위하여표면을사포로간다. 이때사포의종류를다르게하여표면의마모정도를다르게하고, 표면을 SEM으로찍어보아거칠기의정도를비교한다. 3. 각시료표면에연속적으로양분을공급하면서동시에생성물을희석하는연속배양법을사용하여조류배양을진행할것이다. II. 선박표면의바이오필름제거효율비교실험 1) 화학약품을이용한기존의바이오필름제거방식기존에는바이오필름을제거하기위해서알칼리성세척제로먼저표면을세척한후, 산성세척제로표면을세척하여바이오필름을제거한다고한다. 이때알칼리성세척제는 3% Solujet 희석세척액을섭씨 75도로 30분간적용하고, 산성세척제는 3% Citrajet 희석세척액을같은방법으로적용한다고한다. 또한단백질분해효소와계면활성제를모두함유한 Tergazyme을적용하는방법도있는데, 1% 의희석비율로사용하며, 섭씨 50를넘지않는물에일반적으로사용한다 ( 효소의변성방지 ) 우리는이번실험에서각제거방법의바이오필름제거효율을분석하여보는것을목적으로하며, 추후에진행할정전압을이용한제거방법과접목방법도같이고려하는것을목적으로한다. 실험방법은다음과같다. (2) 세조각의페인트가칠해진면을각각사포로 50번, 10번, 0번갈아표면을마모시킨다. (4) 위의문단에서설명된각각의제거방법을적용하는데, 세척을하는과정에서는거즈등을이용해부드럽게, 같은횟수로닦아주면서제거된면적을계산하여제거효율을계산한다. 2) 정전압하에바이오필름을노출시킨후제거하는방식 (i) 정전기발생장치의제작우리는이번연구를통해서정전압을이용해바이오필름을제거하는방법의효율성을검증하는것을목표로하고있으며, 이에따라원하는전압의크기를가해줄수있는장치의제작이필요하다. 본실험에서는원하는전압의정전기를발생시키기위해반데그라프의정전기발생장치를제작하여사용할것이다. 이장치는정전유도를활용하여역방향으로도는두장의원판사이에서발생하는정전기를라이덴병으로유도해최대 12만볼트의직류고전압을발생시킬수있다. 정전기의전압은정전기발생장치의전압봉사이의거리에비례하는데, 거리가 1cm 떨어진상태에서방전이일어나면두극사이의전압은약 12000V~13000V이다. 개략적인구조는아래사진과같다. 이장치는고전압발생장치를구매한후세부부품은자체제작할것이다. 3 STS
(ii) 정전압하에서의바이오필름제거효율검증이실험의사용되는모든선박표면모델은특별한언급이나조건이없는경우 I. 의선박표면시뮬레이션실험과같은방법으로제작되며, 바이오필름의두께는특별한말이없으면 0.1mm로한다. (4) 세시료를방전봉사이의거리를 1cm로설정한전기장사이에놓은후 1분동안정전기에노출시킨다. (5) 정전기장처리가끝난조각들을거즈등을사용해가볍게 2~3회정도닦아내어보고, 바이오필름이사라진면적을계산하여효율을계산하여본다. (6) 방전봉사이의거리를 1.5cm, 2cm, 2.5cm 로변경하고, 각경우마다접촉시간을 1분, 3분, 5 3) 정전압을가해결합력을약화시킨후소량의화학약품만을이용하는방법이번실험은기존의화학약품을이용한제거방법과정전기처리를이용한제거방법을결합하여서정전기처리방법에들이는시간을절약할수있고, 또사용되는화학약품의양을줄여서효율성과환경보호측면에서균형을잡을수있는방법에대한탐구를목적으로한다. 세척방법은먼저화학약품을표면에칠한후약간의시간간격을두고, 정전기처리를하는방법과정전기처리를거친선박표면모형에화학약품을바른후제거를하는두가지방법을적용할것이며, 두방법중어느방법이더효율적인지비교하여본다. 실험 3-1. 화학약품처리후정전기처리 (4) 각조각에 3% Solujet 희석세척액을섭씨 75도로 30분간적용하고, 산성세척제는 3% Citrajet 희석세척액을같은방법으로적용한다. (5) 세시료를방전봉사이의거리를 1cm로설정한전기장사이에놓은후 1분동안정전기에노출시킨다. (6) 정전기장처리가끝난조각들을거즈등을사용해가볍게 2~3회정도닦아내어보고, 바이오필름이사라진면적을계산하여효율을계산하여본다. (7) 방전봉사이의거리를 1.5cm, 2cm, 2.5cm 로변경하고, 각경우마다접촉시간을 1분, 3분, 5 (8) Tergazyme도위와동일하게 1% 희석액으로처리하는데이때수온이 50도를넘지않도록하고, 6~7의과정을반복한다. 실험 3-2. 정전기처리후화학약품처리 4 STS
(4) 세시료를방전봉사이의거리를 1cm로설정한전기장사이에놓은후 1분동안정전기에노출시킨다. (5) 각조각에 3% Solujet 희석세척액을섭씨 75도로 30분간적용하고, 산성세척제는 3% Citrajet 희석세척액을같은방법으로적용한다. (6) 화학약품처리가끝난조각들을거즈등을사용해가볍게 2~3회정도닦아내어보고, 바이오필름이사라진면적을계산하여효율을계산하여본다. (7) 방전봉사이의거리를 1.5cm, 2cm, 2.5cm 로변경하고, 각경우마다접촉시간을 1분, 3분, 5 (8) Tergazyme도위와동일하게 1% 희석액으로처리하는데이때수온이 50도를넘지않도록하고, 6~7의과정을반복한다. 4. 예상되는결과이번실험에서정전기를이용한제거방법은기존의화학적제거방법과비슷하거나혹은약간뒤지기는하나실제상황에적용할수있을정도의효율을보일것이며, 또한기존화학적방법과의병행을통하여더욱효율적이고환경친화적인제거방법을고안해낼수있는것으로보인다. 이러한효과를이용해우리는다음과같은효과를얻을수있을것으로예상된다. 1. 기존바이오필름의제거방법이야기할수있는환경문제의해결 2. 생물막발생을제어방법을제공해생물막의기능연구및활용에편의제공 참고문헌 Control of Bacterial Adhesion and Biofilm Using Electric Field - Soojin Shim Choon Soo Kim Jeyong Yoon,School of Chemical and Biological Engineering, Seoul National University Biofilm modeling systems - Soo-Kyoung Kim and Joon-Hee Lee*,Department of Pharmacy, College of Pharmacy, Pusan National University, Busan 49241, Republic of Korea http://blog.naver.com/postview.nhn?blogid=alconoxkorea&logno=10184084476&parentcategor yno=&categoryno=29&viewdate=&isshowpopularposts=true&from=search < 제안서작성시유의해야할사항입니다.> 평가기준 독창성 : 기존지식의통합이나재구성이아닌새로운패러다임의내용인가? 과학적가치 : 제안된과제는과학적가치가있는가? 과학적근거 : 제안된과제는실현가능성이있는가? 유의사항 1. 제안서포맷 ( 양식 ) 은유지하되, 각항목별내용작성시칸간격은임의조정가능하며, 전체적으로 A4 용지 5 매이내로작성 ( 초과하지않도록정리 ) 2. 2~3 개월이내에완료할수있는탐구과제를설정제안 3. 탐구과제제안은 4 월 30 일 ( 월요일 ) 18:00 까지화탐홈페이지에업로드 ( 온라인접수만합니다 ) * 접수마감일은접속자폭주로업로드가지연될수있으니, 마감시간이내에업로드요망 (18:00 이후시스템에서자동업로드차단됨 ) 5 STS