이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법

이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법 {KIT FOR A DELAYED GENERATION OF CARBON DIOXIDE AND METHOD FOR A DELAYED GENERATION OF CARBON DIOXIDE USING THE SAME}

본 발명은 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래와 달리, 배지의 계면상에서 반응이 순차적으로 이루어짐으로써, 일정하게 장시간동안 안정적으로 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법에 관한 것이다.

현재 다양한 분야에서 이산화탄소를 필요로 하고 있으며, 이러한 이산화탄소를 안정적으로 공급하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.

이산화탄소 공급방법으로는 크게 2가지가 있는데, 고압 이산화탄소를 공급하는 방법은 위험성이 있을 뿐만 아니라, 비용이 비싼 문제가 있으며, 저압 이산화탄소를 공급하는 방법은 수중식물 등의 성장에 부적합한 문제가 있다.

또한, 화학반응에 의해 이산화탄소를 발생하는 방법의 경우, 초기 급격한 반응으로 인하여, 초기에 많은 이산화탄소가 발생하나, 단시간 경과 후에는 더 이상 이산화탄소가 발생되지 않는 문제가 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 수중식물 등의 성장에 적합하면서도, 안전하게 장시간동안 저렴한 비용으로 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 방법에 대한 기술개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래와 달리, 젤화된 당류를 배지로 하여, 배지 계면상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써, 500g 정도의 당류로 50일까지 이산화탄소를 지속적으로 발생시킬 수 있는 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 당류, 겔화제, 물 및 이스트를 최적의 조건 및 함량비율로 반응시킴으로써, 이산화탄소 발생량을 최적으로 조절하여 장시간 지속적인 발생이 가능한 것을 목적으로 한다.

또한, 종래와 달리, 당류 및 이스트 등의 물질을 이용함으로써, 반응공정이 안전할 뿐만 아니라, 비용 또한 현저히 저렴하게 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래 저압 이산화탄소와 달리, 수중식물의 성장에 효과적인 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 발효진행에 따라 배지가 서서히 용해됨으로써, 장기간 안정적으로 이산화탄소가 발생되며, 중단시 반응재개 또한 용이하여 효율적인 이산화탄소 공급방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 지연발생용 키트는 반응하여 이산화탄소를 발생시키기 위한 배지;를 포함하며, 상기 배지는 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나와 당류를 포함한다.

상기 배지 표면에 투입하기 위한 이스트(Yeast);를 더 포함하며, 상기 이스트는 상기 배지와 분리수납될 수 있고, 상기 배지 내부 및 표면에 투입하기 위한 물;을 더 포함하며, 상기 물은 상기 배지와 분리수납될 수 있다.

또한, 상기 배지는 겔 또는 젤 형태로 존재할 수 있으며, 상기 당류 100중량부에 대하여, 상기 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 1 내지 200중량부를 포함하며, 상기 당류 100중량부에 대하여, 상기 이스트는 0.1 내지 20중량부를 포함하고, 상기 당류 100부피부에 대하여, 상기 물은 10 내지 700부피부를 포함할 수 있다.

상기 당류는 단당류, 이당류 또는 소당류 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 단당류는 글리코알데히드, 글리세르알데히드, 디히드록시아세톤, 에리트로스, 에리트룰로오스, 리보스, 아라비노스, 자일로스, 마노스, 글루코스, 프룰토오스 또는 갈락토오스 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 이당류는 설탕(Sugar), 말토오스, 락토오스, 트레할로오스, 멜리비오스, 셀로비오스 또는 수크로오스 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 소당류는 라피노오스, 멜레치토스, 말토리오스, 스타키오스, 올리고당, 덱스트린 또는 스트로도우스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 로커스트콩검, 펙틴, 한천, 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 젤라틴, 카라기난, 카세인나트륨 또는 알긴산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 지연발생방법은, 당류 분말에 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합물에 물을 투입한 후 교반하여 상기 혼합물을 겔 또는 젤화시키는 교반단계; 및 상기 혼합물에 이스트 및 물을 투입하는 이스트 투입단계;를 포함한다.

상기 이스트 투입단계에서, 상기 겔 또는 젤화된 혼합물과 상기 물의 경계면에서 상기 이스트가 발효되어 이산화탄소를 발생시키며, 상기 교반단계는, 상기 혼합물에 상기 물을 상기 당류분말 100부피부에 대하여, 5 내지 500부피부 투입하는 물 투입단계; 상기 혼합물의 60 내지 100중량%가 상기 물에 용해될 때까지 교반하는 용해단계; 및 상기 혼합물을 10 내지 50시간동안 5 내지 50℃하에 보관하여 상기 혼합물의 겔 또는 젤화를 완성시키는 겔화 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 혼합단계에서, 상기 당류 분말 100중량부에 대하여, 상기 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 1 내지 200중량부를 포함하며, 상기 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 로커스트콩검, 펙틴, 한천, 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 젤라틴, 카라기난, 카세인나트륨 또는 알긴산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 혼합단계에서, 상기 당류 분말은 단당류, 이당류 또는 소당류 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 단당류는 글리코알데히드, 글리세르알데히드, 디히드록시아세톤, 에리트로스, 에리트룰로오스, 리보스, 아라비노스, 자일로스, 마노스, 글루코스, 프룰토오스 또는 갈락토오스 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 이당류는 설탕(Sugar), 말토오스, 락토오스, 트레할로오스, 멜리비오스, 셀로비오스 또는 수크로오스 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 소당류는 라피노오스, 멜레치토스, 말토리오스, 스타키오스, 올리고당, 덱스트린 또는 스트로도우스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 이스트 투입단계에서, 상기 이스트는 상기 당류 분말 100중량부에 대하여, 0.1 내지 20중량부를 포함하고, 상기 이스트 투입단계에서, 상기 물은 상기 당류 분말 100부피부에 대하여, 3 내지 300부피부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 교반단계의 물과 상기 이스트 투입단계의 물은 15 내지 50℃의 온도이며, 상기 이스트 투입단계의 온도는 15 내지 35℃일 수 있다.

상기 이스트 투입단계에서 상기 이산화탄소의 발생이 중단된 경우, 상기 이스트 투입단계에서 투입된 물을 제거한 후, 상기 이스트 투입단계를 재수행할 수 있다.

본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법에 따르면, 종래와 달리, 젤화된 당류를 배지로 하여, 배지 계면상에서 이스트와의 반응을 유도함으로써, 500g 정도의 당류로 50일까지 이산화탄소를 지속적으로 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 당류, 겔화제, 물 및 이스트를 최적의 조건 및 함량비율로 반응시킴으로써, 이산화탄소 발생량을 최적으로 조절하여 장시간 지속적인 발생이 가능한 장점이 있다.

또한, 종래와 달리, 당류 및 이스트 등의 물질을 이용함으로써, 반응공정이 안전할 뿐만 아니라, 비용 또한 현저히 저렴하게 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래 저압 이산화탄소와 달리, 수중식물의 성장에 효과적인 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 발효진행에 따라 배지가 서서히 용해됨으로써, 장기간 안정적으로 이산화탄소가 발생되며, 중단시 반응재개 또한 용이하여 효율적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트의 이산화탄소 발생과정을 나타낸 모식도
도 2는 본 발명의 이산화탄소 지연발생방법에 따라 발생된 이산화탄소의 수족관 내의 주입실험에서, 수족관 내의 pH 변화를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 이산화탄소 지연발생방법에 따라 발생된 이산화탄소의 수족관 내의 주입실험에서, 수족관 내의 이산화탄소의 함유량 변화를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 이산화탄소 지연발생방법에서 물과 젤화된 혼합물의 경계층에서 반응이 일어나 이산화탄소가 발생되는 것을 촬영한 사진
도 5는 본 발명의 이산화탄소 지연발생방법을 순차적으로 나타낸 순서도

이하, 본 발명에 의한 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트는, 반응하여 이산화탄소를 발생시키기 위한 배지(10);를 포함하며, 상기 배지(10)는 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나(12)와 당류(11)를 포함한다.

배지(10)는 계면반응을 위한 핵심구성으로, 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나(12)와 당류(11)가 고르게 혼합되어 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 당류 100중량부에 대하여, 상기 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 1 내지 200중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 내지 100중량부, 가장 바람직하게는 40 내지 70중량부인 것이 효과적이다. 1중량부 미만인 경우에는 젤화 또는 겔화된 배지를 제조하는 것이 불가능하여, 계면반응이 일어나지 않고 전부 반응이 진행되어 발생지속시간이 매우 짧은 문제가 있으며, 200중량부를 초과하는 경우에는 계면상에 반응에 필요한 임계값의 당류가 존재하지 않아 계면연속반응이 진행될 수 없는 문제가 있다.

여기서, 당류(11)는 단당류, 이당류 또는 소당류 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 단당류는 글리코알데히드, 글리세르알데히드, 디히드록시아세톤, 에리트로스, 에리트룰로오스, 리보스, 아라비노스, 자일로스, 마노스, 글루코스, 프룰토오스 또는 갈락토오스 중 적어도 하나를 포함하며,상기 이당류는 설탕(Sugar), 말토오스, 락토오스, 트레할로오스, 멜리비오스, 셀로비오스 또는 수크로오스 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 소당류는 라피노오스, 멜레치토스, 말토리오스, 스타키오스, 올리고당, 덱스트린 또는 스트로도우스 중 적어도 하나를 포함하는 것이 효과적이다. 이들은 본 발명의 이산화탄소 발생을 위한 겔 또는 젤 상태의 당류의 계면반응을 극대화시킬 수 있는 물질들로 수차례의 실험을 통해 도출되었다.

겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나(12)는 로커스트콩검, 펙틴, 한천, 잔탄검, 구아검, 아라비아검, 젤라틴, 카라기난, 카세인나트륨 또는 알긴산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이들 겔 또는 젤화제는 당류의 겔화 또는 젤화 반응을 용이한 방법으로 가능하게 할 뿐만 아니라, 계면반응을 효율적으로 수행할 수 있는 최적화된 물질로 도출된 것이다.

배지(10)는 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나(12)와 당류(11)에 물을 넣어 교반함으로써, 겔 또는 젤 형태로 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배지(10)의 표면에 투입하기 위한 이스트(Yeast)(20);를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 이스트(20)는 배지(10)와의 계면발효반응을 일으킴으로써, 이산화탄소를 발생시키는 역할을 한다. 그 반응기작의 예는 다음과 같다.

C ₆ H ₁₂ O ₆ -> 2C ₂ H ₅ OH + 2CO ₂ + 2ATP

또한, 이스트(20)는 배지(10)와 혼합되어 존재하는 경우, 계면반응이 아닌 전부 반응이 일어나게 되므로, 반드시 배지(10)가 겔 또는 젤화된 이후에 배지(10) 표면에 투입되어 계면반응이 일어나도록 배지(10)와 분리수납되는 것이 바람직하다.

이스트(20)는 당류(10) 100중량부에 대하여, 0.1 내지 20중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10중량부, 가장 바람직하게는 4 내지 7중량부인 것이 효과적이다. 0.1중량부 미만인 경우에는 연속적인 이산화탄소 발생반응이 일어나기 어려우며, 20중량부를 초과하는 경우에는 오히려 부분적으로 반응을 저해하거나 과반응이 일어날 수 있는 문제가 있다.

여기에, 배지 내부 및 표면에 투입하기 위한 물(30)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 배지(10)의 겔 또는 젤화반응을 위해 배지(10)에 물을 혼합하는 것이 바람직하며, 배지(10)의 표면에 물을 투입하여, 물(30)과 배지(10)의 계면에서 이스트(20)와 반응을 유도하는 것이 바람직하다.

물(30)이 배지(10)와 혼합되어 존재하는 경우, 교반으로 고르게 겔 또는 젤화되지 않고, 바로 일부 배지(10)의 영역이 겔 또는 젤화되고, 보관이 어려운 문제가 있다. 따라서, 반드시 배지(10)가 겔 또는 젤화된 이후에 배지(10) 표면에 투입되어 계면반응이 일어나도록 배지(10) 및 이스트(20)와 분리수납되는 것이 바람직하다.

상기 물(30)은 당류 100부피부에 대하여, 10 내지 700부피부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100 내지 500부피부, 가장 바람직하게는 200 내지 300부피부를 포함하는 것이 효과적이다. 10부피부 미만인 경우에는 혼합물의 겔 또는 젤화가 충분히 이루어지지 못 할뿐만 아니라, 혼합물과 이스트간의 반응이 일어나지 않는 문제가 있으며, 700부피부를 초과하는 경우에는 혼합물의 계면형성이 어려울 뿐만 아니라, 빠른 용해로 이산화탄소의 과발생이 일어나는 문제가 있다.

다음으로, 본 발명의 이산화탄소 지연발생방법은, 도 5에 나타난 바와 같이, 혼합단계(S10), 교반단계(S20) 및 이스트 투입단계(S30)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 혼합단계(S10)는 당류 분말에 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다. 이는 당류 분말과 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나를 고르게 혼합시키기 위한 공정이다.

여기서, 당류 분말과 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나는 상기 본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트에 기재된 바와 같으며, 그 함량비율 또한 동일하다.

교반단계(S20)는 상기 혼합물에 물을 투입한 후 교반하여 상기 혼합물을 겔 또는 젤화시키는 단계이다. 이는 본 발명의 핵심요소인 계면연속반응을 구현하기 위해 혼합물을 겔화 또는 젤화시키는 공정이다.

교반단계(S20)는, 물 투입단계(S21), 용해단계(S22) 및 젤화 단계(S23)을 포함하여 이루어진다.

물 투입단계(S21)는 상기 혼합물에 상기 물을 투입하는 단계이다. 물과 당류분말의 함량비율은 당류분말 100부피부에 대하여, 물은 5 내지 500부피부를 투입하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 내지 300부피부, 가장 바람직하게는 100 내지 200부피부를 포함하는 것이 효과적이다. 5부피부 미만인 경우에는 혼합물의 겔 또는 젤화가 이루어지기 어려우며, 500부피부를 초과하는 경우에는 겔 또는 젤 상태로 유지되지 못하고 용액상태로 존재하게 되어 지연반응을 위한 계면을 형성하기 어려운 문제가 있다.

용해단계(S22)는 상기 혼합물이 상기 물에 용해될 때까지 교반하는 단계이다. 혼합물의 60 내지 100중량%가 물에 용해될 때까지 교반하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 혼합물의 70 내지 100중량%, 가장 바람직하게는 85 내지 100중량%가 물에 용해될 때까지 교반하는 것이 효과적이다. 60중량% 미만인 경우에는 고르게 혼합물의 겔화 또는 젤화가 이루어지지 않아, 이스트와 계면상에서 지속적인 반응이 일어나기 어려운 문제가 있다.

젤화 단계(S23)는 혼합물을 10 내지 50시간동안 5 내지 50℃하에 보관하여 상기 혼합물의 겔 또는 젤화를 완성시키는 단계이다. 그 보관조건은 10 내지 30시간동안 10 내지 30℃에 보관하는 것이 더 바람직하며, 가장 바람직하게는, 10 내지 15시간동안 15 내지 28℃에 보관하는 것이 효과저깅다. 10시간 미만이거나 5℃ 미만에서는 겔 또는 젤화가 충분히 진행되기 어려우며, 50시간을 초과하거나 50℃를 초과하는 경우에는 오히려 반응성이 떨어질 뿐만 아니라, 겔 또는 젤화의 진행이 빨라 일부 영역에 뭉치는 현상이 발생하여, 고르게 혼합물이 겔 또는 젤화될 수 없는 문제가 있다.

마지막으로, 이스트 투입단계(S30)는 상기 혼합물에 이스트 및 물을 투입하는 단계이다. 이는 물과 겔 또는 젤화된 혼합물의 경계면에서 이스트 발효반응이 연속적으로 일정하게 일어나게 하기 위한 공정이다.

여기서, 이스트와 당류간 함량비율은 상기 본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트에서 언급한 바와 같으며, 물은 상기 당류 분말 100부피부에 대하여, 3 내지 300부피부를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 6 내지 200부피부, 가장 바람직하게는 10 내지 100부피부인 것이 효과적이다. 3부피부 미만인 경우에는 혼합물과 이스트간의 이산화탄소 발생반응이 일어나지 않으며, 300중량부를 초과하는 경우에는 빠른 용해로 인하여 이산화탄소의 과발생이 일어나는 문제가 있다.

이스트 투입단계(S30)에서의 온도는 15 내지 35℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20 내지 32℃, 가장 바람직하게는 23 내지 28℃인 것이 효과적이다. 15℃ 미만인 경우에는 이산화탄소의 발생반응이 일어나지 못하며, 35℃를 초과하는 경우에는 빠른 반응진행으로 이산화탄소가 과발생될 뿐만 아니라, 발생시간이 현저히 짧아지는 문제가 있다.

또한, 이스트 투입단계(S30)에서, 이스트와 물이 혼합물에 투입되면, 겔 또는 젤화된 혼합물과 상기 물의 경계면에서 상기 이스트가 발효되어 이산화탄소가 발생된다. 이러한 발효반응은 경계면 상에서만 연속적으로 발생하게 됨으로써, 보다 안정적으로 장시간동안 일정양의 이산화탄소를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

교반단계(S20)의 물과 이스트 투입단계(S30)의 물은 15 내지 50℃의 온도인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20 내지 45℃, 가장 바람직하게는 30 내지 40℃인 것이 효과적이다. 15℃ 미만인 경우에는 이산화탄소의 발생반응이 일어나지 못하며, 50℃를 초과하는 경우에는 빠른 반응진행으로 이산화탄소가 과발생될 뿐만 아니라, 발생시간이 현저히 짧아지는 문제가 있다.

이스트 투입단계(S30)에서 이산화탄소의 발생이 중단된 경우, 이스트 투입단계(S30)에서 투입된 물을 제거한 후, 이스트 투입단계(S30)를 재수행하면, 겔 또는 젤화된 혼합물이 완전히 소모될 때까지 다시 이산화탄소의 지속적인 발생이 가능하다.

본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법은 안전하고 지속적인 이산화탄소 발생이 필요한 어떠한 분야에도 사용할 수 있으나, 특히, 수족관 등에서 수중식물의 재배를 위한 이산화탄소 공급에 매우 효과적이다.

본 발명의 이산화탄소 지연발생용 키트 및 이를 이용한 이산화탄소 지연발생방법에 따른 수족관 내의 환경변화를 측정한 실험결과는 다음과 같다.

먼저, 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 이산화탄소가 발생하기 시작한 지 48시간 후에, 수족관 내의 pH는 초기 6.0에서 5.7로 변화함을 알 수 있으며, 도 3에 나타난 바와 같이, 수족관 내의 물의 함량 1L안에 포함된 이산화탄소의 양(mg)은 본 발명에 의한 이산화탄소 발생 전 7.0mg/L에서 발생 48시간 후에 28.0mg/L로 4배가량 증가함을 알 수 있다. 또한, 이 그래프들이 직선 형태로 나타나는 것으로 보아 이산화탄소 발생이 일정하게 지속적으로 이루어짐을 확인하였다.

또한, 도 1의 경계반응층(40)에서 반응이 이루어져, 이산화탄소가 발생하는 것을 도 4에 나타난 바와 같이, 실제 실험에서 확인할 수 있었다.

따라서, 본 실험결과에 의해, 본 발명에 의한 이산화탄소 발생이 충분히 지속적으로 이루어지며, 그로 인해 수중식물의 재배에 매우 효과적으로 사용될 수 있음이 충분히 입증되었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

10: 배지
11: 당류
12: 겔화제 또는 젤화제 중 적어도 하나
20: 이스트
30: 물
40: 반응계면
50: 이산화탄소