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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.3 pp.145-151
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.3.145

Development of a Small Ozone Water Making Device using an Air Vortex Tube

Seong-Wan Kim1,4, Tae-Hoon Lee1,4, Suk Kim2,3, Han-Sul Yang1,2,4, Hong-Hee Chang2,4*
1Division of Applied Life Science(BK21 plus), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
3Department of Veterinary Medicine, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
4Department of Animal Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
November 13, 2017 January 26, 2018 January 31, 2018

Abstract


This study is carried out to develop an ozonated water generator using vortex tube to sanitarily process the meat by-products of beef and pork. The most influential factor when generating ozone is the temperature of raw air, which determines the concentration level of ozone in water. This study utilizes vortex tube as a way to control the temperature of the raw air flowing into the generator. The result of performance test shows that the compatible conditions are: 3~5bar of air pressure exhausted from a compressor; 40~80% of cold air from vortex tube; 0.0~0.4bar of cold air pressure; and 28.2℃ of ambient temperature(p<0.05). The optimal condition is 4bar of air pressure exhausted from a compressor; 40% of cold air from vortex tube; and 0.3bar of cold air pressure. The device generates over 0.45ppm of ozonated water under the optimal condition with 35℃ of ambient temperature. In short, the generator with vortex tube has proven for great performance under a very warm summer seasons.



볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 개발

김성완1,4, 이태훈1,4, 김석2,3, 양한술1,2,4, 장홍희2,4*

1경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus)
2경상대학교 부속 농업생명과학연구원
3경상대학교 수의학과
4경상대학교 축산학과

초록


본 연구는 소와 돼지 식육부산물의 위생처리를 위한 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치를 개발 하기 위해 수행되었다. 오존가스발생에 있어서 가장 중요한 인자는 원료공기의 온도이며, 위생처리를 위한 오존수 내 오존농도에 크게 영향을 미친다. 이러한 이유 때문에 오존발생기로 유입되는 원료공기 의 온도를 낮추기 위해 볼텍스 튜브가 이용되었다. 성능평가의 결과에 의하면, 공기압축기의 배출공기 압력 3~5bar, 볼텍스 튜브의 냉기비율 40~80%와 냉각공기의 압력 0.0~0.4bar가 28.2℃의 주변 공기 온도 하에서 볼텍스 튜브의 냉각공기의 온도에 교호적으로 작용하는 것으로 나타났으며(p<0.05), 최적 조건은 공기압축기의 배출공기 압력 4bar, 볼텍스 튜브의 냉기비율 40%, 냉각공기의 압력 0.3bar이었 다. 최적조건과 주변 공기온도 35℃ 하에서 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 성능을 평가한 결과에 의하면, 오존수 내 오존농도가 0.43ppm 이상이었다. 따라서 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 성능이 우수하여 여름철 악조건 하에서도 이용이 가능한 것으로 판단된다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    115056-02-2-SB010

    서론

    경제수준 향상과 식생활의 서구화로 인해 국민 1인당 축산물 소비량이 매년 증가함에 따라 소와 돼 지의 식육부산물의 생산량이 증가하고 있다. 2015년 기준 우리나라의 한 해 소와 돼지의 도축 두수에 따 라 생산된 식육부산물이 소 253천 톤, 돼지 365천 톤에 이른다(MAFRA, 2015).

    식육부산물이란 정육 외의 내장, 머리, 다리, 꼬 리, 뼈 및 혈액 등과 같은 식용이 가능한 부분을 말 한다. 하지만 식육부산물은 정육에 비해 글라이코젠, 철분 및 고도불포화지방산 등이 다량 함유되어 쉽 게 산화되고 부패가 쉽다(Bragagnolo, 2011). 또한 혈액과 분변 등에 노출되면서 E. coli, Salmonella typhymuriumStaphylococcus aureus 등과 같 은 병원성 미생물의 출현이 일반 적색육보다 높은 빈도를 보인다(FSIS, 1994;1996). 그러므로 식육부 산물은 정육과 동일한 과정으로 세척과 위생처리 될 경우 정육에 비해 위생 및 안정성의 측면에서 위험 성이 높다.

    현재 도축장에서 이용되는 식육부산물의 살균· 소독법은 염소계 소독제와 오존수를 이용하는 2가 지 방법이 있다(MAFRA, 2014). 대부분 염소계 소 독제를 사용하고 있지만, 염소계 소독제는 이미 (off-taste)와 이취(off-flavor)를 일으키며, 소독과 정에서 생성되는 총 트리할로메탄(Trihalomethane) 은 발암물질로 분류되어 환경과 건강에 악영향을 미 치는 것으로 알려져 있다(Gopal et al., 2007).

    반면 오존(O3)은 염소에 비해 1.5배 이상 살균력 이 강한 것으로 알려져 있으며(Ramseier, 2010), 오존의 살균메커니즘은 강력한 산화력을 바탕으로 세포벽 등의 원형질을 직접 파괴하고 바이러스의 경 우 RNA 또는 DNA를 절단하여 손상시켜 불활성화 한다(Nebel, 1981). 이러한 특징을 식육부산물 소독 에 접목시킬 경우, 0.4ppm 이상의 농도에서 4분 간 접촉 시 식육부산물 내 병원성 세균을 99% 불활성 화(살균) 시킬 수 있다(Richard & Conan, 1980).

    오존은 공기 중에서 약 12시간의 안정된 반감기를 갖는 반면 수중에서는 불안정하여 20℃의 증류수 내 에서의 반감기가 약 3시간이며, 이 또한 온도가 높 아지거나 수중에 피산화물질(환원성물질)이 존재하 면 더욱 짧아진다(Boilyky, 1981). 그러므로 오존의 특성을 활용한 오존수 처리 시스템에서 가장 필수적 인 것은 온도제어다.

    무성방전식 오존발생기의 원리는 Fig 1과 같다. 그러므로 무성방전으로 인해 발생하는 열에너지로 오존발생기 내부의 온도 상승이 불가피하다(Rice et al., 1981). 특히 여름철에 온도가 30℃ 이상으로 높아짐에 따라 원료공기의 온도가 높아져 0.4ppm 이상의 오존수를 생성하는데 어려움이 있다. 그러 므로 오존발생기의 온도 상승을 방지하고 원료공기 의 온도를 낮추는 등의 대책이 필요하다(Yershov et al., 2009).

    주로 원료공기를 냉각하는 장치 없이 오존발생장 치와 인젝터(Injector) 만을 이용하여 오존수를 제조 하는 방법(An et al., 2012;Shin, 2014)들이 사용 되고 있는 실정이기 때문에 오존수 내 오존농도를 높이기 위해서는 원료공기를 냉각할 수 있는 장치가 포함되어야 할 필요가 있다.

    그 대책 중의 하나는 공기냉각기의 종류인 볼텍스 튜브(Vortex tube)를 이용하는 것이다. 이미 다방면 의 산업분야에서 공기의 냉각처리에 활용하는 볼텍 스 튜브는 별도의 동력장치 없이 압축된 고압의 원 료공기를 100만 RPM(Revolutions Per Minute) 이 상의 고속회전을 통해 고온 공기와 저온 공기로 분 리하여 저온 공기를 냉각에 이용할 수 있도록 하는 장치이다(Xue et al., 2010).

    따라서 본 연구는 볼텍스 튜브를 활용하여 냉각한 공기를 오존발생기로 유입시켜 고농도의 오존가스를 생성하여 소독효과가 있는 0.4ppm 이상의 오존수를 제조하기 위한 오존수 제조 장치를 개발하고 이에 대한 성능을 평가하기 위하여 수행되었다.

    재료 및 방법

    1. 실험장치의 구성

    본 실험에 사용된 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 개략도는 Fig. 2, 3와 같다. 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치는 공기압축기(Air Land 3.5, Seowon compressor, Korea), 공기압력 조절기(UFR300-10, YPC, Korea), 볼텍스 튜브(JW 408-08, Joowon H&C, Korea), 제습기(302V, PARKER, USA), 고압변압기(EnD226-15020, Daehantrans CO., LTD, Korea), 4대의 오존발생기(SYS-6600, Samyang Systems, Korea), 에어스톤(DY103-B, Daeyang, Korea), 그리고 대형 수조 등으로 구성하였다. 이들 에 주요 사양은 Table 1과 같다. 볼텍스 튜브를 통 해 배출되는 냉각공기 중 일부는 오존가스를 제조하 기 위하여 오존발생기로 유입시켰으며, 나머지는 오 존발생기를 냉각시키기 위하여 오존발생기의 표면에 분사하였다(Fig. 2, Fig. 3).

    볼텍스 튜브를 통해 배출되는 냉각공기 중에서 오존발생기로 유입되는 공기의 유량은 공기유량계 (Rate-Master, DWYER, Korea)를 이용하여 측정 하였다. 볼텍스 튜브를 통해 배출되는 냉각공기의 온도는 디지털온도계(SDT8Q, Summit, Korea)를 이용하여 측정하였다. 오존수 내 오존농도는 유리잔 류염소시약(Chlorine Free DPD Reagent, Eutech, Singapore)과 용존오존측정기(C105, Eutech, Singapore) 를 이용하여 측정하였다.

    2. 실험방법

    1차 실험은 공기압축기에서 배출되는 공기의 압 력, 볼텍스 튜브의 냉기비율, 그리고 볼텍스 튜브에 서 배출되는 냉각공기의 압력이 볼텍스 튜브에서 배 출되는 냉각공기의 온도에 미치는 영향을 규명하고 분석함으로써 냉각공기를 효율적으로 만들 수 있는 최적조건을 찾기 위하여 수행하였다. 다시 말해서, 공기압축기에서 배출되는 공기의 압력은 3, 4, 5bar 의 3수준으로, 볼텍스 튜브의 냉기비율은 40, 60, 80%의 3수준으로, 그리고 볼텍스 튜브에서 배출되 는 냉각공기의 압력(=오존발생기로 유입되는 냉각공 기의 압력)은 0.0, 0.2, 0.3, 0.4bar의 4수준으로 실험설계를 하였으며, 처리별로 3반복하여 실험하였 다. 이때 공기온도는 28.2℃였다.

    2차 실험은 1차 실험을 통해 규명한 최적조건 하 에서 주변 공기온도를 15, 25, 35℃의 3수준으로 조 성하여 100L의 오존수를 제조하였을 때 오존수 내 오존농도를 측정함으로써 여름 악조건 하에서 목표 오존농도를 만족하는 오존수를 제조할 수 있는 성능 을 갖추었는지를 규명하기 위하여 수행하였으며, 처 리별로 3반복하여 실험하였다.

    3. 통계분석

    실험에서 얻어진 모든 자료는 SAS(Statistical analysis system, Cary, NC, USA, 2014)의 GLM (General linear model)을 이용하여 분석하였으며, 처리 평균 간의 차이를 비교하기 위하여 Duncan의 Multiple range test를 이용하였다.

    결과 및 고찰

    1 공기압력, 냉기비율 및 냉각공기압력이 볼텍스 튜 브의 냉각공기의 온도에 미치는 영향

    공기압축기의 배출압력, 볼텍스 튜브의 냉기비율 및 냉각공기압력이 냉각공기의 온도에 미치는 영향 을 평가한 결과는 Table 2와 같다. 그리고 이들에 요인에 대한 분산분석 결과는 Table 3과 같다.

    볼텍스 튜브를 통해 효율적으로 냉각공기를 분 리하기 위해서는 볼텍스 튜브로 유입되는 공기의 각속도를 높게 조성하여야한다. 이를 조성하기 위 해 공기압축기의 배출압력과 볼텍스 튜브의 냉기 비율을 조절하여 낮은 온도의 냉각공기를 분리한 다(Aljuwayhel et al., 2005).

    각 요인들에 대한 분산분석 결과에 의하면 (Table3), 교호작용 EAP * CAP(p<0.05), CF * CAP(p<0.05) 및 EAP * CF * CAP(p<0.05)가 유의 하기 때문에 각 요인의 주효과를 분석하는 것은 의 미가 없다. 따라서 공기압축기의 배출압력, 볼텍스 튜브의 냉기비율 그리고 냉각공기압력에 대한 최적 조건은 각 요인들의 조합수준을 모두 비교해서 결정 해야 한다. 또한 오존발생기로 냉각공기가 유입되기 위해서는 일정 수준의 압력을 가져야 하고, 물탱크 에 있는 물에 오존가스를 주입하기 위해서도 일정 수 준의 압력을 가져야 한다. 이에 따라 Table 2에 있는 볼텍스 튜브에서 배출되는 냉각공기의 온도 값 중에 서 볼텍스 튜브의 냉각공기압력이 0.0bar에 해당되는 값을 배제하고 난 나머지 값들에 중에 가장 낮은 값 이 포함되어 있는 조건이 바로 최적조건이 된다. 따 라서 압축공기의 압력 4bar일 때, 냉기비율 40%의 볼텍스 튜브를 통해 냉각된 냉각공기가 0.3bar의 압 력으로 오존발생기로 공급되는 세 가지 조건이 모두 충족되었을 때, 오존농도 0.4ppm 이상의 오존수를 충분히 생성할 수 있을 것으로 판단된다.

    2. 최적조건 하에서 오존수 제조 결과

    최적조건인 압축공기의 배출압력 4bar, 볼텍스 튜 브의 냉기비율 40%, 그리고 오존발생기로 유입되는 냉각공기압력 0.3bar 조건 하에 주변 공기온도 15, 25, 35℃에 따른 오존수 제조 결과는 Table 4와 같 다. 오존수 내 오존농도는 0.43~1.4ppm였다. 특히 이들 중에서 주변 공기온도가 35℃이고 오존수 제조 시작 30분 후의 오존수 내 오존농도가 0.72ppm였다.

    각종 세균 및 바이러스 등과 같은 미생물을 6초 이내에 99% 불활성화를 위생처리의 기준으로 삼는 다면, 0.3ppm 정도의 잔류 오존 농도가 요구된다 (Bunch, 1980;Foster et al., 1980;Richard & Conan, 1980;Boyce et al., 1981). 또한 세계보건 기구(WHO)와 프랑스 공중위생국의 오존 소독 기준 에 의하면, 0.4ppm 이상의 농도에서 최소 4분간 유 지해야 한다(Rice, 1985). 따라서 오존수 내 오존농 도는 0.4ppm 이상 그리고 침지시간은 최소 4분으 로 위생처리 조건을 설정하면 된다. 즉 오존수 내 목표 오존농도는 0.4ppm 이상이 된다.

    모든 실험 조건에서 Table 4와 같이 오존수 내 목표 오존농도인 0.4ppm 이상으로 나타난 바, 볼텍 스 튜브를 이용하여 10분 이상 오존가스를 생성하여 오존수를 제조한다면 35℃ 정도의 여름철에서도 효 과적인 소독이 가능한 오존수를 제조할 수 있는 것 으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 농림축산식품부 농림수산식품기술기획 평가원의 연구개발과제(Project No. 115056-02-2- SB010) 지원에 의해 이루어진 것입니다.

    Figure

    JALS-52-145_F1.gif

    A diagram of ozone generation by silent discharge method.

    JALS-52-145_F2.gif

    A diagram of an ozone water making device using an air vortex tube.

    JALS-52-145_F3.gif

    A photograph of an ozone water making device using an air vortex tube.

    Table

    Specifications of main composition of an ozonated water generator

    Results of conditions among exhausted air pressure from a compressor; cold fraction of the vortex tube; cold air pressure of the tube; and cold air temperature of the tube under 28.2℃ of ambient temperature

    Results of a three-way ANOVA(analysis of variance) for the exhausted air pressure of air compressor and the cold fraction and cold air pressure of air vortex tube

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