KR20240118013A - 친환경 단열재로 이용할 수 있는 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법; 상기 방법으로 제조된 다양한 밀도를 갖는 버섯균사체 기반 복합체 및 이의 친환경 단열재로서의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 버섯균사체 기반 복합체 제조방법은 배지의 구성성분으로 왕겨와 쌀튀밥의 비율을 다양하게 설정하여 균사체를 단순히 배양하는 과정을 통해, 쉽고 간편하게 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체를 제조할 수 있다. 상기 방법을 통해 제조된 다양한 밀도를 갖는 본 발명의 버섯균사체 기반 복합체는 친환경 단열재로 사용 가능하며, 스티로폼과 같은 발포수지의 대용품으로서 환경친화적이며, 인체에 무해하고, 자연상태에서 생분해 가능한 이점을 갖는다. 특히, 버섯균사체는 큰 설비 없이도 쉽고 빠르게 생산할 수 있는바, 이를 원료로 하는 버섯균사체 기반 친환경 단열재는 단가를 낮출 수 있어 가격 경쟁력에 있어서도 우수하다.
Description
본 발명은 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법; 상기 방법으로 제조된 다양한 밀도를 갖는 버섯균사체 기반 복합체; 및 이의 친환경 단열재로서의 용도에 관한 것이다.
단열재란 안밖의 온도차가 큰 건물을 건축할 때 외벽과 내벽사이에 넣어 시공하는 건축자재로서, 건물에서 냉·난방 에너지 소비량을 절감시키는 중요한 요소이다. 일반적으로 발포단열재로 사용하는 대표적인 예로서 스티로폼을 들 수 있다. 스티로폼은 단열재로서 가격이 싸고 가벼워서 운반하기가 편리한 장점이 있으며, 건축용 단열자재나 포장용 박스 등등으로 다양하게 사용되고 있다.
그런데 이러한 스티로폼은 수지발포재인 까닭에 친환경적인 자재가 아니며, 강도에 약하여 단독으로 사용할 수 없는 실정이며 소금물이나 햇볕에 약하여서 쉽게 부식될 수 있다. 또 파손 등으로 인해 발생된 스티로폼 부스러기는 주변환경의 미관을 해침과 아울러 바다로 흘러가서 해수 오염도 일으키는 요인으로 작용하므로, 근래에 들어서는 바다에서의 사용이 규제되고 있다. 또한, 스티로폼은 생산하는 과정이나 폐기물 처리하는 과정에서도 각종 환경오염 물질을 야기할 수 있다. 스티로폼 폐기물은 땅속에 묻어도 수 십년 간을 썩지 않고 그대로 있어 환경오염을 유발하므로 대부분이 소각을 통해 폐기 처리하고 있다.
상기와 같은 종래 단열재의 문제점을 극복하기 위한 방안으로, 최근 친환경 건축 트렌드에 따라 버섯, 나무, 그리고 폐종이를 재활용한 기능성 단열재가 주목받고 있다.
한편, 버섯균사체는 굵기는 가늘지만 길이가 긴 사슬형태를 띠는데, 세포의 핵이 1개인 상태에서 마찬가지로 핵이 1개인 다른 균사를 만나면 서로 세포벽을 융합시키며 핵이 2개인 새로운 균사를 이룬다. 이 과정이 여러 균사에 의해 무수히 반복되면, 셀 수 없이 많은 균사가 촘촘하게 3차원으로 결합하고 엉킨 복잡한 구조물이 된다. 이렇게 형성된 구조물은 마치 가는 실로 물건을 칭칭 감아놓은 것 같아서, 상상 이상으로 조밀하고 단단하며 플라스틱과 비교해도 떨어지지 않는 강도를 지닌 중합체를 만들 수 있다.
본 발명에서는 다양한 밀도를 갖는 버섯균사체 기반의 친환경 단열재를 개발하고자 하였으며, 그 결과 쌀튀밥 및 왕겨를 배지 성분으로 활용하여 버섯균사체를 배양하는 경우 다양한 밀도를 갖는 버섯균사체 기반의 친환경 단열재 제조가 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 방법을 통해 제조된 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 버섯균사체 기반 복합체를 이용한 친환경 단열재를 제공한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은 a) 왕겨와 미강을 포함하는 기본배지에 액상 배양된 버섯균사체를 접종하여 1차 배양하는 단계; b) 1차 배양물을 분쇄한 후 쌀튀밥과 펄라이트를 첨가 혼합한 다음 배양 용기에 담아 2차 배양하는 단계; 및c) 2차 배양물을 건조하는 단계를 포함하는, 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계에서 배지는 왕겨와 미강을 8 : 2의 부피비로 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 쌀튀밥은 기본배지에 대하여 1:4 내지 4:1의 부피비로 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은 방법으로 제조된 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 버섯균사체 기반 복합체를 포함하는 친환경 단열재를 제공한다.
본 발명의 버섯균사체 기반 복합체 제조방법은 배지의 구성성분으로 왕겨와 쌀튀밥의 비율을 다양하게 설정하여 균사체를 단순히 배양하는 과정을 통해, 쉽고 간편하게 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체를 제조할 수 있다. 상기 방법을 통해 제조된 다양한 밀도를 갖는 본 발명의 버섯균사체 기반 복합체는 친환경 단열재로 사용 가능하며, 스티로폼과 같은 발포수지의 대용품으로서 환경친화적이며, 인체에 무해하고, 자연상태에서 생분해 가능한 이점을 갖는다. 특히, 버섯균사체는 큰 설비 없이도 쉽고 빠르게 생산할 수 있는바, 이를 원료로 하는 버섯균사체 기반 친환경 단열재는 단가를 낮출 수 있어 가격 경쟁력에 있어서도 우수하다.
도 1은 영률(Young’s modulus)-밀도(density)를 기준으로 한 소재 분류 차트(Material properties chart, 출처: CES EduPack 2019, ANSYS Granta ⓒ 2020 Granta Design)를 나타낸다.
본 발명은 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 ‘버섯균사체(mycelium)’란 버섯이 생존하기 위해 영양을 흡수하는 기관을 의미한다. 버섯류는 영양기관인 균사체(菌絲體)와 번식기관인 포자를 지닌 자실체(子實體)로 되어 있는데, 균사체는 일반 식물에 비한하면 뿌리/줄기/잎에 해당되며, 자실체는 꽃에 해당된다.
버섯균사체의 세포벽은 키틴(chitin)과 β-1,3 글루칸(β-1,3 glucan)의 미세섬유들이 직조된 멤브레인 위에 다당류(α-1,3-글루칸) 및 당단백질(주로 mannan 혹은 galactomannoproteins)들이 비정질 겔형 매트릭스가 연결되어 있는 구조를 가지고 있다. 키틴과 β-1,3 글루칸은 세포벽의 구조를 유지하는 요소 성분으로 특히, 키틴은 균사섬유의 기계적인 강성에 있어 매우 중요한 성분이다.
생장 중에 있는 버섯 균사는 양분 지양성을 가지며, 끝단을 팽창하면서 영양분을 섭취, 생장한다. 균사의 팽창 후에는 세포벽에서 선단이 형성되어 분지가 발생할 수 있으며, 연속적이고 특징적인 방사형태로 뻗어나간다. 이러한 분지는 여러 방향으로 신장하여 균사간의 수많은 융합이 발생한다. 균사 간의 융합은 재료적 측면에서는 균일성을 가지고 있으며, 기계적 측면에서는 균사의 미세그물망 형성으로 기계적 강성이 높아진다. 버섯균사체는 균사가 얽혀 망상층을 형성하고 있으며, 이는 동물가죽의 진피층과 유사한 미세구조를 가지고 있다.
균사는 크게 기균사(aerial hyphae), 생물막 균사(biofilm hyphae) 및 침투성 균사(penetrative hyphae) 3가지로 분류될 수 있다. 기균사(aerial hyphae)는 균사체 증식에 필요한 산소와 이산화탄소를 교환하는 역할을 하며, 생물막 균사(biofilm hyphae)는 기균사와 침투성 균사 사이에 위치하며, 밀도가 높은 매트 형태를 나타낸다. 생물막 균사(biofilm hyphae)는 배지에서의 수분 이탈을 방지하고, 다른 균의 침입을 방지하며, 균사 생장을 위한 수분을 저장한다. 생물막(biofilm)의 두께와 밀도가 높아질수록, 배지 부분에서의 영양 전달(mass transfer)가 어려워져, 생물막(biofilm)과 기균사(aerial hyphae)의 성장은 멈추게 된다. 한편, 침투성 균사(penetrative hyphae)는 배지 내 영양분을 분해하기 위한 효소물질을 분비하고 분해된 영양분을 섭취하는 역할을 한다.
버섯균사체는 성장하면서 셀 수 없이 많은 균사가 촘촘하게 3차원으로 결합하고 엉킨 복잡한 구조물을 형성하며, 조밀하고 단단하며 플라스틱과 비교해도 떨어지지 않는 강도를 지닌 중합체를 만들 수 있다.
본 발명에서 ‘버섯균사체 기반 복합체’란 균사를 기질 또는 배지에 접종하여 성장시키는 경우 균사가 자라나면서 기질 또는 배지와 3차원적으로 매우 조밀하게 결합하고 엉켜 복합체를 형성한 것을 의미한다.
일반적으로 버섯균사체를 배양하는 배지는 톱밥을 많이 사용해 왔다. 톱밥을 배지로 이용하는 경우 버섯균사체 기반 복합체의 경우 무게가 있어 밀도를 조절하는데 어려움이 있다. 이에, 본 발명에서는 쌀튀밥 및 왕겨를 배지 구성성분으로 이용하여 복합체의 밀도를 조절하고자 하였다.
본 발명의 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법은 a) 왕겨와 미강을 포함하는 기본배지에 액상 배양된 버섯균사체를 접종하여 1차 배양하는 단계; b) 1차 배양물을 분쇄한 후 쌀튀밥과 펄라이트를 첨가 혼합한 다음 배양 용기에 담아 2차 배양하는 단계; 및 c) 2차 배양물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 a) 배지에 균사를 접종하여 1차 배양하는 단계로서, 자세하게는 왕겨와 미강을 포함하는 기본배지에 액상 배양된 버섯균사체를 접종하여 28℃, 습도 80% 조건에서 약 2주간 1차 배양하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계에서 배지는 왕겨와 미강 8:2의 부피비로 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 b) 단계는 1차 배양물을 다른 배양 용기에 옮겨 2차 배양하는 단계로서, 자세하게는 상기 a) 단계를 통해 수득한 1차 배양물을 분쇄한 후 쌀튀밥과 펄라이트를 첨가 혼합한 다음 배양 용기에 담아 28℃, 습도 80% 조건에서 약 1주 ~ 6주간 2차 배양하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 쌀튀밥은 기본배지에 대하여 1:4 내지 4:1의 부피비로 첨가할 수 있다.
본 발명에서 상기 버섯균사체는 한국에서 널리 자생하며 겨울철에도 생장이 이루어질 수 있고, 재배시 방제에 많은 신경을 쓸 필요가 없으며 성장이 비교적 빠른 종이 바람직하다. 예를 들어, 느타리버섯(Pleurotus ostreatus), 새송이버섯(Pleurotus eryngii), 목이버섯, 붉은덕다리버섯(Laetiporus sulphureus), 메꽃버섯부치(Microporus affinis), 영지버섯(Ganoderma lucidum), 치마버섯(Schizophyllum commune), 구름송편버섯(Trametes versicolor), 삼색도장버섯(Daedaleopsis tricolor), 잔나비걸상버섯(Elfvingia applanata), 참바늘버섯(Mycoleptodonoides aitchisonii), 소나무잔나비버섯(Fomitopsis pinicola), 흰주름버섯(Agaricus arvensis), 표고버섯(Lentinula edodes), 솔뿌리혹버섯(Wolfiporia extensa) 및 시루송편버섯(Trametes orientalis) 등의 균사를 예시할 수 있으나, 특별히 이를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법은 상기 a) 내지 c) 단계 이후 추가적으로 d) 건조된 버섯균사체 기반 복합체를 압착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 버섯균사체 기반 복합체를 포함하는 친환경 단열재를 제공한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
버섯균사체 복합체의 제조
본 실험에서는 전라남도 산림자원연구소에서 분양받은 시루송편버섯 (Trametes orientalis (Yasuda) Imazeki)을 사용하였으며, YMA(yeast malt agar)배지에 보관하였다. 본 실험에서 활용된 액체 접종원은 YMB(yeast malt broth) 배지에서 3회 계대배양 후 14일간 성장시킨 버섯 균사체를 사용하였으며, 균일한 접종을 위해 waring blender (Nippon Seiki Co., Ltd., Niigata, Japan)로 20초 동안 균질화되었다. 또한, 원심분리하여 배양에 활용된 액체배지는 제거하고 신선한 액체배지를 다시 첨가하여 액체 접종원을 제조하였다.
쌀튀밥을 활용한 시루송편버섯균사체 복합체를 제작을 위해 버섯의 다양한 기본배지(톱밥, 볏짚, 왕겨 등) 중 무게가 가벼워 밀도 조절이 용이한 왕겨를 활용하였으며, 펄라이트를 일정 비율 첨가하여 강도를 조절하였다. 왕겨와 튀밥의 비율을 다양하게 설정함에 따라 밀도 조절이 가능하며, 왕겨 배지를 기본으로 하여 각 배지별 밀도 변화를 목적으로 하였다. 총 18가지의 비율을 실험하였으며, 자세한 조성비는 하기 표 1에서 나타내었다. 펄라이트는 버섯이 자라는데 필요한 요소가 아니므로 비율을 최대 20%로 하였다.
먼저, 왕겨와 미강이 8:2의 조성비(부피비)로 이루어진 기본배지를 121℃에서 60분간 멸균시킨 후 시루송편버섯 액상 배양된 균사체를 접종하였다. 이를 28℃, 습도 80% 조건에서 약 2주간 성장시켰다. 이후 상기 1차 배양된 배양물을 분쇄하였으며, 분쇄물에 쌀튀밥과 펄라이트를 설정된 비율에 맞춰 첨가하고(하기 표 1 참조), 혼합하여 버섯균사체를 포함하는 복합배지를 제조하였다. 상기 복합배지는 배양 용기에 담아 28℃에서 약 2주간 추가로 배양을 진행하여, 본 발명의 버섯균사체 복합체를 제조하였다.
| 활용배지 | 조성1-3 | 조성4-6 | 조성7-9 | 조성10-12 | 조성13-15 | 조성16-18 | ||||||||||||
| 기본배지:쌀튀밥 (부피비) |
100:0 | 80:20 | 60:40 | 50:50 | 40:60 | 20:80 | ||||||||||||
| 펄라이트 (부피%) |
0 | 10 | 20 | 0 | 10 | 20 | 0 | 10 | 20 | 0 | 10 | 20 | 0 | 10 | 20 | 0 | 10 | 20 |
| - 기본배지: 왕겨와 미강이 8:2의 부피비로 이루어진 배지 - 기본배지와 쌀튀밥이 혼합된 배지를 기준으로 펄라이트 0, 10, 20부피% 첨가 |
||||||||||||||||||
<실시예 2>
본 발명의 버섯균사체 복합체의 물성 측정
상기 과정을 통해 제조된 본 발명의 버섯균사체 복합체는 40℃에서 24시간 건조시킨 후 기계적 물성을 확인하였다. 기계적 물성은 밀도, 압축강도, 굴곡강도 3가지 항목을 측정하였다. 밀도는 Gas pycnometer (Ultrapyc 5000 Foam, Anton Paar, Austria)를 사용하여 3.0 psi, 20℃ 조건에서 측정하였다. 압축강도와 굴곡강도는 만능재료시험기(Universal Testing Machine; UTM)기기를 활용하여 측정하였고, 압축강도는 compression test, 굴곡강도는 3-point flexural test로 실시하였다. 시험속도는 샘플 두께의 10% mm/min으로 하였다. 또한, 압축강도와 굴곡강도의 단위는 MPa로 하였다.
그 결과 하기 표 2에서 나타낸 바와 같이, 기본배지에 혼합되는 튀밥의 함량이 증가할수록 밀도가 증대되는 반면, 압축강도가 감소되는 경향을 보여주었다. 한편, 기본배지와 튀밥이 혼합된 배지에 혼합되는 펄라이트의 함량이 증가할수록 밀도와 압축강도는 점차 증가하는 양상을 보였다.
본 발명의 버섯균사체 복합체는 0.32 내지 0.38 g/cm3 범위의 밀도 및 4 내지 10 MPa 범위의 압축강도를 보여주었다. 이와 같은 결과는, 영률(Young’s modulus)-밀도(density)를 기준으로 한 소재 분류 차트(Material properties chart, 출처: CES EduPack 2019, ANSYS Granta ⓒ 2020 Granta Design)에서, foam 영역에 속하는 소재의 특성을 보여준다(도 1 참조).
그러므로, 본 발명의 버섯균사체 복합체는 배지 성분에 변화를 주어 물성을 조절할 수 있으며, 다양하게 물성이 조절된 본 발명의 버섯균사체 복합체는 단열판, 포장재 등으로 활용이 가능함을 확인하였다.
| 활용 배지 |
배지:튀밥 (부피비) |
펄라이트 (부피비) |
밀도 (g/cm3) |
압축강도 (MPa) |
굴곡강도 (MPa) |
| 조성01 | 100 : 0 | 0 | 0.323±0.003 | 9.28±0.07 | 0.230±0.036 |
| 조성02 | 10 | 0.333±0.001 | 9.58±0.04 | 0.237±0.015 | |
| 조성03 | 20 | 0.345±0.003 | 9.78±0.07 | 0.233±0.006 | |
| 조성04 | 80 : 20 | 0 | 0.331±0.002 | 8.57±0.05 | 0.171±0.010 |
| 조성05 | 10 | 0.340±0.001 | 8.69±0.03 | 0.173±0.011 | |
| 조성06 | 20 | 0.349±0.001 | 8.86±0.03 | 0.172±0.009 | |
| 조성07 | 60 : 40 | 0 | 0.340±0.002 | 7.36±0.07 | 0.137±0.005 |
| 조성08 | 10 | 0.348±0.001 | 7.48±0.08 | 0.138±0.007 | |
| 조성09 | 20 | 0.353±0.001 | 7.78±0.06 | 0.136±0.008 | |
| 조성10 | 50 : 50 | 0 | 0.347±0.003 | 6.45±0.05 | 0.107±0.010 |
| 조성11 | 10 | 0.353±0.002 | 6.61±0.06 | 0.109±0.005 | |
| 조성12 | 20 | 0.360±0.001 | 6.69±0.02 | 0.105±0.005 | |
| 조성13 | 40 : 60 | 0 | 0.354±0.002 | 5.83±0.05 | 0.082±0.007 |
| 조성14 | 10 | 0.361±0.001 | 5.98±0.02 | 0.079±0.009 | |
| 조성15 | 20 | 0.368±0.001 | 6.13±0.05 | 0.084±0.006 | |
| 조성16 | 20 : 80 | 0 | 0.361±0.001 | 4.99±0.09 | 0.045±0.006 |
| 조성17 | 10 | 0.366±0.001 | 5.19±0.03 | 0.044±0.006 | |
| 조성18 | 20 | 0.372±0.001 | 5.35±0.05 | 0.047±0.006 |
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (5)
- a) 왕겨와 미강을 포함하는 기본배지에 액상 배양된 버섯균사체를 접종하여 1차 배양하는 단계;
b) 1차 배양물을 분쇄한 후 쌀튀밥과 펄라이트를 첨가 혼합한 다음 배양 용기에 담아 2차 배양하는 단계; 및
c) 2차 배양물을 건조하는 단계를 포함하는, 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 배지는 왕겨와 미강을 8 : 2의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는, 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 쌀튀밥은 기본배지에 대하여 1:4 내지 4:1의 부피비로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 버섯균사체 기반 복합체의 밀도를 조절하는 방법. - 제1항 내지 제3항의 방법 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 밀도가 조절된 버섯균사체 기반 복합체.
- 제4항의 버섯균사체 기반 복합체를 포함하는, 친환경 단열재.
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