KR20140067536A - 액체의 물성변화와 용질의 첨가를 통한 나노기포 체류량 향상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 기체의 높은 용존농도와 많은 개체수의 나노기포를 함유하는 기능성 음용수를 제조하는데 있어서, 기포안정제를 첨가한 물에 진공의 압력에서 기포를 발생시키고 이를 대기압으로 환원시키는 방법을 사용함으로써, 목적으로 하는 기능성 기체의 높은 용존농도, 많은 개체수의 나노기포, 기포의 체류시간 연장, 기포의 개체수 감소방지 그리고 작업안전성을 향상시킬 수 있는 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법에 관한 것이다.

Description

액체의 물성변화와 용질의 첨가를 통한 나노기포 체류량 향상방법{A method for increasing the resident quantity of nano-bubbles by changing the physical properties of liquids and adding additives }

본 발명은 산소, 수소, 탄산가스 등을 높은 농도로 함유하는 기능성 음용수의 제조방법 및 이에 따라 제조된 음용수에 관한 것으로, 보다 구체적으로 음용수 내에 나노크기의 기포를 공급하여 높은 농도의 용존기체 또는 많은 개체수의 나노기포를 갖는 음용수의 제조방법과 이에 따라 제조된 음용수에 관한 것이다.

최근 국내뿐 아니라 전세계적으로 건강 및 웰빙에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중심에 있는 것 중에 하나가 물이다.

따라서 청정할 뿐만 아니라 몸에도 좋은 물에 대한 요구가 커짐에 따라 다양한 기능성 음용수가 개발되고 있다.

이러한 기능성 음용수 중의 하나인 수소수는 인체에 필요한 일반 산소와는 반응하지 않고 활성산소의 일종인 하이드록시 라디칼과는 선택적으로 반응하여 이를 무해화시키는 작용을 하는데, 체내에 잔류하는 하이드록시 라디칼은 세포나 유전자를 공격하고 노화와 질병을 일으키는 원인으로 최근 알려져 있다.

또한 산소수는 지방을 태우는 촉매제로 작용하여 다이어트에 도움이 되고 운동 중에 생기는 젖산의 생성을 억제하여 스트레스 해소나 피로회복 기능을 가진다고 알려져 있으며, 고농도의 산소수는 위와 장에 흡수되어 지방간 또는 간염과 같이 손상된 간을 치료하는데도 효과가 있다는 연구결과가 있다.

상술한 수소수, 산소수 등의 기능성 음용수는 음용수 내에 수소, 산소 등의 기체를 높은 농도로 용해시키거나 많은 개체수의 나노기포가 함유되도록 제조한다.

따라서 물 속에 기체의 용해도 또는 농도를 증가시키기 위한 연구가 활발한데, 일반적으로는 용기에 채워져 있는 물표면에 목적으로 하는 기체를 높은 압력으로 가하거나, 음용수 속에 기포발생기 등을 이용하여 기포를 생성시키는 방법 등이 이용된다.

또한, 용존 기체의 용해도 또는 농도를 높이기 위한 방안으로 물속에서 기체확산이 증가되도록 기체의 표면적을 높이는 방법이 이용되기도 하는데, 이를 위해서는 크기가 작은 기포를 생성시키는 것이 유리하다.

기체의 용존농도를 높이기 위한 일례로 한국공개특허공보 2010-0018207에서는 원수의 온도를 낮추고 고압을 유지하는 방법으로 산소의 용해도를 높인 산소수를 미분무하는 일종의 가습장치를 제공하고 있다.

하지만 여전히 사람, 동식물 및 어류 등의 음용수, 사육수, 재배수 및 양식수 등에 상업적으로 활용하기 위하여는 용존기체의 농도를 효과적으로 높이는 방법에 대한 연구가 요구되는 실정이다.

한국공개특허공보 제 2010-0018207호(공개일 2010.02.17.)

본 발명은 높은 농도의 용존기체 또는 많은 개체수의 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 나노기포의 발생압력 변화와 기포안정제를 이용하여 효과가 높은 고기능 음용수의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 본 발명에 따라 제조되며, 음용수 내 산소, 수소, 탄산에서 선택되는 하나 이상의 기능성 기체를 30 ppm이상의 농도로 함유한 음용수를 제공한다.

본 발명은 높은 농도의 용존기체 또는 많은 개체수의 나노기포를 가지는 기능성 음용수의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명에서 나노기포를 이용한 음용수의 제조방법은 a) 음용수 내에 기포안정제를 첨가하는 단계;및b)상기 기포안정제가 첨가된 음용수 내에 기능성 기체를 나노크기의 기포로 공급하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기포안정제는 피크노제놀, 자당, 유기산, 아세트산, 염화나트륨에서 선택되는 화합물; 천연항균제, 식물, 효소, 과즙, 커피, 홍차, 녹차에서 선택되는 하나의 성분 또는 이들의 추출물; 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 a)단계의 음용수 총중량에 대하여 0.001 ~ 2중량%를 함유하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 기체는 산소, 수소, 탄산에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 기포는 대나무로 제조된 기포 발생막에서 발생되는 것일 수 있으며, 나노크기의 기포는 평균크기가 100nm이하이며, 기포개체수가 5×10⁸ 개/ml이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 b)단계의 음용수 내 나노크기 기포의 공급은 1기압 또는 이보다 낮은 압력에서 수행되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도는 30 ppm이상일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명에서 기술한 나노기포를 이용한 음용수의 제조방법에 따라 제조되며, 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도가 30 ppm이상인 음용수를 제공한다.

본 발명의 나노기포를 함유한 음용수의 제조방법은 간단한 공정으로 음용수 내에 기능성 기체를 높은 농도로 함유하는 방법을 제공한다.

본 발명에서 제안하는 감압조건 기포 발생 후 대기압 환원방법은 초기 감압하에서 발생시킨 기포의 크기가 대기압하에서는 자연적으로 감소되는 물리적 성질을 이용한 것으로써, 기능성 기체의 용존농도와 기포의 체류량이 증가되는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 기포의 체류시간도 연장되는 효과가 있다. 특히 대기압하에서 나노기포 음용수를 제조하는 기존의 기술에서는 약 3~4bar의 높은 압력에서 나노기포의 생성이 가능하였으나, 본 발명에서 제안하는 나노기포 발생은 2bar 이하의 감압조건하에서도 기포 생성이 가능하므로 상업적 적용 측면에서 안전성을 더욱 더 확보할 수 있다.

또한 본 발명의 음용수는 본 발명의 나노기포를 함유한 음용수의 제조방법에 따라 제조되며, 산소, 수소, 탄산에서 선택되는 하나이상의 기능성 기체를 30 ppm이상 함유하여 기능성 기체의 효과를 더욱 더 높일 수 있다.

도 1은 실시예 1에서 발생된 산소기포의 평균 기포크기를 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예 1에서 발생된 산소기포의 평균 기포크기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에서 이용한 감압 기포발생 장치를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 4에서 실시한 감압하에서 발생시킨 최초의 기포(위)와 이를 대기압으로 환원시켰을 때 크기가 감소된 기포(아래)를 동일한 위치에서 서로 비교되도록 촬영한 사진이다.

본 발명은 높은 농도의 용존기체 또는 많은 개체수의 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명에서 나노기포를 함유한 음용수의 제조방법은 a)음용수 내에 기포안정제를 첨가하는 단계; 및b)상기 기포안정제가 첨가된 음용수 내에 기능성 기체를 나노크기의 기포로 공급하는 단계;를 포함한다.

본 발명에서 제안하는 나노기포 함유 음용수 제조방법을 이용하면 기능성 기체를 나노크기의 기포로 공급하여 음용수 내에 높은 농도로 용존시킬 수 있을 뿐만 아니라, 음용수 내에 첨가한 기포안정제가 기포를 안정화시켜 기포의 체류량이 증가되는 효과, 그리고 기포의 체류시간도 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 음용수는 사람, 동식물 및 어류 등에 대한 음용수, 사육수, 재배수 및 양식수로 사용될 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에서 제안하는 기포안정제는 음용수내에 첨가되어 물분자간에 존재하는 원래의 분자결합 에너지를 증가시켜 기포의 안정성을 향상시키고, 기포의 크기를 더욱 더 작게 감소시키며, 기포의 체류시간을 연장 시킬 수 있는 물질을 의미한다.

즉, 기포의 표면장력을 증가시켜 기포를 안정화시킬 수 있다. 표면장력(surface tension)이란 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘을 의미하는 것으로 계면장력의 일종이다. 물분자는 인접 물분자끼리 수소결합을 하고 있으며, 분자 간의 인력이 다른 액체에 비해 비교적 크다. 여기서 기포를 둘러싸고 있는 물분자간의 인력을 좀더 증가시킨다면 기포의 안정성을 더욱 더 향상시킬 수 있으며, 기포의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 안정된 상태로 오랜 기간 동안 물속에 체류시킬 수 있다.

Young-Laplace 열역학 식에 의하면, 표면장력 σ는 일정 온도 T와 압력 p에서 Gibbs 자유에너지 G에 대한 면적 A의 편미분이다.

여기서, Gibbs 자유에너지 G=H-TS 이고 단위는 dyne/cm이며, 물질의 엔탈피 H=U+PV (여기서 U는 물질의 내부에너지) 이다.

기포를 싸고 있는 물 분자끼리의 에너지 증가, 물-기포 계면에너지의 증가로 기포의 크기 감소 및 안정된 기포를 만들 수 있는 방법은, 물질의 내부에너지 U를 증가시키는 방법 즉, 물분자 간의 인력을 증가시킬 수 있는 물질을 첨가하거나 계의 온도를 감소시키는 방법, 또는 계의 압력과 부피를 증가시키는 방법 등이 가능하다.

어떤 물질을 물에 용해시킬 때, 이 물질은 물분자간에 존재하는 수소결합 에너지를 끊고 물분자 사이에 녹아 들어가 물분자와 결합을 하게 되는데, 이 힘이 크고 작음에 따라 기포계면의 물분자간에 존재하던 원래의 결합에너지가 증가되거나 감소될 수가 있다.

따라서 본 발명에서는 이러한 물분자간에 존재하는 원래의 결합에너지를 보다 증가시킬 수 있는 물질을 첨가함으로써, 음용수 내에 공급된 기체의 용존농도 증가, 기포의 크기 감소, 나노크기 기포의 체류시간 연장, 그리고 생성된 기포의 개체수가 장기간 동안 유지될 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서 첨가하는 기포안정제는 피크노제놀, 자당, 유기산, 아세트산, 염화나트륨에서 선택되는 화합물; 천연항균제, 식물, 효소, 과즙, 커피, 홍차, 녹차에서 선택되는 하나의 성분 또는 이들의 추출물; 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 피크노제놀, 과즙일 수 있다.

본 발명의 일 실시에에 따른 기포안정제는 상기 a)단계의 음용수 총중량에 대하여 0.001 ~ 2중량%를 포함하는 것일 수 있으며 보다 바람직하게는 0.001 ~ 1.5중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 기체는 한정이 있는 것은 아니나, 사람, 동식물, 및 어류 등에 대하여 음용수, 사육수, 재배수 및 양식수로 사용되어 유익한 기능을 가지는 기체라면 모두 가능하나, 산소, 수소, 탄산에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 음용수 제조방법에서 나노크기를 발생시키는 기포 발생막은 세라믹, 금속 또는 대나무로 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서와 같이 나노크기의 기포는 대나무로 제조한 발생막에서 발생되는 것일 수 있으며, 대나무의 조직에 존재하는 나노크기의 미세기공을 통해 발생시킨 나노기포일 수 있다.

기포 발생막에서 발생되는 기포의 크기와 생성량은 공급하는 기체의 압력에 따라 변화되는데, 압력이 높으면 대나무의 미세기공을 통과하는 기체의 양도 증가하여 나노크기의 기포 생성율도 증가한다. 짧은 시간 내에 용존기체의 농도를 증가시키기 위해서 높은 압력을 사용할 수 있으나, 통상적으로 0.5 ~ 4.0bar의 범위내에서 나노크기의 기포를 발생시킨다.

한편, 기포의 크기는 기포 발생기의 기공크기 및 크기분포, 공급되는 기체의 압력, 물의 온도, 발생장치의 압력, 첨가제 그리고 물의 물리·화학적 조건 등에 따라 결정되며, 생성된 기포는 크기에 따라 물속에 잔류하기도 하고 파괴되기도 하며, 부상하여 없어지기도 한다 크기가 작은 미세기포는 상대적으로 크기가 큰 기포에 비하여 오랫동안 물속에 체류한다.

또한, 물에 대한 기포의 잔류부피는 어느 정도로 양이 제한되므로 상업적 측면에서 생산성을 높이기 위해서는, 기포 발생기에서 만들어진 다양한 크기의 기포들 중에서 유효하지 못한 기포 즉, 크기가 커서 부상하여 소멸되어야 할 기포, 그리고 불안정하여 물속에서 언젠가는 파괴되어야 할 기포들은 빠른 시간 내에 인위적으로 부상 또는 소멸시켜야만 미세기포의 잔류량을 일시에 더욱 더 증가시킬 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서, b)단계의 나노크기 기포는 1기압 이하의 감압조건에서 발생시키고 기포발생 종료 후 대기압으로 환원시킴으로써 기포의 크기를 더 작게 축소시키고 불안정한 기포는 신속하게 제거시킴으로써 나노기포의 잔류 개체수를 더욱 더 증가시킬 수 있는 방법을 제공하였다.

즉, 기포 발생막을 통하여 공급하는 기능성 기체의 공급압력을 상술한 바와 같이 높여야 대나무 미세기공을 통과하는 기체의 양도 증가하고 나노크기의 기포 생성율도 증가한다. 그러나 음용수제조 수조의 압력을 1기압이하 바람직하게는 0.8기압 이하의 감압조건에서 기포를 발생시키고 수조의 압력을 다시 대기압으로 환원시키면, 음용수 내에 생성된 기포들의 직경이 자연스럽게 감소되어 기능성 기체의 용존농도와 잔류 기포의 개체수가 증가될 뿐만 아니라, 불안정한 기포도 신속하게 부상하여 제거되므로 기포의 신속한 안정화를 이룰 수 있어서 생산성도 훨씬 향상된다. 또 다공성 막을 통한 기포의 발생은 내·외부의 압력차로 일어나는 것이므로, 통상 대기압 조건에서는 ~4bar의 압력으로 공급해야 하는 기능성 기체의 공급압력도 감압 조건에서는 ~2bar 정도의 압력으로 낮출 수 있어서 고압 조건에서 이루어지는 기존의 생산조건 보다 작업안전성을 더욱더 확보할 수 있다.

따라서 본 발명은 물분자간에 존재하던 원래의 계면에너지를 증가시키는 기포안정제를 첨가하여 음용수 내에 생성된 기포의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 기포의 안정성이 향상되어 체류시간의 연장 효과를 얻을 수 있다. 또, 1기압 이하의 압력에서 기포를 생성시킨 후 이를 다시 대기압으로 환원시킴으로써 기포의 크기를 더욱 더 작게 감소시킬 수 있으며, 불안정한 기포를 신속하게 제거시킬 수 있어 본 발명에 따라 제조된 음용수는 높은 기체의 용존농도와 기포 함유량이 매우 높아 기능성 기체가 가지는 유익한 점을 충분히 얻을 수 있다.

본 발명에서 나노크기의 기포는 평균크기가 100nm이하이며, 기포개체수가 5×10⁸ 개/ml이상일 수 있으며, 바람직하게는 평균크기가 80nm이하이며, 기포개체수가 7×10⁸ 개/ml이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도는 30 ppm이상일 수 있으며, 바람직하게는 70 ppm일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명의 나노기포를 함유한 음용수의 제조방법에 따라 제조되며, 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도가 30 ppm이상인 음용수를 제공한다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1] 산소와 피노제놀이 함유된 음용수의 제조

나노크기의 기포 발생막은 한국등록특허 10-0989631호에서 기재된 바와 같이 준비하였으며, 긴원통형의 용기에 물 10리터를 채우고 피크노제놀(TruNature) 을 물 총중량에 대해 0.001중량%가 포함되도록 첨가하였다.

피크노제놀이 첨가된 물에 대나무로 제조한 원통형 기포발생막을 설치하고 기포발생막과 연결된 관을 통해 상온 대기압조건에서 2시간동안 4bar의 압력으로 산소기체를 공급하여 산소기포와 피노제놀이 함유된 음용수를 제조하였다.

기포의 크기 및 개체수는 영국 NanoSight Ltd.에서 제작한 LM10-HS 모델의 Nano Particle Tracking Analyzer를 이용하여 측정하였으며, 도 1에 나타낸 표와 같이 본 실시예 1에서 측정된 기포의 평균 크기는 62 nm, 기포 개체수는 약7.93×10⁸ 개/ml를 나타내었다.

또한 상기 Nano Particle Tracking Analyzer를 이용하여 6개월 후에 관찰한 결과 나노기포 개체수가 80%이상이 계속 유지되는 놀라운 효과를 얻었다.

실시예 1의 피크노제놀을 첨가한 음용수는 비교예 1의 피크노제놀을 첨가하지 않는 음용수보다 기포의 크기는 더 작았고 기포의 개체수는 더 많은 것으로 분석되어, 분자간의 결합력을 증가시키는 물질을 첨가하여 음용수 내에 기능성 기체의 용존농도와 기포의 개체수 증가, 그리고 기포의 크기를 더 작게 감소시키는 것이 가능하였다.

[실시예 2] 산소와 아세트산이 함유된 음용수의 제조

실시예 1에서 피크노제놀 대신 1중량% 아세트산을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였으며, 측정된 기포의 평균크기는 68 nm, 기포 개체수는 약7.54×10⁸ 개/ml를 나타내었다.

[실시예 3] 산소와 염화나트륨이 함유된 음용수의 제조

실시예 1에서 피크노제놀 대신 6M 염화나트륨 수용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였으며, 측정된 평균기포의 크기는 79 nm, 기포 개체수는 약7.34×10⁸ 개/ml를 나타내었다.

[비교예 1] 음용수의 제조

실시예 1에서 피크노제놀을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였으며, 도 2에 나타낸 바와 같이 측정된 평균기포의 크기는 107 nm, 기포 개체수는 약2.05×10⁸ 개/ml를 나타내었다.

[실시예 4] 감압조건에서 산소와 피크노제놀을 함유한 음용수의 제조

실시예 1에서 긴원통형의 용기에 물 10L를 채우고 도 3에 나타낸 바와 같이 용기 상부에 노즐을 연결하여 540mmHg의 진공조건에서 30분동안 기포를 발생시킨 후 용기 내의 압력을 대기압으로 환원시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.

도 4는 실시예 4에서 실시한 감압조건에서 발생시킨 최초의 기포(위)와 이를 대기압으로 환원시켰을 때 크기가 감소된 기포(아래)를 동일한 위치에서 서로 비교되도록 촬영한 사진으로서, 도 4에서 보는 바와 같이 감압조건에서 최초 발생된 기포를 대기압으로 환원시켰을 때는 최초의 크기에 비하여 약 35%정도 작아진 것을 볼 수 있다.

이와 같이 계의 압력변화를 통하여 불안정한 기포의 신속한 제거 및 안정화, 이로 인한 생산성 향상, 생성된 기포의 크기 감소, 잔류 기포의 개체수 증가, 작업 안전성 증대 등을 달성할 수 있어 상업적 활용성이 증대되었으며, 본 발명에 따라 제조한 기능성 기체를 함유하는 음용수는 높은 기체농도와 많은 잔류기포 개체수가 유지되므로 사람 및 동물의 음용수 뿐만 아니라 어류 및 식물의 양식 및 재배수 등으로 유용하게 활용할 수 있다.

Claims (8)

1. a)음용수내에 기포안정제를 첨가하는 단계;및
   b)상기 기포안정제가 첨가된 음용수내에 기능성 기체를 나노크기의 기포로 공급하는 단계;를 포함하는 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기포안정제는 피크노제놀, 자당, 유기산, 아세트산, 염화나트륨에서 선택되는 화합물; 천연항균제, 식물, 효소, 과즙, 커피, 홍차, 녹차에서 선택되는 하나의 성분 또는 이들의 추출물; 또는 이들의 혼합물;인 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 기능성 기체는 산소, 수소, 탄산 중의 한가지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 기포안정제는 상기 a)단계의 음용수 총중량에 대하여 0.001 ~ 2중량%를 첨가하는 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 b)단계의 나노기포는 1기압 이하에서 발생시킨 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 나노크기의 기포는 평균크기가 100nm이하이며, 기포개체수가 5×10⁸ 개/ml이상인 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도가 30 ppm이상인 나노기포를 함유한 기능성 음용수의 제조방법.
8. 제 1항 내지 제 7항에서 선택되는 어느 한 항에 따라 제조되며, 음용수 내에 용존된 기능성 기체의 농도가 30 ppm이상인 나노기포를 함유한 기능성 음용수.

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