Inactivation of microorganisms in groundwater using intense pulsed light (IPL) system

Abstract

지하수는 식품 제조업체의 가공용수와 식수로 널리 이용되고 있으나, 세균과 바이러스 등으로 인한 지하수 오염이 심각한 문제로 대두되고 있다. 다수의 식품 제조업체들은 식품 원재료를 세척하기 위한 용수로 지하수를 이용하고 있으며 오염된 지하수를 사용함으로써 질병을 유발할 가능성이 있으므로 지하수 사용으로 인한 식중독을 예방하기 위하여 지하수를 살균처리 하는 것이 필수적이다. 광펄스 살균 기술 (Intense pulsed light sterilization technology)은 각광받고 있는 비가열 살균 기술로 100~1100nm의 전 파장대의 강한 빛을 짧은 시간에 높은 빈도로 미생물에 쬐어 살균하는 기술로서 자외선 영역뿐만 아니라 근적외선 영역까지 포함한다는 점에서 기존의 UV 살균과 구별된다. 본 연구에서는 자체 제작한 laboratory-scale 광펄스 장치와 연속식 pilot-scale 광펄스 장치를 이용하여 대장균, 일반세균과 뮤린 노로바이러스의 사멸 효과를 확인하여 광펄스 살균 시스템의 상업적 적용을 알아보고 실용화 기반을 구축하고자 하였다. 처리 시간이 길수록, 에너지 밀도가 높을수록 살균효과가 더 상승했으며, Laboratory-scale 광펄스 장치를 이용하여 물에 있는 P. aeruginosa에 처리한 결과 4초의 처리시간 동안 7 log의 사멸효과를 보였으며, 뮤린 노로바이러스에 처리한 결과 30초의 처리시간 동안 6.7 log의 사멸 효과를 보였다. 또한, 연속식 pilot-scale 광펄스 장치를 이용하여 처리한 결과, E. coli의 경우 4.83분의 처리시간 동안 4.8 log의 사멸효과를 보였으며, 지하수에 있는 일반세균의 경우 4.5분의 처리시간 동안 3 log의 사멸 효과를 보였다. 본 연구결과를 통해 광펄스 기술이 일반세균과 노로바이러스를 살균하는데 매우 효과적임을 확인하였고, 소독부산물을 생성하지 않으며 냄새도 유발하지 않으므로 광펄스 지하수 살균 시스템이 식품산업체에서 지하수를 처리하는 기존의 염소, 오존 등의 화학적 살균방법을 대체할 수 있는 새로운 살균 방법이 될 수 있다.;Intense pulsed light (IPL) can be used in the non-thermal sterilization method for killing microorganisms based on short-duration, high-frequency pulses of electromagnetic radiation. The objective of this study was to characterize the inactivation effects of a pilot-scale continuous-flow IPL system on microorganisms and groundwater used in the food industry. Furthermore, experiments were carried out to characterize the inactivation effects of a laboratory-scale IPL system on murine norovirus (MNV), which was used as a model for human norovirus. A pilot-scale IPL system was engineered to treat a large quantity of water; it has a capacity of 66 l. Predetermined cell numbers of Escherichia coli C600 were inoculated into water that was subsequently treated with the pilot-scale IPL system under varying operating conditions. There were critical differences in microorganism inactivation according to the number of lamps used (5, 10, and 15 lamps) and the treatment time, such that the level of decontamination increased as the number of lamps and treatment time increased. With respect to MNV, the microorganism was inoculated in phosphate-buffered saline (suspensions comprising 106 plaque forming units/ml) and treated with a laboratory-scale IPL system for ~50 s at three voltages (800, 1200, and 1800 V). The infectivity of MNV was enumerated by using a plaque assay. Differences in virus inactivation were observed for the various voltage levels and treatment times. A 4.83-min treatment with the pilot-scale IPL system at a dose of 14.7 J/cm2 resulted in a 4.8-log inactivation of E. coli C600, while a 4.5-min treatment with at a dose of 14 J/cm2 resulted in a 3-log inactivation of general bacteria in groundwater. A 30-s treatment with the laboratory-scale IPL system at dose of 3.4 J/cm2 resulted in a 6.7-log inactivation of MNV. The results of this study indicate clearly that the IPL system is useful for inactivating microorganisms and viruses, and that disinfection of groundwater using IPL can be considered an alternative to chemical disinfection. However, further studies are needed to enable the implementation of this technology in industrial applications.