Abstract
In order to use a polysaccharide, curdlan, as a concrete admixture, we first developed a pilot-scale fermentation process for the mass production of curdlan. We also examined the rheological properties of curdlan, and tested how well the curdlan obtained in this work increased the segregational resistance of the cement slurry. Fermentation was performed in a 300-liter fermenter equipped with 3 disk-turbine impellers. Since curdlan production is stimulated under nitrogen-limiting conditions, the culture pH was shifted from the optimal pH for cell growth (pH 7.0) to the optimal pH for curdlan production (pH 5.5) at the onset of ammonium exhaustion. We obtained a curdlan production of 65 g/L in 120 hr batch cultivation of Agrobacterium species. The insoluble curdlan at the final stage of fermentation was readily harvested by centrifugation together with the cells. The freeze-dried sample contained 78% (w/w) of curdlan. The solubility and viscosity of the curdlan increased with the increase of the solution pH, which enhances the viscosity of concrete since the pH of concrete is extremely high (pH 13.0). Test results of the curdlan as a concrete admixture with cement slurry demonstrated that it prohibits the leakage of water. In conclusion, this work certifies and enlarges curdlan's industrial potential as a concrete admixture.
본 연구에서는 미생물 담당의 일종인 커들린을 콘크리트 혼화제로 사용하기 위하여 시험공장 수준에서의 커들란 대량생산 공정을 확립하고, 생산한 다당의 물성과 특성을 조사하고 콘크리트와의 혼합에 의한 콘크리트 재료분리 억제제로서의 새로운 용도를 평가하였다. 커들란을 300 리터 발효조에서 고농도로 대량 생산하기 위하여 커다란 규모로 대량 생산 시 종종 제한요인이 되는 산소 전달속도를 높게 유지할 수 있는 최적 교반속도와 세포성장 단계와 커들란 생산 단계에서의 배양액 pH를 전이하는 방법을 적용 하였다 교반속도를 200 rpm으로 유지하여 pH를 7.0으로 조절하여 20시간 배양 후, 배양액 내 암모니움은 고갈되었고. 이때 세포농도는 9.8g/L에 달하였다. 질소원이 고갈되고 커들란이 생산되는 단계에서 발효액의 pH를 5.5로 전이하여 최종 65g/L의 커들란을 120 시간 안에 생산할 수 있었다. 커들란의 용해도는 pH 11.0 이하에서는 거의 불용임을 알 수 있었으며, pH가 증가함에 따라 점차로 증가하여 pH 13에서는 거의 다 녹았다. 커들란의 점도는 pH 12에서 가장 높았고 pH 13에서도 높은 점도를 나타내었다. 시멘트 현탁액의 pH가 약 13 정도임을 생각할 때 커들란을 혼화제로 콘크리트에 첨가할 경우 잘 용해되고 또한 콘크리트의 점도를 증진시킬 수 있을 것으로 판단된다. 커들란을 소량 첨가하였을 때에도 물이 slurry로부터 분리되었으나 커들란을 소량 첨가하였을 때에도 시멘트 slurry로부터 물이 분리되지 않고 균일한 흐름 경향을 보았다. 결론적으로, 본 연구자들은 조업이 간편한 회분식발효를 통하여 고능도로 거들란을 대량생산할 수 있었으며, 효율적이고 저렴한 분리공정을 개발하였다. 이렇게 제조한 커들란을 소량 콘크리트에 첨가하여 재료 분리 억제 효과가 우수하였는 바, 커들란의 산업적 생산에 커다란 가능성을 부여한다.
