특/별/기/고

김각균 서울대 치의학대학원 구강미생물학교실 교수

전기분해수(Electrolyzed Water) 3 <끝>

2. 전기분해수 발생장치

<1850호에 이어 계속>

가. 적용
전기분해수 발생장치는 위생 및 소독, 경우에 따라서는 음용수, 폐액, 공급수(예, 헹굼 용) 등, 다양한 목적에 사용되는 물을 멸균하는데 이용될 수 있다. 이 장치는 항균 활성 외에 악취 제거에도 이용된다. 전기분해수는 바이오필름을 제거하며 오염된 표면을 소독할 수 있기 때문에 (Legionella와 Pseudomonas를 포함), 이를 일상적인 수관(water line) 소독에 적용하는 데에도 관심이 모아지고 있다. 적용의 한 예로는 화학약품에 의한 소독 후, 소독잔여물을 제거하기 위한 표면 헹굼의 목적으로 전기분해수를 이용하는 것을 들 수 있다. 또한 anolyte는 고형물 표면(hard surfaces)의 소독제로 이용될 수 있는데, anolyte내 활성물질은 단명하므로, 소독 후에 별다른 헹굼 과정은 필요하지 않을 것이다. Anolyte가 표면 소독에 이용되고 있는 곳으로는 음식물 접촉면을 비롯해, 수의(veterinary), 산업, 치과 및 의료계 등 응용범위가 다양하다. 전기분해수 시스템은 온도에 민감한 기구(탄력 내시경 등)의 소독에 권장되며, 실제 이용되고 있다.

전기분해수는 생성된 지 24시간까지 보관할 수 있으며, 아포를 죽이는 소독 anolyte의 항균작용은 매우 신속해 대개 5~10분 정도 만의 노출시간을 요하는 것으로 알려져 있다. 전기분해수의 온도를 조절해(섭씨 50-60도) 더 큰 아포 살균작용을 얻을 수 있는 것으로 기술되어 있기도 하다. 세척-소독효과를 동시에 얻고자 하는 경우(예, 투석시스템이나 치과 유니트처럼 반복 사용되는 수관 또는 용액관을 갖고 있는 시스템들의 일상적인 오염제거)에는 anolyte를 최대 14일까지 냉장 보관하면서 낮은 pH(<3)의 anolyte를 그대로 장비 재처리에 사용한다. 어떤 시스템에서는 물로 표면을 전 세척한 후 catholyte로 2분 내지 3분간 세정하고 잔여 catholyte를 헹궈낸 다음, 요구되는 수준의 항균 효능을 얻기 위한 anolyte 소독(통상 5분 내지 15분) 과정을 거친다. 이러한 적용 방법에서는, 이후 의료장비를 사용할 때까지 지속적인 작용을 위하여, 관내에 anolyte를 그대로 남겨둘 수도 있고, 또는 공기를 통과시켜 잔여 anolyte를 제거할 수도 있다; anolyte 살균 성분의 농도가 낮고 그 수명이 짧기 때문에, 소독 후 장비 사용시 독성 위험이 없으므로, 경우에 따라 더 이상의 헹구는 과정을 생략하기도 한다.
전기분해수의 더욱 광범위한 응용을 위한 시스템 개발이 계속 되고 있음이 보고되고 있으며, 해당 분야는 경제성이 있는 식수 생산, 상처나 피부의 헹굼(독성이 없는 소독제로서 이용), 음식 세척 및 소독(예, 두부와 과일), 원예 산업 등이다.

나. 활성 스펙트럼

Anolyte에서 관찰된 항균 효과의 범위를 감안하면 신속한 박테리아 살균 및 살 진균 작용은 그리 놀라운 것은 아니다. 낮은 pH(<3)와 중간 pH(5~7) 범위에서 anolyte가 그람양성 및 음성 세균, 곰팡이, 효모 및 mycobacteria에 대하여 신속한 효능이 있음이 보고되었다. 바이러스 사멸 효능은 B형 간염 바이러스를 비롯한 피막(enveloped)이 있는 바이러스와 피막을 보유하지 않은 바이러스에서 확인되었다. 이 생물체들에 대해 효력을 나타내기 위해서는 일반적으로 100 내지 250 mg/L의 유리 염소에 2분간 노출될 수 있도록 anolyte 노출조건을 정해야 한다. 증식형(vegetative) 박테리아로부터 깨끗한 표면의 위생을 유지하는 데는 이보다 낮은 농도(100mg/L 정도의 염소 용액)도 효과적일 것이다. 전기분해수에 대한 SAL(sterility assurance level; 멸균보증수준)이 아직 발표되지는 않았지만, 살-아포 활성을 위해서는 일반적으로 좀 더 긴 노출시간-5분 내지 10분 사이-또는 더 높은 농도가 요구된다. 잔존 유기 오염물질의 존재는 항균효과를 대폭 감소시킨다. 전기분해수는 프리온에 대해서 별로, 혹은 전혀 효과를 보이지 않았지만, 이 보고들은 아직 예비단계에 머물러 있다.

다. 장점

전기분해수(anolyte)는 살-아포 활성을 비롯하여 광범위 항균효과를 나타내며, 비자극성이고, 독성에 대한 염려는 사소하다. 과민 반응은 지금까지 보고된 바가 없으며, 사용 후 또는 효능이 없어진 후 안전하게 폐기할 수 있다. 생성수의 pH가 더 낮거나 더 높으면, 피부, 점막, 눈에 직접 노출되었을 때 손상을 줄 수 있음은 분명하다; 생산된 물을 혼합하고 pH를 조절할 수 있는 발생장치는 이러한 염려를 줄여 줄 것이다. Anolyte의 살균활성과 더불어 높은 pH의 catholyte 또한, 바이오필름 제거를 비롯한 탁월한 표면 세척제로써의 역할을 한다. 전기분해수 발생장치는 작동에 거의 비용(전기료, 낮은 농도의 염 성분 및 무기물)이 들지 않아 경제적이다. 전기분해수는 물에 용존하는 일부 유기 및 무기 오염물질과 작용하여 이들을 응집 또는 침전시키는 것으로 알려져 있으며, 이 침전 또는 응집물들은 간단한 여과를 통해 제거될 수 있다. Anolyte는 물에 존재하는 세균성 독소와 내독소에 대해서도 어느 정도 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라 anolyte는 독성 물질(예, sulfides)을 비독성 물질로 분해할 수 있다.

라. 단점

전기분해수는 일부 표면재료 물질에 손상을 줄 수 있는데 예를 들어, 반복 사용할 경우, 스테인리스 강철 같은 금속의 부식이나 polyurethane의 손상을 초래할 수 있다. 탄력 내시경 등 몇몇 장비의 경우에는 이러한 작용을 줄여줄 수 있는 내-산화 보호물질(예, PTFE)로 표면을 피복할 것을 권장하고 있다. 물질 표면과의 비적합성은 anolyte 생산시 인산염과 황산염 같은 부식방지제를 첨가하거나(formulation effect), catholyte를 첨가해 pH를 거의 중성에 가깝도록 조절함으로써 최소화시킬 수 있다. Catholyte 역시 aluminum을 포함, 무른 금속에 대해 해롭다. 표면에 대한 활성 및 손상 정도는 전기분해수 생산에 사용되는 물의 질에 따라 달라진다. 예를 들어 공급수가 염소처리된 물이면 염소 화합물이 많이 발생해 예민한 플라스틱이나 금속 표면을 손상시킬 수 있다. 생성된 용액으로부터의 가스를 제거하는 과정은 독성이 나타나는 수준에 도달하지 않도록 주의를 기울여야 한다. 또한 생성과정에서 anolyte나 catholyte 안에 어떤 화합물이 형성되면, 소독 후 표면에 남거나, 처리 후 물 안에 남아 유해할 수도 있다. 그 예로 염소화 부산물들을 들 수 있다. 따라서 소독을 위해 anolyte를 사용하는 과정에서 염소 농도와 pH를 조절하는 것이 권장된다. 그 외, 시간이 경과함에 따라 scaling으로 인해 발생장치 내와 전극에 퇴적물이 생길 수 있는데, 이는 공급수 전처리(물 연성화 또는 역삼투)로 예방할 수 있다. 발생장치로부터 퇴적물이나 침전물이 떨어져 나와 전기분해수에 섞이는 문제는 여과로 해결할 수 있다.
Anolyte 물의 항균효과는 잔존 오염 물질의 존재에 의해 크게 영향을 받는다. 요구되는 수준의 효능을 얻기 위해서는 anolyte 물을 적용하기 전에 표면을 충분히 씻어야 한다. 전기분해수는 불안정하며, 그 안정성 또한 부분적으로는 redox potential과 pH에 의존한다; 높은 온도에서는 안정 기간이 짧아진다.

마. 작용기전

전기분해수는 항균 성분들의 혼합물로써 미생물에 대한 다양한 작용기전을 지닌다. 일반적으로 이들 활성물질들은 (특히 anolyte는) 세포벽, 세포막, 세포 내 조성물질 뿐 아니라 아포와 바이러스의 표면에 손상을 줄 수 있으며, 단백질, 지질, 핵산 등이 모두 그 표적이 된다. 박테리아에서 특별히 관찰되는 효과로는 효소 불활성화, 세포외막 및 내막 구조 변화, 세포질 누출, 일부 DNA의 파괴 및 세포벽 손상 등이 있다. pH 효과(높거나 낮은 pH 용액 모두) 만으로는 미생물 증식에 대해 최소한의 제한적인 작용만을 나타내지만, 구조 및 기능 상실을 유발함으로써 살균성 및 살진균성 효과를 보이기도 한다. 증식(vegetative)하는 생물체는 삼투압과 porin의 역할 등 세포벽과 세포막 구조에 의해 지배되는 생물체와 환경 사이의 민감한 균형에 영향을 받음으로 인해 살균효과에 특히 취약하다. 일반적으로 박테리아와 진균은 (속(genus)과 종(species)에 따라) 높은 혹은 낮은 pH 및 redox potential에 견디는 능력에 있어서 큰 다양성을 보인다. 일반적인 생존 pH 범위는 4에서 11 사이인데, 이 pH 범위의 양극단에는 extrememophiles이 존재한다; 그러나 고도의 pH 내성을 지닌 이 미생물들은 극단적인 환경에서만 제한적으로 존재하며, 대부분의 환경에서는 흔히 찾아보기가 어렵다. 생성된 anolyte 그대로는 그 pH(<3)로부터 여러 가지 효과가 기대되지만, pH가 5에서 7 범위로 조절된 anolyte의 작용기전은 일차적으로 좀 더, 가용 유리 염소, 특히 차아염소산에 기인한다. 또한 오존을 포함한 산소 화합물들의 종합적인 효과가 합쳐져 전반적인 항균활성에 기여한다.