KR100264942B1 - 축산폐수로 부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트제조방법 - Google Patents

축산폐수로 부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최근에 환경오염을 방지할 수 있을 뿐만아니라 의약분야 및 농업분야 등에서 획기적인 신소재로 각광을 받고 있는 생분해성 플라스틱물질의 주재료인 폴리-베타-하이드록시부티레이트(poly-β-hydroxybutyrate:PHB)를 축산폐수로 부터 제조하는 방법에 대한 것으로, 축산폐수의 생물학적 처리공정시 반응조에 질소가스를 8-15분간 투입하여 탈기시킨 후 밀폐시켜 27-40℃의 온도하에서 3-6시간동안 방치하여 축산폐수내 미생물을 진탕 배양시키는 혐기적 처리단계, 상기 혐기적 처리된 축산폐수를 10분동안 과포기시킨 후 밀폐시켜 1일간 방치시켜 진탕배양시키는 호기적 처리단계, 상기 호기적 처리단계를 거친 축산폐수를 원심분리시킨 후 균체를 회수하여 2-4회 세정한 다음 100-120℃에서 약 하루동안 방치하는 건조처리단계와 상기 건조처리후 건조균체로부터 산-프로판올리시스법에 의해 80-110℃에서 2-5시간동안 가열한다음 실온까지 냉각시켜 폴리-베타-하이드록시부티레이트(PHB)를 추출하는 단계들로 이루어지는 특수공정을 거침으로써, 통상 미생물 배양을 통해 조달하는 경우와는 달리 간단하고 저렴한 비용으로 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 다량 얻을 수 있어 폐기물의 자원화라는 큰 효과와 아울러 환경보호측면에도 크게 기여하게 된다.

Description

축산폐수로 부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트제조방법
본 발명은 축산폐수로 부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 말하면 자연 분해성이 있어 환경오염을 방지할 수 있으며 특히 생체흡수성이 있어의약분야 및 농업분야등에서도 획기적인 신소재로서 각광을 받고 있는 생분해성 플라스틱물질의 주재료인폴리-베타-하이드록시부티레이트(poly-β-hydroxybutyrate:PHB)를 환경오염부하량 중 가장 많은 부분을 포함하는 축산폐수로 부터 제조하는 방법에 대한 것이다.
지난 세기동안 천연 고분자물질을 대신하여 다양한 기능과 우수한 성질을 가지고 있는 합성고분자물질이 개발되어 우리 인류생활의 여러분야에 큰 기여를 하여 왔으나 대부분 이들 합성고분자물질은 사용후 분해되지 않아서 심각한 환경오염을 유발하는등 문제점이 대두되어, 요즈음은 이들 물질에 대용가능하면서 생분해가 가능한 생중합체(biopolymer)가 개발되어 전세계적으로 관심을 집중하고 있다.
따라서, 이러한 생중합체 즉 생분해성 고분자물질을 만드는 방법으로서는 현재 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리에스테르(polyester)등의 기존 플라스틱에 전분등을 첨가하여 공중합물로 제조하는 것과 미생물을 이용하여 폴리-베타-하이드록시부티레이트와 폴리하이드록시알칸노에이트(polyhydroxyalkanoate:PHB)물질을 입수하여 이들의 공중합에 의해 제조하는 것이 제안되어 있는데, 전자는 경제적인 면에서는 유리하나 제품의 물성이 떨어져 사용에 한계가 있어서, 기존 플라스틱과 유사한 성질을 가지며 성형, 용융, 방사 및 기타 물질과의 혼합이 자유롭고 인체내에서 대사물질로 사용되어 생체적 합성이 우수하고 부작용이 없는 후자의 경우가 주로 적용되고 있다.
더욱이, 최근에는 생물공학의 발달과 함께 미생물에 의해 생합성되는 이 생중합체를 개발하고자 우리나라를 비롯하여 세계 각국에서 더욱 더 관심을 기울이고 있다.
특히 이러한 생중합체중 폴리에스테르계의 합성고분자물질과 유사한 성질을 가지면서 자연분해성과 생체흡수성이 있는 폴리-베타-하이드록시부티레이트공중합체가 현재 가장 주목을 받고 있는 생중합체이다.
생분해성 플라스틱물질의 주재료로서의 이 폴리-베타-하이드록시부티레이트물질은 미생물생장에 필요한 영양소 중 충분한 탄소원하에서 질소, 인, 황, 산소 등의 비탄소원이 부족한 경우 미생물체내에 축적되는 저장물질인 것으로 밝혀졌다.
따라서, 이 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 다량 생산하고자 각국에서 많은 노력을 기울이고 있으며 그 결과 최근에 일본에서는 미생물 체내 50％까지, 또 영국등 선진 외국에서는 80％까지 세포내 축적이 가능하게 되었다. 그러나, 이경우에는 미생물 배양시 조건 및 먹이에 세심한 주의를 기울려야 하며 또 먹이로서는 순수 포도당(glucose)을 제공하여야 하나 이의 가격이 비싸서 이로부터 공중합되어 얻어지는 생분해성 플라스틱물질의 단가는 자연히 고가일 수 밖에 없었다.
또, 우리나라에서도 포도당, 아세트산 등을 제공하여 미생물을 배양하여 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 추출하거나 돌연변이균을 배양하여 다량 추출하고자 연구하고 있으나 아직 다른 나라에 비해 많이 뒤떨어지며 그 산출량도 극히 한정적일 수 밖에 없었다.
본 발명자들은 축산폐수를 비롯한 각종 폐수를 환경오염없이 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 연구해 오던 중, 놀랍게도 축산폐수처리시 폴리-베타-하이드록시부티레이트의 산출이 가능함을 알게 되어 이분야의 연구를 계속하여 축산폐수로 부터 기존 미생물로부터 추출되는 양보다 휠씬 높은 비율로 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 다량 산출할 수 있는 획기적인 방법을 안출하게 되었다.
즉, 본 발명에서는 질소와 인 등의 무기염류의 함량과 유기물의 함량이 높아 그대로 강이나 하천으로 유입될 경우 부영양화등 심각한 환경문제를 유발하는 축산폐수를 특수처리함으로써 폐수로 인한 환경오염도 막으면서 우리 생활에 유용한 폴리-베타-하이드록시부티레이트물질을 저렴한 비용으로 다량 산출할 수 있는 폐수의 자원화가 가능하여 이중효과를 거둘 수 있는 축산폐수로 부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트생산방법을 제공하고자 한다.
도1은 폴리-베타-하이드록시부티레이트(PHB)입자의 구조모식도,
도2는 광학적으로 활성상태를 나타내는 폴리-베타-하이드록시부티레이트의 분자 모식도,
도3은 본 발명에 따른 런1에서의 폴리-베타-하이드록시부티레이트생산량과 더불어 COD, PO4등의 기질변화를 나타내는 도표,
도4은 본 발명의 비교용으로 도3과 같은 방식으로 나타낸 런2에 대한 도표,
도5는 상기 도4와 동일한 방식으로 나타낸 런3에 대한 도표,
도6는 상기 도5와 동일한 런4에 대한 도표.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 중심체 2 : 중간 구역
3 : 외부막 Z : 변화구역
본 발명에 의하면 축산폐수의 생물학적 처리공정시 반응조에 질소가스를 8-15분간 투입하여 탈기시킨 후 밀폐시켜 27-40℃의 온도하에서 3-6시간 동안 방치하여 축산폐수내 미생물을 진탕 배양시키는 혐기적 처리단계;
상기 혐기적 처리된 축산폐수를 10분동안 과포기시킨 후 밀폐시켜 1일간 방치시켜 진탕배양시키는 호기적 처리단계;
상기 호기적 처리단계를 거친 축산폐수를 원심분리시킨 후 균체를 회수하여 2-4회 세정한 다음 100-120℃에서 약 하루동안 방치하는 건조처리단계;와
상기 건조처리후 건조균체로부터 산-프로판올리시스법에 의해 80-110℃에서 2-5시간동안 가열한 다음 실온까지 냉각시켜 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 추출하는 단계;
로 이루어지는 단계들을 거침으로써 축산폐수로부터 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 제조할 수 있게된다.
일반적으로, 축산폐수의 성상은 pH 8.5, NH3-N 396.8 mg/l, NO2-N 0.34mg/l, NO3-N 0.61mg/l, PO4-P 32.1mg/l, MLVSS 190mg/l, COD 3050mg/l의 조성으로 이루어져 있다.
이러한 조성의 축산폐수를 상술한 바의 본 발명에 따른 혐기적 처리와 호기적 처리를 거침으로써 탄소원부족을 막으면서 높은 pH성상의 축산폐수를 슬러지 발생이 적은 암묘늄 인화합물을 형성하여 인을 제거하며, 또 질소를 비롯하여 기타 유기물을 효율적으로 제거하게 된다.
따라서, 상술의 간단한 방식에 따라 축산폐수를 처리함으로써 미생물 배양을 위한 특별한 먹이 및 조건의 제공이 없어도 생분해성 플라스틱물질로 유용하게 이용되는 양질의 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 생산하게 된다.
본 발명에 따라 제조되는 폴리-베타-하이드록시부티레이트는 다음 구조식
(상기 식에서 R은 수소 또는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 노닐기의 알킬기로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 어느 하나이다.)의 물질로서, 도1에 나타난 바와 같이 2.5-4.5nm 두께의 비단일막(non-unit membrane)으로 둘러싸인 직경 약 0.5㎛되는 소수성 결정입자의 형태로 되어 있으며, 각각의 폴리-베타-하이드록시부티레이트입자는 주로 입자 전체 부피의 50％를 차지하는 조밀한 중심체(1)와 이와는 다른 밀도의 폴리-베타-하이드록시부티레이트 합성효소복합체와 입자들을 함유하는 외부막(3)과 피브릴, 라멜라 및 사슬을 함유하는 중간 구역(2)으로 이루어져 있으며, 도1에서 도면부호 Z로 표시된 부분은 변화가능한 구역을 나타낸다.
실제 분리된 폴리-베타-하이드록시부티레이트 입자는 대략 98％의 폴리-베타-하이드록시부티레이트와 1-2％의 단백질과 0.5％의 지질로 구성된 불용성 환원상태의 에너지 저장물질이며, 미생물의 종류, 배양조건 등에 따라 그를 구성하는 D-3-하이드록시부티르산(hydroxybutyric acid) 단량체의 수는 달라지며 그 분자량도 6 x 104-106정도까지 다양하다.
이러한 폴리-베타-하이드록시부티레이트는 생물분해가 가능하여 많은 토양 미생물에 의하여 탄소원으로 재사용되므로 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 이용하여 식품포장 및 일회용 포장제품으로 사용된다면 기존 합성고분자물질과는 달리 공해문제가 해결되며 각 환경조건에 따른 폴리-베타-하이드록시부티레이트의 분해속도가 다르므로 서방성(controlled release)을 이용하여 농약의 코팅제, 약품전달수단으로도 응용가능하며 생체적 합성이 뛰어나 수술용 봉합사, 솜 등의 의료용으로 적용하기 위해서도 많은 연구가 진행되고 있다.
또한, 도2로 알 수 있는 바와 같이 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 구성하는 단량체가 광학적으로 활성이므로 광학이성질체를 분리하는 가스 크로마토그래피(gas chromatography)에 사용할 수 있고 디(D)-3-하이드록시부티레이트(hydroxybutyrate)는 혈액성분중의 하나로서 포도당 대신에 주입하여 비만치료 등의 목적으로 이용할 수 있으며 압전효과(piezoelectric effect)가 있어서 압력감지장치나 접골용으로도 이용가능하며 최근에는 전자회로 차폐용 소재로도 이용되고 있다.
이하, 본 발명을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 일실례를 들어 기술한다.그러나, 본 발명은 이 실시례에 한정되지 않으며 본 발명의 정신과 첨부된 특허청구의 범위내에서 변형 및 정정이 가능함은 물론이다.
(실시례)
축산폐수를 150㎖를 채취하여 삼각플라스틱에 넣고 질소가스를 10분간 투입하여 탈기시킨 후 밀폐시켜 30℃의 온도하에서 4시간동안 방치하여 축산폐수내 미생물을 진탕 배양시킨 다음, 처리된 이 축산폐수를 또 10분동안 과포기시킨 후 밀폐시켜 1일간 방치시켜 진탕배양시켰다.
상기 호기적 처리단계를 거친 축산폐수를 원심분리시킨 후 균체를 회수하여 2회 세정한 다음 110℃에서 약 하루동안 방치하는 건조시켰으며, 건조된 균체 40mg을 테프론-밀봉된 유리병(glass vial)에 넣은 후 디클로로에탄(DCE) 2㎖, 황산 : n-프로판올을 1:4(V/V)의 비율로 혼합한 용액 2㎖와 벤조산 4g을 100㎖ n-프로판올에 녹인 용액 0.2㎖를 첨가한 후 상기 유리병을 100℃에서 3시간동안 가열한다음 실온까지 냉각시켜 증류수 4㎖를 넣고 잘 흔들었다. 그후 디클로로에탄층을 채취하여 폴리-베타-하이드록시부티레이트 농도를 다음 표1의 조건하의 가스크로마토그라피로 측정하였다(런(run)1).
또한, 본 발명의 방법에 의한 폴리-베타-하이드록시부티레이트 생산량의 상대적 비교를 위하여 인산염이 없는 탄소 배지에 인축적 균으로 알려져 있는 아시네토박터종(Acinetobacter sp.)을 배양시켜 폴리-베타-하이드록시부티레이트를 생산하고(런2), 축산폐수중의 부유물을 5000rpm에서 10분동안 원심분리시켜 제거한 후 폐수를 SS여지로 거른 후 상등액을 121℃에서 30분간 고압증기로 멸균하여 150㎖를 채취하여 배지로 사용하여 여기에 상기 런2에서와 동일한 균을 첨가하여 폴리-베타-하이드록시부티레이트 생산량을 비교하였으며(런3), 또 축산폐수를 멸균하지 않고 그대로 배지로 사용하면서 상기 균을 첨가하여 배양시켜 폴리-베타-하이드록시부티레이트 생산량을 살펴보았다(런4). 이들 런2-4에서도 상기 런1에서와 같이 각기 150㎖의 배지를 채취하여 삼각 플라스크에 넣고 30℃, 170rpm에서 24시간동안 진탕 배양하여 상기 런1에서와 동일한 다음 표1의 작업조건하의 가스크로마토그라피에 의해 폴리-베타-하이드록시부티레이트량을 비교 확인하였다.
그 결과를 도3 내지 도6에 도시하며, 본 발명에 따른 런1 에서는 도3에 나타낸 바와 같이 축산폐수 원수에서는 초기에 MLVSS당 50％이었던 폴리-베타-하이드록시부티레이트량이 6시간후에는 6배이상의 축적률을 나타냈으며, 런2에서는 최대 100％에 불과하였고(도4참조), 런3에서는 거의 3000％에 가까운 폴리-베타-하이드록시부티레이트 생산량을 보였으나 이경우에는 균의 배양을 위한 조건이 까다로워서 비용이 많이 들어 생산단가측면에서 부적당하였다(도5참조).
표1. 폴리-베타-하이드록시부티레이트(PHB) 분석용 가스크로마토그라피의 작업조건
조 건 값
컬럼충진물피복물질주입온도칼럼온도담체유동율주입부피 2m X 4mm 유리클로모솝(Chromosorb) WHP 80/100 mesh10％ AT-1200 ＋ 1％ H3PO4200℃85℃20㎖/min0.5㎕
이와 같이 본 발명에 의하면, 현재 미생물 배양에만 의존하여 생산하던 폴리-베타-하이드록시부티레이트(PHB)를 환경오염부하량 중 가장 많은 부분을 포함하여 폐기처리가 어려워 심각한 사회문제로 까지 대두되고 있는 축산폐수에 의해 간단한 절차를 통해 다량 얻을 수 있음과 동시에 폐수로 인한 환경오염도 막을 수 있어 환경보호와 아울러 폐기물의 자원화가 가능한 큰 효과를 얻을 수 있으며, 엮시 그동안 환경문제를 유발하여 그 사용을 줄이고 있는 기존 유기 고분자물질 플라스틱에 대용할 수 있는 생분해가 가능한 플라스틱물질의 주 재료를 폐기물인 축산폐수로 부터 조달함으로써 생분해성플라스틱제조를 위한 재료 부족현상도 줄여 환경보호측면에서 더할 나위 없는 큰 작용효과를 거두게 될 것이다.

Claims (1)

  1. 축산폐수의 생물학적 처리공정시 반응조에 질소가스를 8-15분간 투입하여 탈기시킨 후 밀폐시켜 27-40℃의 온도하에서 3-6시간동안 방치하여 축산폐수내 미생물을 진탕 배양시키는 혐기적 처리단계;
    상기 혐기적 처리된 축산폐수를 10분동안 과포기시킨 후 밀폐시켜 1일간 방치시켜 진탕배양시키는 호기적 처리단계;
    상기 호기적 처리단계를 거친 축산폐수를 원심분리시킨 후 균체를 회수하여 2-4회 세정한 다음 100-120℃에서 약 하루동안 방치하는 건조처리단계; 와
    상기 건조처리후 건조균체로부터 산-프로판올리시스법에 의해 80-110℃에서 2-5시간동안 가열한다음 실온까지 냉각시켜 폴리-베타-하이드록시부티레이트(PHB) 를 추출하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축산폐수로부터의 폴리-베타-하이드록시부티레이트 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020022508A (ko) * 2000-09-20 2002-03-27 이우기 음식물 쓰레기 발효액을 이용한 ｐｈａ의 생산방법

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