KR100279910B1 - 유기황분자를함유한화석연료를탈황시킬수있는노카디아cyks2균주및이를이용한생물학적탈황방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상온 및 상압의 조건하에서 석유 혹은 석탄과 같은 화석연료내에 존재하는 황을 함유하고 있는 유기탄소물질로부터 탄소간의 결합은 파괴하지 않고, 탄소와 황 사이의 결합만을 파괴하여 황을 선택적으로 제거할 수 있는 노카디아 CYKS2(KCTC 0432BP) 균주 및 이를 이용한 생물학적 탈황방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제공되는 유기황 화합물 산화세균인 노카디아 균주는 유기황 화합물인 디벤조티오펜을 위시한 여러 종류의 유기황 화합물들을 유일황원으로 이용할 수 있고, 화석원료내의 유기황 화합물을 탈황시킬 수 있는 특징을 갖는다. 본 발명의 노카디아 CYKS2 균주를 이용하면, 종래의 화학적 탈황방법에 비하여 장치비와 운전비 등을 절감할 수 있으며, 특히 화학적 탈황방법으로는 제거가 어려운 디벤조티오펜 이상의 복잡한 구조를 가지는 유기황 화합물까지도 비교적 용이하게 탈황이 가능하다는 잇점이 있다.

Description

유기황 분자를 함유한 화석연료를 탈황시킬 수 있는 노카디아 ＣＹＫＳ2 균주 및 이를 이용한 생물학적 탈황방법
본 발명은 유기황 분자를 함유한 화석연료를 탈황시킬 수 있는 노카디아 CYKS2 균주(Nocardia sp. CYKS2) 및 이를 이용한 생물학적 탈황방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 상온 및 상압의 조건하에서 석유 혹은 석탄과 같은 화석연료 내에 존재하는 황을 함유하고 있는 유기탄소물질로부터 탄소간의 결합은 파괴하지 않고, 탄소와 황 사이의 결합만을 파괴하여 황을 선택적으로 제거할 수 있는 노카디아 CYKS2(Nocardia sp. CYKS2) 균주 및 이를 이용한 생물학적 탈황방법에 관한 것이다.
석유에 포함된 200여종 이상의 유기황 화합물들의 연소시 발생하는 황산화물(SOX)은 대기오염을 유발할 뿐만 아니라, 산성비의 원인이 되어 생태계에 악영향을 미치기 때문에, 화석연료의 황 함량을 근본적으로 감소시킬 수 있는 연소전 탈황방법의 사용이 필요하다. 통상적으로 석유류 제품의 연소전 탈황을 위해서는, 300∼360℃, 35∼170 기압의 압력 조건하에서 수소를 첨가하여 수행되는 수첨탈황공정이 사용되고 있지만, 원유와 유분에 따라 차이는 있으나 전체 황의 30%이상 차지하는 것으로 알려진 디벤조티오펜 이상의 복잡한 구조를 가지는 화합물에 대해서는 수첨탈황반응으로는 효율적인 탈황이 어렵고, 고심도 탈황에 의해서만 제거가 가능한 단점이 있다. 따라서, 장기적으로는 고심도 탈황의 어려움, 저유황 원유의 감소, 보다 강력해진 환경규제 등을 고려할 때, 저에너지 소비형 석유 탈황기술이 절실히 요구되어 왔다.
디벤조티오펜
한편, 유기황 화합물을 선택적으로 제거할 수 있는 탈황세균을 이용하는 생물학적 탈황방법은 그 반응이 상온, 상압하에서 수행되므로, 수소를 사용하는 종래의 화학적 탈황방법에 비해 장치비와 운전비 등을 절감할 수 있으며, 특히 화학적 탈황방법으로는 제거가 어려운 디벤조티오펜 이상의 복잡한 구조를 가지는 유기황 화합물까지도 비교적 용이하게 탈황이 가능하다는 잇점이 있다.
일반적으로, 미생물을 이용한 화석연료의 생물학적 탈황법은 호기적인 조건이나 혐기적인 조건에서 이루어진다. 호기성 세균을 이용한 탈황법은 유기황 분자의 탈황반응이 호기적 조건에서 진행되므로, 혐기성 세균을 이용한 탈황법과 비교하여 탈황속도면에서 우수하고, 고가의 수소나 전기적 환원력, 혐기유지를 위한 첨가물 및 별도의 장치를 필요로 하지 않는 장점을 가진다.
이에, 본 발명자들은 화석연료의 유기황 화합물로부터 선택적으로 황을 제거할 수 있는 탈황세균을 찾고자 예의 연구노력한 결과, 상온, 상압의 호기적 조건하에서 석유나 석탄과 같은 화석연료의 유기탄소원들과 화학적으로 결합되어 있는 대표적인 유기황 화합물인 디벤조티오펜을 탈황할 수 있는 균주를 원유로 오염된 폐수로부터 분리하여 전기 균주가 신규한 노카디아(Nocardia) 균주임을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국 본 발명의 주된 목적은 유기황 화합물로부터 선택적으로 황을 제거할 수 있는 신규한 노카디아 균주를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 미생물을 이용한 호기 조건하에서의 생물학적 유기황 탈황방법을 제공하는 것이다.
도 1은 디벤조티오펜/에탄올계에서의 노카디아 CYKS2 균주에 의한 디벤조티오펜 제거를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 노카디아 CYKS2 균주에 의해 생성된 디벤조디오펜의 대사산물인 2-하이드록시바이페닐(2-hydroxybiphenyl)의 가스 크로마토그래피/매스스펙트로미터(GC-EI/MS)의 분석결과를 나타내는 크로마토그램이다.
도 2b는 노카디아 CYKS2 균주에 의해 생성된 디벤조디오펜의 대사산물인 디벤조티오펜설폰(dibenzothiophene sulfone)의 가스 크로마토그래피/매스스펙트로미터(GC-EI/MS)의 분석결과를 나타내는 크로마토그램이다.
도 3은 디벤조티오펜/헥사데칸계에서의 노카디아 CYKS2 균주에 의한 디벤조티오펜 제거를 나타내는 그래프이다.
도 4는 노카디아 CYKS2 균주를 사용하여 처리한 디젤유의 시간에 따른 황함량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 노카디아 CYKS2 균주에 의해 탈황된 디젤유의 가스 크로마토그래피GC-SCD 크로마토그램이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제공되는 유기황 화합물 산화세균인 노카디아 균주는 유기황 화합물인 디벤조티오펜을 위시한 여러 종류의 유기황 화합물들을 유일황원으로 이용할 수 있고, 화석원료내의 유기황 화합물을 탈황시킬 수 있는 특징을 갖는다. 본 발명의 발명자들은 오염된 폐수 시료들로부터 디벤조티오펜을 유일황원으로 한 연속, 집식 배양에 의하여 미생물의 선별단계를 거친 후, 선정된 균주들을 디벤조티오펜을 유일황원으로 하는 성장배지에서 배양하여 디벤조티오펜을 탈황할 수 있는 능력을 보이는 균주를 분리하였다. 이어, 전기 균주는 세포벽에 디아미노피멜릭산 이소머 및 마이콜릭산을 가지고 있으며, HPLC에 의한 퀴논 분석 메나퀴논 MK-8(H4)만이 검출되어 신규한 노카디아 균주임을 확인하였다. 이에, 전기 균주를 노카디아 CYKS2 균주(Nocardia sp. CYKS2)로 명명하고, 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 1998년 1월 23일 균주번호 KCTC 0432BP로 기탁하였다.
본 발명에 의해 제공되는 노카디아 CYKS2 균주는 후술하는 실시예에서 대표적인 유기황 화합물로 도입된 디벤조티오펜에서 황만을 선택적으로 제거하여, 디벤조티오펜설폰(dibenzothiophene sulfone)을 거쳐 최종적으로 2-하이드록시바이페닐(2-hydroxybiphenyl)로 전환시키는 것이 확인되었다. 상기 균주는 이러한 경로를 거쳐, 화석연료내의 다른 성분 또는 유기황 화합물내의 탄소간 결합에는 영향을 미치지 않고, 유기황 화합물내의 황만을 제거하게 된다.
한편, 전기 본 발명에서 분리된 노카디아 CYKS2 균주를 이용한 생물학적 유기황 탈황은 유기황 화합물을 함유하는 기본염 배지에 노카디아 CYKS2 균주(Nocardia sp. CYKS2, KCTC 0432BP)를 접종하여, 20 내지 37℃의 호기 적 조건하에서 배양하여 실행된다.
전기 본 발명의 생물학적 유기황 탈황방법에서, 기본염 배지는 제이인산나트륨 1.5g/L, 제일인산칼륨 4.5g/L, 염화마그네슘 0.2g/L, 염화암모늄 2g/L, 염화칼슘 0.02g/L, 미량원소 용액(염화철 2100mg/L, 염화코발트 250mg/L, 염화니켈 24mg/L, 염화망간 100mg/L, 염화구리 5mg/L, 염화아연 144 mg/L, 볼릭산 30mg/L 및 염화 몰리브덴 36mg/L), 비타민 용액(폴릭산 0.025mg/L, 리보플라빈 2mg/L, 리포익산 0.05mg/L, 바이오틴 1mg/L, 니코티닉산 3.5mg/L, 염화티아민 3mg/L, p-아미노벤조산 2mg/L, 염화피리독살 1mg/L, 칼슘판토테네이트 1mg/L, 비타민 B120.5mg/L)을 포함한다.
본 발명의 탈황방법에 의해 탈황될 수 있는 유기황 화합물로서는, 메틸설파이드, 티오펜, 티아졸, 메틸다이설파이드, 2-메틸티오펜, 3-메틸티오펜, 4,5-다이메틸티아졸, 티아나프텐, 페닐설파이드, 디벤조티오펜, 2-메틸-β-나프티오티아졸, 벤질설파이드, p-톨릴다이설파이드, 벤질설파이드 또는 디벤조티오펜설폰 등을 포함하며, 이들 유기황 화합물을 포함하는 물질로서는 원유, 석유 또는 디젤유 등의 화석연료를 포함한다.
전기 유기황 화합물을 포함하는 물질의 탈황에는 전기 노카디아 CYKS2 균주의 세포, 전기균주의 세포파쇄액, 전기 균주의 탈황관련 유전자를 함유하는 재조합 미생물 또는 이들 균주로부터의 정제효소를 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 탈황 미생물의 탐색 및 동정
본 발명자들은 대구 염색공단의 폐수로부터 미생물을 분리하여 후술하는 실시예 2에서 기술된 방법으로 균주들의 탈황능을 측정하였다. 이에, 이들 탐색균주 중 가장 우수한 탈황능을 나타내는 균주를 선정하여 균주동정을 실시하였다(참조: 표 1). 표 1에 나타낸 균주의 화학분류 분석(chemotaxonomic analysis)에 의한 동정결과 및 공지의 문헌(International Journal of Systematic Bacteriology, 47:127-131(1997))의 개시로부터, 상기 균주가 노카디아(Nocardia) 계열의 탈황활성을 가진 신규한 미생물임을 확인하였다. 이에, 전기 균주를 노카디아 CYKS2 균주(Nocardia sp. CYKS2)로 명명하고, 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 1998년 1월 23일 균주번호 KCTC 0432BP로 기탁하였다.
노카디아 CYKS2 균주의 동정결과
동정항목 결과
퀴논 분석 메나퀴논(menaquinone) MK-8(H4) 가짐
디아미노피멜릭산(diaminopimelic acid) 이소머 분석 메소디아미노피멜릭산 (meso-diaminopimelic acid) 가짐
마이콜릭산 분석 마이콜릭산 가짐
실시예 2: 디벤조티오펜/에탄올계에서의 노카디아 CYKS2의 탈황능력 측정
유일황원으로서 에탄올에 용해된 디벤조티오펜(디벤조티오펜/에탄올계)을 사용하여, 노카디아 CYKS2 균주(Nocardia sp. CYKS2)의 탈황능력을 조사하였다. 즉, 포도당 10g/L를 포함한 기본염 배지(제이인산나트륨 1.5g/L, 제일인산칼륨 4.5g/L, 염화마그네슘 0.2g/L, 염화암모늄 2g/L, 염화칼슘 0.02g/L, 미량원소 용액 1mL/L, 비타민 용액 1mL/L) 20mL를 멸균처리한 다음, 무수에탄올에 용해시킨 디벤조티오펜 용액을 0.0386g/L(0.2mM) 농도가 되도록 첨가하였다. 이때, 사용된 미량원소 용액의 조성은 염화철 2100mg/L, 염화코발트 250mg/L, 염화니켈 24mg/L, 염화망간 100mg/L, 염화구리 5mg/L, 염화아연 144 mg/L, 볼릭산 30mg/L 및 염화몰리브덴 36mg/L이다. 비타민 용액의 조성은 폴릭산 0.025mg/L, 리보플라빈 2mg/L, 리포익산 0.05mg/L, 바이오틴 1mg/L, 니코티닉산 3.5mg/L, 염화티아민 3mg/L, p-아미노벤조산 2mg/L, 염화피리독살 1mg/L, 칼슘판토테네이트 1mg/L, 비타민 B120.5mg/L이다.
노카디아 CYKS2 균주를 상기 접종하여 경시적으로 생육도를 측정한 결과, 도 1에서 보듯이 초기 0.2mM의 디벤조티오펜이 약 60시간만에 모두 분해되었으며, 중간 대사산물인 디벤조티오펜설폰(dibenzothiophene sulfone)은 최종 대사산물인 2-하이드록시바이페닐로 전환되었다. 이때, 디벤조티오펜 및 2-하이드록시바이페닐은 L-6200 Intelligent Pump 및 L-4200H UV-VIS Detector가 장착된 HPLC(Hitachi사, 일본국)를 이용하여 280nm에서 정량하였다. 세포배양액을 에틸아세테이트로 추출한 후 상등액에서 10㎕를 취하여 분석에 사용하였으며, 칼럼은 C18또는 페닐칼럼을 사용하였다. 이는 가스크로마토그래피/매스스펙트로미터의 분석결과로 다시 확인하였다(참조: 도 2a, 2b).
한편, 세포 성장은 600nm에서의 흡광도를 측정한 결과, 약 60시간만에 8.5의 흡광도를 나타내었으며, 이는 약 2.2g(건조중량)/L에 해당되었다. 세포성장은 포도당이 남아 있음에도 불구하고 디벤조티오펜이 고갈된 이후에는 더 이상 증가하지 않았으며, 이는 디벤조티오펜이 세포 성장이 유일황원으로 사용됨을 의미한다.
실시예 3: 디벤조티오펜/헥사데칸계에서의 노카디아 CYKS2의 탈황능력 측정
유일황원으로 헥사데칸에 용해된 디벤조티오펜(디벤조티오펜/헥사데칸계)을 사용하여, 노카디아 CYKS2 균주의 탈황능력을 조사하였다. 즉, 포도당 10g/L를 포함한 기본염 배지 20mL를 멸균한 후 헥사데칸에 용해된 디벤조티오펜(10mM) 2mL를 첨가하고, 노카디아 CYKS2 균주를 접종하여 33℃에서 디벤조티오펜의 감소를 경시적으로 측정하였다(참조: 도 3). 도 3에서 보듯이, 실시예 2과 같은 방법으로 측정한 헥사데칸내의 디벤조티오펜의 농도가 초기 10mM에서 80시간 경과후 1.62mM로 감소함이 확인되었다.
실시예 4: 노카디아 CYKS2의 여러 유기황 화합물에 대한 탈황능력 측정
석유내에 포함되어 있는 것으로 여겨지는 대표적인 유기황 화합물들을 선정하여, 이에 대한 노카디아 CYKS2 균주의 탈황능을 조사하였다. 그 결과, 하기 표 2에서 보듯이, 티오펜 유도체, 설파이드류 및 다이설파이드류 및 티아졸 유도체들에 대해서 탈황능을 나타내었다. 표 2에서 흡광도(600nm)는 노카디아 CYKS2 균주를 각 유기황 화합물만을 유일황원으로 포함하고 있는 배지에서 4일 배양한 후의 균체농도를 나타낸다.
노카디아 CYKS2(KCTC 0432BP)의 각종 유기황 화합물 이용
유기황 화합물 흡광도(600nm)
메틸설파이드 1.82
티오펜 1.76
티아졸 1.58
메틸다이설파이드 1.84
2-메틸티오펜 1.54
3-메틸티오펜 1.63
4,5-다이메틸티아졸 1.93
티아나프텐 1.53
트리디안 0.01
페닐설파이드 1.76
디벤조티오펜 1.73
2-메틸-β-나프티오티아졸 1.74
벤질설파이드 1.24
디안드렌 0.12
p-톨릴다이설파이드 1.66
벤질설파이드 1.38
디벤조티오펜설폰 1.56
벤질설폰 0.02
4,4'-티오다이페놀 0.28
실시예 5: 노카디아 CYKS2의 디젤유에 대한 탈황능력 측정
실제 디젤유에 대한 노카디아 CYKS2의 탈황 가능성을 조사하기 위하여, 약 0.3wt%의 황을 함유한 LGO(light gas oil) 2mL를 실시예 2와 동일한 방법으로 20mL 포도당-기본염 배지에 첨가하여, 노카디아 CYKS2 균주를 접종한 후 90시간에 걸쳐 황농도의 변화를 가스 크로마토그래피에 황화합물만을 선택적으로 검출하는 HP-5(30m X 0.5mm X 0.32㎛)의 칼럼이 장착된 SCD(Sulfur Chemiluminescence Detector)를 사용하여 측정하였다. GC의 분석조건은 먼저, 주입구 온도는 250℃, 오븐의 온도는 초기 120℃에서 2분간 방치하다가 10℃/분의 속도로 300℃까지 증진시킨후 2분간 방치하였으며, 칼럼에는 분당 2.0mL의 질소가 일정하게 흐르도록 하였다. 한편, 검출기인 SCD의 온도는 770-780℃, 수소의 유량은 분당 100mL, 공기의 유량은 분당 40mL를 유지하였다. 그 결과, 도 4와 같이 약 60시간 경과 후 초기 0.3wt%에서 약 0.235wt%까지 감소하였으며, 20mL의 배지에 1mL의 LGO를 첨가하여 오일과 배양액의 비를 1/20으로 한 경우에는, LGO내 황농도가 약 48시간이 경과한 후 초기 0.3wt%에서 약 0.206wt%까지 감소함을 확인하였다(도 5). 실시예 4에서는 본 발명의 노카디아 CYKS2가 다양한 종류의 유기황 화합물에 대해 탈황능을 가지고 있음이 확인되었으며, 본 실험에 의하여는 실제 LGO에 대해서도 탈황능이 있음이 확인되었다.
이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명은 상온 및 상압의 조건하에서 석유 혹은 석탄과 같은 화석연료의 내에 존재하는 황을 함유하고 있는 유기탄소물질로부터 탄소간의 결합은 파괴하지 않고, 탄소와 황 사이의 결합만을 파괴하여 황을 선택적으로 제거할 수 있는 노카디아 CYKS2 균주 및 이를 이용한 생물학적 탈황방법에 관한 것이다. 본 발명의 노카디아 CYKS2 균주를 이용하면, 종래의 화학적 탈황방법에 비하여 장치비와 운전비 등을 절감할 수 있으며, 특히 화학적 탈황방법으로는 제거가 어려운 디벤조티오펜 이상의 복잡한 구조를 가지는 유기황 화합물까지도 비교적 용이하게 탈황이 가능하다는 잇점이 있다.

Claims (5)

  1. 유기황 화합물을 유일황원으로 이용할 수 있는 노카디아 CYKS2 균주 (Nocardia sp. CYKS2, KCTC 0432BP).
  2. 유기황 화합물을 포함하는 물질이 함유된 배지에 노카디아 CYKS2 균주 (Nocardia sp. CYKS2, KCTC 0432BP)를 접종하여, 호기적 조건하에서 배양하 는 단계를 포함하는 생물학적 유기황 탈황방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    유기황 화합물은 메틸설파이드, 티오펜, 티아졸, 메틸다이설파이드,
    2-메틸티오펜, 3-메틸티오펜, 4,5-다이메틸티아졸, 티아나프텐, 페닐
    설파이드, 디벤조티오펜, 2-메틸-β-나프티오티아졸, 벤질설파이드,
    p-톨릴다이설파이드, 벤질설파이드 및 디벤조티오펜설폰으로 구성된
    그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는
    생물학적 유기황 탈황방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    유기황 화합물을 포함하는 물질은 원유, 석유 또는 디젤유인 것을 특징
    으로하는
    생물학적 유기황 탈황방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    배양은 20 내지 37℃에서 행하는 것을 특징으로 하는
    생물학적 유기황 탈황방법.
KR1019980007160A 1998-03-04 1998-03-04 유기황분자를함유한화석연료를탈황시킬수있는노카디아cyks2균주및이를이용한생물학적탈황방법 KR100279910B1 (ko)

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