KR100386102B1 - 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주 및이를 이용한 생물학적 휘발성 유기화합물질의 제거 방법 - Google Patents

마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주 및이를 이용한 생물학적 휘발성 유기화합물질의 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휘발성 유기화합물(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌, 신나 등과 같은 각종 용매류와 경유나 등유 등의 유류)을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 이산화탄소로 분해시키는 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 (Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P) 균주 및 이 균주를 이용하여 휘발성 유기화합물을 분해시키는 생물학적 제거방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 휘발성 유기화합물을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 이산화탄소로 분해시키며, pH 5-8, 15-40℃의 넓은 영역의 pH와 온도 영역에서 다양한 종류의 휘발성 유기화합물을 분해할 수 있는 능력을 가진 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 (Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P) 균주, 및 이를 이용한 단독 및 혼합 휘발성 유기화합물질의 제거 방법을 제공한다.
본 발명에 의하여, 각종 산업시설, 폐수처리시설, 유류저장 탱크 및 주유소 등에서 발생되는 휘발성 유기화합물을 함유한 오염물질을 효과적으로 정화시킬 수 있다.

Description

마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주 및 이를 이용한 생물학적 휘발성 유기화합물질의 제거 방법{Microbacterium esteraromaicum CS3-1 and a Method for Biological removal of volatile organic carbons using the Strain}
본 발명은 휘발성 유기화합물을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 이산화탄소로 분해시키는 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 (Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P), 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물을 분해시키는 생물학적 제거방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 휘발성 유기화합물을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 이산화탄소를 생성하며, pH 5-8, 15-40℃의 넓은 영역의 pH와 온도 영역에서 휘발성 유기화합물을 분해할 수 있는 능력을 가진 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 (Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P)과 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1를 배양하여 제조한 액상 또는 분말형태의 균주 제재, 및 이들을 이용한 단독 및 혼합 휘발성 유기화합물질의 제거 방법을 제공한다.
휘발성 유기화합물(VOC: Volatile Organic Compound)은 증기압이 높아 상온에서 대기 중으로 쉽게 증발되고, 대기 중에서 질소산화물과 공존시 태양광의 작용을 받아 광화학반응을 일으켜 오존 및 PAN 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그를 유발하는 수 많은 화합물의 총칭이다. VOC 물질의 범주는 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산, 금속성 탄산염 및 탄산 암모늄을 제외한 탄소화합물로서 대기 중에서 광화학반응에 관여하는 화합물이다. 예를 들면, 원유, 가솔린, 나프타 및 항공터빈연료유, 또는 비점이 1기압에서 섭씨 150℃ 이하인 물질, 혼합물질은 1기압에서 5퍼센트 유출점이 섭씨 150℃ 이하인 물질들이다. 그러나, 메탄, 에탄, 메틸클로라이드, 메틸클로르포름, 클로르플로르탄소류 및 퍼플로르탄소류 등 광화학반응성이 낮은 화합물은 제외된다.
휘발성 유기화합물은 고정배출원에서의 유기용제 사용과 액체연료의 사용, 수송, 저장 및 자동차 등 이동배출원에서 사용되는 연료에 의해 대기 중으로 배출된다. 또한 VOC는 산업체에서 많이 사용되고 있는 용매와 화학 및 제약공장 그리고 플라스틱 제조공장(건조공정)에서 배출되는 유기가스 등까지 매우 다양하며, 저비점 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물등 우리 생활주변에서 흔하게 사용되는 유기물질들이 거의 휘발성 유기화합물이다.
휘발성 유기화합물은 방향족 화합물이나 할로겐 탄화수소와 같이 화합물 자체로서도 환경 및 건강에 직접 유해하거나 지방족 탄화수소와 같이 대기중의 광화학 반응에 관여하여 광화학 산화물 등의 2차 오염 물질을 생성할 수 있다. 특히 다고리방향족 탄화수소류는 대기 중에 미량으로 존재하더라도 발암가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.
대기 중으로의 휘발성 유기화합물 배출의 가장 큰 문제점 중 하나는 NOx 존재 하에서 OH 라디칼 연쇄반응에 관여하여 오존을 시발로 하는 산화성 물질의 생성하는 것이다. 또한, 대기 중에 휘발성 유기화합물, 질소화합물, 황화산화물 등의 공존시에 광화학 반응에 의해 질산염, 황산염, 부유 입자상 물질들이 생성되고, 이물질들이 지상에 떨어지면서 건성침착물과 습성침착물이 되어 식물, 토양 등의 생태계에 많은 영향을 미치게 된다.
휘발성 유기화합물의 저감 또는 처리를 위해 다양한 종류의 물리적, 화학적, 생물학적 방법들(응축법, 연소법, 흡착법, 및 biofilter법)이 사용되고 있다.
(냉각) 응축법은 VOC 성분들의 온도와 증기압에 따라 VOC를 함유하고 있는 가스를 -30 ∼ -180oC까지 냉각하여 VOC를 응축시켜 제거하는 방법이다. 냉각 응축법은 비점이 상온에 비해 매우높은 탄화수소류나 유기화합물류가 고농도로 존재할 때 적절히 이용 가능하다. 그러나, VOC의 함유량이 낮은 배출가스원으로부터 배출 허용기준까지 VOC를 저감시키는데는 비경제적인 방법이다.
VOC 성분을 급속히 산화시켜 제거하는 연소법은 99% 까지 VOC를 제거할 수 있으나, 제거율을 높이기 위해서는 많은 양의 연료를 필요로 하는 단점이 있다. 촉매사용과 열회수 시스템이 연료비용을 줄일 수는 있지만, 투자비와 유지비가 많이 소요되는 단점이 있다. 또한, 촉매식 연소법에서는 촉매를 열화 시키는 물질에 의해 촉매가 불활성화 되며, 연소과정에서 SOx, CO, NOx 등의 2차 오염 물질이 발생되는 단점이 있다.
물리적 흡착법은 착제를 사용하여 휘발성 유기화합물을 제거하는 기술이다. 최근 다양한 종류의 흡착제와 이들 흡착제의 재생방법이 다양하게 개발되고 있다. 그러나, 흡착법은 소모품비가 많이 소요되고, 포화된 흡착제는 재생이나 매립 폐기가 필요로 하는 문제점이 있다. 또한 이 공정은 고농도에서 다양한 오염원으로부터 휘발성 유기화합물을 처리할 수 있으나, 저농도의 오염원에서는 적합하지 않은 단점이 있다.
바이오필터 방법은 균주의 작용에 의해 휘발성 유기화합물을 이산화탄소로 전환시키는 방법이다. 기존의 휘발성 유기화합물 저감 방법들과 비교하여 바이오필터는 낮은 투자비와 조업비, 저렴한 유지 관리비, 낮은 에너지 소비율, 화학물질과 연료 사용의 최소화, 2차 오염물질의 발생이 거의 없는 청정기술로 알려져 있다. 바이오필터의 최대 장점은 타 방법과 비교할 때 상온·상압 하에서 조업하기 때문에 가장 운전비가 적게 소요되며 유지관리가 용이하다는 점이다. 바이오필터의 조업비는 연소법의 약 10-20%에 불과하다. 이러한 장점 때문에 과거 10여 년 동안 VOC와 악취 제거 방법이 물리·화학적 방식에서 생물학적 방법으로 전환되고 있으며, 이에 대한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.
그러나 현재까지 광범위한 VOC를 높은 효율로 분해하는 균주가 거의 개발되어있지 않기 때문에 바이오필터에 의한 VOC 제거방법의 확산에 저해요인으로 작용하고 있다.
따라서 기존 상용화되고 있는 바이오필터 보다 우수한 성능의 바이오필터를 개발하기 위해서 휘발성 유기화합물의 분해능이 우수한 균주의 독자적인 확보가 필요하다. 또한, 휘발성 유기화합물의 배출원이 매우 다양하게 때문에 넓은 영역의 pH와 온도 범위에서 휘발성 유기화합물의 분해능을 보유한 전천후성 균주의 확보가 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 넓은 영역의 pH와 온도 범위에서 다양한 휘발성 유기화합물을 효과적으로 분해하는 신규의 균주 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물의 생물학적인 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 균주에 의한 pH 변화에 따른 벤젠과 톨루엔의 비분해속도 그래프
도 2는 본 발명의 균주에 의한 온도 변화에 따른 벤젠과 톨루엔의 비분해속도 그래프
도 3은 본 발명의 균주가 고정된 바이오필터에서 톨루엔 오염가스의 공간속도 및 유입농도 변화에 따른 제거효율을 보여주는 그래프
도 4는 본 발명의 균주가 고정된 바이오필터의 톨루엔 분해능을 보여주는 그래프
도 5는 본 발명의 균주가 고정된 바이오필터에서의 혼합 휘발성 유기화합물을 함유한 오염가스 제거효율을 보여주는 그래프
상기한 첫 번째 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 각종 용매류(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌, 신나 등)와 유류(경유나 등유 등) 등의 휘발성 유기화합물을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 이산화탄소로 효율적으로 분해할 수 있는 능력을 가진 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 (Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P) 를 제공한다.
본 발명에 의한 상기 균주는 휘발성 유기화합물 제거용 바이오필터에서 분리 동정된 것이다.
먼저, 휘발성 유기화합물 제거용 바이오필터로부터 채취한 담체 시료를 멸균수로 희석한 후 영양이 풍부한 한천배지에 배양하여 우점종인 균주를 수종 얻었다. 이들 우점종을 분리하고, 분리 순수균의 휘발성 유기화합물을 이용한 생장과 분해성능을 조사하여 휘발성 유기화합물의 분해능이 가장 우수한 한 균주인 씨에스3-1을 분리하였다.
분리균 씨에스3-1은 길이가 1.5㎛ 가량의 단간균으로서 운동성이 있는 그람양성균이고 효모추출액 한천 배지에서의 콜로니의 형태와 색은 원형과 노란색이었다. 분리한 균주에 대하여 일반적인 실험방법에 의거하여 그람염색, oxidase, catalase, 유기물의 이용, 최적 pH 등 생화학적 특성 및 균주의 세포벽 유기산성분을 분석한 결과 분리균은 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴(Microbacterium esteraromaicum)에 속하는 신균주로 동정되어 그 명칭을 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1로 정하고 이를 한국과학기술연구원 부설 생물공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 기탁하여 균주번호 KCTC 18035P 를 부여받았다.
본 발명에 의한 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 유기 탄소화합물을 탄소원으로 이용하는 종속영양세균으로, 다양한 용매류(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌)와 유류 등과 같은 C6-C36의 휘발성 석유탄화수소를 탄소원과 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 이산화탄소로 완전히 광물화시켜 분해시키는 세균이다.
상기 균주의 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌의 비분해속도는 각각 4.8, 2.3, 2.0, 0.5 mmole/g-건조세포중량/h 이다. 상기 균주는 5-8의 넓은 pH 영역에서 휘발성 유기화합물의 분해능을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 15-40℃의 넓은 온도 영역에서 휘발성 유기화합물을 분해하는 특성을 지닌다.
또한, 종래의 세균들과 달리 단독 휘발성 유기물뿐만 아니라 혼합 휘발성 유기물에서도 우수한 분해능을 발휘할 수 있는 특성을 보인다.
상기한 본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 환경기초시설 및 각종 사업장에서 발생되는 용제류(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌 등)와 유류(경유, 등유 등)과 같은 휘발성 유기화합물질을 함유한 오염물을 본 발명에 의한 균주인 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 세균과 접촉시켜 이산화탄소로 전환·제거하는 생물학적 휘발성 유기화합물 제거 방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 세균의 다음 반응식 (1)-(3)과 같은 반응수행능력을 활용하여 휘발성 유기화합물을 제거하는 방법이다.
벤젠 + 산소 →이산화탄소 (식 1)
톨루엔 + 산소 →이산화탄소 (식 2)
에틸벤젠 + 산소 →이산화탄소 (식 3)
본 발명에서 휘발성 유기화합물의 제거하기 위해서 휘발성 유기화합물을 함유한 오염공기를 제 1 항의 균주 현탁액과 접촉시킴으로써 상기 휘발성 유기화합물질을 이산화탄소로 전환·제거하는 방식을 택할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 균주인 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1의 현탁액이 살수되는 흡수탑에 휘발성 유기화합물을 함유한 오염공기를 불어넣거나, 상기 균주의 현탁액 자체에 휘발성 유기화합물을 함유한 오염공기를 불어넣음으로써 오염공기중에 함유된 휘발성 유기화합물이 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1에 접촉하도록 하여 상기 균주의 생물학적 분해작용에 의해 이산화탄소로 분해되도록 하는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 균주를 고정한 담체에 오염공기를 통과시키는 방식을 적용할 수도 있다. 즉, 상기 균주를 효모추출액 액체 배지에 대량 배양하여 준비한 균체 농축액을 균주 담체에 고정화하고, 균주를 고정화한 담체를 충전한 생물반응기 또는 휘발성 유기화합물 제거장치에 휘발성 유기화합물을 포함하고 있는 오염가스를 주입시켜, 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주의 산화작용에 의해 휘발성 유기화합물을 이산화탄소로 완전 광물화시키는 것이다.
담체화 방법을 적용하는 경우 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주의 생장과 활성을 유지하기 위하여 고정화 담체의 습도 95∼100%, 온도 15∼40℃로 일정하게 조절하는 것이 바람직하고, 무기염배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 증류수 1리터)를 간헐적으로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 균주 및 방법에 의하면 단독 휘발성 유기화합물 뿐 아니라 혼합 휘발성 유기화합물도 완벽하게 분해할 수 있다.
상술한 본 발명에서 제공되는 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 제거방법에 의하면, 대한민국 특허 출원번호 10-19999-0060357 (공개번호: 특2000-0012740)에서 제공되는 폐가스 정화용 바이오필터 장치에 적용할 경우 하기 실시예 3과 4에서 볼 수 있듯이, 톨루엔을 함유한 오염가스를 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주가 고정화되어 있는 담체층을 통과시키면, 넓은 농도 범위에서 톨루엔을 거의 완벽하게 효율적으로 분해한다.
또한, 본 발명에 의한 균주가 고정화된 담체를 적용한 폐가스 정화용 바이오필터 장치에 의하면 조건에 따라서 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌을 혼합한 오염가스 내의 휘발성 유기화합물을 90-95% 이상의 분해율로 제거할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 균주가 고정화된 담체를 적용한 폐가스 정화용 바이오필터 장치는 장기 조업과정에서도 안정적으로 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시 예를 통하여 상세히 설명한다. 실시예 에서는 필요에 따라 본 발명의 균주를 담체에 고정하여 실험하였다. 그러나 하기 실시 예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적 사상이나 발명의 범위가 영향받는 것은 아니다.
실시예 1 : 휘발성 유기화합물 분해능이 우수한 균주의 분리 및 동정
본 발명에 의한 균주를 분리하기 위하여 현재 바이오필터를 적용하여 가동 중인 휘발성 유기화합물 제거장치 8기로부터 담체시료 25종을 샘플링하였다.
바이오필터로부터 채취한 담체 시료 10g(습중량)을 90ml의 멸균수에 넣고 250rpm에서 30분간 진탕 혼합한 후, 이 현탁액을 멸균수로 단계적으로 희석하였다. 희석액을 효모추출액 한천 배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 효모추출물 1g, 아가 15g, 증류수 1리터, pH 7.0)에 도말한 후 30℃에서 3일간 배양하여, 효모추출액 한천 배지 위에 우점종의 균주를 수종 얻었다. 이어서 분리 우점종을 0.5리터 용량의 밀폐가 가능한 혈청병에 무기염배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 증류수 1리터, pH 7.0) 20ml에 각각 접종하였다. 혈청병을 미니넛 밸브로 완전히 밀폐한 후, 주사기를 이용하여 유일 탄소원과 에너지원으로 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌을 단독으로 또는 혼합하여 배지에 첨가한 후, 30℃, 180rpm에서 진탕 배양하였다. 배양시간에 따라 혈청병 상부의 가스를 주사기로 채취하고 가스크로마토그래피를 이용하여 채취가스 중의 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하여 수종의 균주 중에서 휘발성 유기화합물의 분해능이 가장 우수한 균주 한 종을 분리하였다.
상기 방법으로 분리한 균주에 대하여 일반적인 실험방법에 의거하여 그람염색, 옥시다제, 카탈라제, 유기물의 이용, 최적 pH 등 생화학적 특성과 균주의 세포벽 성분의 유기산 분포를 조사하여 분리된 균주를 동정하였다.
분리균 씨에스3-1은 길이가 1.5㎛ 가량의 단간균으로서 운동성이 있는 그람양성균이었다. 효모추출액 한천 배지에서의 콜로니의 형태와 색은 원형과 노란색이었고, 시토크롬 옥시다제(cytochrome oxidase)와 카탈라제(catalase) 활성실험 결과 모두 양성의 반응을 보였다. 세포벽 지방산의 주요성분은 anteiso-hydroxy 15:0, iso-hydroxy 16:0, 및 anteiso-hydroxy 17:0 이었다.
이상과 같은 조사결과, 분리균은 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴(Microbacterium esteraromaicum)에 속하는 신균주로 동정되었고, 한국과학기술연구원 부설 생물공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 기탁하여 균주번호 KCTC 18035P 를 부여받고 그 명칭을 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1로 정하였다.
실시 예 2 : 본 발명의 균주에 의한 휘발성 유기화합물 분해
본 발명에 의한 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 이용하여 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌의 비분해속도를 측정하였다.
0.5리터 용량의 밀폐가 가능한 혈청병에 무기염배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 증류수 1리터, pH 7.0) 20ml를 넣고 씨에스3-1 균주를 접종하였다. 혈청병을 미니넛 밸브로 완전히 밀폐한 후, 주사기를 이용하여 유일 탄소원과 에너지원으로 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 쟈일렌을 단독으로 또는 혼합하여 배지에 첨가한 후, 30℃, 180rpm에서 진탕 배양하였다. 배양시간에 따라 혈청병 상부의 가스를 주사기로 채취하고 가스크로마토그래피를 이용하여 채취가스 중의 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하여 비분해속도를 계산하였다(표 1).
가스종류 비분해속도(mmole·g-1 균체건조중량·h-1)
단독가스주입 혼합가스주입
벤젠 톨루엔 벤젠+톨루엔 벤젠+톨루엔 +에틸벤젠 벤젠+톨루엔 +에틸벤젠+쟈일렌
벤젠 4.8 - 3.6 1.3 2.3
톨루엔 - 2.3 2.1 1.2 1.8
에틸벤젠 - - - 2.0 1.4
쟈일렌 - - - - 0.5
벤젠 및 톨루엔을 단독으로 혈청병에 주입한 경우, 본 발명에서 제공하는씨에스3-1 균주는 단위 시간당(h) 단위 건조 중량당(g) 벤젠을 4.8 mmole, 톨루엔을 2.3 mmole 분해할 수 있는 능력을 발휘하였다. 또한, 씨에스3-1 균주는 벤젠과 톨루엔을 2 성분 혼합가스, 벤젠, 톨루엔 및 에틸벤젠의 3성분 혼합가스 뿐만 아니라, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 쟈일렌의 4성분 혼합가스를 모두 효율적으로 분해할 수 있는 성능을 가진 균주임을 확인하였다.
실시예 3 : pH에 따른 분리 균주의 휘발성 유기화합물 분해능
pH를 변화시키면서 본 발명에 의한 균주의 휘발성 유기화합물 분해정도를 조사하였다.
0.5리터 혈청병에 pH 5, 6, 7 및 8로 조제한 인산염 완충액(실시 예 2의 무기염배지 포함)을 20ml를 넣고 씨에스3-1 균주를 접종하였다. 혈청병을 미니넛 밸브로 완전히 밀폐한 후, 상기 실시예 2에서와 같은 방법으로 벤젠 및 톨루엔을 각각 배지에 첨가한 후, 30℃, 180rpm에서 진탕 배양하면서 혈청병 상부의 가스를 주사기로 채취하여 벤젠 및 톨루엔의 농도를 가스크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.
각 pH 조건에서 측정된 씨에스3-1 균주의 벤젠 및 톨루엔 비분해속도(mmole·g-균체건조중량-1·h-1)를 도 1에 도시하였다. 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 pH 7에서 최대 벤젠 및 톨루엔 분해 활성을 발휘하며, pH 5부터 pH 8의 모든 영역에서 높은 벤젠 및 톨루엔 분해 활성을 가짐을 확인할 수 있었다. 도 1에서 보듯이, 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 매우 넓은 pH 범위에서 휘발성 유기화합물 분해능을 발휘하는 우수한 균주임을 확인할 수 있었다.
실시예 4 : 온도에 따른 분리 균주의 휘발성 유기화합물 분해
배양온도를 변화시키면서 본 발명에 의한 균주의 휘발성 유기화합물 분해정도를 조사하였다.
0.5리터 혈청병에 무기염배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 증류수 1리터, pH 7.0) 20ml를 넣고 씨에스3-1 균주를 접종하였다. 혈청병을 미니넛 밸브로 완전히 밀폐한 후, 벤젠 및 톨루엔을 각각 배지에 첨가한 후, 15, 20, 30, 37 및 40℃, 180rpm에서 진탕 배양하면서 혈청병 상부의 가스를 주사기로 채취하여 벤젠 및 톨루엔의 농도를 가스크로마토그래피를 이용하여 측정하였다. 각 배양 온도에서 측정된 씨에스3-1 균주의 벤젠 및 톨루엔 비분해속도(mmole·g-균체건조중량-1·h-1)를 도 2에 도시하였다.
마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 30℃에서 최대 벤젠 및 톨루엔 분해 활성을 발휘며, 15℃의 낮은 온도 조건 뿐만 아니라, 40℃의 고온 조건에서도 높은 벤젠 및 톨루엔 분해 활성을 가짐을 확인할 수 있었다. 도 2에서 보듯이, 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 매우 넓은 온도 범위에서 휘발성 유기화합물 분해능을 발휘하는 우수한 균주임을 확인하였다.
실시예 5 : 고정화된 분리균주의 톨루엔 분해
본 발명에 의한 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 고정화한 휘발성유기화합물 분해장치에서의 톨루엔 분해성능을 조사하였다.
효모추출액 배지에 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 배양한 후, 배양액을 8000rpm에서 10분간 원심 분리하여 균체를 회수하여 무기염배지에 현탁하여 이 균체 농축액을 준비하였다. 대한민국 특허 출원번호 10-19999-0060357 (공개번호: 특2000-0012740)에 개시된 폐가스 정화용 바이오필터(생물반응탑) 장치에 고정화 담체로 크기가 20mm인 발포 폴리에틸렌을 0.5 m3 충전시킨 후 상기 농축 균주를 4시간 고정화 담체층에 살포하여 접종·고정화하여 바이오필터를 준비하였다.
톨루엔 시약을 밀폐된 혈청병에 넣고 정량펌프로 가스발생장치에 주입하여 일정한 농도로 발생시킨 톨루엔 가스를 바이오필터에 주입하였다. 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 접종한 생물반응탑에 톨루엔을 공간속도 417h-1에서 1041h-1으로 단계적으로 증가시킴과 동시에 각각의 공간속도에서 톨루엔의 유입농도를 80ppm에서 700ppm까지 증가시키면서 톨루엔의 제거 효율을 측정하였다(도 3).
도 3에서 보듯이 모든 실험 조건에서 톨루엔의 제거효율은 90% 이상이었다. 이러한 결과는 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주의 톨루엔 분해활성은 700ppm의 고농도 톨루엔에 의해 전혀 저해를 받지 않으며, 1041h-1의 매우 높은 공간속도로 톨루엔을 주입하여도(체류시간 3.5 초) 톨루엔이 분해 가능한 우수한 균주임을 의미한다. 공간속도 1041h-1, 톨루엔 유입농도 80∼700ppm의 각각의 실험조건을 단위시간당 생물탈취장치의 단위부피당 공급된 톨루엔량(부하량)을 계산하여 각각의 부하량의 조건에서 얻은 생물반응탑의 톨루엔 처리용량을 계산한 결과(도 4), 본 발명에서 제공되는 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 활용한 생물반응탑의 톨루엔 처리용량은 3,800 g-톨루엔·m-3·h-1임을 확인하였다.
이러한 톨루엔 분해 활성은 100일 동안의 장기 조업과정에서도 안정적으로 유지되었다.
실시예 6 : 고정화된 분리균주에 의한 혼합 가스 분해
마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주의 벤젠, 톨루엔, 에틸벤제 및 쟈일렌 혼합 가스 분해능을 조사하였다.
상기 실시예 5에서와 같은 방법으로 폐가스 정화용 바이오필터(생물반응탑) 장치를 준비하였다. 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠 및 쟈일렌을 동일 부피비로 혼합하여 밀폐된 혈청병에 넣고 정량펌프로 가스발생장치에 주입하여 일정한 농도로 발생시킨 4성분 혼합 가스를 생물반응탑에 주입하였다. 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 접종한 생물반응탑에 상기의 4성분 혼합가스를 공간속도 125h-1 조건에서 유입농도를 10ppm에서 150ppm으로 단계적으로 증가시키면서 각각의 가스의 제거 효율을 측정한 결과를 도 5에 도시하였다.
벤젠의 경우, 유입농도가 40ppm 이하의 조건에서는 95% 이상의 높은 제거 효율을 보였고, 유입농도가 40ppm을 초과하는 조건에서도 90% 이상의 제거효율을 보였다. 톨루엔의 제거효율은 유입농도에 관계없이 항상 95% 이상으로, 매우 우수한 톨루엔 분해능을 나타내었다. 에틸벤젠도 톨루엔과 유사하게 유입농도에 관계없이 90% 이상의 높은 제거효율을 보였다. 쟈일렌의 경우, 유입농도가 70ppm 이하일 경우에는 90% 이상의 제거 효율을 보였다.
즉, 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주에 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 쟈일렌의 4성분 혼합가스를 공간속도 125h-1, 유입농도 10∼150ppm의 조건으로 주입하면 4성분을 모두 분해할 수 있으며, 전체 제거효율은 95%이상임이 확인되었다. 또한, 4성분 혼합가스를 공간속도 200∼625h-1, 유입농도 10∼50ppm의 조건으로 혼합가스를 주입하였을 때 벤젠과 에틸벤젠의 제거효율은 각각 90% 이상, 톨루엔과 자일렌 제거효율은 각각 90∼95%와 90%로 전체 휘발성 유기화합물의 분해능은 90% 이상으로, 매우 높은 휘발성 유기화합물 제거효율을 나타내었다.
실시예 7 : 분리균주의 석유탄화수소 분해
마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주에 의한 석유탄화수소의 분해능을 조사하였다.
토양 300g에 탄소수 C6-C36 범위의 석유탄화수소를 0.5 mL 첨가하여 혼합한 후 2L 용량의 밀폐용기에 넣고 무기염배지(KH2PO4 1.5g, Na2HPO4·12H2O 9g, (NH4)2SO4 3g, CaCl2·2H2O 0.01, MgSO4 0.5g, 증류수 1리터, pH 7.0) 10ml를 넣고 씨에스3-1 균주 배양액 2 mL를 접종하였다. 토양이 들어있는 용기를 상온에 방치한 후 1일 1회씩 토양을 채취하여 공정시험법에서 제공하는 총 석유탄화수소(TotalPetroleum Hydrocarbon, TPH) 분석법을 이용하여 가스크로마토그래피로 측정하였다. 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주는 탄소수 C6-C36 범위의 석유탄화수소를 빠르게 분해하였고, 7일 이후 초기 주입량의 95%를 분해할 뿐만 아니라 탄소수에 무관하게 C6-C36를 균일하게 분해함을 확인하였다.
본 발명에 의한 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1 균주를 사용함으로써 pH 5-8과 15-40℃의 넓은 조업영역에서 휘발성 유기화합물 단독 성분뿐 만 아니라 혼합 성분의 처리능력도 매우 뛰어나기 때문에 각종 산업시설, 폐수처리시설, 유류저장 탱크 및 주유소 등에서 발생되는 다양한 종류의 휘발성 유기화합물(용제류와 유류)을 함유한 오염물질을 효과적으로 정화시킬 수 있다. 또한, 상기 균주는 종래의 균주들과는 달리 휘발성 유기화합물의 단독 성분뿐만 아니라 혼합 성분의 처리능력도 매우 뛰어나기 때문에 종래의 균주를 활용한 생물학적 휘발성 유기화합물 제거방법에 비해 매우 효과적으로 휘발성 유기화합물을 처리 할 수 있다.

Claims (5)

  1. 휘발성 유기화합물을 탄소원과 에너지원으로 이용할 수 있으며, pH 5-8, 온도 15-40℃의 범위에서 휘발성 유기화합물의 분해능력을 보유한 균주 마이크로박테리움 에스테르아로마티컴 씨에스3-1(Microbacterium esteraromaicumCS3-1, KCTC 18035P).
  2. 제 1 항의 균주를 함유하는 액상 또는 분말형태의 균주 제재.
  3. 휘발성 유기화합물질을 제 1 항의 균주와 접촉시켜 이산화탄소로 전환·제거하는 것을 특징으로 하는 생물학적 휘발성 유기화합물 제거방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    휘발성 유기화합물을 함유한 오염공기를 제 1 항의 균주 현탁액과 접촉시킴으로써 상기 휘발성 유기화합물질을 이산화탄소로 전환·제거하는 것을 특징으로 하는 현탁균을 이용한 생물학적 휘발성 유기화합물 제거방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    휘발성 유기화합물을 포함한 오염공기를 제 1 항의 균주가 고정화 되어있는 담체층을 통과시킴으로써 상기 휘발성 유기화합물질을 이산화탄소로 전환·제거하는 것을 특징으로 하는 고정화 균주를 이용한 생물학적 휘발성 유기화합물 제거방법.
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