KR100419430B1 - 단백질 성분 함유 폐수를 처리할 수 있는브레분디모나스속 미생물 및 상기 미생물을 이용한폐수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단백질성분을 함유한 폐수의 생물학적 처리를 위해 브레분디모나스속 미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 발명으로서, 단백질함유 폐수에 대해 처리능력이 우수한 특성이 있으므로 이를 이용하여 단백질 함유 폐수를 처리하면 COD 제거 효율이 높아져서 경제적이고 효율적인 폐수처리가 가능하다는 장점이 있다.

Description

단백질 성분 함유 폐수를 처리할 수 있는 브레분디모나스속 미생물 및 상기 미생물을 이용한 폐수처리 방법{Brevundimonas sp. capable of purifying waste water containing protein component and method of purifying waste water using the same}

본 발명은 단백질 성분을 함유한 폐수 처리를 위한 미생물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 호기성 조건에서 성장성이 우수하고 프로테아제의 활성이 높아서 단백질함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336) 및 상기 미생물을 이용한 단백질 성분 함유 폐수처리에 관한 것이다.

폐수중의 유기물원은 주로 단백질, 지방, 탄수화물 성분으로서 미생물의 분해대사 경로에 의하여 분해된다. 따라서 이러한 유기물질을 분해하는 효소활성이 우수한 미생물을 각각 선별하고 조건을 최적화하면, 미생물을 이용한 유기성 폐수의 처리효율을 증대시킬 수 있다.

폐수처리는 크게 물리학적 처리, 화학적 처리, 생물학적 처리로 나눌 수 있는데 폐수의 상태에 따라 이들을 조합하여 사용하거나 어느 공정을 생략하는 것도 가능하기는 하나 상기 세가지의 방법을 모두 사용하는 것이 일반적이다.

생물학적 처리는 첫째, 여러가지 생분해성물질의 동시제거가 가능하며 둘째, 공정 운전시 소모되는 에너지 비용의 측면에서 경제성이 있으며 셋째, 2차적 오염의 우려가 적다는 장점이 있다.

생물학적 폐수처리 방법은 일반적으로 생물학적 산소요구량(BOD) 농도에 따라 활성오니법(호기성 처리)과 소화법(혐기성 처리)으로 나뉘어 지는데, 활성오니법은 자연침전, 화학약품을 이용한 침전처리(약품전처리)를 한 후 호기성 미생물을 이용하여 BOD 농도가 낮은 폐수를 처리하는 방법이며, 소화법은 BOD 농도가 상대적으로 높은 폐수를 혐기성 미생물을 이용하여 호기성 처리보다 비교적 높은 온도에서 처리하는 폐수 처리 방법이다. 따라서 높은 BOD의 폐수인 경우에는 혐기성 처리를 먼저 거쳐 적정 수준으로 BOD를 낮춘 후 호기성 처리를 병행하는 방법이 이용되는 경우도 있다. 호기적 생물학적 처리방법으로는 활성오니방법, 생물막법, 또는 이들 두가지 개념을 혼합한 접촉여재법(한국특허공고 92-9788호), 고속 폭기 순환법 등이 많이 사용된다.

생물학적 폐수처리에 사용되는 미생물들은 오니로부터 분리되므로 다양한 미생물의 종류를 포함하고 있지만, 생물학적 처리의 특성상 다양한 종류의 미생물을 포괄적으로 이용하게 되므로 그 반응 메카니즘이나 개별적 미생물의 생리학적 반응특징에 대해서는 예측이 힘들다는 문제점이 있었다. 그러나 생물학적 폐수처리 역시 미생물을 이용한 반응의 최적화라는 관점에서 볼 때, 관련폐수에 대해 적응성이 높고 해당폐수성분에 대한 생물학적 분해능이 우수한 미생물의 선정 및 그 처리조건 설정이 관련 기술분야의 핵심임은 명백하다. 따라서 최근에는 폐수처리에 응용되는 오니로부터 분리된 개별 미생물에 대하여 그 생리학적 특성 및 분해조건, 환경 설정에 대하여 연구가 활발히 진행되고 있으며 관련특허출원도 증가추세에 있다.

그러나 이렇게 개별적으로 생물학적 능력이 우수한 균주라 할 지라도 단독으로 사용되는 예는 거의 없으며, 다만 활성오니 속의 다른 균주들과 함께 폐수처리공정에 적용시키고 해당균주의 생물학적 활성이 더욱 높아지도록 환경을 설정하는 것으로 그 활용도를 높이는 경우가 대부분이다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래 기술들의 문제점을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 호기성 조건에서 성장성이 우수하고 프로테아제의 활성이 높아서단백질 함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)를 이용하는 경우, 단백질 함유폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 호기성 조건하에서 생육이 양호하며 프로테아제의 활성이 우수하여 단백질 함유 폐수의 처리 능력이 탁월한 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 미생물을 이용한 단백질 함유 폐수를 처리 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)의 단백질 함유 폐수에서의 성장을 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명의 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)을 이용하여 단백질 함유 합성폐수를 처리하는 경우에 화학적 산소요구량(COD)의 제거율을 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)을 이용하여 단백질 함유 실폐수를 1일 동안 처리하는 경우에 COD의 제거율을 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)의 전자현미경 사진이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 호기성 조건에서 성장성이 우수하고 프로테아제의 활성이 높아서 단백질 함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)를 제공한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 상기의 미생물을 이용한 단백질 함유 폐수의 처리방법을 제공한다.

본 발명의 폐수처리 방법에 있어서 상기 단백질함유 폐수의 COD가 300 ~ 2000ppm인 것이 바람직하다.

본 발명의 폐수처리 방법에 있어서 상기 단백질함유 폐수를 처리하는 온도 범위가 15 ~ 30℃인 것이 바람직하다.

본 발명의 폐수처리 방법에 있어서 상기 미생물의 농도는 1 ~ 5부피%인 것이바람직하다.

본 발명에 따르면 단백질 성분이 다량 함유된 폐수(COD 1600ppm)를 브레분디모나스 세클-피비7를 이용하여 폐수의 COD 제거효율을 약 80%까지 높일 수 있다.

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 브레분디모나스 세클-피비7(KCCM 10336)의 분리방법을 설명한다.

본 발명은 호기성 조건하에서 생육이 양호하며 프로테아제의 활성이 우수하여 단백질 함유 폐수의 처리 능력이 탁월한 신규한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)을 제공한다. 본 발명의 균주는 2001년 11월 26일에 한국종균협회에 기탁되었다.

본 발명의 미생물은 경기도 지역의 단백질 함유 폐수처리 가공공장의 폐수처리장 슬러지와 인근 토양을 채취한 뒤, 균주분리용 시료를 이용하여 순수분리하였다. 분리한 미생물 중에서 단백질 성분을 분해하는 프로테아제의 활성을 측정하여 우수한 활성을 지닌 미생물들을 1차 선별한 후, 인공단백질 함유 폐수와 실제폐수에 대한 BOD의 제거율이 높은 미생물을 최종 선별하여 동정하고 브레분디모나스 세클-피비7(KCCM 10336)로 명명하였다.

프로테아제 효소 활성이 우수하고 단백질 함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물들을 분리하기 위하여, 경기도 지역의 단백질 함유 폐수 처리장 슬러지 시료와 인근토양시료를 채취하여 멸균식염수에 현탁하여 배지(글루코스 5g/L, 효모추출액 2g/L, 폴리펩톤 10g/L, 염화나트륨 2g/L, 아가 15g/L, 카제인 2%, 스킴밀크 0.5%)로 제조한 평판배지에 도말하였다. 도말한 평판배지를 온도 30℃의 배양기에서 1~2일간 배양하여 평판배지상에서 투명환을 넓게 형성한 25개 균주를 1차 선별하였다. 그리고 기질 단백질의 분자내 펩티드 결합이 분해된 결과 생성되는 유리된 아미노기나 카르복실기를 정량하는 방법으로 아미노산을 정량하여 효소인 프로테아제의 활성을 측정하였다. 더욱 상세하게는, 반응액에 트리클로로아세트산을 가하여 미분해의 단백질을 침전시키고, 그 여액에 대하여 쉽게 비생정량할 수 있는 티로신의 증가율을 측정하여 9개 균주를 2차 선별하였다. 이러한 측정법은 프로테아제 효소활성측정법(식품분석학, 지구문화사)을 참조하였다.

상기의 2차 선별된 9종의 미생물들을 멸균증류수에 현탁한 후 COD 1600ppm으로 조정한 단백질 함유 합성 폐수에 대하여 각 미생물을 1부피%씩 접종하고, 진탕회전 배양기에서 30℃로 배양하였다. 이후 성장도를 관찰하고 일정량의 배양액을 무균적으로 채취하여 원심분리기에 처리한 후 상등액의 COD를 측정하여 유기물질 제거능을 비교하였다.

이와 같이 COD 1600ppm으로 조정한 단백질 함유 합성 폐수에 대해 24시간동안 미생물의 성장을 관찰하고 유기물질 제거능력을 비교한 결과, 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)로 명명된 순수분리 미생물의 성장이 가장 우수하였다.

본 발명에 따른 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)의 특성은 표1, 표2 및 표3에 기재되어 있다.

형태 및 배양 특성

항목	특성
그람염색	-
모양	구간균

생리 및 생화학적 특성

항목	특성
질산염을 아질산으로 환원	+
아질산염을 질소로 환원	-
트립토판 이용(인돌 생성)	-
글루코스 이용(산화)	-
아르기닌 이용(아르기닌 디하이드롤레이즈 생산)	-
우레아 이용(우레이즈 생산)	-
에스큘린 이용(에스큘린 가수분해)	+
젤라틴 이용(젤라틴 가수분해)	-
피엔피지(피-니트로페닐-베타-디갈락토피라노시드)이용(베타-칼락토시다제 생산)	+
옥시다제(시토크롬 옥시다제 생산)	+

유기물 이용 능력

항목	특성
글루코스	+
아라비노스	-
만노스	-
만니톨	-
엔-아세틸-클루코사민	-
말토스	+
글루코네이트	-
카프레이트	-
애디페이트	-
말레이트	+
시트레이트	-
페닐아세테이트	+

이어서 상기의 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)을 이용하여 단백질함유 폐수를 처리하는 방법을 설명한다.

본 발명에서는, 상기 단백질 함유 폐수의 COD가 300 ~ 2000ppm의 범위에 있고, 폐수를 처리하는 온도 범위가 15~30℃이며, 상기 미생물의 농도는 1 ~ 5부피%인 폐수에 대한 처리 방법을 제공하고 있다.

본 발명의 발명자들은 단백질을 함유한 합성 폐수를 사용하였으며 필요에 따라 적당한 농도로 희석하여 사용하였다. 원심분리기에서 회수한 균체를 멸균증류수에 현탁한 후 COD 1600ppm으로 조정한 단백질함유 합성폐수에 1부피%씩 접종하였다. 접종한 후 진탕회전 배양기에서 30℃로 배양하면서 일정량의 배양액을 무균적으로 채취하여 적당량 희석한 후 원심분리기에서 처리한 상등액에 대해 COD를 측정하여 각각의 폐수에 대한 미생물의 유기물 처리 능력을 판정하였다. 그 결과 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)로 동정되어 명명된 미생물이 COD 1600ppm로 조정된 단백질함유합성폐수에 대해 처리능력이 우수한 것으로 판명되었다.

본 발명자들은 프로테아제 효소 활성이 우수하고 전분 함유 폐수의 처리능력이 뛰어난 미생물 브레분디모나스 세클-피비7의 실제 폐수 처리 효능을 알아보고자 우선적으로 합성폐수를 제조하여 처리 실험을 실시 하였다.

단백질 함유 합성폐수의 조성은 포도당 2g/L, 인산완충용액 50mM, 효모추출물 10mg/L, 염화나트륨 0.1g/L, 황산암모늄 10g/L, 황산마그네슘 0.2g/L, 염화철 5mg/L, 염화칼슘 50mg/L을 기본으로 하고 펩톤 3g/L, 트립톤 3g/L을 첨가한 조성으로 최종적으로 COD 1600ppm으로 조정한 후 멸균기에서 120℃로 15분 동안 멸균하여 사용하였다.

이렇게 제조된 합성폐수를 100ml 삼각플라스크에 50ml씩 넣고 상기의 원심분리기에서 회수한 균체를 현탁한 후 합성폐수 부피의 1%씩 접종하였다. 접종한 후 진탕회전 배양기에서 30℃로 3일 동안 배양하면서 일정량의 배양액을 무균적으로 채취하여 적당량 희석한 후 원심분리기에서 처리한 상등액의 COD를 측정하여 균주를 접종한 폐수와 그렇지 않은 폐수의 유기물량을 비교하였다.

그 결과 브레분디모나스 세클-피비7을 접종한 폐수의 경우 반응 전 COD 1600ppm에서 3일 반응 후 COD 248ppm으로 COD 제거율이 약 85%정도인 것으로 나타났으며, 따라서 브레분디모나스 세클-피비7로 동정되어 명명된 미생물이 COD 1600ppm으로 조정된 단백질 함유 합성폐수에 대해 처리능력이 우수한 것으로 판명되었다.

합성폐수의 유기물제거율

반응일	COD(ppm)	제거율(%)
반응전	1,600
1일	883	45
2일	312	81
3일	248	85

다음의 실시예로써 본 발명을 예시할 수 있다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 좀더 자세하게 설명하고자 하는 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 - 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)의 분리

프로테아제 효소 활성이 우수하고 단백질 함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물들을 분리하기 위하여, 경기도 지역의 단백질 함유 폐수 처리장 슬러지 시료와 인근토양시료를 채취하여 멸균식염수에 현탁하여 배지(글루코스 5g/L, 효모추출액 2g/L, 폴리펩톤 10g/L, 염화나트륨 2g/L, 아가 15g/L, 카제인 2%, 스킴밀크 0.5%)로 제조한 평판배지에 도말하였다. 도말한 평판배지를 온도 30℃의 배양기에서 1~2일간 배양하여 평판배지상에서 투명환을 넓게 형성한 25개 균주를 1차 선별하였다. 그리고 기질 단백질의 분자내 펩티드 결합이 분해된 결과 생성되는 유리된 아미노기나 카르복실기를 정량하는 방법으로 아미노산을 정량하여 효소인 프로테아제의 활성을 측정하였다. 더욱 상세하게는, 반응액에 트리클로로아세트산을 가하여 미분해의 단백질을 침전시키고, 그 여액에 대하여 쉽게 비생정량할 수 있는 티로신의 증가율을 측정하여 9개 균주를 2차 선별하였다. 이러한 측정법은 프로테아제 효소활성측정법(식품분석학, 지구문화사)을 참조하였다.

상기의 2차 선별된 9종의 미생물들을 멸균증류수에 현탁한 후 COD 1600ppm으로 조정한 단백질 함유 합성 폐수에 대하여 각 미생물을 1부피%씩 접종하고, 진탕회전 배양기에서 30℃로 배양하였다. 이후 성장도를 관찰하고 일정량의 배양액을 무균적으로 채취하여 원심분리기에 처리한 후 상등액의 COD를 측정하여 유기물질 제거능을 비교하였다.

이와 같이 COD 1600ppm으로 조정한 단백질 함유 합성 폐수에 대해 24시간동안 미생물의 성장을 관찰하고 유기물질 제거능력을 비교한 결과, 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)로 명명된 순수분리 미생물의 성장이 가장 우수하였다.

실시예 2 - 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)을 이용한 단백질 함유 폐수의 처리방법

본 발명의 발명자들이 사용한 단백질 함유 합성 폐수의 조성은 포도당 2g/L, 인산완충용액 50mM, 효모추출물 10mg/L, 염화나트륨 0.1g/L, 황산암모늄 10g/L, 황산마그네슘 0.2g/L, 염화철 5mg/L, 염화칼슘 50mg/L을 기본으로 하고 펩톤 3g/L,트립톤 3g/L을 첨가한 조성을 사용하였으며 필요에 따라 적당한 농도로 희석하여 사용하였다.

상기의 원심분리기에서 회수한 균체를 멸균증류수에 현탁한 후 COD 1600ppm으로 조정한 단백질함유 합성폐수에 1부피%씩 접종하였다. 접종한 후 진탕회전 배양기에서 30℃로 배양하면서 일정량의 배양액을 무균적으로 채취하여 적당량 희석한 후 원심분리기에서 처리한 상등액에 대해 COD를 측정하여 각각의 폐수에 대한 미생물의 유기물 처리 능력을 판정하였다. 그 결과 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336)로 동정되어 명명된 미생물이 COD 1600ppm로 조정된 단백질함유합성폐수에 대해 처리능력이 우수한 것으로 판명되었다.

실시예 3 - 브레분디모나스 세클-피비7(KCCM 10336)의 실제 폐수에의 적용

본 발명의 보다 현실적인 폐수 처리 효율과 실제 폐수 처리장 적용성을 알아보기 위해 실제 공장에서 처리되고 있는 실제 폐수 유기물 제거능 실험을 실시하였다. 폐수는 경기도에 위치한 한 식품 회사의 육류 가공 폐수를 사용하였으며 초기 COD값은 796ppm이었다.

실험은 크게 폐수 50ml에 균주 2ml만을 접종한 것과 폐수 30ml에 슬러지 15ml과 균주 2ml을 넣은 것으로 나누어 이들 시료를 100ml 삼각플라스크에 넣고 진탕 배양기에서 30℃로 24시간 동안 반응시켜 실시하였고 이 때 사용된 균주는 LB배지에 한 백금니 접종 하여 30℃로 24시간 동안 배양시킨 후 배양액을 원심분리하여 상등액을 버리고 균주를 멸균수로 두세 번 세척한 후 획득한 것이다.

실험 결과 균주만을 접종한 폐수는 초기 COD 796ppm에서 24시간 반응 후 COD110ppm으로 86.2%의 유기물 제거율을 보였으며, 균주와 슬러지를 접종한 폐수의 경우 초기 COD 678ppm에서 COD 70ppm으로 떨어져 89.7%의 유기물 제거율을 나타냈다.

실폐수 유기물제거율

	반응 전	1일 후(제거율%)
	균주	균주 +슬러지	균주	균주 + 슬러지
COD (ppm)	796	678	110(86)	70(90)

실시예 4 - 브레분디모나스 세클-피비7(KCCM 10336)의 일정 COD 범위, 일정 온도 범위 및 일정 미생물 농도 범위에서 실폐수에의 적용

상기 실시예 2에서 적당한 COD 범위를 결정하기 위하여 COD 농도를 제외한 모든 조건은 실시예 2와 동일하게 하고, COD 농도 100 ~ 3000ppm에서 실험한 결과 실시예 3에서와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

또한 실시예 2에서 온도를 제외한 모든 조건은 실시예 2와 동일하게 하고, 온도 범위 10 ~ 35℃에서 실험한 결과 실시예 2와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

또한 실시예 2에서 미생물 농도를 제외한 모든 조건은 실시예 2와 동일하게 하고, 미생물 농도 범위 0.5 ~ 8부피%에서 실험한 결과 실시예 2와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

따라서 브레분디모나스 세클-피비7로 동정되어 명명된 미생물이 단백질 함유 합성폐수에서 뿐만 아니라 실제 육류가공 폐수에 있어서도 유기물 처리능력이 우수한 것으로 판명되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 단백질 성분이 다량 함유된 폐수(COD 1600ppm)를 브레분디모나스속 세클-피비7 (KCCM 10336)을 이용하여 그 폐수 COD 제거효율을 80% 이상 높일수 있다.

Claims (8)

1. 호기성 조건에서 성장성이 우수하고 단백질함유 폐수의 처리능력이 우수한 미생물 브레분디모나스 세클-피비7 (KCCM 10336).
2. 제1항의 미생물을 이용한 단백질 함유 폐수의 처리방법으로서,

   단백질 함유 폐수를 폐수처리조에 도입하는 단계;

   상기 폐수처리조에 상기 미생물을 접종하는 단계;

   상기 미생물이 접종된 폐수를 진탕배양기에서 반응시키는 단계를 포함하는 폐수처리 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 단백질함유 폐수의 COD가 100 ~ 3000ppm인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 단백질함유 폐수의 COD가 300 ~ 2000ppm인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 단백질함유 폐수를 처리하는 온도 범위가 10 ~ 35℃인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 단백질함유 폐수를 처리하는 온도 범위가 15 ~ 30℃인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 미생물의 농도가 0.5 ~ 8부피%인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 미생물의 농도가 1 ~ 5부피%인 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.