KR100460461B1 - 생물활성성분 고정화 담체 및 그의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2중으로 형성된 생물활성성분 고정화 담체 및 그의 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ① 코어용담체매트릭스 및 충진재를 포함하는 혼합물로 이루어진 코어와; ② 코팅용담체매트릭스 및 생물활성성분을 포함하는 혼합물로 이루어지며 상기 코어를 감싸는 코팅막으로 이루어지는 생물활성성분 고정화 담체 및 그의 제조장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 강도가 있면서도 독성이 적은 코어와, 이 코어를 둘러싼 생물막(코팅막)으로 이루어진 새로운 생물활성물질 고정화 담체를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 고정화 담체는 내구성이 길고 강도가 높으며 고정화된 미생물 또는 효소의 활성이 빠르고 높게 나타나게 된다.

Description

생물활성성분 고정화 담체 및 그의 제조장치{Immobilized Body of Biological Material, and Apparatus for Manufacturing the Body}

본 발명은 2중으로 형성된 생물활성성분 고정화 담체 및 그의 제조장치에 관한 것이다.

미생물 또는 효소를 고정화시키는 방법은, 이들 미생물 또는 효소를 고분자 담체내에 가두는 포괄고정법, 담체에 미생물이 자연부착되도록 하는 자연부착법, 화학처리하여 서로 결합시키는 공유결합법, 담체에 물리적으로 결합시키는 흡착법 등이 알려져 있다.

미생물을 첨가하지 않고 성형한 담체에 미생물이 자연부착되도록 하는 자연부착법에 의하면, 담체가 쉽게 파괴된다는 점과 미생물이 완전하게 부착하기까지 상당한 기간이 소요된다는 단점이 있다. 또한 공유결합법 또는 물리적 흡착법은 각각 미생물 또는 효소의 사멸 또는 불활성화가 유발되는 점과, 장기간이 소요된다는 점 때문에 널리 활용되고 있지 못하다.

따라서 미생물 또는 효소의 고정화 방법으로 포괄고정법이 대표적으로 사용되고 있다.

이때 사용되는 담체매트릭스로는 알지네이트(Alginate), 카파카라기난(K-carrageenan), 젤라틴(gelatin), 아가(agar; 한천), 아크릴아마이드(acrylamide) 등이 알려져 있다. 일반적으로 담체는 미생물 또는 효소가 안정하게 고정화되어야 하고, 이들의 생장 또는 활성이 유지되어야 하며, 미생물 또는 효소가 장기 연속운전에서도 담체로부터 유출되지 않아야 할 뿐 아니라 장기간 연속운전시에 담체가 깨지지 않아야 하기 때문에 적당한 농도와 강도를 가져야 한다. 또한 경제적인 가격 및 무독성(nontoxicity)이어야 하는 등의 제반 조건을 만족시켜야 한다.

따라서, 상기의 조건을 만족시키는 담체로 알지네이트, 카파카라기난 등이 미생물 또는 효소의 고정화용 담체매트릭스로 주로 사용되고 있다. 일반적으로 미생물 또는 효소의 고정화는, 예를들면 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다.

먼저, 적당하게 배양농축 또는 추출농축된 미생물 또는 효소를 적절한 양의 담체매트릭스(예를들면, 알지네이트 또는 아크릴아마이드) 용액과 충분히 혼합한 후, 미세관을 통하여 교반 중인 가교제용액(예를들면, 염화칼슘용액 또는 N,N´-MBA용액)에 적하시켜서 비드형태의 고정화 미생물 또는 고정화 효소를 얻고, 이를 적절한 시간동안 방치하여 강화시키는 것이다.

그러나 알지네이트 또는 아크릴아마이드를 대표적인 담체매트릭스로 사용하는 포괄고정법에 의한 담체는 그 강도가 매우 약하기 때문에 고정화 담체의 이용과정에서 담체가 쉽게 파괴되어 미생물 또는 효소가 외부로 유출되는 단점이 있다. 또한 아크릴아마이드를 사용하는 경우, 담체 성형과정에서 아크릴아마이드가 미생물 또는 효소에 독성을 미치기 때문에 고정화된 미생물 또는 효소의 활성을 방해하게 되는 문제가 있다.

한편, 이온교환수지 재생 과정에서 발생하는 폐액에는 다량의 질소성 유기물, 무기물이 함유되어 있다. 따라서 이 폐액을 그대로 방류하는 경우 하천의 부영화를 초래하기 때문에 방류하기 전에 탈질하는 과정이 필수적으로 요구된다.

폐액의 탈질을 위하여 통상 생물학적 처리, 즉 탈질미생물에 의한 탈질공정을 수행하게 되는데, 이 탈질공정을 위해 탈질미생물을 효과적으로 활용하는 방안이 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 제조가 간편하면서도 경제적이어서 널리 활용되고 있는 포괄고정법을 개량하여 담체의 내구성이 길고 강도가 높으며 고정화된 미생물 또는 효소의 활성이 빠르고 높게 나타날 수 있는 새로운 고정화담체를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 전술한 새로운 고정화담체로서 이온교환수지 재생 과정에서 발생하는 폐액 등 오폐수의 탈질을 위한 효율적인 탈질미생물 고정화담체를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 전술한 새로운 고정화담체를 제조할 수 있는 간편한 장치를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 담체 제조장치의 모식도.

도 2는 본 발명에 의한 담체 제조장치에 의해 담체를 제조하는 과정을 보여주는 개념도.

도 3은 본 발명에 의한 담체 제조장치에 의해 제조된 담체의 사진.

도 4는 본 발명에 의한 담체와 대조구의 탈질 테스트에서 유출수의 질산성질소 잔존량을 보여주는 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 담체와 대조구의 탈질 테스트에서 단위미생물당 질산성질소 제거량과 질소제거효율을 보여주는 그래프.

(1)상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, ① 코어용담체매트릭스 및 평균 입자경이 1㎛인 충진재를 포함하는 혼합물로 이루어진 코어와; ② 코팅용담체매트릭스 및 생물활성성분을 포함하는 혼합물로 이루어지며 상기 코어를 감싸는 코팅막으로 이루어지는 생물활성성분 고정화 담체에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 코어용담체매트릭스 및 충진재의 조성비는 (30∼50):1 인 것이 바람직하다. 조성비가 30:1 미만인 경우 충진재에 의해 코어의 형상이 붕괴될 가능성이 높으며, 50:1 초과인 경우 하기에서 설명되는 충진재에 의한 독성억제효과가 미미하게 된다.

또한 본 발명에서 상기 코팅용담체매트릭스와 생물활성성분의 조성비는 1:(0.5∼10) 인 것이 바람직하다. 조성비가 1:0.5 미만이면 생물활성성분의 함량이 너무 적어 원하는 생물학적 효과를 얻기 곤란하며, 1:10초과이면 코팅용담체매트릭스가 너무 적어 생물활성성분이 코팅막을 형성할 수 없게 된다.

본 발명에서 상기 코어용담체매트릭스는 (A) 알지네이트, 카파카라기난, 젤라틴 및 아가로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 1 중량부 및 (B) 아크릴아마이드 1∼10 중량부로 이루어지는 혼합물인 것이 바람직하다. 아크릴아마이드는 코어, 나아가 담체의 강도와 내구성을 증대시키는 기능을 한다.

아크릴아마이드의 함량이 1 중량부 미만인 경우 담체의 강도와 내구성 증대효과가 미미하게 되며, 10 중량부 초과인 경우 코팅막에 있는 생물활성성분의 생장 내지 활성을 과도하게 저해하게 된다.

본 발명에서 상기 충진재는 아크릴아마이드의 독성을 완화시키며, 코아 나아가 담체의 강도를 증가시키고, 미생물이 코어 내부로 생장하는 공간을 제공하는 역할을 한다. 충진재로는 벤토나이트, 제올라이트, 카오린 등과 같은 무기성 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 한편 충진재의 평균 입자경은 1 ∼ 10㎛인 것이 바람직한데, 이보다 입자경이 작으면 충진재로서의 역할을 수행하기 어려우며, 이보다 입자경이 크면 코어의 형성이 불가능하게 된다.

본 발명에서 상기 코팅용담체매트릭스는 알지네이트, 카파카라기난, 젤라틴 및 아가로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 생물활성성분은 생물학적 활성을 나타낼 수 있는 어떠한 것이라도 적용할 수 있다. 예를들면, 살아있거나 가공된 미생물 배양액, 미생물 농축액, 미생물 분말, 미생물 슬러지 또는 생물체 유래의 효소 또는 조효소 추출액, 효소 또는 조효소 농축액, 효소 또는 조효소 분말을 적용할 수 있다.

구체적으로 상기 생물활성성분으로 탈질미생물이 함유되어 있는 슬러지를 사용할 수 있다. 이렇게 제조된 담체는 오폐수의 질산성 질소를 제거하기 위해 사용되는 고정화된 탈질미생물로 활용할 수 있는 것이다. 이 경우 탈질미생물을 아트릴아마이드, 알지네이트 및 벤토나이트로 이루어진 코어용담체매트릭스와, 알지네이트로 이루어진 코팅용매트릭스를 적용하여 고정화시키는 것이 바람직하다.

이렇게 제조된 본 발명에 의한 담체는 기존에 개발된 단일형 아크릴아마이드-알지네이트 복합담체에 비해 강도가 높고, 담체 성형과정에서 벤토나이트가 아크릴아마이드에 의한 독성을 완화시키는 역할을 하여 빠른 시간 내에 미생물의 활성을 높게 유지할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 탈질미생물 고정화담체를 적용하는 경우, 통상의 방법에 따라 탈질미생물을 그대로 적용한 경우에 비교하여 질소제거율은 거의 유사하지만, TSS(총 부유고형물)의 양은 훨씬 적어지는 효과가 있다.

본 명세서에서 상세히 설명하지는 않았지만, 코어용담체매트릭스 또는 코팅용담체매트릭스의 고형화를 위해 적절한 결합제 또는 결합유발제, 결합촉진제 등을 사용하게 된다. 예컨대, 알지네이트의 고형화를 위해서 Ca2⁺이온을, 아크릴아마이드의 고형화를 위해서 N,N´-MBA, 암모늄퍼설페이트, TEMED를 적절한 시기에 적절한 방법으로 사용하게 된다. 이들의 사용은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식인에게는 당연할 것이다.

(2)또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전술한 바와 같은 생물활성성분 고정화 담체를 제조하는데 사용되는 제조장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 제조장치는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, ① 일단이 코어용담체매트릭스 및 무기질 충진재를 포함하는 코어용혼합물의 공급수단과 연결되고, 타단에 노즐이 형성되어 있는 제1미세관과 ② 일단이 코팅용담체매트릭스 및 생물활성성분을 포함하는 코팅용혼합물의 공급수단과 연결되고 타단에 노즐이 형성되어 있는 제2미세관을 포함하여 이루어지는 것으로서, 이때 제1미세관의 노즐측 말단이 상기 제2미세관의 노즐측 말단의 내부에 위치하며, 제1미세관 노즐 및 제2미세관 노즐이 동일한 방향을 향하도록 설치되어 있는 것이다.

도시되지는 않았지만, 각 혼합물의 공급수단에 포함되는 적절한 펌프, 예를들면 페리스탤틱 펌프(peristaltic pump)를 이용하여 제1미세관과 제2미세관으로 적절한 속도로 보내면 제1미세관의 노즐을 통과해 나오는 코어용혼합물이 방울형상으로 낙하하는 과정에서 제2미세관의 노즐을 통과해 나오는 코팅용혼합물이 코어용혼합물을 감싸게 된다(도 2). 이렇게 코어와 코팅막으로 이루어진 방울이 결합촉진제 용액에 점적되면 고정된 형상으로 고형화되는 것이다.

이때 상기 제1미세관의 노즐은 상기 제2미세관의 노즐로부터, 제2미세관 노즐 직경의 ±2배에 해당하는 범위 사이의 어느 곳에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 제조장치의 작동시, 제1미세관의 노즐과 제2미세관의 노즐의 위치를 조절하거나, 혼합물 공급수단을 통한 혼합물 공급속도에 차이를 주면 완성되는 담체의 크기, 코어와 코팅막의 상대적 규격 등을 다양하게 조정할 수 있게 된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 실시예는 탈질용 고정화미생물을 얻기 위한 목적으로 하였으며, 담체매트릭스 및 결합촉진물질을 특정한 것을 적용하였다. 그러나 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식인에게는 당연할 것이다. 하기 실시 예는 본 발명의 일 예시일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적 사상이 변경되거나 축소되는 것은 아니다.

실시예 1 : 본 발명에 의한 탈질미생물의 고정화담체 제조

하기 표 1과 같은 조성의 코어용혼합물(A), 코팅용혼합물(B) 및 결합촉진제용액(C)를 소재로 하고 본 발명에 의한 제조장치를 이용하여 본 발명에 의한 생물활성성분 고정화 담체를 제조하였다.

생물활성성분으로는 일반 하수처리장의 농축조 슬러지를 20℃, 2 %의 염분 조건에서 2주간 방치하여 순응시킨 슬러지를 사용하였다.

	성분
코어용혼합물(A)	코어용담체매트릭스	알지네이트(32g/L),아크릴아마이드(167g/L), MBA(8g/L)
	충진재	벤토나이트(5g/L)
코팅용혼합물(B)	코팅용담체매트릭스	알지네이트(32g/L)
	생물활성성분	하수처리장의 농축조 슬러지(20g/L)
결합촉진제 용액(C)	CaCl2·2H2O(11.76g/L),TEMED(1㎖/L), (NH4)2S2O8(5g/L)

MBA = N,N´- MBA = N,N´- Methylene-Bis-Acrylamide

TEMED = N,N,N´,N´- Tetramethylenthylene-Diamine

제조장치의 운전조건은 하기 표 2와 같았다.

제1미세관 노즐의 내경	0.3 mm
제2미세관 노즐의 내경	1.0 mm
두 노즐의 상대적 위치	동일 평면상에 위치
(A)의 주입속도	3 ㎖/분
(B)의 주입속도	3 ㎖/분
(C)	상온, 교반(400rpm)

제조된 담체는 고형화를 위하여 (C) 용액에서 약 1시간 방치한 다음 회수하였다.

회수된 담체의 평균직경은 약 3 mm이었다(도 3).

본 실시예에 의해 제조된 담체는 종래의 단순 아크릴아마이드＋알지네이트 복합담체에 비해 강도가 약 160∼190 % 높았으며, 담체성형 후 48시간 이내에 미생물의 활성이 회복되었다. 이는 담체 성형과정에서 아크릴아마이드가 미생물에 미치는 독성이 벤토나이트에 의해 대폭 완화되었기 때문으로 판단된다.

실시예 2 : 본 발명에 의한 탈질미생물의 고정화담체의 활성분석

질산성질소를 함유하는 인조폐수를 이용하여 본 발명에 의해 고정화된 탈질미생물 고정화 담체의 활성을 조사하였다.

본 발명에 의한 탈질미생물 고정화담체와, 대조구1로서 순응시키지 않은 하수처리장의 농축조 슬러지 및 대조구2로서 2 주간 순응시킨 하수처리장의 농축조 슬러지를 실험대상으로 하였다. 여기서 "2 주간 순응시킨다"는 것은 하기와 같은 고염 배지조건에 적응시키기 위하여 초기 1주간은 염농도를 1 %로, 다음 1주간은 2 % 로 한 배지에서 생장시키는 것을 의미한다.

동일한 배지(질산성질소 1 g/L, 황산이온 2 g/L, 염분농도 2 %, 에탄올 3,000 mg-COD/L) 200㎖ 씩을 각각 500㎖의 삼각플라스크에 담고 여기에 상기 각각의 실험구를 접종하여 배양하면서 4시간 간격으로 배지 중의 질산성질소 잔존량을 분석하였다(도 4). 이때 접종한 탈질소 미생물의 MLVSS는 각각 고정화 담체가 2400, 대조구 1이 4500 및 대조구2가 5020mg/L 였다.

도에서 볼 수 있듯이, 순응과정을 거치지 않은 일반 슬러지인 대조구1은 약 50시간 경과 후에야 대부분의 질산성 질소를 제거하였지만, 대조구2 및 본 발명에 의한 고정화담체는 각각 25시간 및 30시간 경과되면 대부분의 질산성 질소를 제거함을 알 수 있다.

접종한 탈질소 미생물의 MLVSS를 기준으로 하여 환산한 단위미생물당 질산성질소 제거량과 질소제거효율을 도 5에 도시하였다.

단위미생물 기준으로 판단하는 경우, 본 발명에 의한 고정화 담체를 이용한 경우, 대조구2에 비하여 상당히 우수한 탈질효율과, 2배 이상의 질산성 질소 제거량을 나타냄을 알 수 있다.

두 조건하의 실험에서 질산성질소 제거율이 90 % 이상으로 비슷하였으나, 유출수의 평균 TSS는 본 발명에 의한 고정화 담체를 사용한 반응에서는 115 mg/L 이고, 대조구2를 사용한 반응에서는 350mg/L 로서, 고정화 담체를 적용한 경우가 월등하게 TSS가 낮았다. 처리수의 낮은 TSS는 후속되는 모래여과 및/또는 활성탄 정제공정에 주는 부담을 경감시킬 수 있다. 또한 고정화 담체를 공정에 적용하는경우, 슬러지 관리가 매우 용이하게 된다. 따라서 공정 운전경비의 절약과 처리효율의 향상을 가져올 수 있다.

이상의 결과로 보아, 본 발명에 의한 탈질미생물 고정화담체는 오폐수 내의 질산성 질소를 제거하는데 ① 제거효율면에서 또한 ② 공정의 간편화와 운전편의성 측면에서 매우 유용하게 적용될 수 있는 것이다.

본 발명에 의하면 강도가 있면서도 독성이 적은 코어와, 이 코어를 둘러싼 생물막(코팅막)으로 이루어진 새로운 생물활성물질 고정화 담체를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 고정화 담체는 내구성이 길고 강도가 높으며 고정화된 미생물 또는 효소의 활성이 빠르고 높게 나타나게 된다.

또한 본 발명의 제조장치에 의해 간단하고 편리하게 전술한 담체를 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 고정화 담체로서, 탈질미생물이 고정화된 담체는, 오폐수 중의 고농도 질산성질소를 생물학적으로 제거할 수 있으며, 생물막의 탈리가 일반 다공형담체에 비해 적으므로 바이오필터의 기능과 함께, 잔류 유기물 및 영양염류를 제거하므로 처리수를 중수로 사용이 가능함으로써 환경오염을 방지할 수 있다.

또한 폐수의 성상에 맞게 미생물을 정제, 순응시켜 담체에 부착하여 사용함으로써 단기간에 미생물의 활성을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

1. 코어용담체매트릭스 및 입자경이 0.1∼10㎛인 충진재를 포함하는 혼합물로 이루어진 코어와;

   코팅용담체매트릭스 및 생물활성성분을 포함하는 혼합물로 이루어지며 상기 코어를 감싸는 코팅막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 코어용담체매트릭스 및 충진재의 조성비는 (30∼50):1 이며,

   상기 코팅용담체매트릭스와 생물활성성분의 조성비는 1:(0.5∼10) 인 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 코어용담체매트릭스는 다음의 (A) 및 (B)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.

   (A) 알지네이트, 카파카라기난, 젤라틴 및 아가로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 1 중량부

   (B) 아크릴아마이드 1∼10 중량부
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 충진재는 벤토나이트, 제올라이트, 또는 카오린인 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 코팅용담체매트릭스는 알지네이트, 카파카라기난, 젤라틴 및 아가로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 생물활성성분은 탈질미생물이 함유되어 있는 슬러지로서, 오폐수의 질산성 질소를 제거하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 생물활성성분은 미생물 배양액, 미생물 농축액, 미생물 분말, 미생물 슬러지, 효소 추출액, 효소 농축액, 효소 분말인 것을 특징으로 하는 생물활성성분 고정화 담체.
8. 일단이 코어용담체매트릭스 및 무기질 충진재를 포함하는 코어용혼합물의 공급수단과 연결되고, 타단에 노즐이 형성되어 있는 제1미세관;

   일단이 코팅용담체매트릭스 및 생물활성성분을 포함하는 코팅용혼합물의 공급수단과 연결되고 타단에 노즐이 형성되어 있는 제2미세관;을 포함하여 이루어지며,

   상기 제1미세관의 노즐측 말단이 상기 제2미세관의 노즐측 말단의 내부에 위치하며, 제1미세관 노즐 및 제2미세관 노즐이 동일한 방향을 향하도록 설치된 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 생물활성성분 고정화 담체의 제조장치.
9. 제 8 항에 있어서 ,

   상기 제1미세관의 노즐의 말단 은 상기 제2미세관의 노즐의 말단 으로부터, 제2미세관 노즐 직경의 0∼2배 상부 에 위치하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항에 의한 생물활성성분 고정화 담체의 제조장치.