KR100784877B1 - 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 센서 내의 미생물의 활성을 회복시키기 위해서 공급하는 기질 용액의 기질 농도의 제어를 용이하게 또 적절하게 행하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 반응조(10)에 있어서, 미생물막(13)에 유지된 미생물과 혼합수(混合水)가 반응하여, 혼합수 중의 용존산소량에 따른 전류 신호가 용존산소 전극(11)으로부터 출력 변환부(27)를 거쳐 공급량 제어 수단(28)에 출력된다. 이 수단(28)은 이 전류 신호의 입력에 의거해서, 밸브(25) 및 정류량 펌프(26)를 제어하여, 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)에 저류되어 있는 활성 조정용 기질 용액을 공급 라인(7)에 송출한다. 이것에 의해, 활성 조정용 기질인 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)의 농도가 적정하게 제어되어, 미생물의 수를 안정화시킬 수 있다.

바이오 센서형 이상 수질 감시 장치, 활성 조정용 기질 용액

Description

바이오 센서형 이상 수질 감시 장치{BIOSENSOR-TYPE ABNORMAL WATER QUALITY MONITORING DEVICE}

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 2는 도 1에 있어서의 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되는 기질 용액의 기질 성분을 확정하기 위한 실험에 사용된 3종류의 기질 용액 A, B, C의 각 성분을 기재한 도표.

도 3은 도 2의 도표에 나타낸 3종류의 기질 용액 A, B, C를 사용해서 연속적으로 운전을 행했을 경우에 있어서의 바이오 센서(8)의 전류값의 변화 상태를 나타내는 특성도.

도 4는 도 1에 있어서의 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)로부터 활성 조정용 기질 용액을 공급했을 때의 활성 조정용 기질의 농도 제어에 대한 설명도이며, (a)는 바이오 센서(8)의 전류값 변화에 관한 특성도, (b)는 보관 용기(23)로부터의 활성 조정용 기질의 공급 타이밍을 나타낸 타임 챠트, (c)는 활성 조정용 기질의 농도 변화에 대한 특성도.

도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 7은 종래의 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 8은 도 7에 있어서의 바이오 센서(8)가 미생물의 배양액으로서 사용하고 있는 배지의 조성을 나타내는 도표.

도 9는 도 7에 있어서의 바이오 센서(8)의 전류 신호의 레벨 변동의 일례를 나타내는 특성도.

도 10은 도 7에 있어서의 바이오 센서(8)의 검출 감도가 미생물수에 크게 영향을 받는 것을 나타내는 설명도이며, (a)는 미생물수와 유해 물질(KCN) 농도의 조합이 각각 다른 특성 곡선 M1∼M4를 나타내는 특성도, (b)는 특성 곡선 M1∼M4의 각 미생물수 및 유해 물질 농도의 수치를 나타내는 도표.

[부호의 설명]

1…제1 샘플수 공급 라인, 2…산기(散氣) 수조, 3…샘플수(水), 4…제2 샘플수 공급 라인, 5…밸브, 6…펌프, 7…샘플수·기질 용액 공급 라인, 8…바이오 센서, 9…플로우 셀, 10…반응조, 11…용존산소 전극, 12…고정 지그(jig), 13…미생물막, 14…배액 배출 라인, 15…기질 용액 보관 용기, 16…기질 용액 공급 라인, 17…밸브, 18…펌프, 19…세정액 보관 용기, 20…세정액 송출 라인, 21…밸브, 22…펌프, 23…활성 조정용 기질 용액 보관 용기, 24…활성 조정용 기질 용액 공급 라인, 25…밸브, 26…정류량 펌프, 26A…유량 가변 펌프, 27…출력 변환부, 28…공 급량 제어 수단, 29…제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기, 30…제2 활성 조정용 기질 용액 공급 라인, 31…밸브, 32…펌프, M1∼M4…특성 곡선

본 발명은 미생물의 호흡 활성을 모니터링하여, 호흡 활성의 저해를 지표로 해서 시료수 중의 유해 물질의 혼입을 검출하는 바이오 센서 기술을 이용한 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치에 관한 것이다.

정수장의 취수·하수의 유입수 등에의 유해 물질의 검출을 행하기 위해서, 미생물을 이용한 바이오 센서형 수질 감시 장치가 종래부터 사용되고 있다. 이 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치에서는 미생물이 막에 고정화되어, 산소 전극과 조합시킴으로써, 미생물의 호흡에 의한 산소 소비량을 모니터링한다. 그리고, 유해 물질이 혼입하면, 미생물의 호흡이 저해되어 산소 소비량이 감소하므로, 이 때의 산소 소비량의 감소를 검지함으로써, 유해 물질의 혼입을 검지하는 것이 가능해진다.

상기의 미생물은 통상, 특정한 화학 물질(기질)을 영양원으로 해서 생식하고 있다. 미생물을 이용한 바이오 센서에 있어서도, 미생물에 필요한 기질 성분을 샘플수와 혼합하여, 미생물막이 존재하는 반응조에 공급함으로써, 미생물의 호흡 대사를 활성화한다. 그 때문에, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있는 것 같은 장치 구성이 채택된다. 이 종래 장치의 구성에서는 기질 성분을 함유한 농축 기질 용액을 보관 용기에 저류해 두고, 그 용액을 펌프에 의해 송액하여 샘플수과 혼합하여, 미생물막이 배설되어 있는 반응조 내부에 도입함으로써, 미생물에 기질 성분이 공급되도록 되어 있다.

또한, 본 출원인은 이미, 미생물로서 철산화 세균을 이용한 바이오 센서를 구비한 이상 수질 감시 장치의 구성을 제안했다(특허문헌 2 참조). 철산화 세균은 화학 합성 독립 영양 세균이며, 제1철 이온을 제2철 이온으로 산화할 때에 발생하는 에너지를 이용하여 생식한다. 그 때문에, 가장 중요한 기질 성분은 제1철 이온(Fe^{2 +})이다. 본 출원인은 철산화 세균으로서, Thiobacillus ferrooxidans(이하, T. ferrooxidans라 표시)를 사용한 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치를 실용화했다. 이 바이오 센서에서는 미생물의 배양액으로서, 도 8의 도표에 나타내는 조성의 배지를 이용한다. 이 배지는 제1철 이온의 공급원으로서 황산제1철·7수화물, 그 외에 미생물의 대사에 필요한 인산염, 칼슘, 마그네슘 등의 무기염을 함유한다.

도 7은 종래의 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도이다. 이 도 7에 있어서, 제1 샘플수 공급 라인(1)에서 공급되는 샘플수(3)가 산기 수조(2)에 저류되고, 샘플수(3) 중에 공기가 취입되어, 용존산소 농도가 조정된다. 용존산소 농도가 조정된 샘플수는 밸브(5) 및 펌프(6)가 부착된 제2 샘플수 공급 라인(4)과, 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)을 지나, 플로우 셀(9)에 배설된 바이오 센서(8)에 도입된다.

바이오 센서(8)는 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)으로부터 샘플수와, 기질 용액의 혼합수(混合水)가 도입되는 반응조(10)와, 반응조(10) 내의 혼합수에 함유되는 산소의 양에 따른 전류 신호를 취출하기 위한 용존산소 전극(11)과, 용존산소 전극(11)의 한쪽 끝부분에 고정 지그(12)를 거쳐 부착된 미생물막(13)을 갖고 있다. 그리고, 반응조(10) 내에서 미생물막(13)이 유지하는 미생물과의 반응을 끝낸 샘플수는 배액 배출 라인(14)을 통해 외부로 배출된다.

또한, 기질 용액 보관 용기(15)에는 예를 들면, 도 8의 도표에 나타낸 기질 성분을 함유하고, 또한 농도 및 pH(산·알칼리도)가 조정된 기질 용액이 저류된다. 이 기질 용액은 밸브(17) 및 펌프(18)가 부착된 기질 용액 공급 라인(16)을 통해 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)의 샘플수과 합류하고, 미생물막(13)에 유지된 미생물의 영양액으로서 사용하기 위해서 바이오 센서(8)에 공급된다. 이와 같이, 기질 용액 보관 용기(15)로부터 기질 용액을 바이오 센서(8)에 공급하는 것은 다음 단락에 기재된 이유에 의거한다.

즉 미생물은 기질이 존재하지 않는 상태에서는 증식할 수 없기 때문에, 그대로는 미생물막 안의 미생물은 서서히 사멸해 간다. 또한, 기질의 농도가 일정 농도보다 낮은 상태에서는 증식하는 미생물 개체수와 비교하여 사멸한 미생물 개체수쪽이 웃돌기 때문에, 서서히 미생물막 안의 미생물 개체수가 감소하고, 바이오 센서(8)의 센서 기능으로서의 안정성이 손상된다. 따라서, 미생물을 이용한 바이오 센서(8)의 기능을 양호한 상태로 유지하기 위해서는 사용하고 있는 미생물의 생육에 필요한 기질 성분을 어떤 일정한 필요량 이상 미생물막에 공급할 필요가 있다. 이러한 이유에 의해, 기질 용액 보관 용기(15)로부터 기질 용액을 바이오 센서(8) 에 공급한다.

그리고, 세정액이 저류된 세정액 보관 용기(19)도 설치되어 있어, 이 세정액은 밸브(21) 및 펌프(22)가 부착된 세정액 송출 라인(20)과 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)을 통해, 바이오 센서(8)에 송출된다.

다음으로, 도 7의 동작에 대해 설명한다. 오퍼레이터는 샘플수의 수질 감시를 시작할 경우, 우선, 밸브(5)를 개방해서 펌프(6)를 기동한다. 이것에 의해 산기 수조(2)에 저류되어 있는 샘플수(3)가 제2 샘플수 공급 라인(4) 및 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)을 거쳐 바이오 센서(8)에 공급된다. 그리고, 반응조(10)에 있어서, 미생물막(13)에 유지된 미생물과 샘플수가 반응하고, 그 반응상태에 의거해서, 수질 이상의 유무가 판별된다. 즉 샘플수의 수질에 이상이 없는 경우, 미생물막(13)에 유지된 미생물의 활성은 저해되지 않으므로, 샘플수 중의 용존산소는 통상과 같이 소비되어 용존산소 전극(11)에서 검출된 전류 신호의 레벨은 저레벨이다(이 전류 신호는 도시를 생략한 출력 변환부에서 변환된 후, 표시부에서 표시된다). 그러나, 샘플수에 유해한 물질이 함유되어 있을 경우, 미생물의 활성이 저해되기 때문에, 용존산소의 소비량이 적어지고, 상기의 전류 신호는 고레벨이 된다. 따라서, 오퍼레이터는 이 전류 신호의 레벨의 변동에 의해 수질이 이상임을 알 수 있다.

미생물막(13)에 유지된 미생물은 상기와 같은 샘플수와의 반응을 계속해 가는 동안에 개체수가 감소하는 등으로 해서 전체의 활성을 점차 잃어, 센서 기능으로서의 안정성이 손상되어 간다. 그러므로, 오퍼레이터는 밸브(17)를 개방하는 동 시에 펌프(18)를 기동하여, 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되어 있는 기질 용액을 기질 용액 공급 라인(16) 및 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)을 거쳐 바이오 센서(8)에 적당히 공급한다. 이것에 의해, 미생물막(13)에 유지된 미생물의 활성은 다시 원래의 레벨로 돌아가, 센서 기능으로서의 안정성이 회복한다.

도 9는 상술한 바와 같은 기질 용액의 공급이나, 전류 신호의 레벨 변동의 일례를 나타내는 특성도이다. 이 도 9에 있어서, 최초의 시점에서는 미생물의 활성이 저하되어 있어, 전류값은 1.0㎂ 부근까지 상승해 있었지만, 어떤 시각(7분경)에 오퍼레이터가 황산제1철을 함유하는 기질 용액을 공급하면, 미생물이 급속히 활성화되어, 전류값은 0.1㎂ 부근의 레벨까지 저하한다. 그 후, 잠시동안 이 레벨에서 안정 상태를 유지하고 있었지만, 시각 15분경에 샘플수 중에 유해 물질이 첨가되었다고 하면, 이것에 의해 미생물의 활성이 저하하기 때문에, 전류값은 점차 상승한다. 그리고, 이상 설정 레벨을 초과한 시점(시각 21분경)에서 이상 경보의 발령이나 이상 표시 등이 행하여진다.

상기와 같은 수질 감시 동작이 얼마간 계속되는 동안에, 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)이나 배액 배출 라인(14)에 있어서의 오염이나 불순물 등이 축적되어, 이것을 그대로 방치해 두면, 원활한 수질 감시 동작이 불가능하게 된다. 그러므로, 오퍼레이터는 소정 시간마다 펌프(6, 18)를 정지시키는 동시에, 밸브(5, 17)를 닫고, 그 후, 밸브(21)를 개방하여, 펌프(22)를 기동시킨다. 이것에 의해, 세정액 보관 용기(19)에 저류된 세정액이 세정액 송출 라인(20)으로부터 다른 각 라인에 송출되어, 세정이 행하여져 오염이나 불순물 등이 제거된다.

[특허문헌 1]일본 특개 2002-243698호 공보

[특허문헌 2]일본 특개평11-37969호 공보

상기한 바와 같이, 오퍼레이터는 용존산소 전극(11)의 검출 전류를 감시하고, 미생물의 활성이 저하하고 있다고 판단했을 경우에는 기질 용액 보관 용기(15)로부터 기질 용액을 바이오 센서(8)에 대하여 공급함으로써, 미생물의 활성을 회복시킬 수 있다. 그러나, 이 기질 용액의 공급량을 적절하게 제어하는 것은 반드시 용이한 것이 아니다.

즉 바이오 센서의 운용을 확실히 안정화하기 위해서는 기질을 과잉으로 첨가하면 좋지만, 기질이 필요 이상으로 과잉 함유되어 있으면, 미생물의 증식이 지나치게 진행해버려, 유해 물질이 혼입했을 때에 호흡이 저해되는 것은 일부의 미생물뿐이 된다. 그리고, 그 나머지 미생물의 호흡에 의해 산소가 그 전과 거의 같은 정도로 소비되기 때문에, 산소 소비량의 변화가 나타나기 어려워진다. 그 결과, 유해 물질에 대한 검출 감도가 저하하고, 저농도 유해 물질의 혼입을 검지하는 것이 곤란하게 된다.

도 10은 바이오 센서의 검출 감도가 미생물수에 크게 영향을 받는다는 것을 나타내는 설명도이며, (a)는 미생물수와 유해 물질(KCN) 농도의 조합이 각각 다른 특성 곡선 M1∼M4를 나타내는 특성도, (b)는 특성 곡선 M1∼M4의 각 미생물수 및 유해 물질 농도의 수치를 나타내는 도표이다.

도 10(b)의 수치로부터 명백한 바와 같이, 특성 M1은 미생물수가 적고(「적 고」라 함은, M3, M4에 비해 적다고 하는 의미이며, 「적절한 수이며」라고 해도 좋음), 또 유해 물질 농도가 높을 경우, 특성 M2는 미생물수가 적고, 또 유해 물질 농도가 낮을 경우, 특성 M3은 미생물수가 많고, 또 유해 물질 농도가 높을 경우, 특성 M4는 미생물수가 많고, 또 유해 물질 농도가 낮을 경우를 각각 나타내고 있다.

그리고, 도 10(a)은 시각 20초 부근에서 유해 물질로서, 예를 들면 KCN(시안화칼륨)을 샘플수에 첨가했을 경우의 바이오 센서의 검출 전류값의 변화 상태를 나타낸 것으로, 특성 곡선 M1, M2가 나타내는 바와 같이, 미생물수가 적을 경우에는 유해 물질 농도가 높을 경우와 낮을 경우의 어느 것에 있어서도 충분한 검출 감도를 갖고 있다. 이에 반해, 특성 곡선 M3, M4가 나타내는 바와 같이, 미생물수가 많을 경우에는 유해 물질 농도가 높을 경우와 낮을 경우의 어느 것에 있어서도 검출 감도는 불충분한 것으로 되어 있다. 이 결과에서, 미생물막 안의 미생물수는 유해 물질이 첨가되었을 경우의 응답성에 극히 큰 영향을 주는 인자인 것을 알 수 있다.

상기와 같은 유해 물질에 대한 검출 감도가 저하하는 현상을 회피하기 위해서는 미생물막(13) 전체로서의 활성을 일정한 레벨로 유지하는 것이 필요하며, 영양액 중의 기질 농도를 적절하게 설정할 필요가 있다. 그러기 위해서, 일정수의 미생물을 고정화한 미생물막(13)의 호흡을 필요 충분히 활성화시킬 만큼의 농도로 기질을 공급하면 좋지만, 샘플수 중에 함유되어 있는 기질 성분에 의해 미생물의 활성이 증가할 경우가 있다. 이러한 경우도 과잉으로 기질을 첨가했을 때와 같이 미생물이 과증식한 상태가 되어, 유해 물질의 검출 감도가 저하할 우려가 있다.

반대로, 기질 농도가 낮으면, 샘플수 pH의 변동이나 유해 물질 이외의 미량 호흡 저해 성분 혼입 등의 원수 수질의 영향, 그 외, 세정 공정에 있어서의 저영양 상태, 영양액의 송액량의 변동 등의 장치적인 영향에 의해, 미생물이 서서히 사멸할 경우가 있다. 이와 같은 경우는 서서히 미생물막 안의 미생물 개체수가 감소하므로, 바이오 센서를 운용하는데도 충분한 활성이 얻어지지 않게 되어, 안정한 운전이 곤란하게 된다.

그러므로, 기질 농도를 미리 고농도로 해두고, 연속적으로 장기간 운용 가능한 상태로 해두는 방법이 생각되지만, 그와 같은 방법을 채택하면, 도리어 영양액의 장기 안정 보존 및 안정 공급의 관점에서는 불리해질 경우가 있다. 왜냐하면, 통상, 미생물은 증식에 복수 종류의 화학 물질을 필요로 하므로, 기질 성분은 복수종의 화학 물질을 함유하게 되는데, 복수종의 화학 물질이 존재하면, 함유되는 화학 물질끼리 화학 반응을 일으켜, 석출물이 발생하는 등의 현상이 발생한다. 이 석출물 때문에, 샘플수 및 기질 용액의 혼합수가 흐르는 배관 속에 막힘 등이 생겨 안정한 송액이 불가능해질 우려가 있다. 그리고, 이 화학 반응은 기질 농도가 고농도로 됨에 따라 보다 발생하기 쉽게 된다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 되어진 것이며, 바이오 센서 내의 미생물의 활성을 회복시키기 위해서 공급하는 기질 용액의 기질 농도의 제어를 용이하게 또 적절하게 행할 수 있는 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은 미생물의 영양원이 되는 복수의 기질 성분을 함유한 기질 용액과 샘플수의 혼합수를 도입하고, 이 혼합수에 함유되는 용존산소를 소비하는 상기 미생물을 유지한 미생물막 및 상기 용존산소의 소비량에 따른 전류 신호를 출력하는 용존산소 전극을 갖는 바이오 센서를 구비하고, 상기 전류 신호가 이상 설정 레벨을 초과했을 경우에 수질이 이상임을 판별하는 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치에 있어서, 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분을 함유하고, 상기 미생물을 활성화시키기 위한 활성 조정용 기질 용액이 저류된 활성 조정용 기질 용액 보관 용기와, 상기 전류 신호의 출력에 의거해서, 상기 용존산소의 소비량이 일정 이하로 저하하여, 상기 미생물의 활성이 저하했다고 판별되었을 경우에, 상기 저류된 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하는 활성 조정용 기질 용액 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 발명은 청구항 1에 기재된 발명에 있어서, 상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은 정류량 펌프이며, 상기 미생물의 활성 저하의 정도에 따라, 이 정류량 펌프의 작동 시각을 가변하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 발명은 청구항 1에 기재된 발명에 있어서, 상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은 유량 가변 펌프이며, 상기 미생물의 활성 저하의 정도에 따라, 이 유량 가변 펌프의 유량을 가변하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 발명은 청구항 1에 기재된 발명에 있어서, 상기 활성 조 정용 기질 용액 보관 용기는 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분의 농도가 통상 농도인 제1 활성 조정용 기질 용액이 저류된 제1 활성 조정용 기질 용액 보관 용기와, 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분의 농도가 저농도인 제2 활성 조정용 기질 용액이 저류된 제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기로 나뉘어 있고, 상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은, 상기 미생물의 활성 저하의 정도가 작은 경우는 상기 저류된 제2 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하고, 상기 미생물의 활성 저하의 정도가 통상의 경우 또는 현저할 경우는 상기 저류된 제1 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 기재된 발명은 청구항 1 내지 4에 기재된 발명에 있어서, 상기 미생물이 철산화 세균이며, 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분이 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)인 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 기재된 발명은 청구항 1 내지 5에 기재된 발명에 있어서, 상기 혼합수 및 상기 활성 조정용 기질 용액의 공급 라인을 세정하기 위한 세정액이 저류된 세정액 보관 용기와, 세정 시에 상기 저류된 세정액을 상기 공급 라인을 향해 송출하는 세정액 송출 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하, 본 발명의 각 실시 형태에 의거해서 설명한다. 단, 도 7의 종래의 장치와 같은 구성 요소에는 동일 부호를 붙여 중복 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 1이 도 7과 다른 점은 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)가 추가되어, 이것에 저류되어 있는 활성 조정용 기질 용액이 밸브(25) 및 활성 조정용 기질 용액 공급 수단으로서의 펌프(26)(정류량 펌프)가 부착된 활성 조정용 기질 용액 공급 라인(24)을 통해, 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)에 보내지도록 되어 있는 점이다. 또한, 용존산소 전극(11)에서 검출된 전류 신호는 출력 변환부(27)를 거쳐 공급량 제어 수단(28)에 출력되어, 이 공급량 제어 수단(28)이 밸브(25) 및 펌프(26)를 제어하도록 되어 있다.

여기에서, 상기한 바와 같이, 기질 용액 보관 용기(15) 이외에, 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)를 별개로 추가한 구성으로 한 이유에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이, 유해 물질에 대해 검출 감도가 저하하는 현상을 회피하기 위해서는 미생물막(13) 전체로서의 활성을 일정한 레벨로 유지하는 것이 필요하며, 영양액 중의 기질 농도를 적절하게 설정할 필요가 있다.

즉 샘플수의 수질 조건이 바이오 센서의 미생물에 있어서 증식하기 쉬운 환경에 있을 경우, 기질의 공급량을 제한하는 등의 방법에 의해, 미생물의 반응조에서의 농도를 저감시키도록 한다. 그 결과, 미생물의 과도한 증식을 억제하는 것이 가능해지고, 유해 물질에 대한 검출 감도 저하를 방지할 수 있다. 반대로, 샘플수의 수질 조건이 바이오 센서의 미생물에 있어서 생식에 부적합한 환경일 경우, 기질의 공급량을 증가시키는 등의 방법에 의해, 미생물의 반응조에서의 농도를 증가시키도록 한다. 그 결과, 미생물의 활성을 향상하는 것이 가능해 지고, 바이오 센 서 출력의 안정화에 유효하게 된다.

또한, 기질 성분 중에는 미생물의 호흡 활성에 직접적인 영향을 끼치지 않는 화학 물질이 함유되어 있다. 미생물이 증식해 가기 위해서는 모든 기질을 공급해 갈 필요가 있어, 기질 성분의 공급량 조정을 전(全)성분에 대해 실시하는 것도 가능하다. 한편, 바이오 센서의 활성을 즉시 향상시키기 위해서 유효한 방법은 호흡 대사에 필요한 성분만을 상시 공급해 주는 것이다. 예를 들면, 철산화 세균 T.ferrooxidans를 바이오 센서용의 미생물로서 사용할 경우의 기질 성분은 도 8의 도표에 기재되어 있는데, 기질 성분의 호흡 활성을 얻기 위해서 필요한 기질 성분은 황산제1철이다. 그 이외의 성분에 대해서는 장기적인 호흡 활성의 유지에는 필요하지만, 유해 물질 혼입의 감시만을 행하기 위해서라면, 호흡 대사를 활성화시킬 수 있는 황산제1철만을 첨가해도 좋다.

그러나, 호흡 대사를 활성화시키는 기질 성분의 농도가 크게 변동하면, 이번에는 바이오 센서의 출력이 불안정하게 되어, 안정한 수질 감시가 곤란하게 된다. 그러므로, 공급량을 조절하기 위한 기질 성분으로서, 호흡 대사에 관여하지 않는 성분을 선택하여, 그 성분의 공급량을 제어하는 등의 방법에 의해, 미생물과 반응조에 있어서의 그 성분의 농도를 조정하도록 한다. 이 방법에 의해, 상시 안정한 호흡 활성을 얻을 수 있고, 또 미생물의 증식 경향을 제어하는 것이 가능해지고, 바이오 센서의 성능 유지·안정 운용을 유효하게 행할 수 있게 된다.

본 실시 형태에서는 상기의 호흡 대사에 관여하지 않는 성분으로서, 도 8의 도표 중에 기재되어 있는 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)을 선택해서 사용하는 것으로 하여, 이 인산수소2칼륨을 활성 조정용 기질 용액으로서 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)에 저류하도록 하고 있다. 그리고, 바이오 센서(8)로의 인산수소2칼륨의 공급량을 제어하여, 반응조(10)에 있어서 미생물 즉 철산화 세균 T. ferrooxidans와 반응하는 인산수소2칼륨의 농도를 조정한다. 이것에 의해, 철산화 세균 T. ferrooxidans에 대해 항상 충분한 활성을 얻을 수 있고, 또한, 장기적인 개체수의 변동을 억제하는 것이 가능해진다.

그런데, 인산수소2칼륨에 포함되는 인산 이온(PO₄ ^{3 -})과 황산제1철에 함유되는 제1철 이온(Fe^{2 +})은 결합하기 쉽고, 결합하면 물에 난용성인 인산철을 형성한다. 이 경우, pH를 조정함으로써, 인산철이 용해 상태가 되도록 설정하는 것은 가능하나, 온도 상승 등의 영향으로 배관 등에 조금씩 석출이 발생할 우려가 있다. 그 경우, 석출물의 영향으로 밸브의 폐색(막힘), 밀봉 불량, 펌프의 송액 불량 등의 악영향이 우려된다. 그러나, 인산 이온과 제1철 이온을 분리한 상태로 보관하여, 별개의 라인으로 공급하도록 하면, 석출물의 발생을 저감하는 것이 가능해져 송액을 안정하게 행할 수 있다. 그러기 위해서, 본 실시 형태에서는 상기한 바와 같이, 인산수소2칼륨이 저류된 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)를 기질 용액 보관 용기(15) 이외에 별개로 추가한 구성으로 하고 있다.

다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되는 기 질 용액에 대해 설명한다. 본 발명의 발명자들은 이 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되는 기질 용액의 기질 성분을 확정하기 위한 실험을 행하고 있으므로, 이에 대해 설명한다.

도 2는 이 실험에 사용된 3종류의 기질 용액 A, B, C의 각 성분을 기재한 도표이다. 기질 용액 A는 도 8의 도표에 있어서 나타낸 배지 조성와 동일한 성분이며, 기질 용액 B는 기질 용액 A의 성분 중, 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)만을 제거한 것이고, 기질 용액 C는 이 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)의 중량을 기질 용액 A의 중량의 10분의 1로 하고 있다. 그리고, 인산수소2칼륨 이외의 다른 성분의 중량은 기질 용액 A, B, C 어느 것에 있어서도 동일하다. 또한, 황산제1철에 함유되는 제1철 이온(Fe^{2 +})을 공급함으로써, 철산화 세균 T. ferrooxidans를 활성화할 때의 pH의 값은 도 2의 도표에 나타낸 바와 같이, 3 또는 그 전후의 값이 적합하다.

도 3은 도 2의 도표에 나타낸 3종류의 기질 용액 A, B, C를 사용해서 연속적으로 운전했을 경우에 있어서의 바이오 센서(8)의 전류값의 변화 상태를 나타내는 특성도이다. 여기에서는, 샘플수 100ml에 대해 각 기질 용액을 4ml 혼합하여 얻어지는 3종류의 혼합수를 반응조(10)에 공급하고 있다. 시각 t1∼t2의 기간, 및 시각 t3∼t4의 기간에는 황산 등의 세정액을 송출하여 세정을 행하고 있으나, 이 기간중에는 철 이온이 공급되지 않으므로 전류값이 직사각형상으로 증가하고 있어, 미생물인 철산화 세균 T. ferrooxidans의 활성이 저하하고 있는 것이 현저하다.

기질 용액 A, B, C 중 어느 것에 있어서도 함유하는 철 이온의 농도는 같기 때문에, 시각 t1 이전인 초기에는 미생물의 활성은 거의 같은 정도다. 그리고, 시각 t1∼t2의 첫번째 세정 기간중에 미생물의 활성이 크게 저하하고, 세정 종료 후의 시각 t2 이후에는 다시 철 이온이 공급되므로 미생물의 활성이 회복한다. 이 경우, 회복시의 활성 레벨은 인산수소2칼륨이 제거된 기질 용액 B가 가장 낮고(전류값의 레벨이 가장 높음), 인산수소2칼륨을 가장 많이 함유하는 기질 용액 A가 최고이며, 인산수소2칼륨의 양이 기질 용액 A의 10분의 1인 기질 용액 C가 A, B의 중간 레벨이다. 단, 기질 용액 A는 시각 t2∼t3간에 있어서 전류값이 더 감소하는 경향에 있어 미생물의 활성 레벨이 조금 일정하지 않는 상태이다.

시각 t3∼t4의 기간에 두번째의 세정이 행해지면, 전회의 세정과 같이, 미생물의 활성은 크게 저하하고, 또 철 이온의 공급이 개시되는 시각 t4 이후에 미생물의 활성이 회복한다. 이 경우의 시각 t4 이후의 회복시의 레벨은 기질 용액 A, C에 대해서는 시각 t3의 레벨과 거의 같으나, 기질 용액 B에 대해서는 세정에 의해 미생물이 데미지를 받기 때문에 시각 t3의 레벨보다도 증가하고 있다. 세정에 의해 미생물이 받는 이와 같은 데미지는 세정 작업마다 반복되어, 기질 용액 B의 경우는 점차 미생물수가 감소하는 결과가 된다.

따라서, 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되는 기질 용액으로서, 기질 용액 B는 부적합하다고 할 수 있다. 그리고, 기질 용액 A는 시각 t2∼t3의 기간에 있어서, 미생물의 활성이 일정하지 않는데 반해, 기질 용액 C는 거의 일정하다. 이들로부터, 기질 용액 C가 최적이며, 본 실시 형태는 이 기질 용액 C를 기질 용액 보관 용기(15)에 저류한다.

도 3에 나타낸 기질 용액 A, B, C의 각 전류값의 변화 상태에서, 미생물인 철산화 세균 T. ferrooxidans의 증식 경향을 제어하기 위해서는 기질 용액 중의 몇 개의 기질 성분 중 인산수소2칼륨의 농도를 조정해주면 좋은 것을 알 수 있다. 즉 미생물막(13)의 활성이 과잉으로 됐을 경우에는 인산수소2칼륨의 농도를 저감하여 미생물의 증식을 억제하고, 반대로, 미생물막(13)의 활성이 악화한 경우에는 인산수소2칼륨의 농도를 높임으로써, 미생물의 증식을 촉진하면, 미생물막(13) 중의 미생물수를 일정 레벨로 유지하는 것이 가능하게 된다. 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)에 저류하는 활성 조정용 기질 용액으로서 인산수소2칼륨을 선택한 것은, 사실은 이러한 이유에 의한 것이다.

다음으로, 이상과 같이 구성되는 도 1의 동작에 대해 설명한다. 오퍼레이터는 밸브(5)를 개방하고, 펌프(6)를 기동하는 동시에, 밸브(17)를 개방하고, 펌프(18)를 기동한다. 이것에 의해, 산기 수조(2)에 저류되어 있는 샘플수(3)와 기질 용액 보관 용기(15)에 저류되어 있는 기질 용액(도 2의 도표 중의 기질 용액 C)의 혼합수가 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)을 통해서 바이오 센서(8)에 공급된다.

그리고, 반응조(10)에 있어서, 미생물막(13)에 유지된 미생물과 혼합수가 반응하여, 혼합수 중의 용존산소량에 따라 전류 신호가 용존산소 전극(11)으로부터 출력 변환부(27)를 거쳐 공급량 제어 수단(28)에 출력된다. 공급량 제어 수단(28)은 이 전류 신호의 입력에 의거해서, 밸브(25) 및 정류량 펌프(26)를 제어하여, 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)에 저류되어 있는 활성 조정용 기질 용액을 샘 플수·기질 용액 공급 라인(7)에 송출한다. 이것에 의해, 활성 조정용 기질인 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)의 농도가 적정하게 제어되어, 미생물막(13)이 유지하는 미생물의 수를 안정화시키는 것이 가능하다.

도 4는 이 때의 활성 조정용 기질의 농도 제어에 대한 설명도이며, (a)는 바이오 센서(8)의 전류값 변화에 관한 특성도, (b)는 보관 용기(23)로부터의 활성 조정용 기질의 공급 타이밍을 나타내는 타임 챠트, (c)는 활성 조정용 기질의 농도 변화에 관한 특성도이다.

처음에는, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 용존산소 전극(11)으로부터의 검출 전류값은 목표 전류값을 조금 오버하고 있는 정도이다. 따라서, 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)로부터 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)에 송출하는 활성 조정용 기질 용액의 양도 그다지 많게 할 필요는 없다. 그 때문에, 공급량 제어 수단(28)은 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 시각 t1, t2, t3, t4의 단속적인 타이밍으로 단시간만 활성 조정용 기질 용액을 공급한다. 이 때의 혼합수 중에 있어서의 활성 조정용 기질의 농도는 도 4(c)에 나타낸 바 같이, 그다지 높지 않다.

그 후, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 검출 전류값은 목표 전류값을 밑도는 상태로 된다. 이 상태에서는 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)로부터 활성 조정용 기질 용액을 공급할 필요는 없다. 따라서, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 시각 t4에서 최후의 용액 공급이 행하여진 후, 잠시 동안의 기간은 공급이 행해지지 않는다. 그리고, 이 공급이 행해지지 않고 있는 기간은 당연한 일이지만, 도 4(c) 의 활성 조정용 기질의 농도는 거의 '0'이었다

다시 잠시 동안 두면, 도 4(a)에 있어서의 검출 전류값은 다시 목표 전류값을 오버한 상태가 되고, 공급량 제어 수단(28)은 시각 t5에서 활성 조정용 기질 용액의 단시간 공급을 재개하고, 시각 t6에서 조금 긴 공급을 행한다. 그러나, 그래도 검출 전류값의 레벨은 계속 상승하므로, 공급량 제어 수단(28)은 시각 t7∼t8의 긴 시각에 걸쳐서 연속적인 공급을 행한다. 이것에 의해, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 검출 전류값의 상승 경향에 제동이 걸려, 이번에는 완만하게 하강한다. 따라서, 공급량 제어 수단(28)은 시각 t8에서 연속 공급을 정지한 후, 시각 t9에서 그다지 길지 않은 시각만 공급을 행한다. 이 때의 활성 조정용 기질의 농도는 도 4(c)에 나타낸 바와 같이, 고레벨이 된다.

이와 같이, 도 1의 구성에서는 기질 용액 보관 용기(15)와는 별개로 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)를 마련하고 있으므로, 미생물막(13)의 미생물수를 일정 레벨로 용이하게 유지할 수 있다. 즉 도 7의 종래 구성에서는 기질 용액 보관 용기(15)로부터의 기질 용액의 공급량을 제어함으로써, 미생물수의 조정을 행하도록 했으나, 이것으로는 미생물의 호흡 대사를 직접 활성화시키는 황산제1철의 양이 크게 변동하기 때문에 바이오 센서(8)의 검출 감도가 불안정해진다. 이에 반해, 도 1의 구성에서는 기질 용액 보관 용기(15)로부터의 기질 용액의 공급량은 일정하게 하고, 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분을 함유한 활성 조정용 기질 용액의 공급량을 제어하고 있으므로, 미생물막(13)의 미생물수의 일정화가 용이해진다. 그리고, 이 활성 조정용 기질 용액은 활성 조정용 기질 용액 보관 용 기(23)에 기질 용액 보관 용기(15)의 용액과는 별개로 보관되어 있으므로, 석출물 등의 발생이 저감되어 안정한 송액을 행할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 5가 도 1과 다른 점은 활성 조정용 기질 용액 공급 수단으로서의 정류량 펌프(26)가 유량 가변 펌프(26A)로 치환되어 있는 점이다. 즉 도 1의 구성에서는 정류량 펌프(26)에 의하여 활성 조정용 기질 용액의 공급 시간의 길이를 가변시킴으로써, 인산수소2칼륨의 농도를 적정하게 제어하고 있었으나, 이 도 5의 구성에서는 유량 가변 펌프(26A)의 회전수, 즉 유량을 변화시킴으로써, 인산수소2칼륨의 농도를 적정하게 제어하고 있다. 따라서, 이 실시 형태에 의하면, 미생물막(13)이 유지하는 미생물수의 조정을 보다 신속하게 또 적정하게 행하는 것이 가능하게 된다.

도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 6이 도 1과 다른 점은 제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(29)가 추가되어, 이것에 저류되어 있는 활성 조정용 기질 용액이 밸브(31) 및 펌프(32)(정류량 펌프)가 부착된 제2 활성 조정용 기질 용액 공급 라인(30)을 통해, 샘플수·기질 용액 공급 라인(7)에 보내지는 점이다. 또한, 부호 23, 24의 구성 요소는 도 1 또는 도 5의 것과 같은 것이나, 상기의 요소 29, 30과 구별하기 쉽게 하기 위해서, 「제1…」이라고 표현하고 있다. 이 제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(29)에 저류되어 있는 제2 활성 조정용 기질 용액은 제1 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)에 저류되어 있는 제1 활성 조정용 기질 용액보다 저농도이다.

그리고, 공급량 제어 수단(28)은 용존산소 전극(11)으로부터 출력 변환부(27)를 거쳐 입력하는 전류 신호에 의거해서, 밸브(25, 31) 및 펌프(26, 32)를 제어하고, 미생물의 활성 저하의 정도가 작은 경우는 제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(29)로부터 저농도의 제2 활성 조정용 기질 용액을 바이오 센서(8)에 공급하고, 한편, 미생물의 활성 저하의 정도가 통상의 경우 또는 현저할 경우는 제1 활성 조정용 기질 용액 보관 용기(23)로부터 제1 활성 조정용 기질 용액을 바이오 센서(8)에 공급한다. 따라서, 이 실시 형태에 따르면, 미생물막(13)이 유지하는 미생물수의 조정을 한층 세밀하게 또 정확하게 행하는 것이 가능하게 된다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분을 함유하고, 미생물을 활성화시키기 위한 활성 조정용 기질 용액이 저류된 활성 조정용 기질 용액 보관 용기와, 전류 신호의 출력에 의거해서, 용존산소의 소비량이 일정 이하로 저하하여, 미생물의 활성이 저하했다고 판별되었을 경우에, 저류된 활성 조정용 기질 용액을 바이오 센서에 대하여 공급하는 활성 조정용 기질 용액 공급 수단을 구비한 구성으로 했으므로, 바이오 센서 내의 미생물의 활성을 회복시키기 위해서 공급하는 기질 용액의 기질 농도의 제어를 용이하게 또 적절하게 행할 수 있는 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 미생물의 영양원이 되는 복수의 기질 성분을 함유한 기질 용액과 샘플수(水)의 혼합수(混合水)를 도입하여, 이 혼합수에 함유되는 용존산소를 소비하는 상기 미생물을 유지한 미생물막, 및 상기 용존산소의 소비량에 따른 전류 신호를 출력하는 용존산소 전극을 갖는 바이오 센서를 구비하며, 상기 전류 신호가 이상 설정 레벨을 초과했을 경우에 수질이 이상임을 판별하는 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치에 있어서,

   상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분을 함유하고, 상기 미생물을 활성화시키기 위한 활성 조정용 기질 용액이 저류된 활성 조정용 기질 용액 보관 용기와,

   상기 전류 신호의 출력에 의거해서, 상기 용존산소의 소비량이 일정 이하로 저하하여, 상기 미생물의 활성이 저하했다고 판별되었을 경우에, 상기 저류된 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하는 활성 조정용 기질 용액 공급 수단

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은 정류량 펌프이며, 상기 미생물의 활성 저하의 정도에 따라, 이 정류량 펌프의 작동 시간을 가변하는

   것을 특징으로 하는, 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은 유량 가변 펌프이며, 상기 미생물의 활성 저하의 정도에 따라, 이 유량 가변 펌프의 유량을 가변하는

   것을 특징으로 하는, 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 활성 조정용 기질 용액 보관 용기는 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분의 농도가 통상 농도인 제1 활성 조정용 기질 용액이 저류된 제1 활성 조정용 기질 용액 보관 용기와, 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분의 농도가 저농도인 제2 활성 조정용 기질 용액이 저류된 제2 활성 조정용 기질 용액 보관 용기로 나뉘어 있고,

   상기 활성 조정용 기질 용액 공급 수단은 상기 미생물의 활성 저하의 정도가 작은 경우는 상기 저류된 제2 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하고, 상기 미생물의 활성 저하의 정도가 통상의 경우 또는 현저할 경우는 상기 저류된 제1 활성 조정용 기질 용액을 상기 바이오 센서에 대하여 공급하는 것임

   을 특징으로 하는, 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 미생물이 철산화 세균이며, 상기 미생물의 호흡 대사에 관여하지 않는 기질 성분이 인산수소2칼륨(K₂HPO₄)인

   것을 특징으로 하는, 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합수 및 상기 활성 조정용 기질 용액의 공급 라인을 세정하기 위한 세정액이 저류된 세정액 보관 용기와,

   세정시에 상기 저류된 세정액을 상기 공급 라인을 향해 송출하는 세정액 송출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서형 이상 수질 감시 장치.

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