KR100945309B1 - 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법 - Google Patents

고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법이 개시된다. 본 발명은, 유기성 영양물질과 무기질 다공체를 혼합하여 이를 발효시키는 제 1 단계; 상기 무기질 다공체에 오염물질 분해능력이 있는 미생물을 담지시키는 제 2 단계; 및 상기 미생물이 담지된 무기질 다공체 내에서 미생물을 배양하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 미생물 담지 무기질 다공체 제조 방법이다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 영양성분이 담지된 미생물 담체보다 미생물이 성장하는데 필요한 영양성분을 단기간에 무기질 다공체 내에 고농도로 담지가 가능하게 되며, 담지된 영양성분을 이용하여 미생물의 고농도 배양이 가능하게 된다.
무기질 다공체, 영양물질, 토양 복원.

Description

고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법{Manufacturing method of inorganic porous matter}
본 발명은 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물이 성장하는데 필요한 영양성분을 단기간에 무기질 다공체 내에 고농도로 담지시키고, 담지된 영양성분을 이용하여 미생물의 고농도 배양이 가능한 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체를 제조하는 방법이다.
산업이 발달하고 도시화가 진행됨에 따라 악취, 유기화합물, 중금속 등 오염물질들이 인위적으로 생성, 배출되며, 이들은 자연수, 대기 등의 이동매체를 통하여 대기권, 수권, 토양권을 포함하는 지구화학적 환경으로 분산됨에 따라서 잠재적으로 인간을 비롯한 유기생명체에 치명적인 피해를 입힐 수 있다.
이와 같은 오염물질 중에서 악취, 유류 등 유기화합물의 생물학적 처리를 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있는데, 미생물을 이용하는 생물학적 정화 방법은 영양물질이나 산소공급을 필요로 하지만, 경제성 및 효율성이 비교적 우수하기 때문에 최근 많은 연구가 이루어지고 있으며, 사용빈도도 증가하고 있다. 그러나 이 러한 방법을 적용하기 위해서는 사용되는 미생물이 오염환경에 잘 적응하면서 오염성분의 분해능을 유지해야 하고, 또한 이들 미생물들이 환경에 미치는 영향은 최소화해야 한다는 요건을 충족해야 한다. 이에 더하여, 이러한 요건들을 충속시킬 수 있는 적합한 미생물이 분리되어야하고 이들을 대량 배양시켜서 오랫동안 생존할 수 있는 제제형태로 제조하여야 한다. 오염물질을 생물학적 방법으로 정화하기 위해서는 고농도의 미생물 제제가 필요하며, 이를 위한 미생물 제제는 액상배양, 고체배양으로 제조할수 있다. 미생물의 액상배양은 미생물 배양과정에서 추가 오염물질이 발생하고 장기간 보관이 불가능하나 고체배양은 적절한 담체와 영양조건이 구비되면 단시간 내에 고농도의 미생물 배양이 가능하며, 배양과정에서 오염물질의 발생이 없고 또한 장기보존성이 우수하다.
이와 같은 미생물을 이용하기 위한 기술로서, 한국특허 등록번호 10-0302019은 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물학적 처리용 담체를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 석회질원료 5-50중량%와 규산질원료 15-60중량%가 주성분인 화합물과, 탄소와 질소영양분의 공급원으로 이탄재(peat moss), 컴포스트(compost), 우드칩(wood chip), 우드바크(wood bark), 톱밥, 탈지강, 활성탄, 왕겨 그러고 효모추출물에서 선택된 1종이상의 유기물질과 인, 칼륨, 철, 망간의 영양분을 첨가시켜 제조한 혼합물을 고온, 고압 하에서 가압수열양생시킴으로써 미생물의 성장에 필요한 영양분을 포함하고 있는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물학적 처리용 담체를 제조하는 방법이다.
그러나 이와 같은 한국특허 등록번호 10-0302019의 경우에 미생물 성장에 필요한 영양물질을 공급하는 방법으로 영양성분을 다공체의 원료와 혼합하여 고온, 고압 하에서 수열 양생 시키므로 유기물의 혼입에 의해 무기질 다공체의 강도가 저하될 우려가 높으며, 열처리시 유기물의 분해, 증발 등에 의해 영양성분의 적정 구성비의 유지가 곤란해진다.
또한 한국특허 등록번호 10-0535936는 유류오염 정화용 미생물 제제 및 그 제조 방법에 대한 것으로서 무기물에 탄소원을 첨가한 배지에 유류 분해능이 있는 미생물을 배양하여 현탁액으로 만드는 단계; 탈지감을 고압멸균하고 열처리하는 단계; 상기 미생물 현탁액과 탈지감을 혼합하여 건조시키는 단계; 및 상기 건조물을 소입자 형태로 분쇄시키는 단계를 포함하는 유류오염 정화용 미생물 제제의 제조방법이다.
이와 같은 한국특허 등록번호 10-0535936와 같이 탈지감에 미생물을 담지하여 미생물 제제를 제조하는 경우에는 미생물 액상배양, 멸균, 혼합, 건조, 부쇄 등의 제조 공정이 매우 복잡하고 미생물 성장에 필요한 영양성분으로 (NH4)2SO4, FeSO4 ·7H2O, CaCl2 ·2H2O, MgSO7H2O, NaCl, Na2HPO4, KH2PO4 등 화학물질을 사용함으로써 이들물질을 미생물 성장에 적합한 조성으로 혼합하여야 하며 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은, 축산분뇨, 음식물 폐기물, 유기성 오니 등 폐자원을 사용하여 다공체 내에 영양성분을 단시간에 고농도로 담지시키는 방법을 제안하고자 한다.
나아가서, 다공체 내에 담지된 영양성분을 활용하여 미생물의 대량 배양이 가능하게 하며, 무기질 다공체의 반복사용에 의해 다공체 내에 영양성분을 고농도로 담지가 가능하게 하고자 한다.
나아가서, 생물학적 오염물질의 분해에 있어서 미생물의 생존 및 증식을 위한 추가적인 영양물질의 공급이 필요 없는 방법을 제공하고자 한다.
이상과 같은 과제를 해결하고자 본 발명의 바람직한 일구현예는, 유기성 영양물질과 무기질 다공체를 혼합하여 함수율이 20~75wt%가 되도록 한 후 이를 발효시키는 제1단계; 상기 무기질 다공체에 유류분해미생물을 102~106cfu/gㆍ다공체의 농도로 담지시키는 제2단계; 및 상기 미생물이 담지된 무기질 다공체 내에서 미생물을 20~45℃에서 배양하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 미생물 담지 무기질 다공체 제조방법을 제공한다.
삭제
상기 구현예에서, 제3단계는, 상기 무기질 다공체 내에 담지된 미생물을 배양하여 109~1012cfu/gㆍ다공체의 농도를 갖도록 하는 것일 수 있다.
상기 구현예에서, 유기성 영양물질은 축산분뇨, 유기성 오니 및 음식물 폐기물 중에서 선택된 적어도 1종 이상인 것일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 축산분뇨, 음식물 폐기물, 유기성 오니 등을 사용하여 무기질 다공체 내에 미생물 성장에 필요한 영양성분을 단시간 내에 고농도로 담지가 가능하게 되며, 무기질 다공체 내에 담지된 영양성분을 활용하여 오염물질 처리용 미생물의 대량 배양이 가능해 진다.
이하에서는 본 발명에 따른 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법에 대하여 바람직한 실시예를 참고하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체를 제조하는 방법에 대한 개략적인 흐름도를 나타낸다.
무기질 다공체를 제조(S110)하는데, 본 발명에 따른 무기질 다공체는 여러 가지 방법으로 생산이 될 수 있겠으나 바람직하게는 생석회나 포틀랜드 시멘트 등의 석회질 원료와 규석이나 규사 등의 실리카질 원료로 슬러지를 만들고 여기에 알 루미늄 등의 분말을 발포제로 첨가하여 기공이 형성된 다공체를 예비양생하게 된다. 이때 상기 슬러지에 물을 첨가하여 1차 혼합하고 상기 발포제를 첨가하여 2차 혼합을 하여 예비양생을 하게 된다.
이후에 예비양생된 다공체에 오토클레이브(Autoclave)를 사용하여 170~250℃의 포화수증기압하에서 수열반응으로 무기질 다공체를 생성하게 된다. 여기서 수열반응으로 생성하는 규산칼슘수화물은 주로 판상형태의 토버모라이트(Tobermorite)의 결정으로 무기질 다공체의 강도를 발휘하게 된다.
상기의 다공체 제조 방법은 본 발명에 있어서의 무기질 다공체에 대한 하나의 실시예로서 이에 국한되지 않고 본 발명에서는 다양한 형태의 무기질 다공체가 적용이 될 수 있다.
무기질 다공체를 제조(S110)하고 제조된 무기질 다공체에 유기성 영양물질을 혼합(S130)하게 되는데, 여기서 사용되는 유기성 영양물질은 축산분뇨, 유기성 오니 및 음식물 폐기물 중에서 적어도 1종이상을 선택하여 사용하게 된다.
이때 유기성 영양물질을 상기 무기질 다공체에 혼합하여 혼합후 함수율이 20~75wt%가 되도록 한다.
이후에 유기성 영양물질이 혼합된 무기질 다공체를 발효시키는 과정(S150)을 거치면 고농도의 영양성분이 담지된 무기질 다공체가 제조(S170)된다.
이와 같이 제조된 영양성분이 담지된 무기질 다공체에 오염물질 분해능력을 가진 미생물을 저농도(102~106cfu/gㆍ다공체 수준) 담지(S210)한다.
상기 무기질 다공체에 미생물을 담지시키는데 있어서 액상 미생물을 스프레이 등의 장치를 이용하여 상기 무기질 다공체에 넓게 뿌려서 담지시킬 수 있다.
이와 같이 영양성분이 담지된 무기질 다공체에 오염물질 분해능력을 가진 미생물이 저농도로(102~106cfu/g·다공체 수준) 담지되면 이를 20~45℃에서 배양하는 과정(S230)을 거치게 된다. 이때 상기 무기질 다공체에 담지된 미생물의 농도가 109~1012cfu/g·다공체가 되도록 배양을 하는 것이 바람직하다.
상기 배양과정을 거쳐 영양성분과 미생물이 담지된 무기질 다공체의 제조가 완료(S250)된다.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명에 따른 고농도 영양물질이 담지된 무기질 다공체 제조 방법과 본 발명에 따라 제조된 미생물이 담지된 무기질 다공체의 특성에 대하여 살펴본다.
[실험예]
본 발명에서 사용된 무기질 다공체의 특성은 표 1과 같으며, 본 발명에서 사용되는 유기성 물질의 영양성분 함량은 표 2와 같다.
압축강도 (kg/cm2) 비 중 기공률 (%) 흡수율 (wt%) pH
무기질 다공체 35 0.5 55 110 8.5
대상물질 유기성 물질의 영양성분 함량(건물 wt%)
OM T-C T-N P2O5 K2O
축산분뇨(돈분) 77.24 44.80 3.68 5.99 0.77
하수오니 46.31 26.86 2.05 2.58 0.38
음식물 폐기물 86.17 49.98 3.51 1.52 0.54
본 발명에 따른 무기질 다공체에 혼합되는 유기성 영양물질은 상기 표 2에 기재된 축산분뇨, 유기성 하수오니, 음식물 폐기물 등이 사용될 수 있으며, 보다 고농도의 영양성분을 담지하기 위하여 상기 표 2 상의 영양물질 중 적어도 1종 이상이 혼합되어 무기질 다공체에 혼합될 수 있다.
이와 같은 영양성분을 무기질 다공체에 혼합한 후 발효과정을 통해 고농도 영양성분이 담지된 무기질 다공체를 제조하게 된다.
본 실험에서는 표 1의 특성을 가지는 무기질 다공체에 여러 가지 조건으로 유기성 영양 물질을 혼합하여 실험을 통하여 이에 대한 특성을 분석하였다.
무기질 다공체(wt%) 고농도 유기성 물질 (wt%) 혼합물 함수율(wt%)
축산분뇨 하수오니 음식물 폐기물
실시예 1 59.2 40.8 - - 40
실시예 2 45.9 54.1 - - 50
실시예 3 32.9 67.1 - - 60
실시예 4 31.0 - 69.0 - 65
실시예 5 32.9 - - 67.1 60
상기 표 3는 본 발명에 따라 유기성 물질로서 축산분뇨, 하수오니, 음식물 폐기물을 무기질 다공체와 혼합조건을 나타낸 표이다.
[실시예1]
무기질 다공체 29.6kg과 축산분뇨 20.4kg을 혼합하여 무기질 다공체와 축산분뇨의 혼합 함수율이 40wt%가 되도록 하였다. 제조된 무기질 다공체와 축산분뇨 혼합물을 바닥에 산기판이 설치된 100L 용기에 넣고, 1일 2회 10분간 공기 10L/min를 공급하면서 13일간 부숙시켜 영양성분이 고농도로 담지된 무기질 다공체를 제조하였다.
[실시예2]
무기질 다공체 23.0kg과 축산분뇨 27.1kg을 혼합하여 무기질 다공체와 축산분뇨의 혼합 함수율이 50wt%가 되도록 하였다. 제조된 무기질 다공체와 축산분뇨 혼합물을 바닥에 산기판이 설치된 100L 용기에 넣고, 1일 2회 10분간 공기 10L/min를 공급하면서 13일간 부숙시켜 영양성분이 고농도로 담지된 무기질 다공체를 제조하였다.
[실시예3]
무기질 다공체 16.5kg과 축산분뇨 33.5kg을 혼합하여 무기질 다공체와 축산분뇨의 혼합 함수율이 60wt%가 되도록 하였다. 제조된 무기질 다공체와 축산분뇨 혼합물을 바닥에 산기판이 설치된 100L 용기에 넣고, 1일 2회 10분간 공기 10L/min를 공급하면서 13일간 부숙시켜 영양성분이 고농도로 담지된 무기질 다공체를 제조하였다.
[실시예4]
무기질 다공체 15.5kg과 하수오니 34.5kg을 혼합하여 무기질 다공체와 하수오니의 혼합 함수율이 65wt%가 되도록 하였다. 제조된 무기질 다공체와 하수오니 혼합물을 바닥에 산기판이 설치된 100L 용기에 넣고, 1일 2회 10분간 공기 10L/min를 공급하면서 13일간 부숙시켜 영양성분이 고농도로 담지된 무기질 다공체를 제조하였다.
[실시예5]
무기질 다공체 16.5kg과 음식물 폐기물 33.5kg을 혼합하여 무기질 다공체와 음식물 폐기물의 혼합 함수율이 60wt%가 되도록 하였다. 제조된 무기질 다공체와 음식물 폐기물 혼합물을 바닥에 산기판이 설치된 100L 용기에 넣고, 1일 2회 10분간 공기 10L/min를 공급하면서 13일간 부숙시켜 영양성분이 고농도로 담지된 무기질 다공체를 제조하였다.
하기 표 4는 본 발명에 따른 영양물질과 무기질 다공체를 혼합하여 발효과정을 거친 각 실시예 결과에 따른 무기질 다공체에 담지된 영양성분을 나타낸 것이다.
영양성분 담지량(wt%) C/N비 pH
유기물 T-N T-P
실시예1 31.8 1.7 1.11 18.7 8.1
실시예2 30.4 1.4 0.79 21.7 8.0
실시예3 29.2 1.3 0.85 22.5 8.2
실시예4 28.5 1.8 0.61 15.8 8.7
실시예5 32.6 1.1 0.58 29.6 7.8
상기 표 3의 조건하에서 실험을 실시한 결과, 도 2는 본 발명에 따른 영양물질과 무기질 다공체 혼합물의 발효기간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.
영양물질의 발효가 종료되면 그 온도가 상온 부근까지 떨어지게 되는데, 도 2의 본 발명에 따라 무기질 다공체에 영양물질을 혼합하여 발효하는 경우를 살펴보면, 영양성분으로 40.8wt%의 축산분뇨와 59.2wt%의 무기질 다공체가 혼합된 실시예 1의 경우에는 대략적으로 8일 만에 발효과정이 종료되었으며, 영양물질로 69.0wt%의 하수오니와 31.0wt%의 무기질 다공체가 혼합된 실시예 4 및 영양물질로 67.1wt%의 음식물 폐기물과 32.9wt%의 무기질 다공체가 혼합된 실시예 5의 경우에는 대략적으로 12일 만에 발효과정이 종료되었다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 영양성분이 담지된 무기질 다공체에 유류분해 미생물을 104cfu/g·다공체, 105cfu/g·다공체, 106cfu/g·다공체의 농도로 담지한 후 30℃에서 배양하면서 기간별 무기질 다공체 내의 미생물 개체수를 측정한 결과이다. 모든 조건에서 3일 경과시 다공체 g당 미생물 개체수가 1010cfu/g·다공체에 도달하며, 5일 경과시 다공체 내에 미생물 개체수가 1012cfu/g·다공체로 본 발명에 의해 제조된 영양성분이 담지된 무기질 다공체에서 담지된 영양성분을 활용하여 미생물의 고농도 배양 및 담지가 가능함을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체 제조 방법에 의하면, 기존의 영양성분이 담지된 미생물 담체보다 미생물이 성장하는데 필요한 영양성분을 단기간에 무기질 다공체 내에 고농도로 담지가 가능하게 되며, 담지된 영양성분을 이용하여 미생물의 고농도 배양이 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 미생물이 담지된 무기질 다공체를 제조하는 방법에 대한 개략적인 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 유기성 영양물질이 담지된 무기질 다공체의 발효기간을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 영양성분이 담지된 무기질 다공체에 미생물을 담지한 후 30℃에서 배양하였을때 배양기간별로 무기질 다공체 내에서 미생물의 개체수 증가량을 나타낸 그래프이다.

Claims (4)

  1. 유기성 영양물질과 무기질 다공체를 혼합하여 함수율이 20~75wt%가 되도록 한 후 이를 발효시키는 제1단계;
    상기 무기질 다공체에 유류분해미생물을 102~106cfu/gㆍ다공체의 농도로 담지시키는 제2단계; 및
    상기 미생물이 담지된 무기질 다공체 내에서 미생물을 20~45℃에서 배양하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 미생물 담지 무기질 다공체 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3단계는,
    상기 무기질 다공체 내에 담지된 미생물을 배양하여 109~1012cfu/gㆍ다공체의 농도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 고농도 미생물 담지 무기질 다공체 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유기성 영양물질은 축산분뇨, 유기성 오니 및 음식물 폐기물 중에서 선택된 적어도 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고농도 미생물 담지 무기질 다공체 제조방법.
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