KR101237902B1 - 음식물 쓰레기에서 추출한 지방성분을 이용한 바이오플라스틱 생산 방법 - Google Patents

음식물 쓰레기에서 추출한 지방성분을 이용한 바이오플라스틱 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물을 이용한 유기성 폐기물로부터 회수된 값싼 지방으로부터 바이오플라스틱을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음식물 쓰레기, 축산 폐기물, 생 슬러지 등의 유기성 폐기물로부터 유기용매, 초임계 이산화탄소 유체 또는 이온성 액체를 이용한 지방 성분 분리 공정을 통해 지방 성분을 분리한 후, 획득한 지방 성분을 기질로 하여 랄스토니아(Ralstonia) 균주를 활용하여 균질한 고부가가치의 바이오플라스틱을 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오플라스틱 생산 방법을 통해, 음식물 쓰레기를 재활용하여 응용함으로써 폐기물 감소에 따른 환경보호와 바이오 소재의 생산에 따른 대체 소재의 이용에 따라 우수한 경제적 효과를 가져올 수 있다.

Description

음식물 쓰레기에서 추출한 지방성분을 이용한 바이오플라스틱 생산 방법{Biodplastic production process using fat and oils separated from food waste}
본 발명은 미생물을 이용한 유기성 폐기물 유래 지방 성분으로부터 바이오플라스틱의 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음식물 쓰레기, 축산 폐기물, 생 슬러지 등의 유기성 폐기물로부터 지방 성분을 분리 및 정제한 후 얻어진 지방성분을 기질로 하여 미생물을 배양함으로써 상기 지방 성분으로부터 바이오플라스틱을 생산하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 우리나라의 폐기물 발생량은 하루에 약 24,000ton으로 증가 추세에 있으며, 이러한 폐기물을 처리하는데 다양한 방법이 알려지고 있다. 특히, 폐기물 중에서 유기성 폐기물은 폐기물 총 중량에서 16.7%를 차지하며 이 폐기물 내에 함수율이 70% 정도로 부패가 이루어지기 쉽고 악취가 심하게 나기 때문에 유기성 폐기물의 처리에 대한 문제가 심각하게 대두 되고 있다.
또한, 유기성 폐기물에는 수분뿐만 아니라 탄수화물, 지방, 단백질, 셀루로오스와 같은 유지방성 성분이 대량으로 함유되어 있어서 기름 성분의 침출수를 처리하는데 어려움을 겪고 있다.
이러한 유기성 폐기물의 처리는 가장 일반적인 방법으로 매립을 통해 처리하고 있으나, 이 방법은 유기성 폐기물의 반출량이 많아짐에 따라 충분한 매립지를 확보해야 하는 문제가 있으며, 특히 매립지 내에서 유기성 폐기물로부터 발생된 침출수가 주변 지역뿐만 아니라 지하수를 오염시키게 되었다.
최근에 개발되고 있는 유기성 폐기물 처리 방법 중의 하나로는 건조시켜 함수율을 낮춘 탄화처리 하는 방법이 있다. 그러나 이러한 건조 방법은 유기성 폐기물의 함수율이 높기 때문에 물을 증발시키기 위해 많은 기화열(539 cal/g)을 필요로 하게 되어 경제적으로 불합리하다고 판단되었다.
이러한 점들을 극복하고 환경오염을 감소시키면서, 발전을 지속하는 친환경적인 기술들로 환경오염 물질 사용량 저감화 기술이나 폐기물 재처리에 의한 오염물질 감소에 대한 투자가 많이 이루어지고 있다.
아울러, 친환경 산업 중에서 폐기물 재처리에 관한 기술은 재처리를 통해 오염물질을 감소시키면서 재처리 관련 부산물로 생산되는 열, 메탄과 같은 가스를 생산하여 이를 활용하는 기술들이 개발되고 있다.
이러한 기술들은 주로 유채, 콩 등의 기름을 분리하여 이용해 왔는데 이는 농작물의 가격 상승에 의해 단가가 올라가고 있으며, 폐기물 중에서 지방을 이용하는 방법들도 존재하나 종래의 기술들은 생산 방법의 단순화, 경제성 등의 제한으로 폐기물 중의 지방을 분리하지 않고 지방 함량이 매우 높은 폐기물에 한정되어 사용되어 왔다.
폐기물 처리 방법으로 제안되고 있는 친환경 지방 분리 방법의 장점과 더불어 회수되는 지방의 종류에 상관없이 회수된 지방을 보다 효율적으로 사용하기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에, 본 발명자들은 음식물 쓰레기, 축산 폐기물, 생 슬러지 등의 유기성 폐기물로부터 분리, 정제하여 얻어진 지방 성분을 기질로 하여 미생물을 배양함으로써 바이오플라스틱을 효과적으로 생산할 수 있음을 확인하여, 바이오플라스틱 생산과 효율적인 음식물쓰레기의 재활용을 위한 응용 방법을 제공할 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 음식물 쓰레기를 포함하는 유기성 폐기물로부터 지방 성분을 분리 및 정제한 후, 상기 지방 성분을 기질로 하여 미생물을 배양하여 바이오플라스틱으로의 화학적 변환이 가능한 지질을 생산하는 공정을 이용한 유기성 폐기물로부터 바이오플라스틱을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 유기성 폐기물을 분쇄한 후 용매를 가하여 상기 유기성 폐기물로부터 지방 성분을 분리시키는 단계;
2) 단계 1)에서 분리된 지방 성분을 기질로 하여 랄스토니아(Ralstonia) 균주를 배양하는 단계;
3) 단계 2)에서 배양된 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및
4) 단계 3)에서 분리한 지질을 화학적으로 반응시켜 바이오플라스틱을 생산하는 단계를 포함하는 바이오플라스틱의 생산 방법을 제공한다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 1)의 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기, 축산 폐기물 또는 생 슬러지가 사용될 수 있다.
상기 단계 1)의 지방 성분의 분리 공정은,
a) 유기성 폐기물을 분쇄기로 분쇄한 후 협잡물을 분리하는 선별부;
b) 상기 선별부에 연결되어, 상기 선별부를 거친 유기성 폐기물의 수분량을 감소시키고, 용매를 공급하여 지방을 분리시키기 위한 분리부; 및
c) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 의해 유기성 폐기물에서 분리된 지방과 지방제거 폐기물을 분리하여 각각 저장공간으로 이송하기 위한 이송 펌프부를 포함하는 지방 성분 분리 장치에 의해 수행될 수 있다.
상기 지방 성분 분리 장치는, 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 공급하게 되는 용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 용매를 재처리하여 용매를 재사용하기 위한 용매 순환부;를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 분리부에서 지방을 분리하기 위해 공급되는 용매는 유기용매, 초임계 이산화탄소 유체 또는 이온성 액체를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 분리부에서는 유기용매를 이용하여 유기성 폐기물 중의 지방을 용해시킨 후 상분리를 통해 분리할 수 있다. 또한, 분리부에서는 이온성 액체를 이용하여 유기성 폐기물 중의 친수성 물질을 용해시킨 후 상분리를 통해 분리할 수 있다. 또한, 분리부에서는 유기성 폐기물을 지속적으로 공급하여 초임계 유체와 혼합시키면서 물질을 용해시키고 온도와 압력을 점차 감소시키면서 물질을 순차적으로 석출할 수 있다.
단계 2)의 랄스토니아 균주는 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)인 것이 바람직하다.
단계 2)의 배양은 랄스토니아 균주를 1 ~ 3일 동안 25 ~ 35℃, 100 ~ 300 rpm에서 배양하는 것인 바람직하다.
단계 3)의 지질은 트리아실글리세롤(tryacylglycerols)인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
단계 4)의 화학적 반응은,
1) 지질에 메탄올(methanol) 및 H2SO4을 처리하는 단계;
2) 클로포름(chloroform)을 처리하는 단계;
3) 열처리하는 단계;
4) 냉각시키는 단계;
5) 무수화시키는 단계; 및,
5) 여과(filtration)하는 단계를 포함하는 방법으로 수행될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같은 바이오플라스틱의 생산 방법은,
a) 유기성 폐기물을 분쇄기로 분쇄한 후 협잡물을 분리하는 선별부;
b) 상기 선별부에 연결되어, 상기 선별부를 거친 유기성 폐기물의 수분량을 감소시키고, 용매를 공급하여 지방을 분리시키기 위한 분리부;
c) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 의해 유기성 폐기물에서 분리된 지방과 지방제거 폐기물을 분리하여 각각 저장공간으로 이송하기 위한 이송 펌프부;
d) 상기 분리부에서 분리된 지방 성분을 기질로 하여 랄스토니아 균주를 배양하는 균주 배양부; 및
e) 상기 균주 배양부에서 얻어진 지질을 화학적으로 반응시켜 바이오플라스틱을 생산하는 화학적 처리부를 포함하여 일체화된 유기성 폐기물로부터 바이오플라스틱을 생산하는 장치에 의하여 수행될 수 있다.
상기 바이오플라스틱을 생산하는 장치는, 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 공급하게 되는 용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 용매를 재처리하여 용매를 재사용하기 위한 용매 순환부;를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 음식물 쓰레기에서 추출한 지방 성분을 기질로 하여 미생물을 활용한 바이오플라스틱 생산 방법에 관한 것으로, 생산된 지방성분을 활용하여 이를 미생물에 적용함으로 통상 추출과정에 사용된 지방성분에 따른 비균일한 지방 추출물을 미생물 공정을 통하여 균일한 바이오플라스틱 제품을 만들어 낼 수 있다.
또한, 추출된 소량의 지방 성분을 대량 배양의 미생물 공정을 통하여 수배에서 수십배의 생산 증대 효과를 기할 수 있다. 또한 추출 이후, 잘 확립된 미생물 공정을 통하여 보다 친환경적인 공정을 도입할 수 있어 이를 활용한 폐자원화 기술의 활용성을 크게 증진시키는 효과가 있다.
도 1은 음식물 쓰레기로부터 바이오플라스틱을 생산하는 개략도를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기로부터 바이오플라스틱을 생산하는 공정을 나타낸 그림이다.
도 3은 질소원에 따른 세포 성장과 플라스틱 생산을 나타낸 그래프이다.
도 4는 생산된 바이오플라스틱을 분석한 가스크로마토그라피 분석 그래프이다.
도 5는 음식물 쓰레기에서의 지방성분을 분리하는 개략도를 나타낸 그림이다.
도 6은 지방성분 분리 장치의 구성을 나타낸 그림이다.
도 7은 음식물 쓰레기에서의 지방성분을 분리하는 공정의 전체 개략도를 나타낸 그림이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 유기성 폐기물에서 분리한 지방 성분을 기질로 하여 미생물을 이용하여 바이오플라스틱을 생산하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은
1) 유기성 폐기물을 분쇄한 후 용매를 가하여 상기 유기성 폐기물로부터 지방 성분을 분리시키는 단계;
2) 단계 1)에서 분리된 지방 성분을 기질로 하여 랄스토니아(Ralstonia) 균주를 배양하는 단계;
3) 단계 2)에서 배양된 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및
4) 단계 3)에서 분리한 지질을 화학적으로 반응시켜 바이오플라스틱을 생산하는 단계를 포함하는, 바이오플라스틱의 생산 방법을 제공한다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 1)의 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기, 축산 폐기물 또는 생 슬러지인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 지방 또는 기름을 포함한 모든 폐기물이 가능하다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 1)의 유기성 폐기물로부터 지방 성분의 분리는 선별부(S110), 분리부(S120), 순환부(S130) 및 펌프부(S140)로 구성된 지방 성분 분리 장치에 의해 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 한가지 실시예로서, 지방 성분 분리 장치는
i) 유기성 폐기물을 분쇄기로 분쇄한 후 협잡물을 분리하는 선별부;
ii) 상기 선별부에 연결되어, 상기 선별부를 거친 유기성 폐기물의 수분량을 감소시키고, 용매를 공급하여 지방을 분리시키기 위한 분리부; 및
iii) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 의해 유기성 폐기물에서 분리된 지방과 지방제거 폐기물을 분리하여 각각 저장공간으로 이송하기 위한 이송 펌프부;를 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 지방 성분 분리 장치는, iv) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 공급하게 되는 용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 용매를 재처리하여 용매를 재사용하기 위한 용매 순환부;를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 지방 성분 분리 장치에 있어서, i) 선별부(S110)는 분쇄기(112)를 포함하여, 유기성 폐기물을 상기 분쇄기(112)로 분쇄한 후 협잡물을 분리한다. 이때 분쇄기(112)는 유기성 폐기물이 투입부(114)를 통해 투입되면서 내부로 이송되어 유기성 폐기물을 분쇄하고, 파쇄시 대, 중, 소형으로 각각 가공가능하다. 상기 유기성 폐기물은 선별부(S110)에서 일측 방향의 다음 단계로 이동하게 되며, 하부 이송구(116)로 자유 낙하되어 분리부(S120)로 이동한다. 이때, 상기 분리부(S120)를 선별부(S110)와 직접 연결하여 선별부(S110)로부터 배출되는 유기성 폐기물이 분쇄기(112)를 거치지 않고 곧바로 유입공간에서 분리부(S120)로 공급되는 형태로도 구현할 수 있다.
상기 지방 성분 분리 장치에 있어서, i) 분리부(S120)는 선별부(S110)와 연결되어 선별부(S110)를 거친 유기성 폐기물 중의 수분량을 감소시키고, 상단에서 투입할 수 있도록 구성된 용매 투입부(132)로부터 용매를 공급하여 지방을 분리한다. 상기 분리부(S120)는 유기성 폐기물이 순환부(S130)의 용매 투입부(132)를 통해 유기용매가 분리부(S120)의 공간에 투입되면서 유기성 폐기물은 침전을 통해 지방과 지방 제거 폐기물이 상분리된다.
상기 분리부(S120)에서는 용매로서 유기용매, 초임계 이산화탄소 유체 또는 이온성 액체를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
첫째, 유기용매를 이용한 지방 분리는 유기용매를 이용하여 유기성 폐기물 중의 지방을 용해시켜 상분리를 통해 분리하는 것으로, 순환부(S130)를 통해 공급되는 유기용매로는 아세톤, 에테르, 알코올 등의 유기용매로 이루어진 용매를 이용하며, 상기 유기용매는 지방을 녹이는 성질이 강한 물질을 사용할 수 있다.
이때, 상기 순환부(S130)는 유기성 폐기물로부터 지방을 분리처리하기 위한 유기용매와 같은 용매를 공급하는 공급원이고, 상기 분리부(S120)는 침전작용을 통해 유기성 폐기물을 슬러지인 지방제거 폐기물과 지방으로 분리시키기 위한 수단으로, 일측에는 유기성 폐기물을 용해 작용을 돕기 위한 순환부(S130)는 용해제공장치인 용매 투입부(132)가 구비된다.
이때, 상기 순환부(S130)에서 구성된 용매 투입부(132)는 분리부(S120)에서 연결로(136)가 개방되어 있는 중공형태로 일단부에는 연결로(136)의 입구를 개폐시키기 위해 개폐장치인 배출 개폐기(134)가 설치되어 있다.
이때, 상기 분리부(S120)에는 유기성 폐기물을 토출시키기 위한 펌핑수단이 구비되어 있고 상기 펌핑수단을 가진 펌프부(S140)는 별도의 연결배관을 통해 분리부(S120) 및 순환부(S130)와 연결되어 있다. 한편, 상기 순환부(S130)는 분리부(S120)로 공급하게 되는 용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 용매를 재처리 공간부(138)에서 재처리하여 용매를 재사용할 수 있다.
이때, 펌프부(S140)는 분리부(S120) 내에의 펌프수단으로 유기성 폐기물 슬러지와 지방을 분리하여 이송하고, 순환부(S130)에서 용매처리 후 사용한 용매가 유입되어 재처리 과정에 의해 분리되어 재사용이 가능한 유기용매를 순환부(S130)로 이동하기 위해 사용될 수 있다.
이때, 상기 펌프부(S140)의 펌프수단으로 지방만 따로 저장하는 지방 저장부(170)로 이송하면서 필터에 의해 정제되어 저장되고, 유기성 폐기물의 슬러지만이 따로 저장하게 되는 슬러지 저장부(180)로 이송되어 분리 저장하여 비료로 활용하거나 폐기물 처리 또는 소각 처리한다.
둘째, 이온성 액체를 이용한 지방 분리는 이온성 액체를 이용하여 유기성 폐기물 중의 친수성 물질을 용해시키고, 지방을 침전시켜 유기성 폐기물과 지방을 상분리를 통해 분리하는 것이다. 이때, 순환부(S130)에서 공급되는 이온성 액체를 공급받는다. 상기 이온성 액체는 다양한 유기물, 무기물, 고분자 물질을 녹일 수 있는 높은 용해력을 지니고 있으며, 친수성 물질의 대부분을 매우 잘 녹일 수 있는 반면에 지질 성분과 같은 소수성 물질에 대해서는 매우 낮은 용해도를 지니는 특징을 가지고 있는 것을 사용할 수 있다.
이때, 상기 유기성 폐기물과 지방을 상분리되면, 펌프부(S140)의 펌프수단으로 분리부(S120)에서 분리된 지방만 따로 저장하는 지방 저장부(170)로 이송되어 저장되고, 유기성 폐기물의 슬러지만이 따로 저장하게 되는 슬러지 저장부(180)로 이송되어 분리 저장된다.
한편, 상기 분리부(S120)에는 유기성 폐기물과 지방을 상분리하기 위한 용매를 유기용매와 이온성 액체를 동시에 공급하여 지방을 추출할 수도 있다.
이때, 상기 이온성 액체를 공급받은 분리부(S120)에서는 유기성 폐기물로부터 지방을 분리처리하기 위해 이온성 액체를 이용하여 유기성 폐기물 중의 친수성 물질을 제거하고, 유기용매를 통해 지방을 용해시켜 지방제거 폐기물과 지방으로 상분리할 수 있어 유기용매와 이온성 액체를 통해 지방 추출을 증가시킬 수 있다.
셋째, 초임계 유체(Supercritical fluids)를 이용한 지방 분리는 유기성 폐기물을 분리부(S120)로 지속적으로 공급하여 초임계 유체와 혼합시키면서 물질을 용해시키고 온도와 압력을 점차 감소시키면서 물질을 순차적으로 석출하는 것이다. 이때, 상기 분리부(S120)는 유기성 폐기물을 공급받아 초임계 유체를 유지하고 순환시키면서 압력과 온도를 이용해 폐기물에서 물질을 분리하고 차례로 석출하기 위해 구성된다.
이때, 상기 초임계 유체는 온도와 압력의 변화를 통하여 물질에 대한 용해도 변환이 자유로워 물질의 분리에 활용이 용이한 물질로 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 의미하는 것으로, 초임계 상태로 변환이 비교적 쉽고 용해도 변환이 자유로워 지방에 대한 분리 효과가 뛰어난 초임계 이산화탄소 유체를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
이때, 상기 유기성 폐기물을 담고 있는 분리부(S120)를 거친 후 순환부(S130)의 용매 투입부(132)를 통해 초임계 유체가 분리부(S120)에서 마련된 공간에 투입되면서 유기성 폐기물은 지방과 지방제거 폐기물이 상분리된다.
이때, 상기 순환부(S130)는 유기성 폐기물로부터 지방을 분리처리하기 위한 초임계 유체와 같은 용매를 공급하는 공급원이고, 상기 분리부(S120)는 유기성 폐기물을 슬러지인 유기성 폐기물과 지방으로 분리시키기 위한 장치로, 일측에는 유기성 폐기물을 용해 작용을 돕기 위한 용해제공장치인 용매 투입부(132)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 순환부(S130)의 일측에 구성된 용매 투입부(132)는 분리부(S120)로 연결로(136)가 개방되어 있는 중공형태로 일단부에는 연결로(136)의 입구를 개폐시키기 위해 개폐장치인 배출 개폐기(134)가 설치될 수 있다.
이때, 상기 분리부(S120)에는 후술하는 유기성 폐기물을 토출시키기 위한 펌핑수단이 구비되어 있고 상기 펌핑수단을 가진 펌프부(S140)는 별도의 연결배관을 통해 분리부(S120) 및 순환부(S130)와 연결되어 있다.
한편, 상기 순환부(S130)에는 분리부(S120)로 공급하게 되는 용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 용매를 재처리 공간부(138)에서 재처리하여 용매를 재사용하기 위한 것이다.
이때, 펌프부(S140)는 분리부(S120) 내에 펌프수단으로 유기성 폐기물 슬러지와 지방을 분리하여 이송하고, 순환부(S130)로 용매처리 후 사용한 용매가 유입되어 재처리 과정에 의해 분리되어 재사용이 가능한 초임계 유체를 순환부(S130)로 이동하기 위한 수단으로 사용될 수 있다.
이때, 상기 펌프부(S140)의 펌프수단으로 지방만 따로 저장하는 지방 저장부(170)로 이송하면서 필터에 의해 정제되어 저장되고, 유기성 폐기물의 슬러지만이 따로 저장하게 되는 슬러지 저장부(180)로 이송되어 분리 저장하여 비료로 활용하거나 폐기물 처리 또는 소각 처리할 수 있다.
상기 지방성분 분리 장치는 유기성 폐기물로부터 지방을 분리하기 위한 유기용매, 이온성 액체 및 초임계 유체로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 혼합하여 지방 추출을 증가시킬 수 있다.
상기 지방성분 분리 장치는 제어부(150)의 정해진 설정에 따라 제어되어 순차적으로 작업이 이루어질 수 있으며, 상기 유기성 폐기물의 지방 추출에 사용되는 생산의 모든 공정의 전원은 전원부(160)를 통행 전원 공급되어 작동될 수 있다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 2)의 랄스토니아(Ralstonia) 균주는 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)(KCTC 22469)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 상기 랄스토니아 유트로파는 당과 독성물질에 내성을 갖고 폐기물에서 추출되는 지방을 사용하여 바이오 플라스틱 물질인 poly-hydroxy butyrate (PHB) 또는 poly-hydroxy alkanoate (PHA) 형태의 물질인 트리아실글리세롤(tryacylglycerols)을 생산할 수 있다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 2)의 배양은 탄소원이 포함된 배지에서, 1 ~ 3일 동안 25 ~ 35℃, 100 ~ 300 rpm에서 배양하는 것이 바람직하고, 1일 동안 30℃, 200 rpm에서 배양하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 한가지 실시예에서는 건국대학교 내의 제2학생회관 지하1층에 있는 식당에서 2 kg 잔반으로 처리되는 음식물쓰레기를 수집하였다. 상기 음식물쓰레기를 가정에서 흔히 사용하는 믹서기로 파쇄한 후, 용매를 투입하여 지방을 분리하였다. 300 g 정도 분리된 지방을 배양시 0.1 ~ 5%(v/v) 내외에 따라 랄스토니아 유트로파 균주와 혼합 배양하였다. 랄스토니아 유트로파는 50 mL 기준 100 ~ 200 mg 범위의 wet weight로 접종하였으며, 이로부터 3일 후에 사용된 지질량에 따라 다르지만 1 ~ 10 g/L의 세포 무게에 50% 내외의 바이오플라스틱을 생산할 수 있었다.
본 발명의 한가지 실시예에서는 팜유를 활용한 바이오플라스틱 생산 및 분석을 위해 랄스토니아 유트로파를 시험관에 3mL의 Tryptone Soy Broth (TSB)에 30℃, 24시간 배양한 후 위 배양액을 2번 centrifugation 및 세척한 후 300정도의 물을 넣어 vortexing 하였다. 3% 식물유를 탄소원으로 하여 최소배지 50mL에 접종 후 배양하였다(200rpm, 30℃, 2days). 이후 centrifugation로 세포를 얻은 후 10ml의 물로 세척 후 - 80℃에서 하루를 얼린 후에 3일간 동결건조를 실시하였다. 이후 가스크로마토그래피 분석을 위하여 에스테르화를 실시하였다.
도 3은 질소원에 따른 세포 성장과 플라스틱 생산을 나타낸 그래프이다. 이 결과로부터 랄스토니아의 성장과 바이오 플라스틱의 생산에 있어 질소원의 양과 탄소원의 양의 비가 중요한 요소임을 알 수 있다. 또한, 도 4는 생산된 바이오플라스틱을 분석한 가스크로마토그라피 분석 그래프이다. 에스테르화 과정을 거쳐 단량체인 3- hydroxybutyrate를 관측함으로써 랄스토니아 세포 내에 polyhydroxybutyrate가 생산되고 있음을 확인할 수 있다.
상기의 실시예에서 랄스토니아 유트로파 최소 배지는, 6.7 mM NaH2PO4, 6.45 mM Na2HPO4, 2.6 mM K2SO4, 1mM NaOH, 0.032 mM MgSO4, 0.0042 mM CaCl2, and 1 mL Trace salts solution (48 mg CuSO45H2O, 240mg ZnSO47H2O, 240mg MnSO4H2O and 1500mg FeSO47H2O in 100mL of 증류수)과 같은 조성으로 제조 되었다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 단계 4)의 바이오플라스틱의 생산은 획득한 지질 성분을 랄스토니아 등의 균주가 성장 및 바이오 플라스틱생산을 위하여 분해하여 짧은 직쇄 알칸 (3-hydroxy butyrate)을 생성시키고 이를 다시 세포내에서 중합하는 단계로서, 크게 3가지의 효소 (ketothiolase, acetoacetyl-reductase, PHB synthase)의 작용을 통해 바이오플라스틱로서 유용한 고분자 물질을 산출할 수 있다.
상기 바이오플라스틱의 생산 방법에 있어서, 분리한 지질로부터 바이오플라스틱을 생산하는 방법은 1) 지질에 메탄올(methanol) 및 H2SO4을 처리하는 단계; 2) 클로포름(chloroform)을 처리하는 단계; 3) 열처리하는 단계; 4) 냉각시키는 단계; 5) 무수화시키는 단계; 및, 5) 여과(filtration)하는 단계를 포함하는 방법으로 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 한가지 실시예에서는 랄스토니아 내에 지질을 추출과 동시에 3-hydroxy butryrate methyl ester를 만들기 위해 메탄분해(Methanolysis) 과정으로 85% 메탄올(methanol)과 15% H2SO4의 1 ml과 1 ml의 클로포름(chloroform)을 혼합하여 100도에서 2시간 열처리하였다. 그런 다음, 얼음 냉각(ice cooling)을 하고 0.5 ml의 증류수를 넣고 1분간 볼텍싱(voltexing)하였다. 상 분리를 위해 2분 정도 방치한 후, 상등액을 제거하고 무수화시켰다. 그런 다음, 남은 샘플을 오염원 제거를 위해 여과(filtration)하였다.
본 발명의 한가지 실시예에서는 음식물 쓰레기를 활용한 랄스토니아 유트로파를 이용한 지방산 생산에서 최소배지를 기반으로 음식물 쓰레기(5-15% 정도의 지방산 함유)로부터 헥산을 사용하여 추출된 지방을 0.1%-3% 내외의 탄소원으로 하여 바이오플라스틱을 생산한 결과, 랄스토니아 유트로파 사용시 1-10 g/L정도의 세포량과 세포 무게의 40% 내외의 바이오플라스틱을 생산하였다.
결론적으로, 본 발명을 통해 음식물 쓰레기 등 유기성 폐기물에서 추출한 지방 성분을 기질로 하여 랄스토니아 유트로파를 이용하여 바이오플라스틱을 대량 생산할 수 있음을 알 수 있다. 유기성 폐기물에서 생산된 지방성분을 활용하여 이를 랄스토니아 유트로파에 적용함으로 통상 추출과정에 사용된 지방성분에 따른 비균일한 지방 추출물을 미생물 공정을 통하여 균일하게 만들어 낼 수 있고, 추출된 소량의 지방 성분을 대량 배양의 미생물 공정을 통하여 수배에서 수십배의 생산 증대 효과를 가져올 수 있으며, 친환경적인 공정을 도입할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
110S: 선별부 112: 분쇄기
114: 투입부 116: 이송구
120S: 분리부 130S: 순환부
132: 용매 투입부 134: 배출 개폐기
136: 연결로 138: 재처리 공간부
140S: 펌프부 150: 제어부
160: 전원부 170: 지방 저장부
180: 슬러지 저장부

Claims (14)

1) 유기성 폐기물을 분쇄한 후 유기용매를 가하여 상기 유기성 폐기물로부터 지방을 분리시키는 단계;
2) 단계 1)에서 분리된 지방을 기질로 하여 랄스토니아(Ralstonia) 균주를 배양하는 단계;
3) 단계 2)에서 배양된 배양액으로부터 지질을 분리하는 단계; 및
4) 단계 3)에서 분리한 지질을 화학적으로 반응시켜 바이오플라스틱을 생산하는 단계를 포함하는, 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 1)의 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기, 축산 폐기물 또는 생 슬러지인 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 1)의 지방의 분리는
a) 유기성 폐기물을 분쇄기로 분쇄한 후 협잡물을 분리하는 선별부;
b) 상기 선별부에 연결되어, 상기 선별부를 거친 유기성 폐기물의 수분량을 감소시키고, 상기 유기용매를 공급하여 지방을 분리시키기 위한 분리부; 및
c) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 의해 유기성 폐기물에서 분리된 지방과 지방제거 폐기물을 분리하여 각각 저장공간으로 이송하기 위한 이송 펌프부;를 포함하는 지방 분리 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 3항에 있어서, 상기 지방 분리 장치는 d) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 공급하게 되는 상기 유기용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 상기 유기용매를 재처리하여 상기 유기용매를 재사용하기 위한 용매 순환부;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 3항에 있어서, 상기 분리부에서 지방을 분리하기 위해 공급되는 상기 유기용매는 유기용매, 초임계 이산화탄소 유체 또는 이온성 액체를 단독 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 5항에 있어서, 상기 분리부에서는 상기 유기용매를 이용하여 유기성 폐기물 중의 지방을 용해시킨 후 상분리를 통해 분리하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 5항에 있어서, 분리부에서는 이온성 액체를 이용하여 유기성 폐기물 중의 친수성 물질을 용해시킨 후 상분리를 통해 분리하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 5항에 있어서, 분리부에서는 유기성 폐기물을 지속적으로 공급하여 초임계 유체와 혼합시키면서 물질을 용해시키고 온도와 압력을 점차 감소시키면서 물질을 순차적으로 석출하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2)의 랄스토니아 균주는 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha)인 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2)의 배양은 랄스토니아 균주를 1 ~ 3일 동안 25 ~ 35℃, 100 ~ 300 rpm에서 배양하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 3)의 지질은 트리아실글리세롤(tryacylglycerols)인 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
제 1항에 있어서, 단계 4)의 화학적 반응은
1) 지질에 메탄올(methanol) 및 H2SO4을 처리하는 단계;
2) 클로포름(chloroform)을 처리하는 단계;
3) 열처리하는 단계;
4) 냉각시키는 단계;
5) 무수화시키는 단계; 및,
5) 여과(filtration)하는 단계를 포함하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱의 생산 방법.
a) 유기성 폐기물을 분쇄기로 분쇄한 후 협잡물을 분리하는 선별부;
b) 상기 선별부에 연결되어, 상기 선별부를 거친 유기성 폐기물의 수분량을 감소시키고, 유기용매를 공급하여 지방을 분리시키기 위한 분리부;
c) 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 의해 유기성 폐기물에서 분리된 지방과 지방제거 폐기물을 분리하여 각각 저장공간으로 이송하기 위한 이송 펌프부;
d) 상기 분리부에서 분리된 지방을 기질로 하여 랄스토니아 균주를 배양하는 균주 배양부; 및
e) 상기 균주 배양부에서 얻어진 지질을 화학적으로 반응시켜 바이오플라스틱을 생산하는 화학적 처리부를 포함하는 유기성 폐기물로부터 바이오플라스틱을 생산하는 장치.
제 13항에 있어서, 상기 분리부에 연결되어, 상기 분리부에 공급하게 되는 상기 유기용매를 보관하고, 지방을 용해시킨 상기 유기용매를 재처리하여 상기 유기용매를 재사용하기 위한 용매 순환부;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱을 생산하는 장치.
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