KR101246117B1 - Membrane with immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, process for preparing the same and water treatment process using the same - Google Patents

Membrane with immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, process for preparing the same and water treatment process using the same Download PDF

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KR101246117B1
KR101246117B1 KR20110066073A KR20110066073A KR101246117B1 KR 101246117 B1 KR101246117 B1 KR 101246117B1 KR 20110066073 A KR20110066073 A KR 20110066073A KR 20110066073 A KR20110066073 A KR 20110066073A KR 101246117 B1 KR101246117 B1 KR 101246117B1
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이정학
김재혁
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서울대학교산학협력단
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본 발명은 생물막 형성을 억제할 수 있는 생물막 형성 억제 효소를 피처리수측의 표면에 고정화시킨 분리막을 이용하여 효소의 유실 내지는 비활성화 없이 안정적으로 분리막 수처리 공정을 운전하기 위한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a technique for operating a membrane treatment process for biofilm formation inhibition enzyme capable of inhibiting biofilm formation stably without losing the enzyme was deactivated naejineun using a membrane immobilized on the surface of the processed water side.
본 발명은 피처리수와 접촉하는 표면에 생물막 형성 억제 효소 및 상기 효소의 고정용의 수용성 고분자의 결합체가 형성되어 있는 수처리용 분리막을 제공하고, 또한 상기 분리막의 제조방법으로서 수용성 고분자의 수용액을 제조하는 단계; The present invention provides a water treatment separation membrane for which is formed a conjugate of a water-soluble polymer of the clamping of the biofilm formation inhibition enzyme and the enzyme on the surface in contact with the water to be treated, and also to prepare an aqueous solution of the water-soluble polymer as a method for producing the separation membrane the method comprising; 상기 수용성 고분자의 수용액에 생물막 형성 억제 효소를 혼합하여 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 형성하는 단계; Forming aggregates of the enzyme inhibiting biofilm formation and a water-soluble polymer by mixing the biofilm formation inhibition enzyme in an aqueous solution of the water-soluble polymer; 분리막에 상기 응집체를 포함하는 수용액을 여과시켜서 분리막의 피처리수측의 표면에 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 배치시키는 단계; The step of filtering the aqueous solution containing the aggregates in the membrane by placing the agglomerates in the biofilm formation inhibition of enzymes and water-soluble polymer on the skin surface of the treated water side of the membrane; 및 상기 응집체가 배치된 분리막 표면에 가교제를 반응시켜서 상기 생물막 형성 억제 효소와 상기 수용성 고분자를 화학적으로 결합시키는 단계를 포함하는 수처리용 분리막의 제조방법을 제공하며, 또한 상기 분리막을 이용한 수처리 공정을 제공한다. And by reacting a crosslinking agent to the membrane surface of the agglomerates are placed and provide a method of manufacturing a water treatment separation membrane comprising the step of combining the biofilm formation inhibition enzyme and the water-soluble polymer chemically, and also provides a water treatment process with the membrane do.

Description

생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막, 그 제조방법 및 이를 이용한 수처리 공정 {Membrane with immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, process for preparing the same and water treatment process using the same} With a biofilm formation inhibition enzyme-immobilized membrane, a method of manufacturing the same, and water treatment processes using the same {Membrane with immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, process for preparing the same and water treatment process using the same}

본 발명은 분리막을 이용한 수처리 공정의 운전 중에 분리막 표면에서 성장하여 생물막오염 (membrane biofouling) 문제를 일으키는 생물막 (biofilm) 형성을 억제하는 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 생물막 형성을 억제할 수 있는 생물막 형성 억제 효소 (예컨대, 정족수 감지 억제 효소)를 피처리수측의 표면에 고정화시킨 분리막을 이용하여 효소의 유실 내지는 비활성화 없이 안정적으로 분리막 수처리 공정을 운전하기 위한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a technique for suppressing the biofilms (biofilm) formation and growth in the membrane surface during operation of the water treatment process using a separation membrane to cause a biofilm contamination (membrane biofouling) problem, more specifically, the biofilm which are capable of inhibiting the biofilm formation It relates to forming enzyme inhibition (e.g., quorum sensing inhibiting enzyme) a technique for operating a membrane treatment process stably without using a membrane having immobilized on a surface of the processed water side disable naejineun loss of enzyme.

최근 수자원 부족 및 수질 악화가 심화됨에 따라 수처리 기술에 대한 수요는 세계적으로 급증하고 있다. Demand for water treatment technology, according to a recent simhwadoem water shortage and water pollution are increasing worldwide. 이러한 기대에 부응하는 수처리 기술의 하나로서, 해수담수화 및 정수처리에 이용되는 역삼투/나노여과 공정과 하폐수 처리에 이용되는 분리막 생물반응조(Membrane bioreactor, MBR) 공정을 포함하는 분리막 여과 공정은 처리의 연속성과 공정의 간편성, 높은 처리효율 등의 장점들 때문에 특별히 많은 관심과 연구의 대상이 되고 있다. As a water treatment technology to meet these expectations, membrane filtration, including reverse osmosis / nanofiltration processes and membrane bioreactors (Membrane bioreactor, MBR) process used in wastewater treatment to be used in seawater desalination and water treatment is the process because of advantages such as ease of continuity with the process, high treatment efficiency has become a particular subject of much interest and research. 실제로 McIlvaine 사에서 2008 년에 발표한 바에 의하면, 세계 역삼투막 시장규모는 2008년 38억 달러에서 2012년 56억 달러까지 증가할 것이라 예상하고 있으며, 국제 MBR 시장규모 또한 2008년 2억 9600만 달러에서 2013년에는 4억 8800만 달러까지 증가할 것으로 내다보고 있다 (BCC research, 2008). According actually in the McIlvaine Company bar, published in 2008, the World RO market it is and expected to grow from $ 38 billion in 2008 to $ 5.6 billion in 2012, the International MBR market also in the 96 million US dollars 200,002,008 years 2013 years there expects to increase to 88 million US dollars 400 million (BCC research, 2008).

그러나, 해수, 정수, 하폐수 등을 대상으로 하는 모든 분리막 수처리 공정에 있어서는, 분리막 표면에 미생물이 부착 성장하여서 생물막(biofilm)이 형성되고 이로 인하여 막오염(membrane fouling)이 유발되어 투수도를 감소시키고, 분리막의 세정·교체 시기를 단축시키며 이로 인해 운전 및 유지 비용을 증가시킨다는 등의 문제점이 있다 (도 1 참조). However, in any separator water treatment process that targets the sea water, water purification, sewage, etc., hayeoseo attached growth microorganisms in membrane surface biofilms (biofilm) is formed and this reason Fouling (membrane fouling) is caused to reduce the permeability also , there is a problem, such as shorten the time of cleaning and replacement of the membrane sikindaneun thereby increasing the operating and maintenance costs (see FIG. 1).

이와 같은 고질적인 생물막오염 문제의 해결을 위해 다양한 물리적인 방법(예컨대, 폭기 등을 통한 전단력 증가에 의한 생물막 탈리유도 혹은 역세척)이나 화학적 방법(예컨대, 고분자 응집제의 주입에 의한 입자크기 증가 혹은 분리막 표면의 개질을 통한 친수성 증가)들이 연구되어 왔지만, 미생물의 생장에 필요한 수분과 양분이 어디에나 존재하는 수처리 공정의 특성과 분리막의 여과 방향으로 구동력(driving force)이 존재하는 분리막 공정의 특성과, 일단 형성되면 외부의 물리/화학적 충격에 높은 내성을 가지는 생물막 자체의 특성상 지금까지 만족할 만한 수준의 해결책이 제시되고 있지 않다. Such chronic biofilm contamination various physical methods to resolve the problem (e.g., biofilm elimination induced or washing station according to the shear force increases with such aeration) or chemical methods (e.g., the particle size increased, or the separation membrane due to the injection of the polymer coagulant increased hydrophilicity by modification of the surface) that came the study, the characteristics of the membrane process of the water and nutrients necessary for the growth of microorganisms everywhere characteristic and driving force in the filtration direction of the separation membrane in the water treatment process (driving force) is present which with one end If this is not satisfactory in the biofilm itself has a high resistance to external physical / chemical nature of the impact so far been proposed form-level solutions. 이는, 미생물이 기본이 되는 생물막이라는 복잡한 생물학적 구조를 스케일링이나 유기물 흡착과 같이 단순한 하나의 오염물질로 간주하고 물리/화학적인 방법론에서 해결하고자 접근하였기 때문이며, 생물막오염 현상의 근본적인 해결을 위해서는 미생물의 특성에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 생물학적 접근법이 절실한 실정이다. This is because microorganisms hayeotgi as a complex biological structure called a biofilm underlying the scaling or organic adsorption regarded as a simple single pollutants and access to resolve in physical / chemical methods, the characteristics of the microorganism to a fundamental resolution of Biofilm Fouling this approach was based on the biological understanding and for this situation is desperate.

미생물들은 온도, pH, 양분 등 여러 가지 주위 환경의 변화에 반응하여 특정 신호분자를 합성하고 이를 세포 외로 배출/흡수하는 방법으로 주변의 세포 밀도를 인지한다. Organisms recognizes the temperature, pH, cell density around a way that in response to a number of changes in the environment and synthesizing emission / absorption outside this cell specific signal molecules, such as nutrients. 세포의 증식에 의해 세포 밀도가 증가하여 외부의 신호분자의 농도가 일정수준에 이르게 되면 특정 유전자의 발현이 시작되고 그 결과 미생물 집단의 표현형(phenotype)이 조절(group behavior regulation) 되는데, 이를 "정족수 감지 혀상(quorum sensing phenomena)"이라고 하며, 일반적으로 세포의 밀도가 높은 환경 하에서 발생한다. By the proliferation of cells the cell density increases, if the concentration of the external signal molecules leads to a certain level, the expression of a specific gene is started and there is as a result microbial phenotype (phenotype) of the group of the control (group behavior regulation), this "quorum sensing hyeosang is called (quorum sensing phenomena) ", generally it takes place under a high cell density of the environment. 이러한 정족수 감지 현상의 대표적인 예로는, 공생(symbiosis), 감염(virulence), 경쟁(competition), 접합(conjugation), 항생제 생산(antibiotic production), 운동성(motility), 포자형성(sporulation), 생물막 형성(biofilm formation) 등이 보고되고 있다(Fuqua et al ., Ann. Rev. Microbiol ., 2001, Vol. 50, pp.725~751). Representative examples of these quorum sensing phenomenon, symbiosis (symbiosis), infection (virulence), competition (competition), junction (conjugation), antibiotic production (antibiotic production), motility (motility), sporulation (sporulation), biofilm formation ( biofilm formation) have been reported, such as the (Fuqua et al., Ann. Rev. Microbiol., 2001, Vol. 50, pp.725 ~ 751).

특히, 부유상에 비해 세포 밀도가 월등히 높은 생물막 조건에서 미생물의 정족수 감지 기작은 보다 쉽고 활발하게 발생할 수 있다. In particular, the quorum sensing mechanism of the microbial biofilm conditions in the cell density is much higher than the portion paid can occur is easier and more vigorous. 1998년 Davies등(Science, Vol. 280, pp.295~298)에 의해 이러한 미생물 정족수 감지 기작이 병원성 미생물인 Pseudomonas aeruginosa 의 생물막 형성의 진행 정도, 두께 및 형상(morphology)과 같은 물리적 구조 특성, 항생제 내성 등과 같은 생물막의 다양한 특성과 밀접한 관련성을 나타낸다고 보고된 이래 정족수 감지 기작의 인위적인 조절을 통하여 생물막 형성을 억제하는 연구가 최근에 의료 및 농업 등과 같은 일부 분야에서 의료기기의 오염방지(Baveja et al ., Biomaterials , 2004, Vol.50, pp.5003~5012)., 식물병(植物病) (Dong et al ., Nature , 2001, Vol.411, pp.813~817)의 억제 등을 목적으로 이루어지고 있을 뿐이다. Davies et al 1998 (Science, Vol. 280, pp.295 ~ 298) the physical structure characteristics such as these microbial quorum sensing mechanism of progression, the thickness and shape of the biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa in the pathogenic microorganisms (morphology) by, antibiotics preventing contamination of medical devices in some areas, such as medical and agricultural research recently to inhibit the formation of biofilm through artificial control of the quorum sensing mechanism since the report represent a closely related with the different characteristics of the same biofilm as resistant (Baveja et al. , Biomaterials, 2004, Vol.50, pp.5003 ~ 5012)., plant diseases (植物病) (Dong et al ., conducted for the purpose of Nature, 2001, Vol.411, including inhibition of pp.813 ~ 817) just be getting.

미생물 정족수 감지 기작을 조절하여 생물막 형성을 억제하는 종래의 방법은 크게 다음의 두 가지로 분류된다. Conventional methods to control microbial quorum sensing mechanism of inhibiting biofilm formation is largely classified into two of the following: 첫째로, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호분자와 비슷한 구조를 가지며 신호분자와 유전자 발현 부위를 놓고 경쟁관계에 있는 것으로 알려진 길항제(antagonist)를 투입하여 생물막 형성을 억제할 수 있는데, 가장 대표적인 길항제로는 적조류의 일종인 Delisea pulchra 가 분비하는 푸라논(furanone) 및 그 할로겐화 유도체들이 보고되고 있다(Henzer et al ., EMBO Journal, Vol.22, 3803~3815). Firstly, having a similar structure as signal molecules used for quorum sensing mechanisms may position the signal molecule and the gene expression region inhibiting the biofilm formation by introducing a known antagonist (antagonist) to be in the competition, the most representative antagonists ever type of birds which are furanone (furanone) and the halogenated derivatives of the secretion Delisea pulchra has been reported (Henzer et al., EMBO Journal , Vol.22, 3803 ~ 3815). 그렇지만 길항제의 특성상 이러한 분자들은 기작의 발현을 위해 세포 내부로의 침투가 필수적이며 이에 따라 용매에 용해된 상태로밖에 이용할 수 없어 회수 및 재이용이 불가능한 일회성 방법에 그친다는 단점이 있으며 또한 할로겐화 된 유도체들은 2차 오염물질로서 작용할 수 있다는 문제점이 있다. But the nature of these molecules antagonists are, and the disadvantage that for the mechanism of expression of the penetration of the cells inside the essential and thus ceased to a one-time method that can not be recovered and reused can not be used only as the state dissolved in a solvent also halogenated derivatives 2 there is a problem that can act as a primary pollutant. 둘째로, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호분자를 분해하는 효소 (미생물 정족수 감지 억제 효소와 같은 생물막 형성 억제 효소) 내지는 그 효소를 생산하는 미생물 자체를 이용하여 생물막 형성을 억제할 수 있다. Second, it is possible naejineun (biofilm inhibiting enzyme form, such as a microbial quorum sensing inhibiting enzymes), enzymes that break down the signal molecule which is used in the quorum sensing mechanism by using a microorganism itself which produces the enzyme to inhibit the biofilm formation. 예컨대, Xu 등(2004)은 그람 음성균의 신호분자인 아실-호모세린 락톤(acyl-homoserine lactone: AHL)을 분해하는 효소인 아실라제 용액을 주입하여 다양한 표면에서의 생물막 형성을 억제하는 방법을 개발한 바 있다(미국특허 제6,777,223호 공보). For example, Xu et al. (2004), the acyl molecular signal of gram-negative bacteria-homoserine lactone (acyl-homoserine lactone: AHL) developed a method for implanting an acylase solution, an enzyme that degrades inhibit biofilm formation on various surfaces It is a bar (U.S. Patent No. 6,777,223). 그렇지만 상기 아실라제 효소용액을 직접 주입하여 생물막 형성을 억제할 경우 효소의 유실이 극심할 뿐 아니라 효소의 변성(Denaturation)에 의해 비활성화가 빠르게 진행되는 등 실용적인 측면에서 바람직하지 않다. However, if to inhibit biofilm formation by direct injection of the acylase enzyme solution is not preferred in practical terms and so on, as well as a severe loss of enzyme that proceeds rapidly inactivated by denaturation of the enzyme (Denaturation).

최근에는 자성을 띤 담체에 아실라제 효소를 적층법(Layer-by-layer)으로 고정화함으로써 효소의 변성에 의한 비활성화를 막는 동시에 자기장을 이용한 효소-고정화 자성 담체의 분리 및 회수를 용이하게 하여 침지형 분리막 생물 반응조(Submerged membrane bioreactor, sMBR)에 적용함으로써 분리막 표면의 생물막오염을 억제한 결과가 보고되었다 (등록특허 제981519호). Recently, by immobilizing the enzyme acyl of the support magnetically by lamination (Layer-by-layer) enzyme using a magnetic field at the same time to prevent the deactivation due to denaturation of the enzyme to make the separation and recovery of immobilized magnetic carriers easily impregnated membrane bioreactor by applying (Submerged membrane bioreactor, sMBR) reported the results of the biofilm inhibiting contamination of the membrane surface (Patent registration No. No. 981 519). 그러나 고농도의 미생물 플록이 존재하고, 또 이러한 플록들이 슬러지 체류시간(Sludge retention time)을 유지하기 위해 지속적으로 취출되는 MBR공정의 특성상, 자성을 띠고 있는 담체라 하더라도 플록에 섞여 있는 담체를 자기장으로만 전량 회수하는 데에는 실질적인 한계가 있다. However, a high concentration of microorganism floc is valid, and also such flocs are sludge retention time nature of the MBR process is continuously taken out to keep the (Sludge retention time), even in a carrier which tinged magnetism only a carrier are mixed in the flock magnetic field there is a practical limit to the total amount recovered. 또한 이러한 자성 담체의 회수율을 극대화하기 위해서는 담체가 시스템 내부 (예컨대, 튜빙, 밸브, 피팅 등)를 순환하지 않고 반응조 내에서만 존재하는 침지형 반응조여야 하는데, 나노여과공정이나 역삼투막 공정과 같이 고압을 이용해야 하는 분리막 공정의 경우 대부분이 외부 가압형이기 때문에 효소 고정화 자성 담체를 적용하기가 곤란하다는 문제점이 있다. In order to maximize the recovery of such a magnetic carrier, the carrier is within the system to be tightened immersion type reaction that exists only within rather than circular (e.g., tubing, valves, fittings, etc.) the reaction tank, must be used for high pressure, such as nano-filtration and reverse osmosis processes for the step of separation membrane, because it is the most external pressure-applied, there is a problem that is applied to the enzyme-immobilized magnetic carriers difficult.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분리막 수처리 공정에 있어서 생물막 형성 기작을 이해하여서 분자생물학적 관점에서 생물막 형성에 의한 막오염 현상을 완화시키기 위한 것이며, 생물막 형성 억제 효소를 분리막 표면에 고정화시켜서 생물막 형성 억제 효소의 유실 및 비활성화를 최소화하면서 분리막 표면에서의 생물막 형성에 따른 생물막 오염을 억제함으로써 분리막 수처리 공정을 향상된 여과 성능으로 장기간 안정적으로 운전할 수 있는 기술을 제공하기 위한 것이다. An object of the present invention serves to solve the above problems, a separator hayeoseo understanding of biofilm formation mechanism in water treatment processes intended to mitigate the fouling caused by biofilm formation in the molecular point of view, the separation membrane for the biofilm formation inhibition enzyme by immobilization on a surface by inhibiting the biofilm contamination of the biofilm formed on the membrane surface while minimizing the loss and deactivation of the enzyme inhibiting biofilm formation is to provide a technique that can be operated stably for a long period of time the membrane water treatment process with improved filtration performance.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 생물막 형성 억제 효소를 분리막 표면에 고정화시키는 접근법을 채택하기로 하고, 이와 관련된 연구를 수행하였다. The present inventors to achieve the above object, have conducted to adopt an approach to immobilization of the enzyme inhibiting biofilm formation in the membrane surface, and related studies.

종래에 효소를 특정 지지체 (예컨대, 자성담체, 탄소섬유 등)에 고정화시키는 방법에는 물리적 흡착법, 적층법, 공유결합 형성 등의 방법이 있으나 이러한 방법들은 지지체의 비표면적이 비교적 넓은 다공성 담체이거나 지지체의 표면에 작용기가 높은 농도로 존재하는 경우, 또는 그 표면이 매우 소수성인 경우에 적용 가능한 방법인데, 분리막의 경우는 효소가 고정화될 수 있는 표면적이 한정되어 있고 작용기의 농도 또한 높지 않으며 효소 자체를 고농도로 비가역 흡착시킬 수 있을 정도로 소수성을 띠지는 않으므로 상기 방법들을 적용하기가 곤란하다. The enzyme in the conventional specific support of the method of immobilization (e.g., a magnetic carrier, a carbon fiber, etc.), physical adsorption method, lamination method, a method such as covalent bond formation, but these methods have a specific surface area of ​​the support is either a relatively large porous carrier support If the functional group on the surface present in a high concentration, or inde possible method applied when the surface is very hydrophobic, in the case of a separation membrane does enzyme is the surface area that can be immobilized is limited and the concentration of the functional group also high, a high concentration of the enzyme itself, it is difficult to apply the above methods do ttiji is hydrophobic enough to be a non-reversible adsorption. 가사, 상기 방법들을 적용하여 효소를 분리막 표면에 고정시키더라도 표면에 고정화되는 효소의 농도가 매우 낮아 효과적인 효소 활성을 기대하기 어렵다. Even when fixing the enzyme by applying the lyrics, the method comprising the separation membrane surface is difficult to expect an effective activity concentration of the enzyme is very low which is immobilized on a surface. 따라서 분리막과 같은 평면 형태의 지지체의 표면에 고농도의 효소를 고정화시키고자 할 경우에는, 효소들끼리 가교할 수 있는 불용성 고분자 물질을 유기용매 중에서 혼합하여 도포한 후 지지체의 표면에서 유기용매를 증발 등의 방법으로 제거함으로써 지지체 표면에 효소를 고정화하는 방법이 주로 이용된다. Therefore, in the case to fix the high concentration of enzyme and characters on the surface of the planar shape of the support such as a membrane, enzymes between the water-insoluble polymer material capable of cross-linking after coating by mixing in an organic solvent, evaporating the organic solvent from the surface of the support, etc. by removal of the method the method for immobilizing the enzyme on the substrate surface is mainly used. 그런데, 분리막은 대부분 유기 고분자 물질로 이루어져 있으므로 유기용매와의 접촉 시에 유기용매와의 반응에 의해 불안정성이 증가되며 효소 또한 유기용매와의 접촉 시에 비활성화가 되는 경향이 있으므로 상기 방법을 그대로 적용시키기는 곤란하다. However, the separator to accept the method most so made of an organic polymer material and increases the instability by reaction with an organic solvent at the time contact with the organic solvent, enzyme addition, since it tends to be deactivated upon contact with an organic solvent it is difficult.

이에 본 발명자들은 분리막 표면에 생물막 형성 억제 효소를 고정화시키기 위한 새로운 연구를 거듭하였고, 그 결과 pH에 따라 용해도가 달라지는 수용성 고분자와 효소를 혼합하여 응집시킨 효소-고분자 응집체(aggregate) 혼합물의 수용액을 제조한 후에 효소를 고정화시키고자 하는 분리막을 통하여 상기 수용액을 여과시켜서 분리막의 표면에 효소-고분자 응집체 층을 형성시키고 상기 효소-고분자 응집체 층에 가교제를 반응시켜서 효소와 고분자 사이를 화학적으로 가교시켜서 효소-고분자 결합체를 형성시킴으로써 효소를 분리막 표면에 강고하게 고정화시킬 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The present inventors have found that New was repeated research and as a result the water-soluble polymer as a mixture to coagulate the enzyme having a solubility dependent on pH for immobilizing the biofilm formation inhibiting enzymes in the separation membrane surface, a polymer aggregates (aggregate) the aqueous solution of the mixture one after by through the separation membrane intended to immobilize the enzyme the aqueous solution was filtered enzyme on the surface of the membrane-forming polymeric aggregate layer and the enzyme by reacting the cross-linking agent to the polymer aggregates layer by cross-linking between the enzyme and the polymer is chemically enzyme leading to the completion of the present invention found that an enzyme, by forming the polymer conjugate can be strongly immobilized on the membrane surface.

즉, 본 발명은 분리막 수처리 공정에서 분리막 표면의 생물막 오염을 억제하기 위하여 분리막에 직접 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막, 상기 분리막을 제조하는 방법 및 상기 분리막을 이용한 수처리 공정을 제공한다. That is, the present invention provides a biofilm formation inhibition enzyme-immobilized membrane directly to the membrane, method for producing the separation membrane, and water treatment processes using the separation membrane in order to suppress the biofilm contamination of the membrane surface in the membrane the water treatment process.

구체적으로, 본 발명은 피처리수와 접촉하는 표면에 생물막 형성 억제 효소 및 상기 효소의 고정용의 수용성 고분자의 결합체가 형성되어 있는 수처리용 분리막에 관한 것이다. More specifically, the invention relates to a membrane for water treatment, which is formed with a combination of a water-soluble polymer of the clamping of the biofilm formation inhibition enzyme and the enzyme on the surface in contact with the water to be treated.

본 발명에서 효소-고분자 결합체란, 생물막 형성 억제 효소의 작용기가 수용성 고분자 사슬에 존재하는 작용기와 화학적 결합으로 연결되어서 수용성 고분자 사이에 생물막 형성 억제 효소가 포획된 상태의 물질을 의미한다. Enzyme in the present invention is a polymer conjugate, biofilm be linked to a functional group chemically bonded to a functional group is present in the water-soluble polymer chain of the enzyme inhibiting means forming the materials of which the biofilm formation inhibition enzyme captured between the water-soluble polymer state.

상기 생물막 형성 억제 효소로서는 생물막 형성을 억제하는 효소라면 특별한 제한은 없으며, 미생물의 정족수 감지 기작에 사용되는 신호분자를 제거하는 역할을 수행하는 정족수 감지 억제 효소로서 그람 음성세균의 신호분자의 일종인 아실-호모세린 락톤(Acyl-homoserine lactone, AHL)을 분해하는 아실라제(Acylase), 락토나제(Lactonase) 등의 효소를 사용할 수 있다. Enzymes to inhibit the biofilm formation as the biofilm formation inhibition enzyme if particular restriction is not, know the type of signal molecules in Gram-negative bacteria as quorum sensing inhibiting an enzyme that serves to remove the signal molecule which is used in the quorum sensing mechanism of the microorganism - may be an enzyme, such as acylase (acylase), Lactobacillus xylanase (Lactonase) for decomposing homoserine lactone (acyl-homoserine lactone, AHL).

생물막 형성 억제 효소를 수용성 고분자에 강하게 포획하여 고정화시키기 위해서는, 분리막 표면에 배치된 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자가 가교제를 이용하여 서로 화학적으로 결합되어 있는 것이 바람직하다. In order to inhibit the biofilm formation by enzyme immobilization strongly trapped in the water-soluble polymer, and a biofilm formation inhibition of enzymes and water-soluble polymer disposed on the membrane surface using a cross-linking agent it is preferably chemically bonded to each other.

상기 수용성 고분자는 분자 내부에 효소 또는 가교제와의 화학적인 결합을 형성할 수 있는 작용기 (예컨대, 아민기 또는 카르복실기)를 가질 수 있는 것을 사용할 수 있다. The water-soluble polymer may be used which may have a functional group (e.g., an amine group or a carboxyl group) capable of forming a chemical bond with an enzyme or cross-linking agent within the molecule. 예컨대, 키토산, 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 수용성 덴드리머 (dendrimer)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 아민기 함유 양이온성 화합물을 사용할 수 있으며, 키토산은 가격이 저렴하고 인체에 무해하다는 점에서도 바람직하다. For example, chitosan, can be used to contain a cationic compound consisting of an amine group with at least one member selected from the group consisting of silane and a water-soluble dendrimer (dendrimer) to the 3-aminopropyl, chitosan, and the price is low harmless to the human body it is preferable in the points.

수용성 고분자로서 아민기 함유 양이온성 화합물을 사용하는 경우, 수용성 고분자 중의 아민기와 효소의 아민기와의 사이에 화학적인 결합을 형성할 수 있는 가교제를 사용할 수 있는데, 예컨대 글루타르알데히드 가교제는 수용성 고분자와 효소와의 사이에 이민 결합(-CH=N-)을 형성하여서 분리막 표면에 생물막 형성 억제 효소를 더욱 더 강고하게 고정시킬 수 있다는 점에서 바람직하다. When using the containing cationic compound based amine as a water-soluble polymer, there between the amine group of the amine group and the enzyme of the water-soluble polymer can be a cross-linking agent capable of forming chemical bonds, such as glutaraldehyde cross-linking agent is a water-soluble polymer and enzyme hayeoseo form an imine bond (-CH = N-) in between is preferred in that it can be even more firmly secure the biofilm formation inhibiting enzymes in the membrane surface. 한편, 수용성 고분자로서 카르복실기 함유 화합물을 사용하는 경우에는, 수용성 카르보디이미드 (WSC), 수용성 카르보디이미드 (WSC) / N-히드록시숙신이미드(NHS) 등과 같이 수용성 고분자 중의 카르복실기와 효소의 아민기 사이에 개재되지 않고 이들을 직접 연결(커플링)시키기 위한 가교제를 사용할 수 있다. On the other hand, in the case of using a compound containing a carboxyl group as a water-soluble polymer, the water-soluble carbodiimide (WSC), water soluble carbodiimide (WSC) / N- hydroxysuccinimide amine of the carboxyl group with an enzyme in a water-soluble polymer such as (NHS) is not interposed between the groups may be a cross-linking agent for connecting them directly (coupling).

본 발명은 또한, 수용성 고분자의 수용액을 제조하는 단계; The present invention also comprising the steps of: preparing an aqueous solution of water-soluble polymers; 상기 수용성 고분자의 수용액에 생물막 형성 억제 효소를 혼합하여 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 형성하는 단계; Forming aggregates of the enzyme inhibiting biofilm formation and a water-soluble polymer by mixing the biofilm formation inhibition enzyme in an aqueous solution of the water-soluble polymer; 분리막에 상기 응집체를 포함하는 수용액을 여과시켜서 분리막의 피처리수측의 표면에 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 배치시키는 단계; The step of filtering the aqueous solution containing the aggregates in the membrane by placing the agglomerates in the biofilm formation inhibition of enzymes and water-soluble polymer on the skin surface of the treated water side of the membrane; 및 상기 응집체가 배치된 분리막 표면에 가교제를 반응시켜서 상기 생물막 형성 억제 효소와 상기 수용성 고분자를 화학적으로 결합시키는 단계를 포함하는 수처리용 분리막의 제조방법을 제공한다. And by reacting a crosslinking agent to the membrane surface of the agglomerate is placed provides a method for producing a separator for water treatment, comprising the step of combining the enzyme inhibiting biofilm formation and the water-soluble polymer chemically.

여기서, 수용성 고분자로서 양이온성 화합물을 사용하는 경우에는 수용성 고분자의 수용액에 알칼리를 투입하여 수용성 고분자의 전하를 중성으로 만들어서 수용성 고분자의 응집체를 형성하고 난 후에 생물막 형성 억제 효소를 혼합시킴으로써 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 보다 용이하게 제조할 수 있다. Here, in the case of using a cationic compound as a water-soluble polymer is by after charged into the alkali in the aqueous solution of the water-soluble polymer by making the charge of the water-soluble polymer to the neutral form aggregates of the water-soluble polymer mixture of biofilm formation inhibition enzyme biofilm formation inhibition enzyme than the aggregate of the water-soluble polymer can be easily produced. 알칼리 성분으로는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘 등의 통상적인 약품을 사용할 수 있다. Alkali component as may use conventional chemicals such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide.

본 발명에서 사용될 수 있는 분리막은 종래에 수처리용으로 사용되고 있는 외압형 및 침지형 등의 모듈의 모두에 적용할 수 있는 것이며, 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(MF) 등 다양한 공경의 분리막에도 적용할 수 있다. It will to a separator that can be used in the present invention is applicable to all of the modules, such as the prior art as used in the external pressure type and a submerged that for water treatment, reverse osmosis (RO), nanofiltration membrane (NF), ultrafiltration (UF), a microfiltration membrane (MF), etc. can be applied to a variety of membrane pore size. 분리막의 재질에도 특별한 제한은 없으며, 효소-고분자 결합체가 효과적으로 형성될 수 있는 고분자 (예컨대, 폴리아미드 혹은 폴리술폰) 재질을 사용할 수 있다. The material of the separation membrane is not limited in particular, enzyme may be a polymer (e.g., polyamide or polysulfone) materials with a polymer binder can be formed effectively.

본 발명에 의하면, 생물막 형성 억제 효소가 피처리수측의 표면에 강고하게 고정화된 분리막을 용이하게 제조할 수 있으며, 이러한 분리막을 수처리 공정에 적용하면 분리막의 표면에서의 생물막 형성을 분자생물학적인 방법으로 억제하여서 투수율의 저하를 완화하는 동시에 기존의 분리막에 비하여 막세척 주기가 길어지고 세척약품의 소모량을 줄일 수 있고 장시간에 걸쳐서 여과 공정을 안정적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, biofilm formation inhibition enzyme can be easily produced a separator a strongly immobilized on the surface of the processed water side, when applying this membrane to the water treatment process of biofilm formation in the membrane surface by the method of molecular hayeoseo be suppressed at the same time is to mitigate the decrease in permeability increases the membrane wash cycle than the conventional separator to reduce the consumption of cleaning reagents, and there is an advantage that can be stably performed in the filtering process for a long time.

도 1은 종래의 고도 수처리용 분리막 공정 (외부 가압형 모듈)에 있어서 생물막 형성에 의한 막오염(biofouling) 문제를 나타낸 개념도이다. 1 is a schematic diagram showing the membrane fouling (biofouling) problems due to biofilm formation in the conventional high water separation membrane process (external pressure type module).
도 2a는 종래의 수처리용 분리막의 표면에서 정족수 감지 기작에 의해서 체외 고분자 물질이 분출되고 생물막이 성장하는 것을 나타낸 개념도이다. Figure 2a is a schematic diagram showing that the polymer material is ejected in vitro biofilm growth by the quorum sensing mechanism in the surface of a conventional water treatment separation membrane for.
도 2b는 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 표면에서 정족수 감지 기작과 관련된 신호분자가 정족수 감지 억제 효소(생물막 형성 억제 효소)에 의해 분해되어 조절됨으로써 생물막 형성이 억제되는 것을 나타내는 개념도이다. Figure 2b indicates that the formed biofilm inhibition by being decomposed controlled by biofilm formation inhibition enzyme is detected signal molecule a quorum related surface quorum sensing mechanism in for the immobilized water treatment separation membrane inhibit enzymes (biofilm formation inhibition enzyme) according to the present invention; the concept is.
도 3은 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 제조방법의 실시형태를 나타내는 개념도이다. 3 is a conceptual diagram showing an embodiment of a method of manufacturing a water treatment separation membrane biofilm formation inhibition for the enzyme is immobilized to the present invention.
도 4a 및 4b는 생물막 형성 억제 효소를 고정화하기 전후의 상용화된 폴리아미드(스킨) 재질의 나노여과막의 ATR-FTIR 측정 결과이다. Figures 4a and 4b is an ATR-FTIR measurements of the nano-filtration membrane to immobilize the enzyme inhibiting biofilm formation commercially available polyamide (skin) material of the front and rear.
도 5는 종래의 나노여과막과 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 효소 활성도를 대표기질(N-acetyl-L-methionine)의 분해 속도로 살펴본 그래프이다. 5 is a graph examining the enzyme activity of the enzyme inhibiting biofilm formation in conventional nanofiltration membrane in the present invention immobilized nanofiltration membrane to the substrate degradation rate of the representatives (N-acetyl-L-methionine).
도 6은 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 효소 활성의 안정성을 21회의 반복 활성 실험을 통하여 살펴본 그래프이다. 6 is a graph examined the stability of the enzymatic activity of the nano-filtration membrane of the biofilm formation suppression by the immobilized enzyme of the present invention repeated experiments 21 active conference.
도 7은 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막에 대하여 비가압 상태에서 분리막 표면에 형성되는 생물막의 구조와 구성을 살펴보기 위해 사용된 플로우 셀의 개략도이다. Figure 7 is a schematic diagram of a flow cell used to investigate the structure and composition of the biofilm formed on the ratio of membrane surface in a pressure state with respect to the separation membrane with a biofilm formation suppression immobilized enzyme of the present invention.
도 8a 및 8b는 플로우 셀에서 5일간 운전 후 종래의 나노여과막과 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 표면에 형성된 PAO1 생물막의 3차원 이미지이다. Figures 8a and 8b is a three-dimensional image of the PAO1 biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane is a conventional nanofiltration membrane as the biofilm formation suppression immobilized enzyme of the present invention after five days operation the flow cell.
도 9a 및 9b는 플로우 셀 5일 운전 후 종래의 나노여과막과 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 표면에 형성된 PAO1 생물막의 세포와 체외 고분자 물질(EPS)의 높이에 따른 공극률 분포를 나타내는 그래프이다. Figures 9a and 9b has a void ratio distribution along the height of the flow cell 5 days operation the conventional nano-filtration membrane and PAO1 cells in vitro polymeric substance (EPS) of the biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane biofilm formation inhibition enzyme is immobilized according to the present invention after It is a graph showing.
도 10은 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 생물막 오염 정도를 평가하기 위해 구성된 실험실 규모의 나노여과 수처리 공정의 개략도이다. 10 is a schematic diagram of a laboratory scale nano-filtration process of the water treatment constructed in order to evaluate the degree of biofilm contamination of the nanofiltration membrane biofilm formation inhibition enzyme is immobilized according to the present invention.
도 11은 종래의 나노여과막과 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막을 나노여과 수처리 공정에 적용한 결과, 운전시간에 따른 투수율의 경향를 나타내는 그래프이다. Figure 11 is the result of applying the enzyme inhibiting the biofilm formation of the nano-filtration membrane prior to the present invention immobilized on a nanofiltration membrane nanofiltration water treatment process, is a graph showing permeability gyeonghyangreul in accordance with the operating time.
도 12a 및 12b는 각각 종래의 나노여과막과 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막을 나노여과 수처리 공정에 적용하여 38시간의 운전 후 나노여과막의 표면에 형성된 PAO1 생물막의 3차원 이미지이다. 12a and 12b is a three-dimensional image of the PAO1 biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane after operation of 38 hours prior nano-filtration membrane and a nano-filtration membrane biofilm formation inhibition enzyme is immobilized according to the present invention applied to a nanofiltration water treatment process, respectively.

제조예 1 - 효소가 고정화된 분리막의 제작 및 물성 평가 Production Example 1 - Production and evaluation of physical properties of the enzyme immobilized membrane

도 3에는 수처리용 분리막의 일종인 나노여과막의 표면에 생물막 형성 억제 효소를 고정화시킨 본 발명의 수처리용 분리막의 제조방법의 실시형태가 나타나 있다. 3 is shown an embodiment of a method of manufacturing a water treatment separation membrane of the present invention immobilized the enzyme inhibiting biofilm formation on the surface of the nanofiltration membrane type of separation membranes for water treatment. 보다 구체적으로, 1 중량% 아세트산 수용액에 키토산을 용해시켜서 얻은 키토산 수용액(키토산: 1 중량%) 400 μL를 30 mL의 초순수에 첨가한 후에 수산화나트륨(NaOH, 0.1 N)를 조금씩 첨가하며 pH를 10까지 올렸다. More specifically, 1% by weight of chitosan obtained by dissolving the chitosan in acetic acid aqueous solution (chitosan: 1 wt%) was added to sodium (NaOH, 0.1 N) hydroxide little by little after the addition of 400 μL in 30 mL of deionized water and the pH 10 raised up. 이 때, 양이온성 고분자인 키토산 분자는 표면에 있는 수소이온이 떨어져 나가며 전하가 중성으로 변해서 키토산 분자들끼리 응집이 일어나게 되었다. At this time, the chitosan molecules of cationic polymer was nagamyeo hydrogen ion occurs on the surface away from this charge is agglomerated among byeonhaeseo chitosan molecule neutral. 그 후 정족수 감지 억제 효소인 아실라제 용액(1000 mg/L) 2 mL를 첨가하고 5분간 교반하여 아실라제와 키토산 사이에 물리적인 응집이 일어나도록 하였다. Then a solution of acylase quorum sensing inhibiting enzymes added (1000 mg / L) 2 mL and physical cohesion between acylase and chitosan was stirred for 5 minutes to occur. 이렇게 형성된 용액을 나노여과막(NE4040-90 폴리아미드-폴리술폰 복합 분리막, Woongjin Co. Ltd.) 이 내부에 설치된 가압형 셀에 넣고 질소가스로 4 bar에서 완전히 여과시켜서 아실라제-키토산 응집체가 나노여과막의 표면에 물리적으로 부착되었다. The solution thus formed nanofiltration membrane (NE4040-90 polyamide-polysulfone composite membranes, Woongjin Co. Ltd.) are placed in a pressure-cell installed in the completely by filtration at 4 bar with nitrogen gas acylase-chitosan aggregates the nanofiltration membrane on the surface it was physically attached to. 이어서, 가교제로서 글루타르알데히드(0.2 중량%) 용액 5 mL를 첨가하여 30분 동안 반응시킴으로써 키토산의 아민기와 아실라제의 아민기의 사이에 이민 결합이 형성되고 이에 따라 나노여과막 표면에는 아실라제와 키토산이 가교결합된 효소-고분자 결합체가 강고하게 고정화되었다. Then, Glutaraldehyde (0.2%) to react for 5 mL was added for 30 minutes the solution as a crosslinking agent by the imine bond formed between the amine group of the amine group of chitosan acylase Accordingly nanofiltration membrane surface acylase with chitosan the crosslinked enzyme was immobilized to the polymer binder is strong.

위와 같은 방법으로 얻어진, 수처리용 분리막 자체의 투수율을 알아보기 위하여 초순수를 대상으로 하여 여과 실험을 수행하였는데, 분리막 자체의 투수율은 생물막 형성 억제 효소가 고정화되지 않은 종래의 분리막 대비 약 70~80% 수준으로 감소하였으며, 표면 전하는 종래의 분리막 (약 -80 mV)에 비하여 음전하가 감소되는 결과(약 -20 mV)를 나타내었다. Above resulting in the same way, to the target of ultrapure water to evaluate the permeability of the membrane itself, for water treatment was carried filtration experiments, intrinsic membrane permeability is a biofilm formation inhibition enzyme was not immobilized prior art membrane prepared from about 70% to 80% level of It decreased, the surface charge and the results are shown (approximately -20 mV) which is a negative charge decreases as compared to the conventional separator (about -80 mV). 이것은, 효소-고분자 결합체가 분리막의 표면에 형성됨에 따라 분리막의 유효 공경 크기가 다소 감소되고 분리막 표면의 물리화학적 성질 또한 변화하기 때문인 것으로 사료된다. This enzyme is thought to be due to also change slightly reduces the effective pore size of the separation membrane and the physical-chemical properties of the membrane surface in accordance with the formed membrane on the surface of the polymer conjugate.

또한 Attenuated Total Reflective Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) 분석 결과(도 4a 및 4b)를 보면 효소-고분자의 결합체의 형성 후에는 기존의 나노여과막에서의 특징적인 피크의 강도가 현저히 감소하는 대신 키토산의 특징적인 피크(950∼1200 cm -1 )와 아실라제의 펩티드 결합에 의한 아미드 I 피크 (C=O) 및 아미드 II 피크 (NH)의 강도가 현저히 증가하였음을 확인할 수 있었으며 (도 4a), 2500~4000 cm -1 영역에서는 키토산과 아실라제의 작용기에 해당하는 아민기, 히드록시기, 알칸기 등이 확인되었다 (도 4b). Also Attenuated Total Reflective Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) analysis (Fig. 4a and 4b) to look enzyme after the formation of a conjugate of a polymer is characteristic of chitosan, instead of the intensity of the characteristic peaks in the conventional nanofiltration membrane significantly reduced peak (950~1200 cm -1) and was able to determine the acyl hayeoteum amide I peak (C = O) and a significant increase in the strength of the amide II peak (NH) by the peptide coupling of the cyclase (Fig. 4a), 2500 ~ in 4000 cm -1 region were identified, such as chitosan and an acyl amine group, a hydroxyl group, corresponding to the functional group of the cyclase, an alkane group (FIG. 4b).

실험예 1 - 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 효소 활성 및 안정성 Experimental Example 1-biofilm formation inhibition enzyme activity and stability of the immobilized water separator

생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 효소 활성과 안정성을 평가하기 위하여, 미생물의 신호분자인 AHL을 대신하는 대표기질로서 AHL과 그 분자구조가 매우 유사한 N -acetyl-L-methionine의 분해 속도와 반복실험에 따른 효소 활성의 저하도를 측정하였다. In order to evaluate the enzyme activity and stability of the water separation membrane for the biofilm formation is inhibited enzyme immobilization, as a representative substrate in place of the signal of the microorganism AHL molecules AHL and its molecular structure is very similar to the N -acetyl-L-methionine rate of decomposition of the deterioration degree of the enzymatic activity was measured according to the test repeated. 도 5에서 보면, 아실라제가 고정화된 나노여과막은 기질을 빠른 속도(0.39 μM/min per cm 2 of membrane)로 분해하여서 높은 효소 활성을 나타내었다. In Figure 5, the nano-filtration membrane acyl la I is immobilized hayeoseo decomposing the substrate at a faster rate (0.39 μM / min per cm 2 of membrane) exhibited high enzyme activity. 또한, 21회의 반복된 효소활성 평가실험과 세척과정에도 불구하고 제조된 분리막의 효소활성은 90%이상으로 유지되어 효소 활성의 안정성도 높게 나타났다 (도 6). In addition, 21 meeting the enzyme activity of the enzyme in spite of the repeated evaluation experiments and washing process and manufacturing membrane is kept above 90% were also higher stability of enzyme activity (Fig. 6).

실시예 1 - 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 표면에 형성된 생물막의 구조와 구성 성분 분석 Example 1 - biofilm formation inhibition enzyme analysis of the structure and components of the biofilm formed on the surface of the water for the immobilized membrane

실제 분리막 공정에 적용하기에 앞서, 플로우 셀(Flow cell)을 이용하여 비가압 상태에서 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 수처리용 분리막의 표면에 생물막을 형성시킨 후 생물막의 구조와 구성성분을 분석함으로써 본 발명의 수처리용 분리막의 생물막 형성 억제 효과를 평가하였다. Prior to application to the actual separation membrane process, the structure and composition of after forming a biofilm on the surface of the water separation membrane for rain the biofilm formation inhibition enzyme of the present invention in a rolled state immobilized using a flow cell (Flow cell) Biofilm analysis was evaluated by the biofilm formation suppression effect of water separation membrane of the present invention.

도 7은 플로우 셀의 운전 개략도를 나타내고 있다. 7 shows the schematic operation of the flow cell. 플로우 셀의 두 채널 하부에 각각 74 mm × 24 mm 크기의 효소 고정화 전, 후의 나노여과막 {NE4040-90 폴리아미드(스킨)-폴리술폰(지지체) 복합 분리막, Woongjin Co. Each of the two channels, the lower portion of the flow cell 74 mm × 24 mm size of the immobilized enzyme before and after nanofiltration membrane {NE4040-90 polyamide (skin) - polysulfone (support) composite membranes, Woongjin Co. Ltd.}을 설치하였으며 멸균된 영양분 (20 L, tryptic soy broth 60 mg/L)을 연동(peristaltic) 펌프를 이용하여 1.5 mL/min의 유량으로 플로우 셀의 내부로 공급하였다. Ltd.} was the installation and fed with a sterilized nutrient (20 L, tryptic soy broth 60 mg / L) to the inside of the flow cell at a flow rate of 1.5 mL / min using a peristaltic (peristaltic) pump. 미생물로서는 AHL을 신호분자로 이용하는 대표적인 그람 음성균 중 하나인 Pseudomonas aeruginosa PAO1을 선정하였다. Examples of microorganisms were selected for a typical Gram-negative bacteria, one of the Pseudomonas aeruginosa PAO1 of using a signal molecule AHL. PAO1은 플로우 셀 접종 전 18시간 동안 3 g/L의 tryptic soy broth에서 배양되었으며 약 7 × 10 5 CFU/mL 농도로 희석되어 플로우 셀에 접종되었다. PAO1 was cultured in the flow cell inoculation 18 hours before 3 g / L of tryptic soy broth for diluted to about 7 × 10 5 CFU / mL concentration was inoculated in a flow cell. 접종 후 1시간 동안 미생물이 분리막에 부착되도록 한 후 상기 영양분을 지속적으로 공급하였다. After allowing the microorganisms adhered to the separation membrane for one hour after the inoculation continuously supplied to the nutrients. 5일간의 플로우 셀 운전 후, 각 분리막의 표면에 형성된 PAO1 생물막을, 셀을 염색하는 SYTO 9과 미생물의 체외 고분자 물질(EPS) 중 다당류(Polysaccharide)를 염색하는 ConA를 이용하여 염색한 후 공초점 주사 현미경 (Confocal laser scanning microscopy, CLSM)을 이용하여 관측하였다. After the flow cell operation for 5 days, the PAO1 biofilm formed on the surface of each membrane, and then stained using a ConA for dyeing a polysaccharide (Polysaccharide) of SYTO 9 and in vitro polymeric substance (EPS) of the microorganisms that stain the cell confocal It was observed using a scanning electron microscope (Confocal laser scanning microscopy, CLSM). CLSM을 통해 얻어진 생물막의 단층 이미지들은 IMARIS 프로그램을 이용하여 3차원 이미지로 재구성 하였으며 ISA-2D프로그램을 이용하여 분리막 표면에 형성된 생물막의 공극률, 두께, 부피 등을 정량화하였다. A single layer of the image obtained through the biofilm CLSM have quantify was reconstructed in a three-dimensional image by using a program IMARIS porosity of the biofilm formed on the membrane surface using the ISA-2D program, thickness, volume and the like.

도 8b는 플로우 셀 5일 운전 후 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 표면에 형성된 PAO1의 생물막 이미지를 나타내는 것이다. Figure 8b shows an image of the PAO1 biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane to form a biofilm inhibiting enzyme immobilization after driving the flow cell 5 days. 성숙한 PAO1생물막에서 흔히 관측되는 버섯모양의 생물막 패턴은 관측되지 않았으며 상대적으로 평평한 구조를 보였다. Biofilm pattern of mushroom that is commonly observed in mature PAO1 biofilm has not been observed showed a relatively flat structure. 형성된 생물막의 구성성분 중 세포(cell)의 부피는 분리막 단위 면적(μm 2 )당 0.9 μm 3 , 체외 고분자 물질의 부피(EPS)는 단위 면적당 0.7 μm 3 이었다. Configuring the volume of the cell (cell) of the components of the biofilm formed is the volume (EPS) of 0.9 μm 3, extracorporeal membrane polymer material per unit area (μm 2) per unit area was 0.7 μm 3. 생물막의 두께는 20 μm 미만이었으며 공극률은 생물막의 높이가 높아질수록 지속적으로 감소하는 경향을 보였다 (도 9a 및 9b). The thickness of the biofilm was 20 μm was less than the porosity is higher the height of the biofilm had a tendency to continue to decline (Fig. 9a and 9b).

비교예 1 Comparative Example 1

생물막 형성 억제효소가 고정화되지 않은 종래의 나노여과막을 대상으로 실시예 1의 절차를 동일하게 반복하였다. The procedure of Example 1, the biofilm formation inhibition enzyme targeting conventional nanofiltration membrane that is not immobilized were identically repeated. 그 결과, 분리막 표면에 형성된 PAO1 생물막은 신호분자가 제거되지 못하므로 미생물의 정족수 감지 기작이 발현됨에 따라 성숙한 PAO1생물막이 가지는 뚜렷한 버섯모양을 나타내는 것을 확인할 수 있었다(도 8a). As a result, PAO1 biofilm formed on the membrane surface, so the signal molecule is not been removed was found to exhibit a pronounced fungal having the mature PAO1 biofilms as the microbial quorum sensing mechanism of the expression (Fig. 8a). 세포의 부피는 단위 분리막 면적당 3.7 μm 3 , 체외 고분자 물질의 부피는 2.1 μm 3 로 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 표면에 형성된 생물막의 그것보다 현저히 높은 수치를 보였다. Volume of the cell volume of 3.7 μm 3, In Vitro polymer material per unit area of membrane showed a significantly higher value than that of the biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane to form a biofilm inhibiting the enzyme immobilized to 2.1 μm 3. 또한 생물막의 두께는 40 μm 이상이었으며 공극률은 실시예 1의 결과와 달리 높이에 따라 다양하게 변화하는 경향을 나타내었다 (도 9a 및 9b). In addition, the thickness of the biofilm is was more than 40 μm porosity exhibited a tendency to vary depending on the height, unlike the result of Example 1 (Figs. 9a and 9b).

이러한 일련의 결과는 미생물의 정족수 감지 기작에 의해 조절되는 생물막의 성장 및 성숙과 체외 고분자 물질의 분출이 본 발명에서와 같이 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막에서 현저히 저하됨을 의미하며, 생물막의 성장과 체외 고분자 물질이 생물막오염 현상의 주된 요인임을 감안해 볼 때 비가압 상태에서도 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막이 기존의 분리막에 비하여 생물막오염 현상을 크게 완화시킬 수 있음을 나타낸다. A series of result this means significantly degraded in the nano-filtration membrane is biofilm formation inhibition enzyme immobilization as in the ejection of the growth and maturation of the biofilm and in vitro high-molecular substance that is controlled by the quorum sensing mechanism of the microorganisms present invention, and the growth of biofilms and it indicates that the polymer material is in vitro membrane with a main factor that pressureless state in biofilm formation inhibition enzyme of the invention Given the biofilm Fouling immobilized can greatly relieve the biofilm contamination phenomenon compared to the conventional separation membranes.

실시예 2 - 가압형 연속식 분리막 수처리 공정에의 적용 Application of the pressure-continuous separation membrane treatment process - Example 2

상기 '제조예 1'에서 제조한 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막을 실험실 규모의 연속식 나노여과 수처리 공정에 적용하였다 (도 10). Above was applied to a nanofiltration membrane is a biofilm formation inhibition enzyme produced in "Production Example 1, immobilized on a continuous nano-filtration process of the water treatment laboratory scale (Figure 10). 본 실시예는 유입수의 투입 및 처리수의 취출이 연속적으로 이루어지는 실제 나노여과 수처리 공정을 모사한 것으로서, 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막의 생물막오염 억제 효과를 검증하기 위하여 수행된 것이다. This embodiment as simulated the actual nanofiltration water treatment process is taken out of the number of making and processing of inlet water comprises successively, a is carried out to verify the biofilm contamination inhibiting effect of the separation membrane of the biofilm formation inhibition enzyme of the present invention immobilized thereon.

구체적으로, 본 실시예에 사용된 나노여과공정은 크게 영양분이 존재하는 유입수 (60 mg/L TSB, 1 mM trisodium citrate, in 2 mM PB), 운전부피 1.2 L의 반응기 (유입수와 동일한 조성), 2 bar의 정압에서 평행하게 운전되는 두 개의 피스톤 펌프와 나노여과 모듈(평판형)로 구성되어 있다. Specifically, the nanofiltration process is significantly influent the nutrients are present in (60 mg / L TSB, 1 mM trisodium citrate, in 2 mM PB), driving volume of 1.2 L reactor (the same composition as the influent) used in this embodiment, in the static pressure of 2 bar it is composed of two piston pumps and a nano-filtration module (plate-like) in parallel operation. 사용된 나노여과막의 유효 막면적은 각 14.2 cm 2 이고 처리수는 지속적으로 취출되었으며 농축수는 반응기로 재순환되었다. Effective membrane area of the used nano-filtration membrane treatment of each 14.2 cm 2, and was continuously extracted with concentrated water was recycled to the reactor. 운전 시작 전, 시스템 내부를 1% 차아염소산나트륨(NaOCl)과 75% 에탄올로 세척 및 멸균시켰다. Before the start of driving, it washed and sterilized within the system to 1% sodium hypochlorite (NaOCl) and 75% ethanol. 1시간의 안정화 후 PAO1 을 약 10 2 CFU/mL의 농도로 반응기 내에 접종하였으며 이 때부터 2 bar의 정압으로 나노여과공정을 운전하기 시작하였다. After a one hour stabilization was inoculated PAO1 in the reactor at a concentration of about 10 2 CFU / mL started to drive the static pressure of 2 bar to nanofiltration process from this point. 나노여과공정이 정압으로 운전되는 경우, 막오염이 발생함에 따라 분리막의 투수율(Flux)이 감소하게 되는데, 본 실시예에서는 이러한 투수율의 변화를 실시간으로 측정하여 기록함으로써 분리막의 생물막오염 정도를 평가하였다. If the nanofiltration step is operated at constant pressure, the film there is the permeability (Flux) of the separator is reduced as the pollution is generated, in this embodiment evaluates the degree of biofilm contamination of the membrane by recording by measuring the change in the permeability in real time, . 운전종료 후 (38시간 경과시) 분리막을 모듈에서 분리하였으며 '실시예 1'과 동일한 방법으로 분리막 표면의 생물막을 염색한 후 CLSM을 이용하여 관찰하였다. After the end of the operation (38 hour elapsed time) were isolated from the membrane module after the staining of the biofilm membrane surface in the same manner as in 'Example 1' was observed under the CLSM.

도 11은 나노여과공정의 운전시간에 따른 투수율의 변화를 보여주고 있다. Figure 11 shows the changes in permeability according to the operation time of the nanofiltration process. 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 경우 38시간의 운전시간 후에도 투수율이 초기 투수율의 90% 이상으로 유지되고 있어서 생물막오염 현상이 심하게 일어나지 않았음을 확인할 수 있었다. For the nano-filtration membrane to form a biofilm inhibiting enzyme immobilization of the invention even after operating time of 38 hours the permeability was confirmed that the method is maintained to be more than 90% of the initial permeability did not occur the biofilm contamination phenomenon badly. 이러한 결과는 도 12b의 3차원 이미지로도 확인할 수 있는데, 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 나노여과막의 표면에는 PAO1단일 개체나 마이크로콜로니(Microcolony) 정도만이 관찰되었지만 체외 고분자 물질과 세포들로 구성된 두껍고 고밀도의 생물막의 구조는 관측되지 않았다. The results in Fig may determine, the surface of the nano-filtration membrane is biofilm formation inhibition enzyme immobilization of the invention has been observed only PAO1 single object, or micro-colonies (Microcolony) in vitro polymeric material and cells to the three-dimensional image of Figure 12b the structure of the biofilm composed of thick, high-density was observed.

비교예 2 Comparative Example 2

생물막 형성 억제효소가 고정화되지 않은 종래의 나노여과막을 대상으로 실시예 2의 절차를 동일하게 반복하였다. Biofilm formation is inhibited enzyme The procedure of Example 2 to target the conventional nanofiltration membrane was identical repeats is not fixed. 그 결과, 투수율은 미생물 성장이 급격히 일어나는 약 12시간 정도부터 뚜렷한 감소되는 경향을 보이기 시작하여 38시간 운전종료 시점에는 초기 투수율의 60%까지 감소하였다 (도 11). As a result, the permeability is microorganism growth has started to show a distinct tendency to reduce from about 38 about 12 hours time-out operating time takes place abruptly decreased to 60% of the initial permeability (Fig. 11). 이는 종래의 나노여과막의 표면에서 생물막 오염 현상이 현저하게 발생된다는 것을 나타내고 있다. This indicates that the Biofilm Fouling on the surface of a conventional nanofiltration membrane remarkably occurs. 또한 종래의 나노여과막의 표면에는 다량의 세포와 체외 고분자 물질로 구성된 성숙한 생물막이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다 (도 12a). In addition, it was confirmed that the surface of the conventional nano-filtration membrane is a mature biofilm composed of a large amount of cells in vitro and polymer material is formed (FIG. 12a).

상기 실시예 2와 비교예 2의 결과를 정량적으로 분석하여 보면, 본 발명의 생물막 형성 억제효소가 고정화된 나노여과막의 표면에 형성된 생물막의 부피(세포와 체외 고분자 물질의 합)는 단위 분리막 면적 (μm 2 ) 당 0.06 (±0.02) μm 3 로서 종래의 나노여과막의 표면에 형성된 생물막의 부피 (1.15 (± 0.18) μm 3 ) 의 6% 수준에 불과하였다. In analyzing the results of the above-described Comparative Example 2 Example 2 quantitatively, the volume of the biofilm formed on the surface of the nano-filtration membrane biofilm formation inhibition enzyme is immobilized in the invention (the sum of the cells and in vitro high-molecular substance) per unit membrane area ( μm 2) was only 6% of 3 μm) (volume (1.15 (± 0.18 of the biofilm formed on the surface of a conventional nanofiltration membrane as ± 0.02) μm 3) per 0.06.

위와 같은 실험 결과들로부터, 본 발명의 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막은 그 표면에 고정화된 생물막 형성 억제 효소(정족수 감지 억제 효소)의 활성에 의해 생물막 형성(정족수 감지)의 기작이 억제되면서 생물막의 성숙과 체외 고분자 물질의 분출이 감소되어 생물막오염이 현저히 완화되는 것을 알 수 있다. Above, from such a result, as the separation membrane with a biofilm formation inhibition enzyme of the present invention immobilized it can inhibit the mechanism of biofilm formation (quorum sensing), by the activity of the biofilm formation inhibition enzyme (quorum sensing inhibiting enzymes) immobilized on the surface of the biofilm this in vitro maturation and eruption of the polymer material decreases can be seen that the biofilm contamination is significantly mitigated.

Claims (14)

  1. 피처리수와 접촉하는 표면에 생물막 형성 억제 효소 및 상기 효소의 고정용의 수용성 고분자의 결합체가 형성되어 있는 수처리용 분리막으로서, A biofilm formation inhibition enzyme and a water separation membrane is formed for a combination of a water-soluble polymer of the clamping of the enzyme on a surface in contact with the water to be treated,
    상기 생물막 형성 억제 효소와 상기 수용성 고분자는 가교제를 이용하여 화학적으로 결합되어 있고, The enzyme inhibiting biofilm formation and the water-soluble polymer may be chemically bonded with a crosslinking agent,
    상기 수용성 고분자는 분자 내부에 상기 생물막 형성 억제 효소 또는 가교제와 화학적인 결합을 형성할 수 있는 아민기 또는 카르복실기를 가지며, 키토산, 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 수용성 덴드리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막. The water-soluble polymer is one selected from the biofilm formation suppression or enzyme has an amine group or a carboxyl group which may form a cross-linking agent and a chemical bond, a chitosan, the group consisting of silane and a water-soluble dendrimer 3-aminopropyl within the molecule water separator for which is characterized by being a more thereof.
  2. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 생물막 형성 억제 효소는 정족수 감지 억제 효소인 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막. The biofilm formation inhibition enzyme membrane for water treatment, characterized in that quorum sensing inhibiting enzymes.
  3. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2,
    상기 정족수 감지 억제 효소는 아실라제 또는 락토나제인 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막. The quorum sensing inhibiting enzyme membrane for water treatment, characterized in that acylase or lactose and zein.
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  8. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 가교제는 글루타르알데히드인 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막. The crosslinking agent for water treatment separation membrane, characterized in that glutaraldehyde.
  9. 수용성 고분자의 수용액을 제조하는 단계; Preparing an aqueous solution of a water-soluble polymer;
    상기 수용성 고분자의 수용액에 생물막 형성 억제 효소를 혼합하여 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 형성하는 단계; Forming aggregates of the enzyme inhibiting biofilm formation and a water-soluble polymer by mixing the biofilm formation inhibition enzyme in an aqueous solution of the water-soluble polymer;
    분리막에 상기 응집체를 포함하는 수용액을 여과시켜서 분리막의 피처리수측의 표면에 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 배치시키는 단계; The step of filtering the aqueous solution containing the aggregates in the membrane by placing the agglomerates in the biofilm formation inhibition of enzymes and water-soluble polymer on the skin surface of the treated water side of the membrane; And
    상기 응집체가 배치된 분리막 표면에 가교제를 반응시켜서 상기 생물막 형성 억제 효소와 상기 수용성 고분자를 화학적으로 결합시키는 단계 By reacting a crosslinking agent to the membrane surface on which the aggregates disposed step of combining the enzyme inhibiting biofilm formation and the water-soluble polymer is chemically
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막의 제조방법. Method for manufacturing a membrane for water treatment, comprising a step of including.
  10. 청구항 9에 있어서, The method according to claim 9,
    상기 생물막 형성 억제 효소는 정족수 감지 억제 효소인 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막의 제조방법. The biofilm formation inhibition enzyme process for producing a membrane for water treatment, characterized in that quorum sensing inhibiting enzymes.
  11. 청구항 9에 있어서, The method according to claim 9,
    상기 수용성 고분자는 분자 내부에 아민기 또는 카르복실기를 갖는 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막의 제조방법. The water-soluble polymer is a method of producing a separation membrane for water treatment comprising the amine group or a carboxyl group within the molecule.
  12. 청구항 9에 있어서, The method according to claim 9,
    상기 수용성 고분자는 양이온성 화합물이며, 상기 수용성 고분자의 수용액에 알칼리를 혼합하고 나서 생물막 형성 억제 효소를 혼합하여 생물막 형성 억제 효소와 수용성 고분자의 응집체를 형성하는 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막의 제조방법. The water-soluble polymer is cationic and compounds, process for producing a water separator for as to form the aggregates of the water-soluble after mixing the alkali in the aqueous solution of the polymer biofilm formation inhibiting enzymes by mixing the biofilm formation inhibition of enzymes and water-soluble polymer.
  13. 청구항 9에 있어서, The method according to claim 9,
    상기 가교제는 글루타르알데히드인 것을 특징으로 하는 수처리용 분리막의 제조방법. The crosslinking agent is a water treatment method for manufacturing a separation membrane, characterized in that for glutaraldehyde.
  14. 청구항 1 내지 3 및 8 중의 어느 한 항의 분리막을 이용하여 피처리수를 여과하는 것을 특징으로 하는 수처리 공정. Claims 1 to 3 and 8 using the any one of the separation membrane in the water treatment process, characterized in that for filtering water to be treated.
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