KR101270906B1 - Fluidizable carrier with biofilm formation-inhibiting microorganisms immobilized therein and membrane water treatment apparatus using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생물막 형성 억제 미생물의 활성을 안정적으로 유지하여서 분자생물학적인 관점에서 분리막의 막오염을 저감하면서 물리적 세척에 의한 막오염 완화 효과도 동시에 얻을 수 있는 분리막 수처리 기술에 관한 것으로서, 담체의 내부에 생물막 형성 억제 미생물이 고정화되어 있으며, 수중 폭기에 의해서 유동성을 갖는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체, 및 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체가 내부에 배치된 수처리 반응조와 수처리용 분리막 모듈을 포함하는 분리막 수처리 장치를 제공한다.The present invention relates to a membrane water treatment technology that can at the same time obtain a membrane fouling mitigation effect by physical washing while reducing the membrane fouling of the membrane from the molecular biology perspective by maintaining the activity of the microorganisms inhibiting the formation of biofilms, A membrane comprising a water treatment reactor and a membrane module for water treatment, in which biofilm formation inhibiting microorganisms are immobilized and biofilm formation suppression microorganism immobilized fluidized bed carriers having fluidity by aeration in water, and biofilm formation suppression microorganism immobilized fluidized bed carriers are disposed therein. Provided is a water treatment device.

Description

생물막 형성 억제 미생물이 고정화된 유동상 담체 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치 {Fluidizable carrier with biofilm formation-inhibiting microorganisms immobilized therein and membrane water treatment apparatus using the same}Fluidized carrier with biofilm formation-inhibiting microorganisms immobilized therein and membrane water treatment apparatus using the same}

본 발명은 분리막 수처리 장치의 운전 중에 분리막 표면에서 성장하여 형성되는 생물막(biofilm)에 의한 생물막오염(membrane biofouling)을 억제하는 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 생물막 형성을 억제할 수 있는 미생물을 고정화시킨 유동상 담체 및 이를 반응조 내부에 투입하여 생물막 형성 억제 미생물의 유실 내지는 사멸 없이 안정적으로 분리막의 투과 성능을 장기간으로 유지할 수 있는 분리막 수처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for suppressing biomembrane fouling by biofilm formed by growing on the membrane surface during operation of a membrane water treatment device, and more specifically, immobilizing a microorganism capable of inhibiting biofilm formation. The present invention relates to a fluidized bed carrier and a separator water treatment device capable of stably maintaining the permeation performance of the membrane for a long time without loss or death of biofilm formation inhibiting microorganisms.

최근 수자원 부족 및 수질 악화가 심화됨에 따라 수처리 기술에 대한 수요는 세계적으로 급증하고 있다. 이러한 상황에 대응하기 위해서 수처리 기술에 전세계의 관심이 집중되면서, 해수담수화 및 정수처리에 이용되는 역삼투/나노여과 공정과 하폐수 처리에 이용되는 분리막 생물 반응조(membrane bioreactor, MBR) 공정을 포함하는 분리막 수처리 공정은 처리의 연속성과 공정의 간편성, 높은 처리효율 등의 장점들 때문에 부각되고 있다. 실제로 BBC research에서 2008년에 조사한 자료에 따르면, 국제 MBR 시장규모는 2008년 2억 9600만 달러에서 2013년 4억 8800만 달러까지 증가할 것으로 예측하고 있다.As the recent shortage of water resources and deterioration of water quality, demand for water treatment technology is increasing rapidly worldwide. In order to cope with such a situation, global attention has been focused on water treatment technology, and membranes including reverse osmosis / nanofiltration processes used for seawater desalination and water treatment and membrane bioreactor (MBR) processes used for wastewater treatment. Water treatment processes are emerging due to advantages such as continuity of treatment, simplicity of process and high treatment efficiency. Indeed, data from the BBC research in 2008 predicted that the international MBR market size would increase from $ 296 million in 2008 to $ 488 million in 2013.

그러나, 이렇게 주목 받고 있는 분리막 수처리 공정에는 분리막 표면에 미생물이 부착 성장하여 생물막(biofilm)이 형성되고 이로 인하여 막오염(membrane fouling)이 유발되어 투수도를 감소시키고, 분리막의 세정주기 및 수명 단축, 여과에 필요한 에너지 소비량 증가 등 분리막의 여과 성능을 저하시킴으로써 분리막 수처리 공정의 경제성을 악화시킨다는 문제점이 있다.However, in the membrane water treatment process, which is attracting attention, microorganisms adhere to and grow on the surface of the membrane to form a biofilm, which causes membrane fouling, thereby reducing permeability, reducing the cleaning cycle and lifespan of the membrane, There is a problem in that the economic performance of the membrane water treatment process is deteriorated by lowering the filtration performance of the membrane such as an increase in energy consumption required for filtration.

이와 같은 문제 해결을 위하여 지난 20여 년간 다양한 연구가 진행되었는데, 다양한 물리적 방법과 화학적 방법이 연구되어 왔다. 대표적인 분리막 표면의 생물막 저감 기술의 물리적인 방법으로는 폭기를 통한 전단력 증가에 의한 생물막 탈리 유도와 역세척을 통한 생물막 탈리 등의 방법이 있으며, 화학적인 방법으로는 입자 크기를 증가시키기 위한 고분자 응집제의 주입 혹은 분리막 표면의 친수성을 증가시키기 위한 개질 등의 방법이 있다. 이러한 연구들은 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 되지 못하고 있다. 이는 미생물로부터 유래하는 생물막이라는 복잡한 생물학적 구조를 스케일링이나 유기물 흡착과 같이 단순한 하나의 오염물질로 간주하고 물리·화학적인 방법적 접근에서 해결하고자 접근하였기 때문이며, 생물막 오염 현상의 근본적인 해결을 위해서는 미생물의 특성에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 생물학적 접근법이 절실한 실정이다.To solve this problem, various researches have been conducted for the last 20 years, and various physical and chemical methods have been studied. The physical methods of the biofilm reduction technology on the surface of the separator are biodegradation induction by increasing shear force through aeration and biofilm desorption through backwashing, and chemical methods include polymer coagulant for increasing particle size. There are methods such as injection or modification to increase the hydrophilicity of the membrane surface. These studies have shown that the characteristics of the water treatment process where water and nutrients necessary for the growth of microorganisms are present everywhere, the characteristics of the membrane process where driving force exists in the direction of the filtration of the membrane, and once formed are high in external physical and chemical impacts. Due to the nature of the resistant biofilm itself, it has not been a satisfactory solution so far. This is because the complex biological structure derived from microorganisms is regarded as a simple pollutant such as scaling and organic adsorption, and has been approached to be solved by physical and chemical methodological approaches. There is a desperate need for an understanding of and a biological approach based on it.

한편, 미생물들은 온도, pH, 양분 등 여러 가지 주위 환경의 변화에 반응하여 특정 신호 분자를 합성하고 이를 세포 외로 배출/흡수하는 방법으로 주변의 세포 밀도를 인지한다. 세포 밀도가 증가하여 이러한 신호 분자의 농도가 일정수준에 이르게 되면 특정 유전자의 발현이 시작되고 그 결과 미생물 집단의 생리현상이 조절 (group behavior regulation)되는데, 이를 정족수 감지 현상 (quorum sensing phenomena)이라고 하며, 일반적으로 세포의 밀도가 높은 환경 하에서 발생한다. 이러한 정족수 감지 현상의 대표적인 예로는, 공생(symbiosis), 감염(virulence), 경쟁(competetion), 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).On the other hand, microorganisms recognize surrounding cell density by synthesizing specific signal molecules in response to changes in various environmental conditions such as temperature, pH, nutrients, and releasing / absorbing them to the outside of cells. When the cell density increases and the concentration of these signal molecules reaches a certain level, expression of specific genes begins, resulting in group behavior regulation of the microbial population, which is called quorum sensing phenomena. In general, it occurs under high density of cells. Representative examples of such quorum sensing include symbiosis, virulence, competetion, conjugation, antibiotic production, motility, sporulation, biofilm formation (eg, biofilm formation) have been reported (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. 1998년 Davies등(Science, Vol.280, pp.295~298)에 의해 이러한 미생물 정족수 감지 기작이 병원성 미생물인 Pseudomonas aeruginosa의 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.Especially, in the biofilm condition where the cell density is much higher than that of the floating phase, the mechanism of detecting the quorum of the microorganism can be easily and actively generated. In 1998, Davies et al. (Science, Vol. 280, pp. 295 ~ 298) reported that the mechanism of quantitative detection of microbial quorum is characterized by the physical structure characteristics, such as the extent, thickness and morphology of the biofilm formation of the pathogenic microorganism Pseudomonas aeruginosa . preventing contamination of medical devices in some areas, such as studies to inhibit biofilm formation through artificial control of the quorum sensing mechanism since the report represent a closely related with a variety of characteristics such as biofilm resistance recent medical and agriculture (Baveja et al ., Biomaterials , 2004, Vol. 50, pp. 5003-5012), plant diseases (Dong et al ., Nature , 2001, Vol. 411, pp. 813-817).

미생물 정족수 감지 기작을 조절하여 생물막 형성을 억제하는 종래의 방법은 크게 다음의 몇 가지로 분류된다. 첫째로, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호 분자와 비슷한 구조를 가지며 신호 분자와 유전자 발현 부위를 놓고 경쟁관계에 있는 것으로 알려진 길항제(antagonist)를 투입하여 생물막 형성을 억제할 수 있는데, 가장 대표적인 길항제로는 적조류의 일종인 Delisea pulchra가 분비하는 푸라논(furanone) 및 그 할로겐화 유도체들이 보고되고 있다(Henzer et al., EMBO Journal, Vol.22, 3803~3815). 둘째로, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호 분자를 분해하는 효소(미생물 정족수 감지 억제 효소와 같은 생물막 형성 억제 효소: 예컨대, 락토나제, 아실라제) 내지는 그 효소를 생산하는 미생물을 이용하여 생물막 형성을 억제할 수 있다. 예컨대, Xu 등(2004)은 그람 음성균의 신호 분자인 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).Conventional methods for controlling biofilm formation by controlling the microbial quorum sensing mechanism are classified into the following two types. First, it is possible to inhibit biofilm formation by injecting an antagonist, which has a similar structure to the signal molecule used in the quan- tity sensing mechanism and is competitive with the signal molecule and the gene expression site, and the most typical antagonist Delisea , a kind of algae Furanone and its halogenated derivatives secreted by pulchra have been reported (Henzer et < RTI ID = 0.0 > al ., EMBO Journal, Vol. 22, 3803-3815). Second, it inhibits biofilm formation by using an enzyme that decomposes signal molecules used in the quorum sensing mechanism (biofilm formation inhibiting enzymes such as a microbial quorum sensing inhibitory enzyme: for example, lactonease, acylase) or a microorganism that produces the enzyme can do. For example, Xu et al. (2004) developed a method to inhibit biofilm formation on various surfaces by injecting acylase solution, an enzyme that degrades acyl-homoserine lactone (AHL), a signal molecule of gram-negative bacteria, (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 실용화 및 산업화적인 측면에서 실현 가능성은 낮다고 할 수 있다.However, if the acylase enzyme solution is directly injected to inhibit the formation of biofilms, not only the loss of the enzyme is severe but also the inactivation is rapidly progressed due to the denaturation of the enzyme. have.

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 Lee 등(2009)에 의해 보고되었다(등록특허 제981519호). 그러나 고농도의 미생물 플록이 존재하고, 이러한 플록(floc)들이 슬러지 체류시간(sludge retention time)을 유지하기 위해 지속적으로 배출되는 MBR공정의 특성상, 자성을 띠고 있는 담체라 하더라도 플록에 섞여있는 담체를 자기장만으로 전량 회수하는 데에는 한계가 있다. 또한 이러한 자성담체의 회수율을 극대화하기 위해서는 담체가 시스템 내부(예컨대, 튜빙, 밸브, 피팅 등)를 순환하지 않고 반응조 내에서만 존재하는 침지형 반응조여야 하는데, 나노여과 공정이나 역삼투막 공정과 같이 고압을 이용해야 하는 분리막 공정의 경우 대부분이 외부 가압형이기 때문에 적용이 곤란하다는 문제점이 지적된다. 나아가, 위와 같은 효고-고정화 자성 담체의 경우, 통상적인 미생물 재조합 기술을 이용하여 효소를 생산하는 데 있어서 미생물을 배양하고 추출·정제과정을 거쳐야 고정화 가능한 효소를 생산할 수 있어서 이로 인한 비용 소모가 크며, 정제를 거친 효소를 적층법을 통해서 고정화하는 것 또한 많은 비용과 시간을 소모하는 것이 문제점으로 지적된다.Recently, the acylase enzyme is immobilized on a magnetic carrier by a layer-by-layer to prevent deactivation due to degeneration of the enzyme, and to facilitate the separation and recovery of the enzyme-immobilized magnetic carrier using a magnetic field. The results of inhibiting biofilm contamination on the surface of a separator by applying to a submerged membrane bioreactor (sMBR) have been reported by Lee et al. (2009) (registered patent No. 981519). However, there is a high concentration of microbial flocs, and due to the nature of the MBR process, in which these flocs are continuously discharged to maintain sludge retention time, even if the carrier is a magnetic carrier, the carrier mixed in the floc is a magnetic field. There is a limit to recovering the whole quantity by bay. In addition, in order to maximize the recovery rate of the magnetic carrier, the carrier should be an immersion type reaction tank existing only in the reaction tank without circulating the inside of the system (eg, tubing, valve, fitting, etc.), and high pressure should be used, such as a nanofiltration process or a reverse osmosis membrane process. In the case of the separation membrane process is pointed out that the problem is difficult to apply because most of the external pressure type. Furthermore, in the case of the above-described Hyogo-immobilized magnetic carrier, the enzyme can be immobilized by culturing the microorganism and extracting and purifying the enzyme to produce the enzyme using a conventional microbial recombination technology, and thus the cost is high. It is also pointed out that immobilization of the purified enzyme through the lamination method also requires a lot of cost and time.

이에 본 발명자들은, 생물막 형성 억제 효소 대신에 위와 같은 효소를 생산하는 생물막 형성 억제 미생물을 소정의 수단을 통하여 담체에 고정화시켜서 수처리 반응조 내부에 투입함으로써, 위와 같은 효소 이용 기술에서 유래되는 각종 문제점을 해결하고, 분자생물학적인 관점에서의 생물막 형성 억제 기술을 분리막 수처리 공정에 경제적/안정적으로 구현하고 물리적인 막오염 완화 효과를 동시에 기대할 수 있는 방안을 마련하고자 예의 연구를 거듭하였다.Accordingly, the present inventors solve the various problems arising from the above-described enzyme utilization technology by immobilizing a biofilm-forming inhibitory microorganism that produces the enzyme as described above instead of a biofilm-forming inhibitory enzyme to a carrier through a predetermined means and introducing the same into a water treatment reactor. In order to implement biofilm formation suppression technology in a membrane water treatment process economically and stably, and to anticipate physical membrane fouling mitigation effects at the molecular biological perspective, the research has been intensively studied.

미국특허 제6,777,223호U.S. Patent 6,777,223 등록특허 제981519호Registered Patent No. 981519

Henzer et al., EMBO Journal, Vol.22, 3803~3815Henzer et al., EMBO Journal, Vol. 22, 3803-3815

본 발명은, 수처리용 분리막 공정에서 생물막 형성 기작의 이해를 바탕으로 한 분자생물학적인 관점에서의 생물막 형성 억제 기작의 안정적인 구현 외에 물리적인 세척에 의해 생물막의 막오염 현상을 해결·완화시키기 위한 것이다.The present invention aims to solve and alleviate the membrane fouling phenomenon of biofilms by physical washing, in addition to the stable implementation of the mechanism of inhibiting biofilm formation from a molecular biological point of view based on the understanding of the mechanism of biofilm formation in a water treatment membrane process.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 연구의 결과, 본 발명자들은 내부에 생물막 형성 억제 미생물이 고정화되고 수중 폭기에 의해서 유동성을 갖는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 이용함으로써, 생물막 형성 억제 미생물의 활성을 안정적으로 유지하여서 분자생물학적인 관점에서 분리막의 막오염을 저감하면서 물리적 세척에 의한 막오염 완화 효과도 동시에 얻을 수 있다는 점을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.As a result of the research for achieving the above object, the present inventors use the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier having the fluidity of the biofilm formation inhibiting microorganisms immobilized therein and fluidity by aeration in the water, thereby promoting the activity of the biofilm formation inhibiting microorganisms. The present inventors have found that the membrane fouling mitigation effect can be simultaneously obtained by physical washing while maintaining the stability and reducing the membrane fouling of the membrane from the molecular biological point of view.

보다 구체적으로, 본 발명은 담체의 내부에 생물막 형성 억제 미생물이 고정화되어 있으며, 수중 폭기에 의해서 유동성을 갖는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 제공한다. 이로써, 담체 내부에 고정화된 생물막 형성 억제 미생물에 의해 분자생물학적으로 생물막 형성을 억제할 수 있으며, 이와 함께 수중 폭기 조건에서의 담체의 유동성으로 인하여 분리막 표면에 직접 타격을 가하여 분리막 표면에 형성된 생물막의 탈리를 유도하게 됨으로써 물리적인 생물막의 탈리를 유발할 수 있게 된다.More specifically, the present invention provides a biofilm-forming inhibitory microorganism-immobilized fluidized bed carrier in which biofilm formation-inhibiting microorganisms are immobilized inside the carrier and have fluidity by aeration in water. As a result, biofilm formation can be suppressed molecularly by the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized inside the carrier, and due to the fluidity of the carrier under the aeration condition in water, the biofilm formed on the surface of the membrane is detached by directly hitting the membrane surface. By inducing it is possible to induce detachment of the physical biofilm.

본 발명에서 유동상 담체는 친수성의 고분자로 이루어진 하이드로겔을 주성분으로 포함하는 것을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로 하이드로겔은 알지네이트, PVA, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종(이들 성분의 복합체도 포함)을 포함할 수 있으며, 이러한 재질의 유동상 담체를 사용함으로써 담체 내외를 통한 물질 전달이 용이해질 뿐 아니라 수중 폭기 조건에서 침지형 분리막 표면의 손상을 방지할 수 있다.In the present invention, the fluidized bed carrier may include a hydrogel composed of a hydrophilic polymer as a main component, and more specifically, the hydrogel may be at least one selected from the group consisting of alginate, PVA, polyethylene glycol, and polyurethane (these And a complex of components), and the use of a fluidized bed carrier of such a material facilitates mass transfer through and out of the carrier and prevents damage to the surface of the immersion type membrane under aeration conditions.

본 발명에서의 하이드로겔은 내부의 화학적 가교 결합을 통하여 3차원 망상 구조를 갖는 것이, 생물막 형성 억제 미생물을 화학적 가교 결합 사이에 포획시켜서 담체 내부에서 지속적으로 성장할 수 있게 된다는 점에서 바람직하다.Hydrogel in the present invention is preferably having a three-dimensional network structure through the internal chemical cross-linking in that the biofilm formation inhibitory microorganisms can be trapped between the chemical cross-linking to be able to continuously grow in the carrier.

예컨대, 알지네이트는 친수성 천연 고분자를 주성분으로 포함하는 담체 물질인데, 염화칼슘 용액 내에서 화학적인 결합인 가교를 통해서 물질전달에 대한 저항을 최소화하는 망상형 구조로 고형물을 형성하게 된다. 이로써 생물막 형성 억제 미생물 뿐만 아니라 상기 미생물에 의해 생산된 효소 역시 고정화하는 것도 가능하며, 생체적합성 (biocompatibility)이 우수하여서 수처리용 미생물이 존재하는 반응조 내에서 사용하기 적합하며, 가격이 저렴하여 경제성이 높으면서 인체에 무해하다는 점에서도 바람직하다.For example, alginate is a carrier material containing a hydrophilic natural polymer as a main component, and forms solids in a network structure that minimizes resistance to mass transfer through crosslinking, which is a chemical bond in a calcium chloride solution. As a result, it is possible to immobilize not only the biofilm formation inhibiting microorganism but also the enzyme produced by the microorganism. The biocompatibility is excellent, so it is suitable for use in a reaction tank in which microorganisms for water treatment are present. It is also preferable in that it is harmless to a human body.

나아가, 본 발명의 유동상 담체는 실질적으로 구형으로 이루어지거나 구형에 가까운 형태를 갖는 것을 사용할 수 있는데, 이로써 수중 폭기 조건에서 침지형 분리막 표면의 손상을 방지할 수 있다.Furthermore, the fluidized bed carrier of the present invention may be substantially spherical or have a shape close to a spherical shape, thereby preventing damage to the surface of the immersion type membrane under water aeration conditions.

본 발명에 적용 가능한 생물막 형성 억제 미생물은 생물막 형성 억제 효소를 생산할 수 있는 종류의 미생물이라면 유전자 재조합 미생물 또는 천연 미생물의 어떤 종류라도 사용할 수 있다. 또한, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호 분자를 분해하는 정족수 감지 억제 효소를 생산할 수 있는 미생물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 락토나제 또는 아실라제와 같은 정족수 감지 억제 효소를 생산하는 미생물을 사용할 수 있다. 예컨대, 유전자 재조합에 널리 사용되는 대장균 E. coli XL1-blue에 Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki에서 추출한 aiiA 유전자(락토나제 생산과 관련된 유전자)를 재조합시킨 대장균, 또는 자연계에 존재하는 천연 미생물(예컨대, Rhodococcus qingshengii 종의 균주)을 사용할 수 있다. 본 발명자들은 수처리 공정에 적용하기에 적합한 Rhodococcus qingshengii 종의 균주를 입수하기 위하여, 실제 도시하수처리장의 생물반응조로부터 슬러지를 채취하여 미생물을 분리/동정한 후 분리된 여러 미생물들로부터 집적배양(Enrichment culture) 방법을 사용하여서 신호분자 분해 활성이 뛰어난 Rhodoccocus 속의 미생물(Rhodococcus qingshengii 등)을 분리해 내었다.The biofilm formation inhibiting microorganism applicable to the present invention may be any kind of recombinant microorganism or natural microorganism as long as it is a microorganism of a kind capable of producing a biofilm formation inhibitory enzyme. In addition, microorganisms capable of producing quorum detection inhibitory enzymes that degrade signal molecules used in quorum detection mechanisms can be used, and preferably microorganisms that produce quorum detection inhibitory enzymes such as lactonase or acylase can be used. For example, Bacillus in E. coli XL1-blue, which is widely used for gene recombination. thuringiensis subsp. Escherichia coli recombinant aiiA gene extracted from kurstaki (gene related to lactonase production), or natural microorganisms in nature (eg, Rhodococcus qingshengii species strains) can be used. We believe that Rhodococcus is suitable for use in water treatment processes. In order to obtain strains of qingshengii species, sludges were collected from the bioreactors of urban sewage treatment plants, and microorganisms were isolated and identified, and then, using the enrichment culture method from the various microorganisms, Rhodoccocus microorganisms (Rhodococcus genus qingshengii, etc.).

본 발명에서 생물막 형성 억제 미생물을 담체 내부에 고정화시키는 방법은 유동상 담체의 내부에 미생물을 고정화시킬 수 있는 방법이라면 특별한 제한은 없고, 부착(adhesion), 포괄법(entrapment), 캡슐화(encapsulation) 등의 미생물 고정화 방법을 사용할 수 있다. 예컨대, 생물막 형성 억제 미생물을 물에 현탁한 고농축 미생물 현탁액을 하이드로겔과 함께 혼합하고 염화칼슘 용액에 일정 유량으로 적하하면서 포괄하여서 일정한 크기의 유동상 담체를 제조할 수 있다.In the present invention, the method of immobilizing the microorganisms to inhibit the biofilm formation in the carrier is not particularly limited as long as it is a method of immobilizing the microorganisms in the fluidized bed carrier, and it is not limited to adhesion, entrapment, encapsulation, etc. Microbial immobilization method can be used. For example, a highly concentrated microbial suspension in which biofilm formation inhibiting microorganisms are suspended in water can be mixed with a hydrogel and added dropwise to a calcium chloride solution at a constant flow rate to prepare a fluidized bed carrier of a constant size.

또한, 본 발명은 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체가 내부에 배치된 수처리 반응조와 수처리용 분리막 모듈을 포함하는 분리막 수처리 장치를 제공한다. 본 발명의 분리막 수처리 장치에 적용할 수 있는 분리막 모듈로서는 분리막 표면에 생물막이 형성되어 분리막의 투과 성능이 저하되는 문제를 갖는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 본 발명의 분리막 수처리 장치로서는 반응조 내부의 수많은 종류의 수처리용 미생물 등에 의해 분리막 표면에 생물막이 형성되는 분리막 생물반응조(membrane bioreactor, MBR) 장치 뿐만 아니라, 피처리수에 종종 존재하는 미생물로 인하여 분리막 표면에 생물막이 형성되는 통상의 분리막 수처리 장치 외에 나노여과 장치, 역삼투 여과 장치 등의 고도 수처리 장치를 들 수 있다.The present invention also provides a membrane water treatment apparatus including a water treatment reactor and a membrane module for water treatment in which a biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier is disposed therein. The membrane module applicable to the membrane water treatment device of the present invention is not particularly limited as long as the membrane is formed on the surface of the membrane and thus the permeation performance of the membrane is deteriorated. Nanofiltration in addition to membrane bioreactor (MBR) devices in which biofilms are formed on the membrane surface by microorganisms for water treatment, as well as conventional membrane water treatment devices in which biofilms are formed on the membrane surface due to microorganisms often present in the water to be treated. Advanced water treatment apparatuses, such as an apparatus and a reverse osmosis filtration apparatus, are mentioned.

본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 분리막 수처리 장치에 적용하면 정족수 감지 억제 기작과 같은 분자생물학적인 관점에서의 생물막 형성 억제 기술에 의해 분리막 표면의 생물막 형성을 감소시키면서 반응조 내부에서 유동성을 나타내는 담체가 분리막 표면을 물리적으로 타격하여 그 표면에 부착된 생물막을 탈리시키는 효과를 거둘 수 있다. 이로써 기존의 분리막 수처리 공정에 비하여 막세척 주기가 길어지고 세척약품의 소모량을 줄일 수 있을 뿐 아니라 장시간 여과공정을 수행할 수 있다.When the biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier of the present invention is applied to a membrane water treatment device, the biofilm formation suppression technique in terms of molecular biology, such as a quorum suppression mechanism, reduces the biofilm formation on the surface of the membrane while showing fluidity inside the reactor. The carrier physically strikes the surface of the separator and has the effect of detaching the biofilm attached to the surface. As a result, the membrane washing cycle is longer than the conventional membrane water treatment process and the consumption of cleaning chemicals is reduced, and the filtration process can be performed for a long time.

또한, 기존의 생물막 억제 효소 이용과 기술과 비교하여, 효소 추출 및 고정화 등의 복잡하고 고가의 과정이 필요 없이 단지 생물막 형성 억제 미생물을 펌프를 이용해 유동상 담체를 제조할 때 혼합하여 주기만 하면 된다는 장점이 있으며, 종래의 효소 고정화 자성 담체 기술에서와 같이 별도의 회수 장치가 없어도 미폭기시에 단시간에 가라앉는 특성을 이용하여 용이하게 회수하여 재이용할 수 있다는 장점이 있다.In addition, compared to the existing biofilm suppressant enzyme use and technology, there is no need for complicated and expensive processes such as enzyme extraction and immobilization, and only the biofilm forming inhibitory microorganisms need to be mixed when preparing a fluidized bed carrier using a pump. There is an advantage in that it can be easily recovered and reused by using the characteristic of sinking in a short time at the time of aeration even without a separate recovery device as in the conventional enzyme-immobilized magnetic carrier technology.

도 1a 및 1b는 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 개념도 및 실제 제조된 담체의 사진 이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 투입한 생물반응조(도 2a: 폭기가 없는 경우. 도 2b: 폭기 중인 경우)의 실제 사진이다.
도 3은 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 제조 방법의 일실시형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 신호분자 분해 활성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 생물반응조 내부에 투입하여 운전하는 분리막 생물반응조 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 분리막 생물반응조 장치에서 운전시간에 따른 막간차압의 증가(막오염의 증가) 정도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 분리막 생물반응조 장치의 운전 시간에 따른 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 신호분자 분해 활성(상대적 활성도)을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 분리막 생물반응조 장치의 운전 시간에 따른 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 젖은 무게를 나타내는 도면이다.
Figures 1a and 1b is a schematic diagram of the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier of the present invention and is a photograph of the carrier actually produced.
2A and 2B are actual photographs of a bioreactor (FIG. 2A: no aeration; FIG. 2B: aeration) in which the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier of the present invention is added.
3 is a view showing an embodiment of a method for producing a biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier.
4 is a diagram showing the signal molecule decomposition activity of biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier.
FIG. 5 is a schematic diagram of a membrane bioreactor apparatus in which a biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier of the present invention is introduced into a bioreactor and operated.
6 is a view showing the degree of increase (membrane contamination) of the interlayer differential pressure according to the operating time in the membrane bioreactor apparatus of the Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing signal molecule decomposition activity (relative activity) of biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier according to operating time of the membrane bioreactor according to the present invention.
8 is a view showing the wet weight of the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier according to the operating time of the membrane bioreactor device of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

제조예Manufacturing example 1 One -  - 생물막Biofilm 형성 억제 미생물이 고정화된  Immobilized microorganisms 유동상Fluid phase 담체의Carrier 제조 및 신호분자 분해 활성 측정 Manufacture and measurement of signal molecule degradation activity

생물막 형성 억제 미생물로는 실제 수처리 공정에 적용하기에 적합한 미생물로서 정족수 감지 억제 효소의 일종인 락토나제를 생산하는 것으로 알려진 Rhodoccocus qingshengii를 사용하였다. Rhodoccocus qingshengii는 충청북도에 위치한 옥천하수처리장에서 슬러지를 채취해 생물막 억제 미생물을 분리해 내었다. 분리된 다수의 미생물들 중 신호분자 분해 미생물을 찾기 위해, 생물검정법(bioassay)과 집적배양법(enriched culture)을 사용하였으며 이를 통해 신호분자 분해 활성이 뛰어난 Rhodoccocus 속의 미생물을 분리해 낼 수 있었다. Biofilm formation inhibitory microorganisms, Rhodoccocus qingshengii , which is known to produce lactonase , a kind of quorum-sensing inhibitory enzyme, was used as a microorganism suitable for the actual water treatment process. Rhodoccocus qingshengii collected sludge from the Okcheon Sewage Treatment Plant in Chungcheongbuk-do to isolate the biofilm suppressant microorganisms. Among the many microorganisms isolated, bioassay and enriched cultures were used to find the signal molecule-degrading microorganisms, and the microorganisms of the genus Rhodoccocus with excellent signal molecule-degrading activity were isolated.

이 미생물을 이용해 생물막 형성 억제 미생물을 고정화하기 위한 유동상 담체는 시그마사(Sigma co.)에서 생산한 천연고분자 물질인 나트륨 알지네이트(Sodium alginate)를 이용하였으며, 알지네이트는 미생물 포괄법에 쓰이는 대표적인 물질이다. 분리막 생물막 반응조 내에서 오랜 시간 동안 물리적인 강도를 유지하기 위해서 다양한 농도의 알지네이트에 대하여 사전 테스트를 수행하였으며, 본 발명의 제조예에서는 최종 분사시의 농도를 기준으로 알지네이트 용액의 농도를 4 wt%로 조정하였다. Sodium alginate, a natural polymer produced by Sigma co., Was used as a fluidized bed carrier to immobilize the microorganisms to inhibit biofilm formation.Alginate is a representative material used for microbial encapsulation. . In order to maintain physical strength for a long time in the membrane biofilm reactor, preliminary tests were performed on various concentrations of alginate, and in the preparation of the present invention, the concentration of the alginate solution was 4 wt% based on the concentration of the final injection. Adjusted.

Rhodoccocus qingshengii는 24시간 진탕배양(shacked culture)하여 증식을 시키고 200ml의 진탕배양액을 원심 분리한 후 상등액의 배양액 성분을 제거하고, 남은 Rhodoccocus qingshengii 의 응집체를 Tris-HCl 50mM 완충용액(pH 7.0)을 이용하여 세척하고 초순수에 재현탁 시켰다. 그 후 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 생물막 형성 억제 미생물의 재현탁 액과 상기 알지네이트 액을 혼합하여 염화칼슘(CaCl2) 용액에 분사하고, 이로써 화학적인 가교 결합을 통해 내부에 물질전달이 잘 되는 망상형의 유동상 담체를 만들었다. 유동상 담체를 만들 때 최종 분사시 알지네이트의 농도는 4 wt%로 하고 2 wt%의 염화칼슘(CaCl2) 액에서 1시간 동안 가교를 시킨 후 물리적인 강도를 증가시키기 위하여 상온에서 20시간 동안 건조하였다. Rhodoccocus qingshengii is grown for 24 hours by shacked culture, and then centrifuged with 200 ml of shake culture to remove the culture components of the supernatant and remaining Rhodoccocus. Aggregates of qingshengii were washed with Tris-HCl 50 mM buffer (pH 7.0) and resuspended in ultrapure water. Thereafter, as shown in FIG. 3, the resuspension solution of the biofilm formation inhibiting microorganism and the alginate solution are mixed and sprayed onto a calcium chloride (CaCl 2 ) solution, whereby a good cross-linking is carried out. Was made of a fluidized bed carrier. When preparing the fluidized bed carrier, the concentration of alginate was 4 wt% in the final spraying, crosslinked in 2 wt% calcium chloride (CaCl 2 ) solution for 1 hour, and dried at room temperature for 20 hours to increase physical strength. .

위와 같이 제조된 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 신호분자(AHL) 분해 활성은 수처리 공정에서 발견되는 대표적 신호분자 중 하나인 N-octanoyl-L-homoserine lactone (OHL) 을 사용하여 측정하였다. 시험관에 Tris-HCl 50mM 완충용액(pH 7.0) 30mL를 넣고, OHL을 0.2mm농도가 되도록 주입한 후, 생물막 형성 억제 미생물(Rhodoccocus qingshengii)이 고정화된 유동상 담체를 넣고 30도 온도의 진탕 배양기에 넣고 200rpm으로 60분 동안 반응시켰다. 이를 통해 생물막 형성 억제 미생물로부터 생산된 생물막 형성 억제 효소(락토나제)에 의해 60분 동안 약 92퍼센트의 신호분자 물질이 분해되었음을 확인할 수 있었다(도 4).Signal molecule (AHL) degradation activity of the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier prepared as described above was measured using N-octanoyl-L-homoserine lactone (OHL), one of the representative signal molecules found in the water treatment process. Put 30 mL of Tris-HCl 50mM buffer solution (pH 7.0) into the test tube, inject OHL to a concentration of 0.2 mm, and inhibit biofilm formation microorganisms ( Rhodoccocus qingshengii ) was added to the fixed fluidized bed carrier in a shaking incubator at 30 degrees temperature and reacted at 200rpm for 60 minutes. This confirmed that about 92% of the signal molecule was degraded for 60 minutes by the biofilm formation inhibitory enzyme (lactonase) produced from the biofilm formation inhibitory microorganism (FIG. 4).

실시예Example 1 One : 분리막 Separator 생물반응조Bioreactor 장치에의 적용 Application to the device

상기에 언급한 방법으로 제조한 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 실험실 규모의 분리막 생물반응조 장치에 적용하였다. (도 5 참조). 구체적으로, 원통 형태의 반응조 내에 활성슬러지를 1.6 L 채워 넣었고, 하단부에 산기석을 설치하여 1 L/min 의 폭기 상태를 유지하도록 하였으며, 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체는 반응조 내에 총 60개 투입하였다. 연속공정을 위해 주 탄소원으로서 글루코스(glucose)를 사용한 합성폐수가 유입펌프를 통해 유입되도록 하였다. 합성폐수의 화학적 산소 요구량(COD)은 약 560 ppm 이었고, 수리학적 체류시간은 5.3 시간(hr)으로 운전하였다. 반응기 내에 설치된 여과용 분리막은 침지형 중공사 막으로서 한외여과막(Zeeweed 500, GE-Zenon사 제, 공경 0.04 mm)을 사용하였고, 분리막을 투과하는 처리수의 플럭스를 28.7 L/m2·hr 으로 운전하였다. 또한 수위조절기와 3-방향 밸브 (3-way-valve)를 통해 처리수의 일부는 반응기로 되돌아오도록 하여 반응기의 수위를 유지시켰다. 운전이 진행됨에 따라 분리막 표면에서 생물막이 형성되고 이는 막오염의 증가에 의한 분리막 투수도 저하로 이어지는데, 이러한 생물막 오염의 정도를 막간차압(transmembrane pressure, TMP)의 수치로 나타내었으며, 막간 차압이 증가할수록 생물막오염의 정도가 심화된 것을 나타낸다. 실험 결과, 77시간 동안의 운전 후에는 막간차압이 5 kPa에 불과하였으며, 400시간 동안의 운전 후에야 막간차압이 70 kPa에 도달하였다(도 6 참조).The biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier prepared by the above-mentioned method was applied to a laboratory scale membrane bioreactor apparatus. (See FIG. 5). Specifically, 1.6 L of activated sludge was filled in a cylindrical reactor, and an acidic stone was installed at the lower end to maintain an aeration of 1 L / min. A total of 60 microbial-immobilized microbial immobilized fluidized bed carriers were added into the reactor. It was. For the continuous process, synthetic wastewater using glucose as the main carbon source was introduced through the inlet pump. The chemical oxygen demand (COD) of the synthetic wastewater was about 560 ppm and the hydraulic residence time was operated at 5.3 hours (hr). The membrane for filtration installed in the reactor was an ultrafiltration membrane (Zeeweed 500, manufactured by GE-Zenon, pore size 0.04 mm) as an immersion hollow fiber membrane, and the flux of treated water passing through the membrane was operated at 28.7 L / m 2 · hr. It was. In addition, some of the treated water was returned to the reactor through a level controller and a 3-way valve to maintain the reactor level. As the operation proceeds, a biofilm is formed on the surface of the membrane, which leads to a decrease in membrane permeability due to an increase in membrane contamination. The degree of biofilm contamination is expressed as a transmembrane pressure (TMP) value, and the interlayer differential pressure increases. The higher the degree of biofilm contamination is shown. As a result of the experiment, the transmembrane pressure was only 5 kPa after 77 hours of operation, and the intermembrane pressure reached 70 kPa only after 400 hours of operation (see FIG. 6).

비교예Comparative example 1 One

실시예 1에서 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체 대신에 미생물을 전혀 고정화시키지 않은 하이드로겔 유동상 담체 (제조예 1에서 생물막 형성 억제 미생물을 고정화시키지 않고 제조한 담체) 60개를 반응조에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 운전하였다. 그 결과, 77시간 동안의 운전 후에 막간 차압은 70 kPa에 도달하였다(도 6 참조).Instead of biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier in Example 1, 60 hydrogel fluidized bed carriers (carrier prepared without immobilizing biofilm-forming inhibitory microorganisms in Production Example 1) were introduced into the reaction tank. Operation was carried out in the same manner as in Example 1 except for the above. As a result, the interlude differential pressure reached 70 kPa after 77 hours of operation (see FIG. 6).

비교예Comparative example 2 2

실시예 1에서 분리막 생물반응조 내에 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 운전하였다. 그 결과, 43시간 동안의 운전 후에 막간 차압은 70kPa에 도달하였다(도 6 참조). Example 1 was operated in the same manner as in Example 1 except that the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier was not added to the membrane bioreactor. As a result, the interlude differential pressure reached 70 kPa after 43 hours of operation (see Fig. 6).

즉, 상기 실시예 1 및 비교예 1∼2로부터, 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체가 투입된 분리막 생물반응조 장치의 경우 (실시예 1)에서는 미생물이 고정화되지 않는 유동상 담체를 투입한 경우 (비교예 1)와 유동상 담체를 투입하지 않은 경우 (비교예 2)에 비하여 분리막 표면의 생물막에 의한 막오염 현상이 현저하게 완화되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 유동상 담체 내부에 안정적으로 고정화된 생물막 형성 억제 미생물의 생물막 형성 억제 기작의 제어에 의한 분자생물학적 효과 이외에 수중 폭기에 의해 유동성을 갖는 담체에 의한 분리막 표면의 물리적 세척에 의한 막오염 제거 효과가 상승적으로 나타난 것으로 추정된다.That is, in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2, in the case of the membrane bioreactor device in which the biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier of the present invention is added (Example 1), a fluidized bed carrier in which microorganisms are not immobilized is added. Compared to the case (Comparative Example 1) and the case in which no fluidized bed carrier is added (Comparative Example 2), it can be seen that the membrane fouling phenomenon caused by the biofilm on the surface of the separator is remarkably alleviated, which is stably immobilized inside the fluidized bed carrier. In addition to the molecular biological effects by controlling the mechanism of inhibiting biofilm formation of the microorganisms, the membrane fouling removal effect by physical washing of the surface of the membrane by the carrier having fluidity is estimated to be synergistic.

실시예Example 2 2 : : 생물막Biofilm 형성 억제 미생물 고정화 유동상  Formation Inhibition Microbial Immobilized Fluidized Bed 담체의Carrier 활성 유지 확인 Keep active

본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체의 내부에 있는 생물막 형성 억제 미생물의 신호분자 분해 활성이 장기간 유지되는지를 확인하는 실험을 수행하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1에서 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 반응조에 투입한 시점을 기준으로 0, 1, 3, 5, 7, 10, 13, 15, 17, 20, 23, 25, 27, 30일째 되는 날에 각각 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 꺼내어 증류수로 여러 차례 유동상 담체의 외부를 씻어낸 후, 위의 제조예 1에서와 같은 실험을 수행하였다. 그 결과를 0일의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체가 가지는 활성을 기준(100%)으로 하여 상대적 활성도를 측정하였다. 그 결과, 20일 이상 운전한 후에도 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체는 신호분자 분해 활성이 감소하지 않고 오히려 초기(0일) 활성도 대비 소폭 증가함을 확인할 수 있었다(도 7). An experiment was conducted to determine whether the signal molecule decomposition activity of the biofilm formation inhibiting microorganism in the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier of the present invention was maintained for a long time. Specifically, in Example 1, 0, 1, 3, 5, 7, 10, 13, 15, 17, 20, 23, 25, 27 on the basis of the time when the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier is added to the reaction tank. On the 30th day, the biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier was taken out, and the outside of the fluidized bed carrier was washed several times with distilled water, and then the same experiment as in Preparation Example 1 was performed. The relative activity was measured based on the activity (100%) of the result of the biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier on day 0. As a result, it was confirmed that even after the operation for 20 days or more, the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier did not decrease the signal molecule degradation activity, but rather increased slightly compared to the initial (0 day) activity (FIG. 7).

실시예Example 3 3 : 유동상 : Fluidized bed 담체carrier 내의  undergarment 생물막Biofilm 형성 억제 미생물의 성장 확인  Confirmation of growth of microorganisms inhibiting formation

본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 장기간 분리막 생물반응조 내에서 투입하여 운전하는 경우, 생물막 형성 억제 미생물의 성장 정도에 대한 확인 실험을 수행하였다.When the biofilm formation inhibiting microorganism-immobilized fluidized bed carrier of the present invention was operated in a long-term separation membrane bioreactor, a confirmation experiment was performed on the extent of growth of the biofilm formation inhibiting microorganism.

구체적으로, 상기 실시예 1에서 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체를 반응조에 투입한 시점으로부터 25일 동안 운전하면서 24시간마다 생물막 형성 억제 미생물이 고정화 된 유동상 담체를 10개씩 꺼내어 증류수로 여러 차례 유동상 담체의 외부를 씻어낸 후, 젖은 무게(wet weight) (5회 반복 실험의 평균값)를 측정하였다. 그 결과 25일이 지나면 초기(0일) 포괄한 생물막 형성 억제 미생물보다 젖은 무게가 점차 증가하는 경향을 나타내고 있다(도 12).Specifically, in Example 1, while operating for 25 days from the time when the biofilm formation-suppressing microorganism immobilized fluidized bed carrier was put into the reactor, 10 fluidized bed carriers on which biofilm formation-inhibiting microorganisms were immobilized every 24 hours were taken out and flowed into distilled water several times. After the outside of the phase carrier was washed off, the wet weight (average of five replicates) was measured. As a result, after 25 days, the wet weight of the biofilm-forming microorganisms was gradually increased (FIG. 12).

비교예Comparative example 3 3

실시예 3에서 생물막 형성 억제 미생물을 고정화하지 않은 알지네이트 유동상 담체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 하여 실험을 수행하였으며, 젖은 무게의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다(도 8).Except for using the alginate fluidized bed carrier that did not immobilize the biofilm formation inhibiting microorganisms in Example 3, the experiment was carried out in the same manner as in Example 3, it was confirmed that there is little change in the wet weight (Fig. 8).

즉, 상기 실시예 2∼3 및 비교예 3으로부터, 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체 내부에 포괄되어 있는 생물막 형성 억제 미생물이 내부에서 성장한 결과 젖은 무게가 증가하며, 이에 따라 신호분자 분해 활성 역시 감소하지 않고 소폭 증가하는 것을 알 수 있다.That is, from Examples 2 to 3 and Comparative Example 3, as a result of growth of the biofilm formation inhibiting microorganisms enclosed inside the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier of the present invention, the wet weight increases, thereby decomposing signal molecules. It can be seen that the activity does not decrease but increases slightly.

Claims (9)

생물막 형성 억제 미생물이 내부에 고정화되어 있으며, 수중 폭기에 의해서 유동성을 갖는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.A biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier in which biofilm formation inhibiting microorganisms are immobilized therein and have fluidity due to aeration in water. 청구항 1에 있어서,
상기 유동상 담체는 하이드로겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The fluidized bed carrier includes a biogel to inhibit biofilm formation.
청구항 1에 있어서,
상기 유동상 담체는 알지네이트, PVA, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The fluidized bed carrier comprises at least one member selected from the group consisting of alginate, PVA, polyethylene glycol, and polyurethane.
청구항 1에 있어서,
상기 유동상 담체는 내부의 화학적 가교 결합을 통하여 3차원 망상 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The fluidized bed carrier has a three-dimensional network structure through the chemical cross-linking therein biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier.
청구항 1에 있어서,
상기 유동상 담체는 구형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The fluidized bed carrier is microbial immobilized microorganism immobilized fluid bed carrier, characterized in that consisting of a sphere.
청구항 1에 있어서,
상기 생물막 형성 억제 미생물은 생물막 형성 억제 효소를 생산할 수 있는 유전자 재조합 미생물 또는 천연 미생물인 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The biofilm formation inhibiting microorganism is a biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluidized bed carrier, characterized in that the recombinant microorganism or a natural microorganism capable of producing a biofilm formation inhibitory enzyme.
청구항 1에 있어서,
상기 생물막 형성 억제 미생물은 정족수 감지 억제 효소를 생산할 수 있는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method according to claim 1,
The biofilm formation inhibiting microorganism is capable of producing a quorum detection inhibitory enzyme biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier.
청구항 7에 있어서,
상기 정족수 감지 억제 효소는 락토나제 또는 아실라제인 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체.
The method of claim 7,
The quorum-sensing inhibitory enzyme is lactonase or acylase.
피처리수를 수용하는 반응조, 및 상기 반응조 내부에 배치된 청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항의 생물막 형성 억제 미생물 고정화 유동상 담체 및 수처리용 분리막 모듈을 포함하는 분리막 수처리 장치.Separation water treatment apparatus comprising a reaction vessel for receiving the water to be treated, and the biofilm formation inhibiting microorganism immobilized fluid bed carrier of any one of claims 1 to 8 disposed inside the reactor and the membrane module for water treatment.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170033057A (en) 2015-09-16 2017-03-24 서울대학교산학협력단 Immobilization container for biofilm formation-inhibiting microorganisms and membrane water treatment apparatus using the same
KR20180098843A (en) 2017-02-27 2018-09-05 서울대학교산학협력단 Microorganism for Inhibiting Inter-species Quorum Sensing and Membrane Water Treatment Apparatus and Membrane Water Treatment Process Using the Same
KR20210152142A (en) 2020-06-08 2021-12-15 경북대학교 산학협력단 Biofilm formation inhibiting device and separation membrane water treatment system comprising the same
KR102508313B1 (en) * 2022-10-25 2023-03-13 전남대학교산학협력단 Novel Pantoea sp. PL-1 strain and the use thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102093432B1 (en) * 2018-09-04 2020-03-25 경북대학교 산학협력단 The composition and preparation method of quorum quenching media of core-shell structure for anti-biofouling strategy

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004322084A (en) 2003-04-08 2004-11-18 Spring Field Kk Biological filtration system
JP2007244979A (en) 2006-03-15 2007-09-27 Toray Ind Inc Water treatment method and water treatment apparatus
KR20090069086A (en) * 2007-12-24 2009-06-29 재단법인서울대학교산학협력재단 Magnetic carrier comprising immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, and membrane bioreactor system for water treatment using the same
KR20100083223A (en) * 2009-01-13 2010-07-22 한국과학기술연구원 Method for high class treatment of wastewater using gas permeable membrane-attached biofilm

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004322084A (en) 2003-04-08 2004-11-18 Spring Field Kk Biological filtration system
JP2007244979A (en) 2006-03-15 2007-09-27 Toray Ind Inc Water treatment method and water treatment apparatus
KR20090069086A (en) * 2007-12-24 2009-06-29 재단법인서울대학교산학협력재단 Magnetic carrier comprising immobilized enzyme for inhibiting biofilm formation, and membrane bioreactor system for water treatment using the same
KR20100083223A (en) * 2009-01-13 2010-07-22 한국과학기술연구원 Method for high class treatment of wastewater using gas permeable membrane-attached biofilm

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170033057A (en) 2015-09-16 2017-03-24 서울대학교산학협력단 Immobilization container for biofilm formation-inhibiting microorganisms and membrane water treatment apparatus using the same
KR20180098843A (en) 2017-02-27 2018-09-05 서울대학교산학협력단 Microorganism for Inhibiting Inter-species Quorum Sensing and Membrane Water Treatment Apparatus and Membrane Water Treatment Process Using the Same
KR20210152142A (en) 2020-06-08 2021-12-15 경북대학교 산학협력단 Biofilm formation inhibiting device and separation membrane water treatment system comprising the same
KR102508313B1 (en) * 2022-10-25 2023-03-13 전남대학교산학협력단 Novel Pantoea sp. PL-1 strain and the use thereof

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