KR101429248B1 - 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 - Google Patents

생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101429248B1
KR101429248B1 KR1020110053850A KR20110053850A KR101429248B1 KR 101429248 B1 KR101429248 B1 KR 101429248B1 KR 1020110053850 A KR1020110053850 A KR 1020110053850A KR 20110053850 A KR20110053850 A KR 20110053850A KR 101429248 B1 KR101429248 B1 KR 101429248B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
enzyme
biofilm formation
silica
membrane
water treatment
Prior art date
Application number
KR1020110053850A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120134724A (ko
Inventor
이정학
양천석
이정기
한종윤
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020110053850A priority Critical patent/KR101429248B1/ko
Publication of KR20120134724A publication Critical patent/KR20120134724A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101429248B1 publication Critical patent/KR101429248B1/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02Aerobic processes
    • C02F3/12Activated sludge processes
    • C02F3/1236Particular type of activated sludge installations
    • C02F3/1268Membrane bioreactor systems
    • C02F3/1273Submerged membrane bioreactors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02Aerobic processes
    • C02F3/06Aerobic processes using submerged filters
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02Aerobic processes
    • C02F3/10Packings; Fillings; Grids
    • C02F3/105Characterized by the chemical composition
    • C02F3/107Inorganic materials, e.g. sand, silicates
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10Biological treatment of water, waste water, or sewage

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 수처리용 분리막 생물 반응조 (membrane bioreactor, MBR) 시스템에서 운전이 진행됨에 따라 분리막 표면에서 성장하는 생물막에 의해 야기되는 생물막오염(biofouling)을 억제하기 위한 기술에 관한 것으로서, 메조포러스(mesoporous) 실리카 담체에 정족수 감지 억제 효소를 고정화시키고, 이를 폴리아마이드(polyamide) 재질의 효소 주머니(enzyme bag)를 이용하여 고정화 담체의 흡착과 유실없이 안정적으로 운전할 수 있는 것을 특징으로 하는 분리막 생물 반응조를 제공한다.

Description

생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 {Enzyme bag containing quorum quenching enzyme immobilized silica for inhibiting biofilm formation and membrane bioreactor system for water treatment system using the bag}
본 발명은 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 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 효소를 고정화 및 효소 주머니에 넣어 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 내부에 투입하여 분리막의 투과 성능을 장기간으로 안정적으로 유지할 수 있는 장치에 관한 것이다.
근래에 양질의 처리수를 얻기 위해 다양한 수처리 공정에 분리막 공정이 적용되고 있다. 생물학적 수처리 반응조에 막분리 공정을 결합한 분리막 생물반응조(Membrane bioreactor, MBR) 공정을 비롯하여, 물리화학적 전처리 공정에 결합된 통상의 분리막 수처리 공정 및 고도 수처리를 위한 나노여과 및 역삼투막 공정 등이 최근에 활발히 연구되고 있으며, 실제 공정에도 널리 적용되고 있다.
그런데, 분리막 공정의 운전이 진행됨에 따라 반응조 내부에 존재하는 박테리아, 곰팡이, 조류(algae) 등과 같은 미생물들이 분리막 표면에서 부착성장(attached growth)을 시작하여 최종적으로는 수십 마이크로미터 내외의 두께를 가지는 막(film), 즉 생물막(biofilm)을 형성하며 표면을 덮게 된다. 이는 분리막 생물반응조 공정 뿐만 아니라, 통상의 분리막 수처리 공정 또는 나노여과 및 역삼투막 공정의 고도 수처리 공정에서도 흔히 발견되는 현상이다. 이러한 생물막은 분리막의 여과 성능을 저하시키는 여과 저항(filtration resistance)으로 작용하는 생물막오염 (membrane biofouling) 문제를 유발하며, 최종적으로는 투수도 감소, 분리막의 세정주기 및 수명 단축, 여과에 필요한 에너지 소비량 증가 등 분리막 공정의 여과 성능을 저하시킴으로써 수처리용 분리막 공정의 경제성을 악화시킨다.
이와 같은 문제 해결을 위하여 지난 20여 년간 다양한 연구가 진행되었는데, 수분이 존재하는 표면에서 미생물에 의하여 자연적으로 형성되는 생물막은 한번 형성되면 기존의 물리적 방법(예컨대, 폭기) 및 화학적 방법(예컨대, 고분자 응집 등의 약품 투입)으로는 완전하게 제거되지 않으며, 이러한 생물막오염의 방지 및 제어와 관련하여 현재까지도 만족할 수준의 해결책이 제시되고 있지 않다. 이러한 생물막오염 문제의 미해결은 수처리용 분리막 공정에서의 막오염에 직/간접적으로 영향을 미치는 반응조 내 미생물의 특성에 대한 이해 및 이에 대한 기술적 고려가 부족한 데에 기인한다고 할 수 있다.
수처리용 분리막 공정의 생물막오염의 주요한 원인인 생물막은 한번 형성된 후에는 외부의 물리/화학적 충격에도 높은 내성을 가지므로 제거하기가 쉽지 않다. 따라서, 기존 물리화학적 방법에 의한 막오염 억제기술들은 주로 생물막 형성의 초기 단계에서는 효과적이지만 생물막이 충분히 형성(maturation)된 후에는 막오염 억제 효과가 떨어진다고 할 수 있다. 이러한 기존 기술의 문제점을 극복하기 위해서는 반응조 내 미생물의 특성, 특히 분리막 표면에서 생물막의 형성 및 성장의 조절 및 제어의 측면에서 접근할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구된다.
위와 같은 수처리용 분리막 공정 이외에도 건물, 산업시설 등의 물탱크, 배관과 같은 수계 시스템에서도 수중에 존재하는 미생물의 영향으로 물체 표면에 생물막 또는 물때가 형성되어 장비의 성능을 저하 (예를 들어 금속표면의 부식, 냉각탑의 효율저하, 관망의 미생물 오염) 시키거나 외관을 불량하게 하는 문제가 발생되고 있어서, 이러한 생물막 또는 물때의 제거가 요구되고 있지만 종래의 물리/화학적인 방법 외에 미생물의 특성 연구에 기초한 해결 기술은 아직 기초적인 수준에 불과한 실정이다.
한편, 미생물들은 온도, pH, 양분 등 여러 가지 주위 환경의 변화에 반응하여 특정 신호 분자를 합성하고 이를 세포외로 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).
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 진행정도, 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.
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). 락토나제, 아실라제 등의 효소에 의하여 신호 분자가 분해되는 반응은 아래와 같다.
Figure 112011041989311-pat00001
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 측면에서의 적용가능성은 낮다고 할 수 있다. 또 다른 방법으로서, 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. 그러나 고농도의 미생물 플록이 존재하고, 이러한 플록들이 슬러지체류시간(Sludge retention time)을 유지하기 위해 지속적으로 취출되는 MBR공정의 특성상, 자성을 띠고 있는 담체라 하더라도 플록에 섞여있는 담체를 자기장만으로 전량 회수하는 데에는 실질적인 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 한계가 있다.
이에 본 발명자는, 미생물의 신호 분자를 조절하여 미생물의 정족수 감지 기작을 차단하는 것과 같은 생물막 형성 억제 기술에서 새로운 효소인 락토나제를 적용하고, 자성이 없는 고정화 담체의 손실과 분리막 표면에의 흡착을 해결할 수 있는 방안을 마련하고자 예의 연구를 거듭하였다.
본 발명의 목적은 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 운영시, 생물막의 형성에 의한 막오염 현상을 해결·완화시키기 위한 것으로서 종래의 역세척 및 화학세정과 같은 물리·화학적인 관점에서의 접근이 아니라 생물막 형성 기작의 이해를 바탕으로 한 분자생물학적 관점에서의 접근을 기본으로 한다. 보다 구체적으로는 생물막 형성을 억제할 수 있는 효소를 고정화 한 실리카 담체를 효소 주머니에 넣어, 상기 효소에 의한 생물막 형성 억제 기작에 의해 분리막 표면에서의 생물막 오염을 저감시킴으로써 분리막 설비 또는 공정의 성능을 개선시키면서 종래의 분리막 설비 또는 공정에 비하여 장기간 안정적으로 운전할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명은 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템에서 생물막 형성 억제 효소를 실리카에 고정화하고, 이를 주머니에 넣어 공정에 적용시킴으로써 분리막 표면의 생물막 오염을 억제하기 위한 기술을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 생물막 형성 억제 효소가 고정화 된 실리카의 유실 및 분리막 표면상의 흡착을 막기 위함을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 주머니를 제공하고, 또한 피처리수를 수용하는 반응조, 수처리용 분리막 모듈 및 상기 반응조 내부에 배치한 효소 주머니를 포함하는 분리막 수처리 장치로서, 상기의 효소 주머니는 생물막 형성 억제 효소가 고정화 된 실리카의 유실 및 분리막 표면상의 흡착을 막기 위함을 특징으로 하는 분리막 수처리 장치를 제공한다.
도 1은 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카가 포함된 효소 주머니의 개념도와 사진이며, 도 4 은 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카가 포함된 효소 주머니가 배치된 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템의 개략도이다.
상기 효소 주머니는 폴리아마이드 재질로 제작되었다. 주입구를 제외한 나머지 면을 밀봉하여 제작한 후, 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카가 첨가된다. 상기 효소 주머니의 폴리아마이드의 공극은 150 μm 로써, 고정화 담체로 사용된 실리카의 크기인 250 ~ 500 μm 보다 작은 공경크기를 갖는다. 따라서, 고정화 된 실리카가 수처리 반응조 쪽으로 유실되지 않고, 분리막 표면에서의 생물막 오염을 안정적으로 저감할 수 있게 한다.
본 발명에서 정족수 감지 기작에 사용되는 신호 분자를 분해하는 정족수 감지 억제 효소로 알려진 락토나제(lactonase), 아실라제(acylase)와 같은 효소를 적용하였다면 특별한 제한은 없다. 또한, 효소를 고정화 담체에 고정화 하는 방법은 특별하게 한정되지 않았으며 다양한 방법을 이용해 효소를 고정화 할 수 있다.
생물막 형성 억제 효소가 고정된 담체가 포함된 효소 주머니를 적용시킬 수 있는 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템은 분리막 표면에 생물막이 형성되어 분리막의 투과성능이 저하되는 공정에 사용되는 장치라면 특별한 제한은 없다.
생물막 형성 억제 효소가 고정된 담체가 포함된 효소 주머니를 실제 분리막 여과공정에 적용하면 분리막의 표면에 형성되는 생물막의 형성을 분자생물학적인 방법으로 억제함으로써 투수율의 저하를 막는 동시에 기존의 분리막에 비하여 막세척 주기가 길어지고 세척약품의 소모량을 줄일 수 있을 뿐 아니라 장기간 여과공정을 수행할 수 있다.
도 1은 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카가 포함된 효소 주머니의 개념도와 사진이다.
도 2는 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카의 제작 과정을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 및 실시예 1의 경우에 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카의 신호분자 분해 활성을 나타내는 도면이다.
도 4는 수처리용 분리막 생물 반응조 장치에 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카를 설치하여 운전하는 수처리용 분리막 생물 반응조 공정의 개략도 이다.
도 5 는 본 발명의 비교예 2 및 실시예 2 의 경우에 막간차압의 증가(막오염의 증가) 정도를 나타내는 도면이다.
도 6 는 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카의 신호분자 분해 활성이 장기간 유지되는지를 확인한 도면이다.
도 7 는 실시예 2와 비교예 2에 적용된 분리막의 표면에 형성된 생물막을 촬영한 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
제조예 - 생물막 형성 억제 효소가 고정된 담체가 포함된 효소 주머니 제작
먼저, 생물막 형성 억제 효소를 얻기 위해 락토나제를 과발현 할 수 있도록 유전자 재조합 된 대장균을 사용하였다.
구체적으로, 유전자 재조합에 사용된 미생물은 흔히 쓰이는 대장균(E. coli XL1-blue) 을 사용하였고, 이 미생물에 Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki 에서 가져온 aiiA 유전자를 재조합해 벡터에 삽입하였다. aiiA 유전자는 정족수 감지 기작에 사용되는 신호분자를 분해하는 효소인 락토나제를 생산하는 것으로 알려진 유전자이다. 이 미생물을 37 에서 배양시킨 후, 프렌치 프레셔(French pressure)를 이용해 세포 내부의 효소를 추출하였다. 그리고 그 효소 이외의 불순물을 정제하기 위해서 친화성 크로마토그래피(Affinity chromatography)가 적용되었다. 이를 통하여, 정제된 생물막 형성 억제 효소인 락토나제를 확보할 수 있었다.
고정화 담체로는 메조포러스 실리카가 사용되었다. 먼저, 실리카 상의 기능기와 효소 단백질의 기능기의 공유결합을 위한 첫번째 과정으로, 실리카의 하이드록실기(-OH)를 아민기(-NH2)로 아미네이션 과정이 진행되었다. 톨루엔(Toluene, 40ml)과 아미노프로필트리에톡실레인(3-Aminopropyltriethoxysilane, 0.2% v/v)을 첨가해 60에서 이틀 간 반응시켜 주었다. 아세톤으로 씻어준 다음, 글루타르알데히드(glutaraldehyde, 5% v/v)를 첨가하여 아민기를 및 포르밀기(-COH)로 치환하기 위한 활성화 과정이 진행되었다.
이후, 글루타르알데히드(glutaraldehyde, 0.1% v/v)를 가하여 생물막 형성 억제 효소(락토나제)를 활성화된 실리카에 화학적으로 고정화하였다. (도 2)
위와 같은 방법에 의해 생물막 형성 억제 효소가 고정화 된 실리카를 제작한 후에, 특수 제작한 주머니에 투입되었다. 이 주머니는 폴리아마이드 재질로써 고정화 담체의 크기 (250~500 μm) 보다 더 작은 공극(150 μm)을 가지고 있으며, 가로 3cm, 세로 4cm로 만들어졌다. 박음질을 이용해 고정화 담체가 투입될 구멍을 남긴 채 밀봉 되었다.
그리고 여기에 생물막 형성 억제 효소가 고정화 된 실리카가 첨부되었다.
실시예 1- 생물막 형성 억제 미생물이 고정화된 실리카의 신호분자 분해 활성 측정
생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카의 신호분자(AHL) 분해 활성은 대표적 신호분자 중 하나인 N-octanoyl-L-homoserine lactone (OHL) 을 사용하였다. 시험관에 Phosphate 100mM 완충용액 (pH 7)을 넣고 OHL 을 1μM 농도가 되도록 주입한 후, 생물막 형성 억제 효소가 고정화 된 실리카를 넣고 30온도의 진탕 배양기에 넣고 200rpm으로 반응을 시키며 그 활성을 측정해 보았다. 이를 통해 1시간 동안 약 70 퍼센트의 신호분자 물질이 분해되었음을 확인 할 수 있었다. (도 3)
비교예 1
실시예 1에서 사용한 동일한 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카를 5분간 가열시켜 효소를 비활성화 시킨 실리카를 실리예 1과 동일하게 하여 실험을 한 경우 신호분자가 거의 분해되지 않음을 확인 할 수 있다. (도 3)
실시예 2
상기에 언급한 방법으로 제조한 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 실험실 규모의 분리막 생물반응조 공정에 적용하였다. (도 4). 구체적으로 원통형태의 반응기 내에 활성슬러지를 1.2 L 채워 넣었고, 하단부에 산기석을 설치하여 1 L/min 의 폭기 상태를 유지하도록 하였다. 연속공정을 위해 주 탄소원으로서 글루코스를 사용한 합성폐수가 유입펌프를 통해 유입되도록 하였다. 합성폐수의 화학적 산소 요구량(COD)은 약 550 ppm 이었고, 수리학적 체류시간은 12 시간으로 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 16 L/m2·hr 으로 운전하였다. 또한 수위조절기와 3-way-valve를 통해 처리수의 일부는 반응기로 되돌아오도록 하여 반응기의 수위를 유지시켰다. 제조한 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니는 반응기 내에 1개를 설치하였다.
운전이 진행됨에 따라 분리막 표면에서 생물막이 형성되고 이는 막오염의 증가에 의한 분리막 투수도 저하로 이어지는데, 이러한 생물막오염의 정도를 막간차압(transmembrane pressure, TMP)의 수치로 나타내었으며, 막간 차압이 증가할수록 생물막오염의 정도가 심화된 것을 나타낸다. 72시간 동안의 운전 결과, 막간 차압은 17.5 kPa에 불과하였다 (도 5 ).
비교예 2
실시예 2 에서 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카가 아닌 일반 실리카가 포함된 효소 주머니가 1개 설치된 반응기를 넣은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 하여 운전하였다. 72시간 동안의 운전 결과, 막간 차압은 68 kPa에 도달하였다. (도 5 ).
실시예 3
상기 생물막 형성 억제 효소를 고정화한 실리카의 신호분자 분해 활성이장기간 유지되는지를 확인해 보았다. 구체적으로, 연속공정 반응기내에서 1일, 3일, 7일, 13일, 30일이 지난 후에, 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 실리카를 꺼내어 완충용액으로 씻어낸 후, 실시예 1과 같은 실험을 수행하였다. (도 6) 그 결과 30일이 지나도 신호분자의 분해 활성이 크게 떨어지지 않음을 확인 할 수 있었다.
비교예 3
실시예 3에서 사용한 동일한 생물막 형성 억제 효소 고정화 실리카를 5분간 가열시켜 효소를 비활성화 시킨 실리카를 실리예 3과 동일하게 하여 실험을 한 경우 신호분자가 거의 분해되지 않음을 확인 할 수 있다. (도 6)
실시예 4
실시예 2 에서 생물막 형성 억제 효소를 고정화한 실리카가 포함된 효소주머니가 적용된 반응기 내에 설치된 여과용 침지형 중공사 막에 형성된 생물막을 공초점 주사 장치가 부착된 현미경을 이용해서 촬영하였다. 중공사 막의 중간부분을 3cm 잘라낸 다음, SYTO 9 (excitation wavelength: 485 nm, emission wavelength: 498 nm)과 Concanavalin A, tetramethylrhodamine conjugate (Con A) (excitation wavelength: 555 nm, emission wavelength: 580 nm) 로 생물막을 30분간 염색 및 세척한 후 촬영하였다. (도 7)
비교예 4
비교예 2의 생물막 형성 억제 효소를 고정화한 실리카가 아닌 일반 실리카가 포함된 효소 주머니가 적용된 반응기 내에 설치된 여과용 침지형 중공사 막을 실시예 4와 같이 촬영하였다. 실시예 4에서 촬영한 결과와 비교하였을 때, 분리막에 부착된 미생물의 양이 비교예 4에서 촬영한 결과에 비해서 더 적은 것을 확인 할 수 있었다. (도 7)

Claims (9)

  1. 다공성 주머니; 및
    상기 다공성 주머니의 내부에 위치하며 생물막 형성 억제 효소가 화학적으로 고정화된 실리카계 담체를 포함하고,
    상기 생물막 형성 억제 효소는 정족수 감지 억제 효소를 포함하며,
    상기 다공성 주머니의 평균 공경은 상기 실리카계 담체의 평균 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리카계 담체는 메조포러스 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 생물막 형성 억제 효소는 글루타르알데히드에 의해 상기 실리카계 담체에 화학적으로 고정화되어 있는 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 정족수 감지 억제 효소는 락토나제 또는 아실라제인 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 주머니는 폴리아미드계 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니.
  9. 피처리수를 수용하는 반응조, 수처리용 분리막 모듈 및 상기 반응조 내부에 배치된 청구항 1 내지 3, 7 및 8 중의 어느 한 항의 생물막 형성 억제 효소 고정화 주머니를 포함하는 분리막 수처리 장치.
KR1020110053850A 2011-06-03 2011-06-03 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템 KR101429248B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110053850A KR101429248B1 (ko) 2011-06-03 2011-06-03 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110053850A KR101429248B1 (ko) 2011-06-03 2011-06-03 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120134724A KR20120134724A (ko) 2012-12-12
KR101429248B1 true KR101429248B1 (ko) 2014-08-12

Family

ID=47902881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110053850A KR101429248B1 (ko) 2011-06-03 2011-06-03 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101429248B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170033057A (ko) * 2015-09-16 2017-03-24 서울대학교산학협력단 생물막 형성 억제 미생물 고정화 용기 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
KR101584130B1 (ko) 2014-04-30 2016-01-11 주식회사 포스코건설 생물막 오염 저해용 카트리지 필터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 막여과 수처리장치
KR101584129B1 (ko) 2014-05-29 2016-01-11 주식회사 포스코건설 생물막 형성 억제용 역삼투압 멤브레인 필터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 수처리장치
CN110023251B (zh) * 2016-11-30 2022-03-11 南洋理工大学 用于膜生物反应器中生物污着控制的生物珠
CN110028152A (zh) * 2019-04-04 2019-07-19 广州大学 一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010032351A (ko) * 1997-11-21 2001-04-16 스티브 티. 트링커, 메기오 로버트 산소 제거 조성물
KR100981519B1 (ko) * 2007-12-24 2010-09-10 재단법인서울대학교산학협력재단 생물막 형성 억제 효소를 이용한 분리막 생물반응조 수처리 공정
KR20120039415A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 서울대학교산학협력단 생물막 형성 억제 미생물 고정화 컬럼 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
KR20120132725A (ko) * 2011-05-30 2012-12-10 웅진코웨이주식회사 생물막 형성 억제 효소가 고정된 관형 편물 담체 및 이를 이용한 수처리 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010032351A (ko) * 1997-11-21 2001-04-16 스티브 티. 트링커, 메기오 로버트 산소 제거 조성물
KR100981519B1 (ko) * 2007-12-24 2010-09-10 재단법인서울대학교산학협력재단 생물막 형성 억제 효소를 이용한 분리막 생물반응조 수처리 공정
KR20120039415A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 서울대학교산학협력단 생물막 형성 억제 미생물 고정화 컬럼 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
KR20120132725A (ko) * 2011-05-30 2012-12-10 웅진코웨이주식회사 생물막 형성 억제 효소가 고정된 관형 편물 담체 및 이를 이용한 수처리 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120134724A (ko) 2012-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5850441B2 (ja) 生物膜形成抑制微生物固定化容器及びこれを利用した分離膜水処理装置
KR100981519B1 (ko) 생물막 형성 억제 효소를 이용한 분리막 생물반응조 수처리 공정
Meng et al. Fouling in membrane bioreactors: An updated review
KR101429248B1 (ko) 생물막 형성 억제를 위한 정족수 감지 억제 효소 고정화 실리카가 포함된 효소 주머니를 적용한 수처리용 분리막 생물 반응조 시스템
Meng et al. Identification of activated sludge properties affecting membrane fouling in submerged membrane bioreactors
KR20170033057A (ko) 생물막 형성 억제 미생물 고정화 용기 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
Jeong et al. Integration of forward osmosis process and a continuous airlift nitrifying bioreactor containing PVA/alginate-immobilized cells
KR101913802B1 (ko) 이종간 정족수 감지 억제용 미생물 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치 및 수처리 공정
US20180028982A1 (en) Container with biofilm formation-inhibiting microorganisms immobilized therein and membrane water treatment apparatus using the same
KR101270906B1 (ko) 생물막 형성 억제 미생물이 고정화된 유동상 담체 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
JP4719095B2 (ja) 微生物によるセレン酸化合物含有排水の処理方法
Khor et al. Biofouling development and rejection enhancement in long SRT MF membrane bioreactor
KR102093432B1 (ko) 층 구조의 정족수 억제 담체의 조성 및 제조방법과 이를 이용한 생물오염의 제어
KR101585169B1 (ko) 생물막 형성 억제 미생물 고정화 컬럼 및 이를 이용한 분리막 수처리 장치
Ahmed et al. Application of cell entrapping beads for Quorum Quenching technique in submerged membrane bioreactor
KR101246117B1 (ko) 생물막 형성 억제 효소가 고정화된 분리막, 그 제조방법 및 이를 이용한 수처리 공정
CN105174495A (zh) 生物质载体固定化细菌处理氯代有机物废水的方法
Choo et al. Quorum sensing and quorum quenching in membrane bioreactors
Modin et al. Gas-diffusion, extractive, biocatalytic and electrochemical membrane biological reactors
AU2017261363B2 (en) Overcoming biofilm diffusion in water treatment
KR20120132725A (ko) 생물막 형성 억제 효소가 고정된 관형 편물 담체 및 이를 이용한 수처리 방법
KR102468429B1 (ko) 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템
KR102508313B1 (ko) 신규 판토에아 속 pl-1 균주 및 이의 용도
Juang et al. Experimental observations on the effect of added dispersing agent on phenol biodegradation in a microporous membrane bioreactor
Ünlü et al. Real role of an ultrafiltration hollow-fibre membrane module in a submerged membrane bioreactor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160224

Year of fee payment: 6