KR102535278B1

KR102535278B1 - 바이오폴리머 매트릭스 복합체의 제조 방법

Info

Publication number: KR102535278B1
Application number: KR1020177011471A
Authority: KR
Inventors: 파올로 스튜파노; 비토 엠마누엘레 카로피그리오; 안토니오 고프레도; 마우리지오 세르빌리; 도메니코 센트론
Original assignee: 에그플랜트 에스.알.엘.
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2023-05-22
Also published as: JP2017531447A; US20170260390A1; FI3201346T3; AU2015327202A1; EP3201346A1; HUE060869T2; EA201790743A1; CN107001091A; CA2963161A1; PT3201346T; CA2963161C; EP3201346B1; PL3201346T3; BR112017006683B1; KR20170082519A; IL251425A0; NZ731224A; BR112017006683A2; WO2016050570A1; US10961387B2

Abstract

단일 폐수 스트림에서 기원한 바이오-유래 바이오폴리머 매트릭스 복합체 및 단일 폐수 스트림으로부터 이러한 바이오-유래 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 방법이 본 명세서에서 개시된다. 개시된 방법은 특정 폐수 스트림 공급원으로부터 바이오-유래 폴리머 매트릭스 및 복합체의 주성분인 첨가제를 모두 동시에 생산하는 것을 가능하게 한다. 바람직한 실시태양에서, 본 발명은 올리브 밀 폐수 (OMW) 스트림으로부터 폴리히드록시알카노에이트 (PHA) 복합체를 생산하는데 적용되나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 복합체의 적용은 농업 용품을 만드는 재료로서의 용도로 대표되지만, 이에 제한되지 않는다.

Description

바이오폴리머 매트릭스 복합체의 제조 방법{METHODS FOR PRODUCING BIOPOLYMER MATRIX COMPOSITES}

본 발명은 폐기물에서 생산된 바이오-유래의 폴리머 매트릭스 복합체에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 단일 폐수 스트림에서 얻어진 상술한 바이오-복합체 및 폐수를 정제하면서 동시에 통합 폐쇄 프로세스에 의해 바이오-복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 화석 탄소 유래의 플라스틱은 환경에 대한 중요 관심사를 대표하는데, 이는 제한된 화석 자원의 문제점이고, 오염의 첫번째 원인 중 하나이며, 바이오-유래이고 생분해성인 폴리머를 사용하여 종래의 플라스틱의 대체물로서의 지속가능한 자연 친화적 물질을 생산하는 것에 대한 고조된 관심을 나타낸다. 바이오-유래이고 생분해성 폴리머의 예는 특히, 폴리-락트산 (PLA), 전분 및 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)이다.

천연 자원으로부터 바이오폴리머를 생산하는 것은 현재 진행중이지만, 연구는 여전히 인간 식량 공급을 위한 자원과는 상이한 자원으로부터 지속가능한 바이오폴리머를 생산하는 효과적인 방법을 찾기 위해 계속 진행중이다. 폐기물로부터 바이오폴리머를 산업적으로 생산하는 것은 매우 바람직하며, 많은 연구 노력의 목적이다.

윤리적인 문제 외에도, 바이오폴리머의 높은 비용이 그들의 시장 침투에 있어서 1차적인 장벽으로 나타나기 때문에 비용을 감소시키기 위해서 폐기물로부터 바이오폴리머를 생산하는 것이 의도된다. 바이오폴리머 생산을 위한 적합한 폐기물 스트림은 산업 및 도시 폐수를 포함한다.

폴리머, 일반적으로, 그리고 더욱 구체적으로 바이오폴리머에 대한 중요한 우려는 그의 물리적 및 기계적 특성에 관한 것이다. 원하는 특성을 얻기 위해서, 바이오폴리머는 일반적으로 상이한 충전재로 채워진다. 충전재는 종종 비싸고 최종 복합체에서 높은 질량 퍼센트 (1-40%)로 사용되기 때문에, 천연 충전재, 예컨대, 천연 섬유가 최종 폴리머 매트릭스 복합체의 비용을 감소시키기 위해 제안되어왔다. 바이오-유래 폴리머 매트릭스 및 천연 충전재가 사용된 경우, 생성된 복합체는 완전한 초록색 플라스틱이다. 바이오폴리머 매트릭스 물질에 대해서, 첨가제로서의 폐기물-유래의 천연 충전재가 매우 바람직하며, 많은 연구 노력의 목적이다.

수 개의 산업적 공정에서 폐수 스트림이 생산된다. 이러한 폐기물은 특히, 농공업 공정에서, 예를 들면, 우유, 치즈, 과일 쥬스, 설탕 및 올리브 오일 생산의 경우에 종종 유기 탄소 함량이 높다. 유기 탄소가 풍부한 일반적인 폐수 스트림의 다른 예는 펄프 및 종이-밀(mill) 폐수, 도시 폐수 및 농장 폐수이다. 이들 수성 액체 스트림은 그의 높은 화학적 산소 요구량 (COD)로 인해 높은 환경 영향력을 가진다. 그러나, 동시에, 높은 COD 값은 부가가치 분자가 폐수로부터 분리될 수 있고, 남은 유기 내용물이 바이오폴리머 생산의 원료 물질로 사용될 수 있어서, 숨은 가치 원천을 나타낸다. 연구자들은 장시간 동안 폐기물 스트림으로부터 가치있는 화학물질을 분리하기 위한 이상적인 후보로서 크기-배제 막 여과 기술을 연구해왔다.

수 개의 특허 및 특허출원이 높은 COD 폐수 스트림을 처리하고 정제하는 방법을 기재한다. 이들 방법은 공정에서 재사용되거나 다른 적용을 위해 수집될 수 있는 초순수(ultra-pure water)를 발생시키는 최종 역삼투압(RO) 단계와 함께 막 여과 기술에 일반적으로 기반한다. 추출된 유기 물질들은 액체 스트림 안의 COD를 경감시키는 미생물성 분해에 의한 바이오-가스 생성을 위해서 또는 부패성 물질을 만드는데 사용될 수 있다. 여과 공정과 미생물성 분해의 순서는 고려되는 특정 공정에 따라 바뀔 수 있다.

막 여과, 미생물성 분해 및 복합된 방법에 의한 폐수 정화 처리의 예는 다음 문헌 및 특허의 참조문헌 및 그에 인용된 비특허 문헌에 개시되어 있다.

WO 2013/058761은 거친(coarse) 현탁된 고형물 제거 유닛, 거친 여과 유닛, 한외여과 유닛(UF), 나노여과 유닛(NF), 및 역삼투 네트워크의 상호연결된 요소를 사용하여 유기물 함량을 감소시키는 증류소 폐기물 스트림에 적용되는 폐수 처리용 시스템을 설명한다.

US 2012/0085701는 또한 바이오가스 생산을 위한 바이오반응기, 가능하게는 막 바이오반응기 및 막 여과 모듈, 즉, 나노여과 및 역삼투압을 사용하여 유기물 함량을 감소시키는, 지역 및 산업 폐수에 적용가능한, 용존 유기 탄소를 함유하는 수분 스트림, 예컨대, 펄프 또는 종이 밀 폐수를 처리하는 공정을 설명한다. 공정의 목적은 수분 처리 또는 리사이클을 위해 유기 탄소를 함유하는 수분 스트림을 정제하는 것이다.

EP 0824503은 유기적으로 오염된 폐수로부터 식수를 고수율로 생산하기 위한 다단계 시스템을 설명한다. 이 시스템은 한외여과 및 산화 공정과 같은 기타 처리 외에도, 유기 탄소 로딩을 감소시키기 위한 이중 (혐기성 및 호기성) 미생물성 분해와 다중 역 삼투 단계를 포함하여, 음료수에 사용되기 위한 초순수를 생산한다.

관심있는 산업 폐수 스트림은 올리브 밀 폐수 (OMW)이다. OMW는 높은 함량의 폴리페놀로 인해 바이오가스 생성 및/또는 매우 높은 유기 탄소 함량을 가지기 때문에 정수 처리를 하기에 어려운 폐수이다. 이는 높은 상업적 가치를 가진 분자로서 폴리페놀을 분리하기 위해 막 여과 기술로 처리될 수 있다. EP 1773721은 막 기술을 사용하여 올리브 밀 폐수의 구성성분을 회수하는 공정을 설명한다. 다단계 여과 공정(미세여과 (MF)), 한외여과 (UF), 나노여과 (NF), 역삼투압(RO)이 OMW로부터 폴리페놀 용액 및 정제수를 회수하기 위해 사용된다. 상이한 여과 단계로부터 생성된 폴리페놀 이외의 잔여 유기 물질이 퇴비 또는 바이오가스 생성에 사용되는 것이 제안되어 왔다.

천연 공급원료로부터 직접 추출된 천연 폴리머 뿐 아니라, 상이한 천연 화학물질들이 바이오폴리머 생산용 원료물질로서 사용될 수 있다(예를 들면, 문헌[Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics, S. Ebnesajjad, Ed., 2012] 참조). 예를 들어, 식물성 오일로부터 유래된 불포화 지방산은 연속적 이량체화 및 중축합 공정을 통한 폴리아미드 (PA) 합성 또는 미생물성 폴리히드록시알카노에이트(PHA) 생산에 유용한 단량체이다. 다른 종류의 천연 화학물질 중에서, 당류는 바이오폴리머 합성을 위한 우수한 플랫폼을 나타낸다. 이러한 목적을 위한 당류의 용도는 (i) 당 가수분해, 락틱산을 생성하기 위한 발효 및 이의 축합을 통한 락티드 생성; 락티드는 개환(ring opening) 및 중합을 통한 폴리(락틱산)(PLA)을 생산하기 위한 단량체이다; (ii) 화학물질, 예컨대, 바이오에탄올, 에틸렌, 아크릴산 및 이의 유도체, 아크롤레인, 글리세롤, 1,3-프로판디올 및 기타 폴리올, 히드록시메틸푸르푸랄 및 이의 유도체의 생산; 이들 모든 바이오-유래 화학물질들은 각종 폴리머의 제조에 유용한 단량체들이다; (iii) 천연 발생 영양분, 예컨대, 당류 또는 휘발성 지방산(VFA)의 미생물성 분해를 통한 생(生) 미생물에 의한 중합성 바이오-물질, 예컨대, PHA의 직접 생산을 포함한다.

현재, 바이오폴리머 생산을 위해 재생가능한 자원으로부터 당류의 용도에 기초한 상이한 공정들이 진행중이다. 그럼에도 불구하고, 이들 공정의 대부분은 사탕수수, 옥수수, 전분 작물 등의 식용 바이오매스를 사용한다. 도시 및 산업용 폐수 스트림, 특히, 농-식품 사슬로부터 나오는 것들은 일반적으로 높은 유기탄소 로딩, 및 특히 높은 농도의 당에 의해 특징지어진다. 이 폐기물 내의 당 함량의 비용-효율적인 회수 및/또는 이용은 앞선 단락에서 설명된 모든 바이오-계 단량체 및 중합체의 생산을 가능하게 할 수 있다.

높은 당 함량 폐기물로부터 폴리히드록시알카노에이트을 생산하는 것이 개시된 바 있다. 미국 특허 제7141400호, US 2006/0088921 (Yu) 및 WO 2013/072723은 당밀과 같은 높은 수크로오스 함량 폐기물로부터의 PHA를 미생물을 이용하여 생산하는 것 및 당류 생산의 부산물을 설명한다. 그럼에도 불구하고, PHA 생산을 위한 미생물성 분해는 종종 당류에 더하여 폐기물에 함유된 다른 종류의 천연 물질 (예컨대, 단백질 또는 지방산)을 이용하기 때문에(예컨대, 문헌[M. Koller et al. Food Technol . Biotechnol. 2010 48:255-269]; 문헌[C. Du et al. Curr . Chem . Biol . 2012]; 문헌[C. Gomez et al. in Advances in Applied Biotechnology, 2012, 6:14-25]; 문헌[J.-Y. Chee et al. in Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology, 2010] 참조), US 2013/0040351, US 2013/0199997 및 WO 2012/166822, US 8187462 및 US 8263373에 기재된 바와 같이, 다른 종류의 폐수 스트림이 PHA 생산에 고려되어왔다.

OMW로부터 바이오-유래이고 생분해성 열가소성 폴리머의 종류인 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)를 생산하는 연구 노력이 있어 왔지만, 효과적인 산업 공정이 아직 개시되지 않았다. 이 기술의 예시가 미처리된 희석된 OMW의 박테리아성 발효로 실험실 규모로 보고된 바 있다.(문헌[G.A. Martinez et al. Env . Eng . Manag. J. 2013, 12:97-100]; 문헌[F. Cerrone at al. J. Microbiol . Biotechnol. 2010]; 문헌[M. Beccari et al. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2009, 84:901-908] 참조)

플라스틱 복합체 중에서, 천연 보강제, 예를 들면, 천연 섬유를 생분해성이고 생 유래된 수지와 함께 배합하여 얻어지는 바이오폴리머 매트릭스 복합체가 자연친화적이고, 지속가능하며, 퇴비화에 의해 분해가능하기 때문에 매력적이다.(예컨대, 문헌 [Polymer Composites: Volume 1, S. Thomas et al., Eds, Wiley-VCH 2012] 참조) 특히, 많은 천연 섬유 및 생 유래된 보강제, 예컨대, 황마, 아마, 시살 (sisal), 코이어 (coir) 등이 바이오폴리머, 예컨대, PLA, 전분 및 PHA와 함께 혼합되어 왔다.(예컨대, 문헌 [J. Sahari et al. Rev. Adv . Mater. Sci. 2011, 30:166-174]; [P. Asokan et al. Rev. Adv . Mater. Sci. 2012, 30:254-261] 참조) 농업 잔류물은 거대한 산업 부산물이고 (전 세계적으로 연당 수십억톤), 이들을 폴리머 복합체용 보강제로 사용하는 것은 이들을 폐기하거나 소각하는 것에 대한 현실적인 대안이다. 천연 섬유를 사용하는 것은 저비용, 풍부성, 저밀도, 높은 비특성 및 명백하게도, 생분해성을 포함하여 많은 이점을 제공한다. 이들 바이오계 복합체가 많은 응용분야, 예컨대, 대량생산 소비자 제품에서 효과적으로 사용될 수 있다. 종래의 플라스틱에 대해, 천연 첨가제를 첨가하면 중합성 수지의 물리적 및 기계적 특성이 향상될 수 있다.

천연 섬유 바이오폴리머 매트릭스 복합체에 대해, 물리적 및 기계적 특성의 향상과 향상된 생분해성이 보고되어 왔다.(문헌 [O. Faruk et al. Macromol . Mater. Eng. 2014, 299:9-26]; [H. Ku et al. Composites Part B Eng . 2011, 42:856-873]; [P.M. Visakh et al. Advances in Natural Polymers, S. Thomas et al., Eds., Springer 2013; M. Avella et al. Materials, 2009, 2:911-925]; [C.-S. Wu, Carbohydrate Polym . 2012, ]; [C.-S. Wu, Polym . Degrad . Stabil. 2012, 97:64-71] 참조)

PHA는 천연 보강제를 갖는 바이오폴리머 매트릭스 복합체의 이용을 대표한다. 천연 보강제를 첨가하여 PHA의 생분해성 및 물리적 성질을 향상시키기 위해 많은 연구 노력이 소요되어왔다. (예컨대, 문헌 [C.-S. Wu et al. Polym . Degrad . Stabil. 2014, 99:274-282]; [C.-S. Wu, Polym . Degrad . Stabil . 2013, 98:1473-1480]; [V. Nagarajan et al. Ind . Crops Prod. 2013, 42:461-468]; [Y. S. Salim et al. Appl . Biochem . Biotechnol. 2012, 167:314-326]; [P. Mousavioun et al. Polym. Degrad . Stabil . 2012, 97:1114-1122] 참조) 미국 특허 제7887893호는 생분해성 특성을 보유하면서도 단독 PHA와 비교하여 향상된 특성을 가지는 바이오 물질인 것을 목적하는 박테리아성 폴리히드록시알카노에이트 중합체/천연 섬유 복합체를 설명한다. 미국 특허 제6903053호는 식물과 접촉하게 되는 농업 용품용 PHA 공중합체의 사용 및 이러한 물질로부터 화학물질의 방출을 제어하는 방법을 설명한다.

용용분야, 예컨대, 농업 및 패키징에 유용한 저비용 천연 바이오폴리머-매트릭스 복합체를 생산하는 방법에 대한 필요성이 존재한다.

상기는 상술한 내용 중 어떤 것도 선행문헌으로 인용가능하거나 통상적인 일반 상식이라는 점에 대한 인정이 아니라는 점이 이해되어야 한다.

본 발명은 (i) 단일 폐수 스트림에서 얻어진 천연 바이오폴리머 매트릭스 복합체; (ii) 동시적인 정수 및 단일 폐수 스트림으로부터 천연 첨가제 회수; 및 (iii) 바이오폴리머 생산용 기재로서 사용될 높은 유기 탄소 로드(load)를 가진 농축된 용액을 제공하여, 피처리 용액의 부피를 감소시켜, 바이오폴리머 생산 방법에서의 비용 및 용이성 측면에서 결과적인 이점과 함께 현 기술적 수준의 다양한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 단일 폐수 스트림에서 기원된 바이오-유래 폴리머 및 폴리머 매트릭스 복합체를 제공하고, 단일 폐수 스트림으로부터 이러한 바이오-유래 폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유기물 로드(organic load)을 농축하기 위해, 막 여과 기술을 사용하여, 전 처리 후에 유기 탄소가 풍부한 폐수 스트림을 처리하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 여과 단계에서 적어도, 건조되고, 가능하게는 추가적인 처리를 했을 때, 예컨대, 복합체용 보강제로 기능하는 천연 첨가제로 사용되는 마이크로 크기(micro-sized) 물질이 풍부한 농축물을 생산하는 미세여과 (MF) 단계를 제공하는 것이다.

추가로, 본 발명의 특정 실시태양의 목적은 초순수 및 고농도로 유기물이 로딩된 농축물을 제공하는 하나 이상의 역삼투 (RO) 단계를 포함하는 연속적인 단계에서 MF 투과물의 추가적인 처리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 임의로 전 여과 단계에서 생성된 농축물과 배합된 RO 농축물을 복합체의 폴리머 매트릭스로 사용되는, 바이오폴리머 생산을 위한 기재로서 사용하는 방법을 제공하는 것이다.

특정 폐수 스트림에서 얻어진 복합체는 종래의 폐기물의 생물학적/화학적 처리에 의해 얻어질 수 있는 일반적인 바이오폴리머에 비교하여 향상된 생산물을 나타낸다. 정수 또는 폐기물로부터의 부가가치 분자의 회수에 있어서, 막 여과가 사용되어 왔다. 그러나, 폐수 처리에 대해 공지된 방법은 폐기물 액체 스트림을, 폴리머 매트릭스 복합체용 천연 마이크로 크기의 천연 첨가제 공급원(source)으로 사용하거나 바이오폴리머 생산을 위해 적합한 높은 COD 기재로서 사용하기 위해 여과 농축물 내의 유기물 로드의 농도를 증가시키지 않는다.

바람직한 실시태양에서, 본 발명은 단일 폐수 스트림, 예컨대, 올리브 밀(olive mill) 폐수 (OMW) 스트림으로부터 폴리히드록시알카노에이트 (PHA) 복합체를 생산하는 방법을 제공한다.

일 실시태양에서, 본 발명은 (a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를 (i) 미세여과(microfiltration)하여, 투과물 및 농축물을 생성하고; 임의로 제1 투과물을 단계 (ⅱ) 한외여과(diafiltration); 및 (ⅲ) 나노여과(nanofiltration)에서 선택되는 적어도 하나의 공정으로 추가로 처리하며, 각각의 단계 (ⅱ) 및 (ⅲ)은 유기 탄소 및 농축물을 포함하는 후속 투과물을 생성하고, 단계 (i), (ii) 및 (iii) 중 최종 단계의 투과물이 최종 투과물이고; 각각의 단계 (ii) 및 (iii)에 대한 인풋(in put)이 직전 단계의 투과물인 단계; (b) 최종 투과물을 역삼투압으로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 최종 농축물이 유기 탄소를 포함하는 단계; (c) 최종 농축물을 바이오폴리머를 생산하는 화학적 또는 생물학적 공정으로 처리하여, 바이오폴리머를 포함하는 바이오매스를 생산하는 단계; 및 (d) 바이오폴리머를 바이오매스로부터 분리하는 단계를 포함하는 바이오폴리머를 생산하는 방법을 제공한다.

일 실시태양에서, 본 발명은 (a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를 (i) 미세여과 처리함으로써 투과물 및 농축물을 생산하고; 임의로 최초 투과물을 단계 (ⅱ) 한외여과; 및 (ⅲ) 나노여과 중에서 선택된 적어도 하나의 단계로 추가로 처리하는 단계; 여기에서 각각의 단계 (ⅱ) 및 (ⅲ)은 유기 탄소 및 농축물을 포함하는 후속 투과물을 생산하고, 단계 (i), (ii) 및 (iii) 중 최종 단계의 투과물이 최종 투과물이고; 단계 (ii) 및 (iii) 각각에 대한 인풋(in put)이 직전 단계의 투과물이며; (b) 최종 투과물을 역삼투압으로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 최종 농축물이 유기 탄소를 포함하는 단계; (c) 단계 a(i)의 농축물로부터 미립자를 분리하는 단계; (d) 최종 농축물을 바이오폴리머를 생산하는 화학적 또는 생물학적 공정으로 처리하여, 바이오폴리머를 포함하는 바이오매스를 제조하는 단계; (e) 바이오매스로부터 바이오폴리머를 분리하는 단계; 및 (f) 단계 (c)의 미립자와 바이오폴리머를 배합하여 바이오폴리머 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명은 유기 고형물을 포함하는 폐수 스트림이 예를 들면, 농업 또는 패키징 적용분야에서 유용한 적합하게 생분해성이고 저비용 물질인 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는데 출발 물질로 사용될 수 있다는 발견에 관한 것이다.

도면은 폐기물 스트림의 일부를 탄소원으로 사용하여 생산된 바이오폴리머 및 전술한 바이오폴리머를 매트릭스로서 갖는 복합체의 충전제로 사용되기 위한 천연 첨가제로서 폐기물의 다른 일부에서 생산된 천연 첨가제를 포함하는 복합체 물질을 생산하기 위한 통합적인 폐쇄 공정을 개략적으로 나타낸 대표도이다.

본 발명의 방법의 일 실시태양이 도면에 개략적으로 도시된다. 폐수 스트림에서의 폐수를 임의로 전처리하여 거친(coarse) 고형물 및/또는 에멀젼을 제거한다. 전처리된 폐수를 미세여과 처리하고 생성된 농축물을 전환하고 건조하여 미립자를 얻는다. 미세여과 투과물을 임의로 추가 처리, 예컨대, 한외여과 및/또는 나노여과하고, 최종 투과물, 예컨대, 미세여과, 한외여과 또는 나노여과 단계 중의 마지막에서의 투과물을 역삼투압 처리한다. 역삼투압에서 생성된 농축물에 임의로 한외여과 및/또는 나노여과 단계에서의 농축물을 추가하여 배합된 농축물을 생성한다. 역삼투압 농축물 또는 배합된 농축물을 화학적 또는 생물학적 공정으로 처리하여 바이오폴리머를 생산한다.

그 후, 바이오폴리머를 미세여과 농축물로부터의 미립자와 혼합하여 폴리머 매트릭스 복합체를 생산한다.

일 실시태양에서, 바이오폴리머가 생물학적 공정, 예컨대, 호기성 분해, 예컨대, 미생물성 호기성 분해, 바람직하게는 박테리아성 호기성 분해를 포함하고 임의로, 혐기성 분해를 추가로 포함하는 공정에 의해 생산된다.

바람직한 실시태양에서, 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 방법이 (a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를 (i) 미세여과함으로써 투과물 및 농축물을 생산하고; 임의로 투과물을 단계 (ⅱ) 한외여과; 및 (ⅲ) 나노여과 중에서 선택된 하나 이상의 단계로 추가로 처리하는 단계; 각각의 단계 (ⅱ) 및 (ⅲ)은 유기 탄소 및 추가의 농축물을 포함하는 투과물을 생산하고; 단계 (i), (ii) 및 (iii) 중의 최종 단계의 투과물이 최종 투과물이고; 각각의 단계 (ii) 및 (iii)에 대한 인풋(in put)이 직전 단계의 투과물이며; (b) 최종 투과물을 역삼투압으로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 최종 농축물이 유기 탄소를 포함하는 단계; (c) 단계 a(i)의 농축물로부터 미립자를 분리하는 단계; (d) 최종 농축물을 혐기성 분해로 처리하는 단계; (e) 단계 (d)의 생성물을 미생물성 호기성 분해로 처리하는 단계; (f) 바이오폴리머를 바이오매스로부터 분리하는 단계; 및 (g) 단계 (c)의 미립자와 바이오폴리머를 배합하여 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 단계를 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어 "바이오폴리머"는 천연 자원으로부터 합성 공정, 즉, 살아있는 미생물을 개입시키지 않은 공정, 예컨대, 바이오-유래 단량체의 중합 및 천연 공정, 즉, 살아있는 미생물을 개입시킨 공정, 예컨대, 박테리아성 소화에 의해 추출되거나 생산될 수 있는 생분해성 탄소계 중합성 물질이다. 바이오폴리머의 예는 천연 탄소 자원으로서 폐수를 사용하여 생산된 것 및 그로부터 추출된 화학물질 또는 단량체를 들 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어 "폐수"는 인간의 공정, 예컨대, 공업, 농장 또는 농업 공정에 의해 생산된 임의의 액체 스트림 또는 도시 폐수를 의미하고, 높은 농도의 유기 탄소를 함유한다. 폐수 내의 유기 탄소의 양은 물 샘플 내의 유기 물질을 완전히 산화시키기 위해 요구되는 산소의 측정값인 화학적 산소 요구량 (COD)에 의해 측정될 수 있다. 이러한 폐수는 일반적으로 전용 부지에 버려지거나 그의 환경적 영향력을 감소시키기 위해서 버려지기에 앞서서 추가 처리될 운명이다.

용어 "복합체"는 하나의 성분이 복합체의 총 중량의 일반적으로 약 50 % 내지 약 99.9% 범위의 양인 매트릭스인, 2 이상의 성분에 의해 형성된 복합 물질을 의미한다. 복합체는 매트릭스를 일반적으로 복합체의 중량에 대해서 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량% 범위의 양으로 일반적으로 사용되는 충전재 또는 첨가제와 배합하여 형성된다. 첨가제의 존재는 매트릭스 단독일 경우와 비교하여 매트릭스의 생분해성을 개선시키고, 적절한 적용분야에 따라 단독 매트릭스의 기계적 특성을 조절하고 매트릭스보다 첨가제가 덜 비싼 경우 복합체의 비용을 절감시킨다.

폐수는 임의의 폐수 스트림으로부터 얻어질 수 있지만, 바람직하게는 높은 화학적 산소 요구량, 예컨대, 약 50 mg/L, 200 mg/L, 500 mg/L 또는 1000 mg/L을 초과하는 COD를 가지는 폐수이다. 폐수는 바람직하게는 유기 고형물, 예컨대, 고형물 미립자를 추가로 포함한다.

일 실시태양에서, 폐수가 본 방법의 단계 (a)에 앞서 처리되어 거친 현탁된 고형물 및/또는 에멀젼이 제거된다. 이 처리는 예컨대, 0.1 내지 2 mm 범위의 공극 크기를 가지는 거대 공극 필터를 이용한 여과, 낮은 회전속도에서의 원심분리 및/또는 응집을 포함할 수 있다. 이 실시태양에서, 생성된 여과액 또는 상청액이 전처리된 폐수이고, 본 발명의 방법에서 단계 (a)의 공급물이다.

일 실시태양에서, 단계 (a)의 폐수가 마이크로미터 크기의 현탁된 고형물을 함유하고 여과 공정에서 처리된다. 일 실시태양에서, 폐수가 막 미세여과 모듈로 보내어진다. 적합한 여과 모듈은 예컨대, 조절된 공극 크기를 가지는 관형 세라믹 막 및/또는 중합성 막이 있는 것을 포함한다. 기계적 펌프에 의해 이동되는 폐수 흐름의 방향은 막에 대해 접선방향이며, 투과물 및 농축물을 생산한다. 투과물은 막을 통해 통과하는 용액이고 막의 컷-오프(cut-off) 크기보다 작은 크기를 가지는 성분을 함유한다. 농축물은 막의 컷-오프 크기보다 큰 크기를 가지는 성분이 풍부한 용액이며, 따라서, 막을 통과할 수 없다.

바람직한 실시태양에서, 폐수가 세라믹 막 또는 중합성 막을 이용하여 미세여과 처리된다. 세라믹 막은 중합성 막보다 고비용이지만 우수한 내성(resistance)을 가진다. 농축물을 희석하고 농축물이 분리된 막으로부터 다시 동일한 막을 통해 재순환시키는 공정인 투석여과는 투과물 내의 화학적 성분을 최대로 회수하고, 다음 여과 단계 또는 역삼투압으로 보내기 위해서 임의로 사용된다. 100 ㎛ 내지 0.1 ㎛, 바람직하게는 0.2-2 ㎛ 범위의 공극 치수를 가지는 미세여과막의 사용은 약 100 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛의 치수를 가지는 농축물 내의 고형물 입자의 분리를 가능하게 한다. 이러한 입자는 바람직하게는, 적합한 처리 이후에 바이오폴리머 매트릭스 복합체 안에서 필러로서 사용된다. 예를 들어, MF 농축물로부터의 미립자는 건조되고 바로 본 발명의 바이오폴리머 매트릭스 복합체 안에서 필러로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이들 미립자는 예컨대, 밀링(milling)에 의해 균질화된다. 바람직한 실시태양에서, 미립자는 고에너지 비즈 밀을 사용하여 밀링된다. 실시태양에서, 미립자가 약 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수치를 가진다.

미세여과 단계로부터의 투과물은 임의로 추가로 여과되어 액체 폐기물 스트림으로부터 상이한 성분이 분리된다. 예를 들어, 이 투과물은 한외여과 (UF) 및/또는 나노여과 (NF)로 처리될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 여과 단계로부터의 투과물은 후속 여과 단계에서 공급 플로우(flow)로 사용된다. UF 및/또는 NF 단계로부터의 농축물은 회수되고, 여과 시스템을 통해 다시 보내어지거나 바람직한 적용양태에 따라 기타 농축물과 배합될 수 있다. 본 발명에 따르면, 미세여과 농축물을 회수하여 최종 바이오폴리머 매트릭스 복합체에서 필러로 사용되는 천연 마이크로 크기의 입자를 얻는다.

일 실시태양에서, 미세여과 투과물은 한외여과 처리된다. 바람직한 실시태양에서, UF 모듈에서 사용되는 UF 중합성 막의 컷-오프 크기는 1-50 kDa 범위이다. 이 막은 MF 투과물에 존재할 가능성이 있는 초분자 집합체(aggregate) 및/또는 장쇄 지방산 및 단백질 군에 속하는 거대분자가 풍부한 농축물의 분리를 가능하게 한다. UF 농축물은 임의로 투석여과 처리된 후, 결과적으로 RO 농축물에 추가되어 바이오폴리머 생산에 사용되는 유기 물질을 증가시킨다.

UF 투과물은 임의로 나노여과(NF) 처리된다. NF 농축물은 임의로 투석여과 처리된 후, 결과적으로 RO 농축물에 추가되어 바이오폴리머 생산에 사용되는 유기 물질을 증가시킨다. 투과물의 UF 및/또는 NF는 RO 막 오염(fouling)을 예방하는 것에 일조하여 RO 막의 수명을 증가시킨다. 사용되는 여과 단계에 따른 최종 투과물, 예를 들면, MF 투과물, UF 투과물, 또는 NF 투과물이 RO 처리로 처리된다. 바람직한 실시태양에서, RO 모듈에서 사용되는 RO 중합성 막의 컷-오프 크기는 10-150 Da 범위, 예를 들면, 약 150 Da으로, RO 농축물 내의 당, 휘발성 지방산(VFA), 아미노산 및 무기염의 거의 완전한 회수를 가능하게 한다. 폐수 스트림으로부터 단순 탄수화물로서의 당을 회수하는데 유용한 방법은 약 150 Da보다 작은 분자 컷-오프를 가지는 막을 이용한 막 여과이다. 당 단위가 일반적으로 중량에서 150 Da을 초과하기 때문에, 이들은 용해된 염과 함께 농축된다. RO 투과물은 투석여과 및 바이오폴리머의 박테리아성 생산과 같은 공정의 희석 단계에서 유용한 초순수이다.

상술한 모든 여과 단계에서의 막 수명 및 효율은 막의 주기적인 역세(逆洗), 즉, 각각의 여과 모듈을 통해 폐수 스트림 여과 방향의 반대 방향에서 탈염수를 흘려주는 것에 의해 연장된다.

바람직한 실시태양에서, 폐수 스트림은 올리브 오일 생산의 부산물인 올리브 밀 폐수 (OMW)이다. OMW는 높은 COD 값 (최대 170 g/L) 및 약산성 pH (4-5)를 특징으로 하는 고용량(100 kg의 올리브 당 40-120 L)으로 생산되는 녹갈색 슬러지이다. OMW에 함유된 각종 화학 성분들 중, 폴리페놀 및 탄수화물을 주목할 만하다. 올리유로핀 및 히드록시티로솔이 가장 풍부하며, 항산화제로서 가치있는 폴리페놀은 OMW 안에 최대 10 중량%로 존재한다. 환원당은 OMW에 약 2 내지 20 중량% 범위의 총 농도로 존재하고, 바이오폴리머 생산의 원료 물질로 적합하다. OMW는 정수 또는 바이오폴리머-매트릭스 복합체 생산을 위해 처리되기 어려운 폐기물 스트림을 대표한다. 본 발명의 방법은 OMW와 같은 수성 폐기물 스트림으로부터 바이오폴리머 복합체를 효율적으로 생산한다.

폐수가 OMW인 경우, MF 농축물은 고밀도 녹갈색 슬러지이다. 바람직한 실시태양에서, 이 슬러지는 건조, 바람직하게는 공기 건조된 후, 예컨대, 고에너지 비즈밀을 이용하여, 밀링에 의해 미세균질화된다. 문헌[Droussi et al. J. Hazard. Mater. 2009, 164:1281-1285; Garcia-Ibanez et al. Fuel Process. Technol. 2006, 87:103-107]에 앞서 나타난 바와 같이, 분리된 고형물에 대한 고체 상태 FT-IR 및 열무게 분석은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 존재를 나타낸다. 이들 물질은 올리브 오일 생산 공정에서 나온 압축 올리브 잔여물로부터 나올 가능성이 높다.

셀룰로오스 및 리그닌은 폴리머 매트릭스 복합체에서 천연 보강제로 사용하기에 적합한 물질이다.

바람직한 실시태양에서, MF 투과물은 UF 처리된다. 바람직한 실시태양에서, UF 모듈에서 사용되는 중합성 막의 컷-오프 크기는 1-50 kDa 범위에 있다. 이 막은 MF 투과물에 존재할 가능성이 있는 초분자 집합체(aggregate) 및/또는 장쇄 지방산 및 단백질 군에 속하는 거대분자가 풍부한 농축물의 분리를 가능하게 한다. UF 농축물은 임의로 투석여과 처리된 후, 임의로 RO 농축물에 추가되어 바이오폴리머 생산을 위해 박테리아성 소화되는 유기 물질을 증가시킨다. OMW의 UF 투과물은 폴리페놀, 당류, 및 염이 풍부하며, NF에 의해 임의로 처리되어 페놀계 화합물, 특히, 고분자량을 가지는 것, 예컨대, 탄닌 및 안토시아닌과 함께 올리유로핀이 부분제거된다. 이 실시태양에서, 저분자량 폴리페놀, 예컨대, 히드록시티로솔, 티로솔, 커피산, p-쿠마릭산, 페룰산 등이 NF 투과물과 농축물 사이에 분산된다. UF 및 NF는 RO 막 오염을 예방하고 RO 막의 수명을 증가시킨다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이 적절한 NF 막 선택 또는 친화 크로마토그래피에 의해 여과 처리된 용액으로부터 폴리페놀을 완전히 제거하는 것이 달성된다. 폴리페놀은 박테리아 성장을 억제할 수 있는 항균작용 때문에 바람직하게는 박테리아성 바이오폴리머 생산 단계에 앞서 실질적으로 제거된다.

페놀 제거 후에, RO 농축물이 최대 10 % w/w의 높은 농도의 총 환원 탄수화물을 함유하고 있기 때문에, RO 농축물은 박테리아성 바이오폴리머 생산 배지로 사용하기에 적합하다. 바람직한 실시태양에서, RO 농축물은 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)의 박테리아성 생산을 위한 적절한 탄소 원, 예컨대, 당류 및 VFA를 함유하는 배지로 사용된다. 이 방법은 산업 스케일 또는 소규모 연구실 스케일에서 수행될 수 있다.

특정 실시태양에서, 바이오폴리머, 예컨대, PHA는 유가(fed-batch) 공급 조건 또는 연속 흐름 모드에서 생산될 수 있다. 유가 공정은 폐기물 스트림 농축물을 축적하고, 주기적으로 이를 박테리아성 소화 처리하는 것에 의해 연속 흐름 여과 공정에 결합된다. 연속 생산 공정은 여과 시스템에서 배출된 폐기물 스트림 농축물을 바이오-반응기 라인에 직접 공급하는 것과 자동으로 흐름을 조절하는 것을 포함한다.

본원에서 설명된 유가 공정 PHA 생산예는 예시적이다. 본 발명의 적용은 배치 공정의 사용에 제한되지 않으며, 연속 운전 모드 및 관련 기술분야에 공지된 기타의 것을 포함한다.

폐수 농축물로부터 PHA를 생산을 위해 상이한 접근방식이 가능하다. 이는 특정 영양분 (예, 인 및/또는 질소)을 제한하여 PHA를 축적할 수 있는 적합종의 성장을 촉진하는 박테리아의 혼합 배양에 의한 농축물의 소화를 포함한다. 바람직한 실시태양에서, 건조 세포 바이오매스 단위 당 축적된 PHA의 높은 백분율 때문에, 단일 박테리아 배양이 사용된다. 박테리아와 고세균류를 포함하는 광범위한 미생물 속, 예컨대, 아시도보락스(Acidovorax), 아시네토박터(Acinetobacter), 악티노바실루스(Actinobacillus), 악티노마이세테스(Actinomycetes), 에로모나스(Aeromonas), 알칼리게네스(Alcaligenes), 알로크로마티움(Allochromatium), 아나베나(Anabaena), 아파토테스(Aphanothece), 아쿠아스피릴룸(Aquaspirillum), 아스티카울루스(Asticcaulus), 악소박터(Axobacter), 아조모나스(Azomonas), 아우레오바시디움(Aureobasidium), 아조히드로모나스(Azohydromonas), 아조스피릴룸(Azospirillum), 아조토박터(Azotobacter), 바실루스(Bacillus), 베지아토아(Beggiatoa), 베이제린키아(Beijerinckia), 베넥케아(Beneckea), 브라키모나스(Brachymonas), 브라디리조비움(Bradyrhizobium), 버크홀데리아( Burkholderia), 카료파논(Caryophanon), 카울로박터(Caulobacter), 클로로플렉서스(Chloroflexus), 클로로글로에아(Chlorogloea), 크로마티움(Chromatium), 크로모박테리움(Chromobacterium), 클로스트리디움(Clostridium), 코마모나스(Comamonas), 코리네박테리움(Corynebacterium), 쿠프리아비더스(Cupriavidus), 시아노박테리움(Cyanobacterium), 데플루비이코커스(Defluviicoccus), 데르시아(Derxia), 델프티아(Delftia), 엑토티오로도스피라(Ectothiorhodospira), 어위니아(Erwinia), 에쉐리키아(재조합 및 야생 타입), 페로바실루스(Ferrobacillus), 감포스페리아(Gamphospheria), 글로에오캅사(Gloeocapsa), 글로에오테스(Gloeothece), 해모필러스(Haemophilus), 할로박테리움(Halobacterium), 할로아큘라(Haloarcula), 할로페락스(Haloferax), 할로모나스(Halomonas), 할로콰드라텀(Haloquadratum), 할로테리게나(Haloterrigena), 히드로게노파가(Hydrogenophaga), 히포미크로비움(Hyphomicrobium), 클렙시엘라(Klebsiella) (재조합), 람프로시스티스(Lamprocystis), 람프로페디아(Lampropedia), 렙토트릭스(Leptothrix), 레지오넬라(Legionella), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로박테리움(Methylobacterium), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로비브리오(Methylovibrio), 마이크로코커스(Micrococcus), 마이크로코레우스(Microcoleus), 마이크로시스티스(Microcystis), 마이크로루나투스(Microlunatus), 마이크로보레우스(Microvoleus), 모락셀라(Moraxella), 미코플라나(Mycoplana), 니트로박터(Nitrobacter), 니트로코커스(Nitrococcus), 노카르디아(Nocardia), 노스톡(Nostoc), 오셔노스피릴룸(Oceanospirillum), 오실라토리아(Oscillatoria), 파라코커스(Paracoccus), 파우시스피릴룸(Paucispirillum), 페도미크로비움(Pedomicrobium), 포토박테리움(Photobacterium), 프로토모나스(Protomonas), 슈도모나스(Pseudomonas), 랄스토니아(Ralstonia), 리조비움(Rhizobium), 로도박터( Rhodobacter), 로도코커스(Rhodococcus), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas), 로도스피릴룸(Rhodospirillum), 루브리비박스(Rubrivivax), 사카로파구스(Saccharophagus), 쉬노리조비움(Shinorhizobium), 스파에로티루스(Sphaerotilus), 스피릴룸(Spirillum), 스피룰리나(Spirulina), 스타필로코쿠스(Staphylococcus), 스텔라(Stella), 스트렙토마이세스(Streptomyces), 시네초코쿠스(Synechococcus), 신트로포모나스(Syntrophomonas), 티오바실루스(Thiobacillus), 티오캅세(Thiocapse), 티오코쿠스(Thiococcus), 티오시스티스(Thiocystis), 티오딕타이온(Thiodictyon), 티오페디아(Thiopedia), 티오스파에라(Thiosphaera), 바리오보락스(Variovorax), 비브리오(Vibrio), 와우테르시아(Wautersia) (현재는 쿠프리아비두스(Cupriavidus)), 잔토박터(Xanthobacter), 및 주글로이아(Zoogloea)이 PHA를 생산하고 축적하는데 사용될 수 있다(예컨대, 문헌[Koller, Food Technol. Biotechnol. 2010, 48, 255-269] 참조).

생산된 PHA의 성질은 사용된 미생물 균주 및 박테리아 성장 및 축적을 지지하는 영양분으로 기능하는 폐수 농축물 내의 탄소 원에 의존한다. 적합한 영양분은 당류, 예컨대, 프록토오스, 글루코오스, 자일로스, 수크로오스, 락토오스; 예컨대, 아세트산, 프로피온산, 및 부티르산, 락트산, 라우르산, 미리스트산, 올레산, 팔미트산, 스테아르산, 발레산 및 4-히드록시헥산 산을 포함하는 유기산, 예컨대, 휘발성 지방산 (VFA); 알콜 및 폴리알콜, 예컨대, 글리세롤 및 1,3-부탄디올; 및 가스, 예컨대, 메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 알콜과 같은 저분자, VFA 및 당류는 본원에서 설명한 여과/역삼투압 공정에 의해 폐수로부터 효과적으로 분리된다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 생산된 일반적인 폐수 농축물은 많은 이들 영양분을 포함할 것이며, 따라서, 박테리아성 PHA 생산을 위한 원료로 기능할 수 있다.

바람직한 실시태양에서, 폐수는 OMW이고, RO 농축물은 당류 및 VFA를 포함한다.

이러한 탄소 원으로부터 PHA를 효과적으로 축적할 수 있는 박테리아 종은 아조히드로모나스 아우스트랄리카(Azohydromonas australica), 아조히드로모나스 라타(Azohydromonas lata) (종전의 알칼리게네스 라터스(Alcaligenes latus)), 아조토박터 베이제린키이(Azotobacter beijerinckii), 아조토박터 크로코쿰(Azotobacter chrococcum), 아조토박터 비넬란디이(Azotobacter vinelandii), 바실루스 메가테리움(Bacillus megaterium), 바실러스 속종(Bacillus sp.), 버크홀데리아 세파시아(Burkholderia cepacia)(종전의 슈도모나스 멀티보란스(Pseudomonas multivorans) 및 슈도모나스 세파시아(Pseudomonas cepacia)), 카울로박터 비브리오이데스(Caulobacter vibrioides), 코마모나스 속종(Comamonas sp.), 커프리아비더스 네카토르(Cupriavidus necator)(종전의 히드로게노모나스 유트로파(Hydrogenomonas eutropha), 알칼리게네스 유트로퍼스(Alcaligenes eutrophus), 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha) 및 와우테르시아 유트로파(Wautersia eutropha)), 할로모나스 볼리비엔시스(Halomonas boliviensis), 히드로게노파가 슈도플라바(Hydrogenophaga pseudoflava), 노보스핀고비움 니트로게니피겐(Novosphingobium nitrogenifigen), 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 리조비움 멜릴로티(Rhizobium meliloti)를 포함한다.

바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법에서 사용되는 박테리아 종은 아조토박 터 비넬란디이이다. 다른 바람직한 실시태양에서, 본 발명에서 사용되는 박테리아 균주는 아조토박터 비넬란디이 UWD이다. 천연 탄소원에 추가되는 다른 단량체가 없으면, 아조토박터 비넬란디이 종에 의해 축적되는 중합체는 폴리-3-히드록시-부티레이트 (PHB) 단쇄 길이 (scl) PHA이다. 특정 실시태양에서, 3-히드록시-부티레이트 (3-HB) 외의 특이 단량체가 박테리아 소화에 추가된다. 이러한 추가적인 단량체의 비제한적인 예는 3-히드록시발레레이트 (3-HV)이며, 이는 공중합체 폴리(3-HB-co-3-HV) (PHB-HV)의 생산을 이끈다. 최종 PHB-HV 공중합체의 HV 단량체의 백분율이 원하는 성질, 예컨대, 원하는 열역학적 성질을 공중합체 생성물에 부여하기 위해 선택될 수 있다. 특정 박테리아 종, 예컨대, 커프리아비더스 구층은 외인성 히드록시산 단량체의 첨가없이 천연 탄소원으로부터 공중합체를 직접 생산한다.

본 발명에서, 바이오폴리머, 예컨대, PHA의 박테리아성 생산은 혐기성 분해 단계 및 호기성 분해 단계로 구성되고, 각각은 상이한 바이오반응기 내에서 바람직하게 수행된다. 각각의 단계는 바람직하게는 본 기술분야에서 공지된 적합한 온도 및 pH 조절에서 수행된다. 소화 단계 처리되는 스트림은 상술한 RO 농축물이고, 임의로는 기타 농축물, 예컨대, UF 농축물 및/또는 NF 농축물과 배합된다.

일 실시태양에서, 최초 공급물은 혐기성 분해 처리되어, 부분 당 발효에 의해 VFA의 농도가 증가되고, 산 발효 공정으로 알려진 공정을 통해 주로 아세트산, 프로피온산 및 부티르산을 생산한다. 이 과정은 박테리아가 제2 호기성 분해에서 이중영양적 생장을 하도록 한다. 혼합 미생물 배지를 포함하는 신선한 슬러지가 접종물질로서 최초 공급물에 추가되어 혐기성 분해 및 산 발효 공정을 시작한다. 슬러지는 바람직하게는 산업용, 도시용 또는 농장용 슬러지, 예컨대, 도시 폐수 처리 플랜트로부터의 슬러지이다. 슬러지는 혐기성 분해 공정을 촉발시킨다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 혐기성 조건이 비활성 가스, 예컨대, 헬륨 또는 아르곤을 시작 혼합물에 버블링하는 것에 의해 만들어진다.

온도 및 초기 pH 값은 산 발효 공정 수득률을 최대화하기 위해 선택되고, 시작 공급물의 조성에 따라 달라진다. 바람직한 실시태양에서, 임의로 UF 및/또는 NF 농축물과 혼합된 OMW RO 농축물의 pH는 4.5 내지 6.0 범위이고, 온도는 항온조에 의해 원하는 값으로 유지된다. 특정 실시태양에서, 온도는 25-45 ℃ 범위, 바람직하게는 약 37 ℃에서 유지된다.

또 다른 바람직한 실시태양에서, 산 생성 단계는 용액 내의 VFA의 농도를 증가시키기에 충분한 시간 주기 동안 수행된다. 특정 실시태양에서, 산 생성 단계는 약 24 내지 약 48 시간, 바람직하게는 약 24 내지 약 30 시간, 그리고 더욱 바람직하게는 약 27 시간 동안 수행된다. 이 시간의 말에, 혐기성 소화된 용액이 임의로 추가 처리된 후, 선택된 박테리아성 균주에 의한 접종 후에 호기성 분해 처리된다.

바람직한 실시태양에서, 혐기성 소화된 용액이 호기성 분해에 앞서 추가 처리되어 현탁 고향물이 제거되고, pH가 조절되고/되거나 물리적으로 소독된다. 예를 들어, 특정 실시태양에서, 혐기성 소화된 용액은 용액에 현탁되어 있을 수 있는 거친 고형물 입자를 제거하기에 충분한 시간동안 충분히 높은 속도, 바람직하게는 2 내지 20분간 2000-9000 rpm 범위의 속도에서, 더욱 바람직하게는 10 분간 8000 rpm의 속도에서 원심분리된다. 다른 바람직한 실시태양에서, 원심분리에서 생성된 상청액의 pH는 약 6.0 내지 8.0 범위, 더욱 바람직하게는 약 7.0의 값으로 조절된다. 특정 실시태양에서, pH는 염기성 수용액, 예컨대, 수성 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액 또는 임의의 기타 염기를 첨가하는 것에 의해 조절된다. 수산화 암모늄 또한 용액에서 질소원으로 기능할 수 있다. 다른 바람직한 실시태양에서, pH-조절된 용액은 물리적 막 여과에 의해 살균되어서 호기성 분해 단계에서 선택된 박테리아 균주 외의 미생물의 생장을 방지한다. 예를 들어, 0.2 ㎛ 이하의 공극 수치를 가지는 중합성 막이 물리적 살균에 사용될 수 있다.

바람직한 실시태양에서, 상술한 대로 임의로 추가 처리된 후, 혐기성 소화된 용액은 제2 바이오 반응기로 보내어져서 선택된 박테리아 균주가 접종된 후 호기성 소화된다.

출원인은 본원에서 설명한 여과/RO 공정에 의해 당류 및 기타 저분자가 시작물질 폐수에 비해 5 내지 7배 농축된 RO 농축물을 생산할 수 있어서, 박테리아성 바이오폴리머, 예컨대, PHA의 생산 및 세포 간 축적에 매우 바람직한 농축된 영양 배지를 제공할 수 있음을 발견하였다.

본 발명의 바람직한 실시태양에서, 혐기성 소화된 용액은 상술한 바와 같이 pH 처리 및 살균된 후에, 탈이온수로 희석되어서 호기성 분해 단계에서 PHA를 생산하기위한 최적의 조건을 획득한다. 바람직한 실시태양에서, 혐기성 소화된 용액의 부피 대 첨가된 탈이온수의 부피의 비는 1.0 내지 99.0 % 범위에 있다. 또 다른 바람직한 실시태양에서, 이 비는 70 % v/v 미만, 바람직하게는 10 내지 50 % v/v 범위이다. 또 다른 바람직한 실시태양에서, 이 비는 20 내지 40 % v/v 범위이다. 폐기물 스트림 농축물을 더 적게 희석할수록, 동일한 시작 폐수량으로부터 동일한 양의 바이오폴리머, 예컨대 PHA를 생산하는데 필요한 부피가 더 적어진다.

본 발명에 따르면, pH 조절 및 살균 후에 임의로 희석된 혐기성 소화된 폐기물 스트림 농축물은 선택된 박테리아 균주가 접종된 후 호기성 분해 처리된다. 바람직한 실시태양에서, 박테리아 균주는 아조토박터 비넬란디이 UWD (Azotobacter vinelandii UWD)이다. 선택된 박테리아 균주가 바이오반응기에 추가되기에 앞서 동일 배지, 즉, 혐기성 소화된 폐기물 스트림 농축물에서 전 배양(pre-grown)되어 접종에 바람직한 세포 밀도가 얻어진다. 또 다른 바람직한 실시태양에서, 10⁶세포/mL의 접종물이 사용된다. 호기성 분해는 바이오폴리머, 예컨대, 세포 내 PHA의 축적을 최대화하고, 접종 시간이 너무 긴 경우 일어날 수 있는 박테리아 세포의 용해에 의해 축적된 바이오폴리머가 성장배지로 결과적으로 분산되는 것을 막기에 충분한 시간동안 바람직하게 계속된다. 바람직한 실시태양에서, 접종은 약 24 내지 120 시간의 범위에서 수행된다. 더욱 바람직한 실시태양에서, 접종은 약 48 내지 96 시간동안 수행된다.

호기성 배양 말기에, 세포 내 축적된 바이오폴리머, 예를 들면, PHA, 과립이 추출되어 바이오폴리머 생성물이 회수된다. 바람직한 실시태양에서, 박테리아 세포와 세포 내 축적된 바이오폴리머를 포함하는 호기성 분해에서 생산된 바이오매스는 원심분리에 의해 분리되고, 바람직하게는 포스페이트 완충용액으로 세척되고, 예컨대, 진공에서 또는 동결건조에 의해 건조된다. 그 후, 건조된 바이오매스는 박테리아 세포 막을 용해시켜 세포 내 바이오폴리머 과립을 추출하는 것을 포함하는 추출공정으로 바람직하게는 처리된다. PHA를 추출하기에 적합한 방법은 예를 들면, 염소계 용매, 예컨대, 클로로포름, 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 또는 아세톤 및 1,2-프로필렌 카르보네이트, 또는 비할로겐계 용매, 예컨대, 메틸-t-부틸 에테르, 이소아밀 프로피오네이트, 이소아밀 발레레이트 및 프로필 부티레이트를 사용한 용매 추출; 예를 들면, 계면활성제 또는 염, 예컨대, 치아염소산 나트륨을 사용한 비용매 소화 방법; 혼합용매 소화 추출; 효소 소화; 예를 들면, 초임계 이산화탄소, 암모니아, 또는 메탄올을 사용한 초임계 유체 (SCF) 추출; 예를 들면, 비즈 밀 또는 고압 균질화 처리를 사용한 기계적 추출; 초음파 처리 또는 감마선 노출을 포함한다.

선택된 추출 방법은 추출된 바이오폴리머 특성 중 화학적 특성에 영향을 미친다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 추출방법은 추출된 바이오폴리머의 바람직한 특성을 유지하면서, 바람직하게는 생태학적 양성(benign) 공정을 유지하면서 추출 수득율을 최대화하기 위해 선택된다.

바이오폴리머가 PHA인 경우, 백색 분말 형태로 분리되고, 종래의 플라스틱 제조 공정에 의해 가공될 수 있다. 본 출원인은 상술한 방법, 즉, OMW의 RO 농축물의 아조토박터 비넬란디이 UWD(Azotobacter vinelandii UWD)에 의한 박테리아성 소화에 의해 생산된 PHA가 폴리(3-히드록시부티레이트)라는 것을 밝혀냈다.

상술한 바와 같이 생산된 PHA는 바이오 복합체의 매트릭스로 사용될 수 있으며, 여기에서 첨가제는 PHA를 생산하는데 사용된 것과 동일한 공정의 생성물인 천연 제제를 포함한다. 바람직한 실시태양에서, 이러한 첨가제는 MF 농축물에서 회수된다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 방법, 예컨대, 원심분리를 사용하여 폐수 스트림으로부터 천연 첨가제를 회수하는 것을 고려한다.

천연 첨가제와 상술한 방법에 따라 생산된 PHA 바이오-매트릭스가 회수되면, 이들을 배합해서 바람직한 복합체를 획득한다. 천연 첨가제는 복합체에 대해 의도된 적용에 따라 상이한 양 및 형태로 바이오폴리머 매트릭스에 추가될 수 있다. 또한, 복합체의 제조는 다수의 기술에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 복합체는 용매 중량에 대해 0.1 내지 20 % w/w, 바람직하게는 1 내지 5 % w/w 범위의 PHA 농도, 및 PHA를 용해할 수 있는 용매 또는 혼합용매, 예컨대, 불소화 유기용매, 예컨대, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올 및 염소화 유기용매, 예컨대, 클로로포름 및 디클로로메탄 내의 적절한 첨가제 농도, 예컨대, PHA 및 첨가제의 총 질량에 대해 0.1 내지 49.9 % w/w, 바람직하게는 10 내지 40 % w/w를 가지는 현탁액으로부터 캐스팅에 의해 박막 형태로 제조된다.

다른 바람직한 실시태양에서, 복합체는 유기용매를 사용하지 않고 제조된다. 예를 들어, PHA 매트릭스는 그 용융점, 일반적으로 170-180 °C 범위 또는 PHA 용융을 유도하기 위해 수반되는 기계적 압력의 적용과 함께 저온까지 가열되어 최종 복합체가 균질화될 수 있다. 이 실시태양에서, PHB 매트릭스는 가열되거나 임의로 가압되어 용융된 경우, 천연 첨가제에 대해 점성 분산 매트릭스로 작용하고, 원하는 형태, 바람직하게는, 시트 형태 또는 농업용 물품 또는 패키징용 물품의 제조에 사용될 수 있는 상이한 형상의 컨테이너로 변형되고, 균질화되고, 실온으로 냉각될 수 있다. 유기용매 없이 또는 이의 제한된 사용으로 복합체를 제조하는데 적합한 기술은 핸드/습윤 레이업 방법(hand/wet lay-up method), 압출, 인발성형(pultrusion), 용접, 배합, 적층, 압출, 주입 및 진공백 성형법 및 가열 프레싱을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

바람직한 실시태양에서, 천연 첨가제가 미세한 마이크로 크기의 실질적으로 단분산된 분체 형태로 첨가된다. 다른 바람직한 실시태양에서, MF에 의해 회수된 천연 첨가제의 크기조절은 건조된 응집 분체를 기계적 압력 처리 및, 임의로 고에너지 비즈 밀링 처리함으로써 달성된다. 다른 형태의 첨가제가 폐수로부터 분리된 후 그리고 최종 복합체 내의 PHA 매트릭스에 첨가되기 전의 천연 첨가제의 전처리에 따라 복합체를 제조하는데 적절하다.

PHA 매트릭스 및 천연 첨가제가 상반된 용해 특성을 가지기 때문에, 이들간의 계면적 접착력을 개선시키기 위해서 커플링제와 가소제가 임의로 사용될 수 있다. 특정 실시태양에서, 이러한 제제는 최종 바이오 복합체의 녹색 본성, 생분해성, 분해도(compostability) 및/또는 생체적합성을 보존하기 위해 선택된다. 이러한 제제의 예는 글리세롤을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 바람직한 실시태양에서, 글리세롤이 천연 커플링제 및 가소제로 사용되어 PHA 매트릭스 내로의 첨가제 용해도를 증가시키고, PHA의 메짐(brittleness)를 감소시켜서 가소성 측면에서 최종 복합체의 기계적 특성을 개선시킨다. 글리세롤은 지방산의 자연 형태인, 글리세라이드 (단일-,디- 및 트리-)에 존재하는 풍부한 천연 화학물질이고, 바이오디젤 생산의 부산물(최종 바이오디젤에 대해 10 % w/w)이기 때문에, 녹색 바이오 복합체에서 제제로 사용되기에 이상적인 후보물질이다.

PHA에 대해 바람직하게는 0.1 내지 30 % w/w로, 더욱 바람직하게는 7-25 %로 최종 바이오 복합체에서 글리세롤을 사용하면, 최종 생성물의 메짐이 현저히 감소하여, 유순화(amenable)되어 종래 플라스틱 제조 기술에 의해 다양한 형태로 형상화될 수 있게된다. 글리세롤 또는 기타 제제를 사용하여 바이오 복합체의 특성을 개선시키는 것은 선택적이다.

리그닌 및 셀룰로오스 분획물이 주성분인 MF 천연 첨가제 조성물이 최종 복합체의 강성 또는 연성을 변형시키는 관점에서 바이오폴리머 매트릭스에 상이한 특성을 부여하기에 적합하다. 이러한 생성물은 바이오폴리머 매트릭스 그 자체와 상이한 특성을 가진다. 최종 바이오폴리머 매트릭스 복합체 내로 혼입되는 천연 첨가제의 질량과 형상은 바람직한 적용에서 복합체에 대해 원하는 기계적 특징을 얻으면서 그 생분해성과 분해도를 유지하기 위해 다양화될 수 있다. 후자의 특성은 최종 복합제 및 이의 농업 및 패키징에의 적용에 있어서 매우 중요하다. PHA 매트릭스 자체는 매립시 및 호수, 해수 및 토양에서 6개월 내에 완전히 분해될 수 있다. PHA 매트릭스 분해는 환경 내에서 복합체에 함유된 천연 첨가제가 분산하도록 한다. 출원인은 시작 폐수로부터 MF 또는 기타의 상술한 기술에 의해 회수된 천연 첨가제가 퇴비로 사용되기에 적합한 물질이기 때문에, 이러한 거동이 본 발명의 목적인 복합체의 분해도를 증가시킨다는 것을 발견했다. 따라서, 하기에 더욱 상세히 기재되는 본 출원에서 이러한 바이오 복합체를 사용하는 것에 의한 이점은 폐기되고 생분해되어 준-제로(quasi-zero) CO₂ 방출을 하는 생 변형 주기, 즉, 준 천연 탄소 주기가 완료되는 제품 수명 주기 말기의 바이오 복합체 폐기 물질의 높은 능력에 관한다. 출원인은 본 발명이 또한 비용적인 관점에서 산업 유관된 유리한 완전-천연물질을 제공한다는 것을 밝혀냈다. 사실, 본 발명의 바이오 복합체 물체는 PHA-계 제품에서 대체물로 사용되기에 적합하다. PHA 시장 적응에서의 주된 한계점 중 하나는 확실히 화석 탄소계 중합체, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등에 대한 대체물로서 이를 사용하는 것을 제한하는 높은 비용에 관련된다. 본 발명에서, 폐수 스트림에서 추출된 천연 첨가제의 시장 잠재 비용은, 이들 천연 첨가제가 퇴비 물질로 판매되는 경우, 질량 단위 당 PHA의 시장 가격보다 대략 세자릿수가 더 작다. 이러한 천연 첨가제가 최대 50 질량%의 백분율로 최종 복합체에서 사용되기 때문에, 복합체 비용은 질량 단위 당 PHA 자체에 대해서 반으로 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명의 복합체 물체로 만들어진 제품은 순수 PHA로 만들어진 그에 상응하는 제품보다 덜 비싸면서도, 생분해성을 유지하고, 향상된 분해도를 가지고, 변형가능한 기계적 특징을 가진다.

일 실시태양에서, 본 발명은 바이오폴리머 복합체에 관한 것이다. 일 실시태양에서, 바이오폴리머 복합체는 본 발명의 방법에 의해 생산된다.

특정 실시태양에서, 바이오폴리머 복합체는 PHA, 예컨대, 폴리(3-히드록시부티레이트) 또는 폴리(3-히드록시부티레이트-코-3-히드록시발레레이트)를 포함한다. 특정 실시태양에서, 바이오폴리머 조성물은 바람직하게는 예컨대, 리그닌 및/또는 셀룰로오스를 포함하는 유기 미립자를 추가로 포함한다. 특정 실시태양에서, 미립자는 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수치를 가진다. 일 실시태양에서, 미립자는 PHA 및 미립자의 총 질량에 대해 0.1 내지 49.9 % w/w, 바람직하게는 약 10 내지 약 40 % w/w의 양으로 복합체 내에 존재한다.

본 발명의 바이오 복합체는 적용, 예컨대, 농업 및 일반적으로는 패키징에 사용되는 제품 군을 제조하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 짧은 수명 주기를 가져서, 매립되어 버려지고 큰 부피의 폐기물을 발생시키거나 토양과 직접 접촉하게 될 운명이고, 환경오염을 예방하기 위해 제거되어야 하는 종래의 플라스틱 제품이 본 발명의 바이오 복합체로 이롭게 만들어질 수 있다. 주된 이점은 제품 수명의 말기에 바이오 복합체가 천연 혐기성 및 호기성 미생물성 분해 공정에 의해 분해되고, 따라서, 오염 잔여물을 발생시키지 않고 환경에서 안전하게 제거될 수 있다는 것이다. 따라서, 물질이 효율적으로 생분해된다; 이들은 사용된 후에 제거될 필요가 없고 완전히 생분해될 때까지 이들이 사용된 자리에 단순히 남겨질 수 있기 때문에 토양 및 식물과 접촉하는 농업용 제품으로 이롭다. 순수 PHA계 물질에 비해, 이들은 덜 비싸고, 토양으로 유기물질을 전달할 수 있다, 즉, 바이오폴리머 매트릭스의 생분해에 따라 복합체 내에 함유된 천연 첨가제가 방출된다.

본 발명의 복합체로 만들어질 수 있는 제품의 예는 저장 및 패키징 컨테이너, 필름, 가방, 컵, 접시, 식기 및 농업용 제품을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 복합체로 만들어질 수 있는 농업용 제품의 예는 토양에 식물을 남겨둔 후 토양에 남겨져서 시간이 지나면 생분해될 수 있는 식물이식 컨테이너 및 서브-대지 팟(sub-ground pot); 부식 및 습기 조절을 위한 커버 필름 및 식물 성장 주기 후에 제거될 필요가 없는 뿌리 덮개; 토양 및 식물 또는 씨앗과 접촉되는 봉지, 그물 및 노끈; 새 또는 거친 조건으로부터 씨앗을 보호하는데 사용될 수 있는 조절된 분해 속도를 가지는 씨앗용 필름, 랩 또는 봉지; 바이오폴리머 복합체의 생분해에 따라 토양 내로 화학물질 또는 바이오-활성 물질이 서방출 조절되기 위해 화학물질 또는 바이오-활성 물질이 미리 로딩된 다양한 농업용 물품; 및 습도, 온도, 및 식물의 UV 노출을 조절하기 위한 수경재배용 또는 온실용 커버 또는 텐트로서의 필름을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

상술한 제품들은 순수 PHA 대신에 원료물질로서, 향상된 제품 수명 사이클 말기의 폐기물질의 분해도 및 생분해성을 가지고, 바이오 복합체 내의 천연 첨가제의 양을 조절하는 것에 의해 기계적 특성을 조절가능한 본 발명의 바이오 복합체를 사용하여, 저비용의 원료물질로 편리하게 생산된다.

상술한 적용분야에서 본 발명의 바이오 복합체를 사용하는 것의 이점은 본 명세서에서 설명한 통합 공정에 의해 이러한 특정 폐수 스트림으로부터 가소성이고, 생분해성, 분해가능하고 저비용인 원료물질을 생산하는 이점과 합해진다. 따라서, 비용과 성능 면에서 산업적으로 적용가능한 물질, 예컨대, 본 발명의 바이오 복합체는 환경적으로 안전하고, 탄소 중립 공정으로 생산되고, 오염을 발생시키지 않는다. 사실, 바이오복합체의 생산은 산업 공정에서 나온 폐수 스트림을 효율적으로 처리하고 그로부터 가치를 추출하는 것에 의해 오염을 효과적으로 감소시킨다.

실시예

올리브 밀 폐수 (OMW)를 거대 공극 필터(0.5 mm 공극 크기)를 통해 10 L/시간의 속도로 통과시켜서 거친 현탁 고형물을 제거하고 후속 단계에서의 막 오염을 제한하였다. 전 처리한 OMW를 그 후 투석여과 기술을 사용하여 미세여과(MF), 한외여과 (UF) 및 역삼투압 (RO) 처리하였다. 모든 공정들을 제어된 온도 (열 교환기를 사용하여 20°C) 및 N₂ 대기 하에서 수행하였다. 미세여과를 위해 총 면적 8 m²를 가지는 관형 폴리프로필렌 막(컷-오프 0.1-0.3 ㎛)를 사용하였다. 한외여과를 위해 총 면적 16 m² 및 7 kDa의 컷-오프를 가지고 폴리술폰 잔기와 폴리아미드로 만들어진 두 개의 나선형 막을 사용하였다. 역삼투압을 위해 듀라산(Durasan™) 및 폴리술폰을 포함하고 총 면적 9 m²를 가지는 나선형 박막형 막 (TEM)을 사용하였다. 올리브 밀 폐기물 스트림 기원, 미세여과 투과물 (MFP) 및 역삼투압 농축물 (ROC)의 특징을 아래 표에 제시한다.

	COD (mg/L) O₂)	Total N (g/L)	pH	환원당 (g/L)
OMW	81568	0.93	5	0.74
MFP	77344	0.3	4.96	1.09
ROC	331360	0.98	5.26	8.4

MF 농축물을 밀한 녹갈색 슬러지의 형태로 회수한 후, 공기에서 건조하고, 결과적으로 고에너지 비즈 밀에서 미세 균질화하였다. 분리된 고형물에 대한 고체 상태 FT-IR (3400 cm^-1 넓은 밴드 υO-H; 2925, 2855 cm^-1 υC-H; 1745, 1630 cm^-1 υC=O; 1550-800 cm^-1 υC=N + υC=C + υC-N + υC-O + υC-C ; υC-H + υO-H + υN-H; 일반적으로 탄수화물인 1050 cm^-1에서 중심인 강한 흡수 밴드, 다당류, 및 방향족 에테르) 및 TGA (동역학: 10°C/분에서 5°C-900°C; N₂ 유동: 50 mL/min) 분석은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 존재를 나타냈다.

RO 농축물을 고체상 추출로 처리하여 가용성 폴리페놀을 제거하여, 그 최종 농도를 0.15 g/L로 낮추었다. RO 농축물 내의 총 환원당 농도는 8.4 g/L로 측정되었고 pH는 5.26이었다. 항온조 및 가스 유입구 및 배출구가 구비된 유리 바이오반응기에서 혐기성 분해를 실시하였다. RO 농축물을 바이오반응기에 투하하고 활성화된 새로운 슬러지를 첨가하여(초기 COD 값에 대해 10% w/w), 혐기성 발효를 시작하였다. 발효를 시작하기 전에, 배지를 헬륨으로 20 분간 퍼징하여 용존 산소를 제거하였다. 선택된 시간, 일반적으로 24 내지 48 시간 동안 37°C에서 부드럽게 연속 교반하면서 혐기성 분해를 실시하였다. 이 시간의 말에, 소화된 스트림을 10 분간 8000 rpm으로 원심분리하고, 스트림을 0.2 ㎛의 공극 크기를 가지는 중합성 막을 통해 통과시켜서 살균하였다. 생성된 배지를 두번 증류된 물로 원하는 농도(예, 20%, 40%, 60%, 80% v/v)로 희석하고, 살균 조건에서 NH₄OH 농축용액을 적하하여 pH를 7.2로 조절하였다.

아조토박터 비넬란디이 UWD (Azotobacter vinelandii UWD) 균주에 의한 호기성 분해를 위한 기재로 희석된 배지를 사용하였고, 아조토박터 비넬란디이 UWD (Azotobacter vinelandii UWD) 균주를 동일한 액체 스트림 안에서 사전-성장시킨 후, 10⁶ 세포/mL의 농도로 접종하였다. 세포 내 PHA 축적을 최대화하기 위한 시간이고, 일반적으로는 24 내지 120 시간인 바람직한 시간 동안 호기성 분해를 지속하였다. 이 주기 말기에, 10 분간 8000 rpm에서 원심분리하여 고형물 바이오매스를 회수하고 동결건조였다. 세포 내 바이오폴리머의 회수를 위해 수성 NaClO 용액을 사용하여 세포 막을 약화시키고, 막 파열을 용이하게 하여, 세포 내에 축적된 고체 폴리(히드록시부티레이트) (PHB)를 종래 추출 방법의 변형에 의해 추출하였다. 생성된 PHB를 결정화에 의해 임의로 정제하였다. 분리된 고형물을 ¹H-NMR (600MHz, CDCl₃: 5.24 sex, 1H; 2.51, m, 2H; 1.25, d, 3H)으로 분석하여, 얻어진 폴리머의 구조가 폴리-3-히드록시부티레이트임을 확인하였다. 얻어진 생성물의 성질을 열 분석으로 (m.p. = 175 °C (DSC), Tg = 3-4 °C (DSC), Td = 274 °C (TGA)) 추가로 확인하였다.

상술한 대로 MF 단계에서 분리한 고형 물질을 바람직한 백분율로 PHB 매트릭스 복합체에서 첨가제로 사용하였다. 일반적인 과정에서, OMW를 상술한 대로 미생물성 소화시켜 생성된 PHB (200 mg) 및 글리세롤 (20 mg)을 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올에 초음파 및 온열에 의해 용해시켜서 2% w/w의 최종 PHB 농도를 얻었다. PHB의 완전 용해 후에, MF에서 분리한 고형 물질 (80 mg)을 용액에 첨가하고, 균질한 점성 분산액이 얻어질 때까지 용액을 격렬하게 교반하였다. 페트리 접시에 분산액을 캐스팅하고 용매가 완전히 증발될 때까지 수분간 60°C에서 가열하여 PHB계 폴리머 복합체를 박막 형태 (5-20 ㎛ 두께)로 형상화했다.

본 발명은 바람직한 실시태양을 참고하여 설명되고 구체적으로 나타내어졌으며, 기술분야의 통상의 기술자에 의해 형식 및 세부사항에 있어서 다양한 변형이 첨부된 특허청구범위에 포함되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 그 범위 안에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

없음

Claims

바이오폴리머의 생산 방법으로서,
(a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를
(i) 미세여과하여 투과물 및 농축물을 생산하는 단계;
(b) 최종 투과물을 역삼투로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 상기 최종 농축물은 유기 탄소를 포함하는 단계;
(c) 최종 농축물을 바이오폴리머를 생산하는 미생물성 호기성 분해를 포함하는 생물학적 공정으로 처리하여 바이오폴리머를 포함하는 바이오매스를 생산하는 단계; 및
(d) 바이오폴리머를 바이오매스로부터 분리하는 단계
를 포함하는 방법.
바이오폴리머 매트릭스 복합체 생산 방법으로서,
(a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를 제공하는 단계;
(b) 폐수를
(i) 미세여과하여 투과물 및 농축물을 생산하는 단계;
(c) 최종 투과물을 역삼투로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 상기 최종 농축물은 유기 탄소를 포함하는 단계;
(d) 단계 (b)(i)의 농축물로부터 미립자를 분리하는 단계;
(e) 최종 농축물을 호기성 분해를 포함하는 생물학적 공정으로 처리하여 바이오폴리머를 생산하는 단계; 및
(f) 단계 (d)의 미립자와 바이오폴리머를 배합하여 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 생물학적 공정은 혐기성 분해를 추가로 포함하는 방법.
바이오폴리머 매트릭스 복합체 생산 방법으로서,
(a) 유기 탄소 및 유기 고형물을 포함하는 폐수를
(i) 미세여과하여 투과물 및 농축물을 생산하는 단계;
(b) 최종 투과물을 역삼투로 처리하여 최종 농축물을 생산하고, 상기 최종 농축물은 유기 탄소를 포함하는 단계;
(c) 단계 (a)(i)의 농축물로부터 미립자를 분리하는 단계;
(d) 최종 농축물을 혐기성 분해로 처리하는 단계;
(e) 단계 (d)의 생성물을 미생물에 의한 호기성 분해로 처리하여 바이오폴리머를 포함하는 바이오매스를 생산하는 단계;
(f) 바이오폴리머를 바이오매스로부터 분리하는 단계; 및
(g) 단계 (c)의 미립자와 바이오폴리머를 배합하여 바이오폴리머 매트릭스 복합체를 생산하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (i)의 투과물을
(ii) 한외여과; 및
(iii) 나노여과
중에서 선택된 적어도 하나의 공정으로 처리하는 단계로서,
각각의 단계 (ii) 및 (iii)은 유기 탄소 및 추가의 농축물을 포함하는 추가의 투과물을 생산하고, 단계 (i), (ii) 및 (iii) 중의 최종 단계의 투과물은 최종 투과물이고; 각각의 단계 (ii) 및 (iii)에 대한 투입물은 직전 단계의 투과물인 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 폐수는 올리브 밀(olive mill) 폐수인 방법.
제1항에 있어서, 바이오폴리머는 폴리(히드록시알카노에이트)인 방법.
제7항에 있어서, 폴리(히드록시알카노에이트)는 폴리(3-히드록시부티레이트)인 방법.
제7항에 있어서, 폴리(히드록시알카노에이트)는 3-히드록시부티레이트 및 제2 단량체의 공중합체인 방법.
제9항에 있어서, 제2 단량체는 3-히드록시부티레이트 외의 히드록시알카노에이트인 방법.
제10항에 있어서, 제2 단량체는 3-히드록시발레레이트인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (a) 이전에, 폐수를 처리하여 거친(coarse) 현탁 고형물 및 에멀젼 중 하나 또는 모두를 제거하는 방법.
제4항에 있어서, 단계 (e)의 미생물은 아시도보락스(Acidovorax), 아시네토박터(Acinetobacter), 악티노바실러스(Actinobacillus), 악티노마이세테스(Actinomycetes), 에로모나스(Aeromonas), 알칼리게네스(Alcaligenes), 알로크로마티움(Allochromatium), 아나베나(Anabaena), 아파노테스(Aphanothece), 아쿠아스피릴룸(Aquaspirillum), 아스티카울루스(Asticcaulus), 악소박터(Axobacter), 아조모나스(Azomonas), 아우레오바시디움(Aureobasidium), 아조히드로모나스(Azohydromonas), 아조스피릴룸(Azospirillum), 아조토박터(Azotobacter), 바실러스(Bacillus), 베지아토아(Beggiatoa), 베이제린키아(Beijerinckia), 베넥케아(Beneckea), 브라키모나스(Brachymonas), 브라디리조비움(Bradyrhizobium), 버크홀데리아( Burkholderia), 카료파논(Caryophanon), 카울로박터(Caulobacter), 클로로플렉서스(Chloroflexus), 클로로글로에아(Chlorogloea), 크로마티움(Chromatium), 크로모박테리움(Chromobacterium), 클로스트리디움(Clostridium), 코마모나스(Comamonas), 코리네박테리움(Corynebacterium), 쿠프리아비더스(Cupriavidus), 시아노박테리움(Cyanobacterium), 데플루비이코커스(Defluviicoccus), 데르시아(Derxia), 델프티아(Delftia), 엑토티오로도스피라(Ectothiorhodospira), 어위니아(Erwinia), 에쉐리키아(재조합 및 야생형), 페로바실러스(Ferrobacillus), 감포스페리아(Gamphospheria), 글로에오캅사(Gloeocapsa), 글로에오테스(Gloeothece), 해모필러스(Haemophilus), 할로박테리움(Halobacterium), 할로아큘라(Haloarcula), 할로페락스(Haloferax), 할로모나스(Halomonas), 할로콰드라텀(Haloquadratum), 할로테리게나(Haloterrigena), 히드로게노파가(Hydrogenophaga), 히포미크로비움(Hyphomicrobium), 클렙시엘라(Klebsiella) (재조합), 람프로시스티스(Lamprocystis), 람프로페디아(Lampropedia), 렙토트릭스(Leptothrix), 레지오넬라(Legionella), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로박테리움(Methylobacterium), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로비브리오(Methylovibrio), 마이크로코커스(Micrococcus), 마이크로코레우스(Microcoleus), 마이크로시스티스(Microcystis), 마이크로루나투스(Microlunatus), 마이크로보레우스(Microvoleus), 모락셀라(Moraxella), 미코플라나(Mycoplana), 니트로박터(Nitrobacter), 니트로코커스(Nitrococcus), 노카르디아(Nocardia), 노스톡(Nostoc), 오셔노스피릴룸(Oceanospirillum), 오실라토리아(Oscillatoria), 파라코커스(Paracoccus), 파우시스피릴룸(Paucispirillum), 페도미크로비움(Pedomicrobium), 포토박테리움(Photobacterium), 프로토모나스(Protomonas), 슈도모나스(Pseudomonas), 랄스토니아(Ralstonia), 리조비움(Rhizobium), 로도박터(Rhodobacter), 로도코커스(Rhodococcus), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas), 로도스피릴룸(Rhodospirillum), 루브리비박스(Rubrivivax), 사카로파구스(Saccharophagus), 쉬노리조비움(Shinorhizobium), 스파에로티루스(Sphaerotilus), 스피릴룸(Spirillum), 스피룰리나(Spirulina), 스타필로코쿠스(Staphylococcus), 스텔라(Stella), 스트렙토마이세스(Streptomyces), 시네초코쿠스(Synechococcus), 신트로포모나스(Syntrophomonas), 티오바실러스(Thiobacillus), 티오캅세(Thiocapse), 티오코쿠스(Thiococcus), 티오시스티스(Thiocystis), 티오딕타이온(Thiodictyon), 티오페디아(Thiopedia), 티오스파에라(Thiosphaera), 바리오보락스(Variovorax), 비브리오(Vibrio), 와우테르시아(Wautersia) (현재는 쿠프리아비두스(Cupriavidus)), 잔토박터(Xanthobacter), 및 주글로이아(Zoogloea) 중에서 선택된 하나 이상의 종인 방법.
제13항에 있어서, 미생물은 아조히드로모나스 아우스트랄리카(Azohydromonas australica), 아조히드로모나스 라타(Azohydromonas lata) (종전의 알칼리게네스 라터스(Alcaligenes latus)), 아조토박터 베이제린키이(Azotobacter beijerinckii), 아조토박터 크로코쿰(Azotobacter chrococcum), 아조토박터 비넬란디이(Azotobacter vinelandii), 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium), 바실러스 속종(Bacillus sp.), 버크홀데리아 세파시아(Burkholderia cepacia)(종전의 슈도모나스 멀티보란스(Pseudomonas multivorans) 및 슈도모나스 세파시아(Pseudomonas cepacia)), 카울로박터 비브리오이데스(Caulobacter vibrioides), 코마모나스 속종(Comamonas sp.), 커프리아비더스 네카토르(Cupriavidus necator)(종전의 히드로게노모나스 유트로파(Hydrogenomonas eutropha), 알칼리게네스 유트로퍼스(Alcaligenes eutrophus), 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha) 및 와우테르시아 유트로파(Wautersia eutropha)), 할로모나스 볼리비엔시스(Halomonas boliviensis), 히드로게노파가 슈도플라바(Hydrogenophaga pseudoflava), 노보스핀고비움 니트로게니피겐(Novosphingobium nitrogenifigen), 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 리조비움 멜릴로티(Rhizobium meliloti)에서 선택된 미생물을 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 미생물은 아조토박터 비넬란디이(Azotobacter vinelandii)인 방법.
제4항에 있어서, 단계 (a)는 미세여과 및 한외여과로 구성되는 방법.
제4항에 있어서, 단계 (a)는 미세여과, 한외여과 및 나노여과로 구성되는 방법.
제4항에 있어서, 단계 (c)의 미립자를 건조하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제18항에 있어서, 건조된 미립자를 균질화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 미립자는 밀링에 의해 균질화되는 방법.
제19항에 있어서, 균질화된 입자는 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 크기를 가지는 방법.
제4항에 있어서, 단계 (g)는
(i) 바이오폴리머를 용매에 용해하여 바이오폴리머 용액을 형성하는 단계;
(ii) 바이오폴리머 용액 내에 미립자를 현탁시켜 현탁액을 형성하는 단계; 및
(iii) 용매를 제거하여 복합체를 형성하는 단계
를 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 용매는 증발에 의해 제거되고, 복합체를 박막으로서 생성하는 방법.
제22항에 있어서, 바이오폴리머는 PHA이고, 용매는 유기 용매인 방법.
제24항에 있어서, 유기 용매는 염소화되거나 불소화된 용매인 방법.
제25항에 있어서, 용매는 1,1,1,3,3,3-헥소플루오로-2-프로판올, 클로로포름, 디클로로메탄 또는 이들의 2종 이상의 혼합물인 방법.
제4항에 있어서, 단계 (g)는
(i) 바이오폴리머를 용융하는 단계;
(ii) 미립자를 용융된 바이오폴리머에 분산시켜 분산액을 형성하는 단계; 및
(iii) 분산액을 냉각하여 복합체를 형성하는 단계
를 포함하는 방법.
제27항에 있어서, 바이오폴리머는 PHA이고, 170℃ 내지 180℃의 온도에서 용융되는 방법.
제27항에 있어서, 바이오폴리머는 가압 하에 바이오폴리머를 가열함으로써 용융되는 방법.
제2항에 있어서, 바이오폴리머 및 미립자는 커플링제 및 가소제로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제의 존재 하에 배합되는 방법.
제30항에 있어서, 첨가제는 글리세롤인 방법.
제4항에 있어서, 호기성 분해의 생성물로부터 바이오매스를 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제32항에 있어서, 바이오매스는 원심분리에 의해 분리되는 방법.
제4항에 있어서, 바이오매스는 세포내 바이오폴리머를 가지는 박테리아 세포를 포함하고, 단계 (f)는 상기 세포로부터 바이오폴리머를 추출하는 단계를 포함하는 방법.
제33항에 있어서, 추출 공정은 세포 용해를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 바이오폴리머는 바이오매스와 클로로포름, 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 아세톤, 1,2-프로필렌 카르보네이트, 메틸-t-부틸 에테르, 이소아밀 프로피오네이트, 이소아밀 발레레이트 및 프로필 부티레이트로부터 선택된 용매를 접촉시킴으로써 바이오매스로부터 추출되는 방법.
제35항에 있어서, 바이오폴리머는 바이오매스와 계면활성제 또는 염을 접촉시킴으로써; 또는 혼합 용매-분해 추출; 효소 분해; 초임계 유체(SCF) 추출; 기계식 추출; 초음파 또는 감마 방사선 노출로부터 선택된 공정에 의해 바이오매스로부터 추출되는 방법.
제16항에 있어서, 최종 농축물은 단계 (e)를 수행하기 이전에 한외여과 농축물과 배합되는 방법.
제17항에 있어서, 최종 농축물은 단계 (e)를 수행하기 이전에 한외여과 농축물 및 나노여과 농축물과 배합되는 것인 방법.
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