KR20000046970A

KR20000046970A - 담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법

Info

Publication number: KR20000046970A
Application number: KR1019980063712A
Authority: KR
Inventors: 장용근; 장호남; 장제환
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2000-07-25
Also published as: KR100287289B1

Abstract

본 발명은 담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법에 관한 것으로, 유기황 화합물내의 황 성분만을 선택적으로 산화시켜 제거하는 탈황세균을 담체에 고정화시키는 공정과 전기에서 고정화된 탈황세균을 화석연료 또는 유기황 화합물이 함유된 물질과 접촉시켜 탈황반응시키는 공정을 포함한다. 본 발명의 탈황방법에 의하면, 종래의 슬러리 형태의 생촉매를 이용한 방법에 비해, 생촉매의 재사용 효율 및 전체 공정의 탈황효율이 증진되고, 처리후의 유분의 분리·회수가 용이해진다.

Description

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법

본 발명은 담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 황을 함유하고 있는 유기물질로부터 탄소간의 결합은 파괴하지 않고, 탄소와 황간의 결합만을 파괴하여 황만을 선택적으로 제거(탈황)할 수 있는 미생물을 담체에 고정화하여, 석유와 석탄과 같은 화석연료는 물론 유기황 화합물을 함유한 각종 폐기물내의 황 성분을 제거하는 생물학적 탈황방법에 관한 것이다.

석유나 석탄과 같은 화석연료내에 포함된 200여종 이상의 많은 유기황 화합물들은 연소시 황산화물(SO_x)을 생성시켜 대기 오염을 유발할 뿐만 아니라, 산성비의 원인이 되어 생태계에 악영향을 미치기 때문에, 화석연료의 황 함량을 근본적으로 감소시킬 수 있는 연소전 탈황방법이 사용되고 있다.

통상적으로, 석유류 제품의 연소전 탈황을 위해서는 온도 300 내지 360℃, 압력 35 내지 170 기압의 조건하에서 수소를 첨가하는 수첨탈황공정이 사용되고 있지만, 원유와 유분에 따라 차이는 있을지언정, 전체 황의 30% 이상을 차지하는 것으로 알려진 디벤조티오펜(dibenzothiophene)과 이보다 복잡한 구조를 가지는 화합물에 대해서는 수첨탈황반응만으로 효율적인 탈황이 어려운 관계로 고심도 탈황이 불가능하거나 어려운 단점이 있었다. 따라서, 고심도 탈황의 어려움, 저유황 원유의 감소 추세 및 보다 강력해지고 있는 환경규제 등을 고려할 때, 보다 효율적인 석유 탈황기술의 사용이 요구되고 있다.

이에, 유기황 화합물을 선택적으로 제거할 수 있는 탈황세균을 이용하는 생물학적 탈황방법이 개발되었으며, 전기 생물학적 탈황방법은 탈황반응이 상온·상압하에서 수행되므로, 종래의 수소를 사용하는 화학적 탈황방법에 비해 장치설비비와 운전비 등을 크게 절감할 수 있고, 특히 화학적 탈황방법으로는 제거가 어려운 디벤조티오펜 등의 복잡한 구조를 가지는 유기황 화합물까지도 비교적 용이하게 탈황함으로써, 고심도 탈황이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

지금까지 연구되어 온 생물학적 탈황방법은 미생물을 슬러리 형태로 첨가하는 탈황방법으로서, 생촉매인 미생물의 회수율이 저하되는 관계로 이의 반복적 사용이 어렵고, 공정기술 측면에서 가장 중요한 조업변수의 하나인 유상대 수상의 상비(oil to water volumetric ratio)를 높이는 것이 어려워 전체 공정의 효율이 감소되며, 탈황 처리 후의 유분의 분리 및 회수가 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있었다(참조: USP5,104,801; USP5,232,854; Ohshiro et al., J. Ferment. Bioeng., 83(3):233-237(1997); Monticello et al., Environ. Progr., 12(1):1-4(1993)).

이에, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 탈황세균을 담체에 고정화하여, 유기황 화합물을 함유한 화석연료나 각종 폐기물내의 황 성분을 제거할 경우, 생촉매인 미생물의 반복적인 사용이 용이하고, 높은 유상대 수상의 상비를 얻을 수 있으며, 탈황처리된 유분의 회수가 용이하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 목적은 담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법을 제공하는 것이다.

도 1은 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주를 사용한 헥사데칸계내 디벤조티오펜의 탈황도를 나타내는 그래프이다.

도 2는 셀라이트 담체에 고정화된 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주를 사용한 헥사데칸계내 디벤조티오펜의 탈황도를 나타내는 그래프이다.

도 3은 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주를 사용한 디젤유의 탈황도를 나타내는 그래프이다.

도 4a는 탈황전의 디젤유에 포함된 각종 유기황 화합물의 분포를 나타내는 GC-SCD(gas chromatograph-sulfur chemiluminescence detector) 크로마토그램이다.

도 4b는 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주에 의해 탈황된 디젤유에 포함된 각종 유기황 화합물의 분포를 나타내는 GC-SCD 크로마토그램이다.

도 5는 셀라이트 담체에 고정화된 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주를 사용한 디젤유의 탈황도를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

본 발명은 담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법에 관한 것으로, (ⅰ) 유기황 화합물내의 황 성분만을 선택적으로 산화시켜 제거하는 탈황세균을 담체에 고정화시키는 공정과 (ⅱ) 전기에서 고정화된 탈황세균을 화석연료 또는 유기황 화합물이 함유된 물질과 접촉시켜 탈황반응시키는 공정을 포함한다.

상기에서, 탈황세균은 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주(KCTC 0431BP; Appl. Environ. Microbiol., 64(6):2327-2331(1998) 참조), 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주(KCTC 0432BP; Biotech. Prog., 14(6):851-855(1998) 참조), 로도코커스 종(Rhodococcus sp.) IGTS8(참조: USP5,104,801), 로도코커스 종(Rhodococcus sp.) H-2(참조: Ohshiro et al., J. Ferment. Bioeng., 83(3):233-237(1997)) 등의 석유내 유기황 화합물에 대한 탈황능을 지닌 균주들을 사용할 수 있고, 담체는 셀라이트, 키토산, 젤라틴 등의 다공성 담체를 사용할 수 있다. 또한, 탈황반응은 25 내지 40℃의 호기상태에서 3시간 내지 3일 동안 진행시키며, 화학적 탈황방법으로 얻은 낮은 황 함량의 화석연료의 고심도 탈황시에 상기 고정화된 미생물을 이용할 수도 있다.

아울러, 상기 (ⅱ)공정의 탈황반응에는 (i)공정에서 탈황세균을 고정화시켜 곧바로 사용하거나, 혹은 인산염 완충용액, 카보네이트 완충용액 또는 트리스 완충용액의 보존용액에 5일 내지 10일 동안 보관하여 온 고정화된 탈황세균 또는 동결건조 상태의 고정화된 탈황세균을 추후 사용할 수도 있다.

상기한 본 발명의 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법은 종래의 슬러리 형태의 생촉매를 이용한 방법에 비해, 생촉매로 사용되는 미생물의 반복적인 사용이 용이하여 공정비용을 절감할 수 있으며, 다른 미생물에 의한 오염의 위험이 적고, 높은 유상대 수상의 상비를 얻을 수 있으며, 탈황처리된 유분의 분리 및 회수가 용이하다는 장점을 가진다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주를 사용한 헥사데칸계 내 용존 디벤조티오펜의 탈황

포도당 10g/L를 포함한 기본염 배지(제 2 인산나트륨 1.5 g/L, 제 1 인산칼륨 4.5 g/L, 염화마그네슘 0.2 g/L, 염화암모늄 2 g/L, 염화칼슘 0.02 g/L, 미량원소 용액 1 mL/L, 비타민 용액 1 mL/L)에 디벤조티오펜을 유일황원으로 첨가하여, 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주(KCTC 0431BP; Appl. Environ. Microbiol., 64(6):2327-2331(1998) 참조)를 2일간 배양하였다. 이때, 미량원소 용액의 조성은 염화철 2100 mg/L, 염화코발트 250 mg/L, 염화니켈 24 mg/L, 염화망간 100 mg/L, 염화구리 5 mg/L, 염화아연 144 mg/L, 붕산(boric acid) 30 mg/L, 염화몰리브덴 36 mg/L이었다. 비타민 용액의 조성은 엽산(folic acid) 0.025 mg/L, 리보플라빈 2 mg/L, 리포산(lipoic acid) 0.05 mg/L, 바이오틴 1 mg/L, 니코틴산(nicotinic acid) 3.5 mg/L, 염화 티아민 3 mg/L, p-아미노벤조산 2 mg/L, 염화 피리독살 1 mg/L, 칼슘 판토텐산염(pantothenate) 1 mg/L, 비타민 B₁₂0.5 mg/L이었다.

상기에서 수득한 고도나 CYKS1 균주 배양액을 완전히 건조된 셀라이트 담체에 고정화시킨 다음, 포도당 10 g/L를 포함한 기본염 배지 20 mL를 첨가하고, 헥사데칸에 용해시킨 10 mM의 디벤조티오펜 용액 1 mL를 첨가하여 30℃의 진탕배양기에서 24시간 동안 탈황반응을 진행시켰다. 이때, 셀라이트 담체의 양은 전체 탈황반응액을 기준으로 50 %(v/v)가 되도록 하였다. 탈황반응이 종료된 후, 고도나 CYKS1 균주가 고정화된 셀라이트 담체를 여과과정을 통해 헥사데칸과 배지로부터 분리하였다.

이렇게 분리된 고정화 세포에 다시 포도당 10 g/L를 포함한 기본염 배지 20 mL와 10 mM 디벤조티오펜이 용해된 헥사데칸 용액 1 mL를 첨가하여, 상술한 바와 같이 탈황반응을 진행시켰다. 이러한 방법으로 8번의 반복적인 회분식 탈황반응을 수행하였으며, 그 결과는 도 1에 나타내었다.

도 1에서 보듯이, 1번째 탈황반응에서는 약 3.9 mM의 디벤조티오펜(DBT)이 탈황되었고, 마지막 8번째의 탈황반응에서는 약 7.3 mM의 디벤조티오펜이 탈황되었음을 알 수 있었다. 따라서, 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 CYKS1 균주를 사용하여, 회분식 탈황반응을 반복적으로 진행시킬 수 있음을 확인하였다. 도 1에서와 같이 회분식 탈황반응이 반복됨에 따라 탈황속도가 증가하는 이유는 셀라이트 담체내의 균체 농도가 높아지기 때문인 것으로 추측되었다.

실시예 2: 셀라이트 담체에 고정화된 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주 를 사용한 헥사데칸계 내 용존 디벤조티오펜의 탈황

고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주 대신에 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주(KCTC 0432BP; Biotech. Prog., 14(6):851-855(1998) 참조)를 탈황 미생물로 사용하는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탈황반응을 수행하였으며, 그 결과는 도 2에 나타내었다.

도 2에서 보듯이, 1번째 탈황반응에서는 약 2.5 mM의 디벤조티오펜(DBT)이 탈황되었고, 탈황반응이 반복됨에 따라 점점 탈황속도가 증가하여 마지막 8번째의 탈황반응에서는 약 7.7 mM의 디벤조티오펜이 탈황되었음을 알 수 있었다. 따라서, 셀라이트 담체에 고정화된 노카디아 CYKS2 균주를 사용하여, 회분식 탈황반응을 반복적으로 진행시킬 수 있음을 확인하였다.

실시예 3: 셀라이트 담체에 고정화된 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주를 사용한 디젤유의 탈황

디벤조티오펜이 용해된 헥사데칸 용액 대신에 디젤유를 탈황 대상물로 사용하는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탈황반응을 수행하였으며, 그 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보듯이, 1번째 탈황반응에서는 디젤유내의 황 성분이 0.30 wt%에서 0.21 wt%로 감소하고, 추후 7번의 탈황반응이 진행되는 동안에도 최소한 0.06 wt% 이상이 탈황됨으로써, 반복적인 탈황반응이 가능함을 확인하였다.

한편, 도 4a는 탈황전의 디젤유에 포함된 각종 유기황 화합물의 분포를 나타내는 GC-SCD 크로마토그램이고, 도 4b는 고정화된 고도나 CYKS1 균주를 사용하여 탈황이 이루어진 후의 디젤유에 포함된 각종 유기황 화합물의 분포를 나타내는GC-SCD 크로마토그램이다. 도 4a 및 도 4b에서 보듯이, 고정화된 고도나 CYKS1 균주에 의해 각종 유기황 화합물이 현저하게 탈황된 것을 확연하게 알 수 있었다.

실시예 4: 셀라이트 담체에 고정화된 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주 를 사용한 디젤유의 탈황

고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주 대신에 노카디아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주를 탈황 미생물로 사용하는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 탈황반응을 수행하였으며, 그 결과는 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보듯이, 1번째 탈황반응에서는 약 0.067 wt%의 탈황이 이루어졌고, 추후 7번의 탈황반응이 진행되는 동안에도 최소한 0.041 wt% 이상이 탈황됨으로써, 반복적인 탈황반응이 가능함을 확인하였다.

실시예 5: 고정화된 생촉매의 탈황활성 유지 시험

셀라이트 담체에 고정화된 미생물을 사용하여 1회의 탈황반응을 수행한 후, 미생물이 고정화된 전기 셀라이트 담체를 0.1 M 인산염 완충용액에 담가 4℃에서 보관하였다. 1주일 경과 후, 인산염 완충용액을 제거하고, 상술한 실시예들과 동일한 방법으로 24시간 동안 1회의 탈황반응을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

	고도나 종 CYKS1	노카디아 종 CYKS2
디젤유 처리시(wt %)	헥사데칸계 내용존 디벤조티오펜의 처리시 (mM)	디젤유 처리시(wt%)	헥사데칸계 내용존 디벤조티오펜의 처리시 (mM)
탈황된 양	0.041	6.10	0.027	6.57
	51.8	70.5	64.5	65.0
	51.8	70.5	64.5	65.0	활성유지도(%)

상기 표 1에서 보듯이, 디벤조티오펜이 헥사데칸에 용해되어 있는 경우, 고도나 CYKS1의 경우는 약 6.1mM의 디벤조티오펜이 제거되어 원래 탈황활성의 약 71 % 정도를 유지하고, 노카디아 CYKS2의 경우는 약 6.6mM의 디벤조티오펜이 제거되어 원래 탈황활성의 약 65 % 정도를 유지하고 있는 것으로 확인되었다. 그리고, 디젤유 처리의 경우, 고도나 CYKS1의 경우는 약 0.04 wt%의 탈황이 이루어져 원래 탈황활성의 약 52 % 정도를 유지하고, 노카디아 CYKS2의 경우는 약 0.03 wt%의 탈황이 이루어져 원래 탈황활성의 약 65 % 정도를 유지하고 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 셀라이트 담체에 고정화된 미생물을 인산염 완충용액 등의 보존용액에 장기 보관하여 사용하여도 그 미생물은 우수한 탈황활성을 나타냄을 알 수 있었다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 탈황세균을 담체에 고정화하여, 화석연료 또는 유기황 화합물이 함유된 각종 폐기물내의 황 성분을 제거하는 생물학적 탈황방법을 제공한다. 본 발명의 탈황방법에 의하면, 종래의 슬러리 형태의 생촉매를 이용한 방법에 비해, 생촉매의 재사용 효율 및 전체 공정의 탈황효율이 증진되고, 처리후의 유분의 분리·회수가 용이해진다.

Claims

(ⅰ) 유기황 화합물내의 황 성분만을 선택적으로 산화시켜 제거하는 탈황세 균을 담체에 고정화시키는 공정; 및,

(ⅱ) 전기에서 고정화된 탈황세균을 화석연료 또는 유기황 화합물이 함유된 물질과 접촉시켜 탈황반응시키는 공정을 포함하는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.
제 1항에 있어서,

탈황세균은 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주(KCTC 0431BP), 노카디 아 종(Nocardia sp.) CYKS2 균주(KCTC 0432BP), 로도코커스 종 (Rhodococcus sp.) IGTS8 및 로도코커스 종(Rhodococcus sp.) H-2로 구 성된 그룹으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.
제 1항에 있어서,

담체는 셀라이트, 키토산 및 젤라틴으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종의 다공성 담체인 것을 특징으로 하는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.
제 1항에 있어서,

탈황반응은 25 내지 40℃의 호기상태에서 3시간 내지 3일 동안 진행시 키는 것을 특징으로 하는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.
제 1항에 있어서,

탈황반응에는 인산염 완충용액, 카보네이트 완충용액 또는 트리스 완충 용액의 보존용액에 5일 내지 10일 동안 보관되어 온 고정화된 탈황세균 혹은 동결건조 상태의 고정화된 탈황세균을 사용하는 것을 특징으로 하 는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.
(ⅰ) 고도나 종(Gordona sp.) CYKS1 균주(KCTC 0431BP), 노카디아 종 (Nocardia sp.) CYKS2 균주(KCTC 0432BP), 로도코커스 종 (Rhodococcus sp.) IGTS8 및 로도코커스 종(Rhodococcus sp.) H-2로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종의 탈황세균을 담체에 고정화시키 는 공정; 및,

(ⅱ) 전기에서 고정화된 탈황세균을, 화학적 탈황방법을 사용하여 얻은 낮 은 황 함량의 화석연료와 접촉시켜, 고심도 탈황시키는 공정을 포함 하는

담체에 고정화된 미생물을 이용한 탈황방법.