KR20020087147A

KR20020087147A - 플라즈마 표면 개질한 미생물 고정화용 고분자 담체, 이의제조방법 및 용도

Info

Publication number: KR20020087147A
Application number: KR1020010026090A
Authority: KR
Inventors: 최호석; 김재우; 홍성도; 장영미; 한희동; 명성운; 김영선; 장얀
Original assignee: 유렉셀 테크놀러지 주식회사
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2002-11-22

Abstract

본 발명은 효율적인 미생물 고정화 담체의 개발을 위해 상업적으로 많이 생산되는 오픈셀 폴리우레탄과 같은 고분자의 플라즈마 표면 개질을 통한 미생물 고정화 담체의 제조에 관한 것으로 보다 상세하게는 플라즈마 장치를 사용하여 화학적, 기계적으로 안정하며 값이 저렴하고 구조적으로 우수한 합성 고분자, 바람직하게는 오픈셀 폴리우레탄의 표면에 친수성를 부여함으로써 기존에 개발된 담체들에 비하여 고농도로 균일하게 미생물을 고정화시킬 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 개발된 미생물 고정화 담체는 바이오필터(Biofilter) 등과 같이 대기 중으로 배출되는 유해성 악취와 휘발성 유기물질을 효과적으로 제거하는 대기오염 방지 공정이나 오/폐수 중의 유ㆍ무기 오염물을 생물학적으로 제거하는 고정층 생물막 반응기법, 또는 미생물을 이용하여 단백질, 효소, 아미노산 등의 생물학적 제품을 생산하는 공정 등에 적용될 수 있다.

Description

플라즈마 표면 개질한 미생물 고정화용 고분자 담체, 이의 제조방법 및 용도{Polymer carrier for immobilization of microorganism pretreated by Plasma, preparation method thereof and its use}

본 발명은 단열재 및 필터용으로 많이 생산되는 합성 고분자의 표면을 플라즈마로 표면 개질하여 친수성을 부여함으로써 담체에 대한 미생물의 초기 고정화 특성을 향상시키고 미생물의 서식처로서 이용될 수 있는 고정화 담체의 개발에 관한 것이다.

최근에 다양한 생물학적 처리 공정들이 개발되는 경향이 두드러지고 있고 환경오염물질 배출에 관한 규제가 강화됨에 따라 생물학적 폐수처리기술 개발에 대한 관심이 고조되고 있는 실정이다. 생물학적 폐수처리기술로는 크게 활성오니법과 생물막법으로 나눌 수 있다. 이중 폐수 중에 미생물을 부유시켜 부유미생물의 증식에 의해 처리하는 활성오니법의 경우 부하변동에 대한 대처능력이 낮고 잉여오니가 많이 발생하는 문제점이 있다. 반면, 생물막법의 경우 담체에 미생물이 고농도로 부착되어 오니의 팽화현상을 막을 수 있고, 부하변동의 영향을 적게 받으며 오니의 발생량이 적으므로 시설비 및 동력비면에서 경제적이다.

그러나 생물막법에 의해 폐수처리하는 경우 폭기조내에 미생물을 적정 수준으로 계속 유지하기 위해서 미생물을 담체에 부착성장시켜야 하는 바, 동 기술에 의한 폐수처리효율을 극대화시키기 위한 최적의 담체를 선정하는 것이 필수적이다. 따라서 생물막법에 의한 고효율적 폐수처리를 하기 위하여 미생물의 고정화 기술이 매우 중요하므로 많은 고정화 방법들이 소형화(compact), 고효율화, 저비용화시키기 위해 중점적으로 연구 개발되고 있다. 더 나아가 미생물의 고정화를 위해 새로운 담체를 제조하거나 플라스틱 담체의 표면을 개질하여 부착 효율을 향상시킬 수 있는 방안들이 모색되고 있다.

담체는 크게 유기담체와 무기담체로 나눌 수 있는데, 이중 카르복실기, 아미노기, 히드록실기와 같은 반응성 작용기를 유기담체의 표면에 붙이기 용이하기 때문에 유기담체를 널리 사용한다. 한편, 유기담체를 다시 폴리사카라이드계와 단백질계, 합성 고분자계 담체로 세분할 수 있는데, 이중 합성 고분자계 담체인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리스티렌, PMMA 등은 화학적, 기계적으로 매우 안정하고 값이 저렴하며, 가공이 용이하여 다양한 구조로 쉽게 성형할 수 있으므로 이를 미생물 고정화 담체로 사용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

폴리우레탄 폼(foam)을 유동상의 미세담체(microcarrier)의 형태로 이용하려는 연구가 보고되었고[van Loosdrecht, C.M. and Heijnen, J.,TIBTECH, Apr., 12(1993)], 폴리우레탄 형성시 요소 대 우레탄 비(urea/urethane ratio)를 5보다 작게 하여 제조된 폴리우레탄 폼을 미생물 담체로 사용할 경우 가수분해나 마멸에 대한 내구성을 향상시킨 기술이 국제특허공개공보 WO 86/04923호에 개시되었다. 또한 오픈 셀 폴리우레탄에 접착제를 피복시켜 폐수처리공정의 담체로 이용하는 기술도 미국특허 제5,580,770호에 보고되었고, 다공성 폴리우레탄 미세 구형을 제조하여 폐수처리에 이용하는 기술은 대한민국특허 제144796호와 미국특허 제5,531,897호에 개시되었으며, 접착성 수지와 미분활성탄을 혼합하여 만든 슬러지를 폴리우레탄 폼에 코팅시킨 폐수처리용 담체를 개발하는 기술은 대한민국특허 제227471호에 개시된 바 있다.

그러나 상술한 종래 기술에 개시된 방법으로 고정화용 담체를 제조하는 경우, 고분자계 담체의 표면을 개질하지 않고 단지 자연적으로 부착하려는 미생물의 성질을 이용하여 고정화시키기 때문에 담체의 표면에 수개월에 걸쳐서야 생물막이형성된다는 문제점이 있다. 즉, 폴리우레탄을 포함한 고분자계 담체의 경우 표면 자유 에너지(surface free energy)가 작고 소수성(hydrophobicity)이 강하며 중성 영역에서 표면 전하가 음성이므로 친수성(hydrophilicity)이 강한 미생물이 상기 담체의 표면에 흡착하는 것이 용이하지 않으며 생물막 형성에 오랜 시간이 소요되는 문제점이 있다[van Loosdrecht, C.M., Lyklema. J., Norde. W. and Zehender. J. B.,Microbial Ecology.17,1(1989)].

따라서 미생물의 초기 부착특성을 촉진시키기 위한 담체의 표면 처리 방법에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 예를 들어 특수 합성된 양이온 중합체를 회전원판에 피복시켜 미생물 부착을 촉진시키는 기술이 보고된 바 있다[La Motta, E.J. and Hichey.R.F., First Mat. Symp. Workshop on Rot. Biol. Contact., 803(1987)]. 그러나 회전원판법을 사용하는 경우 처리수와 담체간의 접촉면적이 한정되어 장치의 대형화를 초래하게 된다.

한편 고분자 중 비교적 표면 자유 에너지가 큰 PVC를 담체로 사용하고 미생물의 부착 특성을 향상시키기 위해 소수성이 강한 플라스틱 표면에 친수성을 부여하고 표면전하를 증가시켜 정전기적인 반발력을 감소시킴으로써 미생물 부착의 친화성(affinity)을 증가시키는 방법인 고분자 양이온(polycation) 처리법이 개발되었으며, 담체와 고분자 양이온 사이의 강한 공유결합을 유도하기 위하여 화학적 에칭(chemical etching) 방법과 양이온처리법을 함께 이용한 연구가 보고되었다[HWAHAK KONGHAK Vol. 35. No.1, February. pp.129-134(1997)]. 그러나 상기 기술을 이용하여 미생물을 담체에 부착시킬 경우 처리과정에서 강산을 사용하기 때문에 위험할 뿐만 아니라 여액의 처리문제가 있어 상용화에는 어려움이 있다.

이에 본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 지속적인 연구를 한 끝에 친수성이 있고 비용이 저렴한 고분자계 담체를 개발하는데 성공함으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 산업현장에서 발생하는 악취나 폐수처리장의 유기물질을 효과적으로 제거하기 위해 화학적, 기계적, 구조적으로 우수하며 경제적인 고분자계 담체에 관한 것이다. 보다 상세하게는 오픈셀의 고분자 폼에 플라즈마 방법으로 표면 개질하여 친수성을 부여함으로써 미생물 고정화 능력을 향상시키고 비용이 저렴한 고분자계 담체에 관한 것이다.

또한 본 발명은 플라즈마 처리로 담체의 표면을 직접 개질시키는 단계를 포함하는 상기 고분자계 담체의 제조방법에 관한 것이다.

또한 본 발명으로 제조된 고분자계 담체에 미생물을 고정화시켜, 대기 중으로 배출되는 유해성 악취와 휘발성 유기물질을 제거하는 대기오염 방지 공정이나 오/폐수 중의 유ㆍ무기 오염물을 생물학적으로 제거하는 생물막법 공정, 또는 단백질, 효소 또는 아미노산 등의 생물학적 제품을 미생물에 의해 생산하는 방법에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 플라즈마 장치를 나타낸 구조도.

도2는 본 발명의 오픈셀 폴리우레탄의 구조.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 시료고정대2 : TC 게이지

3 : 고분자 담체4 : 냉각팬

5 : 반응기6 : 마그네틱 바

7 : 마그네틱 스터러8 : 배출밸브

9 : 아르곤 봄베10 : 플라즈마 발생장치

11 : 매칭 박스(matching box)12 : 확산펌프

13 : 로터리 펌프14 : 가스 조절기

본 발명은 화학적, 기계적 및 구조적으로 우수한 고분자계 담체, 바람직하기로는 구조적으로 통기성이 우수한 오픈 셀 폴리우레탄을 고정화 담체로 이용하기위해 표면을 플라즈마 장치로 개질하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 산소 플라즈마 장치를 이용하여 습윤성(wettability), 강도(strength), 반영구성 및 경제성을 지닌 고분자계 담체의 표면에 미생물이 많이 부착할 수 있도록 친수성을 개선하여 여러 악취, 휘발성 유기 물질, 폐수 등의 처리 공정에 적용하기 위한 담체에 관한 것이다.

낮은 압력에서의 플라즈마를 이용한 고분자 표면 처리 방법으로서는 산소 플라즈마를 이용하여 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 등의 친수성을 향상시키는 방법[Morra, M., Occhiello, E. and Garbassi, F., Journal of Colloid Interface Science, 132, 504, (1989)]과 CF₄플라즈마를 이용하여 나이론 섬유의 방수ㆍ방습성을 개선하는 방법[lriyama, Y., Yasuda, T., Cho, D.L., and Yasuda, H., Journal of Applied Polymer Science, 39, 249, (1990)]이 알려져 있으나 동 기술을 미생물 고정화용 담체의 개발에 적용될 수 있다고 개시한 바는 없다.

미생물의 고정화 능력을 향상시키기 위해서는 담체의 조성과 특이한 반응성기의 존재 여부뿐만 아니라 담체 표면의 정확한 전하를 인지하는 것이 중요한데, 이를 위해서는 담체와 미생물간의 상호작용과 결합력에 관한 기초적인 정보가 필요하다. 따라서, 우수한 담체는 미생물과 가능한 한 많은 물리화학적 결합을 형성할 수 있어야 한다. 또한 미생물 고정화용 담체를 개발하기 위해서는 상기 담체의 멸균 공정을 고려하여야 하므로 담체는 멸균 온도에서 열안정성을 지녀야 한다. 열안정성과 함께 전체 공정의 pH 범위에서 또한 안정해야 한다.

기질이 미생물에 잘 확산될 뿐만 아니라 미생물 고정화 능력을 향상시키기위해서는 담체의 공극률을 증가시키는 것도 필수적이다. 또한, 고압에서 안정하여야 하고 반응기 조업을 수월하게 하여 미생물의 먹이가 잘 전달될 수 있도록 담체의 모양과 크기를 설정하여야 하며, 가격이 저렴하고 재생 가능한 것이 바람직하다.

상기 고분자 담체로서는 미생물의 부착을 용이하게 하고 미생물의 유실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 담체 표면 위에서 생물막의 균일한 성장이 가능하여 생물막의 과다성장으로 인해 충전층의 일부가 막히는 현상을 방지할 수 있는 특성을 지니는 것으로써 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리스티렌, PMMA 등을 재질로 한 폼이 적합하며, 특히 바람직하기로는 오픈 셀 폴리우레탄을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 미생물 고정화 담체 제조방법이 제공되는데 고분자계 담체, 바람직하기로는 오픈셀 폴리우레탄 폼을 플라즈마 처리, 일 예로 아르곤-산소 플라즈마 처리하여 폴리우레탄 표면을 개질함으로써 본 발명의 고정화 담체를 개발하였다.

본 발명의 고정화 담체는 1. 고분자 담체 시료의 준비 단계, 2. 플라즈마 처리 단계 및 3. 고정화 단계를 거쳐 제조하였으며 상기 제조단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 고분자 담체 시료의 준비

미생물 담체로서 고분자 담체를 사용하기 위해서는 각 담체들의 물리화학적 성질을 파악하여야 하며, 특히 고분자 담체의 표면 물성 중 표면 전하의 성질을 바꾸는 화학적 전처리 과정이 필요하다. 이를 위해서 먼저 균일한 크기의 고분자 담체를 제작하여야 하며 담체로서는 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리스티렌, PMMA 등을 재질로 한 폼이나 입자가 적합하며, 바람직하기로는 폴리우레탄 폼을 사용하되 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 담체를 5 내지 20mM의 염화제2철(FeCl₃6H₂O) 용액에 넣은 후 20 내지 40℃, 2 내지 5시간 교반시킨다. 그 다음 상기 담체를 증류수 등으로 세척한 후 1 내지 4 시간동안 30 내지 70℃에서 건조시킨다.

2. 플라즈마 처리

소수성이 큰 고분자 화합물은 화학적 산화, 산소-플라즈마 처리, 아르곤(Ar)-산소 플라즈마 처리 단계를 거쳐 친수성으로 변화시킬 수 있다. 아르곤(Ar)은 추가적인 자유 라디칼을 고분자 표면에서 발생시켜 다음 단계인 산소 플라즈마 처리시 반응을 촉진시킨다. 산소 플라즈마 처리시 고분자 표면에 히드록실기, 카르보닐기, 카르복실기가 도입된다. 상기 처리과정을 거치면 표면은 친수성이 향상되어 미생물의 부착을 유리하게 해준다.

플라즈마로 표면을 개질하기 전에 고분자 담체의 불순물을 제거하기 위하여 증류수, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등으로 5 내지 20분 정도 세척한 후 진공 건조기에서 충분히 건조시키는 것이 바람직하다. 플라즈마 장치는 도1에 나타낸 바와 같으며 반응기(5), 진공펌프(12, 13), 플라즈마 발생기(10), 압력 측정기(2), 가스 조절기(14) 등으로 구성된다. 본 장치는 파이렉스(Pyrex)로 제조된 반응기(5)에 덮개를 부착하여 시료를 다루기 쉽게 제작하였으며 반응기 덮개에 가스 유·출입구, 시료 고정대(1), 압력 조절기(2) 등을 집약시켰다. 필름 형태의 시료는 시료 고정대에 부착하여 처리할 수 있게 하였으며 상기 시료 고정대의 위치는 조절 가능하다. 입자 형태의 시료를 처리하기 위해서 마그네틱 바(6)를 반응기에 넣어, 반응기를 회전시키지 않고 마그네틱 바의 회전에 의하여 입자를 유동시킬 수 있도록 함으로써 장치가 간단하며 유동층 반응기처럼 입자의 크기에 대한 제약이 없도록 설계하였다.

시료를 반응기 안에 넣고 진공펌프를 사용하여 반응기내의 가스를 배기한 후 반응기 압력이 10 내지 50mtorr가 되면 디퓨젼(diffusion) 펌프를 가동하여 반응기내를 진공 상태로 한다.

10mtorr 이하의 압력으로 진공을 건 후, 가스를 주입하여 압력을 50 내지 100mtorr로 조절한다. 이때 플라즈마를 켜기 전에 가스를 5분 이상 흐르게 함으로써 반응기내를 일정한 압력으로 안정화시키는 것이 필요하다. 본 발명에서는 플라즈마 발생 장치로 최대출력 300W의 13.56MHz RF(radio frequency) 플라즈마 발생장치(YOUNGSIN Engineering Co.)를 사용하였다. 아르곤 플라즈마는 반응기 내의 압력이 50 내지 100mtorr이고 RF 세기가 100 내지 150W가 되도록 조정하고 2 내지 4분 동안 플라즈마를 발생시킨다. 산소-플라즈마는 압력이 50 내지 100mtorr이고 RF 세기(power)는 100 내지 150W에서 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마를 켜고 원하는 플라즈마 세기에 맞추어 담체를 처리하고 처리시간은 30초 내지 10분으로 하는 것이 바람직하다.

플라즈마 처리 후 표면에 남아있는 수명이 긴 라디칼에 다른 불순물이 흡착되는 것을 방지하기 위해 반응 후 플라즈마 장치를 끄고 반응기에 5 내지 10분 동안 산소 가스를 흐르게 하는 것이 바람직하다. 시료 온도는 20 내지 60℃이고 반응기내의 분자 충돌로 인한 온도는 60℃를 초과하지 않도록 한다. 최종적으로는 시료를 반응기에서 꺼내기 전에 반응기 내부의 압력을 대기압으로 조절하기 위해 가스를 배기함으로써 고분자 담체의 표면개질은 완료된다.

3. 고정화 방법

본 발명에서 제공되는 담체에 고정화시킬 수 있는 미생물로는 고정화 기술에 이용되는 모든 미생물이 사용될 수 있으며 예를 들어 질산화 박테리아인 니트로박터(Nitrobacter), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 바실러스(Bacillus), 노카디아(Nocardia), 스트렙토마이세스(Streptomyces)와 탈질화 박테리아인 바실러스 디니트리피칸스(Bacillus denitrificans), 티오바실러스 디니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans), 마이크로코커스 디니트리피칸스(Micrococcus denitrificans), 슈도모나스 스투트제니(Pseudomonas stutzeni), 아크로모박터(Achromobacter) 및 유황 박테리아인 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans), 티오바실러스 노벨러스(Thiobacillus novellus), 베지아토아(Beggiatoa), 티오트릭스(Thiothrix)이고, 휘발성 유기 물질(VOC) 제거에 주로 사용되는 미생물은 슈도모나스(Pseudomonas)속이 대부분이며 그 종류로는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida), 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa), 슈도모나스 플루오레슨스(Pseudomonas fluorescens), 슈도모나스 종(Pseudomonas spp.) 등이 있으며 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

고정화는 상술한 미생물을 배양하여 처리한 담체와, 12 내지 48시간 배양한 미생물을 배양액이 담긴 플라스크에 함께 넣어 성장시키면서 점착시켜 실시한다.

본 발명의 고정화 담체에 대한 미생물의 고정화 특성을 측정하기 위해서는 다음과 같은 방법을 사용한다.

담체의 특성 중 하나로 가수분해를 들 수 있는데, 가수분해로 인한 담체의 무게손실을 유실율(r)로 나타낼 수 있다. 유실율 측정 실험은 미생물을 접종하지 않은 상태에서 시료의 무게가 감소하는 비율을 알아보기 위한 것이다. 유실율은 다음 수학식 1로 계산한다.

이때, W_a= 실험 후 담체의 건조무게(g)

W_b= 실험 전 담체의 건조무게(g)

고정화율(a)은 평균 유실율(g/g)을 고려하여 계산되었고 이는 수학식 2와 같다.

이때,W₂= 미생물 고정화 실험 후 최종 건조무게(g)

W₁= 미생물 고정화 실험 전 초기 건조무게(g)

r = 유실율(g/g)

고정화율(g/g)은 미생물 크기를 기준으로 미생물의 수로 나타낼 수 있다. 미생물의 밀도가 1g/㎤인 구형으로 가정할 때, 미생물 하나의 평균 직경은 1㎛ 정도이므로 미생물 하나의 평균 부피는 4πr³/3으로 나타낼 수 있다.

또한, 고정화율(No./g)은 다음과 같이 단위질량 당 미생물 수로도 나타낼 수 있으며, 겉보기 밀도를 이용하여 단위 부피 당 미생물 수로 나타낼 수도 있다. 이는 수학식 3과 같다.

[No./g]

이때, N_a= 단위 질량 당 고정화된 미생물의 수

ρ = 1 [ g/㎤], 미생물 밀도

[ ㎤ ], 미생물 평균부피

[ ㎝ ], 미생물 평균반경

ρV = 미생물 한 개의 질량 [g/No. of microbes]

따라서 고분자계 폼을 플라즈마 처리하여 얻어지는 고분자계 폼의 고정화 특성을 조사함으로써 종래 처리방법에 의한 고정화 특성과 비교할 수 있다.

상술한 바와 같이 제조한 고분자 담체에 미생물을 고정화시킴으로써 대기중으로 배출되는 유해성 악취와 휘발성 유기물질을 제거하는데 이용할 수 있다. 예를 들어 대기오염방지(Air Pollutant Control) 기술공정 중 바이오필터(biofilter), 바이오스크러버(bioscrubber), 트리클링 필터(trickling filter)로서 적용 가능하다.

또한 본 발명의 고분자 담체를 고정층 생물막 반응기에 충진시킴으로써 오·폐수 중의 유·무기 오염물질을 생물학적 방법으로 제거할 수 있다. 예를 들어 폐수처리 공정 중 액상 바이오필터, 플라스틱 충진 살수여상법, 유동층 및 고정층 산화 필터법(BAF: biological aerated filter)에 적용 가능하다.

또한 본 발명의 고분자 담체에 미생물을 고정화시킨 후 생물반응기에 도입함으로써 단백질, 효소, 아미노산 등의 생물학적 제품을 생산하는데 이용할 수 있다. 예를 들어 유동층 생물 반응기, 충전탑 생물 반응기, 교반조 생물 반응기에 적용 가능하다.

이하 본 발명은 다음에 기재한 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

<고분자 담체 시편의 제조>

폴리우레탄(유렉셀 테크놀로지)을 직육각형(3cm×3cm×1cm)으로 만들어 사용하였다.

<실시예 2>

<전처리를 위한 시료준비>

500ml의 증류수에 FeCl₃6H₂O(Aldrich Chemical Company, Inc.) 1.35mg을 용해시켜 10mM 염화제2철 용액을 만들었다. 이때 FeCl₃6H₂O이 매우 소량이기 때문에 0.1M의 농축용액을 조제한 후 이를 희석시켜 사용할 수도 있다.

<실시예 3>

<담체 표면의 전처리>

실시예 2에서 제조한 10mM 염화제2철 용액에 실시예 1에서 제조한 담체를 넣은 후 30℃에서 3시간 동안 강하게 교반시켰다. 그 다음 담체를 꺼내어 증류수로 세척한 후 2시간 동안 50 내지 60℃에서 건조시켰다.

<실시예 4>

<플라즈마 처리(플라즈마 표면 개질)>

실시예 1에서 제조한 폴리우레탄 필름과 폼으로부터 표면에 묻어있는 불순물을 제거하기 위하여 사용 전에 증류수로 약 10분간 세척한 후 진공 건조기에서 충분히 건조시켰다. 상기 필름이나 폼을 반응기 안의 시료 고정대에 넣고 진공펌프를 사용하여 반응기내의 가스를 배기시켰다. 반응기 압력이 10mtorr가 되면 디퓨젼 펌프를 가동하여 반응기내의 공기를 제거하였다. 10mtorr 이하의 압력으로 진공을 건 후, 산소 가스를 주입하여 100mtorr로 조정하였다. 첫 단계로 아르곤(Ar)-플라즈마 처리를 하기 위해 플라즈마 발생 장치를 가동하기 전에 아르곤 가스를 5 내지 6분 동안 흐르게 하였다. 그 다음 플라즈마 장치를 켜고 원하는 플라즈마 세기에 맞추어 플라즈마를 발생시켰다. 반응기에 공급되는 전력은 150W이었고 2 내지 3분 동안 반응시킨 후 RF 세기를 끄고 반응기에 5분 동안 아르곤 가스를 흐르게 하였다. 두 번째 단계로 시료를 산소-플라즈마로 처리하였다. 산소-플라즈마는 아르곤-플라즈마 처리시와 동일한 전력, 압력 조건에서 처리를 하되 처리 시간은 4 내지 6분으로 하였다.

<실시예 5>

<고정화 실험을 위한 미생물 배양>

미생물은 그람음성균으로 편모를 가진 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas Putida)를 사용하였다.

슈도모나스 푸티다(Pseudomonas Putida)를 배양하기 위한 배지의 조성은 표1에 나타내었다. 먼저 NH₄Cl 0.1g과 글루코오스 1.1g을 900㎖의 증류수에 넣고, 효모 추출물 1g을 100㎖ 증류수에 넣어 온도 121℃에서 25분 동안 오토클레브(Autoclave)에서 멸균하였다. 다음 영양액을 첨가한 후, 0.1M 인산염 완충용액(pH=7)을 50㎖ 만들고, 이중 18㎖을 취하여 함께 첨가하였다.

배지 조성	농도(g/L)	영양액
글루코오스	1.1g
효모 추출물	1g
염화암모늄(NH₄Cl)	0.1g
황산마그네슘(MgSO₄7H₂O)	0.05	0.5㎖
황산제일철(FeSO₄7H₂O)	0.005	10㎕
황산망간(MnSO₄H₂O)	0.005	50㎕
염화칼슘(CaCl₂)	0.375	75㎕
0.1M 인산염 완충용액(pH7)	18㎖

미생물 배양은 조제한 배지 100㎖에 슈도모나스 푸티다 한 백금이를 접종하여 배양기 안에서 배양하였다. 온도는 30℃로 하고 150rpm으로 24시간동안 진탕하였다.

<비교예 1>

<비교 실험용 시료의 준비>

비교 실험을 하기 위해서 5% 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI) 수용액과 10% 트리메틸아민(trimethylamine, TMA) 수용액을 제조하였다. PEI 처리용액은 같은 부피의 5% PEI 수용액과 10% TMA 수용액을 용적 플라스크에 첨가하여 강하게 흔들어 제조하였다.

<비교예 2>

<고분자양이온(Polycation) 처리>

비교예 1에서 제조한 PEI 처리 용액에 실시예 1에서 제조한 담체를 각각 넣은 후 30℃에서 강하게 교반하면서 30시간 동안 반응시켰다. 그 다음 담체를 꺼내어 증류수로 세척한 후 2시간 동안 50 내지 60℃에서 건조시켰다.

<실시예 6>

<미생물 초기 부착 특성 비교>

본 발명의 플라즈마 처리 기술과 비교예 2에 기재한 바와 같은 종래 표면 처리 기술로 얻어진 각 담체들에 대한 미생물의 초기 부착 특성을 비교하였다.

실시예 5에서와 같이 플라스크에서 배양한 미생물을 멸균된 배양액 200㎖에 10㎖씩 접종하고, 또한 각각의 표면처리된 담체를 멸균하여 넣은 후 30℃, 150rpm으로 교반하면서 24시간 배양시켰다. 각 담체의 고정화율을 전술한 바와 같이 측정한 결과 표 2 내지 표4와 같았다.

필름	대조군	PEI	플라즈마
고정화율(g/g)	0.0130	0.0257	0.0372

필름	대조군	PEI	플라즈마
고정화율(g/cm²)	0.00109	0.00202	0.00253

폼	대조군	플라즈마
고정화율(g/g)	0.0270	0.0800

표 2 및 표4에서 알 수 있듯이 플라즈마 처리한 후 미생물 초기 부착률은 플라즈마 처리하지 않은 담체에 비해 약 3배 향상되었다. 또한 플라즈마 처리한 후 미생물 초기 부착률은 고분자 양이온 처리한 담체에 비해 약 1.4배 향상되었다.

본 발명은 합성 고분자 담체 표면을 플라즈마 처리로 개질하여 친수성을 부여함으로써 미생물의 초기 부착율을 촉진시키고 미생물과 표면, 미생물과 미생물의 친화력을 좋게 하여 미생물 생장이 잘 이루어질 수 있는 우수한 미생물 고정화용 고분자 담체, 이의 제조방법 및 이의 용도를 제공하는 유용한 발명이다.

Claims

오픈 셀의 고분자 폼을 플라즈마 처리하여 표면 개질시킨 고분자 담체.
제 1항에 있어서, 상기 고분자 폼이 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리스티렌 및 PMMA로 구성된 군 중에서 선택되는 재질로 제조된 필름 또는 입자 형태인 것을 특징으로 하는 고분자 담체.
일정 크기의 고분자 폼을 준비하는 단계;

이 고분자 폼을 화학적 산화로 전처리하는 단계; 및

산화처리된 고분자 폼을 산소 플라즈마 처리 및/또는 아르곤-산소 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 고분자 담체의 제조방법.
제 3항에 있어서, 아르곤 플라즈마 처리는 고주파 세기 100 내지 150W 범위에서 발생되는 플라즈마로 처리되는 것이고, 산소 플라즈마 처리는 고주파(RF) 세기 150 내지 200W 범위에서 발생되는 플라즈마로 처리되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 3항에 있어서, 아르곤 플라즈마 처리는 2 내지 3 분간 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 3항에 있어서, 산소 플라즈마 처리는 4분 내지 6분간 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1항에 따른 고분자 담체에 미생물을 고정화시킨 후 폐수 중의 유·무기 오염물 또는 대기 중의 악취와 휘발성 유기물질을 제거하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 미생물이 질산화 박테리아, 탈질화 박테리아, 유황 박테리아 또는 슈도모나스 속인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 따른 고분자 담체에 미생물을 고정화시킨 후 이를 이용하여 생물학적 제품을 생산하는 방법.
제 9항에 있어서, 상기 미생물이 질산화 박테리아, 탈질화 박테리아, 유황 박테리아 또는 슈도모나스 속인 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항에 있어서, 상기 생물학적 제품이 단백질, 효소 또는 아미노산인 것을 특징으로 하는 방법.