KR20040011265A - 음식물쓰레기의 발효 소멸화 능력을 보유한 신규한 균주바실러스 서브틸리스 ｂｒｄ－ｆ４ｂ 및 이를 이용한음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물제제 - Google Patents
음식물쓰레기의 발효 소멸화 능력을 보유한 신규한 균주바실러스 서브틸리스 ｂｒｄ－ｆ４ｂ 및 이를 이용한음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물제제 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 생활폐기물 중 폐유기성자원인 음식물 찌꺼기의 발효 소멸화를 위한 신규한 미생물제제에 관한 것으로서, 자일란네이즈 및 아밀라제 효소활성이 있고 음식물쓰레기 분해 활성이 우수한 바실러스 서브틸리스 BRD-F4B (Bacillus subtilisBRD-F4B)균주(기탁번호:KCTC 10269BP) 및 상기 균주를 포함함을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물 제제가 제공된다.
본 발명의 균주는 균체성장이 빠르고 자일란네이즈 및 아밀라제 효소활성이 뛰어난 신규한 미생물로서 음식물쓰레기의 발효 소멸화에 뛰어난 효과가 있다.
Description
본 발명은 생활 폐기물 중 폐유기성자원인 음식물찌꺼기의 발효 소멸화를 위한 새로운 균주 및 미생물제제에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 자일란네이즈 및 아밀라아제 효소 활성이 있으며 음식물쓰레기 분해활성이 우수한 새로운 균주 바실러스 서브틸리스 BRD-F4B (Bacillus subtilisBRD-F4B, 기탁번호:KCTC 10269BP) 및 상기 균주를 포함하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물 제제에 관한 것이다.
음식물쓰레기의 1일 배출량은 12,000∼20,000톤에 이르며 이중 극히 일부가사료화 또는 퇴비화하여 재활용되고 있으나 대부분이 매립 또는 소각방식에 의존하고 있어 이로 인한 환경오염문제는 실로 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 음식물쓰레기는 수분함량이 80-85%로서 쉽게 부패되어 악취와 오수가 발생함으로 분리수거·운반이 어려우며, 매립 시에는 다량의 침출수가 흘러나와 지하수 오염 등의 2차 환경오염을 유발시키고 침출수를 처리하는데 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 소각 시에도 발열량이 낮고 수분이 많아 소각온도 저하에 따른 보조연료의 추가사용의 문제점이 유발되는 등 매립이나 소각시에는 처리기술이 단순하다는 장점도 있지만 직접적인 폐해나 경제적인 손실도 많이 발생하게 된다.
따라서 음식물찌꺼기 발생원단위에서 처리시설을 설치하여 발생 즉시 바로 처리된다면 음식물쓰레기의 발생을 근본적으로 해결할 수 있고, 경제적이며, 안전한 방법으로써 발생된 음식물쓰레기를 1차 현장에서 완전 소멸화를 유도하여 2차 오염으로 인한 여러 가지 폐해를 줄일 수 있다.
이러한 방법중의 하나가 발효(호기적 발효)를 이용한 발효처리에 의한 소멸화 방안을 들 수 있다. 이 같은 발효 처리 장치는 국내 뿐 아니라 일본 등지에서도 활발히 연구가 진행 중에 있으나 기 개발된 처리기술에 대한 신뢰도는 상당히 낮은 편이며, 판매 설치된 처리장치들 마저도 적정한 공정효율을 보이지 못하고 있으며 기존의 소멸화 장치를 이용한 처리방법은 1) 악취를 많이 발생시키고, 2) 완전 소멸화를 유도할 수 없었으며, 3) 소음 및 유지비 등의 문제점으로 인해 사용자들에 의해 기피되어 왔던 것이 사실이다. 또한 대부분 단순건조에 의한 방식으로 미생물에 의한 유기물 분해에 의한 실질적인 감량효율을 보이지 못하고 있다.
이에 본 발명의 목적은 음식물찌꺼기의 발효 소멸화에 적합한 신규한 균주를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기균주를 이용한 음식물찌꺼기의 발효 소멸화용 미생물제제를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 균주와 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 16S rDNA 일부 염기서열을 비교한 결과이다.
본 발명의 일견지에 의하면, 자일란네이즈, 아밀라제 효소활성이 있으며 음식물쓰레기 분해 활성이 우수한 새로운 균주 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)BRD-F4B(기탁번호:KCTC 10269BP)가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 균주를 포함함을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물 제제가 제공된다.
본 발명자들은 음식물찌꺼기와 같은 폐유기성자원을 발효 소멸화하기 위하여 신규한 미생물 균주를 선발하고 상기 미생물을 이용하여 발효 소멸화를 성공적으로 수행하였다. 음식물찌꺼기의 발효 소멸화에는 음식물찌꺼기가 발효기 내에서 투입된 미생물 제제에 의하여 유기물질이 생물학적으로 분해되어 병원균은 지속적인 발효열에 의하여 사멸되고, 최종적으로 완전 소멸화를 달성 할 수 있다. 따라서 본 발명자들은 발효 소멸화에 관여하는 미생물의 종류 및 특성에 따라 발효 소멸화 목적에 적절한 미생물만을 선별하였다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 음식물찌꺼기의 발효 소멸화를 위하여 효소활성이 우수하고 증식속도가 빠른 미생물 균주를 경기도 이천의 한 농장에서 퇴비로부터 분리하여 버어지시 매뉴얼(Bergy's Manual of Determinative Bacteriology)과 16s rDNA의 부분적 염기서열 분석에 따라 본 발명의 균주의 형태학적, 생리학적 및 생화학적 특성을 조사하여 균주 동정을 실시하였다.
그 결과 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 신균주는 그람 양성균이며, 운동성과 포자형성능을 가진 간균이다. 상기 균주는 카탈라제와 옥시다제 생성을 가지며, 시트레이트 이용성 및 전분, 젤라틴, 카제인 분해능을 가졌고, 니트레이트 환원능이 있었다. 유레아 분해능은 없었고, 인돌 생산은 관찰되지 않았고, 아세토인 생산을 보였다. 탄소원 발효능의 실험결과 글루코즈, 아라비노즈, 만니톨 및 자일로즈 등의 모든 당류에서 산을 생성하였고 글루코즈로 부터의 가스생성은 관찰되지 않았다.
상기 균주의 동정을 위하여 분자유전학적 방법으로 16S rDNA의 염기서열을 분석하였다. 그 결과를 하기 서열번호 1에 나타내었으며, 이러한 염기서열을 이용하여 진뱅크(Genebank)상에서 블라스트 서치(blast search)를 통해 상기 균주를 동정한 결과, 표 2와 도 1에 나타낸 바와 같이, 염기서열이 결정된 485 bp상에서 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)와 높은 상동성을 보였다. 이상의 형태학적, 생리학적 및 분자유전학적 특성 등을 종합하여, 상기 균주는 바실러스 서브틸리스로 동정되어 이를 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) BRD-F4B라 명명하고 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자은행(KCTC, Korean Collection forType Cultures)에 2002년 6월 5일자로 기탁하였다(기탁번호:KCTC 10269P).
| 인자 | BRD-F4B |
| 형태학적 특성그람염색모양크기(㎛)길이(㎛)운동성포자형성 | +간균0.7-0.81.3-2.3++ |
| 배양학적 특성색깔호기적 배양혐기적 배양생육온도 40℃65℃ | 흰색+-++ |
| 생리학적 특성카탈라제 생산옥시다제 생산글루코즈로부터 산 생성탄수화물(OF1)탄수화물로부터 산 생성글루코즈만니톨아라비노즈자일로즈시트레이트 이용니트레이트 환원젤라틴 가수분해카제인 가수분해전분 가수분해인돌유레이즈황화수소 발생베타-갈락톡시다아제Voges-Proskauer(VP) 시험 | +++F+++++++++---++ |
1산화-발효시험
| 균주 | 유사균주 | 유사성(%)* | 염기서열 길이 |
| BRD-F4B | 바실러스 서브틸리스 | 100%(485/485) | 485 |
*유사성은 "The BLAST search"를 통해 획득
본 발명의 신규한 미생물 균주 바실러스 서브틸리스 BRD-F4B는 자일란네이즈 및 아밀라제 효소활성을 가져 분해활성이 우수하므로, 따라서 음식물쓰레기를 발효소멸하는데 사용되는 미생물제제로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 균주가 음식물쓰레기의 발효소멸용 미생물제제로 사용되는 경우, 본 발명의 균주를 보존 담체(생육기질)에 흡착시켜 사용하는 것이 바람직하며, 적절한 보존 담체는 예를들어, 탈지강, 셀카시(CellCaSi), 활성탄, 규조토 및 화이트 카본을 포함한다. 본 발명의 균주를 담체에 흡착시키는 방법은 균배양액과 담체를 혼합함으로써 이루어질 수 있으며, 그 혼합비는 특별히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게 균배양액대 담체를 1:10∼5:10의 부피비로 혼합한다. 또한, 이때 수분 조절역할과 음식물 파쇄 효과를 위해 왕겨를 첨가할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예 1 - 바실러스 서브틸리스(
Bacillus subtilis
)
BRD-F4B 균주의 분리
본 발명의 프로테아제 및 리파제 효소 활성을 갖는 균주는 경기도 이천의 한 농장에서 퇴비로부터 시료를 채취하고, 그 시료를 0.85%의 생리식염수로 10-3, 10-4,10-5으로 희석하여 각 효소기질이 포함된 고체 평판배지(표 3)에 접종하여 2일동안 30℃에서 배양하였다. 그 다음, 배양된 균을 다시 동일한 배지에 도말하여 2일동안 30℃에서 배양하였다. 그 다음 형성된 콜로니를 연속 계대배양하여 순수한 균주를 분리하여 버어지시 매뉴얼(Bergy's Manual of Determinative Bacteriology)과 16s rDNA의 부분적 염기서열 분석에 따라 본 발명의 균주의 형태학적, 생리학적 및 생화학적 특성을 조사하여 균주 동정을 실시하였으며 그 결과는 상기 표 1에 이미 나타낸 바와 같다.
실시예 2 - 음식물찌꺼기의 발효 소멸용 미생물제제 제조
본 발명의 미생물 신균주 바실러스 서브틸리스 BRD-F4B의 배양액을 담체로서 각각 탈지강, 셀카시(CellCaSi), 활성탄, 규조토 및 화이트 카본 (White carbon)과 혼합함으로써 본 발명의 균주를 담체에 흡착시켜 발효소멸화용 미생물제제를 제조하였다.
본 발명의 미생물제제의 제조방법은 종균배양액을 일차 액체배지(LB 배지: 박토-트립톤 1g/L, 효모 추출물 0.5g/L, NaCl 1g/L)에 접종하여 25℃에서 24시간동안 배양한 다음, 담체로서 각각 탈지강, 셀카시 (CellCaSi), 활성탄, 규조토 또는 화이트 카본 (White carbon)을 이용하여 담체 10 :배양액 4의 부피비로 골고루 균일하게 혼합한 후 25℃에서 24시간 건조시켜 고체화한 후, 비누화 반응을 이용하여 55∼60℃에서 24시간동안 이차 고체배양하여 본 발명의 균주 바실러스 서브틸리스BRD-F4B가 흡착된 발효소멸화용 미생물제제를 제조하였다.
실시예 3 - 본 발명의 균주의 음식물 쓰레기 발효 소멸능 평가
본 실시예에서는 발효 소멸공정에서 미생물상 변화와 효소활성(DNS방법)을 측정한 후 본 발명의 미생물균주의 효능 및 효과를 검토하였다.
실시예 3-1
상기 실시예 2에서 제조한 본 발명의 미생물제제 시료를 이용하여 표 3에 나타낸 바와 같이 각각의 기질(아밀라제 : 수용성 전분, 프로테아제 : 탈지유, 셀룰라제 : 셀룰네이즈, 리파제 : 올리브 오일, 자일란네이즈 : 자일란)이 함유된 고체평판배지를 이용하여 아밀라제 (Amylase), 프로테아제 (Protease), 셀룰라제 (Cellulase), 리파제 (Lipase) 및 자일란네이즈 (Xylanase) 효소의 활성을 DNS법으로 측정하였다. 효소활성 측정결과를 하기 표 4에 나타내었다.
| 성분(g/l) | 아밀라제 | 프로테아제 | 셀룰라제 | 리파제 | 자일란네이즈 |
| 자일란 | 5 | ||||
| 가용성 전분 | 5 | ||||
| CMC? | 5 | ||||
| 탈지유 | 10 | ||||
| 트리부티린(올리브 오일) | 5 | ||||
| 아라비아 고무 | 5 | ||||
| 펩톤 | 5 | 30 | 5 | 3 | 5 |
| 효모 추출물 | 5 | 10 | 5 | 5 | 5 |
| K2HPO4 | 1 | 10 | 1 | 1 | |
| MgSO47H2O | 0.1 | 2 | 0.1 | 0.1 | |
| NaCl | 2 | 10 | 2 | 5 | 2 |
| 아가 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 효소활성(Unit/ml) | BRD-F4B |
| 아밀라제 | 0.2759 |
| 프로테아제 | - |
| 셀룰라제 | - |
| 리파제 | - |
| 자일란네이즈 | 0.6742 |
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 균주를 4일동안 액체배지에서 배양한 후, 효소활성을 측정한 결과 자일란네이즈의 활성이 크게 나타났으며 아밀라제 활성도 나타내는 것으로 보아 본 발명의 미생물제제에 사용된 균주는 발효소멸과정 중에 활성을 크게 나타내는 것으로 확인되었다.
실시예 3-2
여러 종류의 담체를 사용하여 본 발명의 균주를 음식물찌꺼기 발효 소멸화에적용시, 최적의 담체를 조사하였다. 실시예 2의 여러 가지 담체를 이용하여 제조된 미생물제제에서, 각 담체에 따른 본 발명의 신규한 균주의 생균수를 확인하고 생산된 제제내의 생존하는 생균수를 조사하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 본 균주가 사용된 담체 중 셀카시 (CellCaSi)보다 탈지강에서 27.97×108/g정도로 보다 많은 생균수가 측정되어 최적의 담체로 탈지강이 미생물제제생산에 이용되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
| 제재 | BRD-F4B |
| 셀카시(CellCaSi) | 1.14×108 |
| 규조토 | 16.35×108 |
| 화이트카본(White carbon) | 11.8×108 |
| 활성탄 | 0 |
| 탈지강 | 25.34×108 |
또한, 각각의 미생물제제를 사용된 담체의 종류별로 소멸활성에 대하여 조사하였다. 담체의 종류에 따른 생균수와 pH의 변화를 조사하여, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다. 각 미생물제제를 각종 음식물찌꺼기(연구소 내 식당에서 배출된 음식물찌꺼기)와 함께 반응시켰을 때, 생균수가 전체적으로 증가하였고, 그 중에 탈지강에서 44.6×108로서 가장 많이 증가되었으며 셀카시 (CellCaSi)나 화이트 카본(white carbon), 활성탄에서는 미생물제제를 투여하지 않은 대조군과 거의 같은 수의 생균수가 증가되는 것으로 나타났다. pH는 초기와 반응 24시간 후의 pH와큰 차이를 나타내지 않았다.
| 담체 | 생균수(CFU/g) | pH | |||
| 0h | 24h | 증가된 생균수 | 0h | 24h | |
| 대조군 | 8.8×107 | 6.6×108 | 5.7×108 | 4.4 | 4.1 |
| 셀카시 | 12.9×107 | 6.5×108 | 5.2×108 | 5.2 | 5.4 |
| 규조토 | 7.12×107 | 17.6×108 | 16.88×108 | 4.1 | 4.4 |
| 화이트 카본 | 30.8×107 | 8.1×108 | 5.0×108 | 4.5 | 4.5 |
| 활성탄 | 9.9×107 | 6.0×108 | 5.0×108 | 5.1 | 5.4 |
| 탈지강 | 44.6×107 | 49.1×108 | 44.6×108 | 5.0 | 4.4 |
또한, 담체의 종류에 따른 미생물제제에서 총당, 환원당, 총질소의 변화를 조사하여 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 초기의 총당은 모든 종류의 미생물제제에서 미생물의 급격한 증식에 따른 에너지원으로 이용하여 감소되는 것을 확인할 수 있었고, 환원당도 지속적인 분해작용으로 감소되었다. 그 중 탈지강을 담체로 하여 제조한 미생물제제를 사용한 경우 총당이 19.8 g/l에서 8.9 g/l로, 환원당은 3.2 g/l에서 1.3 g/l로 감소되었고, 총질소는 모든 종류의 미생물제제에서 비슷한 비율로 감소되는 것으로 나타났다.
| 담체 | 총당(g/l) | 환원당(g/l) | 총질소(g/l) | |||
| 0h | 24h | 0h | 24h | 0h | 24h | |
| 대조군 | 8.6 | 4.1 | 1.7 | 0.5 | 0.5 | 0.2 |
| 셀카시 | 8.2 | 2.1 | 2.2 | 0.7 | 0.5 | 0.4 |
| 규조토 | 9.1 | 1.3 | 2.4 | 0.3 | 0.5 | 0.3 |
| 화이트 카본 | 8.8 | 3.9 | 2.2 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 활성탄 | 9.8 | 0.9 | 2.4 | 0.5 | 0.5 | 0.4 |
| 탈지강 | 19.8 | 8.9 | 3.2 | 1.3 | 0.9 | 0.5 |
실시예 4 - 중형발효소멸기 운전
탈지강을 담체로 하여 실시예 2의 방법으로 제조한 미생물제제 2.2kg를 왕겨 8kg과 함께 소멸용기(30kg working volume/ 50kg 발효 소멸기, 30℃) 안에 함께 투여하고, 1시간 혼합 후 운전을 하였다. 매일 약 30kg의 남은 각종 음식물찌꺼기(연구소 내 식당에서 배출된 음식물찌꺼기)를 첨가하였다. 교반과 대기, 수분사를 자동 온/오프 타이머를 이용하여 간헐적으로 운전하였다(교반 30회/4min, 대기 25min, 수분사 20L/min). 반응조는 미생물에 의한 유기물의 분해과정에서 발생하는 발효열을 평가하기 위해 별도의 가온, 공기공급은 하지 않았으며, 수분사식으로 인해 실험기간동안 발효열은 30℃정도로 일정하게 유지되었다. 25일 동안 총 600kg의 음식물이 첨가되었고, 25일 후에 남은 음식물의 양은 60kg이었으며 무게 감소율을 계산하면 약 90%가 감소되었다. 나머지 분해된 물질(560kg)은 물, 이산화탄소 및 암모니아 가스로 전환되는 것으로 사료된다. 투여된 음식물 중 갈비뼈 등의 물질이 포함되었던 것을 고려한다면 실제 무게감소율은 더 높을 것으로 사료된다.
따라서, 음식물찌꺼기에 대한 본 발명의 미생물제제를 이용한 발효 소멸화에 있어서 활발한 대사과정으로 인해 음식물 소멸시간을 단축시킬 수 있으며 높은 효소활성을 가지므로 소멸 전 기간 동안의 분해활성을 유지하여 발효 소멸화를 성공적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 따른 신균주 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)BRD-F4B는 균체성장이 빠르고 자일란네이즈 및 아밀라제 효소활성을 갖는 신규한 미생물균주로서 음식물쓰레기의 발효 소멸화에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (4)
- 자일란네이즈 및 아밀라제 효소활성을 가지며 음식물쓰레기 분해 활성이 우수한 바실러스 서브틸리스 BRD-F4B (Bacillus subtilisBRD-F4B)균주(기탁번호:KCTC 10269BP).
- 제1항의 균주를 포함함을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물 제제.
- 제 2항에 있어서, 상기 균주는 보존 담체에 흡착되어 사용됨을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물제제.
- 제 2항에 있어서, 상기 보존 담체는 탈지강, 셀카시 (CellCaSi), 활성탄, 규조토 및 화이트 카본 (White carbon)중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로부터 선택됨을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물제제.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0045043A KR100452124B1 (ko) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 음식물쓰레기의 발효 소멸화 능력을 보유한 신규한 균주바실러스 서브틸리스 ｂｒｄ－ｆ４ｂ 및 이를 이용한음식물 쓰레기의 발효 소멸화용 미생물제제 |
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| KR100725850B1 (ko) * | 2005-07-08 | 2007-06-08 | (주)암풀전자 | 음식물 소멸화용 발효균 및 이를 이용한 발효균제제제조방법 |
| KR20220049798A (ko) * | 2020-10-15 | 2022-04-22 | 문선주 | 농축산 부산물 분해 효과 및 악취 저감 효과가 있는 신규한 바실러스 균주 및 이를 포함하는 조성물 |
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| JP2001224365A (ja) * | 2000-02-14 | 2001-08-21 | Chuyaku:Kk | 微生物配合剤 |
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-
2002
- 2002-07-30 KR KR10-2002-0045043A patent/KR100452124B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR20220049798A (ko) * | 2020-10-15 | 2022-04-22 | 문선주 | 농축산 부산물 분해 효과 및 악취 저감 효과가 있는 신규한 바실러스 균주 및 이를 포함하는 조성물 |
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