KR20050082778A

KR20050082778A - 지오트리쿰 속 균주가 고정된 바이오필터 및 이를 이용한메틸에틸케톤의 제거방법

Info

Publication number: KR20050082778A
Application number: KR1020040011349A
Authority: KR
Inventors: 최성찬; 오영숙; 최재헌; 어기헌
Original assignee: 학교법인 한림대학교
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-08-24
Also published as: KR100522716B1

Abstract

본 발명은 지오트리쿰 속 균주가 고정된 바이오필터 및 이를 이용한 메틸에틸케톤의 제거방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 질석, 펄라이트, 및 피트모스로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 담체에 지오트리쿰 속 균주가 고정화된 바이오필터를 사용하여 메틸에틸케톤을 제거하는 방법을 제공하므로써, 활성탄에 의한 흡착이나 소각 등의 전통적인 방법에 비하여 상대적으로 저렴하고, 질소산화물이나 2차 오염물질을 생성하지 않아 환경친화적이며, 바이오필터내에 압력손실이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

Description

지오트리쿰 속 균주가 고정된 바이오필터 및 이를 이용한 메틸에틸케톤의 제거방법{REMOVAL METHOD FOR METHYL ETHYL KETONE USING GEOTRICHUM-IMMOBILIZED BIOFILTER}

[발명이 속하는 기술분야]

본 발명은 지오트리쿰 속 균주가 고정된 바이오필터 및 이를 이용한 메틸에틸케톤의 제거방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 질석, 펄라이트, 및 피트모스로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 담체에 지오트리쿰 속 균주가 고정화된 바이오필터를 사용하여 메틸에틸케톤을 제거하는 방법에 관한 것이다.

[종래기술]

메틸에틸케톤(MEK)는 아세톤과 비슷한 냄새가 나는 무색의 용매로서, 1990년에 미국의 Clean Air Act Amendments(CAAA)에서 제정된 189개의 유해한 화합물질 중 하나이다. MEK는 주로 보호용 피막(protective coating), 접착제(adhesives), 프린트 잉크, 페인트 제거제 등의 용도로 폭넓게 이용되고 있다. 미국에서는 매년 5억 4천5백만 파운드 이상이 생산되고 있으며, 3백만 명 이상의 근로자가 매년 MEK에 노출되는 것으로 추정된다(U.S. EPA, 1994; NIOSH, 1992). MEK는 단기적으로 높은 농도로 흡입했을 때 두통, 메스꺼움, 어지러움 등을 일으키며 심할 땐 혼수상태에 이르기도 한다. 또한 장기적으로 흡입했을 때 중추신경계에 장애를 일으키며 간이나 신장에 독성을 일으킬 수 있다(U.S. EPA, 1994).

MEK는 휘발성이 크기 때문에 환경으로 방출되면서 거의 대부분이 대기 중에 존재하게 된다. 그 중 가장 많은 양은 코팅제, 합성수지류, 접착제 등의 용매에서 방출되며, 담배연기나 자동차 배기가스 등에서도 방출된다. 또 심지어 아이스크림, 치즈, 크림 등과 같은 식품에서도 소량 발견된다(U.S. EPA, 1994). 독성 화합물 방출 기록(Toxic Chemical Release Inventory)의 보고서(TRI92, 1994)에 따르면, 1992년 미국의 한 분야의 산업체에서 총 9천 130만 파운드의 MEK가 방출되었는데 그 중 99%가 대기 중으로 나머지 1%는 지표수나 지하수, 토양 등에 방출된 것으로 보고하였다.

대기 중에 방출된 MEK의 주요한 분해경로는, MEK가 광화학적으로 생산된 수산기 래디컬(hydroxyl radical)과 반응하여 아세트알데하이드(acetaldehyde)를 생산해내는 과정이다. 수산기 래디컬과의 반응에서 MEK의 반감기는 약 2.3일로 알려져 있다(U.S. EPA, 1994). 또 일부는 비나 안개 등에 의한 침강에 의해 대기 중으로부터 이동될 수 있다. 토양에서는, MEK가 대기 중으로 휘발되는 과정에서 토양의 표면에서 광분해가 일어날 수 있다. MEK는 토양 내에서 높은 이동성을 가지고 있고 물에 의해 침출되거나 토양미생물에 의해 분해되기도 한다(U.S. EPA, 1985). 물에서의 MEK의 주요한 이동경로는, 주로 대기 중으로의 휘발이다. MEK의 완전한 호기적 생분해는 하수나 오염된 지표수에 유입되었을 때 약 5 ~ 10일 정도 걸리는 것으로 알려져 있다.

MEK와 같은 휘발성 오염물질(VOC)의 처리방법으로는 물리·화학적 처리, 생물학적 처리 등이 있다. 그러나 물리·화학적 처리는 다양한 종류의 휘발성 오염물질을 높은 효율로 제거할 수 있지만 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 반면, 생물학적 처리는 활성탄에 의한 흡착이나 소각 등의 전통적인 방법에 비하여 상대적으로 비용이 적게 든다는 장점이 있으며, 질소산화물이나 2차 오염물질을 생성하지 않아 환경친화적이다. 오염물질은 일반적으로 미생물에 의해 무해한 이산화탄소등으로 방출되므로 생물학적 정화기술은 낮은 농도의 악취나 휘발성 유기화합물, 유해한 대기오염물질을 제거하는데 많이 채택되고 있다. 생물학적 정화기술 중의 하나인 바이오필터는 메탄, 에탄, 일산화탄소 등과 같이 분해되기 어려운 오염물질 뿐 아니라 아황산가스, 질소산화물, 황화수소와 같은 무기오염물질을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 오염된 공기에 포함되어 있는 악취 및 휘발성유기탄소를 제거하는 방법에는 약액세정, 촉매산화 등의 물리화학적 방법과 바이오필터(Biofilter), 바이오와셔(Biowasher), 에어리프트(Air lift), 트리클링 바이오필터(Trickling biofilter) 등의 생물화학적 방법이 있다. 대부분의 진균류를 이용한 바이오필터 실험에서는 압력손실이 높게 나타나며, 이때 압력손실은 필터내의 오염물질 흐름을 방해하여 채널링(channeling) 현상을 일으킨다(Woertz et al.,Exophiala lecanii-corni. Biotechnol. Bioeng. 75: 550-558. 2001).

상기 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 질석, 펄라이트, 및 피트모스(peat moss)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 담체에 지오트리쿰 속 균주가 고정화된 MEK 제거용 바이오필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 MEK 제거용 바이오필터에 메틸에틸케톤 함유 가스를 주입하여 운전하는 것을 포함하는 MEK의 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 질석, 펄라이트, 및 피트모스(peat moss)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 담체에 지오트리쿰(Geotrichum) 속 균주가 세포단백질량 기준으로 담체 건조중량 1 g 당 0.7 내지 0.8 ㎎으로 고정화된 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터에 메틸에틸케톤 함유 가스를 주입하여, 20 ~ 27℃에서, pH 5 ~ 8, 표면부하 1.27 ~ 3.63 m³m^-2h ^-1및 유입농도 0.05 ~ 1.25 gm^-3로 운전하는 것을 포함하는 메틸에틸케톤의 제거방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터를 연구하던 중, 토양에서 메틸에틸케톤을 대사 기질로 사용하여 분해하는 미생물로 지오트리쿰 속 균주를 동정하였고, 상기 균주를 담체에 고정화시킨 바이오필터가 메틸에틸케톤을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하여 이를 토대로 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 메틸에틸케톤 분해능을 포함하는 지오트리쿰 속 균주, 상기 균주를 담체에 흡착시킨 바이오필터 및 상기 바이오 필터를 이용한 메틸에틸케톤 제거방법에 관한 것이다.

본 발명의 지오트리쿰 속 균주는 지오트리쿰 속으로 분류되는 미생물로, 일예로 지오트리쿰 칸디둠(Geotrichum candidum), 지오트리쿰 퍼멘탄스(Geotrichum fermentans), 지오트리쿰 락티스(Geotrichum lactis), 지오트리쿰 루브럼(Geotrichum rubrum), 지오트리쿰 크루스타시아(Geotrichum crustacea), 지오트리쿰 아우리안티쿰(Geotrichum aurianticum) 및 지오트리쿰 카세오보란스(Geotrichum caseovorans)가 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

지오트리쿰 속 균주는 통상의 효모배지에서 배양가능하며, 특히 최소영양배지, 예컨대 증류수 1 L당 1 내지 10 g의 Na₂HPO₄7H₂O, 0.5 내지 5 g의 KH ₂PO₄, 0.1 내지 3 g의 (NH₄)₂SO₄, 0.1 내지 50 mg의 니트릴로트리아세틴산, 0.1 내지 10 mg의 KOH, 1 내지 50 mg의 MgSO₄7H₂O 및 0.1 내지 10 mg의 CaCl₂를 포함하는 배지를 사용할 수 있다. 특히 최소영양배지는 증류수 1 L당 함량: 5.52g Na₂HPO₄7H₂O, 2.4g KH₂PO₄, 1g (NH₄)₂SO₄, 5mg 니트릴로트리아세틴산, 3.65mg KOH, 14.8mg MgSO₄7H₂O 및 1.68mg CaCl₂를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 지오트리쿰 속 균주는 MEK가 제공되는 조건에서 배양할 수 있으며, MEK는 증기상태로 공급가능하며 공급량은 150 내지 300 mg/ml로 바람직하기로는 최대용해도 수준, 예컨대 250 mg/ml일 수 있다. 지오트리쿰 속 균주의 배양 조건은 25 내지 35 ℃, 바람직하기로는 28 내지 32 ℃에서 호기 배양하는 것이다. 지오트리쿰 속 균주는 MEK를 대사 기질로 이용하여 생분해하며, 일부는 흡착하기도 하는데, 특히 MEK를 대사 기질로 이용한 후 중간 대사산물 즉 2차 오염물질을 축적시키지 않아, 매우 환경친화적이다.

본 발명에 따른 지오트리쿰 속 균주는 MEK 제거용 조성물로 제공될 수 있으며, 일 실시예로 상기 균주는 담체에 고정시켜 바이오필터로 제공가능하다. 상기 담체는 통상의 바이오필터로 사용가능한 물질, 예컨대 토탄, 톱밥, 펄라이트, 세라믹, 합성수지, 질석 및 피트모스 등일 수 있으며, 바람직하기로는 질석, 펄라이트 및 피트모스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 담체일 수 있다. 상기한 질석, 펄라이트 및 피트모스는 높은 공극율을 가져 미생물이 생육할 수 있는 표면적이 넓으며, 효율적인 물질전달(mass transfer), 최소의 압력손실(pressure drop) 및 압밀(compaction) 등을 고려할 때 매우 적합하다. 또한 펄라이트, 질석, 피트는 담체로서 적당한 물리, 화학적 성질을 가지고 있으며, 가격이 저렴하여 경제적인 장점을 가지고 있다.

상기 담체는 더욱 바람직하기로는 질석, 펄라이트 및 피트모스를 1:1:0.5 내지 1 부피비로 포함할 수 있으며, 가장 바람직하기로는 질석 및 펄라이트를 1:1 부피비로 포함하는 것이다. 상기 질석, 펄라이트 및 피트모스는 통상의 상업적으로 판매되는 제품을 사용할 수 있으며, 이들의 규격은 2 내지 5 mm 직경의 크기로, 여러 가지 모양, 예컨대 원형, 타원형의 볼형태, 막대형태, 사각형, 삼각형 또는 다각형을 포함할 수 있으며, 이의 공극율은 30 내지 80 v/v% 일 수 있다.

본 발명에 따른 바이오필터는, 상기 담체 및 이에 고정된 지오트리쿰 속 균주를 포함한다. 바이오필터는 담체에 지오트리쿰(Geotrichum) 속 균주가 세포단백질량 기준으로 담체 건조중량 1 g 당 0.7 내지 0.8 ㎎으로 고정화될 수 있다. 지오트리쿰 속 균주의 고정화는 지오트리쿰 속 균주를 담체의 수분 보유능(water-holding capacity)의 30 내지 60%가 되도록 배지와 함께 가하여 혼합하는 방법으로 실시가능하다. 상기 담체의 수분 보유율(moisture content)이 수분보유능의 30% 미만인 경우 지나치게 건조하여 지오트리쿰 속 균주의 초기생장이 저해를 받을 수 있으며, 60%를 초과하는 경우 담체의 공극부위에 혐기적 환경이 조성되어 산소의 원활한 공급이 저해 받으므로 활성이 떨어질 수 있다. 상기 담체와 담체에 고정된 미생물은, 통상의 용기 예컨대, 유리, 아크릴 또는 PVC 에 충진될 수 있으며, 용기의 형태는 MEK 제거용 바이오필터의 설치방법 및 설치장소에 따라 달리 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 MEK 제거용 바이오필터는, 지오트리쿰 속 균주에 최적의 생육조건을 제공할 뿐만 아니라 최적의 MEK 분해 조건을 제공함으로써, 장기간 사용시에도 우수한 MEK 제거효율을 나타낸다. 또한 상기 바이오필터는 압력 손실이 매우 낮아, 압력 손실로 인하여 유발되는 채널링 현상이 발생되지 않는다.

본 발명에 따른 MEK 제거용 바이오필터는 MEK 함유 가스를 통과시켜, MEK를 제거하며, 이때 바이오필터내 온도는 20 내지 27 ℃이고, pH는 5 내지 8, 바람직하기로는 6 내지 7일 수 있다. MEK 함유 가스는 0.05 내지 1.25 gm^-3유입농도로 적용하며, 표면부하는 1.27 내지 3.63 m³m^-2h^-1로 설정할 수 있다. 그러나, 상기한 조건은 바이오필터의 형태에 따라 달리 적용하는 것이 가장 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 균주분리

MEK를 분해할 수 있는 균주를 분리하기 위해 춘천시 후평공단에서 토양을 채취하였다. 채취한 토양 1 g을 100 ㎖의 최소영양(mineral salts basal; MSB) 배지(이하 증류수 1 L당 함량: 5.52g Na₂HPO₄7H₂O, 2.4g KH₂PO ₄, 1g (NH₄)₂SO₄, 5mg nitrilotriacetic acid, 3.65mg KOH, 14.8mg MgSO₄7H₂O 및 1.68mg CaCl₂)에 넣고 단일 탄소원 및 에너지원으로서 MEK를 공급하였다. MEK는 배지 중에 일정한 농도로 공급되도록 테프론으로 감싼 마개에 MEK에 젖은 솜이 들어있는 바이알을 매달아 증기 상태로 공급하여 배양하였다. 배양은 30℃에서 200 rpm으로 진탕배양 (Model 3585-5, Lab-line Instruments, Inc.)하였다. 바이알에서 휘발되는 MEK는 일정한 간격으로 계속 공급하여 주었고, 호기성 분해에 필요한 산소를 공급하기 위해 매일 약 10분간씩 마개를 열어 주었다. 균주가 자라 배지의 탁도가 증가하면 새로운 MSB배지에 수차례 계대 배양하여 안정된 혼합균체가 형성되도록 하였다. 균주의 분리는 액체 배지를 백금이로 떠서 2% 노블 아가(Noble agar, Difco)로 고형화시킨 MSB 평판배지에서 분리하였다. 이 경우도 역시 단일 탄소원 및 에너지원으로서 MEK를 듀람관에 있는 솜에 적셔서 증기 상태로 공급하였다. 균주의 생장속도를 촉진시키기 위해 평판배양에서는 MSB 배지에 0.2% 효모추출물을 추가로 첨가해 주어 사용하였다. 총 3종의 세균종과 2종의 진균류가 분리되었으며, 각각의 MEK 분해능을 시험용기에서 측정한 결과 가장 우수한 분해능을 갖는 한 종의 진균류를 형태학적 특징과 가스크로마토그래피를 이용한 세포막의 지방산구조 분석(fatty acid methyl ester; FAME)에 의거하여(도 1), 지오트리쿰 속 균주(Geotrichum sp.)로 동정하였으며, 이를 'MF01균주'라 명명하고 연구를 수행하였다.

실시예 2: MEK의 생분해 동역학

2-1. MEK 분해능 분석법

균주의 MEK 분해능을 측정하기 위해, MSB배지에 단일 탄소원 및 에너지원으로 MEK를 주입하여 24시간 배양한 균체를 8,000ㅧ g에서 10분 동안 원심분리하여 회수하였다. 얻어진 균체는 새로운 MSB에 현탁시킨 후 600 nm에서 흡광도가 1.0(=0.65 g 건조중량/L)이 되도록 희석하여 10 ㎖씩을 160 ㎖ 시험용기에 주입하였다. 초기 MEK농도는 1 내지 11.2 mM 범위로 주입하였고, 배양조건은 200 rpm, 30℃로 설정하였다. MEK 제거율은 시험용기의 공기층(headspace)에서 100 ㎕의 가스 시료를 채취하여 불꽃이온화검출기(flame ionization detector)와 0.53 mm 직경 X 30m 크기의 모세관 칼럼(capillary column)이 장착된 가스크로마토그래피 (Hewlett-Packard Model 5890 Series Ⅱ plus, USA)를 이용하여 분석하였다. MEK의 농도는 일정한 농도에 따른 GC 검출기록기 면적(recorder area)을 나타낸 표준직선을 이용하여 분석하였고, MEK를 분석하기 위한 GC 운전조건은 표 1에 나타내었다.

주입기 온도	100 ℃
오븐 온도	50 ℃
검출기 온도	250 ℃
질소가스 유속	10 ㎖/min

모든 실험은 2배수로 수행하였고, 분해균주를 첨가하지 않은 비생물학적 대조군(abiotic control)을 함께 실험하여 MF01만에 의한 생물학적 분해도를 측정하였다. 결과는 시간에 따른 특이제거율(specific removal rate), 즉 r(MEK 제거량/ 건조중량/ 시간)값으로 나타내었고, 기질친화도 상수(K _m)와 최대 제거율(r_max)을 구하기 위해 하기 수학식 1의 Michaelis-Menten 수식을 사용하였다.

(수학식 1)

2-2. 결과

10 ㎖의 균주 현탁액에 MEK를 3 ㎕ 주입한 후, 측정한 MEK 분해율과 생장곡선을 도 3에 나타내었다. 초기 균체량은 0.03 g 건조중량/L이었다. MF01 균주는 약 30분의 지연기(lag phase)를 거친 후 MEK를 일정한 속도로 분해하여 4시간째에 완전히 분해하였다. 또한 균주는 1시간 이후부터 생장하여 MEK의 분해와 동시에 생장했고, MEK가 완전히 분해된 이후부터는 더 이상 생장하지 않았다. 이는 균주에 의해 MEK가 기질로서 이용되고 있음을 보여준다.

또한, 균주의 생분해 동역학을 측정한 결과, MEK는 측정한 농도 범위(1.1~ 11.2 mM)에서 저해효과(inhibition)를 나타내지 않아 Michaelis-Menten 동역학에 따르는 것으로 판단되었다. 따라서 기질의 농도와 제거율(r)값의 역수를 취하여 얻은 Lineweaver-Burk 변환을 이용해 기질친화도 상수(K _m)와 최대 분해율(r_max)을 구하였으며 이는 각각 5.85 mM과 1.59 h^-1이었다(도 4). 도 4는 균주 MF01의 MEK 분해 동역학을 나타낸다. 도 4에서 ●로 나타낸 실험 결과와 추세선을 곡선으로 나타내 비교하였는데 두 결과 사이에 좋은 일치를 보여주었다.

실시예 3: MEK의 균주 흡착

MEK가 분해되면서 균사에 물리적으로 흡착되어 제거되는 양을 알아보기 위해서 MEK 흡착등온(adsorption isotherm) 실험을 수행하였다. 사멸된 균체를 이용한 것을 제외하고, 상기 실시예 2의 MEK 생분해 동역학 실험에서와 같은 조건으로 실험을 수행하였다.

MEK 농도에 따른 균주의 건조중량 당 흡착된 MEK의 양을 도 5에 나타내었다. MEK 농도를 증가시켰을 때 2 mM에서부터 흡착이 일어나 11.2 mM에서는 균주 1 ㎎ 당 MEK 0.008 ㎎이 흡착되었다. 또한 균주를 접종한 후 1시간 후의 흡착량과 분해량을 비율로 나타내었을 때, 최대 주입농도인 11.2 mM에서 흡착량은 전체 주입량 중 7.5% 정도이며 이는 8.07 ㎎의 MEK를 주입했을 때 약 0.62 ㎎이 균주에 흡착되었음을 의미한다(도 6). 즉 MF01균주에 의한 MEK의 제거에서 소량의 흡착이 관여하고 대부분은 생분해에 의해 일어남을 알 수 있었다.

실시예 4: MEK 분해 pH 조건 및 중간대사산물 생성 실험

4-1. 최적 pH 조건

pH에 따른 최적의 분해 조건을 알아보기 위해, pH 4 ~ 9 범위로 조절하여 분해도를 측정하였으며, 그 결과 pH 6 ~ 7사이에서 최적의 제거율을 확인하였다(도 7). 또한 pH 5와 8에서도 80% 이상의 제거율을 보여 이 균주가 비교적 넓은 범위의 pH에 대해서도 MEK를 분해할 수 있음을 알 수 있었다.

4-2. 중간대사산물 생성 확인

MF01균주가 MEK를 분해하면서 축적될 가능성이 있는 중간대사물질을 알아보기 위해 균주를 배양하면서 2시간 간격으로 배양액을 채취하여 200 ~ 500 nm의 파장범위에서 흡광도를 스캔하여 분석하였다(도 8). 그 결과 260 nm의 파장에서 흡광도가 시간에 따라 감소하였는데, 이는 MEK를 나타내는 피크로서 균주에 의해 분해되면서 점차 감소하였고, 200 nm에 근접한 피크의 흡광도 증가는 일반적으로 세포가 성장하며 생성되는 것으로 중간대사물질은 아닌 것으로 판단된다.

따라서 MEK 분해 시 특별한 파장범위에서 피크를 나타내는 물질은 측정되지 않았으며 이 결과로 중간대사물질은 축적되지 않았다고 추정된다.

실시예 5: MEK의 바이오필트레이션

5-1. 바이오필터의 운전

바이오필터를 이용한 MEK 제거를 알아보기 위해 121℃에서 30분 동안 3회 고압증기에 노출시켜 멸균시킨 질석과 펄라이트를 1:1(v/v)로 혼합하고 분해 균주 MF01을 고정화시켜 유리 칼럼 (6 cm diameter x 50 cm length)에 충진하였다(도 2). 지오트리쿰 속 균주의 고정화는 지오트리쿰 속 균주를 담체의 수분 보유능(water-holding capacity)의 50%가 되도록 배지와 함께 가하여 혼합하는 방법으로 실시하였다. 균주의 접종량은 담체의 건조중량당 세포단백질이 0.7-0.8 ㎎이 되도록 하였다.

분해균주의 사전 배양은 MSB에 MEK를 유일한 탄소원으로 물에 대한 최대용해도 한계(250mg MEK/ml)까지로 제공한 액체배지를 사용하였으며, 36-48시간 배양 후 원심분리하여 회수된 균체를 사용하였다. 이 때 담체의 수분보유능의 50%가 되도록 계산된 새로운 MSB 배지에 회수된 균체를 현탁시켜 함께 혼합하여 주었다.

공기펌프를 통해 유입되는 공기는 MEK와 수분공급기(water trap)를 통과하고, 유속과 MEK의 농도는 유량계(Dwyer Instrument, Inc.)를 이용하여 시간당 공기방울 수로 조절하였다. 유입되는 공기의 총 유량은 유량계(Hewlett Packard, USA)를 이용하여 측정하였고, 바이오필터 운전시 발생할 수 있는 압력손실은 마노미터(manometer)(Dwyer Instrument, Inc.)를 이용해 측정하였다.

바이오필터는 20 ~ 27℃의 실온에서 운전하였고, MEK의 제거율은 바이오필터에 유입되는 농도와 유출되는 농도를 가스크로마토그래피로 분석하여 시간당 담체충진량당 제거된 MEK의 양 (g MEK removed/ m³ filter volume/ h)으로 나타내었다.

5-2. 담체에 부착된 미생물의 생물량(biomass) 측정

바이오필터에서 담체에 부착된 미생물의 생물량을 측정하기 위해 바이오필터로부터 담체 5 g(습윤중량)을 취하여 25 ㎖의 1 M NaOH와 혼합하여 7분간 끓였다(Cox et al.,Exophiala jeanselmei. Biotechnol. Bioeng. 53: 259-266. 1997). 그 후 5,000ㅧ g에서 10분 동안 원심분리하고 상등액을 취하여 쿠마시블루를 이용한 브래드포드 방법 (Bradford, Anal. Biochem. 72: 248-254. 1976)을 이용하여 세포 단백질량을 정량하였다. 표준 단백질은 소 혈청 알부민(BSA)을 사용하여 쿠마시블루 시약과 발색시켜 595 nm의 흡광도로 나타내었고, 시료에서 측정된 흡광도를 이 표준 직선에 대입하여 단백질의 농도를 계산하였다.

5-3. 최적의 담체선정

바이오필터 운전에 있어서 알맞은 최적의 담체를 선정하기 위해 펄라이트, 질석, 피트모스를 적당한 비율로 혼합하여 30일 동안 바이오필터를 운전하였다. 담체의 혼합비율(부피 기준)은 펄라이트와 질석(1:1), 펄라이트, 질석과 피트(1:1:0.5), 그리고 펄라이트, 질석과 피트(1:1:1)로 하여 3종류의 혼합담체를 대상으로 실험하였다. 각 재료들은 화훼용으로 시판되고 있는 제품을 이용하였으며, 입경은 압력손실을 최소화하기 위해 2 - 5 mm 인 것만을 선별하여 사용하였다. 세 개의 바이오필터 모두 표면부하는 0.36 m³m^-2h^-1, 유입농도는 1.4 ~ 10.2 gm^-3h^-1의 범위로 운전하였다.

바이오필터용 충진 재료는 미생물 부착에 필요한 넓은 표면적, 효율적인 물질전달, 최소의 압력손실과 압밀 등을 고려하여 선정해야 한다. 펄라이트, 질석, 피트는 담체로서 적당한 물리, 화학적 성질을 가지고 있으며 가격이 저렴하여 경제적인 장점을 가지고 있다.

표 2는 30일 동안 각 담체에서 바이오필터를 운전하면서 얻은 평균 유입부하, 제거효율 및 제거율을 나타내고 있다. 여기서 펄라이트와 질석을 1:1(v/v)로 혼합한 담체는 평균 제거효율과 제거율이 각각 96.7%, 18.8 gm^-3h^-1로서 가장 좋은 효율을 나타냈고, 피트모스의 함량비가 가장 높은 담체에서는 효율이 가장 낮았다. 따라서 펄라이트와 질석을 1:1로 혼합한 담체를 이후의 바이오필터 실험에 적용하였다.

	유입부하(gm^-3h^-1)	제거효율(%)	제거 속도(gm^-3h^-1)
펄라이트 및 질석(1 : 1. v/v)	20.0	96.7	18.8
펄라이트, 질석 및 피트모스(1 : 1: 0.5 . v/v)	20.2	88.8	17.4
펄라이트, 질석 및 피트모스(1 : 1 : 1. v/v)	15.4	71.4	11.6

실시예 6: 장기간의 바이오필터 운전

6-1. 표면부하와 유입농도에 따른 MEK 제거율

MF01 균주를 접종하여 334일 동안 표면부하와 유입농도를 변화시키면서 온도는 20 ~ 27℃ 범위에서 운전하여 얻은 제거율을 도 9에 나타내었다. 초기에는 표면부하를 1.27 m³m^-2h^-1로 하여 8일 동안 0.05 gm^-3의 농도로 공급해주다 87일까지 농도를 0.5 gm^-3까지 점차 증가시켰다. 이 때 MEK의 제거효율은 100%였고, 최대 제거율은 2.2 gm^-3h^-1이었다. 이 후로 표면부하를 3.63 m³m^-2h ^-1까지 증가시키면서 농도의 범위를 0.1 ~ 1.25 gm^-3으로 하여 운전하였다. 334일 동안 운전하면서 얻어진 최대 제거율은 12 gm^-3h^-1 이었다. 210일 이후에는 점차 제거율이 감소하였는데 이는 장기간 운전하면서 독성 대사산물의 축적 또는 다른 미생물의 오염 등 때문인 것으로 추측된다.

Chou 등(1997)은 트리클링 바이오필터를 이용하여 최대 40 gm^-3h^-1의 MEK 제거율을 얻었다. 이러한 결과는 본 실험에서 얻은 12 gm^-3h^-1보다는 높은 효율이지만 선행연구는 14일 동안의 단기간 실험에서 얻어진 결과로서 경제성 등을 고려할 때 낮은 농도에서 장기간 운전 시에는 본 실험에서 사용된 바이오필터가 유리할 것으로 판단된다 (Chou, M. S. and J. J. Huang, Treatment of methylethylketone in air system by biotrickling filters, J. Environ. Eng., 123:569-576, 1997).

도 10은 표면부하에 따른 유입부하와 한계제거율(elimination capacity, EC)의 관계를 나타낸다. 공기의 유속(m³m^-2h^-1)은 1.27(■), 1.82(△), 2.55(●) 및 3.64(○)로 적용하였다. 얻어진 결과를 분석해 볼 때, 유입부하가 증가함에 따라 한계제거율도 비례하여 증가했다. 그러나 표면부하를 3.64 m³m^-2h^-1로 더욱 증가시켰을 때 4 gm^-3h^-1이상의 유입부하에서는 한계제거율이 최대에 이르렀고 이후에 감소하였다. 유사하게 유입농도에 따른 한계제거율을 측정했을 때 3.64 m³m^-2h^-1의 표면부하를 제외하고 확산 제한현상(diffusion limitation)을 보였다(도 11). 또한, 3.64 m³m^-2h^-1에서는 약 0.3 gm^-3에서부터 한계제거율이 증가하지 않고 있는데 이를 종종 절대가스농도(critical gas concentration)라고 부른다. 이러한 농도 값 이후부터는 반응에 의한 제한현상(reaction limitation)이 바이오필터의 주요한 조절인자이며 전체적인 분해율은 생물막(biofilm)에 존재하는 미생물의 미세동역학(micro-kinetics)에 의해 결정된다 (Choi and Oh, 2002). 바이오필터의 설계에 있어서 중요한 요소 중의 하나인 한계제거율은 농도와 함께 표면부하에도 영향을 많이 받았으며 동일한 농도에서 표면부하가 클수록 높은 효율을 보였다.

6-2. pH, 수분함량, 및 균체량

운전개시 후 334일 경과시 바이오필터의 높이별 pH와 수분함량, 생물량을 측정하여 초기 값과 비교하였을 때 pH는 평균 6.65로 운전초기와 큰 차이가 없었으며 이는 운전 후반부에서 나타난 제거효율의 감소가 pH의 변화에 의한 것이 아님을 나타낸다 (표 3).

수분함량은 67.13%로 미생물의 생장에 적절한 조건으로 유지되었고 바이오필터의 깊이에 따라서도 큰 변화가 없었다.

생물량은 초기의 0.76(㎎ 단백질량/g 건조중량)보다 증가된 1.24(㎎ 단백질량/g 건조중량)로 증가했으며 깊이에 따라서 비슷한 양을 나타낸 결과에 기초할 때 장기간 운전하는 동안 인위적 혼합을 해주지 않았음에도 불구하고 생물량이 바이오필터내에 전체적으로 균일하게 분포되었음을 나타냈다. 다음 표 3에 바이오필터의 운전개시 및 334일간 운전한 후의 필터상의 화학적 분석결과를 나타내었다.

높이(cm)	pH	수분함량(%)	생물량(㎎단백질/g)^a
0-20	6.64	69.81	1.32
20-40	6.55	67.30	1.12
40-60	6.76	64.29	1.27
평균	6.65	67.13	1.24
초기 수치	6.43	66.11	0.76
^a: 필터 담체에 대한 건조중량

6-3. 압력손실(Pressure drop)

운전 개시 후 334일 동안 바이오필터에서의 압력손실은 전체적으로 1.2 mmH₂O 이하로서 거의 발생하지 않았다. 변화양상을 보면 120일 이후부터 점차 증가하기 시작했으며 공기의 유량이 바뀔 때 일시적으로 약간 증가되었으나 전체적인 압력손실에 큰 영향을 미치지는 않았다(도 12). 대부분의 진균류를 이용한 바이오필터 실험에서는 압력손실이 높게 나타나며 이때 압력손실은 필터내의 오염물질 흐름을 방해하여 채널링(channeling) 현상을 일으킨다(Woertz et al.,Exophiala lecanii-corni. Biotechnol. Bioeng. 75: 550-558. 2001). 본 연구에서 적용한 바이오필터는 무기질(inorganic) 담체의 최적 조합을 적용함으로써 유기질 담체를 적용한 경우에 비해 지나친 생물량의 증가를 제한할 수 있었으며 이에 따라 얻어진 낮은 압력손실은 실제적으로 바이오필터를 현장에 적용하는데 있어서 하나의 이점으로 작용할 것으로 추측된다. 도 12에서는 운전기간 동안 필터층에서 주기적으로 측정된 압력손실을 나타낸다. 이때 점선은 표면부하의 변화를 나타낸다.

6-4. 주사형 전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 분석

바이오필터를 장기간 운전한 후 담체와 미생물 군집의 형태학적인 변화를 관찰하기 위해 바이오필터에서 회수한 담체를 SEM을 이용해 관찰하였다.

담체 시료는 0.1 M 인산염 완충용액으로 1% 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)와 1% 파라포름알데하이드(paraformaldehyde)를 용해시켜 만든 용액으로 고정하였고, 0.1 M 인산염 완충용액으로 2회 세척한 후 50 ~ 100% 에탄올로 각각 30분간 탈수시켰다. 그 후 시료를 critical point drying 하여 Pt/Pd로 코팅하였고 디지털 주사형 전자현미경(Model S-4300, Hitachi)을 사용하여 관찰하였다.

실험 개시 후 334일이 경과된 시점에서 바이오필터로부터 담체시료를 채취하여 주사형 전자현미경를 이용하여 부착된 미생물을 관찰하였을 때 바이오필터의 담체에서는 균사가 그물막 형태로 담체에 잘 부착되어 있음을 보여주고 있다(도 13). 이런 형태는 공기 중 오염물질이 담체를 통과하면서 분해되는데 효과적인 형태일 것으로 생각되며 낮은 압력손실에 기여한 것으로 추측된다. 도 13에서, (a) 및 (b) 샘플은 334일 운전한 바이오필터의 것으로 배율 40x이고, (c)는 배율 150x이고, (d)는 배율 1,000x 이다.

6-5. 표면부하의 영향

농도가 일정하게 유지된 상태에서 표면부하의 변화에 의한 영향을 측정하기 위해 0.1 gm^-3의 MEK 농도에서 2.54 ~ 14.63 m³m^-2h^-1까지 표면부하를 점차 증가시켰을 때 12.48 m³m^-2h^-1에서 최대 제거율을 나타내었다(표 4). 이때의 체류시간은 43초에 불과하여 매우 짧은 체류시간에 해당된다. 한편 표면부하를 14.63 m³m^-2h ^-1까지 증가시켰을 때 제거율이 감소하였는데 이는 체류시간이 지나치게 짧아져 생물막에서 오염물질의 완전한 생분해가 일어날 수 있는 시간이 충분치 않았거나 생물막으로 MEK의 확산이 충분히 일어나지 않았기 때문으로 생각된다. 적용한 범위에서 표면부하를 증가시켰을 때 압력손실은 1.0 mmH₂O 이하로 거의 발생되지 않았다.

가스 유속(m³m^-2h^-1)	유입 농도(gm^-3)	제거 효율(%)	유입부하(gm^-3h^-1)	한계 제거율(gm^-3h^-1)
2.54	0.096 ± 0.05	100	0.93 ± 0.10	0.93 ± 0.10
5.30	0.120 ± 0.05	100	1.95 ± 0.30	1.95 ± 0.30
7.90	0.111 ± 0.02	100	3.05 ± 0.13	3.05 ± 0.13
10.52	0.103 ± 0.01	100	3.75 ± 0.55	3.75 ± 0.55
12.48	0.096 ± 0.02	81.2	4.97 ± 2.14	4.02 ± 2.31
14.63	0.102 ± 0.01	38.5	6.02 ± 0.95	2.26 ± 0.46

6-6. 정지후 재가동(Shut-down and restart-up)과 급격한 농도변화(fluctuation)에 의한 영향

바이오필터를 운전하는 데 있어 중요한 문제는 오염가스의 유속과 농도의 적절한 조절이며 실제적인 운전에 적용할 때 급격한 농도변화에 대한 생물막의 안정성에 관한 연구는 매우 중요하다 (Arulneyam & Swaminathan, 2000). 이에 바이오필터에 존재하는 생물막의 안정성을 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

정지에 의한 영향을 알아보기 위해 약 120일 동안 운전한 바이오필터를 15일 동안 정지시킨 후 이전과 같은 유입부하(1.27 ~ 12.48 m³m^-2h^-1)로 공급해 주었다(도 14). 이때 MEK의 유입농도는 0.1 gm^-3로 하였다. MEK와 공기를 15일간 공급하지 않다가 다시 공급을 시작했을 때 빠르게 전과 같은 제거율로 회복되었고, 이로 볼 때 기근(starvation)을 겪는 동안 미생물이 담체에서 잘 보존되어 생물량이 크게 감소하지 않았고 갑작스런 농도의 증가에도 잘 적응함을 알 수 있었다.

한편 농도의 급격한 변화에 따른 영향을 알아보기 위해 유입부하를 5 gm^-3h^-1에서 20 gm^-3h^-1로 30분 간 일시적으로 증가시켰을 때 제거율이 100%에서 97%로 약간 감소했으나 다시 회복되는 결과를 보여주어, 농도의 급격한 변화에 대해 생물막이 비교적 빠르게 적응하며 안정되어 있음을 알 수 있었다(도 15). 이때 적용된 공기의 유입부하는 6.36 m³m^-2h^-1, MEK의 유입농도는 0.46 ~ 1.83 gm ^-3의 범위에서 실험하였다.

본 발명은 담체에 지오트리쿰(Geotrichum) 속 균주가 고정화된 바이오필터를 사용하여 메틸에틸케톤을 제거함으로써 활성탄에 의한 흡착이나 소각 등의 전통적인 방법에 비하여 상대적으로 저렴하고, 질소산화물이나 2차 오염물질을 생성하지 않아 환경친화적이며, 바이오필터내에 압력손실이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

도 1은 가스크로마토그래피를 이용한 세포막의 지방산구조 분석(fatty acid methyl ester; FAME)결과를 나타낸 것이다.

도 2는 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone; 이하 "MEK"라 함) 제거에 사용되는 바이오필터의 개략도이다.

도 3은 지오트리쿰 속 균주의 MEK 분해율과 생장곡선을 나타낸다.

도 4는 지오트리쿰 속 균주의 MEK 생분해 동역학인자를 나타낸다.

도 5는 지오트리쿰 속 균주에 의한 MEK 흡착실험결과를 나타낸다.

도 6은 열로 사멸시킨 균주와 생균주에 대해 1시간씩 측정한 MEK 흡착량과 분해량의 비율을 나타낸다.

도 7은 지오트리쿰 속 균주에 의한 MEK 분해에 대한 pH의 영향을 나타내는 그래프로서, 최적 pH는 6.0 내지 7.0이다.

도 8은 지오트리쿰 속 균주에 의한 MEK 분해 중 스펙트럼 변화를 나타내며, 각 스펙트럼은 2시간 간격으로 스캔하였으며, 화살표는 시간간격에 따른 스펙트럼 변화를 나타낸다.

도 9는 11개월간 바이오필터의 운전결과를 나타내며, (A)는 표면부하(surface loading)를, (B)는 유입 MEK 농도(inlet MEK concentrations), (C)는 MEK 제거율을 각각 나타낸다.

도 10은 표면부하(surface loading)에 따른 유입부하(inlet loading)와 한계제거율(elimination capacity; EC)의 관계를 나타낸다.

도 11은 한계제거율(elimination capacity)과 MEK 주입 농도간의 관계를 나타낸다.

도 12는 11시간 동안 운전한 후 바이오 필터의 압력손실(pressure drop)을 나타내는 결과이며, 점선은 표면부하(surface loading)의 변화를 나타낸다.

도 13은 펄라이트와 질석의 부피비 1:1로 혼합된 담체에서 자란 지오트리쿰 속 균주의 전자현미경(scanning electron microscopy; SEM) 사진이다.

도 14는 15일 동안 정지후 재가동(shut down and restart-up) 운전에 대한 바이오필터의 반응을 나타낸다.

도 15는 MEK의 급격한 농도변화에 따른 바이오필터의 일시적 반응을 나타낸다.

Claims

질석, 펄라이트, 및 피트모스(peat moss)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 담체에 지오트리쿰(Geotrichum) 속 균주가 세포단백질량 기준으로 담체 건조중량 1 g 당 0.7 내지 0.8 ㎎으로 고정화된 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터.
제 1 항에 있어서, 상기 담체는 펄라이트와 질석을 1:1 부피비로 포함하는 것인 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터.
제 1 항에 있어서, 상기 담체는 펄라이트:질석:피트모스를 1:1:0.5 내지 1:1:1 부피비로 포함하는 것인 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터.
제 1 항에 있어서, 상기 지오트리쿰(Geotrichum) 속 균주는 이의 배양액을 담체 수분보유능의 30 내지 60%가 되도록 담체에 혼합하는 방법으로 담체에 고정화된 것인 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터.
제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 메틸에틸케톤 제거용 바이오필터에 메틸에틸케톤 함유 가스를 주입하여, 20 ~ 27℃에서, pH 5 ~ 8, 표면부하 1.27 ~ 3.63 m³m^-2h^-1및 유입농도 0.05 ~ 1.25 gm^-3로 운전하는 것을 포함하는 메틸에틸케톤의 제거방법.