KR20080071762A - Enhanced biosorption of reactive dyes by chemical modification of corynebacterium glutamicum biomass - Google Patents

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KR20080071762A KR1020070010043A KR20070010043A KR20080071762A KR 20080071762 A KR20080071762 A KR 20080071762A KR 1020070010043 A KR1020070010043 A KR 1020070010043A KR 20070010043 A KR20070010043 A KR 20070010043A KR 20080071762 A KR20080071762 A KR 20080071762A
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윤영상
한민희
최순범
원성욱
조철웅
비제이
마호주엔
팜띠풍띠
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전북대학교산학협력단
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Abstract

An effective method is provided to improve adsorption performance of the dyes through the chemical modification of functional groups on a surface of the biomass according to the adsorption mechanism of the biomass and dyes when using a corynebacterium glutamicum biomass as biosorbents. In a preparation method of a biosorbent that is applied to dyestuff wastewater and removes the dyes by adsorbing dyes causing color, a preparation method of a biosorbent having enhanced adsorption performance by chemical modification of functional groups on a surface of a corynebacterium glutamicum biomass comprises the steps of: treating the corynebacterium glutamicum biomass with an acid to hydrogenate the corynebacterium glutamicum biomass, washing the hydrogenated corynebacterium glutamicum biomass with distilled water, and drying the washed corynebacterium glutamicum biomass; and chemically modifying the hydrogenated biomass through an ester reaction to remove a carboxyl group, washing the chemically modified hydrogenated biomass with distilled water, and drying the washed biomass. The step of removing the carboxyl group is performed by dispersing the hydrogenated biomass into a methanol solution, adding nitric acid as an acid catalyst into the dispersion, and agitating the mixed solution to perform an ester reaction.

Description

코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기의 화학변형에 의한 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법{Enhanced Biosorption of Reactive Dyes by Chemical modification of Corynebacterium Glutamicum Biomass}Enhanced Biosorption of Reactive Dyes by Chemical Modification of Corynebacterium Glutamicum Biomass with Chemical Adsorption of Surface Functional Groups of Corynebacterium glutamicum Biomass

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 반응성 염료(RR 4, RB 4)의 화학구조.1 is a chemical structure of a reactive dye (RR 4, RB 4) used in the embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 수소화된 바이오매스와 디카르복실 바이오매스의 전위차 적정곡선.2 is a potential difference titration curve of hydrogenated biomass and dicarboxyl biomass according to the present invention.

도 3은 수소화된 코리네박테리움 바이오매스의 퓨리에변환 적외선 흡착 스펙트럼.3 is a Fourier transform infrared adsorption spectrum of hydrogenated Corynebacterium biomass.

도 4는 본 발명에 따른 수소화된 바이오매스와 디카르복실 바이오매스의 pH의존성을 알아보기 위한 그래프.Figure 4 is a graph for determining the pH dependence of the hydrogenated biomass and dicarboxyl biomass according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 반응성 염료(RR 4, RB 4)의 흡착평형을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the adsorption equilibrium of reactive dyes (RR 4, RB 4) according to the present invention.

본 발명은 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법에 관한 것으로, 코리네박테리움 글루타미쿰을 산처리하여 수소화시킴으로써 제조된 수소화된 바이 오매스를 에스테르반응을 통하여 화학적으로 변형시켜 카르복실 그룹을 제거하여 넓은 범위의 pH에서도 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a bioadsorbent having improved adsorption performance, wherein the hydrogenated biomass prepared by acidification of Corynebacterium glutamicum by hydrogenation is chemically modified through an ester reaction to form a carboxyl group. The present invention relates to a method for preparing a biosorbent having improved adsorption performance even at a wide range of pH.

직물산업은 직물의 처리공정에서 많은 양의 물과 화학물질을 소비한다. 최근 섬유의 고품질화 및 다양한 수요에 의해 많은 양의 염색폐수가 발생하고 있으며, 상당한 양의 염료가 이들 폐수에 함유되어 배출되고 있다. 염색폐수는 저농도 일지라도 확연히 색이 드러나 민원의 대상이 되고 있으며, 수계에 유입되었을 경우 확산성이 높아 태양광을 차단함으로써 식물의 성장에 악영향을 미친다. 또한, 염색폐수내의 염료는 매우 복잡한 구조로 이루어져있으며 난분해성 오염물질로 수계의 오염을 증가시킬 우려가 매우 크다. 게다가 일부 염료는 발암물질을 포함하고 있으며 돌연변이를 유도한다는 보고가 있다. The textile industry consumes large amounts of water and chemicals in the processing of textiles. Recently, due to high quality of fibers and various demands, a large amount of dye wastewater is generated, and a considerable amount of dye is contained in these wastewater and discharged. Dyeing wastewater has a clear color even at low concentrations, making it a target for complaints. When it enters the water system, it has a high diffusivity and blocks sunlight to adversely affect plant growth. In addition, the dye in the dyeing waste water has a very complex structure and there is a great concern that the contamination of the water system with the hardly degradable contaminants. In addition, some dyes contain carcinogens and have been reported to induce mutations.

2003년도 2/4분기 반응성 염료의 수요가 1996년 동기 대비 21.6~34%의 증가율을 보이고 있으며, 계속되는 불황에도 불구하고 꾸준한 상승세를 유지하는 것으로 나타났다. 이처럼 반응성 염료의 사용 증가로 인한 다량의 염색폐수가 예상되기 때문에 이에 대한 적절한 처리방안이 모색되어야 한다.In the second quarter of 2003, the demand for reactive dyes increased by 21.6 ~ 34% compared to the same period of 1996, and continued to rise despite the continuing recession. As a large amount of dye wastewater is expected due to the increased use of reactive dyes, an appropriate treatment method should be sought.

염색폐수 중의 염료를 제거하는 방법에는 화학적, 물리ㅇ화학적 및 생물학적 처리방법 등이 제시되고 있다. Chemical, physicochemical and biological treatments have been proposed for removing dyes from dyeing wastewater.

화학적 처리방법으로는 대표적으로 염소계 산화법, 펜톤 시약법, 오존법 등을 들 수 있다. 이러한 처리방법은 화학적 슬러지를 발생하고 해로운 중간 생성물이 발생되며 운전비용이 비싸다는 단점이 있다.Typical chemical treatment methods include chlorine-based oxidation, Fenton's reagent method, ozone method and the like. This treatment has the disadvantage of generating chemical sludge, generating harmful intermediates, and expensive operating costs.

생물학적 처리방법은 일반적으로 활성화된 호기성 미생물에 의해 유기물을 흡착 또는 분해시키는 활성슬러지 공정이 가장 많이 이용되고 있으나, 이것은 슬러지 발생량이 많고 침전조에서 고액분리가 잘 되지 않는 단점이 있다. 또한, 염색폐수 내의 염료는 대부분이 생물학적으로 분해하기 어려운 물질로 구성되어 있고 분해가 되더라도 독성물질을 생성할 수 있기 때문에 처리효율이 좋지 못하다.Biological treatment method is generally used the activated sludge process to adsorb or decompose organic matter by the activated aerobic microorganisms, but this has the disadvantage that the amount of sludge generated and the solid-liquid separation in the sedimentation tank is not good. In addition, the dyes in the dyeing waste water are mostly made of a material that is difficult to biologically decompose and can produce toxic substances even if degraded, resulting in poor treatment efficiency.

물리적 처리방법으로는 활성탄, 이온교환수지법, 막분리법 등이 있다. 이온교환수지법은 염료의 제거능력이 우수하지만 이온교환수지의 가격이 대단히 비싸고 일부 염료에 대해서만 흡착력이 우수하기 때문에 염색폐수 처리에 적용하는데 한계가 있다. 막분리법은 염료의 종류에 상관없이 제거하지만 분리 후에 남아있는 농축된 잔여물의 처리과정이 복잡하다. 이 외에도 클로깅(clogging)의 가능성과 막 교체의 필요성의 문제를 안고 있다.Physical treatment methods include activated carbon, ion exchange resin, membrane separation, and the like. Although the ion exchange resin method has excellent dye removal ability, the ion exchange resin has a high price and has a high adsorption power only for some dyes. Membrane separation removes irrespective of the type of dye, but the processing of the concentrated residue remaining after separation is complicated. In addition, there are problems of the possibility of clogging and the need for membrane replacement.

한편, 흡착법은 폐수로부터 오염물질을 제거하는 효율과 경제적인 처리공정이 간단하여 경제적으로 실행할 수 있음이 증명되었기 때문에 여타의 방법에 비해 가장 타당성이 높은 방법으로 알려져 있다. 그러나 흡착법에서 일반적으로 사용되는 활성탄은 가격이 비싸고 대부분 재생이 되지 않는다는 단점이 있다. 이로 인하여 값이 싸면서 염료흡착에 쉽게 이용할 수 있는 생체흡착기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 생체흡착은 바이오매스를 이온교환수지처럼 이용하여 대상물질을 제거하는 기술로서 비교적 최근에 시도되고 있음에도 불구하고 활용 가능성이 높아 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 사용되고 있는 바이오매스로는 조류, 박테리아, 곰팡이, 식물 등이 있다.On the other hand, the adsorption method is known to be the most feasible method compared to other methods because the efficiency of removing contaminants from the waste water and the economical treatment process have been proved to be simple and economical. However, the activated carbon generally used in the adsorption method has a disadvantage that the price is high and most of the recycling is not possible. Due to this, there is a growing interest in bioadsorption technology which can be easily used for dye adsorption at low cost. Biosorption is a technique for removing target substances by using biomass as an ion exchange resin, although many studies have been conducted because of its high potential for use. Currently used biomass includes algae, bacteria, fungi and plants.

이와 같은 필요성에 따라 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스(Corynebacterium glutamicum biomass)를 산처리함으로써 수소화하고 세척 건조시킨 생체흡착제가 개발되었으며, 이는 공개특허공보 제10-2006-0030380호에 개시되어 있다.According to such a necessity, a hydrogenated, washed and dried biosorbent was developed by acidifying Corynebacterium glutamicum biomass, which is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2006-0030380.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생체흡착제로서 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스를 사용하되, 바이오매스와 염료의 흡착기작에 따라 바이오매스의 표면 작용기의 화학변형을 통하여 염료의 흡착성능을 더욱 향상시키는 효과적인 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.In the present invention to solve the problems of the prior art as described above, using a Corynebacterium glutamicum biomass as a biosorbent, the chemical modification of the surface functional group of the biomass according to the adsorption mechanism of the biomass and dye The purpose of the present invention is to propose an effective method for further improving the adsorption performance of dyes.

또한, 본 발명은 발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰을 이용한 생체흡착제의 염료 제거 공정의 기초연구로서 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기를 정량·정성 분석하고 pH에 따른 염료 흡착 능력과 더불어 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스와 염료 간의 흡착기작을 알아보고 그에 기초하여 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기를 변화시켜 염료제거능력을 향상시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, the present invention is a basic study of the dye removal process of the biosorbent using the fermentation waste Corynebacterium glutamicum quantitative and qualitative analysis of the surface functional group of Corynebacterium glutamicum biomass and dye adsorption according to pH The purpose of this study is to examine the adsorption mechanism between Corynebacterium glutamicum biomass and dyes and to change the surface functional group of Corynebacterium glutamicum biomass and to provide a method for improving dye removal ability. .

또한, 본 발명은 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 흡착저해 작용기인 카르복실 그룹을 제거함으로써, 더욱 넓은 pH에서도 흡착 성능이 좋은 생체흡착제를 제공하여, pH를 낮추기 위한 비용을 절감하고 염색폐수의 산성화에 의한 환경오염을 방지하는 것을 목적으로 한다. In addition, the present invention by removing the carboxyl group, which is an adsorption inhibiting functional group of Corynebacterium glutamicum biomass, to provide a biosorbent with good adsorption performance even at a wider pH, reducing the cost to lower the pH and dyeing wastewater It aims to prevent the environmental pollution by acidification.

또한, 본 발명은 해양투기 등 폐기되고 있는 발효폐기물을 생체흡착제로 재 자원화할 수 있는 방법을 제공하여 해양투기 등을 감소시켜 해양오염을 방지 등 환경오염을 방지하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for recycling resources of fermented waste, such as ocean dumping, into biosorbents, thereby reducing marine dumping and preventing environmental pollution such as preventing marine pollution.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기의 화학변형에 의한 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법은, 염색폐수에 적용하여 색도를 유발하는 염료를 흡착하여 제거하는 생체흡착제의 제조방법에 있어서, 상기 흡착제는 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스를 산처리하여 수소화시키고 증류수로 세척한 후 건조하는 단계 및 상기 수소화된 바이오매스를 에스테르 반응을 통하여 화학적으로 변형시켜 카르복실 그룹을 제거한 후 증류수로 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a method of preparing a biosorbent having improved adsorption performance by chemical modification of the surface functional group of Corynebacterium glutamicum biomass according to the present invention, is applied to the dyeing wastewater to induce color In the method of producing a bioadsorbent for adsorbing and removing the dye, the adsorbent is hydrogenated by acid treatment of Corynebacterium glutamicum biomass, washed with distilled water and dried and esterification of the hydrogenated biomass Chemically modified through to remove the carboxyl group, characterized in that it comprises the step of washing with distilled water and drying.

또한, 상기 카르복실 그룹을 제거하는 단계는 수소화된 바이오매스를 메탄올 용액에 분산시키고 산 촉매인 질산을 첨가하여 교반시켜 에스테르 반응을 일으키도록 하는 것을 특징으로 한다. In addition, the step of removing the carboxyl group is characterized in that to disperse the hydrogenated biomass in methanol solution and to add an acid catalyst nitric acid and stirred to cause an ester reaction.

이하, 본 발명에 따른 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 화학변형을 통한 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a biosorbent having improved adsorption performance through chemical modification of Corynebacterium glutamicum biomass according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 생체흡착제는, 먼저, 발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰을 바이오매스로 하여 이를 수소화시킨 후 건조하여 제조하며, 이와 같이 제조된 생체흡착제는 염색 폐수로부터 염료를 흡착하는데 사용될 수 있다. 즉, 코리네박테리움 글루타미쿰을 강산 수용액에 넣고 교반함으로써 그 표면에 있는 각종 이온이 수소이온으로 치환되어 수소화되고 수소화된 바이오매스는 물로 세척한 후에 건조시켜 제조된다.The biosorbent according to the present invention is prepared by firstly fermenting waste Corynebacterium glutamicum as a biomass and hydrogenating it, followed by drying. The biosorbent thus prepared may be used to adsorb dyes from dyeing wastewater. have. That is, by placing Corynebacterium glutamicum in a strong acid solution and stirring, various ions on the surface thereof are substituted with hydrogen ions, and hydrogenated and hydrogenated biomass is prepared by washing with water and then drying.

또한, 수소화된 바이오매스의 작용기를 연구 분석한 결과, 카르복실 그룹이 흡착저해 작용기인 것으로 나타났으며, 따라서, 생체흡착제의 성능을 향상시키기 위하여 상기와 같이 수소화된 바이오매스를 화학적으로 변형시켜 카르복실 그룹을 제거하는 공정을 거친다. 카르복실 그룹의 제거는 에스테르 반응으로 일어날 수 있으며, 이를 위하여 수소화된 바이오매스를 메탄올 용액에 분산시키고 산 촉매인 질산 용액을 첨가하여 교반함으로써 카르복실 그룹을 제거할 수 있다. In addition, as a result of research and analysis of the functional group of the hydrogenated biomass, it was found that the carboxyl group is an adsorption inhibiting functional group. The process of removing the compound group is carried out. Removal of the carboxyl group may occur by ester reaction. For this purpose, the carboxyl group may be removed by dispersing the hydrogenated biomass in a methanol solution and stirring by adding an acid catalyst, nitric acid solution.

이와 같이 카르복실 그룹이 제거된 바이오매스는 더욱 향상된 흡착성능을 갖게 된다.As such, the biomass from which the carboxyl group has been removed will have more improved adsorption performance.

본 발명에서는 발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스가 사용되었고, 반응성 염료인 반응성 레드 4(RR 4) 및 반응성 블루 4(RB 4)가 사용되었다. 코리네박테리움 글루타미쿰은 아미노산 제조의 발효 공정에서 많이 발생된다. 아미노산 발효 산업는 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스로 구성된 생물학적 고체 폐기물로서 많은 양이 생성된다. 이러한 발효폐기물은 아직까지 대부분 해양투기에 의해 처리되고 있다. 따라서 이러한 고체 폐기물을 생체흡착제로 재활용할 수 가능성이 있다면 매우 유용할 것이다.In the present invention, fermentation waste Corynebacterium glutamicum biomass was used, and reactive red 4 (RR 4) and reactive blue 4 (RB 4) were used. Corynebacterium glutamicum occurs a lot in the fermentation process of amino acid production. The amino acid fermentation industry produces large quantities as biological solid waste consisting of Corynebacterium glutamicum biomass. Most of these fermentation wastes are still treated by ocean dumping. Therefore, it would be very useful if there is a possibility to recycle such solid wastes as biosorbents.

본 발명은 상기와 같은 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기가 강한 산성(pH〈3)으로부터 약한 산성(pH 4~5) 조건으로 최적 pH 범위가 변이되도록 화학적으로 변형시키기 위한 것이다. 이러한 방법의 사용은 강한 산성 조건 에 따른 처리비용 부담을 상당히 감소시킬 것으로 기대된다. The present invention is intended to chemically modify the surface of the functional group of Corynebacterium glutamicum biomass such that the optimum pH range is changed from a strong acid (pH <3) to a weak acid (pH 4 ~ 5) conditions. The use of this method is expected to significantly reduce the treatment costs for strong acidic conditions.

실시예Example

발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스(C. glutamicum biomass)는 라이신 발효 공정으로부터 건조된 분말 형태로 얻어지며(BASF-Korea, 전북 군산), 이하, 이를 "원료 바이오매스"라 한다. Fermentation waste Corynebacterium glutamicum biomass (C. glutamicum biomass) is obtained in the form of dried powder from the lysine fermentation process (BASF-Korea, Gunsan, Jeonbuk), hereinafter referred to as "raw material biomass".

원료 바이오매스는 세포 표면에 다양하게 존재하는 이온을 수소이온(proton)으로 대체시키기 위해 1N HNO3 용액으로 24시간 동안 상온에서 산처리하였다. 이와 같이 산처리된 바이오매스는 증류수로 세척하는 과정을 3회 반복하고 60℃에서 72시간 동안 건조하였고, 건조된 바이오매스는 데시케이터에 보관하였다. 이하, 이를 "수소화된 바이오매스"라 한다.The raw biomass was acid treated at room temperature for 24 hours with 1N HNO 3 solution to replace various ions on the cell surface with protons. The acid treated biomass was repeated three times with washing with distilled water and dried at 60 ° C. for 72 hours, and the dried biomass was stored in a desiccator. This is hereinafter referred to as "hydrogenated biomass".

수소화된 바이오매스는 카르복실 그룹을 제거하기 위하여 에스테르 반응을 시켜 화학적으로 처리되었다. Hydrogenated biomass was chemically treated by esterification to remove carboxyl groups.

먼저, 수소화된 바이오매스 3 g을 무수 메탄올 300 mL에 분산시키고, 여기에 산 촉매인 HNO3을 첨가하여 최종 농도가 1M이 되도록 하였다. 이 후 이 혼합물을 상온에서 회전 교반기로 6시간 동안 160 rpm으로 교반시켰다. 이와 같은 화학처리는 바이오매스에 있는 카르복실 그룹이 에스테르화 반응을 일으키며 그 반응식은 하기와 같다.First, 3 g of hydrogenated biomass was dispersed in 300 mL of anhydrous methanol, and an acid catalyst HNO 3 was added thereto so that the final concentration was 1M. This mixture was then stirred at 160 rpm for 6 hours with a rotary stirrer at room temperature. In this chemical treatment, the carboxyl group in the biomass causes an esterification reaction, and the reaction formula is as follows.

B-COOH + CH3OH → B-COO-CH3 B-COOH + CH 3 OH → B-COO-CH 3

수소화된 바이오매스를 상기와 같이 6시간 동안 반응시킨 후 카르복실 그룹이 제거된 바이오매스를 증류수에 여러 번 세척하고 오븐에서 60℃에서 24시간 동안 건조하였다. 이하, 상기와 같은 화학반응으로 얻어진 물질을 "디카르복실화 바이오매스"라 한다. After reacting the hydrogenated biomass for 6 hours as described above, the biomass from which the carboxyl group was removed was washed several times in distilled water and dried in an oven at 60 ° C. for 24 hours. Hereinafter, the substance obtained by the above chemical reaction is called "decarboxylated biomass".

실험에 사용된 모든 시약은 분석용을 사용하였고, 염료인 RR 4 및 RB 4는 시그마 알드리치사(Sigma-Aldrich, Korea Ltd.)에서 구입하였다. 도 1에는 여러 개의 술폰 그룹을 가진 반응성 염료(RR 4 및 RB 4)의 구조식을 나타내고, 이는 수용액상에서 음전하를 갖는다. 염료의 일반적인 특징은 하기 표 1에 정리하였다.All reagents used in the experiment were used for analysis, and dyes RR 4 and RB 4 were purchased from Sigma-Aldrich, Korea Ltd. Figure 1 shows the structural formulas of the reactive dyes (RR 4 and RB 4) with several sulfone groups, which have a negative charge in aqueous solution. General characteristics of the dyes are summarized in Table 1 below.

염료dyes 화학식Chemical formula 분자량Molecular Weight 색지수Color index 최대광흡수파장(λmax)Maximum light absorption wavelength (λ max ) Reactive Red 4Reactive Red 4 C32H24ClN8Na4O14S4 C 32 H 24 ClN 8 Na 4 O 14 S 4 931.3931.3 1810518105 517nm517 nm Reactive Blue 4Reactive Blue 4 C23H14Cl2N6O8S2 C 23 H 14 Cl 2 N 6 O 8 S 2 637.4637.4 6120561205 595nm595 nm

염료흡착 측정Dye adsorption measurement

분해된 염료 농도는 분광광도계(spectrophotometer)를 사용하여 분석하였으며, RR 4 및 RB 4에 대하여 각각 517nm 및 595nm에서 분석되었다. 염료 농도를 분석하기 전에, 고액분리기를 사용하여 3000 rpm으로 원심분리하였다. 질산 용액의 첨가에 의한 체적변화(약 5% 증가)를 고려하였고, 염료 흡착량(q)는 하기와 같이 계산된다.The resolved dye concentration was analyzed using a spectrophotometer and analyzed at 517 nm and 595 nm for RR 4 and RB 4, respectively. Prior to analyzing the dye concentration, centrifugation was performed at 3000 rpm using a solid-liquid separator. The volume change (about 5% increase) due to the addition of nitric acid solution was taken into account, and the dye adsorption amount q was calculated as follows.

Figure 112007009581532-PAT00001
Figure 112007009581532-PAT00001

V0, Vf는 초기 수용액의 부피와 최종 수용액의 부피를 나타내며, C0, Cf는 초기 염료의 농도와 최종 남아 있는 염료의 농도를 나타내고, M은 사용된 바이오매스의 농도이다.V 0 , V f represent the volume of the initial aqueous solution and the volume of the final aqueous solution, C 0 , C f represents the concentration of the initial dye and the final remaining dye, M is the concentration of the biomass used.

pH 에지 실험pH edge experiment

염료흡착량과 최종 pH의 평형관계를 알아보기 위해 pH edge 실험을 수행하였다. 실험은 여러 개의 50 mL 튜브에 500 mg/L 염료수용액 40 mL에 수소화된 바이오매스와 디카르복실화된 바이오매스 10 g/L씩을 각 튜브에 넣고 1N NaOH 또는 1N HNO3를 이용하여 pH 2에서 11까지 다르게 조절하였다. 그리고 pH가 조절된 튜브들은 약 25oC 의 상온에서 24시간동안 160rpm으로 교반시켰다. 흡착평형에 도달한 후 최종 pH를 측정하였으며, 액상에 남아 있는 염료의 농도는 원심 분리 후 분광광도계(UVmini-1240, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 측정하였다.PH edge experiments were performed to determine the equilibrium relationship between dye adsorption and final pH. The experiment was carried out by adding 10 g / L of hydrogenated and decarboxylated biomass in 40 mL of 500 mg / L dye solution in several 50 mL tubes in each tube, and then using 11N NaOH or 1N HNO 3 at Differently adjusted until. And the pH controlled tubes were stirred at 160 rpm for 24 hours at room temperature of about 25 ° C. After reaching the adsorption equilibrium, the final pH was measured, and the concentration of the dye remaining in the liquid phase was measured using a spectrophotometer (UVmini-1240, Shimadzu, Kyoto, Japan) after centrifugation.

등온흡착실험Isothermal Adsorption Experiment

바이오매스의 염료 흡착 성능을 계산하기 위해 등온흡착 실험이 다양한 pH에서 수행되었다. 이 실험은 온도와 pH를 일정하게 유지시키고 다양한 염료 농도에서 염료 흡착량을 측정하는 실험이다. 실험은 여러 개의 50mL 튜브에 바이오매스 0.4g과 염료 초기 농도를 50 mg/L에서 3000mg/L로 달리한 염료수용액 40 mL씩을 넣고 각 튜브의 pH를 특정한 값으로 일정하게 하였다. 각 튜브는 약 25oC 의 상온에서 24시간동안 160rpm으로 교반시켰다. 흡착실험이 진행되는 동안 pH를 관찰하면서 1 N NaOH 또는 1 N HNO3 tn수용액을 이용하여 용액의 pH를 일정하게 조절하였다. 흡착이 평형에 도달한 후, 염료의 잔류 농도 분석하였다. 최대 흡착성능과 결합 친화력을 계산하기 위해 실험 데이터를 랭뮤어 모델을 사용하여 모델링 하였다.Isothermal adsorption experiments were performed at various pHs to calculate the dye adsorption performance of the biomass. This experiment is to keep the temperature and pH constant and to measure the dye adsorption at various dye concentrations. In the experiment, 0.4 mL of biomass and 40 mL of dye solution with different initial concentration of dye from 50 mg / L to 3000 mg / L were added to several 50 mL tubes, and the pH of each tube was set to a specific value. Each tube was stirred at 160 rpm for 24 hours at room temperature of about 25 ° C. During the adsorption experiment, the pH of the solution was constantly adjusted using 1 N NaOH or 1 N HNO 3 tn aqueous solution while observing the pH. After the adsorption reached equilibrium, the residual concentration of the dye was analyzed. Experimental data were modeled using the Langmuir model to calculate the maximum adsorption performance and binding affinity.

전위차계 적정실험(Potentiometric titration)Potentiometric titration

코리네박테리움 글루타미쿰이 표면작용기를 정량적으로 분석하기 위해 전위차 적정실험(potentiometrictitration)을 수행하였다. 실험방법은 40 ml의 바이오매스 현탁액(10 g biomass/L)을 30개 만들고 1N NaOH용액의 양을 달리하여 순차적으로 첨가 하였다. 실험에 사용된 증류수는 CO2를 제거하기 위해 6시간 동안 질소 가스를 주입하였다. NaOH가 첨가된 바이오매스 현탁액을 상온에서 24시간 동안 교반 수용액의 pH를 측정하였다.Potentiometric titration was performed to quantitatively analyze surface functional groups of Corynebacterium glutamicum. Experimental method was made of 30 40 ml of biomass suspension (10 g biomass / L) and added sequentially by varying the amount of 1N NaOH solution. Distilled water used in the experiment was injected with nitrogen gas for 6 hours to remove CO 2 . The biomass suspension to which NaOH was added was measured at room temperature for 24 hours to measure the pH of the stirred aqueous solution.

자세한 절차와 데이터 처리방법은 이미 알려져 있고, 전위차 실험 데이터는 하기 모델에 의해 나타내어진다.Detailed procedures and data processing methods are already known, and the potential difference experimental data is represented by the following model.

Figure 112007009581532-PAT00002
Figure 112007009581532-PAT00002

[OH-]added는 첨가된 수산화이온의 농도(mmol/L)이며, K는 수소 해리 상수이다. b는 바이오매스에 있는 작용기의 분자량(mmol/g)이고, X는 바이오매스 농도(g/L)를 나타내며, 아래첨자 i, j는 각각 음전하와 양전하를 띠는 작용기를 나타낸다.[OH ] added is the concentration of hydroxide ions added (mmol / L) and K is the hydrogen dissociation constant. b is the molecular weight of the functional groups in the biomass (mmol / g), X represents the biomass concentration (g / L), subscripts i, j represent negative and positively charged functional groups, respectively.

흡착분석Adsorption Analysis

바이오매스 적정 곡선은 바이오매스에 존재하는 작용기의 종류와 양에 따라 다르게 나타난다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 수소화된 코리네박테리움 바이오매스의 전위차계 적정실험은 두 번 수행되었으며, 그 결과 동일하게 나타났다.Biomass titration curves vary depending on the type and amount of functional groups present in the biomass. As shown in FIG. 2, potentiometric titration of hydrogenated Corynebacterium biomass was performed twice, and the results were identical.

작용기의 특성을 정량적으로 계산하기 위해, 전위차계 데이터를 상기 수학식 2에 적용하였다. 그 결과, 하나 또는 두 개의 작용기로는 적정 결과를 기술하는데 충분하지 않았으며 세 개 이상의 작용기(두 개의 음전하와 하나의 양전하)로 적정 곡선을 기술할 수 있었다(도 2). 이것은 수소화된 바이오매스에는 적어도 세 개의 작용기가 있다는 것을 의미하며 예측된 파라미터가 표 2에 요약되어 있다. To quantitatively calculate the properties of the functional groups, potentiometer data was applied to Equation 2 above. As a result, one or two functional groups were not sufficient to describe the titration results, and the titration curve could be described with three or more functional groups (two negative charges and one positive charge) (FIG. 2). This means that the hydrogenated biomass has at least three functional groups and the predicted parameters are summarized in Table 2.

작용기Functional group 제1그룹1st group 제2그룹2nd group 제3그룹3rd group 전하Majesty -- -- ++ pKH[-]pK H [-] 3.57(0.08)3.57 (0.08) 6.90(0.06)6.90 (0.06) 9.14(0.07)9.14 (0.07) b[mmol g-1]b [mmol g -1 ] 0.32(0.01)0.32 (0.01) 0.56(0.02)0.56 (0.02) 0.68(0.02)0.68 (0.02)

여기에서, 정확도 0.997이고, 예측된 파라미터의 오차는 괄호 안에 기입되어 있다. pKH는 작용기의 해리 상수를 나타내고, b는 작용기의 양이다.Here, the accuracy is 0.997, and the error of the predicted parameter is written in parentheses. pK H represents the dissociation constant of the functional group, and b is the amount of functional group.

제1그룹에 결합하는 수소에 대한 평형상수(pKH)는 3.57ㅁ0.08로 계산되었다. 생체 중합체에 있는 카르복실 그룹은 3.5 ~ 5.0 범위에서 pKH값을 갖고, 따라서, 제1그룹은 카르복실(B-COOH)임을 유추할 수 있다. 제2그룹의 pKH값과 작용기의 양은 각각 6.90ㅁ0.06 및 0.56ㅁ0.02 mmol/g으로 계산되었다. 이것은 포스페이트(B-PO4 -) 그룹을 의미한다. 제3그룹은 아민(B-NH3 +)으로 pKH 값은 다양한 생체 물질에 대하여 8과 10 사이의 범위이다. 반응성 염료 내에 있는 술폰 그룹은 수용액상에서 쉽게 해리되며 음전하를 나타내기 때문에 음전하를 띠는 카르복실과 포스페이트 그룹은 염료와 흡착을 할 수 없으며 오직 양전하를 가지는 아민 그룹만이 반응성 염료를 흡착할 수 있다. The equilibrium constant (pK H ) for hydrogen bound to the first group was calculated to be 3.57 W 0.08. The carboxyl group in the biopolymer has a pK H value in the range of 3.5-5.0, thus it can be inferred that the first group is carboxyl (B-COOH). The pK H value and the amount of functional groups in the second group were calculated to be 6.90 W0.06 and 0.56 W 0.02 mmol / g, respectively. This phosphate (B-PO 4 -) means a group. The third group is amines (B-NH 3 + ) with pK H values ranging between 8 and 10 for various biomaterials. Since sulfone groups in reactive dyes are easily dissociated in aqueous solution and exhibit negative charges, negatively charged carboxyl and phosphate groups cannot adsorb with dyes, and only positively charged amine groups can adsorb reactive dyes.

또한 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스 내에 아민, 카르복실 및 포스페이트 그룹이 존재한다는 것을 입증하기 위해, 적외선분광(FTIR) 실험이 수행되었다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, FTIR 스펙트럼은 바이오매스의 작용기에 대한 피크를 나타내고 있다. 3500~3000 과 1538 cm-1 근처의 피크는 아민 그룹을 나타내고 3600-3200, 1652, 1384 cm-1 부근의 피크는 카르복실 그룹에 대응한다. 포스페이트 그룹은 1157 cm-1(P-O stretching) 과 1078 cm-1(P-OH stretching)에서 피크를 보여준다. Infrared spectroscopy (FTIR) experiments were also performed to demonstrate the presence of amine, carboxyl and phosphate groups in Corynebacterium glutamicum biomass. As shown in FIG. 3, the FTIR spectrum shows peaks for functional groups of the biomass. Peaks around 3500-3000 and 1538 cm −1 represent amine groups and peaks near 3600-3200, 1652, 1384 cm −1 correspond to carboxyl groups. The phosphate group shows peaks at 1157 cm −1 (PO stretching) and 1078 cm −1 (P-OH stretching).

흡착기작Adsorption mechanism

상술한 바와 같이, 아민 그룹은 반응성 염료의 흡착에 관하여 매우 중요한 역할을 한다. 아민 그룹의 pKH 값이 9.14±0.07이므로 pH 8 이하에서 양전하를 띠고 있다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, pH 8 근처에서 수소화된 바이오매스에 의한 반응성 염료의 흡착은 없었다. 또한 수소화된 바이오매스의 경우 pH 4이하에서 염료 흡착량이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 염료의 음전하를 띠고 있는 술폰그룹과 바이오매스의 음전하를 띠는 카르복실과 포스페이트 그룹의 반발력 때문이다. 이러한 현상을 분명하게 이해하기 위해 수소화된 바이오매스를 식 2에 의해 종분화시켜 작용기와 작용기의 양을 예측해 보았다. 도 4의 (C)에서 카르복실 그룹은 pH 3 이상에서 이온화 되기 시작하고 포스페이트 그룹은 pH 7 이상에서 이온화 되어 음전하를 띠게 된다. 바이오매스의 이러한 음전하 그룹은 정전기적인 인력으로 염료와의 흡착을 저해 시킨다. As mentioned above, amine groups play a very important role with respect to the adsorption of reactive dyes. Since the pK H value of the amine group is 9.14 ± 0.07, it has a positive charge at pH 8 or less. However, as shown in FIG. 4, there was no adsorption of reactive dye by hydrogenated biomass near pH 8. In addition, in the case of hydrogenated biomass, it can be seen that the dye adsorption decreases rapidly at pH 4 or less. This is due to the repulsive force of the negatively charged sulfone group of the dye and the negatively charged carboxyl and phosphate groups of the biomass. To clearly understand this phenomenon, the hydrogenated biomass was differentiated by Equation 2 to predict the amount of functional groups and functional groups. In FIG. 4C, the carboxyl group starts to ionize at pH 3 or higher and the phosphate group is ionized at pH 7 or higher to have a negative charge. This negatively charged group of biomass inhibits adsorption with dyes by electrostatic attraction.

화학식 1에서와 같은 화학반응에 따라 수소화된 바이오매스의 카르복실 그룹이 제거되면 더 넓은 영역의 pH범위에서 흡착이 이루어져야 한다. 상기 가정으로부터 예측하면, 카르복실 그룹의 간섭이 제거됨에 따라 카르복실화된 바이오매스는 pH 5 근처에서도 RR 4 및 RB 4를 효과적으로 흡착할 수 있어야 한다. 도 4의 (A)와 (B)를 보면 카르복실 그룹이 제거된 디카르복실 바이오매스의 흡착량은 수소화된 바이오매스보다 더 넓은 범위에서 흡착이 이루어 졌으며, pH 6이하에서 흡착량이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. When the carboxyl group of the hydrogenated biomass is removed according to a chemical reaction as in Chemical Formula 1, adsorption should be performed in a wider pH range. Predicted from this assumption, as the interference of the carboxyl groups is eliminated, the carboxylated biomass should be able to adsorb RR 4 and RB 4 effectively even near pH 5. Referring to (A) and (B) of FIG. 4, the adsorption amount of the dicarboxyl biomass from which the carboxyl group was removed was larger than that of the hydrogenated biomass, and the adsorption amount rapidly decreased below pH 6. It can be seen that.

따라서, 반응성 염료가 코리네박테리움 글루타미쿰에 흡착하는 것은 바이오매스에 있는 음이온의 술폰 그룹과 양이온의 아민 그룹 사이의 정전기적 인력을 통하여 이루어지고, 카르복실 및 포스페이트와 같은 음이온의 그룹은 척력으로 인하여 반응성 염료의 흡착을 방해한다. 이러한 흡착 기작은 다른 형태의 반응성 염료의 흡착 현상을 이해하는데 도움이 된다.Thus, the adsorption of reactive dyes to Corynebacterium glutamicum occurs through electrostatic attraction between the sulfone group of the anion in the biomass and the amine group of the cation, and the group of anions such as carboxyl and phosphate are repulsive This interferes with the adsorption of reactive dyes. This adsorption mechanism helps to understand the adsorption of other types of reactive dyes.

디카르복실화 바이오매스의 실제적 적용Practical Application of Decarboxylated Biomass

도 4의 pH 에지 실험에서 보는 바와 같이, 수소화된 바이오매스의 사용은 최대 흡착을 위해서는 낮은 pH에서 운영되어야 한다. 그러나, 이러한 낮은 pH는 폐수의 pH 감소에 의한 비용부담과 어려움이 생긴다. 디카르복실화 바이오매스는 pH 5에서도 높은 수준의 흡착성능을 유지하므로 RR 4 및 RB 4의 제거에 효과적으로 사용될 수 있다. 따라서, 원료 바이오매스의 디카르복실화는 염료가 함유된 폐수의 pH를 조절하기 위한 흡착 비용을 감소시킬 수 있다.As seen in the pH edge experiment of FIG. 4, the use of hydrogenated biomass should be operated at low pH for maximum adsorption. However, such low pH is a cost and difficulty due to the pH reduction of the waste water. The decarboxylated biomass can be effectively used for the removal of RR 4 and RB 4 because it maintains a high level of adsorption performance even at pH 5. Thus, decarboxylation of the raw biomass can reduce the cost of adsorption to control the pH of the wastewater containing the dye.

실용적인 관점에서, 바이오매스의 흡착 성능은 디카르복실화에 의해 향상될 수 있다. 도 5의 등온곡선과 표 3의 계산된 랭뮤어 파라미터(표 3)에서 보는 바와같이, pH 4에서 디카르복실화 생체흡착제의 최대흡착은 105.8±3.4 mg/g으로 수소화된 생체흡착제에 대하여 2.74 배에 이른다. RB 4에 대하여, 디카르복실화 생체흡착제의 흡착 성능은 수소화된 생체흡착제의 흡착성능보다 높다. 또한, 디카르복실화 생체흡착제의 등온흡착 곡선의 기울기는 수소화된 생체흡착제보다 더 가파르다. 이 기울기는 염료와 바이오매스의 친화력을 의미한다. RR 4 및 RB 4에 대한 디카르복실화 생체흡착제의 친화력(1/K)은 0.625 및 0.33 L/mg이로 수소화된 생체흡착제의 친화력보다 각각 16.9 및 15.9 배 높다. 이는 낮은 농도에서도 염료를 효과적으로 제거 할 수 있음을 의미한다.From a practical point of view, the adsorption performance of biomass can be improved by decarboxylation. As shown in the isotherm of FIG. 5 and the calculated Langmuir parameters in Table 3 (Table 3), the maximum adsorption of the decarboxylated biosorbent at pH 4 was 2.74 times for the hydrogenated biosorbent at 105.8 ± 3.4 mg / g. Leads to For RB 4, the adsorption performance of the decarboxylated biosorbent is higher than that of the hydrogenated biosorbent. In addition, the slope of the isothermal adsorption curve of the decarboxylated biosorbent is steeper than the hydrogenated biosorbent. This slope refers to the affinity between the dye and the biomass. The affinity of the decarboxylated biosorbent (1 / K) for RR 4 and RB 4 is 16.9 and 15.9 times higher than that of the hydrogenated biosorbent at 0.625 and 0.33 L / mg, respectively. This means that dyes can be effectively removed even at low concentrations.

더 나아가 실제 공정에 적용될 경우 같은 양의 염료를 제거하기 위해 수소화된 바이오매스의 경우 디카르복실 바이오매스보다 더 낮은 pH를 요구하기 때문에 pH를 낮추기 위하여 많은 경비가 소요될 것으로 예상된다. 또한, 디카르복실 바이오매스는 친화력이 매우 높아 빠른 시간에 효과적으로 염료를 처리할 수 있을 것으로 보인다. 그러므로 이러한 화학적 변형을 통한 바이오매스의 작용기 변화는 아주 유용한 기술이 될 것이라 전망된다.Furthermore, the hydrogenated biomass requires lower pH than the dicarboxyl biomass to remove the same amount of dye when applied to the actual process, and it is expected that it will be expensive to lower the pH. In addition, the dicarboxyl biomass has a very high affinity, so that the dye can be effectively treated in a short time. Therefore, the functional group change of biomass through such chemical modification is expected to be a very useful technique.

본 발명에 따르면, 발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰을 이용한 염색폐수의 염료 제거용 생체흡착제로서 바이오매스의 표면 작용기를 정량·정성 분석하고 pH에 따른 염료 흡착 능력과 흡착기작에 기초하여 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기 중 흡착저해 작용기인 카르복실 그룹을 제거시키도록 화학적으로 변형시켜 염료의 흡착성능을 더욱 향상시키는 효과적인 방법을 제공할 수 있다는 효과가 있다. According to the present invention, quantitative and qualitative analysis of surface functional groups of biomass as a dye absorbing biosorbent for dyeing wastewater using Corynebacterium glutamicum as a fermentation waste, and based on the dye adsorption capacity and adsorption mechanism according to pH Chemically modifying to remove carboxyl groups, which are inhibitors of adsorption, among the surface functional groups of Nebacterium glutamicum biomass can provide an effective method for further improving the adsorption performance of the dye.

또한, 본 발명은 보다 넓은 pH에서도 흡착 성능이 좋은 생체흡착제를 제공하여 pH를 낮추기 위한 비용을 절감할 수 있고, 발효폐기물의 해양투기 등을 감소시켜 환경오염을 방지할 수 있다는 효과가 있다. In addition, the present invention can provide a biosorbent having a good adsorption performance even at a wider pH to reduce the cost for lowering the pH, it is possible to prevent the environmental pollution by reducing the ocean dumping of fermentation waste.

상술한 바와 같이 본 발명은 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스를 이용한 생체흡착제로서 수소화된 바이오매스를 화학반응을 통하여 디카르복실화 바이오매스로 변형시켜 우수한 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법에 관한 것으로, 상술한 실시예에만 한정되지는 않으며, 당업자로서는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형, 변경 및 치환이 가능할 것이다.As described above, the present invention relates to a method for preparing a biosorbent having excellent adsorption performance by converting a hydrogenated biomass into a decarboxylated biomass through a chemical reaction as a biosorbent using Corynebacterium glutamicum biomass. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention.

Claims (2)

염색폐수에 적용하여 색도를 유발하는 염료를 흡착하여 제거하는 생체흡착제의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of the bioadsorbent which is applied to the dye wastewater by absorbing and removing the dye causing the color, 상기 흡착제는 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스를 산처리하여 수소화시키고 증류수로 세척한 후 건조하는 단계; 및 The adsorbent is an acid treatment of Corynebacterium glutamicum biomass, hydrogenated, washed with distilled water and dried; And 상기 수소화된 바이오매스를 에스테르 반응을 통하여 화학적으로 변형시켜 카르복실 그룹을 제거한 후 증류수로 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스의 표면 작용기의 화학변형에 의한 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법.Chemically modifying the hydrogenated biomass through an ester reaction to remove carboxyl groups, followed by washing with distilled water and drying to chemical modification of the surface functional groups of Corynebacterium glutamicum biomass. Method for preparing a biosorbent having an improved adsorption performance. 제1항에 있어서, 상기 카르복실 그룹을 제거하는 단계는 수소화된 바이오매스를 메탄올 용액에 분산시키고 산 촉매인 질산을 첨가하여 교반시켜 에스테르 반응을 일으키도록 하는 것을 특징으로 하는 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스 의 표면 작용기의 화학변형에 의한 향상된 흡착성능을 갖는 생체흡착제의 제조방법.The method of claim 1, wherein the step of removing the carboxyl group Corynebacterium glutami, characterized in that to disperse the hydrogenated biomass in a methanol solution and to add an acid catalyst nitric acid and stirred to cause an ester reaction A method for preparing a biosorbent having improved adsorption performance by chemical modification of surface functional groups of Qum biomass.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101540860B1 (en) * 2013-12-16 2015-07-31 재단법인 전주생물소재연구소 Bacillus thuringiensis JB-007 strain having sorption of anionic dye and metal, and biomass using the same
KR20160101731A (en) * 2015-02-17 2016-08-26 재단법인 전주농생명소재연구원 Aeromonas caviae JB-014 strain having sorption of anionic dye and metal, and biomass using the same
KR20160101728A (en) * 2015-02-17 2016-08-26 재단법인 전주농생명소재연구원 Aeromonas hydrophila JB-010 strain having sorption of anionic dye and metal, and biomass using the same

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