KR20110116045A

KR20110116045A - 글리코겐 축적 미생물에서 ｐｈａ 생산의 극대화 공정

Info

Publication number: KR20110116045A
Application number: KR1020117020975A
Authority: KR
Inventors: 시몬 올로프 하랄드 뱅슨; 알란 기데온 워커; 파울로 알렉산더 다 코스타 레모스; 마리아 아스센카오카발호 페르난데스 드 미란다 레이스
Original assignee: 베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-10-24
Also published as: JP2012517237A; AU2010212543B2; AU2010212543A8; CA2752330C; CA2752330A1; CN102482694B; JP5713920B2; AU2010212543A1; WO2010092472A2; EP2396414A2; AU2010212543B8; US8187462B2; CN102482694A; WO2010092472A3; US20100200498A1

Abstract

공정은 혼합 배양 생물집단에서 PHA의 생산을 증가시키기 위해 제공된다. 공정의 첫번째 단계에서, 기질과 관련한 유기 물질을 휘발성 지방산으로 전환시킨다. 폐수 처리 공정의 사례에서, 만약 폐수가 충분한 휘발성 지방산(VFA)를 포함하여 공정을 뒷받침한다면, 유기물질을 VFA로 전환하는 것은 불필요하다. 공정의 두번째 단계에서, 혐기성-호기성 선별 공정을 글리코겐 축적 미생물을 선별하는데 이용하고 이들 미생물을 증식시키고 개방 혼합 배양 생물집단에서 우세하도록 야기한다. 선별 공정의 혐기성 처리 시기에서 VFA의 형태로 비교적 높은 유기물질부하를 제공하여, 비교적 높은 수준의 저장 글리코겐을 가지는 GAO를 생산한다. 세번째 단계에서, 혐기성 또는 호기성 조건 또는 이들의 조합 하에 글리코겐 풍부 미생물이 VFA를 먹는 PHA 축적 공정을 실행한다. 외부적으로 공급된 VFA 및 내부적으로 저장된 글리코겐의 소모를 통하여, 생물집단에서 비교적 높은 수준의 PHA가 생산된다. 그 후, PHA를 잔류 생물집단으로부터 분리한다.

Description

글리코겐 축적 미생물에서 ＰＨＡ 생산의 극대화 공정{PROCESS FOR MAXIMIZING PHA PRODUCTION IN GLYCOGEN ACCUMULATING ORGANISMS}

가출원에 대한 상호 참조

본 출원은 35 U.S.C § 119(e)에 의거 2009년 2월 12일자로 출원된, 미국 가출원 제61/151,940호를 우선권으로 주장한다. 그 출원은 본원의 참고문헌으로 전체로서 삽입되었다.

폴리히드록시알카노에이트(PHA)는 환경 친화적인 고분자 물질로서 유망한 후보물질로 여겨져왔다. 이들 고분자는 광범위한 물성을 보이며 재생 가능한 자원으로부터 생산될 수 있다. 그러나, 순수한 미생물 배양으로 수행되는 전통적인 PHA 생산과 관련한 높은 생산 비용이 이들 고분자의 넓은 응용을 제한해왔다. 혼합 배양의 사용에 기초한 대체 PHA 생산 전략이 제안되어 왔다. PHA 생산을 위한 혼합 배양의 사용은 멸균 조건이 요구되지 않기 때문에 더 비용 효과적일 수 있다. 추가로, 이는 저렴한 기질, 예컨대 폐기물 또는 폐부산물의 사용이 허용된다.

본 발명은 혼합 배양 생물집단에서 PHA의 생산을 증가시키는 공정에 관한 것이다. 공정의 첫번째 단계에서, 기질과 관련한 유기 물질을 휘발성 지방산(VFA)로 전환시킨다. 두번째 단계에서, 혐기성-호기성 선별 공정을 글리코겐 축적 미생물(GAO)을 선별하는데 이용하고 GAO를 증식시키고 개방 혼합 배양 생물집단을 우세하도록 야기한다. 선별 공정의 혐기성 시기에서 VFA의 형태로 비교적 높은 유기물질부하를 제공하여, 비교적 높은 수준의 저장 글리코겐을 가지는 GAO를 생산한다. 세번째 단계에서, 혐기성 또는 호기성 조건 또는 이들의 조합 하에 글리코겐 풍부 GAO 생물집단이 VFA를 먹는 PHA 축적 공정을 실행한다. 외부적으로 공급된 VFA 풍부 기질 및 내부적으로 저장된 글리코겐의 소모를 통하여, 생물집단에서 비교적 높은 수준의 PHA가 생산된다. 그 후, PHA를 잔류 생물집단으로부터 분리한다.

몇몇 공정에서, 세 단계 모두는 필수적이지 않을 수 있다. 예를 들어, GAO 선별을 진행하기 전에 유기 전환 단계가 불필요하다는 것이 보증될 만큼 기질에 VFA가 이미 충분하게 풍부할 수 있다. 또한, 몇몇 사례에서 PHA 축적 공정을 2단계 GAO 선별 공정에 통합하는 것이 실현 가능할 수 있다.

더욱 특히, 본 발명의 공정은 선별 공정의 혐기성 시기 동안 VFA 대 생물집단의 비교적 높은 부하 비율이 유지되는 선별된 또는 풍부한 GAO의 개방 혼합 배양으로 PHA를 생산하는 것에 관한 것이다. 이는 비교적 높은 수준의 세포내 글리코겐을 야기하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 다시 비교적 높은 양의 PHA 축적을 제공하는 메커니즘을 용이하게 한다. 선별 공정의 혐기성 시기 동안 VFA 부하는 변할 수 있는 반면, 0.075 내지 0.126 g-VFA/g-생물집단의 범위에 있는 VFA 대 생물집단(건조 중량) 부하 비율은 대략 17% 내지 대략 60%의 PHA를 포함하는 생물집단을 생산하는데 효과적인 것으로 밝혀져왔다. 이 비율의 범위에 제한되지 않는다. 0.126 g-VFA/g-생물집단을 초과하는 높은 비율 또한 상당한 양의 글리코겐을 생산하는데 효과적인 것으로 실험 시험을 통해 추정되었으며, 이는 다시 상당한 양의 PHA 생산을 야기한다.

도 1은 GAO 선별 공정에서 전형적인 혐기성-호기성 주기를 나타내는 차트이다.
도 2는 혐기성 PHA 축적 공정을 나타내는 차트이다.
도 3은 생물집단에 50 C-mmol/L 아세테이트의 두 펄스가 추가된 혐기성 PHA 축적 공정을 나타내는 차트이다.
도 4는 생물집단에 50 C-mmol/L 아세테이트의 세 펄스가 추가된 혐기성 PHA 축적 공정을 나타내는 차트이다.
도 5는 폐수처리시스템과 통합된 GAO 선별 공정 및 PHA 축적 공정을 개략적으로 나타낸 한 실시양태이다.

폴리히드록시알카노에이트(PHA)는 세포내 탄소 및 에너지 비축으로서 박테리아에서 합성된 생물 고분자 물질군이다. 글리코겐 축적 미생물(GAO)로 일컫는 생물집단에서 발견된 한 군의 생물은 특정 조건 하에 PHA를 생산한다. GAO는 외부 탄소원, 통상적으로 휘발성 지방산(VFA)을 대사하고 PHA의 형태로 탄소를 저장한다.

본 발명은 GAO가 풍부한 혼합 배양에서 PHA 생산을 증가시키는 것을 수반한다. 본원에 기재된 공정은 세 단계 이상을 포함할 수 있다. 첫번째 단계에서, 기질을 포함하는 유기물을 휘발성 지방산(VFA)으로 전환시킨다. 두번째 단계는 교대로 혐기성-호기성 조건을 사용하고 혐기성 기간 동안 VFA를 소모하는 GAO 선별 공정이다. VFA가 일반적으로 GAO를 위한 바람직한 기질로 여겨짐에도, 다른 종류의 유기 화합물 또한 기질로써 제공될 수 있다. 이 단계에서 만약 인 공급원이 성장 요건의 초과량으로 제공되지 않는다면 GAO는 자라고 증식하며, 생물집단을 우세하게 된다. 세번째 단계에서, GAO 내에 PHA가 가능한 많은 양으로 생산되고 축적된다. 본 발명의 목적은 전반적인 생산 공정 성능을 향상시키고 하류 공정을 실질적으로 향상시켜 잔류 생물집단으로부터 PHA를 분리하는 것을 쉽고 비용 효과적으로 만듦으로써 많은 양의 PHA를 생산하는 것이다. 본원에 기재된 공정은 점차 더 경제적이고 기술적으로 실현 가능하게 되어 축적 단계에서 더 높은 PHA 수준을 수득하게 된다.

위에서 언급했듯이, 공정의 첫번째 단계는 유기물을 VFA로 전환시키는 것을 수반한다. 이는 종종 산성발생(acidogenesis)라고 불리는 공정에서 혐기성 조건 하에 탄소 기질을 발효 생물집단에 제공함으로써 달성된다. 탄소원은 차이가 있을 수 있지만 생성된 VFA는 아세테이트, 프로피오네이트, 부티르산, 및 발레레이트의 혼합물을 포함할 수 있다. 그러나, 몇몇 상황에서, GAO를 풍부하게 하기 위해 사용되는 기질은 이미 충분한 VFA 함량을 가질 수 있거나, 또는 다양한 이유로 유기물을 VFA 함량이 증가하도록 전환시키는 것이 현실성 없거나 실현 불가능할 수 있다. 이런 상황에서, 공정의 첫번째 단계는 필요하지 않을 수 있다. 각 시나리오에서, VFA를 함유하는 기질을 두번째 단계의 혐기성 시기 동안 GAO 생물집단에게 먹이고, 그렇게 해서, 안정한 GAO 선별 압력을 만들고 유지한다.

GAO 선별 공정은 두번째 단계에서 수행될 수 있으며, 한 실시양태에서 연속 회분식 반응기(SBR)에서일 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, GAO 선별은 플러그 흐름 반응기, 혼합 탱크 계열, 또는 다른 연속 흐름 반응기 형태에서 비슷하게 달성될 수 있다. GAO 선별 공정의 혐기성 기간 동안, VFA를 GAO에게 먹인다. GAO는 세포내 저장된 글리코겐을 가수분해하고 소모하며 이 반응 동안 생산된 에너지를 사용하여 VFA를 소모하여 PHA를 생산하고 저장한다. 혐기성 조건 하에서, 생물집단에게 산소는 공급되지 않으며 혼합액 내의 용존 산소 수준은 존재하지 않거나 또는 적어도 비교적 낮다. 하기 GAO 선별 공정의 호기성 기간 동안, VFA 공급은 더 이상 가능하지 않으며, 따라서 내부에 저장된 PHA가 활동 생물집단의 성장 및 세포내 글리코겐의 생산을 위하여 사용된다. 이 공정은 많은 다른 비-글리코겐 축적 미생물이 그런 조건 하에서 살아남을 수 없는데 반하여 GAO는 그러한 혐기성-호기성 조건 하에서 잘 자랄 수 있기 때문에 선별적으로 생물집단을 GAO가 풍부하게 한다. 호기성 조건 하에서, 산소 또는 다른 전자 수용체는 생물집단이 세포 성장 및 글리코겐 저장을 위하여 PHA를 탄소원으로 소비할 수 있게 하는 것을 가능하게 한다. 산소는 예를 들어, 폭기장치(aerator) 또는 혼합기를 사용하여 공급될 수 있다. 다른 실시양태에서, GAO 선별 시기는 호기성 시기와 관련하여 사용되는 무산소 시기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, GAO 선별 공정은 혐기성-무산소 조건을 포함할 수 있다. 무산소 시기를 이용할 경우, NO₃ ^-(질산염) 또는 NO₂(아질산염)이 적합한 무산소 전자 수용체로 사용될 수 있다.

세번째 단계에서, GAO 내 PHA가 가능한 높은 수준으로 생산되고 축적된다. 만약 생물집단이 혐기성 기간 동안 GAO 선별기로부터 채취된다면, GAO는 대사된 VFA로부터 생성된 높은 수준의 저장 PHA를 가진다. 따라서, 만약 혐기성 시기 후에 채취된다면 생물집단에게 추가 처리가 요구되지 않을 수 있다. 그러나, 만약 생물집단이 호기성 기간 동안 GAO 선별기로부터 채취된다면, GAO는 상당량의 저장 PHA를 글리코겐으로 산화시킨다. 따라서, 생물집단이 만약 GAO 선별 공정 동안 호기성 기간 동안에 채취되고 저장 PHA를 거의 또는 전혀 가지지 않는다면, PHA를 생산하고 축적하기 위한 추가 처리가 필요하다. 혐기성 조건 또는 호기성 조건 단독 또는 조합 중 어느 하나에서 VFA를 이 종류의 생물집단에 추가하여 PHA 생산을 자극시킬 수 있다.

상기 기재한 GAO 선별 시기의 다양한 파라미터를 조절함으로써, GAO 내 PHA의 축적이 증가될 수 있다. 예를 들어, 만약 채취된 GAO 내 글리코겐 함량이 충분히 높으면, 그 다음 축적 단계 동안 추가된 VFA가 글리코겐 소모 및 PHA 생산과 동시에 소모된다. GAO는 혐기성 및 호기성 조건 하에서 PHA 합성을 위한 글리코겐에 의존한다. 따라서, GAO 선별 시기 동안 GAO 내 높은 글리코겐 함량의 보장은 혐기성 또는 호기성 전략 중 하나로 축적하는 동안에 PHA 생산 잠재성이 증가할 수 있게 한다.

몇몇 파라미터는 GAO 선별 시기 동안 GAO 내 글리코겐 함량을 극대화하는데 기여한다. 글리코겐 함량을 극대화하는데 사용되는 한 파라미터는 VFA 대 생물집단 중량비이다. 연속 흐름 시스템에서 이 파라미터는 종종 "무리-부하(floc-loading)"라고 일컬어진다. VFA의 양은 기질에 존재하는 개개의 휘발성 지방산 전체의 총 합으로 정의된다. 먹이를 먹은 생물집단의 양을 나타내는 한 방법은, 총 부유 고형물(TSS) 측정을 통하는 것이다. SBRs에 대해서, VFA 대 생물집단 비율은 혐기성 시기 동안 생물집단이 먹은 VFA의 질량 나누기 혐기성 시기의 시작에서 TSS로 측정된 생물집단(g VFA/g TSS)으로 정의될 수 있다. 단순 또는 분포된 먹이 반응기 형태에서의 연속적인 흐름을 위하여, VFA 대 생물집단 비율은 혐기성 구역으로 공급되는 VFA의 속도(g VFA/h) 나누기 혐기성 구역으로 공급되는 생물집단의 속도(g TSS/h)로 정의될 수 있다. 이 파라미터를 조절하는 것은 뒤이은 생물집단의 PHA 축적 잠재력을 극대화하기 위하여 GAO 생물집단 내 글리코겐 수준을 증가시킨다. 하기 설명된 것과 같이, 0.075 내지 0.126 g-VFA/g-TSS 범위인 VFA 대 TSS 비율은 높은 수준의 PHA가 축적되는 것을 가능하게 해주는 높은 수준의 세포내 글리코겐을 수득하는 것을 입증한다. 일반적으로 VFA 대 생물집단 비율은 0.08 g VFA/g TSS 또는 그 이상이어야 한다.

GAO 선별 공정의 혐기성 시기에서 높은 유기물질부하는 높은 수준의 세포내 글리코겐을 가지는 GAO를 생산하는데 중요하며, 이는 다시 혐기성 및/또는 호기성 조건 하에서 뒤이은 PHA 축적 동안 높은 PHA 생산을 야기한다. 0.075 내지 0.126 범위인 VFA 대 TSS 비율에서 많은 실험이 행해졌고 높은 비율의 VFA 대 TSS은 높은 PHA의 축적을 야기함을 규명하였다.

한 실시예에서, GAO 선별 공정을 0.075 g VFA/g TSS의 VFA 대 생물집단 비율로 SBR을 사용하여 달성하였다. GAO는 호기성 시기의 끝에서 총 부유 고형물의 18%인 글리코겐을 함유했다. PHA 축적 시기에 생물집단에게 과량의 VFA를 먹인 경우, 혐기성 조건 하에서 그 결과로 생긴 TSS의 17%인 PHA가 수득되었다.

다른 실시예에서, GAO 선별 공정을 0.084 g VFA/g TSS의 VFA 대 생물집단 비율로 SBR을 사용하여 달성하였다. GAO는 호기성 시기의 끝에서 총 부유 고형물의 24%인 글리코겐을 함유했다. PHA 축적 시기에 생물집단에게 과량의 VFA를 먹인 경우, 혐기성 조건 하에서는 그 결과로 생긴 TSS의 30%인 PHA가 수득되었고 호기성 조건 하에서는 그 결과로 생긴 TSS의 25%인 PHA가 수득되었다.

또 다른 실시예에서, GAO 선별 공정을 0.126 g VFA/g TSS의 VFA 대 생물집단 비율로 SBR을 사용하여 달성하였다. GAO는 호기성 시기의 끝에서 총 부유 고형물의 36%인 글리코겐을 함유했다. PHA 축적 시기에 생물집단에게 과량의 VFA를 먹인 경우, 혐기성 조건 하에서는 그 결과로 생긴 TSS의 49%가 PHA의 형태였고 호기성 조건 하에서는 그 결과로 생긴 TSS의 60%가 PHA의 형태였다.

GAO 선별 공정 및 PHA 축적의 더 자세한 설명에 대해서는, 증거 1을 보라.

GAO 선별 시기 동안 세포내 글리코겐 함량을 극대화하는데 기여하는 다른 파라미터는 온도 및 고형물체류시간(SRT)를 포함한다. 그럼에도 불구하고, GAO 선별 공정에 대한 전략은 광범위한 온도 및 SRTs에서 운용될 수 있다.

결과의 핵심은 GAO 선별 공정에서 생물집단이 노출되는 교대되는 혐기성 및 호기성 기간의 길이의 설계이다. GAO 선별 공정의 혐기성 시기는 VFA 소모를 허용할 만큼 충분히 길지만 저장 PHA의 좋지 않은 혐기성 소모를 피할 만큼 충분히 짧아야 한다. 통상적인 혐기성 시기 시간의 범위는 1 내지 4시간 사이이다. GAO 선별 시기의 호기성 기간 동안의 시간은 세포내 PHA 농도를 감소시킬 만큼 충분해야 하지만 저장된 글리코겐의 불필요한 소모를 피할 만큼 충분히 짧아야 한다. 일반적으로, 호기성 시간은 충분히 길어서 저장 PHA 함량이 TSS로 측정된 생물집단의 10% 미만이 된다. 통상적인 호기성 시기 시간의 범위는 2 내지 20 시간 사이이다.

한 실시예에서, GAO 선별 공정을 VFA 공급원으로 아세테이트를 먹인 SBR을 사용하여 수행하였고 대략 30℃에서 450일 동안 교대로 혐기성-호기성 조건으로 운용하였다. 이 기간 동안, 칸디다터스 컴페티박터 포스파티스(Candidatus Competibacter phosphatis)가 생물집단의 54% 내지 70% 사이로 배양물을 우세했다. 통상적인 혐기성-호기성 주기는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 볼 수 있듯이, GAO 선별 공정의 혐기성 시기 동안, 아세테이트 및 글리코겐이 소모되었고 PHA가 동시에 생산되었다. 뒤이은 호기성 시기 동안, PHA는 소비되었고 활동 생물집단 및 글리코겐이 생산되었다.

GAO 선별 공정을 0.126 g VFA/g TSS의 VFA 대 생물집단 비율로 얻었다. 혐기성 시기의 끝에서, PHA 함량은 TSS의 17±3 %이었고 글리코겐 함량은 TSS의 17±2 %이었다. 호기성 시기의 끝에서, 글리코겐 함량은 TSS의 36±4 %이었다. GAO 선별 공정에서 높은 VFA 대 생물집단 비율은 호기성 시기의 끝에서 GAO 내 글리코겐 함량을 증대하는 것을 촉진시킨다.

혐기성 및 호기성 조건 하에서 PHA의 축적을 분리 배치 실험으로 연구하였다. 따라서, SBR로부터의 생물집단은 호기성 시기의 끝에서 제거되었으며 배치 반응기로 이전되었다. VFA 공급원, 예컨대 아세테이트 또는 프로피오네이트가 생물집단에 L당 1 또는 2 g의 아세테이트 또는 프로피오네이트의 단일 또는 다중 펄스로 추가되었다. 글리코겐이 GAO 생물집단에 존재하는 한, 호기성 또는 혐기성 조건 하에서 PHA의 축적이 진행되었다. PHA는 외부에서 공급된 VFA 및 내부에 저장된 글리코겐의 동시의 소비로 생산되었다.

PHA 축적 시기에서 생물집단에게 과량의 VFA를 먹이는 경우, 그 결과로 생긴 생물집단의 49%(TSS로 측정된)가 PHA의 형태로 있었고, 혐기성 조건 하에서 4시간 이내에 수득되었다. 축적된 PHA은 3-히드록시부티레이트(3HB) 및 3-히드록시발레레이트(3HV) 모두를 함유하였다. 도 2에서 나타난 것과 같이, PHA의 축적은 세포내 글리코겐 함량이 TSS의 3% 미만으로 떨어질 경우 중단되었고, 이는 PHA 축적이 저장된 글리코겐의 양으로 제한되었다는 것을 나타낸다.

호기성 조건에서 PHA 축적 시기 동안, 50 C-mmol/L 아세테이트의 두 펄스를 생물집단에 추가하였다. 이러한 조건 하에서, 그 결과로 생긴 생물집단의 60%(TSS로 측정된)가 PHA의 형태로 있었다. 호기성 조건 하의 분리 실험에서, 50 C-mmol/L 아세테이트의 세 펄스를 생물집단에 추가하였다. 이러한 조건 하에서, 그 결과로 생긴 생물집단의 59%(TSS로 측정된)가 PHA의 형태로 있었다. 호기성 축적 실험 모두에서, 축적된 PHA는 3HB만 함유하였다. 추가로, 도 3 및 4는 호기성 축적 실험 모두에서, PHA 생산속도 및 글리코겐 소모속도는 혐기성 조건 하에서 관찰되었던 것과 같이 시간이 갈수록 감소했다는 것을 나타낸다. 따라서, 세포내 글리코겐 수준은 호기성 조건 및 혐기성 조건 하에서의 PHA 생산을 조절한다.

한 실험을 펄스로 공급된 아세테이트로 4시간 혐기성 하에 이은 4시간 호기성 조건 하에서 수행하였다. 혐기성 PHA 축적으로 인하여 글리코겐 풀(pool)이 고갈되었을 경우(TSS의 3%)에는, 비록 생물집단이 배양물에서 관찰된 가장 높은 PHA 함량(TSS의 60%)보다 더 낮은 PHA 함량(TSS의 47%)으로 뚜렷하게 PHA로 포화되지 않았더라도 호기성 조건 하에서 추가 PHA 축적은 일어나지 않았다. 이는 GAO에서 PHA 합성이 글리코겐 소모 및 호기성 조건 하에 의존한다는 것을 나타낸다.

상기에 기재된 GAO 선별 및 PHA 축적 공정은 도 5에서 숫자 10으로 개괄적으로 나타낸 폐수 처리 시스템과 통합될 수 있다. 본원에 기재된 실시양태에서, 폐수 처리 시스템은 다양한 종류의 물 및 폐수를 처리하는데 이용될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "폐수"는 산업적 및/또는 가정적인 방법, 공정 또는 활동의 배출로 생성될 수 있는 임의의 수성 흐름을 의미한다. 공통적인 시나리오에서 배출 수성 흐름은 방법, 공정 또는 활동의 부산물로 생성된 유기 및 무기 화합물을 함유한다. 다른 경우에서 그러나, 예를 들어 오니 발효와 같이, 수성 배출은 휘발성 지방산 풍부 흐름으로 의도될 수 있고 공정, 방법 또는 활동의 일차적 생성물이다. 그러므로, 본원에서 사용된 용어 "폐수"는 본 공정에 적합한 유입 및 통상적으로 몇몇 처리 방식 없이 바로 환경에 배출되지 않을 수 있는 것을 지칭한다.

폐수 처리 시스템(10)을 더 상세히 보면, 폐수 유입(12)은 산상 소화장치(APD)(14)로 향한다. 공정의 이 시기 동안, 폐수 내 유기 물질은 혐기성 조건 하에 VFA로 전환된다. VFA로의 유기 물질 전환은 VFA를 메탄 및 이산화탄소로 추가 전환하는 것을 허가하지 않고서 진행하게 허용한다. APD(14)에서 고형물체류시간 및 pH를 조절하기 위하여, 생물집단 배출구(16) 및 pH 조정 주입구(20)는 APD(14)에 각각 포함될 수 있다. 추가로, APD(14)는 가스 배출구(18)를 포함할 수 있다. APD(14)는 회분식 반응기, 연속 회분식 반응기, 또는 연속 흐름 반응기일 수 있다. 추가로, APD(14)는 부유 성장 반응기 또는 생물막 성장 반응기일 수 있다. 들어오는 폐수 유입의 특징에 따라, APD(14)가 요구되지 않을 수 있다. 즉, 만약 폐수 유입이 VFA로 충분하게 풍부하다면, APD(14)가 우회될 수 있다.

충분한 양의 VFA가 폐수에서 생산된 후에, 폐수는 APD(14)로부터 폐수 처리 반응기(WWT)(22)를 향한다. WWT(22)에서, 유기 물질(VFA로 우세한)은 생물집단 및 이산화탄소로 전환된다. 생물집단은 폐수와 혼합되어 혼합액을 형성한다. 생물집단은 GAO 선별 공정을 구현하는 혐기성-호기성 조건을 교대로 받는다. 다른 실시양태에서, 무산소 조건이 호기성 조건의 대신에 또는 조합으로 사용될 수 있다. 생물집단으로의 비교적 VFA의 높은 부하속도는 GAO 내 글리코겐 수준의 증가를 촉진시킨다. WWT(22)는 연속 회분식 반응기, 연속 흐름 반응기, 직렬 연결된 탱크들, 플러그 흐름 반응기, 기존의 먹이 반응기, 또는 단계 먹이 반응기일 수 있다. WWT(22)는 또한 화학물질 추가 주입구(24), 폭기 주입구(26), 및 가스 배출구(28)를 포함할 수 있다.

GAO로 풍부한 생물집단을 함유하는 폐수는 그 다음 생물집단이 처리된 폐수 처리수(32)로부터 분리되는 분리기(30)를 향한다. 한 실시양태에서, 만약 생물집단이 충분한 수준의 PHA를 가진다면 GAO로 풍부한 생물집단은 하류 공정 시스템(DSP)(34)로 향한다. 즉, 만약 생물집단이 GAO 선별 공정의 혐기성 시기 동안 채취된다면, 생물집단의 PHA 함량이 이미 충분할 수 있고 추가 PHA 축적이 필요하지 않을 것이다. 그러나, 만약 생물집단이 GAO 선별 공정의 호기성 시기 동안 채취된다면, 생물집단은 PHA 함량을 거의 또는 전혀 가지지 않을 것이다. 따라서, 이 종류의 생물집단은 추가 처리를 위해 PHA 생산 공정(PPP)(36)으로 향할 수 있다.

PPP(36)에서, VFA가 생물집단에 추가된다. 한 실시양태에서, APD(14)를 빠져나가는 VFA로 풍부한 폐수는 PPP(36)로 향할 수 있다. 다른 실시양태에서, VFA로 풍부한 유입된 폐기물 흐름(38)은 PPP(36)로 향할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, APD(14)로부터의 VFA로 풍부한 폐수 및 VFA로 풍부한 유입된 폐기물 흐름(38) 모두는 PPP(36)로 향할 수 있다. PPP(36) 내 생물집단은 호기성 조건, 혐기성 조건, 또는 호기성-혐기성 주기를 받게 된다. PPP(36)는 회분식 반응기, 연속 회분식 반응기, 또는 연속 흐름 반응기일 수 있다. 추가로 PPP(36)는 화학물질 추가 시설, 폭기 주입구(40) 및 가스 배출구(42)를 포함할 수 있다.

PPP(36) 내 PHA 축적은 혐기성 및 호기성 PHA 축적 모두 동안에 GAO 내 글리코겐 함량에 의존한다. 이들 글리코겐 수준은 WWT(22)에서 GAO 선별 내 VFA 부하로 조절될 수 있다.

충분한 수준의 PHA가 GAO 생물집단에 생성된 후, 생물집단은 생물집단이 배출수로부터 분리되는 분리기(44)로 향한다. 한 실시양태에서, 배출수는 APD(14)로 재순환될 수 있다. 분리된 생물집단은 그 다음 하류 공정(DSP)(34)으로 향한다. DSP(34)는 PHA를 잔류 생물집단으로부터 분리하는 임의의 수단을 포함한다. 이는 비-PHA 생물집단을 PHA로부터 제거하는 주입구(46)를 통한 화학물질 및 기계적인 에너지의 추가와, 뒤이은 PHA의 분리 및 건조를 포함할 수 있다. DSP(34)는 그 후 잔류 생물집단 또는 "비-PHA 세포 물질"(NCPM)(48)을 PHA(50)으로부터 분리한다. NCPM은 생물가스 생산에 이용될 수 있으며 또는 APD(14) 또는 WWT(22)로 되돌아갈 수 있다.

본 발명은 당연히 본 발명의 범위 및 필수적인 특징에서 벗어나지 않는 한 본원에 기재된 것과 다른 특정한 방법으로 수행될 수 있다. 본 실시양태는 그러므로 모든 측면에서 예시적이며 제한하려는 것이 아니며 첨부된 청구항이 의미하는 범위 및 균등 범위 내에서의 모든 변화를 포괄하는 것으로 의도된 것으로서 이해되어야 한다.

Claims

휘발성 지방산(VFA)을 함유하는 폐수 및 혼합 배양 생물집단을 제공하는 단계;
생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하여 상기 교대되는 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리가 비교적 높은 수준의 세포내 저장된 글리코겐을 갖는 글리코겐 축적 미생물(GAO)을 가지는 GAO 우세 생물집단을 생산하고,
호기성 또는 무산소 처리 동안보다 혐기성 처리 동안 실질적으로 더 많은 VFA를 생물집단에게 제공하여 혐기성 처리 동안, GAO 우세 생물집단에서 GAO가 VFA 및 세포내 저장된 글리코겐을 소모하여 폴리히드록시알카노에이트(PHA)를 생산하고,
혐기성 처리 동안, 제공된 총 부유 고형물(TSS)의 1 g당 0.08 g 이상의 VFA의 비율로 VFA를 생물집단에게 제공하는 것에 의해
생물집단에서 GAO 우세 생물집단을 선별하고, GAO를 증식시켜 다른 미생물에 비하여 우세하게 만드는 단계; 및
GAO 우세 생물집단에서 PHA를 축적하는 단계
를 포함하는, 혼합 배양 생물집단에서 높은 PHA 생산 잠재력을 갖는 GAO의 선별에 의한 폐수의 처리 및 PHA 생산 방법.
제1항에 있어서, GAO 우세 생물집단을 선별하는 단계 이전에 혐기성 조건 하에서 폐수의 처리 및 산성화(acidogenic) 발효를 통해 유기 화합물을 VFA로 전환하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 선별된 생물집단을 측류 PHA 생산 구역으로 향하게 하는 단계 및 PHA 생산 구역에서 VFA를 생물집단에게 먹이는 단계를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 측류 PHA 생산 구역에 있는 생물집단을 호기성 조건, 혐기성 조건 또는 호기성-혐기성 또는 무산소 순환을 받게 하는 단계를 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 생물집단을 측류 PHA 생산 구역으로부터 분리기로 향하게 하는 단계 및 배출수로부터 생물집단을 분리하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 분리된 생물집단을 하류 처리 구역으로 향하게 하는 단계 및 잔류 생물집단으로부터 PHA를 분리하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 호기성 또는 무산소 처리 시기 동안 GAO 우세 생물집단을 채취하고, GAO 우세 생물집단을 첫번째 분리기로 향하게 하고, GAO 우세 생물집단을 폐수로부터 분리하는 단계; 및 그 후 채취된 GAO 우세 생물집단을 분리된 GAO 우세 생물집단에게 VFA를 먹이는 측류 PHA 생산 단위로 향하게 하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 GAO가 선별된 후에 후속적으로 생물집단에게 VFA를 먹여 생물집단 내 GAO가 VFA를 소비하고 PHA를 생산하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 생물집단에게 후속적으로 공급된 VFA가, 생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하기 이전에 측류에서 얻어지는 방법.
제8항에 있어서, 상기 생물집단을 후속적으로 혐기성, 호기성 또는 무산소 조건 중 하나를 받게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 혐기성 조건 하에서 처리되는 동안 생물집단에게 제공된 VFA는 제공된 총 부유 고형물(TSS)의 1 g 당 대략 0.08 내지 0.50 g의 VFA인 방법.
제1항에 있어서, 상기 생물집단 및 폐수는 혼합되어 혼합액을 형성하고 상기 생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하는 것이, 호기성 또는 무산소 조건 하에서 혼합액 내 총 부유 고형물에 대해 18% 이상의 세포내 저장된 글리코겐을 갖는 GAO를 가지는 GAO 우세 생물집단을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 생물집단 및 폐수는 혼합되어 혼합액을 형성하고 상기 생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하는 것이, 호기성 또는 무산소 조건 하에서 혼합액 내 TSS에 대해 30% 이상의 세포내 저장된 글리코겐을 갖는 GAO를 가지는 GAO 우세 생물집단을 생산하는 방법.
제8항에 있어서, 분리된 생물집단에게 VFA를 후속적으로 먹여 폐수 내 TSS에 대하여 45% 이상의 PHA를 생산하는 방법.
VFA를 함유하는 폐수를 혼합 배양 생물집단을 함유하는 하나 이상의 폐수 처리 구역으로 향하게 하는 단계;
생물집단을 폐수 처리 구역(들)에서 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하여 상기 교대되는 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리가 비교적 높은 수준의 세포내 저장된 글리코겐을 갖는 GAO를 가지는 GAO 우세 생물집단을 생산하고,
호기성 또는 무산소 처리 동안보다 혐기성 처리 동안 실질적으로 더 많은 VFA를 생물집단에게 제공하여 혐기성 처리 동안, GAO 우세 생물집단에서 GAO가 VFA 및 세포내 저장된 글리코겐을 소모하여 PHA를 생산하고,
혐기성 처리 동안, 혐기성 처리에 제공된 총 부유 고형물(TSS)의 1 g당 0.08 g 이상의 VFA의 비율로 VFA를 생물집단에게 제공하는 것에 의해
폐수 처리 구역에서 생물집단에서 GAO 우세 생물집단을 선별하고, GAO를 증식시켜 다른 미생물에 비하여 우세하게 만드는 단계; 및
PHA 생산 구역에서 GAO 우세 생물집단에 VFA를 추가하여 GAO가 VFA를 소모하고 PHA를 생산하는 단계
를 포함하는, 혼합 배양 생물집단에서 높은 PHA 생산 잠재력을 갖는 GAO의 선별에 의한 폐수의 처리 및 PHA 생산 방법.
제15항에 있어서, GAO 우세 생물집단을 선별하는 단계 이전에 혐기성 조건 하에서 폐수를 처리하는 단계 및 산성화 발효를 통해 유기 화합물을 VFA로 전환하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 PHA 생산 구역에서 GAO 우세 생물집단에 추가된 VFA가, 생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리를 받게 하는 단계 이전에 폐수에서 얻어지는 방법.
제15항에 있어서, 생물집단을 PHA 생산 구역에서 혐기성, 호기성 또는 무산소 조건을 받게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 GAO 우세 생물집단을 선별하는 단계는 본류에서 일어나고 상기 PHA 생산 구역은 측류에 배치되는 방법.
제15항에 있어서, 주류에서 GAO 우세 생물집단을 선별하는 단계 및 생물집단을 폐수로부터 분리하는 단계 및 분리된 생물집단을 측류에 위치한 PHA 생산 구역으로 향하게 하는 단계를 포함하는 방법.
폐수 유입을 하나 이상의 반응기로 향하게 하는 단계 및 생물집단으로 폐수를 생물학적으로 처리하는 단계;
생물집단에서 GAO 선별에 의해 GAO 선별 공정을 시행하고, 생물집단에서 GAO를 증식시켜 비-GAO에 비하여 우세하게 만드는 단계
(GAO 선별 공정은
생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리 시기를 받게 하여 생물집단이 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 조건을 받게 하고;
호기성 또는 무산소 처리 시기 동안보다 혐기성 처리 시기 동안 VFA의 형태로 더 많은 먹이를 생물집단에게 제공하고;
생물집단을 교대로 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리 시기를 받게 하여 상당한 수준의 세포내 저장된 글리코겐을 갖는 GAO를 가지는 GAO 우세 생물집단을 야기하고, 여기서 상기 GAO 우세 생물집단에서 GAO는 VFA 및 세포내 저장된 글리코겐을 소모하여 PHA를 생산하고;
혐기성 처리 동안 혐기성 처리에 제공된 총 부유 고형물(TSS)의 1 g당 0.08 g 이상의 VFA의 비율로 VFA를 생물집단에게 제공하는 것을 포함함); 및
GAO 우세 생물집단에서 PHA를 축적하는 단계
를 포함하는, 혼합 배양 생물집단에서 높은 PHA 생산 잠재력을 갖는 GAO의 선별에 의한 폐수의 생물학적 처리 및 PHA 생산 방법.
제21항에 있어서, GAO 우세 생물집단에서 폐수로부터 PHA를 분리하는 단계 및 GAO 우세 생물집단으로부터 PHA를 축적 또는 채취하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 GAO 우세 생물집단에서 PHA를 축적하는 단계는 생물집단에게 VFA를 먹이는 단계 및 VFA를 PHA로 전환하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 유입 폐수가 상당한 VFA를 포함하거나 또는 상기 방법이 유입 폐수 내 유기물질이 VFA로 전환되어 혐기성 처리 시기 동안 생물집단에 VFA가 이용가능하게 되는 단계를 포함하는 방법을 포함하고, 상기 혐기성 처리 시기 동안 공정이 호기성 또는 무산소 처리 시기 동안의 VFA 부하와 비교해서 비교적 높은 VFA 부하를 제공하는 단계를 수반하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 GAO의 선별은 연속 회분식 반응기에서 수행되고 VFA 대 생물집단 비율이 대략 0.08 g-VFA/g-TSS 이상이며 상기 비율은 혐기성 처리 시기 동안 생물집단이 먹은 VFA의 질량 나누기 대략 혐기성 시기의 시작에서 측정된 생물집단의 질량으로 정의되는 방법.
제21항에 있어서, 상기 생물집단으로 폐수를 생물학적으로 처리하는 단계가 폐수로부터 생물학적 산소 요구량(BOD)를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 생물집단은 폐수와 혼합되어 혼합액을 형성하고, (1) 혼합액에서의 생물집단의 양과 비교해서 폐수에서 먹인 VFA의 양의 비율; (2) 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리 동안 생물집단의 체류 시간; (3) 혐기성 및 호기성 또는 무산소 처리 동안 폐수의 온도; (4) 제공된 인 대 탄소원 비율; 또는 (5) 그것의 임의의 조합을 조절하여 GAO의 선별을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, GAO 우세 생물집단을 첫번째 분리기 향하게 하는 단계 및 폐수로부터 생물집단을 분리하는 단계로 생물집단을 임의의 상당한 호기성 또는 무산소 처리의 개입 없이 혐기성 처리를 받게 한 후에 GAO 우세 생물집단으로부터 PHA를 채취하는 단계; 및 GAO 우세 생물집단을 하류 처리 단위로 향하게 하는 단계 및 PHA를 잔류 생물집단으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 호기성 또는 무산소 처리 시기 동안 GAO 우세 생물집단을 채취하는 단계 및 GAO 우세 생물집단을 첫번째 분리기로 향하게 하는 단계 및 GAO 우세 생물집단을 폐수로부터 분리하는 단계; 그 후 채취된 GAO 우세 생물집단을 VFA가 분리된 GAO 우세 생물집단에게 제공되는 측류 PHA 생산 단위에게 향하게 하는 단계를 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 생물집단을 측류 PHA 생산 공정을 받게 한 후에, GAO 우세 생물집단을 두번째 분리기로 향하게 하는 단계 및 PHA를 잔류 생물집단으로부터 분리하는 단계를 포함하는 방법.