KR20180002443A

KR20180002443A - 콘크리트에 미생물 투입 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법

Info

Publication number: KR20180002443A
Application number: KR1020160081993A
Authority: KR
Inventors: 양근혁; 윤현섭; 이광명
Original assignee: 경기대학교 산학협력단; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-08
Also published as: KR101859211B1

Abstract

콘크리트 경화 이후에도 미생물의 생장 환경을 조성하기 위한 것으로서, 미생물을 콘크리트 배합 시 직접 투입하지 않고 미생물 생장환경을 조성할 수 있는 재료에 미생물을 흡착하고 그 재료를 콘크리트 배합 시 투입하여 콘크리트 내 미생물의 사멸을 방지하고, 지속적인 미생물의 자가 생장환경을 제공할 수 있는 미생물 흡착 방법이 개시된다.

Description

콘크리트에 미생물 투입 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법{ADSORPTION METHOD OF MICROBES FOR GROWTH ENVIRONMENT OF MICROBES WHEN PUTTING MICROBES IN CONCRETE}

본 발명은 콘크리트 배합 시 미생물을 투입하는 기술에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 콘크리트에 미생물 투입 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법에 관한 것이다.

최근 경제수준이 향상됨에 따라 환경에 대한 관심이 높아지면서 콘크리트 배합에 있어서도 미생물을 활용한 친환경 콘크리트 제조에 관한 논의가 활발해지고 있다.

종래 콘크리트 배합 시 미생물 투입을 위해서는 콘크리트 배합 과정에서 배합수의 일정 부분 또는 전체를 미생물 배양액으로 대체하는 방법을 활용하여 투입하는 단순한 방법이었다. 이 방법에서는 콘크리트 배합 이후 경화 과정에서 시멘트 페이스트 수화에 따른 콘크리트 내 수분의 감소로 건조 환경이 되며 부피 팽창의 영향으로 미생물의 영양분 및 생장처가 감소하게 된다. 특히, 콘크리트는 경화 시 수화열에 의해 내부 온도가 40℃ 이상으로 되며 콘크리트의 수화생성물(Ca(OH)₂)에 의한 강알칼리성 환경(pH 11~12)은 미생물의 최적 생장환경(pH 4~9)조성에 있어 가장 큰 저해 요소가 된다. 이러한 영향으로 콘크리트 내부에서 미생물의 생장활동은 저해되고, 약 30일 이후에는 콘크리트 내부에서 미생물들은 모두 사멸하게 된다.

[선행특허문헌]

- 한국등록특허 제10-1273444호(2013.06.04.)

- 한국등록특허 제10-0481287호(2005.03.28.)

본 발명의 목적은 콘크리트 경화 이후에도 미생물의 생장 환경을 조성하기 위한 것으로서, 미생물을 콘크리트 배합 시 직접 투입하지 않고 미생물 생장환경을 조성할 수 있는 재료에 미생물을 흡착하고 그 재료를 콘크리트 배합 시 투입하여 콘크리트 내 미생물의 사멸을 방지하고, 지속적인 미생물의 자가 생장환경을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 망사눈의 크기가 100㎛~5mm 및 두께가 0.5~50mm인 망사형의 흡착 패드에 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 미생물 배양액에 침지시키는 단계를 포함하는 미생물을 이용한 콘크리트 배합 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법을 제공한다.

또한 상기 흡착 패드의 소재는 강재인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 흡착재는 팽창질석, 규조토 및 고 흡수성 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 흡착재를 이용한 미생물 흡착은 상기 미생물 배양액에 상기 미생물 배양액 100중량부에 대하여 1~30중량부 함량으로 상기 흡착재 침지 후 습도 40~80% 및 온도 5~40℃ 조건에서 1~10일간 보관하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 흡착재를 이용한 미생물 흡착은 상기 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 미생물의 배양액 중에 부유시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 흡착 패드는 상기 흡착 패드 하단에 연결된 평형추에 의해 부유되고, 상기 평형추의 무게는 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

[수학식 1]

(수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, W_L은 적재하중, W_S는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭, γ_w는 배양액의 단위용적 중량이다.)

또한 상기 미생물은 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus), 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.05~1g, 디소듐 숙시네이트(Di-sodium succinate) 0.1~5g, 구연산철 용액(Ferric citrate solution)(100㎖ 당 0.1g 포함) 2~10㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 20~100㎖를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g, 펩톤(Peptone) 1~10g, 염화나트륨 1~10g 및 세스퀴탄산나트륨 용액(Na-sesquicarbonate solution)(정제수 100㎖ 당 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 2~6g 및 무수탄산나트륨(Na₂CO₃ anhydrous) 3~7g 포함) 20~200㎖를 포함하는 배지에서 pH 8~11 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)는 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g/ℓ, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g/ℓ, 펩톤(Peptone) 1~10g/ℓ, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g/ℓ 및 한천(agar) 5~25g/ℓ를 포함하는 영양 한천 배지에서 pH 4~10 및 37~80℃ 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사-하이드레이트(Disodium succinate hexa-hydrate) 0.1~5g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~1㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 0.02~0.1g를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 미생물을 이용한 콘크리트 제조에 있어 콘크리트 경화 이후 미생물의 사멸을 방지하고 지속적인 생장환경을 조성하도록 하는 효과가 있다.

또한 미생물 투입을 위한 캡슐 기술 등 종래기술에 비해 경제적이고 다량의 미생물을 용이하면서도 실질적인 흡착이 가능하도록 하는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 흡착을 위한 흡착 패드(a)와 흡착 패드가 침지된 배양액 통(b)을 예시적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미생물이 흡착된 흡착재의 투입 후 형성되는 콘크리트의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 3은 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 흡착시킨 흡착재(팽창질석)의 흡착 성능 평가를 위한 주사전자현미경(SEM) 분석 결과를 나타낸 사진,
도 4는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 흡착시킨 흡착재(고 흡수성 수지)의 흡착 성능 평가를 위한 주사전자현미경(SEM) 분석 결과를 나타낸 사진.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명자들은 미생물을 이용한 콘크리트 제조에 있어 콘크리트 경화 이후 미생물의 사멸을 방지하고 지속적인 생장환경을 조성할 수 있는 방안에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, 소정 규격의 망사형의 흡착 패드에 흡착재를 미생물 배양액에 침지시킴으로써 콘크리트 경화 이후에도 미생물의 사멸을 방지하고 지속적인 생장환경을 조성하도록 할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

따라서 본 발명은 망사눈의 크기가 100㎛~5mm 및 두께가 0.5~50mm인 망사형의 흡착 패드에 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 미생물 배양액에 침지시키는 단계를 포함하는 미생물을 이용한 콘크리트 배합 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법을 개시한다.

본 발명에서 미생물 흡착을 위한 재료로서는 다공성의 양이온 교환능력이 우수한 소재가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 팽창질석, 규조토, 고 흡수성 수지 등이 사용될 수 있다.

미생물을 이용한 콘크리트 제조 시 미생물을 단순 투입하게 되면 콘크리트 경화 후 수분이 없기 때문에 생장이 둔화되거나 사멸하게 된다. 경화된 콘크리트 내부에서도 미생물이 생장할 수 있는 환경을 조성하기 위하여, 본 발명에서는 무수한 기공에 의한 다공질 구조(유효 수분율 40부피% 이상 및 공극률 50% 이상)를 가져 뛰어난 수분 흡수력과 보습력을 지닌 재료를 이용하여 콘크리트 투입 전에 미생물을 흡착시키도록 한다.

본 발명에 제시된 상기 미생물 흡착 재료들은 재료 표면에 존재하는 교환성 양이온(Mg² ⁺, Ca² ⁺ 등)에 의하여 유기물을 흡착하는 성질이 있어 미생물 및 미생물 생장에 필요한 유기성 영양분(배지 성분)을 흡수한다. 또한 pH가 6~9로서 미생물이 생장하기 위한 최적 환경 조성에 가장 이상적인 재료이다. 한편, 다공성의 펄라이트나 코르크 등은 양이온 교환능력이 없어 본 발명에서의 미생물 흡착재로는 바람직하지 않다.

상기 흡착재를 이용한 미생물의 흡착에는 침지 공정이 이용된다. 이 경우 미생물의 최적 흡수 효율을 위한 침지 조건에 있어서는 상기 배양된 미생물 배양액에 미생물 배양액 100중량부에 대하여 1~30중량부 함량으로 침지 후 습도 40~80% 및 온도 5~40℃ 조건에서 1~10일간 보관하여 수행되는 것이 바람직하고, 5~15중량부 함량으로 침지 후 습도 50~70% 및 온도 10~30℃ 조건에서 2~5일간 보관하여 수행되는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 흡착재는 비중이 1.0 미만으로 배양액에 침지 시 부유한다. 따라서 본 발명에서는 미생물의 효과적인 흡착 방법이 고려되며, 도 1에 미생물 흡착을 위한 흡착 패드(a)와 흡착 패드가 침지된 배양액 통(b)을 예시적으로 나타내었다.

도 1을 참조하면, 개폐형 클립(110)을 통해 흡착재를 투입 및 배출시키게 되고, 복수의 흡착 패드(120) 사용 시 연결용 강봉(130)을 이용하여 각 흡착 패드(120)를 연결하며, 흡착 패드(120)가 일정 간격을 유지하면서 부유하도록 평형추(140)가 최하단 흡착 패드(120)에 연결된다. 그 밖에 도 1에서는 타 미생물에 의한 오염을 방지하기 위한 나사식의 개폐형 뚜껑(150), 나사식 개구부(160) 및 고리형 핀(170)을 도시하고 있다.

팽창질석 등 흡착재를 넣을 수 있는 망사형 흡착 패드는 알루미늄 등의 강재를 이용하여 제작하는 것이 바람직한데, 망사의 사이즈는 사용되는 흡착재의 입도 크기를 고려하여 결정하되, 바람직하게 사용될 수 있는 흡착재 및 미생물의 종류를 고려하여 망사눈의 크기는 100㎛~5mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 0.5~50mm 범위의 것을 사용하며, 바람직하게는 망사눈의 크기는 300㎛~3mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 1~30mm 범위, 더욱 바람직하게는 망사눈의 크기는 500㎛~1mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 2~10mm 범위의 것을 사용할 수 있다.

망사형 흡착 패드의 길이 및 폭은 배양액 통의 지름에 따라 변화된다. 망사형 흡착 패드에는 흡착재의 투입과 배출을 자유롭게 할 수 있도록 개폐형 클립이 설치되고, 고정을 위하여 고리형 핀이 설치된다. 망사형 흡착 패드는 알루미늄 등의 강봉을 이용하여 서로 연결된다. 또한 망사형 흡착 패드의 최하부층에는 부유 방지를 위한 평형추를 설치하는데, 침지 깊이 설계를 위한 평형추의 무게는 하기 수학식 1로부터 결정된다.

[수학식 1]

수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, W_L은 적재하중, W_S는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭이며, γ_w는 배양액의 단위용적 중량이다. 목표 침지 깊이(d)의 설정을 위한 요소 중 고정하중(W_S)은 흡착 패드의 체적 및 비중에 따라 변화할 수 있으며, 이에 따라 적재하중(W_L)을 평형추로서 유동적으로 변화하여 목표 침지 깊이를 확보할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서 흡착재를 이용한 미생물 흡착은 망사형의 흡착 패드(120)에 흡착재를 투입한 후 흡착 패드(120)를 미생물의 배양액 중에 부유시켜 수행되도록 하여, 흡착 패드(120)에 담긴 흡착재가 배양액 수심의 중간부에서 부유하고 미생물 및 유기성 영양분(배지 성분)을 고르게 흡착하도록 할 수 있다.

상기 흡착재를 이용하여 미생물을 흡착시킨 후 미생물이 흡착된 흡착재는 통상적인 콘크리트 배합 단계에서 투입되며, 도 2에서는 미생물이 흡착된 흡착재의 투입 후 형성되는 콘크리트의 단면을 모식적으로 나타내고 있다.

도 2를 참조하면, 미생물이 흡착된 흡착재를 콘크리트(210) 배합, 즉 골재, 시멘트 및 물을 포함하는 배합물에 투입하여 수행할 경우 골재 사이에 미생물이 생장할 수 있도록 하게 되며, 이때 미생물이 흡착된 흡착재의 투입은 콘크리트의 소요 휨 강도를 확보할 수 있도록 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1~30중량부 함량으로 투입되도록 하는 것이 바람직하고, 5~20중량부 함량으로 투입되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 미생물 흡착 방법에 사용되는 미생물로서 상기 흡착재를 투입한 흡착 패드를 이용한 침지 과정에 적합한 미생물이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 콘크리트에 자기정화 및 자기생육 능력 부여가 가능한 호열성 및 호염기 미생물로서 고온의 환경(40~50℃) 및 알칼리성 환경(pH 4~10)에서 생장이 가능하며 수질정화 및 질소고정에 의한 유기농법도 가능한 종이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 분리된 미생물 중 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus), 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에서 선택된 미생물이 특정 흡착재를 투입한 흡착 패드를 이용한 침지 과정에 사용될 경우 이를 이용한 콘크리트 배합 및 경화 후 콘크리트 내에 투입된 미생물의 사멸을 방지하고 지속적인 생장환경을 조성할 수 있음을 확인하였다.

여기서, 본 발명에서는 상기 미생물의 최적 배양환경을 조성하기 위하여 특수한 배지 조성에 대해 연구한 결과를 토대로 각 미생물의 특성에 따라 접종 배양 시 효율이 우수한 최적의 배지 조성과 배양 조건을 제시한다.

구체적으로, 상기 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.05~1g, 디소듐 숙시네이트(Di-sodium succinate) 0.1~5g, 구연산철 용액(Ferric citrate solution)(100㎖ 당 0.1g 포함) 2~10㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 20~100㎖를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양되는 것이 바람직하고, 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~0.3g, 디소듐 숙시네이트(Di-sodium succinate) 0.5~2g, 구연산철 용액(Ferric citrate solution)(100㎖ 당 0.1g 포함) 3~7㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.3~0.7g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.2~0.6g, 염화나트륨(NaCl) 0.2~0.6g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.2~0.6g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 40~60㎖를 포함하는 배지에서 pH 5.5~6 조건으로 배양되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g, 펩톤(Peptone) 1~10g, 염화나트륨 1~10g 및 세스퀴탄산나트륨 용액(Na-sesquicarbonate solution)(정제수 100㎖ 당 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 2~6g 및 무수탄산나트륨(Na₂CO₃ anhydrous) 3~7g 포함) 20~200㎖를 포함하는 배지에서 pH 8~11 조건으로 배양되는 것이 바람직하고, 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~2g, 효모 추출물(Yeast extract) 1~3g, 펩톤(Peptone) 3~7g, 염화나트륨 3~7g 및 세스퀴탄산나트륨 용액(Na-sesquicarbonate solution)(정제수 100㎖ 당 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 2~6g 및 무수탄산나트륨(Na₂CO₃ anhydrous) 3~7g 포함) 80~120㎖를 포함하는 배지에서 pH 9~10 조건으로 배양되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)는 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g/ℓ, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g/ℓ, 펩톤(Peptone) 1~10g/ℓ, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g/ℓ 및 한천(agar) 5~25g/ℓ를 포함하는 영양 한천 배지에서 pH 4~10 및 37~80℃ 조건으로 배양된 것이 바람직하고, 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~2g/ℓ, 효모 추출물(Yeast extract) 1~3g/ℓ, 펩톤(Peptone) 3~7g/ℓ, 염화나트륨(Sodium chloride) 3~7g/ℓ 및 한천(agar) 10~20g/ℓ를 포함하는 영양 한천 배지에서 pH 5~9 및 40~60℃ 조건으로 배양된 것이 더욱 바람직하다.

또한 광합성계 박테리아인 상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사-하이드레이트(Disodium succinate hexa-hydrate) 0.1~5g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~1㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 0.02~0.1g를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양된 것이 바람직하고, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~2g, 디소듐 숙시네이트 헥사-하이드레이트(Disodium succinate hexa-hydrate) 0.5~2g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.3~0.7㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.5~1.5㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.3~0.7g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.2~0.6g, 염화나트륨(NaCl) 0.2~0.6g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.2~0.6g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 0.03~0.07g를 포함하는 배지에서 pH 5.5~6.5 조건으로 배양된 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양된 것이 바람직하고, 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 3~7g, 효모 추출물(Yeast extract) 1~2g, 염화나트륨(Sodium chloride) 3~7g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 1~2g을 포함하는 배지에서 pH 6~8 조건으로 배양된 것이 더욱 바람직하다.

상기 미생물에 대해서는 각 배지에 접종 후 상기 배양 조건의 인큐베이터에서 3~12일간 배양이 수행되도록 할 수 있으며, 바람직하게는 5~9일간 배양이 수행되도록 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 미생물 생장처로 활용되는 다공성 재료와 흡착 패드 및 특정 조성의 배양액을 통해 기존 콘크리트 배합 시 미생물 적용 방법의 심각한 문제점인 미생물 사멸 문제를 해결할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

미생물 분리 및 배양

경기도 여주 소재 나대지 토양에서 채취된 시료 50g을 멸균 증류수 400㎖에 넣고 교반한 후 10㎖를 취하여 TSA 배지(트립톤 15g, 소이톤 5g, 염화나트륨 5g 및 아가 15g을 증류수 1ℓ에 녹여 pH 7로 조정한 후 120℃에서 15분간 오토클레이브 멸균 처리하고 60℃로 냉각 후 멸균된 배양 접시에 분주하여 사용)에 가하고 도말법으로 접종하였다. 접종한 미생물을 16S rDNA 염기서열 분석법으로 분리하고 동정하였으며, 동정된 미생물은 각각 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus), 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)인 것을 확인하였다.

상기 분리된 미생물 각각에 대해 다양한 조성의 배지를 이용하여 배양을 수행하였으며, 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus)의 경우 각각 하기 표 1(pH 5.5~6.0, 27s media) 및 표 2(pH 9.7, Nutrient Broth)에 나타낸 배지 조성 및 배양 조건에서 가장 우수한 증식을 보였고, 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)의 경우 하기 표 3(pH 6)에 나타낸 배지 조성 및 배양 조건에서 가장 우수한 증식을 보였고, 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)의 경우 하기 표 4(pH 6)에 나타낸 배지 조성 및 배양 조건에서 가장 우수한 증식을 보였고, 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 경우 하기 표 5(pH 6)에 나타낸 배지 조성 및 배양 조건에서 가장 우수한 증식을 보여, 이후 실험에서는 상기 조건에서 배양된 미생물 배양액을 사용하였다.

composition
Yeast extract	1g
Disodium succinate hexa - dydrate	1g
Absolute ethanol	0.5ml
Ferric citrate solution (0.5%(w/v))	1ml
KH2PO4	0.5g
MgSO ₄ · 7 H ₂ O	0.4g
NaCl	0.4g
NH ₄ Cl	0.4g
CaCl ₂ · 2 H ₂ O	0.05g
Trace element solution( SL -6, see below)	1ml
Distilled water	1L
Trace element solution
ZnSO ₄ · 7 H ₂ O	0.1g
MnCl ₂ · 4 H ₂ O	30mg
H ₃ BO ₃	0.3g
CoCl ₂ · 6 H ₂ O	0.2g
NiCl ₂ · 6 H ₂ O	20mg
CuCl ₂ · 2 H ₂ O	10mg
Na ₂ MoO ₄ · 2 H ₂ O	30mg
Distilled water	1L

Composition
Peptic digest of animal tissue	5g
Yeast Extract	1.5g
Sodium Chloeide	5g
Beef extract	1.5g
Distilled water	1L

미생물이 흡착된 흡착재 제조

로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)의 경우 도 1을 참조하여, 배양액 통에 상기 각 제조된 미생물 배양액을 농도(10³cell/㎖, 10⁵cell/㎖ 및 10⁹cell/㎖)별로 넣고, 각 미생물 배양액 100중량에 대하여 10중량부 함량의 팽창질석을 흡착 패드(망사눈의 크기 700×700㎛, 패드 두께 5mm, 5단 연결)에 투입하고 배양액 통에 침지 및 부유(평형추 무게는 상기 수학식 1에 따라 결정)시킨 후 뚜껑을 닫아 습도 60% 및 온도 20℃의 환경에서 72시간 동안 보관하였다. 이후, 배양액 통으로부터 흡착 패드를 꺼내어 개폐형 클립을 통해 미생물이 흡착된 흡착재를 회수하였다.

또한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 경우 도 1을 참조하여, 배양액 통에 상기 각 제조된 미생물 배양액을 10⁵cell/㎖ 농도로 넣고, 각 미생물 배양액 100중량에 대하여 10중량부 함량의 팽창질석 및 고 흡수성 수지(파우더 타입, 로도박터 캡슐라투스에 한함)을 흡착 패드(망사눈의 크기 700×700㎛, 패드 두께 5mm, 5단 연결)에 투입하고 배양액 통에 침지 및 부유(평형추 무게는 상기 수학식 1에 따라 결정)시킨 후 뚜껑을 닫아 습도 60% 및 온도 20℃의 환경에서 72시간 동안 보관하였다. 이후, 배양액 통으로부터 흡착 패드를 꺼내어 개폐형 클립을 통해 미생물이 흡착된 흡착재를 회수하였다.

이때 상기 미생물이 흡착된 흡착재 제조 시 흡착패드의 평균 침지 깊이(d)는 적재하중(W_L) 10kg(5kg 평형추 2개), 고정하중(W_S) 10kg(2kg 흡착패드 5개), 흡착패드 크기(L×B = 0.3m×0.3m), 배양액의 단위용적 중량(γ_w) 1,000kg/㎥으로부터 약 0.22m로 결정하였다.

상기 제조된 미생물이 흡착된 흡착재 중 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 흡착시킨 흡착재의 흡착 성능을 평가하기 위해 주사전자현미경(SEM) 분석 결과를 도 3(팽창질석 사용) 및 도 4(고 흡수성 수지 사용, 내부 및 표면 구조형상 관찰)에 나타내었다. 도 3에서는 비교를 위해 미생물을 사용하지 않은 경우에 대한 결과를 함께 나타내었다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 미생물의 양호한 흡착 상태(원 부분 참조)를 보이는 것을 알 수 있다.

시멘트 모르타르 표준 배합 시험

상기 제조된 흡착재 중 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)를 사용한 경우에 대하여 시멘트 모르타르 표준 배합(시멘트:모래 중량비 1:1)에서 모래 부피 대비 0%(control), 5%, 7.5% 및 10% 치환하여 모르타르 제조 후 시간 경과에 따라 압축강도 및 pH를 측정하였다. 사용 미생물별로 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus)의 경우 하기 표 6 및 표 7에, 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus)의 경우 하기 표 8 및 표 9에, 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus)의 경우 하기 표 10 및 표 11에, 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)의 경우 하기 표 12 및 표 13에 그 결과를 나타내었다.

상기 표 6 내지 표 13을 참조하면, 본 발명에 따른 미생물을 활용하여 제조된 모르타르 배합에서는 배양액 농도에 관계 없이 pH 10 이하 수준으로 해당 미생물이 지속적으로 생장할 수 있는 환경이나, 상기 미생물이 사용되지 않을 경우(control) pH 11 이상으로 해당 미생물의 생장이 저해되거나 사멸될 수 있음을 확인할 수 있다.

한편, 모르타르의 압축강도 측면에서는 흡착재를 10부피% 수준으로 치환할 경우 다소 저하될 수 있으므로, 흡착재의 사용 시 적정 함량 수준을 유지할 필요가 있다.

미생물 흡착재 투입을 통한 콘크리트 구체 제조

약 5~25mm 크기의 굵은골재 100중량부에 대하여 보통 포틀랜드 시멘트 100중량부, 물 30중량부 및 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus)(10⁵cell/㎖) 및 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus))(10⁵cell/㎖)이 흡착된 흡착재 각 10중량부를 배합하고, 배합된 배합물을 성형틀에 투입 및 양생하여 콘크리트 구체를 성형하였다.(제조예 1 및 2)

한편, 비교를 위해 상기 제조예 1 및 2에서 각각 미생물을 흡착시키지 않고 미생물 배양액을 그대로 투입한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 콘크리트 구체를 제조하였다(비교제조예 1 및 2).

콘크리트 구체의 자기정화 능력 평가

상기 제조된 콘크리트 구체의 자기정화 능력을 평가하기 위해 축산폐수처리장(여주 소재)에서 얻은 폐수를 원수로 하여 수질정화 능력을 측정하였다. 본 실험의 폐수 처리에 이용되는 반응조 형태는 유량이 없고 반응조 내의 액체를 완전 혼합하는 방식인 회분식 반응조를 사용하였다. 수질정화 실험용 수조는 25ℓ 용량의 아크릴 수조를 사용하였으며, 반응조의 수량은 20ℓ로 조절하고 펌프를 사용하여 물을 순환시켰다. 6개의 반응조를 준비하고, 각 반응조에 제조예 1 및 2, 비교제조예 1 및 2의 콘크리트 구체를 수조에 넣고 수질정화 능력을 측정하였다. 측정은 2주간 4회 실시되었으며, 화학적 산소 요구량(COD)은 reactor digestion(HS-2300Plus), 생물학적 산소 요구량(BOD)은 BOD 센서 시스템, 총 질소(T-N)는 크로모트로핀산(chromotropic acid)(HS-2300Plus), 총 인(TP)은 몰리브도 바나데이트(molybdo vanadate)(HS-2300Plus)를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 14 내지 표 17에 각각 나타내었다.

표 14 내지 표 17을 참조하면, 상기 제조예에 따른 콘크리트 구체는 미생물을 흡착시키지 않고 제조된 콘크리트 구체에 비해 화학적 산소 요구량(COD), 생물학적 산소 요구량(BOD), 총 질소(T-N) 및 총 인(TP)의 제거 효율이 월등히 우수한 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

110: 개폐형 클립 120: 흡착 패드
130: 연결용 강봉 140: 평형추
150: 개폐형 뚜껑 160: 나사식 개구부
170: 고리형 핀 210: 콘크리트 구체

Claims

망사눈의 크기가 100㎛~5mm 및 두께가 0.5~50mm인 망사형의 흡착 패드에 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 미생물 배양액에 침지시키는 단계를 포함하는 미생물을 이용한 콘크리트 배합 시 미생물 생장환경 조성을 위한 미생물 흡착 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착 패드의 소재는 강재인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착재는 팽창질석, 규조토 및 고 흡수성 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착재를 이용한 미생물 흡착은 상기 미생물 배양액에 상기 미생물 배양액 100중량부에 대하여 1~30중량부 함량으로 상기 흡착재 침지 후 습도 40~80% 및 온도 5~40℃ 조건에서 1~10일간 보관하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착재를 이용한 미생물 흡착은 상기 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 미생물의 배양액 중에 부유시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 흡착 패드는 상기 흡착 패드 하단에 연결된 평형추에 의해 부유되고, 상기 평형추의 무게는 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
[수학식 1]

(수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, W_L은 적재하중, W_S는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭, γ_w는 배양액의 단위용적 중량이다.)
제1항에 있어서,
상기 미생물은 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus), 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus), 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus), 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus), 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 로도블라스터스 아시도필러스(Rhodoblastus acidophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.05~1g, 디소듐 숙시네이트(Di-sodium succinate) 0.1~5g, 구연산철 용액(Ferric citrate solution)(100㎖ 당 0.1g 포함) 2~10㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 20~100㎖를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 바실러스 알칼로필러스(Bacillus alcalophilus)는 정제수 1ℓ 기준으로 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g, 펩톤(Peptone) 1~10g, 염화나트륨 1~10g 및 세스퀴탄산나트륨 용액(Na-sesquicarbonate solution)(정제수 100㎖ 당 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 2~6g 및 무수탄산나트륨(Na₂CO₃ anhydrous) 3~7g 포함) 20~200㎖를 포함하는 배지에서 pH 8~11 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 지오바실러스 칼도실로실리티쿠스(Geobacillus caldoxylosilyticus) 및 아네우리니바실러스 써모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus)는 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~5g/ℓ, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~5g/ℓ, 펩톤(Peptone) 1~10g/ℓ, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g/ℓ 및 한천(agar) 5~25g/ℓ를 포함하는 영양 한천 배지에서 pH 4~10 및 37~80℃ 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)는 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사-하이드레이트(Disodium succinate hexa-hydrate) 0.1~5g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~1㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.1~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO₄.7H₂O) 0.1~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~1g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.1~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl₂.2H₂O) 0.02~0.1g를 포함하는 배지에서 pH 5~7 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법.