KR20210050926A

KR20210050926A - 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20210050926A
Application number: KR1020190135523A
Authority: KR
Inventors: 전종록; 윤호영; 김태현; 안형재; 이윤기; 신승구
Original assignee: 경상국립대학교산학협력단; 경남과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-05-10
Also published as: KR102375221B1

Abstract

본 발명은 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균류 표면에 대해 비교적 간단한 방식인 할로이사이트 나노입자 도핑(doping)을 통해 우수한 수준의 상하수도 및 각종 산업폐수의 정화능력(중금속, 염료 등의 제거효율 등)과 처리 및 사용 효율성 등을 갖춘 균류-할로이사이트 복합 구조에 기반한 고도 수처리 필터 여재에 관한 것이다.

Description

할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법{FUNGAL PELLETS AGAINST INDISCRIMINATE HYPHA GROWTH THROUGH SURFACE TREATMENT USING HALLOYSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 생물학적 수처리제에 관한에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 방식으로 친환경 할로이사이트를 균류 표면에 도핑하여 균사 생장을 효과적으로 억제하고 장시간 펠릿 구조를 유지함으로써 곰팡이 대사반응을 수처리에 활용할 수 있는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

대한민국의 물 산업은 세계 8위 규모, 약 12.6조원 정도로 이 중 85% 정도를 상하수도 시장이 차지하고 있다. 국내 물 산업은 국내 수자원 공급 능력 부족, 정부 지원, 중국 물 산업 성장 수혜 등의 이유로 지속 성장할 것으로 예상된다. 수자원 인프라의 건설 및 시공, 상하수도, 해수담수화, 먹는 샘물 등은 선진국과 경쟁 가능한 수준이나, 멤브레인 등 핵심부품 소재분야에서 기술력 차이, 운영관리 경험 부족 투자자금 조달 및 운용능력 등은 미비한 실정이다.

하폐수 처리 시장은 유기 물질 제거 위주에서 독성 관리와 난분해성 물질의 최적 처리까지 포괄하는 고도 처리와 고도 재이용 시장으로 발전하고 있다. 국내 하수처리시설의 에너지 자립화를 위해 환경부는 2030년까지 에너지 이용/생산 사업 투자를 지속 확대할 계획이며, 하폐수 슬러지를 포함한 음식물폐기물, 가축분뇨 등 유기성폐기물 자원화분야에 2009 ~ 2020 년간 9,745억 원이 투자될 예정으로 연평균 830 억원의 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.

국내 하수시장의 경우 `13년 30억$ 시장이 `18년 38억$ 규모로 큰 폭 성장할 것으로 전망되고 있다. 국내 수처리 설비분야 시장규모는 환경문제에 대한 사회인식 확대로 연평균 12.5% 의 지속적인 성장세가 예견되고 있다.

하수처리율을 높이기 위한 하수처리 시설 및 관망 정비 부분에 연 5% 이상의 투자 증가가 예상되며, 하수처리 분야는 민간 기업의 참여가 높다는 점에서 상수처리 시장보다 성장 여력이 크다. 고농도 폐수처리분야의 경우 대기업들이 참여하지 않는 틈새 시장으로 소도시 및 농촌 등을 위한 소형하수처리장의 건설 요구에 따라 향후에도 안정적 성장이 전망된다.

하수처리장 운영 및 관리에 대한 시장은 `13년 42억$에서 `18년 50억$ 규모로 성장할 것으로 예상되고 있으며 특히 산업용 폐수시장이 높은 성장률이 전망된다. 산업용 폐수는 오염도가 높은 상대적으로 전문적인 기술이 요구되는 분야로, 수처리 비용은 고도의 기술이 요구되는 용/폐수 처리가 일반 폐수 대비 약 2~3배 비용이 소요된다(톤당 평균 수처리 비용: 용/폐수 산업 1,600~2,000원, 일반 폐수 산업 600원).

축산폐수는 대표적인 비점오염원 중 하나로 고농도 유기물(COD 기준 10,000 mg/L 내외)과 영얌염류(N, P), 난분해성 물질을 포함하여 수처리의 고도화가 필요하며, 현재는 퇴비화, 액비화, 호기성처리, 혐기성처리 등의 기술이 적용되고 있다(톤당 평균 수처리 비용 : 3,000~27,000원).

도시화와 산업화에 따른 수질 악화, 난분해성 폐수의 증가, 환경규제 강화 및 생활수준 향상 등으로 환경친화적인 수처리기술의 필요성이 증가하고 있는 추세다. 경제성이 확보된 고도 정수를 위해 흡착법이 이용될 수 있으며, 최근 무기 소재가 가지고 있는 우수한 내열성, 내약품성, 내유기용매성으로 인해 여재로서의 세라믹 담체에 대한 중요성이 강조되고 있다.

대표적인 세라믹담체인 활성탄은 탄소로 이루어진 다공성의 물질로, 비표면적이 커서(>1,000 m²/g) 흡착 용량이 우수하다. 특히 분자량이 작은 유기화합물에 대한 흡착 능력이 뛰어나, 전국 21개 정수장 기준 17개소에서 활성탄(세라믹 담체)을 이용한 고도 정수에 주로 적용되고 있다(미량 유기오염물질 (TOC/DOC)제거, 산화부산물질, 농약류, 암모니아 제거 등).

활성탄은 야자계, 석탄계가 주종을 이루고 있으며(활성탄 공급업체: 삼천리 유니온 카본, 한일 그린텍, 신광화학, 한국안트라사이트), 입상 또는 분말 타입으로 주로 사용된다. 특히 하폐수 고도처리를 위해서는 분말에 비해 흡착속도가 느리지만 물과 분리가 쉽고 재생을 고려하여 취급이 용이한 입상(Granule)이 주로 사용되고 있다.

다만, 국내 활성탄 산업은 열악한 원료수급 여건 등으로 인해 제조사업 기반이 취약하여 대부분의 물량을 수입에 의존(전체 물량의 70% 이상)하고 있어 무역적자 금액이 꾸준히 증가되고 있다('18년 기준 수입금액 117 million, 성장률 7.7%).

또한, 중국 환경규제와 동남아 원료부족 이슈에 따른 수급 차질과 지속적인 수입단가의 상승 등에 따른 리스크를 해소하고 안정적으로 수처리제를 확보하기 위해서는 활성탄 대체를 위한 연구가 필요한 실정이다.

국내에서는 이러한 연구의 일환으로 각종 세라믹 물질들에 대한 기술개발이 이루어지고 있으며, 선행기술로는 KR 제10-1470432호(투수성 유기점토 판넬 제조방법 및 이를 이용한 폐수정화시스템), KR 제10-1485861호(수처리용 세라믹볼), KR 제10-0614740호(수질정화용 활성탄 세라믹 및 그 제조방법), KR 제10-0926732호(중금속 제거용 제올라이트의 제조방법 및 그에 따라 제조된제올라이트) 등이 있다.

한편, 균류(곰팡이)는 세균과 다르게 비특이적 산화 반응을 수행할 수 있기 때문에 기질 특이성이 다소 넓으며 이러한 특성으로 인해 다양한 오염 물질의 분해가 가능하다. 세균의 이화 작용은 에너지 생산 및 세포 생장과 밀접하게 연결되어 있기 때문에 저농도 또는 에너지 생산이 어려운 산화된 형태의 탄소원을 거의 활용하지 못하나 균류의 경우 이러한 단점을 손쉽게 극복할 수 있다.

균류의 경우 다양한 비특이적 산화 효소를 외부로 방출하여 세포 내외부에서 이화 작용을 동시에 유도할 수 있으며 특히 펜톤 유사 반응을 세포 외부에서 수행할 수 있어 생물학적 고도산화 반응을 유도할 수 있다.

상당수의 균류는 다세포 생명체로 균사 구조로 이루어져 있어 세포 내부로 유입된 오염 물질을 세포간 이동을 통해 장거리 이동을 수행할 수 있다. 균류의 오염 물질 대사 장점에도 불구하고 균사 구조 제어의 어려움으로 인해 세균에 비해 폐수 처리에서 거의 실용적으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.

박테리아에 비해 탁월한 대사 능력을 보유하고 있음에도 곰팡이는 수처리에 효과적으로 활용되지 못하고 있는데 이는 곰팡이 균사의 무분별한 생장 때문이다. 무분별한 곰팡이 균사 생장은 용액을 겔화시키고 각종 설비에 달라붙어 작동을 방해하기 때문에 제한된 균사 성장을 유도하는 것이 곰팡이 수처리 적용에 필수적으로 요구된다.

국내 수처리 기술에서 균류를 실질적으로 적용한 사례는 거의 찾아볼 수 없으며 이는 균류의 균사 구조가 수처리 설비에 악영향을 주고 균류의 효과적인 생장을 위해 다량의 산소가 필요하기 때문으로 보인다. 또한 균사 생장을 조절하기 위해 균류 고정화를 적용하더라도 고분자 물질을 사용할 경우 결국에 분해되며 장기 지속성이 떨어지게 된다. 또한 가격이 비싼 고분자 물질을 이용한 경우 대용량 제조가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 국내 현재 균류 기반의 수처리 시장의 규모는 아직 상용화가 거의 이루어지지 못한 수준으로 파악되고 있다.

KR 제10-1470432호(투수성 유기점토 판넬 제조방법 및 이를 이용한 폐수정화시스템) KR 제10-1485861호(수처리용 세라믹볼) KR 제10-0614740호(수질정화용 활성탄 세라믹 및 그 제조방법) KR 제10-0926732호(중금속 제거용 제올라이트의 제조방법 및 그에 따라 제조된 제올라이트)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 균류 표면에 대해 비교적 간단한 방식인 할로이사이트 나노입자 도핑(doping)을 통해 우수한 수준의 상하수도 및 각종 산업폐수의 정화능력(중금속, 염료 등의 제거효율 등)과 처리 및 사용 효율성 등을 갖춘 균류-할로이사이트 복합 구조에 기반한 고도 수처리 필터 여재를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 명세서 전반의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으나 명시적으로 언급되지 않은 다른 기술적 과제들 역시 포함된다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체의 제조방법에 있어서, (a) 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체를 준비하는 단계; 및 (b) 할로이사이트 분말 현탁액에 상기 균류 구조체를 침지시켜 상기 균류 구조체 표면과 내부에 상기 할로이사이트 입자를 도핑(doping)시키는 단계;를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법을 제공한다.

상기 (a) 단계는 균류를 배지에 접종하고 배양하여 펠릿 구조를 형성시켜 균류 구조체를 준비하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 균류는 아스페르길루스(Aspergillus) 속에 속하는 곰팡이균일 수 있으며 토양에서 유래된 유기물인 휴믹산(humic acid)으로부터 추출된 진균(fungus)일 수 있다.

상기 (a) 단계는 균류를 소정 크기의 영역을 구분시키는 격벽이 다수 형성되어 있는 용기에 담긴 배지에 접종하고 배양하여 펠릿 구조를 형성시켜 균류 구조체를 준비하는 단계일 수 있다.

또한 상기 (b) 단계는 할로이사이트 분말 현탁액에 균류 구조체를 침지시킨 후 소정 기간 동안 쉐이킹(shaking) 하여 상기 현탁액 내 분산되어 있는 할로이사이트 나노입자를 상기 균류 구조체 내부에 도핑시키는 단계일 수 있다.

바람직하게는 상기 (b) 단계 이후에 (c) 도핑이 완료된 상기 균류 구조체를 추가 배양하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체에 있어서, 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체; 및 상기 균류 구조체를 이루는 균사의 표면과 내부에 분산되어 도핑(doping)된 할로이사이트 나노입자;를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체를 제공한다.

이때, 상기 균류는 아스페르길루스(Aspergillus) 속에 속하는 곰팡이균일 수 있으며, 토양에서 유래된 유기물인 휴믹산(humic acid)으로부터 추출된 진균(fungus)일 수 있다.

상기 도핑된 할로이사이트 나노입자는 세로가 긴 나노튜브(tube)의 형태를 띠며 세로 길이는 마이크로 미터 스케일이고 가로 길이는 나노미터 스케일인 것이 바람직하다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다수의 상기 표면처리된 균류 펠릿 구조체가 여과재(media)로 충진된 수처리용 필터를 제공한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법은 간단한 방식으로 친환경 할로이사이트를 곰팡이(균류) 표면에 도핑하여 균사 생장을 효과적으로 억제하고 장시간 펠릿 구조를 유지시킴으로써 겔화현상이나 수처리 설비의 작동을 방해하는 현상을 억제할 수 있어 균류의 비특이적 대사반응을 효과적으로 수처리에 적용할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 명세서 전반의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으나 명시적으로 언급되지 않은 다른 효과들 역시 포함된다.

도 1은 균류(곰팡이) 균사 구조 표면과 내부에 할로이사이트 나노입자가 도핑된 형태를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 곰팡이 펠릿 도핑에 사용된 할로이사이트 나노입자(나노튜브)에 대한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 도핑이 이루어진 곰팡이 펠릿(좌)과 도핑된 곰팡이 펠릿(우)에 대한 비교 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 도핑이 이루어진 곰팡이 펠릿(control)과 도핑된 곰팡이 펠릿(Doping)에 대한 통수량 측정 실험 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 탈착 처리 실험에서 사용된 4가지 용매의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 탈착 처리 실험 결과 사진이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체의 제조방법에 있어서, (a) 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체를 준비하는 단계; 및 (b) 할로이사이트 분말 현탁액에 상기 균류 구조체를 침지시켜 상기 균류 구조체 표면과 내부에 상기 할로이사이트 입자를 도핑(doping)시키는 단계;를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법을 제공한다.

본 발명은 카올린(kaolin)군 광물로서 카올리나이트(kaolinite)와 유사한 결정구조와 화학성분을 가지면서 층간에 물 분자가 존재하는 할로이사이트(halloysite)와 더불어, 엽록소를 가지지 않고 다른 유기물에 기생하면서 포자로 번식하는 하등동물, 세균류, 점균류, 버섯류, 곰팡이류 등을 포괄하는 균류(fungi)를 핵심 구성요소로 하며, 이 들이 유기적으로 결합된 복합체를 제안한다.

할로이사이트는 수처리용 흡착제로 널리 사용되고 있는 활성탄 대비 중량 당 약 1/10 수준의 저단가로 경제성이 높으면서도 기존 광물 대비 우수한 중금속(Cu, Zn, Cr 등)에 대한 흡착능을 지니고 있다. 또한, 도 2와 같이 전자현미경으로 관찰하면 나노튜브의 형상을 띠고 있으며 양/음전하 표면을 동시에 보유하여 염료 흡착능 역시 우수하다. 활성탄과 달리 탄화 혹은 활성화 작업이 요구되지 않으며 역세척이나 재생 공정에도 구조가 안정적이다.

한편, 곰팡이와 버섯 등을 포함하는 균류는 박테리아와와 완전히 다른 대사 시스템을 보유하고 있으며 비특이적 산화(세포내 대사(Monoxygenase), 외부 분비효소(Laccase, Peroxidase) 등) 또는 고도 산화를 수행하면서 박테리아가 분해하지 못하는 난분해성 오염물질의 처리가 가능하다. 통상 균사(hyphae) 구조를 보이고 있어 넓은 표면적을 확보하여 세포 내 오염물질의 이동이나 매크로 구조 성형성에 유리한 강점을 보유하고 있다.

그러나 균류의 뛰어난 대사 능력과 넓은 흡착 사이트에도 불구하고 균사 구조 제어의 어려움으로 인해 하폐수 처리에 실용적으로 활용되지 못하고 있다. 예를 들어 균류를 수조나 반응기에서 배양하거나 처리하면 시간이 경과됨에 따라 균사체가 무분별하게 자라나게 되면서 수조나 반응기의 기계적인 결함을 야기시키고 원활한 유입수의 흐름을 저해하게 된다.

이에 따라 균류를 수처리 분야에서 상용화하기 위해 균사 구조 제어를 위한 고정화 소재 개발 시도(천연고분자(알지네이트 등), 합성고분자(나일론 등), 금속섬유(철섬유 등))가 있었으나 곰팡이(균류)의 고도산화에 따른 부식가능성에 노출되어 있으며 장기 운용이 불가하고 표면적이 제한적이며 부가적인 시너지 효과가 없다는 점에서 활용도가 낮았다.

본 발명은 기존 지지체 대비 반영구적인 내구성을 보유하면서도 오염물질에 대한 부가적인 흡착 능력을 보유하고 우수한 균류 부착성을 토대로 계층구조 성형이 가능한 세라믹 입자인 할로이사이트를 도입하였다. 할로이사이트-균류 복합구조의 형성 방식은 다양한 시도가 가능하며 본 발명에서는 단순하고 쉬우면서도 높은 기능성을 유도할 수 있는 '도핑(doping)' 방식을 채택하고 있다.

본 명세서 전체에서 사용되는 "도핑(doping)"란 용어는 도 1에 도시된 바와 같이 할로이사이트 입자들이 균류 구조체의 균사 곳곳에 광범위하게 분포된 형태를 의미하며, 침지(dipping)된 상태에서 입자들이 균사구조 내부로 도입되는 방식이기 때문에 균사 구조체의 표면부에 주로 위치하게 되나 구조 내부 공간에도 분산된 형태로 삽입 배치되는 입자들도 존재하는 형태이다. 도핑이란 물리화학적인 공정을 거쳐 입자 성분을 피가공물의 표면과 내부 영역으로 도입시킨 것을 의미하며 구체적인 농도 분포, 도입 방식, 분포 형태 등은 특별히 제한하지 않는다.

본 발명에서는 균사 구조의 무분별한 생장을 제어하기 위해 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체를 준비한 후 할로이사이트 나노 분말 현탁액에 침지시켜 균류 구조체 표면과 내부에 할로이사이트 나노입자를 도핑시키는 과정을 제시하고 있다. 다만, 두 과정의 선후를 특별히 제한하지 않으며 하나의 공정에서 균류 구조체의 펠릿화와 할로이사이트의 도핑이 동시에 이루어지거나 엄밀하게는 도핑이 이루어진 이후에 펠릿화가 수행된다고 하더라도 본 발명이 목적하는 기술적 과제와 효과를 얻게 된다면 무방하다고 할 것이다.

펠릿(pellet) 형태라 함은 물리적인 경계가 있고 일정한 형상을 띠는 것으로 액체와 점성이 매우 낮은 겔(gel)과 같은 무정형의 물체가 아닌 것을 의미하며 구형이나 블록형태 등과 같은 특정한 형상을 지칭하는 것은 아니다.

펠릿화가 용이하게 수행되는 균류의 경우에는 배지에 접종하고 배양하면서 자연스럽게 펠릿 구조를 형성시킬 수 있으며 대표적으로 아스페르길루스 푸미가투스(Aspergillus fumigatus)와 같은 아스페르길루스(Aspergillus) 속에 속하는 곰팡이균 이거나 토양에서 유래된 유기물인 휴믹산(humic acid)으로부터 추출된 진균일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

반면 배양과정에서 자연적으로 일정한 형상을 띠지 않는 균류의 경우에는 소정 크기의 영역을 구분시키는 격벽이 다수 형성된 분활 용기에 담긴 배지에 접종하고 배양함으로써 펠릿화를 수행할 수 있다. 이러한 과정으로 균류의 펠릿화를 진행할 경우 사용할 균류 선택의 폭이 넓어질 수 있다.

본 발명의 도핑 과정은 매우 간단한 과정으로 이루어져 있어 상용화에 매우 유리한 특성을 가진다. 할로이사이트 나노 분말이 포함된 현탁액에 균류 구조체를 침지(dipping) 시킨 후 소정 기간 동안 용기를 쉐이킹(shaking) 함으로써 현탁액에 분산되어 있는 나노입자가 균류 구조체 표면에 달라 붙고 내부로 도입되도록 유도하는 과정이 본 발명의 도핑 과정이다.

이러한 할로이사이트 나노입자 도핑은 균류 구조체의 펠릿 구조를 그대로 유지시키고 무분별한 균사 생장을 억제함으로써 펠릿 구조를 장시간 효과적으로 유지 시킬 수 있다. 따라서 수처리에 활용할 경우 장시간 유속 및 처리 설비에 악영향을 주지 않고 균류의 대사 반응을 유도할 수 있을 것이다.

도핑이 완료된 균류 구조체는 추가적인 배양을 통해 입자를 균사 표면과 내부에 견고히 고정할 수 있다.

본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체에 있어서, 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체; 및 상기 균류 구조체를 이루는 균사의 표면과 내부에 분산되어 도핑(doping)된 할로이사이트 나노입자;를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체를 제공한다.

앞서 언급한 제조방법과 대응되는 물질(균류 펠릿 구조체)이나 위에서의 제조방법에 따라 제조된 물질로 제한되지 않으며 이러한 성분과 형태를 지니도록 하는 다양한 방법으로 제조될 수 있다.

본 발명의 균류 펠릿 구조체는 펠릿 형태의 균류 구조체와 이의 표면과 내부에 분산된 형태로 도핑되어 있는 할로이사이트 나노입자로 구성될 수 있으며, 도핑된 할로이사이트 나노입자는 도 2에 도시된 바와 같이 세로가 긴 나노튜브(nanotube) 형태를 띠는 입자이다. 세로 길이는 수십 마이크로미터(㎛)까지 가능하며 가로 길이는 200 나노미터(㎚) 이하까지 가능하다. 가로 길이가 200 나노미터를 초과할 경우에는 균류 구조체 표면과 내부로의 원활한 도핑과 도핑된 상태에서 나노입자 자체의 고유 특성(중금속 흡착능 등) 발휘가 다소 제한될 수 있다.

또한 본 발명은 위에서 언급한 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 다수가 여과재(media)로 충진된 형태의 수처리용 필터를 제공한다. 본 발명의 수처리용 힐터는 생활하수, 염료/축산 폐수 등 산업폐수 등의 처리나 상하수도 고도정수처리 등에 활용될 수 있다. 구체적으로는 본 발명의 균류-할로이사이트 복합 여과재를 통해 다양한 중금속(Cr, Cu, Zn 등)과 염료(MB, RBBR 등) 등을 효과적으로 제거하고 방출수를 법정 기준의 처리 수질로 정화할 수 있는 필터로서 역할이 가능하다.

이하 본 발명의 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 및 그 제조방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

실험체 제조

Aspergillus fumigatus를 감자추출배지(Potato dextrose broth)에 접종하고 약 1주일간 30℃, 180rpm 조건 하 진탕 배양기에서 배양하여 펠릿 구조를 확보하였다. 이후, 동일 개수의 곰팡이 펠릿을 할로이사이트 현탁액(30mg의 할로이사이트 나노 분말과 증류수 30mL의 혼합액)에 넣고 약 24시간 동안 롤러(60 rpm)로 쉐이킹(shaking)하여 도핑시켰다.

도핑이 완료되면 펠릿을 꺼내 증류수로 충분히 세척한 후 6-well plate에 펠릿을 옮기고 감자추출배지를 2mL을 넣어준 후 25℃ 배양기에서 쉐이킹 없이 약 3주간 배양하였다.

사용된 할로이사이트 나노 분말은 구매한 제품으로 원광을 채취 후 분쇄한 후 수비공정, 즉 수계환경에서 할로이사이트 분말의 사이즈별 침강 속도 차이를 통해 미세 나노 분말을 90% 순도로 확보한 제품이다. Aspergillus fumigatus는 휴믹산에서 분리한 미생물이다.

겔화 실험

도 3에 도시된 바와 같이 나노사이즈의 할로이사이트 분말을 펠릿(pellet) 형태의 곰팡이 표면에 도핑한 후 균사 생장 패턴을 관찰한 결과, 도핑하지 않은 곰팡이(좌측)는 무분별한 균사 생장이 일어나 겔화가 진행되어 개별적인 펠릿의 분리가 어려웠으나, 할로이사이트 분말로 도핑된 경우(우측) 균사 생장이 억제되어 펠릿 구조가 그대로 유지되어 펠릿이 하나하나 분리되는 것을 관찰할 수 있었다.

통수량 측정실험

도핑하지 않은 곰팡이(Control)와 할로이사이트 분말로 도핑된 곰팡이(Doping)의 겔화 정도를 대조하기 위해 동일한 부피의 영양 배지를 처리한 후 약 3주 후에 종이 필터를 통과하는 물의 양을 측정하였다. 도 4에 도시된 바와 같이 도핑된 곰팡이의 경우 대조군(control)에 비해 명확히 많은 양의 물이 통과됨을 확인할 수 있다.

탈착실험

도 5에 도시된 바와 같이 50% 아세토나이트릴(ACN, 도면에서의 ACS는 잘못 표기된 것임), 0.5N 염화나트륨, 50% 메탄올, 50% 아세톤으로 구성된 4가지의 용매를 제조한 후 48시간 경과한 뒤 실시예 1에 따라 제조한 할로이사이트가 도핑된 곰팡이 펠릿을 침지시켜 탈착실험을 수행하였다.

도 6에 도시된 바와 같이 모든 용매에 대해 도핑된 할로이사이트가 탈착되는 현상은 발견되지 않았으며 600㎚ 광원으로 흡광도를 측정한 결과 대조군(control) 대비 4가지 용매로 처리한 실험군 모두에서 흡광도의 변화가 없었다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims

균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체의 제조방법에 있어서,
(a) 펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체를 준비하는 단계; 및
(b) 할로이사이트 분말 현탁액에 상기 균류 구조체를 침지시켜 상기 균류 구조체 표면과 내부에 상기 할로이사이트 입자를 도핑(doping)시키는 단계;
를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계는,
균류를 배지에 접종하고 배양하여 펠릿 구조를 형성시켜 균류 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 균류는 아스페르길루스(Aspergillus) 속에 속하는 곰팡이균인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 균류는 토양에서 유래된 유기물인 휴믹산(humic acid)으로부터 추출된 진균(fungus)인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계는,
균류를 소정 크기의 영역을 구분시키는 격벽이 다수 형성되어 있는 용기에 담긴 배지에 접종하고
배양하여 펠릿 구조를 형성시켜 균류 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계는,
할로이사이트 분말 현탁액에 균류 구조체를 침지시킨 후 소정 기간 동안 쉐이킹(shaking) 하여 상기 현탁액 내 분산되어 있는 할로이사이트 나노입자를 상기 균류 구조체 내부에 도핑시키는 단계인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에,
(c) 도핑이 완료된 상기 균류 구조체를 추가 배양하는 단계;
를 더 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체 제조방법.
균류의 비특이적 또는 고도 산화기능은 유지하면서도 무분별한 생장을 억제하여 균사 구조를 제어하기 위한 균류 펠릿 구조체에 있어서,
펠릿(pellet) 형태의 균류 구조체; 및
상기 균류 구조체를 이루는 균사의 표면과 내부에 분산되어 도핑(doping)된 할로이사이트 나노입자;
를 포함하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체.
청구항 8에 있어서,
상기 균류 구조체의 균류는 아스페르길루스(Aspergillus) 속에 속하는 곰팡이균인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체.
청구항 8에 있어서,
상기 균류 구조체의 균류는 토양에서 유래된 유기물인 휴믹산(humic acid)으로부터 추출된 진균(fungus)인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체.
청구항 8에 있어서,
상기 도핑된 할로이사이트 나노입자는 세로가 긴 나노튜브(tube)의 형태를 띠며 세로 길이는 마이크로 미터 스케일이고 가로 길이는 나노미터 스케일인 것을 특징으로 하는 할로이사이트 표면처리를 통해 균사 생장이 억제된 균류 펠릿 구조체.
상기 청구항 8의 표면처리된 균류 펠릿 구조체가 다수의 여과재로 충진된 수처리용 필터.