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문제 정의
- 본 연구에서는 사탕무즙을 이용해 생산한 알콜을 증류ᆞ회수한 후 남는 고농도 유기성 폐수인 Sugar Beet Stillage(이하 SBS)를 기질로 내열성 효모를 이용해 SCP를 생산하고자 기질의 최적화를 시도하였다. 알콜증류폐액(stillage, distillery alcohol slops)은 알콜 1리터 생산에 10-15리터가 나오며 대체로 pH가 낮고 색깔이 진하며, 유기오염도가 매우 높아 COD 값은 평균 60-70g/l에 달한다.
제안 방법
- 각각 조성이 서로 다른 SBS A, B, C와 C10을 기질로 48시간동안 진탕배양시킬 경우 초기기질의 pH 값과 배양온도가 생균효모균체 생산과 COD 감소율에 미치는 영향을 조사하였다.
- 250ml-Erlenmeyer flask에 각 SBS기질 100ml를 채워 멸균시킨 뒤 미리 배양기에서 키운 호모종균을 한 백금이 취해 접종한 뒤 분당 170회 진탕시키며 38℃에서 48시간동안 발효시켰다. 발효종료 후 mass flask 에서 부피를 측정한 뒤 발효 도중 증발된 부피만큼 증류수를 다시 보충해준 뒤 시료분석에 이용하였다. 초기배양액의 pH값은 황산과 수산화나트륨으로 조정되었다.
- rugosa, Kl. marxianus의 균체생산량과 기질의 COD의 감소율에 미치는 영향을 C. utilis와 비교해 보여준다. 대체로 초기기질의 pH값이 낮으면 발효후의 값도 낮게 나타났다.
대상 데이터
- 알콜증류폐액은 VLSF Berlin에서 나온 서로 다른 SBS A, B, C 세 종류와 C를 65% 고형분 농도를 갖도록 증발농축시켜 보관한 뒤 다시 증류수로 희석해 고형분 농도가 10%가 되도록 복원시킨 C10의 4가지를 이용하였다. 시료로 사용된 이들 4가지 시료의 화학적 성분조성과 물리적 특성은 이미 발표된 바와 같다8).
- rugosa, Kl. marxianus, C. utilis를 사용했고 이 효모들은 동아프리카에서 분리되었다9).
- COD : 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand)은 DIN 38409법에 의해 Thermoreactor TR 105(Merck, Darmstadt)를 이용해 측정했다. 표준시약(COD 200mg/l)으로는 potassium hydrogen phthalate 용액(0.17g/l)을 이용하였다.
이론/모형
- COD : 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand)은 DIN 38409법에 의해 Thermoreactor TR 105(Merck, Darmstadt)를 이용해 측정했다. 표준시약(COD 200mg/l)으로는 potassium hydrogen phthalate 용액(0.
- 총단백질 : Kieldahl 방법에 의해 측정한 뒤 질소 계수 6.25를 곱해 조단백질로 나타냈다.
성능/효과
- utilis는 증식하지 않았다. 낮은 pH 범위에서 모든 효모들은 상대적으로 적은 생균생산량을 보였지만 반면 균체단백질 함량은 높았다. 특히 C.
- 낮은 pH 범위에서 모든 효모들은 상대적으로 적은 생균생산량을 보였지만 반면 균체단백질 함량은 높았다. 특히 C. rugosa는 대부분의 pH 조건에서 큰 차이없이 잘 증식했고 생균생산량이나 COD 감소율도 가장 높았다. 원래 기질의 pH인 4.
- 23으로 최고값을 보인 Kl. marxianus나 pH 5.0에서 7.02g/l로 최고값을 보인 C. rugosa 보다도 훨씬 높았다. Kl.
- Kl. marxianus나 C. utilis는 pH. 4.0에서 상대적으로 낮은 균체생산량을 보여 pH가 낮아지면서 대사가 저해를 받는 것으로 생각되었다. 대체로 pH가 높아지면서 균체생산량은 증가했으나 단백질 함량은 오히려 감소하였다.
- 30g/l를 보여주었다. 감소한 COD값에 대한 균체생산량(Ybmp/cod)이나 조단백질생산량(Ycpp/cod)도 C. rugosa가 각각 0.35~0.39와 0.13~0.14를 나타내 가장 높은 값을 보여주었다. Fiedler(1981)에 따르면 pH 4.
- 무엇보다도 높은 온도에서는 낮은 온도에서보다 효모세포가 쉽게 자가분해되어 효모회수율이 떨어진다. 이 결과 40℃에서 배양할 때 두 효모의 균체 생산량은 감소했지만 COD 감소율은 크게 변함이 없었다. 42℃에서부터는 대사능력이 급격히 떨어지면서 균체생산량과 COD 감소율이 기질의 특성에 크게 좌우되는 것으로 생각되었다.
- rugosa와 견줄만한 COD제거 능력도 보여주었다. 두 효모균종의 조단백함량은 배양온도와 관계없이 기질에 따라 다르게 나타나 C10에서 낮고 A와 B에서 높게 나타났다.
- 효모가 증식하는 동안 대사경로를 잘 파악해야만 원하는 공정으로 원활하게 진행시킬 수 있다13). 본 실험결과 C. rugosa는 pH값이 낮은 배양조건에서도 잘 증식해 생균생산량, 단백질 생산량이 가장 높았고 또한 COD 감소율도 가장 높았다. 뿐만 아니라 40도 이상의 높은 온도에서도 비교적 잘 증식해 사탕무우알콜증류폐액을 기질로 이용한 단세포단백질생산시 종균으로 알맞다고 사료되었다.
- rugosa는 pH값이 낮은 배양조건에서도 잘 증식해 생균생산량, 단백질 생산량이 가장 높았고 또한 COD 감소율도 가장 높았다. 뿐만 아니라 40도 이상의 높은 온도에서도 비교적 잘 증식해 사탕무우알콜증류폐액을 기질로 이용한 단세포단백질생산시 종균으로 알맞다고 사료되었다.
후속연구
- 특히 유산균은 펩타이드 종류의 항균물질들을 생산해 유해균의 증식을 억제하고 장내세균으로서 동물의 건강을 증진시켜준다. 따라서 각종 영양성분이 많이 함유된 유기성 폐기물을 이용해 생균첨가제를 값싸게 생산한다면 매우 효율적인 재활용방법이 될 것이다. 이 때문에 음식물 침출수3), 김치폐기물4), 두유폐수5), sugar cane bagasse6), 새우가공폐수7)를 single cell protein(SCP)로 전환시키는 연구들이 진행되어왔다.
- 지하수나 지표수의 오염원이 되며 오염부하가 매우 높아 폐수처리장에서의 직접 처리가 불가능해 대부분 다른 가정용 폐수등과 섞어 충분히 희석시켜 폐수처리장으로 보내는 방법이 사용된다. Stillage는 유기산, 단백질, 잔여당성분 등 미생물들이 이용할 수 있는 자화원이 많이 남아있어 이를 이용해 효모균체를 생산한다면 단백질과 비타민함량이 높은 좋은 사료원료로 이용할 수 있을 것이다8).
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