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문제 정의
- 본 고에서는 발생원에서의 감량기술로서 목질바이오칩을 이용한 음식물 쓰레기의 발효-소멸기술을 중심으로 주요 목질바이오칩의 종류별 음식물 쓰레기의 감량실험을 수행하여 효율을 비교하고, 발효-소멸반응에 필요한 영향인자를 도출시키고, 주요 발효-소멸메커니즘을 설명하여 향후 효율적인 음식물 쓰레기 감량 및 처리방안 도입을 위한 자료로 삼고자한다.
- 음식물 쓰레기의 감량기술로는 여러 가지 기술이 개발되고 있으나 본 연구에서는 목질바이오칩을 이용한 발효-소멸 방식을 중심으로 주요영향인자를 도출하고자 하였다. 일반적으로 음식물쓰레기 발효-소멸반응에서 목질바이오칩은 극소미생물의 서식 공간제공 및 반응의 촉진조건 도출이 가능한 고밀도 바이오코로니(Bio-Colony)를 형성시켜 주는 매개체이다11).
제안 방법
- A 바이오칩, B 바이오칩 그리고 C 바이오칩에 대한 음식물 쓰레기의 무게감량효과를 발효-소멸장치를 이용하여 실험하였다. 실험에 사용한 발효소멸장치는 Fig.
- C 바이오칩은 일반적인 침엽수계열의 톱밥이며 세공의 크기는 약 2 ㎛로서 다른 종류의 목질바이오칩과 비교해서 상대적으로 미세한 구조의 세공은 보이지 않았다. C 바이오칩은 음식물쓰레기의 발효-소멸반응에서 미생물이 발생 및 서식이 가능한 구조로는 미흡할 우려가 있었으며 무게감량효율도 A 바이오칩 B 바이오칩에 비교하여 상대적으로 저조하였다.
- 우리나라 음식물쓰레기는 염분이 많고 유기물농도가 하수의 약 2,000배로 분해하기 힘든 성상으로 존재한다. Fig. 6과 Fig. 7에 A, B, C 목질바이오칩에 따른 음식물쓰레기 발효-소멸에서의 유기물농도의 주요지표 중의 화학적산소요구량(COD)과 총 질소(TN) 농도변화를 도시하였다. 음식물쓰레기의 COD 및 TN성분의 분해는 음식물 쓰레기 1회 투입후 약 6시간동안 관찰하였다.
- 화학적 산소요구량(COD)은 시료를 황산산성화하여 과망간산칼륨 일정과량을 넣고 30분간 수욕 상에서 가열반응 시킨 다음 소비된 과망간산칼륨 량으로부터 상당하는 산소의 양을 측정하는 방법으로 분광광도계(DR-4000, HACH)를 이용하여 측정하였으며 COD농도의 측정법위는 0~150 mg/l COD이였다. 그리고 시료 중 질소화합물을 알칼리성 과황산칼륨의 존재하에 120℃에서 유기물과 함께 분해하여 질산이온으로 산화시킨 다음 산성에서 자외부 흡광도를 측정하여 질소를 정량하는 방법으로 분광광도계(DR-4000, HACH)를 이용하여 총질소(TN)의 농도를 10~150 mg/l TN 범위에서 측정하였다13).
- 목질바이오칩의 종류에 따른 유기물 분해속도가 달라진 점으로 보아 미생물이 활발히 음식물의 발효-소멸반응에 영향을 미친 것으로 예상되었으며 미생물의 활동성을 아데노신3인산(ATP)와 미생물 세포수의 분석으로 검증하였다.
- 바이오칩에 의한 음식물쓰레기의 최적 발효소멸조건인 습도상태가 30%~70%, 발효조의 온도가 30℃~50℃를 유지할 수 있도록 설계되었다.
- 바이오칩의 세공구조는 고체상태의 미세조직과 형상을 관찰하는 데에 다양하게 쓰이는 분석기기로서 50 Å정도의 해상력을 지닌 것이 상품화되어 있고, 최근 고분리능 SEM은 10 Å 이하의 해상력을 가지고 있는 전계방출주사현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscopy, S-4800, Hitachi)에 의해서 측정하였다.
- 아데노신3인산 측정은 DKK TOA사의 AF-50 을 사용하여 측정하였다. 측정감도는 0.
- 7에 A, B, C 목질바이오칩에 따른 음식물쓰레기 발효-소멸에서의 유기물농도의 주요지표 중의 화학적산소요구량(COD)과 총 질소(TN) 농도변화를 도시하였다. 음식물쓰레기의 COD 및 TN성분의 분해는 음식물 쓰레기 1회 투입후 약 6시간동안 관찰하였다. 전체적으로 COD 및 TN의 농도가 감소하는 경향을 보였으나, 바이오칩의 종류에 따라서 감소되는 진행속도가 상이하였다.
- 주입하는 음식물쓰레기는 가정용 및 식당용 음식물쓰레기를 매일 700~1,500 g를 15일간 투입하였으며 무게변화는 주입음식물량과 잔류량을 측정하여 조사하였다. 여기서 바이오칩은 기본적으로 1,500 g를 주입하였다.
- 측정온도범위는 5℃ ~35℃이며 측정시료 1 g를 1%황산용액 10 mL에 용해시키고 증류수로 100배 희석한 용액의 상등수 200 μL을 채취하여 아데노신3인산을 측정하였다.
- 화학적 산소요구량(COD)은 시료를 황산산성화하여 과망간산칼륨 일정과량을 넣고 30분간 수욕 상에서 가열반응 시킨 다음 소비된 과망간산칼륨 량으로부터 상당하는 산소의 양을 측정하는 방법으로 분광광도계(DR-4000, HACH)를 이용하여 측정하였으며 COD농도의 측정법위는 0~150 mg/l COD이였다. 그리고 시료 중 질소화합물을 알칼리성 과황산칼륨의 존재하에 120℃에서 유기물과 함께 분해하여 질산이온으로 산화시킨 다음 산성에서 자외부 흡광도를 측정하여 질소를 정량하는 방법으로 분광광도계(DR-4000, HACH)를 이용하여 총질소(TN)의 농도를 10~150 mg/l TN 범위에서 측정하였다13).
- 화학적 성상에 대한 분석항목으로는 화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand), 총 질소(TN, Total Nitrogen) 및 아데노신3인산(ATP, Adenosine TriPhosphate)을 분석하였다.
대상 데이터
- 실험 사용된 목질바이오칩은 3 종류로서 A바이오칩은 미생물이 혼합된 목질바이오칩이고, B바이오칩은 이산화황으로 무균 처리한 목질세편에 효소가 첨가된 바이오칩이며 C 바이오칩은 침엽수계열의 목질세편이다.
이론/모형
- 측정감도는 0.1 pg 아데노신3인산 (2×10-16 mol~0.2 moleATP, 23℃)이며 측정용기 DISPOTUBE (12 mm×55 mm)에 시료를 넣고 Luciferase, Luciferin에 의한 생물화학발광법으로 측정하였다.
성능/효과
- A, B, C 바이오칩의 경우, 음식물쓰레기 투입 전의 미생물 세포수는 1,100~1,200 cells/g이었다. 5시간 후의 발효-소멸반응이 진행된 후의 잔류하는 미생물 세포수는 A 바이오칩이 12,000 cells/g, B 바이오칩이 26,000 cells/g, C 바이오칩이 13,000 cells/g으로 B 바이오칩이 가장 많은 미생물을 보유하고 있었다. 이는 아데노신3인산의 농도가와 미생물세포수의 증식률과의 밀접한 관계가 있다고 분석되었다.
- 음식물쓰레기의 발효-소멸반응이 진행됨에 따라, 아데노신3인산 농도는 증가하는 경향을 나타내었다. A, B, C 목질바이오칩의 경우아데노신3인산 농도가 운전초기에 비해서 각각 1.2배, 2.6배, 1.4배가 증가하였다. 즉, B 목질바이오칩의 경우 COD 및 TN의 반응속도상수가 높으며 유기물의 분해속도가 빠르게 진행되며 이에 따른 미생물의 활발한 활동으로 인한 아데노신3인산농도가 증가하였다고 볼 수 있었다.
- 단, 최종잔류무게에는 최초에 주입된 바이오칩 1,500 g이 포함되어 있으므로 투입 음식물쓰레기의 발효소멸 후의 잔류량은 570 g이였다. 그러므로 C 바이오칩에 의한 15일간 투입한 음식물쓰레기의 감량효율은 약 90%로 조사되었다.
- 목질바이오칩은 고밀도 바이오코로니(Bio-Colony)를 형성시켜 주는 매개체로 음식물쓰레기의 발효소멸반응에서 이용된다고 판단된다. 그러므로 미세공구조를 가진 목질바이오칩일수록 바이오코로니 형성과 무게감량 및 유기물감량에 유리한 것으로 사료된다.
- 시험일수는 15일로서 음식물 쓰레기의 총 투입량은 누적 무게로 6,70 g이였으나 최종 잔류량은 2,500 g이였다. 단, 최종잔류무게에는 최초에 주입된 바이오칩 1,500 g이 포함되어 있으므로 투입 음식물쓰레기의 발효소멸 후의 잔류량은 1,000 g이였으며 J 바이오칩에 의한 음식물쓰레기의 감량효율은 85%로 나타났다.
- 특히 B 바이오칩은 COD 농도가 91% 분해되었으며, A 바이오칩, C 바이오칩의 COD 분해율이 20%, 46%에 비교하여 상대적 분해효율이 높았다. 또한, TN의 경우에도 B 바이오칩이 76%의 분해율을 나타내었으며 A 바이오칩, C 바이오칩의 TN 분해율이 32%, 34%에 비교하여 상대적 분해율이 높았다.
- 3에서 도시하였다. 시험일수는 15일로서 음식물 쓰레기의 총 투입량은 누적 무게로 5,200 g이였으나 최종 잔류량은 2,100 g이였다. 단, 최종잔류무게에는 최초에 주입된 바이오칩 1,500 g이 포함되어 있으므로 투입 음식물쓰레기의 발효소멸 후의 잔류량은 570 g이였다.
- 2에서 A 바이오칩을 이용한 음식물쓰레기의 감량 실험 결과를 도시하였다. 시험일수는 15일로서 음식물 쓰레기의 총 투입량은 누적 무게로 6,70 g이였으나 최종 잔류량은 2,500 g이였다. 단, 최종잔류무게에는 최초에 주입된 바이오칩 1,500 g이 포함되어 있으므로 투입 음식물쓰레기의 발효소멸 후의 잔류량은 1,000 g이였으며 J 바이오칩에 의한 음식물쓰레기의 감량효율은 85%로 나타났다.
- Fig 4에서 C 바이오칩을 이용한 음식물쓰레기의 감량 실험 결과를 도시하였다. 시험일수는 5일로서 음식물 쓰레기의 총 투입량은 누적 무게로 4,700 g이였으나 최종 잔류량은 1,900 g이였다.
- 아데노신3인산의 농도가 음식물쓰레기의 발효-소멸반응 시간이 경과됨에 따라 다량 발생되는 현상은 반응을 빠르게 진행시킨다고 할 수 있다. 아데노신3인산은 미생물의 증식을 돕는 효소의 주성분으로서 아데노신3인산 농도가 높을수록 미생물의 활동을 활발히 촉진시킬 수 있으며, 음식물 쓰레기의 발효소멸에 적절한 조건을 제공할 수 있다고 판단되었다.
- 음식물쓰레기의 발효-소멸반응에서 COD 및 TN 농도가 감소하는 현상으로부터 무게감량 뿐만 아니라 유기물 분해도 동시 진행되고 있음을 알 수 있었다.
- 8에서 음식물쓰레기의 발효-소멸반응에서의 시간에 따른 아데노신3인산 농도변화를 도시하였다. 음식물쓰레기의 발효-소멸반응이 진행됨에 따라, 아데노신3인산 농도는 증가하는 경향을 나타내었다. A, B, C 목질바이오칩의 경우아데노신3인산 농도가 운전초기에 비해서 각각 1.
- 음식물쓰레기의 COD 및 TN성분의 분해는 음식물 쓰레기 1회 투입후 약 6시간동안 관찰하였다. 전체적으로 COD 및 TN의 농도가 감소하는 경향을 보였으나, 바이오칩의 종류에 따라서 감소되는 진행속도가 상이하였다. 특히 B 바이오칩은 COD 농도가 91% 분해되었으며, A 바이오칩, C 바이오칩의 COD 분해율이 20%, 46%에 비교하여 상대적 분해효율이 높았다.
- 종래 음식물쓰레기 발효-소멸 등에서는 미생물의 균주분리, 식종구분 등에 관심을 둔 연구와 달리, 본 연구에서는 아데노신3인산의 측정을 통하여 음식물 쓰레기의 발효-소멸 반응에서의 미생물이 발생 및 활성정도를 총괄할 수 있는 인자를 분석할 수 있었다. 아데노신3인산은 목질바이오칩을 이용한 음식물 쓰레기의 발효-소멸에서 무게감량 및 유기물 분해를 예측하고 최적의 목질바이오칩의 선택성 설정에 유용한 인자로 활용이 기대되었다.
- 4배가 증가하였다. 즉, B 목질바이오칩의 경우 COD 및 TN의 반응속도상수가 높으며 유기물의 분해속도가 빠르게 진행되며 이에 따른 미생물의 활발한 활동으로 인한 아데노신3인산농도가 증가하였다고 볼 수 있었다.
- 최종잔류무게에는 최초에 주입된 바이오칩 1,500 g이 포함되어 있으므로 투입 음식물쓰레기의 발효소멸 후의 잔류량은 800 g이였으며 C 바이오칩에 의한 음식물쓰레기의 감량효율은 80%로 나타났다. C 바이오칩의 경우에도 음식물쓰레기의 발효소멸 반응이 진행되는 동안 양호한 감량효율을 나타내어, 음식물쓰레기의 감량에 적용이 가능하였다.
- 전체적으로 COD 및 TN의 농도가 감소하는 경향을 보였으나, 바이오칩의 종류에 따라서 감소되는 진행속도가 상이하였다. 특히 B 바이오칩은 COD 농도가 91% 분해되었으며, A 바이오칩, C 바이오칩의 COD 분해율이 20%, 46%에 비교하여 상대적 분해효율이 높았다. 또한, TN의 경우에도 B 바이오칩이 76%의 분해율을 나타내었으며 A 바이오칩, C 바이오칩의 TN 분해율이 32%, 34%에 비교하여 상대적 분해율이 높았다.
- 음식물쓰레기의 발효소멸에서 유기물의 감량추이는 1차 반응으로 일치하였다. 특히, B 바이오칩의 경우 COD 및 TN의 반응속도상수가 각각 0.49, 0.26로서 A 바이오칩, C 바이오칩의 COD 및 TN 반응속도상수에 비하여 상대적으로 높았다. 즉, 반응속도상수가 높음으로서 유기물의 분해속도가 빠르게 진행되며 B 목질바이오칩의 경우 약 5시간 내에 유기물이 91% 분해될 수 있었다.
후속연구
- 그러므로 아데노신3인산은 미생물 세포수의 증식을 나타내며 활발한 미생물의 활동성 지표로 활용할 수 있다. 목질바이오칩에 발효-소멸반응에서 아데노신3인산의 농도변화는 유기물 분해속도 및 음식물쓰레기 감량효율을 판단할 수 있으며 반응의 촉진시킬 수 있는 복합효소군의 최적 주입량을 예측 및 모니터링 등에 활용할 수 있다고 사료되었다.
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