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문제 정의
- 본 연구에서는 Aerobic dynamic feeding regime (ADF)과 Anaerobic/oxic dynamic feeding regime (AODF)에 따른 PHAs의 생산 특성을 파악하기 위하여 실험실 규모 4 L 연속회분식반응기(SBR)를 운영조건 Fig. 1에 따라 운전하였다. 반응기 1은 ADF시스템으로 Fig.
- 본 연구에서는 식종슬러지를 선정하기 위하여 울산의 굴화 및 언양 수질개선사업소과 용암 폐수처리장의 슬러지를 채취하여 분석하였다. 세 곳의 하 · 폐수처리장 모두 혐기/호기 조건으로 구성된 고도하수처리시설을 운영하고 있으며, MLSS농도는 약 3,000 mg/L로 큰 차이는 보이지 않았다.
- 본 연구에서는 연속회분식 반응기를 이용하여 인공폐수로부터 영양조건과 운전조건에 따른 PHAs의 생산량과 물성을 분석하여, 하수처리슬러지를 활용한 바이오플라스틱의 생산가능성을 실험적으로 연구하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수처리과정에서 발생하는 슬러지로부터 바이오플라스틱인 PHAs을 생산하기 위해 울산광역시 소재 하수처리장의 슬러지를 대상으로 PHAs 생산 및 생산된 PHAs의 함량 및 물성특성을 조사하였으며, 본 연구 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 슬러지에 함유된 수분은 클로로포름을 이용한 PHA 추출시 공정을 지연시켜 추출효율을 낮게 만드는 경향이 있다.16) 본 연구에서는 슬러지 건조시 오븐건조를 하여 수분을 제거하였으나 추출 지연에 의한 효율을 보정하기 위하여 동일한 시료로 PHA 추출을 2회 반복하여 회수하였다.
- 에 따라 클로로포름을 이용하여 실시하였다. PHAs 분석을 위한 슬러지는 운전시간 120분 및 600분에 100 mL 채취하였으며, 원심분리기(3,000 rpm으로 5분간)를 통해 액상과 고상을 분리하여, 분리된 고상을 건조기를 통해 수분을 건조시켜 PHA 추출 시료로 이용하였다. 슬러지에 함유된 수분은 클로로포름을 이용한 PHA 추출시 공정을 지연시켜 추출효율을 낮게 만드는 경향이 있다.
- 표준물질로 Sigma Aldrich 사의 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)를 이용하였다. 그리고 결정구조와 역학적 특성을 파악하기 위하여 XRD (X-ray Diffractometer, Rigaku inc, D/MAX 2500-V/PC model) 분석을 실시하였다.
- 고체는 클로로포름과 함께 다시 플라스크에 넣어 60℃에서 3시간 동안 100 rpm으로 교반시키면서 반응시켰으며, 이를 두 번 반복하였다. 모아진 액상 반응물이 담긴 플라스크는 진공회전 농축기(Rotary evaporator)에 연결하고 항온수조 온도를 40℃, 냉각수 온도를 8℃, 교반속도를 10 rpm으로 유지하여 액상 반응물이 약 10 mL 정도 남을 때까지 농축하여 PHAs 물질을 추출하였으며, 추출과정에서 발생되는 증발되는 클로로 포름은 본 연구에서는 환기설비를 통해 외부로 배출하였다. 추출한 PHAs 물질에 포함된 잔여 클로로포름을 제거하기 위하여 농축된 액상 반응물을 50 mL 비커에 담고 건조기에서 100℃로 30분간 건조시켰다.
- C/N/P 비를 42:10:1로 구성하여 아세테이트를 탄소원으로 하는 인공하수와 미량원소13)를 Table 2와 같이 제조하여 사용하였다. 본 연구에 사용된 굴화수질개선사업소 기질의 경우 본 연구에서 활용되는 SBR 공정과 유사한 MSBR (Membrane SBR)공법을 통해 하수를 처리하고 있어 미생물의 적응에 있어 유리한 조건이며, 식종 후 30일간 본 시료에 사용될 인공하수를 이용하여 적응 시켰으며 실험 전 MLSS 농도를 3,000 mg/L로 조정하여 이용하였다. 운영조건에 따라 TOC (Shimadzu TOC-5000A), 암모니아(NH3-N), 인(PO4-P), DO, pH 항목을 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 굴화수질개선사업소 기질의 경우 본 연구에서 활용되는 SBR 공정과 유사한 MSBR (Membrane SBR)공법을 통해 하수를 처리하고 있어 미생물의 적응에 있어 유리한 조건이며, 식종 후 30일간 본 시료에 사용될 인공하수를 이용하여 적응 시켰으며 실험 전 MLSS 농도를 3,000 mg/L로 조정하여 이용하였다. 운영조건에 따라 TOC (Shimadzu TOC-5000A), 암모니아(NH3-N), 인(PO4-P), DO, pH 항목을 분석하였다.
- 추출한 PHAs 물질에 포함된 잔여 클로로포름을 제거하기 위하여 농축된 액상 반응물을 50 mL 비커에 담고 건조기에서 100℃로 30분간 건조시켰다. 위의 반응을 거쳐 pure PHAs를 회수하였다.
- GC 검출기는 FID (Flame Ionization Detector)를 사용하였으며 운반가스로 Helium을 이용하였고, 보조가스로 혼합가스와 수소를 사용하였다. 정량적 평가는 PHAs의 peak 면적에 의한 결과를 농도로 활용하였으며 표준물질인 Sigma Aldrich 사의 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)를 검량선법을 이용하여 검량선을 작성 후 전환계수를 산정하였다.
- 준비된 샘플의 GC분석은 Gas Chromatography (Donam system inc, DS 6200 model)를 사용하였으며, GC column은 길이 30 m, 직경 0.25 mm, film 0.25 µm의 DB-WAX capillary columns (J&W Scientific Co., USA)를 사용하였다.
- 추출된 PHAs의 물성은 분자구조와 조성을 파악하기 위하여 FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy, Scinco inc, Nicolet 6700 model) 분석을 하였고, 분자량은 GPC (Gel permeation chromatography, Waters inc, Alliance model)로 분석하였다. 표준물질로 Sigma Aldrich 사의 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)를 이용하였다.
- 세 곳의 하 · 폐수처리장 모두 혐기/호기 조건으로 구성된 고도하수처리시설을 운영하고 있으며, MLSS농도는 약 3,000 mg/L로 큰 차이는 보이지 않았다. 특히, 굴화 및 언양 수질개선사업소와 용암 폐수처리장의 활성슬러지 내 %PHA은 Table 1과 같이 각각 3.1%, 1.4%, 0.7%로 나타나, PHA 함량이 가장 높은 굴화사업소의 슬러지를 식종슬러지로 사용하였다,
- 합성폐수 하수처리장의 미생물을 이용하여 연속회분식반 응기에서 바이오플라스틱을 생산하는 미생물을 농축 배양 하였으며, 영양조건이 다른 인공하수를 이용하여 적용하였다. 이 때 연속회분식반응기는 호기상태에서 폐수의 유입과 중단이 있는 ADF (Aerobic Dynamic Feeding) 조건과 혐기/ 호기조건에 폐수의 유입과 중단이 있는 AODF (Anaerobic/Oxic Dynamic Feeding) 조건으로 운영되었으며, AODF 조건이 바이오플라스틱 생산에 더 나은 조건임을 확인하였다.
대상 데이터
- 1과 같이 호기조건으로 운전되었고 반응기 2는 AODF시스템으로 혐기조건 120분 호기조건 600분으로 운영되었다. C/N/P 비를 42:10:1로 구성하여 아세테이트를 탄소원으로 하는 인공하수와 미량원소13)를 Table 2와 같이 제조하여 사용하였다. 본 연구에 사용된 굴화수질개선사업소 기질의 경우 본 연구에서 활용되는 SBR 공정과 유사한 MSBR (Membrane SBR)공법을 통해 하수를 처리하고 있어 미생물의 적응에 있어 유리한 조건이며, 식종 후 30일간 본 시료에 사용될 인공하수를 이용하여 적응 시켰으며 실험 전 MLSS 농도를 3,000 mg/L로 조정하여 이용하였다.
- 분석 초기온도는 oven: 100℃, detector: 250℃, inject: 250℃로 100 ℃부터 220℃까지 10℃/min으로 증가하여 12분 동안 진행하였다. GC 검출기는 FID (Flame Ionization Detector)를 사용하였으며 운반가스로 Helium을 이용하였고, 보조가스로 혼합가스와 수소를 사용하였다. 정량적 평가는 PHAs의 peak 면적에 의한 결과를 농도로 활용하였으며 표준물질인 Sigma Aldrich 사의 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)를 검량선법을 이용하여 검량선을 작성 후 전환계수를 산정하였다.
- 추출된 PHAs의 물성은 분자구조와 조성을 파악하기 위하여 FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy, Scinco inc, Nicolet 6700 model) 분석을 하였고, 분자량은 GPC (Gel permeation chromatography, Waters inc, Alliance model)로 분석하였다. 표준물질로 Sigma Aldrich 사의 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)를 이용하였다. 그리고 결정구조와 역학적 특성을 파악하기 위하여 XRD (X-ray Diffractometer, Rigaku inc, D/MAX 2500-V/PC model) 분석을 실시하였다.
이론/모형
- PHAs의 추출방법 및 분석은 Salmiati14)과 Shah15)에 따라 클로로포름을 이용하여 실시하였다. PHAs 분석을 위한 슬러지는 운전시간 120분 및 600분에 100 mL 채취하였으며, 원심분리기(3,000 rpm으로 5분간)를 통해 액상과 고상을 분리하여, 분리된 고상을 건조기를 통해 수분을 건조시켜 PHA 추출 시료로 이용하였다.
성능/효과
- 2와 3에 나타나 있다. ADF에서 Fig. 2와 같이 pH는 비교적 일정한 수준으로 유지하였으나, DO는 포기가 시작된 시점부터 증가하여 100분 이후 일정한 수준으로 안정화 되었다. 유기물(TOC)의 경우 초기 급감하고 이후 서서히 감소하였다.
- 6)% 로 나타났다. AODF의 경우 혐기공정이 끝나는 시점인 110분에 PHA함량의 최대치는 40.2% 이었으나, 호기공정이 진행되고 종료되는 시점인 590분에 최소치는 3.3%로 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 ADF 및 AODF 시스템에서 유기물 농도가 높은 초기에 유기물을 세포 내에 저장하고, 유기물이 부족한 시기에 저장된 유기물을 활용하는 미생물 바이오플라스틱 생산 메커니즘을 작동하고 있음을 보여주는 것이다.
- 생산된 PHAs와 표준 PHA를 활용한 분자량 분석결과를 Table 6에 나타내었다. 결과와 같이 다분산지수(Polydipersity index)가 3.2-3.4 g/mol로 미생물에 의한 PHAs의 분자량이 비슷하다는 것을 보여준다. 특히 표준물질로 활용된 Poly (3-hydroxybutyric acid-co-3 hydroxyvaleric acid)보다 분자량이 큰 것으로 확인되어 더 많은 수의 고리를 가진 고분자 물질로 판단할 수 있다.
- 으로 알려지고 있다. 그러나 본 연구에서 ADOF 시스템의 경우 혐기공정에서의 인의 방출과 호기공정에서 인이 흡수되고 있고, 그에 따른 PHAs의 축적과 소비도 확인이 되어 PHA의 생산에 있어 PAO 미생물이 중요한 역할을 담당하고 있음을 확인시켜 주었다. 하지만 PAO와 GAO의 기여 정도, 다양한 A/O비에 따른 PHA 수율 등에 대하여는 추가적인 연구가 필요하다.
- 5에서와 같이 전체적으로 각 반응기에서 생산된 PHAs는 표준물질로 사용된 PHAs와 유사한 결과를 나타낸다. 또한, 1,750-1,700 (cm-1)에서 가장 강한 흡수가 관찰되어 Carbonyl (C=O)기가 존재하는 것으로 확인할 수 있고, 1,300-1,250 (cm-1)영역에서 강한 흡수가 일어나 esters가 존재하는 것을 확인할 수 있어, 본 연구에서 생산된 물질은 PHAs와 같은 구조를 가진다고 볼 수 있다.
- 2)%로 나타났다. 모든 조건이 끝난 590 분후의 슬러지 내 PHA의 함량은 ADF 와 AODF 각각 2.2~13.4(평균 7.2)%, 3.3~21.7(평균 12.6)% 로 나타났다. AODF의 경우 혐기공정이 끝나는 시점인 110분에 PHA함량의 최대치는 40.
- 반면 AODF의 경우 pH는 일정한 수준으로 유지하였으며, 혐기조건에서 0.1보다 낮은 수준의 DO를 유지하면서 포기가 시작되기 전까지 인의 농도가 지속적으로 증가하고 질소 농도는 일정하게 유지되었다. 그러나 포기가 시작된 이후 DO농도의 증가, 인과 질소의 농도가 감소하는 경향을 나타내었다.
- Table 4를 보면 PHAs의 함량은 반응시간에 따라 영향을 받는 것으로 확인할 수 있다. 반응후 110 분후 ADF의 슬러지내 PHA 함량은 13.8~21.8(평균 17.6)% 이었으며, AODF의 경우 22.1~40.2(평균 29.2)%로 나타났다. 모든 조건이 끝난 590 분후의 슬러지 내 PHA의 함량은 ADF 와 AODF 각각 2.
- 0%까지 축적되는 것으로 나타났다. 생산된 PHAs의 물성을 파악하기 위한 FTIR, GPC, XRD의 분석결과에 따르면 생산된 PHAs의 물성도 우수한 것으로 확인되어, 혐기조를 통한 인처리 공정이 포함된 하수처리공정에서 인처리 미생물에 의한 PHAs의 생산은 충분히 가능할 것으로 판단된다.
- 합성폐수 하수처리장의 미생물을 이용하여 연속회분식반 응기에서 바이오플라스틱을 생산하는 미생물을 농축 배양 하였으며, 영양조건이 다른 인공하수를 이용하여 적용하였다. 이 때 연속회분식반응기는 호기상태에서 폐수의 유입과 중단이 있는 ADF (Aerobic Dynamic Feeding) 조건과 혐기/ 호기조건에 폐수의 유입과 중단이 있는 AODF (Anaerobic/Oxic Dynamic Feeding) 조건으로 운영되었으며, AODF 조건이 바이오플라스틱 생산에 더 나은 조건임을 확인하였다. 이는 AODF 시스템의 혐기상태에서 유기물이 높을 때 유기물을 PHA로 저장하며, 호기상태에서는 저장된 PHA를 사용하는 메커니즘에 PAO 등의 대사작용에 기인된 것으로 본연구에는 바이오매스의 최대 40.
- 이 때 연속회분식반응기는 호기상태에서 폐수의 유입과 중단이 있는 ADF (Aerobic Dynamic Feeding) 조건과 혐기/ 호기조건에 폐수의 유입과 중단이 있는 AODF (Anaerobic/Oxic Dynamic Feeding) 조건으로 운영되었으며, AODF 조건이 바이오플라스틱 생산에 더 나은 조건임을 확인하였다. 이는 AODF 시스템의 혐기상태에서 유기물이 높을 때 유기물을 PHA로 저장하며, 호기상태에서는 저장된 PHA를 사용하는 메커니즘에 PAO 등의 대사작용에 기인된 것으로 본연구에는 바이오매스의 최대 40.0%까지 축적되는 것으로 나타났다. 생산된 PHAs의 물성을 파악하기 위한 FTIR, GPC, XRD의 분석결과에 따르면 생산된 PHAs의 물성도 우수한 것으로 확인되어, 혐기조를 통한 인처리 공정이 포함된 하수처리공정에서 인처리 미생물에 의한 PHAs의 생산은 충분히 가능할 것으로 판단된다.
- ADF와 AODF 운영조건에 따른 유기물과 질소, 인의 제거 효율은 Table 3에 나타내었다. 표에서와 AODF가 ADF 보다 호기시간이 짧음에도 불구하고, 유기물과 질소의 처리 효율은 유기물 91.7~94.3%, 암모니아 62.2~68.2%, 인 90.3~ 94.8% 내외로 비슷하나, 전체적으로 AODF의 처리효율이 높은 것으로 확인되었다.
- 43 으로 진행되었다. 혐기공정이 시작 하는 시점으로부터 점차적으로 PHA 함량이 증가되어 A/O 비 0.25조건 반응기의 혐기공정이 종료되는 시점인 120분 지점의 PHA 함량은 29.0%, A/O비 0.43조건 반응기의 혐기공정이 종료되는 시점인 180분 지점의 PHA 함량은 32.0% 로 나타났으며 포기가 시작됨에 따라 PHA 함량이 감소하는 것으로 확인되었다. 그러나 Dongbo Wang,25) 이우형26)은 A/O가 0.
후속연구
- 0% 로 나타났으며 포기가 시작됨에 따라 PHA 함량이 감소하는 것으로 확인되었다. 그러나 Dongbo Wang,25) 이우형26)은 A/O가 0.6, 0.66의 조건에서 PHA 48.3%, 51.0%로 보고하고 있어 PHA생산 최적조건에 대해서는 기질조건 등을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구에서 ADOF 시스템의 경우 혐기공정에서의 인의 방출과 호기공정에서 인이 흡수되고 있고, 그에 따른 PHAs의 축적과 소비도 확인이 되어 PHA의 생산에 있어 PAO 미생물이 중요한 역할을 담당하고 있음을 확인시켜 주었다. 하지만 PAO와 GAO의 기여 정도, 다양한 A/O비에 따른 PHA 수율 등에 대하여는 추가적인 연구가 필요하다. 또한 ADF 시스템의 경우는 인의 축적과 방출뿐만 아니라 PHA의 축적과 소비가 분명하게 나타나지 못하여, 하수처리를 이용한 PHA의 생산은 AODF 시스템이 적합한 것으로 판단된다.
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