초록 ▼

연구의 목적 및 내용
“OECD 환경전망 2050” (2010)보고서에 따르면 한국이 물 스트레스가 가장 높은 국가로 평가되었다. 물 스트레의 해결책인 하폐수의 재이용을 위한 분리막 생물반응기(MBR)의 세계시장이 연평균 13,6%의 높은 성장률을 기록하고 있다. 본 연구의 목적은 MBR 세계시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해, MBR의 단점인 고에너지, 고운전비용의 주원인으로 알려진 생물막오염을 해결하고자 하였다.
지금까지 블랙박스로 취급되던 생물막형성의 특성을 분자생물학적 영분석기법으로 분석하고 신호분자 물질을 제어하여

연구의 목적 및 내용
“OECD 환경전망 2050” (2010)보고서에 따르면 한국이 물 스트레스가 가장 높은 국가로 평가되었다. 물 스트레의 해결책인 하폐수의 재이용을 위한 분리막 생물반응기(MBR)의 세계시장이 연평균 13,6%의 높은 성장률을 기록하고 있다. 본 연구의 목적은 MBR 세계시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해, MBR의 단점인 고에너지, 고운전비용의 주원인으로 알려진 생물막오염을 해결하고자 하였다.
지금까지 블랙박스로 취급되던 생물막형성의 특성을 분자생물학적 영분석기법으로 분석하고 신호분자 물질을 제어하여 생물막 형성을 억제하였다. 즉, 생물막형성의 근본원인과 근원적 해결방안으로서 분자생물학적 관점인, 영상분석, 정족수 감지(Quorum Sensing, QS) 및 억제(Quorum Quenching, QQ)를 도입하여 기존 MBR과는 전혀 다른 QQ-MBR을 탄생시켰다. 세계학계에서 새로운 지평선을 연 연구라는 평을 받고 있다.
연구결과
2007년 도약연구 계획서에는 수처리용 MBR의 생물막오염 억제방법으로서 QQ보다는 탈리(Sloughing)유도 방안이 보다 강조되었다. 하지만 기존의 탈리 유도방법보다 근본적인 생물막 억제를 위해서는 새로운 이론이 필요했다. 따라서, 미생물사이의 대화를 차단하는 QQ를 도입하였고, MBR 적용을 위한 여러 가지 방법들을 개발하였다. 지난 5년간 QQ연구에 전념하였고, 기대이상의 결과를 얻어 국제무대에서 30회의 초청/기조 강연에 초빙받는 영광을 누렸다. 이는 5년간 꾸준히 지원된 도약연구비 덕분으로 한국연구재단에 감사히 생각하며 연구결과를 간략히 정리하면 다음과 같다:
1) 하폐수 처리용 MBR의 새로운 생물막오염 메커니즘 제시
분자생물학(Pyrosequencing, Proteomics 등)과 영상분석 기법을 적용하여 MBR의 생물막오염 메커니즘과 미생물군집 변화를 정족수 감지(QS) 측면에서 새롭게 제시
2) 2012년부터 해양투기가 금지된 잉여 슬러지를 무배출하는 MBR공정 개발
고속난류 오존 접촉기와 MBR의 결합하여 잉여 슬러지 무배출 시스템 및 막오염 완화
3) QQ-MBR 개발
- 정족수 감지 억제 효소의 고정화 담체 제조 및 저에너지소비 MBR공정 개발
- QQ효소 고정 분리막의 제조 및 저에너지소비 MBR공정 개발
- 정족수 감지 억제 미생물을 고정화한 용기 및 유동성담체 제조 및 저에너지소비 MBR공정 개발
연구결과의 활용계획
1. 원천기술(QQ-MBR)을 실용화/산업화 단계까지 진행하여 QQ-MBR을 해외시장에 진출시키고 세계 MBR시장의 First Mover로 부각시킨다.
-이를 위한 추가 연구: i) 효소 담체의 성능(활성 및 수명)향상 연구
ii) 다양한 정족수 감지 미생물의 분리 및 동정
iii) 미생물용기와 유동성 미생물담체의 성능 향상
iv) QQ-MBR에 적합한 반응기 설계
-이를 위한 추진전략:
도약연구를 계기로 결성한 “차세대 MBR 컨소시엄”의 회원을 해외기업체까지 확대하고 이들에게 기술이전 또는 이들과 함께 국제 공동 연구개발을 수행한다.

Abstract ▼

Purpose& contents
The aim of this research is to develop the next generation MBR system(QQ-MBR) which has high energy efficiency and water permeability by solving the biofouling problem. Biofilm formation, regarded as ‘black box’, was studied and controlled by
molecular biology’s approach, ima

Purpose& contents
The aim of this research is to develop the next generation MBR system(QQ-MBR) which has high energy efficiency and water permeability by solving the biofouling problem. Biofilm formation, regarded as ‘black box’, was studied and controlled by
molecular biology’s approach, image analysis and quorum quenching.
Result
In National Research Laboratory(NRL) plan of 2007, sloughing induction was emphasized more than quorum quenching as a biofilm inhibiting method in wastewater treatment MBR. We needed a new theory, however, in oder to fundamentally inhibit biofilm formation. Therefore, blocking conversations between microorganisms, was introduced, and many methods for applying this theory to MBR were developed. Over past 5 years, we have fully concentrated on studying QQ (Quorum quenching), and had the honor of being invited to 30 times of keynote/plenary lecture with our over achievement. We appreciate that this outcome is attributed to NRL foundation steadily supported for 5 years, and the brief results are as follows:
1) Proposing new mechanism of biofouling in wastewater treatment MBR. Newly proposing a biofouling mechanism and changes in microbial community, in view points of quorum sensing, using molecular biology and image analysis.
2) Developing a MBR process combining MBR with Turbulent Jet flow Contactor (TJC) to design the system emitting no excess sludge and alleviate biofouling.
Developing a MBR process without excess sludge, of which sea dumping is banned.
3) Development of QQ-MBR
-Development of QQ enzyme immobilized carrier and membrane
-Development of QQ bacteria immobilized vessel and moving bead
Expected Contribution
After proceeding of QQ from fundamental technology to commercialization, QQ-MBR will lead the world MBR market as ‘first mover’
additional research to reach the goal:
1) Separation and isolation of diverse QQ bacteria
2) Increase in QQ enzyme carrier’s performance (stability and activity)
3) Increase in QQ bacteria carrier(vessel, moving bead)’s performance
4) Design of the optimal reactor for applying QQ technology
Strategy for promotion to reach the goal:
1) Expanding the number of ‘next generation MBR consortium’ from NRL to overseas firm
2) Proceeding of international research collaboration and technology transfer

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 33
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 37
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 42
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 43
• 8. 참고문헌 ... 44
• 9. 연구성과 ... 45
• 10. 기타사항 ... 76