미생물 고정화에 미치는 담체 기공크기의 영향

박영식, 이석렬, 이창한, 서정호*, 송승구

부산대학교 화학공학과

Effect of Pore Size of Support Carrier on the Bacterial Immobilization

Young-Seek Park, Suk-Ryoul Lee, Chang-Han Lee, Jung-Ho, Suh, Seung-Koo Song

Pusan National University, Ulsan Junior College*

1. 서론

미생물 부착과 생물막 형성에는 상당히 많은 인자들이 복합적으로 작용하고 있는데, 혼합배양인 경우는 이들 인자들의 영향에 대한 구체적인 사항이 아직 명확하게 확립되어 있지 않으며, 특히 생물막 반응기의 식종에 쓰이는 활성슬러지의 경우는 더욱 더 명확하지 않다[1~3]. 미생물 부착과 생물막 형성에 영향을 주는 인자들 중에서 대략적으로 알려진 것들은 환경, 미생물, 담체 특성으로 나뉠 수 있으며 담체특성은 담체의 종류, 표면의 화학적 성질, 입자크기, 농도, 거칠기, 공극 및 표면적 등이다[3]. 충전 담체의 크기, 공극율, 담체의 유형 및 충전 담체의 표면적이 미생물 체류 특성과 생물막 반응기의 성능에 큰 영향을 준다고 보고되고 있다[4,5]. Huysman 등[6]과 Murry와 van der Berg[7]은 고정층 반응기의 초기 생물막 군집과 발달에 대해 여러 가지 다공성, 비다공성 담체에 대한 연구에서 비다공성 담체에서의 생물막 발달은 주로 공극의 크기와 공극율의 정도에 영향을 받는다는 것을 발견하였다. 본 실험에서는 공극의 크기와 공극율이 기계적인 강도와 미생물 부착에 미치는 영향을 고찰하였다.

2. 실험

- 담체의 제조

세라믹 원료(폐주물사와 제올라이트)에 각각의 실험조건에 맞는 톱밥과 전분을 혼합(5 ~ 50%, vol/vol)하고 물을 15% 첨가하여 원통형이 되게 성형하고 60℃로 유지되는 건조기에서 24시간동안 건조시키는 과정을 거친 다음 1100℃에서 5시간 동안 소성하여 담체를 제조하였다.

- 표면적 측정

위와 같이 조건에서 제조된 크기가 5mm, 길이가 7mm인 원통형 담체를 cell에 투입하고 carrier  gas로 질소를 투입하고 BET 표면적 측정기로 표면적을 측정하였다.

-미생물 부착실험

지름이 1.5cm로 제조된 담체를 5mm 두께로 자르고 페트리 접시에 부착시킨 후 미생물 농도를 90mg/L로 조절하고, 30℃로 맞춘 shaking water bath에서 3시간 동안 부착 실험하였다.

- SEM 촬영

담체에 전기 도금 피복과정을 거쳐 표면의 상태를 SEM에서 관찰하였다.

결과 및 고찰

- 톱밥과 전분 혼합율에 따른 담체 표면형상

Fig. 1은 톱밥과 전분을 10, 20% 첨가하여 담체를 제조하였을 때 표면을 SEM으로 촬영한 것이다. (a)는 전분이 10% 첨가되었을 때의 표면을 나타낸 것으로 표면이 거칠게 보이나 기공의 크기는 1 ~ 2□정도이며, (b)는 전분이 20% 첨가되었을 때의 담체이며, 담체에 존재하는 기공의 수가 많이 존재하지만 기공의 크기는 1 ~ 3□정도로 기공의 크기가 작았다.

반면 톱밥이 10% 첨가된 담체(c)에서는 1 ~ 2□ 정도로 미생물 크기와 유사한 작은 기공이 존재하고 미생물이 완전하게 숨을 수 있는 10□ 이상의 큰 기공이 존재하는 것이 관찰되었다. 톱밥이 20% 첨가된 담체의 경우 톱밥이 연소되고 남은 10□ 이상의 기공이 많이 존재하였다.

- 표면적

Fig. 2에 BET 흡착등온법을 이용하여 측정한 톱밥과 전분이 첨가된 체의 표면적을 측정하였다. 톱밥을 20% 첨가하였을 때의 표면적은 0.54m2/g이었으며, 전분을 20% 첨가하였을 때는 표면적이 2.23m2/g으로 전분 첨가 담체의 표면적이 톱밥 첨가 담체의 표면적보다 4.13배 넓었다. 이것은 전분 담체는 작은 기공을 많이 가지고 있기 때문에 큰 기공을 가지고 있는 톱밥 담체보다 표면적이 넓다고 사료되었다.

- 작은 기공과 큰 기공 담체의 미생물 부착능

미생물 부착능에 미치는 작은 기공과 큰 기공의 영향을 고찰하기 위하여 전분과 톱밥이 5 ~ 30% 첨가된 담체의 부착능을 Fig.  3에 나타내었다.

담체에 전분이나 톱밥을 첨가하지 않고 제조된 담체에 부착된 미생물 군집수는 6.3 x 108 CFU/cm2 이었으나, 전분과 톱밥 함량이 증가할수록 부착되는 미생물이 증가하는 경향을 보였으며, 톱밥이 첨가된 담체는 30% 첨가되었을 때 부착되는 미생물 군집수가 4배 가까이 증가되었고, 전분이 30% 첨가되었을 경우는 2.5배 정도 증가되었다. 톱밥과 전분이 첨가된 담체에 부착된 미생물을 비교해 보면 톱밥이 첨가된 담체에 부착된 미생물이 전분이 첨가된 담체에 부착된 미생물보다 1.3배 이상 부착되었다. 담체의 전체 표면적은 전분 첨가 담체가 톱밥 첨가 담체보다 4배 이상 크지만 미생물 부착이 적게 된 것은 미생물 부착시 전단응력으로부터 미생물을 보호할 수 있는 큰 기공이 미생물 피난처 구실을 한다는 것을 알 수 있으며, 이것으로 보아 큰 기공이 작은 기공보다 미생물 부착에 유리하다는 것을 알 수 있었다. 이는 공극의 지름이 미생물 크기보다 1 ~ 5 배 클 때 미생물 축적이 최대로 된다고 보고한 Murrys[7]의 결과 유사하였으며, 큰 기공을가지는 담체가 미생물이 전단응력에 대해 잘 피난할 수 있어 다량의 미생물을 함유할 수 있다고 사료되었다.

(a) Cone starch : 10%              (b) Cone starch : 20%

(c) Saw dust : 10%                (d) Saw dust : 20%

Fig.1. SEM photographs of  support carriers. (x 2000)

3. 결론

1. 압축강도와 미생물 부착능에 미치는 기공의 영향을 고찰하기 위해 작은 기공용 재료로 전분, 큰 기공용 재료는 톱밥(5 ~ 50% : 부피비)을 사용하여  11000C에서 5시간동안 소성하여 담체를 제조하였을 때 톱밥이 첨가된 담체는 크기가 1□정도의 작은 기공과 10□이상의 큰 기공이 골고루 분포되었으며, 전분이 첨가된 담체의 기공크기는 주로 1 ~ 2□이었다.

2. 톱밥과 전분 부피비를 다르게 하면서 미생물을 부착시켰을 때 부피비에 따라 부착되는 미생물 수가 증가하였다.

3. 전분이 첨가된 담체의 표면적이 톱밥이 첨가된 담체의 표면적보다 4배 이상 넓지만 미생물 부착이 1.3배 이상 적었다. 이것은 톱밥을 첨가한 담체의 기공 크기가 크기 때문에 미생물이 숨을 수 있는 피난처가 많기 때문에 미생물이 잘 부착되는 것으로 판단되었으며, 담체의 표면적보다  기공 크기가 더 중요한 요소임을 알 수 있었다.

4. 사사

본 논문은 환경기술.산업개발 연구센타(RRC/IETI)의 지원에 의하여 연구되었으며, 깊은 감사를 드립니다.

(RRC과제번호 : 97-10-99-A-2)

5. 참고문헌

1. Baker, J.H., "Factors Affecting the Bacterial Colonization of Various           Surfaces in River", Can. J. Microbiol., 30, 511-515(1984).

2. van Loosdrecht, C.M., Lyklema, Norde, W. and Zehender, "Bacterial            Adhesion: A Physicochemical Approach", Microbiol Ecology, 17,               1-15(1989).

3. Daniels, S.L. "The Adsorption of Microorganisms onto Solid Surfaces:         A Review", Dev. Ind. Microbiol, 13, 211-251(1971).

4. Anderson, G.K., Kasapgil, B., and Ince, O., "Comparison of Porous             and Non-porous Media in Upflow Anaerobic Filters when treating            Dairy Wastewater", Wat. Res. 28(7), 1619-1624(1994).

5. Young, K.C., and Dahab, M.F., "Effect of Media Design on the Performance     of Fixed-Bed Anaerobic Reactors", Wat. Sci. Tech., 15, 369-383(1983).

6. Huysman, P., Van Meenen, P., and van Assche, P., and Verstraete,            W., "Factors affecting the Colonization of Porous and Non-porous             Packing Materials in Model Upflow Methane Reactors", Biotechnol.            Lett., 5, 643-648(1983).

7. Murray, W.D., and Van den Berg., "Effect of Support Materials on the         Development of Microbial Fixed Films converting Acetic Acid to              Methane", J. appl. Bacterial. 51, 305-308(1981).