포말분리법에 의한 해수 중의 단백질 제거

김병진·이정훈·서근학

부경대학교 화학공학과

Proteins Removal by Foam Separator in Sea Water

Byong-Jin Kim, Jung-Hoon Lee and Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Pusan, Korea

서론

최근 경제 성장과 더불어 고단백, 저지방 식품인 어류의 수요가 증대되고 있으며, 특히 횟감용 활어의 소비량이 급증하고 있다. 반면 해수의 수급이 용이하지 않은 내륙지방의 경우 활어수조 내 해수의 오염도가 높아 어류의 폐사가 발생하며, 이로 인해 국민건강에 영향을 미친다. 활어 수조 내에서 발생되는 어류의 배설물 중 단백질 성분은 미생물에 의해 분해되어 암모니아를 발생시키고 용존산소를 감소시키는 물질로서 신속한 제거가 필요하다[1].

본 연구의 목적은 해수에 함유된 단백질을 포말분리법을 이용하여 연속적으로 제거하는 공정을 개발하는 것으로서, 포말분리장치로 유입되는 폐수 내 단백질 농도 및 수력학적 체류시간이 단백질 제거속도와 제거율에 미치는 영향 등을 고찰하였다.

재료 및 방법

본 실험에서 사용된 포말분리장치는 Fig. 1의 형태로 내경 5 cm, 높이 60 cm의 아크릴관을 사용하여 제작하여 사용하였다. 포말분리관의 액본체 부피는 1 L였으며 포말분리관 하부에는 유리 여과기(pore size : G3)를 이용한 공기 분산기를 접합시켜 기포가 작고 균일하게 발생하여 포말에 의한 분리능이 최대가 될 수 있게 하였다. 공기의 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절밸브를 이용하여 조절하였다. 원수는 액층 상부에서 공급하고, 처리수는 하부에서 유출 되도록 하였으며 공기는 탑의 하부에서 공급함으로써 향류식 접촉을 시켰다.

Fig. . Schematic diagram for the foam separation experimental.

실험에 사용한 해수는 부산지역 횟집에 공급되는 해수에 부경대학교 부속양어장에서 발생하는 포말 농축물을 희석시켜 사용하였다. 단백질의 농도 분석은 UV280 method[2]를 사용하였다.

결과 및 고찰

유입되는 해수내 단백질 농도가 단백질 제거 속도 및 제거율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 체류시간을 2.34 min, 공탑 공기 유속을 0.85 cm/sec로 유지하고 유입되는 해수 내의 단백질 농도를 12.0, 23.7, 38.0, 49.3, 62.4 g/m3으로 변화시키면서 연속운전을 수행하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 유입되는 단백질의 농도가 증가함에 따라 단백질  제거율은 감소하였으며 단백질 제거속도는 체류시간의 증가에 따라 증가하다가 평형에 도달하는 것으로 나타났다. 이는 유입되는 단백질의 농도는 증가하나 단백질이 흡착될 수 있는 기·액 계면의 면적이 한정되어 있어 나타나는 현상으로 사료된다.

Fig. . Changes of protein removal rate and removal efficiency on initial protein concentration.

연속 포말분리 공정에서 운전 효율에 가장 큰 영향을 미치는 운전 인자인 수력학적 체류시간의 변화에 따른 단백질 분리의 특성 변화를 조사하기 위하여 공탑 공기 속도를 0.85 cm/sec, 초기단백질 농도를 16.13 g/m3로 일정하게 유지하면서 체류시간을 8.8, 3.5, 1.4, 0.77, 0.48, 0.28 min으로 변화시켜 단백질 제거 실험을 수행하였다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 수력학적 체류시간이 감소하여 유량이 증가함에 따라 단백질 제거속도도 증가하여 0.48 min의 체류시간에서는 10.25 g protein/m3·min으로 최대값을 나타내었고 0.48 min 이하의 체류시간에서는 단백질 제거속도가 급격히 감소하였다. 단백질의 제거율은 수력학적 체류시간이 감소함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 유량이 증가하여 체류시간이 감소할수록 해수 속의 단백질과 기포와의 접촉기회가 증가하여 제거 속도가 증가하는 것이며 0.48 min 이하의 체류시간에서는 단백질이 기포에 접촉하는 기회의 증가에 의해 기·액 계면에 흡착되는 단백질의 양보다 액체 흐름에 의해 반응기를 통과하는 단백질의 양이 증가하기 때문으로 사료된다.

Fig. . Changes of protein removal rate and removal efficiency on hydraulic residence time.

Fig. 4는 수력학적 체류시간의 변화에 따른 유입수와 유출수의 용존산소 농도 변화와 총괄 산소 전달 계수 KLa를 나타낸 것이다. 총괄 산소전달계수는 어떤 기-액 접촉장치의 조건을 대표하는 수치로서 그 값이 클수록 산소의 전달효율이 높음을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 유입수의 용존산소 농도가  2.5 - 2.6 g/m3 정도로 매우 낮게 공급됨에도 유출수의 용존산소 농도는 체류시간의 변화에 큰 영향을 받지 않으며 6.5 - 6.7 g/m3의 범위를 보임으로서 포말분리 장치는 단백질을 제거함과 동시에 어류에 꼭 필요한 용존산소를 효율적으로 공급할 수 있는 폭기장치로도 병용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 수력학적 체류시간의 변화에 따른 총괄 산소 전달계수의 변화는 단백질 제거속도와 동일한 형태를 보였다.

Fig. . Changes of total dissolved oxygen transfer coefficient and DO saturation efficiency on hydraulic residence time.

포말분리장치에서 단백질 제거 속도는 공탑 공기유속과 밀접한 관계를 가지고 있다. 공탑 기체유속은 포말 분리관을 통하여 흐르는 공기 흐름 속도를 표현하는 유용한 방법이다. 공탑 기체유속은 포말 분리관을 통하여 흐르는 공기의 체적유속과 분리관의 단면적의 비로써 나타내어진다. 포말 분리관에 공급하는 공기유속의 변화에 따른 단백질 제거 효율의 영향을 조사하기 위하여 원수의 초기 단백질 농도를 27.61 g/m3, 수력학적 체류시간을 2.05 min으로 유지하고, 공탑 공기유속을 0.48, 0.85, 1.3, 1.7, 및 2.1 cm/sec로 변화시키는데 따른 단백질의 제거속도와 제거율의 변화를 Fig. 5에 각각 도시하였다. 그림에서 보여지는 바와 같이 공기유속이 증가함에 따라 각 성분들의 제거율과 제거속도는 동일한 경향으로 증가되었다. 그리고 단백질의 경우 1.3 cm/sec이상의 공탑 공기유속에서 공탑공기 유속의 증가에 비해 제거속도 또는 제거율의 증가율이 감소되는 것으로 나타났다.

Fig. . Changes of protein removal rate and removal efficiency on superficial air velocity.

공탑 공기유속이 증가함에 따라 제거속도와 제거율이 증가하는 것은 공탑 공기유속이 증대할수록 기·액 계면의 면적이 증가하게 되고 그로 인해 흡착되는 성분들의 양이 증가하기 때문으로  생각된다. 그러나 일정한 기체량 이상에서는 계면 면적의 증가에 따라 흡착될 수 있는 단백질의 양이 부족해지므로 제거속도와 제거율의 증가율이 감소되는 것으로 사료된다. 또한 공기 공급량이 계속 증가할 경우 액본체에서의 기체 분율이 증가하여 포말간의 거리가 좁아지게 된다. 이로 인해 포말이 서로 합치되어 포말의 크기가 커지게 되므로 기체량의 증가에 비해 기-액 계면의 면적이 비례하여 증가하지 않기 때문에 일정 기체량 이상에서는 단백질 제거속도와 제거율의 증가율이 감소되는 것으로 사료된다.

포말분리장치에 공급되는 기포의 크기는 포말분리효율에 큰 영향을 미친다. 공급되는 기포의 크기는 포말분리 장치 하부에서 기포를 발생시키는 공기분산기의 기공크기와 공기 유속에 의해 결정된다. 공기분산기의 기공이 작을수록 발생되는 기포의 직경이 작아 동일한 공기 유속에 대해 보다 넓은 기·액 계면의 면적을 유도할 수 있다. 그러나 공기분산기의 기공을 작게 만들기 위해서는 보다 많은 비용이 필요하게 되므로 장치의 제작비용이 증가된다.

공기분산기의 기공크기가 포말 분리의 효율에 미치는 영향을 알아보고 적절한 기공크기를 가지는 공기분산기를 선택하기 위하여 90 - 150 □의 기공크기를 가지는 G1 size, 40 - 90 □의 기공크기를 가지는 G2 size, 3 - 15 □의 기공크기를 가지는 G4 size의 유리 여과기와 기공크기를 알 수 없는 시판용 직경 3cm의 산기석을 공기 분산기로 사용하여 수력학적 체류시간 2.05 min, 초기 단백질 농도 27.72 g/m3, 공탑 공기유속 0.48 cm/sec의 조건으로 단백질 및 부유 고형물의 제거실험을 수행하였다.

Fig. . Changes of protein removal rate and removal efficiency on air distributor hole size.

Fig. 6은 공기분산기를 G4, G2, G1 규격의 유리여과기를 사용한 것과 시중에서 시판되고 있는 산기석을 사용하여 나타난 단백질의 제거속도 및 제거율을 비교하여 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 단백질의 경우 G1과 G2는 거의 효율의 차이가 없는 것으로 나타났으며 G4는 효율이 증가되는 것으로 나타났다. 또한 산기석의 경우 그 효율이 G4와 G2의 중간 정도로 기공 크기는 약 35 □정도로 추정되었다.

참고문헌

[1] 서근학, 이회근, 김병진, 조문철, 안수현, 조재윤, 1998, 포말분리법에 의한 양어장의 단백질 제거, 한국환경과학회지, 7(1), 41-45

[2] Bollag, D.M. and S.J. Edelstein, 1991, Protein methods. Wiley-Liss, New York, USA, 46pp.