PVA제조 공정 폐수에서 PVA 분해 미생물 선별 및 최적화 연구

이영락, 이기용, 임지훈, 김상용*, 류원석**, 이진원

광운대학교 화학공학과,  한국생산기술연구원*,  영남대학교 섬유패션학부**

Isolation and Optimization of PVA-Degrading Microbes

from PVA Manufacturing Process Wastewater

YoungRak Lee, GiYong Lee, JiHun Lim, SangYong Kim*,

WonSeok Lyoo**, JinWon Lee

Department of chemical engineering, Kwangwoon university, Seoul, 139-701, Korea

Korea Institute of Industrial Technology, Chonan, Chungnam, 330-820, Korea*

College of art & design, Yeungnam university, Kyongsan, 712-749, Korea**

서론

우리 나라에서도 석유화학공업의 급속한 발달로 PVA(Polyvinyl Alcohol)와 같이 석유를 원료로 하는 합성 고분자 화합물을 대량 생산하여 광범위하게 사용하고 있는데, 이런 고분자 화합물과는 달리 PVA는 자연계의 물질 순환계로 쉽게 유입되지 않기 때문에 자연분해가 매우 어렵다.  PVA는 합성 방법에 따라 그 성질 또한 다양하게 변화되며, 이러한 합성 방법에 따라 염색공업의 호제, 직물공업의 사이징제, 제지공업의 코팅제, 접착제, 플라스틱 산업의 주형 합성제, 편광 및 포장용 필름, 분리용 필터 및 의학용에 이르기까지 각 방면에 널리 이용되고 있다.  그러나 넓은 응용 범위에서 사용되는 장점에도 불구하고 일반적인 고분자 물질과 같이 자연계에서는 수용성으로 인해 생분해가 어려워, 경우에 따라서는 하천 및 토양오염의 주요 원인물질로 작용되고 있다.  특히, 직물가공공단 폐수 중에는 각종 색소 화합물과 함께 조염제 내지는 사이징제로 사용된 PVA가 다량함유 되어 있고, 섬유 공업은 다량의 공업용수를 사용함으로써 우리 나라 전체 산업폐수 방류량의 약 16.61%에 해당하는 엄청난 양의 폐수를 방출하여 식품산업에 이어 두 번째로 많은 양을 발생시키고 있다.  또한, 하절기에는 수온이 40℃이상으로 상승되어 포기조의 혐기성 상태를 유발, 슬러지 미생물의 처리 활성이 현저히 저하됨과 동시에 원생동물의 생활 환경도 극히 악화되어 결국에는 floc 형성 불량 등으로 이어져 폐수처리 효율의 심각한 저하를 초래하는 등 직물가공공단 폐수는 산업 폐수 중에서도 많은 문제점을 가지고 있는 폐수인 것으로 보고되고 있다[1].

이를 해결하기 위한 방법으로는 주로 생물학적 처리방법에 의한 연구가 많이 진행되고 있다.  생물학적 처리방법이 많이 연구되고 있으며, 이는 주변 환경인자에 의해 영향을 크게 받고, 비록 생분해 속도가 느리지만 자연현상을 이용하기 때문에 에너지 사용량이 적어 경제적이고, 미생물의 신진 대사에 의해 오염물질이 무해한 기본 원소들로 전환되므로 부수적인 2차 오염물질의 발생이 적어 별도의 추가 처리가 필요하지 않은 장점이 있기 때문이다.  이와 같은 장점을 지닌 생물학적 처리 방법으로 PVA를 포함하는 고분자 물질을 처리할 수 있을 것으로 기대된다.

PVA 및 PVA가 함유된 폐수에 대한 생물학적인 처리 방법은 지속적으로 연구되고 있으며, PVA에 대한 분해능력이 뛰어난 미생물을 이용한 처리방법이 이전부터 연구되어 사용되어 왔고, 이에 관련된 미생물이 분리된 사례도 국내·외에 보고되고 있다[2, 3, 4].  본 연구에서는 첫째, PVA 제조공정폐수로부터 PVA 분해능력이 우수한 미생물을 선별하고, 둘째, 선별된 미생물의 관리, 배양 및 유지시키는 방법을 고안하여, 최종적으로 미생물의 배양 최적화 조건을 확립 하고자 하였다.

실험

본 실험에 사용된 균주는 PVA를 생산하는 D사의 폐수를 균원 시료로 하였다.  균주 선별을 위해 Agar plate에서 자란 colony를 배양 배지 100mL가 담겨진 500mL 플라스크에 접종하였고, 미생물의 순수분리를 위해 계대 배양을 거쳤다.  분리된 미생물이 PVA에 대한 분해 능력이 있는지를 조사하기 위하여 최대 활성을 지닌 균주를 500mL 플라스크에 50mL를 접종하여 7일 후 분해능을 조사하였다.  실험에 사용한 PVA는 중합도 500과 1,700인 것을 D사로부터 받아 이를 사용하였다.  PVA의 정량은 boric acid 존재 하에서 PVA와 iodine 용액이 반응, 녹색의 반응 산물이 정량적으로 생성되는 반응 원리를 이용한 Finley의 방법에 따라 정량 하였다[5].  즉, 일정량의 시료를 적절히 희석해서 준비한 시료 32mL에 15mL의 4% boric acid 용액을 잘 혼화하면서 첨가한 후, 3mL iodine 용액을 추가하여 전체 반응액이 50mL가 되게 하였다.  이 반응 혼합액을 30℃에서 20분간 150rpm으로 진탕 배양시킨 후, 670nm에서 흡광도를 측정하고 별도로 작성한 표준곡선을 이용하여 시료 중의 PVA량을 환산하였다. 본 연구에서 균주의 분리와 보관을 위해 사용한 배지는 다음과 같다.  액체 배지는 carbon source 5.0g, (NH4)2SO4 1.0g, KH2PO4 1.0g, K2HPO4 8.0g, MgSO4·7H2O 0.2g, NaCl 0.1g, CaCl2·2H2O 0.02g, FeSO4 0.01g, Na2MoO4·2H2O 0.5mg, Ca-pantothenate 0.4mg, inositol 0.2mg, niacin 0.4mg, p-aminobenzoate 0.2mg, pyridoxine 0.4mg, thiamine, 0.4mg, biotin 2□g, vitamin B12 0.5□g을 증류수 1L에 용해하였다.  고체 배지를 만들기 위해서 1.5%의 bacto-agar를 첨가하였다.  본 실험에 사용한 배지는 Tomoo등이 Pseudomonas O-3를 분리할 때 사용하였던 배지이며[4], 각 배지를 사용할 때에는 121℃, 1.5기압으로 20분간 살균한 후 사용하였다.  균주의 예비배양은 500mL 진탕 배양용 삼각플라스크에 PVA 배지 100mL를 사용하여 30℃, 150rpm 조건하에서 저온 배양기(Shaking Incubator SI-900R, Jeio Tech Co. Korea)에서 진탕 배양하여 실험하였다.

결과 및 토의

PVA의 분해율은 단일 균주 및 복합 균주를 통해 단일 균주에 대한 분해능을 연구하고, 복합 균주에 대한 분해율을 연구중이다.  그림 1은 M7A 단일 균주의 성장곡선과 PVA의 분해율을 보여주고 있으며, 균주의 성장은 배양 2일 후에는 성장이 정지기에 들어갔음을 볼 수 있고, PVA 분해율 또한 균주 성장 시기와 비슷하게 2일이 지난 후 더 이상의 분해가 진행되지 않음을 알 수 있다.  그림 2에서는 M11A의 성장곡선 및 PVA 분해율을 나타내었다.  그림 1과 마찬가지로 균주 성장에 따라 PVA 분해율이 영향을 받음을 알 수 있었다.  그림 3은 M12A의 성장곡선 및 PVA 분해율을 나타내고 있다.  이 경우에는 앞의 두 균주와는 달리 미생물의 성장이 저하되었음에도 불구하고 PVA 분해율이 다소 감소하는 경향을 볼 수 있었다.  다음 그림 2가지의 경우는 앞의 3가지 균의 경우와는 달리 복합 균주의 성장곡선과 PVA의 분해율을 보여주고 있다.  CHE b111균과 CHE c2112균을 혼합 배양하여 그에 따른 성장곡선 및 PVA의 분해율을 조사하여 그림 4에 나타내었.  이 경우 PVA 분해율은 약 29%였으며, 단일 균주의 경우보다 분해율이 다소 증가함을 확인하였다.  CHE a2111균과 CHE c1111균을 혼합 배양하여 미생물의 성장곡선 및 PVA의 분해율을 확인하여 그림 5에 나타내었고, 단일 균주에서 나타난 경우와 마찬가지로 성장이 진행됨에 따라 PVA 분해율 또한 증가되었으며, 균주의 성장이 정체기에 도달하면서 PVA 분해율 또한 증가되지 않았음을 알 수 있었다.  모든 결과를 종합해보았을 때, 단일 균주에 의한 PVA 분해율은 21% ~ 24%로 관찰되었으며, 일부 조사가 끝난 복합 균주의 경우 단일 균주와 비슷하게 약 24% ~ 29% 정도의 분해율을 보였다.  연구 결과, 복합 균주가 단일 균주에 비해 분해능이 더 우수한 것으로 판단되며, 지속적으로 조합 균주에 의한 분해능[2, 3]을 조사할 경우 난분해성 물질인 PVA의 완전분해도 가능 할 것으로 기대된다.

단일균주일 경우의 성장곡선 및 PVA 분해도

그림 1. M7A의 성장곡선 및           그림 2. M11A의 성장곡선 및

PVA 분해도                         PVA 분해도

그림 3. M12A의 성장곡선 및 PVA 분해도

복합균주일 경우의 성장곡선 및 PVA 분해도

그림 4. CHE b111+CHE c2112의         그림 5. CHE a2111+CHE c1111의

성장곡선 및 PVA 분해도              성장곡선 및 PVA 분해도

참고문헌

[1] Suzuki, T., Ichihara, Y., Dazai, M., and Misono, T., "Treatment Conditions of Waste Water Containing Polyvinyl Alcohol using Activatied Sludge.", 酸工. 51(9), 692-698, 1973

[2] 정선용, 조윤래, 조무환, 김정목, □폴리비닐 알콜 분해균주의 분리 및 특성□, Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 20(1):96-101, 1992

[3] Sakazawa, C., Shimao, M., Taniguchi, Y., Kato. N., □Symbiotic Utilization of Polyvinyl Alcohol by Mixed Cultures□, Apple. & Environ. Microbiol., Jan. 41(1):261-267, 1981

[4] Suzuki, T., Ichihara, Y., Yamada, M., and Tonomura, K., "Some Characteristics of Pseudomonas O-3 which Utilizes Polyvinyl Alcohol", Agaric. Biol. Chem., 37(4), 747-756, 1973

[5] Finley, J. H., "Spectrophotometric determination of polyvinyl alcohol in paper coatings.", Anal. Chem. 33:1925-1927, 1961