포말분리법에 의한 양어장의 단백질 제거

김병진, 조문철, 이회근, 이민규, 서근학

부경대학교 화학공학과

Removal of Protein by Foam Separation in Aquaculture

Byong-Jin Kim, Moon-Chul Cho, Hwae-Geon Lee, Min-Gyu Lee, Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

최근 들어 식생활 문화의 변화에 따른 어류의 대량 소비 추세에 따라 어류를 고밀도로 사육할 수 있는 순환여과식 사육시스템의 연구개발이 활발하게 이루어 지고 있다. 순환여과식 양식은 어류를 효과적으로 대량 생산할 수 있는 반면 어류의 배설물과 미섭취 사료 등에 의해서 암모니아, 아질산 및 유기질 고형 성분 등이 발생하여 사육중인 어류에 나쁜 영향을 야기하고[1] 오염된 폐수의 방출로 인해 환경오염도 유발하게 되므로 오염물질의 발생시 신속하고 완전한 처리가 요구된다. 배설물과 미섭취사료는 주로 단백질로 구성되어 있는 유기성 고형물로 미생물에 의해 분해되면서 어류에 유해한 암모니아나 아질산으로 전환되므로 미생물에 의해 분해되기전에 신속하고 효과적으로 제거하면 어류에 유해한 성분의 발생을 억제할 수 있다.

최근 양어장 순환수 중 어류에 유해한 성분의 처리 수단으로써 포말분리법이 검토되어지고 있다[2],[3],[4]. 포말분리법은 입자상 물질이나 용존 물질을 상승하는 기포에 부착시켜 분리시키는 방법으로써, 포말분리 공정에서 제거되는 물질들은 대개가 계면 활성 물질들로서 이들은 기-액 계면에 계면 활성 분자가 농축되는 성향을 가지고 있다[5][6].

David and Moffatt(1979)는 계면 활성 물질과 반대의 전하를 가지는 용존 이온들은 기-액 계면에 흡착된 계면 활성 물질과의 전기적 인력으로 기포에 흡착되어 기포와 같이 상승 분리된다고 하였으며[7], Pinfold[8]와 Schneph[9] 등에 의해 계면 활성이 없는 물질도 계면 활성 물질과 결합시키면 계면에서의 정전기적 인력 또는 착화합물 형성에 의해 효과적인 분리가 가능하다는 것이 고찰되었다.

일반적으로 단백질의 경우 소수기와 친수기를 모두 가지고 있어 기-액계면에 잘 농축되므로[10] 양어장 순환수의 경우 별도의 계면활성제를 첨가하지 않아도 효율적인 단백질의 제거가 가능하고 그와 더불어 주위의 계면활성이 없는 물질도 동반하여 제거시킬 수 있을 것으로 기대되며 다른 분리기술들은 대체로 목적성분의 농도가 희박해질수록 분리효율이 현저히 감소하는 반면 포말분리법은 목적성분의 농도가 희박할 때도 분리효율이 높을 뿐아니라 제거속도도 매우 빠르고 장치가 비교적 간단하여 운전 조작이 매우 간단하므로 실재 현장으로의 적용가능성이 매우 클것으로 기대된다.

본 연구의 목적은 실제 운전중인 양어장의 순환수에 함유된 유기성분의 주성분인 단백질을 제거하는데 있어 포말분리법의 적용가능성을 알아 보고자 하는 것으로써 초기단백질농도, 공탑공기속도, 포말관의 높이, 온도 및 pH의 영향 등에 따른 단백질의 분리특성을 조사하였고 이를 토대로하여 연속공정으로 운전하면서 운전에 영향을 미치는 인자인  공탑공기속도, 수력학적 체류시간, 포말층의 높이에 따른 영향을 고찰하여 최적의 운전 조건을 구하고자 하였다.

재료 및 방법

본 실험에서 사용된 포말분리장치는 Fig. 1의 형태로 내경 3cm, 높이 75cm의 아크릴관을 사용하여 제작하여 사용하였다. 포말분리관의 액본체 부피는 350□이었고 포말분리관 하부에는 glass filter를 이용한 air distributor를 접합시켜 기포가 작고 균일하게 발생하여 포말에의한 분리능이 최대가 될 수 있게 하였다. 공기의 공급은 air pump를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절밸브를 이용하여 조절하였다. 원수는 액층 상부에서 공급하고, 처리수는 하부에서 유출 되도록 하였으며 공기는 탑의 하부에서 공급함으로써 향류식 접촉을 시켰다.

포말분리 운전에 미치는 운전인자를 알아보기 위하여 초기 단백질 농도, 공탑 공기유속(superficial air velocity), 포말층 높이, pH, 온도 등을 변화시키면서 회분식실험을 행하였으며, 이를 통해 얻어진 운전인자를 사용하여 연속적인 포말분리를 행하면서 수력학적 체류시간(Hydraulic residence time), 공탑 공기유속, 포말층 높이 등이 실제 운전에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 장치 운전시 pH영향과 온도영향 실험을 제외하고는 포말 형성 특성의 재현성을 증대시키기 위하여 pH는 7.2, 용액 온도는 22℃로 일정하게 유지하여 조작하였다.

초기 단백질 농도의 영향을 알아보기 위한 실험은 양어장에서 생성된 foam condensate를 순환수에 첨가하여 단백질 농도를 80 - 190g/m3으로 조절하여 행하였으며 포말층 높이의 영향에 따른 분리특성 실험에서는 포말장치 상부의 U자형관을 제거하고 길이 30cm인 직관을 연결하여 액면에서 높이가 15cm인 지점으로부터 상부로 3cm 간격으로 포말유출구를 4개 설치하여 실험에 이용하였다. 액본체 시료는 하부의 5cm 높이에 위치한 시료 채취구를 액본체 높이까지 튜브로 연결하여 액본체 높이와 동일한 위치에서 시료를 채취하여  분석하였다

실험에 사용한 원폐수는 부경대학교에서 실재 운전중인 순환여과식 양어장의 순환수를 사용하였으며 단백질의 농도 분석은 Lowry법[11]에 의해 행하였다.

Fig. . Schematic diagram of foam separation.

결과 및 고찰

포말 분리가 일어나도록 하는데 필요한 주요 성분은 계면활성제 즉 포집제[5]로서, 이들 분자는 적어도 1개의 극성 말단부와 1개의 비극성 말단부를 가지고 있어 물분자는 극성 구조를 가지기 때문에 계면활성제의 비극성 말단부는 소수성이 되고 물의 바깥 부분 즉, 기포에 흡착되게 된다.

양어장에서 사료나 어류에 의해 생성되는 여러 물질들 중에서 단백질은 구조적·특성적으로 계면활성제와 같은 역할을 하는 물질로써, 기-액 계면에 농축되게 된다[10]. 이들 단백질 성분 중에서 계면활성성분의 양을 추정해 보기 위하여 Fig. 2에서 보여지는 바와 같이 회분식으로 포말분리 운전 시간에 따른 액본체 내의 단백질 농도 변화를 살펴보았다. 계면 활성 성분의 비는 초기 단백질의 총 농도에 대한 제거된 단백질의 농도의 분율로 나타낼 수 있으며, 이는 총 단백질 농도에 대한 계면 활성 단백질의 분율을 나타낸다. 그림에서 보여지는 바와 같이 단백질의 대부분은 운전 개시후 10-15분 이내에 제거되었으며, 총 단백질 중의 제거된 단백질의 비는 50 - 70%였다. 이러한 결과는 양어장수내에는 높은 농도의 계면 활성 물질이 함유되어 있음을 의미하며, 이는 양어장수로부터 단백질을 제거를 하는데 별도의 계면 활성 물질을 부가하지 않고서도 포말분리법이 적용 가능하며 또 이를 이용하여 고형물질도 제거할 수 있다는 것을 시사해 준다.

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 149g/m3로 유지하고, 공탑 공기유속을 0.59, 1.06, 2.00 및 2.83cm/s로 변화시키는데 따른 액본체 단백질의 제거율을 Fig. 3에 도시하였다. 그림에서 보여지는 바와 같이 공기유속이 증가함에 따라 제거율은 보다 향상됨을 알 수 있었다. 이는 공탑 공기유속이 증대할수록 기-액계면 면적이 증가하게 되고 그로 인해 흡착되는 성분들의 양이 증가한 것으로 생각된다.

양어장 순환수의 연속식 포말분리 장치의 운전시 단백질의 제거속도는 일반적으로 체류시간, 공기공탑속도, 포말층 높이등에 영향을 받는다. Fig. 4는 연속적으로 포말분리를 수행하면서 공기공탑속도의 영향을 검토한 것으로 원폐수의 포말분리관 내부에서의 체류시간을 3.3분, 원폐수의 단백질 농도를 149g/m3로 유지하여 공기 공탑속도를 1.4, 2.1, 2.8, 3.5cm/sec으로 변화시키면서 연속운전을 수행하여 얻어진 결과를 도시한 그림으로 1.4cm/sec부터 3.5cm/sec로 변화함에 따라 액본체의 단백질 농도는 112g/m3에서 60g/m3으로 낮아졌으며 이에따라 제거율은 45%에서 60%로 증가하였다. 공기공탑속도가 증가함에 액본체 농도가 낮아지는 것은 회분식 실험에서와 같이 공기 유량의 증대로 인한 기-액 접촉 면적의 증대의 결과로 보여진다.

포말분리관 내에서 폐수의 체류시간 변화에 따른 단백질 분리의 특성 변화를 조사하기위하여 공기 공탑속도를 2.1cm/sec, 초기단백질 농도를 149g/m3로 일정하게 유지하면서 체류시간을 3.3, 5.0, 6.7, 8.3 및 10분으로 변화시키면서 실험을 행하였다. Fig 5는 체류시간의 변화에 따른 단백질의 농도와 제거율의 변화를 에 나타내었다. 그림에서 보여지는바와 같이 체류시간의 증가에 따라 농도가 단백질 농도는 105g/m3에서 60g/m3, 제거율은 30%에서 60%로 변화하였다. 체류시간이 길어짐에 따라 제거율이 증가하는 것은 체류시간이 길수록 기포와 접촉하는 시간이 길어져서 흡착기회가 증가했기 때문으로 생각된다.

Fig. . Time courses of protein cocentration         in the bulk on initial concentration.

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

Fig. . Changes of bulk protein concentration          and removal efficiency on SAV.

Fig. . Changes of bulk protein concentration          and removal efficiency on HRT.

참고문헌

1. Miller, G.E. and Libey, G.S.  : Aquacultural Engineering, 3, 39-57(1984).

2. Chen, S. : Aquacultural Engineering, 13, 183-200(1994).

3. Weeks, N. C., Timmons, M. B. and Chen, S. : Aquacultural Engineering, 11,

251-265(1992).

4. Suh, K. H. and Lee, M. G. : J. Korean Fish. Soc. 28(5), 599-606(1995).

5. Rubin, E. : 'Foam fractionation-som recent studies edited by M. P. Freeman and      J. Fitz Patrick eds.', New York, USA(1981).

6. Davies, J. T. and Riedeal, E. K. : 'Interficial phenomena.', Academic Press,

New York, pp480(1962).

7. David, J. W. and Moffatt, K. R. : 'Foam flotation, Theory and Application',         Marcell Dekker, 418pp(1983).

8. Pinfold, T. A. : Ion floatation in adsorptive bubble separation technique.',            Academic press, New York, 53-73(1972)

9. Schnepf, R. W. : Chem. Eng. Progr., 54, 42-46(1959).

10. MacRichie, F. : Adv. Protein Chem., 32, 283-311(1978)

11. Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L. and Randall, R. J. : J. Biotech.,       193, 265-275(1951).