Polyurethane에 고정화시킨 Geotrichum candidum에 의한 색도제거

고 동 욱, 김 의 용, 이 진 원^, 유 영 제^^

서울시립대학교 화학공학과, 광운대학교 화학공학과^, 서울대학교 화학공학과^^

Decolorization of dyes using immobilized  Geotrichum candidum

on polyurethane

Dong Wook Ko, Eui Yong Kim, Jin Won Lee^, Young Je Yoo^^

Dept. of Chemical Engineering, University of Seoul,

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University^,

Dept. of Chemical Engineering, Seoul National University^^

서  론

인류의 문명발달이 시작되면서부터 자연에 대한 파괴가 시작되었지만, 그 피해 정도가 최근에는 심각한 상태에 이르렀다. 합성염료의 이용은 섬유, 종이,  화장품, 식품 그리고 최근에는 액정, 컬러 필름용 색소 등 전자기기 관련 분야로 폭 넓게 확산되고 있다. 특히 섬유산업은 의생활 개선과 함께 앞으로도 지속적으로 발달될 전망이지만 그곳에서 배출되는 염색폐수는 아직까지도 대부분 사업장에서 효율이 낮은 기존의 처리방법을 사용함으로써 환경오염의 정도가 심각하다. 최근 폐수의 양을 줄이고자 하는 노력과 함께 물리·화학적 처리 기술을 개발하고 있지만, 성분조성이 복잡하고 수질변동이 커 처리비용과 효율면에서 만족할 만한 수준은 아니며 따라서 기존의 처리 시설을 대부분 그대로 유지하고 있다. 하지만 각종 국제기구의 환경오염에 대한 제한, 환경에 관한 법률 강화와 환경보전 인식의 확산으로 효율적인 폐수처리 시스템이 요구되고 있다. 현재 사용되는 기존의 처리시설은 효율적이지 못한 운용과 관리 소홀로 많은 부분 기능을 발휘하지 못하고 있으며 폐수의 양과 질 변동에 적합한 시스템을 운용하지 못하고 있는 실정이다.

색도제거에 대해 최근 많은 연구가 이루어지고 있지만, 용해성 염료는 일반적으로 응집 침전처리가 어렵다. 따라서 산화·환원 공정에 의해 발색단 자체를 파괴, 활성탄을 이용한 흡착, 미생물에 의한 염색폐수의 색도제거에 관한 연구가 이루어지고 있다. 이중에서 미생물에 의한 염색폐수의 색도제거 방법은 물리·화학적 방법에 비해 처리비용이 저렴하고 처리한 후의 2차 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 미생물에 의한 탈색은 Phanerochaete chrysosporium을 이용하여 많은 연구가 진행되고 있다. 이 균은 리그닌을 분해하는 균으로 알려져 있는데 아조(Azo)계 염료를 체외효소에 의하여 분해하는 것으로 보고되었다. 이밖에도 Pleurotus ostreatus, Coriolus versicolor, Streptomyces spp. 등이 염료분해를 위하여 연구되었다. Geotrichum candidum은 스크리닝을 통해 탈색연구에 이용되었는데 아조(Azo)계 및 안스라퀴논(Anthraquinone)계 등 다양한 염료를 분해하는 활성이 있음이 보고되었다. 본 연구에서는 Geotrichum candidum(KCTC 6195)을 이용한 색도제거에 대하여 연구하였다. 색도제거의 효율을 최대로 하는 조건의 최적화와 실제 응용가능성을 검토하기 위하여 polyurethane 담체를 이용한 색도제거를 실험하였다.

재료 및 방법

실험재료:

균주로 Geotrichum candidum(KCTC 6195)을 유전자은행(KCTC)으로부터 분양 받았다. 배지로는 기본적으로는 YMA배지( Glucose 10g/l, Polypeptone 5g/l, Yeast extract 3g/l, Malt extract 3g/l, Agar 20g/l, pH 6.0)를 사용하였다.  pH조정을 위하여 2N HCl과 2N NaOH가 사용되었다. PDA배지(Glucose 300g/l, Glucose 20g/l, Agar 15g/l, pH 6.0)는 균주 구입 후 초기 균체 배양과 간이배양에 사용하였다. Air-lift 반응장치를 제작하여 실험하였으며 반응조 용적은  1.5L로 설계되었다. 염료시약으로는 Acid Red 1(Amido Naphthol Red G, Azophloxine, C.I. 18050, □max=502, 506nm, Aldrich), Acid Red 88(C.I. 15620, □max=506nm, Aldrich), Acid Orange 10(Orange G, C.I. 16230, □max=475nm, Aldrich), Disperse Red 1(C.I. 11110, □max=502nm, Aldrich), Disperse Red 13(C.I. 11115, □max=503nm, Aldrich), Disperse Orange 11(C.I. 60700, □max=478nm, Aldrich), Reactive Blue 19(Remazol Brilliant Blue R, C.I. 61200, □max=592nm, Sigma)을 사용하였다.

실험방법:

고체배지에서의 색도제거: 200ppm 농도로 각각의 염료를 넣은 YM agar배지를 30℃에서 7일간 배양한 후, 미생물에 의한 색도제거를 관찰하였다. 색도제거 범위를 정확히 관찰하기 위하여 알코올로 세척하여 균체를 제거한 다음 배지의 색도제거 부분을 관찰하였다.

색도제거를 위한 최적조건: 미생물 성장에 미치는 초기 pH의 영향, 온도의 영향, 빛의 영향과 호기/혐기조건에 따라 염료분해에 있어서의 차이를 실험하였다. 배지의 glucose의 농도를 변화시킴으로써 미생물이 염료를 분해할 때 필요한 최적의 glucose농도를 측정하였다.

미생물의 염료 이용: 500ml 삼각 플라스크 2개에 pH가 6으로 조정된 YM배지 100ml에 종배양액 3ml을 접종하여 150rpm조건에서 약 21일간 배양하였다. 전체 배지 농도가 100ppm으로 한쪽에는 glucose를 다른 한쪽에는 Acid orange 10염료를 넣고 24시간 더 배양한 후, 미생물의 농도와 염료의 농도를 측정하였다.

염료의 균체 흡착: 염료를 20ppm으로 배지에 녹여 원심분리하여 상등액을 채취한 후 각각의 염료 최대 파장에서 흡수 분광도를 측정하였다. 이와 비교되도록 500ml 플라스크에 150ml의 YM배지에 종배양액  5ml넣고 30℃, 150rpm으로 3일간 배양한 후 배양액 10ml 을 4℃, 12000rpm으로 원심분리하여 상등액 제거하고 증류수를 넣어 세척하였다. 2회 반복하여 세척된 균체를 20ppm농도의 염료가 들어 있는 배지에 넣어 혼합하고 지연시간 없이 원심분리한 후 상등액을 채취하여 각각의 염료 최대 파장에서 흡수 분광도를 측정하였다.

색도제거와 미생물 고정화: 100ppm과 500ppm으로 조정된 150ml의 YM배지에   종배양액 5ml넣고 30℃, 150rpm으로 배양하면서 처음(0시간)과 24시간, 120시간 후 시료를 채취하여 색도제거를 측정하였다. Polyurethane(지름 3-5mm)담체를 증류수로 3회 세척하여 80℃에서 2일간 건조하였다. 500ml 플라스크에 Acid orange 10염료가 500ppm으로 조정된 150ml의 YM배지 두개에 종배양액 5ml넣고 배양하였다. 3일간 배양된 배양액은 각각 염료 제거량이 측정된 후 한쪽 배지에만 건조된 polyurethane 담체를 멸균하여 배지의 10 vol% 되게 넣고 4일간 더 배양하였다. 7일간 배양된 두 배지의 색도를 비교하였다. 동일한 방법으로 Air-lift 반응장치로도 실험하였다.

결과 및 토론

고체배지에서의 색도제거 :

고체배지 위에서 각각의 염료와 pH, 온도에 따라 차이는 있지만 거의 모든 시료에 대하여 색도가 제거됨을 알 수 있었다(Fig. 1).

미생물 성장과 색도제거에 미치는 주요 환경 인자들 :

미생물의 균체 건조 중량이 최대인 배양 시작 후 3일이 되는 배양액을 기준으로 실험하였다. 초기 pH가 5-6일때 최고의 성장을 보였고 4이하일 때와 8이상에서는 미생물의 성장이 저조하였다. 이상의 결과로부터 미생물 배양에 대한 초기 최적 pH는 6으로 하여 이후의 모든 실험에 적용하였다. 20℃에서나 35℃에서는 미생물이 극히 저조한 성장률을 보였고 25℃에서 미생물이 최고의 성장률을 보였다. 그러나 색도제거는 30℃에서 25℃보다 우수한 색도제거 능력을 보였다(Fig. 2). 또한 빛에 의한 미생물의 성장과 색도제거에 미치는 영향은 없었다. 0-15g/l 사이에서 glucose의 양이 많을수록 높은 세포성장과 색도제거율을 보였지만, glucose conc. 10g/l와 15g/l는 1.5배 차이에 비하여 큰 세포성장과 색도제거의 차이가 나타나지 않았다(Fig. 3). Glucose conc. 4g/l에서는 단위 glucose 당 색도제거는 뛰어 났지만, 전체적인 색도제거에 있어서는 만족할 만한 수준은 아니었다. 따라서 실제 조업에서는 glucose conc. 10g/l정도가 적당하다고 생각하였다. 호기 조건에 비하여 혐기 조건에서 색도제거가 저조하였으며, 12시간이후 혐기 조건을 호기 조건으로 전환하였을 때 빠른 색도제거가 이루어졌다. 이것으로 색도제거를 하기 위해서는 호기 조건을 유지하는 것이 필수적이라는 것을 알 수 있었다(Fig. 4).

미생물의 성장과 색도제거 :

배양 후 약3일 정도가 지나서 가장 높은 균체량을 나타냈다. 그 이후에는 점차

a) Acid orange 10

b) Acid red 88

c) Disperse orange 11

Fig. 1. Decolorization on solid medium

Fig. 2. Effect of Temp. on cell growth and decolorization

Fig. 3. Effect of glucose conc.

on decolorization

균체량이 감소하였다. pH는 급격히 감소하여 약3일에 최저값을 나타내고 그 후에는 다시 점차 증가하였다(Fig. 5). 건조시킨 세포를 주입한 후 혼합하여 원심분리하면 Acid red 1, 19.8% ; Acid red 88, 73% ; Acid orange 10, 12.1% ;  Reactive blue 19, 14.6%가 세포에 자체흡착에 의해 색도제거됨을 알 수 있었다. Acid orange 10 염료 100ppm과 500ppm에 대한 색도제거는 그래프에서와 같았다. 초기의 색도제거율이 빠른 것을 알 수 있었으며, 그 이후에는 점차 색도제거율이 느려지는 것을 알 수 있었다. Acid orange 10 염료의 경우 배양 후 120시간 후에는 초기100ppm에서 22ppm으로, 초기 500ppm에서 81ppm까지 색도가 제거되는 것을 알 수 있었다(Fig. 6). 초기 염료(Acid orange 10)농도 500ppm에서 미생물만을 7일간 배양했더니 68ppm으로 색도가 제거된 반면 미생물을 3일간 배양한 후 Polyurethane 담체를 넣고 4일간 더 배양한 경우 31ppm까지 색도 제거되어, 담체를 사용하는 것이 더 많은 색도제거를 할 수 있음을 알았다.

Fig. 4. Effect of oxygen

on decolorization

Fig. 5. Cell growth curve

a) Initial  dye conc. 100ppm

b) Initial dye conc. 500ppm

Fig. 6. Decolorization of Acid orange 10

참고문헌

1. Chae Gun Phae, Kwang Wook Baek, Makodo shoda, Biodegradation and Decolorization of Reactive Dye by fungus Deco11, J. of KSEE, 15, 517-525(1993)

2. Seong Jun Kim, Makoto Shoda, Purification and Characterization of a Novel Peroxidase from Geotrichum candidum Dec 1 Involved in Decolorization of Dyes, Appl. Environ. Microb., 65, 1029-35(1999)