Geotrichum candidum에 의한 Orange G 염료의 색도제거 시스템 연구

고 동 욱, 김 의 용

서울시립대학교 화학공학과

Development of bioreactor systems for decolorization of Orange G using Geotrichum candidum

Dong Wook Ko, Eui Yong Kim

Department of Chemical Engineering, University of Seoul

서론

합성염료는 섬유, 종이, 화장품, 식품, 액정, 컬러필름용 색소, 전자기기 등에 활용되며 앞으로도 지속적으로 이용될 전망이다. 그러나 증가되는 염료의 사용량과 동시에 염료를 포함하는 산업폐수도 계속 증가 추세에 있다. 가장 많이 염료를 사용하는 분야는 섬유공업이다. 섬유공업 관련 업체는 1994년 일일 폐수 발생량이 432,000□로 전체 산업폐수 발생량의 5.9%이었으나 1997년에는 569,000□(11.7%)로 증가하였다. 일일 폐수 방류량도 1994년 409,000□으로 전체 산업폐수 방류량의 17.7%에서 1997년 552,000□(21%)로 증가하였다. 처리 전 오염 부하량도 1997년 현재 약 393톤으로 전체 산업의 오염 부하량의 14.7%에 이른다(1). 환경부의 공공수역 보전대책으로 마련된 수질환경기준 및 규제기준에 섬유표백, 염색 및 가공시설과 섬유제품가공 시설에 대한 배출폐수의 색도기준(청정지역 200도 이하)이 마련되었다. 염색폐수는 방출되는 폐수의 색도가 높아 효율적인 색도제거 공정이 필요하지만, 아직까지 색도제거를 효과적으로 처리할 수 있는 공정이 확립되어있지 않다. 산화-환원 공정에 의해 발색단 자체를 파괴, 활성탄을 이용한 흡착, 미생물에 의한 염색폐수의 색도제거에 관한 연구가 이루어지고 있는데 이중에서 미생물에 의한 방법은 물리-화학적 방법에 비해 처리비용이 저렴하고 처리한 후의 2차 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 색도제거에 대해 최근 많은 연구가 이루어지고 있지만(2), 용해성 염료는 일반적으로 응집-침전 처리가 어렵다.

본 연구에서는 용해성 염료 Orange G(Acid orange 10) 염료의 색도제거에 대해 고찰한 후, 질소원을 제한하여 색도제거 효율을 최대로 할 수 있는 시스템에 대하여 연구하였다. 또한 폴리우레탄(polyurethane foam)에 Geotrichum candidum(KCTC 6195)을 고정화 시켜 유가식 배양(fed-bach culture)과 반복 회분공정(repeated-batch culture)에 적용시켰다. 미생물의 고정화와 배지에서 질소원을 제한함으로써 색도제거의 효율을 높이고 이를 연속공정에 적용시키는 색도제거 시스템에 대해 연구하였다.

실험

실험재료:

Geotrichum candidum(KCTC 6195)을 유전자은행(KCTC)으로부터 분양 받아 실험에 사용하였다. 기본배지는 30g/L glucose, 5g/L polypeptone, 3g/L yeast extract, 3g/L malt extract를 사용하였다. 질소원이 제한된 배지로는 30g/L glucose, 0.2g/L yeast extract, 0.43g/L ammonium sulfate(high-nitrogen medium) 또는 0.02g/L ammonium sulfate(low-nitrogen medium)가 사용되었다(3). 발효조는 작업부피 4L(ID 17cm)규모의 실린더형 반응기로 재질은 pyrex를 사용하였다. 반응기내 온도, pH, DO센서를 넣고 controller에 의해 제어하였다(Fig. 1). pH 조정을 위하여 2N HCl과 2N NaOH가 사용되었으며 모든 실험은 초기 pH 6.0으로 하였다. 사용된 염료는 Orange G(Acid Orange 10, C.I. 16230, Aldrich Co.)으로 최대파장은 478nm이었으며, UV/VIS Spectrophotometer(HP 8452, Hewlett Packard)를 이용하여 측정되었다. 실험에 사용된 폴리우레탄(polyurethane foam, 지름 3~5mm)은 증류수로 3회 세척한 후, 80℃에서 2일간 건조시켜 사용하였다.

실험방법:

초기 pH 6.0, Orange G 염료의 농도가 200mg/L으로 조정된 YM배지(10~50g/L glucose, 5g/L polypeptone, 3g/L yeast extract, 3g/L malt extract)에 미생물을 접종하여 30℃, 120rpm으로 액체 배양하였다. Glucose 양(g/L)을 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50으로 변화시켜 시간에 따른 세포의 성장과 색도 제거량을 측정하였다. 또한 같은 조건에서 질소원이 제한된 Kirk 배지(30g/L glucose, 0.2g/L yeast extract, 0.43g/L ammonium sulfate 또는 0.02g/L ammonium sulfate)에서의 세포성장과 색도 제거를 관찰하였다.

Orange G 염료의 농도가 200mg/L로 조정된 YM배지(10g/L glucose, 5g/L polypeptone, 3g/L yeast extract, 3g/L malt extract)에 미생물을 접종하여 배양하였다. 2일 후에 10g/L glucose와 0.5g/L ammonium sulfate를 첨가하여 배양하면서 균체량과 색도제거량을 관찰하였다.

YM배지에 10g의 폴리우레탄을 넣은 후 미생물을 접종하여 4일간 배양하였다. 폴리우레탄을 회수하여 증류수로 2회 세척 후 80℃에서 2일간 건조하여 중량을 측정하였다. 동일 조건하에서 미생물의 계속적인 성장을 위해 4일마다 배지를 교체하면서 배양시간에 따른 폴리우레탄에 고정화된 미생물의 건조중량을 측정하였다. 고정화된 미생물은 이후 색도제거 실험에 사용되었다. Orange G 염료의 농도가 500mg/L으로 조정된 YM배지와 Kirk배지(0.02g/L ammonium sulfate)에 seed culture broth를 접종했을 때와 10%(v/v)의 미생물이 고정화된 폴리우레탄을 접종했을 때 색도제거를 관찰하였다. 또한 폴리우레탄에 고정화된 미생물을 접종하여 7일간 배양하다가 여기에 10g/L glucose를 첨가하여 배양하였다.

결과 및 토론

Glucose의 농도에 따른 색도제거에 대해 연구하기 위해 Orange G 염료가 200mg/L로 조정된 YM배지의 glucose 농도를 10∼50g/L까지 변화시키면서 균체량과 미생물에 의한 색도제거량을 측정하였다. 균체량은 glucose의 농도 30g/L까지는 glucose 농도에 비례하여 증가하였고 30g/L이상에서는 거의 비슷하였다. 1일 동안 배양 후 색도제거는 초기 200mg/L에서 glucose 초기농도가 10g/L일 때 73mg/L(약 37%) 제거되고 50g/L일 때 81mg/L(약 41%) 제거되어 배양 초기에는 거의 비슷함을 알 수 있었다. 그러나 배양 6일 후에는 glucose 초기농도가 10g/L일 때 147mg/L(약 74%) 제거되었으나 50g/L일 때 187mg/L(약 94%) 제거되어 초기 glucose의 농도가 높을수록 색도제거에 효과적임을 알 수 있었다(Fig. 2). 같은 조건에서 질소원이 제한된 Kirk 배지의 경우 낮은 질소원(0.02g/L ammonium sulfate)의 경우에 6일간 배양 후 약 34mg/L(17%)의 색도제거 능력을 보였다. 이것은 세포의 성장이 이루어지지 않은 상태에서는 색도제거가 어렵다는 것을 알 수 있었다. 따라서 효율적인 색도제거를 위해서는 질소원을 제한해 주기 전에 균체량이 증가될 수 있는 환경을 조성해 주어야 함을 알았다.

색도제거에 영향을 주는 인자들을 고찰하기 위해 미생물 접종하여 2일간 배양한 후 질소원과 탄소원을 첨가하였다. 10g/L glucose, 0.5g/L ammonium sulfate, 10g/L glucose와 0.5g/L ammonium sulfate를 첨가한 후 균체성장과 색도제거를 관찰하였다(Fig. 3). Ammonium sulfate만을 첨가한 경우 첨가하지 않았을 때보다 균체량은 거의 비슷하였으나 색도제거 효율이 낮았다. 이것은 ammonium sulfate가 균체 성장에는 이용되지 않았으며 질소원을 다량 함유할수록 색도제거의 효율을 높이는데 저해됨을 알 수 있었다. Glucose를 첨가한 경우 첨가하지 않았을 때보다 균체량이 증가했으며 색도제거 효율도 높았다. 효율적인 색도제거를 위해서는 glucose의 첨가가 필수적이라는 것을 알았다. 또한 ammonium sulfate와 glucose를 첨가한 경우보다 glucose만을 첨가했을 때 색도제거 효율이 높은 것을 알 수 있었다. 따라서 색도제거를 위해 glucose를 배양 중 첨가하는 것(fed-batch culture)과 질소원을 제한해 주는 것이 효과적임을 알 수 있었다.

효율적인 색도제거를 위해 생물반응기 시스템으로 균체의 성장이 가능하면서 질소원이 제한된 환경을 조성할 수 있는 고정화 미생물 시스템을 사용하였다. 폴리우레탄(polyuethane foam)에 미생물을 고정화시켜 색도제거에 사용하였다. 10g 의 담체에 고정화된 미생물의 균체량은 0.23∼0.25g이었다. 초기 500mg/L의 YM배지에 미생물을 접종하여 12일간 배양하면 408mg/L(82%) 제거되었던 색도는 폴리우레탄에 고정화시킨 미생물을 사용했을 경우 8일간 배양하면 419mg/L(84%)까지 제거되었다. 같은 조건에서 폴리우레탄에 고정화시킨 미생물을 YM배지에서 7일간 배양하고 10g/L glucose 를 첨가한 경우, 12일간 배양하면 492mg/L(98%)까지 색도가 제거되었다(Fig. 4).

참고문헌

1. 환경부, 환경통계연감, 11호, 112-113(1998)

2. Seong Jun Kim and Makoto Shoda, Decolorization of moasses and a dye by a newly isolated strain of the fungus Geotrichum candidum Dec 1, Biotechnol. Bioeng., 62, 114-119(1999)

3. T.K. Kirk, W.J. Schultz and L.F. Lorenz, Influence of culture parameters on lignin metabolism by Phanerochaete chrysosporium. Arch. Microbiol., 117, 277-285(1978)

Fig. 1. Schematic diagram of the decolorization equipment.

Fig. 2. Time change of the spectra of dyes in media.

: (a) 10g/L , (b) 30g/L, (c) 50g/L glucose in YM medium

Fig. 3. Fed-batch culture

(addition of glucose and (NH4)2SO4 after 2days incubation)

Fig. 4. Decolorization of Orange G  by using immobilized Geotrichum candidum on polyurethane foams.