산소 플라즈마로 표면 처리한 폴리우레탄 필터폼의 미생물

고정화능 향상에 관한 연구

김영선, 명성운, 최호석, ．최재혁

충남대학교 공과대학 화학공학과, ．유렉셀 테크놀러지(주)

A Study on the Enhancement of Microbial Adhesion of Polyurethane Filter Foam treated by Oxygen Plasma

Young-Sun Kim, Sung-Woon Myung, Ho-Suk Choi, Jae-Hyuk Choi．

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 220 Kung-dong, Yusong-gu, Taejon, 305-764, Korea

．Urecel Technology Co., LTD., Kongdo-Myun, Ansung City, Kunggi-Do, 456-820, Korea

1. 서 론

신소재 분야에서 연구되어지고 있는 플라즈마 처리는 Bulk 본연의 성질에는 변화 없이 새로운 표면성질을 만드는데 유용한 기술로 알려져 있고, 이중에서 표면 층만을 개질하는 많은 기술들이 연구 및 개발되고 있다.[1] 이 기술의 핵심은 플라즈마내의 전자, 원자, 라디칼들이 고분자 물질 표면 위에 수소 원자나 기타 결합이 약한 원자와 충돌하여 결합을 끊고 라디칼을 형성하여 다른 반응종들을 형성하거나 고분자 물질 구조내의 다른 라디칼과 결합하여 가교되는 것이다.

최근 다양한 생물학적 처리공정들이 개발되고 환경오염물질 배출에 관한 규제가 강화됨에 따라 생물학적 폐수처리기술 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 생물학적 폐수처리기술로는 크게 활성오니법과 생물막법으로나눌 수 잇다. 이중 폐수중에 미생물을 부유시켜 부유미생물의 증식에 의해 처리하는 활성오니법의 경우 부하변동에 대한 대처능력이 낮고 잉여오니가 많이 발생하는 문제점이 잇다. 반면, 생물막법의 경우 담체에 미생물이 고농도로 부착되어 오니의 팽화현상을 막을 수 있고, 부하변동의 영향을 작게 받으며 오니의 발생량이 적으므로 시설비 및 동력비면에서 경제적이다.[2]

담체는 크게 유기담체와 무기담체로 나눌 수 있는데, 이중 카르복실기, 아미노기, 히드록실기와 같은 반응성 작용기를 유기담체의 표면에 붙이기 용이하기 때문에 유기담체를 널리 사용한다. 한편, 유기담체를 다시 폴리사카라이드계와 단백질계·합성고분자계 담체로 세분할수 있는데, 이중 합성고분자계 담체인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리스티렌,  PMMA 등은 화학적, 기계적으로 매우 안정하고 값이 저렴하며, 가공이 용이하여 다향한 구조로 쉽게 성형 할 수 있으므로 이를 미생물 고정화 담체로 사용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 고정화 담체를 제조하는 경우, 고분자계 담체의 표면을 개질하지 않고 단지 자연적으로 부착하려는 미생물의 성질을 이용하여 고정화시키기 때문에 담체의 표면에 수개월에 걸쳐서야 생물막이 형성된다는 문제점이 있다.[3] 즉, 폴리우레탄을 포함한 고분자계 담체의 경우 표면 자유에너지가 작고 소수성이 강하며 중성 영역에서 표면 전하가 음성이므로 친수성이 강한 미생물이 상기 담체의 표면에 흡착하는 것이 용이하지 않으며 생물막 형성에 오랜 시간이 소요되는 문제점이 있다.[4] 이 연구는 단열재 및 필터용으로 많이 생산되는 합성 고분자의 표면을 플라즈마로 표면 개질 하여 친수성을 부여함으로써 담체에 대한 미생물의 초기 고정화 특성을 향상시키고 미생물의 서식처로서 이용될 수 있는 효율적인 고정화 담체를 개발하기 위하여 수행되었다.

2. 실 험

본 실험에서 사용한 플라즈마 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.

Figure 1. Reactor for plasma treatment of beads or film.

반응기 부분은 직경 11cm, 높이 12cm의 Pyrex 유리관으로 되었고, 유리관 바닥은 입자 형태의 시료를 처리하기 위해서 마그네틱 바를 넣어, 반응기를 회전시키지 않고 마그네틱바의 회전에 의하여 입자를 유동시킬 수 있도록 함으로써 장치가 간단하며 유동층 반응기처럼 입자의 크기에 대한 제약이 없도록 설계하였다.  시편을 덮개에 고정된 시료 고정 막대에 고정하여 플라즈마의 세기에 따라 시료 고정 막대의 위치를 변화시킬 수 있고,  micro needle valve를 사용하여 유입되는 산소의 유량을 조절하였다. 반응기내의 압력은 일정 pumping speed(150□/min)하에서 기체의 유량을 조절하여 설정하였고, 반응기 내의 압력을 측정하기 위하여 반응기와 펌프사이에 TC gauge(Varian Co., 801, Analog type)를 설치하였다. 기체 유입이 없을 때, 반응기 내의 기초 압력은 10mTorr 이하의 진공도를 보였다. 진공시스템 부분은 반응기 안의 불순한 가스를 배기하기 위하여 로터리 펌프(KODIVAC Co., 150□/min)를 사용하였고, 반응기 벽면에 부착된 불순 가스를 배기하기 위하여 Diffusion pump(KODIVAC Co., 360□/sec)를 사용하였다.

2.1 전처리

플라즈마 처리 할 담체인 폴리우레탄(유렉셀 테크놀로지)은 직육면체(3cm×3cm×1cm)로 만들어 사용하였고, 담체의 전처리를 위해서 500ml의 증류수에 FeCl3·6H2O(Aldrich Chemical, Inc.) 1.35mg을 용해시켜 10mM 염화제2철 용액을 만들었고, 이때 FeCl3·6H2O이 매우 소량이기 때문에 0.1M의 농축용액을 조제한 후 이를 희석시켜 사용할 수도 있다. 10mM 염화제2철 용액에 적정 크기로 제작한 담체를 넣은 후 30℃에서 3시간 동안 강하게 교반 시켰다. 그 다음 담체를 꺼내어 증류수로 세척한 후 2시간 동안 50내지 60℃에서 건조시켰다.[5]

플라즈마 처리를 하기 전에 폴리우레탄 필름과 폼으로부터 표면이 묻어있는 불순물을 제거하기 위하여 사용 전에 증류수로 세척한 후 진공 건조기에서 충분히 건조시켰다. 상기 필름이나 폼을 반응기 안의 시료 고정대에 넣고 진공펌프를 사용하여 반응기내의 가스를 배기 시켰다. 반응기 압력이 10mTorr 이하의 압력으로 진공을 건 후, 산소가스를 주입하여 10mTorr 로 조정하였다. 첫 단계로 아르곤(Ar)-플라즈마 처리를 하기 위해 플라즈마 발생 장치를 가동하기 전에 아르곤 가스를 5내지 6분 동안 흐르게 하였다. 그 다음 플라즈마 장치를 켜고 원하는 플라즈마 세기에 맞추어 플라즈마를 발생시켰다. 반응기에 공급되는 전력은 150W이었고 2내지 3분 동안 반응시킨 후 플라즈마를 끄고 반응기에 5분 동안 아르곤 가스를 흐르게 하였다. 두 번째 단계로 시료를 산소-플라즈마 처리하였다. 산소-플라즈마는 아르곤-플라즈마 처리 시와 동일한 전력, 압력 조건하에서 처리를 하되 처리 시간을 4내지 6분으로 하였다.

2.2 고정화 실험

고정화 실험을 위한 미생물은 그람음성균으로 편모를 가진 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas Putida)를 사용하였다. 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas Putida)를 배양하기 위한 배지의 조성은 다음과 같다;글루코오스(C6H12O6·H2O) 1.1g/□, 염화암모늄(NH4Cl) 0.1g/□와 효모 추출물(yeast extract) 1g/□, 영양액(MgSO4·7H2O : 0.5□, FeSO4·7H2O : 0.01□, MnSO4·H2O : 0.05□, CaCl2 : 0.075□). 먼저 NH4Cl 0.1g과 글루코오스 1.1g을 900□의 증류수에 넣고, 효모 추출물 1g을 100□증류수에 넣어 온도 121℃에서 25분 동안 오토클레브(Autoclave)에서 멸균하였다. 다음 영양액을 첨가한 후, 0.1M 인산염 완충용액(pH=7)을 50□ 만들고, 이중 18□을 취하여 함께 첨가하였다. 미생물 배양은 조제한 배지 100□에 슈도모나스 푸티다 한 백금이를 접종하여 배양기 안에서 배양하였다. 온도는 30℃로 하고 150rpm으로 24시간동안 진탕하였다.

비교실험용 시료는 5% 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)수용액과 10% 트리메틸아민(trimethylamine, TMA) 수용액을 제조하였다. PEI 처리용액은 같은 부피의 5% PEI 수용액과 10% TMA 수용액을 용적 플라스크에 첨가하여 강하게 흔들어 제조하였다.

고분자양이온(Polycation)처리는 제조한 PEI 처리 용액에 담체를 각각 넣은 후 30℃에서 강하게 교반 하면서 30시간 동안 반응시켰다. 그 다음 담체를 꺼내어 증류수로 세척한 후 2시간 동안 50내지 60℃에서 건조시켰다. 플라스크에서 배양한 미생물을 멸균된 배양액 200□에 10□씩 접종하고, 또한 각각의 표면처리 된 담체를 멸균하여 넣은 후 30℃, 150rpm으로 교반 하면서 24시간 배양시켰다.

3. 결과 및 고찰

Table 1. Data of Adhesion Rate Test for Film

Film	Control	PEI Treated	Plasma Treated
Adhesion Rate(g/g)	0.0130	0.0257	0.0372

Table 2. Data of Adhesion Rate Test for Foam

Foam	Control	Plasma Treated
Adhesion Rate(g/g)	0.0270	0.0800

표 1과 2에서 알 수 있듯이 플라즈마 처리한 후 미생물 초기 부착률은 플라즈마 처리하지 않은 담체에 비해 약 3배 향상되었다. 또한 플라즈마 처리한 후 미생물 초기 부착률은 고분자 양이온 처리한 담체에 비해 약 1.4배 향상되었다.

참고문헌

1. D. T. Clark and W. J. Feast, "Polymer Surface", John Wiley & Sons, New York (1978).

2. S. P. Ottengraf, J. J. P. Meesters, A. H. C. van den Oever, and H. P.        Rozema, "Biological elimination of volatile xenobiotic compounds in biofilters," Bioprocess Eng., 161-169(1986).

3. Dr. Frieda and B. Kolot, "Microbial Carriers Strategy For Selection",          Process Biochemistry, Aug/Sept, pp.2(1981).

4. C. M. Van Loosdrecht., J. Lyklema, W. Norde and J. B Zehender, Microbial    Ecology. 17.1(1981).

5. H. S. Choi, M.S. Shin and J.H. Kim, "Enhancement of Microbial Adhesion     on the Chemically Modified Polyethylene Surface", environ, Eng. Res, 4, 2, pp.127(1999).