미생물에 의한 절삭유의 생분해에 관한 연구

박평규, 조대행, 김의용

서울시립대학교 화학공학과

Study on the Biodegradation of Cutting Oil by Microbial Cell

Pyoung-Kyu Park, Dae-Haeng, Cho, EuiYong, Kim

Department of Chemical Engineering, University of Seoul, Seoul, Korea

서론

산업폐기물 중 오일을 함유한 폐액은 자연계에 처리 없이 노출될 경우 폐유의 산화에 따른 유기산의 형성으로 토양의 황폐화, 지하수의 오염 등을 일으킬 수 있다. 오일함유폐수는 선박 충돌이나 침몰, 저장유류시설의 부식으로 인한 유류의 누출과 더불어 산업체에서 사용하는 금속가공폐액과 자동차의 폐엔진오일 등이 있다. 이 중 금속가공폐액은 재이용이 어려우며 CODcr가 약 3,000-100,000ppm 정도의 난분해성폐수로 세척폐액, 절삭폐액, 압연폐액 등이 있는데 1995년 기준으로 국내 발생량은 년간 140만톤이며 매년 약 13.8%씩 증가하고 있는 추세에 있다[1,2]. 금속가공폐액 중 수용성 절삭유의 주요 조성은 mineral oil 50-80%, fattty acid 0-10%, 첨가제인 유화제 0-20%와 amin inorganic salt 0-10% 등으로 구성되어 있다. 이중 mineral oil은 C22-C70개로서 석유의 분별증류 시 생성되며 생분해가 매우 어렵다. 이러한 절삭유의 일반적인 처리방법은 활성탄을 이용하여 흡착한 후 매립하거나 UV/TiO2를 이용하여 제거하는 물리·화학적 처리로서 생물학적 처리에 비해 복잡한 처리공정과 고가의 처리비용이 소요된다.

절삭유를 생분해하는 미생물로는 Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas oleovorans, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Paraeola-nacteum sp., Staphylococcus aureus, Salmonella typhosa, Escherichia coli와 같은 박테리아와 Candida rugosa, Candida krusei, Saccharomyces cerevisiae와 같은 효모가 있다. 이들 미생물들은 오일이나 탄화수소를 기질로 사용하여 세포외로 생체계면활성제(biosurfactant)를 생합성한다[3]. 생체계면활성제는 뛰어난 표면활성능 뿐만 아니라 환경친화력이 좋으며, 유화제, 분산제, 습윤제, 기포제 등 농업, 건설, 식품 및 음료산업 그리고 석유화학공업 등 광범위한 분야에 화학합성계면활성제를 대처하는 경향이 점차 증가되고 있다[4].

따라서 본 연구에서는 절삭유를 자화하는 미생물을 직접 분리하였으며 절삭유나 오일함유폐수를 제거하기 위한 처리조건과 생체계면활성제의 생성여부 및 그 특성에 대하여 고찰하였다.

실험

절삭유 분해 미생물은 절삭유를 순환하는 공정에서 미생물의 성장으로 인해 점도 감소, 부패 등을 초래하였다. 채취된 절삭유액을 광학현미경으로 관찰한 결과 박테리아가 성장하고 있었다. 절삭유 분해 미생물 분리하기 위해 절삭유액을 멸균 증류수에 넣고 완전 혼합시킨 후 상등액을 Nutrient Broth(Difco 0003)에 접종하여 30℃에서 진탕배양하였다. 배양액을 Nutrient Agar(Difco 0001)에 도말하여 배양 온도 30℃에서 2일간 배양한 결과 무색을 띠는 몇 개의 콜로니가 나타났다. 이들은 백금이로 취하여 Nutrient Agar에 다시 배양하여 균주를 분리하였다. 종균을 위한 배지로는 NB배지를 사용하였다. 절삭유 분해 효율을 측정하기위해 (주)한국하우톤에서 에멀젼형(emulsion type)인 Permasol 60N을 물에 희석하여 사용하였다.

세포농도 측정

성장배지로는 NB배지를 사용하였다. 배양액을 시간별로 10ml 채취한 후 원심분리를 거쳐 생리식염수(0.08%)로 2회세척 후 건조세포중량을 구하고 배양액 1ml을 10배 희석한 후 흡광도(660nm)를 측정하였다. 세포농도는 건조세포중량과 흡광도와 관계를 linear-square method에 의해서 구하였다.

COD의 측정

CODcr(Chemical Oxygen Demand)은 standard method에 의한 CODcr을 colorimetric method에 의해서 측정하였다[5].

표면장력의 측정

생체계면활성제의 생성여부를 판단하기위해 채취한 배양액 10mL을 De Nouy tensionmeter(Yoshida Co., Japan)를 이용하여 ring method로 표면장력을 측정하였다[6]. 측정에 사용된 platinium-iridium 합금 고리는 측정에 앞서 벤젠, 아세톤, 크롬산의 혼합용액 그리고 증류수의 순으로 가스버너로 이물질을 완전히 제거한 후 사용하였다.

결과 및 토론

절삭유에서 직접 분리한 절삭유 자화 미생물의 분해 효능을 측정하기 위해 절삭유 원액을 10000배 희석하여 초기 COD를 8,000 ppm으로 설정하고 시간에 따른 절삭유 분해 효능을 조사하였다. 배양은 500mL 플라스크에서 100mL의 작업용량으로 수행하였으며 125rpm으로 교반하였다. NB배지에서 생육온도 37℃로 배양하였을 때 최대 세포농도 3.73g/L를 보였으며 정상기는 20시간 이후임을 알 수 있었다(Fig.1). 또한 COD 제거는 초기 8000mg/L에서 단위세포농도가 증가할수록 감소하여 정상기때 COD 제거율이 19.24%을 보였다. 일반적으로 미생물은 생육 조건이나 환경인자의 변화에 따라 활성과 증식속도간에 차이가 나타난다. 환경인자로는 온도, pH, 기질농도, 무기염류 등의 조건이 균체증식에 영향을 미친다. 온도에 따른 절삭유의 분해능을 조사한 결과는 Fig. 2와 같다. 온도가 증가할수록 세포농도증가와 더불어 COD 제거율이 증가하는 경향을 보였다. 37℃에서 75시간 배양후 COD 제거율은 47.07%로 가장 높은 제거율을 보였으며 30℃, 27℃, 22℃ 순으로 제거 경향을 보였다. 이 결과는 수용성 절삭유 분해균의 최적 성장온도가 37℃라고 보고한 정[7]의 결과와 일치하였다. 22℃에서는 2.65g/L의 낮은 세포농도와 14.29%의 COD 제거율을 보였다. 또한 pH의 변화에 따른 세포농도와 COD 제거경향을 조사해본 결과 pH 6.0에서 세포농도와 COD 제거율이 가장 높았다(Fig.3). 일반적으로 박테리아가 활발한 증식을 보이는 pH영역인 약알카리성 pH 6.5-8.5보다 다소 낮은 것으로 조사되었다. 또한 세포외 생체계면활성제의 생성여부를 표면장력 측정을 통하여 분석하였다. 표면장력은 계면활성제의 특성을 나타내는 값으로 수치가 낮을수록 우수한 계면활성제임을 의미한다[8]. 초기 배양액의  표면장력은 55.00dyne/cm이었으나 배양시간이 경과할수록 표면장력은 39.47dyne/cm까지 감소하였다(Fig. 4). 이는 절삭유 분해균에 의해 mineral oil이 기질로 사용되고 세포외로 생체계면활성제를 생산하는 것으로 추정할 수 있다.

참고문헌

1. 환경부(1995), □금속 가공 공정에 오일함유폐액의 감량화 및 재이용 시스템의     개발□

2. 이 창훈, 김 성현(1998), □UV/TiO2/H2O2 시스템을 이용한 절삭폐액의 분         해□Applied Chemistry, Vol. 2, No. 1, 210-213

3. Standard Method (1992), APHA-AWWA-WPCP, 18th edition

4.  Georious, G., S. C.. Lin, and M. M. Sharma(1992), Surface-Active            Compounds from Microorganism, Bio. Technology., 10, 60-65.

5. Kosaric, N., N. C. C. Gray, and W. L. Cairns (1987), Biotechnology and the    Surfactant Industry, Biosurfactants and Biotechnology(N. Kosaric, W.L.        Cairns, and N.C.C. Gray eds.), pp. 1-45, Marcel Dekker, Inc., New York.

6.  Cooper, D. G., J. E. Zajic, and D. F. Gerson (1979), Production of              Surface-active Lipids by Corynebacterium lepus, Appl. Environ. Microbiol.,     37, 4-10.

7. 정 광진 (1988), □미생물에 의한 수용성 절삭유의 열화에 관한 연구□, 성균관대     학교 석사학위논문

8. 박 평규, 채희정, 김의용 (1998), □Rhodotorula glutinis K-501에 의해 생산된     세포외지질의 생체계면활성제로서의 물리화학적 특성, Korean J. Biotechnol.     Bioeng. Vol. 13, No. 1. 65-70.

Fig. 1. Time course of COD removal and Dry Cell Weight.      Fig. 2. COD removal with time at different

incubation temperature.

Fig. 3. Effect of pH on COD removal and  Dry Cell Weight.     Fig. 4. The change of suface tension on

the elapsed time.