NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 2, 2002…155
특·별·기·획
PVA는 비닐알코올의 중합체로서 직물공업의 사이징제, 제지공업의 코팅제, 접착제, 중합촉진제, 플라스틱 산업의 주형 합성제, 의류나 산업용 섬 유, 편광 및 포장용 필름, 분리용 필터 및 의학용 고분자에 이르기까지 각 방면에 널리 이용되고 있 는 물질이다. 또한 최근 화학공업의 발전으로 더 욱 화학적으로 안정한 PVA가 생산되고 있다.
PVA는 각종 색소 성분과 조염제 내지는 사이 징제로 사용하는 염색공업 폐수와 직물, 제지 공 업 등의 폐수에 주로 함유되어 있으며, PVA 사 용량은 점차 증가하는 추세를 보이고 있다. 이러 한 각 폐수에 함유된 PVA 성분은 수용성이면서 도 생물학적 분해가 쉽지 않기 때문에 환경오염의 중요한 원인 물질이 될 수 있을 뿐만 아니라 중합 도가 높을수록 생분해에 대한 저항성이 강하여 분 해가 매우 어렵다. 특히, PVA를 함유한 폐수의 하절기 수온이 40℃ 이상으로 상승하여 폭기조 내 에 산소가 결핍되어 슬러지 미생물의 처리 활성이 저하 되거나 원생 생물의 생육환경이 악화되어 생 물학적 방법을 통한 PVA 생분해 및 폐수처리 효 율의 심각한 저하를 나타내는 등 많은 문제점을 가지고 있다. PVA 분해 및 PVA 함유 폐수 처리 에 있어, 많이 사용되는 처리 방법은 물리적, 화학 적 방법, 생물학적 방법, 그리고 세 가지 방법을 혼용하여 사용되고 있으나 PVA 특성상 물리적, 화학적 방법은 처리 비용이 많이 들어 경제적 문 제가 따르게 되어 1936년 Nord에 의해 PVA 분 해 미생물이 보고 된 이 후 생물학적 방법을 사용 하여 PVA를 제거하고자 하는 연구가 활발해졌
다. 따라서, PVA 특성을 고려한 효율적 처리 기 술 및 PVA 함유 폐수 특성에 적합한 효과적인 처리 기술의 연구 개발은 우리 나라 수환경 보존 을 위한 중요한 과제라고 할 수 있다. 그럼에도 불 구하고 현재까지 폐수 중의 PVA를 제거하기 위 한 목적으로 국내외에서 분리 보고 되고 있는 대 다수의 PVA 분해 균주는 30℃ 전후에서는 높은 활성을 보이지만 40℃ 이상의 온도에서는 활성이 현저한 저하를 나타내고 있는 것으로 알려지고 있 으며, PVA 생분해 기작도 아직 정확히 파악되어 있지 않고 있다.
PVA 생분해에 대한 연구는 특히 1961년 J. H.
Finley에 의해 수용액 상태에서의 PVA 분석이 가능해지면서 연구가 더욱 활발해졌는데, 그 후 진행된 PVA 분해 연구에서 분리된 미생물을 정 리하여 [표 1]에 보였다.
물론 [표 1]에 보고 되지 않은 많은 미생물들이 PVA 분해를 위해 분리되어 PVA 분해 및 PVA 함유 폐수 처리에 사용되고 있는데, 일반적으로 단일균종에 의해 PVA를 분해하는 미생물도 있 으나, 대다수가 공생관계에 있는 서로 다른 미생 물에 의해 분해 되는 것으로 알려져 있다. 최근 들 어, 분해 효소에 의한 PVA 생분해 기작에 대한 연구가 보고 되고 있다. PVA 특성에 따른 보고 를 보면 PVA 분해시 생분해를 좌우하는 것은 그 중합도에 있으며, 중합도 2,000 이상의 PVA는 잘 분해하지 못하며, 분해에 소요되는 시간도 길게 걸린다고 보고 되고 있고, PVA 분해 시 최대 활 성을 보이는 온도도 30℃ 전후로 낮아 분해효율의
PVA
최광근·이진원·조무환*
광운대학교 화학공학과, [email protected]
*영남대학교 화학공학과, [email protected]
156…NICE, 제20권 제2호, 2002
특·별·기·획
저조를 보이기 때문에 하절기의 폐수 온도인 40℃
이상의 온도에서 활성을 보이는 미생물의 분리에 노력하는 보고도 있다.
[표 1]에서와 같이 야생균주를 개발하여 PVA 를 분해하고자 하는 연구가 활발히 진행되면서 PVA의 분해 기작에 대한 연구도 많이 보고 되고 있는데, 1976년 Watanabe 등, 1983년 Suzuki 등, 1992년 Finch 등, 1998년 Kawagoshi 등은 PVA 분해 시 secondary alcohol oxidase에 의해 먼저 PVA가 산화된 후, 다시 β-diketone hydrolase의 작용으로 PVA가 완전히 분해 된다고 보고하고 있다. 이들에 의해 제안된 PVA 분해 경로를 [그 림 1]에 보였다.
그러나 1994년 Fukae 등에 의해 보고된 내용을 보면 이러한 PVA 분해 기작은 대부분 매우 느리 며 상기 두가지 효소가 서로에게 영향을 주어 PVA을 분해하는 과정은 매우 어렵다고 보고하 고 있으나 PVA 분해 효소에 대한 연구는 활발히
진행되고 있다.
PVA 분해에 유력한 두 가지 효소는 secondary alcohol oxidase와 β-diketone hydrolase이다. 이 두 가지 효소에 의해 PVA가 분해 되는 경로를 표 1. 현재까지 PVA를 분해한다고 보고된 미생물
1973 Tomoo Suzuki et. al. Pseudomonas boreopolis
1975 Yasuto Watanabe et. al. Pseudomonas boreopolis
Nishikawa et. al. Xanthomonas sp.
1981 Chikahiro Sakazawa et. al. Pseudomonas putida
Pseudomonas sp.
1982 Masayuki Shimao et. al. Pseudomonas sp.
1983 Masayuki Shimao et. al. Pseudomonas sp.
Alcaligenes sp.
1985 Kiyofumi Sakai et. al. Pseudomonas sp.
조무환, 김정목 등 Pseudomonas cepacia
1992 Pseudomonas pseudomallei
조윤래 Pseudomonas pseudomallei
Xanthomonas campestris
1993 유재근 등 Pasteurella haemolytica
Pseudomonas sp.
1994 Ryohei Fukae et. al. Pseudomonas sp. A-41
1996 Tatsuma Mori et. al. Bacillus megaterium
발표연도 연구자 분리 미생물
그림 1. 미생물에 의한 PVA의 제안된 분해 경로.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 2, 2002…157
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예측하기 위해 주로 사용되는 물질은 PVA와 비 슷한 구조를 가진 4,6-tenonandiol인데 이 물질의 분해 경로는 [그림 2]에 보였다.
[그림 2]에 보인 것처럼 산화효소에 의해 먼저 알콜기가 산화되고, 그 후 가수분해 효소가 긴 사 슬을 끊어 저분자로 만들어 가는 과정을 알 수 있 다. PVA 또한 [그림 2]와 같은 경로를 가지며 분 해 되는 것으로 예측할 수 있으며, PVA 분해시 methyl ketones과 carboxylic acids의 생성 및 COD 감소 등으로 경로를 확인할 수 있다고 보고 되고 있다.
PVA의 생분해에 대해 대부분 상기와 같이 PVA와 비슷한 물질을 이용하여 분해 경로를 파 악하고자 노력하고 있으며, PVA 단량체를 이용 한 생분해를 연구하는 노력도 이루어지고 있다.
1996년 Tatsuma mori 등에 의해 이러한 연구가 진행되었는데, 이 보고에서도 [그림 2]와 같은 경 로를 거쳐 PVA가 분해 된다고 보고하고 있다.
PVA 생분해 및 PVA 함유 폐수 등을 더욱 효 율적으로 분해하기 위한 방법이 연구되고 있는데, 현재 보유하고 있는 미생물 자원 중에서, 혹은 다 른 시료에서 분리하는 등 특정 미생물을 개발하여 처리에 응용하는 방법을 사용할 수 있는데, 이러 한 경우 야생균주를 검출하는 방법과 분리된 균의 활성을 유전공학적 방법 등으로 활성을 증진시켜 응용할 수 있다. 또 다른 방법은 폐수처리를 시행 하는 공정을 개선하든지 발전시키는 방법 즉, 혐 기·호기 조건 최적화, 폭기법 개발, 담체 사용 등 미생물의 활성 및 다양화를 꾀하여 처리 공정 내 에 적용하는 방법 등을 들 수 있다. 또한 PVA 분 해 및 제거에 있어 PVA의 중합도에 의한 영향, PVA가 폐수 내에 함유되어 있는 경우 폐수 성상 등을 고려한 처리 방안이 제시되어야 하며, 마지 막으로 미생물에 의해 분해 되는 PVA의 분해 경 로를 확실하게 파악하는 것 등이 앞으로 해야 할 중요한 과제 중에 하나라고 사료된다.
그림 2. secondary alcohol oxidase와 β-diketone hydrolase에 의해 분해되는 경로.
