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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.35 No.1 pp.63-69
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2021.35.1.063

Application of extracellular polymeric substances (EPSs)- bioflocculant for recovery of microalgae

Ohkyung Choi1, Dandan Dong2, Jongrack Kim3, Sung Kyu Maeng4, Keugtae Kim5, Jae Woo Lee1*
1Department of Environmental system engineering, Korea University
2Department of Environmental Energy, Sejong University
3UnU Inc.
4Department of Civil and Environmental Enginnering, Sejong University
5Department of Environmental & Energy, Suwon University
*Corresponding author : Jaewoo Lee (E-mail: jaewoo@kroea.ac.kr)

15/12/2020 22/12/2020 28/12/2020

Abstract


Microalgae are primary producers of aquatic ecosystems, securing biodiversity and health of the ecosystem and contributing to reducing the impact of climate change through carbon dioxide fixation. Also, they are useful biomass that can be used as biological resources for producing valuable industrial products. However, harvesting process, which is the separation of microalgal biomass from mixed liquor, is an important bottleneck in use of valorization of microalgae as a bioresource accounting for 20 to 30% of the total production cost. This study investigates the applicability of sewage sludge-derived extracellular polymeric substance (EPS) as bioflucculant for harvesting microalgae. We compared the flocculation characteristics of microalgae using EPSs extracted from sewage sludge by three methods. The flocculation efficiency of microalgae is closely related to the carbohydrate and protein concentrations of EPS. Heat-extracted EPS contains the highest carbohydrate and protein concentrations and can be a best-suited bioflocculant for microalgae recovery with 87.2% flocculation efficiency. Injection of bioflocculant improved the flocculation efficiency of all three different algal strains, Chlorella Vulgaris, Chlamydomonas Asymmetrica, Scenedesmus sp., however the improvement was more significant when it was used for flocculation of Chlamydomonas Asymmetrica with flagella.



미세조류 분리/회수를 위한 세포외 고분자물질 생물 응집제 활용

최 오경1, Dong Dandan2, 김 종락3, 맹 승규4, 김 극태5, 이 재우1*
1고려대학교 환경시스템공학과
2세종대학교 환경에너지공간융합학과
3주식회사 유앤유
4세종대학교 건설환경공학과
5수원대학교 환경에너지공학과

초록


    Korea Environmental Industry and Technology Insitute(KEITI)
    2020003030006

    1. 서 론

    미세조류는 가장 빠르게 성장하는 광합성 유기체 중 하나이며 햇빛, 물 및 이산화탄소를 사용하여 빠르 게 성장함에 따라 호소나 하천 등의 물환경에서 영양 염류 농도가 증가할 경우 급증하여 특히 여름철 수질 악화 문제를 일으킨다. 그러나 최근 미세조류의 이러한 성장특성을 이용하여 질소, 인제거를 위한 하수처리 공 정에 적용하거나, 반응기에서 고밀도 성장을 시켜 바이 오연료나 비료 등의 공급원료로 활용하는 등 산업적 활용도가 다양화되고 증가하고 있다 (Demirbas, 2007;Signh and Patidar, 2018). 하지만, 미세조류는 상대적으 로 작은 크기, 표면전하 및 물과 유사한 밀도로 인해 물로부터 미세조류를 분리하는 것이 어려우므로 미세 조류의 경제적인 활용을 위해서는 총 생산비용의 20~30%를 차지하는 수확 및 탈수 비용을 감축시키는 것이 필수적이다 (Amer et al., 2011;Rawat et al., 2011). 현재까지 많은 미세조류 수확 방법이 개발되고 있으며, 황산알루미늄 및 황산 제1철과 같은 화학 응 집제를 이용한 응집/침전 방법이 가장 널리 이용되고 있다. 하지만 화학적 응집제의 사용은 높은 비용뿐만 아니라 과다한 에너지 소비로 인하여 바이오연료 생 산비용을 증가시키는 가장 큰 요인이 되고 있다. 이에 따라 미세조류의 수확 방법을 평가한 기존 연구들에 따르면 생물 응집제를 이용한 미세조류의 응집/침전 공정은 비용과 에너지 측면에서 가장 효율적인 대안 으로 지목되고 있다 (Schenk et al., 2008; Barros et al., 2015). 미생물의 세포 외 고분자물질(Extracellular polymeric substance, EPS)은 미세조류 수확을 위한 지 속 가능하고 무독성이며 경제적인 생물 응집제 중의 하나로 알려져 있다. 미생물 세포벽에서 추출될 수 있 는 EPS는 탄수화물, 단백질, 지질, 헥산 및 인지질 등 으로 구성된다 (Lazarova and Manem, 1995;Czaczyk and Myszka, 2007). EPS의 구성요소는 미세조류 세포 와 결합함으로써 표면 활성 및 응집제와 유사한 역할 을 하는 것으로 알려져 있으나, 활성슬러지와 같은 폐 바이오매스로부터 추출된 EPS의 응집 효율은 추출 방 법, 슬러지의 공급원, 슬러지가 발생하는 하수처리공 정 및 공정의 운전조건 등에 따라 크게 좌우된다 (Lin et al., 2014). 따라서 기존의 연구들은 대부분 활성슬 러지로부터 추출되는 EPS의 생산성을 향상하기 위한 최적의 추출 방법을 선정하는 것에 초점을 두고 있으 며 미세조류 수확을 위한 생물 응집제로서의 활용을 위한 연구는 매우 제한적으로 이루어졌다 (Vu et al., 2009;Lin et al., 2014;Nouha et al., 2018).

    본 연구는 미세조류 수확을 위한 생물 응집제로서 하수 슬러지 유래 EPS의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 세 가지 다른 추출 방법을 통해 추출된 EPS는 단백질, 탄수화물 및 용존 유기 탄소(Dissolved organic carbon, DOC) 농도를 통해 추출효율이 평가되었으며, 세 가지 종 류의 녹조류(Chlorella Vulgaris, Chlamydomonas Asymmetrica, Scenedesmus sp.)에 대해 응집 활성 효율을 비교하였다.

    2. 연구방법

    2.1 하수슬러지 준비 및 EPS 추출 방법

    EPS를 추출하기 위하여 생물학적 처리공정으로 A2/O 공법이 적용된 대전시 하수처리 시설에서 폐활성 슬러지(Waste activated sludge, WAS)를 채취하였으며, 1.5 L 실험실 규모 반연속식 반응조에서 수리학적 체류 시간(Hydraulic retention time, HRT)이 2 d, 고형물 체류 시간(Solid retention time, SRT) 30 d의 조건으로 고형물 농도 (Mixed liquor suspended solid, MLSS) 4,000 mg/L가 유지되도록 배양하였다. 배양 배지는 Table 1과 같이 구 성하였으며 슬러지의 화학적 산소요구량(Chemical oxygen demand, COD), 총질소(Total nitrogen, TN) 및 총 유기탄소(Total organic carbon, TOC)의 평균 농도를 각각 4,600±162, 415±17, 450±38 mg/L로 유지하였다.

    배양된 폐활성 슬러지는 10분 동안 6,000 G에서 원 심분리하여 펠렛을 분리하여 준비하였으며, 폐활성 슬러지 펠렛으로부터 EPS를 Fig. 1과 같이 각각 열처 리, 초음파처리, 화학처리를 통해 추출하였다. 열처리 는 화학 약품의 추가 없이 60˚C에서 30분간 중탕 가열 하여 추출된 수용성 물질을 원심분리하여 미생물 표 면에 존재하는 LB(Loolsely bounded)-EPS를 추출하였 으며, 원심분리 후 회수된 펠렛을 반복 추출하여 TB(Tightly bounded)-EPS를 추출하였다. 초음파처리는 0.24 mL의 formaldehyde 용액을 첨가하여 전처리 후 60 W로 2.5분간 초음파 처리하였으며, 추출된 수용성 물질을 원심분리하여 LB-EPS를 추출하였으며, 원심분 리 후 회수된 펠렛을 반복 추출하여 TB-EPS를 추출하 였다. 화학처리는 0.24 mL의 formaldehyde 용액을 첨가 하여 전처리 후 8 mL의 NaOH 수용액을 첨가하여 4˚C 에서 3시간 동안 교반하여 추출된 수용성 물질을 원심 분리하여 LB-EPS를 추출하였으며, 원심분리 후 회수 된 펠렛을 반복 추출하여 TB-EPS를 추출하였다.

    2.2 미세조류 배양 방법

    본 연구에서는 빠른 성장 속도와 높은 지질함량을 가지 고 있는 녹조류 세 종(Chlorella Vulgaris, Chlamydomonas Asymmetrica, Scenedesmus sp.)을 선정하였다. 선정된 미세조류를 BG-11 배양 배지(Dong et al., 2018)와 함 께 1 L 삼각 플라스크에 넣은 뒤 플라스크를 회전 진 탕 배양기(HB201SF, Hanbaek, Korea)에서 100 rpm, 35˚C 조건으로 혼합하면서 배양하였다. 배양 시 750 lx의 조도의 형광등을 이용하여 광원을 지속적으로 공급하 였다.

    2.3 EPS 생물 응집제를 이용한 미세조류 응집·침전 실험

    EPS 생물응집제를 이용한 미세조류 침전 실험을 위 해 Jar-tester를 이용하여 응집 실험을 수행하였다. 열 처리, 초음파처리, 화학처리를 통해 각각 추출된 LB-EPS와 TB-EPS는 조류 배양액 160 mL에 대해 10~60 mL의 범위로 각각 주입되었다. EPS 생물응집 제가 주입된 혼합물은 Jar-tester를 이용하여 100 rpm에 서 2분의 고속 교반, 20 rpm에서 20분의 완속 교반을 수행하였으며, 이후 2시간 동안 정치시켜 침전 속도를 측정하였다. 모든 시료는 초기 광학 밀도(Optical dense, OD)가 0.5가 되도록 증류수를 이용하여 희석하 여 준비하였다.

    2.4 분석 방법

    OD는 분광광도계(DR6000, HACH, USA)를 이용하 여 750 nm 파장에서 측정되었다. 추출된 EPS의 단백 질과 탄수화물 함량은 Lowry (Lowry et al., 1951)와 Anthron (Gaudy, 1962)이 제시한 방법을 이용하여 분석 하였다. 단백질과 탄수화물 함량 분석을 위해 1.56% 농 도의 황산구리 수용액 1 mL과 2.37%로 희석된 sodium photassium tartarated solution(99%, Sigma-Aldrich, USA) 1 mL 혼합액에 0.2 mL의 foline-ciocalteau 용액(1 N, Sigma-Aldrich, USA)을 시료에 첨가하여 30분간 혼합 하였다. 표준 곡선은 bovine serum albumin(98%, Sigma-Aldrich, USA)을 사용하였으며 600 nm 파장에 서 흡광도를 분석하여 작성하였다. 각 EPS의 용존 유 기 탄소(DOC)는 TOC 분석기(5000A, Shimadzu, Japan) 을 이용하여 측정되었다. 총 고형물(Total solid, TS), 총 휘발성 고형물(Total volatile solid, TVS), 총 부유성 고형물(Total suspended solid, TSS), 휘발성 고형물 (Volatile suspended solid, VSS), 화학적 산소요구량 (COD) 및 총질소(TN) 농도는 표준 수질시험법(APHA, 2012)에 따라 분석을 수행하였다.

    3. 결과 및 토의

    3.1 하수슬러지 EPS 추출 최적화

    활성슬러지의 건조중량을 기준으로 계산된 EPS의 추 출 수율 및 추출된 EPS의 탄수화물, 단백질 함량을 Fig. 2(a)에 나타내었다. NaOH를 이용한 화학적 추출을 통해 추출된 LB-EPS와 TB-EPS는 각각 2,242.5 mg/L와 2,245.0 mg/L로 가장 높은 수율을 나타냈다. 열처리와 초음파처리를 포함하는 물리적 추출 방법은 1,490.0~1,778.5 mg/L의 수율을 가졌으며, LB-EPS와 TB-EPS의 수율 차이는 없는 것으로 나타났다. 화학적 추출 및 초음파 추출에서 전처리로 사용된 formaldehyde 는 단백질 내의 아미노 그룹과 반응하며, 세포막의 탄수 화물을 알킬화하여 용해시켜 EPS 추출효율을 향상하는 효과가 있다 (Nouha et al., 2015). 하지만 Fig. 2(b)에 나타 난 바와 같이 화학적 처리와 초음파처리로 추출된 EPS 의 TOC 농도는 1,566.5~1,824.5 mg/L로 열처리 방법보다 약 2.8~3.2배 높은 것으로 미루어보아 formaldehyde가 추 출된 EPS에 잔류하는 것을 알 수 있으며(formaldehyde의 이론적 TOC 농도 = 876 mg/L), formaldehyde 전처리에 의해 슬러지 내의 다양한 유기산(i.e. humic acid, uronic acid, nucleic acid)이 EPS와 함께 추출될 수 있음을 간접 적으로 나타낸다. 따라서 화학적 추출의 EPS 수율 대비 낮은 탄수화물 및 단백질 함량은 유기 화합물뿐만 아니 라 다량의 불필요한 무기물과 같은 부산물이 다량 추출 된 결과로 볼 수 있다. EPS의 탄수화물은 2가 양이온에 의해 미세조류 표면의 음전화를 중화시키는 가교를 형 성하는 역할을 한다. 따라서 총 탄수화물과 총 단백질의 총량과 비율은 EPS 추출 과정에서 불필요한 무기물들 의 용해뿐만 아니라 생물 응집제의 효율을 평가하는 중 요한 매개변수가 된다. 결과적으로 열처리에 의한 EPS 추출 방법은 미생물 세포막으로부터 가장 높은 비율의 탄수화물과 단백질을 추출하기 때문에 단순히 수율 이 외에 구성 성분상 활용성이 높은 EPS를 추출하는 가장 효율적인 방법이 될 수 있다.

    3.2 하수슬러지 EPS 생물 응집제의 미세조류 응집/ 회수 효율 평가

    세 종류의 미세조류에 열처리로 추출된 EPS 생물 응집제를 주입하였을 때의 침전 효율 변화를 측정하 여 Fig. 3에 나타내었다. 침전 실험을 위해 준비된 미 세조류의 농도는 배양과정에서 OD 1.0까지 증가하였 으며, 최대로 성장한 미세조류 시료는 응집제 주입 없 이도 자가 침전이 일부 발생할 수 있다 (Dong et al., 2018). 이를 방지하기 위하여 준비된 세 종류의 미세 조류 시료는 OD 0.5까지 희석하여 사용하였으며, 열 처리로 추출된 LB-EPS와 TB-EPS를 각각 주입하여 대 조군과 침전 효율을 비교하였다. 생물 응집제의 주입 이 없는 C. Vulgaris 대조군의 침전 효율은 침전 시작 5분 경과 후 56.73%까지 빠르게 침전이 이루어졌으 며, 총 120분의 침전시간 동안 63.2%의 자가 침전 능 력을 보였다. 반면, C. AsymmetricaScenedesmus sp. 대조군의 침전 효율은 침전 시작 5분 경과 후 각각 20.91%와 20.44%, 30분 경과 후 각각 37.33%와 45.35%에 도달하였으며, 최종 효율은 각각 42.16%와 47.27%로 자가 침전 능력이 C. Vulgaris 대조군과 비 교해 매우 낮았으며, 이는 상기 두 미세조류 종에 존 재하는 편모의 영향으로 판단된다 (Kim, 2019). 세 종 류의 미세조류 모두 열처리로 추출된 EPS 생물 응집 제를 주입하여 침전 실험을 수행한 결과 침전 효율이 1.4~1.9배 향상되는 것으로 나타났으며, LB-EPS와 TP-EPS의 효율 차이는 모든 종에서 무의미한 것으로 조사되었다. 특히, 자가 침전 효율이 우수하였던 C. Vulgaris 종의 경우 침전 시작 5분 이후 84.5%의 침전 효율에 도달하여 대부분의 침전이 이루어지는 것으로 나타났으며, 총 120분의 침전시간 경과 후 87.2% 이상 의 침전 효율을 나타냈다. 상대적으로 침전 성능이 떨 어졌던 두 종의 경우 생물 응집제 주입 후 침전 효율 이 80% 이상으로 증가하였을 뿐만 아니라 침전 시작 5분 후 각각 71.11%와 63.37%의 침전 효율에 도달하여, EPS 생물 응집제는 자가 침전 효율이 낮은 미세조류 에서 응집 성능을 더 향상될 수 있는 것으로 나타났 다. EPS 생물 응집제의 침전 효율은 황산알루미늄 (Al2SO4)과 같은 화학 응집제를 사용하였을 때의 침전 효율과 유사하여 기존의 화학 응집제를 대체할 수 있 는 잠재성이 충분한 것으로 판단된다 (Chatsungnoen and Chisti, 2016).

    열 추출된 LB-EPS는 단백질 및 탄수화물 수율이 높 으며, 높은 응집효율로 가장 효과적인 생물 응집제로 선정되었으며, 최적 주입량을 산정하기 위하여 주입량 을 10~60 mL의 범위로 달리하여 세 종류의 미세조류 종에 대한 침전 효율 변화를 측정하였다 (Fig. 4). EPS 생물 응집제의 주입량을 증가시킴에 따라 미세조류의 침전은 초기 20분 동안 급격하게 증가하여 대부분의 침 전이 종료되었으며, 그 후 120분까지 효율이 안정화되 었다. 미세조류의 자가 침전 효율은 세 가지 미세조류 종 특히, 편모를 가지고 있는 C. AsymmetricaScenedesmus sp.에서 매우 낮았으나 EPS 주입량을 40 mL 까지 증가시킴에 따라 침전 효율은 점차 향상되는 경향을 나타내었다. 그러나 모든 종에서 60 mL 이상의 생물 응집 제를 주입하였을 경우 침전 효율은 더 증가하지 않고 다 소 감소하는 경향을 보였다. 이는 과도한 EPS 주입으로 인해 미세조류 플럭의 표면전하가 불안정화되어 침전 효 율이 악화하기 때문으로 판단된다 (Guo et al., 2015).

    4. 결 론

    본 연구에서는 미세조류를 물로부터 분리하여 회수 하는 방법으로 하수슬러지로부터 추출된 EPS의 생물 응집제 활용을 제안하고 이에 대한 적용 가능성을 평 가하였다. 미세조류의 응집침전 실험 결과는 미세조 류 종에 관계없이 EPS 생물 응집제가 첨가됨에 따라 응집 활성도가 급격하게 증가하였으며, 특히 자가 침 전 능력이 나쁜 편모종의 회수에 더욱 적합하였다. EPS의 응집 활성도 향상의 차이는 EPS 자체의 생화 학적 특성(단백질, 탄수화물 농도)에 기인한다. 열처리 를 이용한 EPS 추출은 미세조류의 회수율과 함께 친 환경성, 적용 용이성 등에서 가장 우수한 EPS 추출 방 법으로 평가되었다. 본 연구에서는 세 종류의 녹조류 를 대상으로 생물 응집제를 이용한 미세조류의 분리/ 회수 기술을 평가하였으나, 향후 다양한 미세조류 종 을 대상으로 생물 응집제의 활용이 최적화 될 경우 여름철 호소에서 미세조류에 의해 발생하는 악취 및 이취미 제어, 하수처리공정에서의 미세조류 이용 질 소, 인 제거, 그리고 미세조류 배양 및 회수를 통한 바 이오연료의 원료 등 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

    사 사

    본 결과물은 환경부의 제원으로 한국환경산업기술 원의 수생태계 건강성 확보 기술개발사업(2020003 030006)의 지원을 받아 연구되었습니다.

    Figure

    JKSWW-35-1-63_F1.gif

    Procedure for extracellular polymeric substance (EPS) extraction from waste activated sludge.

    JKSWW-35-1-63_F2.gif

    Biochemical composition of EPS (a) and total organic carbon concentration (b).

    JKSWW-35-1-63_F3.gif

    Flocculation activities of three different microalgae strains by adding thermal extracted EPS.

    JKSWW-35-1-63_F4.gif

    Flocculation activity depending on EPS dose: C. Vulgaris (a), C. Asymmetrica (b), Scenedesmus sp. (c).

    Table

    Composition of waste activated sludge culture medium

    References

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