MICROBIAL COMMUNITY FOR PRODUCING BIO-SULFUR AND USE THEREOF

02-07-2020 дата публикации
Номер:
WO2020138789A1
Принадлежит: 에코바이오홀딩스 주식회사
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Номер заявки: KR77-01-201911
Дата заявки: 13-12-2019

바이오황 제조용 미생물 군집 및 이의 용도
[1]

본 발명은 바이오황 제조용 미생물 군집 및 이의 이용에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고농도의 황화수소(H2S)를 바이오황으로 전환능을 갖는 신규한 미생물 군집, 및 이를 이용하여 바이오황을 제조하는 방법 또는 황화수소가 혼입되어 있는 가스에서 황화수소를 제거하는 방법에 관한 것이다.

[2]

자연환경 내에서 미생물들은 단일 균종으로 존재하는 경우는 극히 드물며, 다른 균종의 미생물 등과 상호관계를 이루는 미생물 군집(microbial community)을 형성하며, 이러한 특성은 폐수처리, 정수시스템, 병원성 미생물의 생존과 항생제 내성, 오염환경 복원, 금속부식 등 주변환경에서 발견되는 거의 모든 미생물들에서 확인되고 있다. 미생물이 군집을 이룰 때의 발현 특성은 단일 균종으로 존재하는 경우와는 다르기 때문에 미생물 군집을 하나의 기능 발현 단위로서 발굴하여, 이를 구성하는 미생물들의 동력학적 특성, 환경 변화에 따른 미생물 표현형 및 활성 변화, 및 미생물 세포들 간의 상호관계의 분석을 통하여 미생물 군집의 산업적 응용 연구가 이루어지고 있다 (등록특허 10-1109120호).

[3]

고형폐기물의 가장 일반적인 처리방법은 매립하는 것이며, 이러한 매립지에서 발생하는 혼합가스인 매립가스(landfill gas: LFG)는 환경적 측면에서는 해가 되지만, 매립가스(LFG)의 50~60%에 이르는 메탄(CH4)은 발전소, 열병합 발전소 및 지역냉난방용 대체에너지원으로 활용할 수 있어 환경적 문제뿐만 아니라 에너지의 효율적 이용 면에서도 유용하다. 매립가스는 메탄 이외에도 수분, 이산화탄소, 질소 등과 함께 황화수소, 실록산 등의 유해성분도 포함하며, 매립가스의 가스연료화는 전처리 시설을 순차적으로 연계시켜 성분별로 단계적으로 정제하여 청정한 에너지원으로서 발열량이 높은 메탄 가스를 산출하고 있다 (등록특허 10-1024969).

[4]

매립가스에 포함된 유해물질인 황화수소의 제거는 황화수소 가스를 물에 녹인 후, 황산화 박테리아로 산화하여 황(원소 황, S0)을 생성하는 공정을 통한 생물학적 제거로 이루어져 왔다:

[5]

H2S + OH- → HS- + H2O, HS- + 1/2 O2 → S0 + OH-

[6]

그런데 우리나라 수도권 매립지 등에는 건축폐기물 매립이 유기성 폐기물 매립과 같이 이루어져, 매립가스 중에 황화수소가 점점 증가하여 14,000ppm 이상의 고농도로 포함되게 되었다. 이에 따라 해외에서 도입되어 온 황산화 박테리아 군집을 이용하여서는 매립가스 중의 고농도의 황화수소를 제대로 제거하기가 어려웠고 생물학적 제거 공정에 따라 생산되는 황 (일명 '바이오황'이라고 함)의 양도 적어서 활용되지 못하고 폐기되는 실정이었다.

[7]

따라서 고농도의 황화수소를 황으로 전환하여 대량으로 바이오황을 생산할 수 있는 미생물 군집의 발굴이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

[8]

이에 본 발명자들은 종래 기술에서의 요구에 부응하기 위해 연구를 지속하던 중에, 수도권 매립지의 매립가스의 전처리 공정에서 고농도의 황화수소를 황으로 전환하는 미생물 군집을 분리/동정하여 본 발명을 완성하게 되었다.

[9]

따라서 본 발명의 목적은 고농도의 황화수소를 바이오황으로 전환능을 갖는 신규한 미생물 군집을 제공하는 것이다.

[10]

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미생물 군집의 배양물을 제공하는 것이다.

[11]

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미생물 군집을 이용하여 대량으로 바이오황을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

[12]

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미생물 군집을 이용하여 황화수소가 혼입되어 있는 가스로부터 고농도의 황화수소를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

[13]

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.), 로도박카( Rhodobaca spp.), 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.), 알리이디오마리나( Aliidiomarina spp.) 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)을 포함하는, 고농도의 황화수소를 바이오황으로 전환능을 갖는 미생물 군집을 제공한다.

[14]

본 발명에서 '황화수소'는, 황화수소가 혼입되어 있는 가스로부터 회수된 황화수소를 사용한다. 황화수소가 혼입되어 있는 가스는 매립가스(LFG), 혐기성 소화조로부터 발생하는 소화가스(ADG), 원유 정제 시의 부생가스, 천연가스, 산업시설에서 발생하는 부생가스 등이 있으며, 바람직하게는 매립가스(LFG)이다.

[15]

본 발명에서 '고농도의 황화수소'는 14,000ppm 이상, 바람직하게는 18,000ppm 이상, 가장 바람직하게는 20,000ppm 이상을 의미한다.

[16]

본 발명에서 '바이오황(biosulfur)'은 생물학적 황 전환 과정을 통하여 생산되는 원소 황(So) 또는 이를 포함하는 수상 현탁액을 의미한다. 바이오황은, 화학적으로 생산된 황과 비교하면, 친수성이며, 10 ㎛ 이하의 입자크기로 원소 황이 현탁되어 있는 안정한 수상 현탁액 상태이다. 또한 바이오황은 독성이 거의 없어 화학적으로 생산된 황에서 필요로 하는 법제화 없이 사용될 수 있다.

[17]

본 발명에서 '전환능'은 황화수소 및 이로부터 유래되는 황화합물을 최종적으로 원소 황으로 전환할 수 있는 특성을 의미한다.

[18]

본 발명자들은 수도권 매립지의 매립가스 전처리 공정에서 확보한 시료 중에서 고농도의 황화수소를 황(바이오황)으로의 우수한 전환능을 나타내는 미생물 군집을 확인하고, 차세대 시퀀싱(next generation sequencing; NGS) 분석법을 이용하여 미생물 군집을 분리/동정(다양성 확인)하였고, 한국생명공학연구원 생물자원센터(KCTC)에 2018년 12월 11일에 기탁하여, 수탁번호 KCTC13771BP를 부여받았다 (실시예 1).

[19]

본 발명에 따른 미생물 군집에는 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.), 로도박카 ( Rhodobaca spp.), 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.), 알리이디오마리나( Aliidiomarina spp.) 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)가 우점하였다(도 1 ~ 도 4). 더 구체적으로는 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)가 35.0 ~ 63.0%, 로도박카 ( Rhodobaca spp.)가 7.0 ~ 20.0%, 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.)가 9.0 ~ 18.0%, 알리이디오마리나 ( Aliidiomarina spp.)가 8.0 ~ 15.0%, 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)가 5.5 ~ 6.5%로 점유한다.

[20]

알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)는 대부분 알칼리림니콜라 엘리치( Alkalilimnicola ehrlichii)이며, 로도박카 ( Rhodobaca spp.)는 대부분 로도박카 보고리엔시스 ( Rhodobaca bogoriensis)이며, 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.)는 주로 티오알카리비브리오 할로파이러스 ( Thioalkalivibrio halophilus)이며, 할로모나스 ( Halomonas spp.)는 주로 할로모나스 캄파니엔시스 ( Halomonas campaniensis)이다 (도 1 및 도 3).

[21]

본 발명의 미생물 군집에서 특징 중 하나인, 가장 우점종인 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)는 종속영양세균으로 질산염, 티오유황 등을 이용하며 황화합물을 원소 황으로 전환하여 세포외로 배출하는 균종인데, 통상적으로 매립가스로부터 황화수소를 제거하기 위해 사용되는 황 전환 균주인 티오바실러스( Thiobacillus spp.)와는 전혀 상이하다.

[22]

상기와 같은 우점종들을 포함하여 이루어지는 본 발명의 미생물 군집을 수도권 매립지에서 매립가스 정제공정 중의 황화수소 제거용 바이오리액터에 접종하여 2개월 (2017년 4월 및 10월) 동안 바이오황 생산을 하였던바, 매립가스 내 14,000ppm 이상인 고농도의 황화수소를 제거하여 잔류 황화수소가 200ppm 미만에 이르도록 전환하여 황 전환률(처리율)은 약 99% 이상이었으며 바이오황을 대량으로 생산할 수 있음을 확인하였다 (실시예 2).

[23]

본 발명의 또 다른 목적에 따라서, 본 발명은 상기 미생물 군집의 배양물을 제공한다.

[24]

본 발명에 따른 미생물 군집의 배양물은 바이오황 제조용 또는 매립가스의 황화수소 제거용 종균으로 사용할 수 있다.

[25]

본 발명의 또 다른 목적에 따라서, 본 발명은 상기 미생물 군집을 이용하여 바이오황을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은

[26]

i) 황화수소를 수산화나트륨(NaOH) 수용액으로 용해하여 황화수소 수용액을 제조하는 단계;

[27]

ii) 미생물 군집이 접종된 바이로리액터에 황화수소 수용액을 투입하여 황화합물을 원소 황으로 전환하는 단계; 및

[28]

iii) 단계 ii)로부터의 원소 황 함유 용액을 침전기에서 침강시켜 바이오황을 얻는 단계를 포함한다.

[29]

상기 방법은 필요에 따라서, 바이오황의 제품화를 위하여 단계 iii)으로부터의 바이오황을 탈수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

[30]

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 바이오황은 원소 황이 약 38% 이상 현탁되어 있으며, 90% 이상이 10 ㎛ 미만의 입자크기로 현탁되어 있는 안정한 수상 현탁액으로써, 친수성이며 독성이 없는 특성을 갖는다.

[31]

본 발명의 또 다른 목적에 따라서, 상기 미생물 군집을 이용하여 황화수소가 혼입되어 있는 가스로부터 황화수소를 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은

[32]

i) 매립가스를 수산화나트륨 수용액으로 세정하여 황화수소 수용액을 제조하는 단계; 및

[33]

ii) 미생물 군집이 접종된 바이오리액터에 황화수소 수용액을 투입하여 원소 황으로 전환하는 단계를 포함한다.

[34]

본 발명의 미생물 군집의 바이오황 제조(황화수소 제거; 황화수소로부터 원소 황 전환)에 최적 조건은 pH가 9.0 이하이며 바람직하게는 7.5~8.5, 온도는 37℃ 미만이며, 바람직하게는 32.0~36.5℃, 산화환원전위(ORP)가 -340 ~ -410mV, 알카리도는 0.3~1.1mol/L, 전기전도도는 40 ~ 90mS/cm이며, 바람직하게는 65 mS/cm, 접종 농도는 5.0 × 106 ~ 8.0 × 107 cfu/ml 이다.

[35]

본 발명에 따른 미생물 군집은 종래 황화수소 제거용으로 사용되던 티오바실러스 종을 기반으로하는 미생물 군집과는 전혀 상이한 우점종으로 구성된 새로운 미생물 군집이다. 또한 본 발명의 미생물 군집은 황화수소가 혼입되어 있는 가스 내 14,000ppm 이상의 고농도의 황화수소를 잔류 황화수소가 환경 안전 기준인 200ppm 이하에 이르도록 원소황으로 전환하여 황 전환율(처리율)은 약 99% 이상으로 매우 우수하다. 또한 본 발명의 미생물 군집은 바이오황을 대량으로 생산할 수 있다.

[36]

본 발명의 미생물 군집을 사용하여 황화수소를 제거하는 방법은 황화수소가 혼입되어 있는 가스를 이용하는 설비에 대한 부식성이 높은 고농도의 황화수소를 고수율로 제거하여 안전한 가스의 공급이 가능하다.

[37]

본 발명의 미생물 군집을 사용하여 바이오황을 제조하는 방법은 고농도의 황화수소를 원소 황으로 전환할 수 있어서 대량으로 바이오황을 제조하여 경제성이 뛰어나다.

[38]

본 발명에 따라 제조된 바이오황은, 종래 화학적으로 제조된 유황과는 달리, 물에 대한 용해도가 높고 인체에 무해하며 동식물에도 무해하여 다양한 산업에서 소재와 제품으로 활용성이 높다.

[39]

도 1은 Illumina 차세대 시퀀싱(NGS)의 결과 확인된 본 발명의 미생물 군집(앰플리콘 라이브러리 A)을 구성하는 박테리아 분류군을 나타낸다.

[40]

도 2는 본 발명의 미생물 군집(앰플리콘 라이브러리 A)을 구성하는 박테리아 분류군의 분포를 나타내는 그래프이다.

[41]

도 3은 NGS의 결과 확인된 본 발명의 미생물 군집(앰플리콘 라이브러리 B)을 구성하는 박테리아 분류군을 나타낸다.

[42]

도 4는 본 발명의 미생물 군집(앰플리콘 라이브러리 B)을 구성하는 박테리아 분류군의 분포를 나타내는 그래프이다.

[43]

도 5는 본 발명의 미생물 군집을 구성하는 우점종 분류군의 분포를 나타내는 그래프이다.

[44]

도 6은 본 발명의 미생물 군집을 이용하여 바이오황 제조 공정의 일례를 나타내는 개략도이다.

[45]

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위하여 예시한 것일 뿐이며, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[46]

실시예 1. Illumina NGS 분석

[47]

<시료 채취>

[48]

2017년 4월(매립가스 내 H2S 평균농도 약 17,000ppm) 및 2017년 10월(매립가스 내 H2S 평균농도 약 20,000ppm)에 각각 인천시 서구 수도권매립지의 매립가스의 전처리 공정(정제)에 사용되는 바이오리액터 유래의 공정수에서 시료 A 및 B를 채취하여 4℃에서 보관한 후, 이를 대상으로 16S rRNA 염기서열 기반의 Illumina 차세대 시퀀싱(NGS) 방법으로 미생물 군집을 구성하는 미생물(박테리아)의 종류 및 분포를 조사하여 분석하였다.

[49]

<DNA 추출>

[50]

각 시료를 토양용 FastDNA Spin Kit(MP Biomedicals)을 사용하여 DNA를 추출하였고, 추출된 DNA 양은 Epoch 분광계(BioTek)로 측정하였으며 분석에 사용된 DNA 농도는 최소 200ng 이었다.

[51]

<앰플리콘 라이브러리 제작>

[52]

추출된 DNA 각각를 주형으로 하여 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 16S rRNA 유전자의 V3 내지 V4 영역을 표적으로 하는 정방향(forward) 및 역방향(reverse) 앰플리콘 프라이머(amplicon primers)를 제작하여 다음과 같은 조건으로 1차 PCR 증폭을 수행하였다:

[53]

Forward1st_341FTCGTCGGCAGCGTC-AGATGTGTATAAGAGACAG-CCTACGGGNGGCWGCAG(50mer)
Reverse1st_805RGTCTCGTGGGCTCGG-AGATGTGTATAAGAGACAG-GACTACHVGGGTATCTAATCC(55mer)
구성: NexTera concensus - Sequencing adaptor - Target sequence N: G 또는 A 또는 T 또는 C, W: A 또는 T, H: A 또는 T 또는 C, V: G 또는 A 또는 C

[54]

10X PCR 버퍼 2.5 ㎕, 10mM dNTP Mix 2.5 ㎕, Taq polymerase(Dr. Max DNA polymerase, 500U) 0.25 ㎕, 각각의 정방향 프라이머(10pmol; 서열번호 1) 1 ㎕, 역방향 프라이머 (10pmol; 서열번호 2) 1 ㎕ 및 주형 DNA 2 ㎕에 증류수(D.W) 16.75 ㎕를 혼합한 후 Thermocycler를 사용하여 95℃에서 3분 초기 변성, 95℃에서 30초 변성, 55℃에서 30초 프라이머 어닐링, 및 72℃에서 연장 30초, 마지막 연장은 72℃에서 5분을 25 사이클 수행하였다. 1차 PCR이 완료된 후, 아가로스겔 전기영동으로 PCR 생성물을 확인하였다 (약 500bp). 그리고 나서 Illumina Index (NexTera 바코드)를 부착하기 위하여 1차 PCR 생성물을 주형으로 하여 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 2차 PCR 프라이머 세트, 정방향 프라이머 (Index i5; 서열번호 3) 및 역방향 프라이머 (Index i7; 서열번호 4)를 사용하여 2차 PCR 증폭을 수행하였다:

[55]

Index i5(S522)51mer AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACAC- TTATGCGA-TCGTCGGCAGCGTC (구성: Left - i5( XXXXXXXX) - Right)
Index i7(N724)47mer CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT- CGCTCAGT-GTCTCGTGGGCTCGG (구성: Left - i7( XXXXXXXX) - Right)
X는 바코드 영역을 나타냄

[56]

2차 PCR 증폭의 조건은 증폭 사이클을 8회로 설정하는 것을 제외하고는 1차 PCR 증폭의 조건과 동일하게 수행하였다. PCR 증폭을 완료 후, PCR 생성물을 1% 아가로스 겔 전기영동을 사용하여 확인하고 (약 600bp), Gel Doc 시스템 (BioRad, Hercules, CA, USA)하에서 가시화하였다. 그리고 나서 Agencourt AMPure XP (A63880, Beckman Coulter, Inc.)로 각각의 PCR 생성물을 정제한 후, Quanti-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit (P11496, Invitrogen)을 이용한 Picogreen방법으로 정량하여 모든 샘플을 동량으로 모아서(pooling) 앰플리콘 라이브러리를 제조하고, 이 라이브러리를 Picogreen 방법으로 정량하여 Agilent 2100 Bioanalyzer System (Agilent technologies, US)을 이용하여 라이브러리 크기를 확인하였다. 200bp 이하의 짧은 단편은 Agencourt AMPure XP (A63880, Beckman Coulter, Inc.)를 이용하여 제거하였다. DNA 7500 chip을 사용하여 Bioanalyzer 2100 (Agilent, Palo Alto, CA, USA)에서 PCR 생성물의 품질 및 생성물 크기를 확인하였고, 시료 A 및 B 각각에 대해 구축된 앰플리콘 라이브러리 A 및 B 는 다음 실험에 사용하였다.

[57]

<Illumina MiSeq 시퀀싱 및 분석>

[58]

구축된 앰플리콘 라이브러리 A 및 B를 Illumina MiSeq Sequencing system (Illumina, USA)을 사용하여 제조자의 지시에 따라서 차세대 시퀀싱(NGS)을 수행하였고 16S 메타지놈 시퀀싱 데이터(raw read data)를 얻었다. 시퀀싱 데이터는 하기와 같이 MiSeq 파이프라인 방법으로 분석하였다.

[59]

상기 시퀀싱에서 얻어진 raw read data 가공은 처리는 Trimmomatic 0.32을 사용하여 품질 검사를 하여 퀄리티 스코어 25 미만인 낮은 품질(<Q25)을 필터링하여 QC 패스 후, PANDAseq를 사용하여 쌍을 이룬 말단의 시퀀스 데이터를 서로 병합하였다. 그리고 나서 프라이머를 유사도 컷오프 0.8에서 트림한 후, 16S rRNA를 코딩하지 않는 비특이적 앰플리콘은 16S rRNA 프로파일을 가진 HMMER의 hmmsearch 프로그램으로 검출하였다. DUDE-Seq를 사용하여 노이즈를 제거하고 비-중복(non-redundant) reads를 UCLUST-클러스터링으로 추출하였다.

[60]

EzBioCloud data base와 USEARCH (8.1.1861_i86linux32)를 사용하여 분류학적으로 할당하였고, UCHIME과 EzBioCloudare로부터의 비-키메라 16S rRNA 데이터베이스가 유사성이 97% 미만인 reads에서 키메라를 탐지하였고, 최종적으로 CD-HIT 및 UCLUST를 사용하여 시퀀스 데이터를 클러스터링하여 분류군(taxon)으로 분류하였고, 30종 이상의 박테리아 분류군를 확인하였으며, NCBI BLAST와 서열과 비교한 박테리아 분류군 분포 결과를 도 1 및 도 2(앰플리콘 라이브러리 A), 도 3 및 도 4 (앰플리콘 라이브러리 B)에 나타냈다. 상기와 같이 분리/동정된(앰플리콘 라이브러리 B) 미생물 군집을 ‘Bacteria Mixture ICN’으로 명명하고 한국생명공학연구원 생물자원센터(KCTC)에 2018년 12월 11일에 기탁하여, 수탁번호 KCTC13771P를 부여 받았다.

[61]

도 1 ~ 도 4에 나타낸 결과를 세부적으로 살펴보면, 본 발명의 미생물 군집에서는 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.), 로도박카 ( Rhodobaca spp.), 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.), 알리이디오마리나( Aliidiomarina spp.) 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)의 5종의 우점종 분류군(taxon)이 공통으로 확인되었으며, 이들의 분포를 표 3 및 도 5에 나타냈다:

[62]

우점종 분류군앰플리콘 라이브러리 A앰플리콘 라이브러리 B
Alkalilimnicola ssp.43.157.1
Thioalkalivibrio ssp.17.411.0
Halomonas ssp. 5.95.8
Rhodobaca ssp.19.08.4
Aliidiomarina ssp. 9.211.7
그 외5.46.0
총계100.0 (%)100.0 (%)

[63]

도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)는 주로 알칼리림니콜라 엘리치( Alkalilimnicola ehrlichii)로 확인되었으며, 로도박카 ( Rhodobaca spp.)는 주로 로도박카 보고리엔시스( Rhodobaca bogoriensis)로 확인되었으며, 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.)는 주로 티오알카리비브리오 할로파이러스 ( Thioalkalivibrio halophilus)이며, 할로모나스 ( Halomonas spp.)는 주로 할로모나스 캄파니엔시스( Halomonas campaniensis)임이 확인되었다. 본 발명의 미생물 군집의 가장 우점종인 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)는 43% 이상의 점유율을 나타냈는데, 종래 매립가스로부터 황화수소를 제거하기 위해 사용되는 황 전환 균주인 티오바실러스( Thiobacillus spp.)와는 전혀 상이한 종이다.

[64]

또한 본 발명의 미생물 군집의 우점종들의 점유율은 두 앰플리콘 라이브러리에서 일부 변화를 보였는데, 이는 처리되는 H2S 농도에 기인하는 것으로 보이며, 시료 A(H2S 약 17,000ppm)에 비해 시료 B(H2S 약 20,000ppm)가 더 높은 H2S 농도의 환경하에 있었던바, 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)와 알리이디오마리나( Aliidiomarina spp.)는 H2S 농도가 높아지면 점유율이 높아지고, 로도박카 ( Rhodobaca spp.)와 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.)는 H2S 농도가 높아지면 점유율이 낮아지는 특성을 보였다.

[65]

실시예 2. 바이오황 제조 (매립가스에서 황화수소 제거)

[66]

본 발명의 미생물 군집을 사용하여 각각 2017년 4월 20월과 2017년 10월 20일에 각각 인천시 서구에 위치한 (주)에코바이오홀딩스의 바이오황 제조(매립가스에서 황화수소 제거) 공장에서 바이오황을 제조하였다(도 6).

[67]

<H2S 농도 16,036ppm인 매립가스 사용>

[68]

구체적으로는 2017년 4월 20월에 인천시 서구 수도권 제2매립장 유래의 매립가스(H2S 농도: 16,036ppm)를 가스 세정기로 약 24,180 m3/hr의 유입유량으로 도입하면서 25% 가성소다 수용액 약 1.25 ton/hr으로 세정하여 황화수소 수용액을 제조한 후(황화수소 수용액 중에서 황 원자만의 양으로 환산된 값인 S-load는 약 594.1 Kg-S/hr), 본 발명의 미생물 군집과 뉴트리믹스가 표 4와 같이 접종된 수용액이 담기고 반응기 조건이 설정된 Working volume 636 m3인 생물반응기(바이오리엑터)로 상기 황화수소 수용액을 1,150 m3/hr의 순환유량(circulation flow)으로 도입하여 원소 황으로 전환한 후, 침전기로 도입하여 2시간 동안 침강시켜 바이오황을 얻었다(도 6 참조). 본 제조과정에서 배출되는 메탄가스 내의 황화수소 잔류량은 약 90ppm 으로 측정되었다(약 99.4% 황화수소 제거 효율).

[69]

항목조건
접종 농도 1.08 × 107 cfu/ml
뉴트리믹스 Nutrimix(Thiopaq사) 3 ml/L , Na2CO3 30 g/L
산화환원전위(ORP) -340 ~ -410mV
pH 8.5
전기전도도 65 mS/cm
온도 35 ℃
알카리도 0.7 mol/L
총 부유물질 10 g/L

[70]

침전기에서 배출되는 본 발명에 따라 제조된 바이오황은 약 38%의 원소 황을 함유하는 현탁액 상태의 바이오황이었다(S-load는 약 594 Kg-S/hr). 바이오황을 제품화하기 위해 추가 탈수공정을 거쳐 약 50%의 원소 황을 함유하는 현탁액 상태로 추가 가공하였으며, 탈수공정에서 탈리되는 여액으로 약 13%를 제외하고 최종적으로 약 516 kg-S/hr으로 바이오황 제품이 생산되었다.

[71]

<H2S 농도 20,365ppm인 매립가스 사용>

[72]

2017년 10월 20일에 인천시 서구 수도권 제2매립장 유래의 매립가스(H2S 농도: 20,365ppm)를 23,460 m3/hr의 유입유량으로 도입(S-load는 약 683.41 Kg-S/hr)되는 것을 제외하고는 상기 제조과정과 동일한 방식으로 수행하여 바이오황을 제조하였다.

[73]

본 제조과정에서 배출되는 메탄가스 내의 황화수소 잔류량은 약 140ppm 으로 측정되었다(약 99.3% 황화수소 제거 효율).

[74]

침전기에서 배출되는 제조된 바이오황은 약 38%의 원소 황을 함유하는 현탁액 상태의 바이오황이었다(S-load는 약 680 Kg-S/hr). 제품화를 위해 추가 탈수공정을 거쳐 약 50%의 원소 황을 함유하는 현탁액 상태로 바이오황으로 추가 가공시(약13% 탈리) 최종 약 590 kg-S/hr으로 바이오황 제품이 생산되었다.

[75]

상기와 같은 결과로부터, 본 발명의 미생물 군집은 바이오황을 대량으로 생산할 수 있고, 매립가스로부터 고농도의 황화수소를 99% 이상 원소 황(바이오황)으로 전환하여 제거할 수 있는 고기능성임을 확인할 수 있다.

[76]



[1]

Disclosed in the present invention are a novel microbial community having ability to convert a high concentration of hydrogen sulfide (H2S) to bio-sulfur, and a method for production of bio-sulfur or for removal of hydrogen sulfide from mixed gas, using same. A microbial community according to the present invention exhibits sulfur conversion such as to reduce a high concentration of 14,000 ppm or more to a residual sulfur level of 200 ppm or less, which meets the environmental safety rate (treatment rate) of 99% or higher, and can produce bio-sulfur on a mass scale.

[2]



황화수소를 바이오황으로 전환능을 갖는 수탁번호 KCTC13771BP로 기탁된 미생물 군집으로, 상기 미생물 군집은

알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.), 로도박카 ( Rhodobaca spp.), 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.), 알리이디오마리나 ( Aliidiomarina spp.) 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)을 포함하는 것인 미생물 군집.

제 1항에 있어서, 상기 황화수소는 14,000ppm 이상의 고농도인 것인 미생물 군집.

제 1항에 있어서, 상기 황화수소는 18,000ppm 이상의 고농도인 것인 미생물 군집.

제 1항에 있어서, 상기 황화수소는 20,000ppm 이상의 고농도인 것인 미생물 군집.

제 1항에 있어서, 상기 알칼리림니콜라 ( Alkalilimnicola spp.)는 35.0 ~ 63.0%의 점유율, 로도박카 ( Rhodobaca spp.)가 7.0 ~ 20%의 점유율, 티오알카리비브리오 ( Thioalkalivibrio spp.)가 9.0 ~ 18.0%의 점유율, 알리이디오마리나 ( Aliidiomarina spp.)가 8.0 ~ 15.0%의 점유율, 및 할로모나스 ( Halomonas spp.)가 5.5 ~ 6.5%의 점유율로 점유하고 있는 것인 미생물 군집.

제 1항에 따른 미생물 군집의 배양물.

제 6항에 있어서, 바이오황 제조용 또는 황화수소가 혼입되어 있는 가스로부터 황화수소 제거용인 것인 미생물 군집의 배양물.

제 1항에 따른 미생물 군집을 이용하여 바이오황을 제조하는 방법.

제 1항에 따른 미생물 군집을 이용하여 황화수소가 혼입되어 있는 가스로부터 황화수소를 제거하는 방법.

제 9항에 있어서, 상기 황화수소가 혼입되어 있는 가스는 매립가스(LFG)인 것인 황화수소를 제거하는 방법.