A novel bioreactor system for the microbial degradation of inhibitory aromatic solvents such as benzene, toluene, and xylenes was developed. Silicon tube was immersed in the reactors and liquid solvent was circulated within the tubing from a solvent reservoir. Transfer rate of the solvent through a silicon tubing was significantly affected by impeller speed, whereas other operating parameter such as circulation rate of liquid solvent within the tubing showed a negligible effect.
In this study, the biodegradation of toluene was efficiently carried out using Pseudomonas putida in the bioreactor developed. Toluene was transferred at high rate into the culture broth through a silicon tube immersed in bioreactor. In continuous operation, the degradation rate of toluene in the bioreactor was found to be considerably high when compared to those in conventional methods.
Mathematical model established well described the biodegradation of toluene in the bioreactor developed, and simulation results showed a good agreement with those obtained experimentally. Maximum removal efficiency of toluene was obtained at the condition under which the growth of microorganism was limited simultaneously by toluene and oxygen. It was proposed that the operational parameters of the biodegradation processes such as toluene transfer rate and dilution rate should be optimized by taking into consideration the removal efficiency and the level of toluene in the discharge stream.
Simultaneous biodegradation of toluene and p-xylene was performed in a bioreactor. Bath, sequencing batch, and continuous mode of operation were carried out in the bioreactor to compare the performance of the biodegradation of solvent mixture. Sequencing batch operation worked well, but several operational difficulties were found. Continuous operation was shown to present higher biodegradation rate and operational stability at lower dilution rate. Continuous biodegradation process was mathematically simulated, and operational conditions were optimized on the basis of the simulation results.
In order to increase the biomass concentration and dissolved oxygen concentration in the bioreactor, bubble column bioreactor was used and Pseudomonas putida was immobilized on celite. The oxygen transfer coefficient in the bioreactor at celite concentration of 20 g/L was higher than that obtained with stirred tank bioreactor. To regulate the biofilm formation on the celite for efficient degradation of toluene, the biofilm formation was investigated in the bubble column bioreactor. The concentration of free cells was decreased with increasing dilution rate and growth of attached cells increased with increased with increasing dilution rate, and this indicated that irreversibly attached cells overgrow at higher supply rate of nutrients and toluene. Continuous biodegradation of toluene by biofilm was carried out in the bubble column bioreactor at a dilution rate greater than the maximum specific growth rate of the free cells and the operation was shown to present higher operational stability for long time and removal efficiency.
In order to elucidate tolerance of the free and immobilized cells, membrane of Pseudomonas putida grown in the presence of toluene was examined after fractionation of membrane. The membrane of immobilized cells showed reduced lipid-to-protein ratios compared with free cells grown in the absence of toluene. The higher portion of proteins in the membrane was caused by increased rate of protein synthesis in the membrane. The changes fo fatty acids in the membranes of the biofilm also occurred when the bacteria grown in the presence of toluene. But, it was though that increase of cyclopropane fatty acids was caused by limitation of toluene as carbon source at elevated dilution rates when toluene transfer rate was fixed at 1.2 g/L/h in the bioreactor.
벤젠, 톨루엔, 크실렌 등과 같은 독성 방향족 화합물을 생물학적으로 분해하는 새로운 생물반응기를 개발하였고, 이반응기 내의 미생물의 생리적 특성을 고찰 하였다. 새로운 생물반응기는 실리콘관으로 소수성물질이 확산될 수 있다는 특성을 이용한 것이다. 실리콘관을 반응기의 하단에 장치하고, 액상의 독성 방향족 화합물을 실리콘관 내로 순환시키면 화합물은 배지내로 확산되어 미생물에 공급되는 원리이다. 반응기 내로의 화합물의 전달속도는 몇가지 작업인자(교반속도, 통기속도, 용매의 순환속도 등)들을 통하여 쉽게 조절할 수 있었다.
톨루엔을 모델 화합물로 하여 Pseudomonas putida를 이용하여 개발된 생물반응기를 운전하였다. 톨루엔은 반응기내에 장치된 실리콘관을 통하여 높은 속도로 배양액내로 공급되었다. 연속배양시, 반응기내에서 톨루엔의 분해속도는 현재까지 이용되고 있는 활성슬러지법 등의 생물반응기에서 얻을 수 있는 분해속도인 0.04 g/L/h 보다 상당히 빠른 것을 보였다.
반응기내의 상태를 모사하는 수학적모델을 확립하였고, 연속배양에 의한 톨루엔 분해에 대해 수행한 모사결과는 실험결과와 잘 일치하였다. 모사를 통해 특정 조건하에서의 증식 제한 기질을 결정함으로서 작업 최적 조건을 구할 수 있었으며 이는 실험을 통해 증명되었다. 톨루엔의 최대 제거 효율은 탄소원인 톨루엔과 산소가 동시에 제한을 받을 때 얻을 수 있었다.
새로운 생물반응기를 이용한 톨루엔과 크실렌의 동시분해를 수행하였다. 4장에서 확립된 모델을 이용하여 수학적 모사를 통해 실험 결과를 분석함으로써 작업조건을 최적화 하였다. 실리콘관에 대한 톨루엔과 크실렌의 흡수는 혼합상태로 있는 경우 상호 경쟁적으로 일어나는 것을 관찰하였다. 회분식 혹은 반복회분식 조작을 통한 분해공정에서 미생물의 증식속도는 톨루엔과 크실렌의 농도가 일정농도이하로 감소한 이후부터는 시간에 대해 선형적으로 일어났으며 이 기간 중에 반응기내에는 의사정상상태가 유지되었다. 반복회분식 조작은 높은 분해용량을 가짐에도 불구하고 몇가지 극복되어져야 할 문제점으로 인해 실제공정에 응용되기는 부적합하였다. 연속배양에 있어 톨루엔과 크실렌의 동시분해에 대해 수행한 수학적 모사 결과는 톨루엔만을 탄소원으로 했을 때 얻은 결과와 마찬가지로 실험결과와 거의 일치하였다. 모사 결과를 통해 특정 조건하에서의 증식 제한 기질을 결정함으로써 최적 작업 조건을 구할 수 있었다.
위에서 사용한 생물반응기에서의 분해용량과 분해효율을 증대시키기 위한 방법으로 산소 전달 속도를 높이고, 활성이 높은 미생물의 농도를 증가시키기 위해서 bubble column 반응기를 이용하고, 미생물을 담체인 celite 에 고정화하였다. 탄소원으로는 톨루엔을 사용하였고, 반응기 하단에 장치된 실리콘관을 통하여 확산되어 배양액에 공급되도록 하였다. Biofilm 의 형성은 유리 미생물이 먼저 흡착된 후 유리 미생물과 흡착된 미생물이 기질인 톨루엔을 상호 경쟁적으로 소모하게 되고, 희석속도가 증가함에 따라 유리미생물의 농도는 낮아지고, 흡착된 미생물에 의해 톨루엔의 분해가 주로 이루어져서 흡착된 미생물의 농도는 희석속도의 증가와 비례해서 증가된다. 또한, 톨루엔의 전달속도가 증가됨에 따라서도 흡착된 미생물의 농도가 증가되는 것을 관찰하였는데, 이것은 충분한 산소공급과 영양분의 공급하에서 증식제한 기질이 톨루엔이 되고 있기 때문이었다. 톨루엔의 분해는 본 반응기에서 효과적으로 이루어 졌고, 유리 미생물의 최대 증식 속도보다 매우 높은 희석 속도에서 연속적을 운전되었다. 연속배양 분해시에는 유리미생물에 의해서 얻을 수 있는 처리효율보다 높게 유지되었고, 반응기는 장시간 안정한 상태로 가동할 수 있었다.
위 생물반응기를 가동시, 톨루엔이 유리된 미생물과 흡착된 미생물의 생체막에 미치는 영향을 관찰하였다. 생체막의 단백질과 인지질의 비율은 톨루엔이 1.2 g/L/h 로 공급될 때, 희석속도가 증가함에 따라 단백질량의 증가를 보였다. 이것은 톨루엔과 그대사산물이 지질대사를 저해하고, 생체막을 구성하고 있는 특정단백질의 생산속도가 증대되어 톨루엔으로 부터 자신을 보호하는 적응기작이라고 생각된다. 또한, 생체막을 구성하는 지질내의 지방산의 구성비가 톨루엔이 존재할 때 달라짐을 관찰하였다. 그러나, cyclopropane 지방산의 구성비가 증가하고 있는 것은 충분한 산소공급하에서 탄소원인 톨루엔이 증식제한 기질로 작용하고있기 때문이었다. 독성 방향족 화합물에 대한 미생물의 적응기작과 고정화에 의한 저항성 증가에 관한 연구는 이들 물질을 효과적으로 처리하는 씨스템개발을 위해 계속되어져야 할 것으로 생각된다.
