복합미생물을 이용한 패각 소멸처리_1

1. 실험 목적;

– 미라클에코바이오에서 개발한 복합미생물로 패각 소멸처리 가능성을 확인하고자 함.

2. 실험 방법;

– 각종 음식물 쓰레기와 각종 패각류(굴 껍질, 전복 껍질, 모시조개 껍질, 소라 껍질, 바지락

껍질 등)를 부피 비로 대략 1:1로 혼합하여 미라클에코바이오사에서 개발한 미생물 처리기

(Eco Clean EC-200) 에 투입.

– 미생물 처리기를 80 ℃ 의 고온에서 가동하면서 72시간 후 2차로 음식물 쓰레기를 투입.

– 시료 1, 2, 3, 4를 시간별로 채취.

시료번호	1	2	3	4
시료 누적 처리시간	48 시간	72 시간	97 시간	146 시간
처리 이력	각종 조개 껍질 + 음식물 1		72시간 후 음식물 2 추가 투입

– 염산 반응 실험; 강염산 20 ㎖에 시료 각 1 g을 투입, 중량 변화를 측정.

– XRD 분석 실험; 각 시료별로 X-ray 결정 구조 분석

– SEM 관찰 및 EDX 분석

– 열처리 및 중량 감소량 측정

3. 실험 결과;

1) 형상 변화;

– 폐 패각 장입하기 전에 육안으로 각종 음식물 쓰레기와 조개껍질들이 원래 형상을 유지

하고 있음을 확인.

– 24시간이 지나면서 원래 형상 사라지기 시작,

– 72 시간 이후에는 반건조 상태의 구립 분말 형태로 소멸됨.

2) 중량 변화;

– 초기에는 수분이 많이 함유된 음식물 쓰레기 등으로 인해 중량이 많이 나갔으나 미생물

처리 후에는 중량이 상당량 감소. (초기 중량의 95 % 이상 감소)

3) 조개 종류에 따른 분해 속도 차이;

– 전복 및 소라는 껍질이 상당히 단단하여 비교적 시간이 걸렸으나 나머지는 쉽게 분해됨.

4) 염산 반응 및 중량 변화 측정 (감소량, 단위 g)

시료 번호	1	2	3	4
1 g 투입 직후	-0.08	-0.23	-0.10	-0.14
40 시간 후	-0.12	-0.27	-0.15	-0.19
4 개월 후	-0.19	-0.37	-0.23	-0.27

– 2번 시료에서 다른 시료보다 더 격렬한 반응이 관찰됨.

5) XRD 결정 구조해석

– 방해석(calcite)과 아라고나이트(Aragonite)가 관찰되었으며 시료 별 차이는 거의 없음.

– 생석회(CaO)는 거의 나타나지 않았음.

6) 주사전자현미경 및 조성 분석

– 주사전자 현미경 관찰 결과 처리 시간이 길어짐에 따라 분말의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있음.

– EDX 분석 결과 처리 시간이 길어짐에 따라 탄소 피크가 줄어 들었음.

7) 열처리 및 중량 감소량 측정

– 온도 별로 열처리를 하면서 중량 변화 측정

– 전체적으로 2번 시료의 증량 감소량이 적었으며 이것은 상대적으로 다른 시료들에 비해

수산화칼슘의 생성량이 많았다는 것으로 해석 가능함.

가열온도	120 ℃	550 ℃	700 ℃	900 ℃	총 감량
시료 1	0.05	0.55	0.14	0.05	0.79
시료 2	0.03	0.31	0.26	0.02	0.62
시료 3	0.06	0.52	0.15	0.03	0.76
시료 4	0.07	0.56	0.11	0.04	0.78

4. 실험 결과 해석

1) 조개 껍질은 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분임.

– 탄산칼슘은 결정구조에 따라 방해석과 아라고나이트로 나누어짐.

– 방해석은 육각형 기둥 모양의 육방정계, 아라고나이트는 직각기둥 모양의 사방정계임.

– 굴 껍질은 주로 방해석으로 구성되어 있고 대합, 꼬막, 바지락은 대부분 아라고나이트로

구성되어 있음.

– 탄산칼슘 층 사이에 단백질의 일종인 콘키올린(conchiolin)이 있어 서로 교차하면서 층상

구조를 이룸.

2) 탄산칼슘의 특성

– 아라고나이트는 400 ℃에서 방해석으로 결정구조가 바뀜.

– 방해석은 900 ℃에서 아래 반응식에 따라 이산화탄소가 분리되어 대기 중으로 방출됨.

CaCO3 (s) → CaO + CO2 (g)

– 이산화탄소가 분리되면서 중량이 44 % 정도 감소하고 탄산칼슘은 생석회가 됨.

– 생석회는 물과 만나면 수화되면서 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 되며 알칼리성임.

CaO + H2O → Ca(OH)2

3) 복합미생물에 의한 패각의 변화

– 복합미생물에 의해 패각이 분말화되고, 최종적으로 작은 파편 모양으로 바뀌면서 중량이 감소한 사실은 탄산칼슘이 복합미생물에 의해 분해되었음을 시사함.

– 전자현미경으로 분석한 결과 시료 중의 탄소 함량이 처리 시간에 따라 감소하였음. 이것은 탄산칼슘이 분해되면서 탄소 함량이 줄어들었음을 의미함.

– 패각의 분말화 과정에서 패각 층상에 존재하는 단백질인 콘키올린이 일차적으로 미생물에 의해 분해되면서 패각이 분쇄되고 2단계로 패각 자체의 분해가 일어난 것으로 추정됨.

– 2단계 과정에서 패각의 탄산칼슘이 생석회와 이산화탄소로 분해되면서 이산화탄소가 날아가고, 생석회는 미생물 처리장치 내부가 수분이 많은 환경이므로 곧바로 수분과 반응하여 수산화칼슘이 된 것으로 추정됨. 이것이 XRD 분석에서 생석회가 관찰되지 않은 이유인 것으로 보임.

– 따라서 처리 시간이 길수록 생성된 수산화칼슘의 양이 많아지고, 이 때문에 처리 시간이 긴 시료에서 염산과 혼합할 때 더 격렬한 반응이 나타난 것으로 판단되며 이것은 산–알칼리 반응에 해당함. 2번 시료의 격렬한 반응을 산–알칼리 반응으로 해석할 수 있음.

– 3, 4번 시료는 음식물이 추가되어 2번 시료만큼 반응이 격렬하지 않았으나 반응도가 높아서 중량 감소량이 1번 보다 많았으며 3, 4번과만 비교할 경우에도 4번 시료의 감소량이 3번보다 많았음.

– 미생물에 의해 패각이 분해되는 현상은 주성분인 탄산칼슘의 특성에 비추어 기존의 물리적 화학적 기전으로는 해석이 어려움.

– 그 이유는 복합미생물이 탄산칼슘의 분해온도인 900 ℃ 보다 훨씬 낮은 온도인 80 ℃ 에서 탄산칼슘을 분해하였기 때문이며 생물학적으로 매우 중요한 의미가 있음.

– 현재 분해 기전을 밝히기 위한 실험이 계속 진행 중임.

5. 결론

– 현재로서 복합미생물에 의한 패각 소멸 분해 기전은 새로운 현상으로서 보고된 바가 없으며 기존의 이론으로는 설명이 불가능함.

– 그러나 현상학적으로 확인되고 있으므로 매우 의미 있는 결과이며 기전을 밝히기 위한 연구가 진행 중임.

(2021. 2. 8.)