분리막 오염 제어기술 (Control of Membrane fouling) (1) - 미생물들의 대화를 차단한다! (Quorum quenching)
안녕하세요.
물 이야기 쓰는 @chromium 입니다.
SP를 임대해 주신 @oldstone 님과
활어 작품을 선물해 주신 @tata1 님께 감사의 말을 전해드립니다.
이번 연재 포스팅에서는
분리막 공정 중 효율을 급격하게 떨어뜨리는 생물오손(Biofouling)과
제어 방법인 Quorum quenching에 대하여 알아보겠습니다.
읽어두면 이해에 도움이 되는 글
분리막 기술 (1) - 분리막의 기본 개념
분리막 기술 (2) - RO, FO, PRO
분리막 기술 (번외편) - 기장 RO 무엇이 문제인가?
분리막 기술 (3) - 재질과 형태별 분리막의 구분
생물오손(Biofouling) 이란?
'분리막 표면에 생긴 생물막 (bioflim)에 의해 처리수의 유속 저하 및 구동 압력 상승 등의 수처리 기능이 급격하게 저하되는 것'
생물막 (Bioflim): EPS등의 물질에 의해 미생물 들의 군집이 막처럼 형성되는 것
EPS (Extracelluar Polymeric Substance): 미생물체외 고분자 물질 - 굉장히 끈적끈적함
미생물에 의해 오염된 분리막 (Source : http://www.global-membrane.com/)
개더럽, 그켬, 눈갱, 악취
입자들에 의한 일반적인 분리막 오염(Membrane fouling)은
역세정(Back-washing)으로 어느정도 해결이 가능합니다.
역세정 (Back-washing)이란?
역 세정은 아니고 (출처 : 일간스포츠)
기존 여과 방향의 반대 방향으로 유속을 바꿔서
입자들을 떨어뜨리는 것을 말합니다.
여과(좌측)와 역세정(우측)의 비교 (Source : http://www.genryo.co.jp/)
분리막의 공극(Pore)를 막는 입자들을 반대방향으로 밀어내는 작업으로
실제 공정 중에 30분 정도에 한번씩 실시한다고 합니다.
하지만... Biofouling은 역세정만으로는 제거가 불가능합니다.
왜 때문에?
EPS가 너무 끈적끈적해서 막 표면에 찰싹 달라 붙어있어.
그럼 어떤 방법으로 떼어내야 하는거지??
보통 염소 소독을 하는데... 염소는 분리막도 공격해서 상처를 내고 내구성을 크게 떨어뜨리거든...
그럼 biofouling을 제어 하는 방법을 알아보겠습니다.
제어 방법을 알아보기에 앞서 biofouling이 생성되는 과정을 먼저 살펴볼까요?
미생물1 : 으아아~ 물에 떠밀려간다~ 여기 막 표면에 붙어있어야겠다.
미생물1: 혼자있으니 심심한데 증식해서 친구를 만들어야겠다. 증식!
미생물2: 안녕? 난 미생물 2야. (화학물질을 내뿜는다.)
미생물3: 안녕? 난 미생물 3이야. (화학물질을 내뿜는다.)
...
미생물n: 안녕? 난 미생물 n이야. (화학물질을 내뿜는다.)
미생물1: 얘들아 우리 붙어 지내자. (EPS를 만들기 시작한다.)
미생물2: 얘들아 우리 붙어 지내자. (EPS를 만들기 시작한다.)
...
미생물n: 얘들아 우리 붙어 지내자. (EPS를 만들기 시작한다.)
이렇게 미생물들이 EPS 만들어내서 합체하면 생물막이 형성됩니다.
생물막은 한번 형성되면 EPS 때문에 아주아주 끈적하게 막 표면에 달라붙게 됩니다.
콧물이나 가래 같은 느낌
대부분의 연구는 사후 처리 (생물막이 형성되고 난 후)에 집중되었습니다.
염소 이외의 다른 소독제를 찾거나 분리막의 내구성을 테스트하는 연구이지요.
한국의 어느 연구팀에서는 원천적으로 biofouling을 제어하는 방법을 찾기 위해 고심합니다.
때는 2002년 월드컵의 열기가 가득할 때,
분리막 및 막 오염 제어의 대가
이정학 교수님이 연구실 그룹 미팅때 한 말씀을 하십니다.
서울대학교 화학생물공학부 이정학 교수님
이정학 교수님: 학회에서 들었는데 미생물끼리도 대화를 한다더라. 미생물이 대화하는 방법을 알아보고 한번 차단해보자. 대화를 차단하면 미생물 증식도 막고 생물막 형성하는걸 방지 할 것 같은데?
대학원생 제자들: (뭔 뜬구름 잡는소리???) 예... 해보겠습니다...
위대한 연구의 첫 시작이었습니다.
Quorum sensing (정족수 감지)과
Quorum quenching (정족수 감지 억제) 연구를 시작하게 된 것이지요.
앞선 그림의 설명에서 대충 눈치 채셨겠지만,
미생물이 일정량 이상 증식을 하게 되면
서로 대화를 위한 화학물질들을 내뿜는데
이것을 Quorum sensing (QS)이라고 합니다.
그렇게 생성된 QS 물질을 차단하고,
EPS 생성을 억제시키는 방법을 Quorum quenching (QQ)라고 합니다.
QS물질을 분해시키는 효소에 의한 QQ과정
Quorum quenching 방법을 도입하여
실제 MBR (Membrane bioreactor) 공정에 적용하였을 경우
분리막의 내구성이 2배 이상 증가하고,
Biofouling 생성량은 50% 이상 감소하였다고 합니다.
세계 최초로 미생물간의 대화를 차단하여
원천적으로 biofouling을 제어하는 Quorum quenching 연구는
2014년 Nature 지의 7월 24일자 기술 동향에 소개되는 등
학계에서 아주 큰 반향을 일으킵니다.
또한 수처리공학+분자미생물학의 학계간 벽을 허무는
융합학문의 모범사례로 남게됩니다.
마치며...
포스팅에서는 단 몇줄의 서술로 끝났지만
이정학 교수님 연구실에서 QS물질을 찾고
QQ를 위한 효소를 도입하기까지 7년의 시간이 걸렸다고 합니다.
대학원생 제자분들이 정말 오랜시간동안
좌절을 겪었다고 말씀 하시더라구요.
강연 말미에 안되던 연구가 실현되었을 때의
희열감을 느껴보라고 하셨던 기억이 나네요.
저도 열심히 연구에 매진해야겠다는 생각이 듭니다.
감사합니다.
Cheer Up!
대학원생들이 7여년 시간이 걸렸다니 그동안 정말 많이도 갈려나갔겠습니다 ㅠㅠ
제자분들이 1-2년 하다가 포기하고 다른 주제로 많이 갈아탔다고 하더군요.
잘 보았습니다.
hooo **
감사합니다^ㅡ^
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깨알 역세정 ㅎㅎㅎ 이 글이 바로 2시간 쓴 글을 날리고 다시 완성된 것이로군요
으으 어제 새벽에 곶통 받았습니다...
Nice blog of science. Thanks for sharing. Are you student or teacher?
Thx for your attention. I'm a graduate student in environmental engineering. I'd like to talk about water and water treatment technologies.
Yea i see. Thanks for sharing. You are graduate by chemistry and i'm math, science student. And I'd like to talk about mathematics. See my blogs in my second in @pradeeprajora. Again thanks for sharing post about water.
연구가 언제 답이 나올지 모르니 힘들죠. 지금도 신기술에 매진하는사람들도 그렇고....
그렇지요. 더군다나 저 시기에는 분석을 위한 장비의 농도 검출 한계도 지금보다 훨씬 높아서 실제 QS물질이 나왔음에도 불구하고 검출을 못한 경우도 많았다고 합니다.
어떻게든 이해해 보려고 두번이나 읽었는데, 역시 뼈속까지 문과생인 저는 눈물만 흘리고 갑니다..
앞으로 글을 쓸때 3줄 요약을 붙여야 겠네요.
생물막은 분리막 공정의 효율을 떨어뜨리는 주범이다.
생물막은 미생물의 대화(Quorum sensing)를 통해 만들어진다.
미생물 간의 대화를 막으면(Quorum quenching) 생물막이 덜 만들어진다.
감사합니다. ^ㅡ^
저도 거기까지는 이해를 하긴 했네요. 다행히~~^^ 그런데 이렇게 요약을 해 주시니 제가 이해한것이 맞는지 알 수가 있으니 더 좋네요~^^
아마도 이해가 힘든 이유는 사용되는 용어들이 일상에서 자주 접하지 못하기 때문에 그런것 같습니다. 풀어쓰고 예시를 든다고 들었는데도 말이죠. 저도 부단히 노력을 해야겠네요.
대화가 차단되면 미생물도 살 맛을 잃는군요!
배웠습니다.
그러고보니 미생물들도 고독사 하는군요 ㅎㅎ
그러게 말이죠. 소통하고 싶어지네요.
미생물도 고독사하면 한이 남을거에요.
^^ 두번 읽었습니다. EPS 설명을 안 읽어서 ㅠㅠ 화일명이 왜 나올까 -__-;; 이러면서 ㅠㅠ 그래서 한번 더 읽고 나니 ㅎㅎ 다행히 댓글에 요약을 해주셨네요 ㅎㅎ 미생물이 일정량 이상 증식하면 화학물질을 만들어 낸다는 거가 신기할따름입니다.
신기하죠? 그냥 학회에서 본인 전공 분야가 아니면 흘러듣기 마련인데 그걸 캐치하고 연구하신 분들도 대단하신 것 같아요.