방법 논문

펄프 공장 폐기물 흐름에서 미생물 성장을 촉진하는 방법 및 배양된 미생물의 생분해 잠재력 특성화

DOI:

10.3791/51373

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2013년 12월 12일

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1Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, 2Department of Forest Biomaterials, North Carolina State University

이 논문에서

요약

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산업 폐기물을 수거하고 수정하여 미생물 성장을 분석할 수 있습니다. 리그노셀룰로오스 추출 기술은 특정 생분해 능력을 분석하기 위한 구성 요소를 제공합니다. 가스 크로마토그래피-질량 분석법은 펄프 폐기물에서 자란 미생물의 발효 산물을 식별합니다. 이러한 방법은 펄프 폐기물을 분해하는 미생물의 대사 능력을 결정합니다.

초록

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크래프트 공정은 고품질 종이를 생산할 펄프를 위해 리그노셀룰로오스 내의 다당류에서 리그닌을 분리하기 위해 나무 조각에 적용됩니다. 흑액은 크라프트 공정에서 생성되는 펄프화 폐기물로 다운스트림 생물 전환 가능성이 있습니다. 그러나 리그노셀룰로오스 자원의 다루기 힘든 특성, 흑색 주류 내에서 사용 가능한 유기 탄소의 대부분을 구성하는 화학 유도체 및 기본 pH는 이 폐기물의 미생물 생분해에 어려움을 줍니다. 미생물 증식을 위한 흑액의 수집 및 변형 방법은 이 펄프 폐기물을 활용하여 리그닌, 유기산 및 다당류 분해 부산물을 귀중한 화학 물질로 전환하는 것을 목표로 합니다. 제시된 리그노셀룰로오스 추출 기술은 배양된 미생물의 대사 능력을 이해하기 위해 리그노셀룰로오스 성장 기질의 준비를 위한 재현 가능한 방법을 제공합니다. 가스 크로마토그래피-질량 분석법을 사용하면 펄프 폐기물에서 미생물의 성장으로 인한 발효 생성물을 식별하고 정량화할 수 있습니다. 이러한 방법을 함께 사용하면 펄프화 시스템에 더 큰 가치를 제공하고 폐수 폐기물을 줄일 수 있는 발효 제품을 생산할 수 있는 잠재력을 가진 미생물의 대사 활성을 쉽게 측정할 수 있으므로 잠재적인 제지 수익이 증가하고 흑액에 대한 추가 용도를 제공할 수 있습니다.

서론

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목재의 펄프화는 폐기물을 최소화하는 시스템을 만들기 위해 수년에 걸쳐 최적화된 화학적 집약적인 공정입니다. 그러나 이 프로세스의 일부 출력은 더 높은 가치의 제품을 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 흑주가 그러한 예 중 하나입니다. 이는 세계 리그닌 생산량의 85%를 차지하는 지배적인 화학적 펄프화 방법인 크라프트 공정에서 생성됩니다1. 크라프트 공정(그림 1)은 온도(160-200°C), 압력(120psig) 및 백색 액체(수산화나트륨 및 황화나트륨)에 포함된 화학 물질을 사용하여 목재 섬유2,3에서 리그닌을 용해합니다. 흑액에는 리그닌, 유기산 및 다당류 분해 부산물이 포함되어 있습니다4. 다운스트림 제지 및 펄프 화 공정에 열 에너지를 제공하는 회수 보일러에서 증기를 생산하고 화학 물질을 회수하기 위해 소각됩니다. 펄프화에 의해 생성되는 흑액의 양은 회수 보일러가 효과적으로 처리할 수 있는 양을 초과할 수 있습니다. 흑액을 폐수로 처리하는 것은 수생 동식물에 부정적인 영향을 미치므로 선택 사항이 아닙니다. 성장을 위해 흑액을 사용할 수 있는 미생물 유기체를 적용하면 화학적 회수를 증가시키고 펄프화 시스템의 전체 수명 주기 분석을 개선할 부가가치 제품의 생성 측면에서 도움이 될 것입니다. 리그닌 유래....

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프로토콜

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1. 흑주 수집 및 성장 배양을 위한 흑주 준비

  1. 멸균 유리병에 담긴 크래프트 소화조에 부착된 배출 밸브에서 흑액 샘플을 수집하고 다음 단계를 진행하기 전에 실온으로 식히십시오.
    중화
  2. 교반 막대가 장착된 100ml 비커에 흑색 주류 샘플 500ml를 추가합니다.
  3. 비커를 교반 접시에 놓고 속도를 중간으로 조정합니다.
  4. 흑주가 점성이 될 때까지 인산 한 방울을 천천히 첨가하십시오 (점도는 글리세롤과 유사한 점성).
  5. 50ml 원뿔형 튜브에 천천히 붓고 9,300 x g에서 30분 동안 원심분리기를 모두 추출합니다.
  6. 상등액을 비커에 넣고 pH 테스트 리본을 사용하여 pH를 측정합니다. 침전된 리그닌 펠릿은 폐기되어 무해한 고형 폐기물로 처리될 수 있습니다.
  7. pH 스트립이 상등액의 중성 pH를 나타낼 때까지 인산을 계속 추가하고 용액을 원심분리합니다.
    멸균
  8. 용액을 0.22μm 필터에 통과시켜 오염 박테리아를 제거하고 여과된 용액을 멸균 용기에 넣어 보관합니다. 실온에서 보관하십시오.

2. 리그노셀룰로오스 추출

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결과

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크라프트 펄프화 공정에서 생성된 흑액의 수집 및 변형(그림 1)을 통해 이 펄프 폐기물을 사용하여 단일 박테리아 분리물 또는 혼합 배양의 생분해 능력을 결정할 수 있습니다. 그림 2는 LB 배지 단독으로 배양된 미생물 환경 분리물과 10% 중화된 흑색 액체가 보충된 LB 배지의 광학 밀도로 측정한 호기성 성장을 보여줍니다. 이러한 결과는 이 박테리아가 중화된 흑액의 존재 하에서 자란다는 것을 나타냅니다. 흑액이 없는 환경 분리물의 성장은 초기에 더 빠르게 성장하지만(기하급수적 단계에서 20시간의 생성 시간) 성장은 62시간 이상으로 지속되지 않습니다. 흑색 주류의 존재 하에서 미생물 환경 분리물의 성장은 느립니다 (지수 단계에서 35 시간의 생성 시간). 그러나 배양물은 230시간 성장할 때까지 광학 밀도가 계속 증가합니다. 흑액의 존재 하에서 성장한 미생물 환경 분리물의 성장 곡선은 또한 이위상 성장을 나타내는데, 이는 흑액이 미생물 환경 분리체가 사용할 수 있는 하.......

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토론

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이 프로토콜은 펄프화 폐기물을 분해할 수 있는 미생물, 펄프화 폐기물에서 성장하는 동안 활용되는 탄소원, 펄프화 폐기물에서 성장할 때 생성되는 미생물 대사 산물을 식별하는 것을 목표로 하는 기술의 조합을 설명합니다. 우리는 10% 흑액에서 성장할 수 있고 리그노셀룰로오스 추출 성분을 성장을 위한 유일한 탄소원으로 사용할 수 있는 통성 혐기성 균체인 미생물 환경 분리주에 대해 이 프로토콜의 성공을 보여주었습니다. 이 프로토콜은 리그노셀룰로실 분해 가능성이 있는 다른 미생물 또는 미생물 컨소시엄에 의해 펄프화 폐기물을 분해할 가능성을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.

한 번에 약 1L의 흑액을 수집했습니다. 그러나 수집되는 양은 실험의 필요성과 흑액을 수집할 수 있는 접근성에 따라 결정되어야 합니다. 흑액을 채취할 때는 반드시 보안경을 착용하고 내열 장갑을 착용하여 채취병을 고정하십시오. 이 프로토콜에서, 흑액은 이 실험에 사용된 미생물 환경 분리물의 성장을 촉진하기 위해 중화되었습.......

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공개 사항

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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

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흑주를 제공해 주신 Jim McMurray와 GC-MS에 도움을 주신 David Tilotta 박사님과 August Meng님께 감사드립니다. Stephanie L. Mathews에 대한 지원은 USDA National Needs Fellowship(수상 번호 2010-38420-20399)에서 제공했습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1,4-다이옥산(ACS 인증)FisherD111가연성, 사전산화성 화학물질
흑색 주류노스캐롤라이나 주립대학교 산림 생체 재료학과N/ApH 12.72, 13.67% 고체
에탄올(미생물학 등급)FisherBP2818
에틸 아세테이트(ACS 시약 등급)EMDEX0240-9가연성
빙초산 (인증 ACS)EMDAX0073부식성
GuaiacolSigma AldrichPHR1136섭취에 의해 유해, 부식성
HP-5 모세관 컬럼Agilent19091J-57760 m x 0.18 mm 내경, 0.18 μ m 두께
염산 (인증 ACS)EMDHX0603P
N, O-Bis(트리메틸실릴) 트리플루오로아세트아미드, 트리메틸콜로실란 99:1% (BSTFA)플루카15238가연성, 접촉 시 피부 화상 및 눈 손상 유발
Na2SO4 (FCC 등급)VWRBDH8026
NaClO2 (80%)Sigma Aldrich244155가연성, 독성   
NaOH (인증된 ACS)EMD1.06498.1000부식성
알크산 pH 테스트 리본FisherA979
인산 (인증된 ACS)FisherA242
Polaris Q 질량분석기 Thermo Electron Corporation
피리딘 (99%)Alfa AesarA12005가연성, 피부 접촉 독성
SwitchgrassCherry Research Farm Goldsboro, NCN/A수확 2011년 8월
Thermo Finnigan 미량 가스 크로마토그래프Thermo Electron Corporation
Whatman no. 1 여과지Whatman1001-150

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Tejado, A., Pena, C., Labidi, J., Echeverria, J. M., Mondragon, I. Physico-chemical characterization of lignin from different sources for use in phenol-formaldehyde resin synthesis. Bioresource Technol. 98, 1655-1663 (2007).
  2. Brannvall, E. Overview of pulp and paper processes.

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재인쇄 및 허가

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