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

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 섬유^2,3에서 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 단량체의 화학적 및 생물학적 전환은 식품 감미료 및 향료 첨가제로 사용되는 바닐린과 계피산, 플라스틱 및 수지에 사용되는 페놀, 연료로 사용할 수 있는 시클로헥산을 성공적으로 생산했습니다⁵.

이 펄프 폐기물의 생분해에 대한 이전 연구는 리그닌 해중합에 중점을 두었습니다. 국제 리그닌 연구소(International Lignin Institute, ILI)는 매년 4천만-5천만 톤의 리그닌이 생산된다고 보고합니다(http://www.ili-lignin.com/aboutlignin.php). 그 리그닌 중 1.5%만이 상업적 산업 공정에 사용됩니다⁶. Phanerochaete 및 Trametes 속의 백색 부패 균류에 의해 생성된 laccase 및 peroxidase 효소에 의한 리그닌 해중합이 자세히 연구되었습니다⁷. 노카르디아(Nocardia)와 로도코커스(Rhodococcus)⁸, 슈도모나스 푸티다 mt-2⁹, 스트렙토마이세스 비리도스포루스 T7A¹⁰과 같은 방향족 화합물을 분해하는 것으로 알려진 토양 박테리아도 리그닌을 분해할 수 있는 것으로 나타났습니다. 펄프 폐기물의 박테리아 분해는 일부 박테리아가 펄프 폐기물 폐수를 특징짓는 염분 및 알칼리성(pH 10-14) 조건에서 번성할 수 있기 때문에 유망합니다¹¹. 리그닌은 흑액의 주성분이지만 미생물은 흑주를 구성하는 다른 성분을 분해할 수도 있습니다. 이러한 기술은 리그닌을 분해하는 미생물을 독점적으로 식별하는 것이 아니라 추가 처리된 성분 대신 펄프 폐 흑액에 직접 적용할 수 있는 미생물을 식별하는 역할을 합니다.

검은 액체는 중화 및 여과 살균을 통해 미생물 성장을 위해 수집 및 변형되었습니다. 새로운 리그노셀룰로오스 추출 프로토콜에 의해 생성된 리그노셀룰로오스 성분에 대한 최소한의 배지 성장 실험을 통해 환경 미생물 분리물에 대한 미생물 성장 요구 사항이 확인되었습니다. 성장 배지는 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)으로 분석하여 흑액을 유일한 탄소원으로 성장시킬 때 환경 미생물 분리물의 대사 산물을 측정했습니다. 이러한 기술의 조합은 흑액과 같은 펄프 공장 폐기물에서 자랄 때 미생물의 대사 능력을 결정하기 위한 평가 도구를 제공합니다. 이러한 기술의 사용은 또한 부산물 생성을 위해 펄프 공장 폐기물에 특정 미생물을 적용하는 가치에 대한 통찰력을 제공합니다.