AMX 미생물 배양, 어디까지 해 봤니?
AMX 미생물의 발견…대량배양에 도전하다
‘혹시 이 현상 중 일부는 아나목스 반응이 아닐까?’
국내 최초 AMX 공정개발은 이 작은 의문에서 출발했습니다. 당사가 운영 중인 가축분뇨 처리장에서는 하절기에 높은 수온으로 인한 아질산 축적현상이 자주 목격되었는데, 분석해 보니 질소성분의 일부가 어딘가로 사라지는 현상이었습니다. 평소 아나목스 반응에 관심이 많았던 정민기 아나목스 팀장은 이 현상이 아나목스 미생물에 의한 효과가 아닐까 하는 의심을 갖게 되었고 가축분뇨 처리장 10여 곳의 미생물을 분석한 결과 마침내 AMX 미생물의 존재를 확인합니다. 당사는 즉시 AMX 연구팀을 구성하고 AMX 활성이 높은 처리장에서 미생물을 회수하여 분리배양에 들어갔습니다.
(a) AMX 농화 배양운전 100일 후 / (b) AMX 농화 배양운전 150일 후 / (c) AMX 농화 배양운전 200일 후
국내에서 AMX균을 이용한 기술이 전무했던 이유 중 하나는 성장속도가 더딘 AMX균의 특징으로 인해 대량배양이 힘들었기 때문입니다. AMX균 우점화 배양에 성공한 연구팀은 균종 분석결과 Brocadia Sinica균이라는 것을 알아냈습니다. 이 종균은 타 AMX균 대비 성장속도가 빠른 고농도와 저농도 모든 환경에서 성장률이 뛰어나 세계에서 가장 뛰어난 균주로 학계에 보고되고 있습니다. 연구팀은 이 균을 이용한다면 국내에서도 AMX균의 대량배양이 가능할 것으로 판단하고 2015년 일본 훗카이도 대학의 Okabe 교수로부터 종균 도입을 추진했습니다. 연구팀의 연구 열정과 당사의 기술력은 Okabe 교수의 마음을 움직였고, 연구팀은 Candidatus “Brocadia sinica” JPN1의 독점사용권을 확보하고 대량배양에 착수했습니다.
Okabe 교수 집무실에서
Okabe 교수의 AMX 배양균
AMX를 삶아 먹었다고?…두 번 실수는 없다
2015년 11월, 일본 Okabe 교수로부터 도입한 AMX균 80L 중에서 60L를 부직포에 부착하고 2개의 300L 반응기에서 배양을 진행했습니다. AMX균은 무럭무럭 잘 자랐습니다. 하지만 2016년 2월, 민족의 대잔치인 설날에 시련이 찾아왔습니다. 온도에 민감한 AMX 미생물의 최적 온도(30~40℃) 유지를 위해 온도 조절 장치를 설치했는데, 기기 오작동으로 온도가 70℃까지 상승하면서 AMX 미생물이 고온의 반응기 속에서 삶아진 채로 활성을 잃어버린 것이었습니다. 연구팀은 청천벽력같은 상황에서 어떻게 하든 살려보려 애썼지만, 하얗게 변해버린 AMX 미생물은 이미 단백질 변형이 일어난 상태라 어떠한 노력도 무의미할 뿐이었습니다.
연구팀은 포기하지 않았습니다. 남아 있던 20L의 AMX 균으로 다시 배양을 시작했습니다. 당시 Okabe 교수가 현장 확인 차 AMX 배양조를 방문했을 때 AMX 균의 삶아진 모습을 보고 무척이나 실망하셨던 모습이 떠오릅니다. 연구팀은 두 번 다시는 이런 문제가 발생하지 않도록 어디서든 현장 제어가 가능한 원격제어 프로그램을 통해 낮이든, 밤이든, 평일이든, 주말이든 상관없이 실시간으로 현장 상황을 모니터링하며 AMX 균 배양에 매진했습니다.
AMX 삶기 전
AMX 삶은 후
스케일업…국내 최초/최대 대량배양조 운영
2016년 2월, 20L의 AMX 균을 300L 배양조에 재 배양한 것을 기점으로 1년 반 동안 300L 2기, 900L 1기, 900L 4기까지 AMX 배양조의 스케일업(scale-up)을 진행했습니다. 이와 동시에 lab AMX 반응기에서도 1L 반응기를 시작으로, 15L, 50L, 2개의 300L 반응기, 4개의 500L 반응기까지 수많은 scale-up을 진행했습니다. 그리고 2018년에는 Pilot과 lab에서 배양되고 있는 모든 AMX 미생물을 200m3/d 규모의 대량배양조로 스케일업을 진행했습니다. 반응조 사이즈만 64m3로 국내 최대 규모의 AMX 배양조입니다. 현재 연구팀은 2018년 말, 부산 강변에 70m3/d급 대량배양조를 추가로 설치하고 국내에서만 모두 2곳에서 AMX 대량 배양조를 운영하고 있습니다.
올 6월, 당사를 다시 방문한 Okabe 교수는 당사가 운영 중인 AMX 현장들을 둘러보며 3년이라는짧은 시간에 이룩한 성과에 놀라움을 표시했습니다. 그는 “이렇게 짧은 시간에 이렇게 다양한 AMX 현장들을 운영하고 AMX 균의 대량배양에 성공한 사례는 극히 드문 경우”라면서 “그동안 연구팀이 보여준 열정과 축적된 노하우에 경의를 표한다.”고 말했습니다. 물론 추가적인 균 배양 노하우 전수와 함께 지속적인 기술지원도 약속했습니다. 3년 전 악몽이 생각나면서 감개무량해지는 순간이었습니다.
대전 AMX 대량배양조(200m3/d)
부산 강변 AMX 대량배양조(70m3/d)
독보적 배양기술…국내 최초 AMX 상용화
국내 최초 AMX 상용화 프로젝트인 부산 녹산 슬러지 감량화 사업
AMX 미생물은 자연계에 잘 존재하지 않고 개별 종균마다 반응속도나 성장속도가 천차만별입니다. 한마디로 뛰어난 종균의 확보가 AMX 상용화의 열쇠인 셈입니다. 현재 연구팀은 장기간에 걸친 AMX 미생물의 배양기술과 스케일업 기술을 바탕으로 한국생명과학연구원에 AMX 미생물을 기탁하고, AMX 미생물의 배양장치 및 방법에 관한 특허 등록을 완료했습니다. 또한 균 배양관련 특허를 포함해 AMX 공정 관련 특허만 10개가 넘을 정도로 독보적인 AMX 기술을 확보하고 있습니다.
국내 최초로 AMX 공정을 적용한 부산 녹산 슬러지 감량화 사업 중 반류수 처리가 곧 시운전에 들어갑니다. 이 프로젝트가 성공하면 국내 최초로 유기성 폐기물 780톤(하수 슬러지 580톤/일, 음폐수 200톤/일)을 통합소화하고 이후 발생되는 반류수 처리에 적용된 AMX 기술은 연간 10억의 운영비를 절감하고, 82%의 질소제거율을 달성할 것으로 예측됩니다. 연구팀은 이 프로젝트의 성공적인 수행을 위해 그 동안의 AMX 기술을 재정립하며, 국내 최초로 AMX 상용화가 되는 그날까지 만반의 준비를 해 나갈 것입니다. 하수처리장의 에너지 자립화 달성을위한 AMX 연구팀의 도전 정신과 연구 열정은 현재 진행형입니다.