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문제 정의
- 회수하고자 하였다. 또한, 고효율의 메탄 생성을 위해 상분리 발효법의 적용 가능성 유무를 고찰하고자 하였다.
- 본 실험에서는 메탄 발효조에서 채취한 슬러지를 균체로 하여 메탄 발생 효율을 최대로 할 수 있는 최적 조건을 탐색하여 biogas로서의 메탄 생성 효율을 증가시켜 다량의 메탄을 회수하고자 하였다. 또한, 고효율의 메탄 생성을 위해 상분리 발효법의 적용 가능성 유무를 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- 2-Bromoethanesulfonic acid를 저해제로 사용하여 메탄가스 발생에 대한 영향을 조사하였다. 첫 번째로 진행한 실험은 상기 저해제를 각각 0.
- 2-Bromoethanesulfonic acid를 저해제로 사용하였으며, 각각 0.1, 0.3, 0.5 M로 배지에 첨가한 후 최적조건 하에서 6일 동안 상기 물질이 메탄 가스 발생에 주는 영향을 조사하였다.
- 12% (w/v), MgSO4 . 7H2O 0.25% (w/v), ③ resazurin 0.1% (w/v), ④ cysteine 2.5% (w/v), ⑤ NaHCOj 혹은 Na2CO3 8% (w/v)와 같으며, 이를 제조한 후 ① 7.5% (v/v) + ② 7.5% (v/v) + ③ 0.1% (v/v)를 제조하여 살균한 다음 ④ 2% (v/v), ⑤ 5% (v/v)를 첨가한 후 질소가스를 이용하여 10분간 치환한 후 사용하였다.
- 0으로 조정하여 사용하였다. 고체 배지는 각 단계에서의 상기 조성에 아가를 1.5% (w/v)로 첨가하여 사용하였다.
- 두 번째로 진행한 실험은 메탄 가스가 계속적으로 발생하는 도중에 상기 저해제를 첨가했을 때의 메탄 가스 발생량 변화를 측정하였으며, 이 결과를 Fig. 6에 보였다.
- 또한, 본 실험에서 이용한 질소원은 NH4CI, KNO& NH4NO3, 그리고 NaNCh로써 상기에서 결정된 온도 30℃, pH 7 조건에서 결정한 질소원을 각각 0.03% 함유하는 배지를 제조한 후 6일 동안 정치 배양하여 메탄 가스 생성에 대한 질소원의 영향을 조사하였다.
- 메탄 가스 생성에 대한 온도의 영향을 살펴보기 위해 배양기 온도를 25℃, 30℃, 55℃로 조정한 후 6일 동안 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 슬러지는 6개월 이상 30℃에서 순응된 것이기 때문어】, 실험 전에 온도 변화에 대한 미생물의 충격을 방지하기 위해 일주일간 예비 배양을 진행한 후 실험을 진행하였으며, 이 결과를 Fig.
- 메탄 가스 생성에 영향을 줄 수 있는 질소원 중 NHaCI, KNO3, NH4NO3, 그리고 NaNCh와 같은 네가지 질소원을 배지에 첨가한 후 30℃에서 4일간 정치 배양하여 메탄 가스 생성량을 조사하였다. 상기 질소원을 각각 0.
- 바이오 가스 및 메탄 생성에 최적인 환경을 탐색하기 위해 먼저 온도와 pH에 대한 실험을 진행하였다. 온도는 25℃, 30℃, 55℃로 조정한 후 실험을 진행하였고, pH는 배지의 초기 pH를 2, 4, 6, 8, 10으로 조정한 후 진행하였다.
- 배지의 초기 pH가 메탄 가스 생성에 미치는 영향을 조사하기 위해 중성 영역을 포함하여, 30℃ 조건 하에서 배지의 초기 pH를 2, 4, 6, 8, J0으로 조정한 후 실험을 진행하였으며, 이 결과를 Fig. 2에 보였다.
- 본 연구에 사용한 반응기는 상분리 발효법의 적용을 위해 각 발효 단계에 해당되는 혐기 반응기 서로 분리하여 제작하였다. 생성된 바이오 가스 중에 포함된 메탄의 측정에는 Gas Chromatography (이하 GC)를 사용하였으며, 배지 중에 생성된 유기산 측정에는 High Performance Liquid Chromatography (이하 HPLC)를 사용하였으며, pH 측정에는 METROHM사의 691 pH meter를 사용하였다.
- 탐색하였다. 상기 탄소원을 각각 0.1, 0.5, 1, 2, 3 M 농도로 첨가하고, 3 0℃, pH 7에서 4일간 정치 배양하여 메탄 가스 생성량을 조사하였다.
- 상기에서 정해진 온도와 pH를 기본 조건으로 한 후, methanol, formic acid, sodium acetate, succinic acid, glucose 등 5가지 종류의 탄소원을 메탄 가스 생성용 배지에 각각 적용하여 메탄 가스 생성에 대한 탄소원의 영향을 탐색하였다. 상기 탄소원을 각각 0.
- 생성된 바이오 가스 중에 포함된 메탄의 측정에는 Gas Chromatography (이하 GC)를 사용하였으며, 배지 중에 생성된 유기산 측정에는 High Performance Liquid Chromatography (이하 HPLC)를 사용하였으며, pH 측정에는 METROHM사의 691 pH meter를 사용하였다.
- 실험에 사용된 슬러지는 6개월 이상 30℃에서 순응된 것이기 때문어】, 실험 전에 온도 변화에 대한 미생물의 충격을 방지하기 위해 일주일간 예비 배양을 진행한 후 실험을 진행하였으며, 이 결과를 Fig. 1에 보였다.
- 온도와 pH에 대한 실험을 진행하였다. 온도는 25℃, 30℃, 55℃로 조정한 후 실험을 진행하였고, pH는 배지의 초기 pH를 2, 4, 6, 8, 10으로 조정한 후 진행하였다. 온도 조정은 배양기 내에 부착된 온도 조절기를 이용하였으며, pH는 0.
- 그 뒤를 차지하고 있었다. 이에 유기산 분석에 있어 formic acid를 기준으로 정하여 실험을 진행하였다. HPLC를 사용한 측정에서, retention timee 17.
- 대한 영향을 조사하였다. 첫 번째로 진행한 실험은 상기 저해제를 각각 0.1, 0.3, 0.5 M을 첨가한 배지를 제조한 후 시간 경과에 따른 메탄 가스 발생량을 측정하였으며 이 결과를 Fig. 5에 보였다.
- 1 N NaOH와 HC1-S- 사용하여 조정하였다. 측정 항목은 발생된 biogas 중 메탄 가스 함유량을 기준으로 정했으며, 각 조건하에서 6일 동안 정치 배양하여 조사하였다.
대상 데이터
- 메탄 발효조에서 채취한 반송 슬러지를 균체로 사용하였으며, 다음의 배지 조성을 사용하여 3개월 동안 완전 혐기성 상태에서 순응시킨 후 사용하였다. 혐기성 미생물용 배지 조성(7)은 다음과 같다.
- 본 연구에 적용한 상분리 발효를 위해 발효 제 2단계, 즉 유기산 생성 단계에서 사용한 배지는 glucose 5 g, yeast extract 5 g, peptone 5 g, meat extract 5 g, CaCOs 2 g에 증류수를 가하여 1 L가 되게 한 후 pH를 6.5로 조정하여 사용하였고, 발효 제 3단계인 메탄 생성 단계를 위해서는 K2HPO4 1.7415 g, KH2PO4 1.6335 g, MgSO4 . 7H2O 0.
성능/효과
- 결과에서 알 수 있듯이, 5가지 탄소원 중 메탄올을 탄소원으로 사용했을 때 가장 많은 메탄 가스를 생성하였는데, 이는 실험에 사용한 슬러지에는 메탄올을 이용하여 메탄을 발생시키는 미생물이 많은 것으로 사료된다. 또한, sodium acetate를 탄소원으로 사용하였을 때의 메탄 생성율은 초기에는 적은 수치를 나타내나 시간이 경과함에 따라 점차적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 2에서 볼 수 있듯이, pH 6과 pH 8에서 가장 많은 메탄 가스 생성량을 보였고, 그 외 pH 조건에서는 약간의 메탄가스가 생성되었다. 결과적으로 메탄 가스 생성에 영향을 주는 pH는 중성 영역이며, 이 영역에서 메탄 가스 생성이 우세한 것으로 사료된다. (원슬러지의 pH는 7임).
- 결과적으로, 메탄 생성 시에 가장 많은 영향을 주는 탄소원은 메탄올과 acetic acid인 것으로 판명되었으며, 더 많은 메탄을 얻고자 하여 탄소원을 고려할 시에는 메탄올과 acetic acid를 고려하는 것이 좋다고 사료된다.
- 이러한 예상은 배지에서 산 축적이 일어나 배지가 산성으로 되면 메탄 발생률이 작아지며, 중성으로 되었을 때 메탄 발생량이 증가한다는 보고와도 일치하는 것이다(7, 11). 결과적으로, 메탄 생성균이 최대 활성을 보이는 중성 영역에서 메탄 가스 생성량이 최대가 된다고 할 수 있다.
- 결과적으로, 유기산이 생성되면서 pH가 내려가는데, 이 pH 의 변화가 없을 때를 생성되는 유기산과 소모되는 유기산 (생성된 유기산을 이용하여 메탄 생성) 간의 비율이 일정한 시기로 보고, 상분리 발효에 의한 2단계에서 3단계로의 전환을 진행해야 할 시점으로 사료된다.
- 두 번째 실험결과도 첫 번째 실험과 마찬가지로 저해제를 첨가하지 않은 배지에서는 메탄 가스가 계속적으로 발생하고 있는 반면, 메탄 가스가 계속적으로 발생되고 있는 도중에 저해제를 0.02 M 첨가한 (Fig. 6에서 화살표로 표시한 곳) 배지에서는 메탄 가스 발생량이 중지된 후 급격히 감소하는 경향을 보이고 있는데 이는 배지에 첨가한 저해제에 의한 결과로 사료된다.
- 따라서, 실제 공정에서 더 많은 메탄 가스를 얻고자 한다면, 암모니아성 질소를 사용하고, 만일 NHC1을 질소원으로 사용한 경우에는 0.03% (w/v)를 사용하는 것이 메탄 가스 생성 효율을 높게 할 수 있을 것으로 사료된다.
- 또한 가장 많은 메탄 가스 발생량을 보인 NH4CI을 0.01% (w/v)에서 0.06%까지 0.01% 간격으로 제조한 배지를 사용하여 메탄 가스 발생에 대한 NHQ1의 농도별 영향을 측정한 결과 NftCl 0.03%까지는 계속적으로 증가하고 있으나 0.03% 이상의 농도에서는 약간 감소한 후 거의 일정한 메탄 가스 발생량을 보이고 있다(그래프 생략).
- (원슬러지의 pH는 7임). 또한, 본 연구에서 사용한 슬러지에는 중성 영역에서의 성장이 우수한 균주가 존재하고 있는 것으로 판단된다.
- 또한, sodium acetate를 탄소원으로 사용하였을 때의 메탄 생성율은 초기에는 적은 수치를 나타내나 시간이 경과함에 따라 점차적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 메탄올만을 이용하여 최대로 메탄을 생성하는 농도 측정을 위해 메탄올 농도를 각각 0.1, 0.5, 1, 2, 3 M을 첨가하여 배지를 제조한 후 실험을 진행한 결과 0.5 M의 메탄올을 사용했을 때 최대의 메탄을 얻을 수 있었다(그래프 생략).
- 배지 내에 가장 많은 유기산은 formic acid이었으며, 두 번째로 많이 생성된 물질은 succinic acid이었고, 미량의 phytic acid가 그 뒤를 차지하고 있었다. 이에 유기산 분석에 있어 formic acid를 기준으로 정하여 실험을 진행하였다.
- 실험 초기에 발생된 유기산 중 formic acid의 양은 0.01 M 이었으며, succinic acid는 0.02 M, phytic acid는 0.001 M 이 검출되었으며, 실험이 진행되면서 유기산 생성양이 점차로 증가되어 formic acid의 경우, 생성양이 0.1 M까지 증가되었다.
- 이 같은 결과를 보면, 바이오 가스 및 메탄 생성량은 실험 시작 개시일로부터 체류시간에 비례한다고 볼 수 있으며, 순응 기간이 길어지면 메탄을 생성하는 미생물의 수가 증가함과 동시에 활성이 좋아지면서 바이오 가스와 메탄이 증가하는 것으로 사료된다. 따라서, 더욱 많은 바이오 가스 및 메탄을 얻고자 한다면, 고형물 체류시간을 길게 하여 혐기성 미생물 중 메탄 생성균의 균체수를 증가시키면, 메탄 생성 효율이 증가할 것으로 사료된다.
- 1 에서 볼 수 있듯이, 30℃로 조정한 배지에서 메탄 가스의 생성량이 많았음을 알 수 있었으며, 같은 온도 조건이라면, 고형물 체류시간이 길수록 메탄 가스 생성량이 많아짐을 볼 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에 사용된 균체에는 중온 (35~40℃)에서 생장이 활발한 종인 것으로 사료되며, 이는 또한 메탄 발생에 최적 온도는 35~40℃라고 보고한 것과도 일치한다(11).
- 보였다(그래프 생략). 이렇듯 시간이 경과되면서 메탄가스의 함량이 증가한 이유는 혐기 반응기에 슬러지를 주입한 초기에는 메탄을 생성하는 미생물의 활동 저조 또는 새로운 환경에 적응하는 기간인 유도기가 필요한 탓으로 메탄 생성량이 적었으나, 혐기 상태에 적응하는 기간이 길어지면서 점차 메탄 생성량이 증가하는 것으로 사료된다. 이러한 결과는 고형물 체류시간 (SRT ; solids retention time)을 길게 함으로써 바이오 가스를 더 많이 얻을 수 있다는 연구와 일치한다(8 ~ 10).
- 질소원으로 사용한 네 가지 질소원은 크게 암모니아성 질소와 질산성 질소로 나눌 수 있는데, 결과적으로 보면 암모니아성 질소원이 질산성 질소보다는 메탄 가스를 발생시키는데 효과적이라고 사료된다.
- 혐기 반응기에 슬러지를 주입한 초기에는 메탄 생성을 보이지 않았으나, 그 함량이 점차 증가하여 3개월 이상 혐기 '상태로 순응시킨 슬러지에서 포집한 바이오 가스 내에는 10% 내외의 메탄 생성량을 보였고, 6개월 이상 혐기 상태로 순응시킨 슬러지에서 포집한 가스에는 30% 내외의 메탄 생성량을 보였다(그래프 생략). 이렇듯 시간이 경과되면서 메탄가스의 함량이 증가한 이유는 혐기 반응기에 슬러지를 주입한 초기에는 메탄을 생성하는 미생물의 활동 저조 또는 새로운 환경에 적응하는 기간인 유도기가 필요한 탓으로 메탄 생성량이 적었으나, 혐기 상태에 적응하는 기간이 길어지면서 점차 메탄 생성량이 증가하는 것으로 사료된다.
후속연구
- 따라서, 더 많은 메탄 가스를 얻기 위해서는 메탄 발효 단계 중 2단계에서 생성된 유기산의 축적이 없도록 미생물 간의 조화가 잘 이루어져야 할 것으로 사료되며, 메탄가스 생성 균의 농도를 높게 하여 유기산에서 메탄으로의 전환율을 높이는 것도 더 많은 메탄 가스를 얻는 한 방법일 것으로 사료된다. 실제 공정에서 pH 측정 혹은 유기산 측정을 통해 유기산의 축적으로 인하여 배지의 pH가 낮아지지 않도록 주의해야 하며, 이러한 측정을 통해 메탄가스 생성 효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 것으로 사료된다. 따라서, 더욱 많은 바이오 가스 및 메탄을 얻고자 한다면, 고형물 체류시간을 길게 하여 혐기성 미생물 중 메탄 생성균의 균체수를 증가시키면, 메탄 생성 효율이 증가할 것으로 사료된다.
- 따라서, 실제 공정에서 더 많은 메탄 가스를 얻고자 한다면 배지에 상기 저해제가 극미량이라도 함유되어 있는지를 확인하여 상기 저해제의 영향이 없도록 해야 할 것으로 사료된다.
- 유기산이 생성되며 낮아진 pH를 관측함에 따라 메탄 가스 생성양을 예측할 수 있는데, pH가 6 이하로 낮아진 경우에는 배지의 pH를 조정하여 중성 부근으로 유지하는 것이 메탄 가스 생성에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 또한 pH가 6이하로 계속 낮아지는 경우에는 유기산을 생성하는 균과 생성된 유기산을 이용하여 메탄 및 C6로 만드는 미생물간의 조화가 순조롭지 않다(3, 4)는 것을 뜻하므로, 이에 대한 대책을 강구해야 한다고 사료된다.
- 이러한 결과를 바탕으로, 발효조 안에서 생성되는 유기산과 이에 따른 pH 변화를 관측하면 메탄 가스 발생 정도를 쉽게 예측하게 할 수 있으며, 이러한 예측을 통해 발효조 안의 상태를 조절해 주어 메탄 가스 생성율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
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