[논문]미생물에 의한 수소생산: Dark Anaerobic Fermentation and Photo-biological Process

김미선; 백진숙

미생물에 의한 수소생산: Dark Anaerobic Fermentation and Photo-biological Process
Microbial hydrogen production: Dark Anaerobic Fermentation and Photo-biological Process 원문보기

한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering, v.20 no.6 = no.95, 2005년, pp.393 - 400

김미선 (한국에너지기술연구원 바이오매스연구센터) , 백진숙 (한국에너지기술연구원 바이오매스연구센터)

초록
AI-Helper

수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균(photosynthetic bacteria), 혐기성세균(non-photosynthetic anaerobic bacteria), 조류(algae) 등으로 구분되고, 이들의 수소 생성 기작, 사용가능기질 및 수소 발생량은 상당한 차이가 있다. 광합성세균은 Rhodospirillaceae, Chromatiaceae 및 Chlorobiaceae로 구분되며, 이는 각각 홍색비유황세균(purple non-sulfur bacteria), 홍색유황세균(purple sulfur bacteria), 녹색유황세균(green sulfur bacteria)으로 통칭된다. 혐기성 세균은 절대 또는 통성혐기세균중 일부가 수소생산에 관여하며, 조류는 녹조류(green algae)와 남조류(blue-green algae, cyanobacteria)가 알려져 있다. 생물학적 수소생산 기술은 (1) 녹조류(green algae)가 광합성 메카니즘에 의해 수소를 생산하는 직접 물 분해 수소생산(direct bio-photolysis) (2) 광합성 작용에 의해 물을 분해하여 산소를 발생하고, 동시에 공기 중 이산화탄소를 고정하여 고분자 저장물질로 균체 내에 저장한 후 혐기 발효 또는 광합성 발효에 의해 수소를 발생하는 간접 물 분해 수소생산(indirect bio-photolysis or two stage photolysis) (3) 빛이 존재하는 혐기상태 배양 조건에서 홍색 세균에 의한 광합성 발효(photo-fermentation) 또는 (4) 광이 존재하지 않는 조건에서 혐기 미생물에 의해 수소와 유기산을 내는 혐기 발효(dark anaerobic fermentation) (5) 균체 외(in virro) 수소 발생 (6) 일산화탄소 가스 전환 반응(microbial gas shift reaction)에 의한 수소 생산 기술로 구분할 수 있다. 물로부터 생물학적 기술에 의한 수소생산은 공기 중의 이산화탄소를 고정하고, 수소와 산소를 발생하는 원천기술로써 오래 전부터 미국, 유럽에서 태양에너지를 이용하는 광합성 미생물의 분리, 개선 및 반응기에 관한 연구가 축적되어 왔으며, 유기물 즉 바이오매스로부터 혐기 및 광합성 발효를 연속적으로 적용하는 기술은 비교적 최근에 일본을 비롯한 유기성 폐기물이 많은 국가에서 수소에너지 생산과 유기성 폐기물 처리라는 두 가지 목적에 부합하는 연구로써 활발히 진행되고 있다. 유기성 폐기물이나 폐수와 같은 수분함량이 높은 바이오매스는 대부분이 매립처리 되는 실정이지만 높은 수분 함량 때문에 매립 시 발생하는 침출수는 환경오염의 주범으로 가까운 장래에는 매립도 금지될 전망이다. 이와 같은 수소에너지 생산기술과 이용시스템 개발은 화석연료 사용을 최소화 할 수 있으며, 국내에서 다량 발생하는 유기성 폐기물을 이용한 에너지 생산으로 자원 강대국 입지에 설 수 있다. 미생물에 의한 수소생산 기술은 청정에너지 생산과 아울러, 동시에 산소 발생, 공기 중 이산화탄소 고정, 식품공장 폐수 및 음식쓰레기와 같은 유기성 폐기물 처리 등 환경에 이로운 방향으로 진행될 뿐만 아니라, 미생물 자체가 갖는 생물 산업성도 높아서 비타민류, 천연색소, 피부암 치료제등의 고부가가치 의약품 생산도 활성화할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen($H_2$) as a clean, and renewable energy carrier will be served an important role in the future energy economy. Several biological $H_2$ production processes are known and currently under development, ranging from direct bio-photolysis of water by green algae, indirect bio-photolysis by cyanobacteria including the separated two stage photolysis using the combination of green algae and photosynthetic microorganisms or green algae alone, dark anaerobic fermentation by fermentative bacteria, photo-fermentation by purple bacteria, and water gas shift reaction by photosynthetic or fermentative bacteria. In this paper, biological $H_2$ production processes, that are being explored in fundamental and applied research, are reviewed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 총설에서는 미생물에 의해서 발생하는 수소생산 종류를 크게 네 가지로 구분하여 각 기술에 관련한 미생물의 수소발생 메카니즘, 수소발생 효율 등을 설명하고, 각 기술의 특징과 기술개발에 극복해야 할 면 등 실질적인 응용에 관련한 면도 기술하였다.

제안 방법

첫째, 조류나 cyanobacteria와 같은 광합성 미생물 한 종류를 두 개의 배양 조건에 적응시킴으로써 수소를 발생하게 하는 것과 둘째, 광합성 세균을 포함한 두 가지 이상의 미생물을 이용하는 2단계 기술로 구분된다. 첫째 방법은 1단계에서 개방된 연 못형 배양기 (open pond)에서 조류를 배양하여 공기 중 이 산화탄소 고정으로 탄수화물을 축적하고, 2단계에서 암 . 혐 기조건의 발효조에서 hydrogenase를 유도시켜 수소를 발생하는 방법이다.

성능/효과

홍색유황세균은 주로 광합성 독립 영 양 의 대사형태로서 전자공여체로 H₂S를 이용하며 절대혐기성인 것에 반해, 홍색비유황세균은 주로 광합성 종속영양의 대사형태를 가지는 것이 일반적이다. 따라서 홍색비유황세균eHzS에 감수성을 보이며, 일부의 균종은 혐기조건에서미량의 HzS를 환원제로 산화.이용이 가능하지만 대부분의 균종은 비교적 낮은 HzS에서도 그 생육이 저해된다.
이외에도 미생물의 광합성 효율은 수소로의 변환에 직접 영향을 주기 때문에 미생물의 광합성에 의한 태양광 변환 효율은 수소생산에서 고려해야 할 중요한 인 자이다. 실험실 최적 조건에서 조류와 같은 광합성 미생물 은 가시광선이 가지는 에너지의 약 22%를 화학에너지로 저장 변환할 수 있는데 이는 태양에너지의 약 10%를 변환할 수 있는 것으로 계산된다. 그러나 실질적으로는 나무나 곡 식의 태양에너지 변환효율은 경작과 추수 중에 잃는 유실 을 고려할 때 약 1% 이내로 추정한다(이와 같은 생물학적 수소생산을 바이오매스 생산과 비교할 때, 실질적으로 좀더 높은 광합성 변환효율을 얻을 수 있다고 추정된다).

후속연구

즉 미생물 자체가 태양광을 최대 로 변환할 수 있는 환원력과 아울러 수소생산 효소인 hydrogenase까지 효율적으로 전달될 수 있는 미생물기술이 개발되어야 한다. 또한 저렴한 생물반응시설에 의해 물과 태양광으로부터 효율적인 생물 수소생산 반응을 제공하고 동시에 생성된 수소를 최대로 모을 수 있는 기술적인 개발 이 필요하다. 이외에도 미생물의 광합성 효율은 수소로의 변환에 직접 영향을 주기 때문에 미생물의 광합성에 의한 태양광 변환 효율은 수소생산에서 고려해야 할 중요한 인 자이다.
특히 태양광을 옥외에서 받을 경우, 흡수한 빛을 대부분 이용하지 못하고 잃게 된다. 이러한 빛 포화 현상을 극복하기 위하여 광합성 미생물 내의 빛을 흡수하는 antenna의 수를 줄인다거나 민감한 reaction center를 갖는 미생물로의 개선이 이론적인 광이용 효율에 근접하는 유전공학적 연구가 될 것이다.
그러나 식품산업 및 농 , 수 . 축산분야의 고농도 유기폐수는 그 성상 자체가 복잡할 뿐만 아니라 공정이나 배출 계절에 따른 특성차이 도 크기 때문에 폐수별 균종별 기질반응 특성에 관한 보다 심도 있는 기초연구가 필요하다.

참고문헌 (28)

Benemann, J. R. and N. M. Weare (1974), Hydrogen evolution by nitrogen fixing Anabaena cylindrica cultures, Science 184, 175-17

상세보기
Addario, D. E., E. Fascetti, and M. Valdiserri (1996), Hydrogen production from organic waste by continuous culture of Rhodobacter sphaeroides RY. Hydrogen energy progress, Proc. 11th World Hydrogen Energy Conference 1996. Stuttgatt. Germany, pp2577-2582
Hendrickx, M., A. Vansteenbeeck, and J. DeLeg (1986), The culture, general physiology, morphology and classification of the nonsulfur purple and brown bacteria, System, Appl. Microbiol. 8, 239-244

상세보기
Weaver, P. F., S. Lien, and M. Seibert (1980), Photobiological production of hydrogen, Solar Energy 24, 3-45

상세보기
Markov, S. A., M. J. Bazin, and D. O. Hall (1995), Advances in Biochem., Eng. Biotech. 52, 60-81
Ikuta, Y., T. Akano, N. Shoioji, and I. Maeda (1998), Biohydrogen production by photosynthetic microorganisms, In Biohydrogen, O. Zaborsky (Ed.) Plenum Press, New York, pp319 - 328
Szyper, J. P., A. Y. Brandon, J. R. Benemann, M. R. Tredici, and O. R. Zarborsky (1998), Internal Gas Exchange Photobioreactor development and testing in Hawaii, pp441-446
Bakterien-Energiekraftwerke der Zukunft. Marz (1998), UmweltMagazin, pp53
Lindblad, P., Y. Asada, J. Benemann, P. Hallenbeck, A Melis, J. Miyake, M. seibert. and O. Skulberg (2000), lEA Hydrogen- Agreement, Task 15, Proc. 13th World Hydrogen Energy Conference. Hydrogen Energy Progress XIII Beijing, China June, pp12-15, 56-59
Development of environmentally friendly technology for the production of hydrogen, New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), Global Environment Technology Department Brochure
Travieso, L., F. Benitez, and M. Hernadez (1998), Prospects of biological hydrogen production in Cuba, Proc. 12th World Hydrogen Energy Conference. Hydrogen Energy Progress XII. Buenos Aris, Argentine, June, ppI2-15, 827-832
Gaudernack, B. (1998), Photoproduction of hydrogen Annex 10 of the lEA hydrogen programme, Proc. 12th World Hydrogen Energy Conference. Hydrogen Energy Progress XII. Buenos Aris, Argentine, June, pp12-15, 2011-2023
김미선, 문광웅, 이상근 (1998), Rhodpseudomonas sphaeroides에 의한 수소생산 -glucose 및 유기산의 영향, Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 26, 89-95
Gaffron, H. and Rubin (1942), Fermentative and photochemical. production of hydrogen in algae, J. Gen. Physiol. 26, 219-240

상세보기
Klemme, J. H. (1968), Untersuchungen zur Photoautotrophie mitmolekularem Wasserstoff bei neuisolierten schwefelfreien Purpurbakterien, Arch. Mikrobiol. 64, pp29-42

상세보기
Kim, J. S., K. Ito, K. Izaki, and H. Takahashi (1987), Agri. BioI. Chem. 51, 2591-3593

상세보기
Van Niel, C. B. (1944), The culture, general physiology, morphology and classification of the nonsulfur purple and brown bacteria, Bacteriol. Rev. 8, 1

상세보기
Gray, C. T. and H. Gest (1965), Biological formation of molecular hydrogen, Science 148, 186-192

상세보기
Benemann, J. R., J. A. Berenson, N. O. Kaplan, and M. D. Kamen (1973), Hydrogen Evolution by a ChIoroplast-Ferredoxin- Hydrogenase System, Proc. Nat. Acad Sci. USA 70, 2317-2320
Jackson, D. D. and J. W. Ellms (1886), Reports Massachusetts State Board Health, pp410-420
Gaffron, H. and J. Rubin (1942), Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae, J. Gen. Physiol. 26, 219-240

상세보기
Ghirardi, M. L., S. P. Toon, and M. Seibert (1995), Proc. Annual Review Meeting DOE Office of Utility Technol. Hydrogen Program Review, Miami, FL
Greenbaum, E, J. W. Lee, C. V. Tevault, S. L.. Blankinship, and L. J. Melis (1995), $CO_2$ Fixation and Photoevolution of $H_2$ and $O_2$ in a Mutant of Chlamydomonas Lacking Photosystem I, Nature 376, 438-441

상세보기
Melis, A, L. Zhang, M. Foster, M. L. Ghirardi, and M. Seibert (2000), Sustained Photobiological Hydrogen Gas Production upon Reversible Inactivation of Oxygen Evolution in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol. 122, 127-135

상세보기
Boichenko, V. A. and P. Hoffman (1997), Photosynthetic hydrogen production. in prokaryotes and eucaryotes: occurrence, mechanism, and functions, Photosynthetica 30, 527-552
Gest, H. and M. D. Kamen (1949), Photoproduction of molecular. hydrogen by Rhodospirillum rubrum, Science 109, 558-559

상세보기
Hillmer, P. and H. Gest (1977), $H_2$ metabolism in the photosynthetic bacterium Rhodopseudomonas capsulata: $H_2$ production by growing cultures, J. Bacteriol. 129, 724-731
Vasilyeva, L. G., M. Miyake, E. Khatipov, T. Wakayama, M. Sekine, M. Hara, E Nakada, Y. Asada, and J. Miyake (1999), Enhanced hydrogen production by a mutant of Rhodobacter sphaeroides having an alterd light-harvesting system, J. Biosci. Bioeng. 87, 619-624

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증