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문제 정의
- 3333px;">11) 혼합계의 연속배양에 대한 결과는 거의 보고 되지 않는 실정이다. 본 연구에서는 수소생성 혐기성 미생물을 이용한 수소생산에 있어서 기질농도 및 수리학적 체류시간(HRT)이 수소생성에 미치는 영향과 부산물 생성 특성에 대하여 연속실험을 통하여 고찰을 행하였다.
제안 방법
- 이러한 경우에는 오히려 실험식과 통계적인 방법을 결합한 표면분석법을 이용하는 것이 유리하다.13) 본 연구에서는 기질의 농도와 HRT가 수소생성 수율에 미치는 영향을 식 (1)과 같은 2변수, 2차식으로 분석하였다.
- 실험은 기질농도 및 HRT의 조건이 다른 3계열로 수행하였다. 계열 I에서는 HRT가 8시간의 조건에서 기질농도를 3~27 g/L의 범위에서 증가시키면서 실험을 수행하였고, 계열 II에서는 계열 I과 동일한 기질 농도 조건에서 HRT를 16시간으로 조절하여 실험을 수행하였으며, 계열 III에서는 HRT를 24시간으로 조절하여 기질 농도가 수소생산에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험결과의 정리는 각 조건에서 HRT의 30배가 경과한 시점에서 약 10일간의 데이터를 수집한 평균치를 대푯값으로 나타내었다.
- D 125 mm)을 이용하여 제작하였으며, 유효용량은 500 mL이다. 반응조의 온도는 수소생성 반응 후속 단계로 메탄생성 반응을 고려하여 35℃로 설정하였으며, pH 5.5 조건에서 실험을 수행하였다. 실험은 기질농도 및 HRT의 조건이 다른 3계열로 수행하였다.
- 생산된 가스 중 수소의 함량은 열전도 검출기(TCD)가 장착된 가스크로마토그래피(GC, Shimadzu 8A, Japan)로, 주입부, 오븐 및 검출부의 온도는 각각 100, 70 및 100℃로 조절하였으며, 컬럼은 Porapak Q(50/80 mesh)이 충진된 2 m의 스테인리스 컬럼을 이용하였고, 캐리어 가스로는 질소가스를 이용하여 30 mL/min의 조건에서 분석을 행하였다.
- 수소생성 혐기성 미생물을 이용한 수소생산에 있어서 기질 농도 및 HRT가 수소생산에 미치는 영향과 부생성물 생산 특성에 대하여 연속실험을 통하여 고찰을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 5 조건에서 실험을 수행하였다. 실험은 기질농도 및 HRT의 조건이 다른 3계열로 수행하였다. 계열 I에서는 HRT가 8시간의 조건에서 기질농도를 3~27 g/L의 범위에서 증가시키면서 실험을 수행하였고, 계열 II에서는 계열 I과 동일한 기질 농도 조건에서 HRT를 16시간으로 조절하여 실험을 수행하였으며, 계열 III에서는 HRT를 24시간으로 조절하여 기질 농도가 수소생산에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행하였다.
- CAPI — 3200)를 이용하여 분석하였다. 측정은 capillary 컬럼(ID75 um x 805 mm, EI.680 mm)을 이용하여 온도 25℃, 전압 -25 kV의 조건으로 210 nm(indirect UV검출)에서 행하였다.
- 휘발성 유기산(VBA) 농도는 capillary 전기 영동 분석기(Photal, CAPI — 3200)를 이용하여 분석하였다. 측정은 capillary 컬럼(ID75 um x 805 mm, EI.
대상 데이터
- 본 연구에 이용된 실험장치는 Fig. 1에 나타낸바와 같이 투명 아크릴 원통(I.D 125 mm)을 이용하여 제작하였으며, 유효용량은 500 mL이다. 반응조의 온도는 수소생성 반응 후속 단계로 메탄생성 반응을 고려하여 35℃로 설정하였으며, pH 5.
- 수소생성 혐기성 미생물로는 대두저장고 폭발사고를 일으킨 장소에서 채취한 슬러지를 이용하여 실험에 이용하였으며, 기본배지에 글루코오스 10 g/L, NH4Cl 1.6 g/L 및 글루타민산 나트륨 1.69 g/L를 첨가하여 pH 5.5 조건에서 온도 35℃에서 연속 배양하였다. 사용된 기본배지는 K2HPO4 1.
성능/효과
- 1) 수소생성 수율은, 기질농도가 일정한 경우에 HRT의 변화에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있으나, HRT가 일정한 경우에는 기질농도에 따라 적정기질 농도에서 최댓값의 수소생성 수율을 나타내고, 기질농도의 증가와 감소에 의하여 크게 변화함을 알 수 있었다.
- Clostridium족 세균은 대수증식기에 유기산과 수소를 생성하고, 정상시에는 알코올을 생성한다.15) 또한 열처리를 행한 슬러지를 이용하여 셀룰로오스의 회분적 수소생성 실험에서는 알코올 생성이 수소유기산 생성이 피크 점을 경과한 시점에서 발생됨을 알 수 있었다.16)
- 2) 기질의 농도와 HRT가 수소생성 수율에 미치는 영향에 대하여 표면분석법을 적용한 결과, 수소생성 수율이 최댓값은 기질 농도와 HRT가 각각 15.4 g/L와 9.6 hr일 때, 2.05 mol H2/mol glucose이었고, 기질농도 및 HRT를 각각 13~17 g/L의 범위와 5~14 hr의 범위로 조절함으로서 2 mol H2/mol glucose 이상의 수소생성 수율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 수소생성 미생물을 이용한 수소생성에서, 유기물 부하가 증가함에 따라 정상적인 수소생성 반응보다, 수소를 생산하지 않는 발효과정으로 대사경로가 변경됨을 알 수 있었다.
- 기질의 농도가 증가할수록 수소생산 속도도 증가하는 경향을 나타내었으며, 계열 I에서 0.39~11.29 L/L/d의 범위를 나타냈고, 계열 II에서는 0.1~6.55 L/L/d를 나타냈으며, 계열 III에서는 0.76~3.14 L/L/d를 나타내었다. 각각의 계열에서, 기질농도가 4.
- 본 실험에 이용된 슬러지에는 PCR-DGGE법에 의하여 미생물 군집을 조사한 결과, Bacillus circulans, Oscillospira guilliermondii, Propionispora hippei, Clostridium acetobutylicum 등이 존재하는 것으로 조사되었다.12)
- 본 연구에서는 기질로 사용된 글루코오스는 농도가 18 g/L 이상의 경우를 제외하고는 100% 소모됨을 알 수 있고, 기질의 소모와 함께 유기산의 농도가 증가함을 알 수 있었다. 생성된 유기산 중 아세트산과 부틸산이 주요 대사산물로 생성되는 것을 알 수 있고, 기질농도가 증가함에 따라 아세트산보다 부틸산 농도가 증가하는 경향을 나타내었다(Fig.
- 생성된 유기산 중 아세트산과 부틸산이 주요 대사산물로 생성되는 것을 알 수 있고, 기질농도가 증가함에 따라 아세트산보다 부틸산 농도가 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 3, Table 2). 한편, 기질농도가 높고, HRT가 짧을수록 기질 분해율이 낮아지고, 젖산이 많이 생성됨을 알 수 있다.
- 5 g/L 이하에서는 수소생성 속도는 아주 적은 값을 나타내었다. 수소생성 수율은, 계열 I에서 기질 농도가 4.5 g/L일 때 1.6 mol H2/mol glucose에서 13.5 g/L 일때 2.01 mol H2/mol glucose로 증가하였으나, 기질농도가 27 g/L에서는 1.12 mol H2/mol glucose로 감소하는 경향이 나타났으며, 계열 II와 III에서도 마찬가지 경향이 나타남을 알 수 있었다.
- 계열 I에서는 HRT가 8시간의 조건에서 기질농도를 3~27 g/L의 범위에서 증가시키면서 실험을 수행하였고, 계열 II에서는 계열 I과 동일한 기질 농도 조건에서 HRT를 16시간으로 조절하여 실험을 수행하였으며, 계열 III에서는 HRT를 24시간으로 조절하여 기질 농도가 수소생산에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험결과의 정리는 각 조건에서 HRT의 30배가 경과한 시점에서 약 10일간의 데이터를 수집한 평균치를 대푯값으로 나타내었다. 수소생성속도는 일일 6번 측정하여 그 평균값을 대푯값으로 나타내었다.
- 6 mol H2/ mol hexose의 수율을 얻었다. 지금까지 보고된 결과들과 본 연구 결과를 토대로 수소생성 속도는 기질의 투입속도가 크게 되는 짧은 HRT에서 커짐을 알 수 있다. 그러나 수소생성수율을 높이기 위해서는 기질농도에 따라 일정한 체류 시간을 확보할 필요가 있다.
후속연구
- 이와같이 최적인 배양 온도에 관해서 연구자에 따라 다양한 결과가 보고되고 있는데, 이러한 결과는 각각의 실험에 이용한 미생물 및 균상이 다른 것을 들 수 있고, 또한 배양 온도가 높을수록 균체의 증식이나 고분자 화합물의 분해가 촉진되는 것이 알려져 있지만, 수소 생성에 있어서는 미생물 증식과의 균형이나 기질 대사 형태의 변화 등 복잡한 기구가 관여한다고 생각되며, 미생물이나 기질의 종류 및 농도에 의해 차이가 생길 가능성이 있다. 또한, 수소생성조의 온도는 후속처리공정을 고려하여 온도로 설정하는 것이 유기성 폐기물처리 시스템을 구성하는데 유리할 것으로 생각된다.
- 또한, 회분실험에 있어서, 투입한 종균에 의해 행해지는 대사경로가 한정될 뿐만 아니라, 배양 환경 중의 유기물 농도나 유기산 농도가 시간과 함께 변화하기 때문에, 일반성이 낮은 사례 연구법이 되기 쉽다. 보다 보편적으로 일반성 있는 식견을 얻기 위해서는, 혼합 미생물군을 이용한 연속 실험을 통하여 기질의 대사경로나 수소생산이 어떻게 안정되는 것인가에 대해서 파악할 필요가 있다.
- 크게 구분할 수 있다. 산생성 세균을 이용하는 수소생성은 많은 에너지를 필요로 하지 않고, 높은 속도로 수소생성이 가능하기 때문에 경제적인 방법의 하나로서 연구가 진행되고 있으나, 산생성 세균에 의한 수소 생성과 함께 유기산이 생성되기 때문에 단독으로는 유기성 폐기물처리 시스템으로서 성립되지 않고, 후속 처리를 필요로 한다. 한편, 광합성 세균은 유기산 등을 수소와 이산화탄소로 분해하는 폐수처리의 최종단계 기능을 가지고 있다.
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