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문제 정의
- 최적의 생물학적 수소생성을 이해하기 위해서는 각 단계에서 수소 생성에 미치는 환경요인을 자세히 이해할 필요가 있으며 수소 발생에 영향을 미치는 주요한 인자로 pH가 주목받고 있다13~15). 수소생성을 위한 혐기 발효 중 산 생성단계에서 생성된 산에 의한 pH의 저하는 필연적인 것이나 본 실험에서는 실험기간 동안 인위적으로 pH를 일정하게 유지하고 일정한 pH에서 생물학적 수소생성의 특성을 살펴보자고 하였다. 이를 위하여 수소생산량과 이론적 수소전환률, 유기산의 생성 및 미생물 성장 특성을 살펴보고 수소 생성을 위한 최적 pH를 제시함으로서 현장에서 참조할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 1몰의 sucrose에서 8몰의 수소가 발생되는 것을 고려하여 이론적 수소생산량을2) 각각 pH 5, 6, 7 그리고 8에서 계산하여 [Table 3]에 요약하였다. 각각 1몰의 sucrose에 대하여 1.
- 균체량의 측정은 배양액을 일정 간격으로 일정량씩 취하여 UV-Visible spectrophotometer(UV-1601, SHIMADZU)로 OD 600nm에서 측정하였고, 건조균체량은 표준곡선과 비교하여 환산하였다. 배양 내의 pH와 온도는 각각 pH meter와 온도센서를 사용하여 측정하였으며, 초기 및 최종 COD는 배양액 일정량을 취하여 원심분리(11,000rpm, 5min.
- 누적수소생산량 곡선은 (1)을 이용하여 일정시간마다 측정된 head space의 수소함량과 발생된 총 가스량으로부터 계산되었다.
- 5L이다. 반응장치 상단부에 발생된 수소가스의 함량을 측정하기 위하여 septum을 장착한 샘플링 포트를 설치하였으며, 배양액내에 축적되는 유기산과 미생물의 균체량을 측정하기 위해 배양액을 채취할 수 있는 액상 샘플링 포트를 설치하였다. 그리고 초기 pH는 HCl 용액으로 조절하였으며, 배양기간 중 발효산물에 의하여 낮아지는 pH를 조절하기 위한 3N-NaOH용액은 pH와 온도 센서가 연결된 pH controller에서 조절되어 주입되도록 하였다.
- 배양 중 발생하는 전체 가스는 2% 황산이 들어있는 포화식염수를 담은 gas collector에 포집 하였으며, 수소함량은 반응기 내 head space의 가스를 gas-tight syringe로 100㎕를 채취하여 열전도도 검출기를 장착한 가스 크로마토그래피 (GOW-MAC series 350)를 이용하여 측정하였다. 사용된 칼럼은 6'×1/8'' stainless steel SS 350A(Molesieve 13X(80/100 mesh))이였으며 발생가스 중 수소가스 정량을 위한 GC의 조건은 칼럼온도 80℃, injector 온도 100℃, 그리고 detector 온도는 100℃ 이었으며, carrier gas는 질소이고 flow rate는 30mL/min로 유지하였다.
- . 배양액은 [Table 1]와 같은 조성의 배지를 사용하였으며, 탄소원으로는 자당(Sucrose)을 반응기 용적의 1%(w/v)에 해당하는 양을 따로 멸균 후 배양액에 첨가하였다.
- pH는 실험조건에 따라 pH 5에서 pH 8까지 각각 일정하게 유지 시켜주었으며, 온도는 28±3℃로 유지 하였다. 배양액을 혼합하기 위하여 magnetic stirrer를 사용하여 200rpm으로 교반시켜 주었으며, 반응기에서 발생되는 총 가스를 측정하기 위하여 2%(v/v)황산이 들어있는 포화식염수에 포집하여 가스를 측정하였다.
- )하여 균체를 제거한 후, 상등액을 취하여 Standard Method법에18) 의하여 측정하였다. 본 실험에서 회수률은 생성된 수소가스 및 유기산 그리고 잔류하는 당의 농도 등을 COD로 환산하여 계산하였다.
- 본 실험은 혐기성 발효에 의한 수소생산 시 pH의 영향에 대하여 알아보았으며, 회분식 혐기성 반응기 내에서 반응 기간동안 pH 5~8까지 각각 일정하게 유지시켜 주었을 때, 가장 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 최적의 pH를 찾는 실험을 수행하여 다음과 같이 도출하였다.
- 유기산은 배양액 일정량을 원심분리(11,000 rpm, 5min.)하여 균체와 상등액을 분리하고, 상등액 20㎕를 SUPELCOGEL C-610H(130㎜×7.8 ㎜ ID) 칼럼을 장착한 HPLC로 분석하였다. 각종 유기산의 peak는 UV detector (Detector ERC-7215, ERMA CR.
- 수소생성을 위한 혐기 발효 중 산 생성단계에서 생성된 산에 의한 pH의 저하는 필연적인 것이나 본 실험에서는 실험기간 동안 인위적으로 pH를 일정하게 유지하고 일정한 pH에서 생물학적 수소생성의 특성을 살펴보자고 하였다. 이를 위하여 수소생산량과 이론적 수소전환률, 유기산의 생성 및 미생물 성장 특성을 살펴보고 수소 생성을 위한 최적 pH를 제시함으로서 현장에서 참조할 수 있도록 하였다.
- 탄소원은 미생물의 기질로 이용되면서 수소 및 유기산 등의 부산물이 생산되므로, 탄소원으로 사용된 sucrose의 물질수지를 파악하기 위하여 초기 COD를 100%로 설정하고 pH 5~8까지 각각의 pH에서 물질수지를 검토하였다. 물질수지 및 부산물 분포는 [Table 2]에 나타내었다.
- 혐기성발효에 의한 수소생성에 있어서 pH의 영향을 살펴보기 위하여 배양기간 동안 pH를 5에서 8까지 일정하게 유지 시켜주었으며, 이 때 각 pH별 누적 수소생산량, 총 가스발생량 및 수소생산율에 대한 결과를 살펴보았다.
대상 데이터
- 배양 중 발생하는 전체 가스는 2% 황산이 들어있는 포화식염수를 담은 gas collector에 포집 하였으며, 수소함량은 반응기 내 head space의 가스를 gas-tight syringe로 100㎕를 채취하여 열전도도 검출기를 장착한 가스 크로마토그래피 (GOW-MAC series 350)를 이용하여 측정하였다. 사용된 칼럼은 6'×1/8'' stainless steel SS 350A(Molesieve 13X(80/100 mesh))이였으며 발생가스 중 수소가스 정량을 위한 GC의 조건은 칼럼온도 80℃, injector 온도 100℃, 그리고 detector 온도는 100℃ 이었으며, carrier gas는 질소이고 flow rate는 30mL/min로 유지하였다.
- 본 연구에서 사용된 균주는 E하수처리장의 반송 슬러지에서 슬러지를 침전 후 상등액을 취하고 N2 가스로 충분히 purging시켜 산소를 제거 한 후 반응기의 유효 용적의 1%(v/v)에 해당하는 15mL를 균체로서 주입하였다16). 배양액은 [Table 1]와 같은 조성의 배지를 사용하였으며, 탄소원으로는 자당(Sucrose)을 반응기 용적의 1%(w/v)에 해당하는 양을 따로 멸균 후 배양액에 첨가하였다.
이론/모형
- 균체량의 측정은 배양액을 일정 간격으로 일정량씩 취하여 UV-Visible spectrophotometer(UV-1601, SHIMADZU)로 OD 600nm에서 측정하였고, 건조균체량은 표준곡선과 비교하여 환산하였다. 배양 내의 pH와 온도는 각각 pH meter와 온도센서를 사용하여 측정하였으며, 초기 및 최종 COD는 배양액 일정량을 취하여 원심분리(11,000rpm, 5min.)하여 균체를 제거한 후, 상등액을 취하여 Standard Method법에18) 의하여 측정하였다. 본 실험에서 회수률은 생성된 수소가스 및 유기산 그리고 잔류하는 당의 농도 등을 COD로 환산하여 계산하였다.
- 배양액 내에 잔존하는 탄수화물을 정량하기 위하여 배양액 일정량을 취하여 원심분리(11,000 rpm, 5min)하여 균체를 제거한 후, 상등액을 취하여 페놀-황산법17)으로 발색시켜 흡광도 파장 490 nm에서 측정하였다.
성능/효과
- 1) 기질 당 수소생산량에 대하여 최고효율은 pH 6으로써, 1.398 mol H2/mol sucrose가 생산되었으며, 최저효율은 pH 8에서 0.128 mol H2/mol sucrose이었다. pH 5와 pH 7에서는 각각 1.
- 05mL H 2/g COD으로 측정되었고. 10,000mg/L의 sucrose가 사용되었을 때 총 수소가스 발생량은 1,200mL/L이고 최대 수소 발생량은 약 70mL/L/h로 측정되었다.
- 2) pH에 따른 유기산 생성 추이를 살펴보면 , pH 7과 8에서는 유기산 중 초산의 생성이 주로 이루어졌으며, 적지 않은 양의 propionate 가 생성되는 것을 확인 할 수 있었다. pH 5와 6에서는 propionate가 생성되지 않았으며 상대적으로 많은 양의 butyrate가 생성되었다.
- 3) 수소의 발생을 안정적으로 확보하기 위해 혐기성 발효종정의 pH를 6으로 조절하는 것이 가장 바람직하다고 판단되었으며 이 때 발생되는 수소의 양은 105.05mL H 2/g COD으로 측정되었고. 10,000mg/L의 sucrose가 사용되었을 때 총 수소가스 발생량은 1,200mL/L이고 최대 수소 발생량은 약 70mL/L/h로 측정되었다.
- pH 5와 pH 6에서는 대부분 butyrate와 acetate로 분석되었으며, pH 7에서는 butyrate는 생성되지 않았으나, 생성된 전체 유기산의 약 58%가 acetate로 관찰되었으며, 각 실험조건들 중에서도 가장 많은 양의 propionate가 생성되었다. pH 8에서는 극히 소량의 butyrate와 발생된 유기산의 약 64%가 acetate로서 많은 양을 차지하고 있었으며, 소량의 propionate도 분석되었다.
- 3]에서 볼 수 있듯이 pH에 따른 수소 생산량은 pH가 6보다 약간 낮은 영역에서 가장 축척된 수소 발생량이 많이 검출되었고 또한 같은 영역에서 최대 수소생산속도가 가장 높은 것을 알 수 있다. pH 7 이상이 되면, 수소생산량도 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 미생물은 수소를 생산하는 균이 아닌 수소를 소비하는 균이 성장 수 있는 환경조건임을 확인 할 수 있었다. pH 5에서 상대적으로 수소생산량은 pH 6보다 적었으나 수소생성속도에서는 비슷한 경향을 보여주고 있다.
- 76mL/L로 비교적 낮은 수소 생산량을 나타내었다. pH 8에서는 21시간부터 가스발생이 관찰되었으나, 가스발생이 매우 저조하여 누적수소생산량 또한 83.25mL/L로 pH 6과 비교하였을 때, 7.08%에 불과한 효율을 나타내어 pH 7 이상에서는 수소생산량이 상대적으로 많이 낮아지는 경향을 나타내었다[Fig. 2].
- pH 5와 pH 6에서는 대부분 butyrate와 acetate로 분석되었으며, pH 7에서는 butyrate는 생성되지 않았으나, 생성된 전체 유기산의 약 58%가 acetate로 관찰되었으며, 각 실험조건들 중에서도 가장 많은 양의 propionate가 생성되었다. pH 8에서는 극히 소량의 butyrate와 발생된 유기산의 약 64%가 acetate로서 많은 양을 차지하고 있었으며, 소량의 propionate도 분석되었다. 이는 pH 5과 6부근에서는 환경적 조건이 butyrate type의 발효공정이19) 주종을 이루는 반응이 진행되고 있으며 pH가 높아질수록 propionate type의 발효공정이20) 우점종화 되어감을 알 수 있었다.
- 4]에 나타난 유기산의 분포는 pH 7과 8에서의 butyrate 생산량이 pH 5와 6에 비하여 극히 소량이거나, 생산되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 그에 반하여 propionate는 pH 5와 6에서는 전혀 생성되지 않았으나, pH 7과 8에서는 많은 양이 생성되었으며, 전체 유기산의 량도 pH 6에 비하여 약 15%가량 pH 7에서 더 많음이 관찰되었다. 또한 pH 6의 경우 propionate는 생성되지 않았으며.
- pH 5인 경우에서는 배양 21시간부터 가스발생이 관찰되었으며, 그 후 급격한 가스발생을 보였으나 45시간 후 더 이상의 가스발생이 관찰되지 않았다. 누적수소생산량 901.77mL/L이 생산되었음을 확인할 수 있었으며 발생된 가스 중 메탄은 측정되지 않았으므로 수소가스를 제외한 나머지 가스는 이산화탄소로 추정되었으며 이 같은 이유에서 pH 5 이하의 환경조건은 수소생산균의 성장에 저해로 작용하여 수소생산량이 상대적으로 감소하게 되므로, 수소생산의 효율 면에서 적합하지 않다고 판단되었다.
- 배양기간 중 가장 높은 수소 생산을 보인 pH 6에서는 24시간부터 가스 발생이 관찰되었으며, 그 후 60시간까지 급격한 가스발생을 나타내었으나 72시간 이후에는 소량의 가스만 발생되었다. 누적수소생산량은 1175.87mL/L로 나타났고 pH 7에서는 11시간부터 가스발생이 관찰되었으며, 소량이기는 하나 지속적인 가스발생을 나타내었으나 82시간 이후에는 더 이상 가스발생이 관찰되지 않았다. 이 때 누적 수소생산량은 454.
- pH 5와 6에서는 propionate가 생성되지 않았으며 상대적으로 많은 양의 butyrate가 생성되었다. 따라서 pH 6이하의 pH에서는 butyrate type의 수소생성균이 우점종이라 사료되며, pH 7이상에서는 propionate type의 발효공정이 활성화됨을 알 수 있었다.
- 6%의 수소전환율을 나타내었다. 또한 pH에 따른 탄수화물의 분해특성을 살펴보면, pH 5와 6에서는 98.50%과 99.70%를 나타내었으며, pH 7, 8에서 각각 99.20, 99.02%로 나타나 비교적 높은 당 분해율을 보였다.
- 본 실험에서는 pH가 6보다 높을 경우 수소 생성균이 아닌 타 종속영양미생물의 우점화를 통해 수소 생성률이 저해될 수 있다는 추론이 가능하며, 본 실험의 경우 생물학적 수소 생산의 경우 pH 6으로 조절하는 것이 가장 바람직하다고 판단되었다.
- 이는 pH 5과 6부근에서는 환경적 조건이 butyrate type의 발효공정이19) 주종을 이루는 반응이 진행되고 있으며 pH가 높아질수록 propionate type의 발효공정이20) 우점종화 되어감을 알 수 있었다. 이러한 결과는 윗 절에서 언급된 바와 같이 낮은 pH에서 수소의 생성량이 많았던 결과가 일치하며 butyrate type의 발효공정에서 수소의 생성량이 propionate type의 발효공정에서 보여주는 수소의 발생량보다 현저히 많음을 확인시켜주는 결과라 할 수 있다.
- 물질수지 및 부산물 분포는 [Table 2]에 나타내었다. 전체적인 COD 회수율은 약 90~93%로 나타났다.
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