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문제 정의
- 본 연구는 해양 생물인 노무라입깃 해파리를 혐기소화 과정에 의한 바이오 가스 생산 가능성을 확인하고자 하였다. 노무라입깃 해파리를 이용하여 수소 및 메탄가스 생산 실험 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 본 연구에서는 노무라입깃 해파리로부터 혐기성 소화공정에 의한 수소 및 메탄 생산 가능성에 대하여 고찰하였으며, 또한 수소, 메탄 생산성을 향상시키기 위한 전처리 조건을 확립하고자 하였다.
- 해양바이오매스인 해조류를 이용한 바이오가스 생산에 있어서 하수슬러지의 전처리 및 군집에 대해 연구되었다 [14,15]. 본 연구에서는 최근 들어 해양 환경에 큰 문제점으로 부각되고 있는 노무라입깃 해파리를 이용하여 유용한 바이오매스를 생산하기 위한 전처리 공정 최적화, 온도, pH 등 배양에 영향을 미치는 물리화학적 요인을 분석하여 온도 및 시간에 따른 가스 발생율을 조사하였다.
제안 방법
- 노무라입깃 해파리를 탄소원으로 사용하여 배양 온도, 기질 농도 및 전처리 조건으로 시간에 따른 수소 및 메탄 생산 최적화 실험을 진행하였다. (120℃에서 30 min 고압 멸균하여 식힌 후, 25℃, 35℃, 45℃) 각각 조건으로 하였다. 그 결과 고압 멸균한, 혹은 열처리를 한 해파리에서 수소가스 300 mL/L (H2 gas/1 L), 메탄 가스 1737 mL/L (CH4 gas/1 L)가 바이오가스 생산량 면이 가장 우수한 것으로 실험 결과를 보여주었다 (Fig.
- 300 mL flask에서 해파리 분쇄물을 건조중량 기준으로 0.9 g, 1.5 g, 3.0 g을 각각 넣고 distilled water (D.W)를 첨가 하여 working volume을 100 mL에서 배양하였다. pH는 배양 전 과정에서 인위적으로 조절 하지 않았으며, 120℃에서 30 min 동안 고압 멸균하여 실온에서 냉각 후, 슬러지 1.
- 혐기성 조건을 형성하기 위하여 N2 가스를 10분 동안 주입하여 배양액 내 산소를 충분히 제거한 다음 실리콘 마개로 밀봉하였다. 가스 생산량은 12시간 간격으로 수행 하였으며, 수소, 메탄 생산 실험은 35℃, 150 rpm으로 일정하게 유지된 진탕배양기 (shaking incubator)에서 진행하였다. 실험결과 건조중량 1.
- 혐기성 조건을 위하여 N2 가스 주입을 10분 간 실시하여 산소를 제거 한 후 실리콘 마개로밀봉하였다. 가스 생산량은 12시간 간격으로 측정하여 배양 108시간까지 생성되는 부피총량을 측정하였다. 이 때 flask 내부 압력을 압력계 (Electrochemical Sensor, Model no.
- 노무라입깃 해파리를 이용하여 수소 및 메탄가스 생산 실험 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 노무라입깃 해파리를 탄소원으로 사용하여 배양 온도, 기질 농도 및 전처리 조건으로 시간에 따른 수소 및 메탄 생산 최적화 실험을 진행하였다. (120℃에서 30 min 고압 멸균하여 식힌 후, 25℃, 35℃, 45℃) 각각 조건으로 하였다.
- 배양 온도 및 시간에 따른 배지 내의 pH 변화를 조사하였다. pH 변화는 pH meter를 이용하여 측정하였다.
- 배양 후 12시간 간격으로 배양액이 들어 있는 300 mL flask의 압력 (PSI)을 측정하고, 배양 후 발생된 총 가스 생산량의 함량을 측정하기 구하기 위해 테들러 백 (1 Liter)에 가스를 포집하였다. 포집된 가스를 H2 (XP-3140 일본 COSMOS사 제조), CH4 (XP-3134 일본 COSMOS사 제조) 기기를 이용하여 가스 농도 (volume %)를 측정 하였다.
- 배양온도에 따른 수소 및 메탄 생성을 확인하기 위해 25℃, 35℃ 및 45℃의 온도에서 각각 실험 하였다. 배양 108 h을 기준으로 45℃ 경우에 수소 24 mL/L 및 메탄 178 mL/L를 생산하였고 이는 35℃ 조건에서 비교하면 수소 300 mL/L, 메탄 1737 mL/L로 대략 10배 정도로 높은 생산량의 차이가 있었다 (Fig.
- 가스 생산량은 12시간 간격으로 수행 하였으며, 수소, 메탄 생산 실험은 35℃, 150 rpm으로 일정하게 유지된 진탕배양기 (shaking incubator)에서 진행하였다. 실험결과 건조중량 1.5 g의 해파리가 수소 및 메탄 생산에 있어서 효율이 가장 높았으며, 따라서 해파리 1.5 g을 기준으로 하여 배양 온도에 따른 수소, 메탄 생산 최적화 실험을 진행하였다.
- 실험에 사용되는 해파리의 건조 중량을 확인하기 위해 해파리를 건조 오븐을 이용하여 균일하게 분쇄된 해파리를 습중량 기준으로 3 g, 5 g, 10 g을 각각 취하여 건조하였다. 건조한 결과 3 g, 5 g, 10 g의 건조되지 않은 해파리의 건조 중량은 각각 약 0.
- 실험에 사용된 노무라입깃 해파리의 건조중량 측정을 하기위해 후드 믹서 (HMF-1100)로 입자크기가 고르게 될때 까지 파쇄한 후, 파쇄한 해파리 분쇄물을 각각 3 g, 5 g, 10 g 식을 취하여 60℃ 건조기에서 24 h 동안 건조하여 해파리 건조중량을 측정하였다.
- 온도별 실험은 25℃, 35℃, 45℃에서 12시간 간격으로 발생된 수소, 메탄 함량 측정을 수행하였으며, 300 mL flask 에서 해파리 1.5 g을 기질로 첨가하여 working volume을 100 mL에서 배양하였다. pH는 배양 전 과정에서 인위적으로 조절 하지 않았다.
- 이 계산식을 사용하여 total gas 값으로 수소, 메탄 생산의 수율을 구하였다. 수율은 (수소, 메탄 생산량 (g/L)/첨가한 해파리 (g/L)) × 100으로 계산하였다.
- 가스 생산량은 12시간 간격으로 측정하여 배양 108시간까지 생성되는 부피총량을 측정하였다. 이 때 flask 내부 압력을 압력계 (Electrochemical Sensor, Model no. C9557, Comark Inc., Britain)를 이용하여 PSI (pounds per square inch) 단위로 측정하였다. 측정된 압력과 플라스크 내의 총 부피에서 배양액 부피를 뺀 플라스크 나머지 부피를 이용하여 생성된 총 가스의 양을 보정하여 주었다.
- , Britain)를 이용하여 PSI (pounds per square inch) 단위로 측정하였다. 측정된 압력과 플라스크 내의 총 부피에서 배양액 부피를 뺀 플라스크 나머지 부피를 이용하여 생성된 총 가스의 양을 보정하여 주었다.
- 배양 후 12시간 간격으로 배양액이 들어 있는 300 mL flask의 압력 (PSI)을 측정하고, 배양 후 발생된 총 가스 생산량의 함량을 측정하기 구하기 위해 테들러 백 (1 Liter)에 가스를 포집하였다. 포집된 가스를 H2 (XP-3140 일본 COSMOS사 제조), CH4 (XP-3134 일본 COSMOS사 제조) 기기를 이용하여 가스 농도 (volume %)를 측정 하였다. 생성된 총 바이오가스 생산량을 계산하기 위해 측정된 flask의 내압 (PSI)을 atm 값으로 변환하기 위하여 다음 식을 사용하였다.
- 5 g에서 가장 높았으며, 이때 수소와 메탄의 생산량은 각각 233 mL/L, 1471 mL/L 이였다. 해파리 1 g당 수소, 메탄 수율이 1.5 g에서 가장 높게 나왔으므로 총 바이오가스 생산량이 가장 높은 1.5 g을 이용하여 실험을 진행하였다.
- 0 mL 을 균체로서 주입하였다. 혐기성 조건을 위하여 N2 가스 주입을 10분 간 실시하여 산소를 제거 한 후 실리콘 마개로밀봉하였다. 가스 생산량은 12시간 간격으로 측정하여 배양 108시간까지 생성되는 부피총량을 측정하였다.
- 0 mL을 배양균주로 주입하였다. 혐기성 조건을 형성하기 위하여 N2 가스를 10분 동안 주입하여 배양액 내 산소를 충분히 제거한 다음 실리콘 마개로 밀봉하였다. 가스 생산량은 12시간 간격으로 수행 하였으며, 수소, 메탄 생산 실험은 35℃, 150 rpm으로 일정하게 유지된 진탕배양기 (shaking incubator)에서 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 균주는 부산시 남부하수처리장 혐기성 하수처리 공정 중 획득한 슬러지를 원심분리기에서 3,000 rpm으로 10 min 동안 원심분리 시켜서 상등액에 20% glycerol을 첨가하여, -70℃에서 냉동 보관 하였다. 바이오가스 생산을 위한 기질로는 냉동 보관된 노무라입깃 해파리를 이용하였다. 해파리는 해양에서 채취하여 바로 냉동한 것을 후드믹서 (HMF-1100, HANIL)를 사용하여 입자크기가 고르게 될 때까지 파쇄한 후 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 균주는 부산시 남부하수처리장 혐기성 하수처리 공정 중 획득한 슬러지를 원심분리기에서 3,000 rpm으로 10 min 동안 원심분리 시켜서 상등액에 20% glycerol을 첨가하여, -70℃에서 냉동 보관 하였다. 바이오가스 생산을 위한 기질로는 냉동 보관된 노무라입깃 해파리를 이용하였다.
- 바이오가스 생산을 위한 기질로는 냉동 보관된 노무라입깃 해파리를 이용하였다. 해파리는 해양에서 채취하여 바로 냉동한 것을 후드믹서 (HMF-1100, HANIL)를 사용하여 입자크기가 고르게 될 때까지 파쇄한 후 사용하였다.
성능/효과
- 1(b)에 나타내었다. 각각의 건조중량 1 g당총 수소 생산량은 각각 90 mL/L, 155 mL/L, 114 mL/L으로 확인되었으며, 해파리 0.9 g, 3.0 g 사용한 것에 비하여 1.5 g에서 수소 생산 수율이 20~40% 정도 높은 것으로 확인되었다. 메탄의 생산량은 0.
- 0 g에서 각각 925 mL/L, 1471 mL/L, 2053 mL/L로 수소에 비해 생산량이 최대 약 11배정도 많았다. 건조중량 당 메탄 생성량은 0.9 g (1028 mL/L)에서 가장 높았으며, 1.5 g (981 mL/L)에서는 수율의 감소가 적었으나 3.0 g (684 mL/L)에서는 수율이 급격히 감소했다. 총 바이오가스의 생산량은 108 h 경과 후에 해파리 1.
- 실험에 사용되는 해파리의 건조 중량을 확인하기 위해 해파리를 건조 오븐을 이용하여 균일하게 분쇄된 해파리를 습중량 기준으로 3 g, 5 g, 10 g을 각각 취하여 건조하였다. 건조한 결과 3 g, 5 g, 10 g의 건조되지 않은 해파리의 건조 중량은 각각 약 0.9 g, 1.5 g, 3.0 g인 것으로 확인되었다. 따라서 해파리 습중량 1 g당 해파리 건조 중량은 약 0.
- (120℃에서 30 min 고압 멸균하여 식힌 후, 25℃, 35℃, 45℃) 각각 조건으로 하였다. 그 결과 고압 멸균한, 혹은 열처리를 한 해파리에서 수소가스 300 mL/L (H2 gas/1 L), 메탄 가스 1737 mL/L (CH4 gas/1 L)가 바이오가스 생산량 면이 가장 우수한 것으로 실험 결과를 보여주었다 (Fig. 2(a), (b)).
- 0 g인 것으로 확인되었다. 따라서 해파리 습중량 1 g당 해파리 건조 중량은 약 0.3 g인 것으로 확인되었다.
- 3). 따라서 해파리를 이용한 바이오 가스 생산에는 25℃나, 45℃ 보다는 35℃에서 배양하는 것이 최적 배양온도인 것으로 확인되었으며, 이러한 배양 온도는 슬러지를 채취해 온 남부하수처리장의 혐기성 소화조 운전온도와 동일하다. 슬러지와 같은 혼합배양에서는 여러 균주들이 복잡한 협력관계를 유지하여 서로 영향을 미치게 된다.
- 5 g에서 수소 생산 수율이 20~40% 정도 높은 것으로 확인되었다. 메탄의 생산량은 0.9 g, 1.5 g, 3.0 g에서 각각 925 mL/L, 1471 mL/L, 2053 mL/L로 수소에 비해 생산량이 최대 약 11배정도 많았다. 건조중량 당 메탄 생성량은 0.
- 배양 온도 25℃, 35℃ 및 45℃에서 배양액의 pH 변화를 측정 결과 25℃와 35℃에서는 초기 pH가 7.5에서 배양 완료 후 3.8까지 감소하는 경향을 볼 수 있었고, 45℃는 pH 7.5에서 5.4로 감소하였으며, 38∼108 h에서 대부분 pH가 감소됨을 알 수 있었다 (Fig. 4).
- 따라서 고온에서 급격한 생산량의 감소는 이러한 공생균주 중 일부의 활성이 저해되었기 때문인 것으로 보인다. 사용된 슬러지 균주는 대체로 저온보다는 고온에서 수소, 메탄 생산이 급격히 감소하는 것으로 확인되었다. 참고로 다른 바이오매스와의 수소생산량을 비교해 본 결과 해양 바이오매스인 다시마를 이용한 논문 (Table 1)의 수소의 생산량을 비교했을 때, 단위 시간당수소의 최대 생산 속도는 다시마 70.
- 이러한 pH 의 급격한 변화는 유기산을 생성하는 균주의 해파리 분해물 대사 및 유기산 생성작용이 활발하게 이루어졌기 때문으로 보이며, 이로 인해 수소, 메탄가스 발생률이 또한 높아진 것으로 보인다. 실험결과 해파리에 포함된 유기물을 이용하여 효율적으로 수소, 메탄과 같은 연료로 사용가능한 바이오가스 생산을 확인할 수 있었다.
- 이러한 생산량의 증가는 고압멸균에 의해 해파리 세포 및 구조를 파괴하고 세포 내 물질을 가용화함으로써 수소, 메탄 생산 균주가 이용 가능한 기질로의 전환을 용이하게 하였기 때문인 것으로 사료된다. 이 조건에서 고압 멸균하는 경우와 고압 멸균을 하지 않은 경우를 비교하여 단위시간당 바이오가스의 발생량 및 열처리에 의해 효과적으로 바이오가스의 생산량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 고온의 열처리는 대량은 에너지를 필요로 하기 때문에 에너지 수율에 있어서는 오히려 비열처리가 더 효율적일 것으로 보인다.
- 수소, 메탄이 높게 생성된 25℃, 35℃에서 pH 변화가 크게 나타난 것으로 보였다. 이러한 결과로 보아 pH의 감소가 클 때 수소 가스와 메탄가스의 발생량이 많은 것을 알 수 있었다. 수소, 메탄 같은 가스의 생물학적 생산은 propionic acid, butylic acid 및 acetic acid와 같은 유기산의 생성에서 시작된다.
- 배양온도의 경우 35℃에서 수소, 메탄이 생산율이 높은 것으로 확인되었다. 이러한 온도 조건은 슬러지를 채취해 온 남부 하수처리장의 혐기성 소화조 운전온도와 동일하였으며, 사용된 슬러지 균주는 대체로 저온보다는 고온에 감소하는 것으로 확인되었다. 해파리 기질농도 1.
- 사용된 슬러지 균주는 대체로 저온보다는 고온에서 수소, 메탄 생산이 급격히 감소하는 것으로 확인되었다. 참고로 다른 바이오매스와의 수소생산량을 비교해 본 결과 해양 바이오매스인 다시마를 이용한 논문 (Table 1)의 수소의 생산량을 비교했을 때, 단위 시간당수소의 최대 생산 속도는 다시마 70.0 ml/L/h, 비열처리 해파리에서 8.8 mL/L/h로 해파리를 이용하였을 때 생산속도가 12.6% 이하로 생산 속도가 매우 낮았다. 그러나 바이오매스의 건조중량당 생산량은 각각 28.
- 0 g (684 mL/L)에서는 수율이 급격히 감소했다. 총 바이오가스의 생산량은 108 h 경과 후에 해파리 1.5 g에서 가장 높았으며, 이때 수소와 메탄의 생산량은 각각 233 mL/L, 1471 mL/L 이였다. 해파리 1 g당 수소, 메탄 수율이 1.
- 이러한 온도 조건은 슬러지를 채취해 온 남부 하수처리장의 혐기성 소화조 운전온도와 동일하였으며, 사용된 슬러지 균주는 대체로 저온보다는 고온에 감소하는 것으로 확인되었다. 해파리 기질농도 1.5 g에서 단위 시간 당수소의 최대 생산량은 8.8 mL/L/h, 메탄의 최대 생산량은 37.2 mL/L/h 인 것으로 나타났다. 해파리 기질농도로 각각 0.
- 2 mL/L/h 인 것으로 나타났다. 해파리 기질농도로 각각 0.9 g, 3.0 g 사용한 것에 비하여 1.5 g에서 수소, 메탄 생산 수율이 높았다. 배양 온도 35℃에서 초기 pH의 경우 7.
후속연구
- 현재 전 세계적으로 화석연료를 대체하기 위한 해양자원의 탐색 및 연구가 진행되고 있으며, 이러한 생체 고분자물질인 바이오매스의 효율적인 가수분해 및 연료물질로의 전환을 위해 혐기성 소화슬러지를 이용한 혼합배양이 주로 이용되고 있다. 따라서 유기물인 해파리 또한 이러한 처리 방법을 이용하여 유용한 바이오 에너지인 수소 및 메탄가스를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
- 4%로 나타났다. 해파리를 이용한 수소 생산은 다시마에 비해 수율이 낮았으나 해양 폐기물의 재활용에 있어서는 유용한 대안이 될 것으로 보인다.
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