The authors examined the effects of operating parameters on the $H_2$ production by dark fermentation of the wastewater generated from food waste recycling facilities, in short "food waste wastewater (FWW)". Central composite design based response surface methodology was applied to analyz...
The authors examined the effects of operating parameters on the $H_2$ production by dark fermentation of the wastewater generated from food waste recycling facilities, in short "food waste wastewater (FWW)". Central composite design based response surface methodology was applied to analyze the effect of initial pH (5.5-8.5) and substrate concentration (2-20 g Carbo. COD/L) on $H_2$ production. The experiment was conducted under mesophilic ($35^{\circ}C$) condition and a heat-treated ($90^{\circ}C$ for 20min)anaerobic digester sludge was used as a seeding source. Although there was a little difference in carbohydrate removal, $H_2$ yield was largely affected by the experimental conditions, from 0.38 to 1.77 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$. By applying regression analysis, $H_2$ yield was well fitted based on the coded value to a second order polynomial equation (p = 0.0243): Y = $1.78-0.17X_1+0.30X_2+0.37X_1X_2-0.29X_1{^2}-0.35X_2{^2}$, where $X_1$, $X_2$, and Y are pH, substrate concentration (g Carbo. COD/L), and hydrogen yield (mol $H_2$/mol $hexose_{added}$), respectively. The 2-D response surface clearly showed a high inter-dependency between initial pH and substrate concentration, and the role of these two factors was to control the pH during fermentation. According to the statistical optimization, the optimum condition of initial pH and substrate concentration were 7.0 and 13.4 g Carbo. COD/L, respectively, under which predicted $H_2$ yield was 1.84 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$. Microbial analysis using 16S rRNA PCR-DGGE showed that $Clostridium$ sp. such as $Clostridium$$perfringens$, $Clostridium$$sticklandii$, and $Clostridium$$bifermentans$ were main $H_2$-producers.
The authors examined the effects of operating parameters on the $H_2$ production by dark fermentation of the wastewater generated from food waste recycling facilities, in short "food waste wastewater (FWW)". Central composite design based response surface methodology was applied to analyze the effect of initial pH (5.5-8.5) and substrate concentration (2-20 g Carbo. COD/L) on $H_2$ production. The experiment was conducted under mesophilic ($35^{\circ}C$) condition and a heat-treated ($90^{\circ}C$ for 20min)anaerobic digester sludge was used as a seeding source. Although there was a little difference in carbohydrate removal, $H_2$ yield was largely affected by the experimental conditions, from 0.38 to 1.77 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$. By applying regression analysis, $H_2$ yield was well fitted based on the coded value to a second order polynomial equation (p = 0.0243): Y = $1.78-0.17X_1+0.30X_2+0.37X_1X_2-0.29X_1{^2}-0.35X_2{^2}$, where $X_1$, $X_2$, and Y are pH, substrate concentration (g Carbo. COD/L), and hydrogen yield (mol $H_2$/mol $hexose_{added}$), respectively. The 2-D response surface clearly showed a high inter-dependency between initial pH and substrate concentration, and the role of these two factors was to control the pH during fermentation. According to the statistical optimization, the optimum condition of initial pH and substrate concentration were 7.0 and 13.4 g Carbo. COD/L, respectively, under which predicted $H_2$ yield was 1.84 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$. Microbial analysis using 16S rRNA PCR-DGGE showed that $Clostridium$ sp. such as $Clostridium$$perfringens$, $Clostridium$$sticklandii$, and $Clostridium$$bifermentans$ were main $H_2$-producers.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
수소 함량은 serum bottle내의 head space 가스를 gas-tight micro syringe로 200㎕ 채취하여 gas-chromatograpy(Shimazu14-B)로 분석하였다. Molecular sieve 5A(Supelco Inc.)를 충진 물질로 사용하였고, thermal conductivity detector(TCD) 로 분석하였다. 수소 가스 정량을 위한 GC 조건은 injector 온도 100℃, column 온도 80℃, detector 온도 120℃ 이다.
탄수화물의 분석은 페놀-황산법을 이용하여 적당량으로 희석한 샘플에 5% 페놀 1mL, 95% 황산 5mL를 넣고 잘 흔들어 준 다음 30분 방치해 두었다. 그리고 potable data logging spectrophotometer (DR/2010; Hach Co., USA)을 사용하여 파장 490nm 에 대해 흡광도를 측정하였으며 표준물질은 포도당 (glucose)을 이용하였다.
바이오가스 발생량은 2시간 단위로 측정하였고 STP(Standard temperature and pressure)조건으로 환산하였다. 수소 함량은 serum bottle내의 head space 가스를 gas-tight micro syringe로 200㎕ 채취하여 gas-chromatograpy(Shimazu14-B)로 분석하였다.
999%) 가스를 이용하여 치환하였고, 실험 온도는 35o C로 유지하였고 shaking incubator를 이용하여 200rpm으로 실험 하였다. 발생되는 바이오가스를 측정하기 위해 일정 시간 간격으로 바이오가스의 양과 성분을 분석하는 한편, 각 조건에 따른 pH 및 유기산의 변화를 관찰하기 위해 일정량의 sample을 채취하여 분석하였다.
. 본 실험에서는 DesignExpert(Stat-Ease, Inc., USA) software를 이용하여 두 가지(pH, 기질농도) 독립변수의 matrix를 Table 2와 같이 설정하고 수소 수율과 수소 발생속도를 각각 target response로 하여 결과를 분석하였다.
본 실험에서는 유효부피 100mL(총 부피 250mL) 인 serum bottle에 식종균을 40mL 넣고 음폐수를 탄수화물을 기준으로 한 COD 농도(Carbo. COD/L) 에 따라 희석하여 주입하였다. 탄수화물을 기준으로 한 이유는 탄수화물의 수소 생산 잠재량이 지방과 단백질에 비하여 훨씬 높기 때문이다11).
본 연구에서는 음식물류 폐기물 탈리액의 혐기성 수소 발효 시 기질의 초기 pH와 농도에 따른 수소 생산을 반응표면법을 이용하여 분석하고 최적화하였다.
본 연구의 기질로 사용된 음폐수와 최적 수소 발효 조건(초기 pH 7.0, 기질 농도 11g/L)에서 혐기 수소 발효 후 미생물을 PCR-DGGE(polymerse chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis) 로 분석하였으며 그 결과를 Fig. 5와 Table 4에 나타내었다.
바이오가스 발생량은 2시간 단위로 측정하였고 STP(Standard temperature and pressure)조건으로 환산하였다. 수소 함량은 serum bottle내의 head space 가스를 gas-tight micro syringe로 200㎕ 채취하여 gas-chromatograpy(Shimazu14-B)로 분석하였다. Molecular sieve 5A(Supelco Inc.
유기산의 분석은 상등액을 0.2㎛ 멤브레인으로 여과 후 Aminex HPX-87H(BioRad, USA) 컬럼이 장착된 HPLC(Model VP, Shimadzue Co., Japan)로 분석하였다. 측정은 UV detector을 이용하여 파장 216nm에 대해 수행되었고 이동상은 10mM 황산이 사용되었다.
대상 데이터
고순도 아르곤(Ar, 99.999%) 가스를 이용하여 치환하였고, 실험 온도는 35o C로 유지하였고 shaking incubator를 이용하여 200rpm으로 실험 하였다. 발생되는 바이오가스를 측정하기 위해 일정 시간 간격으로 바이오가스의 양과 성분을 분석하는 한편, 각 조건에 따른 pH 및 유기산의 변화를 관찰하기 위해 일정량의 sample을 채취하여 분석하였다.
본 실험에 사용된 식종균은 D시 하수 종말 처리장의 소화조 슬러지로서 90℃에서 20분간 열처리를 한 뒤 사용하였다. 식종균의 성상은 Table 1에 나타낸 것처럼 total solids(TS) 31.
4 이었다. 음폐수는 D시 음식물쓰레기 자원화 공장에서 채취하였고, 실험 전까지 4℃에서 냉장 보관 후 이용하였다.
, Japan)로 분석하였다. 측정은 UV detector을 이용하여 파장 216nm에 대해 수행되었고 이동상은 10mM 황산이 사용되었다. Flow rate는 0.
데이터처리
. 이러한 인자들이 각각 미치는 영향과 상호작용에 대한 종합적 분석은 통계학적 분산분석(analysis of variance, ANOVA) 을 통해 가늠할 수 있으며 반응표면법(response surface methodology, RSM)을 응용하여 최적 조건 도출이 가능하다9).
이론/모형
반응표면법을 통해 기질농도와 pH가 수소 수율에 미치는 영향을 모사하는 2-D contour plot을 하여 Fig. 1에 나타내었다. 초기 pH 7.
실험에 사용된 기질 및 식종균, 시료에 대한 TS, VS 및 TCOD, SCOD, Alkalinity, Ammonia, TN의 측정은 Standard method12)를 이용하였다. pH는 pH meter(HM-30R, DDK-TOA)를 이용하여 측정하였다.
초기 pH와 기질농도를 달리하였을 때 각 조건에서의 수소 생산 속도를 반응표면법을 이용한 2-D contour plot을 이용하여 Fig. 2에 나타내었다. 가장 빠른 수소 생산 속도는 435mL H2/L/hr로서 초기 pH 7, 기질농도 20g COD/L의 조건에서 얻어졌으며 기질 농도가 높은 시료에서 대체적으로 빠른 수소생산 속도가 관찰되었다.
최적의 수소 생산 조건을 통계학적으로 분석하기 위해 central composite design(CCD)을 사용 하였는데, CCD는 이차 반응표면 모델로 표현하기에 효율적인 방법으로 알려져 있다10). 본 실험에서는 DesignExpert(Stat-Ease, Inc.
pH는 pH meter(HM-30R, DDK-TOA)를 이용하여 측정하였다. 탄수화물의 분석은 페놀-황산법을 이용하여 적당량으로 희석한 샘플에 5% 페놀 1mL, 95% 황산 5mL를 넣고 잘 흔들어 준 다음 30분 방치해 두었다. 그리고 potable data logging spectrophotometer (DR/2010; Hach Co.
성능/효과
1) 초기 pH와 기질 농도에 대한 혐기성 수소 회분 실험결과 통계적으로 유의한 모델 값을 얻었으며 최적의 수소 수율은 1.84mol H2/mol hexoseadded 로 초기 pH 7.0, 기질 농도 13.4g Carbo. COD/L 조건에서 얻어졌다.
2) 초기 pH와 기질 농도는 발효 과정에서 pH의 변화를 야기하여 수소 생산과 유기산의 생성에 영향을 미친 것으로 나타났다. 즉, 발효중 pH 범위가 5.
3) 음폐수와 최적 조건(pH 7.0, 기질 농도 11g/L)의 혐기성 수소 발효 후 미생물을 분석한 결과 음폐수내에는 젖산균(lactic acid bacteria)이 주요 균주였고, 최적의 수소 수율 조건에서의 미생물을 분석한 결과 수소 생성균으로 알려진 Clostridia가 주요 균주로 관찰되었다.
4g Carbo. COD/L의 조건에서 수소 수율이 1.84 mol H2/mol glucose로 가장 높은 값을 나타냈으며, 기질 농도가 높으면 수소 수율을 높이기 위한 초기 pH 조건도 높아지는 경향을 보였다.
2에 나타내었다. 가장 빠른 수소 생산 속도는 435mL H2/L/hr로서 초기 pH 7, 기질농도 20g COD/L의 조건에서 얻어졌으며 기질 농도가 높은 시료에서 대체적으로 빠른 수소생산 속도가 관찰되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소의 장점은 무엇인가?
과도하고 집중적인 화석연료의 사용으로 인한 지구온난화 및 에너지 고갈은 친환경적이며 지속가능한 대체 에너지의 개발에 많은 관심이 집중되게 하였다. 이 중 수소는 연소 시 오직 물만 생성하고, 단위질량당 에너지 함량이 가장 높고, 연료전지로 이용 시 용이하게 전기로의 전환이 가능하기 때문에, 친환경적이고 지속가능한 에너지원으로서 가장 크게 각광을 받고 있다1,2).
수소 생산법 중 생물학적 방법의 장점은 무엇인가?
수소를 생산하는 다양한 방법들 중 생물학적 방법은 물리･화학적 방법에 비해 상대적으로 에너지 소모율이 낮고, 빛에너지, 물, 미생물, 유기물만을 이용한다는 장점이 있다3) . 생물학적 수소 생산은 크게 빛을 이용하는 광합성 발효와 암발효로 나누어진다.
생물학적 수소 생산 중 암발효의 특징은 무엇인가?
생물학적 수소 생산은 크게 빛을 이용하는 광합성 발효와 암발효로 나누어진다. 암발효는 광합성 발효에 비해 이론적 수소전환 효율은 낮지만, 수소 생산속도가 훨씬 빠르고, 유기성폐기물을 직접 이용할 수 있기 때문에 환경오염의 해결과 에너지의 생산이 동시에 가능한 공정이다3-5).
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