[논문]2단(유산발효+광발효) 발효공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 수소생산

김옥선; 손한나; 김동훈; 전동진; 이영우; 김미선

doi:10.7316/khnes.2011.22.3.333

2단(유산발효+광발효) 발효공정을 통한 음식물쓰레기로부터의 수소생산
Biohydrogen Production from Food Waste by Two-Stage (Lactate+Photo)-Fermentation Process 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.3, 2011년, pp.333 - 339

김옥선 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 손한나 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 김동훈 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 전동진 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 이영우 (녹색에너지기술전문대학원) , 김미선 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present work, it was attempted to produce $H_2$ from food waste by the two-stage fermentation system. Food waste was acidified to lactate by using indigenous lactic acid bacteria under mesophilic condition, and the lactate fermentation effluent (LFE) was subsequently converted to $H_2$ by photo-fermentation. $Rhodobacter$ $sphaeroides$ KD131 was used as the photo-fermenting bacteria. The optimal conditions for lactate fermentation were found to be pH of 5.5 and substrate concentration of 30 g Carbo. COD/L, under which yielded 1.6 mol lactate/mol glucose. By filtering the LFE and adding trace metal, $H_2$ production increased by more than three times compared to using raw LFE, and finally reached the $H_2$ yield of 3.6 mol $H_2$/mol lactate. Via the developed two-stage fermentation system $H_2$ yield of 5.8 mol $H_2$/mol glucose was achieved from food waste, whose value was the highest that ever recorded.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 연구배경을 바탕으로 음식물쓰레기를 먼저 유산발효를 통해 유산을 생산하고, 이어서 생산된 유산을 광발효를 통해 수소 전환율을 극대화하고자 하였다. 음식물쓰레기는 우리나라 생활폐기물의 40%를 차지하고 있으며, 해양투기금지와 관련한 국제협약에 따라 그 처리에 있어서 현재 큰 골칫거리로 떠오르고 있다.

제안 방법

기질 농도 실험은 위와 같이 채취한 음식물쓰레기를 탄수화물 농도를 10, 20, 30, 40, 50g Carbo.COD/L로 조절하여 진행하였다. 앞선 실험결과를 토대로 pH는 5.
기질 농도 실험은 위와 같이 채취한 음식물쓰레기를 탄수화물 농도를 10, 20, 30, 40, 50g Carbo.COD/L로 조절하여 진행하였다.
배양액의 pH는 pH meter(TOA, model HM-30R)를 이용하였고, 균체농도는 일정한 시간 간격으로 채취한 발효액을 UV-VIS spectrophoto -meter(Shimadzu UV-1601)로 파장 660nm에서 흡광도를 측정하였다⁵⁾. 유기산분석은 발효액을 채취하여 9,000rpm에서 3 분간 원심분리하고 균체와 상등액을 분리한 후 상등액을 0.
2μm의 필터를 이용하여 유산균과 상등액에 떠있는 물질들을 여과해 주었다. 부족한 질소원(glutamate)과 미량 영양분(trace elements)를 첨가하여 실험하였고, 이 결과를 Fig. 2에 나타냈다.
6㎕/min으로 용출하였다. 유기산 분석은 Aminex HPX-B7H를 장착한 HPLC(Shimadzu LC-10AT)를 사용하여 35℃에서 분석하였으며 UV detector를 이용하여 파장 210nm에서 측정하였다. 탄수화물 분석은 폐놀-황산법을 이용하여 100배 희석한 샘플 1mL에 5%페놀 1mM, 98% 황산 5mL을 넣고 잘 흔들어 준 다음 30분 방치해 두었다가 portable datalogging spectrophotometer(DR/2010; Hach Co.
음식물쓰레기는 우리나라 생활폐기물의 40%를 차지하고 있으며, 해양투기금지와 관련한 국제협약에 따라 그 처리에 있어서 현재 큰 골칫거리로 떠오르고 있다. 유산발효 시 추가적인 식종균을 주입하지 않는 무식종 공법이 적용되었으며, 이 때 pH와 기질농도 영향을 관찰하였고, 광발효 효율을 최적화하기 위하여 유산발효액의 전처리, 질소원 및 미량 영양분의 공급 효과를 알아보았다.
유산발효로 생성된 상등액에는 탄소원인 유산은 풍부하지만, 질소원과 미량 영양분이 부족하기 때문에 질소원(glutamate 8mM)과 미량 영양분(trace elements solution -EDTA 1.765mg, ZnSO4•7H2O 10.95mg, MnSO4•H2O 1.54mg, CuSO4•5H2O 0.392mg, Co(NO3)2•6H2O 0.248mg, H3BO30.114mg, Na2MoO4•2H2O 0.75mg, FeSO4•7H2O 0.5mg)을 첨가하여 수소생산량과 균체성장을 비교하는 회분식 실험을 진행하였다.
이를 알아보기 위하여 0.2μm의 필터를 이용하여 유산균과 상등액에 떠있는 물질들을 여과해 주었다.
02g dcw/L를 접종하였다. 혐기상태로 만들어주기 위해 Ar 가스로 치환하였으며, 빛은 할로겐 램프와 light meter(LI-COR LI-250A, sensor: pyranometer)를 이용해 연속적으로 110W/m²세기로 맞춰주었다. 배양 온도는 30℃이며, magnetic stirrer를 이용하여 80～ 100rpm으로 교반하였다.

대상 데이터

균 배양 시 배지 조성은(1L) KH2PO42.72g, L-glutamic acid 1.2g, Nitrilotriaceticacid 0.2g, MgCl2•6H2O 0.244g, CaCl2•2H2O 34mg, FeSO4•7H2O 2mg이고, Trace elements (EDTA 1.765mg, ZnSO4•7H2O 10.95mg, MnSO4•H2O 1.54mg, CuSO4•5H2O 0.392mg, Co(NO3)2•6H2O 0.248mg, H3BO30.114mg, Na2MoO4•2H2O 0.75mg, FeSO4•7H2O 0.5mg), Vitamins(nicotinicacid 1mg, thiamimne•HCl 0.5 mg, Biotin 0.01mg)을 이용하였다.
6 mol lactate/mol glucose가 생성되었으며, 전환율은 80%였다. 유산 발효액의 유산을 R. sphaeroides KD131의 광발효 기질로 이용하였으며, 수소생산 수율은 3.6mol H₂/mol lactate로 수소전환율은 60%였다. 따라서 2단 발효 공정을 통해 생성된 총 수소수율은 5.
유산발효액을 원심분리하여 침전물과 상등액으로 나누었으며, 상등액에 포함되어 있는 유산을 광발효의 기질로 이용하였다. 상등액에 포함된 유기산은 농도가 높기 때문에 증류수를 이용해 유산을 25mM로 희석하여 실험하였다.
유산발효에서 생성된 유산을 R. sphaeroides KD131의 광발효 시 기질로 이용하였다. 유산발효로 생성된 상등액에는 탄소원인 유산은 풍부하지만, 질소원과 미량 영양분이 부족하기 때문에 질소원(glutamate 8mM)과 미량 영양분(trace elements solution -EDTA 1.
음식물쓰레기는 대전시 K대학 구내식당에서 채취하였고, 가정용 믹서로 분쇄 후 이용하였다. 총 부피 250mL(유효용량 100mL)배양기를 이용하였고, 실험은 중온조건(35℃)에서 진행되었다.

이론/모형

유기산 분석은 Aminex HPX-B7H를 장착한 HPLC(Shimadzu LC-10AT)를 사용하여 35℃에서 분석하였으며 UV detector를 이용하여 파장 210nm에서 측정하였다. 탄수화물 분석은 폐놀-황산법을 이용하여 100배 희석한 샘플 1mL에 5%페놀 1mM, 98% 황산 5mL을 넣고 잘 흔들어 준 다음 30분 방치해 두었다가 portable datalogging spectrophotometer(DR/2010; Hach Co., USA)을 사용하여 파장 490nm에 대해 흡광도를 측정하였으며 표준물질은 포도당을 이용하였다⁷⁾.

성능/효과

1) 음식물쓰레기를 pH 5.0∼6.5로 조절한 후 35oC, 혐기조건에서 발효하여 유기산 생산 패턴을 확인한 결과 pH 5.5일 때 유산의 생산수율은 1.36mol lactate/mol glucose였고, 전체 유기산 중 97%가 유산으로 가장 높았으며, 초산과 낙산이 소량 생산되었다.
3) 유산발효액 상등액을 여과하여 유산균 및 이물질을 제거한 후 광합성 발효를 실시하였을 때 R.sphaeroides KD131은 여과하지 않았을 때와 비교하여 수소생산이 3.86배(430mL H₂/L에서 1,660mL H₂/L) 증가하였다.
4) 상등액은 미량 영양분과 질소원이 부족하기 때문에 미량 영양분과 질소원을 넣어주었으며, 수소생산은 2,000mL H₂/L로 증가하였고, 수소수율은 3.6mol H₂/mol lactate였다.⁵⁾2단 발효공정을 통해 생성된 총 수소수율은 5.
6mol H₂/mol lactate였다.⁵⁾2단 발효공정을 통해 생성된 총 수소수율은 5.8 mol H₂/mol glucose었으며, 탄수화물의 기준으로 48%의 전환율을 나타내었다.
sphaeroides KD131이 수소를 생성하는데 적절한 pH였다.
따라서 2단 발효 공정을 통해 생성된 총 수소수율은 5.8mol H2/mol glucose였으며, 이는 탄수화물 기준 48% 전환율로 서, 음식물쓰레기로부터 수소 생산 시 현재까지 보고된 결과(<2.5mol H2/mol glucose)중 가장 높은 값이다12,13).
기질이 공급하는 전자가 nitrogenase 효소계의 전자 전달체(ferrodoxin)를 환원하며, 이환원력과 ATP를 이용하여 nitorogenase가 질소원이 없는 조건에서 분자상의 수소를 발생한다. 따라서 미량 영양분이 첨가되어 수소를 생성하는데 도움을 주는 것을 실험으로 증명할 수 있었다. 반면 미량 영양분과 함께 질소원(glutamate)을 첨가해 주었을 경우 수소생산량은 질소원을 첨가하지 않았을 경우와 동일하였다.
5 일 경우 70%로 낮아졌다. 미생물 분석 결과, 음식물쓰레기를 중온에서 무식종 발효 시 Lactobacillus와 Streptococcus와 같은 젖산생성균이 주종을 구성함을 알 수 있었다(data not shown). 음식물쓰레기의 탄수화물에서 유산의 전환율은 pH 5.
유산의 분해율은 모두 100%였으며, 초기 pH 7.0에서 배양 후 pH 7.2∼7.5로 변화한 것을 확인하였으며, 이는 R.
8배 증가했다. 이 결과 여과를 하지 않은 상등액 속에 유산균과 다른 물질들로 인해 R. sphaeroides KD131의 수소생성에 저해를 받는 것을 알 수 있었다. 미량 영양분 (trace elements solution)를 첨가해 주었을 때 수소 생산량은 여과를 해주었을 때보다 약간 더 증가하여 2,000mL H₂/L의 수소가 생성되었다.
회분식 실험에서는 세포분열의 최성기인 대수 성장기 때의 균을 이용해 질소원을 넣어주지 않았을 경우에도 수소발생 효율이 높았다. 하지만 장기간 배양할 경우 시간이 지날수록 질소원이 부족하기 때문에 균의 성장이 진행될 수 없어 수소를 생성하는데 제한이 될 수 있다는 문제점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석 연료는 무엇을 유발시켜 왔는가?	현재 인류가 가장 많이 사용하는 에너지인 화석 연료는 그 존재가 한정적이고, 연소 시 일산화탄소, 이산화탄소 및 황•질소 산화물 등의 온실가스 방출로 인해 지구 온난화를 유발시켜왔다. 따라서 화석 연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 그 중 수소에너지가 가장 크게 주목받고 있다.
	수소는 어떤 장점이 있는가?	따라서 화석 연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 그 중 수소에너지가 가장 크게 주목받고 있다. 수소는 연소 시 물만 생산하며, 단위 질량당 가장 높은 에너지 효율을 가지고 있고, 연료전지를 통해 쉽게 전기로 변환될 수 있다는 장점이 있다1). 수소를 생산하는 방법에는, 크게 물리•화학적 방법과 생물학적인 방법이 있다.
	수소를 생산하는 방법 중 생물학적인 방법은 어떤 방법인가?	전자의 경우 수소 제조 시 고온•고압 조건을 유지하기 위한 다량의 에너지원을 필요로 한다는 단점이 있다. 반면 생물학적인 방법은 빛 에너지, 물, 유기물, 미생 물만을 이용하여 수소를 제조하는 공정으로서 미래의 궁극적인 수소 제조 방법으로 인식되고 있다2).

참고문헌 (13)

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상세보기
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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].

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