[논문]미세조류를 이용한 중온 및 고온 혐기성 수소 발효

한선기; 최재민; 이채영

doi:10.7316/khnes.2014.25.4.337

미세조류를 이용한 중온 및 고온 혐기성 수소 발효
Hydrogen Production from Microalgae in Anaerobic Mesophilic and Thermophilic Conditions 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.25 no.4, 2014년, pp.337 - 343

한선기 (한국방송통신대학교 환경보건학과) , 최재민 (수원대학교 토목공학과.하천환경기술연구소) , 이채영 (수원대학교 토목공학과.하천환경기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to evaluate the characteristics of dark fermentative $H_2$ production from microalgae (Chlorella vulgaris) using batch reactors under mesophilic (25, $35^{\circ}C$) and thermophilic (45, $55^{\circ}C$) conditions. The $H_2$ yield and $H_2$ production rate increased with increasing temperature. The maximum $H_2$ yield and $H_2$ production rate were 56.77 mL $H_2/g$ dcw, 3.33 mL $H_2/g\;dcw{\cdot}h$ at $55^{\circ}C$, respectively. The activation energy calculated using Arrhenius equation was 36.24 kcal/mol, which was higher than that of dark $H_2$ fermentation of glucose by anaerobic mixed culture. Although the concentration of butyrate was maintained, the concentrations of lactate and acetate increased with increasing temperature. The $H_2$ yield was linearly proportional to acetate/ butyrate ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3) 본 연구를 통해 미세조류를 이용한 혐기성 수소 발효 시 배양 온도에 대한 영향을 평가하였다. 향후 미세조류를 이용한 에너지 생산 연구 시 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서는 선행 문헌 조사를 통해 적정의 전처리 조건으로 수행된 미세조류를 기질로 이용하였으며 배양 온도에 따른 수소 발생 특성에 대해 파악하고자 한다. 또한 총 휘발성 유기산(total volatile fatty acids)분석을 통해 배양 온도에 따른 수소 발생 시 부산물의 거동을 파악하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 초산/뷰틸산의 비율과 수소 전환율의 관계를 제시하였다(Fig. 5). 배양 온도가 증가함에 따라 초산/뷰틸산의 비가 증가하였으며 수소 전환율도 증가하였다.
따라서 본 연구에서는 선행 문헌 조사를 통해 적정의 전처리 조건으로 수행된 미세조류를 기질로 이용하였으며 배양 온도에 따른 수소 발생 특성에 대해 파악하고자 한다. 또한 총 휘발성 유기산(total volatile fatty acids)분석을 통해 배양 온도에 따른 수소 발생 시 부산물의 거동을 파악하고자 한다.
본 연구는 미세조류인 C. vulgaris를 이용한 중온(25, 35°C) 및 고온(45, 55°C) 혐기성 발효의 수소 발생 특성을 평가하였다.

제안 방법

vulgaris를 이용한 혐기성 수소 발효 시 알칼리도가 상승하는 것으로 보고되었다¹¹⁾. 따라서 본 연구에서는 별도의 pH 제어를 수행하지 않았다. Fig.
또한, 수소 전환율을 증가시키고 수소 소비 미생물 및 수소와 무관한 미생물의 성장을 억제하기 위해 90°C에서 20분간 열처리를 수행 후 사용하였다.
바이오 가스 발생량은 체적 측정이 가능한 유리 주사기를 이용하였으며 반응조 상단의 가스 배출구를 이용하였다. 수소 가스의 함량은 gas-tight syringe를 이용하여 0.
회분식 암발효 반응조는 유효체적이 300mL이며 아크릴 재질로 제작하였다. 반응조 상단에서는 바이오가스 발생량, 가스 조성 분석 및 pH 측정이 가능하도록 제작하였다. 식종은 반응조의 30%를 식종 미생물로 채웠으며 나머지 부분은 76g dcw/L의 C.
배양 온도는 열순환 펌프가 장착된 온탕기를 이용하여 각각 25, 35, 45 및 55°C로 유지하였다.
바이오 가스 발생량은 체적 측정이 가능한 유리 주사기를 이용하였으며 반응조 상단의 가스 배출구를 이용하였다. 수소 가스의 함량은 gas-tight syringe를 이용하여 0.2mL를 채취한 후 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토그래피(gas chromatography, Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 측정하였다. Column은 molecular sieve 5A (80/100 mesh)를 충진제로 사용한 1.
2g/L as CaCO₃로 나타났다. 채수한 소화슬러지는 식종 미생물로 이용하기 위해 10mm 체를 이용하여 불순물을 제거하였다. 또한, 수소 전환율을 증가시키고 수소 소비 미생물 및 수소와 무관한 미생물의 성장을 억제하기 위해 90°C에서 20분간 열처리를 수행 후 사용하였다.
휘발성 지방산(volatile fatty acids, VFAs)은 HPLC(YL9100, 영린기기, 한국)를 이용하여 분석하였다. Column은 fast acid column (BIO-RAD, 100mm × 7.

대상 데이터

vulgaris를 이용하였다. C. vulgaris는 당을 기질로 이용하였으며 탱크에서 배양된 것을 이용하였다. 탱크에서 회수된 C.
Column, injector와 detector의 온도는 50, 80 및 90°C로 유지하였으며 운반기체는 30mL/min의 고순도 질소(99.999%)를 이용하였다.
Column은 fast acid column (BIO-RAD, 100mm × 7.8mm)을 사용하였으며 운반 용매는 0.005M의 황산 용액을 이용하였다.
본 연구에서 사용된 기질은 C. vulgaris를 이용하였다. C.
식종 미생물은 S시에 위치한 하수처리장 혐기성 중온 소화조에서 유출되는 소화슬러지를 사용하였다. 휘발성 고형물(volatile solids, VS), pH와 알칼리도는 각각 18.

이론/모형

Arrhenius 방정식을 이용하여 활성화 에너지를 도출하였다(Fig. 2).
마지막으로 배양 온도에 대한 최대 수소 발생 속도의 영향을 평가하기 위해 Arrhenius 방정식을 이용하였다.
또한, 최재민(2013)은 Chlorella vulgaris를 기질로 이용하였다. 산-열 병합처리의 최적 조건은 반응표면분석법을 통해 도출하였으며 48.4mL H2/g dry cell weight(dcw)의 수소 전환율을 나타내었다⁵⁾. 그러나 조류를 이용한 수소 발효 시 적정 배양 온도에 관한 연구는 미비한 실정이다.
005M의 황산 용액을 이용하였다. 소화 슬러지의 VS와 알칼리도는 Standard Methods에 따라 실험을 수행하였다¹²⁾.
표준상태로 보정된 수소 발생량은 식 (3)에 제시한 수정된 Gompertz 식을 이용하여 동역학적 상수를 평가하였다.

성능/효과

1) 배양 온도가 상승함에 따라 최대 수소 발생 속도 및 수소 전환율은 상승하였다. 또한, Arrhenius 방정식을 이용한 활성화 에너지는 36.
2) 배양 온도가 상승함에 따라 뷰틸산 농도는 큰 변화가 없었으나 초산과 젖산의 경우 최대 33.7 및 170.0% 증가된 것으로 나타났다.
35°C에서 55°C로 증가함에 따라 뷰틸산은 큰 변화가 없으나 초산과 젖산의 농도가 각각 33.7 및 170.0% 증가한 것으로 나타났다.
고온(45 및 55°C)의 최대 수소 발생 속도가 중온(25 및 35°C)에 비해 높은 것으로 보아 상대적으로 많은 양의 알칼리도가 분출되어 최종 pH가 높은 것으로 판단된다.
03kcal/mol로 보고되었다¹⁸⁾. 따라서 본 연구와 선행 연구들의 결과를 토대로 고분자 물질이 저분자 물질에 비해, 혼합 미생물이 순수 배양균에 비해 높은 활성화 에너지가 필요한 것으로 나타났다.
배양 온도가 증가함에 따라 초산/뷰틸산의 비가 증가하였으며 수소 전환율도 증가하였다. 또한, 초산/뷰틸산의 비와 수소 전환율은 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
5). 배양 온도가 증가함에 따라 초산/뷰틸산의 비가 증가하였으며 수소 전환율도 증가하였다. 또한, 초산/뷰틸산의 비와 수소 전환율은 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
1에는 배양 온도에 따른 누적 수소 발생량을 제시하였으며 Table 1에 정리하였다. 실험 결과에 따르면 배양 온도가 상승함에 따라 최대 수소 전환율 및 최대 수소 발생속도는 증가하는 경향으로 나타났다(Table 1). Yun 등(2013)의 연구에 따르면 C.
젖산, 초산 및 뷰틸산의 경우 25°C에서 35°C로 증가함에 따라 모두 증가하는 경향을 나타났다.
식종 미생물은 S시에 위치한 하수처리장 혐기성 중온 소화조에서 유출되는 소화슬러지를 사용하였다. 휘발성 고형물(volatile solids, VS), pH와 알칼리도는 각각 18.4g/L, 6.8 및 2.2g/L as CaCO₃로 나타났다. 채수한 소화슬러지는 식종 미생물로 이용하기 위해 10mm 체를 이용하여 불순물을 제거하였다.

후속연구

3) 본 연구를 통해 미세조류를 이용한 혐기성 수소 발효 시 배양 온도에 대한 영향을 평가하였다. 향후 미세조류를 이용한 에너지 생산 연구 시 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혐기성 발효 수소 생산 시 미생물의 활성도에 영향을 주는 것은?	혐기성 발효를 통한 수소 생산 시 배양 온도, 기질 종류 및 농도는 주요 운전 인자들이다. 배양 온도는 수소 생성 미생물의 활성도에 영향을 미치는 주요 인자 중 하나이다. 그러나 선행 연구들에 의하면 상이한 결과를 나타내는 결과들이 보고되고 있다. Wang과 Wan (2008)은 포도당(glucose)를 기질로 이용하였으며 배양 온도는 20-55°C로 제어하였다. 그 결과에 따르면 중온 소화(35°C) 시 고온(55°C)에 비해 수소 발생 속도가 3.8배 높게 나타났다6). 그러나 Nazlina 등(2009)에 따르면 음식물을 기질로 이용할 경우 온도가 상승함에 따라 수소 전환율이 높아진 것으로 보고되었다7). 또한, Koskinene 등(2008)에 따르면 온천수를 이용한 수소 발효 시 최적의 배양 온도(37-70°C)는 45°C로 보고되었다. 이렇듯 배양 온도는 기질의 종류에 따라 적정 조건에 상이한 것으로 나타났다8).
	화석연료는 어떤 문제를 유발하는가?	경제가 성장함에 따라 에너지 수요는 지속적으로 증하고 있다. 화석연료는 연소 시 부산물에 의한 온실효과 등의 환경적 문제, 유가 상승 등의 사회경제적인 문제를 유발한다1,2). 이러한 문제를 해결하는 방안으로 환경에 미치는 영향이 적으며 재생가능한 에너지 매체인 수소의 관심과 수요가 증가하고 있다1,2).
	생물학적 수소 생산 방법은?	생물학적으로 수소를 생산하는 방법은 크게 광합 (photosynthetic) 미생물에 의한 수소 생산 방법과 빛 에너지가 필요 없는 혐기성 발효로 구분할 수 있다3,4). 광합성 미생물을 이용한 수소 생산은 효율이 낮으며 빛이 없을 경우 운영되지 못하는 단점을 가지고 있다.

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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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