선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 혐기성 발효공정을 이용하여 대표적인 고농도 유기성 폐수인 음식물 쓰레기를 기질로 사용하여 수소를 생산할 경우 음식물 쓰레기 내 질소의 농도가 그 수율에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 질소의 농도를 단계별로 변화시켜 수소생산 효율 특성 및 그에 따른 미생물 군집변화를 규명하였다.
- 본 연구는 음식물쓰레기의 질소농도가 혐기성 발효를 통한 수소생산과정에 미치는 영향 및 미생물 군집의 변화양상을 살펴보았으며, 본 실험을 통해 나타난 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- DGGE는 40%~60%의 변성제 농도 구배를 가지는 Polyacrylamide Gel을 만든 후 전기영동(Bio-Rad Ltd. Co., Model 475 Gradient delivery system)하여 수행하였다.21) DGGE에서 확인된 밴드의 염기서열 분석은 염기서열 분석 전문기관(Bionics, Korea)에서 수행되었으며, 계통분류학적 분류는 NCBI BLAST Search Database를 이용하여 결정하였다.
- 초기 및 최종 CODcr과 균체량 측정을 위한 건조 중량 분석은 Standard Methods법에 의하여 수행하였다. 균체량(volatile suspendid solids)의 측정은 600 nm에서 흡수된 광량을 기존에 건조중량으로 검량된 곡선에 대입하여 환산 측정하였다.
- 반응기의 총 가스는 2% (v/v) H2SO4을 담지 된 포화식염수에 포집하며 그 중 수소함량은 head space 가스를 gas-tight syringe로 100 mL를 채취하여 열전도도 검출기를 장착한 가스 크로마토그래피(GOW-MAC series 350)를 이용하여 측정하였다. 누적수소생산량 곡선은 식 (1)을 이용하여 일정시간마다 측정된 수소함량과 발생된 총 가스량으로 부터 계산되었다.
- 1%가 탄수화물이었다. 분쇄기(Hanill, KOREA)에 의해 잘게 부셔진 음식물쓰레기는 실험목적에 따라 COD의 농도를 조절한 후 반응기에 적정량 투입하였다.
- 수소생산 최대의 시점에서 채취된 각 시료를 13,000 rpm에서 3분간 원심분리기(Hanill, Korea)를 이용하여 상등액을 제외한 침전물을 약 0.25 g이 되도록 한 후, DNA Isolation Kit (MO BIO Laboratories, Inc.)를 사용하여 DNA를 추출하였다. 추출한 DNA template에서 16S rDNA의 가변 부위인 V3 region 증폭을 위해 서로 다른 2개의 primer sets와 GC clamp을 사용하여 PCR을 실시하였다.
- 유기산은 상등액 20 µL를 SUPELCOGEL C-610H(300 mm × 7.8 mm ID)칼럼을 장착한 HPLC(Gilson, USA)로 분석하였으며 유기산의 peak는 UV detector를 이용하여 파장 210 nm에서 측정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 혐기성 발효공정을 이용하여 대표적인 고농도 유기성 폐수인 음식물 쓰레기를 기질로 사용하여 수소를 생산할 경우 음식물 쓰레기 내 질소의 농도가 그 수율에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 질소의 농도를 단계별로 변화시켜 수소생산 효율 특성 및 그에 따른 미생물 군집변화를 규명하였다.
- 음식물 쓰레기는 충분히 분쇄한 후 그 여액을 반응기에 주입하였으며 초기 COD의 농도를 약 10,000 mg/L로 유지하였고 이 때 염분농도는 약 600 mg/L이었다. 질소의 농도에 따른 수소생산량의 변화를 알아보기 위해 NH4HCO3을 이용해 질소의 농도를 100, 150, 200, 600, 1500, 3000, 5000, 7000 mg/L로 각각 변화를 주어 실험을 수행하였으며, 이 때 각각의 반응기에서 발생되는 수소생산량을 Fig. 2에 도식하였다. 반응기 내 용액의 pH를 5.
- )를 사용하여 DNA를 추출하였다. 추출한 DNA template에서 16S rDNA의 가변 부위인 V3 region 증폭을 위해 서로 다른 2개의 primer sets와 GC clamp을 사용하여 PCR을 실시하였다.20) 실험에 사용된 primer (Bionics, Korea)의 sequence는 Table 2와 같다.
대상 데이터
- Table 1은 본 실험에서 사용된 S대학교 식당에서 배출되는 음식물쓰레기의 성분 조성으로 총 유기물 중 82.1%가 탄수화물이었다. 분쇄기(Hanill, KOREA)에 의해 잘게 부셔진 음식물쓰레기는 실험목적에 따라 COD의 농도를 조절한 후 반응기에 적정량 투입하였다.
데이터처리
- , Model 475 Gradient delivery system)하여 수행하였다.21) DGGE에서 확인된 밴드의 염기서열 분석은 염기서열 분석 전문기관(Bionics, Korea)에서 수행되었으며, 계통분류학적 분류는 NCBI BLAST Search Database를 이용하여 결정하였다.22-26)
- 누적 가스 생성량은 식 (2)를 이용하여 해석하였으며, 각 λ, P, R의 값은 SIGMA PLOT 2002 (SPSS Science, UK) software 중 곡선분석을 이용하여 산출하였다.
이론/모형
- Fig. 2의 질소 농도에 따른 수소가스 발생량(Ph)과 최대 수소 생성률(Rh)은 수정 Gompartz방정식을 이용하여 산정하였으며, 각 농도에 따른 수소 생산 분석 결과는 Table 3에 요약하였다. 이 때 r-Square 값은 0.
- 8 mm ID)칼럼을 장착한 HPLC(Gilson, USA)로 분석하였으며 유기산의 peak는 UV detector를 이용하여 파장 210 nm에서 측정하였다. 배양액 내에 잔존하는 탄수화물을 정량하기 위하여 페놀-황산법으로 발색시킨 후 UV-Visible spectrophotometer(UV1601, SHIMADZU)로 측정하였다. 초기 및 최종 CODcr과 균체량 측정을 위한 건조 중량 분석은 Standard Methods법에 의하여 수행하였다.
- 배양액 내에 잔존하는 탄수화물을 정량하기 위하여 페놀-황산법으로 발색시킨 후 UV-Visible spectrophotometer(UV1601, SHIMADZU)로 측정하였다. 초기 및 최종 CODcr과 균체량 측정을 위한 건조 중량 분석은 Standard Methods법에 의하여 수행하였다. 균체량(volatile suspendid solids)의 측정은 600 nm에서 흡수된 광량을 기존에 건조중량으로 검량된 곡선에 대입하여 환산 측정하였다.
- i-1은 반응기의 head space에서 측정된 현재의 수소 함량(%)과 이전의 수소함량(%)이며, VH와 VS는 반응기의 head space 부피(500 mL)와 이전의 누적된 배양액 양을 나타낸다. 회분식으로 구성된 반응조에서 발효 미생물에 의해 생성된 수소생산 곡선을 분석하여 최대 수소생산율을 산정하기 위해 다음 식 (2)과 같은 수정된 Gompertz방정식을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 음식물쓰레기를 기질로 이용한 혐기성 발효 수소 생산 실험에서 발생된 가스는 주로 수소와 이산화탄소로 구성되었으며, 음식물 쓰레기 내 질소의 함량이 200 mg/L일 때 수소생산율은 83.43 mL/g dry wt biomass/hr와 102.00 mL H2/g COD로 가장 높은 수소생산 효율을 보여주었으나, 질소의 함량이 600 mg/L 이상이 되면 수소생산에 저해를 주는 것으로 나타났다.
- 1,2) 대체에너지 중 수소는 에너지 밀도가 매우 크기 때문에 개발할 가치가 큰 것으로 평가되고 있으며 공기보다 가볍고 보편적인 에너지이므로 자원고갈이나 분쟁의 위험이 없다. 더욱이 수소에는 탄소 원자가 들어 있지 않아 생태계를 교란시킬 오염물질을 생산하지 않는다.
- 2) 유기산의 분포를 분석한 결과, lactic acid 또는 formic acid는 음식물쓰레기 내 질소의 농도가 200 mg/L 보다 낮거나 높을 때 주로 검출되었으며, 질소의 농도가 600 mg/L 이상일 때 상당량의 propionic acid가 검출된 것으로 보아 혐기성 발효를 이용한 수소생산 시 lactic acid, formic acid, 또는 propionic acid의 생성은 수소생산에 긍정적 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.
- 3) B/A ratio는 수소생산과 비례한다는 종래의 연구결과와 다르게 본 실험에서는 B/A ratio와 수소생산량과의 상관관계는 크게 나타나지 않았다. 따라서 B/A ratio로만 수소생산 경향을 추정하는 것은 적절하지 않다고 판단하였다.
- 99 이상이, p-value는 1 이하로 90% 신뢰구간에서 통계적으로 중요한 의미를 가진다는 것을 확인하였다. Table 3에 나타난 바와 같이 음식물 쓰레기의 수소생산 효율은 음식물 쓰레기 내 질소의 농도에 따라 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었으며 200 mg/L 보다 낮은 농도의 범위에서는 질소의 농도가 증가함에 따라 수소가스 발생량이 증가하지만 600 mg/L를 초과하면 오히려 수소가스 발생량이 이전보다 감소하는 것으로 나타났다. 이는 염의 농도가 너무 적거나 많음에 따라 수소생산에 저해를 받는다고 보고된 기존의 연구와30,31) 비슷한 양상으로 음식물 쓰레기를 탄소원으로 이용할 때 염의 농도와 질소의 농도가 적정하게 유지되어야 한다는 것을 의미한다.
- NCCP-231, Clostridium algidicarnis strain E107, 그리고 Klebsiella sp. d252으로 규명되었고, 수소생산량이 낮았을 때 나타난 미생물 군집(Band 4, 9, 13, 17)은 Alcaligenes faecalis strain DPE04, Bacillus cereus strain FSHH4, Uncultured bacterium clone F1Q32TO06HDD21, 그리고 Paenibacillus cineris strain SDT61으로 규명되었다.
- NCCP-231, Clostridium algidicarnis strain E107, 그리고 Klebsiella sp. d252으로 규명되었고, 수소생산효율이 낮았을 때 나타난 미생물 군집(Band 4, 9, 13, 17)은 Alcaligenes faecalis strain DPE04, Bacillus cereus strain FSHH4, Uncultured bacterium clone F1Q32TO06HDD21, 그리고 Paenibacillus cineris strain SDT61으로 규명되었다.
- 3과 같은 분포 특성을 나타내었고, 유기산 중 butyric acid가 가장 높은 비율을 차지했으며, 그 다음은 acetic acid로 나타났다. lactic acid와 formic acid는 질소의 농도가 수소생산에 최적이라고 보여지는 200 mg/L를 중심으로 낮아지거나 높아질 때에 주로 검출되었으며, 질소의 농도가 600 mg/L 이상일 때는 상당량의 propionic acid가 검출되었다. 따라서 lactic acid, formic acid, 그리고 propionic acid의 생성은 수소생산에 긍정적 영향을 주지 않는 것으로 판단되었으며 이는 기존의 연구에서 lactic acid와 propionic acid의 생성은 낮은 수소생산을 유발한다고 보고된 연구와 유사한 결과이다.
- 혐기성 발효를 이용한 수소 생산 방법의 가장 큰 장점은 유기성 폐자원에서 쉽게 얻을 수 있는 글루코오스나 녹말 등 유기물을 분해하여 수소를 얻는다는 친환경적인 점이다. 그리고 수소 생산 속도가 광합성 미생물을 이용한 수소생산 방법에 비하여 상당히 빠르고, 24시간 생산이 가능하며 공간이 많이 소요되지 않아 증축이 용이한 것으로 평가받고 있다.4,5)
- 이는 염의 농도가 너무 적거나 많음에 따라 수소생산에 저해를 받는다고 보고된 기존의 연구와30,31) 비슷한 양상으로 음식물 쓰레기를 탄소원으로 이용할 때 염의 농도와 질소의 농도가 적정하게 유지되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 수소생산을 위한 최적 질소함량은 약 200 mg/L로 파악되었으며 이 때 발생된 누적 수소량과 최대 수소생성율은 1268.67 mL과 83.43 mL/g dry wt biomass/hr로 각각 산정하였다.
- 2에 도식하였다. 반응기 내 용액의 pH를 5.5로 유지한 상태에서 실시한 혐기성 수소생산실험결과, 발생된 가스는 수소와 이산화탄소로 구성되어 있었으며, 메탄의 생성은 관찰되지 않았다.
- 발효를 통한 수소 생성에 관여하는 세균은 생화학 반응을 거쳐 수소뿐 아니라 각종 유기산을 발생시킨다. 본 실험에서 나타난 수소생산과정에서 생산되는 유기산은 Fig. 3과 같은 분포 특성을 나타내었고, 유기산 중 butyric acid가 가장 높은 비율을 차지했으며, 그 다음은 acetic acid로 나타났다. lactic acid와 formic acid는 질소의 농도가 수소생산에 최적이라고 보여지는 200 mg/L를 중심으로 낮아지거나 높아질 때에 주로 검출되었으며, 질소의 농도가 600 mg/L 이상일 때는 상당량의 propionic acid가 검출되었다.
- 4는 시료에서 추출한 DNA를 PCR을 통해 증폭시킨후, 16S rDNA의 V3 region의 DGGE 수행을 통해 얻은 결과로 선명도가 각기 다른 여러 개의 Band가 다양하게 나타났다. 수소생산량이 높게 나타났던 질소농도 200 mg/L의 시료에서 Band 1, 6, 10, 11, 14가 가장 선명하였으며 수소생산량이 낮았던 질소농도 5000, 7000 mg/L의 시료에서 Band 4, 9, 13, 17이 뚜렷하게 나타나 질소농도에 따라 그 밴드차이를 확연하게 볼 수 있었다. Band 3은 질소의 농도가 높아질수록 선명하였으며, 이는 수소생산에 미치는 영향이 미미하다는 것을 나타낸다.
후속연구
- 본 실험을 통하여 보다 효율적인 수소 생산을 위해서는 음식물쓰레기의 적절한 전처리가 필요하며, 복합적 저해요인에 대해서도 추후 후속 연구가 필요할 것으로 판단하였다. 또한 음식물 쓰레기를 이용한 수소생산을 보다 효율적으로 수행하기 위해서는 미생물 군집에 대한 개별적 특성에 관한 연구도 필요하다고 판단되었다.
- 본 실험을 통하여 보다 효율적인 수소 생산을 위해서는 음식물쓰레기의 적절한 전처리가 필요하며, 복합적 저해요인에 대해서도 추후 후속 연구가 필요할 것으로 판단하였다. 또한 음식물 쓰레기를 이용한 수소생산을 보다 효율적으로 수행하기 위해서는 미생물 군집에 대한 개별적 특성에 관한 연구도 필요하다고 판단되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.