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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 탄수화물, 단백질 및 지방의 함량을 달리한 유기성 폐기물을 이용하여 혐기성 수소 발효의 성능과 이때의 미생물 군집 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 혐기성 수소 발효시 기질내 탄수화물, 단백질 및 지방 함량에 따른 수소 발생 및 미생물 군집 특성을 평가하였다.
제안 방법
- 2 mm stainless steel column을 이용하였다. Column, injector와 detector의 온도는 50, 80 및 90℃ 로 유지하였다. 휘발성 지방산(volatile fatty acids, VFAs) 분석은 자외선 검출기(210 nm)와 fast acid column (BIO-RAD, 100×7.
- 혐기성 수소 발효 반응기에 식종 미생물을 50% 채우고 나머지는 기질과 초순수를 투입하였다. 기질은 기질 농도에 따른 영향을 줄이고자 총 고형물 (total solids, TS) 기준으로 40 g TS/L에 맞춰 투입하였다. 식종 미생물과 기질로 채워진 반응기는 질소 가스를 이용하여 혐기성 조건으로 전환하였다.
- 바이오가스내 수소의 함량은 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토 그래피(gas chromatography, Gow Mac series 580, USA) 를 이용하여 측정하였다. 가스 크로마토그래피의 운반체로는 초고순도 질소(99.
- 1로 고정하였다. 바이오가스의 측정은 체적 측정이 가능한 유리 주사기를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서 이용된 혐기성 수소 발효 반응기는 아크릴 재질로 제작되었으며 유효체적 300 mL이다. 반응 기에는 가스 시료 채취를 위한 가스 배출구와 pH 측정을 위한 pH 전극 소켓이 장착 가능하도록 제작하였다.
- 합성 음식물류 폐기물의 구성은 탄수화물(곡식류), 단백질(육류)과 지방(유제품)을 혼합하여 제조하였다. 탄수화물, 단백질 및 지방의 구성비는 합성 음식물류 폐기물의 구성비를 달리하여 제조 하였다(Table 1). 제조한 합성 음식물류 폐기물은 가정용 분쇄기를 이용하여 5 mm 이하로 분쇄 및 혼합 하였으며 실험 전까지 4℃에서 보관하였다.
- 혐기성 수소 발효 반응기에 식종 미생물을 50% 채우고 나머지는 기질과 초순수를 투입하였다. 기질은 기질 농도에 따른 영향을 줄이고자 총 고형물 (total solids, TS) 기준으로 40 g TS/L에 맞춰 투입하였다.
- 휘발성 지방산(volatile fatty acids, VFAs) 분석은 자외선 검출기(210 nm)와 fast acid column (BIO-RAD, 100×7.8 mm, USA)이 장착된 고성능 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography, YL 9100, Korea)를 이용하여 분석 하였다.
대상 데이터
- 바이오가스내 수소의 함량은 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토 그래피(gas chromatography, Gow Mac series 580, USA) 를 이용하여 측정하였다. 가스 크로마토그래피의 운반체로는 초고순도 질소(99.999%)를 사용하였으며 유속은 30 mL/min으로 고정하였다. Column은 molecular sieve 5A (80/100 mesh)를 충진제로 사용한 1.
- 본 연구에서 사용된 식종균은 S시에 위치한 혐기성 소화조 슬러지를 이용하였으며 4 mm체를 이용하여 불순물을 제거하였다. 불순물을 제거한 소화 슬러지는 90℃에서 15분간 열처리를 통해 수소 생산과 무관한 미생물의 성장을 억제하였다.
- 본 연구에서 이용된 혐기성 수소 발효 반응기는 아크릴 재질로 제작되었으며 유효체적 300 mL이다. 반응 기에는 가스 시료 채취를 위한 가스 배출구와 pH 측정을 위한 pH 전극 소켓이 장착 가능하도록 제작하였다.
- 본 연구에서 이용한 유기성 폐기물은 기질의 특성에 따른 영향을 줄이고자 합성 음식물류 폐기물을 이용하였다. 합성 음식물류 폐기물의 구성은 탄수화물(곡식류), 단백질(육류)과 지방(유제품)을 혼합하여 제조하였다.
- 8 mm, USA)이 장착된 고성능 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography, YL 9100, Korea)를 이용하여 분석 하였다. 이동상 물질은 0.005 M 황산을 이용하였다. 기질의 TS 및 휘발성 고형물(volatile solids, VS)은 standard methods에14), 탄수화물, 단백질 및 지방은 식품공전에 준하여 수행하였다15).
- 본 연구에서 이용한 유기성 폐기물은 기질의 특성에 따른 영향을 줄이고자 합성 음식물류 폐기물을 이용하였다. 합성 음식물류 폐기물의 구성은 탄수화물(곡식류), 단백질(육류)과 지방(유제품)을 혼합하여 제조하였다. 탄수화물, 단백질 및 지방의 구성비는 합성 음식물류 폐기물의 구성비를 달리하여 제조 하였다(Table 1).
이론/모형
- 005 M 황산을 이용하였다. 기질의 TS 및 휘발성 고형물(volatile solids, VS)은 standard methods에14), 탄수화물, 단백질 및 지방은 식품공전에 준하여 수행하였다15).
성능/효과
- 1) 혐기성 수소 발효시 기질내 탄수화물의 비율이 높아질수록 수소 전환율은 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 기질내 화학적 조성의 변화가 바이오가스내 수소의 함량에 미치는 영향을 미비한 것으로 나타났다.
- 2) 미생물 군집 평가 결과에 따르면 주요 미생물은 Clostridium perfringens, Clostridium butyricum, Clostridium acetobutylicum으로 나타났으며 기질 내 화학적 조성에 따라 우점되는 미생물이 다르게 나타났다.
- 그에 반해 Boni 등13) 은 탄수화물이 풍부한 음식물류 폐기물에 단백질과 지방이 풍부한 도축 폐수를 혼합하여 수소 전환율을 평가 하였다. 그 결과에 따르면 30-40%의 음식물류 폐기 물과 60-70%의 도축 폐수를 혼합하였을 때 가장 높은 수소 전환율이 나타났다.
- 은 녹말(starch)과 펩톤(peptone), 글루코 오스(glucose)와 펩톤(peptone)을 이용하여 기질내 탄수화물과 단백질의 비율이 수소 전환율에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과에 따르면 녹말을 탄수화물로 이용한 경우에는 탄수화물과 단백질의 비율이 4 g COD/g COD로 나타났다. 글루코오스를 탄수화물로 이용한 경우에는 녹말에 비해 낮은 1.
- 1) 혐기성 수소 발효시 기질내 탄수화물의 비율이 높아질수록 수소 전환율은 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 기질내 화학적 조성의 변화가 바이오가스내 수소의 함량에 미치는 영향을 미비한 것으로 나타났다.
- 기질내 단백질 함량이 높을수록 C. perfringens가 차지하는 비율이 높게 나타났으며 수소 전환율은 낮고 초산염은 높아지는 경향으로 나타났다.
- 혐기성 수소 발효시 초산염과 부틸산염은 주로 부산물 중 하나이다. 기질내 탄수화물 함량이 증가할수록 초산염(acetate)의 농도가 낮게 나타났으며 부틸산염은 높아지는 경향으로 나타났다. 카프로산염과 발레르산염의 경우에는 탄수화물 함량이 증가할수록 농도가 0.
- 기질내 탄수화물의 함량이 높아질수록 전체 미생물에서 차지하는 비율이 증가되는 경향으로 나타났다. 또한 C.
- 3 이상에서는 영향이 미비한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구와 선행 연구를 종합할 때 탄수화물/단백질 비가 6.0 이하일 경우에는 수소 전환율이 증가하지만 그 이상일 경우에는 영향이 미비한 것으로 판단된다.
- 발견된 주요 미생물은 Clostridium perfringens, Clostridium butyricum, Clostridium acetobutylicum으로 나타났다. C.
- 본 연구 결과를 살펴보면 3.2-9.2% 범위의 지방 함량은 수소 전환율에 미치는 영향이 미비한 것으로 나타났다. 선행 연구와 본 연구의 결과를 종합해 보면 지방의 함량이 10% 미만일 경우에는 수소 전환율에 미치는 영향이 미비하지만 15% 이상일 경우에는 저해가 나타나는 것으로 판단된다.
- 수소 전환율의 경우에는 기질내 탄수화물의 함량이 높아질수록 증가하는 것으로 나타났으며 선형적인 관계를 보였다. 상대적으로 기질내 단백질의 함량이 높아질수록 수소 전환율은 감소하는 것으로 나타났다. 선행 연구 결과에 따르면 단백질은 스틱랜드 반응에 의해 단백질이 가수 분해되어 아미노산이 생산되며 이때 수소는 생산되지 않는다.
- 2% 범위의 지방 함량은 수소 전환율에 미치는 영향이 미비한 것으로 나타났다. 선행 연구와 본 연구의 결과를 종합해 보면 지방의 함량이 10% 미만일 경우에는 수소 전환율에 미치는 영향이 미비하지만 15% 이상일 경우에는 저해가 나타나는 것으로 판단된다.
- 2에는 기질내 탄수화물과 단백질의 비(carbohydrate to protein ratio)와 수소 전환율을 관계를 제시하였다. 탄수화물/단백질의 비가 0.2-3.0의 범위에서 증가할 때 수소 전환율은 선형적인 증가 추세로 나타났다. 그러나 탄수화물과 단백질의 비가 3.
- Kim 등12) 은 탄수화물 기질로 음식물류 폐기물을 이용하였으며 단백질 기질로 하수 슬러지를 이용하였다. 탄수화물이 풍부한 음식물류 폐기물의 비율이 높을수록 수소 전환율이 높게 나타났다. 그에 반해 Boni 등13) 은 탄수화물이 풍부한 음식물류 폐기물에 단백질과 지방이 풍부한 도축 폐수를 혼합하여 수소 전환율을 평가 하였다.
후속연구
- 3) 본 연구는 혐기성 수소 발효시 기질의 조성에 따른 수소 전환율 및 미생물 군집을 평가하였으며 향후 수소 에너지 생산 플랜트 설계 및 운영을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
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