[논문]광합성을 이용한 바이오수소 생산

심상준; 김준표

광합성을 이용한 바이오수소 생산
Biohydrogen production using photosynthesis 원문보기

심상준 (성균관대학교 화학공학과) , 김준표 (성균관대학교 화학공학과)

Energy is vital to global prosperity, yet dependence on fossil fuels as our primary energy source contributes to global climate change environmental degradation, and health problems. Hydrogen $(H_2)$ offers tremendous potential as a clean renewable energy currency. Hydrogen has the highest gravimetric energy density of any known fuel and is compatible with electrochemical and combustion processes for energy conversion without producing carbon-based emission that contribute to environmental pollution and climate change. Numerous methodologies have been developed for effective hydrogen production. Among them, the biological hydrogen production has gained attention, because hydrogen can be produced by cellular metabolismunder the presence of water and sunlight. The green alga Chlamydomonas reinhardtii is capable of sustained $H_2$ photoproduction when grown under sulfur deprived condition. Under sulfur deprived conditions, PSII and photosynthetic $O_2$ evolution are inactivated, resulting in shift from aerobic to anaerobic condition in the culture. After anaerobiosis, sulfur deprived algal cells induce a reversible hydrogenase and start to evolve $H_2$ gas in the light. According to above principle, we investigated the effect of induction parameters such as cell age, cell density. light intensity, and sulfate concentration under sulfur deprived condition We also developed continuous hydrogen production system by sulfate re-addition under sulfur deprived condition.

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문제 정의

본 연구에서는 녹조류의 일종인 Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90을 이용하여 황결핍 이후, 세포 나이, 초기세포질량, 빛 세기, 황농도에 따른 수소 생산성을 실험하였고, 황성분 재첨가에 의한 연속수소생산 공정을 개발하였다.
우리는 황결핍 후 수소생산 영향을 미치는 중요한 인자들을 실험을 통해 밝혀내었다. 황결핍 조건에서 수소생산 시 고려해야할 점은 늦은 지수성장기의 세포가 다른 성장 단계의 세포보다 활성을 갖기 때문에 이 때의 세포를 수확하여 배양해야 하고, 또한 광합성을 하기에 적합한 빛 세기를 고려하여 그림자 효과가 없이 골고루 세포에게 빛이 전달되게 하는 것이 중요하고 황성분의 적당한 재첨가로 인해 PSII의 활성을 유지하는 것도 황 결핍에 의한 수소생산에서는 고려해야만 한다.

가설 설정

2], 조류 시스템을 이용한 수소생산은 PSH 의 잔여 활성이 가장 중요한 요소가 된다. 빛이 강할수록 세포의 광합성량(산소 발생량)이 더 높아지게 되는데, 이는 PSII에서 물분해를 통한 수소 생산 시이용되는 가용전자가 많이 발생함을 알 수 있다 <5).

제안 방법

C. reinhardt i i 밀도는 Haemacytometer (Neubauer-ultraplane, Marienfeld, Germany)와 microscope (Y-IDP, Nikon, Japan)를 사용하혀 세포 밀도를 측정하였다. 또 다른 방법으로는 80 °C 에서 12 시간 건조된 종이 필터를 이용한 건조중량법이 이용되었다.
또 다른 방법으로는 80 °C 에서 12 시간 건조된 종이 필터를 이용한 건조중량법이 이용되었다. 발생된 가스를 정량분석하기위해 gas chromatograph (HP 5890, Hewlett- Packard, USA)를 사용하였다. 수소 가스를 분석하기 위해서 carrier gas는 아르곤(Ar)을 사용하였다.
분석용 column 은 carboxen-1000 (Supelco, USA)을 사용하였고, 분석 시료는 serum bottleE head space에서 100 n L씩 취하였다⑶. 세포 성장에 있어 배지 내에 황성분이 얼마나 소모되는지를 관찰하기 위하# Ion-chromatography (DIONEX, Model LC₁O-2, USA) 를 사용하여 황 성분의 농도를 관찰하였다. 배양액은 0.
수행하였다. 우리는 황성분 농도별(15, 30, 60, 120 uM)로 약 140시간 마다 재첨가 하여이용하여 연속적인 수소생산을 시도했다. Fig 3에서 보여준 바와같이 총 4번 재첨가 해 주었는데시간이 지날수록 수소생산량은 감소하는 것을 볼수 있었다.
황결핍 시 잔여 황농도에 따른 수소생산량을 알아보기 위하여, TAP-S 배지로 세포를 세척한 후 황 성분을 농도별(0, 15, 30, 60, 120 µM)로 재첨가 하여 200 uE/m2s 의 빛에서 140 시간 동안 배양하였다(Fig. 4). 수소생산량은 0-30 µM의 황 성분을 재첨가 해주었을 때까지는 순차적으로 증가하였고, 60 pM의 황농도를 재첨가 해주었을 때는 황 성분을 첨가해 주지 않았을 때보다 감소하였다.
황결핍 후 황성분의 재첨가에 의해 연속적인 수소생산을 수행하였다. 우리는 황성분 농도별(15, 30, 60, 120 uM)로 약 140시간 마다 재첨가 하여이용하여 연속적인 수소생산을 시도했다.

대상 데이터

ITIEX 90 이다. 배지는 TAP (Tris-Acetate-Phospate) 배지(pH 7)를 사용하였다. 세포는 온도 23 °C, 150 rpm인 광배 양기에서 배양됐으며, 빛은 형광등으로 약 70 nE/m1 2 *s 로 12시간을 주기로 하여 공급되었다⑵.
본 연구에 사용된 녹조류는 Chlamydomonas reinhardtii ITIEX 90 이다. 배지는 TAP (Tris-Acetate-Phospate) 배지(pH 7)를 사용하였다.
발생된 가스를 정량분석하기위해 gas chromatograph (HP 5890, Hewlett- Packard, USA)를 사용하였다. 수소 가스를 분석하기 위해서 carrier gas는 아르곤(Ar)을 사용하였다. 또한 detector는 TCD (Thermal conductivity detector) 를 사용하였다.

이론/모형

1 ml 취해서 주입하였다. 세포내 chlorophyl 1 양을 분석하기 위# Spreitzer 법을이용하여 spectrophotometer (HITACHI, U-3210, Japan)를 사용하여 측량되었다⑵.

성능/효과

우리는 황성분 농도별(15, 30, 60, 120 uM)로 약 140시간 마다 재첨가 하여이용하여 연속적인 수소생산을 시도했다. Fig 3에서 보여준 바와같이 총 4번 재첨가 해 주었는데시간이 지날수록 수소생산량은 감소하는 것을 볼수 있었다. Fig 1 과 마찬가지로 연속적인 수소생산에서도 황성분 30 pM을 재첨가 해주었을 때 가장 많은 수소가 생산되었다 (총 882 ml H₂/g cell, 4회).
4 g/1 에서는 오히려 감소하였다. 또한, 성장단계에 따른 수소생산량은 늦은 지수성장기 , 중간지수성장기 , 이 른지수성장기 순서대로 감소했으며, 정지기 때는 이른 지수성장기 때와 수소생산량이 비슷하였다 (Fig.l)(4).
빛 세기에 따른 수소생산량을 살펴보면, 60 - 200 pE/m2s 까지는 빛 세기가 증가할수록 수소생산량도 차례로 증가하였고, 200 uE/js에서 수소생산량이 220 ml H₂/l 로 가장 높았다〔Fig. 2], 조류 시스템을 이용한 수소생산은 PSH 의 잔여 활성이 가장 중요한 요소가 된다.
4 에서 보여준 것처럼 수소발생 시간이 약 24시간 정도 늦어졌다. 이는 다소 높은 황농도 때문에 배지 내의 황결핍이 지연되어, hydrogenase 유도 되는 시간과 전체 수소발생 시간이 줄어들어 황 성분을 재첨가 하지 않았을 때보다 수소생산량이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 하지만 황성분 120 pM 을 재첨가 해주었을 때는 배지내 황성분이 너무 많이 존재하게 되어 황결핍이 일어나지 않게 된다 (Fig.

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