초록 ▼

① 혐기발효 수소생산을 위해 유기성 폐기물을 다양하게 적용하였다.(음식물쓰레기, 음폐수, 하수슬러지, 수산폐기물, 두부제조폐기물, 폐글리세롤, 목질계, 미세조류 바이오매스 등)
② 2단 혐기/광합성 발효 수소 생산 통합공정을 개발하였고 회분식 실험을 통해 세계 최고 수준의 수소전환율 8.4 mol H₂/mol hexose를 달성하였다.
③ 광합성 발효용 반응기 연구를 통해 column type 및 flat vertical type 성능비교 결과 column type이 flat type에 비해 1.3배

① 혐기발효 수소생산을 위해 유기성 폐기물을 다양하게 적용하였다.(음식물쓰레기, 음폐수, 하수슬러지, 수산폐기물, 두부제조폐기물, 폐글리세롤, 목질계, 미세조류 바이오매스 등)
② 2단 혐기/광합성 발효 수소 생산 통합공정을 개발하였고 회분식 실험을 통해 세계 최고 수준의 수소전환율 8.4 mol H₂/mol hexose를 달성하였다.
③ 광합성 발효용 반응기 연구를 통해 column type 및 flat vertical type 성능비교 결과 column type이 flat type에 비해 1.3배 더 높은 수소전환율을 나타냈다.
④ 음식물쓰레기를 1일 1 kg 처리할 수 있는 시스템을 구성하여 연속 운전한 결과, 수소전환율 7.16mol H₂/mol hexose를 달성하였고 수소 생산속도는 91.4 L/d/kg(food waste)를 기록하였다.
⑤ 광합성 수소발효의 연속배양을 실시하여 유산을 기질로 하는 연속광합성수소 배양 시 최적 HRT는 4일, 기질농도는 20 mM의 조건을 얻어냈고 이때의 수소 전환율은 2.3~2.4 mol H₂/mol lactate 였다.
⑥ 음식물쓰레기 이용 연속 유산 발효 결과 최적 HRT는 1일, 온도는 50℃로서 이때의 유산전환율은 1.6mol lactate/mol hexose_added 였다.
⑦ 포도당 이용 고속 유산발효 결과 미생물을 그래뉼화 하여 최대 1.9 mol lactate/mol glucose_added의 유산전환율을 달성하였고 유산 생산속도는 16.5 g lactate/L/hr(HRT 0.5 시간)를 달성하였다.
⑧ 가시광 감응 광어노드 제조 및 특성분석 측면에서 WO₃, WO₃/TiO₂, CdS/TiO₂, Ag₂O/TiO₂ 등의 1, 2 성분계의 수소제조율 평가 결과 CdS/TiO₂에서 가장 높은 효율을 얻었다.
⑨ ATTE 길이별/금속담지별/광량별 Cr(VI)환원 성능평가는 담지된 금속 종류에 따라 Pr>Pd>Ru 순으로 Pt가 담지율 대비 Cr(VI)환원성과 흡착력이 가장 뛰어났다.
⑩ nifHDK 유전자의 발현 증진으로 질소 고정효소의 세포 내 활성을 2배가량 증가 시켰으며, 기존에 비해 증진된 1 mol의 malate 당 약 6 mole의 수소 생성효율을 얻을 수 있었다.
⑪ KD131의 광기구 변형을 통해 광반응중심체의 농도가 2배 이상 증진된 변이주를 얻었고 전체 유전체를 판독한 결과 CycH(cytochrome c biogenesis protein)와 PpsR (repressor)에 변이가 있음을 확인했다.
⑫ Fed-batch culture를 통한 수소 생산 향상 : Continuously stirred anaerobic biioreactor(CSABR)을 이용해 Fed-batch 운전기법의 적용과 pH 조절을 통해 4.9 mol H₂/mol sucrose, 3.2 mol H₂/mol glucose 및 4 mmol H2 h-1의 생산속도를 달성하였다.
⑬ 미생물 군집 분포 분석을 통해 혼합 유기성 폐자원을 열처리하여 수소생성을 유도하는 공정은 Clostridium butyricum 종을 우점하게 하였다

Abstract ▼

IV. Results
1)　H₂ production potential of various organic wastes: In dark fermentation, various organic wastes including food waste, food waste leachate, sewage sludge, and star-fish were used for H₂ production. The highest H₂ yield of 1.84 mol H₂/mol g

IV. Results
1)　H₂ production potential of various organic wastes: In dark fermentation, various organic wastes including food waste, food waste leachate, sewage sludge, and star-fish were used for H₂ production. The highest H₂ yield of 1.84 mol H₂/mol glucose equiv. was ahiceved from food waste leachate, under optimal operation condition (pH 7.0 and substrate concentration of 13.4 g/L). The microbial analysis (PCR-DGGE) showed that the dominant species were Clostridium sp.
By adding alkali-treated (pH 9, 10, 11, and 12) sewage sludge to food waste leachate, H₂ yield was increased to 2.1 mol H₂/mol glucose equiv. In case of star-fish, it was better suitable for CH₄ production by anaerobic digestion since it contains very low content of carbohydrate. From the statistical approach and experimental results obtained at various substrate concentrations, buffer capacities, and inoculum/substrate ratio, the maximum CH₄ production potential of star-fish was 334 mL CH₄/g COD, corresponding to 95% of whole energy content in star-fish.
2) Development of two-stage (anaerobic- + photo-) fermentative H₂ production process: Food waste was successfully fermented to lactate without inoculum addition under pH 5.5 and mesophilic conditions, yielding 1.6 mol lactate/mol glucose equiv. within 24 hrs. Lactate fermentation effluent was then centrifuged, and then supernatant was photo-fermented to H₂ by batch type system while the residue was fermented to CH₄. From this system, the world highest record yield of 8.4 mol H₂/mol hexose was achieved from food waste.
In addition, the continuous fermentation system (shredder + 5 L lactate fermenter + 5 L settler + 160 L photo-fermenter), treating 1 kg of food waste per day was operated for H₂ production. The achieved H₂ yield and production rate were 7.16 mol H₂/mol hexose and 91.4 L/d/kg(food waste), respectively.
3) Photo-fermentative H₂ production performance comparison between column type and flat type reactor: The column-type reactor showed 1.3 times high H₂ yield compared to that in the flat type reactor. There existed a dead-zone in the flat-type reactor. The effect of diameter (2-10 cm) was investigated in the column type reactor. Although the highest H₂ yield was observed at 2 cm, 4-6 cm was chosen at further experiments because of practicability.
4) Continuous photo-fermentative H₂ production:　The maximum H₂ yield of 2.3~2.4 mol H₂/mol lactate was achieved at HRT 4 d and 20 mM lactate. The low H2 yield ascribed to the fact that large portion of electrons contained in lactate was utilized for microbial growth (30-60%) and SMPs (30-50%).
5) Lactate fermentation of food waste and glucose: From food waste, the highest lactate yield of 1.6 mol lactate/mol hexoseadded was achived at HRT 1 d and at 50oC. From glucose, the lactate yield of 1.9 mol lactate/mol glucose_added was maintained at HRT 0.5-8.0 hr. The highest lactate production rate of 16.5 g lactate/L/hr was achieved at HRT 0.5 hr. As HRT shortened, the diameter of lactate producing granule increased from 0.31 mm to 3.40 mm and hydrophobicity also increased from 17.5% to 33.6%.
6) Enhancement of nitrogenase activity through the increase of nifHDK gne expression: Activity was increased by 2 times resulting 2 times of H₂ production efficiency (6 mol H₂/mol malate). Nitrogenase activity was usually destroyed in presence of NH₄⁺ , It was overcame through the destruction of GlnB and GlnK protein and expression of GlnA (Glutamine synthetase).
7) Enhanced H₂ evolution of Rhodobacter spahroides KD131 in presence of alcohol: Nitrogenase activity was increased in presence of methanol(0.2%), ethanol(0.5%), propanol(0.5%), or buthanol(0.2%) in the increasing order resulting the increased H2 production. In addition, the effect of ammonium inhibition for H₂ production was also disappeared. Addition of buthanol increased 2.5 times more H₂ production compared with that determined in its absence of alcohol.
8) Microbial community analysis: The dominance of Clostridium butyricum was revealed via pyro-sequencing where H₂ production is active.
9) H₂ production from waste glycerol: The H₂ yield of 2.7 mol/mol glycerol, corresponding to 90% of theoretical maximum, was obtained.
10) Preparation and characterization of Vis-responsive photoanode: Among tested materials(One, two-component materials: WO₃, WO₃/TiO₂, CdS/TiO₂, Ag₂O/TiO₂ and three-components materials: Ag₂O/Pt/TiO₂ and Ag₂O/Pt/TiO₂), three-components materials turn out to be favorable in terms of experimental results, energy level and (photo)chemical stability. That is caused by the fact that the transfer of charge carriers generated in deposited components to ATTE is essential.
11) Evaluation of Cr(VI) reduction ability in terms of length of ATTE and deposited metals: Pt, Pd, or Ru is deposited on prepared TiO₂ nanotube via ELD method. Ability of reduction and adsorption is in the order of Pt, Pd, and Ru with higher than 50% reduction rate using 300W solar simulator. Detailed experiments with Pt/TiO₂ shows the light intensity and the length of ATTE has close relation for the difference of activity.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 보고서 초록 ... 5
• 요 약 문 ... 7
• S U M M A R Y ... 13
• CONTENTS ... 18
• 목 차 ... 20
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 23
• 제 1 절 연구의 배경 및 목적 ... 23
• 1. 환경적 측면 ... 23
• 2. 경제·산업적 측면 ... 23
• 제 2 절 연구 진행 방향 ... 24
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 25
• 제 1 절 국외 연구 현황 ... 25
• 제 2 절 국내 연구 현황 ... 26
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 28
• 제 1 절 유기성폐기물의 혐기발효 수소생산 ... 28
• 1. 다양한 유기성폐기물의 가용화 및 수소생산 ... 28
• 가. 서론 ... 28
• 나. 실험재료 및 방법 ... 29
• 다. 분석방법 ... 33
• 라. 결과 및 고찰 ... 34
• 제 2 절 광합성 세균을 이용한 수소 생산 ... 91
• 1. 광합성 세균 배양 최적화 ... 91
• 가. 서론 ... 91
• 나. 실험 재료 및 방법 ... 91
• 다. 결과 및 고찰 ... 93
• 2. 광합성 수소 연속 발효 ... 111
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 111
• 나. 결과 및 고찰 ... 111
• 제 3 절 이단 발효 공정 통합화 ... 113
• 1. 음식물쓰레기를 이용한 수소생산 통합 발효 ... 113
• 가. 서론 ... 113
• 나. 실험 재료 및 방법 ... 113
• 다. 결과 및 고찰 ... 114
• 2. 유기성 폐기물을 이용한 연속 유산발효 ... 129
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 129
• 나. 결과 및 고찰 ... 131
• 3. 광합성 세균 이용 연속 수소생산 최적화 ... 138
• 가. 실험재료 및 방법 ... 138
• 나. 결과 및 고찰 ... 138
• 4. 혐기 수소 발효 및 유산 생산 공정에서의 미생물 군집 분석 ... 145
• 가. 실험재료 및 방법 ... 145
• 나. 결과 및 고찰 ... 146
• 제 4 절 음식물쓰레기 이용 수소 생산 통합 발효 실증 연구 ... 156
• 1. 1일 음식물쓰레기 1 kg 처리 가능한 통합 2단 발효조의 운전 ... 156
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 156
• 나. 결과 및 고찰 ... 158
• 2. 음식물쓰레기를 이용한 연속 고온 유산발효 ... 160
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 160
• 나. 결과 및 고찰 ... 161
• 3. 포도당을 이용한 UASB 유산발효 운전 ... 163
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 163
• 나. 결과 및 고찰 ... 163
• 4. 광합성 수소발효기 회분 실험 및 연속 운전 ... 169
• 가. 실험 재료 및 방법 ... 169
• 나. 결과 및 고찰 ... 169
• 제 5 절 태양광 변환 수소발생 ... 179
• 1. 연구개요 ... 179
• 2. 가시광 감응 광어노드 제조 및 특성 분석 ... 180
• 가. 실험재료 및 방법 ... 180
• 나. 결과 및 고찰 ... 180
• 3. ATTE 길이별 / 금속담지별 Cr(VI) 환원 성능 평가 ... 183
• 가. 실험재료 및 방법 ... 184
• 나. 결과 및 고찰 ... 184
• 4. STH 5% 달성을 위한 광어노드 대면적화 및 내구성 확보 ... 186
• 가. 실험재료 및 방법 ... 186
• 나. 결과 및 고찰 ... 187
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 195
• 제 1 절 연구개발목표의 달성도 ... 195
• 제 2 절 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가 ... 197
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 203
• 제 1 절 추가연구의 필요성 ... 203
• 제 2 절 타 기술에의 응용 ... 203
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 204
• 제 7 장 참고문헌 ... 207
• 위탁연구 (성균관대학교) ... 215
• 위탁연구 (한국과학기술원) ... 227
• 위탁연구 (서강대학교) ... 237
• 끝페이지 ... 286