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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011484&local_id=10013617
혼합 혐기성 미생물에서의 수소 생산 미생물의 거동 및 침적형 막을 이용한 혐기성 수소 반응조 개발
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00039
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 01월 03일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • 수소는 현재 연구중인 미래 대체에너지 중 환경친화적이며 효율적인 에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 생산되고 있는 수소의 약 95%는 화석연료를 재료로 물리화학적 처리를 거쳐 생산되고 있다. 이러한 생산방법은 환경적인 측면이나 대체 에너지 생산이라는 측면에서 한계점을 지니게 된다. 따라서 생물학적 수소생산은 이러한 측면에서 강점을 지닌다. 발효를 이용한 수소생산방법은 광반응에 비하여 낮은 수율의 단점을 지니고 있지만 빠른 수소생산속도와 다양한 기질로부터 수소를 생산할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 또한 폐기물을 처리하는 과정에서 수소를 발생시킨다는 환경 친화적 측면에서 더욱 매력적인 기술이다.

    혐기성 수소발효를 하기 위한 방법으로 환경공학에서는 대부분 혐기성소화슬러지와 같은 혐기성 혼합 미생물을 전처리하여 식종균으로 사용하는 방식을 사용한다. 그러나 열이나 화학적 충격을 통하여 수소 생산균을 제외한 대부분의 미생물을 사멸시키는 전처리 방법은 현장에 적용하기에는 경제성과 실용성이 부족하다. 또한 혐기성 수소 생산과정에서 관여하는 수소 생산균의 규명과 그 이외의 다른 미생물과의 상관관계에 대한 연구가 부족하여 아직까지 반응조내의 수소 생산 거동을 충분히 이해하지 못하고 있다. 본 연구에서는 공기처리 방법을 경제적이고 실용적인 전처리 방법의 대안으로 제시하였다. 또한 T-RFLP, DGGE, cloning 등의 분자생물학적 방법을 이용하여 반응조 내 수소생산 미생물과 비수소생산 미생물간의 거동을 분석하였다.

    먼저 공기를 이용한 전처리 방법으로서 수소생산 가능성을 평가하기 위하여 회분식 실험을 수행하였다. 또한 연속운전을 위한 기본 운전인자인 초기 pH, VSS 농도, 기질주입농도를 평가하였다. 0.5M의 인산완충용액을 사용하여 수소생산 반응 중 pH의 변화를 억제한 경우 최적의 pH는 6.0이었으며 인산완충 용액을 사용하지 않은 경우 최적의 pH는 9.0이었다. 연속운전을 위한 최적의 초기 기질/ VSS비는 기질 농도 8gCOD/l에서 1.8, 16 gCOD/l에서 19.3 이었다.

    본 연구에서는 미생물군집변화를 관찰하기 위하여 T-RFLP 기법을 주로 사용하였다. 이때 사용할 PCR primer set과 제한효소를 in silico simulation을 통하여 결정하였다. RDP 데이터베이스를 이용한 시뮬레이션 결과 primer set은 S-D-Bact-0338-a-A-18c (5’-ACTCCTACGGGAGGCAGC-3’) 과 S-*-Univ-1392-a-A-15 (5’-ACGGGC GGTGTGTRC-3’)이 최선의 선택으로 결정되었고 제한효소는 ScrFI (CC∨NGG)으로 결정되었다.

    다음으로 공기 전처리한 슬러지를 식종균으로 사용하는 경우에 반응조의 초기 운전 방법에 관하여 연구하였다. HRT 12시간에서는 Clostridium 이외의 다른 미생물군이 성장하여 수소생산에 실패하였으나 HRT 2,4 시간과 같이 짧은 희석률에서는 Clostridium species가 우점되며 수소생산에 성공하였다.

    연속운전에서는 HRT와 기질의 농도가 수소 생산에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. HRT 2, 4시간과 같이 짧은 HRT에서는 1.5 mol H2/mol Hexose와 같은 높은 수소생산수율을 얻을 수 있었으나 짧은 체류시간으로 인하여 기질 분해율이 매우 낮았다 (16, 22%). HRT 12시간으로 체류시간을 증가시키자 초기에는 높은 수소 생산수율과 기질 분해율을 얻을 수 있었으나 곧 수소생산이 중단되었다. T-RFLP 분석결과 이 조건에서는 Clostridium pasteurianum의 상대적 비율이 감소하였고 Bifidobacterium longum의 비율이 증가하였다. 유입수 기질의 농도에 따른 영향을 살펴본 실험의 경우 기질의 농도에 따라 수소생산미생물의 변화가 관찰되었다. 기질농도가 1~3gCOD/l에서는 Clostridium butyricum이 우점하였고 20 gCOD/l에서는 Clostridium pasteurianum이 우점하였다. 5~10 gCOD/l 의 영역에서는 두 미생물이 우점하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 실제 운전에서 수소생산증대를 위한 두 가지 방법을 제시하였다. 첫 번째 방식은 비수소생산균의 오염의 철저하게 차단하는 것이다. 하지만 실폐수나 폐기물에는 다량의 오염원이 존재하여 이를 적용하기 난이하다. 두 번째는 수소 생산균과 통성혐기성 수소 생산균의 고정화 시킨 후 매우 짧은 수리학적 체류시간에서 운전하는 방식이다. 수소 생산균과 통성혐기성 수소 생산균의 고정은 운전실수나 유입수에 포함되어 있는 산소로부터 수소 생산균을 보호하는 역할을 수행할 것이며 짧은 수리학적 체류시간은 기타 비수소생산균의 성장을 억제시켜 높은 수소생산 수율과 분해율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
  • Research result and Utilization method
  • 박사학위논문심사에 통과하였으며 thesis관련하여 한편이 International J. of Hydrogen Energy에 심사중이며 추후 3편을 더 제출할 예정이다. 또한 전처리 방법 관련하여 특허출원할 예정이다.
  • Index terms
  • 혐기성 수소 생산, 공기처리, 열처리, 분자생물학적 분석, T-RFLP 기법
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