광합성 탈황공정에 있어 암주기 극복을 위한

명암 주기의 최적화

정귀수, 이광희, 김병우

성균관대학교

An Optimization Study of the Light/Dark Cycle to Overcome Light Absency in a Photosynthetic Desulfurization

Guy Soo Jeong, Kwang Hee Lee, Byung Woo Kim.

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan Univ.

서론

황화수소는 석유정제시 수첨탈황공정 및 제철 산업, 천연가스 처리공정 등에서 항상 배출되는 오염물질로, 연료 시장에서 기본적인 황화수소 농도는 0℃, 101.3 kPa에서 0.18□M 이하이고, 국내 대기 환경 보전법 시행령에서는 5 - 6 ppm, 악취기준으로 0.2 ppm까지 강화되고 있다.

황화수소 제거를 위한 물리, 화학적 처리 방식이 많이 사용되고 있는데, 이 방식에서 나타나는 여러 단점을 보완하기 위한 생물학적 탈황 처리법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 광합성 탈황 세균을 이용한 광생물 반응기의 운영에 대한 연구가 많은 진척을 보이고 있다. 하지만 환경 친화적이고 낮은 운전비, 낮은 투자비 등의 장점에도 불구하고 광에너지가 필수적이라는 단점이 있고, 광합성 세균의 성장에 따른 밀도 증가로 반응기 내부로 갈수록 외부에서 조사 광강도가 지수적으로 감소하게 되어 반응기 내부의 약 70 - 80 % 공간에서 광이용 효율이 매우 낮다는 결정적인 장애을 갖고 있다. 따라서 필요한 광에너지를 인공적인 전기 에너지가 아니라 청정 에너지인 태양광을 이용하는 방안이 광생물 반응기 운영에 있어서 중요한 자리를 차지하게 되었고, 광섬유 반응기를 이용하여 광도가 반응기 내부에서 균일하게 유지되도록 하여 광합성 능력을 극대화 하려는 연구가 진행중이다.

결국 태양광을 옥외에서 직접 자동 집광하고 광섬유를 이용한 태양광 생물 반응기의 운전이 상당한 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 이러한 태양광 생물 반응기의 운전에 있어서 태양광이 없는 야간의 경우에 광합성이 진행되지 못하고 이로 인해 광합성 능력의 저하 현상이 예상된다. 또한 일조시간의 변화에 따른 광합성 능력의 변화도 무시하지 못하게 된다. 미세조류를 이용해 광노출 차단에 의한 광합성 지속성을 보는 섬광 효과에 대한 연구가 일부 있었으나, 이는 수초 - 수분내의 명암의 주기적 교체에 따른 조류의 생산성 확대에 대해 관심의 초점을 두고 있어 장시간의 태양광 차단의 경우와는 성격이 다르다.

본 연구에서는 태양광이 차단되는 야간 운전기간에 해당되는 시간대 별로 명암 주기를 변화시켜 탈황능력을 고찰하였다. 또한 비광합성 균주에 의한 탈황 공정과의 복합운영 가능성을 모색하기 위해 빛 공급 차단시 feed gas(H2S, CO2, H2의 복합가스)의 공급 중단에 따른 탈황능력 등의 영향을 알아보고자 하였다. 이를 바탕으로 이미 얻은 광에너지를 이용해 빛 공급이 중단된 후 상당히 긴 시간동안의 광합성의 지속 여부를 확인하고, 명암 주기 교체 비율에 따른 feed gas 공급여부에 의한 탈황성능 및 광합성 효율에 대한 정확한 비교 자료를 얻어 태양광의 이용에 필요한 기초자료를 확보하고자 하였다.

실험

균주는 Chlorobium limicola forma thiosulfatophilum으로 ATCC 17092이다. H2S의 저해 작용에 의해 일반 다른 세균은 자라지 못해 멸균 작업은 필요없다. 배지내에 0.05M NaH2PO4, 0.05M Na2HPO4의 phosphate buffer로 pH를 조절하고, 혐기 조건을 유지하기 위해 Na2S 0.1 g/L를 첨가하였다. 반응기 내에 들어가는 공급가스 조성은 H2S 4.04 mol%, CO2 9.6 mol%, H2 0.49 mol%, N2 85.69 mol%이다.

4L 유가 회분식 반응기를 이용해 동일 조건하에서 각 명암주기에 대해 protein, sulfur, sulfate 및 sulfide 농도는 이전에 발표한 방식으로 분석하였고, 황화수소 처리 속도를 비교하여 명암 변화에 따른 광합성 과정을 비교 분석하였다. 여기서 light/dark cycle는 14/10h, 12/12h, 9/15h로 변화를 주었다. 그리고 각 암반응 시간에는 H2S 공급을 중단하여 실험하였다.

광원은 60 W 백열등으로 외부에서 양면 조사하였고, lux meter(IM-2D, Topcon Co., Japan)을 이용해 조도를 측정하여 각각 8,000 lux, 15,000 lux에서 동일 실험을 반복했다. 또 타이머를 이용하여 light/dark cycle를 자동 조절하였다.

결과 및 고찰

먼저 본 실험에 있어 명암주기 변화에 따른 탈황능력의 변화는 광의 조사 여부에 따른 의미로, 광합성 과정에서의 빛 에너지가 화학 에너지로 전환되는 명반응과 화학 에너지를 이용해 CO2를 유기물질로 환원하는 암반응과는 그 의미가 다르다.

일정 조도(8,000 lux, 15,000 lux)하에 여러 명암주기별로 측정된 세균의 비성장 속도에 대한 결과는 Table 1에 제시되었는데, 명주기대 암주기의 비율이 비슷한 case 1과 case 2는 두 조도에서 비성장 속도가 0.008-0.009로 비슷하게 나타난 반면 암주기 유지 시간이 상대적으로 더 큰 경우인 case 3은 0.004-0.005로 비교적 낮은 비성장 속도를 보이고 있으며 조도의 영향은 크게 두드러지지 않았다. 그러나 이 세 경우의 실험은 명주기만 있는 case 4의 비성장 속도 0.022에 비해 현저히 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 전 실험에서의 암주기시 H2S 공급을 유지한 경우에 있어서 case 1, case 2의 비성장 속도는 0.008-0.010으로 본 실험과 비슷한 값을 가지며, case 3의 경우 전 실험의 비성장 속도 0.009 보다는 크게 낮은 값을 갖는다. 이는 상대적으로 긴 암주기의 경우 H2S의 공급 중단시간이 case 1, case 2 보다 오래되어 성장에 필요한 전자 및 중간 생성물의 부족과 긴 암주기의 반복으로 인한 활성의 감소에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 1은 light/dark cycle를 14/10h로 변화시켰을 때의 실험 결과로, 공급되는 황화수소의 완전 처리의 경우인 1.0을 기준으로 한 황화수소의 상대적인 처리 효율을 나타낸 것으로 암주기 후 명주기에서 다시 H2S를 공급했을 경우 8,000 lux 및 15,000 lux에서 모두 90 % 이상의 처리 효율을 갖는다. 이는 명주기시 H2S의 공급 유량을 세균의 성장에 맞추어 조절한 결과로 보아진다. 결국 명암 주기의 반복 및 H2S의 공급의 반복적 차단의 경우에도 황화수소의 처리 효율이 충분히 회복됨을 알 수 있다. 이러한 처리 효율은 전 실험의 값과 비슷하게 나타났다.

Fig. 2와 Fig. 3은 8,000 lux에서 14/10h 및 12/12h로 light/dark cycle을 변화시켰을 때 protein, sulfur, sulfate 및 sulfide 농도를 나타낸 것으로, 두 경우 모두 sulfate의 누적이 큼을 볼 수 있는데 이는 H2S의 부족에 의해 부반응이 진행되어 sulfur가 sulfate까지 산화하므로써 부족한 전자를 충당하게 된 결과이다.

그리고 세균의 단백질 농도는 배양 시간이  100 시간 정도 경과했을 때부터는  감소하고 있음을 알 수 있다. 이는 빛이 차단된 기간 동안 에너지 및 중간 생성물을 모두 사용하여 성장이 중지되고 내생 호흡 단계가 진행되어 결국 세포 농도가 감소하는 결과를 나타내기 시작한 것이라 하겠다. 또 반응기내의 sulfide 농도는 암주기시 감소하는 것으로 보아 sulfide가 이 기간에 소진되고 있다고 볼 수 있다.

또한 8,000 lux에서 case 1, case 2, case 3의 황화수소 처리속도는 각각 0.11, 0.09, 0.04 (□mol H2S/min)/(mg protein/L)로 나타났다. Case 3의 경우, 처리속도가 상당히 낮은데 이는 세균의 성장 속도가 상당히 느려 황화수소를 충분히 처리하지 못한 것으로 판단된다. 그리고 전 실험과 마찬가지로 명주기 시간 비율이 많았던 case 1이 가장 큰 황화수소 처리속도를 보였다. 또한 본 실험의 세 경우는 전 실험과 비슷한 처리 속도를 나타냈다.

본 실험의 결과에 의해 세균의 성장, 황화수소 처리속도, 처리 효율의 회복 등을 비교하여 광이용 효율 정도를 알아보면, case 3의 경우에는 case 1, case 2에 비해, 더 큰 암주기 유지 시간비율에 의해 광합성 속도와 효율이 상당히 감소됨을 알 수 있다. 광이용 효율의 증대를 위해 특정 시간 간격으로 빛에 노출되고, 축적된 중간 생성물이 암주기에서 충분히 처리되는 최적 명암주기를 알아내기 위한 더 많은 연구가 요구된다. 또한 전 실험과 비교해 보면 전체적인 세균의 성장, 황화수소 처리 속도 등은 유사하나, 암반응시 H2S를 공급할 경우에는 암반응 시간에 황화수소 처리효율이 상당히 떨어진다. 그러므로 빛이 차단된 경우에 광생물 반응기로의 H2S 공급을 감소시키면서 비광합성 균주에 의한 탈황 공정으로 H2S 공급을 증가시켜 황화수소의 원활한 처리가 가능한 두 공정의 동시 운영 가능성에 대한 연구도 필요하겠다.

Table 1. Maximum specific growth rates dependent on light/dark cycles.

	Light/Dark Cycle (h/h)	Specific Growth Rate (h-1)
		8,000 lux	15,000 lux
Case 1	14/10	0.008	0.009
Case 2	12/12	0.008	0.009
Case 3	9/15	0.005	0.004
Case 4	24	0.022	0.035

reference

1.. Cork, D. J., Grunas., and Sajjad, A., Appl. Environ. Microbiol., 45, 913-918     (1983).

2. 장호남, 김병우, 대한민국특허 제 087146호, 1995, 7. 21.

3. Kim, B. W., Chang, H. N., "Effect of light source on the microbiological       desulfurization in photobioreactor.", Bioproc. Eng., accepted (1997).

4. Sirevag, R., and Ormerod, J. G., Arch. Microbiol., 111, 239-244 (1977).

5. Kim, B. W., Chang, H. N., Kim, I. K., and Lee, K. S., Biotechnol. Bioeng.,     40, 583-592 (1992).

6. Johan, U. Grobbelaar, " The influence of light/dark cycles in mixed algal      cultures on their productivity", Bioresource Technol., 38, 189-194 (1991).