광섬유 미생물반응기내 평균 광도 및 탈황능력 해석

이광희, 장광필*, 정귀수, 김병우

성균관대학교 화학공학과, 현대중공업 중앙연구소*

Analysis of an average light intensity and H2S removal rate

in an optical-fiber bioreactor

Kwang Hee Lee, Kwang Pil Chang*, Guy Soo Jeong, Byung Woo Kim

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

*Central Research Institute, Hyundai Heavy Ind. Co., LTD

서론

광합성 미생물에 의한 생물학적 탈황공정시 소요되는 빛에너지 절감을 위해 기존의 많은 연구가 이루어졌다.  광합성을 위해 미생물이 필요로 하는 파장의 빛을 공급하기 위한 광원의 최적화1)와 반응기내 평균조도에 대한 적정 세균농도와의 관계에 관한 연구2)가 진행되었다.  그러나 이러한 연구는 반응기내 분산되는 빛을 외부에서 조사하는 방식으로서, 반응기벽에서의 손실과 세균의 흡수, 생성 부산물인 유리 유황의 산란으로 인해 반응기 중심으로 갈수록 광도는 급격히 감소하게 된다.  상용화를 위한 고농도배양시 이러한 반응기내 광도의 불균일성은 더욱 심각해지므로, 외부조사형 반응기의 빛전달 특성상 한계가 있다고 할 수 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해 반응기내 광섬유를 설치하여 외부광원으로부터 반응기내로 빛을 전송하여 조사하는 방식으로 빛의 이용효율을 크게 증대시킨 연구가 진행되었다.3)  1.8 L 규모의 실린더형 반응기를 이용한 이 연구는 반응기내 광섬유를 균일하게 설치하여 반응기내 위치별 광도의 불균일성을 해소하였으나, 반응기의 단면적이 증가할 경우 동일간격을 유지하기 위해 요구되는 광섬유 가닥의 개수는 반응기의 반지름 증가비의 제곱이므로 scale-up시 동일한 광도의 빛을 공급하기가 불가능하였다.  따라서 미생물이 필요로하는 적절한 광도의 빛을 공급하여 에너지를 절감하기 위해 광섬유의 배열에 관한 연구가 필요하다.  또한 외부 조사형 반응기와 달리 세균농도의 증가에 따라 광도를 증가시켜 줄 수 없으므로, 광도에 대한 초기 세균 접종 농도를 결정해야 한다.

본 연구에서는 15 L 규모의 광섬유 생물반응기를 이용한 생물학적 탈황공정에서 적절한 빛의 공급에 대한 공정변수로서 평균광도를 결정하고, 광섬유의 직경과 배열에 따른 탈황성능을 알아보고자 한다.

재료 및 실험방법

균주는 Chlorobium limicola forma thiosulfatophilum으로 ATCC 17092이다.

반응기는 Fig. 1과 같이 15 L(ID 24.4 cm)의 이중관 실린더형으로 재질은 아크릴을 사용하였고, pH, 온도 sensor를 부착하여 외부의 controller로 조절하였다.  기체의 분산 효율을 높이기 위해 sintered-steel sparger를 설치하였고, 마그네틱 바를 반응기 외부에 설치한 stirrer를 이용해 반응기내 배양액을 혼합시켜 주었다.

빛은 반응기 외부에 설치된 광원에 광섬유를 연결하여 반응기내로 조사시켰다.  광원은 400W metal-halide lamp(Fiberstar 501, USA)를 사용하였고, 수중에서 측정가능한 underwater quantum meter(LI-COR 1000, Nebraska, USA)를 이용하여 단순배지내 광도를 측정한 후 평균광도를 계산하였다.

광섬유는 코어가 PMMA, 클래드는 불소수지로 이루어진 플라스틱 섬유로 직경 0.5 mm와 1 mm(Mutsubishi, Japan)의 2가지 종류를 이용하였다. 섬유에서 조사되는 빛은 말단부가 측면부보다 강하므로 섬유의 클래드를 벗겨 측면의 빛이 강하도록 하였다.

반응기내 단백질, sulfur, sulfate, sulfide 농도를 측정하고, 유출되는 sulfide 농도를 측정하여 처리속도를 계산하였다.4)

결과 및 고찰

광섬유를 이용한 광생물 반응기의 경우 광섬유 개개의 광도를 측정하기가 곤란하고, 동일한 직경의 섬유를 동일한 수로 설치하더라도, 배열간격이 달라지면 임의의 지점에서의 광도가 달라질 것이므로 광섬유 다발의 최외각에서 위치별로 광도를 측정하여 평균광도를 계산하였다.

본 실험에서 사용한 광섬유 반응기내 광섬유 bundle의 반경은 10 cm이며, 광도는 10 cm로부터 1 cm씩 멀어질 때마다 반응기밖 증류수조에서 측정한 광도는 12.0, 9.5, 7.0, 6.2, 5.2 □mol/m2s로 떨어졌다.

이 결과는 Beer-Lambert의 식 (1)에 대입하면 혼탁도(□)가 약 0.25 cm-1로 나타났다.

[eqn: rm I_i = I_0 ` exp (- tau~ r_i )]	(1)

평균 광도를 계산하기 위해 사용된 식은 (2)와 같으며,

[eqn: rm I_avg = left[ I_0 `pi~r_b^2 ~+ ~sum from i=1 to n ~{I_0 + I_i } over 2 pi `(`r_i^2 - r_i-1 ^2 ) right] ~/ pi `r_i^2]	(2)

I0 : Light intensity at the surface of an optical fiber (□mol/m2s)

Ii : Light intensity	at the radius ri (□mol/m2s)

rb : Radius of the bundle with optical fibers (cm)

ri : Radius where light intensity was measured every 1 cm apart from

the bundle (cm)

□: Turbidity (cm-1)

cell이 없는 증류수에서 11.2 □mol/m2s로 나타나 bundle 외부로부터 반응기 외벽까지 2 cm 거리의 공간에는 광섬유가 없으므로 인해 일어나는 광도의 감소효과는 무시할 수 있었다.

Fig. 2는 0.5 mm 직경의 섬유를 0.3 cm 간격으로 596 가닥을 고정 후 광을 투과시키면서 시간의 경과에 따른 반응기내 단백질, sulfur, sulfate, sulfide 농도의 변화를 알아보았다.

외부 조사형 반응기와 달리 초기 세균접종량에 대한 적정광도를 조절할 수 없어 약 30시간 경과 후부터 상당량의 sulfate가 증가하여 누적되었다.  또한 유리유황 입자는 응집성을 가지므로 마그네틱 바의 약한 혼합력으로 인해 침강하여 약 40mg/L 만이 측정되고 있다.  이러한 결과로부터 sulfur의 광산란 영향을 제거하기 위해 sulfur 입자만 침강 가능한 적절한 혼합력을 측정하는 방법도 가능하다.

Fig. 3은 동일한 실험에서 시간에 따른 탈황처리속도의 변화를 나타낸 것이다.  측정지점의 유입유량은 유입속도와 유출 후 처리량을 계산하여 세균 농도에 대한 상대적인 처리량을 예측하여 반응 초기에는 약 12시간 간격으로 10∼20 □mol/min으로 증가시키고, 시간이 경과함에 따라 처리능이 감소할 때는 동일 시간 간격으로 10∼15 □mol/min를 감소시키면서 단속적으로 공급하였다.  반응초기 에는 처리능력의 변화가 완만하나, 시간이 경과하면서 급격한 증가를 보이고 있다.  약 70시간까지의 처리능력은 약 2 (□mol H2S/min)/(mg protein/L) 으로 4L 외부조사형 반응기의 경우 0.136 (□mol H2S/min)/(mg protein/L) 과 비교하면 약 15배의 성능 향상을 보였다.  그러나, 후반부로 갈수록 세포의 활성이 감소하고, 섬유 표면의 scratching된 부분 사이에 sulfur입자가 부착하여 빛의 분산을 어렵게 하였다.  또한, 광원으로부터 섬유가 빛을 받는 부분이 lamp가 발생시키는 열과 적외선 파장의 영향으로 녹아감에 따라 빛의 전송이 감소하여 처리속도가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.

이 문제를 해결하기 위해 광원주위에 별도의 냉각팬을 설치하고, lamp로부터 섬유로 빛을 전송하는 경로사이에 적외선 제거 filter나 fresnel lens를 설치하여 미생물이 필요로 하는 파장범위인 가시광선을 전송하는 방법을 연구하고 있다.5)

Figure 1. Schematic diagram of an optical-fiber bioreactor

참고문헌

1) 장광필, 김병우, 장호남, Theories and Applications of Chem. Eng., 2, No.1, 453-456, 1996

2) B.W. Kim, H.N. Chang, I.K. Kim, and K.S. Lee, Biotech. Bioeng. 40, 583-59 (1992)

3) Matsunaga, T., Takeyama, H., and Sudo, H., Appl. Biochem. Biotech. 28/29, 157-167 (1991)

4) B.W. Kim, E.H. Kim, and H.N. Chang, Biotech. Tech., 5, 343-348 (1991)

5) Takano, H., Furu-une., H., Appl. Biochem. Biotech., 39/40, 159-167 (1993)

Figure 2. Time courses of cell, sulfate, sulfur, and sulfide concentrations

in an optical fiber bioreactor, H2S feed rate increased stepwise.

Figure 3. H2S removal rate with time elapse.