혼합 균주를 이용한 연속적인 생물학적 수소 생산

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김정옥*,**), 김용환*), 류정용*), 송봉근*), 김인호**)

한국화학연구원 응용화학연구부*), 충남 대학교 화학공학과**)

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Continuous production of hydrogen using mixed acidogenic microbial

Kim Jeong-ok*,**), Kim Yong-hwan*), Ryu Jeong-yong*), Song Bong-geun*), Kim In-ho**)

Korea Research Institute of Chemical Technology*),

Department of Chemical Engineering, Chung -Nam National University**)

서론

수소 에너지는 21C 청정에너지로써 깨끗하고 재사용 가능하다는 장점이 있다. 그 중 생물학적인 수소 생산은 환경친화적 일뿐만 아니라 폐수나 바이오메스와 같은 원료물질을 탄소원으로 재사용 가능하다는 장점이 있다1). 폐수의 유기물질들은 혐기성 공정을 통하면 최종 생성물인 메탄으로 전환된다. 이 혐기성공정은 산형성(pH 4.3∼5.2)과 메탄 형성(pH 5.9∼6.2)이라는 두가지 공정으로 나누어 지는데, 각 단계는 미생물간의 상호작용으로 이루어지며 산형성단계의 부산물이 수소이다2). 수소를 발생시킬 수 있는 미생물은 발효미생물과 광합성 미생물로 분류된다.  Clostrida, Enterobacteria와 같은 순양종의 발효 미생물은 빛에너지를 필요로 하지 않고 수소발생 속도도 광합성 미생물에 비하여 빠르기 때문에 수소발생은 발효미생물들을 이용하여 행해져왔다3).

그러나 최근 수소생산에 관한 연구는 solid wastewater, cellulose wastewater, sugary wastewater와 같은  mixed-culture에서의 수소 생산이 주목을 받고 있다. 또한 수소 발생에 있어 pH는 수소 발생과 수소 발생균의 활성에 영향이 있는 것으로 알려져있다1, 4, 5).

이에 본 연구에서는 수소 발생의 제한인자로 pH를 5.0∼5.3으로 제어해 주었으며, mixed culture내의 biofilm에 미생물을 부착하는 방법으로 미생물의 고농도를 유지하는 방법과 혐기성 폐수처리로 이용되는 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Reactor에서 seed sludge인 granule을 유무기 복합고분자를 sludge에 첨가하는 방법으로 형성시켜 biomass의 고농도와 sludge의 wash out을 감소시켜 수소 발생능을 향상시키고자 하였다6).

본론

실험 장치

수소 발생에 사용된 혐기성 발효조는 Fig 1.과 같고 38℃의 혐기 상태로 2L 용량 2개의 Pyrex재질 반응기를 운전하였다. 합성폐수내의 COD: N: P은 100: 2.5: 0.5로 유지하였으며 pH제어를 위해 1N NaOH를 주입하는 방법으로 pH 5.0∼5.3을 유지하였다. A반응기는 하수 소화 슬러지에 유무기 복합 고분자를 이용하여 UASB의 granlule형태로 제조한후 투입하였고, B반응기는 친수성의 재질로 구성된 다공성 담체를 운전용적의 20%를 슬러지와 함께 투입하여 운전하였다. 또 A반응기에는 settler를 장착하여 유실된 granule을 반응기내에 일정시간간격으로 다시 투입하였고, B반응기에는 mesh를 장착하여 biofilm의 유실을 감소하는 방법으로 미생물의 고농도를 유지하고자 하였다. 사용한 슬러지는 하수 처리장의 하수 소화 슬러지를 이용하였으며 유입수의 조성은 Table 1.과 같다.

Fig 1. Experimental setup

Constituent	Composition(g/L)
KH2PO4	0.44
NaCl	1.8
(NH4)2SO4	4.7
MgSO4·7H2O	0.09
CaCl2	0.09
Cystein·HCl	0.5
NaHCO3	4
Glucose	20

Parameters	Specifications
Yype	Porous PVA
Dimension	0.7*0.7*0.7cm
Density	0.168g/cm2
Specific surface area	4.5721m2/g(as BET)
Contact angle	0degree
Degree of abrasion	very stable

분석방법

샘플은 이틀에 한번 채취하였으며 가스 발생속도는 매일 측정하였다. 채취된 sample은 pH(Orion model 520A), MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)를 측정하였고 효소를 이용한 비색법으로 미생물이 이용하지 않은 glucose(Glucose Diagnostic Kit, Sigma, USA)를 분석하였다. 가스 발생량은 pH(<3)의 water displacement method를 이용하였고, 가스 성분은 열전도도 검출기가 장착된 GC(Gas Chromatography, Donam, Korea)를 이용하여 분석하였으며 VFA(Volatile Fatty Acids)분석을 위해 HPLC(High Performance Liquid Chromatography, Shodex RI-7, Japan)를 이용하였다. Attached Biofim media는 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 통하여 분석하였다. 유뮤기 복합 고분자를 이용하여 형성된 granule은 일주일단위로 채취하였으며 EPS(Extracellular Polysaccharide)분석을 위해 autoclaving technique을 통하여 추출하고 Proteinaceous는 Folin-Ciocalteu's method, Carbohydrate분석은 Phenol-Sulphuric acid method를 따랐다6).

결과 및 고찰

Fig 2.는 담체이용 생물 반응기와 granule이 운전시간이 경과함에 따른 가스 발생속도를 나타낸 그래프이다. 담체이용 생물 반응기는 운전후 7일쯤에 최대 발생속도인 300ml/L/hr를 유지하고 점차적으로 감소하는 양상을 나타낸다. 이는 담체만으로는 지속적인 가스 발생이 어렵다고 판단되며 또한 담체의 부상으로 인하여 안정적인 가스 발생에 어려움이 있었다. Fig 3.는 담체이용 생물 반응기의 VFA조성을 나타낸 그래프이다. 총 VFA의 농도는 acetic acid의 그래프와 같은 양상으로 나타나며 미생물의 활성에 저해를 주는 것으로 알려진  propionic acid는 반응중에 acetic acid나 butyric acid로 전환한 것으로 보인다7). 운전중의 pH는 5.0∼5.3으로 유지하여 메탄 발생은 거의 없었고, 발생가스 중의 수소가스 조성은 50%이상을 유지하였다. 슬러지에 유무기 복합 고분자를 이용하여 granule을 형성시킨 반응기는 50rpm정도로 완전혼합시켜 주었으며 지속적이고 안정적인 가스 발생을 볼 수 있을 것 으로 기대된다. 이는 고농도의 수소 발생균을 유지할 수 있다면 계속적인 가스 발생은 가능하다고 판단된다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig 2. Gas Production by porous media and granular sludge in continuous reactor

Fig 3. VFA composition in attached biofilm reactor

A반응기에서 일주일 단위로 채취된 granule의 EPS분석에서 carbohydrate 62.2%∼82.6%정도를 차지하고 protein함량은 18.7%∼37.8%로 protein/carbohydrate는 0.20∼0.60을 나타내었다. 이는 protein/carbohydrate의 BO FR□LUND(1996)의 0.2∼5(w/w)의 범위와도 일치한다8). Granule의 EPS함량이 증가한다면 미생물간의 강한 결합을 형성시켜 수소 생산미생물의 고농도 유지가 가능하다고 판단된다.

Fig 4. Sem of media(A: media×200, B: attached Biofilm media×          4000)

결론

글루코오스를 주 탄소원으로 하는 생물학적인 수소 생산을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

1. 산생성조의 pH를 5.0∼5.3으로 제어를 하면 메탄발생균의 활성은 저해되므로 50%이상농도의 수소조성을 가지는 biogas를 얻을 수 있었다.

2. 담체를 이용한 생물반응기는 담체의 부상으로 안정적인 수소 발생을 얻는데에는 어려움이 있다고 판단된다.

3. 유무기 복합고분자를 sludge에 주입하는 방법은 단시간내에 granule을 형성시켜 경제적인 효과와 함께 sludge의 침강능을 증가시켜 sludge의 유실을 감소시켜 고농도의 미생물을 유지할 수 있다고 판단된다.

4. granule의 유실은 settler를 장착하여 일정시간 간격으로 투입하여 주면 고농도의 미생물을 유지할 수 있었고 안정적이고 계속적인 수소 발생을 관찰할 수 있었다.

5. granule의 EPS는 미생물간의 강한 결합을 유지시켜 주므로 EPS를 향상시킨다면 고농도의 미생물을 유지할 수  있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1 Ueno, Y., Otsuka, S., Moritimo, M., Hydrogen production from industrial wastewater by anaerobic microflora in chemostat culture, J. Fermentation and Bioengineering, 82(2), 194∼197, 1996

2. Elefsiniotis, P., Oldham, W., K., Influence of pH on the Acid-Phase Anaerobic Digestion of Primary Sludge, J. Chem. Tech. Biotechnol, 60, 89∼96, 1994

3. Fang, H., H., Liu, H., Effect of pH on hydrogen production from glucose by a mixed culture, J. Bioresource Technology, 82, 87∼93, 2002

4. Lay, J., Modeling and Optimization of Anaerobic Digested Sludge Converting Starch to Hydrogen, J. Biotechnology and Bioengineering, 68(3), 269∼278, 2000

5. Ueno, Y., Kawai, T., Otsuka, S., Moritimo, M., J. Fermentation and Bioengineering, 79(4), 395∼397, 1995

6. Bhatti, Z., I., Furukawa, K., Fujita, M., Comparative Composition and Characteristics of Methanogenic Granular Sludges Treating Industrial Wastes under Different Conditions, J. Fermentation and Bioengineering, 79(3), 273∼280, 1995

7. Inanc, B., Matsui, S., Ide, S., Propionic acid accumulation and controlling factors in anaerobic treatment of carbohydrate: Effect of H2 and pH, J Wat. Sci. Tech., 34(5∼6), 317∼325, 1996

8. FR□LUND, B., PALMGREN, R., KEIDING, K., NIESEN, P., H., Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin, J. Wat. Res., 30(8), 1749∼1758, 1996