KR100442741B1 - 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법 - Google Patents

유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유기성 폐기물을 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)을 이용하여 혐기발효시켜 수소를 생산하는 동시에 다량의 유기산이 함유된 배양액을 생산하고, 상기 배양액에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균인 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)을 이용하여 연속적으로 광발효시켜 이로부터 재차 수소를 생산하여 수소의 생산효율을 극대화 시킬 뿐만 아니라 유기성 폐기물의 함량을 감축할 수 있다는 효과를 가져오는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법에 관한 것이다.

Description

유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법{Process for hydrogeon production from biological reaction of organic wastes}
본 발명은 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 식품가공폐기물, 유기성 슬러지 또는 농산폐기물 등과 같은 수분 함량이 높은 유기성 폐기물 또는 이를 전처리한 유기화합물을 중온 절대혐기성 세균인 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)을 이용하여 발효시켜 수소와 이산화탄소를 생산하는 동시에 다량의 유기산이 함유된 배양액을 생산하고, 상기 배양액에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균을 이용하여 연속적으로 광발효시켜 이로부터 재차 수소와 이산화탄소를 생산하여 수소의 생산효율을 높일 수 있고 유기성 폐기물의 함량을 감축시킬 수 있는 생물학적 수소생산 공정이다.
최근 인구증가 및 산업발달로 인하여 수분함량이 높고 쉽게 부패되는 식품폐기물이나 유기성 슬러지, 농산폐기물의 발생량은 해마다 증가하고 있으며, 이들 유기성 폐기물은 연소 후 발생하는 대기오염물질로 인하여 소각에 의한 처리가 어렵기 때문에 발생량의 70% 정도가 해마다 매립되고 있다.
따라서 상기와 같은 유기성 폐기물을 적절한 생물학적 처리를 통하여 이들 폐기물의 환경 부담을 줄이고, 에너지원으로 사용할 수 있는 수소 및 유기산을 생산할 수 있는 방법들이 개시되고 있다.
특히 수소의 경우는 각종 화학공정의 원료물질로서 뿐만 아니라 완벽한 청정연료로서 잘 알려져 있어 효용가치를 인정받고 있다.
현재 수소의 경우에는 천연가스 개질이나 나프타 개질을 통하여 생산되고 있기는 하나, 상기와 같은 기술들은 반응물질이 화석연료이며, 고온.고압의 운전조건이 필요하기 때문에 운전비용이 많이 들고 화석연료의 사용으로 인한 지구환경의 파괴라는 문제점이 발생하였다.
따라서 유기성 폐기물을 이용한 생물학적 수소제조기술은 비교적 상온.상압에서 처리되므로 운전비용이 절감될 수 있고, 화석연료의 사용없이 수소의 제조가 가능할 뿐만 아니라 폐기물의 환경부담을 줄일 수 있는 환경친화적 기술로서 그에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 상태이다.
이와 같은 생물학적 수소제조기술은 미생물이 영양분을 외부로부터 섭취하여 성장에 필요한 에너지와 유기화합물을 합성하고 이 과정에서 수소를 생산한다는 원리에 바탕을 두고 있다.
이러한 생물학적 처리가 가능한 미생물로는 현재 혐기성 세균(anaerobic bacteria)과 광합성 세균(photosynthetic bacteria), 미세조류 등이 있으며, 지금까지 포도당 등과 같은 유기물을 기질로 발효하여 수소를 생산할 수 있는 미생물은 약 18종 알려져 있다.(De Vos et al., Biotechnol. Lett. vol. 5(2), 1983, p. 69~74)
상기와 같은 미생물 중에서도 혐기성 세균의 경우 광합성 세균이나 미세조류와는 달리 태양광선이 필요없고, 암,명의 모든 조건에서 성장이 가능하며, 균체성장속도가 빠르며 시설의 대형화가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
특히 그 중에서도 크로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)은 전분 및 다양한 당 분해능이 있고, 포자를 형성하는 중온 절대혐기성 수소생산 세균으로서 포도당과 같은 유기물로 부터 성장과 유지에 필요한 에너지를 얻고, 공지된 대사경로에 의하여 수소, 이산화탄소 등의 가스와 수용상 유기산을 생산하게 되어 그 연구가 활발하게 진행되고 있는 상태이다.
이러한 크로스트리듐 부티리컴은 생산물의 조성에 있어서 대사과정에서 생산되는 ATP(adenine triphosphate)의 양에 의하여 결정되며, 또한 다른 수소생산 세균과 같이 APT의 발생량과 상관없이 NADH(nicotine amaide adenine dinucleotide phosphate) 경로로 부터도 수소가 생성되는 것으로 알려져 있다.(Heyndrikx et al., Appl. Microbiol. biotechnol. 34, 1991, p. 637~642)
광합성 수소생산 세균의 경우에는 수소생산과정에서 특정 파장대의 빛이 필요한데, 단위 균체 질량당 생산되는 수소의 양이 매우 높은 편이다. 이러한 광합성 수소생산 세균은 세균이 띄는 색깔과 세포내 광합성 기작에 따라서 홍색비유황세균, 홍색비유황황세균, 녹색비유황세균 등으로 구분된다.(Van Niel, C. B., Bacteriol. rev. vol. 8, 1944, p. 1)
이와 같은 광합성 수소생산 세균에 있어서, 홍색비유황군의 일종인 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)는 세포막에서 존재하는 박테리오클로로필(bacteriolchlorophyll) a 또는 b에 의해 빛을 흡수하고 전자전달기작에의해 질소 고정화를 하며, 질소 고정화에 관여하는 최종 효소인 나이트로지내이즈(nitrogenase)는 질소, 암모니아, 암모늄이온 등의 질소원 존재하지 않을 때 수소이온을 수소분자로 환원하여 수소가스를 발생한다.(Vagnias et al.,Adv. Microbiol. Physiol. vol. 26, 1985, p. 155 ~ 234)
또한 로도슈도모나스 스패로이드 세균은 다양한 대사작용을 통하여 호기적 및 혐기적 암조건에서 모두 성장할 수 있어서, 광합성을 할 수 있는 동시에 발효에 의한 배양이 다양하게 이루어지므로, 기질 이용 효율에 차이는 있지만 단당류, 이당류, 및 각종 유기산을 모두 배양기질로 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
실제 로도슈도모나스 스패로이드는 종 및 속에 따라 변환율에 차이가 있지만, 최대 기질 전환율은 포도당의 경우 40%이고, lactate는 90%까지 가능하다고 실험적으로 알려져 있다.(Kim et al., agri. biol. Chem. vol. 46(6),1982, p. 1469 ~ 1474)
하지만 상기와 같은 지금까지의 연구는 대부분 수소생산 균주에 대한 유전공학적 연구 내지는 실험실 규모의 작은 반응기에서 균체의 배양 및 수소생산에 미치는 기초배양인자 영향에 대한 규명 차원에서 이루어졌고, 특히 혐기발효 세균이나 광합성 세균만을 이용한 단일 생물반응에 의한 수소생산 연구나 이들 세균들의 혼합배양에 의한 수소생산에 대한 연구로 한정되어 있는 상태이다.
따라서 대형화 반응기 내에서 운전가능성이 미흡하여 산업상 이용가치가 불분명하고, 혐기발효에 의한 수소생산 미생물과 광합성 수소생산 미생물의 성장환경, 생화학 반응기구, 최종 액상 생산물이 다르므로 이를 고려한 두가지 상을 갖는생물학적 수소생산 방법의 개발이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 최근 증가되고 있는 식품폐기물, 농산폐기물, 유기성 슬러지 등과 같은 유기성 폐기물을 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)을 이용하여 혐기발효시켜 수소를 생산하는 동시에 다량의 유기산이 함유된 배양액을 생산하고, 상기 배양액에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균을 이용하여 연속적으로 광발효시켜 이로부터 재차 수소를 생산하여 수소의 생산효율을 극대화 시킬 뿐만 아니라 유기성 폐기물의 함량을 감축할 수 있는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 생물학적 반응에 수소 생산의 공정도
도 2는 두부제조 폐수를 혐기반응시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 3은 수박/참외제조 폐수를 혐기반응시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 4는 사과/귤제조 폐수를 혐기반응시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 5는 막걸리제조 폐수를 혐기반응시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 6은 두부의 혐기발효폐수를 광합성 발효시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 7은 수박/참외의 혐기발효폐수를 광합성 발효시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 8은 사과/귤의 혐기발효폐수를 광합성 발효시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
도 9는 막걸리의 혐기발효폐수를 광합성 발효시켜 발생되는 수소의 발생량을 나타낸 도면
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,
유기성 폐기물을 분쇄 및 파쇄하여 고-액 분리시키고 액상만을 혐기성 생물반응기로 보내는 전처리과정과,
상기 전처리된 액상 폐기물을 변형 PYG 합성배지에 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum) 종균으로 투여하여 종배양시킨 균주가 장착된 혐기성 생물반응기에 보내고, 반응기내 온도를 35 ~ 37℃, PH를 6 ~ 7로 유지한 상태에서 혐기발효시켜 수소를 포함하는 가스와 혐기발효폐수를 생산하는 혐기생물반응과,
상기 혐기생물반응 후 생성된 혐기발효폐수를 고-액분리시켜 유기산이 함유된 액상만을 취하여 광합성 생물반응기로 보내는 분리과정과,
상기 액상 생성물에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균을 광합성 생물 반응기에 장착하여 연속적으로 광발효시켜 유기산으로 부터 다시 수소를 생산하는 광합성 생물반응으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법을 제공함으로서 달성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 대해서 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
먼저 일차적으로 당분이나 전분이 다량 함유된 유기성 폐기물이나 전처리를 통하여 당분을 생산할 수 있는 식품가공폐기물이나 낙농폐수, 농산폐기물 등이 본 발명의 폐기물로 사용될 수 있다.
이러한 폐기물들은 고형분의 크기가 클 경우에는 혐기성 세균이 분해하는 시간이 오래 걸리므로 다양한 전처리 과정을 거친 다음 사용하게 되는데, 예를 들어 과일폐기물과 같은 고형분 형태의 유기성 폐기물은 처리양에 따라 착즙기나 파쇄기(grinder)에 이은 드럼스크린(drum screen)을 이용하여 고-액 분리하고, 그 액상만 혐기성 생물반응기의 반응물질로 사용하는 것이 바람직하다.
또한 두부폐수나 막걸리폐수 등과 같은 고형분 크기가 미세한 유기성 폐수나 수용성 유기폐수는 수집한 폐수를 전처리 과정없이 혐기성 생물반응기의 반응물질로 사용할 수 있으며, 목질계 바이오매스와 같은 단단한 유기성 고형물은 폭쇄나 효소처리 등의 전처리를 통하여 당농도가 높은 수용성 유기화합물로 전환한 이후 고-액 분리를 거쳐 그 액상을 혐기성 생물반응기의 반응물질로 이용할 수 있다.
이와 같은 폐수에 함유된 기질을 탄소원으로 하여 수소를 발생시키는 중온절대 염기성 세균인 클로스트리듐 부티리컴을 이용하여 대형의 운전기에서 혐기발효하여 수소를 생산하게 된다.
상기 클로스트리듐 부티리컴의 원활한 수소발생을 하기 위하여, 반응기에 배양하기 전에 전처리 과정으로 변형된 PYG 액체배지에서 2주마다 계대배양한 다음 사용하게 되면 좀 더 좋은 효과를 가져오게 된다.
상기 변형된 PYG 배지는 종래 보고된 바 있는 합성배지로서, 배지 1ℓ에 K2HPO40.9g, KH2PO40.9g, NaCl 0.9g, (NH4)SO40.9g, MgSO40.09g, CaCl20.09g, 펩톤(Peptone) 10.0g, 효모추출물(Yeast extract) 5,0g, 시스타인(Cystein.HCl) 0.5g, Na2CO3·10H2O 4.0g, ρ-aminobenzoic acid 100㎍, 바이오틴(Biotin) 10㎍으로 이루어진 것을 사용한다.
이와 같이 제조된 변형 PYG 배지를 50㎖ 시럼병(serum bottle) 등과 같은 완전 밀폐가 가능한 용기에 40㎖정도를 채우고, 균체를 660㎚ 파장에서 흡광도가 0.1이 되도록 첨가한 후, 시럼병의 고무마개와 알루미늄 덮개로 밀폐하고, 아르곤 가스를 흘려서 혐기배양 조건을 만든 상태에서 35 ~ 37℃에서 배양하는 과정을 2 ~ 3회 반복함으로서 균의 활성화가 충분히 이루어지게 하여 클로스트리듐 부티리컴을 종배양하게 된다.
상기와 종배양된 클로스트리듐 부티리컴은 개체수의 증가와 배양된 종균의 변형으로 활성화되어 대형의 반응기에서 효과적으로 수소생산능을 향상시킬 수 있다는 것이다
본 발명에서 이용한 혐기성 세균인 클로스트리듐 부티리컴은 균체농도를 높게 유지할수록 수소의 생산량이 비례적으로 증가하게 되는데. 따라서 균체농도를 높게 하기 위하여 균체를 적합한 담체에 고정화하여 증식하게 되면 더 좋은 효과를 가져오게 된다.
상기와 같은 균체의 고정화 담체로는 카프러모늄 레이온(Cuprammonium rayon) 재질의 할로 화이버(hollow fiber)를 사용하는 것이 가장 바람한데, 이 담체는 내부가 비어있는 실린더형 구조로서 내약품성이 뛰어나고, 담체의 안팎에 균체가 부착하여 증식할 수 있으므로 균체의 대량 증식 및 유지에 가장 적절하다는 효과를 가져오는 것이다.
이와 같은 사용되는 담체의 직경은 반응기의 크기 및 운전조건에 따라 다양하게 선택할 수 있으나, 일반적으로 직경이 180㎛를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 방법으로 종배양하고 담체화된 클로스트리듐 부티리컴은 대형 혐기성 생물반응기에 장착되는데, 우선 할로 화이버를 적당한 길이로 잘라서 한쪽 끝을 묶은 후 반응기 안에 장착하고, 포도당이 함유된 PH 6.8 ~ 7의 PYG 합성배지를 반응기에 넣고 종배양한 균체 약 10% 접종한 후 혐기 배양하면서 균체를 고정화시키게 된다.
이와 같이 담체화된 균체들은 반응기내에 배양되면서 수소와 여러종의 유기산을 발생하게 되는데, 이때 반응기의 조건은 균체 성장에 필요한 최적온도인 35 ~ 37℃이며, 최적 PH는 6 ~ 7로서, 이는 혐기성 생물들의 생장조건을 충족할 수 있는 가장 바람직한 환경을 조성시키게 된다.
본 균체를 이용하여 당 및 전분질계 기질을 회분식 발효하면 배양시간이 경과함에 따라서 유기산이 생성되어 배양액 중의 PH가 내려가게 되며, 이 때 PH 강하는 균체의 활성저하로 이어져 원하는 운전효율을 기대할 수 없게 된다.
따라서 지속적인 수소 발생을 하기 위해서는 운전 중에 PH를 균체성장에 적합한 6 ~ 7의 범위로 제어하는 것이 중요하며, 반응기내의 배양기간 동안에 일정한 양의 기질이 반응기로 유입되고 이에 비례하여 일정한 양의 발효폐수가 반응기 밖으로 배출되어 혐기성 생물반응기 내의 총 배양액이 일정한 부피로 유지시킬 수 있는 연속운전을 시행하는 것이 좋다.
하지만 상기와 같은 연속운전은 가스상의 압력과 기질에 포함된 고형분의 영향, 균체의 활성변화 등에 의하여 완전한 연속배양이 어렵기 때문에 보다 쉽고 안정적인 반연속식 운전기법을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 반연속식 운전기법은 반응기를 작동시 반응기 내의 배양액의 1/3 가량을 빠르게 배출함과 동시에 같은 양의 새로운 폐수를 반응기에 유입하면서, 이와 같은 배양액 교환을 8시간을 주기로 하루에 3번씩 행함으로서 폐수의 반응기 체류시간을 1일로 하여 작동하는 것이 가장 효과적이다.
이와 같은 과정을 통하여 발생된 수소를 포함한 가스는 별도로 포집되어 PSA 가스분리장치와 같은 장치를 통하여 수소를 생산하게 되고, 또 다른 액상 생성물인 혐기발효폐수에는 광합성 발효를 하기 위하여 고-액분리장치로 보내지게 된다.
이는 상기와 같은 혐기발효폐수에는 고형분과 액상 물질이 공존하게 되는데 일반적으로 수소발생 광합성 세균들은 고형분을 발효시키지 못하므로, 이들 액상으로 부터 고-액 분리를 하여 액상만을 취하도록 함으로서 고형분으로 인하여 반응기의 작동을 방해하거나 세균증식을 저해하지 않도록 해야 한다.
이와 같은 용도로 사용되는 액상 생성물의 고-액 분리방법은 소형장치로는 중력을 이용한 고형분을 침전을 이용하는 방법 및 응집제를 겸용 사용하는 방법과, 대형장치로서 드럼스크린과 같은 연속 원심분리장치를 사용할 수 있다.
상기와 같이 고-액분리된 액상의 혐기발효폐수에는 다량의 유기산이 포함되어 있으며, 이를 광합성 생물반응기의 원료물질로 이용하게 되는데, 이러한 광합성 생물반응기에서 광발효에 의하여 수소를 생산하는 미생물로는 홍색유황세균, 홍색비유황세균, 녹색유황세균 등을 사용될 수 있다.
이와 같은 용도로 사용되는 광발효 미생물 중에서도 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)를 사용하게 되면 좀 더 효과적인데, 이는 명.암 모든 조건에서 증식이 가능하며, 호기적 및 혐기적 암조건에서 모두 성장할 수 있어서 광합성을 할 수 있는 동시에 발효에 의한 배양이 다양하게 이루어지므로, 기질 이용 효율에 차이는 있지만 단당류, 이당류, 및 각종 유기산을 모두 배양기질로 사용할 수 있기 때문에 더 바람직하다고 할 수 있다.
상기와 같은 로도슈도모나스 스패로이드의 경우에도 종배양을 시킨 균주를 사용하는 것이 효과적이며, 이러한 균주의 배양은 변형 Ormerod(이하에서는 ORM이라고 칭함)배지에 배양하게 된다.
상기 변형 ORM 배지는 종래 보고된 바 있는 합성배지로서, 물 1ℓ에 L-latate 3.01g, L-glutamate 1.31g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2·2H2O 0.075g, EDTA·Na20.02g, FeSO4·7H2O 0.0118g, K2HPO40.9g, KH2PO40.6g, TES 스탁용액(stock solution) 1㎖, 비타민 용액 1㎖, MnSO4·7H2O 2.1g, H3BO32.8g, Cu(NO3)2·3H2O 0.004, ZnSO4·7H2O 0.24g, Na2MoSO4·2H2O 0.75g, 티민(Thimin) 0.1g, ρ-aminobenzoic acid 0.2g을 넣고 완전 용해한 다음 2N 수산화나트륨(NaOH)로 pH를 6.8로 조절하여 제조된다.
이와 같이 제조된 변형 ORM 배지에 탄소원으로 포도당과 아세트산, 프로피오난, 부티릭산, 락틱산, 말레익산 30mM을 별도로 첨가하고 균체를 투여하여 4일간 배양한 후, 4℃에서 보관하면서 2개월마다 계대배양하고, 종배양은 50㎖ 시럼병(serum bottle) 등과 같은 완전 밀폐가 가능한 용기에 40㎖정도를 채우고, 균체를 660㎚ 파장에서 흡광도가 0.1이 되도록 첨가한 후 시럼병의 고무마개와 알루미늄 덮개로 밀폐하고, 아르곤 가스를 흘려서 혐기배양 조건을 만든 다음, 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사하면서 배양하는 과정을 2 ~ 3회 반복함으로서 이루어지게 된다.
또한 로도슈도모나스 스패로이드의 경우에도 균체농도를 높게 유지할수록 수소의 생산량이 비례적으로 증가되므로 균체농도를 높게 하기 위하여 균체를 적합한 담체에 고정화하여 증식하게 되면 더 좋은 효과를 가져오게 된다.
따라서 클로스트리듐 부티리컴에서 사용했던 것과 같이 카프러모늄 레이온(Cuprammonium rayon) 재질의 할로 화이버(hollow fiber)를 담체로 사용하여반응기에 장착하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 담체화된 균체를 광합성 생물반응기에 투여하고 배양함으로서 수소의 발생이 이루어지게 되는데, 광합성 생물 반응기는 광이 배양액에 충분히 투과할 수 있도록 설계되어야 하고, 반응기 내부에서 균체와 배양액이 충분히 교반될 수 있도록 한다.
또한 광합성 생물반응기의 배양조건은 지속적인 수소 발생을 위해 PH를 균체성장에 적합하도록 제어할 수 있도록, 12시간을 주기로 하루에 2회씩, 그리고 1회마다 225ℓ의 반응기에 대하여 25ℓ씩 배양액을 교환하는 반연속식 운전이 바람직하다.
상기와 같은 반연속식 운전에 따라 반응기내의 배양기간 동안에 일정한 양의 기질이 반응기로 유입되고 이에 비례하여 일정한 양의 발효폐수가 반응기 밖으로 배출되어 광합성 생물반응기 내의 총 배양액이 일정한 부피로 유지시키도록 한다.
이와 같은 방법을 거쳐 폐기물을 처리하게 되면, 혐기성 생물반응기와 광합성 생물반응기에서는 수소와 이산화탄소가 주를 이루는 가스가 발생되며, PSA 가스분리장치 등을 통하여 원하는 순도의 수소를 효과적으로 분리 및 생산할 수 있을 뿐만 아니라 발생되는 폐기물의 양을 감축시킬 수 있다는 것이다.
이하에서는 실시예에 의하여 본 발명을 좀 더 자세하게 설명하기는 하나, 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
환원당의 함량이 0.9g/ℓ이고 전분 함량이 13g/ℓ인 두부제조 폐수를 100ℓ 용량의 혐기성 생물반응기에 채우고, 변형 PYG 합성배지에서 종배양시킨 클로스트리듐 부티리컴 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 혐기성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 두부제조 폐수를 매 8시간마다 약 10분 동안 교환하면서 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 1로 하였다.
(상기 클로스트리듐 부티리컴의 종배양방법은 배지 1ℓ에 K2HPO40.9g, KH2PO40.9g, NaCl 0.9g, (NH4)SO40.9g, MgSO40.09g, CaCl20.09g, 펩톤(Peptone) 10.0g, 효모추출물(Yeast extract) 5,0g, 시스타인(Cystein.HCl) 0.5g, Na2CO3·10H2O 4.0g, ρ-aminobenzoic acid 100㎍, 바이오틴(Biotin) 10㎍, 기질로서 1%의 농도의 포도당 10g을 첨가한 후 PH를 7.0으로 조정하여 만들어진 변형 PYG 액체배지를 50㎖ 시럼병에 40㎖를 채우고, 클로스트리듐 부티리컴 균체를 660㎚에서 흡광도 0.1이 되도록 첨가한 다음, 시럼병을 고무마개와 알루미늄 덮개로 밀폐하고 아르곤 가스를 흘려서 혐기배양조건을 만든 후 37℃에서 배양하였고, 상기와 같은 배양을 2~회 반복함으로서 이루어진다.)
상기 실시예 1의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1과 도 2에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 19 26 43 66 73
실시예1 수소 (㎖) 0 33 59 73 106 129
전분(g/ℓ) 12.6 0.2 6.1 0.2 5.0 3.0
PH 6.5 6.6 6.5 6.5 6.5 6.5
(생산되는 수소의 발생량은 가스유량 측정장치를 이용하여 측정하였고, 가스크로마토그래피를 이용하여 가스조성을 분석하였다. 반응용액 및 발효액 중의 전분의 농도는 DNS법을 통하여 분석하였다. 그외에도 유기산은 발효액을 원심분리하여 상등액을 위한 후, 0.2㎛ 필터장치를 통하여 여과한 용액을 HPLC를 이용하여 분석하였다.)
상기 표 1을 통하여 알 수 있듯이, 두부제조 폐수를 클로스트리듐 부티리컴을 이용하여 혐기발효시킨 결과 최고 수소생산속도가 154㎖/h/ℓ이었으며, pH를 6 ~ 7유지하며 배양하는 동안 지속적으로 수소가 생산되며, 전분의 양이 변화된다는 것은 유입되는 폐수에 포함된 전분을 이용하여 수소가 생성된다는 것을 알 수 있다.
또한 배양된 혐기발효액의 유기산을 분석한 결과 프로피온산과 부티릭산이 생성되었음을 확인하였다.
<실시예 2>
환원당의 함량이 48.4g/ℓ이고 전분은 함유되지 않은 수박/참외의 제조 폐수를 100ℓ용량의 혐기성 생물반응기에 채우고, 변형 PYG 합성배지에서 종배양시킨 클로스트리듐 부티리컴 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 혐기성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 수박/참외의 제조 폐수를 매 8시간마다 약 10분 동안 교환하면서 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 2로 하였다.
상기 실시예 2의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2와 도 3에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 17 27 42 66 88
실시예2 수소 (㎖) 0 451 509 658 861 1068
전분(g/ℓ) 58 8.7 8.3 4.8 6.4 0.1
PH 6.5 6.5 6.5 6.6 6.7 6.8
상기 표 2를 통하여 알 수 있듯이, 수박/참외의 제조 폐수를 클로스트리듐 부티리컴을 이용하여 혐기발효시킨 결과 평균 수소생산속도가 188㎖/h/ℓ이었으며, pH를 6 ~ 7유지하며 배양하는 동안 지속적으로 수소가 생산되며, 역시 전분의 양이 변화된다는 것은 유입되는 폐수에 포함된 전분을 이용하여 수소가 생성된다는 것을 알 수 있다.
또한 배양된 혐기발효액의 유기산을 분석한 결과 매우 높은 농도의 락틱산이 생성되었고, 그밖에도 아세트산, 프로피온산과 부티릭산이 생성되었음을 확인하였다.
<실시예 3>
환원당의 함량이 93.5g/ℓ이고 전분은 함유되지 않은 사과/귤의 제조 폐수를 100ℓ용량의 혐기성 생물반응기에 채우고, 변형 PYG 합성배지에서 종배양시킨 클로스트리듐 부티리컴 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 혐기성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 사과/귤의 제조 폐수를 매 8시간마다 약 10분 동안 교환하면서 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 3으로 하였다.
상기 실시예 3의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 3과 도 4에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 8 25 50 74 98
실시예3 수소 (㎖) 0 150 250 325 395 450
전분(g/ℓ) 85 50 45 41 41 24
PH 6.8 6.9 6.6 6.6 6.5 6.9
상기 표 3을 통하여 알 수 있듯이, 사과/귤의 제조 폐수를 클로스트리듐 부티리컴을 이용하여 혐기발효시킨 결과 평균 수소생산속도가 158㎖/h/ℓ이었으며, pH를 6 ~ 7유지하며 배양하는 동안 지속적으로 수소가 생산되며, 역시 유입되는 폐수에 포함된 전분을 이용하여 수소가 생성된다는 것을 알 수 있다.
또한 배양된 혐기발효액의 유기산을 분석한 결과 락틱산과 아세트산이 생성되었음을 확인하였다.
<실시예 4>
환원당의 함량이 0.94g/ℓ이고 전분이 2.74g/ℓ이 함유되어 있는 막걸리 제조 폐수를 100ℓ용량의 혐기성 생물반응기에 채우고, 변형 PYG 합성배지에서 종배양시킨 클로스트리듐 부티리컴 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 혐기성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 막걸리의 제조 폐수를 매 8시간마다 약 10분 동안 교환하면서 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 4로 하였다.
상기 실시예 4의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 4와 도 5에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 17 25 45 67 74
실시예4 수소 (㎖) 0 71 103 132 166 199
전분(g/ℓ) 2.5 0.1 1.5 0.1 0.1 1.2
PH 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5
상기 표 4를 통하여 알 수 있듯이, 막걸리의 제조 폐수를 클로스트리듐 부티리컴을 이용하여 혐기발효시킨 결과 pH를 6 ~ 7유지하며 배양하는 동안에 수소가 지속적으로 생산되고 있으며, 반연속적으로 유입되는 폐수에 포함된 전분을 이용하여 수소가 생성된다는 것을 알 수 있다.
또한 배양된 혐기발효액의 유기산을 분석한 결과 프로피온산과 부티릭산이 생성되었음을 확인하였다.
<실시예 5>
실시예 1과 같은 혐기 생물반응 후 생성된 두부의 혐기발효폐수를 200×200×5.5㎝, 총부피 220ℓ의 광합성 생물반응기에 채우고, 변형 ORM배지에 종배양시킨 로도슈도모나스 스패로이드 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 광합성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 두부의 혐기발효폐수를 12시간마다 약 10분 동안 교환하면서 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사함과 동시에 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 5로 하였다
(상기 로도슈도모나스 스패로이드의 종배양법은 물 1ℓ에 L-latate 3.01g,L-glutamate 1.31g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2·2H2O 0.075g, EDTA·Na20.02g, FeSO4·7H2O 0.0118g, K2HPO40.9g, KH2PO40.6g, TES 스탁용액(stock solution) 1㎖, 비타민 용액 1㎖, MnSO4·7H2O 2.1g, H3BO32.8g, Cu(NO3)2·3H2O 0.004, ZnSO4·7H2O 0.24g, Na2MoSO4·2H2O 0.75g, 티민(Thimin) 0.1g, ρ-aminobenzoic acid 0.2g을 넣고 완전 용해한 다음, 2N 수산화나트륨(NaOH)로 pH를 6.8로 조절하여 변형 ORM 배지를 제조하였다. 이와 같이 제조된 배지에 탄소원으로 포도당과 아세트산, 프로피오난, 부티릭산, 락틱산, 말레익산 30mM을 별도로 첨가한 후 50㎖ 시럼병에 40㎖를 채우고, 로도슈도모나스 스패로이드 균체를 660㎚에서 흡광도 0.1이 되도록 첨가한 다음, 시럼병을 고무마개와 알루미늄 덮개로 밀폐하고 아르곤 가스를 흘려서 혐기배양조건을 만든 후 30℃에서 배양하였고, 상기와 같은 배양을 3회 반복하여 이루어지게 된다.)
상기 실시예 5의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 5와 도 6에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 8 25 49 72 79
실시예5 수소 (㎖) 0 13 35 62 93 98
유기산(㎎/ℓ) 67 68 67 65 67 67
PH 6.8 6.8 6.8 6.9 7.0 7.0
상기 표 5를 통하여 알 수 있듯이, 실시예 1에 의해 혐기 생물반응 후 생성된 두부의 혐기발효폐수를 로도슈도모나스 스패로이드를 이용하여 혐기발효시킨 결과 폐수 내에 함유된 프로피온산과 부티릭산을 이용하여 지속적인 수소를 발생시켰으며, 이때 평균 수소생산속도가 29㎖/h/ℓ이었다.
<실시예 6>
실시예 2와 같은 혐기 생물반응 후 생성된 수박/참외의 혐기발효폐수를 200×200×5.5㎝, 총부피 220ℓ의 광합성 생물반응기에 채우고, 변형 ORM배지에 종배양시킨 로도슈도모나스 스패로이드 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 광합성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 두부의 혐기발효폐수를 12시간마다 약 10분 동안 교환하면서 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사함과 동시에 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 6으로 하였다
상기 실시예 6의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 6과 도 7에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 6 24 36 49 72
실시예6 수소 (㎖) 0 38 81 153 185 227
유기산(㎎/ℓ) 151 125 151 172 220 244
PH 7.0 7.0 6.9 7.0 7.0 7.2
상기 표 6을 통하여 알 수 있듯이, 실시예 2에 의해 혐기 생물반응 후 생성된 수박/참외의 혐기발효폐수를 로도슈도모나스 스패로이드를 이용하여 혐기발효시킨 결과 폐수 내에 함유된 유기산을 이용하여 지속적인 수소를 발생시켰으며, 이때 평균 수소생산속도가 90㎖/h/ℓ이었다.
<실시예 7>
실시예 3과 같은 혐기 생물반응 후 생성된 사과/귤의 혐기발효폐수를 200×200×5.5㎝, 총부피 220ℓ의 광합성 생물반응기에 채우고, 변형 ORM배지에 종배양시킨 로도슈도모나스 스패로이드 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 광합성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 두부의 혐기발효폐수를 12시간마다 약 10분 동안 교환하면서 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사함과 동시에 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 7로 하였다
상기 실시예 7의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 7과 도 8에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 7 24 49 74 81
실시예7 수소 (㎖) 0 500 1085 2285 3555 4205
유기산(㎎/ℓ) 58 85 105 111 160 187
PH 6.9 7.0 6.9 6.8 6.8 6.8
상기 표 6을 통하여 알 수 있듯이, 실시예 3에 의해 혐기 생물반응 후 생성된 사과/귤의 혐기발효폐수를 로도슈도모나스 스패로이드를 이용하여 혐기발효시킨 결과 폐수 내에 함유된 유기산을 이용하여 지속적인 수소를 발생시켰으며, 이때 평균 수소생산속도가 40㎖/h/ℓ이었다.
<실시예 8>
실시예 4와 같은 혐기 생물반응 후 생성된 막걸리의 혐기발효폐수를 200×200×5.5㎝, 총부피 220ℓ의 광합성 생물반응기에 채우고, 변형 ORM배지에 종배양시킨 로도슈도모나스 스패로이드 균체를 화이버 담체에 고정화시킨 후, 660㎚에서 흡광도가 0.1이 되도록 광합성 생물반응기에 장착하고 매번 25ℓ의 새로운 두부의 혐기발효폐수를 12시간마다 약 10분 동안 교환하면서 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사함과 동시에 PH를 6 ~ 7을 유지하도록 조절하면서 배양한 것을 실시예 8로 하였다
상기 실시예 8의 방법으로 배양하면서 각각 시간에 따른 수소의 발생량과 PH의 변화, 전분의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 8과 도 9에 나타내었다.
측정값 시간(H)
0 7 25 33 55 72
실시예8 수소 (㎖) 0 10 31 39 70 88
유기산(㎎/ℓ) 64 50 66 76 62 62
PH 6.2 5.7 6.8 6.5 6.4 5.6
상기 표 8을 통하여 알 수 있듯이, 실시예 4에 의해 혐기 생물반응 후 생성된 막걸리의 혐기발효폐수를 로도슈도모나스 스패로이드를 이용하여 혐기발효시킨 결과 폐수 내에 함유된 유기산을 이용하여 지속적인 수소를 발생시켰으며, 이때 평균 수소생산속도가 49㎖/h/ℓ이었다.
상기 실시예 1 내지 8에서 보여주듯이, 다양한 종류의 유기성 폐기물들을 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)을 이용하여 혐기발효시켜 수소를 생산할 수 있으며, 혐기발효시 부가적으로 생산되는 배양액에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균인 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)을 이용하여 연속적으로 광발효시켜 이로부터 재차 수소를 생산할 수있다는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법은 유기성 폐기물을 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum)을 이용하여 혐기발효시켜 수소를 생산하는 동시에 다량의 유기산이 함유된 배양액을 생산하고, 상기 배양액에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균인 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)을 이용하여 연속적으로 광발효시켜 이로부터 재차 수소를 생산하여 수소의 생산효율을 극대화 시킬 수 있고, 대형의 반응기에서도 충분한 효과를 가질 수 있기 때문에 산업적으로 이용가치가 높을 뿐만 아니라 유기성 폐기물의 함량을 감축할 수 있다는 효과를 가져오는 것이다.

Claims (10)

  1. 유기성 폐기물을 분쇄 및 파쇄하여 고-액 분리시키고 액상만을 혐기성 생물반응기로 보내는 전처리과정과,
    상기 전처리된 액상 폐기물을 변형 PYG 합성배지에 클로스트리듐 부티리컴(Clostridium butyricum) 종균으로 투여하여 종배양시킨 균주가 장착된 혐기성 생물반응기에 보내고, 반응기내 온도를 35 ~ 37℃, PH를 6 ~ 7로 유지한 상태에서 혐기발효시켜 수소를 포함하는 가스와 혐기발효폐수를 생산하는 혐기생물반응과,
    상기 혐기생물반응 후 생성된 혐기발효폐수를 고-액분리시켜 유기산이 함유된 액상만을 취하여 광합성 생물반응기로 보내는 분리과정과,
    상기 액상 생성물에 함유된 유기산을 혐기 광합성 수소생산 세균을 광합성 생물 반응기에 장착하여 연속적으로 광발효시켜 유기산으로 부터 다시 수소를 생산하는 광합성 생물반응으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 변형 PYG 합성배지가 배지 1ℓ에 K2HPO40.9g, KH2PO40.9g, NaCl 0.9g, (NH4)SO40.9g, MgSO40.09g, CaCl20.09g, 펩톤(Peptone) 10.0g, 효모추출물(Yeast extract) 5,0g, 시스타인(Cystein.HCl) 0.5g,Na2CO3·10H2O 4.0g, ρ-aminobenzoic acid 100㎍, 바이오틴(Biotin) 10㎍으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 클로스트리듐 부티리컴의 종배양이 50㎖의 시럼병에 40㎖ 변형 PYG 배지에 넣고 클로스트리듐 부티리컴을 660㎚ 파장에서 흡광도가 0.1이 되돌고 접종한 후 아르곤으로 혐기치환하고, 시럼병을 완전 밀폐한 후 35 ~ 37℃에서 혐기배양하는 과정을 2 ~ 3회 반복함으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 변형 PYG 배지에서 배양된 균체가 혐기성 생물반응기에 장착시 카프러모늄 레이온(Cuprammonium rayon) 재질의 할로 화이버(hollow fiber)로 이루어진 담체에 고정화되어 증식되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 혐기성 생물반응기 내의 균체 배양이 8시간마다 반응기 내의 배양액의 1/3 가량을 빠르게 배출함과 동시에 같은 양의 새로운 폐수를 반응기에 유입하는 방법으로 배양액 교환해주는 반연속식 운전기법으로 이루이지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 혐기 광합성 수소생산 세균이 로도슈도모나스 스패로이드(Rhodopseudomonas sphaeroides)인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 변형 ORM 배지가 물 1ℓ에 L-latate 3.01g, L-glutamate 1.31g, MgSO4·7H2O 0.2g, CaCl2·2H2O 0.075g, EDTA·Na20.02g, FeSO4·7H2O 0.0118g, K2HPO40.9g, KH2PO40.6g, TES 스탁용액(stock solution) 1㎖, 비타민 용액 1㎖, MnSO4·7H2O 2.1g, H3BO32.8g, Cu(NO3)2·3H2O 0.004, ZnSO4·7H2O 0.24g, Na2MoSO4·2H2O 0.75g, 티민(Thimin) 0.1g, ρ-aminobenzoic acid 0.2g을 넣고 완전 용해한 다음 2N 수산화나트륨(NaOH)로 pH를 6.8로 조절하여 제조된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 로도슈도모나스 스패로이드의 종배양이 50㎖ 시럼병에 40㎖정도를 변형 ORM 배지로 채우고, 탄소원으로 포도당과 아세트산, 프로피오난, 부티릭산, 락틱산, 말레익산 30mM을 별도로 첨가한 후, 균체를 660㎚ 파장에서 흡광도가 0.1이 되도록 첨가하고, 시럼병의 고무마개와 알루미늄 덮개로 밀폐한 상태에서 아르곤 가스를 흘려서 혐기배양 조건을 만든 다음, 30℃에서 광원으로 백열등을 약 5,000lux로 하여 조사하면서 혐기배향하는 과정을 2 ~ 3회 반복함으로서이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  9. 청구항 7 내지 8에 있어서, 상기 변형 ORM 배지에서 배양된 균체가 광합성 생물반응기에 장착시 카프러모늄 레이온(Cuprammonium rayon) 재질의 할로 화이버(hollow fiber)로 이루어진 담체에 고정화되어 증식되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 광합성 생물반응기내의 균체 배양이 225ℓ반응기 내의 배양액을 12시간마다 25ℓ씩 가량을 빠르게 배출함과 동시에 같은 양의 새로운 폐수를 반응기에 유입하는 방법으로 배양액을 교환해주는 반연속식 운전기법으로 이루이지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 생물학적 반응에 의한 수소 생산방법.
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