KR101817073B1 - Method of mass producing hydrogen using microorganism, and fermentor for mass producing hydrogen - Google Patents

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KR101817073B1 KR1020160095813A KR20160095813A KR101817073B1 KR 101817073 B1 KR101817073 B1 KR 101817073B1 KR 1020160095813 A KR1020160095813 A KR 1020160095813A KR 20160095813 A KR20160095813 A KR 20160095813A KR 101817073 B1 KR101817073 B1 KR 101817073B1
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

The present invention provides a method for mass producing hydrogen comprising a step for mass producing hydrogen by culturing Thermococcus onnurine (NA1) in a fermenter containing seawater, and a step for additionally supplying fresh water to the fermenter, and according to the method, it is economical to produce hydrogen in a large amount by lowering the unit price of hydrogen production, and in the case of mass production of hydrogen using microorganisms, there is an effect of preventing the salt damage caused by the salt accumulated in the fermenter.

Description

미생물을 이용한 수소 대량 생산 방법, 및 수소 대량 생산용 미생물 발효기{METHOD OF MASS PRODUCING HYDROGEN USING MICROORGANISM, AND FERMENTOR FOR MASS PRODUCING HYDROGEN}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for mass production of hydrogen using microorganisms and a microbial fermenter for mass production of hydrogen,

본 발명은 미생물을 이용한 수소 대량 생산 방법 및 수소 대량 생산용 미생물 발효기에 관한 것으로, 구체적으로, 혐기성 미생물을 이용하여 수소를 대량 생산하는 방법 및 발효기에 관한 것이다.The present invention relates to a method for mass production of hydrogen using microorganisms and a microbial fermenter for mass production of hydrogen, and more particularly, to a method and a fermenter for mass production of hydrogen using anaerobic microorganisms.

수소 에너지는 중량당 발열량이 석유보다 3배 이상 높으며, 이산화탄소, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 환경에 악영향을 미치는 공해물질들을 적게 배출하므로 화석 에너지를 대체할 에너지로써 각광받고 있다. 현재 수소를 생산하는 방법으로는 물의 전기분해, 천연가스나 나프타의 열분해(thermal-cracking) 또는 수증기 개질법(steam reforming) 등이 있으며 주로 수증기 개질법이 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 화석연료를 사용하고, 또한 고온-고압 조건에서 수행되어야 한다는 문제점이 있으며, 인체에 유독한 일산화탄소를 포함한 혼합가스를 발생시키고 이를 제거하기 위해 추가적인 설비를 갖춰야 한다는 문제점이 있다. Hydrogen energy is more than three times higher in calorific value than petroleum, and is emitted as a substitute for fossil energy because it emits few pollutants that adversely affect the environment such as carbon dioxide, NO x , and SO x . have. Currently, hydrogen is produced by electrolysis of water, thermal cracking of natural gas or naphtha, or steam reforming, and steam reforming is widely used. However, these methods have a problem that fossil fuels are used and that they must be carried out under high-temperature and high-pressure conditions. Further, there is a problem that additional equipment is required to generate and remove a gas mixture containing toxic carbon monoxide to the human body.

이에, 이러한 문제점을 방지하기 위하여, 혐기성 미생물을 이용해 일산화탄소와 물로부터 수소 에너지를 생산하는 생물학적 방법이 미래의 수소 에너지 생산 방법으로 기대되고 있다. 일산화탄소와 물로부터 수소에너지를 생산하는 혐기성 미생물은 예를 들어, 파푸아뉴기니 근처 공해상 심해 열수구로부터 분리 및 동정한 써모코커스속 균(Thermococcus spp.)이 있다(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).In order to prevent such a problem, a biological method of producing hydrogen energy from carbon monoxide and water using anaerobic microorganisms is expected as a future hydrogen energy production method. An anaerobic microorganism that produces hydrogen energy from carbon monoxide and water is, for example, Thermococcus spp., Isolated and identified from the deep ocean waters of the high seas near Papua New Guinea (Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 11, 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).

써모코커스속 균 중 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1, 기탁번호: KCTC 10859BP)의 경우 에너지원으로 일산화탄소 또는 포름산이 필요하고, 유기성 영양원으로 비타민, 시스테인, 효모추출물, 포도당, 유기산 등이 반드시 필요하다. 그러나 실험실 단위가 아닌 경제성 있는 대규모 수소생산을 위해서는 저렴한 에너지원 및 유기성 영양원 등이 절실히 필요하다.Thermococcus among the thermococcus spp. Onnurinus NA1 ( Thermococcus Onnurineus NA1, Accession No .: KCTC 10859BP) requires carbon monoxide or formic acid as an energy source, and organic nutrients such as vitamins, cysteine, yeast extract, glucose, and organic acids are essential. However, cheap energy sources and organic nutrients are inevitably needed for large-scale production of hydrogen, which is economical rather than a laboratory unit.

개미산을 이용해 수소를 생산해 낼 수 있는 Thermococcus spp.로부터 분리된 신규한 서열번호 2의 수소화효소, 이를 암호화하는 유전자 및 그 유전자를 갖는 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 방법(출원번호 10-2013-7034429)의 경우 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)를 이용하여 수소를 생산하나, 실험실 단위에서 사용 가능한 유기성 영양원에 대해서만 기재되어 있으므로 이를 대규모 수소생산을 위해 사용하는 경우 경제적으로 비효율적인 문제점이 있다.A hydrogenation enzyme of SEQ ID NO: 2 isolated from Thermococcus spp. Capable of producing hydrogen using formic acid, a gene encoding the same, and a method for producing hydrogen using microorganisms having the gene (Application No. 10-2013-7034429 ) In the case of Thermococcus Onnurinus NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1), but only organic nutrients available for laboratory use are described. Therefore, there is an economically ineffective problem in using this for large-scale hydrogen production.

본 발명은 수소생산 단가를 낮춰 대량으로 수소를 생산하는 경우에도 경제성이 있는 수소 대량생산용 미생물 발효기 및 이를 이용한 수소 대량생산 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a microbial fermenter for mass production of hydrogen, which is economical even in the case of producing hydrogen in a large amount by lowering the unit price of hydrogen production, and a method for mass production of hydrogen using the same.

또한, 미생물을 이용하여 수소를 대량생산하는 경우 발효기에 쌓이는 염(salt)으로 인해 발생하는 염해(Salt damage) 현상을 방지하는 수소 대량생산용 미생물 발효기 및 이를 이용한 수소 대량생산 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a microbial fermenter for mass production of hydrogen and a method for mass production of hydrogen using the microbial fermenter for preventing the salt damage caused by salt accumulated in a fermenter when mass production of hydrogen is performed using microorganisms.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수가 포함된 발효기에서 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)을 배양하여 수소를 대량 생산하는 단계, 및 상기 발효기에 시스테인이 용해된 담수를 추가적으로 공급하는 단계를 더 포함하는 수소 대량생산 방법을 제공한다.According to one embodiment of the invention, Thermo Rhodococcus in a fermentor that contains the sea water Onnurinus NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1) to produce a large amount of hydrogen, and further adding fresh water in which cysteine is dissolved to the fermenter.

상기 해수가 포함된 발효기는 시스테인, 효소 추출물 및 비타민을 더 포함할 수 있다.The fermenter containing seawater may further contain cysteine, an enzyme extract, and vitamins.

상기 시스테인은 농도가 0.1~0.9g/L일 수 있다.The concentration of the cysteine may be 0.1 to 0.9 g / L.

상기 효모추출물은 농도가 5~15g/L일 수 있다.The yeast extract may have a concentration of 5-15 g / L.

상기 비타민은 농도가 0.5~1.5ml/L일 수 있다.The concentration of the vitamin may be 0.5-1.5 ml / L.

상기 담수에 용해된 시스테인은 농도가 0.05~0.25g/L일 수 있다.The cysteine dissolved in the fresh water may have a concentration of 0.05 to 0.25 g / L.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1) 및 해수를 포함하는 배지, 및 상기 배지에 시스테인이 용해된 담수를 공급하는 담수 공급부를 포함하는 수소 대량 생산용 미생물 발효기를 제공한다.In accordance with another embodiment of the invention, Thermo Lactococcus Onnurinus There is provided a microorganism fermenter for mass production of hydrogen, comprising a medium containing NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1) and seawater, and a fresh water supply section for supplying fresh water dissolved in cysteine to the medium.

상기 해수를 포함하는 배지는 시스테인, 효소 추출물, 및 비타민을 더 포함할 수 있다.The medium containing seawater may further comprise cysteine, an enzyme extract, and a vitamin.

상기 시스테인은 농도가 0.05~0.25g/L일 수 있다. The concentration of cysteine may be 0.05 to 0.25 g / L.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 대량생산용 미생물 발효기 및 이를 이용한 수소 대량생산 방법은, 수소생산 단가를 낮춰 대량으로 수소를 생산하는 경우에도 경제성이 있으며, 미생물을 이용하여 수소를 대량생산하는 경우 발효기에 쌓이는 염(salt)으로 인해 발생하는 염해(Salt damage) 현상을 방지하는 효과가 있다.The microbial fermenter for mass production of hydrogen and the method for mass production of hydrogen using the same according to an embodiment of the present invention is economical even when a large amount of hydrogen is produced by lowering the unit price of hydrogen production. In the case of mass production of hydrogen using microorganisms There is an effect of preventing the salt damage caused by the salt accumulated in the fermenter.

도 1은 해수 또는 기본배지에서 미생물을 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 해수를 담수로 희석한 미생물 발효기에서 미생물을 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 해수에 시스테인이 용해된 담수가 공급된 미생물 발효기에서 미생물을 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing hydrogen production over time when microorganisms are cultured in seawater or a basic medium. FIG.
FIG. 2 is a graph showing hydrogen production over time when microorganisms are cultured in a microbial fermenter diluted with fresh water.
FIG. 3 is a graph showing hydrogen production over time when microorganisms are cultured in a microbial fermenter supplied with fresh water in which cysteine is dissolved in seawater.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to various embodiments. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

본 발명은 미생물을 이용한 수소 대량 생산 방법 및 수소 대량 생산용 미생물 발효기에 관한 것으로, 구체적으로, 혐기성 미생물을 이용하여 수소를 대량 생산하는 방법 및 발효기에 관한 것이다.The present invention relates to a method for mass production of hydrogen using microorganisms and a microbial fermenter for mass production of hydrogen, and more particularly, to a method and a fermenter for mass production of hydrogen using anaerobic microorganisms.

써모코커스 온누리누스 NA1는 2002년 서태평양 파푸아 뉴기니 해역 1650m의 수심을 가지는 심해열수구로부터 분리된 것으로, 에너지원으로 일산화탄소 또는 포름산이 필요하고, 유기성 영양원으로 비타민, 시스테인, 효모추출물, 포도당, 유기산 등이 반드시 필요하나, 이를 포함하는 배지 조성물을 대규모 수소생산 설비에서 이용하는 경우 저렴한 유기성 영양원 등이 필요하다. Thermococcus Onnurinus NA1 is separated from deep sea water waters having a depth of 1,650 m in the western Pacific coast of Papua New Guinea in 2002. It requires carbon monoxide or formic acid as an energy source and vitamins, cysteine, yeast extract, glucose, and organic acid as organic nutrients, When a medium composition containing the same is used in a large-scale hydrogen production facility, an inexpensive organic nutrient source and the like are required.

상기 써모코커스 온누리누스 NA1는 심해 63~90℃의 고온에 서식하는 고세균으로, 이를 대량의 해수에서 배양하는 경우 수소를 대량으로 발생시킬 수 있다. 그러나, 상기 써모코커스 온누리누스 NA1의 배양은 63~90℃의 고온의 조건에서 이루어져야 하므로 해수의 증발이 발생하며, 이러한 증발로 인해 발효기에 염이 축적되어 염해(Salt Damage) 현상이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 염해 현상을 방지하고 상기 써모코커스 온누리누스 NA1를 지속적으로 배양하기 위해서는 미생물 발효기에 다량의 해수를 지속적으로 보충하여야 하나, 해수가 지속적으로 보충되고 고온의 배양 조건에서 해수가 증발됨으로 인해 염해(Salt Damage) 현상 자체를 해결할 수 없다는 문제점이 있다.The thermocouple Onnurinus NA1 is an organism living in the high temperature range of 63 ~ 90 ℃ in the deep sea. It can generate a large amount of hydrogen when it is cultured in a large amount of sea water. However, the thermodynamic Lactococcus Onnurinus The culture of NA1 must be carried out at a high temperature of 63 to 90 DEG C, so that the evaporation of seawater occurs, and the salt is accumulated in the fermenter due to such evaporation, thereby causing a salt damage phenomenon. Therefore, to prevent salt damage phenomenon and the thermopile Lactococcus Onnurinus To continuously cultivate NA1, a large amount of seawater must be continuously added to the microbial fermenter. However, there is a problem in that the salt damage phenomenon itself can not be solved because the seawater is continuously replenished and the seawater is evaporated under high temperature culture conditions .

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 대량생산 방법은, 해수가 포함된 발효기에서 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)을 배양하여 수소를 대량 생산하는 공정에, 시스테인이 용해된 담수를 지속적으로 공급함으로써 상술한 염해로 인한 문제점을 방지할 수 있다. 본 발명은 해수, 담수, 및 소량의 시스테인을 이용하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양함으로 인해 수소생산 단가를 낮춰 대량으로 수소를 생산하여 경제성이 있다.Hydrogen mass production method according to an embodiment of the invention, Thermo Rhodococcus in a fermentor that contains the sea water Onnurinus NA1 ( Thermococcus Onnurineus NA1) is cultured to continuously produce cysteine-dissolved fresh water in the process of mass-producing hydrogen, thereby preventing the above-described problems caused by salting. The present invention relates to a process for the preparation of thermococcus Onnurinus By cultivating NA1, the cost of hydrogen production is reduced and hydrogen is produced in large quantities, which is economical.

상기 담수에 용해된 시스테인의 농도는 0.05~0.25g/L일 수 있고, 0.1~0.25g/L인 것이 바람직하고, 0.1~0.15인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 상기 담수에 용해된 시스테인의 농도가 0.05g/L 미만이면 NA1 배양속도 저하로 인하여 수소가 적게 발생하는 문제점이 발생할 수 있으며, 0.25g/L 초과하면 과다한 시스테인으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.The concentration of cysteine dissolved in the fresh water may be 0.05 to 0.25 g / L, preferably 0.1 to 0.25 g / L, more preferably 0.1 to 0.15. On the other hand, if the concentration of cysteine dissolved in the fresh water is less than 0.05 g / L, there may occur a problem of low hydrogen generation due to a decrease in the NA1 incubation rate. If the concentration of cysteine exceeds 0.25 g / L, .

종래 실험실 단위에서 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)을 배양하는 경우 배지에 담수 및 하기 표 1에 기재된 기본 배지 성분을 포함시키고, 에너지원으로 일산화탄소를 배지에 공급하여 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)를 배양시켰다.In conventional laboratory units Thermo Caucus Onnurinus NA1 ( Thermococcus in case of culturing the onnurineus NA1), containing the basic medium components described in Table 1 below, and fresh water in the medium and, the carbon monoxide fed to the culture medium as an energy source Thermo Lactococcus Onnurinus NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1) was cultured.

기본 배지Basic badge 염화나트륨(NaCl) 35g/L, 염화칼륨(KCl) 0.7g/L, 황산마그네슘(MgSO4) 3.9g/L, 염화칼슘(CaCl2ㆍ2H2O) 0.4g/L, 염화암모늄(NH4Cl) 0.3g/L, 제2인산나트륨(Na2HPO4) 0.15g/L, 메타규산나트륨(Na2SiO3) 0.03g/L, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 0.5g/L, 시스테인하이드로클로라이드(Cystein-HCl) 0.5g/L, 미량원소 용액(2000X Trace elements sol.) 5ml/L, 철 에틸렌다이아민테트라아세트산 용액(500X Fe EDTA sol.) 20ml/L, 효모추출물(Yeast extract) 10g/L, 및 비타민 용액(1000X Vitamins sol.) 1ml/LSodium chloride (NaCl) 35g / L, potassium chloride (KCl) 0.7g / L, magnesium sulfate (MgSO 4) 3.9g / L, calcium chloride (CaCl 2 and 2H 2 O) 0.4g / L, ammonium chloride (NH 4 Cl) 0.3 (Na 2 HPO 4 ), 0.03 g / L of sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), 0.5 g / L of sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ), cysteine hydrochloride 5 ml / L of trace element solution, 20 ml / L of iron ethylenediaminetetraacetic acid solution (500 X Fe EDTA sol.), 10 g / L of yeast extract, 0.5 g / And vitamin solution (1000X Vitamins sol.) 1 ml / L 상기 미량원소 용액The trace element solution 황산구리(CuSO4ㆍ5H2O) 0.02g/L, 황산아연(ZnSO4ㆍ7H2O) 0.2g/L, 염화코발트(CoCl2ㆍ6H2O) 0.01g/L, 염화망간(MnCl2ㆍ4H2O) 0.4g/L, 소듐몰리브데이트(Na2MoO4ㆍ2H2O) 0.2g/L, 브롬화칼륨(KBr) 0.1g/L, 요오드화칼륨(KI) 0.1g/L, 붕산(H3BO3) 0.2g/L, 플루오르화나트륨(NaF) 0.1g/L, 염화리튬(LiCl) 0.1g/L, 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 0.1g/L, 염화니켈(NiCl2ㆍ6H2O) 0.02g/L, 옥시황산바나듐(VOSO4ㆍ2H2O) 0.01g/L, 텅스텐산(H2WO4) 0.01g/L, 셀렌산나트륨(Na2SeO4) 0.01g/L, 염화스트론튬(SrClㆍ6H2O) 0.01g/L, 및 염화바륨(BaCl2) 0.01g/LCopper sulfate (CuSO 4 and 5H 2 O) 0.02g / L, zinc sulfate (ZnSO 4 and 7H 2 O) 0.2g / L, cobalt chloride (CoCl 2 and 6H 2 O) 0.01g / L, manganese chloride (MnCl 2 and 4H 2 O) 0.4g / L, sodium molybdate (Na 2 MoO 4 and 2H 2 O) 0.2g / L, a potassium bromide (KBr) 0.1g / L, potassium iodide (KI) 0.1g / L, boric acid ( H 3 BO 3 ) 0.2 g / L, Sodium fluoride (NaF) 0.1g / L, lithium chloride (LiCl) 0.1g / L, aluminum sulfate (Al 2 (SO 4) 3 ) 0.1g / L, nickel chloride (NiCl 2 and 6H 2 O) 0.02g / L, vanadium oxysulfate (VOSO 4 and 2H 2 O) 0.01g / L, tungstic acid (H 2 WO 4) 0.01g / L, sodium selenite (Na 2 SeO 4) 0.01g / L, strontium chloride (SrCl and 6H 2 O), 0.01 g / L of barium chloride (BaCl 2 ) 상기 철 에틸렌다이아민테트라아세트산 용액The iron ethylenediamine tetraacetic acid solution 황산제일철(FeSO4ㆍ7H2O) 1.54g/L, 및 다이소듐 에틸렌다이아민테트라아세트산(Na-EDTA) 2.06g/L을 포함1.54 g / L of ferrous sulfate (FeSO 4 · 7H 2 O), and 2.06 g / L of disodium ethylenediaminetetraacetic acid (Na-EDTA) 상기 비타민 용액The vitamin solution p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 5mg/L, 비오틴(Biotin) 2mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 5mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.1mg/L, 엽산(Folic acid) 2mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 5mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 10mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 5mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 5mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 5mg/L5 mg / L of p-aminobenzoic acid, 2 mg / L of biotin, 5 mg / L of DL-calcium pantothenate and 0.1 mg / L of cyanocobalamin (B 12 ) L, Folic acid 2 mg / L, Nicotinic acid 5 mg / L, Pyridoxine 10 mg / L, Riboflavin 5 mg / L, Thiamine-HCl 5 mg / L, and Lipoic acid acid) 5 mg / L

상기 표 1에 따르면, 기본 배지에 포함되는 시스테인의 농도는 0.5g/L이다. 따라서, 본 발명의 담수에 용해되는 시스테인의 농도는 기본 배지에 포함된 시스테인의 농도의 10~50%에 불과하여 원료 사용량이 적은 효과가 있다. 또한, 발효기에 공급된 해수에는 써모코커스 온누리누스 NA1가 필요한 유기성 영양분이 이미 포함되어 있기 때문에, 본 발명의 시스테인이 용해된 담수에는 상기 표 1과 같은 유기성 영양분을 추가적으로 용해시킬 필요가 없어 경제적이다.According to Table 1, the concentration of cysteine contained in the basic medium is 0.5 g / L. Therefore, the concentration of cysteine dissolved in fresh water of the present invention is only 10 to 50% of the concentration of cysteine contained in the basic medium, so that the amount of raw material used is small. In addition, the seawater supplied to the fermenter includes a thermocouple Onnurinus Since organic nutrients required for NA1 are already contained, it is not necessary to further dissolve the organic nutrients shown in Table 1 in the cysteine-dissolved fresh water of the present invention, which is economical.

따라서, 실험실 단위에서 진행된 생물학적 수소 발생 방법을 스케일업(scale-up)하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 대량 생산 방법에 진행하는 경우, 본 발명의 수소 대량생산 방법이 실험실 단위에서 진행한 수소 생산방법에 비하여 원료 사용량이 적어 수소 생산 단가를 낮출 수 있어 경제적인 효과가 있다.Therefore, when the method for mass production of hydrogen according to one embodiment of the present invention is performed by scaling up the biological hydrogen generation method conducted in a laboratory unit, Compared with the production method, the use amount of raw material is small and the hydrogen production unit cost can be lowered, which is economical.

한편, 본 발명의 해수가 포함된 발효기는 시스테인(Cystein), 효모추출물(Yeast extract), 및 비타민(Vitamin)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the fermentation unit containing seawater of the present invention may further include cysteine, yeast extract, and vitamin.

상기 표 1에 따르면, 기본 배지에는 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 황산마그네슘(MgSO4), 염화칼슘(CaCl2ㆍ2H2O), 염화암모늄(NH4Cl), 제2인산나트륨(Na2HPO4), 메타규산나트륨(Na2SiO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 미량원소 용액(Trace elements sol.), 및 철 에틸렌다이아민테트라아세트산 용액(Fe EDTA sol.)가 필수적이다. 그러나 본 발명은 해수를 이용하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양시킴으로 인하여 이러한 성분이 필요하지 않으므로, 원료 사용량 감축으로 인하여 수소 생성 단가를 낮출 수 있다.According to Table 1, the basic medium contains sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), magnesium sulfate (MgSO 4 ), calcium chloride (CaCl 2 .2H 2 O), ammonium chloride (NH 4 Cl), sodium phosphate dibasic 2 HPO 4 ), sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ), trace element sol., And iron ethylenediaminetetraacetic acid solution (Fe EDTA sol.) . However, the present invention is Rhodococcus Thermo using sea water Onnurinus Since NA1 is cultured, these components are not needed, so the hydrogen production unit cost can be lowered due to the reduction of raw material usage.

본 발명의 발효기에 공급되는 시스테인의 농도는 0.1~0.9g/L일 수 있고, 0.3~0.7g/L인 것이 바람직하며, 0.5~0.6g/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 시스테인의 농도가 0.1g/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 문제점이 발생할 수 있으며, 0.9g/L 초과하면 과다한 시스테인으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.The concentration of cysteine supplied to the fermenter of the present invention may be 0.1 to 0.9 g / L, preferably 0.3 to 0.7 g / L, and more preferably 0.5 to 0.6 g / L. If the concentration of cysteine is less than 0.1 g / L, the NA1 culture may not be performed properly and hydrogen may be less. If the concentration of cysteine is more than 0.9 g / L, hydrogen production may be inhibited due to excessive cysteine.

본 발명의 발효기에 공급되는 효모추출물의 농도는 5~15g/L일 수 있고, 7~13g/L인 것이 바람직하며, 9~11g/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 효모추출물의 농도가 5g/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 문제점이 발생할 수 있으며, 15g/L 초과하면 과다한 효모추출물로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.The concentration of the yeast extract supplied to the fermenter of the present invention may be 5 to 15 g / L, preferably 7 to 13 g / L, and more preferably 9 to 11 g / L. If the concentration of the yeast extract is less than 5 g / L, the culture of NA1 may not be performed properly and hydrogen may be less. If the concentration is more than 15 g / L, hydrogen production may be inhibited due to excessive yeast extract.

본 발명의 발효기에 공급되는 비타민의 농도는 0.5~1.5ml/L일 수 있고, 0.7~1.3ml/L인 것이 바람직하며, 0.9~1.1ml/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 비타민의 농도가 0.5ml/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 배양기에서 수소가 발생하지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 1.5ml/L 초과하면 과다한 비타민으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.The concentration of the vitamin supplied to the fermenter of the present invention may be 0.5-1.5 ml / L, preferably 0.7-1.3 ml / L, and more preferably 0.9-1.1 ml / L. When the concentration of the vitamin is less than 0.5 ml / L, the NA1 culture is not properly performed, and hydrogen may not be generated in an incubator in which hydrogen is low. When the concentration is more than 1.5 ml / L, May occur.

한편, 상기 비타민은 용매에 용해되어 있는 용액 상태인 것으로, 이러한 비타민 용액은 1000배로 농축(1000X Vitamins solution)된 것이 바람직하다. 또한, 상기 비타민 용액은 p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 3~7mg/L, 비오틴(Biotin) 1~3mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 3~7mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.05~0.15mg/L, 엽산(Folic acid) 1~3mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 3~7mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 8~12mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 3~7mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 3~7mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 3~7mg/L으로 이루어진 것이 바람직하다.Meanwhile, the vitamin is in a solution state dissolved in a solvent, and it is preferable that the vitamin solution is concentrated 1000 times (1000X Vitamins solution). In addition, the vitamin solution may be prepared by adding 3 to 7 mg / L of p-aminobenzoic acid, 1 to 3 mg / L of biotin, 3 to 7 mg / L of DL-calcium pantothenate, L of folic acid, 3 to 7 mg / L of nicotinic acid, 8 to 12 mg / L of pyridoxine, 0.1 to 10 mg / L of cyanocobalamin (B 12 ) 3 to 7 mg / L, Thiamine-HCl 3 to 7 mg / L, and Lipoic acid 3 to 7 mg / L.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1) 및 해수를 포함하는 배지, 및 상기 배지에 시스테인이 용해된 담수를 공급하는 담수 공급부를 포함하는 수소 대량 생산용 미생물 발효기를 제공한다.In accordance with another embodiment of the invention, Thermo Lactococcus Onnurinus There is provided a microorganism fermenter for mass production of hydrogen, comprising a medium containing NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1) and seawater, and a fresh water supply section for supplying fresh water dissolved in cysteine to the medium.

해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하여 수소를 발생시키는 본 발명의 수소 대량 생산용 미생물 발효기는 63~90℃의 고온의 조건에서 이루어져야 하므로 해수의 증발이 발생하고, 이로 인해, 발효기에 염이 축적되어 염해 현상이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 설비는 시스테인이 용해된 담수를 배지에 지속적으로 공급하는 담수 공급부를 구비함으로써, 수소를 대량으로 생산할 수 있으며 또한 염의 농도를 낮춰 염해로 인한 문제점을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은 해수, 담수, 및 소량의 시스테인을 이용하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양함으로 인해 수소생산 단가를 낮춰 대량으로 수소를 생산하여 경제성이 있다. Thermococcus in seawater Onnurinus The microbial fermenter for mass production of hydrogen of the present invention which cultivates NA1 to produce hydrogen is required to be carried out at a high temperature of 63 to 90 DEG C, so that seawater evaporation occurs, and salt is accumulated in the fermenter, have. However, the plant of the present invention has a fresh water supply part for continuously supplying cysteine-dissolved fresh water to the culture medium, so that it is possible to produce a large amount of hydrogen, and the concentration of the salt can be lowered, thereby preventing the problems caused by salting. Furthermore, the present invention relates to a method for the treatment of thermococcus by using seawater, fresh water, and a small amount of cysteine. Onnurinus By cultivating NA1, the cost of hydrogen production is reduced and hydrogen is produced in large quantities, which is economical.

상기 담수에 용해된 시스테인의 농도는 0.05~0.25g/L일 수 있고, 0.1~0.25g/L인 것이 바람직하고, 0.1~0.15인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 상기 담수에 용해된 시스테인의 농도가 0.05g/L 미만이면 배양기에서 수소가 발생하지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 0.25g/L 초과하면 과다한 시스테인으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.The concentration of cysteine dissolved in the fresh water may be 0.05 to 0.25 g / L, preferably 0.1 to 0.25 g / L, more preferably 0.1 to 0.15. On the other hand, if the concentration of cysteine dissolved in the fresh water is less than 0.05 g / L, hydrogen may not be generated in the incubator. If the concentration of cysteine is more than 0.25 g / L, hydrogen production may be inhibited due to excessive cysteine.

또한, 본 발명의 발효기는 시스테인(Cystein), 효모추출물(Yeast extract), 및 비타민(Vitamin)을 더 포함할 수 있다.In addition, the fermenter of the present invention may further include cysteine, yeast extract, and vitamin.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example

1. 해수 또는 기본 배지에서 미생물 배양 및 수소 생산1. Microbial culture and hydrogen production in sea water or basic medium

[해수에서 미생물 배양_해수(H2)][Culture of microorganisms in seawater _ sea water (H 2 )]

해수, 시스테인 0.5g/L, 효모추출물 10g/L, 및 비타민 1ml/L을 포함하는 7L의 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고, 상기 발효기의 상부 빈공간(Headspace)에서 발생되는 수소의 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 1에 나타냈다.Sea water, cysteine 0.5g / L, yeast extract 10g / L, and vitamin 1ml / L microbial 7L fermenter (Marado-PDA, BioCNS Co.) containing a Rhodococcus from Thermococcus Onnurinus NA1 was cultured, and the amount of hydrogen produced in the headspace of the fermenter was measured by a GC / MS (Gas Chromatograph-Mass Spectrometer). The results are shown in FIG.

[기본 배지에서 미생물 배양_배양액(H2)][Microbial culture in the basic medium _ culture (H 2 )]

담수 및 상기 표 1에 기재된 기본배지의 조성을 포함하는 미생물 발효기에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고, 상기 발효기의 상부 빈공간(Headspace)에서 발생되는 수소의 생산량을 GC/MS로 측정하여 그 결과를 도 1에 나타냈다.In a microbial fermenter containing fresh water and the composition of the basic medium described in Table 1 above, the thermococcus onnurus NA1 was cultured, and the amount of hydrogen produced in the headspace of the fermenter was measured by GC / MS. The results are shown in FIG.

도 1에 따르면, 배양 5일경과 후에는 기본배지에서 미생물을 배양한 경우가 해수에서 미생물 배양한 경우보다 수소 발생량이 많지만, 배양 10일경과 후에는 해수에서 미생물 배양한 경우가 기본배지에서 미생물 배양한 경우보다 177.37% 더 많이 수소를 생산한다는 것을 확인했다. According to FIG. 1, when the microorganism is cultured in the basic medium for about 5 days or more, the amount of hydrogen generated is larger than that in the case of culturing the microorganism in the seawater. However, when the microorganism is cultured in the sea water after about 10 days, And 177.37% more hydrogen than one case.

2. 해수를 담수로 희석하는 경우 미생물 배양 및 수소 생산2. Microbial culture and hydrogen production when sea water is diluted with fresh water

상기 [해수에서 미생물 배양_해수(H2)]한 미생물 발효기에 담수를 추가적으로 공급하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 수소 생산량을 측정했다. 구체적으로, 담수를 공급하지 않은 미생물 발효기(100%), 담수를 공급하여 해수를 50%, 20%, 또는 10% 희석한 미생물 발효기에서 상기 Na1을 배양하고, 상기 발효기의 상부 빈공간(Headspace)에서 발생되는 수소의 생산량을 GC/MS로 측정하여 그 결과를 도 2에 나타냈다.The [microorganisms in a water culture _ water (H 2)] In addition to supplying fresh water to a microbial fermentor Thermo Lactococcus Onnurinus NA1 was cultured and hydrogen production was measured. Specifically, the Na1 is cultured in a microbial fermenter in which fresh water is not supplied and the fresh water is supplied to dilute 50%, 20%, or 10% of the seawater, and the upper space of the fermenter, The amount of produced hydrogen was measured by GC / MS. The results are shown in Fig.

도 2에 따르면, 담수가 추가되어 해수가 50% 이하로 희석되는 경우 수소 발생량이 현저히 감소하는 것을 확인했으며, 특히, 해수가 50%로 희석된 미생물 발효기는 담수를 공급하지 않은 미생물 발효기에 비하여 1/3 수준으로 수소생산량이 줄어드는 것을 확인했다. 이로 인해, 상기 Na1은 삼투압(Osmotic pressure)에 매우 민감함을 확인했다.According to Fig. 2, it was confirmed that the amount of hydrogen generated was significantly reduced when fresh water was added and the seawater was diluted to less than 50%. In particular, the microbial fermenter diluted to 50% / 3 level of hydrogen production. As a result, it was confirmed that the Na1 was very sensitive to osmotic pressure.

3. 해수에 시스테인이 용해된 담수를 공급하는 경우 미생물 배양 및 수소 생산3. In the case of supplying cysteine-dissolved fresh water to sea water, microbial culture and hydrogen production

상기 [해수에서 미생물 배양_해수(H2)]한 미생물 발효기에 시스테인이 용해된 담수를 추가적으로 공급하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 수소 생산량을 측정했다. 상기 시스테인의 농도를 제어하여 실험을 진행하였는데, 구체적으로, 기본 배지에 포함된 시스테인 농도(0.5g/L)의 100%(Cys100), 50%(Cys50), 20%(Cys20), 또는 10%(Cys10)로 시스테인의 농도를 제어하여 시스테인이 용해된 담수를 제조하고, 이를 상기 미생물 발효기에 공급하였다. 이러한 미생물 발효기에서 상기 Na1을 배양하고, 상기 발효기의 상부 빈공간(Headspace)에서 발생되는 수소의 생산량을 GC/MS로 측정하여 그 결과를 도 3에 나타냈다.The [microorganisms in a water culture _ water (H 2)] by cysteine is supplied additionally to the molten fresh water at a microbe fermentation Thermo Lactococcus Onnurinus NA1 was cultured and hydrogen production was measured. Specifically, 100% (Cys100), 50% (Cys50), 20% (Cys20), or 10% of the cysteine concentration (0.5 g / L) contained in the basic medium was controlled by controlling the concentration of the cysteine. (Cys10) to control the concentration of cysteine to prepare cysteine-dissolved fresh water, which was then fed to the microbial fermenter. The Na1 was cultured in the microbial fermenter, and the amount of hydrogen produced in the headspace of the fermenter was measured by GC / MS. The results are shown in FIG.

도 3에 따르면, 담수에 용해된 시스테인의 농도가 0.05~0.25g/L인 경우 시스테인의 농도가 0.5g/L인 경우보다 수소 생산량이 현저히 높다는 것을 확인했다. 따라서, 상기 Na1은 삼투압에 매우 민감함에도 미생물 발효기에 시스테인이 용해된 담수를 공급하면 수소 생산량을 높게 유지 가능함을 확인했고, 이때 담수에 용해된 시스테인의 농도가 기본 배지의 시스테인 농도보다 50% 이하로 낮은 경우 수소 생산량이 높다는 것을 확인했다.According to FIG. 3, it was confirmed that the hydrogen production amount was significantly higher than that in the case where the concentration of cysteine dissolved in the fresh water was 0.05 to 0.25 g / L and the concentration of cysteine was 0.5 g / L. Therefore, although Na1 is very sensitive to osmotic pressure, it has been confirmed that hydrogen production can be maintained at a high level by supplying cysteine-dissolved fresh water to the microbial fermenter. In this case, the concentration of cysteine dissolved in fresh water is 50% And low hydrogen production.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be obvious to those of ordinary skill in the art.

Claims (9)

해수가 포함된 발효기에서 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)을 배양하여 수소를 대량 생산하는 공정으로서,
상기 발효기에 시스테인이 용해된 담수를 추가적으로 공급하는 단계를 포함하는 수소 대량생산 방법.
A step of culturing the Rhodococcus Thermo Onnuri Taunus NA1 (Thermococcus onnurineus NA1) in a fermentor that contains the water to mass-produce hydrogen,
And further adding cysteine-dissolved fresh water to the fermenter.
제1항에 있어서, 상기 해수가 포함된 발효기는 시스테인(Cystein), 효모추출물(Yeast extract), 및 비타민(Vitamin)을 더 포함하는 수소 대량생산 방법.
The method of mass production of hydrogen according to claim 1, wherein the fermentation unit containing seawater further comprises cysteine, yeast extract, and vitamin.
제2항에 있어서, 상기 해수가 포함된 발효기에 포함된 시스테인은 농도가 0.1~0.9g/L인 수소 대량생산 방법.
3. The method of mass production of hydrogen according to claim 2, wherein the cysteine contained in the fermentation unit containing seawater has a concentration of 0.1 to 0.9 g / L.
제2항에 있어서, 상기 효모추출물은 농도가 5~15g/L인 수소 대량생산 방법.
The method of mass production of hydrogen according to claim 2, wherein the yeast extract has a concentration of 5 to 15 g / L.
제2항에 있어서, 상기 비타민은 농도가 0.5~1.5ml/L인 수소 대량생산 방법.
The method of mass production according to claim 2, wherein the vitamin is at a concentration of 0.5 to 1.5 ml / L.
제1항에 있어서, 상기 시스테인은 농도가 0.05~0.25g/L인 수소 대량 생산 방법.
The method of mass production of hydrogen according to claim 1, wherein the cysteine concentration is 0.05 to 0.25 g / L.
써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1) 및 해수를 포함하는 배지; 및
상기 배지에 시스테인이 용해된 담수를 공급하는 담수 공급부를 포함하는 수소 대량 생산용 미생물 발효기.
 Thermococcus Onnurinus NA1 ( Thermococcus onnurineus NA1) and seawater; And
And a fresh water supply section for supplying cysteine-dissolved fresh water to the culture medium.
제7항에 있어서, 상기 해수를 포함하는 배지는 시스테인, 효모 추출물, 및 비타민을 더 포함하는 수소 대량 생산용 미생물 발효기.
8. The microbial fermenter according to claim 7, wherein the medium containing seawater further comprises cysteine, yeast extract, and vitamin.
제7항에 있어서, 상기 시스테인은 농도가 0.05~0.25g/L인 수소 대량 생산용 미생물 발효기.
8. The microbial fermenter according to claim 7, wherein the cysteine has a concentration of 0.05 to 0.25 g / L.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IJERT, 2013, Vol. 2, No. 9, pp. 1305-1308.
Molecular Microbiology, 2014, Vol. 93, No. 2, pp. 331-345.

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