KR101892982B1 - Cathode for production of biofuel, and microbial electrosynthesis system for production of biofuel comprising the same - Google Patents

Cathode for production of biofuel, and microbial electrosynthesis system for production of biofuel comprising the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오연료 생산용 캐소드 및 이를 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래 상용화된 탄소 전극 표면을 양전하를 가지는 아민화합물로 개질함으로써 전극 표면에서의 전기활성 미생물 흡착량을 향상시킴과 동시에 금속 나노입자 도입을 통해 전자 전달 효율을 향상시킴으로써 바이오부탄올, 바이오헥산올, 바이오메탄올을 비롯한 다양한 바이오연료의 생산량을 극대화시킬 수 있다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cathode for producing biofuels and a microbial electricity synthesis system for producing biofuels containing the same.
According to the present invention, the surface of a conventional carbon electrode is modified with an amine compound having a positive charge to improve the adsorption amount of electroactive microorganisms on the surface of the electrode and, at the same time, the electron transfer efficiency is improved through introduction of metal nanoparticles, It can maximize the production of various biofuels including hexanol and biomethanol.

Description

바이오연료 생산용 캐소드 및 이를 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템{Cathode for production of biofuel, and microbial electrosynthesis system for production of biofuel comprising the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cathode for producing a biofuel, and a microbial electricity synthesizing system for producing the biofuel,

본 발명은 바이오연료 생산용 캐소드 및 이를 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cathode for producing biofuels and a microbial electricity synthesis system for producing biofuels containing the same.

미생물 전기화학 시스템은 미생물을 이용하여 다양한 전기화학반응을 통해 유기물을 산화/환원시킴으로써 발생하는 전자를 활용하여 전기를 발생시키거나 과학적/산업적으로 필요한 화학물질을 생산하는 시스템을 의미한다. 이 시스템에 대한 연구는 미생물 연료전지(Microbial fuel cell)의 개발을 시작으로 미생물 전기분해전지(Microbial electrolysis cell), 미생물 전기 합성(Microbial electrosynthesis), 미생물 해수담수화전지 등으로 그 응용분야를 넓혀 왔다. 미생물 전기화학 시스템은 이러한 다양한 응용 시스템들에 대한 총칭으로, 지속가능한 에너지와 고부가 화학물질을 얻을 수 있다는 잠재력 때문에 많은 주목을 받고 있다.The microbial electrochemical system refers to a system that generates electricity by using electrons generated by oxidation / reduction of organic substances through various electrochemical reactions using microorganisms or produces chemical substances required for scientific / industrial purposes. Research on this system has expanded the application fields of microbial fuel cell, microbial electrolysis cell, microbial electrosynthesis and microbial seawater desalination cell. Microbial electrochemical systems are collectively referred to as these various application systems and have received much attention due to their potential to obtain sustainable energy and high value chemicals.

전극을 사용하여 미생물에 전기를 가해줌으로써 유기 물질 및 바이오 연료 (biofuel)을 생산하는 미생물 전기 합성 (microbial electrosynthesis) 시스템에서 캐소드(환원 전극)은 미생물에 전자 (electron)를 공급하고, 미생물로 공급된 전자는 대사회로 내에서 NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide)로 전환되어 바이오 연료를 생산하기 위해 사용되거나 혹은 다른 화합물로 1차적으로 전환된 뒤 그 화합물이 미생물 내로 공급되어 필요한 대사산물을 합성하기도 한다(Science, 2012, 335, 1596).In a microbial electrosynthesis system that produces organic materials and biofuels by applying electricity to the microorganisms using electrodes, the cathodes (reducing electrodes) supply electrons to the microorganisms, The electrons are converted into NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide) in metabolic circuits and used to produce biofuels, or they are first converted to other compounds and then the compounds are fed into microorganisms to synthesize the necessary metabolites ( Science , 2012, 335, 1596).

미생물에 전자를 가해주기 위해 사용되고 있는 전극들은 부반응이 적고 미생물에 독성을 나타내지 않는 전극이 바람직하며 이에 부합되는 상용화된 전극은 graphite felt, carbon felt, carbon cloth (paper)등이 있다. 그러나 이러한 전극들을 사용할 경우, 전극-미생물 사이의 전자 전달 속도가 느려, 전극에서 미생물로 전자를 전달하는 양이 적기 때문에 (Energy Environ. Sci ., 2015, 8, 3418), 미생물이 전자를 사용하여 유기 물질 및 바이오 연료로 전환하는 양에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 대부분의 경우 미생물이 사용 가능한 에너지원인 NADH를 특정 유기 물질이나 바이오 연료를 생산하는데 사용되도록 유전자 조작을 통해 미생물의 대사 작용을 조절하여 생산량을 증가시키고 있으나, 이러한 유전자 조작에 의한 방법은 전극에서 전자를 공급해 주더라도 미생물이 공급된 전자를 활용하는 데에 한계가 있다는 문제점이 존재한다.Electrodes used to apply electrons to microorganisms are preferably those that have few side reactions and do not show toxicity to microorganisms. Commercialized electrodes that are compatible with them include graphite felt, carbon felt, and carbon cloth (paper). However, when these electrodes are used, the electron transfer rate between the electrode and the microorganism is slow and the amount of electrons transferred from the electrode to the microorganism is small ( Energy Environ. Sci . , 2015, 8, 3418) There is a limit to the amount of conversion to organic materials and biofuels. In order to overcome these limitations, in most cases microorganisms are increasing their production by controlling the metabolism of microorganisms through genetic manipulation to be used for producing specific organic substances or biofuels, which is the energy source of NADH, There is a problem in that there is a limit in utilizing electrons supplied with microorganisms even if electrons are supplied from the electrodes.

전극에서 미생물로 전자를 공급해 주기 위한 방식으로 직접 전자 전달 (Direct electron transfer)과 간접 전자 전달 (Indirect electron transfer)이 있다. 간접 전자 전달 방식의 경우, 전극에서 미생물로 전자를 전달하기 위해 전자 전달 수용체 (Electron mediator)를 사용하기 때문에 전자 전달 수용체의 산화/환원 속도가 주요 요인으로 작용 (Nature, 2010, 8, 706)하는 반면, 직접 전자 전달 방식은 전극에서 미생물로 전자가 직접적으로 전달되기 때문에 전극과 미생물 사이의 상호작용이 주요 요인으로 작용하게 되는바 전극의 성능 및 표면성질이 미생물의 바이오연료 및 대사산물 생산에 가장 큰 영향을 미치게 된다.Direct electron transfer and indirect electron transfer are methods for supplying electrons from the electrode to microorganisms. In the case of the indirect electron transfer method, the oxidation / reduction rate of the electron transport receptor is a major factor because it uses an electron mediator to transfer electrons from the electrode to the microorganism ( Nature , 2010, 8, 706) On the other hand, the direct electron transfer method is a direct transfer of electrons from the electrode to the microorganism, so that the interaction between the electrode and the microorganism plays a major role. The performance and surface properties of the electrode are influenced by the biofuel and metabolite production It has a great influence.

미생물로부터 생산되는 바이오 알콜이나 아세테이트와 같은 대사산물의 생산에 영향을 미치는 주요 요인으로는 미생물의 배양 조건, 전극에서 미생물로 전기를 가해줄 때의 전압 조건, 전극의 종류 및 성질 등을 꼽을 수 있다. 특히, 전극 표면의 성질에 따라, 바이오필름(biofilm) 즉 전극 표면에 흡착되는 미생물의 양이 달라지고, 전극 표면에 미생물이 접촉되는 양에 따라 전기 공급을 통한 대사산물의 생산 효율이 달라지게 된다(Energy Environ. Sci ., 2011, 4, 4813; Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3418).The main factors influencing the production of metabolites such as bioalcohols and acetates produced from microorganisms include the culture conditions of the microorganisms, the voltage conditions for applying electricity to the microorganisms on the electrodes, and the types and properties of the electrodes . Particularly, depending on the nature of the electrode surface, the amount of microbes adsorbed on the biofilm, that is, the surface of the electrode is changed, and the production efficiency of the metabolite through the supply of electricity varies depending on the amount of contact of the microbes on the electrode surface ( Energy Environ. Sci . , 2011, 4, 4813; Energy Environ. Sci ., 2015, 8, 3418).

최근 들어 미생물로의 전자 직접전달을 통한 미생물의 대사산물 생산 증진을 위해 전극의 표면전하를 제어하는 기술에 대한 문헌보고가 이루어지고 있다. 특히 양전하를 가지고 있는 전극의 경우, 음전하를 나타내는 미생물 표면과의 정전기적 인력을 통한 전극 표면으로 미생물의 흡착을 유도하게 된다. 미생물이 전극 표면에 흡착할 경우, 전극-미생물 interface로부터 미생물로의 직접 전자 전달 효율이 향상될 수 있다는 사실은 최근 양전하를 가지는 전극 표면을 사용할 경우 미생물이 이산화탄소(CO2)를 아세테이트(acetate)로 전환시키는 양이 증가한다는 보고를 통해서 유추할 수 있다(Energy Environ. Sci ., 2013, 6, 217; J. Mater. Chem . A, 2016, 4, 8395). 그러나 에너지 산업분야에서는 바이오 연료를 생산할 수 있는 전기활성 미생물이 문헌에 제시된 표면전하 변화를 통해 CO2를 acetate로 전환할 수 있는 미생물과 동일한 성능이 나올 수 있는 가능성에 대한 보고는 없으며, 아울러 더욱 중요한 사항은 미생물의 전극 표면에 흡착량을 증가시킴과 동시에 전극으로부터 공급되는 전자를 더욱 효율적으로 전달함으로써 전자의 직접전달 확률을 높이고 궁극적으로 미생물의 대사산물 생산을 촉진시키는 연구는 보고된 바 없다. 즉, 궁극적으로 미생물의 대사산물 생산량을 향상시키기 위해서는 전극에서 공급되는 전자를 받아 대사산물을 생산할 수 있는 미생물의 흡착량을 증가시킴과 동시에 전극에서 공급된 전자를 미생물에 효율적으로 전달시켜야 하지만, 상기 2 가지 요건을 모두 만족하는 전극에 대한 연구는 현재까지 보고된바 없다.Recently, a literature has been reported on a technique for controlling the surface charge of an electrode in order to increase production of metabolites of microorganisms through electron direct transfer to microorganisms. In particular, in the case of an electrode having a positive charge, it induces the adsorption of microorganisms on the electrode surface through electrostatic attraction with the surface of the microorganism that exhibits a negative charge. If the microorganism is adsorbed to the electrode surface, the electrode-direct the fact that electron transfer efficiency can be improved when using the electrode surface with a recent positive microorganism is carbon dioxide (CO 2) from a microorganism interface with microorganisms with acetate (acetate) ( Energy Environ. Sci . , 2013, 6, 217; J. Mater. Chem . A , 2016, 4, 8395). However, in the energy industry, there is no report on the possibility that the electro-active microorganisms capable of producing biofuels can exhibit the same performance as the microorganisms capable of converting CO 2 into acetate through the surface charge changes described in the literature, There has been no report on increasing the direct delivery probability of electrons and ultimately promoting the production of metabolites of microorganisms by increasing the adsorption amount on the electrode surface of microorganisms and more efficiently delivering the electrons supplied from the electrodes. That is, in order to ultimately improve the production of metabolites of microorganisms, it is necessary to increase the adsorption amount of microorganisms capable of producing the metabolites by receiving electrons supplied from the electrodes, and to efficiently transfer the electrons supplied from the electrodes to microorganisms. No studies have been reported on electrodes that meet both requirements.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극 표면에서의 미생물 흡착량을 증가시킴과 동시에 미생물로의 효율적인 전자 전달이 가능한 바이오연료 생산용 캐소드 및 이를 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a cathode for biofuel production capable of increasing the amount of adsorbed microorganisms on the electrode surface and efficiently transferring electrons to microorganisms, And to provide a microbial electricity synthesis system for production.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

금속 필름이 코팅된 탄소 전극; 및 상기 금속 필름 표면에 도입된 아민화합물;을 포함하는 바이오연료 생산용 캐소드를 제공한다.A carbon electrode coated with a metal film; And an amine compound introduced into the surface of the metal film.

상기 금속 필름은 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택될 수 있다.The metal film may be selected from gold, silver, platinum, palladium and copper.

상기 금속 필름의 두께는 10-50 nm일 수 있다.The thickness of the metal film may be 10-50 nm.

또한, 상기 캐소드는 상기 아민화합물과 정전기적 인력으로 결합된 금속 나노입자를 더 포함할 수 있다.The cathode may further include metal nanoparticles bound to the amine compound by electrostatic attraction.

이때, 상기 금속 나노입자는 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택될 수 있다. The metal nanoparticles may be selected from gold, silver, platinum, palladium, and copper.

또한, 상기 금속 나노입자는 구형, 막대형, 와이어형, 피라미드형, 큐브형 및 프리즘형 중에서 선택될 수 있다.The metal nanoparticles may be selected from the group consisting of spherical, rod-shaped, wire-shaped, pyramid-shaped, cube-shaped and prism-shaped.

또한, 상기 금속 나노입자의 크기는 5-100 nm일 수 있다.The size of the metal nanoparticles may be 5-100 nm.

상기 탄소 전극은 흑연 펠트(graphite felt, GF), 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle) 및 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The carbon electrode may be a graphite felt (GF), a carbon cloth, a reticulated vetrous carbon, a graphite fiber fabric (GFF), a graphite particle and a carbon fiber brush a carbon fiber brush, and the like.

상기 아민화합물은 아미노알칸티올(aminoalkane thiol)(상기 알칸은 탄소수 1 내지 6임), 폴리알릴아민 염소산(poly(allylamine hydrochloride)), 폴리에틸렌이민(poly(ethyleneimine))으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The amine compound may be selected from the group consisting of aminoalkane thiol (the alkane is 1 to 6 carbon atoms), poly (allylamine hydrochloride), and polyethyleneimine (poly (ethyleneimine)) .

상기 캐소드의 표면에 흡착되는 미생물은 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1), 알파-프로테오박테리아(Alpha-proteobacteria), 베타-프로테오박테리아(Beta-proteobacteria), 델타-프로테오박테리아(Delta-proteobacteria), 클로스트리디아(Clostridia), 쉬와넬라 오네이덴시스 DSP-10(Shewanella oneidensis DSP-10), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 SR-21(Shewanella putrefaciens SR-21), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 IR-1, 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 MR-1, 지오박터 설퍼리듀센(Geobacter sulfurreducens), 지오박터 설퍼리듀센 KN400(Geobacter sulfurreducens KN400), 오크로박트럼 안트로피 YZ-1 (Ochrobactrum anthropi YZ-1), 브레비바실러스 에스피. PTH1(Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, 아에로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydrophila), 코리네박테리움 sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), 렙토드릭스 디스코포라 SP-6(Leptothrix discophora SP-6), 바실러스 리케니포르미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 써모글루코시다시우스(Bacillus thermoglucosidasius), 스피루리나 플래텐시스(Spirulina platensis), 바실러스 써브틸리스(Bacillus subtilis), 엔테로코커스 갈리나럼(Enterococcus gallinarum), 아세토박터 아세티(Acetobacter aceti), 글루코노박커 로세우스(Gluconobacter roseus), 클로스트리듐 속(clostridium sp.), 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The microorganisms adsorbed on the surface of the cathode are selected from the group consisting of Shewanella oneidensis MR-1, Alpha-proteobacteria, Beta-proteobacteria, Delta- Delta-proteobacteria, Clostridia, Shewanella oneidensis DSP-10, Shewanella putrefaciens SR-21, Geobacter sulfurreducens, Geobacter sulfurreducens KN400, Orcopyridylsulperidone KN400, Orthoquaternospora spp., And the like. Ochrobactrum anthropi YZ-1, Brevibacillus spp. PTH1 (Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, Aeromonas hydrophila, Corynebacterium sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), Leptothrix discophora SP-6, Bacillus licheniformis, Bacillus thermoglucosidasius, Spirulina plicensis Platensis, Bacillus subtilis, Enterococcus gallinarum, Acetobacter aceti, Gluconobacter roseus, clostridium sp., and Bacillus subtilis. Clostridium sp., And Clostridium sp. Strain.

상기 캐소드에 인가되는 전압은 -100 mV 내지 -1000 mV(versus Ag/AgCl)일 수 있다.The voltage applied to the cathode may be -100 mV to -1000 mV (versus Ag / AgCl).

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상기 바이오연료 생산용 캐소드와 애노드 및 상기 캐소드와 애노드의 영역을 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템을 제공한다.The present invention also provides a microorganism biosynthesis system for producing biofuels, comprising a cathode for producing biofuel, an anode, and a cation exchange membrane for separating the region of the cathode and the anode.

본 발명에 따르면, 종래 상용화된 탄소 전극 표면을 양전하를 가지는 아민화합물로 개질함으로써 전극 표면에서의 전기활성 미생물 흡착량을 향상시킴과 동시에 금속 나노입자 도입을 통해 전자 전달 효율을 향상시킴으로써 바이오부탄올, 바이오헥산올, 바이오메탄올을 비롯한 다양한 바이오연료의 생산량을 극대화시킬 수 있다.According to the present invention, the surface of a conventional carbon electrode is modified with an amine compound having a positive charge to improve the adsorption amount of electroactive microorganisms on the surface of the electrode and, at the same time, the electron transfer efficiency is improved through introduction of metal nanoparticles, It can maximize the production of various biofuels including hexanol and biomethanol.

도 1은 본 발명에 따른 바이오연료 생산용 캐소드 및 상기 캐소드에서 바이오부탄올이 생산되는 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오연료 생산용 미생물 전지합성 시스템 및 바이오연료 생산용 캐소드의 후보 물질들에 대한 개략도이다.
도 3의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 비교예에 따라 흑연펠트 캐소드를 전극으로 사용시 인가된 전압에 따른 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1 PJL23)의 흡착량을 나타낸 SEM 이미지로, (A)는 전기를 인가하지 않았을 때(NE, no electricity로 표시), (B)는 -100 mV, (C) -600 mV, and (D) -900 mV의 전압이 인가되었다(versus Ag/AgCl). 또한 (E)는 흑연펠트 캐소드의 표면에 흡착된 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 인가된 전압에 따른 세포 밀도이고, (F)는 인가 전압에 따른 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 이소부탄올 생산량을 나타낸 그래프이다. 모든 데이터는 50 시간 동안의 작업을 통해 수득하였다.
도 4의 (A)는 표면이 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(Au-GF)의 SEM 이미지이고(50 nm의 두께), (B) 내지 (D)는 다양한 유기 분자들로 개질된 표면을 가진 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극 표면에서의 이소부탄올의 전기적 합성(-600 mV)을 위해 50 시간 동안 반응기를 운전한 후의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 흡착 패턴을 보여주는 SEM 이미지이다. (B)는 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(Au-GF), (C)는 PEG 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(PEG-Au-GF), (D)는 NH2 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(NH2-Au-GF)이다. (E)는 전극 종류 별 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 표면에서의 세포 밀도를 나타내고, (F)는 전극 종류 별 이소부탄올 생산량을 나타낸다. 모든 데이터는 -600 mV에서(versus Ag/AgCl) 50시간 동안의 작업 후에 수득하였다.
도 5의 (A)는 금 나노입자(직경 15 nm)를 하루 동안 표면에 증착시킨 시스테아민-금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다. (B)는 금 나노입자 코팅 및 아민 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)의 표면에서의 이소부탄올의 전기적 합성(-600 mV)을 위해 50 시간 동안 반응기를 운전한 후의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 흡착 패턴을 보여주는 SEM 이미지이다. (C)는 흑연펠트 전극(bare GF), 아민처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(NH2-Au-GF), 금 나노입자 코팅 및 아민 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)에 -600 mV의 전압을 가한 경우(versus Ag/AgCl)와 가하지 않은 경우에서의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 이소부탄올 생산량을 비교한 그래프이고, (D)는 세 가지 전극에서의 이소부탄올 생산에 영향을 미치는 전기의 효과를 비교 분석한 그래프이다. 모든 데이터는 -600 mV에서 50시간 동안의 작업 후에 수득하였다.
1 is a schematic view showing a cathode for producing biofuel and a principle of producing biobutanol from the cathode according to the present invention.
2 is a schematic diagram of a system for synthesizing a microbial cell for producing biofuel and candidate materials for a cathode for producing biofuel according to the present invention.
3 (A) to 3 (D) are graphs showing the adsorption amounts of Shewanella oneidensis MR-1 PJL23 according to the voltage applied when the graphite felt cathode was used as an electrode according to the comparative example of the present invention (C) -600 mV, and (D) -900 mV when the electricity is not applied (indicated by NE, no electricity), (B) (Versus Ag / AgCl). (E) is the cell density according to the applied voltage of Schwannella annesiensis MR-1 adsorbed on the surface of the graphite felt cathode, and (F) is the cell density of Shwenella annesiensis MR-1 Isobutanol production. All data was obtained through working for 50 hours.
4A is a SEM image of a graphite felt cathode electrode (Au-GF) whose surface is coated with a gold film (thickness of 50 nm), and Figs. 4B to 4D are SEM images of a surface modified with various organic molecules SEM image showing the adsorption pattern of Shwonnera onensis MR-1 after 50 hours of operation of the reactor for electrical synthesis (-600 mV) of isobutanol on the surface of a graphite felt cathode coated with gold film coated with gold film to be. The (B) is a graphite felt cathode coated with a gold film electrode (Au-GF), (C ) is PEG gold film of graphite felt cathode (PEG-Au-GF) coating, (D) is NH 2 treatment gold film is coated graphite felt cathode (NH 2 -Au-GF). (E) represents the cell density at the surface of Shwonella annenidis MR-1 by electrode type, and (F) represents the isobutanol production per electrode type. All data were obtained after working for 50 hours at -600 mV (versus Ag / AgCl).
FIG. 5A is a SEM image showing the surface of a cysteamine-gold film coated graphite felt electrode (Au NPs-NH 2 -Au-GF) in which gold nanoparticles (diameter: 15 nm) to be. (B) was performed for 50 hours for electrical synthesis of isobutanol (-600 mV) on the surface of gold nanoparticle coated and amine treated gold film coated graphite felt electrodes (Au NPs-NH 2 -Au-GF) Is an SEM image showing the adsorption pattern of Schwannella onesensis MR-1 after the operation. (C) is a graphite felt electrode (bare GF), an amine-treated gold film coated graphite felt electrode (NH 2 -Au-GF), gold nanoparticles coated with the amine treatment, and a gold film coated graphite felt electrode (Au NPs- 2 is a graph comparing the isobutanol production of Schwannella annuidensis MR-1 in the case of applying a voltage of -600 mV (versus Ag / AgCl) to the NH 2 -Au-GF, Is a graph comparing the effects of electricity on the production of isobutanol in three electrodes. All data were obtained after working for 50 hours at -600 mV.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

바이오알코올을 생산하는 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1 pJL23)는 이소부탄올 생산을 위해 그들의 경로가 유전적으로 변형되어있다. 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1 pJL23)는 이소부탄올 생산을 위해 NADH의 일부를 필요로 한다. NADH 합성을 위한 전자의 일부는 글루코사민의 분해 과정 동안 획득될 수 있지만, 이소부탄올 생산을 위해서는 추가적인 전자의 공급을 필요로 한다. 상기 박테리아는 그들의 막 표면에 시토크롬 C를 가지고 있기 때문에 외부로부터 공급된 전자를 그들의 대사를 위해 전달할 수 있는 전도성을 가진다. 따라서, 상기 박테리아는 전기 공급 조건하에서 이소부탄올의 생산을 향상시킬 수 있다. 애노드에서 물이 산화되어 양자를 생성하고, 상기 생성된 양자는 캐소드 또는 박테리아로 전송되어 NADH로 변환된다. 따라서, 캐소드의 기능은 이소부탄올의 생산을 위해 매우 중요한 역할을 수행한다. 전자가 직접적으로 세포에 전달될 경우에 박테리아와 전극 사이의 상호작용은 전극을 설계하는 동안 다양한 요인들이 고려되어야만 한다.The production of bio-alcohol, Shewanella oneidensis MR-1 pJL23, is genetically altered in its pathway to produce isobutanol. Shewanella oneidensis MR-1 pJL23 requires part of NADH to produce isobutanol. Some of the electrons for NADH synthesis can be obtained during the glucosamine degradation process, but require additional electrons to produce isobutanol. Because the bacteria have cytochrome C on their membrane surface, they have the conductivity to transfer electrons supplied from outside for their metabolism. Thus, the bacteria can improve the production of isobutanol under conditions of electricity supply. At the anode, water is oxidized to produce protons and the generated protons are transferred to the cathode or bacteria and converted to NADH. Thus, the function of the cathode plays a very important role for the production of isobutanol. When the electrons are directly transferred to the cell, the interaction between the bacteria and the electrode must be considered during design of the electrode.

또한, 앞선 연구들에서 알 수 있는 바와 같이 전기활성 미생물과의 친화성을 증가시킴으로써 그들의 흡착량을 증가시키기 위해서는 전극 표면이 양전하로 개질되어야만 한다. 미생물의 흡착거동은 생산되는 생화학적 물질과 상관관계가 있으며, 박테라아 흡착에 대한 표면 전하의 효과 및 그에 의한 생화학적 물질 생산에 대한 영향은 CO2를 아세테이트로 전환시키는 Sporomusa Ovata에 의해 보고된바 있다(Energy Environ. Sci ., 2013, 6, 217; J. Mater. Chem . A, 2016, 4, 8395).In addition, as can be seen from the foregoing studies, the electrode surface must be modified to a positive charge in order to increase the affinity with the electroactive microorganism to increase their adsorption amount. Adsorption of the microorganism and thus the influence on the effect of biochemical substances produced by the surface charge of the biochemical substance and has a correlation, foil TB ah absorption that is produced is Sporomusa the conversion of CO 2 to acetate It has been reported by Ovata bar (Energy Environ Sci, 2013, 6 , 217;.... J. Mater Chem A, 2016, 4, 8395).

또한, 상기 문헌에서는 탄소 전극에서 금속층(Au, Pt, Ni) 의 첨가는 아세테이트의 생산량 증가에 효과적인 것으로 보고되었으며, 탄소나노튜브, Ni 나노와이어와 같은 나노구조물의 사용은 아세테이트 생산량 증가에 효과적인 것으로 보고되었다.In addition, it has been reported that the addition of metal layers (Au, Pt, Ni) at the carbon electrode is effective in increasing the yield of acetate, and the use of nanostructures such as carbon nanotubes and Ni nanowires is effective in increasing the yield of acetate .

이러한 기술적 배경하에서 본 발명은 전극 표면에서 미생물의 흡착량을 증가시킴과 동시에 전극에서 공급된 전자를 미생물에 효율적으로 전달시킴으로써 바이오연료의 생산을 극대화할 수 있는 바이오연료 생산용 캐소드를 제공하고자 한다.Under such technical background, the present invention provides a cathode for producing biofuel, which can maximize the production of biofuel by increasing the adsorption amount of microorganisms on the electrode surface and efficiently transferring electrons supplied from the electrode to microorganisms.

따라서, 본 발명은 금속 필름이 코팅된 탄소 전극; 및 상기 금속 필름 표면에 도입된 아민화합물을 포함하는 바이오연료 생산용 캐소드를 제공한다(도 1).Accordingly, the present invention provides a carbon electrode coated with a metal film; And an amine compound introduced into the surface of the metal film (Fig. 1).

이때, 상기 금속 필름은 전기전도성이 높은 금속 필름이라면 모두 사용가능하며 예를 들어 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택될 수 있으며, 금속 필름의 두께는 10-50 nm인 것이 바람직할 수 있다.At this time, the metal film may be any metal film having high electrical conductivity, and may be selected from gold, silver, platinum, palladium and copper, for example, and the thickness of the metal film may preferably be 10-50 nm .

또한, 상기 아민화합물 도입으로 인하여 상기 캐소드의 표면은 수용액상에서 양극을 띄게 되는바, 전극에서의 미생물 흡착을 유도할 수 있다. 이때, 상기 아민화합물은 아미노알칸티올(aminoalkane thiol)(상기 알칸은 탄소수 1 내지 6임), 폴리알릴아민 염소산(poly(allylamine hydrochloride)), 폴리에틸렌이민(poly(ethyleneimine))으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 아민화합물이 아미노알칸티올인 경우 상기 알칸은 탄소수 1 내지 6인 것이 바람직하며, 상기 알칸의 탄소수가 7 이상인 경우 알킬체인 간의 자가조립(self-assembly)에 의해 Crystalline organic phase를 형성할 가능성이 높아 전자전달능력이 급격하게 떨어지는 문제점이 있다. 이때, 상기 아미노알칸티올은 탄소수 1 내지 6인 것이 바람직한바, 예를 들어 아미노메탄티올(aminomethane thiol), 아미노에탄티올(aminoethane thiol, cysteamine), 아미노프로판티올(aminopropane thiol), 아미노부탄티올(aminobutane thiol), 아미노펜탄티올(aminopentane thiol), 아미노헥산티올(aminohexane thiol)일 수 있다.In addition, since the surface of the cathode has a positive electrode in the aqueous solution due to the introduction of the amine compound, the adsorption of microorganisms on the electrode can be induced. At this time, the amine compound may be selected from the group consisting of aminoalkane thiol (the alkane is 1 to 6 carbon atoms), poly (allylamine hydrochloride), and polyethyleneimine (poly (ethyleneimine) . When the amine compound is an aminoalkanethiol, the alkane preferably has 1 to 6 carbon atoms, and when the number of carbon atoms in the alkane is 7 or more, there is a high possibility of forming a crystalline organic phase by self-assembly among alkyl chains There is a problem that the electron-transporting ability drops sharply. At this time, the aminoalkanethiol preferably has 1 to 6 carbon atoms, and examples thereof include aminomethane thiol, aminoethane thiol, cysteamine, aminopropane thiol, aminobutane thiol, aminopentane thiol, and aminohexane thiol.

또한, 전술한 아민화합물의 도입으로 인하여 전극에서의 미생물 흡착을 유도할 수 있다 하더라도, 양전하 표면 자체가 바이오알코올과 같은 생화학 물질 생산 증가에 얼마나 많은 영향을 미치는지와 이와 더불어 외부에서 가해준 전자에 대해 양전하를 지닌 표면 자체가 미생물에 얼마나 전자를 공급하여 이로 인한 생화학 물질 생산이 이루어졌는지에 대한 충분히 확인되지 않았다. 바이오연료의 생산량 증가를 위해서는 미생물의 흡착량 증가뿐만 아니라 전극에서 공급된 전자를 미생물에 효율적으로 전달시켜야만 하는바, 본 발명에 따른 상기 캐소드는 상기 아민화합물과 정전기적 인력으로 결합된 금속 나노입자를 더 포함할 수 있다.In addition, even if the adsorption of microorganisms on the electrode can be induced by the introduction of the amine compound described above, how much the positively charged surface itself affects the increase of the production of biochemicals such as bio-alcohol, It has not been sufficiently confirmed whether the surface with a positive charge itself supplies electrons to the microorganism to produce biochemicals. In order to increase the production amount of the biofuel, it is necessary not only to increase the amount of adsorbed microorganisms but also to efficiently transfer the electrons supplied from the electrodes to the microorganisms. The cathode according to the present invention is characterized in that the metal nanoparticles bound to the amine compound by electrostatic attraction .

이때, 상기 금속 나노입자는 양전하를 가지는 전극 표면의 화합물과 정전기적 인력 혹은 배위 결합(coordination)이 가능하도록 음전하로 리간드 치환된 금속 입자라면 모두 사용 가능하며, 예를 들어 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택될 수 있다. At this time, the metal nanoparticles may be any metal particles that are negatively charged ligand-substituted to enable electrostatic attraction or coordination with a compound on the surface of the positive electrode. For example, gold, silver, platinum, palladium And copper.

또한, 상기 금속 나노입자는 상기 아민화합물에 정전기적 인력 혹은 배위결합에 의해 결합되어 미생물로 전자를 전달할 수 있는 것이라면 그 형태나 크기에 제한은 없지만, 상기 금속 나노입자는 구형, 막대형, 와이어형, 피라미드형, 큐브형 및 프리즘형 중에서 선택될 수 있으며, 크기는 5-100 nm일 수 있다.The metal nanoparticles are not limited in shape and size as long as they are capable of binding electrons to microorganisms by electrostatic attraction or coordination bonding to the amine compound. However, the metal nanoparticles may be spherical, rod-shaped, wire- , Pyramidal, cube, and prism types, and may be 5-100 nm in size.

이처럼, 본 발명에 따른 바이오연료 생산용 캐소드는 그 표면을 금속 필름, 아민화합물 및 금속 나노입자로 연속적으로 개질함으로써 전극과 미생물의 친화성 및 전자전달 능력을 모두 향상시킬 수 있는바, 하기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 바이오연료의 생산량을 극대화할 수 있다. As described above, since the cathode for producing biofuel according to the present invention can continuously improve the affinity between the electrode and the microorganism and the electron transferring ability by continuously modifying the surface thereof with a metal film, an amine compound and metal nanoparticles, As can be seen, the production of biofuels can be maximized.

또한, 상기 탄소 전극은 흑연 펠트(graphite felt, GF), 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle) 및 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The carbon electrode may be formed of graphite felt (GF), carbon cloth, reticulated vatrous carbon, graphite fiber fabric (GFF), graphite particles and carbon A carbon fiber brush, and the like.

상기 캐소드의 표면에 흡착되는 미생물은 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1), 알파-프로테오박테리아(Alpha-proteobacteria), 베타-프로테오박테리아(Beta-proteobacteria), 델타-프로테오박테리아(Delta-proteobacteria), 클로스트리디아(Clostridia), 쉬와넬라 오네이덴시스 DSP-10(Shewanella oneidensis DSP-10), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 SR-21(Shewanella putrefaciens SR-21), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 IR-1, 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 MR-1, 지오박터 설퍼리듀센(Geobacter sulfurreducens), 지오박터 설퍼리듀센 KN400(Geobacter sulfurreducens KN400), 오크로박트럼 안트로피 YZ-1 (Ochrobactrum anthropi YZ-1), 브레비바실러스 에스피. PTH1(Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, 아에로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydrophila), 코리네박테리움 sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), 렙토드릭스 디스코포라 SP-6(Leptothrix discophora SP-6), 바실러스 리케니포르미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 써모글루코시다시우스(Bacillus thermoglucosidasius), 스피루리나 플래텐시스(Spirulina platensis), 바실러스 써브틸리스(Bacillus subtilis), 엔테로코커스 갈리나럼(Enterococcus gallinarum), 아세토박터 아세티(Acetobacter aceti), 글루코노박커 로세우스(Gluconobacter roseus), 클로스트리듐 속(clostridium sp.), 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The microorganisms adsorbed on the surface of the cathode are selected from the group consisting of Shewanella oneidensis MR-1, Alpha-proteobacteria, Beta-proteobacteria, Delta- Delta-proteobacteria, Clostridia, Shewanella oneidensis DSP-10, Shewanella putrefaciens SR-21, Geobacter sulfurreducens, Geobacter sulfurreducens KN400, Orcopyridylsulperidone KN400, Orthoquaternospora spp., And the like. Ochrobactrum anthropi YZ-1, Brevibacillus spp. PTH1 (Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, Aeromonas hydrophila, Corynebacterium sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), Leptothrix discophora SP-6, Bacillus licheniformis, Bacillus thermoglucosidasius, Spirulina plicensis Platensis, Bacillus subtilis, Enterococcus gallinarum, Acetobacter aceti, Gluconobacter roseus, clostridium sp., and Bacillus subtilis. Clostridium sp., And Clostridium sp. Strain.

상기 캐소드에 인가되는 전압은 하기 실시예의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 -100 mV 내지 -1000 mV인 것이 바람직하다. The voltage applied to the cathode is preferably -100 mV to -1000 mV, as can be seen from the results of the following examples.

또한, 상기 바이오연료는 바이오연료를 생산하는 미생물의 종류에 따라 그 종류가 달라질 수 있으며, 예를 들어 바이오부탄올, 바이오헥산올 등의 탄소수가 4 이상인 고급 바이오알코올일 수 있다.In addition, the biofuel may be different depending on the type of the microorganism that produces the biofuel, and may be, for example, high-grade bio-alcohol having 4 or more carbon atoms such as biobutanol and biohexanol.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상기 바이오연료 생산용 캐소드와 애노드 및 상기 캐소드와 애노드의 영역을 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템을 제공한다(도 2).According to another aspect of the present invention, there is provided a microorganism biosynthesis system for producing biofuels comprising a cathode for producing biofuel, an anode, and a cation exchange membrane for separating the region of the cathode and the anode (Fig. 2) .

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the like. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided for further illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.

아민Amine 처리된 금 필름 코팅된 흑연 펠트(NH Treated gold film coated graphite felt (NH 22 -Au--Au- GFGF ) ) 캐소드의Cathode 제조 Produce

NH2-Au-GF 캐소드는 다음과 같은 순서로 제조하였다. 우선 상용화된 graphite felt를 3 cm × 6 cm 직사각형으로 규격으로 자른 후 E-beam evaporator를 이용해 graphite felt의 양면을 금으로 코팅하였다. 코팅두께는 10 nm이며 두께는 평면의 실리콘 기판 위에 쌓인 두께로부터 계산하였다. Graphite felt 위에 코팅된 금 필름은 5A에서 보는 바와 같이 50 nm크기의 나노섬(island) 형태를 띄고 있음을 확인하였다. 나노섬 모양의 금을 graphite felt 표면에 코팅 후 전극을 2 mM의 cysteamine 에탄올 용액에 저온에서 담가 3 일동안 반응을 유도하여 NH2-Au-GF 캐소드를 제조하였으며, 상기 반응이후 순수한 에탄올로 2-3번 행군 후 상온에서 잔류용매를 증발시켜 건조하고 사용 전까지 상온에서 보관하였다.The NH 2 -Au-GF cathodes were prepared in the following sequence. First, commercialized graphite felt was cut into 3 cm × 6 cm rectangle and coated with gold on both sides of graphite felt using E-beam evaporator. The coating thickness was 10 nm and the thickness was calculated from the thickness deposited on the planar silicon substrate. The gold film coated on the graphite felt has a 50 nm-sized nano island shape as shown at 5A. Nano-islands of gold were coated on the surface of the graphite felt, and the electrode was immersed in 2 mM cysteamine ethanol solution at low temperature to induce the reaction for 3 days to prepare the NH 2 -Au-GF cathode. After the reaction, After the third march, the residual solvent was evaporated at room temperature and dried and stored at room temperature until use.

금 나노입자 코팅 및 Gold nanoparticle coating and 아민Amine 처리된 금 필름 코팅된 흑연 펠트(Au  Treated gold film coated graphite felt (Au NPsNPs -NH-NH 22 -Au-GF) 캐소드의 제조:-Au-GF) < / RTI > Cathode:

전술한 Cysteamine으로 표면이 개질된 NH2-Au-GF 전극을 시트르산(citric acid)으로 표면이 안정화된 금 나노입자(구경 15 nm)수분산액에 1 일동안 처리하여 cysteamine 처리된 전극과 금 나노입자간의 정전기적 인력을 통해 금 나노입자가 전극 표면에 흡착이 될 수 있도록 유도함으로써 Au NPs-NH2-Au-GF 캐소드를 제조하였다. 상기 제조된 캐소드를 나노입자 수용액에서 꺼낸 후 상온에서 건조한 후 사용 전까지 상온에서 보관하였다.The NH 2 -Au-GF electrode surface-modified with cysteamine as described above was treated for 1 day with surface-stabilized gold nanoparticle (15 nm diameter) aqueous dispersion with citric acid, and cysteamine-treated electrode and gold nanoparticle Au NPs-NH 2 -Au-GF cathodes were prepared by inducing gold nanoparticles to adsorb onto the electrode surface through electrostatic attraction between the electrodes. The prepared cathode was taken out from the aqueous solution of nanoparticles, dried at room temperature, and stored at room temperature until use.

PEG 처리된 금 필름 코팅된 흑연 펠트(PEG-Au-PEG-treated gold film coated graphite felt (PEG-Au- GFGF ) ) 캐소드의Cathode 제조  Produce

Graphite felt를 전술한 방법과 동일하게 E-beam evaporator를 이용하여 금 필름으로 코팅한 후, 금 코팅된 graphite felt 전극을 1 mM methoxy-terminated poly(ethylene glycol)-SH (수평균분자량 5000 g/mol) 수용액에 담가 3 일동안 반응을 저온에서 유도함으로써 PEG-Au-GF 캐소드를 제조하였다. 반응 후 순수한 물(deionized water)로 2-3번 행군 후 상온에서 건조시키고, 사용 전까지 상온에서 보관하였다.The graphite felt was coated with a gold film using an E-beam evaporator in the same manner as described above. The gold coated graphite felt electrode was immersed in a 1 mM methoxy-terminated poly (ethylene glycol) -SH (number average molecular weight 5000 g / mol ) Aqueous solution to induce the reaction at a low temperature for 3 days to prepare a PEG-Au-GF cathode. After the reaction, the cells were rinsed with deionized water 2-3 times, dried at room temperature, and stored at room temperature until use.

미생물 배양 및 전기화학 실험 및 Microbial cultivation and electrochemical experiments and isobutanol의isobutanol 분석  analysis

(1) 미생물 반응기(미생물 (1) Microbial reactor (Microorganism 전기합성Electrical synthesis 시스템)의 구성 System)

전극이 장착되어 있는 미생물 반응기는 Pyrex 재질의 유리로 H형으로 제작되어 양극과 음극부분으로 분리하였다(도 2). 반응기는 300 mL 배양액을 포함할 수 있으며, 애노드(Anode) 부분은 백금이 코팅되어져 있는 상용화된 carbon cloth를 사용하였고, 캐소드는 전술한 방법을 통해 제조된 3 cm × 6 cm 크기의 전극들 즉 상용화된 graphite felt(bare GF), Au-GF, NH2-Au-GF, PEG-Au-GF, Au NPs-NH2-Au-GF를 사용하였다.The microbial reactor equipped with electrodes was made of Pyrex glass and made into H-type and separated into anode and cathode parts (FIG. 2). The reactor may include a 300 mL culture, a commercially available carbon cloth having an anode portion coated with platinum, and a cathode having a size of 3 cm x 6 cm manufactured by the method described above, that is, a graphite felt (bare GF), Au -GF, NH 2 -Au-GF, PEG-Au-GF, Au NPs-NH 2 -Au-GF was used.

(2) 미생물의 배양(2) Culture of microorganisms

전술한 바와 같이 본 발명에서는 캐소드 전극의 표면에 흡착되어 전극으로부터 전자를 공급받아 바이오알코올 등의 바이오연료를 생산할 수 있는 미생물이라면 모두 사용가능하며, 본 실시예에서는 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1/pJL23을 사용하였다. 상기 균주는 2 wt% n-acetylglucosamine, 1.5 wt% sodium pyruvate, 2 wt% sodium lactate, 0.1 wt% yeast extract 이 포함된 M9 minimal media에서 배양 온도 30 ℃의 조건으로 배양하였다. As described above, in the present invention, any microorganism that is adsorbed on the surface of the cathode electrode and is capable of producing biofuel such as bioalcohol by receiving electrons from the electrode can be used. In this embodiment, Shwonella oenadicis MR-1 / pJL23 was used. The strain was cultured in M9 minimal media containing 2 wt% n-acetylglucosamine, 1.5 wt% sodium pyruvate, 2 wt% sodium lactate and 0.1 wt% yeast extract at a culture temperature of 30 ° C.

반응기에 상기 성분이 포함된 M9 minimal media에 미리 항온조에서 배양된 Shewanella oneidensis MR-1/pJL23을 일정량 접종한 후 30 ℃ 항온과 일정속도의 교반을 유지하면서(200 rpm) 반응기를 50 시간에서 96시간까지 작동시켰다. 반응기 작동중 -0.1 V 내지 -0.9 V의 전압을 인가하였으며, 전압인가를 위해 사용된 장치는 potentiostat/galvanostat (원아테크, 대한민국)이다. 전압을 인가하며 반응을 하는 동안 전류의 변화를 함께 관찰하였다.In the reactor, a certain amount of Shewanella oneidensis MR-1 / pJL23 cultured in a thermostat was preliminarily inoculated to M9 minimal media containing the above components, and the reactor was maintained at 30 ° C and constant speed (200 rpm) for 50 hours to 96 hours Lt; / RTI > During the operation of the reactor, a voltage of -0.1 V to -0.9 V was applied, and the device used for voltage application was potentiostat / galvanostat (WonAe Tek, Korea). The voltage was applied and the change of the current was observed during the reaction.

이소부탄올Isobutanol (( IsobutanolIsobutanol ) 농도 분석) Concentration analysis

반응을 통해 생성되는 바이오연료인 이소부탄올의 농도는 gas chromatography (Agilent, CA, USA)를 이용하여 측정하였다. 미생물 반응기에서 반응 종료 후 이소부탄올이 포함되어 있는 1 mL의 배양액을 채취해서 1 mL의 클로로폼(chloroform)에 10 초 동안 혼합한 후 클로로폼 상을 배양액 상과 분리한 후 이를 Na2SO4가 포함된 깨끗한 borosilicate 유기 튜브에 옮겼다. Autosampler에 옮겨진 sample은 1 ㎕를 취해 가스 크로마토그래피에 장착되어 있는 fused silica capillary column (Supelco SPB-5, 30 m 9 0.32 mm, i.d. 0.25 lm film) 에 헬륨가스가 흐르는 환경하에 주입하였다. 이때, 상기 주입구는 섭씨 250 ℃로 유지시켰으며, 분석시 오븐은 40 ℃에서 5분 유지하다가 분당 20 도의 속도로 220 ℃까지 가열시킨 후 220도에서 5 분 동안 유지하도록 하였다. 이소부탄올에 해당되는 peak 는 flame ionization detector를 이용하여 감지하였다.The concentration of isobutanol, a biofuel produced through the reaction, was measured by gas chromatography (Agilent, CA, USA). After completion of the reaction in the microbial reactor, 1 mL of the culture containing isobutanol was sampled and mixed in 1 mL of chloroform for 10 seconds. The chloroform phase was separated from the culture supernatant, and then Na 2 SO 4 Transferred to a clean borosilicate organic tube containing. The sample transferred to the autosampler was injected under a flow of helium gas through a fused silica capillary column (Supelco SPB-5, 30 m 9, 0.32 mm, id 0.25 lm film) equipped with gas chromatography. At this time, the injection port was maintained at 250 ° C. During the analysis, the oven was kept at 40 ° C for 5 minutes, heated to 220 ° C at 20 ° C per minute, and maintained at 220 ° C for 5 minutes. Peaks corresponding to isobutanol were detected using a flame ionization detector.

결과result

하기 도 3의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 비교예에 따라 흑연펠트 캐소드를 전극으로 사용시 인가된 전압에 따른 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1 PJL23)의 흡착량을 나타낸 SEM 이미지로, (A)는 전기를 가하지 않았을때(NE로 표시), (B)는 -100 mV, (C) -600 mV, and (D) -900 mV의 전압이 인가되었다(versus Ag/AgCl). 또한 (E)는 흑연펠트 캐소드의 표면에 흡착된 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 인가된 전압에 따른 세포 밀도이고, (F)는 인가 전압에 따른 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 이소부탄올 생산량을 나타낸 그래프이다. 모든 데이터는 50 시간 동안의 작업을 통해 수득하였다.3 (A) to 3 (D) are graphs showing the adsorption of Shewanella oneidensis MR-1 PJL23 according to the voltage applied when the graphite felt cathode is used as an electrode according to the comparative example of the present invention (A) was applied with a voltage of -100 mV, (C) -600 mV, and (D) -900 mV when no electricity was applied (indicated by NE) versus Ag / AgCl). (E) is the cell density according to the applied voltage of Schwannella annesiensis MR-1 adsorbed on the surface of the graphite felt cathode, and (F) is the cell density of Shwenella annesiensis MR-1 Isobutanol production. All data was obtained through working for 50 hours.

도 3에 나타난 바와 같이 대부분의 전극에 전압을 인가할 경우 전압을 가하지 않고 반응기를 운전하였을 경우보다 전극에 흡착되어 있는 미생물의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 과도한 전압을 가할 경우 오히려 흡착량이 감소한다는 것을 확인하였다. 이소부탄올 생산량 또한 가해준 전압에 따라 달라지는 것을 알 수 있는데, 흥미롭게도 상기 이소부탄올 생산량은 전극에 흡착되어 있는 미생물의 흡착량과 상관관계가 있다는 것을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 본 발명에 사용된 미생물의 표면에 전자를 수용할 수 있는 단백질이 (cytochrome; Fe가 포함되어 있음) 존재하기 때문에 전극에 흡착된 미생물의 흡착량이 증가할 수록 전극과의 많은 접촉으로 인하여 이소부탄올 생산에 필요한 전자를 많이 획득할 수 있기 때문임을 추측할 수 있다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이 전극에 인가되는 전압이 -600 mV일 경우(versus Ag/AgCl) 미생물의 흡착량이 최대가 되며, 이로 인하여 이소부탄올 생산량 또한 최대가 됨을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, when the voltage was applied to most of the electrodes, it was confirmed that the amount of microorganisms adsorbed on the electrode was increased compared with the case where the reactor was operated without applying voltage. However, when the voltage was excessively applied, . It can be seen that the production of isobutanol varies depending on the applied voltage. Interestingly, it can be seen that the production of isobutanol is correlated with the amount of adsorbed microorganisms on the electrode. As described above, since a protein capable of accepting electrons (containing Fe) is present on the surface of the microorganism used in the present invention, as the amount of adsorbed microorganisms on the electrode increases, It is possible to obtain a large amount of electrons necessary for the production of isobutanol. In addition, as shown in FIG. 3, when the voltage applied to the electrode is -600 mV (versus Ag / AgCl), the amount of adsorbed microorganisms is maximized, and thus the production of isobutanol is also maximized.

도 4의 (A)는 표면이 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(Au islands-GF)의 SEM 이미지이고(10 nm의 두께로 코팅), (B) 내지 (D)는 다양한 유기 분자들로 개질된 표면을 가진 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극 표면에서의 이소부탄올의 전기적 합성을 위해 -600 mV에서(versus Ag/AgCl) 50 시간 동안 반응기를 운전한 후의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 흡착 패턴을 보여주는 SEM 이미지이다. (B)는 금 필름으로 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(Au-GF), (C)는 PEG 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(PEG-Au-GF), (D)는 NH2 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 캐소드 전극(NH2-Au-GF)이다. (E)는 전극 종류 별 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 표면에서의 세포 밀도를 나타내고, (F)는 전극 종류 별 이소부탄올 생산량을 나타낸다. 모든 데이터는 -600 mV(versus Ag/AgCl)에서 50시간 동안의 작업 후에 수득하였다.4A is an SEM image of a graphite felt cathode electrode (Au islands-GF) whose surface is coated with a gold film (coated to a thickness of 10 nm), and Figs. 4B to 4D show various organic molecules After the reactor was operated for 50 hours at -600 mV (versus Ag / AgCl) for electrical synthesis of isobutanol on the surface of a graphite felt cathode coated with a gold film with a modified surface, the Shwonella oenidensis MR- 1 < / RTI > The (B) is a graphite felt cathode coated with a gold film electrode (Au-GF), (C ) is PEG gold film of graphite felt cathode (PEG-Au-GF) coating, (D) is NH 2 treatment gold film is coated graphite felt cathode (NH 2 -Au-GF). (E) represents the cell density at the surface of Shwonella annenidis MR-1 by electrode type, and (F) represents the isobutanol production per electrode type. All data were obtained after working for 50 hours at -600 mV (versus Ag / AgCl).

도 4에 나타난 바와 같이 전극의 표면 조건에 따라 미생물의 흡착량 및 흡착 형태가 매우 달라짐을 확인할 수 있다. 순수히 금 필름만 코팅된 경우 bare GF와 비교시 흡착 거동이나 흡착량에는 큰 차이를 보이지 않은 것으로 보이나 실제 이소부탄올 생산량에 있어서는 5.8 mg/L에서 9.0 mg/L로 대폭 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 반응이 진행되는 동안 두 전극의 평균전류량(=시간에 따른 전하의 양과 상관관계가 있음, 즉 단위 시간당 전자를 얼마나 공급할 수 있느냐 하는 전류밀도와 관계됨)의 차이는 graphite felt의 경우 -38.7± 3.55 μA이며 Au-GF의 경우 -44.18± 6.25 μA인 것으로 나타났다. 이는 일정전압이 인가된 조건하에서 미생물의 흡착량뿐 아니라 전극에 흐르는 전류량(혹은 전극 표면의 화학종)도 미생물의 이소부탄올 생산량에 영향을 미친다는 것을 암시한다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the amount of adsorbed microorganisms and the adsorbed morphology vary greatly depending on the surface conditions of the electrode. When pure gold film alone was coated, there was no significant difference in adsorption behavior or adsorption amount when compared with bare GF, but the amount of isobutanol production was significantly increased from 5.8 mg / L to 9.0 mg / L. Also, the difference between the average currents of the two electrodes during the reaction (= relative to the amount of charge over time, ie, the current density of how much electrons can be supplied per unit time) ± 3.55 μA for Au-GF and -44.18 ± 6.25 μA for Au-GF. This implies that not only the adsorption amount of microorganisms but also the amount of current flowing through the electrodes (or chemical species on the surface of the electrode) under the condition of constant voltage application affects the amount of isobutanol production of microorganisms.

또한, 금 필름이 코팅된 graphite felt 표면에 다양한 유기 화합물로 처리할 경우 전극의 표면 성질이 변화함으로써 미생물이 전극에 흡착되는 양이 달라짐을 확인하였다. 표면이 mPEG-SH로 개질된 PEG-Au-GF의 경우 미생물의 흡착량이 거의 관찰되지 않는 것을 알 수 있었고 표면이 cysteamine으로 처리된 NH2-Au-GF의 경우 미생물의 흡착량이 증가할 뿐만 아니라 다른 전극들에서는 관찰되지 않았던 전극 표면에 필름이 형성되는 것을 확인하였다. 두 전극의 전류량은 Au-GF 보다 감소하였는데 PEG-Au-GF는 -42.01 ± 5.97 μA 이며 NH2-Au-GF는 -37.25 ± 5.36 μA으로 유기막이 전극 표면에 형섬됨으로써 전극표면에 전달되는 전류량이 감소한다는 것을 알 수 있었다. 흥미로운 사실은 이소부탄올 생산량은 PEG-Au-GF의 경우 6.95mg/L, NH2-Au-GF의 경우 13.94 mg/L를 나타내었는바 같은 금 필름이 코팅된 전극 내에서 비교시 미생물의 생산량은 전류량보다는 미생물의 흡착 거동에 더 많은 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 이는 도 3에서 보는 바와 같이 bare graphite의 경우도 동일하였다.In addition, it was confirmed that when the surface of the graphite felt coated with gold film was treated with various organic compounds, the surface property of the electrode was changed and the amount of microorganisms adsorbed on the electrode was changed. In the case of PEG-Au-GF modified with mPEG-SH surface, the amount of adsorbed microorganisms was not observed. NH 2 -Au-GF treated with cysteamine on the surface increased the amount of adsorbed microorganisms. It was confirmed that a film was formed on the surface of the electrode which was not observed in the electrodes. The amount of current in the two electrodes was reduced compared to Au-GF. PEG-Au-GF was -42.01 ± 5.97 μA and NH 2 -Au-GF was -37.25 ± 5.36 μA. . Interestingly, the yield of isobutanol production was 6.95 mg / L for PEG-Au-GF and 13.94 mg / L for NH 2 -Au-GF. It is confirmed that the adsorption behavior of microorganisms is more influenced than the current amount. As shown in FIG. 3, the same was true for bare graphite.

도 5의 (A)는 금 나노입자(직경 15 nm)를 하루 동안 표면에 증착시킨 시스테아민-금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다. (B)는 금 나노입자 코팅 및 아민 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)의 표면에서의 이소부탄올의 전기적 합성(-600 mV)을 위해 50 시간 동안 반응기를 운전한 후의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 흡착 패턴을 보여주는 SEM이미지이다. (C)는 흑연펠트 전극(bare GF), 아민처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(NH2-Au-GF), 금 나노입자 코팅 및 아민 처리된 금 필름 코팅된 흑연펠트 전극(Au NPs-NH2-Au-GF)에 -600 mV의 전압을 가한 경우와 가하지 않은 경우에서의 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1의 이소부탄올 생산량을 비교한 그래프이고, (D)는 세 가지 전극에서의 이소부탄올 생산에 영향을 미치는 전기의 효과를 비교 분석한 그래프이다. 모든 데이터는 -0.6 V에서 50시간 동안의 작업 후에 수득하였다.FIG. 5A is a SEM image showing the surface of a cysteamine-gold film coated graphite felt electrode (Au NPs-NH 2 -Au-GF) in which gold nanoparticles (diameter: 15 nm) to be. (B) was performed for 50 hours for electrical synthesis of isobutanol (-600 mV) on the surface of gold nanoparticle coated and amine treated gold film coated graphite felt electrodes (Au NPs-NH 2 -Au-GF) Is an SEM image showing the adsorption pattern of Schwannella onesensis MR-1 after the operation. (C) is a graphite felt electrode (bare GF), an amine-treated gold film coated graphite felt electrode (NH 2 -Au-GF), gold nanoparticles coated with the amine treatment, and a gold film coated graphite felt electrode (Au NPs- NH 2 -Au-GF) with or without a voltage of -600 mV, and (D) is a graph comparing the isobutanol production of Schwannella onesensis MR-1 This is a comparative analysis of the effects of electricity on isobutanol production. All data were obtained after 50 hours of operation at -0.6 V.

도 4를 통해 미생물의 흡착량 증가로 인해서 이소부탄올 생산량이 증가하기는 하지만 전극 표면에 유기막의 코팅으로 인해 평균 전류량이 저하되고 이로 인해 미생물의 이소부탄올 생산량이 저하될 가능성이 있음이 의심되었다. 이러한 가설을 검증하기 위하여 NH2-Au-GF 표면 위에 금 나노입자 (구경 15 nm)를 정전기적 인력을 통해 흡착시켜 Au NPs-NH2-Au-GF 전극을 제조하였으며, 도 5A에 보는 바와 같이 금 나노입자가 부분적으로 금 필름 위에 흡착되어 있는 것을 확인하였다. 이처럼, 금 나노입자를 부분적으로 흡착시킨 이유는 금 필름 표면에 개질되어 있는 NH2가 계속 표면에 노출되어 미생물이 전극 표면에 많이 흡착될 수 있도록 유도하고, 흡착이 된 후 금 나노입자가 표면에 존재함으로써 전자를 신속하게 미생물로 전달될 수 있도록 하기 위함이다. 실제로 금 나노입자로 표면이 일부 개질된 후 평균 전류값은 -45.96 ± 3.97 μA 으로 금 나노섬에 유기물로 개질하기 전인 Au-GF의 평균 전류값 -44.18± 6.25 μA과 거의 유사한 것을 확인하였다. 아울러 부분적으로 금 나노입자가 코팅됨으로써 미생물의 흡착 거동에는 아무런 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다(도 5B). 표면이 다양하게 제조된 전극에 전압을 인가함으로 인해 미생물이 이소부탄올을 생산하는 능력의 차이를 관찰하기 위해 전압을 가하지 않았을 때의 이소부탄올 생산량을 측정하여 비교 관찰한 결과 bare graphite (전압인가 전:3.1 → 전압인가 후: 5.9 mg/L)와 NH2-Au-GF(전압인가 전: 10.9→ 전압인가 후:13.5 mg/L) 의 경우 유사한 증가폭을 보이는 반면 Au NPs-NH2-Au-GF의 경우 전압인가 전 12.3 mg/L에서 전압인가 후 27.3 mg/L로 증가폭이 매우 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 알 수 있는 사실은 첫째, 전극 표면에 노출된 금속 성분, 표면성질의 변화 자체만으로도 전기를 인가하지 않고도 이소부탄올 생산량에 많은 영향을 미칠 수 있다는 것이며 둘째, 금 나노입자가 전극 표면에 개질됨으로 인해 전압 인가에 대한 미생물의 이소부탄올 생산량 증가 효과가 크게 증가한다는 것을 확인하였다. FIG. 4 shows that although the isobutanol production is increased due to the increase in the amount of adsorbed microorganisms, it is suspected that there is a possibility that the average current amount decreases due to the coating of the organic film on the surface of the electrode, thereby lowering the production of isobutanol of the microorganism. To verify this hypothesis, Au NPs-NH 2 -Au-GF electrodes were prepared by adsorbing gold nanoparticles (15 nm in diameter) on the surface of NH 2 -Au-GF through electrostatic attraction. As shown in FIG. 5A It was confirmed that the gold nanoparticles were partially adsorbed on the gold film. The reason why the gold nanoparticles are partially adsorbed is that the NH 2 that has been modified on the surface of the gold film is continuously exposed to the surface to induce the microorganisms to be adsorbed on the surface of the electrode. After the gold nanoparticles are adsorbed, So that the electron can be rapidly transferred to the microorganism by the presence thereof. In fact, after the surface modification with gold nanoparticles, the average current value was found to be -45.96 ± 3.97 μA, which was almost similar to the average current value of Au-GF before Au-GF reforming to organisms in gold nano-island -44.18 ± 6.25 μA. In addition, it was confirmed that coating of the gold nanoparticles partially does not affect the adsorption behavior of microorganisms (FIG. 5B). In order to observe the difference in the ability of microorganisms to produce isobutanol by applying a voltage to electrodes having various surfaces, the amount of isobutanol produced when no voltage was applied was measured and compared with that of bare graphite (before voltage application: 3.1 → voltage is then: 5.9 mg / L) and NH 2 -Au-GF (voltage application before: 10.9 → voltage is then: on the other hand exhibit similar growth rate for 13.5 mg / L) Au NPs- NH 2 -Au-GF , It was confirmed that the increase was remarkably increased to 27.3 mg / L after voltage application at 12.3 mg / L before voltage application. The fact that the change of the surface of the metal surface exposed to the surface of the electrode itself can have a significant effect on the production of isobutanol without applying electricity is also known as the first fact. Second, the gold nanoparticles are modified on the electrode surface It was confirmed that the effect of increasing microbial production of isobutanol on voltage application was greatly increased.

결과적으로 도 5에 나타난 바와 같이 bare GF를 사용하면 약 3 mg/L(2.9-5.8 mg/L)의 이소부탄올이 생산되며, NH2-Au-GF를 사용하면 10-13 mg/L의 이소부탄올이 생산되어 생산량이 크게 증가하고, Au NPs-NH2-Au-GF 전극을 사용할 경우에는 13-27.5 mg/L로 생산량이 더욱 크게 증가함을 확인하였다. 이를 통해 Au NPs-NH2-Au-GF 전극을 사용시 bare GF에 비해 4 배 이상, NH2-Au-GF에 비해 2배 이상 이소부탄올 생산량이 증가함을 확인하였다. 또한, 96시간 동안 장기 운전시 생산량은 79.6 mg/L로 더욱 크게 증가함을 확인하였다. As a result, as shown in FIG. 5, iso-butanol is produced at about 3 mg / L (2.9-5.8 mg / L) using bare GF and iso-butanol at 10-13 mg / L using NH 2 -Au- Butanol production was significantly increased and the yield was increased to 13-27.5 mg / L when using the Au NPs-NH 2 -Au-GF electrode. This was confirmed that the isobutanol production more than doubled as compared to at least 4 times higher than the Au NPs-NH 2 -Au-GF electrode, in use bare GF, NH 2 -Au-GF . Also, it was confirmed that the production amount during long-term operation for 96 hours was further increased to 79.6 mg / L.

결론적으로, 금 나노입자가 부분적으로 표면에 코팅됨으로 인해 전극 표면의 전류값이 증가하는 이유는 금 나노입자가 전극에서부터 공급된 전자를 효과적으로 전달할 수 있는 능력 때문이다. 그러나 이러한 금 나노입자의 전기화학 반응에서 효과적으로 전자를 외부로 공급하거나 외부에서 생산된 전자를 전극으로 전달하는 능력이 미생물 내로 효과적으로 전자를 전달할 수 있는지에 대해서는 알려지지 않았던바, 본 발명은 전극 표면에 개질된 금 나노입자가 미생물 내로 전자를 효과적으로 전달하고 이로 인해 미생물의 이소부탄올 생산량 증가에 큰 영향을 미친다는 사실을 규명하였으며, 이를 통해 전기를 공급하면서 미생물의 대사산물을 생산하는 시스템에 필요한 최적화된 전극을 제공할 수 있다는 점에 큰 의의가 있다.As a result, the reason why the current value of the electrode surface is increased due to the partial coating of the gold nanoparticles on the surface is due to the ability of the gold nanoparticles to effectively transfer the electrons supplied from the electrodes. However, it has not been known whether the ability of effectively supplying electrons to the outside in the electrochemical reaction of gold nanoparticles or transferring electrons produced from the outside to the electrodes can effectively transfer electrons into the microorganisms. It was found that gold nanoparticles effectively transfer electrons into microorganisms and thus have a great influence on the increase of isobutanol production of microorganisms. Thus, it was found that the optimized electrode required for a system for producing microbial metabolites by supplying electricity It is of great significance to be able to provide.

Claims (12)

금속 필름이 코팅된 탄소 전극;
상기 금속 필름 표면에 도입되어 양전하를 띄는 아민화합물; 및
상기 아민화합물과 정전기적 인력으로 결합된, 음전하로 리간드 치환된 금속 나노입자;
를 포함하며,
상기 금속 나노입자는 상기 금속 필름 상에 부분적으로 흡착되어 있는 바이오연료 생산용 캐소드.
A carbon electrode coated with a metal film;
An amine compound introduced into the surface of the metal film and positively charged; And
Negatively charged ligand-substituted metal nanoparticles bound to the amine compound by electrostatic attraction;
/ RTI >
Wherein the metal nanoparticles are partially adsorbed on the metal film.
제1항에 있어서,
상기 금속 필름은 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the metal film is selected from gold, silver, platinum, palladium and copper.
제1항에 있어서,
상기 금속 필름의 두께는 10-50 nm인 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the metal film has a thickness of 10-50 nm.
제1항에 있어서,
상기 바이오연료는 이소부탄올인 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the biofuel is isobutanol.
제4항에 있어서,
상기 금속 나노입자의 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐 및 구리 중에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
5. The method of claim 4,
Wherein the metal of the metal nanoparticles is selected from gold, silver, platinum, palladium and copper.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 구형, 막대형, 와이어형, 피라미드형, 큐브형 및 프리즘형 중에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the metal nanoparticles are selected from the group consisting of spherical, rod-shaped, wire-shaped, pyramid-shaped, cube-shaped and prism-shaped.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자의 크기는 5-100 nm인 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the metal nanoparticles have a size of 5-100 nm.
제1항에 있어서,
상기 탄소 전극은 흑연 펠트(graphite felt, GF), 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle) 및 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush)로 이루어진 군에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
The carbon electrode may be a graphite felt (GF), a carbon cloth, a reticulated vetrous carbon, a graphite fiber fabric (GFF), a graphite particle and a carbon fiber brush and a carbon fiber brush.
제1항에 있어서,
상기 아민화합물은 아미노알칸티올(aminoalkane thiol)(상기 알칸은 탄소수 1 내지 6임), 폴리알릴아민 염소산(poly(allylamine hydrochloride)), 폴리에틸렌이민(poly(ethyleneimine))으로 이루어진 군에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
The amine compound may be selected from the group consisting of aminoalkane thiol (the alkane is 1 to 6 carbon atoms), poly (allylamine hydrochloride), and polyethyleneimine (poly (ethyleneimine) Production cathode.
제1항에 있어서,
상기 캐소드의 표면에 흡착되는 미생물은 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1), 알파-프로테오박테리아(Alpha-proteobacteria), 베타-프로테오박테리아(Beta-proteobacteria), 델타-프로테오박테리아(Delta-proteobacteria), 클로스트리디아(Clostridia), 쉬와넬라 오네이덴시스 DSP-10(Shewanella oneidensis DSP-10), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 SR-21(Shewanella putrefaciens SR-21), 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 IR-1, 쉬와넬라 퓨트레패시엔스 MR-1, 지오박터 설퍼리듀센(Geobacter sulfurreducens), 지오박터 설퍼리듀센 KN400(Geobacter sulfurreducens KN400), 오크로박트럼 안트로피 YZ-1 (Ochrobactrum anthropi YZ-1), 브레비바실러스 에스피. PTH1(Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, 아에로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydrophila), 코리네박테리움 sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), 렙토드릭스 디스코포라 SP-6(Leptothrix discophora SP-6), 바실러스 리케니포르미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 써모글루코시다시우스(Bacillus thermoglucosidasius), 스피루리나 플래텐시스(Spirulina platensis), 바실러스 써브틸리스(Bacillus subtilis), 엔테로코커스 갈리나럼(Enterococcus gallinarum), 아세토박터 아세티(Acetobacter aceti), 글루코노박커 로세우스(Gluconobacter roseus), 클로스트리듐 속(clostridium sp.), 클로스트리듐 속(Clostridium sp.) 균주로 이루어진 군에서 선택되는 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
The microorganisms adsorbed on the surface of the cathode are selected from the group consisting of Shewanella oneidensis MR-1, Alpha-proteobacteria, Beta-proteobacteria, Delta- Delta-proteobacteria, Clostridia, Shewanella oneidensis DSP-10, Shewanella putrefaciens SR-21, Geobacter sulfurreducens, Geobacter sulfurreducens KN400, Orcopyridylsulperidone KN400, Orthoquaternospora spp., And the like. Ochrobactrum anthropi YZ-1, Brevibacillus spp. PTH1 (Brevibacillus sp. PTH1), E. coli K12 HB101, Aeromonas hydrophila, Corynebacterium sp. MFC03 (Corynebacterium sp. MFC03), Leptothrix discophora SP-6, Bacillus licheniformis, Bacillus thermoglucosidasius, Spirulina plicensis Platensis, Bacillus subtilis, Enterococcus gallinarum, Acetobacter aceti, Gluconobacter roseus, clostridium sp., and Bacillus subtilis. A Clostridium sp. Strain; and a cathode for producing biofuel.
제1항에 있어서,
상기 캐소드에 인가되는 전압은 -100 mV 내지 -1000 mV(versus Ag/AgCl)인 바이오연료 생산용 캐소드.
The method according to claim 1,
Wherein the voltage applied to the cathode is -100 mV to -1000 mV (versus Ag / AgCl).
제1항의 바이오연료 생산용 캐소드와 애노드 및 상기 캐소드와 애노드의 영역을 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 바이오연료 생산용 미생물 전기합성 시스템.A microorganism electrochemical synthesis system for producing biofuels according to claim 1, comprising a cathode for producing biofuel, an anode, and a cation exchange membrane for separating the region of the cathode and the anode.
KR1020160124025A 2016-09-27 2016-09-27 Cathode for production of biofuel, and microbial electrosynthesis system for production of biofuel comprising the same KR101892982B1 (en)

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