KR102447577B1

KR102447577B1 - 바이오디젤 공정 폐수에서 수소와 전기의 동시 생산 방법

Info

Publication number: KR102447577B1
Application number: KR1020200156396A
Authority: KR
Inventors: 이정걸; 사나트콘다비티; 이영준; 주지봉
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-09-27
Also published as: KR20210062581A

Abstract

본 발명은 바이오디젤 공정 폐수에서 수소와 전기를 동시에 생산하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법에 따르면, 폐글리세롤을 포함하는 바이오디젤 공정 폐수를 혐기성 암발효 및 미생물 연료 전지를 사용하고, 상기 미생물 연료 전지에 전압을 인가할 경우, 바이오디젤 공정 폐수에 포함된 COD(chemical oxygen demand)를 제거할 수 있고, 수소 및 전기를 동시에 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오디젤 공정 폐수에서 수소와 전기의 동시 생산 방법{A method of simultaneously producing hydrogen and electricity from biodiesel process wastewater}

본 발명은 바이오디젤 공정 폐수에서 수소와 전기를 동시에 생산하는 방법에 관한 것이다.

화석 연료의 제한된 매장량에 따라, 전세계적으로 이를 대체할 친환경적 에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 추세에 따라 바이오 디젤 산업이 크게 성장하고 있다. 바이오 디젤 시장이 성장할수록, 그 부산물 중 하나인 폐글리세롤(crude glycerol)은 상당한 양이 발생되고 있지만, 현재 90%이상의 폐글리세롤은 사용되지 않고 버려져 2차적 환경오염이 일어나고 있다.

글리세롤은 미생물과의 반응을 통해 수소, 에탄올, 1,3-프로판다이올 및 숙신산 등으로 전환이 가능한 특징이 있다. 특히 생성물 중 수소는 연료로써 우수한 특성뿐만 아니라 연소 후 이산화탄소(CO2), 황산화물(SOX) 및 질산화물(NOX) 등의 지구 온난화 가스를 발생시키지 않는 청정 연료로 각광 받고 있다.

현재 대부분의 수소는 화석 연료를 기반으로 하는 공정을 통해 생산되고 있다. 상기 화석 연료를 기반으로 하는 공정을 통한 수소 생산 공정은 높은 온도 등 까다로운 공정 과정이 필요하며 추가적인 환경 오염을 유발할 수 있는 단점이 있다. 반면 생물학적 수소 생산 공정은 열화학적 및 전기화학 공정에 비해 수소를 생산하는데 적은 에너지를 필요로 하며 친환경적인 장점이 있다. 그러나 화석 연료를 기반으로 하는 공정에 비하여 수소 생산 속도와 수율이 낮은 단점이 있다.

생물학적으로 수소를 생산하는 공정은 크게 두 가지로 나눌 수 있으며, 첫째, 빛을 이용한 광합성 과정인 명반응에 의한 수소 생산(photosynthetic hydrogen production), 즉 명반응과 둘째, 암발효(dark fermentation)를 이용한 방법이 있다. 상기 명반응은 빛을 쬐어 물 및 부수적인 CO2를 저감시킴으로써 수소를 생산할 수 있는 방법이다. 상기 암발효(dark fermentation)는 혐기성 조건에서 다양한 유기 탄소에서 수소를 생산하기 위해 발효 세균을 이용하는 방법이다. 일반적으로 암발효는 빛의 전환 효율에 제한이 있는 명반응 보다 상대적으로 수소 생산 속도가 우수하고, 공정설비가 간단한 장점이 있다.

미생물 연료전지(microbial fuel cell; MFC)는 미생물을 촉매로 사용하여 전자공여체인 기질이 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치를 의미한다. 구체적으로, 미생물의 대사에 의하여 기질이 분해되는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단과 상기 변환된 전기에너지를 회수하는 수단을 포함하여, 결과적으로는 미생물을 사용하여 기질로부터 전기를 생산하는 장치를 의미한다. 통상적으로, 미생물 연료전지는 미생물이 접종된 애노드(Anode) 전극, 캐소드(cathode) 전극, 반응조 및 양이온 교환막으로 구성되는 데, 상기 반응조에서 양이온 교환막을 중심으로 아노드 전극과 캐소드 전극이 서로 반대편에 구비된다. 상기 반응조에 기질이 포함된 배지가 충진되면, 상기 기질을 애노드 전극에 접종된 미생물이 분해시켜서, 분해산물로서 수소이온과 전자를 생성시키고, 상기 생성된 수소이온은 양이온 교환막을 투과하여 캐소드 전극으로 전달되며, 상기 생성된 전자는 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하여 최종적으로 전류를 생성하게 된다. 상기 미생물 연료전지는 미생물에 의하여 기질에서 수소이온과 전자가 생성되면 전류를 생성할 수 있으므로, 상기 반응조에 기질을 지속적으로 공급하면, 전류가 지속적으로 생성될 수 있다. 이러한 미생물 연료전지의 핵심은 애노드 전극에 접종된 미생물로서 상기 미생물이 기질을 분해하여 수소이온과 전자를 발생시키는 효율이 증가할 수록 미생물 연료전지에서 생산되는 전기의 생산량이 증가하게 된다.

이에 본 발명자들은 바이오디젤 공정 폐수를 혐기성 암발효 및 미생물 연료 전지를 사용할 경우, 바이오디젤 공정 폐수에 포함된 COD(chemical oxygen demand)를 제거할 수 있고, 수소 및 전기를 동시에 생산할 수 있는 효과가 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

한국공개특허 10-2015-0094264호

Chookaew T, Prasertsan P, Ren ZJ. Two-stage conversion of crude glycerol to energy using dark fermentation linked with microbial fuel cell or microbial electrolysis cell. New Biotechnology. 2014;31:179-84.

본 발명의 목적은, 바이오디젤 공정 폐수로부터 수소 및 전기를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 폐글리세롤(crude glycerol)이 포함된 바이오디젤 공정 폐수를 80 내지 100℃에서 30 내지 90분간 열처리 하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 열처리된 바이오디젤 공정 폐수를 어두운 곳에서 배양하여 혐기성 암발효(dark fermentation)시켜 수소를 생성하는 단계(단계 2);

상기 단계 2에서 생성된 혐기성 암발효 폐수를 기질로 하여 미생물연료전지로 유입되는 단계(단계 3);

상기 단계 3의 미생물 연료전지에 전압을 인가하는(단계 4); 및

상기 단계 4의 미생물연료전지가 상기 혐기성 암발효 폐수를 산화시켜, COD(chemical oxygen demand)를 제거하고, 전기를 생성하는 단계(단계 4);를 포함하는,

바이오디젤 공정 폐수로부터 수소 및 전기를 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 폐글리세롤을 포함하는 바이오디젤 공정 폐수를 혐기성 암발효 및 미생물 연료 전지를 사용하고, 상기 미생물 연료 전지에 전압을 인가할 경우, 바이오디젤 공정 폐수에 포함된 COD(chemical oxygen demand)를 제거할 수 있고, 수소 및 전기를 동시에 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 폐글리세롤(CG)로부터 MFC를 사용하여 전기를 생산과정(A) 및 (B) 글리세롤로부터 수소 생산을 위한 혐기성소화(AD) 공정에서 생성된 AD 폐수를 나타낸 개략도이다.
도 2는 합성폐수(검은색 사각형) 및 생활폐수(빨간색 동그라미)에서 제조된 폐글리세롤 슬러리(15g/l)에서 누적된 암발효 H₂생산을 나타낸 그래프이다.
도 3은 편광 분석 중 MFC-1(A-B:폐글리세롤) 및 MFC-2(C-D:암발효 폐수)의 전압 및 전력 밀도의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 MFC-1 및 MFC-2에서 유입수, 폐수 및 COD 농도 및 COD 제거량(%)을 나타낸 것이다(COD 제거량=빨간색으로 체워진 원).
도 5는 안정적인 전압 생성에서 MFC-1(A, C) 및 MFC-2(B, D)에 대해 측정된 CV(A, B) 및 EIS(C,D)값을 나타낸 것이다(대조군 : 검은색 사각형, 0.5V: 빨간색 원).
도 6은 다양한 작동 조건에서 MFC 애노드 에서 미생물 생물막을 시각화 한 것이다((A) 깨끗한 흑연 펠트, (B) 대조군 MFC-1, (C) 대조군 MFC-2, (D) 0.5V의 MFC-1, (E) 0.5V의 MFC-2).

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

상기 단계 4의 미생물연료전지가 상기 혐기성 암발효 폐수를 산화시켜, COD(chemical oxygen demand)를 제거하고, 전기를 생성하는 단계(단계 4);를 포함하는, 바이오디젤 공정 폐수로부터 수소 및 전기를 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시에에 있어서, 상기 단계 1의 열처리 과정을 통해 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)의 활성을 억제할 수 있다.

본 발명의 일실시에에 있어서, 상기 단계 2는 20 내지 60시간 배양하여 혐기성 암발효시킬 수 있고, 바람직하게 상기 단계 2는 30 내지 60시간 배양하여 혐기성 암발효시킬 수 있고, 보다 바람직하게 상기 단계 2는 35 내지 45시간 배양하여 혐기성 암발효할 수 있다.

본 발명의 일실시에에 있어서, 상기 단계 3은 0.05 내지 10 V의 전압을 인가할 수 있고, 바람직하게 0.05 내지 5 V의 전압을 인가할 수 있고, 보다 바람직하게 0.05 내지 1.0V의 전압을 인가할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.

준비예. 재료 및 방법

1-1 효소에 의한 바이오디젤 생산 폐기물

바이오 반응기에서 기질로 사용되는 폐글리세롤(CG)는 바이오 디젤 생산을 위해 올리브 오일과 리파아제(lipase)를 사용하는 실험실 규모 시스템에서 수집되었다(도 1 참조). 이 시스템에서 바이오 디젤은 에스테르 교환 반응(기질로 올리브 오일, 반응물로 메탄올, 촉매로 리파아제를 사용)을 통해 생산되었다. 리파아제는 Termomyces lanuginosus (Lipozyme TL 100 L from Novozymes Inc., Franklinton, USA)에서 얻어 사용하였으며, 올리브 오일은 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 폐글리세롤(CG)의 순도는 약 80%였으며 불순물에는 나트륨 및 칼륨염(5%), 메탄올(4%), 비글리세롤 유기물(6%) 및 물(5%)였다.

1-2. 암발효를 위한 생물 반응기 작동

본 발명에서 암발효를 위한 접종원으로 사용된 혐기성 소화(AD) 폐수는 수원 폐수 처리장(대한민국 수원시)에서 수집하여 90 ℃에서 1시간 동안 처리하여 메탄 생성세균의 활성을 억제했다. 폐글리세롤(CG) (15g/L)은 수소 생성을 위한 탄소원으로 사용되었다.

생물 반응기는 가스 홀더가 연결된 120mL 병을 사용하였으며, 5mL의 전처리된 접종물과 35mL의 성장 배지가 들어 있었다(MgSO₄·7H₂O, 3.0g/l; MnSO₄·H₂O, 0.5 g/l; NaCl, 1.0 g/l; FeSO₄·7H₂O, 0.1 g/l; CoSO₄·7H₂O, 0.18 g/l; H₃BO₃, 0.01 g/l; Na₂MoO₄·2H₂O, 0.01 g/l; NiCl₂·6H₂O, 0.03 g/l; Na₂SeO₃·5H₂O, 0.30mg/l). 반응기는 수소 생성을 위해 35 ℃에서 56 시간 동안 배양되었다. 박테리아 성장을 촉진하는데 사용되는 성장 배지는 하기와 같이 준비하였다.

성장 배지의 초기 pH를 7로 조정하고 생물 반응기를 15분 동안 질소 가스로 세척하여 혐기성 조건을 생성했다. 56 시간 후, 5 mL의 생물 반응기의 배양 배지를 새로운 배지로 옮기고 총 작업 부피를 40 mL로 구성했다.

상기 혼합된 배지는 헤드 공간의 가스 농도를 측정하기 전에 유사한 조건에서 추가로 작동되었다. pH, COD 및 VFA를 분석하기 위해 작업이 끝날 때(56시간 후) 생물 반응기에서 액체 샘플을 수집했다. 본 발명에서 세 가지 실험 결과를 바탕으로 H2 생성, pH, COD 및 VFA의 평균 값을 계산했다.

1-3. 미생물 연료전지 구성 및 작동

Perspex 시트를 사용하여 2개의 단일 챔버 에어 캐소드 MFC(작업 부피=200ml 총 부피=150ml)를 구성했다. 흑연 펠트 애노드(anode)는 앞서 설명한 바와 같이 전처리(열처리)되었고, 백금 코팅된 탄소 펠트(0.5mg/cm²)는 공기 캐소드 (4.9cm²)으로 사용되었다. 두 MFC(MFC-1 또는 MFC-2)는 액상 시료 채취하는 것을 제외하고 혼합없이 유가식 모드(fed-batch mode)와 상온(30±2 ℃)에서 작동되었다.

애노드에서 포도당을 기질로 사용하는 별도의 이중 챔버 MFC(0.435mV 및 1000Ω)의 폐수를 공급함으로써 전기활성 생물막을 개발하였다. 외부 저항(500Ω)을 사용하여 전압 생성의 안정성을 확인한 다음, MFCs에 포함된 전해질 용액을 50mM 인삼염 완충액(PBS)과 기질, 미네랄 및 비타민 용액으로 교체하였다.

폐글리세롤(CG) 기질 약 10g/L와 PBS로 작동하는 MFC를 MFC-1로 약칭하였으며, AD 폐수(폐글리세롤(CG) 암발효 폐수)로 작동하는 MFC는 MFC-2라 약칭하였다. 외부 전압을 가하지 않고 수행되는 두 MFC의 초기 세 사이클을 “대조군(control)”이라고 한다.

초기 전압 0.2V는 두 MFC에 모두 24시간 동안 적용하였고(적응기간), 다음으로, 다음으로 MFC를 가동하여 에너지(실험기간)를 발생시키고 동시에 유기물 감소를 수행하였다. 그 후, 두 개의 다른 전압(0.5V 및 0.8V)이 적용되었고 해당 전류 생성이 여러 사이클 동안 등록되었다.

DC(직류)전원 공급 장치의 애노드(anode) 및 캐소드 리드를 각각 애노드 및 캐소드에 연결하여 적응기간(초기 24시간 동안)동안 MFC에 단기 전압(0.2, 0.5 및 0.8V)을 적용하였다. 24시간 후, MFC 회로의 폐쇄와 전류를 발생시키기 위해 MFC로부터 전원 공급을 차단하고 대신 500Ω 외부 저항을 연결했다. 암발효 공정 폐수의 pH는 MFC-2에 공급하기 전에 7로 조정되었다. 외부 전압을 가하지 않고 작동하는 MFC는 콘트롤(대조군)로 간주하였다. 혐기성 조건을 유지하기 위해 MFC의 애노드(anode)는 15-20분 동안 질소 가스로 제거되었다. 본 발명에 제시된 값은 세번의 실험 결과에서 계산된 평균값을 기반으로 하였다.

1-4. 분석 및 계산

애노드(anode)과 캐소드 사이의 전위차로 간주되는 전압은 디지털 멀티미터를 사용하여 15분 간격으로 외부저항 (500Ω)에 걸쳐 측정하였다. 전압 데이터는 옴의 법칙을 적용하여 전류(I) 및 전력(W) 데이터로 변환되었다. 최대 전력 밀도는 편광 분석에서 얻었다다. 이는 개방 회로 전압 (OCV)에서 시작하는 외부 저항(5kΩ-5Ω)의 변화에 기초하였다.

전력 및 전류 밀도는 캐소드 표면적 (4.9 cm²)에서 계산했고, 내부 저항 (Rin)은 I-V 곡선의 기울기에서 계산했다. 또한 다음과 같은 기질 특성에 따라 서로 다른 전압에서 발생하는 순 에너지를 계산했다. 옴 (Roh) 및 전하 전달 저항 (Rct)을 측정하기 위해 EIS 분석이 수행되었다. CV 및 EIS 분석은 BioLogic potentiostat (VSP-150, France)를 사용하여 3 개의 전극 시스템에서 수행되었다. EIS 분석은 10 kHz-10 MHz의 주파수 범위 내에서 10 mV의 전압 진폭에서 수행되었다. 즉, 옴 저항과 전하 전달 저항은 각각 고주파 영역과 저주파 영역에서 측정된다. 반면, CV는 0.6~-1.0의 전위 창과 Ag/AgCl 대 5mV/s의 스캔 내에서 수행되었다. MFC의 애노드(anode)는 작업 전극으로 사용되었으며, Ag/AgCl 전극과 캐소드는 각각 기준 전극과 카운터 전극으로 사용되었다.

H2 생성은 TCD 검출기가 장착된 기체크로마토그래프(영린 인스트루먼트, 한국)를 사용하여 암발효 동안 헤드 스페이스에서 측정되었다. 해당 분석은 Bioresource technology 245 (2017): 826-832.의 방법을 따라 수행되었다. COD는 제조업체의 프로토콜(HACH Co., USA)에 따라 열량측정모드에서 측정되었다.

글리세롤에서 수소 전환 효율은 하기 식을 사용하여 계산하였다.

[식 1]

여과된 액체 샘플에 존재하는 VFA는 유기산 컬럼 (Metrosep 250/7.8, Metrohm, Swiss)이 장착된 이온 크로마토그래프를 사용하여 분석하였다. 용액의 폐수 및 유입수 pH는 benchtop digital pH meter (Hanna Instruments, USA)로 분석되었다.

1-5. 전기생성 생물막 시각화 및 바이오매스 분석

MFC 작업이 끝날 때 애노드(anode)의 생물전기 미생물 시각화 및 바이오 매스 분석이 수행되었다. FE-SEM은 미생물 시각화를 위해 사용되었다. 애노드의 일부(약 1cm²)를 잘라 2.5% 글루타르알데하이드 용액에 30분간 담근다. 샘플을 PBS(pH 7.0, 50mM)로 3회, 증류수로 2회 조심스럽게 헹구어주었다. 그런 다음 샘플을 에탄올을 연속으로 (15분 동안 25%, 50%, 75% 및 90%) 사용하여 탈수시키고 건조시켰다. SEM 측정은 FE-SEM, Hitachi S-4800, Tokyo, Japan에서 기록되었다. MFC 애노드에 대한 생물전기 활성은 CLSM (Olympus FV-1000, Tokyo, Japan)을 사용하여 측정되었으며, 박테리아 생존력은 이전(BMC microbiology 10.1 (2010): 98.)에 사용된 대로 계산되었다.

애노드 생물막은 LIVE/DEAD 백라이트 염색 키트(Molecular Probes, Invitrogen)를 사용하여 염색하고 CLSM을 사용하여 검사했다. 높고 낮은 박테리아 성장 활동은 각각 녹색과 붉은색으로 구분되었다.

마찬가지로, 애노드 생물막의 바이오 매스 측정은 Coomassie Brilliant Blue 방법을 사용하여 기록되었다. 간단히 말해서, 생물막을 포함한 애노드의 각 샘플은 0.2M NaOH(2mL)에서 5분 동안 유리 비드와 적극적으로 혼합하였다. 총 단백질 농도는 소혈청알부민을 표준으로 하여 측정하였다. 5개의 무작위 애노드 표본이 바이오 매스에 대해 평가했으며, 그 평균을 최종 애노드 바이오 매스로 간주되었다.

<실시예 1> 폐글리세롤의 암발효에 의한 바이오 수소 생성

생활폐수(DW)와 합성폐수(SW)를 암발효에 따른 폐글리세롤(CG)과 함께 소화(co-digestion)한 결과 57시간 동안 각각 195 및 350 ㎖ H2/L이 발생다((0.23 및 0.59 mol H2/mol glycerol; 도 2참조). H2는 각각 DW와 SW를 사용하여 생산된 전체 바이오 가스 중 각각 58.3-61.2%를 차지했다. 폐글리세롤(CG)(1674kJ / mol) 및 H2 (285kJ / mol)의 연소열을 바탕으로 DW와 SW를 사용하여 도달한 에너지 효율은 각각 3.91%와 10.00%였다. 폐글리세롤(CG)의 분해에 의해 생성된 H2 수율은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 0.59 mol H2/mol glycerol을 나타냈으며, 기타 다른 문헌에 보고된 값과 유사하다(0.20-1.1 mol H2/mol glycerol)

Glycerol (g/L)	H₂ volume (mL)	Yield (mol H₂/mol glycerol)	Operation type
10	352	0.59	Batch mode

폐글리세롤을 기질로한 암발효 폐수의 특성

Characteristics	폐수 기준
Characteristics	SW	DW
Maximum gas generation (ml H2/l)	350	195
COD in influent (g/l)	14.9	14.9
COD in effluent (g/l)	11.5	12.9
COD removal (%)	22.8	13.4
Acetic Acid (mM)	16.9	12.5
Butyric Acid (mM)	0.98	-
Propionic Acid (mM)	2.95	1.82
Valeric Acid (mM)	0.89	-
Caproic Acid (mM)	1.03	0.82

수소 생산으로 인해 DW와 SW의 COD 감소율은 각각 13.4%와 22.8%로 나타났으며, 이에 상응하는 VFA 생산량은 표 2에 나타낸 바와 같이, 각각 15.1 및 22.8mM이었다. 가장 풍부한 VFA는 아세트산(DW 12.5mM 및 SW 16.9mM)이었다. SW 폐수에 부티르산이 존재하고 아세트산이 더 많이 함유된 것은 DW를 이용한 수소 생산보다 SW 폐수를 이용할 경우, 더 많은 수소를 생산할 수 있는 것을 의미한다. 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 폐수의 잔류 COD 수준은 높았다(SW 및 DW의 경우 각각 77.2 및 86.6%).

<실시예 2> 발효된 폐글리세롤 폐수에서 발생하는 전류

폐글리세롤(CG)을 서로 다른 두 종류의 폐수에서 발효시킨 결과 수소와 유기물이 풍부한 폐수가 생성되었다. 소화 전과 후의 폐글리세롤(CG)의 전류 전위 발생은 폐수 한 종류로 공급되는 2 개의 MFC 반응기(MFC-1 및 MFC-2)를 작동하여 평가했다.

전류 생성의 증가는 24시간 동안의 단기 전압을 적용하는 것과 일치한다. MFC-1에서, 0.8V의 인가 전압에 대해 대조군의 0.52mA(적용 전압 없음)에서 0.82mA까지 전기 전류 발생이 점진적으로 증가하였다(표 3참조).

	MFC-1^a				MFC-2^b
	Control	0.2V	0.5V	0.8V	Control	0.2V	0.5V	0.8V
Current (mA)	0.52	0.59	0.68	0.82	0.59	0.70	0.79	0.86
Power density (mW/cm2 )	72.0	111	157	184	160	231	290	311
COD in effluent (g/l)	8.41	7.50	6.51	5.80	5.71	4.82	3.81	3.21
COD removal %	16.7	25.5	35.5	42.0	48.3	56.1	65.3	70.0
CE (%)	14.2	15.6	16.8	15.9	25.6	28.9	30.1	27.4
Ohmic Resistance (Roh, U)	2.98	-	1.98	-	2.67	-	1.72	-
Charge transfer resistance (Rct, U)	1050	-	456	-	613	-	256	-
^a 10 g/L of COD with 폐글리세롤(CG). ^b 11.5 g/l of COD with 폐글리세롤(CG) 기질로서 암발효 폐수.

이와 대조적으로, 0.5V 및 0.8V의 전압을 인가한 MFC-2의 경우, 각각 0.5m 및 0.68AmA의 전류를 생성하였다. MFC-1에서 보듯이, 0.8V(0.82mA)에서의 전류 발생은 전압이 없을 때(0.52mA) 관찰된 것보다 1.57배 더 높은 전류발생을 나타냈으며, MFC-2의 경우, FC-1 보다 더 높은 값의 전류를 발생하였으며, 0.2V에서 18%(0.70mA), 0.5V에서 34%(0.79mA), 0.8V에서 46%(0.86mA)로 증가하였(대조군 : 0.59mA와 비교하여). 전체 전류 생성은 전압이 없을 때 보다 1.46배(0.59 대 0.86mA)더 높았다. 상기 결과는 적응 전압을 적용하는 것이 MFC의 생체 전기 발생을 향상시켜 더 나은 성능을 얻을 수 있는 것을 나타낸다.

이러한 결과를 바탕으로, 혐기성 암발효는 1) 더 많은 양의 수소(350ml H2/L)생산을 자극 및 2) 0.8V의 전압을 가하였을 때 전류 생성(MFC-1 대 MFC-2)을 8.1% 증가시켰다.

전압을 가하지 않고 폐글리세롤(CG) 암발효 폐수를 사용할 경우, 최대 0.21mA의 전류가 생성(New biotechnology 31.2 (2014): 179-184.)되는 반면, 본 발명의 방법에 따르면, 0.86mA의 전류가 생성된다. 즉, 단기 전압 인가에 의한 MFC의 적응은 폐글리세롤(CG)와 같은 복잡한 기질을 사용하여 전력 생산을 향상시킬 수 있다.

<실시예 3> 암발효 폐수와 폐글리세롤을 사용한 편광 분석

편광 분석을 통해 폐글리세롤(CG)과 암발효 폐수를 이용한 최대 발전량을 분석하였다(도 3참조). MFC의 최대 전력 밀도와 OCV는 작동 조건에 따라 달랐다. MFC-1은 대조군에 비해 최대 전력 밀도가 72.0(대조군)에서 184mW/m2(0.8V)로 2.5배 증가했다. 0.2V 및 0.5V에서 작동할 때 최대 전력 밀도(PD) (111에서 157mW/m²)의 변화가 관찰되었다. 마찬가지로 MFC-2는 작동 조건이 변경됨에 따라 최대 전력 밀도의 변화를 나타냈다. MFC-2(160mW/m²)의 대조군은 0.8V(311 mW/m²)에서보다 1.94배 낮은 PD를 나타냈다. MFC-2에 0.2 및 0.5V를 적용하면 최대 PD가 각각 231 및 290 mW/m²가 된다. 모든 작동 조건에서 MFC-2는 MFC-1보다 높은 전력 밀도를 나타냈다.

편광 분석의 I-V 곡선을 기반으로 두 MFC의 내부 저항을 계산(도 3a 및 3b참조). 모든 간헐적 인가 전압에서 MFC-2는 유사한 내부 저항(~ 256Ω)을 보인 반면, 적응 전압이 없는 대조군에서는 613Ω의 내부 저항을 나타냈다. 다른 인가 전압에서 MFC-1의 내부저항은 ~456 Ω(대조군의 저항보다 낮음:1050 Ω)이었다.

단기 전압 기간(적응시간 24시간) 동안의 에너지(전력) 소비량을 발전량과 비교했다. 적응화를 위한 전력 소비량에 비해 실험 기간(MFC 모드) 동안 최대 8.5 배 더 높은 에너지 생성(MFC-2)이 관찰되었다. NE(Net Energy)는 MFC의 적응 기간 (초기 24 시간)과 24 시간 작동 후 생성된 전력 간의 차이를 기반으로 계산되었다.

에너지(전압) 보충의 증가는 MFC의 생체 전기 활동을 증가시켰다. 적응 기간 동안 MFC-1과 MFC-2는 초기 24 시간 동안 각각 7.1mW/h와 7.4mW/h의 유사한 전력 소비를 나타냈다. 그러나 MFC 전압 생성 모드에서 0.8V(55mW/h)에서 MFC-2의 NE는 MFC-1 (16mW/h, 표 4)보다 3.5 배 높았습니다. MFC-1에서 더 작은 NE는 폐글리세롤(CG)를 기질로 사용하기가 어렵기 때문에 애노드에서 생체 전기 활동을 제한하기 때문일 수 있다. MFC-1 (16mW/h) 및 MFC-2 (55mW/h)의 NE 생성을 기준으로 1kg / L 폐글리세롤(CG)은 각각 최대 1.06 및 3.66W/h의 NE를 생성 할 수 있다.

Applied Voltage (V)	Energy						Net Energy produced (mW/h)
	Consumed			Generated
	Current (mA)	Power (mW)	Total (mW/h)	Current (mA)	Power (mW)	Total (mW/h)
Crude glycerol in MFC-1
Control	N/A	N/A	N/A	0.36	0.06	10.7	10.7
0.2	0.11	0.02	0.48	0.46	0.10	18.8	18.3
0.5	0.32	0.16	3.84	0.56	0.16	26.9	23.1
0.8	0.37	0.29	7.10	0.59	0.17	23.0	16.0
Anaerobic digestion effluent in MFC-2
Control	N/A	N/A	N/A	0.457	0.10	18.8	18.1
0.2	0.13	0.02	0.62	0.58	0.16	19.5	18.8
0.5	0.34	0.17	4.08	0.71	0.25	41.7	37.6
0.8	0.39	0.31	7.44	0.77	0.30	62.7	55.2

<실시예 4> 미생물 연료전지에서 유기물 제거

MFC-1 및 MFC-2의 단기 전압의 적용에 따라 유기물(COD)의 제거를 확인하였다. 그 결과, 도 4 및 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 두 MFC에서 COD 제거는 대조군에 비해 향상되었다. 또한, MFC-1 대조군에서 COD 제거율은 16%에 불과한 반면, 단기 전압을 적용할 때 COD 제거가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 0.2V에서 25%, 0.5V에서 35%, 0.8V에서 42%를 나타냈다.

또한, MFC-2 대조군의 COD 제거율이 48%로 나타났으며, 단기 전압이 인가되면 COD 제거율은 0.2V에서 56%, 0.5V에서 65%, 0.8V에서 70%를 나타냈다. 상기 실험결과로 인해 단기 인가 전압을 가할 경우, COD 제거율이 상승하는 것을 확인하였다.

<실시예 5> 미생물 연료 전지의 전기화학적 분석

MFC-1 및 MFC-2의 CV 및 EIS 분석(전기 화학적 기법)을 수행한 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 두 MFCs 모두 단기 전압을 인가한 후 대조군에 비해 더 높은 산화율 및 전기 전류 발생 감소를 나타냈으며, MFC-1은 MFC-2에 비해 낮은 수준의 redox 전류를 발생시켰다. MFC-1에서 0.5V(대조군 0.18mA에서 0.51mA로 0.5V에서)가 적용되면서 산화전류가 증가했고, 환원전류 발생은 -2.5mA (대조군에서)에서 -4.1mA(0.5V에서)로 바뀌었다.

이것은 MFC-2에서 더 많은 양을 나타냈다. 산화 전류는 0.72mA에서 7.11mA로 증가했고, 환원 전류는 -6.9mA에서 -14.5mA로 변화했다. 두 MFCs 모두 단기 전압 적용에 따른 전류 발생의 증가는 애노드 전극의 생물학적 활성/성장이 향상되었음을 나타낸다.

또한, 상기 EIS의 결과를 통해 나타낸 바와 같이 두 MFCs 모두 0.5V의 단기 전압을 적용하면 대조군에 비해 성능이 향상되었다. 두 MFC의 애노드는 대조군(적용 전압 없음)과 비교하여 옴 저항(Roh) 및 전하 전달 저항(Rct)에서 차이를 나타냈다. MFC-1의 대조군은 각각 2.98Ω과 1050Ω의 Roh와 Rct를 나타냈다. 0.5V를 적용한 후 Roh와 Rct는 각각 1.98Ω과 456Ω으로 감소했다. MFC-1의 Rct는 MFC-2의 Rct에 비해 높았다. MFC-2에서 AD 폐수를 사용하면 전압이 없는 경우 Rct가 613Ω으로 변경되고 0.5V 적용 후 256Ω으로 변경되었다.

<실시예 6> 보조전압이 생체전기 증가에 미치는 영향

MFC의 생체전기성 애노드에 대한 기질 유형 (AD 폐수 vs. 폐글리세롤(CG))과 인가 전압(적응 기간 동안)의 영향을 평가하였다. MFCs(MFC-1 및 MFC-2)의 미생물생육은 대조군 MFC 및 0.5V의 적응 전압이 공급된 MFC에 대해 분석되었다. 0.5V의 적응 전압이 공급된 MFC에서 주목할만한 성능을 보였기 때문에 대조군과 비교하기 위해 0.5V를 선택했다. 애노드에 생체전기 박테리아를 부착하는 방식은 FE-SEM을 사용하여 분석하였다.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 세포 외 고분자 물질(EPS)의 자가분비에 의해 애노드의 탄소섬유에 전기생성 미생물이 부착되어 있는것이 확인되었다. MFC에 외부 전압을 보충할 때 바이오전극이 더 균일하게 분포되어 있어 적응전압을 공급받은 MFC가 생물막 성장을 촉진하고 발전량 증가 및 COD 감소로 이어질 수 있음을 나타낸다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

폐글리세롤(crude glycerol)이 포함된 바이오디젤 공정 폐수를 80 내지 100℃에서 30 내지 90분간 열처리 하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 열처리된 바이오디젤 공정 폐수를 어두운 곳에서 배양하여 혐기성 암발효(dark fermentation)시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 생성된 혐기성 암발효 폐수를 기질로 하여 미생물연료전지로 유입되는 단계(단계 3);
상기 단계 3의 미생물 연료전지에 전압을 인가하는(단계 4); 및
상기 단계 4의 미생물연료전지가 상기 혐기성 암발효 폐수를 산화시켜, COD(chemical oxygen demand)를 제거하고, 전기를 생성하는 단계(단계 5);를 포함하는,
폐글리세롤(crude glycerol)이 포함된 바이오디젤 공정 폐수의 COD를 저감시킴과 동시에 전기를 생산하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1은 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)의 활성을 억제하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 20 내지 60시간 배양하여 혐기성 암발효시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 30 내지 60시간 배양하여 혐기성 암발효시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 35 내지 45시간 배양하여 혐기성 암발효시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3의 전압은 0.05 내지 10 V인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3의 전압은 0.05 내지 5V인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3의 전압은 0.05 내지 1.0 V인 것을 특징으로 하는 방법.