KR20060110394A - Producing mothod of hydrogen gas using anaerobic microorganism complex - Google Patents

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KR20060110394A
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Abstract

A method for producing hydrogen gas by using the anaerobic microorganism complex is provided to improve production speed of hydrogen gas and perform the production of hydrogen gas at all hours. The method for producing hydrogen gas comprises the steps of: collecting the concentrated sewage sludge produced from the precipitation tank in a sewage disposal plant; treating the concentrated sewage sludge with heat to concentrate hydrogen-producing microorganisms; adding the concentrated hydrogen-producing microorganisms into a substrate; and producing hydrogen by using anaerobic fermentation processes, wherein the heat treatment temperature is 80-100 deg. C; the heat treatment is performed at 85-95 deg. C for 10-30 minutes just one time; and the substrate is sewage produced from tofu(bean-curd) production.

Description

혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법{Producing Mothod of Hydrogen Gas Using Anaerobic Microorganism Complex}Producing Mothod of Hydrogen Gas Using Anaerobic Microorganism Complex}

도 1은 본 발명에 따른 하수 슬러지로부터 분리된 미생물 복합체의 성장과 발효 중의 특성을 나타내는 그래프1 is a graph showing the growth and fermentation characteristics of microbial complexes isolated from sewage sludge according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 혐기성 미생물 복합체에 의한 혐기 발효 중 생산되는 유기산의 농도 및 종류를 나타내는 그래프Figure 2 is a graph showing the concentration and type of organic acid produced during anaerobic fermentation by anaerobic microbial complex according to the present invention

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서 수소생산이 우수한 경우와 없는 경우의 발효기 내에 존재하는 우점종 미생물의 분석결과 Figure 3 is a preferred embodiment according to the present invention the results of analysis of dominant species microorganisms present in the fermenter with and without hydrogen production excellent

도 4는 본 발명에 따른 혐기성 미생물 복합체를 이용하여 25일간 반 연속배양할 때 발생한 수소 및 배양기 내의 pH 변화 그래프[●: 가스, △: 수소, ■: pH]Figure 4 is a graph of the pH change in hydrogen and incubator generated when the semi-continuous culture for 25 days using the anaerobic microorganism complex according to the present invention [●: gas, △: hydrogen, ■: pH]

도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서 제시되는 두부제조 폐수의 처리장치 구성도 5 is a block diagram of an apparatus for treating tofu manufacturing wastewater presented as a preferred embodiment according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 혐기성 미생물 복합체가 전분을 이용하여 수소를 생산할 때의 전분의 양 및 pH 변화 그래프6 is a graph showing the amount and pH change of starch when the anaerobic microbial complex according to the present invention produces hydrogen using starch

본 발명은 수소생산용 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수처리장의 침전조로부터 발생하는 슬러지를 채집하여 일정시간 동안 열처리하는 것으로부터 수소만을 발생할 수 있는 미생물 복합체를 제조하고, 이로부터 얻어지는 미생물 복합체를 이용하여 혐기발효공정에 의해 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hydrogen using an anaerobic microbial complex for hydrogen production, and more particularly, to produce a microbial complex that can only generate hydrogen from the sludge generated from the sedimentation tank of the sewage treatment plant and heat treatment for a predetermined time. And a method for producing hydrogen by an anaerobic fermentation step using the microbial complex obtained therefrom.

유기물로부터 미생물의 성장과 수소 발생에 필요한 에너지 및 전자를 얻는 혐기 발효에 의한 생물학적 수소생산은 태양광을 이용하는 광합성 세균이나 조류에 의한 수소생산 보다 속도가 빨라서 산업적으로 수소를 대량 생산할 수 있는 기술로 평가되고 있으며, 그 장점은 다음과 같다. Biological hydrogen production by anaerobic fermentation, which obtains energy and electrons necessary for microbial growth and hydrogen generation from organic matter, is faster than hydrogen production by photosynthetic bacteria or algae that use sunlight, and thus can be industrially produced in large quantities. The advantages are as follows.

첫째, 관련 혐기 세균은 광합성 미생물에 비해 수소생산 속도가 빠르다. First, related anaerobes have faster hydrogen production than photosynthetic microbes.

둘째, 태양광을 이용하는 광합성 미생물과는 달리 어둠조건에서도 발효가 일어나므로 유기물을 기질로 하여 밤ㅇ낮 구별없이 수소를 생산할 수 있다. Second, unlike photosynthetic microorganisms using sunlight, fermentation occurs in dark conditions, so it is possible to produce hydrogen day and night with organic matter as a substrate.

셋째, 균체 성장속도가 빨라서 연속 배양이나 대형 시설 등의 유지에 편리하다. Third, the cell growth rate is fast and convenient for continuous culture or maintenance of large facilities.

넷째, 식품계 공장 폐수, 음식쓰레기, 농산물 집하장 폐기물등 유기성 폐기물의 처리기술로 활용될 수 있다.Fourth, it can be used as a treatment technology of organic waste, such as food factory wastewater, food waste, agricultural product collection waste.

혐기발효를 할 수 있는 세균은 하수 슬러지나 하천 밑바닥과 같은 산소가 부 족한 혐기적 환경을 갖는 자연 생태계에서 미생물이 복합적으로 존재하며, 이러한 미생물 복합체는 생태계를 일정한 조건으로 유지하기 위해 생물학적인 반응을 하고 있다. 즉 이러한 미생물 복합체는 고분자 물질을 액화하는 미생물, 수소를 발생하는 미생물, 수소를 소비하는 미생물, 수소 대사와 관련이 없는 미생물 등으로 구성되어 있다. Bacteria capable of anaerobic fermentation are complex microorganisms in natural ecosystems with anaerobic-deficient anaerobic environments, such as sewage sludge or riverbeds, and these microbial complexes undergo biological reactions to maintain the ecosystem in certain conditions. Doing. That is, such a microbial complex is composed of microorganisms that liquefy high polymer materials, microorganisms that generate hydrogen, microorganisms that consume hydrogen, and microorganisms that are not related to hydrogen metabolism.

혐기 조건에 존재하는 산 생성 세균은 유기물로부터 유기산, 이산화탄소 및 수소를 생성하며, 이 생성물들은 다시 수소를 소비하는 세균에 의해서 메탄과 이산화탄소로 전환된다. 즉, 생성된 수소가스를 소비하는 메탄 세균과 수소가스를 생성하는 산 생성 세균이 혐기 상태에서 공존하면서, 하수 슬러지 내의 수소가스, 메탄가스 및 유기산의 균형을 이루는 자연 상태로 유지된다.Acid producing bacteria present in anaerobic conditions produce organic acids, carbon dioxide and hydrogen from organics, which are converted back to methane and carbon dioxide by bacteria that consume hydrogen. That is, while methane bacteria consuming the produced hydrogen gas and acid producing bacteria generating hydrogen gas coexist in the anaerobic state, they are maintained in a natural state in which hydrogen gas, methane gas and organic acid in the sewage sludge are balanced.

종래 계속적으로 수소를 생성할 목적으로 수행된 많은 연구에서는 수소만을 생산하는 발효기내의 제반 조건을 유지하기 위하여 pH의 조절, 발효기내의 유기물질의 유지, 발효기내의 보유시간, 질소가스의 충진 등의 다양한 처리조작이 실시되었으나 계속적으로 수소를 생산하는 데는 성공하지 못하였다.Many studies that have been conducted for the purpose of continuously generating hydrogen have various treatments such as adjusting the pH, maintaining organic materials in the fermenter, holding time in the fermenter, and filling of nitrogen gas in order to maintain various conditions in the fermenter producing only hydrogen. The operation was carried out but was not successful in producing hydrogen continuously.

또한, 식품공장 폐수, 하수 슬러지, 농산 시장 폐기물 및 음식 쓰레기와 같은 유기성 폐자원은 국내에 가용량이 많은 자원이며, 동시에 2005년부터는 법률로 매립이 금지되는 폐기물이기도 하다. In addition, organic waste resources such as food factory wastewater, sewage sludge, agricultural market waste, and food waste are domestically available resources, and at the same time, they are also wastes that are prohibited by landfilling from 2005.

유기성 폐자원으로부터 생물학적 수소생산은 대체·청정 에너지 생산과 아울러 유기성 폐기물을 처리할 수 있는 기술로써 에너지생산과 환경처리의 두 가지 목적에 부합된다. Biological hydrogen production from organic waste resources is a technology capable of treating organic waste as well as alternative and clean energy production, which serves two purposes: energy production and environmental treatment.

일본을 비롯한 선진국에서는 최근 식품 가공폐수 및 슬러지로부터 생물학적으로 수소를 생산하기 위하여 지난 8년간 '환경조화용 수소제조기술개발'이라는 대형 프로젝트가 약 290억원의 규모로 활발히 연구되었다.In advanced countries, including Japan, a large project called 'Development of Hydrogenation Technology for Environmental Harmony' has been actively researched for about 29 billion won over the past eight years to produce hydrogen from food processing wastewater and sludge biologically.

식품공장 폐수 중에서도 두부제조 폐수는 대부분이 시장이나 아파트 단지에서 소규모로 만들어져 판매되고 있으며, 제조 중에 발생하는 폐수는 COD, BOD가 각 27,440 mg/ℓ와 9,800 mg/ℓ로 상당히 높아서 수질 오염의 주원인이 되고 있다. Among the wastewater from food factories, most of the tofu manufacturing wastewater is produced in the market or apartment complexes.The wastewater generated during manufacturing is significantly high at 27,440 mg / l and 9,800 mg / l in COD and BOD, respectively. It is becoming.

제조공장 자체 내의 폐수처리 시설을 갖춘 곳에서도 폐수 자체가 전분 및 당의 함량이 높고 질소원 농도가 낮아 효율적인 처리가 어려운 것으로 나타나고 있다. 특히 재래식 처리 공정 중 pH를 비롯한 제반 조건이 산 생성균 및 메탄 생성균의 공존이 어려워서 이로 인한 폐수 중 유기물질의 분해가 지연되거나 제한되어 처리효율이 일정하지 않다.Even in the wastewater treatment facilities within the manufacturing plant itself, the wastewater itself has high starch and sugar content and low nitrogen source concentration, making it difficult to treat efficiently. Particularly, the conventional conditions, including pH, are difficult to coexist with acid-producing bacteria and methane-producing bacteria, resulting in delayed or limited decomposition of organic substances in wastewater, resulting in inconsistent treatment efficiency.

수소생산 세균은 혐기발효조건에서 탄수화물을 이용하여 배양액 중에 각종 유기산, 유기용매를 축적하고 동시에 수소와 이산화탄소를 발생한다. 대표적인 것으로 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 클로스트리디움 파스텡리아넘(Cl. pasteurianum), 클로스트리디움 아세티컴(Cl. aceticum), 클로스트리디움 클루이베리(Cl. kluyveri) 및 엔테로박터 에로게네스(Enterobacter aerogenes)이 가장 잘 알려진 혐기발효 수소생산 세균으로, 현재 이들을 이용한 수소생산에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Hydrogen-producing bacteria use carbohydrates under anaerobic fermentation to accumulate various organic acids and organic solvents in the culture, and simultaneously generate hydrogen and carbon dioxide. Typical as Clostridium butyric rikeom (Clostridium butyricum), Clostridium Pas Teng Ria over (Cl. Pasteurianum), Clostridium Oh Shetty Com (Cl. Aceticum), Clostridium Cluj berry (Cl. Kluyveri) and Enterobacter Enterobacter aerogenes is the best known anaerobic hydrogen-producing bacterium, and research on hydrogen production using these is being actively conducted.

그러나 이러한 단일 세균을 사용하여 유기성 폐수나 폐기물로부터 수소를 장기적으로 생산하기는 실질적으로 어렵다. 왜냐하면 두부폐수 자체에 이미 많은 미 생물이 존재하기 때문에 수소생산 효율이 낮아지거나 다른 가스가 발생할 수 있기 때문이다. 또한 식품산업 및 농ㆍ수ㆍ축산분야의 고농도 유기폐수는 그 성상자체가 복잡할뿐더러 공정이나 배출 계절에 따른 특성 차이와 크기를 고려하여 폐수별 특성에 관하여 보다 많은 연구가 필요하다. However, long-term production of hydrogen from organic wastewater or waste using these single bacteria is practically difficult. Because many microorganisms already exist in the tofu wastewater itself, hydrogen production efficiency may be lowered or other gases may be generated. In addition, the high concentration of organic wastewater in the food industry, agriculture, water and livestock is not only complicated in its sex box, but more research is needed on the characteristics of wastewater by considering the difference and size according to the process or season of discharge.

본 발명은 상기 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위하여 제시되는 것으로, The present invention is presented to solve the problems of the prior art,

본 발명의 목적은 하수처리장의 침전조로부터 발생하는 슬러지를 채집하여 일정시간 동안 열처리하는 것으로부터 수소만을 발생할 수 있는 미생물 복합체를 얻고, 이를 이용하여 혐기발효공정을 통해 밤, 낮의 구분없이 안정적이면서 대량으로 수소를 생산하는 방법을 제공함에 있다. It is an object of the present invention to obtain a microbial complex that can only generate hydrogen from the sludge generated from the sedimentation tank of the sewage treatment plant and heat treatment for a predetermined time, by using this anaerobic fermentation process stable and mass without night and day To provide a method for producing hydrogen.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은 하수처리장의 침전조에서 발생하는 농축 하수슬러지를 수집하는 단계; 상기 농축 하수슬러지를 열처리하여 수소생성 미생물을 농축하는 단계; 및 상기 농축된 수소생성 미생물을 기질에 첨가하여 혐기발효공정을 이용하여 수소를 생성하는 단계를 포함하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법을 제공한다.The present invention as a means for achieving the above object comprises the steps of collecting the concentrated sewage sludge generated in the sedimentation tank of the sewage treatment plant; Heat-treating the concentrated sewage sludge to concentrate hydrogen-producing microorganisms; And it provides a method for producing hydrogen using the anaerobic microbial complex comprising the step of adding the concentrated hydrogen-producing microorganism to the substrate to produce hydrogen using an anaerobic fermentation process.

본 발명에 의하면, 상기 열처리 온도는 80℃∼100℃에서 수행되어짐을 특징 으로 하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법을 제공한다.According to the present invention, the heat treatment temperature provides a method for producing hydrogen using an anaerobic microorganism complex, characterized in that carried out at 80 ℃ to 100 ℃.

본 발명에 의하면, 상기 열처리는 85℃∼95℃에서 10∼30분간 1회 동안 수행되어지는 것을 특징으로 하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법을 제공한다.According to the present invention, the heat treatment provides a method for producing hydrogen using an anaerobic microorganism complex, characterized in that it is carried out once for 10 to 30 minutes at 85 ℃ to 95 ℃.

본 발명에 의하면, 수소가스의 생성 중 연속적으로 반응물의 교반을 수행하거나, 또는/및 생성된 가스를 제거해 주는 단계를 더 포함하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법을 제공한다. According to the present invention, there is provided a method of producing hydrogen using an anaerobic microbial complex further comprising the step of continuously stirring the reactant during the generation of hydrogen gas, and / or removing the generated gas.

이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the content of the present invention in more detail as follows.

본 발명은 하수처리장의 침전조에서 발생하는 농축 하수슬러지를 수집하는 단계; 상기 농축 하수슬러지를 열처리하여 수소생성 미생물을 농축하는 단계; 및 상기 농축된 수소생성 미생물을 기질에 첨가하여 혐기발효공정을 이용하여 수소를 생성하는 단계를 포함하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법을 포함한다.The present invention collects the concentrated sewage sludge generated in the sedimentation tank of the sewage treatment plant; Heat-treating the concentrated sewage sludge to concentrate hydrogen-producing microorganisms; And a method for producing hydrogen using the anaerobic microorganism complex comprising adding the concentrated hydrogen-producing microorganism to a substrate to generate hydrogen using an anaerobic fermentation process.

이때 하수처리장의 침전조는 바람직하게는 2차 침전조이며, 발생된 농축 하수 슬러지는 메탄생성 미생물과 수소생성 미생물을 모두 포함하고 있다. 본 발명에서는 수소를 소비하는 메탄생성 미생물 내지는 젖산발효와 같은 수소생성을 수반하지 않는 혐기발효에 관여하는 미생물을 사멸시키거나 불활성화시키면서 수소생성 미생물의 활성을 유지시키는 기술에 의해 수소생성 효율을 증진시킬 수 있다.At this time, the sedimentation tank of the sewage treatment plant is preferably a secondary sedimentation tank, and the concentrated sewage sludge generated includes both methane-producing microorganisms and hydrogen-producing microorganisms. In the present invention, hydrogen production efficiency is enhanced by a technique for maintaining the activity of hydrogen-producing microorganisms while killing or inactivating microorganisms involved in anaerobic fermentation without hydrogen production such as methane-producing microorganisms that consume hydrogen or lactic acid fermentation. You can.

이를 위하여 본 발명은 하수처리장의 2차 침전조로부터 얻어지는 농축 하수 슬러지를 간단하게 열처리하는 것에 의해 위와 같은 효과를 달성하고자 한다. 이 경우 열처리는 80℃∼100℃에서 수조에서 수행되어지며, 바람직하게는 85℃∼95℃에서 10∼30분간 1회 동안 수행하는 것이 좋다. 이때 과도한 수준의 열처리는 오히려 수소생성 미생물의 활성마저도 사멸 내지는 불활성화 시키는 우려가 있으므로 주의하는 것이 좋다.To this end, the present invention is intended to achieve the above effects by simply heat treatment the concentrated sewage sludge obtained from the secondary sedimentation tank of the sewage treatment plant. In this case, the heat treatment is carried out in a water bath at 80 ℃ to 100 ℃, preferably at 85 ℃ to 95 ℃ once for 10 to 30 minutes. At this time, an excessive level of heat treatment may rather kill or inactivate the hydrogen-producing microorganisms, so be careful.

상기 과정을 거쳐 얻어지는 본 발명에 따른 미생물 복합체는 혐기균주인 클로스트리디움 속 균주가 우점종을 이루는 것으로 판단되었다. 상기 혐기균주는 당 분해 대사 중 수소와 다양한 유기산을 축적하는 것으로 알려져 있다. 즉, 포도당을 기질로 하여 유기산으로 발효시키는 과정에서 포도당 1몰당 아세트산 발효과정에서는 4몰의 수소가 발생되고, 부틸산 발효과정에서는 2몰의 수소가 얻어진다.In the microbial complex according to the present invention obtained through the above process, it was determined that strain of Clostridium sp. The anaerobic strain is known to accumulate hydrogen and various organic acids in glycolysis metabolism. That is, 4 mol of hydrogen is generated in the acetic acid fermentation process per 1 mol of glucose in the process of fermenting the organic acid with glucose as a substrate, and 2 mol of hydrogen is obtained in the butyric acid fermentation process.

하지만, 2차 침전조로부터 얻어지는 농축 하수 슬러지를 열처리 등의 조작을 거치지 아니하는 경우 슬러지내에는 메탄생성균 내지는 락토바실러스속 균이 다수를 점하게 되어 수소소비 내지는 젖산 발효과정을 수행하게 된다. 1몰의 포도당에 대하여 젖산 발효과정을 수행하게 되면 전혀 수소를 생성하지 않게 된다.However, when the concentrated sewage sludge obtained from the secondary sedimentation tank is not subjected to an operation such as heat treatment, methane-producing bacteria or Lactobacillus spp. Occupy a large number, and thus hydrogen consumption or lactic acid fermentation process is performed. When lactic acid fermentation is performed on one mole of glucose, no hydrogen is produced.

따라서, 본 발명에 따른 2차 침전조로부터 얻어지는 농축 하수 슬러지에 대한 열처리 과정은 이와 같이 수소생성과는 무관한 메탄생성, 젖산발효 등을 수행하는 미생물을 사멸 내지는 불활성화 시키는 과정을 포함한다. 또한, 이와 같은 열처리 과정은 수소생성과 관련된 혐기세균의 사멸 내지는 불활성화에 관여하여서는 아니된다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 열처리 조건인 온도 및 시간 등의 조절을 통해 수행되어질 수 있다.Therefore, the heat treatment process for the concentrated sewage sludge obtained from the secondary sedimentation tank according to the present invention includes a process of killing or inactivating microorganisms performing methane production, lactic acid fermentation, etc. irrelevant to hydrogen production. In addition, this heat treatment process should not be involved in the killing or inactivation of anaerobic bacteria associated with hydrogen production. This may be performed by adjusting the temperature and time, such as heat treatment conditions, as mentioned above.

본 발명에 따른 혐기성 미생물 복합체는 유기성 폐수를 처리할 목적으로 사 용되어질 수 있다. 본 발명에 따른 혐기성 미생물 복합체를 수소생산에 이용하는 경우 종래 광합성 미생물에 의한 수소생산 속도보다 빠른 장점을 제공한다.The anaerobic microbial complex according to the present invention can be used for the purpose of treating organic wastewater. When the anaerobic microorganism complex according to the present invention is used for hydrogen production, it provides an advantage faster than the hydrogen production rate by conventional photosynthetic microorganisms.

또한, 태양광을 이용하는 광합성 미생물과는 달리 어두운 조건에서도 발효과정을 수행할 수 있으므로 유기물을 기질로 하여 밤과 낮의 구분 없이 수소를 생산할 수 있게 한다.In addition, unlike photosynthetic microorganisms using sunlight, the fermentation process can be performed in dark conditions, so that hydrogen can be produced using organic matter as a substrate.

또한, 균체의 생장속도가 빨라 연속배양이나 대형 시설 등의 유지에 편리하며, 식품계 공장 폐수, 음식 쓰레기, 농산물 집하장 폐기물 등 유기성 폐기물의 처리에 매우 유용하다.In addition, the growth rate of the cells is fast and convenient for continuous culture and maintenance of large facilities, and is very useful for the treatment of organic wastes such as food factory wastewater, food waste, farm picking waste.

수소생성을 위한 발효과정 중에 최종적인 수소생산량의 증대를 위해서는 연속적으로 교반 또는 배양기 내에 생산되는 수소가스를 제거해 주는 것이 바람직하다. 연속적인 교반과 가스의 제거는 정치 배양에서 보다 약 1.2 배 정도의 수소생산의 증가를 가져온다. 연속적인 교반이 주는 효과는 배양기 내의 수소가스를 제거하여 수소분압을 낮추는 것과 아울러, 교반을 통해 균체가 배양기 바닥에 가라 앉아 물질 전달 현상이 저해되는 것을 방지 할 수 있다. 이는 배양기를 대형화하는 것에 있어서 매우 중요한 요소이다.In order to increase the final hydrogen production during the fermentation process for hydrogen production, it is desirable to continuously remove the hydrogen gas produced in the stirring or incubator. Continuous agitation and gas removal resulted in an increase of about 1.2 times more hydrogen in stationary cultures. The effect of continuous agitation is to remove hydrogen gas in the incubator to lower the partial pressure of hydrogen, and to prevent the mass transfer phenomenon from being inhibited by the cells sitting on the incubator through agitation. This is a very important factor in the size of the incubator.

이하에서는 기질로서 유기성 폐기물 중의 하나인 두부제조 폐수를 이용한 수소생산 과정을 소개하면 다음과 같다.Hereinafter, the hydrogen production process using the tofu manufacturing wastewater which is one of the organic waste as a substrate as follows.

도 5는 두부제조 폐수를 처리하여 수소를 생성하기 위한 장치구성을 나타내고 있다. 두부제조 폐수의 처리를 위한 수소생성장치는 발효기(4), 기질(2), 배출탱크(8), 펌프(3), pH 조절기(7), 알칼리(9), 교반기(6), 가스포집장치(10)를 포함 하고 있다.Fig. 5 shows an apparatus configuration for generating hydrogen by treating tofu manufacturing wastewater. Hydrogen growth value for the treatment of tofu production wastewater is fermenter (4), substrate (2), discharge tank (8), pump (3), pH regulator (7), alkali (9), stirrer (6), gas collection Device 10 is included.

먼저, 두부제조 폐수에 균체의 성장을 위한 영양원으로서 효모추출물 2∼5g/ℓ과 염화암모늄 5∼10g/ℓ를 첨가한 후 본 발명에 따라 분리된 혐기 미생물 복합체를 부피비율로 약 10∼20%가 되도록 첨가한다. 이때 pH는 대략 6.8정도의 수준으로 유지시키고, 혐기발효공정을 위하여 아르곤 가스를 약 5∼20분간 치환하여 발효기(4) 내에서 공기를 제거한다.First, 2 to 5 g / l of yeast extract and 5 to 10 g / l of ammonium chloride were added to the tofu manufacturing wastewater as a nutrient for growth of the cells, and then the anaerobic microorganism complex separated according to the present invention was about 10 to 20% by volume ratio. Add to At this time, the pH is maintained at a level of about 6.8, and the argon gas is substituted for about 5 to 20 minutes for the anaerobic fermentation process to remove air in the fermentor (4).

발효과정은 30∼40℃ 정도에서 수행되며, 발효 중 발생된 가스(수소 포함)와 발효가 종료된 액은 탱크(8)로 이동되고, 이때 가스는 가스포집장치(10)에서 측정된다. 두부제조 폐수는 발효가 진행되면서 수소와 유기산이 생기므로 pH가 계속 저하되므로 이를 방지하기 위하여 pH 프로브를 발효기(4) 내에 설치하고, pH 조절기(7)을 통해 5.5∼6.5 정도로 조절한다. The fermentation process is carried out at about 30 ~ 40 ℃, the gas generated during the fermentation (including hydrogen) and the liquid after the fermentation is moved to the tank (8), the gas is measured in the gas collecting device (10). Tofu production waste water is produced by the fermentation proceeds hydrogen and organic acid, so the pH is continuously lowered to prevent the pH probe is installed in the fermenter (4), it is adjusted to 5.5 to 6.5 through the pH controller (7).

두부제조 폐수 내의 유기물이 다 소비되면 더 이상 수소가 생산되지 않으므로 새로운 두수제조 폐수를 계속하여 공급한다. 이때 탱크(4)에 수소생산 미생물이 다량으로 존재하므로 새로운 미생물을 추가하여 공급할 필요는 없다.When the organic matter in the tofu manufacturing wastewater is consumed, no more hydrogen is produced, so new feedstock wastewater is continuously supplied. At this time, since a large amount of hydrogen-producing microorganisms are present in the tank 4, it is not necessary to supply new microorganisms.

두부제조 폐수는 전분의 함량이 높아서 분해속도가 느리지만 도 6에 나타낸 바와 같이 pH를 6.5 정도로 조절하면 약 22시간 경과 후 모두 분해시킬 수 있다.The tofu manufacturing wastewater has a high starch content, so that the decomposition rate is slow, but as shown in FIG. 6, the pH can be decomposed after about 22 hours by adjusting the pH to 6.5.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only presented to understand the content of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

<실시예 1> 혐기성 미생물 복합체의 제조Example 1 Preparation of Anaerobic Microbial Complex

실험과정Experiment process

(1) 하수 슬러지 및 열처리(1) sewage sludge and heat treatment

대전광역시 하수처리장의 2차 침전조에서 발생하는 농축 하수슬러지를 수집하여 53㎖ 시럼 병(serum bottle)에 하수슬러지 20㎖를 채우고 90℃ 수조에서 가스를 제거하며 20분간 가열처리 하였다.Concentrated sewage sludge from secondary sedimentation tank of Daejeon Metropolitan City sewage treatment plant was collected and 20ml of sewage sludge was filled in a 53ml serum bottle, and the gas was removed from a 90 ℃ water bath and heated for 20 minutes.

(2) 배양조건(2) Culture conditions

53㎖ 시럼 병에 2㎖(10%) 하수슬러지를 1% 글루코스가 함유된 PYG 합성배지[K2HPO4 0.9g; KH2PO4 0.9g; NaCl 0.9g; (NH4)SO4 0.9g; MgSO4 0.09g; CaCl2 0.09g; 펩톤 10.0g; 효모 추출물 5.0g; 시스테인ㆍHCl 0.5g; Na2CO3ㆍ10H2O 4.0g; ρ-아미노베노산 100㎍; 바이오틴 10㎍; 포도당 10g] 18㎖에 넣고, 마개로 밀폐한 후 아르곤 가스로 15분간 치환하여 혐기조건을 만들고, 37℃에서 7시간 또는 16시간 간격으로 계대 배양하여 하수 슬러지 균주의 수소생성을 관찰하였다. pH는 초기 7.0으로 하고 이후 조절하지 않았다.2 ml (10%) sewage sludge in a 53 ml serum bottle was prepared from PYG synthetic media containing 1% glucose [0.9 g of K 2 HPO 4 ; 0.9 g KH 2 PO 4 ; 0.9 g NaCl; 0.9 g (NH 4 ) SO 4 ; 0.09 g MgSO 4 ; 0.09 g of CaCl 2 ; 10.0 g peptone; 5.0 g of yeast extract; Cysteine-HCl 0.5 g; 4.0 g Na 2 CO 3 10 H 2 O; 100 µg ρ-aminobenoic acid; 10 μg biotin; 10 g of glucose] was added to 18 ml, sealed with a stopper, and replaced with argon gas for 15 minutes to make anaerobic conditions, and passaged at 37 ° C. for 7 hours or 16 hours to observe hydrogen production of sewage sludge strains. The pH was initially 7.0 and then not adjusted.

(3) 분석(3) analysis

배양액에서 생성된 수소 함량은 33㎖ 시럼 병의 헤드 공간을 가스-타이트 마이크로시린지로 100㎕ 채취하여 가스 크로마토그라피 (Shimazu 14-B)로 분석하였다. 사용된 칼럼은 300㎜×2㎜ (길이×지름) 글라스로 몰래큘라 시브(Molecular Sieve) 5A (Supelco Inc.)를 충진물질로 사용하였으며, 열전도 검출기(TCD)로 분석 하였다. 발생가스 중 수소 가스 정량을 위한 분석 조건은 칼럼온도 80℃, 주입기 온도 100℃, 검출기 온도 120℃이었으며, 운반가스는 아르곤으로 유속 35㎖/분으로 유지하였다. 배양액 중 균체농도는 자외선-가시광 스펙트로포토미터 (Shimadzu UV-1601)를 파장 660nm에서 측정하였다. 배양액 중 탄소원으로 사용된 포도당 농도는 디나이트로술폰산 (DNS) 방법으로 정량하였다. 포도당을 기질로 한 배양 시, 일정시간 간격으로 채취한 배양액을 10,000g에서 5분간 원심 분리하여 균체와 상등액을 분리한 시료를 환원당 분석에 사용하였다. 시료 1㎖에 DNS 3㎖을 첨가한 후 5분간 100℃에서 끓이고 식힌 후 540nm에서 흡광도를 측정하였다. 농도를 알고 있는 포도당 표준시약으로 표준곡선 식을 만들고 이에 준하여 환원당의 분해를 계산하였다. 배양액의 pH는 pH 미터 (TOA, 모델 30G)로 실온에서 측정하였다Hydrogen content produced in the culture was analyzed by gas chromatography (Shimazu 14-B) by taking 100 μl of a head space of a 33 ml serum bottle with a gas-tight microsyringe. The column used was 300mm × 2mm (length × diameter) glass, and Molecular Sieve 5A (Supelco Inc.) was used as a filler and analyzed by a thermal conductivity detector (TCD). The analytical conditions for quantifying hydrogen gas in the generated gas were column temperature of 80 ° C, injector temperature of 100 ° C, and detector temperature of 120 ° C. The carrier gas was maintained at a flow rate of 35 ml / min as argon. Cell concentration in the culture was measured by the ultraviolet-visible spectrophotometer (Shimadzu UV-1601) at a wavelength of 660nm. Glucose concentration used as a carbon source in the culture was quantified by the dinitrosulfonic acid (DNS) method. When culturing with glucose as a substrate, a sample obtained by separating the cells and the supernatant by centrifuging the culture solution collected at regular intervals at 10,000 g for 5 minutes was used for reducing sugar analysis. After adding 3 ml of DNS to 1 ml of the sample, the mixture was boiled and cooled at 100 ° C. for 5 minutes, and then absorbance was measured at 540 nm. A standard curve equation was prepared using glucose standard reagents of known concentration and the decomposition of reducing sugars was calculated accordingly. The pH of the culture was measured at room temperature with a pH meter (TOA, Model 30G).

(4) 변성 구배 겔 전기영동(DGGE)(4) denaturation gradient gel electrophoresis (DGGE)

하수슬러지 내 수소생성균주의 DNA 분석을 위해 미생물군집의 해석을 위한 분자 생물학적 방법으로서 폐수처리나 유기물의 분해시의 평가로 최근 주목을 모으면서 많은 연구가 이뤄지고 있는 PCR-DGGE법을 사용하였다.As a molecular biological method for the analysis of the microbial community for the analysis of DNA of hydrogen-producing strains in sewage sludge, the PCR-DGGE method, which has recently been attracting a lot of attention as an evaluation of wastewater treatment or decomposition of organic matter, was used.

PCR로 증폭된 DNA는 Dcode Universal Mutation Detection System(Bio-Rad Laboatories, Hercules, CA)를 이용하여 100V, 60℃에서 6시간 동안 분리하였다. DGGE의 겔은 40∼60%로 요소와 포름아마이드의 혼합제로 농도 구배된 6% 폴리아마이드겔(아크릴아마이드; N,N'-메틸렌-비스아크릴아마이드 비, 37.5:1[Bio-Rad])을 사용하였다. 전기영동 이후, 겔은 에티디움브로마이드(100㎕/L)로 염색하여 사진을 찍었다(PHC-34, Vilber Lourmat, 프랑스).DNA amplified by PCR was isolated for 6 hours at 100V, 60 ℃ using Dcode Universal Mutation Detection System (Bio-Rad Laboatories, Hercules, CA). The gel of DGGE consisted of 40% to 60% of 6% polyamide gel (acrylamide; N, N'-methylene-bisacrylamide ratio, 37.5: 1 [Bio-Rad]) concentration gradient with a mixture of urea and formamide. Used. After electrophoresis, the gel was stained with ethidium bromide (100 μl / L) and photographed (PHC-34, Vilber Lourmat, France).

(5) PCR 증폭(5) PCR amplification

하수슬러지내 수소생성균주의 DNA는 MO. Bio에서 제조한 울트라클린 DNA 키트를 사용하여 분석하였다. GC 클램프(5'-CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG-3')를 가진 포워드 프라이머 968f (5'-AACGCGAAGAACCTTAC-3')와 리버스 프라이머 1492R (5'-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3')을 Taq 폴리머라제, dNTP 복합체, 10× 버퍼와 혼합 후, 총량 20㎕가 되도록 하여 16S rDNA 증폭을 시도하였다. PCR 반응은 첫 사이클이 시작하기 전에 95℃에서 5분간 가온하고, 이 후 30 사이클은 95℃에서 30초간 변성, 50℃에서 30초간 어닐링, 72℃에서 90초간 연장반응을 시행하였다. 그리고 완전한 연장을 위해 72℃에서 10분간 지속하였다. DGGE 분석하기 전 0.8% 아가로스겔에 전기 영동하여 DNA의 증폭여부를 확인하였다.DNA of hydrogen-producing strain in sewage sludge is MO. It was analyzed using the Ultraclean DNA kit prepared by Bio. Forward primer 968f (5'-AACGCGAAGAACCTTAC-3 ') with GC clamp (5'-CGCCCGGGGCGCGCCCCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG-3') and reverse primer 1492R (5'-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3 ') with Taq polymerase, dNTP After mixing, 16S rDNA amplification was attempted at a total amount of 20 µl. The PCR reaction was warmed at 95 ° C. for 5 minutes before the first cycle started, and then 30 cycles were denatured at 95 ° C. for 30 seconds, annealed at 50 ° C. for 30 seconds, and extended at 72 ° C. for 90 seconds. And 10 min at 72 ° C. for complete extension. Before DGGE analysis, electrophoresis was performed on 0.8% agarose gel to confirm DNA amplification.

실험결과Experiment result

대전광역시 하수처리장의 2차 침전조에서 발생하는 농축 하수슬러지를 수집하고 이를 종균으로 사용하여 수조를 이용해 열처리를 수행한 결과 하수슬러지 내의 메탄생성 미생물은 사멸시키거나 불활성 시키고, 수소생산 미생물만을 농축하는 결과를 나타내었다. 그러나 2∼3번의 계속적인 열처리는 수소생산 세균도 모두 사멸하였다 (표 1).As a result of collecting concentrated sewage sludge from secondary sedimentation tank of Daejeon Metropolitan City sewage treatment plant and using it as a spawn, heat treatment using water tank resulted in killing or inactivating methane-producing microorganisms in sewage sludge and concentrating only hydrogen producing microorganism. Indicated. However, two to three consecutive heat treatments also killed all of the hydrogen-producing bacteria (Table 1).

<표 1> 하수 슬러지 열처리와 발생한 슬러지 복합균에 의한 균체 및 수소생산<Table 1> Cell and Hydrogen Production by Sewage Sludge Heat Treatment and Sludge Complex

열처리(90℃, 20분)Heat treatment (90 ℃, 20 minutes) -- ++ ++++ ++++++ 균체성장 및 수소생산Cell growth and hydrogen production 1일1 day ×× 2일2 days ×× ×× 3일3 days ×× ×× ×× 4일4 days ×× ×× ×× ~2달~ 2 months ×× ×× ××

○: 균체성장과 수소생산이 우수○: Excellent cell growth and hydrogen production

△: 균체성장과 수소생산이 약간△: slightly cell growth and hydrogen production

×::균체성장과 수소생산이 없슴× :: No cell growth and no hydrogen production

-: 하수슬러지를 열처리 하지 않음.-: Does not heat treat sewage sludge.

+: 하수슬러지를 한번 열처리 후 종균으로 이용하여 PYG 배지에서 14시간 배양+: 14 hours of incubation in PYG medium using sewage sludge as a spawn

++: +처리한 배양액을 다시 열처리한 후 PYG 배지에서 14시간 배양++: 14 hours incubation in PYG medium after heat treatment of +

+++: ++처리한 배양액을 다시 열처리한 후 PYG 배지에서 14시간 배양+++: Incubated for 14 hours in PYG medium after re-treating the treated culture solution

또한 하수슬러지를 열처리하지 않고 종균으로 사용할 때는 배양 초기에는 수소 생산율이 높았으나, 2일 후에는 혐기 배양조건에서 균체가 성장하지 않고, 수소도 발생하지 않았다.In addition, when the sewage sludge was used as a seed without heat treatment, the hydrogen production rate was high at the beginning of the cultivation, but after 2 days, the cells did not grow under anaerobic culture conditions and no hydrogen was generated.

열처리 결과 분리한 수소생산용 복합균을 "하수 C-1"으로 명명하고, 약 2달간 계대 배양을 하며 수소생산과 균체성장을 관찰한 결과, 분리할 당시 초기상태와 같은 수소생산력을 유지하고 있었다. 즉, 도 1을 참조하면, 1% 포도당을 함유하는 PYG 합성배지에서 배양 10∼15시간 후 수소생산성은 1.2 ㎖ H2/mg-건조세포중량이며 이는 2.94 ㎖ H2/ml-배양액에 해당한다. 균체의 건조중량은 2.2 mg/ml 이고, 초기 pH 7.00은 약 배양 4시간 이후부터 감소하기 시작하여 pH 4.48로 저하하였다. After the heat treatment, the composite bacteria for producing hydrogen were named "sewage C-1", and passaged for about two months to observe hydrogen production and cell growth. . That is, referring to FIG. 1, hydrogen productivity is 1.2 ml H 2 / mg-dry cell weight after 10 to 15 hours of culture in PYG synthetic medium containing 1% glucose, which corresponds to 2.94 ml H 2 / ml-culture. . The dry weight of the cells was 2.2 mg / ml, and the initial pH 7.00 began to decrease after about 4 hours of incubation and dropped to pH 4.48.

이 때 발생하는 유기산은 도 2의 결과에 의하면 아세테이트, 락테이트, 부티레이트가 각각 17, 35, 35mM 이었으며, 시간이 경과함에 따라 부티레이트 농도가 높아졌다.The organic acid generated at this time is 17, 35 and 35 mM of acetate, lactate and butyrate, respectively, according to the results of FIG. And over time the butyrate concentration increased.

1M 포도당으로부터 산 생성 혐기세균이 약 4M H2와 2M CO2 및 아세테이트를 생산하는 것을 최대 변환율로 가정할 때, 1% 포도당으로부터는 ℓ-배양액으로부터 약 4.93ℓH2 가 최대 발생할 수 있다.Assuming a maximum conversion rate of acid producing anaerobes producing about 4M H 2 and 2M CO 2 and acetate from 1M glucose, a maximum of about 4.93 LH 2 can be generated from l-culture from 1% glucose.

하수 C-1은 2.94㎖ 수소를 발생하여 포도당으로부터 수소로 변환하는 데 약 59%의 효율을 나타내었다. 발생된 유기산은 아세테이트만이 아니라 락테이트와 부티레이트가 혼합되어 있어서 수소생산량에는 차이가 있다고 사료된다. 즉, 포도당이 복합균주의 락토바실러스 속에 의해 락테이트로 전환될 때는 전혀 수소가 발생하지 않고, 부티레이트로 전환될 때는 약 2M 수소가 발생하여 아세테이트로 전환될 때와 비교하여 약 50%만 발생한다 (하기식 참조).Sewage C-1 generated 2.94 ml of hydrogen and had an efficiency of about 59% in converting glucose to hydrogen. The generated organic acid is mixed with lactate and butyrate as well as acetate. That is, when glucose is converted into lactate by the strain of Lactobacillus in the complex, no hydrogen is generated at all, and when converted to butyrate, only about 2M of hydrogen is generated, which is only about 50% of the conversion to acetate ( See formula below).

(1) C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + 2CO2 + 2CH3COOH(1) C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O → 4H 2 + 2CO 2 + 2CH 3 COOH

(2) C6H12O6 + H2O → 2CH3CHOHCOOH(2) C 6 H 12 O 6 + H 2 O → 2CH 3 CHOHCOOH

(3) C6H12O6 + H2O → 2H2 + 2CO2 + CH3(CH2)2COOH(3) C 6 H 12 O 6 + H 2 O → 2H 2 + 2CO 2 + CH 3 (CH 2 ) 2 COOH

하수 C-1 복합균은 1% 포도당을 약 5∼6시간 동안에 거의 모두 소비하여 유기산을 발생하였다. 발생된 산은 주로 아세테이트, 락테이트, 부티레이트이며, 유기용매인 에탄올도 생성되었다. 이는 배양액의 pH를 저하시켜서 배양 3시간에 포도당이 약 33% 유기산으로 분해되었으며, pH는 5.29로 낮아졌다. 이 때 균체는 1.823g-건조세포중량/L-배양액이 성장했다. 이 복합균은 대수성장기가 약 5시간 계속 되었으며 이때 세대시간은 18분 이었다. 수소발생은 포도당이 분해하여 유기산을 생성하는 시기와 같이 시작되어 포도당 분해가 정지했을 때 수소생산도 중단되었다. 포도당은 87.5%이상 분해되지 않았는데, 이는 배양액의 pH가 이미 4.5까지 낮아져서 복합균 하수 C-1이 더 이상 생육할 수 있는 최저 pH에 도달했기 때문으로 사료된다. 추가 실험에서 배양 중에 pH를 6.8∼7.0으로 유지할 때는 포도당이 모두 분해되었다. 열처리를 하지 않은 하수슬러지 자체를 수소생산을 위한 종균으로 사용할 경우와 열처리 후에 하수슬러지로부터 분리된 복합균 하수 C-1을 배양하면서 미생물군의 분포를 살펴보았다.The sewage C-1 complex produced almost all of the 1% glucose in about 5-6 hours to generate organic acids. Acids generated were mainly acetate, lactate, butyrate, and ethanol, an organic solvent, was also produced. This lowered the pH of the culture so that glucose was broken down into about 33% organic acid at 3 hours of culture, and the pH was lowered to 5.29. At this time, the cells grew to 1.823 g-dry cell weight / L-culture medium. The combined bacteria lasted about 5 hours in logarithmic growth, with generation time of 18 minutes. Hydrogen evolution began at the same time that glucose was broken down to produce organic acids, and hydrogen production was stopped when glucose was stopped. Glucose was not degraded by more than 87.5%, because the pH of the culture had already been lowered to 4.5 and the complex bacteria sewage C-1 reached the lowest pH at which it could grow anymore. In further experiments, all the glucose was degraded when the pH was maintained between 6.8 and 7.0 during incubation. The distribution of microbial populations was examined by culturing sewage sludge C-1 isolated from sewage sludge after using heat treated sewage sludge itself as a spawn for hydrogen production.

도 3에서와 같이 수소를 생산하는 혐기 배양액에 존재하는 미생물은 레인 5, 6, 7에서와 같이 일정하게 밴드 패턴을 보였으며, 이 밴드를 추출하여 PCR로 DNA를 증폭시켜 16S rRNA와 일치하는 유전자를 가진 미생물을 진뱅크 BLAST를 가동하여 가장 확률이 높은 미생물을 찾았다. 수소생산이 우수한 혐기배양액으로부터는 클로스트리디움 속의 균주와 일치하는 혐기균주가 많은 반면 (도 3-E∼G), 수소생산이 되지 않는 배양액으로부터는 락토바실러스 종의 미생물이 다량 검출되었다(도 3-C,D). 이와 같은 결과는 락토바실러스 종의 균주는 일반적으로 포도당으로부터 락테이트와 CO2를 생산하여 수소가스를 발생하지 않는 당 분해 메커니즘을 갖는 반면 클로스트리디움 종의 균주는 당 분해 대사 중, 수소와 다양한 유기산을 축적하는 것으로 알려진 것과 일치하는 결과이다. 수소를 생산하지 않는 배양액으로부터는 비피도박테리움 종도 일부 검출되었다(도 3-A,B).As shown in FIG. 3, the microorganisms present in the hydrogen-producing anaerobic medium showed a constant band pattern as in lanes 5, 6, and 7, and extracted the bands to amplify DNA by PCR to match the 16S rRNA gene. Gene Bank BLAST was run to find the most likely microorganisms. From the anaerobic broth with excellent hydrogen production, many anaerobic strains were matched with the strains of Clostridium (Figs. 3-E to G), while a large amount of microorganisms of Lactobacillus species were detected from the non-hydrogen broth (Fig. 3). -CD). These results indicate that strains of Lactobacillus species generally have lactose and CO 2 production from glucose and thus do not produce hydrogen gas, whereas strains of Clostridium species have hydrogen and various organic acids. The result is consistent with what is known to accumulate. Some of Bifidobacterium species was detected from the culture medium that did not produce hydrogen (FIGS. 3-A and B).

가스 생산과 배양 중의 교반 및 가스제거는 총 가스와 수소생산에 영향을 주었다. 배양기내의 공기를 아르곤으로 치환한 후, 배양하기 때문에 발생한 가스 중 수소함량은 배양기내의 복합균이 생산하는 수소농도보다 낮게 측정되었다. 배양 중 연속적인 교반과 배양기 내에 생산되는 가스제거는 정치 배양 보다 약 1.2배 수소생산을 증가시켰다. 연속적인 교반이 배양기 내의 가스를 제거해 주는 것 보다 더 좋은 효과를 보였다. 이와 같은 현상은 교반을 하지 않을 경우, 균체가 배양기 바닥에 가라앉아서 물질 전달 현상이 저해 되는 것으로써 이와 같은 연속적인 교반과 가스제거 효과는 배양기를 대형화함에 있어 중요한 인자로 사료된다.Stirring and degassing during gas production and incubation affected total gas and hydrogen production. After substituting argon for air in the incubator, the hydrogen content in the generated gas was measured to be lower than the hydrogen concentration produced by the complex bacteria in the incubator. Continuous stirring during incubation and degassing in the incubator increased hydrogen production by about 1.2 times over stationary culture. Continuous stirring showed a better effect than removing the gas in the incubator. Such a phenomenon is that if the stirring is not performed, the cells sink to the bottom of the incubator, thereby inhibiting the mass transfer phenomenon. Such continuous agitation and degassing effect is considered to be an important factor in the enlargement of the incubator.

<표 2> 하수 슬러지로부터 분리된 복합균이 혐기 발효할 때 발효기의 교반과 가스 제거가 수소생산에 주는 영향<Table 2> Effect of agitation and degassing of fermenter on hydrogen production when anaerobic fermentation of complex bacteria isolated from sewage sludge

총 가스생산(㎖)Total gas production (ml) H2 H 2 함량(%)content(%) 비율 (㎖ H2/㎖ 배양액)Ratio (ml H 2 / ml Medium) 교반× 가스제거×Stirring × Degassing × 32.7(±4.22)32.7 (± 4.22) 36.7(±1.11)36.7 (± 1.11) 1.77(±0.08)1.77 (± 0.08) 가스제거만 수행Degas only 36.7(±2.89)36.7 (± 2.89) 43.3(±3.11)43.3 (± 3.11) 1.85(±0.06)1.85 (± 0.06) 교반만 수행Only stirring 48.348.3 44.544.5 2.12.1 교반 및 가스제거 수행Perform stirring and degassing 52.7(±7.56)52.7 (± 7.56) 45.7(±1.11)45.7 (± 1.11) 2.17(±0.15)2.17 (± 0.15)

열처리한 슬러지로부터 분리한 복합균주는 pH를 조절하지 않은 조건에서 반연속 배양(HRT=24hr)으로 안정적으로 약 1달간 수소를 생산하였다 (도 4). 생성된 총 가스 중 수소는 평균 60∼70%를 차지하였고, 나머지는 CO2이었다. 환원당은 18∼20시간 만에 모두 소비되었으나, 편의상 24시간 마다 배지를 교환하였다. 배양 중 pH는 초기에 6.7∼6.8에 이르며 24시간 후 4.5로 낮아졌으며, 균체 농도는 흡광도 3.9∼4.2 로 유지되었다. 환원당 10 g/ℓ는 15∼17시간동안 약 70% 가량 분해 되었고, 유기산 생성으로 pH가 약 4.5로 저하되었으며, 24시간 후 탄소원은 약 3.2∼3.5 g/ℓ 가 남았다. 이는 pH 저하로 인해 분해되지 못하고 배지교환으로 pH가 다시 6.7∼6.8로 상승하면 약 5시간 동안 36% 환원당이 분해되고, 15시간 동안 63%가 분해 되었다.The complex strain isolated from the heat treated sludge produced hydrogen stably for about 1 month in a semi-continuous culture (HRT = 24hr) under the condition that pH was not controlled (FIG. 4). Hydrogen accounted for 60-70% of the total gas produced, with CO 2 remaining. Reducing sugar was consumed in 18 to 20 hours, but for convenience, the medium was changed every 24 hours. During incubation, the pH initially reached 6.7-6.8 and then decreased to 4.5 after 24 hours, and the cell concentration was maintained at absorbances of 3.9-4.2. 10 g / l of reducing sugar was decomposed about 70% for 15 to 17 hours, and the pH was reduced to about 4.5 due to the generation of organic acid. After 24 hours, the carbon source remained about 3.2 to 3.5 g / l. It was not decomposed due to the decrease in pH, and when the pH was raised to 6.7 to 6.8 again by medium exchange, 36% reducing sugar was decomposed for about 5 hours, and 63% was decomposed for 15 hours.

<실시예 2> 두부제조 폐수의 처리Example 2 Treatment of Tofu Manufacturing Wastewater

실험과정Experiment process

두부제조 후 12 시간이 경과하지 않은 두부제조 폐수 (표 3)에 효모 추출물 3g/ℓ, NH4Cl 8g/ℓ를 첨가하고, 하수슬러지로부터 분리한 복합균(하수 C-1)을 부피 비율로 약 20%가 되도록 첨가하고, pH를 6.8로 조절한 후에 아르곤가스를 약 10분간 치환하여 발효기(도 5의 부호(4)) 내의 공기를 제거하였다. 발효장치를 도 5에 도시한 바와 같이 설치하고, 37℃에서 배양을 수행하였다. 발생된 가스 (수소 포함)와 발효가 끝난 액은 탱크(8)로 이동하며, 이때 가스는 실린더(10)에서 측정되 었다. 두부제조 폐수는 발효가 진행되면서 수소와 유기산이 생기므로 pH가 계속 저하하는데 이를 막기 위하여 pH 센서를 발효기(4)에 설치하고, pH 조절기(7)를 통해서 5.5로 조절하였다.Yeast extract 3g / L and NH 4 Cl 8g / L were added to the tofu manufacturing wastewater (Table 3) not more than 12 hours after tofu production, and the complex bacteria (sewage C-1) separated from the sewage sludge were About 20% was added, and after adjusting the pH to 6.8, argon gas was substituted for about 10 minutes to remove air in the fermentor (symbol 4 in FIG. 5). A fermentation apparatus was installed as shown in FIG. 5 and cultured at 37 ° C. The generated gas (including hydrogen) and the fermented liquor are transferred to the tank (8), where the gas is measured in the cylinder (10). The tofu manufacturing wastewater is hydrogen and organic acid is produced as the fermentation proceeds, so the pH continues to drop. To prevent this, the pH sensor was installed in the fermenter (4) and adjusted to 5.5 through the pH controller (7).

두부제조 폐수 내의 유기물이 다 소비되면 더 이상 수소가 생산되지 않으므로 탱크(2)를 설치하여 새로운 두부폐수를 계속 공급하였다. 이 때 탱크(4)에 수소생산 미생물이 다량 존재하기 때문에 새로운 미생물을 공급할 필요는 없다. When the organic matter in the tofu manufacturing wastewater was consumed, no more hydrogen was produced, so a tank (2) was installed to continue supplying new tofu wastewater. At this time, since a large amount of hydrogen-producing microorganisms exist in the tank 4, it is not necessary to supply new microorganisms.

두부제조 폐수는 전분의 함량이 높아서 분해속도가 늦지만 도 6에서 나타난 것과 같이 pH를 6.5로 조절하면 약 22 시간 경과 후 모두 분해되었다. 두부 제조폐수(1.4% 전분 함유, 질소원 첨가)로부터 위 균주를 이용하고, 조건을 최적화하여 1.7ℓH2/ℓ-폐수를 발생하였으며 이때 발생된 산은 주로 아세테이트, 락테이트, 부티레이트이며, 각각 64, 120, 및 44 mM 이었다.The tofu manufacturing wastewater had a high starch content, so that the decomposition rate was slow, but when the pH was adjusted to 6.5 as shown in FIG. Using the above strain from the tofu wastewater (containing 1.4% starch, adding nitrogen source) and optimizing the conditions, 1.7lH 2 / l-wastewater was generated. The acid generated was mainly acetate, lactate, butyrate, and 64, 120, respectively. , And 44 mM.

<표 3> 두부제조 폐수의 조성<Table 3> Composition of Wastewater for Tofu Manufacturing

환원당 (g/ℓ)Reducing Sugar (g / ℓ) 전분 (g/ℓ)Starch (g / ℓ) 암모니아성 질소 (ppm)Ammonia nitrogen (ppm) TS (g/ℓ)TS (g / ℓ) SS (g/ℓ)SS (g / ℓ) VS (g/ℓ)VS (g / ℓ) BOD (mg/ℓ)BOD (mg / ℓ) COD (mg/ℓ)COD (mg / ℓ) 0.7360.736 8∼158 to 15 5.665.66 17.317.3 1.41.4 1212 9,0609,060 22,00022,000

TS : 총 고형분, SS : 부유성 고형분, VS : 휘발성 고형분TS: total solids, SS: suspended solids, VS: volatile solids

수소와 유기산 분석Hydrogen and Organic Acid Analysis

배양 중 발생된 가스양은 발효기에서 운전할 경우, 0.1N NaOH 용액을 통과하여 메스실린더의 눈금을 읽어서 측정하였다. 수소의 함량은 발효기의 헤드 공간 가스를 주사기로 100㎕를 채취하여 가스 크로마토그라프로 분석하였다. 사용된 칼럼은 300mm×200mm (길이×내경) 스테인레스 스틸재질에 분자체 5A (Supelco. Inc)로 충진하여 사용하였으며, 검출기로서 열전도 검출기 (TCD)를 사용하였다. 칼럼온도 80℃, 주입기온도 100℃, 검출기 온도 120℃를 분석조건으로 사용하였으며, 아르곤 유속은 35 ㎖/분으로 유지하였다.The amount of gas generated during the cultivation was measured by reading the scale of the measuring cylinder through a 0.1N NaOH solution when operating in a fermenter. The content of hydrogen was analyzed by gas chromatography by taking 100 μl of a head space gas of the fermentor with a syringe. The column used was filled with a molecular sieve 5A (Supelco. Inc) in a 300mm × 200mm (length × inner diameter) stainless steel, and a thermal conductivity detector (TCD) was used as a detector. A column temperature of 80 ° C., an injector temperature of 100 ° C., and a detector temperature of 120 ° C. were used as analysis conditions, and the argon flow rate was maintained at 35 ml / min.

실험에 사용된 바이오매스와 혐기균주에 의한 발효산물은 배양액을 일정시간 간격으로 채취하여 시료 중 불순물과 상등액을 분리하고, 배양액은 균체와 상등액을 분리한 후 상등액 20 ㎕를 0.2 마이크로 필터가 장착된 주사기로 여과한 후, 분석하였다. 유기산 분석용 컬럼인 Aminex HPX-87H, 300 mm×7.8mm (길이×내경)를 장착한 HPLC를 사용하여 실온에서 유기산을 분석하였으며, 각종 유기산 피크는 UV 검출기를 이용하여 파장 210nm에서 측정하였으며, 0.01N H2SO4를 이동상으로 하여 유속 0.6㎖/분으로 용출하였다.The fermentation products by the biomass and anaerobic strain used in the experiment were collected at regular intervals to separate the impurities and supernatant from the sample, and the culture solution was separated from the cells and the supernatant, and 20 μl of the supernatant was equipped with a 0.2 micro filter. After filtration by syringe, it was analyzed. The organic acid was analyzed at room temperature using HPLC equipped with an organic acid analysis column, Aminex HPX-87H, 300 mm × 7.8 mm (length × inner diameter), and various organic acid peaks were measured at a wavelength of 210 nm using a UV detector. Elution was carried out at a flow rate of 0.6 ml / min using NH 2 SO 4 as the mobile phase.

<표 4>TABLE 4

시간(min)Time (min) 계 산 식formula 아세테이트acetate 14.9514.95 y = 0.0000148x - 0.9693y = 0.0000148x-0.9693 락테이트Lactate 11.03, 11.63, 12.4111.03, 11.63, 12.41 y =0.00000619x + 0.1961y = 0.00000619x + 0.1961 부티레이트Butyrate 22.022.0 y = 0.00001106x - 0.1529y = 0.00001106x-0.1529 포르메이트Formate 13.713.7 y = 0.00000788x - 0.0131y = 0.00000788x-0.0131

환원당 및 전분 정량Reducing Sugar and Starch

배양액의 환원당 정량은 디나이트로스알리사이클산 (DNS) 발색법을 이용하였고, 전분의 농도는 5.5N HCl 0.2㎖과 2㎖ 시료를 100℃ 물에 30분간 가열시킨 후 2.2㎖ Na2CO3를 첨가하여 중화시키고, DNS방법으로 정량하였다. 표준곡선은 가용성전분을 이용하여 동일한 방법으로 정량하였으며 표준선 식은 하기식과 같다.Reducing sugar quantification of the culture medium was carried out using the dinitrosalicyclic acid (DNS) coloration method, starch concentration was 0.2mL 5.5N HCl and 2mL sample was heated in 100 ℃ water for 30 minutes and 2.2mL Na 2 CO 3 Neutralized by addition and quantified by DNS method. The standard curve was quantified by the same method using soluble starch. The standard equation is as follows.

포도당 표준선 식: y = 4.34x - 0.46 Glucose Standard Line Formula: y = 4.34x-0.46

(y = 포도당 (g/ℓ), x = 540nm 에서의 흡광도)(y = absorbance at glucose (g / l), x = 540 nm)

전분 표준선 식: y = 53.8x - 0.59 Starch Normal Line Formula: y = 53.8x-0.59

(y = 전분 (g/ℓ), x = 540nm 에서의 흡광도)(y = absorbance at starch (g / l), x = 540 nm)

본 발명에 의하면, 하수처리장의 침전조로부터 발생하는 슬러지를 채집하여 일정시간 동안 열처리하는 것으로부터 수소만을 발생할 수 있는 미생물 복합체를 얻고, 이를 이용하는 혐기발효공정을 통해 밤, 낮의 구분없이 안정적이면서 대량으로 수소를 생산할 수 있다. According to the present invention, by collecting the sludge generated from the sedimentation tank of the sewage treatment plant and heat treatment for a predetermined time to obtain a microbial complex that can only generate hydrogen, and through the anaerobic fermentation process using the same, stable and large quantities without night or day Hydrogen can be produced.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, but those skilled in the art to which the present invention pertains vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that modifications and changes can be made.

Claims (5)

하수처리장의 침전조에서 발생하는 농축 하수슬러지를 수집하는 단계; 상기 농축 하수슬러지를 열처리하여 수소생성 미생물을 농축하는 단계; 및 상기 농축된 수소생성 미생물을 기질에 첨가하여 혐기발효공정을 이용하여 수소를 생성하는 단계를 포함하는 혐기 미생물 복합체를 이용한 수소의 제조방법Collecting concentrated sewage sludge generated in the sedimentation tank of the sewage treatment plant; Heat-treating the concentrated sewage sludge to concentrate hydrogen-producing microorganisms; And producing hydrogen using an anaerobic fermentation process by adding the concentrated hydrogen-producing microorganism to a substrate. 제 1항에 있어서, 열처리 온도는 80℃∼100℃에서 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법The method according to claim 1, wherein the heat treatment temperature is performed at 80 ° C to 100 ° C. 제 1항에 있어서, 열처리는 85℃∼95℃에서 10∼30분간 1회 동안 수행되어지는 것을 특징으로 하는 제조방법The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at 85 ° C to 95 ° C for one time for 10 to 30 minutes. 제 1항에 있어서, 수소가스의 생성중 연속적으로 반응물의 교반을 수행하거나, 또는/및 생성된 가스를 제거해 주는 단계를 더 포함하는 제조방법The method of claim 1, further comprising continuously stirring the reactants and / or removing the generated gas during generation of hydrogen gas. 제 1항에 있어서, 기질은 두부제조 폐수인 것을 특징으로 하는 제조방법The method of claim 1, wherein the substrate is tofu manufacturing waste water.
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