KR20200012701A - 긴사슬 지방산에 내성을 갖는 미생물 균주군을 이용한 수소 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 긴사슬 지방산에 내성을 갖는 순화처리된 미생물 균주군을 이용하여 수소를 생산하는 방법에 관한 것으로, 상기 미생물 균주군을 사용하면 고농도의 지방, 오일 및 그리스를 혐기성 병합 소화 기질로 사용하여 수소 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Description

긴사슬 지방산에 내성을 갖는 미생물 균주군을 이용한 수소 생산 방법{Method for Producing Hydrogen using Microbiome Tolerant to Long Chain Fatty Acids}

본 발명은 긴사슬 지방산에 내성을 갖는 미생물 균주군을 이용하여 고효율로 수소를 생산하는 방법에 관한 것이다.

생활하수, 산업 폐수에는 음식물, 식품 가공 및 유제품 산업 등에서 유래한 긴사슬 지방산(long chain fatty acids, LCFAs)이 5 내지 16,000 ㎎/L 농도로 포함되어 있다(Harris&McCabe, 2015). 긴사슬 지방산은 하수도 시스템, 하수 처리 설비(wastewater treatment plants, WWTPs)의 파이프 및 인터셉터에 퇴적되어 하수의 정상적인 흐름을 방해한다. 구체적으로, 매년 미국에서 발생하는 파이프라인의 막힘과 하수도 범람의 98%가 긴사슬 지방산의 퇴적으로 인하여 발생한다(He et al., 2011).

이와 같은 부정적인 영향에도 불구하고, 긴사슬 지방산에 포함된 높은 휘발성 물질(>90%)은 지속 가능한 자원 관리(sustainable resource management) 체계에서 바이오에너지 생산에 이용될 수 있다(Wallace et al., 2017). 그러나 긴사슬 지방산은 혐기성 병합 소화(anaerobic co-digestion)에 있어 운영상의 어려움을 야기한다(Long et al., 2012). 긴사슬 지방산은 분해된 후 베타-산화(β-oxidation)를 통해 미생물의 수소생성 산발효(hydrogenogenic acidogenic fermentation)에 이용될 수 있다(Yang et al., 2016).

긴사슬 지방산은 분해되면서 많은 양의 수소를 생산하며(Cavaleiro et al., 2016), 수소는 에너지 함량이 142 kJ/g로 높으므로 차세대 에너지 연료로 사용될 수 있다(Sinha et al., 2016). 또한, 수소는 연소시 이산화탄소를 발생시키지 않으므로 친환경적이며, 공기 중에 빠르게 확산하므로 적절한 관리를 한다면 발화나 폭발 가능성이 낮은 에너지 연료이다.

그러나 긴사슬 지방산을 활용하여 수소를 생산하는 방법에 있어 주요 속도 제한 단계는 열역학적 한계로 인한 포화된 긴사슬 지방산(팔미테이트 및 스테아레이트)의 분해 단계이다(Oh&Martin, 2010). 또한, 긴사슬 지방산은 박테리아 및 고세균의 표면에 축적되어 세포 내로의 기질 이동을 제한하며, 결과적으로 긴사슬 지방산의 분해를 어렵게 한다. 수소 생성 신트로프(hydrogenogenic syntrophs), 아세토겐(acetogen) 및 황산염 환원 박테리아(sulfate-reducing bacteria)는 산발효에서 발효 박테리아보다 포화 긴사슬 지방산을 보다 효과적으로 산화시키는 것으로 생각된다(Mackie et al, 1991). 또한, 발효조 내에서 긴사슬 지방산을 효과적으로 분해하는 마이크로바이옴(microbiome)의 낮은 이용 가능성은 긴사슬 지방산의 사용을 어렵게 한다(Amha et al., 2017).

따라서, 긴사슬 지방산이 다량 포함된 생활하수, 산업 폐수 등을 사용하여 수소를 생산하기 위해서는 긴사슬 지방산을 효과적으로 분해할 수 있는 미생물을 확보하는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 긴사슬 지방산에 내성을 갖는 순화처리된 미생물 균주군 을 이용하여 고효율로 수소를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은 하기 단계를 포함하는 수소 생산 방법을 제공한다:

⒜ 발효조 내의 혐기성 소화 슬러지(anaerobic digestive sludge)에 미생물 생장용 첨가물을 추가하는 단계;

⒝ 상기 혐기성 소화 슬러지와 미생물 생장용 첨가물의 혼합물을 열처리하는 단계;

⒞ 상기 ⒞의 발효조를 밀폐하여 산발효를 진행하는 단계; 및

⒟ 산발효를 진행하는 동안 발효조에 지방, 오일 및 그리스를 공급하는 단계.

본 명세서에 사용된 용어, "슬러지(sludge)"는 정수 및 하폐수 처리를 하는 과정에서 수중의 부유물이 액체로부터 분리되어 발생하는 침전물을 말하며, 오니라고도 한다. 유기성 슬러지는 수중의 부유물이 중력에 의해 침전지의 바닥에 가라앉은 고형물로서 많은 수분을 함유하고 있으며, 이와는 반대로 부력에 의해서 침전지의 표면에 뜬 것을 스컴(scum)이라고 한다. 슬러지는 반고형물로서 각종 산업장 및 도시에서 고형 폐기물과 더불어 심각한 문제로 대두되고 있다. 슬러지의 함수율(~80%), 부패성 및 병원성 유해물질 함유로 인하여 환경학적 잠재적 위험성 및 처리에 관한 기술적 문제가 중요하다. 특히, 하수관로의 정비와 하수보급율의 증가로 유입하수의 하수량 및 고형물질의 증가, 분뇨의 처리 등으로 인하여 대량으로 발생되는 하수 슬러지 처리문제는 환경보전 및 유용자원을 재활용하는 측면에서 종합적 대책이 요구된다.

슬러지는 생슬러지(primary sludge; 1차 슬러지), 활성 슬러지(activated sludge; 2차 슬러지) 및 소화 슬러지(digested sludge)로 구분할 수 있다. 생슬러지는 1차 침전지에서 침전 후 발생되는 슬러지를 말하며, 아직 생물학적 분해 작용이 많이 진행되지 않은 상태이고, 유기물의 함량이 매우 낮으며, 고형물 농도는 약 2.0 내지 7%이다. 활성 슬러지는 수처리공정(폭기)을 거쳐 2차 침전지에 침전된 슬러지를 말하며, 고형물 농도는 약 0.8 내지 2.5%이고, 대부분 포기조(aeration tank)에서 오염물 제거에 참여한 미생물로 이루어져 있다.

또한, 소화 슬러지는 혐기성 또는 호기성 소화에서 농축분해된 슬러지를 말하며, 고형물 농도는 약 2.5 내지 7.0%이다. 혐기성 소화란 용존산소(dissolved oxygen)가 존재하지 않는 환경에서 유기물이 미생물에 의해 분해되는 과정이며, 슬러지 중의 유기물은 혐기성 미생물에 의해 무기물로 분해되어 안정화된다. 혐기성 소화 과정은 크게 가수분해(hydrolysis), 산생성(산발효, acidogenesis or fermentation) 및 메탄생성(methanogenesis) 단계로 나눌 수 있다. 가수분해 단계는 복잡한 구조의 유기물(탄수화물, 단백질, 지질 등)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 당, 아미노산, 폴리펩티드, 지방산 등으로 분해되는 과정이다. 산생성 단계는 아미노산, 당류, 지방산 등이 추가로 분해되어 수소, 이산화탄소와 함께 프로피오네이트(propionate), 부티레이트(butyrate), 아세테이트 등이 생성되는 과정이며, 프로피오네이트와 부티레이트는 더 분해되어 수소, 이산화탄소 및 아세테이트를 생성한다. 마지막 메탄생성 단계는 아세트산, 수소, 이산화탄소 등의 기질을 전환시켜 메탄을 생성하는 단계이다. 각 단계의 반응은 발효균, 아세테이트균(acetobacter, 아세토박터), 수소생성균(hydrogen producing bacteria, hydrogenogenic bacteria) 및 메타노겐(methanogen, 메탄생성균) 등 서로 다른 미생물에 의하여 이루어진다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒜의 미생물 생장용 첨가물은 미생물 균주의 생장을 촉진하기 위해 첨가되며, 효모 추출물, 황산 제일철 헵타하이드레이트(ferrous sulfate heptahydrate), 염화나트륨 및 아세테이트나트륨을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 성분들은 효모 추출물 2 내지 10 g/L, 황산 제일철 헵타하이드레이트 0.05 내지 1 g/L, 염화나트륨 2 내지 10 g/L 및 아세테이트나트륨 0.5 내지 8 g/L 농도로 슬러지에 첨가될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 수소 생산 방법은 ⒜ 단계 이후 혐기성 소화 슬러지와 미생물 생장용 첨가물의 혼합물을 pH 5 내지 8로 조정하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, pH를 조정하는 것은 상기 혼합물의 산발효를 촉진하기 위함이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒝의 열처리는 60℃ 내지 150℃에서 0.5 내지 3시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 80℃ 내지 120℃에서 0.5 내지 1.5 시간 동안 수행될 수 있다. 열처리는 소화 슬러지에 포함된 수소 소비 미생물(H₂-consuming methanogens)과 포자를 생성하지 않는 미생물(non-spore forming microorganism)을 제거하고, 소화 슬러지에 포함된 미세 입자 물질(small particulate matters)의 가수 분해 속도를 높여 결과적으로 수소 생산 효율을 높이기 위하여 수행한다. 수소 생성 능력이 있는 포자 형성균(spore-forming bacteria)은 열처리 과정에서 포자를 형성하고, 이후 적절한 조건을 만나면 다시 활발하게 성장한다. 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 과도한 수준의 열처리는 수소 생성 미생물을 사멸시키거나 불활성화시킬 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "산발효(acidogenesis)"는 상기 기재한 대로 슬러지 중의 고분자 유기물이 혐기성 미생물의 작용에 의하여 단당류, 아미노산 등으로 가수분해된 후 다시 산생성 미생물에 의하여 유기산으로 발효되는 것을 의미한다. 상기 산생성 미생물은 혐기 상태에서 아미노산, 단당류 및 이당류 등의 유기물을 분해하여 프로피오네이트, 부티레이트, 아세테이트, 긴사슬 지방산 등의 유기산을 생성하는 세균을 말한다. 별도의 제약이 없는 경우 산발효에서 생성된 유기산은 아세테이트 생성 과정(acetogenesis)을 거쳐 수소와 아세테이트로 전환되고, 생성된 수소는 메탄 생성 단계를 거쳐 최종적으로 메탄으로 전환된다. 따라서 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 산발효 효율을 높이고, 메탄 생성 단계를 억제하여 수소가 메탄으로 전환되는 것을 저해하여야 한다.

산발효에 관여하는 수소 생산 미생물은 혐기성 소화 조건에서 탄소원을 이용하여 슬러지 중에 각종 유기산, 유기용매를 축적하고 동시에 수소와 이산화탄소를 발생한다. 대표적인 미생물에는 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 클로스트리디움 파스테우리아넘(Cl. pasteurianum), 클로스트리디움 아세티컴(Cl. aceticum), 클로스트리디움 클루이베리(Cl. kluyveri) 및 엔테로박터 에로게네스(Enterobacter aerogenes)가 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 산발효는 10일 내지 200일 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 50일 내지 180일 동안 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 60일 내지 130일 동안 수행될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "지방, 오일 및 그리스(fat, oil and grease; FOG)"는 조리 및 식품 가공 관련 산업에서 유래하는 지질이 풍부한 폐기물을 의미한다. 하수 처리 시스템에서, FOG는 하수 운반 능력을 저해하는 경화된 퇴적물(hardened deposits)을 형성하므로 하수에서 FOG를 제거하기 위하여 트랩 및 인터셉터 등이 사용되고 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 지방, 오일 및 그리스는 음식물류 폐기물에서 나오는 폐수(음폐수)로부터 추출한 것으로, 음폐수를 3상 분리하여 얻어지는 정제 유분층을 사용하였다. 상기 유분층에 포함된 지방산은 대부분 올레산(oleic acid; C18), 팔미트산(palmitic acid; C16), 리놀레인산(linoleic acid; C18) 및 스테아르산(Stearic acid; C18) 등과 같은 긴사슬 지방산이다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒟의 지방, 오일 및 그리스는 슬러지의 휘발성 고형분 성분을 기준으로 0.05% 내지 12% 비율로 공급될 수 있으며, 바람직하게는 0.1% 내지 5% 비율로 공급될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒟ 단계에서 지방, 오일 및 그리스를 첨가하는 것은 5일 내지 30일 간격으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 10일 내지 15일 간격으로 이루어질 수 있다. 또한, 산발효 과정 동안 지방, 오일 및 그리스의 첨가 농도는 순차적으로 증가될 수 있으며, 예를 들어 휘발성 고형분 성분을 기준으로 1차 첨가시에 0.05% 내지 1.0%, 2차 첨가시 0.8% 내지 2.0%, 3차 첨가시 1.8% 내지 3.0% 범위로 첨가될 수 있다.

본 발명의 도 1에 나타난 바와 같이, 산발효 24일차에 지방, 오일 및 그리스를 첨가하면 일시적으로 수소 생산이 감소하다가 회복하며, 2차 및 3차로 지방, 오일 및 그리스를 첨가한 경우에도 비슷한 경향이 나타난다. 또한, 3차로 지방, 오일 및 그리스를 첨가한 경우에는 미생물 생장이 회복되면서 수소 생산성이 현저히 증가하여 슬러지에 포함된 미생물들이 고농도의 지방, 오일 및 그리스에 적응(순화)된 것을 알 수 있다.

본 발명에서, '지방, 오일 및 그리스에 순화된 미생물'과 '긴사슬 지방산에 내성을 갖는 미생물'은 상호교환적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 순화 처리된 미생물 균주군을 이용하면, 고농도의 지방, 오일 및 그리스를 혐기성 병합 소화 기질로 사용하여 수소 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있다.

도 1은 혐기성 발효 과정 동안 서로 다른 농도의 지방, 오일 및 그리스를 공급한 후 누적 수소 생산량을 확인한 결과를 나타낸다.
도 2는 고농도의 지방, 오일 및 그리스를 사용하여 혐기성 발효를 수행하는 과정 동안 누적 수소 생산량(A), 배양액의 pH(B), 배양액 내 긴사슬 지방산의 농도(C) 및 배양액 내 짧은사슬 지방산-중간사슬 지방산의 농도(D)를 확인한 결과를 나타낸다.

이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실험 방법

1. 혐기성 소화 슬러지 열처리

비닐 혐기성 챔버(Vinyl Anaerobic Chamber, Type B; COY, Michigan, USA)에 조성된 엄격한 혐기 조건(질소>99%)에서 하수처리장의 혐기 소화조에서 수집한 소화 슬러지(anaerobic digestive sludge)에 첨가물을 투입하였다. 첨가물로는 미생물 균주 생장을 촉진하기 위해 효모 추출물(yeast extract) 6 g/L, 황산 제일철 헵타하이드레이트(ferrous sulfate heptahydrate) 0.3g/L, 염화나트륨(sodium chloride) 5 g/L 및 아세테이트나트륨(sodium acetate) 3 g/L를 사용하였다. 추가로 pH 완충제인 중탄산 나트륨(sodium bicarbonate; 0.5 g/L), 환원제로 L-Cysteine-HCl(0.5 g/L)을 첨가하였다. 산발효 반응을 촉진하기 위해 초기 pH는 5N HCl 용액을 사용하여 6.86으로 조정하였다. 이처럼 보강된 소화 슬러지는 100℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 열처리하는 이유는 소화 슬러지에 포함된 수소를 소비하는 미생물 및 포자를 생성하지 않는(non-spore forming) 미생물을 제거하고, 소화 슬러지에 포함된 미세 입자 물질(small particulate matters)의 가수 분해 속도를 높이기 위함이다.

2. 수소 생산을 위한 산발효

250 ㎖ 용량의 발효조에 상기 열처리한 하수 슬러지 125 ㎖를 접종하였다. 이후 37℃ 교반 배양기(150 rpm)에 발효조를 배치하여 140일 동안 산발효를 진행하였으며, FOG를 각각 발효 24일차에 14%, 발효 48일차에 75% 및 발효 60일차에 84% 농도로 첨가하였다. 상기 FOG 농도는 발효조에 투입하는 전체 기질에서 FOG가 차지하는 비율을 나타내며, 휘발성 고형분(volatile solids; 이하, VS로 기재함)으로서의 긴사슬 지방산 농도 0.2%, 1.2% 및 2.4%에 상응한다. FOG는 음식물류 폐기물에서 나오는 폐수(음폐수)에서 분리한 것으로, 음폐수를 3상 분리하여 얻어지는 정제 유분층을 사용하였다. 여기에 함유된 지방산은 대부분이 올레익산 (oleic acid), 팔미트산(palmitic acid), 리놀레인산(linoleic acid) 및 스테아르산 (Stearic acid) 등이었다. 한편, 대조군은 동일한 과정을 따르되, 순화시키지 않은(열처리하지 않은) 하수 슬러지로 산발효를 진행하였다. 140일 동안 산발효를 수행하면서 발효조 내의 샘플을 채취하여 분석하고, 가스를 회수하여 수소 생성 정도를 확인하였다.

실험 결과

도 1에 도시된 바와 같이, 산발효 기질에 긴사슬 지방산을 점진적으로 도입(gradual introduction)하는 것은 수소 생산을 급격히 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 대조군은 발효 초기에 수소 생산이 급격히 증가하고, 발효 24일차, 48일 차에 FOG를 첨가한 실험군의 경우 발효 초기에 수소 생산이 급격히 증가하였다. 대조군과 0.2% VS를 첨가한 실험군은 발효 12일차까지 유사한 수소 생산 양상을 나타내었다. R_max는 대조군보다 1.2% VS를 첨가한 발효조에서 9배 더 높았으며, 억제 효과가 없는 순차적 FOG 로딩(loading)에서 R_max의 증가는 열처리된 미생물 균주군의 순화에 기인한다. 2.4% VS를 첨가한 경우 나타나는 10일 동안의 긴 지연 기간(lag period)은 높은 FOG 농도가 미생물 균주군의 생장에 억제 효과가 있음을 의미하며, 이 시가에 대조군과 비교하여 수소 생산 속도가 감소하였다.

한편, 2.4% VS를 단계적으로 첨가하여 산발효를 수행한 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2의 A에 나타난 바와 같이 2.4% VS를 첨가하면 수소 생산이 급격히 증가하다가 중단되고, VS를 다시 첨가하면 수소가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 2의 B에 나타난 바와 같이 산발효 초기에는 팔미트산(palmitic acid), 올레산(oleic acid) 및 리놀레라이딕산(linolelaidic acid)과 같은 긴사슬 지방산이 존재하나, 발효가 진행되는 동안 올레익산과 리놀레라이딕산은 분해되고 팔미트산만 남는 것을 알 수 있었다.

또한, 산발효 과정 동안 배양액의 pH는 VS가 첨가되면 7까지 상승하나 거의 대부분 pH 6.3 정도를 유지하였다(도 2의 C). 2.4% VS를 단계적으로 첨가하는 동안 짧은사슬 지방산-중간사슬 지방산(short chain fatty acids-medium chain fatty acids, SCFA-MCFAs)의 농도를 확인한 결과, 발효가 진행될수록 부티르산(butyric acid), 이소발레르산(isovaleric acid), 이소카프로산(isocaproic acid), 카프로산(caproic acid) 및 헵탄산(heptanoic acid)이 증가하는 것을 확인할 수 있었다(도 2의 D).

상기 실험 결과를 통하여 본 발명의 수소 생산 방법을 이용하면, 수소뿐만 아니라 짧은사슬 지방산, 중간사슬 지방산과 같은 유용물질 또한 생산할 수 있음을 알 수 있다.

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 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. ⒜ 발효조 내의 혐기성 소화 슬러지(anaerobic digestive sludge)에 미생물 생장용 첨가물을 추가하는 단계;
   ⒝ 상기 혐기성 소화 슬러지와 미생물 생장용 첨가물의 혼합물을 열처리하는 단계;
   ⒞ 상기 ⒞의 발효조를 밀폐하여 산발효를 진행하는 단계; 및
   ⒟ 산발효를 진행하는 동안 발효조에 지방, 오일 및 그리스를 첨가하는 단계를 포함하는, 수소 생산 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 ⒜의 미생물 생장용 첨가물은 효모 추출물, 황산 제일철 헵타하이드레이트(ferrous sulfate heptahydrate), 염화나트륨 및 아세테이트나트륨을 포함하는 것인, 수소 생산 방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 수소 생산 방법은 ⒜ 단계 이후 혐기성 소화 슬러지와 미생물 생장용 첨가물의 혼합물을 pH 5 내지 8로 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 수소 생산 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 ⒝의 열처리는 60℃ 내지 150℃에서 0.5 내지 3시간 동안 수행되는 것인, 수소 생산 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 ⒞의 산발효는 10일 내지 200일 동안 수행되는 것인, 수소 생산 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 ⒟의 지방, 오일 및 그리스는 휘발성 고형분 성분을 기준으로 0.05% 내지 12% 비율로 첨가되는 것인, 수소 생산 방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 ⒟에서 지방, 오일 및 그리스를 첨가하는 것은 5일 내지 30일 주기로 이루어지는 것인, 수소 생산 방법.

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