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목적 : 본 연구는 지질추출 미세조류 폐기물(Lipid-extracted microalgae waste, LMW)을 기질로 이용하여 혐기성 수소 암 발효 생산에서 산, 알칼리, 초음파 단독 전처리 및 병합 전처리를 통해 최적의 조건을 연구했다.
방법 : 기질로 선택한 미세조류는 표준방법을 통해 지질추출을 하여 최종 LMW 농도는 75 g dry cell weight (dcw)/L로 고정하였다. LMW 전처리는 알칼리, 산, 초음파(Ultrasonication, U/S), 알칼리+초음파, 산+초음파 병합 방법을 진행하였다. 수소 생산 회분식 반응조 세팅을 위해 LMW는 고상: 액상 혼합비율(Solid/liquid ratio, S/L ratio)을 1 : 10을 기준으로 하였고 열처리된 슬러지(90℃, 20분)를 식종했다. 회분식 실험 후, 유기산 분석과 Next generation sequencing (NGS) 방법을 적용한 미생물 군집 분석을 했다.
결과 및 토의 : 단독 전처리 과정에서 산 전처리가 가용화율 증가에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 반면, 초음파 단독 전처리는 가용화율 증가에 큰 영향을 주지 않았지만 산(1.5% HCl) 전처리와 같이 가장 높은 수소 전환율(197 mL H₂/g (dcw))을 나타냈다. 병합 전처리의 경우, 산(1.5% HCl)+초음파 전처리 조건에서 가장 높은 6,880 ㎎ COD/L을 보였으나 산(1.0% HCl)+초음파 병합 전처리에서 237 mL H₂/g (dcw)의 가장 높은 수소 생산의 결과를 보였다. 반면, 알칼리+초음파 병합 전처리 방법은 수소 생산 증가율은 아주 미미했다. 미생물 군집 분석의 결과, 수소 생산 대표 미생물인 Clostridium 속의 상대적 우점도는 대조군에서 91.8%로 가장 낮았던 반면에 산(1.5% HCl)+초음파 병합 전처리가 가장 높은 97.1% 우점도의 결과를 보였다.
결론 : 수소 전환율의 향상은 대부분 단독･병합 전처리 모두 SCOD 증가와 밀접한 관계가 있었으며, 특히 산 전처리 방법의 적용이 알칼리 전처리 적용과 비교하여 효과적임을 확인했다. 반면, 초음파 전처리의 경우 낮은 SCOD 증가에 기인하지 않았지만, 높은 수소 전환율의 결과를 보여주었다. 이는 초음파 전처리를 통해 기질의 완전한 가용화까지 진행되지 않았지만 미생물의 생분해가 쉬운 형태로 전처리가 되어 수소 생산율의 증가에 기인했을 것으로 판단된다. NGS 분석 결과에 따라 Clostridium 속 미생물에 의한 수소 생산이 주가 되었던 것으로 나타났고 이들의 우점도는 수소 생산량과 비례함의 결과를 보였다.
방법 : 기질로 선택한 미세조류는 표준방법을 통해 지질추출을 하여 최종 LMW 농도는 75 g dry cell weight (dcw)/L로 고정하였다. LMW 전처리는 알칼리, 산, 초음파(Ultrasonication, U/S), 알칼리+초음파, 산+초음파 병합 방법을 진행하였다. 수소 생산 회분식 반응조 세팅을 위해 LMW는 고상: 액상 혼합비율(Solid/liquid ratio, S/L ratio)을 1 : 10을 기준으로 하였고 열처리된 슬러지(90℃, 20분)를 식종했다. 회분식 실험 후, 유기산 분석과 Next generation sequencing (NGS) 방법을 적용한 미생물 군집 분석을 했다.
결과 및 토의 : 단독 전처리 과정에서 산 전처리가 가용화율 증가에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 반면, 초음파 단독 전처리는 가용화율 증가에 큰 영향을 주지 않았지만 산(1.5% HCl) 전처리와 같이 가장 높은 수소 전환율(197 mL H₂/g (dcw))을 나타냈다. 병합 전처리의 경우, 산(1.5% HCl)+초음파 전처리 조건에서 가장 높은 6,880 ㎎ COD/L을 보였으나 산(1.0% HCl)+초음파 병합 전처리에서 237 mL H₂/g (dcw)의 가장 높은 수소 생산의 결과를 보였다. 반면, 알칼리+초음파 병합 전처리 방법은 수소 생산 증가율은 아주 미미했다. 미생물 군집 분석의 결과, 수소 생산 대표 미생물인 Clostridium 속의 상대적 우점도는 대조군에서 91.8%로 가장 낮았던 반면에 산(1.5% HCl)+초음파 병합 전처리가 가장 높은 97.1% 우점도의 결과를 보였다.
결론 : 수소 전환율의 향상은 대부분 단독･병합 전처리 모두 SCOD 증가와 밀접한 관계가 있었으며, 특히 산 전처리 방법의 적용이 알칼리 전처리 적용과 비교하여 효과적임을 확인했다. 반면, 초음파 전처리의 경우 낮은 SCOD 증가에 기인하지 않았지만, 높은 수소 전환율의 결과를 보여주었다. 이는 초음파 전처리를 통해 기질의 완전한 가용화까지 진행되지 않았지만 미생물의 생분해가 쉬운 형태로 전처리가 되어 수소 생산율의 증가에 기인했을 것으로 판단된다. NGS 분석 결과에 따라 Clostridium 속 미생물에 의한 수소 생산이 주가 되었던 것으로 나타났고 이들의 우점도는 수소 생산량과 비례함의 결과를 보였다.
목차
1. 서론
2. 재료 및 방법
3. 결과 및 고찰
4. 결론
References
참고문헌 (16)
참고문헌 신청
MOTIE, Hydrogen Economy Roadmap of Korea(2019).
S. Paudel, C. Y. Seong, D. R. Park, G. T. Seo, Anaerobic hydrogen fermentation and membrane bioreactor (MBR) for decentralized sanitation and reuse-organic removal and resource recovery, Environ. Eng. Res., 19(4), 387-393(2014).
D. S. William, P. E. Lee, T. J. Lee, Effects of arsenite and variation of microbial community on continuous bio-hydrogen production from molasses using a sequence batch reactor (SBR), Environ. Eng. Res., 20(4), 370-376(2015).
L. Brennan, P. Owende, Biofuels from microalgae-A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products, Renew. Sust. Energ. Rev., 14, 557-577(2010).
F. Joseph, H. Jason, T. David, P. Stephen, H. Peter, Land clearing and the biofuel carbon debt, Science, 19, 1235-1237(2008).
S. Paudel, C. Y. Seong, D. R. Park, G. T. Seo, Anaerobic hydrogen fermentation and membrane bioreactor (MBR) for decentralized sanitation and reuse-organic removal and resource recovery, Environ. Eng. Res., 19(4), 387-393(2014).
D. S. William, P. E. Lee, T. J. Lee, Effects of arsenite and variation of microbial community on continuous bio-hydrogen production from molasses using a sequence batch reactor (SBR), Environ. Eng. Res., 20(4), 370-376(2015).
L. Brennan, P. Owende, Biofuels from microalgae-A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products, Renew. Sust. Energ. Rev., 14, 557-577(2010).
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