Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2013. 8), Vol. 24, No. 4, pp. 275~281 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2013.24.4.275 이채영 ㆍ최재민 수원대학교토목공학과 Enhanced of Bio-Hydrogen Production from Microalgae by Thermal Pre-Treatment CHAEYOUNG LEE, JAEMIN CHOI Dept. of Civil Eng., The University of Suwon, San 2-2, Wau-ri, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, Korea Abstract >> This study was conducted to increase the amount of bio-hydrogen production from microalgae(chlorella vulgaris) in batch reactors by thermal pre-treatment. The optimization of thermal pre-treatment was conducted using statistic experimental design of response surface methodology. Two experimental parameters of temperature and reaction time were considered. The optimization condition was founded at the coded variables of <0.52, -0.07> corresponding to the experimental of heating temperature of 95.6 and reaction time of 57.9 min, respectively. Under the optimal condition, the maximum hydrogen production was predicted to 25.3mL H 2/g dry cell weight (dcw), which was 9.1 times higher value of control(2.8ml H 2/g dcw). Key words : Anaerobic hydrogen fermentation( 혐기성수소발효 ), Maximum hydrogen production( 최대수소전환율 ), Microalgae( 미세조류 ), Response surface methodology( 반응표면분석법 ), Thermal pre-treatment ( 열전처리 ) 1. 서론신ㆍ재생에너지기술이발전함에따라새로운에너지원에대한관심역시증가하고있다. 제 1세대곡물자원, 제 2세대유기성폐자원을거쳐제 3세대조류계가주목받고있다. 조류는식물과달리형태적구분이명확하지않으며지구상에약 300,000종이상이분포하는것으로알려져있다 1). 미세조류로부터생산가능한에너지는바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오가스등이있으며이중바이오디젤생산 Corresponding author : chaeyoung@suwon.ac.kr [ 접수일 : 2013.7.7 수정일 : 2013.7.30 게재확정일 : 2013.8.31 ] Copyright c 2013 KHNES 에관련된연구가집중적으로이뤄지고있다 1). 그러나바이오디젤을생산하는공정은조류배양시원료소비와지방추출과정에서에너지소비가많아효율적이지못하다 2-3). 따라서미세조류로부터에너지회수율을증대하고자지방추출후남겨진폐기물을처리하기위한연구가진행되고있다 4). 또한, Bruno 등 (2009) 에의하면지방함량이 40% 미만인미세조류를이용할경우바이오디젤을생산하는것에비해혐기성발효를통한바이오가스생산이경제적이라고한다 5). 미세조류는종에따라차이는있을수있으나두꺼운세포벽이있으며여러층의구조로구성되어져있다. 또한, 미세조류의세포벽은대부분셀룰로오스 275
276 로구성되어져있으며조류섬유소 (algaenan) 가존재하여분해에대한저항성이있다 6-7). 따라서미세조류는여러층의세포벽과분해에대한저항성으로인해분해또는발효시전처리가필요하다. 생물학적으로수소를생산하는방법에는광발효와혐기성발효가있다. 광발효의경우, 이론적수소전환율은높으나복잡한구조의유기물을이용하기에한계가있다. 혐기성수소발효는혐기성발효의최종부산물인메탄의생산을 ph, 수리학적체류시간 (Hydraulic Retention Time) 등의조절을통해억제하고수소를생산한다. 광발효의비해수소전환율은낮으나유기물을직접이용하므로복잡한구조의유기물을이용할수있으며안정적인수소생산이가능하다. 또한, 빛에너지가필요하지않아투입되는에너지가적다는장점이있다 8). 마지막으로혐기성수소발효시혐기성메탄발효, 미생물연료전지등과연계가가능하여에너지회수율을증가시킬수있다. 혐기성수소발효시최적화연구는대부분전통적인실험계획법, one-factor-at-a-time 방식으로하나의인자에대해서만수행되었다 9). 이러한방식으로수행된연구는여러인자가존재할경우인자간상호관계표현에적절하지못하며, 특히상호의존적생물학적공정에는적합하지않다 10). 이러한여러인자들이각각미치는영향과상호작용을복합적분석은분산분석을통해가늠할수있으며반응표면분석법 (Response Surface Methodology, RSM) 을통해최적화도출이가능하다 11). 따라서, 본연구에서는회분식수소반응조를이용하여미세조류인 Chlorella vulgaris의열처리효율을평가하고자하였으며반응표면분석법을이용하여최적조건을도출하고자수행하였다. 2. 실험재료및방법 2.1 식종미생물및기질 2.1.1 식종미생물본연구에서사용된식종미생물은 S시에위치한 하수처리장혐기성소화조에서유출되는소화슬러지를사용하였다. 휘발성고형물 (Volatile Solids, VS), ph와알칼리도는각각 19.6g/L, 6.4 및 2.2g as CaCO 3/L로나타났다. 소화슬러지내불순물을제거하기위해 10mm 체로걸러사용하였다. 또한, 수소전환율을증가시키고수소소비미생물및수소와무관한미생물의성장을억제하기위해 90 에서 20분간열처리를수행하였다 12). 2.1.2 기질본연구에서사용된기질은 C. vulgaris 를이용하였다. C. vulgaris는당을기질로이용하였으며탱크에서배양된것을이용하였다. 탱크에서회수된 C. vulgaris는가열증발하여분말형태로실험전까지변형을방지하기위해 4, 암실에서보관하였다. 기질의총화학적산소요구량 (Total Chemical Oxygen Demand, TCOD) 은 1.5g COD/g dry cell weight(dcw) 로나타났으며화학적조성은탄수화물, 단백질, 지방, 수분및회분으로구성되어졌으며그비율은각각 39.2, 52.3, 0.7, 2.8 및 5.0g/100g dcw으로나타났다. 2.2 실험장치및운전조건 2.2.1 기질의전처리 30g dcw/l의 C. vulgaris를 500rpm으로 30분간상 Table 1 Design Matrix of RSM on thermal pre-treatment Run Temp. ( ) Reaction time (min) 1 110 60 2 50 90 3 110 90 4 80 30 5 110 30 6 80 90 7 50 30 8 50 60 9* 80 60 *center point >> 한국수소및신에너지학회논문집
이채영ㆍ최재민 277 온에서교반하였다. 충분한교반이이루어진기질은 1L의멸균병을이용하여조건 ( 열처리온도 : 50-110, 열처리반응시간 : 30-90분 ) 에따라온탕기를통해열처리되었다. Table 1은반응표면분석법에따른열전처리조건을제시하였다. 실험계획은중심합성계획법및분산분석 (Analysis of Variance, ANOVA) 이가능한 Design-Expert(Stat-Ease, Inc., USA) 를이용하였다. 2.2.2 회분식혐기성수소발효회분식혐기성수소발효반응조는전체용량 560mL, 유효용량 300mL의아크릴재질로제작하였다. 바이오가스발생량측정, 가스조성분석및 ph 측정을위해가스발생량측정구와 ph 전극이장착가능하도록제작하였다. Fig. 1은회분식혐기성수소반응조를제시하였다. 회분식혐기성수소반응조는열순환펌프가장착된온탕기를이용하여중온 (35±1 ) 으로유지하였으며교반강도는 150rpm으로유지하였다. 식종은반응조의 30% 를식종미생물로채웠으며식종미생물- 기질비 (Inoculum-Substrate Ratio, ISR) 0.3:1로기질과초순수를혼합하여나머지를채웠다. 식종미생물과기질로채워진반응조는고순도 N 2 가스를이용하여탈기하여혐기조건으로전환하였다. 2.3 분석방법바이오가스발생량은부피측정이가능한주사기를이용하여바이오가스배출구를통해측정하였다. 수소가스함량은 gas-tight syringe를이용하여바이오가스배출구로부터 0.2mL를채취하여열전도검출기 (Thermal Conductivity Detector, TCD) 가장착된가스크로마토그래피 (Gas Chromatography, Gow Mac series 580, USA) 를이용하여측정하였다. 컬럼은 molecular sieve 5A(80/100 mesh) 를충진제로사용되는 1.8m 3.2mm stainless steel column을이용하였다. GC 측정조건은 column, injector 와 detector의온도를 50, 80 및 90 로유지하였다. 운반기체는고순도질소 (99.999%) 를이용하였으며 30mL/min의유속을유지하였다. 수소가스발생량은식 (1) 에제시한방법으로산정하였으며온도와증기압을표준상태로보정하였다. (1) 여기서, V Hx = x회차의누적수소발생량 (ml) C Hx = x회차의수소가스조성 (%) V Gx = x회차의총바이오가스발생량 (ml) V H = 반응조기상부분의체적 (ml) 표준상태로보정된수소발생량은식 (2) 에제시한수정된 Gompertz 식을이용하여표준상태에서의지체시간, 누적수소전환율및수소발생속도를평가하였다. exp exp (2) Fig. 1 Schematic diagram of anaerobic hydrogen batch reactor 여기서, H = 누적수소전환율 (ml H 2 /g dcw) P = 최대수소전환율 (ml H 2/g dcw) = 지체시간 (h) 제 24 권제 4 호 2013 년 8 월
278 R = 최대수소발생속도 (ml H 2/g dcw h) e = 지수소화슬러지의 VS와알칼리도는 Standard Methods 에따라실험을수행하였다 13). ph는 Orion 8102BNUWP ROSS Ultra ph 전극 (Thermo scientific, USA) 을이용하여측정하였다. 미세조류의 TCOD는 Standard Mehods에따라실험을수행하였으며화학적조성인탄수화물, 지방, 수분및회분은식품공전에따라수행하였으며단백질은 Kjeldahl법을이용하였다 13-14). 3. 결과및고찰 3.1 열처리최적화 열처리를이용한 C. vulgaris 의전처리최적화를 위해반응표면분석법을이용하였으며열처리온도및열처리반응시간에대한최적화를시도하였다. 그결과 Table 2에제시된바와같이 Run 1인 110 의열처리온도와 60분의열처리반응시간에서가장높은 24.2mL H 2 /g dcw 의수소전환율을얻었다. 또한, Run 1에서최대수소발생속도가 2.3mL H 2/g dcw.h 로가장높게나타났다. 위결과를이용하여분산분석을수행한결과, Table 3과같이나타났다. 식 (3) 과같이도출된모델은 P 값이 0.05이하로나타나상당히의미가있는것으로나타났다. 열처리온도에관련된 A와 A 2 의 P값이가장낮게나타나연관성이가장높은것으로판단되며상대적으로열처리반응시간은적은영향을끼치는것으로판단된다. 식 (3) 을이용하여예측된수소전환율과실측된수소전환율을비교해본결과, Table 2 The H 2 production of RSM on thermal pre-treatment Run A Coded variables B P (ml H 2/g dcw) Rm (ml H 2/g dcw h) 1 1 0 24.2 2.3 2-1 1 7.2 0.9 3 1 1 19.3 1.7 4 0-1 23.7 2.3 5 1-1 22.3 2.2 6 0 1 19.6 1.8 7-1 -1 6.2 0.8 8-1 0 6.7 0.8 9 0 0 23.4 2.2 Table 3 ANOVA for the H 2 yield Statistics Factors Sum of squares Degree of freedom Mean square F-value P-value Model 604.53 5 120.91 119.91 <0.0001 A 348.08 1 348.08 345.20 <0.0001 B 6.20 1 6.20 6.15 0.0422 AB 4.00 1 4.00 3.97 0.0867 A 2 173.50 1 173.50 172.07 <0.0001 B 2 8.23 1 8.23 8.16 0.0245 Residual 7.06 7 1.01 Total 611.59 12 >> 한국수소및신에너지학회논문집
이채영ㆍ최재민 279 Fig. 2 Parity plot showing the distribution of the actual vs. predicted values of H2 production (ml H 2/g dcw) on thermal pre-treatment Fig. 3 Two-dimensional contour line on thermal pretreatment 상관계수가 0.9875로매우높게나타났다. 또한, 열처리온도및열처리반응시간은복잡하고밀접한관계가있는것으로나타났다. Fig. 2는예측된수소전환율과실측된수소전환율을제시하였다. (3) 여기서, Y = 예측된수소전환율 A = 열처리온도의코드값 B = 열처리반응시간의코드값 Fig. 3과 Fig. 4는열처리온도와반응시간이수소전환율에미치는영향을평가하기위해 2차원및 3 차원으로제시하였다. Fig. 3에제시된바와같이열처리온도에따라좌우방향으로길게늘어진타원형으로나타난것으로보아수소전환율은반응시간에비해열처리온도에상대적으로민감하게반응한것으로판단된다 15). Fig. 4와같이최적조건을기준으로수소전환율이증감하는것으로보아실험조건의범위는적절하게설정된것으로판단된다. 또한, Choi (2012) 의연구에따르면반응표면분석법을이용하여병합전처리의조건을최적화시두인자의 Fig. 4 Three-dimensional response surface on thermal pre-treatment 상관관계가대각선방향으로길게늘어진타원형으 로나타나상호의존적관계로보고되었다 16). 본연구 결과에서도유사한경향의등고선이나타나열처리 온도와반응시간이상호의존적관계인것으로판단 된다. 3.2 최적화검증실험 반응표면분석법을통해도출된최적조건은열처 리온도 95.6, 반응시간 57.9 분으로나타났으며예 제 24 권제 4 호 2013 년 8 월
280 다 15). 본연구에서사용된기질인 C. vulgaris는당을기질로이용하여배양되어탄수화물농도가높게나타났다. 이에따라세포벽의구조가선행연구들의기질에비해상대적으로단단하여선행연구결과에비해대조군의최대수소전환율이낮게나타났으며열처리를통해세포벽의구조가약화되어최대수소전환율의효율이높게나타난것으로판단된다. 4. 결론 Fig. 5 Cumulative hydrogen production from C. vulgaris with pre-treatment and without pre-treatment 본연구는미세조류인 C. vulgaris 로부터혐기성 수소발효시열처리의최적조건을도출하고그효율을평가하였다. 그결과는다음과같다. Table 4 Comparison of maximum hydrogen production and hydrogen rate in this study Reactor Non pre-treatment Thermal pre-treatment P (ml H 2/g dcw) Rm (ml H 2/g dcw h) 2.8 0.7 25.4 2.2 측된수소전환율 25.3mL H 2 /g dcw 으로나타났다. 최적조건의재현성을알아보기위해검증실험을수 행하였으며그결과는 Fig. 5 에제시하였으며 Table 4 에정리하였다. 전처리를수행하지않은 C. vulgaris 의최대수소전환율및최대수소발생속도는 2.8mL H 2/g dcw 및 0.7mL H 2/g dcw h 로각각나타 났다. 최적조건으로열처리된 C. vulgaris 의최대수 소전환율과최대수소발생속도는각각 9.1 및 3.1 배향상된 25.4mL H 2/g dcw 와 2.2mL H 2/g dcw h 로 나타났다. Jung 등 (2011) 은 L. japonica 를기질로이 용하였으며열처리를통해대조군에비해 1.6 배향상 된최대수소전환율결과를얻었다 17). 또한, Yun 등 (2012) 은산처리를수행한 C. vulgaris 로부터대조군 에비해 1.2 배높은 36.8mL H 2/g dcw 의최대수소 전환율을얻었다. 이와같은결과는 C. vulgaris 의단 단한세포벽이전처리로인해구조가약화됨에따라 가수분해과정에서 cell-lysis 가유도된것에기인한 1) 반응표면분석법을이용한열처리의최적조건은열처리온도 95.6, 열처리반응시간 57.9분으로나타났으며최대수소전환율은 25.3mL H 2/g dcw로예측되었다. 2) 최적조건으로수행된검증실험결과에따르면대조군에비해최대수소전환율및최대수소발생속도는각각 9.1 및 3.1배향상되었다. 3) 본연구를통해미세조류의혐기성수소발효시열전처리의효율평가를수행하였으며향후타공정과의결합으로에너지회수율증가가가능할것으로판단된다. 사사 이논문은 2012년도수원대학교학술연구비지원을받아작성된것이며, 이에감사드립니다. References 1. S. A. Scott, M. P. Davey, J. S. Dennis, I. Horst, C. J. Howe, D. J. Smith, and A. G. Smith, Biodiesel from algae: challenges and prospects, Energy Biotechnology-Environmental Biotechnology, Vol. 21, No. 3, 2010, p. 277-286. >> 한국수소및신에너지학회논문집
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