KR101837998B1 - 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법 - Google Patents
수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 써모코커스 온누리누스 NA1(기탁번호: KCTC 10859BP), 해수, 및 유기성 폐기물을 포함하는 수소 생산용 배지 조성물, 및 이를 이용하여 수소를 생산하는 방법을 제공하며, 이에 따르면, 대규모 수소생산 설비에서 수소생산 단가를 낮춰 경제성이 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 혐기성 미생물이 포함된 배지 조성물을 배양하여 수소를 생산하는 방법에 관한 것이다.
수소 에너지는 중량당 발열량이 석유보다 3배 이상 높으며, 이산화탄소, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 환경에 악영향을 미치는 공해물질들을 적게 배출하므로 화석 에너지를 대체할 에너지로써 각광받고 있다. 현재 수소를 생산하는 방법으로는 물의 전기분해, 천연가스나 나프타의 열분해(thermal-cracking) 또는 수증기 개질법(steam reforming) 등이 있으며 주로 수증기 개질법이 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 화석연료를 사용하고, 또한 고온-고압 조건에서 수행되어야 한다는 문제점이 있으며, 인체에 유독한 일산화탄소를 포함한 혼합가스를 발생시키고 이를 제거하기 위해 추가적인 설비를 갖춰야 한다는 문제점이 있다.
이에, 이러한 문제점을 방지하기 위하여, 혐기성 미생물을 이용해 일산화탄소와 물로부터 수소 에너지를 생산하는 생물학적 방법이 미래의 수소 에너지 생산 방법으로 기대되고 있다. 일산화탄소와 물로부터 수소에너지를 생산하는 혐기성 미생물은 예를 들어, 파푸아뉴기니 근처 공해상 심해 열수구로부터 분리 및 동정한 써모코커스속 균(Thermococcus spp.)이 있다(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).
써모코커스속 균 중 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1, 기탁번호: KCTC 10859BP)의 경우 에너지원으로 일산화탄소 또는 포름산이 필요하고, 유기성 영양원으로 비타민, 시스테인, 효모추출물, 포도당, 유기산 등이 반드시 필요하다. 그러나 실험실 단위가 아닌 경제성 있는 대규모 수소생산을 위해서는 저렴한 유기성 영양원이 절실히 필요하나 이를 대체할 물질은 보고되지 않았다.
개미산을 이용해 수소를 생산해 낼 수 있는 Thermococcus spp.로부터 분리된 신규한 서열번호 2의 수소화효소, 이를 암호화하는 유전자 및 그 유전자를 갖는 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 방법(출원번호 10-2013-7034429)의 경우 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)를 이용하여 수소를 생산하나, 실험실 단위에서 사용 가능한 유기성 영양원에 대해서만 기재되어 있으므로 이를 대규모 수소생산을 위해 사용하는 경우 경제적으로 비효율적인 문제점이 있다.
본 발명은 수소생산 단가를 낮춰 대규모 수소생산 설비에서도 경제성이 있는 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1), 해수 및 유기성 폐기물을 포함하는 수소 생산용 배지 조성물을 제공한다.
상기 유기성 폐기물은 혐기여액, 음식물 탈리액 및 하수슬러지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 유기성 폐기물은 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로 10000ppm 이상이며, 혐기성 처리방식으로 처리된 것일 수 있다.
상기 하수슬러지는 5~30분 동안 초음파 처리된 것일 수 있다.
상기 배지 조성물은 상기 혐기여액, 써모코커스 온누리누스 NA1, 해수, 시스테인(Cystein), 및 비타민(Vitamin)을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상일 수 있다.
상기 배지 조성물은 상기 혐기여액, 써모코커스 온누리누스 NA1, 해수, 효모추출물(Yeast extract); 및 시스테인 또는 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 5~20g/L일 수 있다.
상기 배지 조성물은 상기 음식물 탈리액, 써모코커스 온누리누스 NA1, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하고, 상기 음식물 탈리액의 농도는 0 초과 4g/L 이하일 수 있다.
상기 시스테인은 농도가 0.1~0.9g/L일 수 있다.
상기 효모추출물은 농도가 5~15g/L일 수 있다.
상기 비타민은 농도가 0.5~1.5ml/L일 수 있다.
상기 비타민은 p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 3~7mg/L, 비오틴(Biotin) 1~3mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 3~7mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.05~0.15mg/L, 엽산(Folic acid) 1~3mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 3~7mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 8~12mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 3~7mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 3~7mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 3~7mg/L을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)를 해수 및 유기성 폐기물이 포함된 배지에서 배양하여 수소를 생산하는 수소생산 방법을 제공한다.
상기 배지에 일산화탄소를 공급하여 배양할 수 있다.
상기 유기성 폐기물은 혐기여액, 음식물 탈리액 및 하수슬러지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 유기성 폐기물은 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로 10000ppm 이상이며, 혐기성 처리방식으로 처리된 것일 수 있다.
상기 하수슬러지는 5~30분 동안 초음파 처리된 것일 수 있다.
상기 배지는 상기 혐기여액, 해수, 시스테인(Cystein), 및 비타민(Vitamin)을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상일 수 있다.
상기 배지는 상기 혐기여액, 해수, 효모추출물(Yeast extract); 및 시스테인 또는 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 5~20g/L일 수 있다.
상기 배지는 상기 음식물 탈리액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하고, 상기 음식물 탈리액의 농도는 0 초과 4g/L 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법은 수소생산 단가를 낮춰 대규모 수소생산 설비에서도 경제성이 있는 효과가 있다.
도 1 및 2는 효모추출물을 대체하여 혐기여액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 시스테인을 대체하여 혐기여액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 비타민을 대체하여 혐기여액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 효모추출물을 대체하여 음식물 탈리액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 8은 효모추출물을 대체하여 5분, 30분 또는 60분 동안 초음파 처리된 하수슬러지를 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 부산, 진주, 여수, 순천, 또는 정읍의 폐기물 처리액에서 수거한 유출수를 사용한 미생물 배양기에서 미생물을 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 시스테인을 대체하여 혐기여액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 비타민을 대체하여 혐기여액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 효모추출물을 대체하여 음식물 탈리액을 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 8은 효모추출물을 대체하여 5분, 30분 또는 60분 동안 초음파 처리된 하수슬러지를 사용한 미생물 배양기에서 미생물 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 부산, 진주, 여수, 순천, 또는 정읍의 폐기물 처리액에서 수거한 유출수를 사용한 미생물 배양기에서 미생물을 배양한 경우 시간에 따른 수소 생산량을 나타낸 그래프이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 다른 배지 조성물은, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1), 해수 및 유기성 폐기물을 포함하며, 이러한 배지 조성물을 배양하여 수소를 생산하는 방법을 제공한다.
상기 써모코커스 온누리누스 NA1은 2002년 서태평양 파푸아 뉴기니 해역 1650m의 수심을 가지는 심해열수구로부터 분리된 것으로, 에너지원으로 일산화탄소 또는 포름산이 필요하고, 유기성 영양원으로 하기 표 1의 기본 배지에 기재된 성분이 반드시 필요하다. 그러나 이를 포함하는 배지 조성물을 대규모 수소생산 설비에서 이용하는 경우 실험실 단위에서 사용한 유기성 영양원을 대체할 저렴한 유기성 영양원이 필요하다.
| 기본 배지 | 염화나트륨(NaCl) 35g/L, 염화칼륨(KCl) 0.7g/L, 황산마그네슘(MgSO4) 3.9g/L, 염화칼슘(CaCl2ㆍ2H2O) 0.4g/L, 염화암모늄(NH4Cl) 0.3g/L, 제2인산나트륨(Na2HPO4) 0.15g/L, 메타규산나트륨(Na2SiO3) 0.03g/L, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 0.5g/L, 시스테인하이드로클로라이드(Cystein-HCl) 0.5g/L, 미량원소 용액(2000X Trace elements sol.) 5ml/L, 철 에틸렌다이아민테트라아세트산 용액(500X Fe EDTA sol.) 20ml/L, 효모추출물(Yeast extract) 10g/L, 및 비타민 용액(1000X Vitamins sol.) 1ml/L |
| 상기 미량원소 용액 | 황산구리(CuSO4ㆍ5H2O) 0.02g/L, 황산아연(ZnSO4ㆍ7H2O) 0.2g/L, 염화코발트(CoCl2ㆍ6H2O) 0.01g/L, 염화망간(MnCl2ㆍ4H2O) 0.4g/L, 소듐몰리브데이트(Na2MoO4ㆍ2H2O) 0.2g/L, 브롬화칼륨(KBr) 0.1g/L, 요오드화칼륨(KI) 0.1g/L, 붕산(H3BO3) 0.2g/L, 플루오르화나트륨(NaF) 0.1g/L, 염화리튬(LiCl) 0.1g/L, 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 0.1g/L, 염화니켈(NiCl2ㆍ6H2O) 0.02g/L, 옥시황산바나듐(VOSO4ㆍ2H2O) 0.01g/L, 텅스텐산(H2WO4) 0.01g/L, 셀렌산나트륨(Na2SeO4) 0.01g/L, 염화스트론튬(SrClㆍ6H2O) 0.01g/L, 및 염화바륨(BaCl2) 0.01g/L |
| 상기 철 에틸렌다이아민테트라아세트산 용액 | 황산제일철(FeSO4ㆍ7H2O) 1.54g/L, 및 다이소듐 에틸렌다이아민테트라아세트산(Na-EDTA) 2.06g/L을 포함 |
| 상기 비타민 용액 | p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 5mg/L, 비오틴(Biotin) 2mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 5mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.1mg/L, 엽산(Folic acid) 2mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 5mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 10mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 5mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 5mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 5mg/L |
상기 써모코커스 온누리누스 NA1는 심해 63~90℃의 고온에 서식하는 고세균이므로, 이를 대량의 해수에서 배양하는 경우 수소를 대량으로 발생시킬 수 있다. 다만, 해수에서 상기 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하더라도 상기 표 1에 기재된 기본 배지 성분 중 시스테인, 효모추출물, 및 비타민이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배지 조성물은, 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양원을 유기성 폐기물로 대체하여 사용함으로써 수소생산 단가를 낮춰 대규모 수소생산 설비에서도 경제성이 있는 효과가 있다.
해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양원을 대체하는 유기성 폐기물으로는, 예를 들어, 혐기여액(Effluent from the anaerobic digestor), 음식물 탈리액(food waste effluent) 및 하수슬러지(sewage sludge)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 혐기여액은 폐수 등을 혐기 소화(anaerobic digestor)시키는 공정에서 배출되는 여액(Effluent)이다. 한편, 상기 음식물 탈리액은 일괄적인 수거작업을 통해 수집된 음식물 쓰레기(waste effluent)가 처리되는 과정을 통해 배출되는 탈리액(Effluent)이며, 상기 하수 슬러지는 하수 처리 공정에서 집수된 슬러지이다.
상기 유기성 폐기물, 예를 들어, 혐기여액, 음식물 탈리액, 및 하수슬러지는 혐기성 처리방식으로 처리된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유기성 폐기물은 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로 10000ppm 이상인 것이 바람직하다. 상기 유기성 폐기물의 화학적산소요구량이 10000ppm 미만이면 이를 써모코커스 온누리누스 NA1의 유기성 영양원으로 사용시 영양분이 충분치 않아 수소 생산이 저감되는 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 상기 화학적 산소 요구량의 상한은 특별히 한정하지 않으나 500000ppm 이하인 것이 바람직하다. 항상 그러한 것은 아니지만, COD가 지나치게 높다는 것은 거대 분자(Macromolecule)가 제대로 분해되지 못했다는 것을 나타내는 것으로, 이러한 경우 NA1은 거대 분자를 흡수하여 영양분으로 이용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 효모추출물을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 혐기여액이 효모추출물을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상일 수 있고, 0.5~20g/L인 것이 바람직하며, 10~20g/L인 것이 가장 바람직하다. 상기 혐기여액이 효모추출물을 대체하는 경우 혐기여액의 농도가 0.5g/L 미만이면 혐기여액이 효모추출물을 대체함에 있어 농도가 지나치게 낮기 때문에 효율이 떨어져서 수소 생산량이 높지 않은 문제점이 있다.
상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 시스테인을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 효모추출물, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 혐기여액이 시스테인을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5~20g/L일 수 있으며, 0.5~15g/L인 것이 바람직하다. 상기 혐기여액이 시스테인을 대체하는 경우 혐기여액의 농도가 0.5g/L 미만이면 대체하는 경우 혐기여액의 농도가 0.5g/L 미만이면 혐기여액이 효모추출물을 대체함에 있어 농도가 지나치게 낮기 때문에 효율이 떨어져서 수소 생산량이 높지 않은 문제점이 있으며, 20g/L 초과하면 혐기여액에 포함된 성분으로 인하여 수소생산의 저해가 발생할 수 있다.
상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 비타민을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 시스테인, 및 효모추출물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 혐기여액이 비타민을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5~20g/L일 수 있으며, 0.5~15g/L인 것이 바람직하다. 상기 혐기여액이 비타민을 대체하는 경우 혐기여액의 농도가 0.5g/L 미만이면 혐기여액이 비타민을 대체하더라도 그 농도가 지나치게 낮아서 수소 생산량이 높지 않은 문제점이 있으며, 20g/L 초과하면 혐기여액에 포함된 성분으로 인하여 수소생산의 저해가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음식물 탈리액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 효모추출물을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 음식물 탈리액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 음식물 탈리액이 효모추출물을 대체하는 경우 음식물 탈리액의 농도는 0 초과 4g/L 이하 일 수 있으며, 1~4g/L인 것이 바람직하다. 상기 음식물 탈리액이 효모추출물을 대체하는 경우 음식물 탈리액의 농도가 4g/L 초과하면 음식물 탈리액 자체가 가지는 여러 가지 문제점(유기산으로 인한 pH 저하, 탈리액 내의 독성물질 등)으로 인하여 수소 생산에 저해요인으로 작용한다는 문제점이 있다.
해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 시스테인은 농도가 0.1~0.9g/L일 수 있고, 0.3~0.7g/L인 것이 바람직하며, 0.5~0.6g/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 시스테인의 농도가 0.1g/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 문제점이 발생할 수 있으며, 0.9g/L 초과하면 과다한 시스테인으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.
한편, 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 효모추출물은 농도가 5~15g/L일 수 있고, 7~13g/L인 것이 바람직하며, 9~11g/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 효모추출물의 농도가 5g/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 문제점이 발생할 수 있으며, 15g/L 초과하면 과다한 효모추출물로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.
해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 비타민은 농도가 0.5~1.5ml/L일 수 있고, 0.7~1.3ml/L인 것이 바람직하며, 0.9~1.1ml/L인 것이 더욱 바람직하다. 상기 비타민의 농도가 0.5ml/L 미만이면 NA1 배양이 제대로 이루어 지지 않아 수소가 적게 발생하는 배양기에서 수소가 발생하지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 1.5ml/L 초과하면 과다한 비타민으로 인하여 수소 생산의 저해가 발생할 수 있다.
한편, 상기 비타민은 용매에 용해되어 있는 용액 상태인 것으로, 이러한 비타민 용액은 1000배로 농축(1000X Vitamins solution)된 것이 바람직하다. 또한, 상기 비타민 용액은 p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 3~7mg/L, 비오틴(Biotin) 1~3mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 3~7mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.05~0.15mg/L, 엽산(Folic acid) 1~3mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 3~7mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 8~12mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 3~7mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 3~7mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 3~7mg/L으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 유기성 폐기물 중 하수슬러지의 경우 하수슬러지에 포함된 미생물막 내부에 유기영양소가 들어있기 때문에 초음파 처리가 필요하며, 5~30분 동안 초음파 처리된 것이 바람직하다. 상기 초음파 처리 시간이 5분 미만이면 하수슬러지가 효모추출물, 비타민, 또는 시스테인 등의 유기성 영양소를 대체할 수 없는 문제점이 발생할 수 있으며, 30분 초과하면 영양분이 더 많이 용출되어 유기물에 대한 효율은 더 좋을 수 있으나 처리비용이 증가하여 비경제적일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)를 해수 및 유기성 폐기물이 포함된 배지에서 배양하여 수소를 생산하는 수소생산 방법을 제공한다.
써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)는 에너지원으로 일산화탄소 또는 포름산이 필요하고, 유기성 영양원으로 상기 표 1의 기본 배지에 기재된 성분이 반드시 필요하다. 그러나 수소를 대량 배양하는 경우 수소 생산 단가를 낮추기 위해서 해수에서 NA1을 배양할 수 있으며, 이러한 경우 상기 표 1에 기재된 기본 배지 성분 중 시스테인, 효모추출물, 및 비타민이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 방법은, 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양원을 유기성 폐기물로 대체하여 사용함으로써 수소생산 단가를 낮춰 대규모 수소생산 설비에서도 경제성이 있는 효과가 있다.
상기 시스테인, 효모추출물, 및 비타민을 대체하는 상기 유기성 폐기물은 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로 10000ppm 이상이며, 혐기성 처리방식으로 처리된 것이 바람직하다. 상기 화학적 산소요구량의 수치 범위 및 하기에 기재된 조성물의 수치 범위의 기술적 의의는 상기에 기재한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 효모추출물을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 혐기여액이 효모추출물을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상일 수 있고, 0.5~20g/L인 것이 바람직하며, 10~20g/L인 것이 가장 바람직하다.
상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 시스테인을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 효모추출물, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 혐기여액이 시스테인을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5~20g/L일 수 있으며, 0.5~15g/L인 것이 바람직하다.
상기 혐기여액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 비타민을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 혐기여액, 해수, 시스테인, 및 효모추출물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 혐기여액이 비타민을 대체하는 경우 혐기여액의 농도는 0.5~20g/L일 수 있으며, 0.5~15g/L인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음식물 탈리액은 해수에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 경우 필요한 유기성 영양인 효모추출물을 대체할 수 있다. 따라서, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하는 배지 조성물은 음식물 탈리액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 음식물 탈리액이 효모추출물을 대체하는 경우 음식물 탈리액의 농도는 0 초과 4g/L 이하 일 수 있으며, 1~4g/L인 것이 바람직하다.
상기 유기성 폐기물 중 하수슬러지의 경우 하수슬러지에 포함된 미생물막 내부에 유기영양소가 들어있기 때문에 초음파 처리가 필요하며, 5~30분 동안 초음파 처리된 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 효모추출물을 대체하여
혐기여액을
사용한 미생물 배양 및 수소 생산
혐기여액이 효모추출물을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 혐기여액, 효모추출물(YE), 시스테인, 비타민을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 2에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 1에 나타냈다. 도 1에서, 0.1, 0.3, 0.5, 1, 10, 100g/L는 혐기여액의 함량을 나타낸 것이다.
| 혐기여액(g/L) | - | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 1 | 10 | 100 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | - | - | - | - | - | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
한편, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양 시 배양 초기 조건을 온도: 80℃, 회전속도: 500 rpm, 100% 일산화탄소(CO) 통기량: 0.06vvm으로 제어하였고, 배양시작 후 광학밀도(O.D.) 0.3 이상에서 배양 조건은 온도: 80℃, 회전속도: 900 rpm, 100% 일산화탄소 통기량: 0.24vvm으로 제어하였다.
도 1에 따르면, 혐기여액을 0.5g/L 이상 포함하는 미생물 발효기에서 수소 생산량이, 효모추출물을 포함하는 미생물 발효기에서의 수소 생산량 보다, 많다는 것을 확인했다. 또한, 배양 4일경과 후에는 혐기여액을 100g/L 포함하는 미생물 발효기에서 수소 생산량이, 효모추출물을 포함하는 미생물 발효기에서의 수소 생산량 보다, 대략 187.5% 더 많은 수소를 발생함을 확인했다.
또한, 혐기여액이 효모추출물을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 추가적으로 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 혐기여액(AE), 효모추출물(Y), 시스테인, 비타민을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 3에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 GC/MS로 측정하여 그 결과를 도 2에 나타냈다.
| 혐기여액(g/L) | - | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
도 2에 따르면, 배양 35일경과 후에는 혐기여액을 포함하는 미생물 발효기가, 효모추출물만을 포함하는 미생물 발효기 보다, 수소 생산량이 더 많음을 확인했다. 구체적으로, 배양 35일경과 후에는 혐기여액 10g/L 포함하는 미생물 발효기가, 효모추출물만을 포함하는 미생물 발효기 보다, 240% 더 많은 수소를 발생함을 확인했다.
2. 시스테인을 대체하여
혐기여액을
사용한 미생물 배양 및 수소 생산
혐기여액이 시스테인을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 혐기여액(E), L-시스테인(L), 비타민(V), 효모추출물을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 4에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 3에 나타냈다.
| 혐기여액(g/L) | - | 5 | 10 | 15 | 20 |
| L-시스테인(g/L) | - | - | - | - | - |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
한편, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양 시 배양 초기 조건을 온도: 80℃, 회전속도: 500 rpm, 100% 일산화탄소(CO) 통기량: 0.06vvm으로 제어하였고, 배양시작 후 광학밀도(O.D.) 0.3 이상에서 배양 조건은 온도: 80℃, 회전속도: 900 rpm, 100% 일산화탄소 통기량: 0.24vvm으로 제어하였다.
도 3에 따르면, L-시스테인 및 혐기여액을 전혀 포함하지 않는 미생물 발효기에서는 수소가 발생하지 않음을 확인했고, 동일 조건에서 혐기여액 5g/L 이상 가하면 수소 생산량이 현저히 상승함을 확인했다. 다만, 혐기여액이 20g/L이면 배양 100~150시간 경과 후 저해 현상이 발생함을 확인했다.
3. 비타민을 대체하여
혐기여액을
사용한 미생물 배양 및 수소 생산
혐기여액이 비타민을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 혐기여액(E), 비타민(V), L-시스테인(L), 효모추출물을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 5에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 4에 나타냈다.
| 혐기여액(g/L) | - | 5 | 10 | 15 | 20 |
| 비타민(ml/L) | - | - | - | - | - |
| L-시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
한편, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양 시 배양 초기 조건을 온도: 80℃, 회전속도: 500 rpm, 100% 일산화탄소(CO) 통기량: 0.06vvm으로 제어하였고, 배양시작 후 광학밀도(O.D.) 0.3 이상에서 배양 조건은 온도: 80℃, 회전속도: 900 rpm, 100% 일산화탄소 통기량: 0.24vvm으로 제어하였다.
도 4에 따르면, 비타민 및 혐기여액을 전혀 포함하지 않는 미생물 배양기에서는 수소가 발생하지 않음을 확인했고, 동일 조건에서 혐기여액 5g/L 이상 가하면 수소 생산량이 현저히 상승함을 확인했다. 다만, 혐기여액이 20g/L이면 배양 50~120시간 경과 후 저해 현상이 발생함을 확인했다.
한편, 도 3 및 4의 그래프는 수소 생산량 증가 양상이 유사하지만, 도 4가 도 3에 비해 기울기가 급한 것으로 미루어보아 혐기여액이 L-시스테인 보다 비타민을 더 용이하게 대체한다는 것을 확인했다.
4. 효모추출물을 대체하여 음식물 탈리액을 사용한 미생물 배양 및 수소 생산
음식물 탈리액이 효모추출물을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 음식물 탈리액, 효모추출물, 시스테인, 비타민을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 6에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 5에 나타냈다. 도 5에서, 0, 1, 2, 3, 4, 5g/L는 음식물 탈리액의 함량을 나타낸 것이다.
| 음식물 탈리액(g/L) | - | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | - | - | - | - | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
한편, 상기 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양 시 배양 초기 조건을 온도: 80℃, 회전속도: 500 rpm, 100% 일산화탄소(CO) 통기량: 0.06vvm으로 제어하였고, 배양시작 후 광학밀도(O.D.) 0.3 이상에서 배양 조건은 온도: 80℃, 회전속도: 900 rpm, 100% 일산화탄소 통기량: 0.24vvm으로 제어하였다.
도 5에 따르면, 음식물 탈리액을 포함하는 미생물 배양기는, 효모추출물을 포함하는 미생물 배양기에 비하여, 수소 생산량이 많다는 것을 확인했다. 다만, 음식물 탈리액이 5g/L이면 수소 생산량이 급격히 저하됨을 확인했다.
5. 효모추출물을 대체하여 초음파 처리된
하수슬러지를
사용한 미생물 배양 및 수소 생산
5분 동안 초음파 처리된 하수슬러지가 효모추출물을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 구체적으로, 해수 3L, 5분 동안 초음파 처리된 하수슬러지(S), 효모추출물(Y), 시스테인, 비타민을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 성분의 함량은 표 7에 기재했다. 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 6에 나타냈다.
| 5분 동안 초음파 처리된 하수슬러지(g/L) | - | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
한편, 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양 시 배양 초기 조건을 온도: 80℃, 회전속도: 500 rpm, 100% 일산화탄소(CO) 통기량: 0.06vvm으로 제어하였고, 배양시작 후 광학밀도(O.D.) 0.3 이상에서 배양 조건은 온도: 80℃, 회전속도: 900 rpm, 100% 일산화탄소 통기량: 0.24vvm으로 제어하였다.
또한, 30분 또는 60분 동안 초음파 처리된 하수슬러지가 효모추출물을 대체하여 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하고 이를 통해 수소 생산량을 측정하는 시험을 실시했다. 각 미생물 배양기에 포함된 초음파 처리된 하수슬러지(S), 효모추출물(Y), 시스테인, 비타민의 함량은 하기 표 8 및 9에 각각 기재했다. 또한, 각 배지에서의 수소 생산량을 GC/MS로 측정하여 그 결과를 도 7 및 8에 각각 나타냈다.
| 30분 동안 초음파 처리된 하수슬러지(g/L) | - | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 60분 동안 초음파 처리된 하수슬러지(g/L) | - | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 효모추출물(g/L) | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | - |
| 시스테인(g/L) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 비타민(ml/L) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
도 6 내지 8에 따르면, 초음파 처리된 하수슬러지를 포함하는 미생물 배양기가, 효모추출물만을 포함하는 미생물 배양기에 비하여, 수소 생산량이 많다는 것을 확인했다. 특히, 도 7에서 하수슬러지 10g/L 포함하는 미생물 배양기는, 효모추출물만을 포함하는 미생물 배양기에 비하여, 211% 더 많은 수소를 발생함을 확인했다.
6. 유기성 폐기물을 이용한 미생물 배양 및 수소 생산에서, 상기 유기성 폐기물의 혐기성 처리 여부 및 화학적 산소요구량(COD)의 영향력 판단
부산, 진주, 여수, 순천, 정읍의 유기성 폐기물 처리장의 유출수를 수거하고 이 유출수를 포함한 배지에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였다. 구체적으로, 부산, 진주, 및 여수의 경우 음식물 쓰레기 혐기소화 처리장에서 배출된 유출수(혐기여액)를 수거하고, 순천의 경우 음식물 탈리액과 하수를 공동 혐기소화하는 처리장에서 배출된 유출수(혐기여액)를 수거하고, 정읍의 경우 돈뇨를 호기성 처리하고 남은 유출수를 수거하였다. 또한, 이들 유출수의 pH, 총고형물질량(TS, Total Solids), 휘발성 고형물량(VS, Volitile Solids), 화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand), 및 부유물질량 (SS, Suspended Solids)을 측정하여 하기 표 10에 나타냈다.
| 부산 | 진주 | 여수 | 순천 | 정읍 | |
| pH | 7.7 | 8.2 | 8.16 | 7.45 | 6.62 |
| TS(mg/L) | 8.84 | 1.6 | 1.9 | 0.69 | 1.36 |
| VS(mg/L) | 5.6 | 0.5 | 0.73 | 0.49 | 0.49 |
| COD(ppm) | 40180 | 7600 | 32000 | 29400 | 26000 |
| SS(mg/L) | 1.01 | 0.21 | 0.18 | 0.28 | 0.18 |
각 지역에서 수거한 유출수 10g/L, 해수 3L, 시스테인 0.5g/L, 비타민 1ml/L을 포함한 미생물 발효기(Marado-PDA, BioCNS사)에서 써모코커스 온누리누스 NA1를 배양하였고, 각 배지에서의 수소 생산량을 기체크로마토그래피 질량분석기(GC/MS: Gas Chromatograph-Mass Spectromery)로 측정하여 그 결과를 도 9에 나타냈다.
표 10 및 도 9에 따르면, 부산, 여수, 및 순천에서 수거한 유출수는 혐기 소화 처리장에서 수거한 혐기여액이며, 또한, COD가 10000ppm 이상이므로 이를 포함하는 미생물 배양기에서는 수소 생산량이 많음을 확인했다. 한편, 정읍에서 수거한 유출수는 호기성 처리장에서 수거한 것이며, 진주에서 수거한 유출수는 혐기소화 처리장에서 수거했지만 COD가 10000ppm 미만이므로 이를 포함하는 미생물 배양기에서는 수소가 거의 생산되지 않음을 확인했다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (19)
- 써모코커스 온누리누스 NA1(기탁번호: KCTC 10859BP), 해수 및 유기성 폐기물을 포함하며, 상기 유기성 폐기물은 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로10000ppm 이상이고, 음식물 쓰레기 혐기 소화 처리장으로부터 배출된 유출수인 혐기 여액 및 하수 슬러지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 수소 생산용 배지 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 하수슬러지는 5~30분 동안 초음파 처리된 것인 수소 생산용 배지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 배지 조성물은 상기 혐기여액, 써모코커스 온누리누스 NA1(기탁번호: KCTC 10859BP), 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상인 수소 생산용 배지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 배지 조성물은 상기 혐기여액, 써모코커스 온누리누스 NA1(기탁번호: KCTC 10859BP) , 해수, 효모추출물(Yeast extract); 및 시스테인 또는 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 5~20g/L인 수소 생산용 배지 조성물.
- 삭제
- 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스테인은 농도가 0.1~0.9g/L인 수소 생산용 배지 조성물.
- 제6항에 있어서, 상기 효모추출물은 농도가 5~15g/L인 수소 생산용 배지 조성물.
- 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비타민은 농도가 0.5~1.5ml/L인 수소 생산용 배지 조성물.
- 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비타민은,
p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid) 3~7mg/L, 비오틴(Biotin) 1~3mg/L, DL-판토텐산칼슘(DL-calcium pantothenate) 3~7mg/L, 시아노코발라민(Cyanocobalamin(B12)) 0.05~0.15mg/L, 엽산(Folic acid) 1~3mg/L, 니코틴산(Nicotinic acid) 3~7mg/L, 피리독신(Pyridoxine) 8~12mg/L, 리보플라빈(Rioboflavin) 3~7mg/L, 티아민염산염(Thiamine-HCl) 3~7mg/L, 및 리포산(Lipoic acid) 3~7mg/L을 포함하는 수소 생산용 배지 조성물.
- 써모코커스 온누리누스 NA1(기탁번호: KCTC 10859BP)를 해수 및 유기성 폐기물이 포함된 배지에서 배양하며, 상기 유기성 폐기물은 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 기준으로 10000ppm 이상이고, 음식물 쓰레기 혐기 소화 처리장으로부터 배출된 유출수인 혐기 여액 및 하수 슬러지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인, 배지에서 배양하여 수소를 생산하는 수소생산 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 배지에 일산화탄소를 공급하여 배양하는 수소생산 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제12항에 있어서, 상기 하수슬러지는 5~30분 동안 초음파 처리된 것인 수소생산 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 배지는 상기 혐기여액, 해수, 시스테인, 및 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 0.5g/L 이상인 수소생산 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 배지는 상기 혐기여액, 해수, 효모추출물; 및 시스테인 또는 비타민을 포함하고, 상기 혐기여액의 농도는 5~20g/L인 수소생산 방법.
- 삭제
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| KR1020160095816A KR101837998B1 (ko) | 2016-07-28 | 2016-07-28 | 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법 |
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| KR1020160095816A KR101837998B1 (ko) | 2016-07-28 | 2016-07-28 | 수소 생산용 배지 조성물 및 이를 이용한 수소생산 방법 |
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| KR20190142509A (ko) | 2018-06-18 | 2019-12-27 | 한국해양과학기술원 | 해수 또는 천일염을 이용한 고온성 고세균 배양용 배지 조성물 |
-
2016
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| International Journal of Engineering Research & Technology, Vol.2, Issue 9, p.1305-1308 (2013.09.18)* |
Cited By (1)
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| KR20190142509A (ko) | 2018-06-18 | 2019-12-27 | 한국해양과학기술원 | 해수 또는 천일염을 이용한 고온성 고세균 배양용 배지 조성물 |
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