Transactions of the Korean hydrogen and new energy society (한국수소및신에너지학회논문집)

The Korean Hydrogen and New Energy Society (한국수소및신에너지학회)
권호 표지

Thermophilic Hydrogen Production from Microbial Consortia Using PVDF Membrane Bioreactor

PVDF 여과막 생물막 반응기를 이용한 혐기 세균 복합체의 고온 수소생산

  • 오유관 (한국에너지기술연구원 바이오에너지연구센터) ;
  • 이동렬 ((주)우리텍) ;
  • 김미선 (한국에너지기술연구원 바이오에너지연구센터)
  • Published : 2007.09.15
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Abstract

여과막 생물반응기를 이용하여 $60^{\circ}C$에서 혐기 세균 복합체가 포도당으로부터 수소를 생산할 수 있는 최적조건을 연구하였다. 여과막 생물반응기는 연속교반 탱크반응기와 외부에 장착된 PVDF (polyvinylidene fluoride) 중공사막 여과장치로 구성되었다. 접종슬러지는 하수처리장 소화 슬러지조에서 얻었고, 포자형성 수소생산 미생물을 얻기 위해 $90^{\circ}C$에서 20분 간 열처리하였다. 16S rRNA PCR-DGGE(polymer chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis) 분석을 통해 열처리 전후의 미생물상 변화를 조사하였다. 열처리 후 DGGE 밴드의 수는 감소하였고, 주요 밴드는 Clostridium perfringens와 유사한 염기서열을 나타내었다. 운전 기간 동안 바이오가스 내 수소함량은 60%(v/v)를 유지하였고, 메탄은 검출되지 않았다. 연속교반 탱크반응기를 여과막 없이 수력학적 체류 4시간에서 운전하였을 때 공급된 포도당의 95.0%가 제거되었고, 이때 균체농도 및 수소생산속도는 각각 1.35 g cell/L 및 7.4 L $H_2$/L/day이었다. 동일한 체류시간에서 PVDF중공사막 여과장치를 장착하여 연속교반 탱크반응기를 운전하였을 때, 균체농도는 1.62 g cel/L로 증가하였고 높은 포도당 제거율(99.5%) 및 수소생산속도(8.8 L $H_2$/L/day)가 관찰되었다. 40 nm 및 100 nm의 공극크기를 가진 여과막은 균체농도 및 수소생산 측면에서 유사한 성능을 나타내었다. 여과막 생물반응기는 여과막의 반복적인 세척을 통해 30일 이상 안정적으로 운전될 수 있었다.

Keywords

References

  1. D. Das and T. N. Vezirolu, 'Hydrogen production by biological processes: a survey of literature', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 26, 2001, pp. 13-28 https://doi.org/10.1016/S0360-3199(00)00058-6
  2. P. Hoffmann, 'Tomorrow's energy: hydrogen, fuel cells, and the prospects for a cleaner planet', The MIT Press, London, 2001, pp. 1-17
  3. S. Kumazawa and A. Mitsui, 'Characterization and optimization of hydrogen photoproduction by a salt water blue-green alga, Oscillatoria sp. Miami BG7. I. Enhanced through limiting the supply of nitrogen nutrients', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 6, 1981, pp. 339-48 https://doi.org/10.1016/0360-3199(81)90060-4
  4. J. Miyake and S. Kawamura, 'Efficiency of light energy conversion to hydrogen by the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides' Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 12, 1987, pp. 147-9 https://doi.org/10.1016/0360-3199(87)90146-7
  5. Y. -K. Oh, E. -H. Seol, E. Y. Lee, and S. Park, 'Fermentative hydrogen production by a new chemoheterotrophic bacterium Rhodopseudomonas palustris P4', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 27, 2002, pp. 1373-9 https://doi.org/10.1016/S0360-3199(02)00100-3
  6. H. Yokoi, T. Tokushige, J. Hirose, S. Hayashi, and Y. Takasaki, 'Hydrogen production by immobilized cells of aciduric Enterobacter aerogenes strain HO-39', J. Ferment. Bioeng., Vol. 83, 1997, pp. 481-4 https://doi.org/10.1016/S0922-338X(97)83006-1
  7. F. Taguchi, J. D. Chang, S. Takiguchi, and M. Morimoto, 'Efficient hydrogen production from starch by a bacterium isolated from termites', J. Ferment. Bioeng., Vol. 73, 1992, pp. 244-5 https://doi.org/10.1016/0922-338X(92)90172-Q
  8. M.-S. Kim, K.-W. Moon, I.-G. Lee, T.-J. Lee, and C.-K. Sung, 'Hydrogen gas production by fermentation from Various sugars using Clostridium butyricum NCIB 9576', Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 27, 1999, pp. 62-9
  9. Y. -K. Oh, M. S. Park, E. -H. Seol, S. J. Lee, and S. Park, 'Isolation of hydrogen-producing bacteria from granular sludge of an upflow anaerobic sludge blanket reactor', Biotechnol. Bioprocess Eng., Vol. 8, 2003, pp. 54-7 https://doi.org/10.1007/BF02932899
  10. C. C. Chen and C. - Y. Lin: 'Start-up of anaerobic hydrogen producing reactors seeded with sewage sludge', Acta Biotechnol., Vol. 21, 2001, pp. 371-9 https://doi.org/10.1002/1521-3846(200111)21:4<371::AID-ABIO371>3.0.CO;2-Z
  11. C. C. Chen, C. Y. Lin, and J. S Chang, ' Kinetics of hydrogen production with continuous anaerobic cultures utilizing sucrose as the limiting substrate', Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol. 57, 2001, pp. 56-64 https://doi.org/10.1007/s002530100747
  12. Y.-K. Oh, S. H. Kim, M. -S. Kim, and S. Park, 'Thermophilic biohydrogen production with trickling biofilter', Biotechnol. Bioeng. Vol. 88, 2004, pp. 690-8 https://doi.org/10.1002/bit.20269
  13. N. Kumar and D. Das, 'Continuous hydrogen production by immobilized Enterobacter cloacae IIT-BT 08 using lignocellulosic materials as solid matrices', Enzyme Microb. Technol. Vol. 29, 2001, pp. 280-7 https://doi.org/10.1016/S0141-0229(01)00394-5
  14. K. -S. Lee, P. -J. Lin, K. Fangchiang, and J. -S. Chang, 'Continuous hydrogen production by anaerobic mixed microflora using a hollowfiber microfiltration membrane bioreactor', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 32, 2007, pp. 950-57 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.09.018
  15. S. -E. Oh, P. Iyer, M. A. Bruns, and B. E. Logan, 'Biological hydrogen production using a membrane bioreactor', Biotechnol. Bioeng. Vol. 87, 2004, pp. 119-27 https://doi.org/10.1002/bit.20127
  16. L. B. Rockland, B. L. Gardiner, and D. Pieczarka, 'Stimulation of gas production and growth of Clostridium peifringens Type A (No. 3624) by Legumes', J. Food. Sci., Vol. 34, 1969, pp. 411-414 https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1969.tb12792.x