지질추출 미세조류 폐기물로부터 바이오 수소 생산 향상을 위한 전처리의 적용 (Enhanced Bio-hydrogen Production from Pretreated Microalgal Waste)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 41권 / 9호 / 494 ~ 500페이지
· 저자명 : 김태훈, 임병서, 박혜숙, 윤여명

초록

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)/L로고정하였다. 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 : 10을기준으로 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 mg COD/L을 보였으나 산(1.0% HCl)+초음파 병합 전처리에서 237 mL H2/g (dcw)의 가장 높은 수소 생산의 결과를보였다. 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.

영어초록

Objectives : This study was performed to investigate optimal conditions for fermentative hydrogen production of lipid-extracted microalgae waste (LMW) by single and combined pretreatments.
Methods : To produce LMW as a feedstock, the lipids were extracted from Chlorella vulgaris by conventional method and the LMW concentration was controlled at 75 g dry cell weight (dcw)/L. LMW pretreatment was performed by single (alkali, acid, and ultrasonic (U/S)) and combined (alkali+ultrasonic, acid+ultrasonic) pretreatment. For performing dark fermentative hydrogen production, LMW was added on the basis of a solid/liquid ratio (S/L ratio) of 1 : 10 and the heat-treated sludge at 90℃ for 20 min was inoculated in batch reactors. After the batch experiment, microbial community analysis was performed by Next Generation Sequencing (NGS).
Results and Discussion : The acid pretreatment showed the greatest influence on the increase of the solubilization rate among three single pretreatment methods. On the other hand, the ultrasonication pretreatment did not lead to increasing the solubilization but showed increased hydrogen production (197 mL H2/g (dcw)) as much as the single acid pretreated methods. The combined pretreatment resulted in the highest 6,880 mg COD/L in the sample pretreated by the acid (1.5% HCl) combined with the single ultrasonic method, but the highest hydrogen production of 237 mL H2/g (dcw) was obtained in the sample pretreated by the acid (1.0% HCl) combined with ultrasonic. However, the alkali combined with ultrasonic combined pretreatment method showed a slight increase in hydrogen production compared to control one. Microbial community analysis revealed that the relative abundance of genera Clostridium was 97.1% in the sample pretreated by combined pretreatment (1.5% HCl+ultrasonic).
Conclusions : The improvement of hydrogen production was closely related to the increase of SCOD in both samples employed by single and combined pretreatment. Especially, the application of acid pretreatment method was found to be more effective than alkali pretreatment. Ultrasonic pretreatment, on the other hand, did not result in increased SCOD, but improved hydrogen production. This might be due to that physical structure of LMW was disrupted and became easier biodegradable, even if the solubilization of the substrate did not proceed through the pretreatment of the ultrasonic method. According to the result of NGS analysis, high abundance of Clostridium spp. played the main role in hydrogen production.

참고자료

· 없음