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한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bio... 13건

  1. [국내논문]   미생물에 의한 수소생산: Dark Anaerobic Fermentation and Photo-biological Process   피인용횟수: 1

    김미선 (한국에너지기술연구원 바이오매스연구센터 ) , 백진숙 (한국에너지기술연구원 바이오매스연구센터)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 393 - 400 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균(photosynthetic bacteria), 혐기성세균(non-photosynthetic anaerobic bacteria), 조류(algae) 등으로 구분되고, 이들의 수소 생성 기작, 사용가능기질 및 수소 발생량은 상당한 차이가 있다. 광합성세균은 Rhodospirillaceae, Chromatiaceae 및 Chlorobiaceae로 구분되며, 이는 각각 홍색비유황세균(purple non-sulfur bacteria), 홍색유황세균(purple sulfur bacteria), 녹색유황세균(green sulfur bacteria)으로 통칭된다. 혐기성 세균은 절대 또는 통성혐기세균중 일부가 수소생산에 관여하며, 조류는 녹조류(green algae)와 남조류(blue-green algae, cyanobacteria)가 알려져 있다. 생물학적 수소생산 기술은 (1) 녹조류(green algae)가 광합성 메카니즘에 의해 수소를 생산하는 직접 물 분해 수소생산(direct bio-photolysis) (2) 광합성 작용에 의해 물을 분해하여 산소를 발생하고, 동시에 공기 중 이산화탄소를 고정하여 고분자 저장물질로 균체 내에 저장한 후 혐기 발효 또는 광합성 발효에 의해 수소를 발생하는 간접 물 분해 수소생산(indirect bio-photolysis or two stage photolysis) (3) 빛이 존재하는 혐기상태 배양 조건에서 홍색 세균에 의한 광합성 발효(photo-fermentation) 또는 (4) 광이 존재하지 않는 조건에서 혐기 미생물에 의해 수소와 유기산을 내는 혐기 발효(dark anaerobic fermentation) (5) 균체 외(in virro) 수소 발생 (6) 일산화탄소 가스 전환 반응(microbial gas shift reaction)에 의한 수소 생산 기술로 구분할 수 있다. 물로부터 생물학적 기술에 의한 수소생산은 공기 중의 이산화탄소를 고정하고, 수소와 산소를 발생하는 원천기술로써 오래 전부터 미국, 유럽에서 태양에너지를 이용하는 광합성 미생물의 분리, 개선 및 반응기에 관한 연구가 축적되어 왔으며, 유기물 즉 바이오매스로부터 혐기 및 광합성 발효를 연속적으로 적용하는 기술은 비교적 최근에 일본을 비롯한 유기성 폐기물이 많은 국가에서 수소에너지 생산과 유기성 폐기물 처리라는 두 가지 목적에 부합하는 연구로써 활발히 진행되고 있다. 유기성 폐기물이나 폐수와 같은 수분함량이 높은 바이오매스는 대부분이 매립처리 되는 실정이지만 높은 수분 함량 때문에 매립 시 발생하는 침출수는 환경오염의 주범으로 가까운 장래에는 매립도 금지될 전망이다. 이와 같은 수소에너지 생산기술과 이용시스템 개발은 화석연료 사용을 최소화 할 수 있으며, 국내에서 다량 발생하는 유기성 폐기물을 이용한 에너지 생산으로 자원 강대국 입지에 설 수 있다. 미생물에 의한 수소생산 기술은 청정에너지 생산과 아울러, 동시에 산소 발생, 공기 중 이산화탄소 고정, 식품공장 폐수 및 음식쓰레기와 같은 유기성 폐기물 처리 등 환경에 이로운 방향으로 진행될 뿐만 아니라, 미생물 자체가 갖는 생물 산업성도 높아서 비타민류, 천연색소, 피부암 치료제등의 고부가가치 의약품 생산도 활성화할 수 있다.

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    Fig. 1 이미지
  2. [국내논문]   Clostridium beijerinckii KCTC 1785를 이용한 수소생산 최적화 조건 탐색  

    김중곤 (조선대학교 생물신소재학과 ) , (조선대학교 생물신소재학과 ) , 김성준 (전남대학교 환경공학과 ) , 김시욱 (조선대학교 환경공학부)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 401 - 407 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    본 연구는 C. beijerinckii KCTC 1785의 배양배지(RCM)에서 수소생산을 위한 최적화 조건을 탐색하고 수소생산을 위한 배지성분을 최적화하였다. 수소생산을 위한 최적 초기 pH와 발효온도는 각각 7.0과 $35^{\circ}C$ 이었고, 교반은 수소생산을 가속화 시켰다. C. beijerinckii KCTC 1785는 6%(w/v)의 glucose 농도까지 성장할 수 있지만 4%의 glucose 농도에서 가장 많은 수소를 생산하였으며, 이 때 바이오가스 중 수소 함량은 37%(v/v)이었다. 그러나 배지내 잔여 glucose 양을 고려할 때 수소생산을 위한 최적 glucose 농도는 1%이었다. 발효가 진행되는 동안 수소가 생산됨과 동시에 acetic acid와 butyric acid가 동시에 생성되었으며, acetic acid와 butyric acid가 각각 5,000 mg/L과 3,000 mg/L 이상의 농도에서 수소생산을 저해하였다. 또한 발효조의 pH를 5.5로 계속 유지하였을 경우 15시간 동안 0.5% glucose로부터 1,728 mL의 수소를 생산하였으며 이 때 수소의 생산수율은 1.23 mol $H_2/mol$ glucose이었다. C. beijerinckii KCTC 1785의 성장에 있어서 yeast extract 또는 tryptose는 반드시 필요한 배지의 성분이었다.

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  3. [국내논문]   혐기성 생물수소 발효에서 이산화탄소 및 수소의 분압과 부산물의 거동  

    박우신 (광주과학기술원 환경공학과 BEEL 연구실 ) , 김인수 (광주과학기술원 환경공학과 BEEL 연구실)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 408 - 412 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    Headspace의 이산화탄소 제거는 수소의 수율을 올릴 수 있는 효과적인 방법이지만, 증가된 수소의 분압(최대 91.2%)과 이산화탄소의 부재에 의해 글루코즈의 발효 경향에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이산화탄소의 제거는 homoacetogenesis에 의한 수소의 소모를 효과적으로 억제하였지만, 주요발효 부산물인 ethanol 및 기타 발효 부산물의 분해 또한 억제하는 결과를 나타내었다. 또한 소량으로 발생한 부산물들의 분석결과에서 이산화탄소가 제거된 반응에서 반응 후반부에 butyrate의 증가하는 현상이 관찰되었다. 하지만, 기존의 연구결과들처럼 증가된 수소의 분압에 의한 과다한 solvent의 생성은 관찰되지 않았으며, acetate의 과도한 발생을 방지할 수 있어 acetate에 의한 저해현상을 다소 억제할 수 있을 것으로 사료된다. 이산화탄소가 제거될 경우 최종 산물이 수소와 ethanol이므로 목적 반응이 hydrogen-ethanol fermentation이라면 이상적인 방향을 제시할 수 있을 것이다.

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    Fig. 1 이미지
  4. [국내논문]   홍색유황세균, Thiocapsa roseopersicina의 photoheterotrophic 조건에서의 수소생산  

    김미선 (한국에너지기술연구원, 바이오매스 연구센터 ) , 인선경 (한국에너지기술연구원, 바이오매스 연구센터 ) , 백진숙 (한국에너지기술연구원, 바이오매스 연구센터 ) , 이정국 (서강대학교 생명과학부)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 413 - 417 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    홍색유황세균, Thiocapsa roseopersicina가 광합성 종속영양상태에서 수소를 생산하기 위한 여러 가지 인자 중에서 광원, 광세기, 배양온도의 영향을 실험하였다. 또한 균체의 성장곡선과 아울러 수소 생산과 소비에 영향을 주는 효소 역가의 변화를 측정하였다. 할로겐등과 형광등을 사용하여 균체성장과 수소생산을 관찰한 결과 배양 48시간 만에 균체성장은 할로겐등과 형광등을 $7.5{\sim}10$ klux로 조사할 때 각각 1.38 및 1.41 g-DCW/L로 가장 높은 균체 성장을 보였고, 수소생산성은 할로겐등과 형광등 10 klux일 때 각각 0.90 및 0.48 $ml-H_2/mg$ -dcw를 보여 할로겐등 10 klux일 때 가장 높은 수소생산성을 보였다. 최적 수소생산 온도는 $26^{\circ}C$ 이었고, $30^{\circ}C$ 이상에서는 수소생산이 감소하였다. $30^{\circ}C$ 에서 할로겐 램프로 $8{\sim}9$ klux를 조사하면서 photoheterotrophic 조건으로 배양할 때 T. roseopersicina NCIB 8347 세대시간은 약 4.2시간이었다. 수소는 성장대수기 중간인 18시간부터 발생하여 succinate가 모두 소비되는 45시간까지 발생하였고, 그 이후는 더 이상 생산되지 않았다. 그러나 배양시간이 연장되면서 발생한 수소는 시간이 경과함에 따라 감소하였다. 또한 본 배양 조건에서 발생한 수소생산은 nitrogenase에 의한 것으로 사료되었다.

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  5. [국내논문]   Rhodobacter sphaeroides의 질소고정효소에 미치는 암모니움 이온 효과 제거를 통한 수소생성 증진  

    진상훈 (서강대학교 생명과학과 바이오융합과정 ) , 김미선 (한국 에너지기술연구원 바이오매스 연구팀 ) , 이정국 (서강대학교 생명과학과 바이오융합과정)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 418 - 424 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    Rhodobacter sphaeroides는 photoheterotrophic 조건에서 성장을 하면서 질소고정효소인 nitrogenase에 의해 수소를 발생시킨다. 이 nitrogenase는 ammonium ion이 존재할 때, PII 계열 단백질인 GlnB와 GlnK에 의해 negative regulation을 받게 된다. 본 연구에서는 glnB와 glnK 유전자를 interruption하여 수소생성의 증진을 꾀하였다. 그 결과, parental strain이나 glnB 혹은 glnK 유전자 하나만을 interruption 시켰을 경우, 암모니움 이온에 의해 nitrogenase 활성이 저해를 받고 있었으나, glnB, glnK 모두를 interruption 시켰을 때, 암모니움 이온에 의한 저해 효과가 줄어드는 것을 볼 수 있었다. 또한 이러한 glnB-glnK double mutant에 nifDK gene을 in trans로 넣어 nitrogenase의 dosage를 높였을 경우, 수소 생성이 약 30% 가량 증진되었다는 것을 볼 수 있었다.

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    Fig. 1 이미지
  6. [국내논문]   CSTR의 장기운전을 통한 포도당으로부터의 고온 수소생산  

    안영희 (한국과학기술원 생명화학공학과 ) , 오유관 (부산대학교 화학생명공학과 ) , 박성훈 (부산대학교 화학생명공학과)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 425 - 430 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    1. $H_2$ 생산속도와 $H_2$ 수율의 안정화를 근거로 판단컨대 start-up 기간은 30일 이내로 나타나 중온 CSTR에 비해 짧은 편이었다. 2. 고온 CSTR의 최고 $H_2$ 수율은 2.4 mol $H_2/mol$ glucose로 나타나 보고 된 중온의 것에 비해 우수한 편에 속하였다. 3. 운전 초기에 $CH_4$ 이 발생하였으나 14일 이후부터는 pH를 5.0 이하로 유지하면 거의 검출되지 않는 것으로 봐서 메탄생성균이 식종균에 남아 있더라도 반응기 운전 조건을 통해 $CH_4$ 발생을 억제할 수 있었다. 4. 고온 CSTR은 초기 운전 후에 적용한 운전조건의 변화(유입 포도당 농도, pH, 및 온도)에 민감한 것으로 나타났다. 특히 pH 및 온도변화에 대해 $H_2$ 생산속도와 $H_2$ 수율, 포도당 제거율 면에서 반응기 성능의 감소 및 불안정이 나타나, 운전 조건 변화 후에 나타난 고온 CSTR의 성능회복이 쉽지 않음을 알 수 있었다. 5. 문헌에 보고 된 중온 CSTR과는 달리 고온 CSTR는 일정한 조건에서도 불안정 한 성능을 나타내기도 하였다. 6. 불안정한 반응기 성능은 lactate 농도 증가와 더불어 n-butyrate와 acetate 농도 감소를 동반하였다. 생산된 n-butyrate와 acetate의 농도는 lactate의 농도변화와 반대의 경향을 나타내었다. 7. 비교적 긴 HRT와 침전조를 이용한 biomass의 재순환에도 불구하고, 유입 포도당의 농도가 낮아 biomass 농도는 다른 중온 반응기에서 보고된 것에 비해 낮은 편이었다. 8. T. thermosaccharolyticum와 계통발생학적으로 관련된 개체군이 반응기 운전 후 약 40일부터 우점으로 나타나 반응기 성능과 상관없이 그 이후로 계속 우세한 것으로 나타났다.

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    Fig. 1 이미지
  7. [국내논문]   연속수소생성에 사용되는 고온 CSTR 내의 미생물의 분자적 분석  

    오유관 (부산대학교 화학생명공학과 ) , 박성훈 (부산대학교 화학생명공학과 ) , 안영희 (한국과학기술원 생명화학공학과)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 431 - 437 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    1. 고온 CSTR은 비교적 짧은 start-up 기간과 높은 $H_2$ 수율을 나타내었다. $H_2$ 생산속도와 $H_2$ 수율의 안정화를 근거로 판단컨대 start-up 기간은 30일 이내이었으며, 최고 $H_2$ 수율은 2.4 mol $H_2/mol$ glucose이었다. 2. 비교적 긴 HRT와 침전조를 이용한 biomass의 재순환에도 불구하고, 유입 포도당의 농도가 낮아 biomass 농도는 다른 중온 반응기에서 보고된 것에 비해 낮은 편이었다. 3. 운전 초기에 $CH_4$ 이 발생하였으나 8일 이후부터는 pH를 1.0 이하로 유지하였더니 14일 이후로는 거의 검출되지 않는 것으로 봐서 메탄생성균이 식종균에 남아 있더라도 반응기 운전조건을 통해 $CH_4$ 발생을 억제할 수 있었다. 4. 식종 미생물과 반응기로부터 취한 시료의 DGGE band 패튼이 다른 것으로 보아 고온 CSTR 조건에서 식종된 미생물 군집의 조성이 변화하였음을 알 수 있었다. 5. DGGE 분석결과 초기 43일간의 운전기간 동안에 관찰된 미생물 군집조성은 동적인 변화를 나타내었다. 약 14일부터는 biogas 조성이 거의 일정하였으나 미생물 군집은 동적 변화를 나타내었다. F. gondwanens와 T. Thermoanaerobacterium과 계통발생학적으로 가장 연관이 있는 개체군들이 운전 21일과 41일째에 각각 우점으로 나타났다. 6. 본 연구에서 식종 슬러지를 열처리하는데 사용한 조건은 메탄생성균을 완전히 제거하는데 불충분하다는 것은 운전 초기에 $CH_4$ 이 biogas에서 검출되었고, 식종 슬러지와 반응기로부터 취한 시료에서 메탄생성균이 가지는 mcrA 유전자가 PCR로 증폭되었으므로 알 수 있었다. 7. 메탄생성균의 주요 목에 특이적인 primers를 사용하여 PCR을 실시한 결과 식종슬러지에 있는 메탄생성균들은 주로 Methanosarcinales와 Methanomicrobiales 목에 속하였으며, $CH_4$ 이 발생했던 때의 반응기에 있는 메탄생성균들은 주로 Methanobacteriales 목에 해당되는 것으로 나타났다.

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    Fig. 1 이미지
  8. [국내논문]   음식물 쓰레기와 폐활성 슬러지를 이용한 생물학적 수소생산 및 수소생산 미생물 군집분석  

    김동건 (한국과학기술원 수질환경 및 복원연구센터 ) , 이윤지 (한국과학기술원 수질환경 및 복원연구센터 ) , 김동임 (한국과학기술원 수질환경 및 복원연구센터 ) , 김지성 (한국과학기술원 수질환경 및 복원연구센터 ) , 유명진 (서울시립대학교 환경공학과 ) , 박대원 (서울시립대학교 에너지환경대학원 ) , 김미선 (한국에너지기술연구원 바이오매스연구센터 ) , 상병인 (한국과학기술원 수질환경 및 복원연구센터)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 438 - 442 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    1. 회분식 실험결과 유기물의 함량이 높은 음식물만을 기질로 이용한 경우보다 폐활성 슬러지의 혼합비율이 $10{\sim}20%$ 일 때 더 높은 수소생산을 나타내었다. 또한 폐활성 슬러지의 혼합비율이 40%인 경우에는 메탄이 발생하여 생성된 수소가 소모되는 반응을 나타내었다. 2. 연속 실험의 경우 HRT를 줄여 유기물의 부하를 증가시킬 경우 수소생산량이 급격히 증가하였으며, HRT 2일까지는 미생물의 wash out 없이 안정적 수소생산을 보였다. 3. 음식물과 폐활성 슬러지를 이용한 연속 운전을 HRT와 두 기질의 비율을 달리하여 운전한 결과 2일의 HRT와 FW:WAS=80:20의 비율에서 140 mL $H_2/g$ VSS의 높은 수소생산율을 얻을 수 있었다. 4. 음식물 쓰레기와 폐활성 슬러지의 비율을 적절히 혼합할 경우, 수소생산의 상승작용을 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 5. SEM과 FISH 분석을 통하여 반응조 내의 수소 미생물의 공간적 분포 및 형태를 관측하였으며, 음식물이나 슬러지 주변에 많은 수소생산 미생물이 관측되었다.

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    Fig. 1 이미지
  9. [국내논문]   음식물쓰레기 발효 시 수리학적 체류시간에 따른 수소 및 부산물 생성 특성  

    김상현 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과 ) , 신항식 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 443 - 446 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    음식물 쓰레기로부터의 연속 수소 생성 실험을 다양한 수리학적 체류시간(HRT; 18, 21, 24, 30, 36, 42 h)에서 수행하였다. 음식물쓰레기는 분쇄와 알칼리 처리를 거쳐 27.0 g COD/L(average VS 4.4%)의 농도로 fed-batch 형태로 주입되었으며, 반응조 내의 pH는 $5.3{\pm}0.1$ 이상으로 유지되었다. 126일 간의 운전을 통해 유기성 폐기물로부터의 연속 수소 생성이 안정적으로 진행될 수 있음을 확인하였다. 수소 생성 효율은 HRT에 따라 변하였으며, 30 h에서 가장 높은 수치를(25.8 mL $H_2/g\;VS_{added}$ , 0.36 mol $H_2/mol\;hexose_{added}$ , 0.91 L $H_2/L/d$ ) 보였다. 대부분의 조건에서 가장 양이 많은 부산물은 노말부티르산이었으며, 수소생성이 증가함에 따라 노말부티르산의 생성이 증가하였다. 이소프로판을 역시 수소 생성과 관련이 있는 나타났다. 반면, 아세트산의 생성량은 수소생성과 반대되는 경향을 보여 수소 소모 아세트산 생성 경로로 발생되는 양이 많았다고 사료된다. 한편 산발효 효율은 $53.3{\sim}65.7%$ 인 것으로 나타나 기존 산 발효를 수소발효가 대체할 수 있음을 확인하였다.

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    Fig. 1 이미지
  10. [국내논문]   Enterobacter cloacae YJ-1의 고정화세포에 의한 과일 폐기물로부터 수소생산  

    이기석 (전남대학교 공과대학 환경공학과 ) , 허양일 (전남대학교 공과대학 환경공학과 ) , 정선용 (전남대학교 공과대학 환경공학과 ) , 강창민 (초당대학교 공과대학 환경공학과)
    한국생물공학회지 = Korean journal of biotechnology and bioengineering v.20 no.6 = no.95 ,pp. 447 - 452 , 2005 , 1225-7117 ,

    초록

    본 연구에서는 과일 폐액으로부터 고정화 세포를 이용하여 수소생산을 위한 배양조건을 조사하였다. 각종 과일 폐액 중에 수박 폐액에서 환원당의 함량이 가장 높았으며, 수소생산량은 2319.2 mL/L이었다. 고정화 물질 sodium alginate의 농도와 크기에 따른 수소생산성 효과는 검토범위 내에서는 적었다. 고정화된 비드의 내부 관찰에서 세포가 왕성하게 생육하고 있음을 확인했다. 대사의 효소물질로 이용될 수 있는 각종 아미노산의 첨가는 종류에 관계없이 수소생산성에 영향을 거의 미치지 않았다. 금속이온 $FeSO_4$ 를 첨가한 결과 최적 농도는 1.2 g/L이고, 1.3배의 수소생산 증가를 나타났다. 수소생산정지 후 배양액의 유기산은 lactic acid와 butyic acid가 가장 많았다.

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