Earticle

수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균 (photosynthetic bacteria), 혐기성세균 (non-photosynthetic anaerobic bacteria), 조류 (algae) 등으로 구분되고, 이들의 수소 생성 기작, 사용가능 기질 및 수소 발생량은 상당한 차이가 있다. 광합성세균은 Rhodospirillaceae, Chromatiaceae 및 Chlorobiaceae로 구분되며, 이는 각각 홍색비유황세균 (purple non-sulfur bacteria), 홍색유 황세균 (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 알려져있다. 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 vitro) 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 수소에너지생산과 유기성 폐기물 처리라는 두 가지 목적에 부합하는 연구로써 활발히 진행되고 있다. 유기성 폐기물이나 폐수와 같은 수분함량이 높은 바이오매스는 대부분이 매립처리 되는 실정이지만 높은 수분함량 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 설수 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.

Hydrogen (H2) as a clean, and renewable energy carrier will be served an important role in the future energy economy. Several biological H2 production processes are known and currently under development, ranging from direct bio-photolysis of water by green algae, indirect bio-photolysis by cyanobacteria including the separated two stage photolysis using the combination of green algae and photosynthetic microorganisms or green algae alone, dark anaerobic fermentation by fermentative bacteria, photo-fermentation by purple bacteria, and water gas shift reaction by photosynthetic or fermentative bacteria. In this paper, biological H2 production processes, that are being explored in fundamental and applied research, are reviewed.

본 연구는 C. beijerinckii KCTC 1785의 배양배지 (RCM)에서 수소생산을 위한 최적화 조건을 탐색하고 수소생산을 위한 배지성분을 최적화하였다. 수소생산을 위한 최적초기 pH와 발효온도는 각각 7.0과 35℃이었고, 교반은 수 소생산을 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 H2/mol glucose이었다. C. beijerinckii KCTC 1785의 성장에 있어서 yeast extract 또는 tryptose는 반드시 필요한 배지의 성분이었다.

Optimum culture conditions and medium composition for hydrogen production by Clostridium beijerinckii KCTC 1785 were investigated. Initial pH and temperature for growth were 7.0 and 35°C, respectively. Agitation accelerated the hydrogen production. Although C. beijerinckii KCTC 1785 could grow up to 6% (w/v) glucose in the medium, the optimum glucose concentration for hydrogen production was 4% and hydrogen content in the biogas was 37% (v/v). However, the economical glucose concentration for hydrogen production was 1% regarding to the residual glucose which was not used in the medium. During hydrogen fermentation, acetic and butyric acid were produced simultaneously. High concentrations of acetic (>5,000 mg/L) or butyric (>3,000 mg/L) acid inhibited hydrogen production. When pH was maintained at 5.5 in the batch fermentation, 1,728 mL of hydrogen was produced from 0.5% glucose within 15 hr. H2 yield was estimated to be 1.23 mol H2/mol glucose. It was found that yeast extract or tryptose in the medium was essential for hydrogen production.

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.

In a previous research, it has been found that it could be possible to increase the partial pressure of hydrogen and hydrogen yield by scavenging the CO2 from the headspace of reactor. In this research, the positive and negative effects of the CO2 scavenging especially on the fate of by-products were investigated by a batch experiment. Production and conversion of by-products had critical relationships with hydrogen evolution and consumption. The maximum hydrogen fraction in the headspace was increased from 66.4 to 91.2% by removing the CO2 in the headspace and the degradation rate of glucose was also enhanced. The removal of CO2 effectively hindered the homoacetogenesis but caused several negative phenomena. The degradation of ethanol, one of the main products, was inhibited by the high partial pressure of hydrogen and/or the absence of CO2. Also it was observed that other by-products such as propionate, propanol, acetone, etc. could not be degraded further after produced from glucose. On the other hand, solventogenesis was not observed in spite of the high hydrogen partial pressure apart from previous researches and it might hinder the excess production of acetate, which could cause overall inhibition. From this research, it could be implicated that the CO2 scavenging method could be recommended if the fermentation was purposed to produce hydrogen and ethanol.

홍색유황세균, Thiocapsa roseopersicina가 광합성 종속영양 상태에서 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 7.5~10 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 0.48ml-H2/mg-dcw를 보여 할로겐등 10 klux일 때 가장 높은 수소생산성을 보였다. 최적 수소생산 온도는 26oC이었고, 30oC 이상에서는 수소생산이 감소하였다. 30oC에서 할로겐 램프로 8~9 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.

The purple sulfur phototrophic bacterium, Thiocapsa roseopersicina NCIB 8347 has been studied on hydrogen production and cell growth under different culture conditions, such as light source, light intensity, and growth temperature. T. roseopersicina showed maximum cell growth of 1.38 and 1.42 g-DCW/L under 7.5-10 klux of halogen and fluorescent light, respectively, and produced maximum amount of hydrogen with values of 0.90 and 0.48 mL-H2/mg-DCW under the irradiation of 10 klux of halogen and fluorescent light, respectively. The optimum growth temperature for hydrogen production was 26oC, and hydrogen production rate was lowered over 30oC. When T. roseopersicina was grown photoheterotrophically under irradiation of 8-9 klux of halogen lamp, the generation time was 4.2 hr. The strains started producing hydrgen from the middle of the logarithmic growth phase and continued until succinate concentration leveled out.

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 nifHDK gene을 in trans로 넣어 nitrogenase의 dosage를 높였을 경우, 수소 생성이 약 30% 가량 증진되었다는 것을 볼 수 있었다.

Photoheterotrophic evolution of molecular hydrogen by Rhodobacter sphaeroides is mediated by nitrogenase that is regulated transcriptionally and post-translationally by ammonium ion. Two PII-like proteins, GlnB and GlnK, play key roles in mediating inhibition and repression of nitrogenase in the presence of ammonium ion. glnB and glnK of R. sphaeroides were interrupted to abolish the ammonium ion effect controlling nitrogenase. Ammonium ion effect was still observed in mutant having an interruption in either glnB or glnK. However, the nitrogenase activity of glnB-glnK double mutant is not affected by ammonium ion. H2 evolution was improved by increasing gene dosages of nitrogenase-coding genes, nifHDK in trans in glnB-glnK double mutant.

1. H2 생산속도와 H2 수율의 안정화를 근거로 판단컨대 start-up 기간은 30일 이내로 나타나 중온 CSTR에 비해 짧은 편이었다. 2. 고온 CSTR의 최고 H2 수율은 2.4 mol H2/mol glucose로 나타나 보고 된 중온의 것에 비해 우수한 편에 속하였다. 3. 운전 초기에 CH4이 발생하였으나 14일 이후부터는 pH를 5.0 이하로 유지하면 거의 검출되지 않는 것으로 봐서 메탄생성균이 식종균에 남아 있더라도 반응기 운전조건을 통해 CH4 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 H2 생산속도와 H2 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 불안정한 성능을 나타내기도 하였다. 6. 불안정한 반응기 성능은 lactate 농도 증가와 더불어 nbutyrate와 acetate 농도 감소를 동반하였다. 생산된 nbutyrate와 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.

Thermophilic H2 was produced for 1 year using a bench-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). The CSTR was inoculated with anaerobically digested sludge after heat treatment and fed with a glucose-based medium. The reactor showed relatively short start-up period (30 days) and high maximal H2 yield (2.4 mol H2/mol glucose). Keeping pH 5.0 or less suppressed methanogenic activity. Bacteria affiliated with Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum kept being dominant from approximately 40 days as determined by DGGE. Environmental perturbation (pH or temperature) caused the decrease of biomass concentration in the reactor and the instability of reactor performance, H2 production rate and H2 yield. The unstable performance was accompanied with high concentration of lactate in the effluent. Taken together, the poor recovery of CSTR after perturbations could be partly explained by low biomass concentration and/or metabolic shift of the major population in the CSTR.

1. 고온 CSTR은 비교적 짧은 start-up 기간과 높은 H2 수율을 나타내었다. H2 생산속도와 H2 수율의 안정화를 근거로 판단컨대 start-up 기간은 30일 이내이었으며, 최고 H2수율은 2.4 mol H2/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 CH4이 발생하였으나 8일 이후부터는 pH를 5.0 이하로 유지하였더니 14일 이후로는 거의 검출되지 않는 것으로 봐서 메탄생성균이 식종균에 남아 있더라도 반응기 운전조건을 통해 CH4 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. thermosaccharolyticum과 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 CH4이 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, CH4이 발생했던 때의 반응기에 있는 메탄생성균들은 주로 Methanobacteriales 목에 해당되는 것으로 나타났다

Molecular methods were employed to investigate microorganisms in a thermophilic continuous stirred tank reactor (CSTR) used for continuous H2 production. The reactor was inoculated with heat-treated anaerobic sludge and fed with a glucose-based medium. Denaturing gradient gel electrophoresis showed dynamic changes of bacterial populations in the reactor during 43 days of operation. Gas composition was constant from approximately 14 days but population shift still occurred. Populations affiliated with Fervidobactrium gondwanens and Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum were dominant on 21 and 41 days, respectively. Keeping pH of the medium at 5.0 could suppress methanogenic activity that was detected during initial operation period. CH4 and mcrA detected in the samples obtained from the reactor or inoculum suggested the heat treatment condition employed in this study is not enough to remove methanogens in the inoculum. PCR using primer sets specific to 4 main orders of methanogens suggested that major H2-consuming methanogens in the CSTR belong to the order Methanobacteriales.

1. 회분식 실험결과 유기물의 함량이 높은 음식물만을 기질로 이용한 경우보다 폐활성 슬러지의 혼합비율이 10~20%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 H2/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.

Batch experiments were performed to investigate the effects of volumetric mixing ratio (v/v) of two substrates, food wastes (FW) and waste activated sludge (WAS). In batch experiments, optimum mixing ratio for hydrogen production was found at 10~20 v/v % addition of WAS. CSTR (Continuous Stirred tank reactor) was operated to investigate the hydrogen productivity and the microbial community under various HRTs and volumetric mixing ratio (v/v) of two substrates. The maximum yield of specific hydrogen production, 140 mL/g VSS, was found at HRT of 2 day and the volumetric mixing ratio of 20 : 80 (WAS : FW). The spatial distribution of hydrogen producing bacteria was observed in anaerobic fermentative reactor using fluorescent in situ hybridization (FISH) method.

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 ± 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 H2/g VSadded, 0.36 mol H2/mol hexoseadded, 0.91 L H2/L/d) 보였다. 대부분의 조건에서 가장 양이 많은 부산물은 노말부티르산이었으며, 수소 생성이 증가함에 따라 노말부티르산의 생성이 증가하였다. 이소프로판올 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 53.3~65.7%인 것으로 나타나 기존 산 발효를 수소 발효가 대체할 수 있음을 확인하였다.

Hydrogen fermentation from food waste was attempted at different hydraulic retention time (HRT, 18-42 h). A continuous reactor fed with ground, alkali-treated and diluted food waste (average VS 4.4%) exhibited stable hydrogen production during 126 days. Hydrogen production depended on HRT, resulting in the maximum values of 25.8 mL H2/g VSadded, 0.36 mol H2/mol hexoseadded and 0.91 L H2/L/d at HRT 30 h. n-Butyrate and isopropanol production increased with hydrogen production increased, while acetate production decreased. The fermentation efficiency ranged from 53.3 to 65.7%, which implied that hydrogen fermentation would substitute conventional acidogenesis of food waste.

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 FeSO4를 첨가한 결과 최적 농도는 1.2 g/L이고, 1.3배의 수소생산 증가를 나타났다. 수소생산정지 후 배양액의 유기산은 lactic acid와 butyic acid가 가장 많았다.

The hydrogen production using immobilized cellsl was conducted using fruit wastewaters at various culture conditions. Three kinds of fruit wastewaters, melon, watermelon and pear were used. Sodium alginate was used as immobilization material. Among them, concentration of reducing sugar which was one of the main components in fruit was the highest at watermelon wastewater, and also hydrogen production was the highest as 2319.2 mL/L in it. Although hydrogen production was not much changed according to sodium alginate concentration, its production was the most at 3% (w/v). As bead size as small, hydrogen production was higher. With inspection of interior, it confirmed that the cell grew well in bead. But the addition of amino acids using as agent for metabolite production had almost no affected on hydrogen productivity. The effective range of FeSO4 addition on hydrogen production were up to 1.2 g/L, and above the concentration, it inhibited the productivity. Organic acids produced during watermelon fermentation were mainly lactic acid, butyric acid, abd acetic acid; and a little of propionic acid.

우리는 황결핍 환경에서 C. reinhardtii에 의한 수소생산성을 증진시키기 위해 황성분의 농도가 수소생산에 미치는 영향을 조사하였고, 그 결과를 이용하여 황 재첨가에 의한 연속적인 수소생산을 수행하였다. MgSO4 용액을 농도별 (0, 15, 30, 60, 120 μM)로 희석하여 황결핍 초기에 첨가하였을 때, 최적 황농도는 30 μM로서 236 mL H2/L culture를 생산하였다. 황결핍 시 황성분의 첨가는 PSⅡ 활성화에 기여하여 hydrogenase가 수소합성에 이용할 수 있는 전자를 다량 발생시키기 때문이다. 그러나 초기에 첨가 해 준 황농도가 너무 높으면, 황결핍 시간이 지연 (MgSO4 60 μM의 경우) 되거나 황결핍이 일어나지 않기 (MgSO4 120 μM의 경우) 때문에 hydrogenase가 유도되지 않는다. 따라서 수소생산량이 다른 농도에 비해 감소하거나 수소가 전혀 생산되지 않았다. 연속적인 수소생산을 위한 황성분 재첨가는 총 4회 수행되었고, 발생된 총 수소생산량은 625 mL H2/L culture였다. 그러나 황성분을 재첨가해 줄 때마다 수소생산량은 점차 감소되었다. 이것은 황결핍 조건에서 단일항 산소에 의한 chlorophyll 파괴 및 세포 수의 감소, 또한 배양액 내의 pH의 증가 때문에 수소생산이 감소된 것으로 사료된다. 따라서 황결핍 조건에서 조류를 이용한 연속적인 수소생산 공정을 개발하기 위해서 황성분 첨가시기를 조절하여 세포의 사멸을 방지하고, 배양액내 pH 조절을 위한 다양한 buffer 첨가 실험 등 수소생산성을 지속적으로 유지할 수 있는 다양한 연구가 필요하다.

We investigated the effect of sulfate re-addition on hydrogen production under sulfur-deprived condition. When the final concentration of sulfate to cell suspensions (0～120 μM) was increased, chlorophyll concentration, culture density, and total amount of H2 produced, increased up to an optimal concentration of 30 μM MgSO4. Maximum hydrogen volume was 236 mL H2/L culture at 30 μM MgSO4. However, the addition of excess sulfate (above MgSO4 60 μM) delayed the start of hydrogen production and the induction of hydrogenase. Accordingly, the final yield of hydrogen production was reduced. Using these results, we attempted the continuous and sustained hydrogen production by sulfate re-addition (30 μM MgSO4) using a single C. reinhardtii culture for up to 4 cycles. In total, hydrogen production volume was 625 mL H2/L culture.

Polyurethane foam이 충진된 trickle bed reactor에서 통성혐기성 미생물인 Citrobacter amalonaticus Y19을 이용하여 일산화탄소와 물로부터 연속적인 수소생산을 살펴보았다. C. amalonaticus Y19은 설탕을 탄소원으로 할 때 호기적 조건에서 13 g/L까지 성장하였고 혐기조건에서 CO 가스를 주입하였을 때 약 60시간만에 최대 수소 생산 활성을 나타내었다. TBR 반응기에서 유입가스의 CO의 분압이 증가할수록 혹은 기체 체류시간이 감소할수록 수소 생성속도가 증가하였으나 CO의 전환율은 반대로 감소하였다. 그러나 액상의 유속변화는 반응기 운전 결과에 큰 영향을 주지 못했다. 본 실험에서 얻은 최대 수소 생성속도는 기체체류시간 25분, 유입 CO 압력 0.4 atm에서 16 mmol/L/hr(전환율 33%)이었다. 이 값은 비슷한 반응기에 대해 보고된 Cowger의 결과보다 약 2배 이상 높은 값으로 통성혐기성균주의 고농도 배양과 다공성 충진물의 사용에 의한 높은 기-액 물질 전달 속도가 그 원인으로 추정되었다.

H2 from CO and water was continuously produced in a trickle bed reactor (TBR) using Citrobacter amalonaticus Y19. When the strain C. was cultivated in a stirred-tank reactor under a chemoheterotrophic and aerobic condition, the high final cell concentration of 13 g/L was obtained at 10 hr. When the culture was switched to an anaerobic condition with the continuous supply of gaseous CO, CO-dependent hydrogenase was fully induced and its hydrogen production activity approached 16 mmol/g cell/hr in 60 hr. The fully induced C. amalonaticus Y19 cells were circulated through a TBR packed with polyurethane foam, and the TBR was operated for more than 20 days for H2 production. As gas retention time decreased or inlet CO partial pressure increased, H2 production rate increased but the conversion from CO to H2 decreased. The maximum H2 production rate obtained was 16 mmol/L/hr at the gas retention time of 25 min and the CO inlet partial pressure of 0.4 atm. The high H2 production rate was attributed to the high cell density in the liquid phase circulating the TBR as well as the high surface area of polyurethane foam used as packing material of the TBR.

가정쓰레기 매립지 토양에서 분리된 Enterobacter sp. SNU-1453은 Enteric bacteria에 속하는 종 (species)으로서 혐기발효 시 효과적으로 수소를 생산하였다. 이러한 fermentative bacteria는 여러 가지 외부 요인에 의해 다른 metabolism을 나타내어 수소생산량에 영향을 준다. 혐기 발효가 진행됨에 따 라 배지의 pH가 급격히 감소하여 미생물 성장과 수소생산에 영향을 미치므로, pH에 따른 metabolism 변화를 관찰함으로써 수소생산을 극대화하기 위한 최적 pH 조건을 선정하여 제어할 필요가 있다. 본 연구에서는 수소생산에 대한 pH의 효과 및 pH 제어에 따른 metabolic flux를 분석하였다. 실험결과 이 분리균주는 매우 넓은 영역의 pH (4-7.5)에서도 수소를 생산하였으며, pH 7에서 가장 높은 수소생산량을 나타내었다. pH 7로의 제어는 butanediol pathway로부터 수소 생산에 더 유리한 mixed acid fermentation pathway로 metabolic flux를 변화시킴을 알 수 있었다.

For the biological production of hydrogen, a new fermentative hydrogen-producing bacterium, Enterobacter sp. SNU-1453, was isolated from a domestic landfill. During the culture of this bacterium, pH significantly decreased with the accumulation of various organic acids, and consequently this inhibited the production of hydrogen. It was found that the metabolic flux in this bacterium depended on the pH and affected the hydrogen production. A butanediol pathway was dominant during the fermentation when pH was not controlled. By controlling the pH at 7 this pathway can be shifted to a mixed acid pathway, which is favorable to the production of hydrogen.