Rhodospirillum rubrum KCTC1372에 의한 수소생산

박준성, 이상묵, 박기용, 김철경*, 김남기

성균관대학교 공과대학 화학공학과

신흥대학 환경관리과

Production of hydrogen by Rhodospirillum rubrum KCTC1372

Joon seong Park, Sang muk Lee,

Ki yong Park, Chul kyung Kim*, Nam Ki Kim

Dept. of Chem. Eng., Sungkyunkwan University,

*Dept. of Environ. Mag., Shin Heung College

1. 서론

광합성 세균을 이용한 생물학적 수소 생산은 유기산을 전자공여체로 이용하여 수소를 생산할 수 있기 때문에 하천 슬러지, 제당공장 폐수, 유가공업체의 폐수등으로부터 환경 처리를 겸해서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.  본 연구는 홍색 비유황 세균인 Rhodospirillum rubrum KCTC 1372를 광 조사하에 질소 제한 조건과 혐기적 상태에서 glucose, malic acid, latic acid, acetic acid를 탄소원으로 이용하여 수소생산을 연구하였고, 전자 공여체로 유기물에 따르는 수소생산량을 비교하였고 배양중 pH 저하에 따른 세균 탈색 현상도 연구하였으며 유기성 폐수 및 폐자원과 같은 복합기질로 부터 최대의 수소 생산과 최적 균주 배양 조건의 기초 자료의 확립을 목적으로 한다.

2. 실험

·배지 및 시약

R. rubrum은 혐기적 조건하에서 유기물을 기질로 하여 증식하는 홍색 비유황 세균의 일종이다. 이 균주들의 stock culture에서 G5배지를 사용하며 그 조성은 증류수 1L에 Peptone 5g, Yeast extract 5g, L-glutamate 4g, DL-malic acid 3.5g, KH2PO4 0.12g, K2HPO4 0.18g, Agar 25g이며 pH 6.8로 조정하였다. 이 세균들은 활성을 유지하기 위해 broth 상태로 1-2주 마다 계대 배양되었다. 이때 사용한 broth 배양액의 조성은 Ormerod basal medium으로 조성은 증류수 1L에 KH2PO4 0.6, K2HPO4 0.9, MgSO4·7H2O 0.2, CaCl2·2H2O 0.075, FeSO4·7H2O 0.0118, EDTA 0.02, Yeast extract 0.1, DL-malic acid 4, Sodium L-glutamate 0.94, 미량원소(증류수 1L에 MnSO4·4H2O 2.1g, H3BO3 2.8g, Cu(NO3)2·3H2O 0.04g, ZnSO4·7H2O 0.24g, Na2MoO4·3H2O 0.75g) 1mL 이며 pH 6.8로 조정하였다.

·분석방법

①건조 세균 농도 측정-분광광도계를 사용하여 660nm에서 O.D를 측정하고 검량선을 작성하여 건조 세균 농도로 환산하였다.

②Glucose 농도 분석-Glucose 농도 분석 Kit를 사용하여 파장 505nm에서 O.D 를 작성한 후, 표준액의 O.D 값과의 비교를 통해서 환산하였다.

③수소 생산량의 측정

혐기적 상태에서 정치 배양한 배양액으로부터 생산되는 기체상의 시료는 gas chromatography(5890A, Hwelett Packard, USA)로 분석하였다.

④유기산의 분석

배양액내의 발효 산물인 유기산의 분석은 liquid chromatography(M486, Waters, USA)를 사용하였다.

⑤광조도 측정

회분식 반응기에 조사된 광의 조도는 light meter를 사용하여 측정하였다.

·장치구성 및 실험방법

①장치구성(Fig.1)

②실험방법

본배양에서는 1L 배양액을 2.5L 용량 반응기에 넣고 Ar 가스를 10분간 흘려서 혐기 조건을 만들었다. 본 배양에서는 pH 6.8, 온도는 30℃에서 백열등으로 10,000Lux를 조사하면서 120rpm으로 교반하였다. pH를 조절하지 않고, 전자 공여체로 glucose를 사용하는 경우, glucose가 산발효에 의해 유기산을 생산하여 pH를 저하시키므로 세균의 탈색현상이 발생하였다. 본 연구자들은 pH를 6.8-7.2로 조절하여 세균의 탈색현상을 방지하였으며, 이에 따른 세균 농도변화와 수소생산량, 잔류 glucose 농도를 측정하였다. 그리고 수소 생산 속도와 세균 단위 질량을 기준한 비수소 생산 속도를 구하였다. 온도와 광도를 동일하게 한 상태에서 malic acid, lactic acid와 acetic acid를 기질로 사용하는 경우의 pH 변화, 수소생산량, 잔류기질 농도변화를 비교하여 다양한 탄소원이 혼합된 상태에서 수소생산 가능성에 대한 기초 연구를 하였다.

3. 실험결과 및 고찰

□pH 변화

광합성 홍색 비유황 세균인 Rhodospirillum rubrum KCTC 1372를 glucose를 기질로 하고, 혐기조건에서 초기 pH 6.8을 조절을 하지 않고 배양할 때 산 발효에 의한 유기산의 영향으로 pH저하 및 탈색현상을 나타낸다. pH 저하에 의한 세균 성장 저해 현상 및 탈색현상을 방지하기 위하여 본 실험에서는 동일한 배양조건에서 배양액 pH를 6.8-7.2로 조절한 결과, 세균은 배양시간 경과에 따라 계속 성장하였다. 동일한 조건에서 유기산(malic acid, latic acid, acetic acid)을 이용할 때의 배양액의 pH는 96시간 동안 중성 및 알카리성으로 계속 유지되었다. 그리고 탈색현상도 관찰되지 않았다.

□수소생산

(i) Glucose를 이용한 수소생산-Rhodospirillum rubrum KCTC 1372는 pH 조절없이 혐기 광합성 배양 중 glucose를 이용한 48시간 동안의 수소 생산이 530 mL이고, 이때 기질 분해율은 36.5%이었다. 같은 실험 조건에서 pH를 조절하였을 때는 48시간동안 수소생산과 기질 분해율은 1297 mL, 62% 이었다. 그리고 72시간 이후부터 수소가 거의 생산되지 않았다. pH 조절을 하지 않았을 때의 최대 수소 생산 속도는 14.5 mL/hr이고, 세균 단위 질량을 기준한 최대 비수소 생산 속도는 48.33 mL/hr/g dry cells이었다. 동일한 조건에서 pH 조절을 하였을 때는 최대 수소 생산 속도는 38.67 mL/hr이고, 세균 단위 질량을 기준한 최대 비수소 생산 속도는 45.42 mL /hr/g dry cells이었다(Fig.2).

(ii) 각종 유기산을 이용한 수소 생산-기질 분해은 malic acid가 가장 우수하였으나, 총 수소생산은 배양 96시간동안 1L 배양액에서 450mL를 생산하고 기질 분해율은 100% 이었다. 30mM malic acid가 100% 분해되었을 때 이론적인 수소생산량은 4472 mL가 생산되지만, 실험에서 생산량은 450 mL를 생산하여, 전화율은 11%이었다. Lactic acid는 유기산중 가장 많은 수소생산인 735mL이었고, 기질의 분해는 약 63%이었다. 30mM lactic acid가 63% 분해되었을 때 이론적인 수소생산량은 2810 mL가 생산되지만, 실험에서 생산량은 735 mL를 생산하여, 전화율은 26%이었다. 유기산중에서 lactic acid가 가장 많은 수소를 생산하였다. Acetic acid를 기질로 이용할 경우 약 465mL의 수소를 생산하였고, 기질의 분해는 약 51%이었다. 30mM lactic acid가 51% 분해되었을 때 이론적인 수소생산량은 1517 mL가 생산되지만, 실험에서 생산량은 465 mL를 생산하여, 전화율은 31%이었서, acetic acid가 가장 전화율이 높았다. 유기산을 이용한 약 80시간 이후로는 수소생산이 거의  발생하지 않았다. 따라서 최적 조업시간은 약 80시간으로 판단된다(Fig.3).

□고찰

이와 같은 수소 생산량의 차이는 각 기질로부터 생산될 수 있는 수소의 분자수와 균주간의 특성에 의해서 좌우된다. 이론적으로 수소생산량은 glucose 한 분자로부터 12분자의 수소가스가 생산되며, malic acid, lactic acid, acetic acid 각각 한 분자에 6, 6 및 4 분자의 수소가 각각 생산된다.

Rhodospirillum rubrum KCTC 1372는 기질에 의한 수소 전환율은 glucose의 경우 24%, malic acid는 10%, lactic acid는 26.5%, acetic acid는 31%이었다. 이것은 이론적인 수소생산량과는 상당한 차이를 보인다. 광합성 세균으로부터 생산되는 생물학적 수소의 양은 빛에너지를 이용할 수 있는 최대양자 효율이 높을수록 많은 수소를 생산하는 것으로 알려져있는데, 이는 광화학적 parameter인 세균의 reaction center 수 및 안테나 크기 등에 비례한다.

4. 참고문헌

[1]Thangaraj, A. and G. Kulandaivelu, Biological hydrogen production using dairy and dugarcane wastes, Bioresource Tech, 48, pp.9-12, 1994

[2]Ueno, Y, Otsuki, and M. Morimoto, Hydrogen production from industrial wastewater by anaesobic microflora in chemostat culture, J. Ferm. Bioeng, 82(2), pp.194-197, 1996

[3]Kim, J. S. K. Ito, and H. Takahashi, Production of molecular hydrogen by Rhodopsudomonas sphaeroides, J. Fermen. Technol, 59(3), pp.185-190, 1981

[4]Kim, J. S, K. Ito, and H. Takahashi, The relationship between nitrogenase activity and hydrogen evolution in Rhodopsudomonas palustris, Agric. Biol. Chem, 44(4), pp.827-833, 1980

Figure 1. Schematic diagram of batch reactor

1. Fermentor 2. Gas collector 3. Gas sampling port

4. Liguid sampling port 5. Temperature sensor

6. pH sensor 7. Cooling water 8. Lamp 9. Controller

Figure3. Time courses of hydrogen production from

malic acid ,lactic acid, and acetic acid.

(-▽- malic acid, -■- lactic acid, -◇- acetic acid)

Figure 2. Hydrogen production from glucose.

(-●- pH controlled, -○- pH not controlled)