Excessive use and early depletion of oil fossil fuels makes us find alternative sources of energy and materials that can sustain a stable human life on the earth in the 21st century. Considering that our current fossil fuels oil and coal originated from the old biomass of the earth a long time ago, it would be a feasible approach for us to find our solution from the current biomass on this earth.
In Part I, forward osmosis (FO) was used to study a novel and effective pre-concentration strategy of various fermentation products using a commercial cellulose triacetate membrane (HTI, USA). Using a 30% NaCl solution as DS, succinic acid, volatile fatty acids (VFAs; acetic, propionic, and butyric acids), ethanol, butanol, maltose, sucrose and albumin were tested for FO membrane flux and their rejection ratio. Among these materials only succinic acid fermentation broth of 67 g/L was concentrated successfully to 153.8 g/L with the FO system. The solution pH on the flux and rejection ratio is significant in dissociable materials such as acids, and successful recovery results can be obtained at pH higher than pKa of the solution. To identify trends of water flux and recovery ratio, experiments were conducted under various operating variables such as supporting material types, concentration of feed solution, draw solution, and membrane types. Surface properties were investigated by SEM, XPS, contact angle, and zeta potential.
In Part II, microbial fuel cell (MFC) was used to obtain a necessary energy using VFAs for biological applications. Food wastes are emerging as valuable resources for biofuels and bio-chemicals. In this study, we demonstrated that food wastes can also be used as a suitable feedstock for the direct production of electricity in MFCs. MFC operations with VFAs, a fermented product of food wastes, produced a maximum power density of 240 mW/m2 with a voltage of 533 mV. Short-chain VFAs, such as acetate, degraded more rapidly and thus supported higher power generation than longer ones. In general, the co-existence of other, different VFAs slowed the removal of each VFA, which indicated that anodic microbes were competing for different substrates. 16S rRNA gene analysis using PCR-DGGE indicated that the MFC operation with VFAs enriched unique microbial species.
In Appendix, it was studied that a novel biosensor and biofuel cell using immobilized laccase on multi wall carbon nanotube and mesocellura carbons. This laccase biosensor can be used to detect endocrine disrupting chemicals but it has weak signal stength. Also it was suggested that immobilized laccase can be used in the anode compartment of biofuel cell to generate electricity.
화석연료의 고갈과 점점 늘어나는 에너지 소모 증가는 21세기 인류의 지속적인 안정한 삶을 위해 대체 에너지 및 대체 물질의 개발을 요구하게 되었습니다. 화석연료 및 석탄이 오래 전 지구의 바이오매스(biomass)로부터 기인하였다는 것을 고려하면, 지금의 문제 또한 현재의 바이오매스로 충분히 해결할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.
Part I에서는 정삼투압(forward osmosis)을 다양한 발효 산물들을 효과적으로 농축할 수 있는 새로운 기술에 대해 연구하였습니다. 실험은 HTI(미국)사에서 판매하는 정삼투압막을 이용하였습니다. 드로우용액으로 30%의 염화칼슘 용액을 이용했고, 공급액으로는 숙신산, 휘발성유기산 (초산, 프로피온산, 낙산), 에탄올, 부탄올, 엿당, 자당 그리고 알부민 등의 대표적인 발효산물들을 선별하여 물 제거 유속과 그들의 농축률을 조사했습니다. 특히, 이 시스템으로 실제 발효로부터 얻어진 숙신산 67 g/L를 153.8 g/L까지 농축시킬 수 있었습니다. 이는 이후 경제적이고 효율적인 숙신산 정제 과정에 기여할 수 있습니다. 공급액의 pH는 유속과 농축률에 큰 영향을 주는 요인이라는 것을 알아냈습니다. 해리 가능한 물질의 경우, pKa보다 낮은 pH에서는 농축이 되지 않지만, pKa보다 높은 pH에서는 농축이 잘된다는 것을 확인하였습니다. 그리고 공급액의 농도, 드로우용액의 종류, 막의 면적, 막 지지물질의 차이에 따른 물의 제거 속도와 물질의 농축률의 차이를 비교하였습니다. 주사전자현미경 (SEM), 광전자분광기 (XSP), 접촉각 (contact angle), 그리고 제타포텐셜 (zeta potential) 등을 통해 정삼투압막의 표면 특성을 분석하였습니다.
Part II에서는 바이오매스의 발효를 통해 얻을 수 있는 대체 에너지 중 하나인 휘발성 유기산을 이용하여 미생물연료전지 (MFC) 실험을 수행하였습니다. 또한 음식물 쓰레기는 다양한 바이오 연료와 바이오 화학물질을 만들 수 있는 잠재력이 있습니다. 이러한 음식물 쓰레기의 혐기 발효를 통해 휘발성 유기산을 얻을 수 있으며, 이를 미생물연료전지의 연료로 사용하여 전기를 생산 할 수 있습니다. 이러한 미생물연료전지에서 533 mV의 전압에 240 mW/m2의 최대 전력을 만들어 냈습니다. 음식물 쓰레기에서 나온 휘발성 유기산은 초산, 프로피온산, 낙산 등의 여러 산이 포함되어있는데, 그 중에서 분자량이 작은 초산이 가장 빠르게 분해되는 것을 관찰하였습니다. 또한, 단일 산들을 연료로 이용한 실험 중, 초산을 이용했을 가장 높은 전력을 만들었습니다. 일반적으로 복합 산이 존재할 때보다 단일 산으로 이루어진 연료를 사용했을 때 연료를 분해하는 속도가 빠르다는 것을 알 수 있었습니다. 이렇게 미생물연료전지에서 전기생산을 위해 활동하는 미생물의 확인하기 위해 음극 (anode)에 존재하는 미생물 군집을 PCR-DGGE 기술을 이용해 분석해 보았습니다.
부록으로 산소 환원 능력을 가진 효소 라카아제를 새로운 방법으로 탄소나노튜브와 메조셀룰라탄소에 고정화 시켰고, 이들의 안정성과 선택성 등을 평가하였습니다. 고정화 라카아제를 전극으로 사용하여 환경호르몬을 검출할 수 있는 바이오 센서로의 활용뿐만 아니라 전기 생산을 위한 바이오연료전지의 양극(cathode)으로의 사용 가능성을 보였습니다.
