The Microbial fuel cells (MFCs) were operated using pure culture and mixed culture. Shewanella putrefaciens was previously used in the mediator-less microbial fuel cell (MFC) but with low efficiency. Lactate was used as the electron donor in the anode compartment. Carbon paper, carbon fibers and carbon felt were used for both an anode and cathode site according to circumstances. Type I having ferricyanide as a mediator of cathode generated power density 5.25 mW/㎡ and current density 40.30 mA/㎡. Type I MFC plus methylene blue in the anode compartment, Type II was evaluated maximum current density 154.8 mA/㎡ maximum power density 48.1 mW/㎡. These power densities and current density are higher than those without methylene blue for MFCs with S. putrefaciens CN32. Power generation using single-compartment MFC was maximum current density 254.8 mA/㎡ and maximum power density 81.5 mW/㎡. Power generation of MFC using HEROS sample without installation adding oxygen was evaluated as maximum power density of 141mW/㎡. However MFC inoculated with HEROS sample supplying air as 0.5 vvm velocity showed 488 mW/㎡ of maximum power density and adding 2M $H_2O_2$ yielded maximum power density as 560 mW/㎡. After 4days operation, the MFC generated maximum power density 1,676 mW/㎡.
PCR-DGGE analysis was employed to investigate the microbial community. Different microbial profiles were observed with biofilm samples obtained from HEROS sample and heated HEROS sample that were used for different primers such as Bacteria and Archaea. Many bands were related to bacteria indicating that many novel bacteria were enriched in the oligotrophic MFCs. In the biofilm samples, And nucleotide sequences HEROS sample used Archaeal primer were affiliated with Methanosaeta concilii, Uncultured Methanosaeta sp. clone M1，Uncultured Methanosaeta sp. clone KB-1 2, Cryptococcus neoformans var. neoformans JEC21, Methanoculleus chikugoensis and Methanoculleus palmolei. However, profiles of heated HEROS sample used Archaeal primer didn’t inoculated Methanosaeta concilii, Methanoculleus chikugoensis and Methanoculleus palmolei.
미생물 연료 전지(MFC)는 생물 연료 전지의 하나로 음극에서 나온 전자는 외부 회로를 따라 양극으로 이동하고, 수소 이온은 분리막을 통해 양극으로 이동하여 산소 이온과 결합하면서 물과 전기가 생성되는 원리로 이루어진다. 이는 일반적인 화학 연료 전지와 같은 원리이나, 이용하여 포도당, 유기산 등의 연료를 분해하면서 전자와 수소 이온을 생성하거나 전자를 받는 등의 역할을 미생물이 담당하는 것에 차이가 있다. 이와 같은 과정을 통해서 폐수 등의 유기산을 분해하여 처리함과 동시에 전기를 생산하는 일석이조의 효과를 얻을 수 있다.
본 실험에서는 pure culture에 사용된 Shewanella putrefaciens CN32와 mixed culture에 사용된 HEROS sample을 이용해 유기산을 연료로 하는 미생물 연료 전지를 제작하였고 그 성능을 측정해 보았다. S. putrefaciens CN32를 이용한 미생물 연료 전지 실험에서는 세 가지 조건에서 실험이 진행되었는데, Two chamber로 되어 양극 매개체로 ferricyanide를 사용하고 0.13mg/㎠ 의 Pt를 음극에 사용한 MFC1에서는 최대 전력 밀도가 5.25 mW/㎡, 최대 전류 밀도는 40.30 mA/㎡ 이 나왔다. 또한 Two chamber로 진행된 다른 연료 전지 MFC2에서는 Pt 촉매를 0.077 mg/㎠를 사용하고 methylene blue를 음극의 전자 전달 매개체로 사용하였는데 이때 최대 전력 밀도는 48.1 mW/㎡ 이었고, 최대 전류 밀도는 154.8 mA/㎡ 이었다. 어떠한 매개체를 사용하지 않고 1.74 mg/㎠ 의 Pt 촉매만 사용한 MFC3에서는 최대 전력 밀도는 81.5 mW/㎡, 최대 전류 밀도 254.8 mA/㎡가 나왔다. 이들 실험에서 매개체와 촉매가 미생물 연료 전지의 전력 향상에 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
HEROS sample을 이용하여 진행된 mixed culture 미생물 연료 전지 실험 에서는 양극 부분의 여러 조건을 바꾸어 최대 전력을 생산하는데 영향을 알아보았다. Two chamber로 된 MFC에서 양극에 공기를 주입하지 않았을 때 141mW/㎡의 최대 전력 밀도를 나타냈지만, 공기를 주입하였을 때는 488mW/㎡로 3.5배 가량 높아짐을 보였다. 또한 양극에 2M의 $H_2O_2$를 넣고 운전하였을 때는 560mW/㎡로 가장 높은 수치이며, 이는 공기를 사용하지 않았을 때보다 4배 높은 결과이다. 또한 운전 시간에 따른 전력 밀도를 관찰해 보았는데, 2 M의 $H_2O_2$를 가지고 3일 운전하였을 때는 1,114mW/㎡, 4일 운전하였을 때는 1,617mW/㎡의 최대 전력 밀도를 보여 줌으로써 미생물의 농도가 높아질수록 성능이 향상됨을 보여준다.
PCR-DGGE 기술을 이용하여 미생물을 확인해 본 실험에서는 30분 동안 100℃와 60℃에서 멸균 했을 때와 멸균하지 않았을 때의 HEROS sample의 차이를 확인해 보았다. 이를 통해 적당한 멸균 처리에 의해 메탄균의 제거로 HEROS sample을 이용한 미생물 연료 전지의 성능 향상을 가져올 수 있다는 것을 보았다.
