To achieve sustainable development, renewable energy source is required to replace our current fossil fuel based energy system. $H_2$ is such a promising energy carrier to meet our goals. And among various hydrogen-making approaches, biological hydrogen production from biomass can be a relative cost-effective way for sustainable green energy production. However, the complex structure of lignocellulosic biomass and also the generated toxic by-products during pretreatment process baffle its wide application. To overcome those difficulties, marine macro-algae, which is mainly composed of cellulose and hemicelluloses, is considered as potential substrate for hydrogen production. In this study, direct fermentation of Laminaria japonica, one brown algae species, was conducted for biohydrogen production.
Firstly, determination of operation parameters was conducted by batch test. As a result, optimal condition was decided as substrate concentration of 20 g Carbo. COD/L, initial pH of 7.5, and cultivation pH of 5.5. Also, under this optimal condition, the obtained $H_2$ yield was around 0.92 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$, or 71.4ml $H_2$/ g TS.
Secondly, hydrogen producing microflora under different temperature ranges was prepared before continuous operation. ASBR system showed better performance than CSTR system during this experiment. And when temperature increased, microbial community structure was changed, and the diversity of microbes decreased by DGGE result.
Thirdly, Continuous hydrogen fermentation was conducted by three ASBR system under mesophilic ($35\degC$), thermophilic ($50\degC$) and hyperthermophilic ($65\degC$) conditions for 55 days. And stable hydrogen production was achieved, with $H_2$ yield of $0.79\plusmm0.03$, $0.56\plusmm0.05$, $0.44\plusmm0.04$ mol $H_2$/mol $hexose_{added}$, respectively. Microbial community analysis was conducted by PCR-DGGE method. As a result, under different temperature condition, microbial species and diversity changed a lot, meanwhile, Clostridium sp. was the most abundant species in all conditions.
Fourth, to maximize fermentative hydrogen production, operation parameters of substrate concentration, cultivation pH and HRT were changed. As a result, the maximum $H_2$ yield under mesophilic, thermophilic and hyperthermophilic conditions were $0.79\plusmm0.03$, $0.64\plusmm0.03$ and $0.62\plusmm0.02$ mol $H_2$/mol $hexose_{added}$, respectively. To optimize total bioenergy recovery, the $H_2$ fermentation effluent from mesophilic ASBR system was collected for CH4 production. And total cellulase activity was also investigated.
지속가능한 발전을 이루기 위해서는 화석연료를 기반으로한 현재 에너지 시스템을 대체할 수 있는 재생 가능한 에너지원으로 대체하는 것이 필요하며, 그 중 수소는 이를 이룰 수 있는 에너지원으로 각광받고 있다. 수소생산의 다양한 방법 중 바이오매스를 이용한 생물학적인 수소생산은 지속적인 친환경 에너지 생산을 위한 경제적인 방법이다. 그러나 목질 섬유소(lignocellulosic biomass)의 복잡한 구조와 전처리에 의한 부산물로써 페놀과 같은 독성물질이 발생함에 따라 목질 섬유소를 이용한 광범위한 적용이 어렵다는 단점을 지니고 있다. 그러나 최근에 섬유소(cellulose)와 헤미셀룰로오스(hemicellulose)으로 구성된 해조류(marine marco-algae)가 이러한 문제를 극복하고 바이오에너지 생산을 위한 잠재적인 기질로 각광을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 갈조류의 일종인 다시마를 이용한 바이오수소 직접발효(무전처리)에 대한 연구를 수행하였다.
먼저 최적 운전인자를 도출하기 위해 중온조건에서 회분식 실험을 진행하였다. 그 결과 최적 기질농도 20g Carbo. COD/L, 초기 pH 7.5, 운전 pH 5.5에서 약 0.92 mol $H_2$/mol hexoseadded, 71.4ml $H_2$/ g TS 의 가장 높은 수소전환율을 나타냈다.
초기 반응조 운전 시 안정적이고 성공적인 start-up 전략을 결정하기 위해 ASBR과 CSTR 시스템을 이용하여 수소생산율을 비교한 결과 ASBR 시스템에서 보다 높은 효율을 나타냄으로써 ASBR 시스템을 이용하였다. 또한 초고온 수소생산 미생물을 배양하기 위해서 50oC에서 5oC씩 점차 증가시킨 결과 성공적으로 초고온 수소생산 미생물을 배양할 수 있었다. DGGE 결과 미생물 군집과 종 다양성이 온도가 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
연속 수소발효 시 온도의 영향에 대해 알아보기 위해 중온($35\degC$), 고온($50\degC$), 초고온($65\degC$) 조건의 ASBR 시스템을 이용한 결과, 각각 $0.79\plusmm0.03$, $0.56\plusmm0.05$, $0.44\plusmm0.04$ mol $H_2$/mol hexoseadded의 안정적인 수소 전환율을 나타냈다. PCR-DGGE 분석결과 각 온도 조건하에서 미생물 종과 종 다양성이 상당한 차이를 나타냈다.
수소생산을 최대화하기 위해 유기물 부하량, 운전 pH, 수리학적 체류시간 조절을 통해 최적 운전인자를 도출하였다. 그 결과 중온, 고온, 초고온 조건에서 각각 $0.79\plusmm0.03$, $0.64\plusmm0.03$ and $0.62\plusmm0.02$ mol $H_2$/mol hexoseadded 의 가장 높은 수소전환율을 얻을 수 있었다. 이 후 바이오매스로부터 생산할 수 있는 바이오가스의 극대화하기 위해 중온 수소발효 유출수를 이용하여 메탄 UASB 반응조를 이용하였다.
