• KSBB Journal
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• 제20권6호
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• pp.393-400
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• 2005

수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균(photosynthetic bacteria), 혐기성세균(non-photosynthetic anaerobic bacteria), 조류(algae) 등으로 구분되고, 이들의 수소 생성 기작, 사용가능기질 및 수소 발생량은 상당한 차이가 있다. 광합성세균은 Rhodospirillaceae, Chromatiaceae 및 Chlorobiaceae로 구분되며, 이는 각각 홍색비유황세균(purple non-sulfur bacteria), 홍색유황세균(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 알려져 있다. 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 virro) 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 수소에너지 생산과 유기성 폐기물 처리라는 두 가지 목적에 부합하는 연구로써 활발히 진행되고 있다. 유기성 폐기물이나 폐수와 같은 수분함량이 높은 바이오매스는 대부분이 매립처리 되는 실정이지만 높은 수분 함량 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 설 수 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.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제13권1호
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• pp.52-64
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• 2002

유기성 폐기물을 이용하여 생물학적 수소생산 통합화 시스템 연구를 수행하였다. 통합화 시스템은 유기성폐기물의 전처리, 2단계 혐기발효 및 광합성 배양으로 구성된 생물학적 수소생산 공정, 초임계수 가스화 공정, 생산된 가스의 저장, 분리 및 연료전지를 이용한 전력 생산으로 구성되었다. 실험에 사용된 유기성 폐자원은 식품공장 폐수, 과일폐기물, 하수슬러지이며, 전처리는 폐기물에 따라 열처리 및 물리적 처리를 하였으며, 전처리된 시료는 생물학적 수소생산 공정에 직접 적용되었다. Clostridium butyricum 및 메탄 생성조에서 발생하는 하수슬러지중의 미생물 복합체는 수소생산 혐기 발효공정에 사용되었으며, 광합성 수소생산 미생물인 홍색 비유황 세균은 광합성 배양에 사용되었다. 생물학적 공정에서 발생하는 미생물 슬러지는 초임계수 가스화 공정으로 수소를 발생하였으며, 슬러지 중의 COD를 저하시켰다. 생물학적 공정 및 초임계수 가스화 공정에서 발생하는 수소는 가스탱크에 가입상태로 저장한 후, 95%순도로 분리하였으며, 정제된 수소는 연료전지에 연결하여 전력 생산을 하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제44권1호
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• pp.16-22
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• 2006

생물학적 수소생산 공정은 다른 열화학적 공정이나 전기화학적 공정에 비하여 환경친화적이며 에너지를 덜 소모하는 공정이다. 생물학적 수소생산 공정은 크게 두 가지로 구별할 수 있는데, 광합성에 의한 수소생산과 혐기발효에 의한 수소생산이 그것이다. 광합성에 의한 수소생산 공정은 주로 물로부터 수소를 생산하고 동시에 공기 중의 이산화탄소도 저감하는 특징을 가지고 있으며, 혐기발효에 의한 수소생산 공정은 유기 탄소원을 섭취하는 박테리아에 의한 발효를 통해 이루어지는 공정이다. 본 논문에서는 생물학적 수소생산 공정에 대한 그간의 연구들에 대하여 살펴 보았다.

• 에너지공학
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• 제15권2호
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• pp.118-126
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• 2006

미생물을 이용하여 수소를 생산하는 기술은 광합성 작용에 의한 직간접 물분해, 광합성 발효, 혐기발효, 균체외 반응 등 여러 가지 기술이 있으며 본 논문에서는 이들의 적용되는 미생물과 수소생산 메커니즘을 중심으로 소개하였다. 동시에 본 기술들의 현재까지 개발된 사례를 선진국과 국내 현황을 중심으로 기술하였다. 생물학적으로 수소를 생산하는 기술은 1940년대 후반부터 실험실적인 연구가 시작되었으나, 1990년대 환경문제를 해결하기 위해서 전 세계적으로 연구가 다시 활성화되었으며, 이 글에서는 미국, 일본, 유럽연합 및 한국을 중심으로 국내외 연구현황을 소개하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제21권1호
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• pp.12-18
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• 2010

Photobiological hydrogen production using Rhodobacter sphaeroides KD131 was studied on the effect of light intensities and nitrogen sources. Media containing malate and glutamate were shown higher hydrogen production rate than that containing succinate and $(NH_4)_2SO_4$ at the $110\;W/m^2$ illumination by halogen lamp at $30^{\circ}C$. Media lacking glutamate as the nitrogen source exhibited higher hydrogen production than that containing glutamate. Initial cell concentration was optimized to 1.0 at the absorbance of 660 nm. Hydrogen production was increased by increasing the light intensity from 0 to $216\;W/m^2$ but the increasing rate declined over $108\;W/m^2$.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제26권3호
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• pp.247-259
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• 2015

This study was performed to investigate the application of dark $H_2$ fermentation to two-stage bioprocesses for organic waste treatment and energy production. We reviewed information about the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, microbial fuel cells (MFCs), or microbial electrolysis cells (MECs) by using academic information databases and university libraries. Dark fermentative bacteria use organic waste as the sole source of electrons and energy, converting it into $H_2$. The reactions related to dark $H_2$ fermentation are rapid and do not require sunlight, making them useful for treating organic waste. However, the degradation is not complete and organic acids remain. Thus, dark $H_2$ fermentation should be combined with a post-treatment process, such as $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs. So far, dark $H_2$ fermentation followed by $CH_4$ fermentation is a promising two-stage bioprocess among them. However, if the problems of manufacturing expenses, operational cost, scale-up, and practical applications will be solved, the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs have also infinite potential in organic waste treatment and energy production. This paper demonstrated the feasibility of two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation as a novel system for organic waste treatment and energy production.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제20권4호
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• pp.430-436
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• 1992

수소 생성능이 있는 Clostridium butyricum과 이 균주의 대사산물을 이용하여 수소를 생성할 수 있는 광합성 세균의 혼합 배양에 의하여 수소 생성을 할 수 있는 양 균주의 혼합 배양 동력학적 연구를 수행하였다. 혐기성 Clostridia의 발효에서 생성되는 아세트산염과 부티르산염은 Rhodopseudomonas sphaeroides에 의해 이용되어 수소를 생성하게 되었고, 이들 양 균주를 혼합 배양한 결과 수소 생성을 저해하는 아세트산염과 부티르산염의 배지내 농도는 점차 감소하였다. 이들 두 균주의 혼합 배양에서의 균체의 혼합 비율, 혼합시기, 접종량을 조사함으로써 단독 배양시와 비교하면서 최적 조건을 조사하였고, 혼합시 균체량의 비율 Clostridium 속 세균1부에 대하여 Rhodopseudomonas 속 세균 6부의 비율로 혼합할 수 있음을 확인하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제16권4호
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• pp.315-323
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• 2005

The integrated or the two-stage (dark anaerobic and photosynthetic) fermentation processes were compared for the hydrogen production using purple non-sulfur photosynthetic bacteria, Rhodopseudomonas palustris P4. Cell growth, pH changes and organic acids and bacteriochlorophyll contents were monitored during the processes. Culture broth of Rps. palustris P4 exhibited dark-red during the photosynthetic culture condition, while yellow under the anaerobic condition without light. Rps. palustris P4 grown at the photosynthetic condition evolved 0.38 and 1.33 ml $H_2$/mg-dcw during the dark and the light fermentation, respectively, which were totally 1.71 ml $H_2$/mg-dcw at the two-stage fermentation. The rate of hydrogen production using Rps. palustris P4 grown under the dark anaerobic condition was 2.76 ml $H_2$/mg-dcw which consisted of 0.46 and 2.30 ml $H_2$/mg-dcw from the dark and the photosynthetic fermentation processes, respectively. Rps. palustris P4 grown under dark anaerobic conditions produced $H_2$ 1.6 times higher than that of grown under the photosynthetic condition. However, total fermentation period of the former was 1.5 times slower than that of the latter, because the induced time of hydrogen production during the photosynthetic fermentation was 96 and 24 hours when the seed culture was the dark anaerobic and photosynthetic, respectively. The integrated fermentation process by Rps. palustris P4 produced 0.52 ml $H_2$/mg-dcw(1.01 mol $H_2$/mol glucose), which was 20% of the two-stage fermentation.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제21권2호
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• pp.136-142
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• 2010

Photobiological $H_2$ production was compared using purple non-sulfur bacteria Rhodobacter sphaeroides KD131 in the medium containing various organic acids as the carbon source and electron doner under illumination of $110\;W/m^2$ using halogen lamp at $30^{\circ}C$. The organic acids used were 0~120 mM acetate, butyrate, lactate and malate. Initial pH 7.0 and cell concentration 1.0 at 660nm were increased to pH 8 and 4.4~5.1, respectively during 24hrs of photo-fermentation when lactate and malate were used. However, acetate and butyrate increased pH to 9 and cell concentration to 3.2~3.9 of malate at the same experimental conditions. Optimum ranges of organic acids concentration and carbon/nitrogen ratio were 30~60 mM and 10~20, respectively. When malate was used as the substrate, maximum $H_2$ production 1.1 ml $H_2$/ml broth, which is equivalent to 1.97 mol $H_2$/mol malate was observed.

• 한국토양비료학회지
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• 제25권1호
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• pp.62-69
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• 1992

계분(鷄糞), 우분(牛糞), 돈분(豚糞)등의 가축분뇨(家畜糞尿)가 발효(醱酵)시 발생(發生)되는 악취(惡臭)가스에 대한 이화학적(理化學的), 생물학적(生物學的) 억제효과 및 시판(市販) 악취억제제(惡臭抑制劑)의 시용효과에 대한 실내시험결과(室內試驗結果)를 요약(要約)하면 다음과 같다. 1. 항온기간중(恒溫期間中) 각종(各種)가스의 경시적(輕時的) 발생량(發生量)은 항온(恒溫) 7일경 가장높은 발생량(發生量)을 보였으며 그후는 점차 감소(減少)되었다. 2. 혐기적발효(嫌氣的醱酵)에 의한 가스의 총발생량(總發生量)은 이산화탄소(二酸化炭素)($CO_2$)>아산화질소(亞酸化窒素)($N_2O$)>메-탄($CH_4$)>암모니아($NH_3$)>황화수소(黃化水素)($H_2S$)의 순(順)으로 많았다. 3. 가축분(家畜糞) 종류별(種類別) 가스 생성량(生成量)을 보면 계분(鷄糞)에서 메-탄, 돈분(豚糞)에서 이산화탄소(二酸化炭素) 및 아산화질소(亞酸化窒素), 그리고 우분(牛糞)에서 황화수소(黃化水素)가스의 발생량(發生量)이 많았다. 4. 각종(各種)가스 발생량간(發生量間)의 상관관계(相關關係)를 보면 $NH_3$ 와 $CH_4$, $CO_2$와 $CH_4$, $N_2O$와 $CH_4$는 부상관관계(負相關關係)를 보였고 $CO_2$와 $N_2O$, $CO_2$와 $NH_3$ 및 $NH_3$ 와 $N_2O$ 간(間)에는 정상관관계(正相關關係)를 보였다. 5. 농가(農家)에 유통(流通)되는 악취(惡臭) 억제제(抑制劑)인 VK88은 암모니아의 발생(發生)을 오히려 증가(增加)시켰으며 황화수소(黃化水素) 발생(發生)을 억제(抑制)시키는 효과가 있었으나 현저(顯著)한 효과는 아니었으며 VK88은 Vermiculite와 유사(類似)한 결과(結果)를 보였다. 6. 자연계(自然界)의 논토양(土壤)과 광합성세균(光合成細菌)의 첨가(添加)는 암모니아, 아산화질소(亞酸化窒素)및 황화수소(黃化水素)의 발생억제(發生抑制) 효과가 뚜렷하였다.