• 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.

• 한국생물공학회:학술대회논문집
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• 한국생물공학회 2003년도 생물공학의 동향(XIII)
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• pp.422-427
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• 2003

Rhodopseudomonas palustris P4 can produce $H_2$ either from CO by water-gas shift reaction or from various sugars by anaerobic fermentation. Fermentative $H_2$ production by P4 is fast, but its yield is relatively low due to the formation of various organic acids. In order to increase $H_2$ production yield from glucose, P4 was investigated for the photo-fermentation of acetate which is a major by-product of fermentative $H_2$ production. Experiments were performed in batch modes using both light-grown and dark-grown cells. When the dark-grown P4 was challenged with light and acetate, $H_2$ was produced with the consumption of acetate after a lag period of 25 h. $H_2$ production was inhibited when a nitrogen source, especially ammonium, is present. When the dark-fermentation broth containing acetate was adopted for photo-fermentation with light-grown cells, $H_2$ production and concomitant acetate consumption occurred without a lag period. The $H_2$ yield was estimated as 2.4 - 2.8 mol $H_2/mol$ acetate and the specific $H_2$ production rate was as 9.8 ml $H_2/g$ cell${\cdot}$h, The fact that a single strain can perform both dark- and light-fermentation gives a great advantage in process development Compared to a one-step dark-fermentation, the combined dark- and light-fermentation can increase the $H_2$ production yield on glucose by two-fold.

• 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.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제22권3호
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• pp.400-406
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• 2012

To improve the hydrogen yield from biological fermentation of organic wastewater, a co-culture system of dark- and photo-fermentation bacteria was investigated. In a pure-culture system of the dark-fermentation bacterium Clostridium butyricum, a pH of 6.25 was found to be optimal, resulting in a hydrogen production rate of 18.7 ml-$H_2/l/h$. On the other hand, the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides could produce the most hydrogen at 1.81mol-$H_2/mol$-glucose at pH 7.0. The maximum specific growth rate of R. sphaeroides was determined to be 2.93 $h^{-1}$ when acetic acid was used as the carbon source, a result that was significantly higher than that obtained using either glucose or a mixture of volatile fatty acids (VFAs). Acetic acid best supported R. sphaeroides cell growth but not hydrogen production. In the co-culture system with glucose, hydrogen could be steadily produced without any lag phase. There were distinguishable inflection points in a plot of accumulated hydrogen over time, resulting from the dynamic production or consumption of VFAs by the interaction between the dark- and photo-fermentation bacteria. Lastly, the hydrogen production rate of a repeated fed-batch run was 15.9 ml-$H_2/l/h$, which was achievable in a sustainable manner.

• 한국식품과학회지
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• 제49권6호
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• pp.617-624
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• 2017

본 연구는 다크 초콜릿을 복합 유산균 스타터인 ABT-5를 이용하여 발효시켰을 때, 항산화 성분과 활성 그리고 향기 성분의 변화를 발효 전 다크 초콜릿과 비교하였다. 발효 시간에 따른 pH의 감소와 적정 산도의 증가 및 가스 크로마토그래피 분석에 의한 lactic acid 성분비의 증가를 측정함으로써 다크 초콜릿의 발효가 진행되었음을 확인하였다. 6, 12, 그리고 24시간 발효한 다크 초콜릿의 총 폴리페놀과 플라보노이드 함량 및 DPPH와 ABTS 라디칼 소거능 활성이 발효 전 대조구 대비 유사한 수준으로 유지되었다. 한편, 6, 12시간 발효한 다크 초콜릿은 대조구에 대비하여 산화스트레스에 의한 ROS 발생 및 세포 독성으로부터 세포를 유의적으로 보호하였다. 가스 크로마토그래피에서 검출된 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone와 헤드스페이스 가스 크로마토그래피를 통해 검출된 2-furanmethanol은 중요한 향미 성분으로 확인되었으며, 해당 성분들은 발효 다크 초콜릿의 풍미를 증진시킬 것으로 예상되었다. 본 연구에서는 복합유산균을 이용해 다크 초콜릿을 발효했으며, 발효 시간에 따른 항산화 활성의 변화를 분석하였으며, 발효에 의한 다크 초콜릿의 향미 성분의 증가를 측정함으로써 고부가가치 다크 초콜릿 개발 가능성을 제시한다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제25권4호
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• pp.337-343
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• 2014

This study was conducted to evaluate the characteristics of dark fermentative $H_2$ production from microalgae (Chlorella vulgaris) using batch reactors under mesophilic (25, $35^{\circ}C$) and thermophilic (45, $55^{\circ}C$) conditions. The $H_2$ yield and $H_2$ production rate increased with increasing temperature. The maximum $H_2$ yield and $H_2$ production rate were 56.77 mL $H_2/g$ dcw, 3.33 mL $H_2/g\;dcw{\cdot}h$ at $55^{\circ}C$, respectively. The activation energy calculated using Arrhenius equation was 36.24 kcal/mol, which was higher than that of dark $H_2$ fermentation of glucose by anaerobic mixed culture. Although the concentration of butyrate was maintained, the concentrations of lactate and acetate increased with increasing temperature. The $H_2$ yield was linearly proportional to acetate/ butyrate ratio.

• 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.

• KSBB Journal
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• 제6권2호
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• pp.189-194
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• 1991

The effect of wtlitc light on unaeraten growth of Baker's yeast and the accompanying ethanol production has been studied in a batch process at 27$^{\circ}C$. Over the 80-hour period of the Champagne yeast process without pH control, the cull growth was inhibited by the fluorescent light. Another observed difference between the runs is that the drop and subsequent rise in redox potential occurred much sooner in the fermentation with light than in the fermentation without light. This preliminary study indicated that ethanol production could be enhanced by light as the cell concentration is repressed. The possible pathway, shift of the sugar substrate toward ethanol and away from cells was manifested by another difference as well. As observed under the microscope, many of the yeast cells grown under light budded without dividing by the normal fission process as they did in the dark. Furthermore, the undivided and branched (light grown) cell did not agglutinate at the end of the fermentation process as did the distinct spherical (dark grown) cells.

• 한국물환경학회지
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• 제27권6호
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• pp.926-931
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• 2011

유기성폐수의 혐기발효 공정은 빠른 수소생성속도를 나타내며, 동시에 수중의 유기물을 처리한다. 반면, 수소생성 수율이 낮고 처리 수 내 혐기발효 산물인 복합 유기산이 다량 존재하게 된다. 따라서, 본 실험에서는 수소생성 수율을 높이고 처리수의 수질 제고를 위해 광발효미생물을 이용하였다. 광발효미생물의 기질에 따른 수소생산 속도 및 미생물 성장율을 조사하기 위해 아세트산, 복합 유기산 (인공) 및 글루코스 대상 혐기발효 상등액을 각각 기질로 이용하는 회분식 실험을 실시하였다. 아세트산을 이용한 R. sphaeroides의 최대 비증식속도는 2.93 h로서 복합유기산을 이용할 때보다 높았다. 아세트산은 미생물 증식에 유리한 기질인 반면, 수소생산속도 면에서는 복합유기산보다 느리게 나타났다. 글루코스 혐기 발효액 상등액을 기질로 이용한 광발효에서 전단의 혐기발효를 통한 수소생산량의 약 50%가 추가로 발생하였다. 혐기 및 광발효미생물의 혼합발효 연속시스템을 통해 $15.9mL-H_2/L$의 안정적인 수소를 생산하였다.

• 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.