Effect of fermentation conditions on hydrogen production using clostridium beijerinckii KCTC 1785

Abstract

수소는 화석연료를 대체할 수 있는 청정 에너지이다. 이러한 수소는 주로 화석연료, 바이오매스 또는 물로부터 생산될 수 있다. 몇몇 세균들은 암발효 또는 광발효와 같은 혐기발효에 의해 유기물질로부터 수소를 생산할 수 있다고 알려져 있다. 만약 환경조건이 적절하다면 수소는 최대로 생산될 수 있다. 본 연구는 두 가지 다른 기질로부터 Clostridium beijerinckii KCTC 1785에 의한 수소생산의 최적 조건들을 조사 하였다. 수소생산을 위한 최적 발효 조건을 위한 인자들은 초기 pH, 온도, glucose 농도, 희석율, pH 조절, 교반 영향과 아세트산 및 뷰티르산과 같은 생산물의 영향이었다. 첫번째로 Reinforced Clostridial Medium(RCM)은 Clostridium beijerinckii KCTC 1785의 배양을 위한 배양배지로 사용되었다. RCM을 이용한 균주배양의 최적조건은 초기 pH 7.0, 온도 35℃, 최적 pH 조절은 5.5 이었으며 4%의 glucose 농도까지 성장할 수 있었다. 뷰티르산 및 아세트산과 같은 생성물의 축적량은 각각 4,000mg/l 과 5,000mg/l 이하였으며, 교반을 하였을 경우 보다 더 많은 수소를 생산하였다. 생산된 바이오가스 중 최고 수소함량은 발효 15시간 후 32%이었으며, 최고 생산수율은 284.8 ml/l·h 이었다. 또한 배지성분중 yeast extract 또는 tryptose는 수소를 생산하는 동안 균체가 성장하는 반드시 필요한 성분으로 조사되었다. 두번째로 물과 혼합된 음식물쓰레기 (약 50,000 mg/l의 COD)가 Clostridium beijerinckii KCTC 1785 배양을 위한 배양배지로 사용되었다. 최적 조건들은 초기 pH7.0, 온도 40℃, 교반속도는 150 rpm이었다. 최적 pH 조절은 5.5 이었으며 음식물쓰레기 농도는 50,000 mg/l 이었다. 약 5,500 ml의 바이오가스가 음식물쓰레기를 36시간 동안 발효했을 때 발생하였으며, 이 가운데 수소의 함량은 38%(2,100 ml) 이었고, 최고 수소생산수율은 87.5ml/l·h 이었다. 이러한 결과는 Clostridium beijerinckii는 수소생산을 위한 고효율 균주이며, 음식물 쓰레기는 생물공정에 의해 수소를 생산 할 경우 기질로서 사용이 가능한 물질임을 나타낸다.|Hydrogen is a clean energy alternative to fossil fuels. It can be produced mainly from fossil fuels, biomass and water. From biomass some bacteria have been known to produce hydrogen from organic compounds by anaerobic fermentation. It might be dark-fermentation or photo-fermentation. The hydrogen production can be maximal if the environment condition was operation. In this study, optimal conditions of hydrogen production by Clostridium beijerinckii KCTC 1875 from two different sources were investigated. The parameters of optimal fermentative conditions for hydrogen production were initial pH, temperature, glucose concentration, diluting rate, pH, agitation and inhibition by product such as acetate and butyrate. First Reinforced Clostridial Medium was used as a culture medium for Clostridium beijerinckii KCTC 1785. The optimal conditions were initial pH 7.0, temperature 35°C, optimum pH at 5.5 and glucose concentration in the medium up to 4%. The accumulated product such as butyrate and acetate should be lower than 4,000 mg/l and 5,000 mg/l of each acid respectively, and agitation has good effect to produce more hydrogen. Maximum concentration of hydrogen in biogas produced was 32% after 15 hr and maximum hydrogen production rate was 284.8 ml/l·h. It is found that yeast extract or tryptose in the medium was essential for cells growth during hydrogen production. Secondly, food-waste (around 50,000 mg/l of COD), which was mixed with water, was sterilized and used as a culture medium for Clostridium beijerinckii KCTC 1785. The optimum conditions were as follows: initial pH 7.0, temperature 40℃ and agitation speed 150 rpm. The pH control was optimal at 5.5 and food waste concentration was 50,000 mg/l of COD. About 5,500 ml biogas was produced from food waste for 36 hr, and hydrogen content was 38% (2,100 ml) and maximum hydrogen production rate was 87.52 ml/l·h. This result indicates that food waste was a potential material for hydrogen production by bioprocess and Clostridium beijerincldi has the high effect strain to hydrogen production.