본 실험에서 사용한 열처리 혐기소화슬러지를 사용하여 제조한 이후에 수소생산이 감소한 이유는 반응조내에 고농도로 축적된 고정화세포의 agglomeration과 swelling 현상에 의한 문제점이 보고되고 또한 propionic acid의 축적은 수소 발생을 저해하는 데 특히 미생물에게 독성을 줄 수 있는 것으로 판단하였다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <h2>고정화와 비고정화 방법에 의한 수소 생산효율 비교</h2> <p>본 실험에서 사용한 열처리 혐기소화슬러지를 사용하여 제조한 고정화 경우와 비고정화 경우의 수소생산성을 분석하였고, 그 결과를 Fig. 1과 Table 2 에 나타내었다. 고정화 및 비고정화 반응조의 배양액의 \( \mathrm{pH} \) 는 초기 \( \mathrm{pH} 6.5\)보다 낮아졌는데, 이는 부산물인 유기산이 축적되었기 때문이다. 고정화 반응조에서는 수소생산 결과 생성된 유기산에 의한 \( \mathrm{pH} \) 강하에 영향을 덜 받게되어 더 안정된 \( \mathrm{pH} \) 값이 유지함으로써 장기적인 운전시 세포생장 또는 활성의 저해를 완화시킬 수 있을 것으로 생각된다. 고정화 반응조에서는 고정화 담체 성분으로 사용된 alginate 자체가 유기물 공급원으로 포함되어 초기 COD값이 오히려 증가하여 유입기질의 COD보다 높은 값을 나타내었으나 3일 경과후부터는 이러한 영향이 나타나지 않았다. 또한, 운전시작 후 26 일 경과 후 최종 실험종료시까지 COD제거율에서는 큰 차이를 보이지 않았다 \( COD removal, \( 4 \%< \) 비고정화 \(<42 \%) \); \( 3 \%< \) 고정화 \(<28 \%) \). 각 반응조에서 발생한 수소가스의 농도는 운전시작 초기 안정화 기간(7일) 이후 비고정화의 경우 최대 \( 3.28 \times 10^{5} \mathrm{ppm} \), 고정화의 경우 최대 \( 2.85 \times 10^{5} \mathrm{ppm} \) 으로 나타났으며 15일 이후 두 반응조 모두에서 급격한 농도 감소가 관찰되었다. 15일 이후에 수소생산이 감소한 이유는 반응조내에 고농도로 축적된 유기산에 의해 수소생산세균이 저해를 받았기 때문으로 생각된다. 발생하는 가스부피는 운전 시작 후 10 일 경과시점부터 차이가 발생하기 시작였으며, 최종 누적 가스부피는 고정화의 경우 다소 많은 양의 가스가 발생하는 것으로 나타났다(고정화: \( 74 \mathrm{~L} \); 비고정화: \( 63 \mathrm{~L} \) ). 그러나 수소생산량에 있어서는 비고정화 반응조에서 운전시작 초기부터 상대적으로 많은 양의 수소가 생산되었고 10일 경과시점부터 고정화 반응조에서 급격하게 수소가 발생하였으나 운전시작 후 2주 경과시점에는 두 반응조 모두에서 수소생산성은 정지되는 것으로 나타났다(최종 누적 수소 발생량, 고정화. \( 549 \mathrm{mmole} \); 비고정화: \( 571 \mathrm{mmole}) \). 이는 비고정화에 비해 유입기질 및 영양분이 고정화 담체 내부로의 유입이 제한되어 초기 수소생산이 오히려 지연되었을 것으로 생각된다. 본 연구에서 사용한 고정화 반응조에서 수소가 발생하기 시작함과 동시에 고정화 bead가 swelling 되어 부상하였을 뿐 아니라 agglomeration이 관찰되었으며, 이는 고정화 담체내로 충분한 기질공급이 이루어지지 않았을 가능성을 시사한다. 기존 연구에서도 PVA-boric acid 방법을 적용하였을 때 고정화세포의 agglomeration과 swelling 현상에 의한 문제점이 보고된 바 있다.</p> <p>고정화 반응조에서 수소발생이 시작되면 bead가 부상하고, 부상된 bead 밖으로 가스가 빠져 나가고 나면 다시 bead가 가라 앉았다가 수소가 발생하면 다시 부상하는 등의 패턴이 반복되는 것이 관찰되었다. 이러한 과정이 반복되는 동안 bead의 물성이 약화되어 기질공급이 더 원활해졌기 때문에 10일 경과시점에 수소생산량이 급격히 증가한 것으로 생각된다.</p> <p>비고정화 반응조에서 Day 16에 생성된 총유기산이 최대량을 나타내었고 이는 결과적으로 Day 16 에 \( \mathrm{pH} 4.7 \) 까지 낮아진 것에 직접적인 영향을 준 것으로 판단된다. 고정화 반응조에서는 운전기간 종료시점에 총유기산량이 최대치를 나타내었으며 이러한 양상이 \( \mathrm{pH} \) 에도 반영된 것으로 확인되었다. 두 반응조 내에 축적된 유기산은 배양 전기간에 걸쳐 acetic acid(비고정화: \( 34-93 \% \); 고정화: \( 47-52 \% \) )와 butyric acid(비고정화:\( 5-53 \% \); 고정화: \( 19-39 \% \))가 가장 많았으며 propionic acid(비고정화: \( 2-14 \% \); 고정화: \( 3-4 \% \) )가 소량 검출되었다. Kim 등은 발효과정을 통해 glucose가 분해됨에 따라 butyric acid와 acetic acid가 주요 중간생성물로써 축적되고 이는 수소 생산성과 밀접한 관련이 있다고 보고하였다. 또한 propionic acid의 축적은 수소 발생을 저해하는 데 특히 \( \mathrm{pH} 5.8 \) 이하에서는 associated form으로 존재하여 미생물에게 독성을 줄 수 있는 것으로 판단하였다.</p>