서울 중랑물재생센터의 혐기소화조에서 채취한 슬러지를 \( 90^{\circ} \mathrm{C} \)에서 30 분간 열처리하여 수소 생산을 위한 접종원으로 사용하였으며, 열처리 슬러지는 PVA를 이용하여 포괄고정화 방법으로 고정화하였다. 실험에 사용된 fed-batch 생물반응기는 부피 \( 7 \mathrm{L} \) 아크릴로 제작하였고(내경 \( 15 \mathrm{cm} \times \) 높이 \( 40 \mathrm{cm} \)), 반응기 상단에 \( 10-\mathrm{L} \) tadler bag을 연결하여 반응기내에서 발생한 가스를 포집하였으며, 반응기 용액의 \( \mathrm{pH} \)는 \( \mathrm{pH} \) meter (Orion model \( 420 \mathrm{A} \), USA)로 실온에서 측정하여 반응기내에서 발생한 가스의 부피 및 성분 분석을 수행하였다.
<h1>재료 및 방법</h1> <h2>접종원 및 미생물 고정화 방법</h2> <p>서울 중랑물재생센터의 혐기소화조에서 채취한 슬러지를 \( 90^{\circ} \mathrm{C} \) 에서 30분간 열처리하여 수소 생산을 위한 접종원으로 사용하였다. 열처리 슬러지를 다음과 같이 PVA를 이용하여 포괄고정화 방법으로 고정화하였다. 열처리한 혐기소화슬러지( \(\mathrm{20.21 \pm 0.95  ~g-dry~weight/L})\) \( 200 \mathrm{ml} \) 와 \( 15 \% \) PVA (degree of polymerization, 2000)와 \( 2 \% \) sodium alginate 혼합용액 \( 200 \mathrm{ml} \) 를 혼합(건조중량 기준 \( =40: 30: 4 \) )하였다. 균일하게 섞어준 혼합용액을 연동펌프를 통해 주사바늘로부터 나오는 bead 크기가 일정하게 형성되도록 속도 \( (2 \mathrm{drops} / \mathrm{sec}) \) 를 조절하면서 포화 \( 5.5 \% \) boric acid와 \( 5.5 \%~ \mathrm{CaCl}_{2} \)의 혼합용액 \( (\mathrm{w}: \mathrm{w}=1: 1) \) 에 적하시켰다. 이렇게 형성된 bead의 평균직경은 \( 4 \mathrm{~mm} \) 였으며, 완전한 가교결합을 위하여 생산된 bead는 \( 0.5 \mathrm{M} \) phosphate solution 용액에 1시간 방치한 뒤 사용하였다. 비고정화 반응기에는 열처리 슬러지 \( 200 \mathrm{ml} \) 를 접종하였으며, PVA 고정화 bead 반응기에는 열처리 슬러지 \( 200 \mathrm{ml} \)를 사용하여 제조한 bead를 접종하였다.</p> <h2>수소생산을 위한 fed-batch 생물반응기</h2> <p>실험에 사용된 fed-batch 생물반응기는 부피 \( 7 \mathrm{~L} \) 아크릴로 제작하였고(내경 \( 15 \mathrm{~cm} \times \) 높이 \( 40 \mathrm{~cm} \) ), 반응기 상단에 \( 10-\mathrm{L} \) tadler bag을 연결하여 반응기내에서 발생한 가스를 포집하였다. 본 실험에서는 인공폐수를 이용하여 수소 생산효율을 평가하였다. 사용된 인공폐수의 조성은 \( 1 \mathrm{~L} \) 의 증류수당 sucrose, \(\mathrm{10,000 mg ~COD}\); \( \mathrm{MgCl}_{2} \cdot 6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\), \(\mathrm100 \mathrm{mg}\); \( \mathrm{NH}_{4} \mathrm{HCO}_{3} \), \( 2,500 \mathrm{mg} \); \(\mathrm{NaHCO}_{3}\), \(3,300 \mathrm{mg} \); \(\mathrm{K}_{2} \mathrm{HPO}_{4}\), \(60 \mathrm{mg} \); \(\mathrm{MnSO}_{4} \cdot  6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\), \(15 \mathrm{mg}\); \(\mathrm{FeSO}_{4} \cdot 7 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\), \(25 \mathrm{mg}\); \(\mathrm{CoCl}_{2} \cdot 5 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\), \(0.125 \mathrm{mg}\); \( \mathrm{CuSO}_{4} \cdot 5 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\), \(5 \mathrm{mg} \) 이고, \( \mathrm{pH} \) 는 6.5로 맞추었다. PVA 고정화 bead와 비고정화에 의한 수소생산 비교실험을 위하여 다음과 같이 접종하였다.</p> <p>각 접종원을 포함하는 두 반응기 모두 접종후 \( 2 \mathrm{~L} \) 의 인공폐수로 6일간 전배양하였다. 전배양후 배양액은 30분 이상 정치하여 바이오매스를 충분히 가라앉힌 뒤 반응기 내부의 밀폐상태를 유지한 채 분리된 상등액을 연동펌프를 통해 빼낸 뒤 새로운 인공폐수를 \( 2 \mathrm{~L} \) 를 공급하여 2일 간격으로 교체하였다. 운전기간동안 반응기 내부의 균일한 혼합을 위하여 \( 200 \mathrm{rpm} \) 으로 교반하면서 중온소화온도 \( 35^{\circ} \mathrm{C} \) 에서 26일간 운전하였다. 전체 운전기간 동안 반응조용액 교체를 총 8회 실시하였다.</p> <h2>분석방법</h2> <p>반응기 용액의 \( \mathrm{pH} \)는 \( \mathrm{pH} \) meter (Orion model \( 420 \mathrm{~A} \), USA)로 실온에서 측정하였고, 반응기 내에서 발생한 가스의 부피 및 성분 분석을 수행하였다. 가스함량은 gas-tight syringe로 수소는 \( 300 \mu \mathrm{l} \) 채취하고 이산화탄소는 \( 500 \mu \mathrm{l} \) 채취하여 TCD 장착 가스크래마토그래피(Agilent 7890A, USA)로 가스 농도를 분석하였다. 분석에 사용한 컬럼은 capillary 컬럼(\( 30~\mathrm{m} \times 0.32  ~ \mathrm{ID~mm \times 0.45 ~OD ~mm}\), \(\mathrm{Agilent, CP-Molsieve}\) \( 5 \mathrm{A}) \) 이며, 열전도도 검출기를 사용하였다. 오븐, 주입구 및 검출기 온도는 각각 \(50, 80\) 및 \( 120^{\circ} \mathrm{C} \) 이었다. 분당 \( 3 \mathrm{ml} \) 헬륨을 캐리어가스로 사용하였다.</p> <p>반응기 용액중 유기산 농도는 \( 0.45 \mu \mathrm{m} \) 실린지 필터를 이용하여 여과한 시료를 액체크로마토그래피(Waters Binary HPLC pump, USA)로 실온에서 분석하였다. 컬럼은 Agilent Hi-Plex H PL1170-6830 column \( (300 \mathrm{~mm} \times 7.7 \mathrm{~mm}, 8 \mu \mathrm{m} \) )을 장착하였고, 이동상은 \( 0.005 \mathrm{M} ~\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \)을 사용하여 \( 0.6 \mathrm{ml} / \) \( \min \) 으로 흘려주었고 UV 검출기를 이용하여 파장 \( 210 \mathrm{~nm} \)에서 측정하였다. 분석된 유기산은 acetate, propionate, butyrate, iso-valerate, valerate였으며, 분석은 각 안정상태에서 2회 실시하였다. 유입폐수 및 반응기 용액 중 soluble chemical oxygen demand (SCOD)는 \( 0.45 \mu \mathrm{m} \) 실린지 필터를 이용하여 여과한 시료를 HACH(USA)에서 제공하는 분석용액을 이용하여 Thermo Orion AQ2040 (USA) 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 유기산 분석 결과는 COD 당 생성된 유기산 값으로 환산하여 나타내었다.</p>