대체에너지원 중 수소생산에 대한 연구가 활발한 가운데 수소생산에 미치는 미생물 고정화 효과에 대한 서로 상반된 결과들로 인해 미생물 고정화 효과를 자세하게 규명할 필요가 있어 본 연구에서는 수소생산 미생물의 PVA-boric acid를 이용한 고정 화법이 수소생산 시스템에 유용한 방법인지 여부를 평가하였고, 고정화법을 이용한 수소생산과 세균군집구조에 미치는 미생물 고정화 효과를 정성·정량적으로 평가하였다.
<h1>서 론</h1> <p>화석연료 사용으로 인한 온실가스 급증문제와 화석연료 자원고갈에 따라 대체에너지원 개발에 대한 관심이 집중되고 있다. 대체에너지원 중에서 이산화탄소 배출 등의 2차 공해 유발이 없으며 실현가능성이 높은 시스템이라는 점에서 수소생산에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 열분해나 화학공정의 부산물로부터 수소를 얻는 수소 제조 기술 보다는 최근에는 유기성 폐기물로부터 생물학적 방법에 의한 수소 생산이 지속가능한 청정에너지 생산기술 중 하나로 주목받고 있다. 대표적인 생물학적 수소생산은 유기물의 혐기적 분해를 통해 이루어지는데, 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 \( \mathrm{pH} \) 와 체류시간(HRT)을 최적조건으로 유지하는 것 뿐만 아니라, 세균을 반응기내에서 고농도로 유지하는 것이 중요하다. 최근들어 세포 고정화법과 같은 방법 등을 통하여 반응기내에서 세균을 고농도로 유지함으로써 수소 생산 효율 개선을 위한 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 미생물은 온도, \( \mathrm{pH} \) 와 같은 횐 녕인자 뿐만 아니라 '배양 과정 중 생산되는 발효산물 자체로부터 쉽게 영향을 받을 수 있다. 그런데 미생물을 고정화하면 온도나 \( \mathrm{pH} \)와 같은 환경조건의 변화 뿐만 아니라 미생물의 성장을 저해할 수 있는 독성물질 유입 등의 극도로 불안정한 환경에서 고정화담체의 안충작용으로 세균의 활성을 안정적으로 유지할 수 있다. 특히, 혐기성 세균의 수소 생산 관련 효소 시스템은 산소에 노출시 매우 불안정해지기 쉽기 때문에 즉각적인 생산수율의 저하를 초래할 수 있다.</p> <p>미생물을 고정화하기 위한 담체로는 agar, alginate, chitosan 品 polyacrylamide, polyurethane 등의 다양한 천연 고분자 및 합성 고분자들이 사용되 고 있는데, 천연 고분자 물질은 물리적 내구성이 낮다는 한계점이 있다. 다양한 고분자 물질들 가운데 polyvinyl alcohol PVA는 합성고분자 물질로 가격이 저렴한 경제적 측면의 이점 뿐만 아니라 세균 독성이 없어 널리 사용되고 있다. 이러한 다양한 담체를 활용한 미생물고정화 방 법이 질산과 인 제거 및 중금속 제거 등을 목적으로 유효미 생물의 고농도 유지 및 대체응집제로써 폐수처리 분야에서 활발히 연구되어 왔다. 또한, 미생물 고정화 방법은 산소노출에 대한 미생물의 안정적 활성 유지가 가능하다는 점에서 에탄올 또는 유기산 생산 등의 발효공정 등에 시도되었을 뿐 아니라, 유기산 등의 대사 부산물의 영향을 받기 쉽고 세포의 유실이 많은 수소생산에 적용한 연구가 보고되고 있다. 고정화미생물을 이용한 수소생산은 안정적인 수소생산 단계까지 소요되는 지체기를 단축시키는 장점이 있다. 그러나 유리세포에 비하여 수소 생산성 향상에 거의 영향을 미치지 않고 오히려 수소생산수율이 낮다는 연구결과도 보고되고 있다. 이와같이 수소생산에 미치는 미생물 고정화 효과에 대해서로 상반된 결과들이 보고되어 있어, 수소 생산에 대한 미생물 고정화 효과를 좀 더 자세하게 규명할 필요가 있다. 본 연구에서는 수소생산 미생물의 PVA-boric acid를 이용한 고정 화법이 수소생산 시스템에 유용한 방법인지 여부를 평가하기 위해, 고정화법을 이용한 수소생산과 세균군집구조에 미치는 미생물 고정화 효과를 정성·정량적으로 평가하였다.</p>