지원사업
학술연구/단체지원/교육 등 연구자 활동을 지속하도록 DBpia가 지원하고 있어요.
커뮤니티
연구자들이 자신의 연구와 전문성을 널리 알리고, 새로운 협력의 기회를 만들 수 있는 네트워킹 공간이에요.
논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 오세은
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
이 논문의 연구 히스토리 (4)
- 이 논문의 후속연구가 궁금하신가요?
- 연관 학술논문 또는 학술발표를 통해 보다 발전된 연구결과를 확인하실 수 있습니다.
- 이 논문의 연구 히스토리 확인하기
초록· 키워드
오류제보하기
수소는 에너지 효율 및 청정성으로 인해 미래의 대체 에너지원으로 각광받고 있으며, 생물학적인 수소 발효에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 그러나 유기성 폐기물에 적용 시 여러 가지 운전인자의 영향으로 안정적인 수소 생산에 한계를 보이고 있는 실정이다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 음식물류 폐기물을 기질로 이용하여 생물학적 수소 발효에 영향을 미치는 운전인자들을 최적화 함 으로써, 실제 적용 가능성을 알아보고자 하였다.
먼저 음식물류 폐기물의 산 전처리 방법 중 최적 조건은 pH 2에서 산 처리하는 것이었고, pH 2 이상에서는 수소를 생산 할 수 있는 미생물의 활성에 영향을 있다는 것을 확인하였다. 또한 최적 기질 농도는 50 g Carbo. COD/L, 최적 운전 pH는 5.5±0.2, ,최적 온도는 중온(35℃)조건 이었다. 도출한 최적 운전인자를 적용하고, 수소 발효의 운전방식을 회분식과 반 연속으로 각각 운전 비교하였다.
그 결과, 회분식의 수소 전환율은 1.65mol H2/mol hexoseadded,로 나타낸 반면 반 연속식 운전에서는 초기 탄수화물 분해율은 90%이상이고, 수소 전환율은 1.62 mol H2/mol hexoseadded로 회분식 운전과 비슷하게 나타났으나, 시간이 경과되면서 생산되는 유기산 중 뷰틸산의 농도는 감소하고, 젖산과 프로피온산의 농도는 증가하였으며, 수소생산 속도, 전환, 수소 분압 등 발효 초기와 비교하여 확연한 감소를 보였다. 이는 연속적으로 배양할 때 수소의 소비를 통해 아세트산과 프로피온산을 생산하는 미생물의 활성이 높아져 수소생산량, 뷰틸산 농도는 감소하고, 젖산과 프로피온산의 농도가 높아진 결과로, 실제현장에 적용 할 경우 연속발효보다 회분식 발효 운전방식을 적용하는 것이 적합하다고 판단된다.
또한 최적화 된 운전인자와 운전방식을 파이롯트 규모의 실험 장치에 적용하고, D시 전 지역에서 수거되는 음식물류 폐기물을 이용하여 계절변화에 따른 수소 발효 성능을 장기간 관찰하였다. 그 결과 봄, 가을, 겨울의 경우 평균 수소 전환율은 1.06, 1.21, 1.13 mol H2/mol hexoseadded로 나타났지만, 여름철의 경우 0.71 mol H2/mol hexoseadded로 다른 계절 대비 약 50% 낮은 수소 전환율을 나타내었다.
미생물 분석결과 살펴보면, 젖산 생산미생물로 알려진 Lactobacillus는 봄 21.3%, 여름 27.2%, 가을 17.5%, 겨울 22.6%,으로 여름철이 가장 높게 나타났으며, 여름철의 미생물 군집변화에서 가장 특이점은 Ilyobacter delafieldii 라는 미생물이 15.3 % 로 분석되었는데, Ilyobacter는 아세트산과 프로피온산을 생산하는 박테리아로 유기산 변화와 관련하여 아세트산과 프로피온산이 증가하는 경향과 매우 밀접한 관련이 있을 것을 확인하였다. 또한 수소 생산균인 Clostridium은 각각의 계절에 따라 76.2%, 50.8%, 78.3% 74%로 여름철이 가장 낮았으며, 봄, 가을, 겨울의 경우 약 70%이상으로 우점화 된 것으로 볼 때 안정적인 수소발효가 이루어진 것으로 판단된다.
따라서 음식물류 폐기물을 이용한 수소 발효 시 산 전처리 통하여 음식물류 폐기물 내에 포함된 비수소 생성균에 저해효과를 준다는 것을 확인하였으며, 최적화된 운전인자와 운전방식을 적용할 경우 음식물류 폐기물을 이용한 수소 생산 시스템의 적용이 가능 할 것이라 판단된다.
먼저 음식물류 폐기물의 산 전처리 방법 중 최적 조건은 pH 2에서 산 처리하는 것이었고, pH 2 이상에서는 수소를 생산 할 수 있는 미생물의 활성에 영향을 있다는 것을 확인하였다. 또한 최적 기질 농도는 50 g Carbo. COD/L, 최적 운전 pH는 5.5±0.2, ,최적 온도는 중온(35℃)조건 이었다. 도출한 최적 운전인자를 적용하고, 수소 발효의 운전방식을 회분식과 반 연속으로 각각 운전 비교하였다.
그 결과, 회분식의 수소 전환율은 1.65mol H2/mol hexoseadded,로 나타낸 반면 반 연속식 운전에서는 초기 탄수화물 분해율은 90%이상이고, 수소 전환율은 1.62 mol H2/mol hexoseadded로 회분식 운전과 비슷하게 나타났으나, 시간이 경과되면서 생산되는 유기산 중 뷰틸산의 농도는 감소하고, 젖산과 프로피온산의 농도는 증가하였으며, 수소생산 속도, 전환, 수소 분압 등 발효 초기와 비교하여 확연한 감소를 보였다. 이는 연속적으로 배양할 때 수소의 소비를 통해 아세트산과 프로피온산을 생산하는 미생물의 활성이 높아져 수소생산량, 뷰틸산 농도는 감소하고, 젖산과 프로피온산의 농도가 높아진 결과로, 실제현장에 적용 할 경우 연속발효보다 회분식 발효 운전방식을 적용하는 것이 적합하다고 판단된다.
또한 최적화 된 운전인자와 운전방식을 파이롯트 규모의 실험 장치에 적용하고, D시 전 지역에서 수거되는 음식물류 폐기물을 이용하여 계절변화에 따른 수소 발효 성능을 장기간 관찰하였다. 그 결과 봄, 가을, 겨울의 경우 평균 수소 전환율은 1.06, 1.21, 1.13 mol H2/mol hexoseadded로 나타났지만, 여름철의 경우 0.71 mol H2/mol hexoseadded로 다른 계절 대비 약 50% 낮은 수소 전환율을 나타내었다.
미생물 분석결과 살펴보면, 젖산 생산미생물로 알려진 Lactobacillus는 봄 21.3%, 여름 27.2%, 가을 17.5%, 겨울 22.6%,으로 여름철이 가장 높게 나타났으며, 여름철의 미생물 군집변화에서 가장 특이점은 Ilyobacter delafieldii 라는 미생물이 15.3 % 로 분석되었는데, Ilyobacter는 아세트산과 프로피온산을 생산하는 박테리아로 유기산 변화와 관련하여 아세트산과 프로피온산이 증가하는 경향과 매우 밀접한 관련이 있을 것을 확인하였다. 또한 수소 생산균인 Clostridium은 각각의 계절에 따라 76.2%, 50.8%, 78.3% 74%로 여름철이 가장 낮았으며, 봄, 가을, 겨울의 경우 약 70%이상으로 우점화 된 것으로 볼 때 안정적인 수소발효가 이루어진 것으로 판단된다.
따라서 음식물류 폐기물을 이용한 수소 발효 시 산 전처리 통하여 음식물류 폐기물 내에 포함된 비수소 생성균에 저해효과를 준다는 것을 확인하였으며, 최적화된 운전인자와 운전방식을 적용할 경우 음식물류 폐기물을 이용한 수소 생산 시스템의 적용이 가능 할 것이라 판단된다.
목차
TABLE OF CONTENTSTable of Contents ⅰList of Table ⅴList of Figures ⅵSummary (in korea) ⅷChapter 1 Introduction 11.1 Research Background 11.2 Research Objectives and Scope 4Chapter 2 Literature Review 62.1 Food Waste Generation and Treatment Status 62.1.1 Food Waste Generation Status 62.1.2 Food Waste Treatment Status 112.1.3 Food Waste Treatment Facilities Status 122.2 Principle of Anaerobic Hydrogen Fermentation 152.2.1 Hydrogen Fermentation 152.2.2 Hydrogen Producing Microorganism 192.3 Parameters on the Hydrogen Fermentation 222.3.1 Pre-treatment of Inoculum 222.3.2 Substrate Type 242.3.3 Substrate Concentration 252.3.4 pH 282.3.5 Temperature 312.3.6 HRT 342.3.7 Liquid Hydrogen Concentration and Partial Pressure 352.3.8 Reactor Configuration 37Chapter 3 Materials and Methods 403.1 Experimental apparatus and methods 403.1.1 Batch experiment apparatus 403.1.2 Semi-continuous experiment apparatus 423.1.3 Hydrogen fermentation experiment apparatus of pilot scale 433.1.4 Hydrogen fermentation batch / Semi-continuous test methods 453.2 Characteristics of Food Waste 493.2.1 Characteristics of Food Waste of lab-scale 493.2.2 Characteristics of Food Waste of pilot-scale 503.2.3 Analysis Methods 513.2.4 Hydrogen fermentation batch / Semi-continuous test methods 45Chapter 4 Results and Discussions 534.1 Optimization of acid pre-treatment 534.1.1 Hydrogen production by Acid Pre-treatment 534.1.2 Organic Acid Concentration by acid-pre-treatment 554.1.3 Microbial community 574.2 Optimization of substrate concentration 614.2.1 Hydrogen production by substrate concentration 614.2.2 Organic Acid Concentration with substrate concentration 644.3 Optimization of operating pH 664.3.1 Hydrogen production by Operation pH Change 664.3.2 Organic Acid Concentration with Operating pH 674.4 Optimization of the operating temperature 704.4.1 Hydrogen production by Operation pH Change 704.4.2 Organic Acid Concentration with Operating Temperature 724.5 Hydrogen Fermentation Performance by Applying Optimization Operation Factor744.5.1 Performance of Hydrogen fermentation 744.5.2 Semi-continuous of hydrogen fermentation 774.6 Practical Application 804.6.1 Evaluation of Hydrogen Fermentation Performance through Long-term Operation804.6.2 Organic Acid Concentration with Seasonal Variation 824.6.3 Hydrogen and Organic Acid Behavior Using Flux Balance Analysis 844.4.2 Microbial community 89Chapter 5 Conclusions 92REFERENCES 95ABSTRACT 108PUBLICATION 111ACKNOWLEDGEMENTS 114
최근 본 자료
댓글(0)
0