광합성 탈황처리에 있어 광원 및 명암주기의 영향

장 광 필, 정 귀 수, 이 광 희, 김 병 우

성균관대학교 화학공학과

The Influence of Light Sources and Light/Dark Cycle

in a Photosynthetic Desulfurization

Kwang Pil Chang, Guy Soo Jeong, Kwang Hee Lee, Byung Woo Kim

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan Univ.

서론

황화수소의 생물학적 탈황공정에 사용되는 Chlorobium thiosulfatophilum은 상용화에 적합한 여러장점1)을 가지고 있음에도 불구하고 막대한 빛에너지를 요구하는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기위해 여러 방법이 시도되고 있으며 특히 미생물이 광합성에 필요로 하는 파장만의 빛을 이용할 수 있다. LED의 경우 광에너지 절감측면에서 탈황공정의 scale-up시 빛의 투과력 문제 등을 해결하면 하나의 적합한 광원으로 사용될 수 있다. 이미 국내에서도 본 연구진에 의해 주파장이 710 nm이고 C. thiosulfatophilum의 antennae 색소중 하나인 bacteriochlorophyll이 필요로 하는 760 nm에 해당되는 빛을 주파장대에 비해 약 60 % 정도 발산하는 LED710을 이용하여, 백열등을 광원으로 사용했을 때보다 90 % 이상의 광에너지 절감 효과를 볼 수 있었다.2) 반면 또 다른 antennae 색소인 carotenoid가 요구하는 460 nm 부근의 빛은 특성상 760 nm 부근의  빛에 비해 40 % 정도의 에너지를 가지고 있는 것으로 알려져 있다, 또한 460 nm 영역의 빛에너지 일부는 광합성에 사용되고 상당부분 열로서 없어진다. 또한 이 파장의 빛은 cell의 성장 및 대사작용에 직접 관여하기 보다는 효소의 활성 및 조절작용에 영향을 주어 광합성에 기여하는데 이는 적은 양으로도 가능하다3-4). 본 연구에서는 C. thiosulfatophilum에 의한 탈황처리의 scale-up시 빛의 공급문제를 효율적으로 해결하기 위해 백열등, 할로겐등, 형광 및 에너지 절약등에 의한 탈황능력을 해석하여, 이를 기존의 적색 LED 실험과의 비교를 통해 탈황처리에 소요되는 빛에너지 절감에 필요한 기초적인 자료를 제시하였다. 또한 C. thiosulfatophilum은 빛이 연속적으로 공급되는 유가 회분식 배양시 72시간 경과시 세포내 다당의 생성이 건체 중량의 약 50 %에 달하며, 이는 cell에 환원력을 제공해 주는 역할을 하며 빛이 차단된 경우 다당은 에너지원으로 사용되어 지방산으로 전환 후 배지내로 배출된다. 이 지방산중 60 %는 중요한 가치가 있는 acetic acid로 알려졌다5). 이를 이용해 유가 회분식 배양중 주기적인 빛의 공급이 탈황능력과 acetic acid 생성에 미치는 영향을 해석하였다.

실험

균주는 Chlorobium limicola forma thiosulfatophilum으로 ATCC 17092 이다.탈황성능 비교실험은 4L 유가식 회분반응기를 이용해 동일 조건하에서 각 광원에 대해 실험하였다6). Acetic acid 생성에 대한 실험장치는 figure 1과 같이 배열했으며 timer를 이용해 빛의 light/dark cycle을 자동으로 조절하였다. cell, sulfur, 반응기내 H2S, 유출되는 H2S의 농도는 이전에 발표한 방식으로 분석하였다6). Acetic acid는 Waters사의 HPLC를 사용했고, □Bondapak C18(Cat. No. 84176, 7.8×300mm) 충진물을 사용하는 역상컬럼을 사용하였다. 이동상은 물과 황산을 섞어 pH 3.53로 맞춰주었고, 유속은 1 mL/min, 검출기로는 210 nm에서 UV 검출기를 사용하였다. 반응기에 조사되는 광원은 lux meter(IM-2D, Topcon Co, Japan)와 quantum meter(LI-COR 190, USA)를 이용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

사용가능한 여러 광원에 대해 monochromater에 의한 파장별 상대강도를 분석한 결과는 이전에 발표한 내용과 같으며6), figure 2는 내경 17cm인 4L 반응기내  배지내에서 광원에 따른 빛의 감쇠정도를 나타낸 것으로 반응기 중심부근에 갈수록 빛의 강도가 감소한다. 비슷한 파장 특성을 보이는 백열등, 할로겐등, 에너지 절약등의 경우 형광등에 비해 빛의 감쇠현상이 적었다. 그러나 반응기내 cell과 sulfur가 증가함에 따라 광원에 상관없이 반응기 중심쪽으로 갈수록 빛은 급격히 감쇠하여, 중심에서는 빛이 거의 투과되지 못함을 관측할 수 있었다. 그러므로 투과특성이 탈황성능에 미치는 영향은 광원에 따라 큰 차이를 보이지 않게된다. Figure 3은 동일한 조도 5000 lux를 기준으로 여러 광원에 대해 cell의 농도에 따른 황화수소 처리속도의 변화를 비교해 제시하였다. 할로겐등, 백열등, 에너지 절약등의 경우 5000 lux보다 낮은 조도인 1500 lux에서 실험한 결과와 비슷한 탈황성능을 보이고 있다). 그러나 1500 lux보다 5000 lux의 경우 반응기내 cell과 sulfur 농도의 증가로 인해 반응기내로 빛의 투과가 상대적으로 되지 않아 탈황성능이 떨어진다고 볼 수 있다. 주파장이 460 nm인 빛을 주로 발산하는 형광등의 경우 다른 세 종류의 광원에 비해 탈황속도가 떨어지며 1500 lux보다는 5000 lux에서 급격히 산화속도가 떨어짐을 알 수 있다. 이는 단파장의 투과능이 장파장보다 상대적으로 낮은 것에 기인한다. Table 1은 LED710과 여러가지 광원을 사용했을 때 황화수소 처리능력을 비교한 것으로  이 자료들을 직접적으로 비교하기는 어렵지만 LED710과 백열등(150 W)의 비교시 4L 반응기의 경우 1 mmol/L·hr의 황화수소 처리에 필요한 광에너지 소요가 LED 경우 8.3 W, 백열등의 경우 750 W 이므로 LED710을 사용했을 경우 약 90 % 정도의 광에너지를 절감할 수 있었다2). 반면 백열등, 에너지 절약등, 할로겐등, 형광등에 대한 실험시 460 nm에 해당되는 빛은 cell의 성장 및 대사작용에 어느정도 영향을 미치나, 460 nm와 760 nm을 모두 발산하는 광원에 비해 탈황능력이 떨어짐을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 빛의 세기, cell과 sulfur의 농도가 증가함에 따라, 즉 반응기의 규모가 커질수록 더욱 뚜렸해질 것으로 예상된다. 위와 같은 두가지 비교결과를 통해 볼 때  생물학적 방법에 의한 탈황처리의 상용화시 cell 농도에 알맞는 760 nm 근방의 빛만을 적절히 공급해 준다면 소요되는 광에너지를 상당히 절감할 수 있으리라 본다. 이런 이유 등으로 적색LED의 경우 적합한 광원으로 볼 수 있으나, 외부조사형 광반응기의 경우 단점으로 제기되는 빛의 감쇠현상을 극복해야 하는 문제가 제기된다. 이와 같은 문제를 최근 optical fiber를 이용하여 광반응기 S/V를 증가시킨 내부조사형 반응기는 좋은 대안으로 볼 수 있다. 한편 figure 4는 반응기에 공급되는 빛을 주기적으로 차단하므로써 발생되는 acetic acid 생성에 관한 실험결과이다. 빛이 연속적으로 공급되는 유가 회분식의 경우와 큰 차이를 보이고 있지 않으며 반응기내 축적되리라 예측되는 acetic acid는 일부 stripping이 일어나는 것으로 생각된다. 생성되는 acetic acid를 한외여과막 등을 이용하여 분리해내는 공정에 대한 더 많은 연구가 요구된다.

Table 1. Maximun specific growth rates and H2S removal rates dependent

on light source.

Light source	Xo(mg/L)	□(hr-1)	H2S□mol/min/ mg protein/L
LED710	223	0.02	0.107
Incandescent(150 W)	140	0.04	0.136
Energy-saving	130	0.028	0.138
Halogen	133.6	0.025	0.134
Incandescent(60 W)	158	0.018	0.113
Fluorescent	131.9	0.008	0.040

References

1. B. W. Kim, E. H. Kim, H. N. Chang, Biotechnol. Tech., 5: 343-348, 1991

2. 장 호 남, 김 병 우, 대한민국특허 제087146호, 1995, 7. 21.

3. Hans C. P. Matthijs, Hans Balke, Udo M. Van Hes, Bernd M.A.Kroon,         Luuc R. Mur, and Roger A. Binot, Application of light-emitting diodes in     bioreactors, Biotechnol.Bioeng., 50: 98-107, 1996

4. Ruyters, G., Effects of blue light on enzymes, 283-301. In H. Senger(ed.),      □Blue light effects in biological systems□., Springer Verlag, Berlin

5. Sirevag, R. and J. G. Ormerod, Synthesis, storage and degradation of          polyglucose in Chlorobium thiosulfatophilum., Arch. Microbiol., 111:            239-244, 1977

6. 장 광 필, 김 병 우, 장 호 남, Theories and Applications of Chem.Eng.,         Vol.2, No.1: 453-456, 1996