산업체 부생가스로부터 아세테이트 생산

강환구, 전희진, 김재호, 유병일, 유은정

한남대학교 화학공학과

The production of Acetate from waste gas

Whankoo Kang, Heejin Chun, Jaeho Kim, Bungil ru, Eunjung ru

Dept. of Chem. Eng., Hannam Univ.

서론

산업공정에서 발생하는 폐가스(waste gas)는 매우 많은 양의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 황, 질소 산화물들을 포함하고 있다. 이들중 일산화탄소, 수소등은 유용한 에너지원임에도 그냥 버려지고 있어 경제적인 손실이 될 뿐아니라 대기 환경에도 악영향을 미치고 있다. 특히 제철소에서 발생하는 COG(코오크스로 가스), BFG(고로가스), LDG(전로가스)등은 일산화탄소와 이산화탄소를 다량 함유하는데 이렇게 발생하는 폐가스의 양은 포항, 광양제철소에서만 1년에 3×[eqn: rm 10 sup10 m sup 3]에 이르며 이들 중 BFG 와 CDG경우에는 폐가스중 CO의 구성 비율이 20%, 70% 로서 매우 높은 편이다.(1)

이들 국가 기간 산업인 제철소의 부생가스 경우 재활용 실적이 부진하여 극히 일부만 회수되고 나머지는 모두 폐기되고 있는 실정이다. 특히 제철소 부생가스중 BFG나 LDG중 20∼70%를 차지하는 일산화탄소는 에너지원으로 활용될 수 있는 귀중한 자원임에도 불구하고 회수나 재활용이 거의 되지 않고 버려지는 실정이다. 그러므로 미생물을 이용해서 유용한 물질로의  bioconversion방법이 개발될 필요가 있다고 생각되어진다.

폐가스중의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소로부터 아세테이트의 생성은 일반적으로 Peptostreptococcus productus 또는 Acetobacterium sp.에 의하여 된다고 알려져 있는데 (2,3,4,5)  본 연구에서는 P. productus를 이용하여 아세테이트 생성방법을 연구하고 이를 최적화하여 생전환 공정의 경제적 이용가치를 규명하고자 한다.

이를 위하여  P. productus ATCC 35244균주를 이용하여 폐가스로부터 아세테이트를 생성하는 경우에 있어서 일산화탄소 소비속도에 대한 Michaelis-Menten kinetic에 의한 parameter study 및 일산화탄소의 최적 농도, 그리고 배지 및 최적 배양조건등을 조사하였다.

실험

본 연구에서 사용된 Peptostreptococcus productus ATCC 35244는 ATCC로부터 구매하여 사용하였으며 균체 배양용 배지의 성분은 YE, Peptone, nitrate, phosphate염과 MgCl2, NaCl, CaCl2 및 trace element와 미량의 vitamin들이고 사용한 chemical은 모두 sigma사 제품이었다. 균체배양에는 Crimp seal이 있는 150□짜리 serum bottle이 이용되어지며 이 병에 30□의 배지와 1.5□의 seed culture를 넣고 나머지 공간은 원하는 양의 일산화탄소와  tracer로의 약간의 질소를 원하는 압력으로 채워 실험하게 된다. 실험은 혐기성 조건에서 진행되는데 이를 위해 serum bottle에 배지를 채우고 질소가스로 purging 하면서 100℃에서 2∼5분간 끓인 다음 상온에서 50℃까지 식힌 후 stopper를 이용하여 capping하고 이를 다시 autoclave하여 사용하였다. 일산화탄소는 0.22□ filter를 통해 주입하며 serum bottle은 분당 200회 회전운동을 하는 진탕배양기(vision 과학)에 넣어 37℃에서 배양하였다. 이때 사용한 일산화탄소는 99.5%의 순도이었다.

세포농도는 분광광도계(Milteon roy. spectronic 21) 660nm에서 구한 흡광도를 나타내었다. 일산화탄소, 수소 그리고 질소 분석은 가스크로마토그래피(Donam,DS6200)에서 수행하였다. 사용된 칼럼은 길이 6 ft의 녹슬지않은 stainless steel이고 충진 물질은 Molecular sieve 13x(CRS) 이었으며 TCD detector를 이용하였다. 실험 조건은 주입부 60℃, 오븐 35℃ 그리고  검출부 100℃ 이었고 carrier gas로는 Ar gas를 30cc/min로 흘려주었다. 아세테이트 분석에 사용된 충진물질은 HayeSep Q(CRS)이며 FID detector, 조건은 오븐 175℃, 주입부와 검출부는 225℃이었고 carrier gas는 He gas 50cc/min를 사용하였다.

결과 및 토론

Peptostreptococcus productus ATCC 35244에 의한 CO로부터 아세테이트 생성능력 및 이에 관한 여러 가지 영향에 관하여 실험하였다.

먼저 CO 소비속도에 대한 kinetic model과 그에 따른 여러 가지 상수값을 계산하기 위한 실험을 수행하였는데 Fig.1에서는 CO의 농도에 따른 소비속도를 나타내었다. CO의 소비속도는 낮은 농도에서 선형적으로 증가하지만 농도가 높아짐에 따라 점차 최대치에 도달하는 경향을 보였고, 그 후 CO 농도증가에 따라 소비속도가 줄어드는 현상이 관측되었다. 이는 CO의 gas농도가 0.8 atm이상에서는 cell에 toxic한 때문으로 생각된다.

여기서 P. productus에 의한 최대 CO전환속도등의 kinetic parameter를 구하기 위해 Michaelis Menten식이 적용되어졌다. Vmax와 Km을 얻기 위해 낮은 CO 농도에 대해 1/v vs. 1/S를 도시(Double-reciprocal plot)하였으며 이 결과를 Fig.2에 나타내었다. slope 값 Km/Vmax 및 y-intercept 값 1/Vmax로부터 Vmax와 Km은 각각 39.3 mmol/L-hr-O.D., 0.578 atm of CO in gas phase임을 알 수 있었다.

이 결과를 바탕으로 아세테이트를 최대로 생성할 수 있는 배양 조건 및 배지 최적화 실험을 진행하였다.

먼저 초기 주입되었던 CO 가 모두 소비되기전 refreshment했을때의 영향을 살펴보았는데 그 결과가 Fig. 3에 보여진다. 초기 CO의 약 40%가 소비된 후 new gas로 regassing 한 경우가 그렇지 않은 경우보다 cell growth는 비슷한 반면 acetate 생성은 약 30%정도 증가함을 알 수있었다.   Fig. 4에서는 배지중  질소원인 YP(Yease extract & Peptone)의 농도에 따른 아세테이트 생산 정도를 알아보았는데 그 결과 YP농도가 증가할수록 세포의 성장과 생성된 아세테이트의 양이 증가하여 YP 3%에서 O.D. 1.14에서 약 6g/L 의 아세테이트를 생성함을 알 수 있었다. 그러나 specific acetate production rate는 YP 2, 3%에서 최대값이 0.11 g/L·hr·O.D로 비슷하였다. 이외에 YE와 Peptone 각각의 경우에 대해 YP 1%를 control로 하여 실험한 결과 YE 보다는 Peptone의 영향이 더 큰 것으로 나타났다. YE와 Peptone 각 3%에서 O.D는 0.9정도로 비슷했지만 아세테이트는 각각 4.8, 5.4 g/L를 생성하였다. 2%에서는 그 차이가 좀 있었는데 YE의 경우 O.D. 0.75에서 약 3.7 g/L의 아세테이트를 생성한 반면 Peptone의  경우 O.D. 약 0.8에서 약 5.3 g/L를 생성하였다. 이로서 Peptone이 2%정도에서도 아세테이트 생성을 최적화 할 수 있을것으로 사려된다.

P. productus를 이용해 아세테이트 생성을 최적화하기위해 initial pH가 균주 성장 및 아세테이트 생성에 미치는 영향을 살펴보았다. 이 결과가 Fig. 5와 6에 나타나있는데 pH의 4, 5 에서는 균주가 성장하지 않았고 아세테이트도 거의 생성하지 않은 반면 6, 7, 8의 경우는 거의 비슷한 양상을 보였다. 그러나 pH 8에서 초기에 균주의 성장과 함께 아세테이트 생성이 빨랐다가 약 20시간 후부터 점차 꺾이는 현상이 보여지는데 이는 초기 급속한 균주성장으로 인하여 배지중 어떤 성분이 고갈 된 것으로 보여지는바 pH 8에서 배지 성분을 첨가하면서 추가 실험이 현재 진행중이다. 또한 아세테이트 생성을 위한 최적 배양온도를 조사한 결과가 Fig. 7에 나타나 있는데 이 경우 균주성장은 O.D. 0.7정도로 비슷하였지만 ATCC 배양온도인 37℃에서 최대 아세테이트 생성량을 보였다. 또한 앞에서 언급한 것처럼 이산화탄소와 수소를 이용한 균주성장 정도와 아세테이트 생성양을 확인하였다. Fig. 8에 결과가 보여지는데 130 ml gas phase에 30% 와 20% CO2, 거기에  H2를 각각 10%, 20% 주입한 경우 모두 비슷하게 O.D. 0.5 정도에서 약 2g/L의 아세테이트를 생성하였다.

이 연구를 통하여 CO를 이용한 CSTR 실험시 pH조절과 배양중 질소원등 배지의 추가 공급, 그리고 CO retention time, rpm등의 mass transfer에 영향을 주는 요인들을 적절히 조절할 경우 생물학적 아세테이트를 생성공정은 경제적으로 충분한 가치가 있을 것으로 기대되어진다.

참고문헌

1. 성진기, 에너지· 자원기술 정보지, 14, 918 (1997)

2. Lorowitz, W.H, Bryant, H.p. , Appl. Environ. Microbiol. , 47 ,p961(1984)

3. Kerby, R.W. ,  Zeikus,J.G. , J. Bacteriol. , 155, p1208 (1983)

4. Barik, S., R.E. Corder, Abstr., Amer. Soc. Microbiol., Annual Meeting,

Washington, D. C. Paper No. 024, P.265 (1986)

5. Balch, W.E., S. Schoberth, Int'l. J. Syst. Bacteriology, 27, pp355-361 (1977)