Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90을 이용한 2 단계 간접 광합성 수소생산에 관한 연구

Abstract

현재 산업의 구조의 대부분이 의존하고 있는 화석연료는 그 매장량이 한정되어 있으며 연소 후 이산화탄소에 의한 지구 온난화 현상 등의 환경 문제를 가지고 있다. 그러나 대체 에너지 중 하나인 수소 에너지는 연소 시 공해물질 방출이 없고 원료 고갈 우려가 적을 뿐 아니라 수송, 저장, 이용이 용이하며 이용범위 또한 상당히 광범위하다. 또한 생물학적으로 수소를 생산할 경우 광합성을 하는 과정에서 이산화탄소의 제거효과와 폐수 및 음식물 쓰레기의 처리 효과까지 가지므로 가장 환경 친화적이며 경제적인 방법이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수소생산 미생물인 C. reinhardtii UTEX 90을 이용하여 2 단계 간접 광합성 수소 생산에 관한 실험을 수행하였다. 이 연구는 균주 배양과 수소생산을 공간적으로 분리한 방법으로, 먼저, 첫 번째 단계에서는 회분식 및 반 연속식으로 세포를 배양하여 그 성장특성을 비교 분석하였으며, 두 번째 단계에서는 앞서 배양된 세포들을 암 발효 및 황-결핍 반응하여 그에 따른 수소 및 유기물질 생산성을 비교 분석하였다. 본 연구의 결과, C. reinhardtii UTEX 90의 starch 축적은 중기 대수증식기～초기 정지기에서 가장 많이 일어나며 세포의 증식과 동시에 축적되는 것을 알 수 있었다. 성장단계에 따른 수소생산의 실험 결과, starch의 함량이 높은 시기보다 상대적으로 낮은 함량을 가지는 시기에서 보다 많은 수소를 생산하는 것이 확인되었다. 또한 가장 많은 수소를 생산하는 중기 대수증식기는 미생물 성장의 관점에서 가장 활발한 상태를 나타내는 시기이며 starch의 이용성도 가장 높은 값을 나타내었다. 암발효 반응과 황-결핍 반응에 의한 수소생산성을 비교해본 결과, 황-결핍 반응이 암 발효반응보다 훨씬 높은 수소 생산성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 황-결핍 반응은 전체 수소생산량과 수소 생산 속도 그리고 starch 이용성에서 모두 높은 값을 나타내었다. 본 연구의 결과는 다른 연구의 결과에 비해 상대적으로 우위의 값을 나타내긴 하지만 아직 기초단계에 불과하므로 수소의 대량 생산을 위해서는 보다 더 심도 깊은 연구가 요구된다. 즉, 발효반응기의 scale up 및 연속반응을 위한 공정의 설계 등의 추가적인 연구가 시행된다면 국내외의 대체에너지 개발 및 환경친화적 에너지 생산에 많은 기여를 할 것으로 예상된다.;The almost of all present industries is dependent on fossil fuels as sources. But, fossil fuels have many problems which are limited deposits, emission of air pollutants and greenhouse effect after composition, and others. But, hydrogen is the most expected one of many alternative energies. It doesn't emit air pollutants after composition and has many resources for its production. And, it's easy to transport, store and use, and possible to apply to almost divisions. Besides, if biological method is used for hydrogen production, it can contribute to the protection of environment by treatment of wastes and waste water, decrease of discharging CO2 and others. So, the biological hydrogen production is the most friendly method for environment and economy. In this study, we perform two-stage process using C. reinhardtii UTEX 90 for biological hydrogen production. This process divides between culture of cell and hydrogen production, spatially and temporally. The first, in stage 1, it is cultured by batch and semi-continuous methods and analyzed each growth peculiarity of them. And the second, in stage 2, it produces hydrogen by dark fermentation and S-deprivation using cells cultured in stage 1 and analyzed each productivity of hydrogen. In results of this study, the starch of C. reinhardtii UTEX 90 is accumulated into cell during mid exponential state ～ early stationary state. And in the experiment on hydrogen production, it shows that the state having high content of starch produces smaller hydrogen than the state having low content. And the mid exponential state producing the highest volume of hydrogen is the period that cells are active greatly and use the starch very well. By the comparison of dark fermentation and S-deprivation for hydrogen production, S-deprivation shows much more hydrogen productivity than dark fermentation. S-deprivation has high values in all of the total volume and rate of hydrogen production and starch use. Although the result of this study is superior to other studies in the hydrogen production, it is a foundational experiment only. So, we need advanced experiment. For example, there are the scale-up of fermentation bioreactor, planning for continuous production of hydrogen and others. And then, it seems to contribute to a development of alternative energy and production of energy friendly with environment in the internal and external country.