Enhancement of Fermentative Hydrogen Production by Gas Sparging

기체 sparging에 의한 수소 발효의 효율 향상

The effect of gas sparging on continuous fermentative $H_2$ production was investigated using external gases ($N_2$, $CO_2$) with various flow rates (100, 200, 300, 400 ml/min). Gas sparging showed a higher $H_2$ yield than no sparging, indicating that the decrease of $H_2$ partial pressure by gas sparging had a good effect on $H_2$ fermentation. Especially, $CO_2$ sparging was more effective in the reactor performance than $N_2$ sparging. The composition of butyrate, the main metabolic product of $H_2$ fermentation by Clostridium sp., was much higher in $CO_2$ sparging. $H_2$ production increased with increasing flow rate only in $CO_2$ sparging. The best performance was obtained by $CO_2$ sparging at 300 ml/min, resulting in the highest $H_2$ yield of 1.65 mol $H_2/mol$ hexoseconsumed and the maximum $H_2$ production of 6.77 L $H_2/g$ VSS/day. Compared to $N_2$ sparging, there could be another beneficial effect in $CO_2$ sparging apart from lowering down the $H_2$ partial pressure. High partial pressure of $CO_2$ had little effect on $H_2$ producing bacteria but inhibitory effect on other microorganisms like lactic acid bacteria and acetogens which were competitive with $H_2$ producing bacteria.

기체 sparging이 수소 발효에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기체의 종류($N_2$, $CO_2$) 및 sparging 유량의 변화(100, 200, 300, 400 ml/min)를 달리하여 연속 실험을 수행하였다. Sparging을 한 모든 경우, 하지 않는 경우에 비하여 더 높은 수소 전환율이 관찰되었는데, 이는 sparging을 통한 수소 분압 감소가 수소 발효에 좋은 영향을 끼쳤음을 말해준다. 특히, $CO_2$로 sparging을 하는 경우가 $N_2$에 비하여 더 좋은 결과를 보였으며, Clostridium sp.의 주요 부산물인 뷰틸산의 농도 및 조성비도 $CO_2$ sparging의 경우 훨씬 높았다. $CO_2$로 sparging 하는 경우, sparging 유량의 증가에 따라 수소 전환율이 상승하였지만, $N_2$의 경우는 유량 변동과는 무관하였다. 최적의 조건은 $CO_2$, 300 ml/min로 sparging 하는 경우였고, 이 때, 1.65 mol $H_2/mol$ hexoseconsumed의 높은 수소 전환율과 6.77 L $H_2/g$ VSS/day 의 높은 수소 발생율을 보였다. 전체적으로 $CO_2$로 sparging을 하는 경우가 N2에 비하여 더 좋은 결과를 보였는데, 이는 $CO_2$로 sparging을 하는 경우, 수소 분압 감소에 따른 수소 발효 효율 향상 이외에 높은 $CO_2$분압이 수소 발효에 우호적인 영향을 끼쳤을 것으로 사료된다. 높은 $CO_2$ 분압의 환경이 수소 생성균과 경쟁 관계에 있는 lactic acid bacteria나 acetogen과 같은 미생물에게 저해 작용을 주어 높은 수소 생산이 가능하였다고 판단된다.