The variations of performance and metabolites at an early stage were investigated for the successful start-up technology in continuous fermentative hydrogen production. Unsuccessful start-up was observed when the operation mode was changed from batch to continuous mode after the yield was reached to 0.5 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ by batch mode. $H_2$ production continued till 12 hours accompanied by butyrate production, but did not last with propionate production increase. It was suspected that the failure was due to the regrowth of propionic acid bacteria during batch mode which were inhibited by heat-shock but not completely killed. Thus, successful start-up was tried by early switchover from batch to continuous operation; continuous operation was started after the $H_2$ yield was reached to 0.2 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ by batch mode. Although $H_2$ production rate decreased at an early stage, stable $H_2$ yield of 0.8 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ was achieved after 10 days by lowering down propionate production. And it was also concluded that the reason for $H_2$ production decrease at an early stage was due to alcohol production by self detoxification mechanism against VFAs accumulation.
The purpose of this study was to optimize the conditions of continuous mixed culture of C.butyricum and R. spaeroides K-7, which were able to produce hydrogen using biomass-dreived substrate. To investigate the possibility of continuous culture, semi-continuous culture was carried out for 20 days. In semi-continuous culture using the reactor system, the replacement rate of fresh medium was 30% of total medium volume for the highest hydrogen evolution. In continuous culture, the optimum dilution rate was determined to be 0.05$h^{-1}$. The continuous culture produced 3.1 times as compared with the hydrogen on batch culture. On the other hand, the continuous mixed culture produced 1.3~2.1 times as much as hydrogen of the continuous monoculture of C. butyricum. When 10g of glucose in the media (1l) was supplied as a carbon source on continuous culture, mixed culture of C. butyricum and R. sphaeroides K-7 increased hydrogen evolution rate. Because considerable amount of glutamate was contained in waste water of glutamate fermentation, utilization of glutamate was examined in mixed culture. As a result of examination, production of hydorgen was slightly inhibited by high concentration of glutamate, more than 20mM, on continuous monoculture of R. sphaeroides K-7. On the other hand, both on continuous monoculture of C. butyricum and on mixed culture of C. butyricum and R. sphaeroides K-7, production of hydrogen was not inhibited by high concentration of glutamate such as 100mM. Hence this suggests that high concentration of waste water can be used as good substrate for hydrogen production on monoculture of C. butyricum and mixed culture of C. butyricum and R. sphaeroides K-7.
광합성세균에 의한 광의존 수소생산에 있어서 상시 가변적인 태양광 이용조건에 대응되는 자동조절 반연속배양장치를 구성하였다. 이는 pulse 발생장치를 설비한 가스메터에 의해 일정의 수소생산량이 측정되면, 수소생산에 소비된 만큼의 기질이 timer와 연결된 정량펌프에 의해 공급될 수 있는 시스템이다. 이 배양장치를 이용하여, 옥외조건에서 Rhodopseudomanas sphaeroides B6의 agar gel 고정화균체에 의한 수소생산 실험을 시도하였다. 일조와 기후의 격심한 변동에도 불구하고 배양이 잘 조절되어 수소생산성이 유지되었다. 이는 광합성세균의 수소생산을 위한 옥외 반연속배양의 자동조절 가능성을 나타내는 것이다.
This study investigated the effects of various arsenite concentrations on bio-hydrogen production from molasses using a sequence batch reactor (SBR) operated in a series of three batch cycles. In the first batch cycle, hydrogen production was stimulated at arsenite concentrations lower than 2.0 mg/L, while inhibition occurred at arsenite concentration higher than 2.0 mg/L compared to the control. Hydrogen production decreased substantially during the second batch cycle, while no hydrogen was produced during the third batch cycle at all tested concentrations. The toxic density increased with respect to the increase in arsenite concentrations (6.0 > 1.6 > 1.0 > 0.5 mg/L) and operation cycles (third cycle > second cycle > first cycle). The presence of microorganisms such as Clostridium sp. MSTE9, Uncultured Dysgonomonas sp. clone MEC-4, Pseudomonas parafulva FS04, and Uncultured bacterium clone 584CL3e9 resulted in active stimulation of hydrogen production, however, it was unlikely that Enterobacter sp. sed221 was not related to hydrogen production. The tolerance of arsenite in hydrogen producing microorganisms decreased with the increase in induction time, which resulted in severing the inhibition of continuous hydrogen production.
Continuous production of hydrogen by Ca alginate-immobilized photosynthetic bacteria was studied in a packed-bed bioreactor. The dilution rate and input concentration of carbonaces substrate were selected as operating parameters. To choose the strain for immobilization, hydrogen productivities of Rhodopseudomonas caposulata 10006 and Rhodospirillum rubrum KS-301 were compared through preliminary batch cultures of their free cells: the former was found to show better hydrogen productivity in spite of its lower specific growth rate. For the continuous production of hydrogen by immobilized R capsulata, the optimum dilution rate was about 0.84 h$^{-1}$ . The Immobilized tells gave better hydrogen yield and conversion efficiency than free ones. And a kinetic parameter K'$_{m}$ was determined for the packed-bed bioreactor, being practically constant for a specific range of dilution rates.s.
Energy is vital to global prosperity, yet dependence on fossil fuels as our primary energy source contributes to global climate change environmental degradation, and health problems. Hydrogen $(H_2)$ offers tremendous potential as a clean renewable energy currency. Hydrogen has the highest gravimetric energy density of any known fuel and is compatible with electrochemical and combustion processes for energy conversion without producing carbon-based emission that contribute to environmental pollution and climate change. Numerous methodologies have been developed for effective hydrogen production. Among them, the biological hydrogen production has gained attention, because hydrogen can be produced by cellular metabolismunder the presence of water and sunlight. The green alga Chlamydomonas reinhardtii is capable of sustained $H_2$ photoproduction when grown under sulfur deprived condition. Under sulfur deprived conditions, PSII and photosynthetic $O_2$ evolution are inactivated, resulting in shift from aerobic to anaerobic condition in the culture. After anaerobiosis, sulfur deprived algal cells induce a reversible hydrogenase and start to evolve $H_2$ gas in the light. According to above principle, we investigated the effect of induction parameters such as cell age, cell density. light intensity, and sulfate concentration under sulfur deprived condition We also developed continuous hydrogen production system by sulfate re-addition under sulfur deprived condition.
Effect of nitrogen-load condition on hydrogen ($H_2$) production and bacterial community in a continuous anaerobic hydrogen fermentation were investigated. The slight $H_2$ production on extremely low nitrogen-load condition (C/N ratio: 180) at the start-up period. The highest $H_2$ production was obtained when the C/N ratio was 36, the $H_2$ production yield ($mol-H_2/mol-glucose$) reached to 1.7, and it was indicated that Clostridium pasteurianum mainly contributed to the $H_2$ production. The $H_2$ production was decreased on both the lower (C/N: 72) and higher (C/N: 18) nitrogen-load conditions. The excess nitrogen-load was not always suitable for the hydrogen production. The fluctuation of $H_2$ production seemed to be caused by a change in the bacterial community according to the nitrogen-load condition, while a recovery of $H_2$ productivity was possible by a control of nitrogen-load condition through the bacterial community change. When the nitrogen-load condition was not suitable for hydrogen production, the lactic acid concentration was increased and also lactic acid bacteria were definitely detected, which suggested that the competition between hydrogen fermentator and lactic acid producer was occurred. These results demonstrated that the nitrogen-load condition affect on the $H_2$ productivity through the change of bacterial community in anaerobic hydrogen fermentation.
In the continuous reactor, the hydrogen production rate and residual glucose concentration were increased with increase of input glucose concentration, dilution rate, and recycle rate. The maximum production rate was 91 mL/Lㆍh at dilution rate 0.4/h, input glucose concentration 5.4g/L, and recycle rate 70/h in this experimental range.
Anaerobic fermentation of food waste (FW) and waste activated sludge (WAS) for hydrogen production was performed in CSTR (Continuous Stirred tank reactor) under various HRTs and volumetric mixing ratio (V/V) of two substrates, FW and WAS. The specific hydrogen production potential of FW was higher than that of WAS. However, pH drop in the CSTR for hydrogen production from FW was higher than that from WAS. The maintenance of desired pH during fermentative hydrogen production is regarded as the most important operation parameter for the stable hydrogen production. Therefore, when the potential of hydrogen production from FW and better buffer capacity of WAS, the proper mixture of FW and WAS for fermentative hydrogen production were considered as a useful complementary substrate. The maximum yield of specific hydrogen production, 140 mL/g VSS, was found at HRT of 2 day and the volumetric mixing ratio of 20:80 (WAS : FW). The spatial distribution of hydrogen producing bacteria was observed in anaerobic fermentative reactor using fluorescent in situ hybridization (FISH) method.
수소생산을 최적화하기 위하여 Enterobacter cloacae YJ-1을 이용해 생산성에 미치는 탄소원 농도, 질소원 농도, 금속이온 농도, 아미노산 효과로서 회분식 배양을 통하여 실험을 수행하였다. 각종 탄소원의 종류에 따라 수소생산을 검토한 결과 glucose 첨가시에 가장 양호하였다. 따라서 glucose 농도를 변화시켜 수소생산량을 조사한 결과 $2\%$(w/v) 농도에서 최대를 보여 975.4 mL/L를 생산하였다. 각종 질소원 중에서 가장 효과적인 질소원은 yeast extract이었으며, 최대 수소생산량은 $1.5\%$(w/v) 농도에서 1651.5mL/L이었다. 금속이온으로는 $Na_2MoO_4$가 가장 효과적으로 나타나 $0.04\%$(w/v) 농도에서 1753.3 mL/L를 생산하였다. 아미노산은 cystein에서 가장 생산량이 많았으며, 다음은 proline, histidine, alanine 등 순이었다. 회분식 배양의 최적 조건하에 수소를 연속적으로 생산하기 위하여 반연속배양을 행한 결과 $3\%$ (w/v) 농도에서 2215.4 mL/L로 가장 높았다. 생산균주의 대사에 관한 물질을 보다 세밀히 조사하고 연속적인 수소생산을 살펴 산업적인 공정개발도 가능하리라 생각된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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