Bioelectrochemical system에서 CO₂의 환원을 통한 products 생산 = Production of high-value products from carbon dioxide in bioelectrochemical systems by mixed and pure cultures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, much research has been conducted on new technologies for the supply of secure, clean, sustainable energy. A bioelectrochemical system (BES) is a new technology that can capture and utilize CO2. BES is a technology that reduces CO2 to high value-added chemicals and biofuels (such as alcohol, organic acids, and methane) through the supply of electric energy.
This study also carried out experiments to produce valuable products such as methane and acetate by reducing CO2 in BES. In mixed culture, methane and volatile fatty acids production and current were measured, and microbial community analysis was conducted. Experiments were conducted using different types of reactors and mediators to increase methane production efficiency in pure culture. Also, new type of reactor was designed to produce a large amount of methane.
CO2 was converted to methane and acetate by mixed culture using a single-chamber reactor (SR). The amounts of production of acetate, isovaleric acid, and butyric acid were 10.5, 0.25 and 0.02 g L-1, respectively, for 137 days. Maximum methane production rate was 298.5 L m-2 day-1. The microbial communities before and after the electricity supply were compared. Because of the abundance of acetate producing bacteria, acetate has accumulated in the reactor.
CO2 was converted to methane by pure culture through a H-type reactor (HR). To compare the activity with the mediator, 0.1 mM (final concentration) of neutral red (NR), 0.1 mM of methyl viologen (MV), 0.5 mM of MV was added. (respectively H-NR, H-MV1, H-MV2) It took about 8.5, 12.6 and 15 days (respectively H-NR, H-MV1, HR) to produce the same amount of methane (230 ml). Thus, methane generation efficiency is higher in the reactor containing the mediator, and NR is better as a mediator than MV.
A multi-electrode reactor (MER) was designed to produce large quantities of methane. The working volume of MER is 5 L. And three cathode electrodes were used to increase the surface area of the electrodes. In addition, the gas phase was pumped back into the catholyte through a sparger to increase the mass transfer of CO2. As a result, 2.6 L of methane was generated for about 17 days, and it took 1.4 days to produce 230 ml methane.
The results of this study can be suggested the application of mediators and reactor types for better performance of methane and volatile fatty acids production in bioelectrochemical system.

국문 초록 (Abstract)

최근 안전하고 깨끗하며 지속 가능한 에너지의 공급을 위한 신기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그중 온실가스인 CO2를 포집하고 활용할 수 있는 bioelectrochemical system (BES)에 대한 관심이 높아지고 있다. BES는 전기에너지 공급을 통해 CO2를 고부가가치 화학물질 및 바이오연료(알코올, 유기산, 메탄 등)으로 환원하는 기술이다. CO2의 무한한 기질 가용성으로 인해 BES를 통해 생산된 에너지는 지속 가능한 에너지로의 공급이 가능하다. 또한 electron donor로써 수소 대신 전기에너지를 사용하기 때문에 비용적인 측면에서 우수하며, 태양열 및 풍력과 같은 신재생 에너지원으로부터 생산된 잉여 전기에너지를 바이오 연료로 전환하여 저장할 수 있다는 장점을 가진다.
본 연구에서는 BES를 이용하여 CO2를 환원하여 메탄과 acetate 등의 가치 있는 생산물을 생산하기 위한 실험을 진행하였다. 혼합배양을 통해 메탄과 유기산 생산과 미생물 군집의 변화를 관찰하였으며, 순수배양을 통해 메탄 생산의 효율을 높이고자 반응기 타입과 mediator의 종류를 다르게 하여 실험하였다. 또한 대량의 메탄을 생산하기 위한 반응기를 설계하여 성능을 비교하였다.
Single-chamber reactor (SR)를 통한 혼합배양으로 CO2를 메탄과 acetate로 전환하였다. 137일간 acetate, isovaleric acid, butyric acid는 각각 10.5, 0.25, 0.02 g L-1 생산되었으며, 메탄은 최대 298.5 L m-2 day-1의 속도로 생산되었다. 반응기 시작일과 137일째에 미생물 군집을 비교하였으며, acetate 생산 미생물의 우점화로 인해 반응기 내에 acetate가 축적되었음을 알 수 있었다. H-type reactor(HR)에서 Methanothermobacter thermautotrophicus의 순수배양을 통한 메탄 생산 실험이 진행되었다. Mediator를 통한 메탄 생산의 활성을 비교하기 위해 neutral red 0.1 mM (최종 농도), methyl viologen (MV) 0.1 mM, 0.5 mM을 각각 H-NR, H-MV1, H-MV2에 첨가하여 mediator를 첨가하지 않은 반응기(HR)와 비교하였다. 같은 양의 메탄(230 ml)을 생성하기까지 H-NR, H-MV1, HR은 각각 8.5일, 12.6일, 15일의 시간이 소요되었다. 따라서 메탄 생성 효율은 mediator를 넣은 반응기가 더 높았으며, mediator의 역할로는 MV보다 NR가 더 우수하다는 것을 알 수 있었다. Multi-electrode reactor (MER)은 대량의 메탄을 생산하기 위한 반응기로 약 17일 동안 2.6 L의 메탄을 생성하였으며, 230 ml의 메탄을 생산하는데 1.4일이 소요되었다.
본 연구의 결과는 BES에서 메탄과 유기산 생산의 보다 나은 성능을 위한 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ 서 론 1
• 1.1 연구의 중요성 및 목적 1
• Ⅱ 이론적 배경 4
• 2.1 Bioelectrochemical systems (BES) 4
• 2.2 생물 전기 화학적 생산의 메커니즘 6
• Ⅲ 실험 재료 및 방법 8
• 3.1 Bioelectrochemical Reactor의 구성 8
• 3.1.1 Single-chamber Reactor (SR) 8
• 3.1.2 H-type Reactor (HR) 8
• 3.1.3 Multi-electrode Reactor (MER) 9
• 3.2 Inoculum and electrolytes 12
• 3.3 운전 13
• 3.3.1 Single-chamber Reactor 13
• 3.3.2 H-type Reactor 13
• 3.3.3 Multi-electrode Reactor 14
• 3.4 분석 16
• 3.4.1 가스 분석 (CH4, CO2, H2) 16
• 3.4.2 유기산 분석 16
• 3.4.3 Ammonium 측정 17
• 3.4.4 DNA 추출 및 미생물 군집 분석 17
• 3.5 계산 방법 19
• Ⅳ 결과 및 고찰 21
• 4.1 생성물 21
• 4.1.1 메탄 생성 21
• 4.1.2 유기산 생성 (SR) 25
• 4.2 Current density 25
• 4.3 미생물 군집 분석 (SR) 31
• Ⅴ 결론 35
• 참고 문헌 37
• Abstract 43
• 감사의 글 46