미생물연료전지를 이용한 조류배양 및 온실가스의 저감 = (The) cultivation of algae and the suppression of greenhouse gas generation using microbial fuel cells

국문 초록 (Abstract)

미생물연료전지 시스템을 이용하여 조류를 배양하고 효과적으로 온실가스를 제어할 수 있는 기술을 개발하였다. 호수로부터 분리된 Chlorella vulgaris를 미생물연료전지 시스템에서 배양하며 최적조건을 찾아내었다. 미생물연료전지 시스템에서 전류의 발생이 높을수록 조류 생산량이 높았음을 확인할 수 있었다. 미생물연료전지에서 발생한 가스를 분석한 결과 전류의 발생이 높을수록 메탄의 생산은 감소되고 이산화탄소의 생산이 증가함을 확인할 수 있었다. 미생물연료전지의 전류는 이산화탄소의 생산을 증가시키고 발생된 이산화탄소를 사용하여 조류의 증식이 활발해지는 결과를 확인하였다.
실제 호수에 설치한 미생물연료전지 시스템에서 25mA의 전류가 발생하였으며 평균 4.2g/day∙L의 조류가 생산되었다. 미생물연료전지에서 조류생산량은 일반적인 조류배양방법에 비해 2배 이상 증가하였고, 메탄은 최대 80%가 감소하며 이산화탄소 역시 조류에 의해 대부분 소모됨을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrochemical algae production and greenhouse gas control were investigated using Microbial fuel cell(MFC). Chlorella vulgaris isolated from the lake was used as a algae strain for the cultivation. It demonstrated that the high yield of algae growth was achieved when the high current was generated in this system. The increase of carbon dioxide(CO2) and the decrease of methane(CH4) were observed when the current generation was reached at a maximum value. When the current generation was increased both of the CO2 production and the growth rate of algae were increased. However the production of CH4 was decreased. The increase of CO2 can be explained by the activation of Electrochemical active bacteria(EAB) around the anode. The EABs can emit the CO2 from the oxidation of acetate against the activation of the methanogens. This system was installed in the practical lake. The highest current was 25mA and the yield of algae production was 4.2g/L∙day. In this system, the yield of algae production was over 2 fold greater than general algae cultivation method. Furthermore CH4 was decreased for up to 80% and CO2 was also decreased by the algae mostly. These results showed that this system would be a possible method for the cultivation of algae with the reduction of greenhouse gas.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 = 1
• Ⅱ. 실험 재료 및 방법 = 7
• 1. 배지 및 호소 퇴적물 = 7
• 1-1. 공급배지 = 7
• 1-2. 호소 퇴적물 = 7
• 2. 조류의 관찰 = 7
• 3. 생물전기화학적 방법을 이용한 조류생산 = 8
• 4. 미생물 연료전지의 구성 및 운전조건 = 9
• 4-1. 미생물연료전지의 구성 = 9
• 4-2. 미생물 연료전지에서의 조류배양 환경 = 12
• 4-2-1. 빛 = 12
• 4-2-2. 온도 = 12
• 4-2-3. pH = 12
• 4-2-4. 탄소원 = 12
• 5. 조류배양 최적조건 확립 = 13
• 5-1. 전류량 증가에 따른 이산화탄소 발생 = 13
• 5-1-1. 외부저항에 따른 전류량 변화 = 13
• 5-1-2. 가스분석 = 13
• 5-2. 전류량 증가에 따른 조류배양 = 15
• 5-2-1. 조류의 부착성 = 15
• 5-2-2. 조류의 증식량 측정 = 15
• 5-2-3. 조류의 SEM촬영 = 17
• 5-3. 미생물연료전지의 용존산소 및 pH 측정 = 17
• 5-3-1. 용존산소의 측정 = 17
• 5-3-2. pH의 측정 = 17
• 5-4. 배지의 공급방식에 따른 미생물연료전지의 전류발생 차이 = 17
• 6. 최적조건에서의 조류배양 = 20
• 7. 실제현장에서의 조류배양 = 22
• Ⅲ. 결과 및 고찰 = 24
• 1. 생물전기화학적 방법을 이용한 조류배양 = 24
• 2. 외부 저항에 따른 전류발생 차이 = 28
• 3. 전류량에 따른 가스분석 = 30
• 3-1. 포집된 가스의 분석 = 30
• 3-2. 음극부에서의 메탄생산 저감 = 30
• 4. 전류량에 따른 조류증식 = 34
• 4-1. 예비실험을 통한 조류 배양 = 34
• 4-2. 빛의 공급에 따른 전류발생 = 34
• 4-3. 조류 SEM 사진 촬영 = 34
• 5. 용존산소 및 pH 측정 = 38
• 5-1. 용존산소의 측정 = 38
• 5-2. pH의 측정 = 38
• 6. 배지공급방식에 따른 미생물연료전지의 비교 = 41
• 6-1. 배지공급방식에 따른 전류량 비교 = 41
• 6-2. 상부•하부 주입에 따른 조류 증식 = 46
• 7. 최적조건에서의 조류배양 = 50
• 7-1. 전기 에너지 발생 확인 = 50
• 7-2. 조류의 증식 = 50
• 7-3. 조류 증식과 전기에너지 발생관계 = 52
• 8. 실제현장에서의 조류배양 = 56
• Ⅳ. 결론 = 61
• 1. 생물전기화학적 방법을 적용한 조류의 대량 생산 = 61
• 2. 생물전기화학적 방법을 적용하였을 시의 최적 운전조건 = 62
• 3. 생물전기화학적 방법을 적용하였을 때의 온실가스 저감률 = 62
• 참고문헌 = 64
• Abstract = 69