고정화 균체 입자 내부에서의 농도 분포 및 발효모델에 의한 수소 생성속도 모사

Concentration profiles in bead and simulation of hydrogen production rate from fermentation model

  광합성 박테리아 R. rubrum KS-30l의 알긴산칼슘 고정화 균체 입자를 이용하여 연속반응기인 교반탱크 반응기와 고정층 반응기에서 실험을 수행하였다. 이 결과와 물질전달 속도식에 기초하여 연속실험의 고정화 입자 내의 글루코오스 농도 및 수소 농도 분포를 모사하면 도입 글루코오스 농도의 증가에 따라 무차원 글루코오스 농도 S<SUP>*</SUP>(S/S<SUB>R</SUB>)와 무차원 수소 농도 P/P<SUB>R</SUB>가 증가하였으며 S<SUP>*</SUP>는 고정층 반응기일 때가 더 크고 P/P<SUB>R</SUB>은 교반탱크 반응기일 때가 더 큰 값을 나타내었다. 한편 물질수지식에서 Thiele modulus <SUB>s</SUB>가 감소함에 따라 글루코오스 고갈 반경 R<SUB>t</SUB><SUP>*</SUP>는 감소하였으며 글루코오스 침투 깊이 δ<SUB>c</SUB>와 무차원 글루코오스 농도 S<SUP>*</SUP>는 증가하였다. 발효속도식과 물질전달 속도식에 기초한 수소 생성속도의 계산치를 실험치와 비교하면, 교반탱크 반응기의 경우에는 잘 일치하였으나 고정층 반응기에서는 희석속도가 적을수록 차이가 생겼다.

  The experiment was carried out by using Rhodospirillum rubrum KS-301, which was immobilized by calcium alginate entrapment method, in continuous reactor such as CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) and FBR(Fixed Bed Reactor). Based on the experimental results and mass transfer rate equation, glucose concentration profiles and hydrogen concentration profiles in bead were simulated. It was observed that dimensionless glucose concentration, S<SUP>*</SUP>(S/S<SUB>R</SUB>), and dimensionless hydrogen concentration, P/P<SUB>R</SUB>, were increased with the amount of input glucose. Dimensionless glucose concentration in the CSTR was less than that of FBR, but dimensionless hydrogen concentration in CSTR was greater than that of FBR. On the other hand, dimensionless glucose depletion radius, R<SUB>t</SUB><SUP>*</SUP>, is decreased as the Thiele modulus, <SUB>s</SUB>, in material balance decreased. Dimensionless glucose penetration depth, δ<SUB>c</SUB>, and dimensionless glucose concentration, S<SUP>*</SUP>, is increased with the decrease of Thiele modulus. Comparing the calculated value from Monod equation and the mass transfer rate equation, with the experimental data of hydrogen production rate in continuous fermentation, good agreements are shown in case of CSTR, and small divergence are appeared in case of FBR which diminished with increase in the dilution rate.