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Reference : UNI/TS 11703 2018 Method for the assessment of potential production of methane from anaerobic digestion in wet conditions - Matrix into foodstuffs.
Tested with RESPIROMETRIC Sensor System MAXI, including Wireless Databox™ (Code SA10200156) and Incubator FOC 200E (Code F10300542) |
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Introduction
소화 또는 혐기성 분해는 산소가 없는 상태에서 복잡한 유기물질이 분해되어 메탄과 이산화탄소로 이루어진 가스를 생성하는 생화학적 과정입니다.
이 과정은 특정 미생물에 의해 수행됩니다. 이러한 과정은 정화 처리에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 바이오가스 플랜트라고 불리는 설비에서
재생 가능한 에너지를 생산하는 데에도 활용됩니다.
이 바이오가스는 동물 분뇨, 셀룰로오스, 유기 폐기물 등과 같은 폐기물 바이오매스를 원료로 하여 생산됩니다. 표준화된 실험 절차에서는 실험의 설정과 수행,
그리고 접종원 (inoculum) 의 성능을 확인하기 위해 알려진 BMP (Biological Methane Potential, 생물학적 메탄 생성능) 를 가진 양성 대조군이 필요합니다.
양성 대조군의 BMP 가 예상 범위 내에 있을 때만 전체 실험이 유효한 것으로 간주됩니다.
마이크로크리스탈 셀룰로오스와 같은 기준 기질에 대한 BMP 테스트를 통해 장비 및 실험 절차의 정기적인 점검을 수행하는 것이 권장됩니다.
BMP Test using Respirometric Sensor System
VELP RESPIROMETRIC Sensor System은 유기물의 혐기성 분해 동안 생성되는 가스를 모니터링하고 정량화할 수 있는 간편한 방법을 제공합니다.
이러한 혐기성 분해 과정은 폐수 처리뿐만 아니라 바이오가스 형태의 재생 가능 에너지를 생산하기 위한 일반적인 방법으로 널리 활용되고 있습니다.
BMP (생물학적 메탄 생성 잠재력, Biochemical Methane Potential) 의 측정은, 일정한 온도 조건 (예: 35 ℃) 과 교반 상태에서 혐기성 미생물을 접종한 기질 (기본 물질) 을 일정량 넣어 수행됩니다.
병은 먼저 무산소 불활성 가스 혼합물을 flushing 하여 산소가 없는 혐기성 조건으로 만듭니다.
테스트가 시작되면, 분해 과정이 진행됨에 따라 병 안에서 바이오가스가 생성되고, 이로 인한 압력 상승 (overpressure) 을 통해 생성된 가스의 양을 정량화할 수 있습니다.
이때 생성된 이산화탄소(CO₂)는 알칼리 용액 (KOH) 에 의해 흡수되므로, 최종 결과는 일반적으로 mlCH₄ @STP/gVS의 단위로 표현됩니다.
이는 표준 온도 및 압력 (STP) 조건에서 휘발성 고형물 (volatile solids, VS) 기준으로 생성된 메탄의 부피를 나타냅니다.
Cellulose Sample
참조 규격 UNI/TS 11703에 따르면, 셀룰로오스의 예상 BMP 값은 251 ~ 419 NmLCH₄/gVS 사이입니다.
최근에는 BMP 테스트에 관한 국제 연구 결과를 바탕으로 한 새로운 프로토콜이 제안되었으며, 이 프로토콜에서는 셀룰로오스의 평균 BMP 값이 340 ~ 395 NmLCH₄/gVS 범위에 있어야 한다고 요구하고 있습니다.
즉, 과거보다 기준이 좀 더 정밀하게 설정되었다는 뜻입니다.
이 값들은 실험이 정확히 수행되었는지를 판단하는 양성 대조군 기준값으로 쓰입니다.
Reagents required
| Absorption of carbon dioxide |
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Potassium Hydroxide (KOH) in flakes, commercial grade or non-deliquescent soda lime, 1.0-1.7 mm granules. |
| To correct the pH of the mixture (inocula, substrate, water and nutrients ): |
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Hydrochloric acid (HCl), 1 N solution. |
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Sodium hydroxide (NaOH), 1 N solution, or sodium bicarbonate (NaHCO3), powder. |
| To correct the pH of the inocula :
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Sodium bicarbonate (NaHCO3), powder. |
| Solutions of nutrients and trace elements |
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| Solution A |
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2.7g Anhydrous potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) |
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11.2g Disodium hydrogen phosphate dodecahydrate Na2HPO4 |
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5.3g Ammonium chloride (NH4 Cl) |
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Dissolve the above nutrients and trace elements in 0.5 L of distilled water, using a volumetric flask |
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| Solution B |
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0.75g Calcium chloride dihydrate (CaCl2 • 2H2O), |
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1.0g Magnesium chloride hexahydrate (MgCl2 • 6H2O), |
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0.2g Iron (II) chloride tetrahydrate FeCl2 • 4H2O |
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Dissolve the above nutrients and trace elements in 0.5 L of distilled water, using a volumetric flask |
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| Solution C |
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0.05g Manganese chloride tetrahydrate (MnCl2 • 4H2O) |
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0.005g Zinc chloride (ZnCl2) |
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0.003g Copper (II) chloride (CuCl2) |
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0.001g Disodium molybdate dihydrate (Na2MoO4 • 2H2O) |
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0.1g Cobalt chloride hexahydrate (CoCl2 • 6H2O) |
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0.01g Nickel chloride hexahydrate (NiCl2 • 6H2O) |
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0.005g Disodium selenite (Na2SeO3) |
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Dissolve the above nutrients and trace elements in 1 L of distilled water, using a volumetric flask |
| Deoxygenated gas (e.g., nitrogen or argon) |
Microbial inocula Preparation
접종원 (inocula) 의 선택은 실험의 성공과 결과의 대표성을 위해 매우 중요합니다.
접종원은 가동 중인 Anaerobic Digester 에서 채취할 수 있으며, 예를 들어 생활하수나 공동 하수 처리장의 슬러지 라인에 있는 전통적인 중온성 (mesophilic) Digester 에서 얻을 수 있습니다.
또한 접종원 내에 아직 완전히 분해되지 않은 유기물이 남아 있을 수 있으므로, 이를 제거하기 위해 endogenous conditions 에서 5~7 일 정도 안정화 과정 (stabilization phase) 을 거치는 것이 유용합니다. 이
과정을 통해 남아 있는 유기물 잔재가 소비되도록 할 수 있습니다.
셀룰로오스는 실온에서, 건조한 환경이나 데시케이터(dessicator, 건조기) 안에 보관해야 합니다.
Analysis Preparation
영양성분 용액 A, B, C를 준비합니다. 이탈리아 규정 UNI / TS 11703 - 2018에 따르면, BMP 테스트 병 각각에 아래와 같은 영양성분 용액을 첨가할 것을 권장하고 있습니다:
• Solutions A and B in the ratio of 5% of the final test volume (working volume)
• Solution C in the ratio of 1% of the final test volume (working volume)
즉, 테스트 병에 들어가는 전체 액체 부피 기준으로, A와 B는 각각 5%, C는 1%를 넣어야 한다는 의미입니다.
예를 들어, 시험 병의 작업 부피가 500 mL라면: A: 25 mL, B: 25 mL, C: 5 mL 을 각각 첨가하면 됩니다.
Calculate the Volume for the analysis
샘플, 셀룰로오스, 접종원 (inoculum), 수돗물, 그리고 영양소의 정확한 양을 정하기 위해, RESPIROSoft™ 소프트웨어의 Analytics / BMP Calculator 기능을 사용하면 됩니다.
해당 기능에서는 사용자가 필요한 실험 조건 (파라미터) 을 입력한 후, 각 구성 성분에 대해 필요한 부피(양) 를 자동으로 계산하여 안내해 줍니다.
Analysis Procedure
| 1 |
배양기 (인큐베이터) 의 온도를 원하는 값, 예: 35°C 로 설정합니다. |
| 2 |
Wireless DataBox™를 연결하고, RESPIROSoft™ 소프트웨어의 데이터베이스를 작성합니다. |
| 3 |
각 bottle 에 교반용 magnetic bar 를 넣습니다. |
| 4 |
균일하게 혼합된 접종원 (inoculum) 을 비커에 정확히 계량하여 무게를 측정합니다. |
| 5 |
눈금 실린더를 사용하여 영양소 용액 (A, B, C) 을 첨가합니다. |
| 6 |
셀룰로오스를 bottle 에 첨가합니다. 단, Blank 병에서는 기질 대신 동일한 양의 dilution water 를 넣습니다. |
| 7 |
혼합물의 pH를 측정하고, 7.3보다 낮으면 조정합니다. (pH probe 를 뺄 때 병 안의 시료가 너무 많이 빠져나오지 않도록 주의하세요.) |
| 8 |
Bottle 의 헤드스페이스 (공간) 에 질소 (N₂) 나 아르곤 (Ar) 같은 탈산소 가스를 5~10분간 주입 (flushing) 합니다. |
| 9 |
알카리 수집기 (alkali collector) 의 구멍 아래에 약 20g 의 KOH 를 넣습니다 |
| 10 |
RESPIROMETRIC 센서를 각 병에 조립하고 단단히 고정합니다. |
| 11 |
시스템을 설정 온도의 배양기 (thermostat) 안에 넣고, 교반은 하지 않습니다. |
| 12 |
약 1시간 동안 기다려 병 안의 액체가 실험 온도에 도달하고, 증기압으로 인해 초기 압력 상승이 나타날 때까지 기다립니다.
1시간 후, 이 추가 압력을 제거하기 위해 병의 링 너트를 잠깐 풀어 대기압 상태로 배출하는 것이 좋습니다. |
| 13 |
이제 시스템이 BMP 측정을 시작할 준비가 되었습니다. START 버튼을 누르고 교반을 시작하세요. |
Results of BMP determination in cellulose
RESPIROSoft™ 소프트웨어는 30일간의 분석이 완료된 후, 자동으로 BMP 값을 계산합니다.
Conclusions
RESPIROMETRIC Sensor System Maxi는 BMP 분석을 위한 혁신적이고 매우 신뢰할 수 있는 솔루션입니다.
이는 RSD% 값이 1.2% 로, 규정상 허용되는 한계값인 5%보다 훨씬 낮다는 점에서 그 신뢰성을 확인할 수 있습니다.
측정된 결과는 363 Nml/gSV ± 4% 로, 이탈리아 기준 UNI / TS 11703에서 제시한 예상 범위 (251?419 Nml/gSV) 내에 있습니다.
혁신적인 무선 기술 덕분에, 센서는 분석 시작 전에 설정한 데이터 전송 주기에 따라 BMP 값을 Wireless Databox™로 전송합니다.
측정 결과는 직관적인 RESPIROSoft™ 소프트웨어를 통해 표시되며, 데이터 관리와 결과 비교에 최적화된 솔루션입니다.
또한, RESPIROMETRIC Sensor를 독점 플랫폼인 VELP Ermes 클라우드에 연결하면, 실험실의 작업 효율성과 경험을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
RESPIROMETRIC Sensor System 6 Maxi - BMP
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