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혐기성 소화 단계와 문제 분석
문제
하폐수 슬러지의 공정 중 혐기성 소화의 단계 반응에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?
- 혐기성 소화는 일반적으로 가수분해, 산 발효, 메테인 생성의 3단계로 구분한다.
- 높은 수소 분압에서는 아세트산 생성이 증가하는 정반응이 발생하여 프로피온산, 부틸산, 알코올(에탄올)이 생성된다.
- 가수분해 단계는 거대 복합유기물질을 수용성 단량체로 분해하는 단계이며 혐기성 소화 단계 중 속도가 가장 느리다.
- 아세트산을 이용하는 메테인생성균은 종속영양체로서 아세트산이 없을 때는 폼산(formic acid)이나 메탄올을 이용하기도 한다.
해설
각 선택지를 분석하여 가장 옳지 않은 설명을 찾습니다.
- 1번: 혐기성 소화는 일반적으로 가수분해, 산 발효, 메테인 생성의 3단계로 구분되며, 경우에 따라 아세트산 생성 단계를 포함합니다. 이 설명은 정확합니다.
- 2번: 높은 수소 분압에서는 아세트산 생성이 억제됩니다. 이는 수소 축적으로 인해 아세트산 생성 반응이 열역학적으로 불리해지기 때문입니다. 따라서 프로피온산, 부틸산, 에탄올 등이 축적되지만, 이는 아세트산 생성 증가(정반응)가 아니라 억제된 결과입니다. 이 설명은 옳지 않습니다.
- 3번: 가수분해 단계는 고분자 유기물을 단량체로 분해하며, 혐기성 소화에서 가장 느린 단계로 알려져 있습니다. 이 설명은 정확합니다.
- 4번: 메테인생성균은 주로 아세트산을 이용하며, 일부 종은 폼산이나 메탄올을 사용할 수 있습니다. 이들은 종속영양체로 유기물을 에너지원으로 사용합니다. 이 설명은 정확합니다.
정답: 2번 (높은 수소 분압에서 아세트산 생성이 증가한다고 잘못 설명함).
혐기성 소화 단계의 개념
혐기성 소화란?
혐기성 소화는 산소가 없는 환경에서 미생물이 유기물을 분해하여 메테인(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 생성하는 생물학적 공정입니다. 하폐수 슬러지, 음식물 쓰레기, 농업 폐기물 처리에 주로 사용되며, 일반적으로 4단계로 나뉩니다: 가수분해, 산 발효, 아세트산 생성, 메테인 생성.
1. 가수분해 (Hydrolysis)
고분자 유기물(단백질, 탄수화물, 지방 등)을 효소(프로테아제, 셀룰라아제, 리파아제 등)를 통해 수용성 단량체(아미노산, 단당류, 지방산 등)로 분해하는 단계입니다. 혐기성 소화에서 가장 느린 단계로, 속도가 공정 전체의 효율성을 결정합니다.
예: 다당류 → 단당류
(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (셀룰로오스 → 포도당)
미생물: 가수분해균 (예: Clostridium, Bacteroides)
2. 산 발효 (Acidogenesis)
가수분해로 생성된 단량체를 휘발성 지방산(VFAs, 예: 아세트산, 프로피온산, 부틸산), 알코올(에탄올), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂)로 변환합니다. 산 생성균이 관여하며, 다양한 중간 생성물이 형성됩니다.
예: 포도당 발효
C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ (포도당 → 프로피온산)
미생물: 산 생성균 (예: Lactobacillus, Escherichia)
3. 아세트산 생성 (Acetogenesis)
산 발효에서 생성된 프로피온산, 부틸산, 알코올 등을 아세트산(CH₃COOH), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂)로 변환합니다. 높은 수소 분압은 이 과정을 억제하여 아세트산 생성을 감소시킵니다.
예: 프로피온산 → 아세트산
CH₃CH₂COOH + 2H₂O → CH₃COOH + CO₂ + 3H₂
미생물: 아세트산 생성균 (예: Syntrophobacter)
4. 메테인 생성 (Methanogenesis)
메테인생성균이 아세트산, 수소, 이산화탄소, 또는 폼산(HCOOH), 메탄올(CH₃OH)을 이용해 메테인을 생성합니다. 메테인생성균은 종속영양체(아세트산 사용) 또는 독립영양체(수소와 CO₂ 사용)로 나뉩니다.
예: 아세트산 경로
CH₃COOH → CH₄ + CO₂
예: 수소 이용 경로
4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O
미생물: 메테인생성균 (예: Methanobacterium, Methanosarcina)
혐기성 소화 과정의 물질 흐름
혐기성 소화의 각 단계에서ო� System: * Today's date and time is 07:23 PM KST on Monday, June 30, 2025.