The upcoming depletion of fossil fuels and the rising concerns about environmental pollution due to their tremendous use have attracted a lot of researches in developing alternative energy sources. Among them, hydrogen is recognized as a promising future energy carrier since it is environmentally clean, not emitting green house gases during combustion. $H_2$ is almost exclusively made by physico-chemical method that splitting fossil fuels, which is an environmental contradiction because a clean fuel is generated from polluting and limited sources. Thus, the interest in sustainable $H_2$ production ways including biological process has increased substantially. Among various biological ways, dark fermentation seems to be a promising method for its fast $H_2$ production rate, and environmentally friendly and economic aspect, especially when it is combined with waste treatment such as food waste and livestock waste. Previously, the innovative process named “$H_2$ fermentation of food waste without external inoculum” was studied at mesoophilic condition. However, it was restricted in mesophilic operation though it was generally accepted that thermophilic fermentation has higher performance than that of mesophilic. First, $H_2$ fermentation without adding external inoculums was performed at 55$^\circ C$ after pre-treated at various heating temperatures, 60~90$^\circ C$. The best performance was achieved using food waste without pretreatment indicating that $H_2$ could be naturally induced from food waste at thermophilic condition. Thus, effects of other operation parameters including operation temperature, initial and operation pH were studied in the next step.
The $H_2$ production from food waste without external inoculum and pretreatment was investigated at different operation temperatures, 35~60$^\circ C$. Food waste was naturally decomposed and converted to $H_2$ when cultivated at 50-60$^\circ C$ in anaerobic state. At 50$^\circ C$, maximum $H_2$ yield was 1.52 mol $H_2$/mol hexose$_{added}$, with a production rate of 423.41 ml H$_2$/h/L. The changes of organic acids, ribonucleic acid (RNA), volatile solids (VS), and carbohydrate concentrations of food waste cultivated 35$^\circ C$ and 50$^\circ C$ were compared. At both temperatures, VS and carbohydrate were removed by 50% and 90% within 30 h. RNA concentration well described the microbial growth change: exponential growth and decay. For organic acid products, while butyrate was the main by-product of the food waste cultivated at 50$^\circ C$, over 60% of the total amount of organic acids, it was only limited to 20% for the food waste cultivated at 35$^\circ C$. Instead, lactate production whose reactions are all non-hydrogenic was dominant, over 50%. Correspondingly, the PCR-DGGE profile clearly revealed that, at 35$^\circ C$, non-hydrogenic bacteria were dominant for the whole process, such as Lactobacillus sakei, Lactobacillus plantarum, and Lactobacillus curvatus, etc, while on the other hand, hydrogenic bacteria such as Veillonella genomosp., C.acetobutylicum, and Clostridium perfringens were dominant microbial communities in a large proportion of reaction time at 50$^\circ C$. Thus, it was confirmed that the effect of operation temperature was microbial community selection.
Then, the performance of $H_2$ fermentation from food waste at different initial and operation pH was studied. Different initial pH was found to affect $H_2$ fermentation performance significantly through changing lag period, $H_2$ yield, $H_2$ production rate, and metabolic products distribution, etc. Statistical method was combined with experiments, and the optimal initial pH was found to be 7.5 ± 0.1, at cultivation pH of 6.0 ± 0.2. In order to reduce alkaline solution requirement, livestock waste was added as an auxiliary substrate. Interestingly, in addition to 10~55 % of the requirement reduction, $H_2$ production was significantly increased, over two times.
화석연료의 과도한 사용에 따른 환경오염과 그 존재의 유한성은 대체에너지원 개발에 대한 연구를 촉진시키고 있다. 그 중 수소는 연소 시 온실가스를 방출하지 않는다는 친환경적인 점 때문에 가장 각광받고 있는 에너지원이다. 하지만, 현재 대부분의 수소는 화석연료를 고온/고압에서 분해하는 물리,화학적 방법에 의해 제조되고 있는데, 이는 지속가능한 개발이 가능한 생물학적 방법 등을 통해 대체되어야 한다. 특히 암발효를 통한 생물학적 수소생산 방법은 빠른 수소 생산 속도, 오염물질인 음식물쓰레기나 축산폐기물을 처리함으로서 얻을 수 있는 경제적 그리고 친환경적인 이익 때문에 실용화가 가능한 기술로 인식되고 있다. 기존의 연구에 따르면 음식물쓰레기에 추가적인 외부 식종균을 주입하지 않더라도 전처리를 한 후 중온 배양 시 성공적인 수소발효가 진행된 연구결과가 발표되었다. 하지만, 일반적으로 중온보다는 고온조건에서 더 높은 수소 전환율이 가능하다고 보고되고 있다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 먼저 60~90$^\circ$C에서 열처리한 음식물쓰레기를 고온 배양하여 그 효과를 살펴보았는데, 전혀 처리를 하지 않은 경우에 가장 높은 수소전환율을 보였다. 따라서 최적 배양온도와 초기 및 운전 pH에 관한 실험을 향후에 진행하였다.
음식물쓰레기를 전처리를 하지 않고, 추가적인 외부 식종균을 주입하지 않고 35~60$^\circ C$ 에서 혐기 배양할 경우, 50~60$^\circ C$ 에서 성공적인 수소발효가 가능하였다. 특히 50$^\circ C$ 에서 1.52 mol $H_2$/mol hexoseadded 과 423.41 ml $H_2$/h/L의 가장 높은 수소전환율과 생산속도를 보였다. 배양온도 영향을 더 자세히 고찰하기 위하여 35$^\circ C$ 와 50$^\circ C$ 에서 배양한 음식물쓰레기의 시간에 따른 유기산, RNA, VS, 탄수화물 농도 변화를 분석하였다. 두 온도에서 모두 VS와 탄수화물의 농도가 30시간 안에 각각 50%, 90% 분해되었으며, RNA 농도의 변화는 상대적인 미생물 농도의 변화 (지수성장 및 사멸)를 잘 모사하였다. 50$^\circ C$ 에서 배양한 음식물쓰레기의 경우, 수소발효와 관련이 깊은 뷰틸산이 전체의 60%이상을 차지한 반면 35$^\circ C$ 의 경우에는 20% 미만인 대신 수소발효와 무관하다고 보고된 젖산이 50%를 차지하였다. PCR-DGGE기법을 통한 미생물 분석 결과, 35$^\circ C$ 에서는 젖산 생성 미생물인 Lactobacillus sp., 50$^\circ C$ 에서는 주요 혐기성 수소발효균으로 알려진 Clostridium sp.가 주종을 이루었으며, 이는 배양온도가 수소발효에 끼치는 영향은 미생물 선별에 의한 것임을 증명해 준다.
이어서 개발한 공정의 초기 및 운전 pH를 최적화 하는 연구를 진행하였다. 초기 pH는 지체시간, 수소전환율, 수소생산 속도, 대사산물 분포 등에 영향을 끼쳤다. 실험결과를 통계적으로 분석한 결과, 최적 초기 및 운전 pH는 각각 7.5 ± 0.1과 6.0 ± 0.2이었다. 수소발효 중 pH저하를 막기 위한 알칼리 용액의 공급량을 줄이기 위하여 알칼리가 풍부한 축산폐기물이 보조기질로 첨가되었는데, 이는 10~55%의 알칼리 용액 요구량을 줄였을 뿐만 아니라, 수소 생산량도 약 2배 이상 증대시켰다.
