Owing to its environmentally friendly aspect in producing H2, biological H2 production has recently gathered considerable attention. In particular, dark fermentative H2 production (DFHP) is considered a promising method, since it is technically simpler and its H2 production rate is much faster than other approaches. Recently, aquatic biomass (microalgae and macroalgae) which is now called “the 3rd generation biomass” is paid most attention as the promising alternative renewable sources for biofuel production due to various merits such as less energy and water requirement for cultivation, higher CO2 capture capacity, and negligible hemicelluloses and lignin content in the cell. Upon this research background, the aim of this work was to establish a stable DFHP system using marine algae as a feedstock. In addition, in order to overcome limitation of energy recovery in H2 fermentation, second stage process such as CH4 fermentation was optimized. Therefore, the main objective of this work was to develop two-stage fermentation system converting marine algae to H2 and CH4.
Firstly, in order to select most suitable substrate among the various marine algae, the eight different kind of marine algae such as green algae (Codium fragile), red algae (Gelidium amansii, Porphyra tenera, and Gracilaria verrucosa), and brown algae (Hizikia fusiforme, Laminaria japonica, Exklonia stolonifera, Undaria pinnatifida) were utilized. Among them, Laminaria japonica exhibited the best performance, showing the highest H2 yield of 67.0 mL H2/g dcw. It was attributed to its high carbohydrate content and main constituents of polysaccharides, laminarin and alginate, which were found to posses higher H2 production potential than agar and carrageenan. To enhance the H2 production from Laminaria japonica, thermal pretreatment was applied at various conditions. At 170oC and 20 min, H2 yield was maximized to 106.3 mL H2/g dcw, indicating that marine algae, especially, Laminaria japonica, could be used for DFHP.
Then, combined (acid + thermal) pretreatment conditions (HCl concentration, heating temperature, and reaction time) for enhanced DFHP from Laminaria japonica were optimized using RSM with a BBD. The most significant factor was found to be HCl concentration, and optimal conditions were HCl concentration of 4.8%, heating temperature of 93oC, and reaction time of 23 min, under which a H2 yield of 159.6 mL H2/g dcw was obtained. HMF concentration clearly showed an inverse relationship with H2 yield, indicating that pretreatment conditions for H2 production from Laminaria japonica were successfully optimized, by increasing the hydrolysis rate of the feedstock and also reducing the formation of HMF.
In addition, a two-stage fermentation system to produce H2 and CH4 from Laminaria japonica was developed. In the first stage (dark fermentative H2 production, DFHP), response surface methodology (RSM) with a Box-Behnken design (BBD) was applied again for optimization of operational parameters including cycle-frequency, HRT, and substrate concentration using an intermittent-continuously stirred tank reactor (i-CSTR). Overall performance revealed that the degree of importance of the three variables in terms of H2 yield is as follows: cycle-frequency > substrate concentration > HRT. In the confirmation test, H2 yield of 113.1 mL H2/g dry cell weight (dcw) was recorded, which was 96.3% of the predicted response value under the desirable operational conditions (cycle frequency of 17hr, HRT of 2.7 days, and substrate concentration of 31.1 g COD/L). In the second stage, an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) and an up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASBr) were employed for CH4 production from H2 fermented solid state (HFSS) and H2 fermented liquid state (HFLS), respectively. The CH4 producing ASBR and UASBr showed a stable CH4 yield and COD removal until HRT of 12 days and OLR of 3.5 g COD/L/d, respectively. While the CH4 yield was less than 226 mL CH4/g COD in the ASBR, it exceeded 330 mL CH4/g COD in the UASBr, reaching 94% of the theoretically achievable CH4 yield. Overall COD removal of 89.3% and bioenergy recovery of 80.9% (H2 7.1%, CH4-ASBR 35.1%, CH4-UASBr 38.7%) were achieved with this system.
Finally, for recycling of CH4 fermented effluent from the UASBr (MFEUASBr) as diluting water in DFHP, the tap water and MFEUASBr mixing ratio (T/M ratio) was optimized (a T/M ratio of 5:5) in a batch test using MFEUASBr heat pretreated at 90oC for 20 min, resulting in the best performance. After injecting Laminaria japonica mixed with the obtained optimal T/M ratio into the i-CSTR, even though a slight decrease of H2 yield (7.6%) and H2 production rate (3.5%) were recorded, 100% reduction of alkali addition was possible, indicating potential to maximize economic benefits. However, a drastic decrease of H2 productivity and a change of liquid-state metabolites were observed with the use of non-heat pretreated MFEUASBr as diluting water at the same T/M ratio. This result coincided with the microbial analysis, where non-H2 producing bacteria, such as Selenomonas sp., were detected. The results indicated that heat pretreatment of MFEUASBr may be required in order to recycle it in DFHP. In conclusion, a two-stage fermentation system for H2 and CH4 production was successfully developed and not only minimized COD release but also maximized bioenergy recovery with recycle of MFEUASBr from Laminaria japonica.
수소는 탄화수소화합물에 비해 높은 에너지 함량과 연소 시 오직 물만을 발생시키는 탄소와 화학적으로 결합하지 않은 유일한 연료이며, 연료전지를 통해 전기를 직접적으로 생산할 수 있다는 등의 장점으로 인해 미래의 대제에너지원으로 크게 각광을 받고 있다. 수소를 생산하는 다양한 방법 중 미생물을 이용한 암발효에 의한 수소생산은 빠른 수소 생산 속도, 다양한 기질 적용성 등으로 실용화가 가장 높은 방법으로 인식되고 있다. 현재까지 1세대와 2세대 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산이 친환경적인 방법으로 인식되어 다양한 연구가 진행되었으나 환경적, 윤리적 등의 다양한 문제점과 한계점이 제시되기 시작하였다. 반면 미세조류와 해조류 같은 3 세대 바이오매스는 배양을 위한 적은 에너지 요구량과 높은 이산화탄소 고정능력, 특히 헤미셀룰로오즈와 리그닌이 존재하지 않는 다는 장점으로 인해 최근에는 3 세대 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산에 대한 연구가 각광받고 있다. 지구는 약 75%가 바다로 이루어져 있으며 특히 우리나라는 3면이 바다로 둘러싸여있어 육상보다 재배가능 면적이 넓고, 전 세계에서 4위를 차지할 만큼 해조류 생산 강대국이다. 또한 해조류 재배가 온실가스 감축을 위한 새로운 가능성으로 떠오르고 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 해조류를 이용한 수소암발효에 대한 가능성을 평가 및 최적화를 목표로 하였다. 또한 수소발효 과정 중 생성된 다양한 유기물의 후처리 및 해조류로부터 바이오가스 전환율 극대화를 위해 메탄발효를 도입하여 해조류를 이용한 “바이오가스(수소+메탄)중온 이단발효 시스템 개발”을 궁극적인 목표로 설정하였다.
먼저, 다양한 해조류 중 수소암발효에 가장 적절한 기질을 선택하기 위해 봄~늦가을 동안 쉽게 구할 수 있는 총 8가지 해조류인 녹조류(청각), 홍조류(우뭇가사리, 김, 사각), 갈조류(톳, 다시마, 곰피, 미역)를 이용하였다. 회분식 실험결과, 다시마를 기질로 이용 시 67.0 mL H2/g dcw로 가장 높은 수소전환율을 나타냈다. 이는 다른 해조류에 비해 높은 탄수화물 농도와 생물학적으로 분해되기 쉬운 물질인 라미나린(laminarin)과 알긴산(alginate)에 의한 결과로 사료된다. 또한 다시마를 이용한 수소생산 증진을 위해 열처리를 도입한 결과 170oC에서 20분간 열처리한 조건에서 106.3 mL H2/g dcw로 가장 높은 결과를 나타냈다. 따라서 다양한 해조류 중 다시마가 수소암발효에 가장 적절한 기질로 선정되었다.
열처리를 통한 단일 전처리는 낮은 효율성과 hydroxymethylfurfural (HMF)과 같은 저해인자 형성과 같은 단점을 가지고 있기 때문에 보다 경제적이고 효율적인 전처리를 위해 산과 열의 병합전처리 최적화에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 산농도, 열처리 온도, 열처리 반응시간에 대한 최적화를 통계학적 기법인 반응표면법(RSM)을 이용하여 진행하였다. 그 결과 세 가지 인자 중 산농도가 수소전환율을 결정짓는 가장 중요한 인자로 나타났으며, 산농도 4.8%, 93oC에서 23분간 전처리 시 159.6 mL H2/g dcw의 수소전환율을 얻을 수 있었다. 또한 HMF와 수소전환율은 반비례관계를 보임으로써 본 연구를 통해 가수분해율 증가와 동시에 HMF 생산을 최소화 함으로써 수소암발효를 위한 병합전처리 최적화가 성공적으로 이루어졌다.
병합전처리된 다시마를 이용하여 연속 수소암발효 최적화를 위해 i-CSTR의 운전인자 중 주입빈도, 기질농도, HRT에 대해 반응표면법을 이용하여 최적화하였다. 그 결과, 주입빈도 > 기질농도 > HRT 순서로 연속 수소암발효에 중요한 인자로 도출되었으며, 주입빈도 17시간, HRT 2.7일, 기질농도 31.1 g COD/L에서 113.1 mL H2/g dcw의 가장 높은 수소전환율을 얻을 수 있었다. 이 값은 예측된 수소전환율 값의 97.8%로 상당히 유사한 전환율을 얻었다. 또한 미생물 분석결과 반응조 내에 수소생산 미생물인 Clostridium 종만이 검출되었다. 이후 바이오에너지 전환율 극대화 및 유출액 내 유기물질 최소화를 위해 메탄발효를 후단에 도입하였으며, 수소발효 유출액을 고상과 액상으로 분리하여 각각 ASBR과 UASB 반응조에 주입하였다. ASBR에서는 HRT 12일에서 평균 226 mL CH4/g COD의 전환율의 가장 높은 전환율을 나타낸 반면, UASB 반응조의 경우 OLR 3.5 g COD/L/d에서 평균 330 mL CH4/g COD 이상의 전환율로 이론적으로 얻을 수 있는 메탄전환율의 약 94%의 높은 메탄전환율을 나타냈다. 본 연구의 이단발효 시스템을 이용하여 전체적인 COD 제거율은 89.3%를 나타냈으며 바이오에너지 전환율은 80.9%(수소 7.1%, 메탄(고상) 35.1%, 메탄(액상) 38.7%)를 얻을 수 있었다.
최종적으로 이단발효 시스템의 경제성을 향상시키기 위하여 UASB 반응조 유출수(MFEUASBr)를 연속 수소암발효 희석수 이용 가능성 평가를 실시하였다. 먼저 최적의 수돗물과 MFEUASBr 비 (T/M ratio)를 도출하기 위해 회분식 실험을 한 결과 T/M ratio 5:5가 가장 적절한 것으로 나타났다. 이를 이용하여 연속 수소암발효에 적용한 결과 비록 약 7.6%와 3.5%의 수소전환율과 수소생산속도의 감소를 보였으나 알칼리 요구량을 100% 줄일 수 있었으므로 수소발생 감소량을 충분히 보충할 수 있는 경제적인 방법으로 평가된다. 하지만 열처리를 하지 않은 MFEUASBr 을 이용하여 같은 T/M ratio에서 운전한 결과 부산물의 변화와 동시에 수소생산의 급격한 저하가 나타났다. 미생물 분석 결과 비수소생산미생물인 Selenomonas종이 관찰됨으로써 MFEUASBr의 희석수 이용 시 열처리는 반드시 선행되어야 되는 것을 나타낸다.
