For the sustainable development of our society and the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, biofuels are gaining a lot of attention these days. In this regard, aquatic biomass specifically derived from microalgal biomass is recently considered technologically viable alternative energy source since it is free of the major drawbacks associated with terrestrial biomass. Currently most research is focused on biodiesel production from lipids extraction, but these processes represent a high energy debt. It is therefore worth to investigate another transformation process by directly carrying out anaerobic digestion of raw microalgal biomass. Furthermore, to be more sustainable and environmentally friendly biogas production from microalgal biomass, H2 production which is valuable energy carrier should be selected since it has high energy content, and its combustion only produces water as byproduct. Especially, dark fermentative H2 production (DFHP) which is related to anaerobic microbial metabolism, including hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis could be produced via blocking the methanogenesis through selectively killing of methanogens. However, there is still little information regarding DFHP from pretreated microalgal biomass, which is the subject of this study.
Firstly, in the present work, H2 production from microalgal biomass via dark fermentation was optimized by response surface methodology (RSM). Substrate concentration and initial pH were varied from 3.4 to 116.6 g dry cell weight (dcw)/L and 4.2 to 9.8, respectively. During the fermentation, pH was not controlled. The optimal condition was found at 76.1 g dcw/L and initial pH of 7.4, under which yielded 31.2 mL H2/g dcw. The results of ANOVA verify that the relationship between substrate concentration and initial pH was slightly interdependent or significantly interactive. Besides, the monitoring alkalinity and pH during the confirmation test clearly showed that dark fermentative H2 production (DFHP) from microalgal biomass was feasible without addition of external alkaline owing to the disruption of cell wall, which provided buffer capacity (max. 3,800 mg as CaCO3/L). Therefore, although it involved a batch test, this approach would promote the practical viability of DFHP from microalgal biomass. The main organic acids were acetic and butyric acids which are general metabolites found in successful DFHP.
Secondly, in order to enhance performance of H2 conversion rate, acid (0.1-3.0% (v/w)) and ultrasonic (10,000-200,000 kJ/kg dcw) pretreatments were individually optimized., In case of acid pretreatment, desirable condition found via RSM with CCD were HCl concentration of 1.12% (v/w) and reaction time of 46 min under which H2 yield reached to 36.8 mL H2/g dcw, and through regression analysis, it was found that H2 yield was well fitted by a quadratic polynomial equation (R2=0.90). HCl concentration was the most significant factor influencing DFHP. In application of ultrasonic pretreatment via classical experimental method, it was found from the test that the maximum H2 yield of 31.2 mL H2/g dry cell weight (dcw) was optimized at energy input of 105,000 kJ/kg dcw considering energy efficiency. After that, in order to enhance pretreatment efficiency and H2 productivity, RSM with a CCD was utilized again for the optimization of combined (acid + ultrasonic) pretreatment, resulting in solubilization (SCOD/TCOD) was increased 40%, which was limited to 32% in individual pretreatments, Through regression analysis, it was found that H2 yield was well fitted by a quadratic polynomial equation (R2=0.96), and HCl concentration was the most significant factor influencing DFHP. In confirmation test, H2 yield of 42.99 mL H2/g dcw (similarity of 97%) was recorded, where HCl concentration of 0.87% (v/w), and energy input of 77,400 kJ/kg TS.
Lastly, a novel enzymatic pretreatment method was developed with utilizing extracted crude enzyme from H2 fermented effluent. During DFHP from food waste, the mixed liquors were collected from batch reactor in determined time intervals (10 ?? 52 h) to define optimal enzyme extraction point. It was found that the enzyme extracted at the end of fermentation (52 h) had the highest hydrolysis efficiency, resulting in the highest H2 yield of 43.1 mL H2/g dcw. Even though high concentration of VFAs was accumulated in crude enzyme, the reactor was successfully prevented from product inhibition. It might be due to the formation of alkalinity during hydrolysis. Also it appears that the presence of organic acids, especially lactic acid and acetic acid, contained in crude enzyme facilitated enhancement of H2 production by change of metabolic pathway. This is the first report documenting successful application of a novel enzymatic pretreatment and operation of DFHP from enzymatically pretreated microalgal biomass.
전 세계적인 산업화와 도시화의 가속화로 인해 환경 및 에너지 문제가 최고의 화두로 떠오르고 있는 시점에서 주요 에너지원인 화석연료는 매장량이 한정되어 있으며, 지구온난화를 유발하는 물질(CO2, NOx, SOx 등)의 배출로 인해 심각한 환경오염을 일으키고 있다. 이에 따라 환경 친화적인 대체에너지 개발의 중요성이 대두되면서 선진국을 중심으로 화석연료의 사용에 대한 규제를 강화하고 신??재생에너지 개발을 위한 정책이 입안되고 있다. 이 중 바이오매스가 지니는 잠재적인 에너지 발생량으로 인해 친환경적이며 지속가능한 미래 대체에너지 자원 중의 하나로 주목 받고 있다. 바이오매스로부터의 수소생산은 글루코즈(glucose), 자당(sucrose) 등과 같은 순수기질을 기점으로하여 2000년대 초반에는 1세대(옥수수, 사탕수수 등)와 2세대(농작물 잔해 등)로 불려지는 육상 바이오매스(Terrestrial biomass)를 이용한 연구가 활발히 진행되었다. 그러나 최근 세계 곡물가격의 상승 및 식량부족현상을 초래하였고 경작을 위한 숲의 파괴로부터 심각한 환경문제가 발생하였다. 또한 육상 바이오매스는 크게 셀룰로오즈(cellulose), 헤미셀룰로오즈(hemicellulose)와 리그닌(lignin)의 복합적인 결합으로 구성되어 있는데, 헤미셀룰로오즈와 리그닌으로 인해 생물학적인 분해가 어려워 낮은 에너지 생산효율을 보임에 따라서 최근에는 육상 바이오매스의 한계점을 극복하기 위해 3세대 바이오매스 또는 마지막 바이오매스로 불리는 조류(microalgae)를 이용한 바이오에너지 생산에 대한 연구가 주목 받고 있다.
다양한 영양 분포를 가진 미세조류를 이용한 바이오 에너지 생산은 크게 바이오에탄올, 바이오디젤, 메탄, 수소가스와 같은 바이오에너지(bioenergy)의 생산으로 구분할 수 있다. 이 중 특히 수소에너지는 기존 연료(Hydrocarbon fuels)보다 단위중량당 2.75배나 큰 열량(122KJ/g)을 가지고 있고, 연료전지(fuel cell)을 통해서 직접 전기를 발생시킬 수 있으며 연료로만 사용이 가능한 메탄에 비해 암모니아, 알코올, 알데하이드의 합성 등의 다양한 산업에 적용이 가능한 장점이 있다. 게다가 수소는 탄소와 결합하지 않은 유일한 에너지로서 연소 시 CO2를 생성하지 않고 오직 물만 배출시켜 지구상에 현존하고 있는 에너지 중 청정 미래 에너지로 가장 주목을 받고 있다.
수소를 제조하는 방법으로는 크게 물리??화학적인 방법과 생물학적인 방법으로 나누어지며 이 중 친환경적이며 미래 지속적인 수소 생산의 방법으로 알려진 혐기성 수소암발효 방법은 현재까지 혐기성 수소발효 연구는 기질농도, 초기 pH, 운전pH, 온도, 수리학적 체류시간 (HRT), 등 운전 인자의 최적화를 통한 안정적이며 높은 수소 전환율을 달성하기 위한 연구가 진행되었다. 최근에는 보다 높은 수소전환율을 얻고자 각각의 전처리 메커니즘은 다르지만 공통적으로 세포벽을 제거하기 위한 방법으로 물리??화학적, 기계적, 생물학적 전처리를 단일??병합으로 적용하는 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 하지만 아직까지 미세조류를 이용한 혐기성 수소발효에 대해 활발히 연구가 되고 있지 않기 때문에 이에 따라 운전인자 및 전처리의 최적화에 대한 연구가 필요하다.
첫째, 본 연구에서는 미세조류의 대표종인 C. vulgaris를 기질로 이용하여 수소발효 가능성 및 최적기질 농도와 초기 pH를 도출하였다. 이때 반응표면법의 하나인 central composite design (CCD)를 이용하여 통계학적으로 최적조건을 도출하였다. 독립변수로는 기질농도와 초기 pH로 설정하였으며, 매개변수로는 수소전환율도 하였다. 그 결과, 기질농도 76.1 g dcw/L와 초기 pH 7.4에서 31.2 mL H2/g dcw의 수소전환율이 예측되었으며, 이 결과의 재현성을 알아보기 위해 검증실험을 시행한 결과 30.7 mL H2/g dcw로 예측된 수소전환율과 98%의 매우 높은 유사성을 나타내었다. 수소발효 후 주요 부산물은 수소생산과 관련된 아세트산(21%, 5,040 mg COD/L)와 뷰틸산(57%, 13,320 mg COD/L) 이었으며 주로 뷰틸산 생성을 통한 수소생산의 pathway를 보인 것으로 나타났다. 또한 회분식 실험 중 pH의 변화와 알칼리도에 대해 측정한 결과 본 연구에서는 초기 pH 설정 후 추가적인 알칼리를 전혀 공급하지 않았음에도 운전 pH 5.2 ~ 7.3으로 외부 알칼리 주입 없이도 운전 pH가 자동적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 수소발효 중 수소생산 미생물에 의해 가수분해가 일어나고, 이때 미세조류 세포내부에 존재하는 알칼리이온(HCO3-, CO32-) 추출됨에 따라 알칼리도가 증가하여 유기산 생산에 의한 pH 하강을 완충시켜 운전 pH가 자동적으로 유지된 것으로 사료된다.
둘째, 미세조류 바이오매스의 가수분해율 향상 및 최종적인 수소 전환율의 증가를 위해 물리화학적 전처리 적용의 최적화를 실시하였다. 단일 산처리의 적용을 반응표면법의 적용을 통해 HCl 1.2% 전처리시간 48 min의 조건에서 대조군보다 20% 증가한 37.3 mL H2/g dcw의 수소전환율을 도출하였으며 최적 단일 초음파 전처리의 적용은 에너지주입량 105,000 kJ/kg dcw일 때 36.0 mL H2/g dcw의 수소전환율로 대조군 31.1 ml H2/g dcw과의 비교시 약 16% 의 수소전환율 증가를 보였다. 반면, 산과 초음파를 이용한 병합 전처리의 적용은 HCl 0.87% 에너지 주입량 77,400 kJ/kg dcw 에 가장 높은 42.99 mL H2/g dcw의 수소전환율을 보였으며 단일 처리의 경우와 비교했을 때 수소전환율은 약 40%의 증가율과 산 주입 농도와 초음파 에너지 주입량의 감소를 나타냄으로 시너지 효과를 얻었으며 경제적 측면뿐만 아니라 효율성에 있어서 향상 된 것을 알 수 있었다.
?? 셋째, 기존의 일반적인 효소 전처리의 낮은 경제성을 고려하여 음식물 혐기성 수소발효로부터 추출한 효소를 이용한 미세조류의 전처리의 적용을 하였다. 음식물 수소 발효 중 가스 생산이 끝나는 지점인 52 h에 가장 높은 효소의 가수분해율을 보였으며 이때 대조군 30.3 mL H2/g dcw 에서 43.3 mL H2/g dcw까지 약 43%의 수소전환율이 증가하면서 동시에 lag period 는 9.9 h 에서 4.8 h까지 감소함에 따라 앞으로의 값비싼 가공 효소가 아닌 경제적인 효소전처리의 적용에 대한 가능성을 확인하였다.
