Volatile fatty acid (VFA) is a short chain fatty acid derived from biomass by anaerobic digestion process. VFAs mainly composed of acetic, propionic, and butyric acid are recently considered as one of the important liquid fuel sources since it can be easily converted to the mixed bio-alcohol including ethanol, propanol, and butanol by the esterification and hydrogenation process.
In this study, we developed a process to produce VFA from non-crop biomass. Common reed was used as a feedstock for VFA production. It was pretreated and fermented to VFAs by a mixed culture of anaerobic microorganisms. Two kinds of biomass pretreatment methods including lime and phosphoric acid-acetone treatment were performed to compare the efficiency of VFA production before applying to continuous culture system. Using a simple flask batch culture, the proper pretreatment method was selected and applied to culture system. Treated and untreated biomass were fermented in batch system. In this experiment, the maximum acid concentrations using treated and untreated biomass were 13.2 and 9.74 g/L, respectively. Volatile solid (VS) content was measured and using this value the production yield of VFA (VFA/VS) was calculated to be 20.5 and 15.1% at treated and untreated biomass, respectively. 1-5 of 250 mL flasks were arranged in series and formed multi-stage continuous high cell density culture (MSC-HCDC) system (M1-8). Maximum VFA concentration was observed to 20.7 g/L in M7 and maximum VFA productivity was 0.412 g/L/d at total liquid volume in M5.
Batch cultivation using glucose as a substrate was performed to characterize the substrate inhibition effect after pretreatment and hydrolysis of biomass. The effect of nutrients including sulfate and phosphate, and pH was observed since these factors were presumed to relate to lactic acid formation at mixed culture system for VFA production, and VFA productivity. Continuous high cell density culture was also established using membrane bioreactor after batch culture. Hollow fiber membrane module was used as a bioreactor. Various glucose concentration and dilution rate were applied to achieve high VFA concentration and productivity without lactic acid formation and substrate inhibition.
Reactive extraction of VFA from acid fermentation broth with tertiary amine extractant (Alamine 336) dissolved in various diluents has been studied. VFAs have been extracted into an organic phase at pH values below their pKa. In our results, more than 50% removal efficiency of VFA from fermentation broth was achieved using Alamine 336 in octanol as a diluent. Back extraction method for recovery of VFA and regeneration of amine extractant was also studied in two ways including temperature and pH dependence of extraction capability. At higher pH values than their pKa, the extraction capability into organic phase was reduced. Back-extraction effect of VFA at higher pH condition was considered as a method to concentrate VFA. Membrane-based solvent extraction (MBSE) and Membrane-based solvent stripping (MBSS) was performed using VFA solution. At first, the extraction efficiency of hollow fiber contact system was carried out to apply to MBSE system. After that, the continuous system of MBSS was performed.
H2S in biogas produced from anaerobic fermentation (acidification and methanization) was removed with sludge-loaded biofiltration. Two immobilized cell bioreactors of 0.2 and 8.5 L were loaded with aerobic sludge and operated to study characteristics of H2S removal from the biogas. At a retention time of 400 s the removal efficiency of H2S over 99% was achieved after stabilization of initial 7 d using 8.5 L bioreactor installed at the 2 m3 on-site biogas facility.
휘발성 지방산(VFA)은 바이오매스의 혐기성 소화를 통해서 생산되는 짧은 사슬의 지방산이다. VFA는 주로 아세트산, 프로피온산, 부틸산으로 이루어져 있으며, 에스터 및 수소화 반응을 통해서 에탄올, 프로판올, 부탄올을 동시에 함유하는 mixed bio-alcohol로 전환이 가능하기 때문에 최근 석유를 대체할 중요한 액체 연료원으로서 각광받고 있다.
본 연구는 비식용 작물의 혐기성 발효를 통하여 mixed alcohol로 전환이 가능한 VFA의 생산을 그 목적으로 하고 있으며, 비식용 작물 중 갈대를 대상 원료물질로 선택하여 연구를 진행하였다. 갈대에 Lime 처리 및 인산-아세톤 처리 등의 두 가지의 전처리 방법을 적용하여 바이오매스의 전처리 효율을 비교하였다. 회분식 및 다단계 연속 세포고농도배양 (MSC-HCDC) 시스템을 적용하고 그 결과를 비교함으로서 VFA의 생산에 있어서 연속발효에서도 회분식보다 높은 VFA의 농도 및 생산성을 달성하였다. 1-5개의 반응기를 다단으로 구성(M1-M8)하여 MSC-HCDC 시스템을 구축하였고, 이를 통하여 최대 20.7 g/L의 VFA 농도(M7)와 0.412 g/L/d(M5)의 VFA 생산성을 달성할 수 있었다.
바이오매스의 전처리 및 당화과정 후VFA의 생산에 있어서 기질 저해 작용, nutrients 및 pH등이 젖산 생성과 VFA 생산성에 미치는 영향 등을 분석하기 위하여 glucose를 기질로 이용한 회분식 및 유가배양식 산발효를 진행하였다. 또한 막생물반응기를 이용하여 연속 세포고농도 배양 시스템을 구축하였고, 다양한 glucose의 농도(10-60 g/L) 및 희석속도 (0.15-0.60 /h)를 적용하여 젖산 생성 및 기질 저해 없이 높은 VFA농도와 생산성을 얻을 수 있었다.
VFA의 발효 후 발효액으로부터 VFA를 분리해내기 위하여 tertiary amine 추출제(Alamine 336)를 이용한 반응 추출을 수행하였다. 추출제의 효율을 높이기 위하여 다양한 희석제를 적용하였고, 그 결과 octanol을 적용할 경우 가장 효율이 좋음을 확인하였다. VFA는 각 산의 pKa 보다 낮은 pH에서 추출이 잘 일어나기 때문에 발효액의 pH를 pKa 보다 낮은 값으로 조정하였고, 이를 통하여 50%가 넘는 추출효율을 달성할 수 있었다. 유기상으로 추출된 VFA는 역추출 공정을 통하여 회수 및 농축과정을 거치게 되는데 본 연구에서는 온도 주기 역추출 및 pH의 조절을 통한 역추출 등 두 가지 방법을 이용하였다. 그 결과 pH 조절을 통한 역추출 방법을 이용하여 성공적으로 VFA를 농축할 수 있었다. 또한 중공사막 모듈을 이용한membrane based solvent extraction (MBSE)와 membrane based solvent stripping (MBSS) 공정을 구축하여 발효액으로부터 VFA를 유기상으로 추출하고 다시 물상으로 역추출 후 농축하는 공정을 연속으로 진행할 수 있었다.
VFA의 혐기성 발효시 생산되는 바이오가스내에 존재하는 H2S (1-1500 ppmv)를 슬러지를 이용한 바이오필터를 이용하여 제거하였다. 0.2 L의 lab scale 반응기와 8.5 L의 large scale 반응기를 제작하여 실험을 수행하였고, 400 s의 체류시간에서 99% 이상의 H2S를 제거할 수 있었다.
