Volatile fatty acids (VFAs) are short-chain fatty acids composed mainly of acetate and butyrate produced in the anaerobic digestion process, which does not need sterilization, additional hydrolysis enzymes (cellulase and xylanase), or a high cost pretreatment step. The VFAs are easily produced from all biomasses with low lignin content (terrestrial, aquatic, and marine biomass). Considering that raw material alone constitutes 40-80% of biofuel production costs, biofuels made from VFAs derived from waste organic biomass potentially offer significant economical advantage.
In this work, the current major biochemical platform, sugar platform, was compared with VFA platform in terms of biofuels and biochemicals production. Biomass resources in typical three categories, which are terrestrial plants, marine seaweeds and organic wastes, were used to produce ethanol and VFAs.
Terrestrial plants, especially, non-woody herbaceous perennials, are potential candidates for the second-generation biofuel production. Three kinds of lignocelluloses were used as the raw material in this study. Bermudagrass, reed and rapeseed were pretreated with phosphoric acid-acetone and used for ethanol production by means of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) with a batch and fed-batch mode. When the batch SSF experiments were conducted in a 3% low effective cellulose, about 16 g/L of ethanol were obtained after 96 h of fermentation. When batch SSF experiments were conducted with a higher cellulose content (10% effective cellulose for reed and bermudagrass and 5% for rapeseed), higher ethanol concentrations and yields (of more than 93%) were obtained. The fed-batch SSF strategy was adopted to increase the ethanol concentration further. When a higher water-insoluble solid (up to 36%) was applied, the ethanol concentration reached 56 g/L of an inhibitory concentration of the yeast strain used in this study at 38°C. The results show that the pretreated materials can be used as good feedstocks for bioethanol production, and that the phosphoric acid-acetone pretreatment can effectively yield a higher ethanol concentration. The maximum ethanol yield was 0.353 g ethanol/g reed if hemicelluloses can be converted to ethanol at the theoretical values.
Several lignocelluloses, including reed, rice straw, follow leaves and saw dust, were pretreated with lime and used for VFAs production by means of anaerobic digestion process with a batch mode. When the lime-treated reed was used in 10 g biomass/L, about 0.34 g VFA per g biomass was obtained after 3 days of fermentation. A modified lime treatment method was developed, which used the mixtures of alkaline containing a reduced amount of lime, a small amount of ammonia and sodium hydroxide, When the modified lime treatment was applied to reed, the higher VFA yield (more than 0.5 g/g biomass = 0.385 mixed alcohols/g biomass) was obtained. The results show that the modified lime treatment can be used for VFAs production.
Marine biomass can be a potential source of biorefinery. Four marine seaweeds including green (Ulva lactuca), red (Gelidium amansii) and brown (Laminaria japonica and Sargassum fulvellum) algae were used as the raw material. And recombinant Escherichia coli KO11 was used as an ethanol producer from algal extracts. The E. coli KO11 fermented mannitol and mixed sugar in algal extract to ethanol. The ethanol yield was about 0.4 g ethanol/g sugars and maximum ethanol concentration was 29 g/L in high solid content fermentation. However, the ethanol yield based on brown algal biomass was only 0.16 g ethanol/g biomass.
Acidogenesis of four marine seaweeds was studied in batch culture. And alkaline and acid pretreatment methods were investigated to improve acids yield. The yields (g VFA/g biomass) of G. amansii and S. fulvellum increased with Ca(OH)2 treatment at 121oC for 15 min from 0.25 and 0.36 to 0.42 and 0.39 (g/g biomass at 3 days), respectively. However, for L. japonica and U. lactuca the Ca(OH)2 treatment slightly decrease the yield. 0.1N HCl treatment was effective for VFAs production from L. japonica, S. fulvellum, and G. amansii except for U. lactuca. The maximum VFA yield of 0.65 (0.92 g VFA/g VS) is shown in L. japonica treated by HCl. When 65 g/L of L. japonica was used to increase VFA concentration, 30.2 g/L of VFA was produced at 12 days fermentation.
The acid composition control was the most important issue in the VFAs fermentation. In some batches lactic acid that is not a desired product was a major component. Thus a control method for lactic acid contamination was investigated. Lactic acid is dominant in the fermentation using calcium carbonate buffer, and the ratio of lactic acid is about 80% in total product. When sodium carbonate and ammonium carbonate were used, lactic acid contamination ran out. And the final VFA concentration is the highest in sodium carbonate. Thus sodium carbonate is the best buffering agent for the VFAs fermentation without alkaline addition. Using sodium carbonate buffer the fermentation brown algal extract produced large amount of butyric acid (about 70% of product) without lactic acid contamination. The selective acetate and butyrate production can make VFA platform more economical. L. japonica, one of the representative brown algae, was a good source for selective butyrate production because of its high mannitol content. The solid loading rate is critical factor for selective acetate and butyrate production. At about 10% solid loading, butyrate could be produced more than 80% of total VFAs. Acetate is main product in low loading rate lower than about 5%.
In order to enhance the productivity of VFAs, a multistage continuous system with cell retention was made and operated at a dilution rate of 0.2 day-1. The VFA concentration in effluent was 34.6 g/L at 22-th day. Thus VFA productivity was 6.92 g/L/day (0.29 g/L/hr) with acetate:propionate:butyrate = 5:1:5 and yield of 0.49 g/g VS food. This productivity and yield were two times higher and 50% higher than previous researcher’s result, respectively. However, the operation of 4-stage reactor was difficult to maintain the consistency in the laboratory scale. The pilot scale plant with automatic control system and on-line analytical equipments is so recommended for the stable multistage reactor operation.
As a conclusion, VFA platform can be a new route to produce biofuels and biochemicals as well as to treat organic wastes. If the VFAs from organic waste are converted to biofuel such as mixed alcohol, VFA platform will gain economic feasibility over sugar platform that use the same raw material. The main bottle-necks for industrialization of the VFA platform may be the cost for recovery of VFAs from fermentation broth and its relatively low productivity of about 0.3 g/L/hr.
휘발성 유기산(VFA)은 탄소 6개이하의 지방산을 일컬으며 혐기성소화과정에서 생성되는 초산(acetic acid), 낙산(butyric acid) 등을 주성분으로 하는 혼합물로, 특히 리그닌함량이 낮은 모든 육상, 수상, 해상 바이오매스로부터 손쉽게 생산이 가능하다. 현재 바이오연료 생산 비용의 40~80%가 원료비인 것을 감안하면 고비용의 전처리, 살균 및 효소처리 등을 필요로하지 않으며, 폐기물로부터 혐기성소화과정을 통해 생산된 휘발성 유기산을 바이오연료 생산에 활용한다면 경제성을 높일 수 있다. 또한, 휘발성 유기산을 분리하는 것만으로도 초산, 프로피온산(propionic acid), 낙산과 같은 세계시장 규모 5조원 이상의 화학물질을 생산할 수 있고, 에스터 및 케톤류 등 유도체로 전환이 가능하여 단순히 에탄올을 목표로 하는 공정보다 경제성을 지닐 수 있다.
본 연구에서는 현재 주로 연구되는 당 플랫폼(sugar platform)과 유기산 플랫폼 (VFA platform)을 바이오연료 및 바이오화합물 생산 측면에서 비교하였다. 초본계 육상식물, 해조류 및 유기성 폐기물을 바이오매스원으로 이용하여 에탄올 또는 휘발성 유기산 생산하고, 산물농도, 수율 및 생산성의 관점에서 비교하였다.
육상식물로 3가지 리그노셀룰로스인 버뮤다풀, 갈대, 유채줄기를 고농도 인산-아세톤 법으로 전처리하여 동시당화발효법(SSF)을 batch 및 fed-batch로 운영하여 에탄올을 생산하였다. Batch SSF 실험을 통해 3% 셀룰로스의 전처리 바이오매스로부터 16 g/L의 에탄올이 96시간 발효에서 얻어졌다. 고형물 함량을 더 높였을 때(갈대 및 버뮤다풀-10% 셀룰로스, 유채줄기-5% 셀룰로스), 더 높은 에탄올 농도가 이론수율 대비 93%이상의 수율로 얻어졌으며, fed-batch SSF의 적용은 에탄올 농도를 더 높일 수 있었다. 고형물 함량을 36%까지 높였을 때 이용된 효모의 38°C에서의 생산저해농도인 56 g/L까지 도달하였다. 에탄올 생산 결과를 통해 고농도 인산-아세톤 방법으로 전처리된 바이오매스를 이용하여 기존 방법보다 높은 수율 및 농도의 에탄올이 생산되었고, 에탄올 생산에 가장 효과적인 바이오매스원인 갈대로부터 생산될 수 있는 최대 에탄올 수율은 0.353 g-ethanol/g-reed이었다. 유기산 생산을 위해 석회로 전처리된 갈대, 볏짚, 낙엽, 톱밥 등이 검토되었고, 이중 갈대가 가장 높은 0.34 g/g의 수율로 보여주었다. 갈대로부터 유기산수율을 높이기 위해 암모니아와 NaOH를 함유하는 변형된 석회 처리법이 연구되었고, 이 방법으로 전처리된 갈대로부터 0.5 g/g의 향상된 유기산 수율이 얻어졌다. 이는 이론적으로 혼합알코올을 생산 시 약 0.385 g/g의 수율이 가능하다.
넓은 바다에서 얻을 수 있는 해조류는 리그노셀룰로스와 함께 바이오리파이너리의 중요한 바이오매스원이 될 수 있다. 녹조류(파래), 갈조류(다시마와 모자반), 홍조류(우뭇가사리)에 해당하는 4가지 해조류가 연구에 이용되었다. 에탄올 생산균주로는 재조합 Escherichia coli가 이용되었고, 재조합 E. coli는 해조류로부터 생산될 수 있는 당들 각각 또는 혼합물을 에탄올로 전환 할 수 있었다. 특히, 갈조류 유래의 만니톨을 에탄올로 전환할 수 있음이 처음 확인되었다. 전처리 방법으로는 0.1N의 산처리방법이 유용하였고, 육상식물과 같이 Trichoderma reesei유래의 효소가 당화에 효과적이었다. 다시마로부터 에탄올 수율은 생산된 당으로부터 0.4 g/g이었고, 다시마로부터 최대 에탄올 농도는 29 g/L이었다. 하지만 바이오매스 전체로부터 에탄올수율은 다시마 무게당 0.16 g/g으로 높지 않았다. 유기산생산 시 석회처된 우뭇가사리와 모자반은 단순 열처리된 것보다 수율이 각각 0.25과 0.36에서 0.42과 0.39 (g/g)로 향상되었으나, 다시마와 파래는 석회처리에 의해 수율이 감소하였다. 0.1N의 염산처리된 다시마로부터 0.65 g/g(0.92 g/g VS)의 유기산이 얻어져 다시마가 유기산생산의 가장 좋은 바이오매스원이었다. 유기산 농도를 높이기 위해 다시마 고형물 농도를 6.5%로 높였을 때 30.2 g/L의 유기산이 생산되어 0.465 g/g의 수율을 보여주었으며 이는 직접 에탄올을 생산할 때 생산될 수 있는 알코올량의 230%에 해당하는 것이었다.
유기산 플랫폼의 적용에 있어 유기산조성의 조절은 매우 중요한 과제이다. 유기산 생산 시 흔히 발생하는 문제는 젖산에 의한 오염이다. 젖산 오염을 방지하는 방법을 알아보기 위해 pH와 완충물질의 종류에 따른 영향을 검토하였다. 음식물쓰레기를 이용한 유기산 생산 시 6.0이하의 낮은 pH와 CaCO3의 사용은 젖산생성을 유도하여 전체 유기산 생산량의 80%가 젖산으로 생산되었고, 6.5이상의 pH와 NaHCO3 또는 (NH4)2CO3의 사용은 젖산 오염을 방지할 수 방법임을 알 수 있었다. 포도당보다 환원된 형태의 당인 만니톨이 다량 함유된 다시마의 유기산발효에서는 낙산의 생산이 촉진됨을 알 수 있었는데, 특히 갯벌을 접종균으로 이용하여 8%이상의 높은 고형물 함량과 높은 초기 pH, 45°C이상의 높은 온도에서 80%이상의 높은 낙산비의 유기산 생산이 가능하였다. 낙산비가 낮은 조건은 반대로 초산의 비가 높음을 의미한다.
유기산 생산성을 높이는 것은 경제성 향상에 매우 중요하다. 음식물쓰레기를 대상으로 4단 연속발효공정을 구성하여 고농도 세포를 유지하면서 0.2 day-1의 희석률로 운전하였을 때 22일차에 34.6 g/L의 유기산(초산:프로피온산:낙산 = 5:1:5)이 생성되었고, 6.92 g/L/day (0.29 g/L/hr)의 생산성과 0.49 g/g VS의 수율이 얻어졌다. 이는 다른 연구자들의 생산성결과보다 2배이상 높은 것이었으나 다단공정을 실험실규모에서 장기간 운전하는데 어려움이 있어 자동화설비가 갖추어진 파일럿 규모의 연구가 요구된다.
유기산의 에스터화반응에서는 에스터반응의 종결을 위해 반응산물 중 하나인 물의 제거가 요구되며 이를 위해 헵탄올(C7) 또는 옥탄올(C8)이 적합한 반응물로 검토되었다. 또한, 에스터의 알코올로의 전환을 위해 검토된 헵틸아세티이트 (heptyl acetate)의 수소화분해반응을 통한 에탄올의 생산에서는 환원된 CuO:ZnO:Al2O3 (3:6:1) 촉매가 우수한 것으로 검토되었다. 수소화분해반응의 최적화를 위해서는 촉매 및 반응조건에 대한 추가적 연구가 필요하다.
결론적으로 유기산 플랫폼은 유기성 폐기물 처리뿐만 아니라 바이오연료와 바이오케미칼 생산의 새로운 경로가 될 수 있다. 유기성 폐기물로부터 혼합알코올과 같은 바이오연료가 생산된다면 유기산 플랫폼은 당 플랫폼보다 높은 경제성을 보여줄 것이다. 하지만, 유기산 플랫폼의 주된 제한요소인 상대적으로 낮은 유기산 생산성의 향상과 유기산의 회수비용 절감, 수소화분해반응에 대한 추가적 연구가 요구된다.
