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Feasibility study of microbial biodiesel production with volatile fatty acids derived from organic wastes = 유기성 폐자원 유래 휘발 유기산을 통한 미생물 바이오디젤 생산 타당성 연구
서명 / 저자 Feasibility study of microbial biodiesel production with volatile fatty acids derived from organic wastes = 유기성 폐자원 유래 휘발 유기산을 통한 미생물 바이오디젤 생산 타당성 연구 / Gwon Woo Park.
저자명 Park, Gwon Woo ; 박권우
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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Due to the shortage of fossil fuels, the study of renewable energy continues to increase. Among many other sources, bioenergy is one source of renewable energy that is increasing in terms of production and consumption. It is an eco-friendly energy that has positive environmental effects. The VFA platform is a biofuel production platform that is carried out by anaerobic digestion. Unlike the sugar platform, which uses only carbohydrate for ethanol fermentation, the VFA platform uses carbohydrate, protein, and lipid from biomass, leading to a very high yield. There is no sterilization process because it is a mixed culture, hence, it can provide energy savings and is an economical process. VFA itself is of value and is a precursor to biofuel. It can be converted to alcohol by the addition of hydrogen; it can also be converted to bio-diesel as a carbon source for oleaginous microor-ganisms. Owing to its non-edibility, lingocellulosic biomass does not affect food cost and can easily be obtained. Rice straw is one of the most abundant renewable energy sources available. Through anaerobic acidogenesis, the substance of rice straw can be converted to volatile fatty acids (VFAs). In order to maximize VFA produc-tion during anaerobic digestion (AD), response surface methodology (RSM) was carried out with respect to tem-perature, substrate concentration, and pH. Optimization results show maximal VFA concentration of 12.37g/L at 39.23 °C, 52.85 g/L of rice straw, and pH 10. In quantification of microbial community by quantitative pol-ymerase chain reaction, the bacterial profile showed that the growth of methanogens was effectively inhibited by methanogenic inhibitors. Furthermore, 454 pyrosequencing showed that members of the Ruminococcaceae family, capable of hydrolyzing lignocellulosic biomass, were the most dominant species in many RSM trials. This study provided useful insight into the biological improvement of AD performance through the combina-tional linkage between process parameters and microbial information. To increase rice straw conversion, cellulose and hemicellulose must break down into monosaccharide, which can be used by microorganisms as a carbon source. Pretreatment is an important factor for fermentation, especially for lingocellulosic biomass. Thus, various pretreatment methods including chemical, physical, and biological methods have been investigated. In chemical pretreatment, the dilute sulfuric acid method is widely used. Nitric acid has not been widely used for pretreatment of lingo-cellulosic biomass due to its high cost. Two kinds of chemical pretreatment using nitric acid and sodium hydroxide were used at 150 °C and 20 min reac-tion time. Most of the hemicellulose hydrolyzate was obtained with nitric acid pretreatment; significant reduc-tion of lignin was obtained with sodium hydroxide pretreatment. Anaerobic digestion with 20 g/L of rice straw yielded 6.00 g/L of VFAs with 0.5% HNO3 and 7.09 g/L of VFAs with 2% NaOH, respectively. The VFA yield with 2% NaOH was 0.35 g/g. Other lignocellulosic biomass(reed and Platanus) were pretreated with lime and used for production of VFAs through batch anaerobic digestion. About 0.34 g VFA yield was obtained using 10 g/L of reeds after 3 days of fermentation with lime treatment; however, a higher VFA yield (more than 0.5 g/g biomass) was achieved with a modified lime treatment. Overall, our study showed that the modified lime treatment is better suited for VFA production. Microorganisms contain lipids and some are able to accumulate their own lipids at levels of up to 20%. Such microorganisms are known as oleaginous organisms and a number of studies regarding fungi, bacteria, microal-gae, and yeast have been reported. The composition of lipids and fatty acids depends on the strain of microor-ganism, the substrate, and the environment. Cryptococcus curvatus can cultivate with VFAs and accumulate lipid at a level of up to about 50% in batch scale with glucose and sodium nitrate as the carbon and nitrogen sources. The sodium nitrate process has the advantage of higher cell mass production and lipid content com-pared to those factors of the ammonium chloride in batch process; continuous culture was vice versa. The highest fatty acid composition is C18:1, which makes this a suitable source for biodiesel from C. curvatus with glucose and VFA as a carbon source. High cell density is important for high product titer and productivity. A Modified fed-batch had a 3.21 fold greater lipid productivity in comparison to those values of the normal fed-batch process using only VFAs solution. The specific oxygen uptake rate fell sharply during lipid accumulation and maintained a level below 1 mg/g/h of specific oxygen uptake rate. The packed-bed reactor, one of many high cell density reactors, had 288% higher dry yeast cell enrichment than that of the control during 24 h. In addition, lipid removed yeast residue (LRYR) can be a waste resource for the production of VFAs. It showed a 0.46g/g yield from 10 g/L of LRYR VFAs derived from organic waste were used as low cost carbon sources for high bioreactor productivity and titer. A multi-stage continuous high cell density culture (MSC-HCDC) process was employed for economic as-sessment of microbial lipids for biodiesel production. In a simulation study, we used a lipid yield of 0.3 g/g-VFAs, and a cell mass yield of 0.5 g/g-glucose or wood hydrolyzates; we employed process variables including lipid content from 10-90% of cell mass, bioreactor productivity of 0.5-48 g/L/h, and plant capacity of 20,000-1,000,000 metric ton (MT)/year. A production cost of USD 1.048/kg-lipid was predicted with raw material costs of USD 0.2/kg for wood hydrolyzates and USD 0.15/kg for VFAs. Other production factors included: 9 g/L/h bioreactor productivity; 100,000 MT/year production capacity; and 75% lipid content. The variables having the highest impact on microbial lipid production costs were the cost of VFAs and the lipid yield, followed by the lipid content, fermenter cost, and lipid productivity. The cost of raw materials accounted for 66.25% of the to-tal operating costs. This study shows that biodiesel from microbial lipids has the potential to become competi-tive with diesels from other sources.

화석 연료의 고갈에 따라, 재생 가능 에너지의 연구는 계속적으로 증가하고 있다. 바이오매스를 기반으로 한 바이오연료는 지속생산가능한 에너지 중 하나로 계속적으로 생산과 소비량이 증가하고 있고 이는 친환경 에너지로써 환경에 긍정적 효과를 준다. 혐기소화를 기반으로 하는 VFA 플랫폼은 바이오연료 생산 방법 중 하나로써 오직 탄수화물만을 사용하는 당 플랫폼과는 다르게 VFA 플랫폼은 바이오매스의 탄수화물 단백질 그리고 지질을 모두 사용하기 때문에 매우 높은 수율을 보여준다. 또한 혼합균이다 보니 멸균과정이 필요 없어서 매우 경제적이 공정이다. VFA는 그 자체로도 가치가 있고 바이오연료의 전구체로도 쓰인다. VFA에 수소를 첨가하여 알코올로 전환이 가능하며 또한 유질미생물의 탄소원으로 이용하여 바이오디젤로도 전환이 가능하다. 비식용이기 때문에 리그노셀룰로직 바이오매스는 식량 가격에 영향이 없고 또한 쉽게 얻을 수 있다. 볏짚은 대표적인 리그노셀룰로직 바이오매스의 자원 중 하나이고 이를 혐기소화를 통해 VFA로 전환하였다. VFA의 생산을 최대화 하기 위해 온도, 기질농도 그리고 pH를 통하여 표면분석법을 이용하였다. 최대 VFA 생산농도는 at 39.23 °C, 52.85 g/L of rice straw, and pH 10에서 12.37g/L로 나타났다. qPCR을 통한 미생물 정량분석을 통해 메탄균주들이 메탄억제제에 의해 억제가 잘 됨을 확인 할 수 있었다. 더욱이 454 파이로시퀀싱을 통해 ruminococcaceae과가 리그노셀룰로직 바이오매스를 잘 이용함을 알 수 있고 대부분의 표면분석법 샘플에서 우점종으로 나타났다. 위 연구를 통해 혐기소화에 영향을 주는 인자들과 생물학적 변화를 확인 할 수 있었다. 미생물이 쉽게 탄소원으로 사용할 수 있게 볏짚의 전환을 높여서 셀룰로즈와 헤미셀룰로즈가 단당류로 되어야 한다. 전처리는 리그노 셀룰로직바이오매스의 발효에 있어서 중요한 역할을 하기 때문에 다양한 물리적, 화학적 그리고 생물학적 전처리 방법들이 연구되어지고 있다. 두 종류의 화학전처리인 질산과 수산화나트륨을 통하여 150°C 20분간 반응을 하였다. 질산 전처리에서는 대부분의 헤미셀룰로즈가 전처리가 되었고 수산화나트륨에서는 리그닌이 많이 전처리 되었다. 20g/L의 볏짚을 혐기소화하여 6g/L의 VFA를 0.5%의 질산에서 7.09g/L의 VFA를 2% NaOH에서 각각 얻었다. 2% NaOH에서 수율이 0.35g/g을 나타내었고 갈대와 플라타너스를 라임전처리를 하여서 VFA를 얻었다. 10g/L의 갈대를 통해 약 0.34g/g의 VFA 수율을 얻었고 전처리를 수정하여 0.5g/g이상의 수율도 얻었다. 유질미생물은 체내 지질을 20%이상 축적할 수 있는 미생물을 의미한다. 이러한 미생물들은 곰팡이, 세균, 효모 그리고 미세조류에서 모두 볼 수 있다. 지방산의 조성은 미생물의 종류, 기질등의 환경에 따라 각기 다르다. Cryptococcus curvatus는 VFA를 탄소원으로 사용 할 수 있고 포도당과 질산나트륨을 통하여 회분식 반응에서 지질을 약 50%까지 축적할 수 있다. 회분식 반응에서는 질산나트륨이 염화암모늄보다 고밀도 배양 및 지질축적량에 있어서 유리함을 알 수 있었다. 포도당과 VFA를 탄소원으로 하여 분석한 미생물 지질의 지방산 조성 결과 바이오디젤에 적합한 C18:1이 가장 많았다. 고밀도 배양은 생산물의 농도와 생산성을 결정해주기에 매우 중요하다. VFA를 탄소원으로만 사용하였을 때 수정 유가배양식은 지질생산성이 일반 유가배양식의 3.21배였다. 비호흡속도는 지질축적단계 때에 급격하게 감소되고 1mg/g/h정도로 유지하였다. 고밀도배양의 방법 중 하나인 팩베드 반응기를 통하여 24시간 안에 대조군에 비해 약 288% 높은 셀농도를 얻었다. 또한 폐기물 자원으로 지질이 추출 된 효모를 통하여 VFA생산 실험을 해보았고 수율은 0.46g/g이 나왔다. 가격이 저렴한 유기성폐자원을 통하여 얻은 VFA를 이용하여 경제성 평가를 해보았다. 다단계 연속 고밀도배양을 바이오디젤생산에 필요한 미생물 지질 공정의 경제성 평가의 공정모델로 사용하였다. 시뮬레이션에서 지질수율은 0.3g/g-VFAs, 셀 질량 수율은 0.5g/g-glucose, wood hydrolyzates로 하였다; 공정변수로 지질 컨텐츠는 10-90%, 생산성은 0.5-48g/L/h 그리고 플랜트 생산력은 20,000-1,000,000 MT/year로 설정하였다. $0.2/kg-wood hydrolyzates와 $0.15/kg-VFAs를 통하여 미생물 지질 1kg의 가격이 $1.048로 얻어졌다. 이때의 다른 공정 변수는 9g/L/h의 생산성, 10만톤의 플랜트 생산력 그리고 75%의 지질 축적률이였다. 가격 변화에 큰 영향을 주는 변수는 VFAs의 가격, 지질 수율 그리고 지질컨텐츠와 발효기 가격과 생산성 순이었다. 총 운영비용의 66.25%는 원료의 가격이었다. 위 연구를 통해 미생물 지질 기반의 바이오디젤이 차세대 디젤로써 매우 잠재력이 있고 타당함을 확인 할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 15006
형태사항 viii, 139p : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박권우
지도교수의 영문표기 : Ho Nam Chang
지도교수의 한글표기 : 장호남
공동지도교수의 영문표기 : Yeu Chun Kim
공동지도교수의 한글표기 : 김유천
수록잡지명 : "Volatile fatty acid production from lignocellulosic biomass by lime pretreatment, and its applications to industrial biotechnology". Biotechnology Bioprocess Engineering, v.18, no. 6, pp.1163-1168(2013)
Including Appendix
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p.
주제 Biodiesel
High cell density culture
Lignocellulosic biomass
Anaerobic digestion
Volatile Fatty acids
바이오디젤
고밀도 배양
리그노셀룰로직 바이오매스
혐기소화
휘발유기산
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