Declining fossil energy resources and increasing global temperatures have steadily raised concerns on meeting increased future energy demands. Renewed interest in alternative energies has been kindled by environmental concerns and economic challenges. Biofuel, an excellent alternative to traditional fossil fuel-derived energy sources, can be produced from abundant supplies of renewable biomass. Volatile fatty acids (VFAs) are carboxylic acids with less than C6, which can be obtained during anaerobic digestion. VFAs are mainly com-posed of acetic, propionic, and butyric acids with various ratios of 6:1:3, 5:1:5, or 8:1:1. VFAs can be used as precursors for synthesizing mixed alcohols or biochemicals and carbon source for microbial lipid production.
In this study, the objective is to optimize VFAs production with various approaches and to enrich VFAs concentration with desalination technology. Numerous attempts have been made to enhance VFAs and $H_2$ production during acidogenesis in the anaerobic digestion processes. This paper implemented response surface methodology (RSM) as statistical tool to optimize VFAs and $H_2$ production from mixed cultures of Saccharina japonica, with respect to two independent variables: methanogenic inhibitor concentration and temperature. When testing the effects of various types of methanogenic inhibitors on acidogenic processes, doses of $beta$ -Cyclodextrin ($beta$ -CD) proved to have greater effects on VFAs concentration compared to other methanogenic inhibitors, showing the highest production of VFAs. RSM showed that VFAs production reached a peak of 12.53 g/L at $38.57^\circ C$ and 7.41 g $beta$ -CD/L, conditions under which $H_2$ production was also nearly maximal. Quantitative polymerase chain reaction showed that the concentration of $beta$ -CD correlated with shifts in the bacterial community population, indicating that $beta$ -CD effectively inhibited methanogens.
Additionally, to enhance the VFAs concentration and productivity, bioreactors in four series were developed to implement the MSC-HCDC system. A 4L multistage reactor was constructed, and broth was mixed by an overhead stirrer. In a flask scale, when experiments were conducted at a constant temperature of $45^\circ C$, dilution rate of 0.2/day, feeding ratio of 1:1:1:1, pH in feed stream of pH 10, and methanogenic inhibitor of 7g $beta$ -CD /L, VFAs concentration was measured to be 23.04g/L after 14 days, which was 24% higher than the experiment conducted with only a 1:1:1:1 feeding ratio and a 0.2/day dilution rate. Under this condition, there was a reduction in butyric and lactic acid production. In a four-stage bioreactor, VFAs concentration was 31.17g/L and its productivity was 6.23g/L/day on the 28th day. The composition of VFAs in this bioreactor is completely different than that in the flask scale. Although the concentration of valeric and caproic acids were negligible in the flask scale, VFAs with C4 to C6 were the main soluble compounds generated in this bioreactor.
However, the concentration of VFAs in the fermentation broth is generally below 35g/L, which makes the purification process expensive. The series of ordinary distillation columns are hardly applicable to the separation of VFAs. Thus, a cost-effective enrichment process is essential for developing an industrial-scale process. Additionally, several problems exist with VFAs when removing water: hydrophilicity, azeotrope in each acids, and a boiling point near $100^\circ C$. Forward osmosis (FO) has recently become increasingly popular. FO is an osmotic membrane process whereby the driving force for separation is an osmotic pressure gradient between the feed and draw solutions. In this study, to effectively enrich VFAs, permeation characteristics including water flux, reverse salt flux, and rejection of volatile fatty acids (VFAs) in the FO system were investigated. In FO, the pH value of VFAs feed solution affected rejection and water flux most significantly, while temperature, concentration of draw solution, and types of draw solute mainly influenced the water flux. The water flux and rejection of VFAs was also dependent on both membrane orientations. Different types of feed solutes showed different rejection and flux behaviors with either dependence or independence on feed pH. When hydraulic pressure was applied, the PAO system with NH4OH showed higher water flux and a lower rejection rate, while the PAO system with NaOH showed higher water flux and a higher rejection rate. Additionally, not only the chemical solution, but also the real fermentation product can be enriched using the FO system. Furthermore, we investigated the delta pi zero ($\Delta \pie$ =0) reverse osmosis (RO) system. Like reverse osmosis, delta pi zero RO applies lower hydraulic pressure for separation and enrichment since the $\Delta \pie$ =0 RO system has lower or zero osmotic pressure difference. With delta pi zero RO, enrichment of feed solution can be maximized while preserving energy and minimizing operation expenses.
In conclusion, these findings paved a new route to produce and enrich VFAs as biofuels and bio-chemicals. If VFAs from Saccharina japonica are converted to biofuels such as mixed alcohol, higher concen-tration and productivity of VFAs will be needed. Thus, these approaches may provide useful information in the extension of a VFAs platform for microbial biodiesels.
바이오에너지는 지속 가능한 친환경에너지로 전세계적으로 활발히 연구되고 있다. 바이오에너지는 바이오에탄올 또는 바이오디젤이 주종을 이루고 있으나, 최근 바이오매스를 바이오유기산으로 전환하여 혼합알콜 (C2-C4)을 생산하는 방법이 제안되고 있다. 바이오연료 생산을 위한 바이오유기산 플랫폼은 바이오유기산 생산과정에서 혐기성발효방법을 사용하기 때문에 저비용으로 섬유성 바이오매스를 포함한 다양한 바이오매스 (농축산폐기물, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 해조류 등)를 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
혐기소화 과정은 가수분해, 산 생성단계, 아세트산 생성단계, 메탄 생성단계 총 4가지로 이루어져있다. 유기산은 혐기소화 중 산 생성단계에서 생기는 휘발성 유기산을 말하며, 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등이 주성분이다. 혐기소화 과정에서 메탄생성균을 억제하여 최종단계로 가는 경로를 차단하여 산 생성단계에서 생산된 유기산을 최대화 할 수 있다. 또한 혐기소화 공정에 영향를 주는 조건을 바꾸어 유기산 농도를 최대화 할 수 있다. 그 인자는 pH, 온도, HRT (Hydraulic retention time), OLR (Organic loading rate), 전처리 등이 있다. 본 연구에서는 유기산 생산을 최대화하기 위해서 전처리 방법에 대해 비교하고 반응 표면 분석법 (Response surface methodology)을 사용하여 최적화시켰다. 일단 전처리 방법에서 가장 좋은 효과를 나타낸 메탄 억제제를 종류별로 비교하였는데, 베타-사이클로덱스트린이 가장 높은 유기산 농도를 나타냈다. 그리고 반응 표면 분석법을 하기 위해 베타-사이클로덱스트린의 농도와 온도를 변수로 잡고 실험을 진행하였다. 이 때 가장 높은 유기산 농도는 $38.57^\circ C$ 와 $7.41 g \beta -CD/L$ 일 때, 12.53g/L로 계산되었다. 그리고 수소 생산 최적점은 $31.95^\circ C$ 와 $9.20 g \beta -CD/L$ 이었지만, 유기산 농도 최적점에서의 수소 생산량과 크게 차이 나지 않았다.
혐기소화 공정은 운전방법에 따라서도 달라지게 되는데, 회분식, 유가배양식, 연속식으로 나뉜다. 일반적으로 유가배양식에서 고농도의 유기산을 얻을 수 있으며, 연속식은 유가배양식보다 생산성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 연속식 생물반응기를 사용할 때 발생하는 낮은 농도의 유기산 농도를 높이고 생산성 또한 높이기 위해 다단계 연속 고농도 세포배양 반응기 (MSC-HCDC: Multi-Stage Continuous High Cell Density Culture)를 사용하였다. 플라스크로 실험을 진행했을 때, 최적 조건을 적용한다면, 유기산은 14일에 23.04g/L의 농도를 나타냈으며, 이 때 생산성은 2.30g/L/day였다. 그리고 이 값은 기본 조건에 비해서 무려 24% 상승된 유기산 농도이다. 또한 본 연구에서는 유기산 농도뿐만 아니라 조성에도 관심을 두고 결과를 확인하였으며, 부티르산의 농도가 증가하게 되면 젖산 또한 증가하기 때문에 젖산을 감소시키면서 유기산 농도를 증가시키는 방향으로 연구를 진행했다. 그리고 4L 생물 반응기로 같은 조건에서 실험을 진행했을 때, 유기산은 31.17g/L를 28일에 나타냈다. 그러나 플라스크 실험과 달리 생물 반응기를 이용하였을 때 C4이상의 유기산들이 다른 유기산에 비해 많이 생산되는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 유기산을 활용하기 위해서 가장 큰 문제는 낮은 농도를 가진 유기산을 농축, 정제하는 것이다. MixAlco 공정에서는 반응 추출과 열분해를 이용한다. 반응 추출 공정은 pKa보다 낮은 pH에서 추출이 잘 일어나기 때문에 발효액의 pH를 조정해야 하지만 정삼투압 공정은 음전하를 띈 막 표면과 pH 7~8에 존재하는 카복실산 음이온과 정전기적 반발하여 선택적으로 물만 제거된다. 그러므로pH 조정도 필요 없으며, 피드 용액과 유도 용액 사이의 삼투압 차이에 의해서 진행되기 때문에 에너지 적게 사용하고 농축이 가능하다. 정삼투압 공정의 경우 현재 담수화에서 사용하기 위해 많은 연구가 진행 중에 있다. 이러한 정삼투압 공정을 유기산 농축에 사용할 경우, 완전히 순수한 유기산을 얻을 수는 없지만 4배 이상 농축을 진행하고 증류하게 된다면 상당한 에너지를 줄일 수 있다. 이를 위해 정삼투압 공정에 대한 다양한 공정 변수 실험을 진행하였고, NaCl 용액을 이용하여 35g/L 유기산을 4배 이상 농축 가능하는 것을 확인하였다.
하지만 유기산 플랫폼은 아직 당 플랫폼이나 열화학 플랫폼에 비해 기술개발이 전 세계적으로 많이 진행되지 않고 있으며, 미국 Terrabon LLC사 이외의 기술은 잘 알려져 있지 않을 상태이다. 따라서 본 연구는 유기산 플랫폼 중 업스트림에 관한 연구이며, 이는 앞으로 유기산 플랫폼의 상용화를 위해 사용될 수 있을 것이다.
