Recovery of bioenergy from organic wastes through anaerobic digestion and fermentation

Abstract

인류 활동의 결과 매립되는 상당량의 유기성 폐기물과 그로 인해 생성되는 온실가스는 문명사회에 심각한 위협이 된다. 기존의 화석연료에 대한 과도한 의존은 많은 오염물질을 배출하였으며, 화석연료의 고갈은 심각한 에너지 위기문제를 야기하였다. 혐기성 소화(AD) 및 산발효 과정(AF)을 통하여 유기성 폐기물을 적절하게 관리한다면 이러한 문제를 극복할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 본 연구에서는 높은 유기물 함량과 더불어 바이오가스 전환 효율이 높다는 점을 고려하여 혼합 과일 폐기물(FW)과 지방, 오일, 그리스 (FOG)의 유기성 폐기물을 기질로 이용하였다. 그러나 AD와 AF과정에서 FW와 FOG를 직접적으로 활용하는 데에는 몇 가지 문제점이 있다. 이는 효율적인 미생물이 충분히 반응기 내에 존재하지 않고, 기질에 대한 미생물의 접근성이 낮아 결과적으로 기질을 적절히 활용할 수 없다. 따라서 이를 개선시키기 위하여 AD와 AF 과정에서 바이오매스 전처리와 기질에 대한 미생물의 적응화를 실시하여 생물학적 이용성과 기질의 분해성을 각각 증가시켰다. 생물학적 이용성과 기질에 대한 미생물의 접근성을 높이기 위해 묽은 아세트산으로 FW를 전처리를 하였다. 0.2 M 아세트산을 62.5 °C에서 30분간 전처리한 결과, 95%의 최대 당질 회수율을 얻었다. 푸리에 변환 적외선 분광 분석(FTIR)과 열중량 분석(TG)를 통해 전처리 된 FW에서 셀룰로오스 물질이 존재함을 확인하였다. X선 회절 분석(XRD) 결과에서는 전처리 과정에서 파괴된 복합 헤미셀룰로오스의 결정도가 56%로 증가하였다. 주사 전자 현미경(SEM) 분석 결과에서는 전처리 된 FW의 다공성과 표면의 거칠기가 증가된 것을 확인할 수 있는데, 이는 AD와 AF 과정에서 미생물의 부착성과 기질에 대한 접근성을 증대되었음을 의미한다. 전처리 된 FW 기질을 포함한 AD 과정 내의 미생물 분석결과, 효과적인 소화조 성능과 메탄을 생성하는 미생물 군집 간의 상관관계를 확인할 수 있었다. 반응기 내에서 우점하고 있는 산생성균인 Prevotella, Eubacterium, Lachnoclostridium로 인하여 탄수화물의 소비율이 최대 54%까지 증가하였다. 스피어만 상관관계에서는 acetoclastic 메탄생성균과 hydrogenotrophic 메탄생성균이 acetogenic 공생과 철의 산화제 및 환원제 사이의 상호작용을 한다는 것을 확인할 수 있었다. Chloroflexi에 속하는 Bellilinea, Levilinea, Longilinea 등과 같은 프로피온산 산화제는 acetoclastic 메탄생성균과 그 연관성이 있다. Acetoclastic 메탄생성균(Methanosaeta 77%, Methanosarcina 9%)이 증가함에 따라 대수기동안 반응기의 메탄 생성 활동량이 7배 증가되고, 메탄 생산량이 대조군에 비해 75% 증가하였다. 이는 AD과정 동안 미생물의 공생이 FW로부터 효과적인 메탄 생성을 촉진한다는 것을 의미한다. AF 반응기에서 FOG를 단계적으로 주입한 결과(휘발성 고형물 0.2%, 1.2%, 2.4%), 2.4% 주입 후 대조군에 비해 수소 생산 수율이 72%까지 증가하였다. 고농도의 FOG가 포함된 반응기에서 휘발성 고형물(VS)의 분해율은 최대 65%, 주요 불포화 지방산은 완전히 제거되었으며, 포화 지방산 제거율은 90%까지 증가하였다. 적응된 미생물을 통하여 단계적으로 FOG의 농도를 2.4%까지 적용하는 과정에서 수소 생산성이 46 mL d−1 까지 개선되었다. 카르복실 사슬신장으로 인한 대사 변화를 통하여 산발효 반응기에서 C4 지방산은 1.61 mM, C6 지방산은 0.90 mM의 농도만큼 각각 생성되었다. 16S rRNA amplicons 분석결과, 미생물의 적응 및 축적 과정을 통해 Firmicutes (90%), Bacteroidetes (12%), Cloacimonetes (11%)의 우점도를 증가시켰다. 이러한 미생물은 수소와 C4-C7 지방산을 생산하기 위해 가수분해, 수소산 생성과정, 카르복실 사슬신장을 효과적으로 수행한다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구는 적응된 미생물을 이용하여 다양한 유기성 폐기물(FW, FOG)의 바이오가스로 생산성을 개선할 수 있고, 이는 AD와 AF의 능률을 증대시켜 산업화 시대에 점점 증가되고 있는 에너지 수요를 충족하는 데에 기여할 수 있다.; Large deposition of the organic wastes in landfills and subsequent greenhouse gas generations due to the anthropogenic processes become serious threat to the civilization. Depletion of fossil fuels and maximum dependence on those have led to serious energy crisis and environmental concerns because of pollutant emission. A proper waste management practice such as utilization in anaerobic processes including digestion, and fermentation (AD/AF) of the organic wastes could minimize the risk and offset the growing energy crisis around the globe. In this regard, the most abundant carbonaceous organic wastes including mixed fruit wastes (FW), and fat, oil, and grease (FOG) were considered in this study due to their high organic contents and conversion efficiency to biogas during AD/AF. Nevertheless, several challenges limit the direct utilization of FW and FOG in the AD/AF. An inadequate presence of effective microbiome in the reactors and improper substrate accessibility are the bottlenecks for the proper utilization of these organic wastes. Pretreatment of biomass and the microbial acclimatization to specific substrates were applied to increase the bioavailability and utilization for improved performance of AD/AF. Dilute acetic acid pretreatment of FW was optimized in order to increase the bioavailability and microbial accessibility, limiting the pretreatment loss. Maximum portion (95%) of the total sugar content was recovered in the pretreated FW under the optimized conditions (0.2 M acetic acid, 62.5 °C, and 30 min). Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Thermogravimetric (TG) analyses verified the presence of cellulosic material in the pretreated FW. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that the crystallinity index was increased to 56% after the disruption of complex hemicellulosic structures during pretreatment. Increased porosity and surface roughness of pretreated FW were confirmed in scanning electron microscopy (SEM), which endowed better microbial attachment and accessibility during AD/AF. Investigation of the microbial dynamics during AD following augmentation with pretreated FW revealed the association of effective digester performance and methane yields with the microbial nexus. Dominance of the acidogenic saccharolytic genera, Prevotella, Eubacterium, and Lachnoclostridium, enhanced the utilization of carbohydrates by 54% in the FW-augmented digesters. Spearman’s rs correlation showed dynamic interspecies interactions among acetogenic syntrophs, and those of iron oxidizers/reducers with acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens. Propionate oxidizers in the phylum Chloroflexi (i.e., Bellilinea, Levilinea, and Longilinea) exhibited positive associations with acetoclastic methanogens. Increase in the population of acetoclastic methanogens (Methanosaeta, 77% and Methanosarcina, 9%) accelerated the methanogenic activity of the FW-augmented digesters by 7 times during the exponential phase, increasing the methane yield (326 mL g−1 VSinitial) by 75% compared to the control. Methane production rate was 546 mL L−1 d−1 in the FW-augmented digesters. These indicated that the microbial syntrophy facilitated the effective methanation during the AD process. Gradual introduction of FOG (0.2%, 1.2%, and 2.4% as volatile solids) in acidogenic AF showed a significant improvement in hydrogen yield (34 mL g−1 VS), compared to the control, after 2.4% FOG loading. Volatile solid (VS) reduction reached up to 65% in high FOG reactors with complete removal of major unsaturated fatty acids. Removal of saturated fatty acids increased to 90%. Improvement in hydrogen productivity (46 mL d‾1) occurred during step-wise loading of 2.4% FOG to the acclimatized microbiome. The metabolic shift toward carboxylic chain elongation produced C4 and C6 fatty acids at concentrations of 1.61 mM and 0.90 mM, respectively in the acidogenic reactors. High-throughput sequencing of 16S rRNA amplicons revealed that the acclimatization process enriched the phylum Firmicutes (90%), followed by Bacteroidetes (12%) and Cloacimonetes (11%). The abundance of these phyla and their respective genera confirmed their preeminent role in hydrolysis, hydrogenogenic acidogenesis, and carboxylic chain elongation to produce hydrogen and C4–C7 fatty acids. Thus, this research suggests that the improvement of biogas production (methane, and hydrogen) from various zero-value carbonaceous wastes (FW, and FOG) using acclimatized microbiome could facilitate the greater efficacy of AD/AF for their industrialization to meet the growing energy demands.