A Study of Volatile Fatty Acid Production from Seaweed by Fixed-bed Fermentation Using Anaerobic Sewage Sludge

Abstract

본 연구는 해조류로부터 휘발성 유기산(VFAs) 생산에 관한 것으로 하수 슬러지를 사용하여 이루어졌다. 실험에 이용된 원료로는 1) 초임계수에 의해 가수분해된 해조류(SEASUP), 2) 3 % 황산 수용액으로 가수분해된 해조류(SEASUL), 3) 지질 제거 후 초임계수로 가수분해된 해조류(LIPSEASUP) 등 세 가지가 사용되었다. 이들 원료에 대해 하수 잔류물을 이용한 혐기성 소화가 진행됨에 따른 VFAs의 농도와 해조류 성분의 전환율을 실시간으로 모니터링 하였다. 하수 슬러지에 의한 혐기성 소화는 반응억제제인 요오드포름(CHI3)의 첨가와 함께 35 oC, pH 7 부근에서 진행되었다. 발효시스템은 1L 크기의 투명 아크릴 플라스틱의 원통형 고정층 발효기 4개가 하나의 세트로 된 총 3세트의 반응기를 사용하였다. 각 반응기의 실제 사용 부피는 900 mL이며, 미생물과 영양분의 량을 달리하며 그 영향을 조사하였다. 기초 원료 물질인 해조류는 한국 완도산의 갈조류 다시마로서 건조를 거쳐 분말화하였으며, 이를 상기에서 적시한 세가지 기법 즉, 초임계수 가수분해와 황산 용액에 의한 가수분해, 지질 제거 후 초임계수 가수분해 등으로 전처리 하였다. 이들 각 발효 전 원료의 농도는 18 g/L으로 동일하였다. 시스템에 따른 VFAs의 수율은 SEASUL>SEASUP>LIPSEASUP 순으로 원료에 크게 의존하였다. 일반적으로 영양분을 투입한 경우가 투입하지 않은 경우보다 VFAs의 수율이 높았다. 보다 높은 VFAs의 수율은 미생물을 포함하는 하수 슬러지의 량이 30 mL와 60mL일 때 얻어졌으며, 황산으로 가수분해된 원료에서 각각 14.3 g/L와 13.3 g/L의 높은 수율을 보였다. 세 가지 시스템에서 생산된 VFAs는 주로 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 헥사노산과 같은 C2~C6 범위의 직쇄상 카르복시산 이었다. 대체로 이들 생산된 VFAs 가운데 가장 많은 량이 생산된 것은 초산과 프로피온산 이었다.

The production of volatile fatty acids (VFAs) from seaweed was investigated, with particular regard to using sewage residues. Three feed materials were investigated: (1) seaweed hydrolyzed by supercritical water pretreatment (SEASUP), (2) seaweed extract from 3% w/w sulfuric acid solution pretreatment (SEASUL) and (3) seaweed with lipids removed then hydrolyzed with supercritical water (LIPSEASUP). Total concentrations of VFAs and the conversion of seaweed using sewage sludge under anaerobic fermentation were monitored during the process. Fermentations using sewage sludge under anaerobic conditions occurred at 35 ？aC and pH 7 with iodoform (CHI3) as inhibitor. Three systems of four 1 L transparent plastic fixed-bed fermentors were used to digest the feed materials. Each system had a total reaction volume of 900 ml, but with variable amounts of microorganism and nutrient to investigate their effects. The seaweed was harvested on Wando Island, South Korea, dried and ground to powder. Seaweed powder then underwent one of three pretreatments: 3% w/w sulfuric acid solution (H2SO4); supercritical water (hydrolysis reaction) and lipid removal followed by the hydrolysis reaction. Seaweed was used in each fermentor at 18 g/L. Yields of VFAs were found to be ranked by feed as follows: SEASUL > SEASUP > LIPSEASUP. Reactors with nutrient showed higher yields of VFAs than those without. Higher acid yields were found when 30 mL and 60 mL of microorganism solution were used. The maximum concentrations of VFAs were 14.3 g/L and 13.3 g/L at 204 h when 30 mL and 60 mL microorganism were used, respectively. The VFAs produced from three systems consisted of C2 ~ C6 carboxylic acids with a straight chain, such as acetic, propionic, butyric, valeric and hexanonic acid. Acetic and propionic were the acids produced in the largest quantity.