Effect of Thermal Hydrolysis Temperature on Hydrogen Fermentation of Food Waste

Abstract

수소는 깨끗하고, 재생 가능하며, 오염을 일으키지 않은 특성으로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 자원으로 각광받고 있다. 수소는 휘발유와 경유에 비해 높은 에너지를 가지고 있어, 에너지 효율성이 높다는 장점이 있으며, 교통, 산업 및 주거 분야 등 다양한 분야에 사용할 수 있다. 유기성 폐기물 또한 매년 증가하는 경향을 보여 유기성 폐기물로부터 수소를 생산하는 연구가 증가하고 있다. 다양한 수소 생산 방법 중 수소 발효는 수소 생산과 폐기물 처리를 한번에 할 수 있고, 다양한 분야에서 사용되는 휘발성 지방산 (VFAs)와 온실가스(CH4, CO2)를 적게 배출한다는 장점이 있다. 음식물 쓰레기와 가축분뇨와 같은 유기성폐기물은 건조 중량 기준으로 40-50 %의 리그노셀룰로오스를 포함한다. 리그노셀룰로오스는 생분해도를 감소시키고 가수분해 단계를 방해하여 바이오가스 생산 효율을 감소시키는 효과를 가져온다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수소 발효 이전에 생물학적, 기계적, 화학적, 열가수분해 (Thermal hydrolysis process, THP) 등 다양한 전처리 방법을 적용함으로써, 리그노셀룰로오스를 분해하고 생분해도를 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 이러한 다양한 전처리 중에서도 고온 및 고압의 증기를 이용하여 유기성 폐기물을 분해하는 열가수분해 공정(THP)이 성능을 가장 크게 향상시키는 것으로 알려져 있어, 널리 적용되고 있다. 하지만, THP는 높은 열과 전기를 필요로 하며, 높은 온도에서는 마이야르 상과 탄화 현상으로 인해 난분해성 물질을 발생시킬 수 있다는 단점이 존재한다. 이전 수소 발효에 THP를 적용하는 연구는 대부분 수소 발생량 증가에 집중해왔으며, 공정의 에너지 수지 및 마이야르 현상과 탄화 현상의 메커니즘을 찾는 연구는 부족한 상황이다. 따라서, 본 연구의 주요 목적은 열가수분해 온도가 음식물 쓰레기의 수소 생산 및 순에너지에 미치는 영향을 조사하는 것이다, 이 연구는 생화학적 수소 발생량 실험(BHP test)을 통해 THP가 바이오가스 생산에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, THP가 수소 발효에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 이해를 높이기 위해 리그노셀룰로오스의 구조 별화에 대한 분석이 수행된다. 마지막으로 연속식 반응 실험(CSTR test)를 통해 음식물 쓰레기의 THP에 따른 수소 발효 공정의 순에너지량을 평가하기 위한 에너지 분석을 수행하였다. THP를 이용하여 120, 140, 160, 180 ℃의 온도에서 음식물 쓰레기의 전처리를 수행하였다. BMP 실험 결과, 140 ℃에서 전처리한 경우, 전처리하지 않은 음식물 쓰레기에 비해 수소 발생량이 3배 증가하여 가장 높은 수소 발생량을 보였다. 또한, THP에 의해 음식물 쓰레기 내 리그노셀룰로오스의 형태학적 변화와 셀룰로오스의 결정화도 감소는 미생물의 이용성을 향상시켰으며, 이를 통해 수소 발생량이 증가하였다. 하지만. 160 ℃와 180 ℃의 경우, 작용기의 변화와 휴믹산 계열 물질의 형성이 관찰되어 Maillard 현상화 탄화 현상으로 인해 수소 발생량이 감소하였음을 시사하였다. CSTR 실험에서 140 ℃에서 전처리한 음식물(THP HF)과 전처리하지 않을 음식물 쓰레기(Control HF)를 기질로 사용하였다. THP의 적용은 THP HF에서 유기물 제거율 향상 (1.1배) 및 부티르산과 아세트산의 비율(Bu/AC) 향상에 기여하였고, 이를 통해 수소 발생량이 1.6배 증가하였다. 또한, THP의 적용은 박테리아 군집의 변화로 이어졌고, 공정 안정도 향상에 기여하였다. 하지만, THP 전처리 시 사용된 에너지로 인해 THP HF의 순에너지는 Control HF에 비해 낮은 것으로 나타났다. 결론적으로, THP는 음식물 쓰레기의 생분해도를 향상시키고 공정의 안정도를 증가시켜 수소 발생량 향상에 효과적인 방법으로 입증되었다. 하지만 고온에서는 Maillard 현상과 탄화현상으로 인해 수소 발생량이 감소하였다. 이러한 THP의 수소 생산 향상에 대한 긍정적인 영향에도 불구하고, 전처리 단계에 소비되는 많은 에너지로 이해 순에너지가 감소하였다. THP 적용 공젖의 에너지 효율은 THP 공정의 열 회수율의 증가를 통해 향상시킬 수 있으며, 열 회수율이 95 %일 때, 양(+)의 순에너지 값을 보였다.

Hydrogen is a potential clean energy that can replace fossil fuels due to its clean, renewable, and non-polluting characteristics. It offers higher energy efficiency compared to gasoline and diesel, making it an attractive option for various sectors, including transportation, industry, and residential areas. The researches on hydrogen production from organic wastes are increasing as organic wastes generation continues to rise. Among various methods of hydrogen production, hydrogen fermentation provides the advantage of simultaneous hydrogen production and waste disposal. It also yields volatile fatty acids (VFAs) widely used in different fields, while minimizing greenhouse gas emissions (CH4, CO2). Organic wastes, including food waste and livestock manure, consist of 30-50 % (by dry wt.) lignocellulose. The presence of lignocellulose structures in these organic wastes can inhibit the biodegradation rate and hinder hydrolysis step, resulting in low biogas production. In order to solve this issue, various pretreatment methods, such as biological, mechanical, chemical, and thermal hydrolysis, have been applied prior to HF to enhance biodegradability by breaking down lignocellulose. Among these various pretreatments, thermal hydrolysis process (THP), which disintegrate lignocellulosic waste using steam of high temperature and pressure, has been widely applied due to its significant performance improvement. THP exhibits certain drawbacks, including high heat and electricity requirements, as well as the potential generation of recalcitrant substances, such as melanoidins, through Maillard reaction and carbonization at high temperatures. Previous studies investigating the application of THP in HF primarily focused on improving hydrogen production. However, the energy balance of the HF process and the underlying mechanism of Maillard reaction, carbonization remained unknown. Further research is necessary to understand these aspects and address the knowledge gaps. The main objective of this study is to investigate the effects of thermal hydrolysis temperature of food waste on hydrogen production and net energy gain. The investigation focuses on assessing the influence of THP on biogas production through biochemical hydrogen potential (BHP) test. Additionally, an analysis of structure change of lignocellulose was performed to enhance our understanding of how THP impacts HF. Furthermore, an energy analysis is performed to evaluate the net energy gain of HF depending on THP of food waste using continuous stirred-tank reactor (CSTR) test. Food waste was treated with THP at temperatures of 120, 140, 160, and 180 ℃. The highest hydrogen production was exhibited in the case of food waste treated at 140 ℃, with a 3-fold increase compared with untreated food waste, as determined by BHP test. Decrease in cellulose crystallinity and the morphological change of lignocellulose indicated an improvement of accessibility for microorganisms, which resulted in hydrogen production increase. However, at temperatures of 160 and 180 ℃, changes in functional groups and formation of humic-acid like substances were observed, suggesting the occurrence of Maillard reaction and carbonization, which can lead to a decrease in hydrogen production. In CSTR test, food waste pretreated at 140 ℃ (THP HF) and untreated food waste (Control HF) were used as substrates. The application of THP contributed to the improvement of organic matter removal rate by 1.1-fold, and the enhancement of butyrate-to-acetate ratio (Bu/AC) in THP HF, resulting in a 1.6-fold increase in hydrogen production. The application of THP led to significant alteration in the bacterial communities, contributing to enhance process stability. However, the net energy gain of THP HF was lower than Control HF, due to the higher energy input associated with THP. In conclusion, THP proved to be effective in enhancing hydrogen production from food waste by increasing surface area through the depolymerization of lignocellulose, while also improving the stability of the reactor. However, at high temperatures, the production of refractory substances led to a decrease in hydrogen production. Despite the positive effect of THP on hydrogen production, the net energy gain decreased due to higher energy input required for pretreatment step. Nevertheless, the energy efficiency of THP HF can be improved by increasing the heat recovery rate of the THP process to 95 %.