Production of microbial lipid by <i>Cryptococcus curvatus</i> on rice straw hydrolysates

Park, Gwon Woo,Chang, Ho Nam,Jung, Kwonsu,Seo, Charles,Kim, Yeu-Chun,Choi, Jae Hyung,Woo, Hee Chul,Hwang, In-ju Elsevier 2017 Process biochemistry Vol.56 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>Microbial biolipids/biodiesels derived from volatile fatty acids (VFAs) can be a valuable alternative to plant oils if optimum fermentation conditions are determined. VFAs were used for cell mass and microbial lipid production by <I>Cryptococcus curvatus</I>. The lipid content in the cells increased up to 48% and 28% in batch cultures with the use of 20g/L glucose and 6g/L of VFAs as the carbon source, respectively. In this study, <I>C. curvatus</I> used VFAs as a carbon source via anaerobic digestion of rice straw hydrolysates. VFAs produced from rice straw resulted in yield of 0.43g VFAs/g substrate and 40% higher specific growth rate(0.305h<SUP>−1</SUP>) than synthetic VFAs. The highest fatty acid composition observed was C18:1, was obtained using glucose and VFAs as the carbon source to yield a cetane number of 56–59, which is suitable for biodiesel production. The cost of microbial lipids was estimated to be 0.30–1.15 USD/L given 0–150 USD/ton of VFAs cost for a yield of 0.17g/g of lipids. Thus, VFAs can be a suitable carbon source for economical biodiesel production.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Rice straw, one of the most abundant agricultural byproduct biomass, can be converted to volatile fatty acids (VFAs) via anaerobic digestion. </LI> <LI> Microbial lipid can be produced from the rice-straw VFAs by an oleaginous yeast <I>Cryptococcus curvatus.</I>. </LI> <LI> Biomass and lipid content can be controlled by the pH and initial VFAs concentration. </LI> <LI> Specific growth rate of VFAs from rice straw hydrolysates is 40% higher than that of synthetic VFAs in yeast cultivation. </LI> <LI> Microbial lipid from the rice-straw VFAs has a potential of economic biodiesel production. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>

헤드스페이스-GC/FID를 이용한 대기 중 휘발성 지방산 분석법 개발

김만구,정탁교,장미옥,정영림,이민도 한국냄새환경학회 2007 실내환경 및 냄새 학회지 Vol.6 No.2

Volatile fatty acids (VFAs) are malodor compounds which are produced from the decomposition of animal or plant species. It is very difficult to detect VFAs due to their strong adsorptive properties. In this study we develop an analytical method using headspace-GC/FID with an alkali-impregnated filter sampling. The addition of NaCl and H2SO4 makes the salt-out and pH-lowering effect, respectively. The high boiling points (141~185oC) and vapor pressures require a high temperature and long heating time for the standard sample in vials to reach an equilibrium. The analytical response was highest when the absolute quantity in the sample was 5 mL in a 22 mL vial. The addition of NaCl for the salt-out effect can give a higher sensitivity by a factor of 1.1~4.2 than that of Na2SO4. The mass amount of 4.6 g of NaCl can result in a higher sensitivity, which is higher than the supersaturated solubility of 4.2 g. The concentration of H2SO4 is as low as 2% (v/v). When the concentration range is 8.3~562.1 ppb, a coefficient of R2~0.99 can be obtained for the five VFAs samples. The analytical errors in a reproducibility test are less than 10% and the detection limit is estimated to be 0.05~0.1 ppb. Our headspace-GC/FID analytical method can be utilized to effectively detect the five kinds of VFAs which shall be restricted in Republic of Korea from the year of 2010. 이 연구에서는 알칼리함침필터로 채취한 휘발성 지방산(VFAs)을 헤드스페이스-GC로 분석하는 방법을 개발하였다. 시료의 제조과정에서 NaCl의 첨가는 염석효과(salt-out effect)를 유발시키고 추가로 H2SO4를 가하며 액체상의 pH를 낮추어 액체상의 VFAs를 기체상으로 전이시키는 작용을 한다. 141~185oC의 높은 끓는점과 증기압을 갖는 VFAs의 물리적 특성으로 인해 표준시료 바이알의 상평형에 있어 높은 온도조건과 긴 가온시간이 필요하다. 최적조건실험 결과 vial 내부의 액체상이 차지하는 시료의 절대량은 5 mL로 나타났다. 전처리과정에서 첨가되는 무기염은 NaCl이 Na2SO4에 비해 1.2~4.2배 높은 감도를 나타냈으며 최적의 첨가량은 포화용해도에 해당하는 절대량(4.2 g)보다 많은 4.6 g을 첨가하였을 때 가장 높은 감도를 보였다. pH에 영향을 주는 H2SO4의 농도는 3회 반복분석의 재현성이 가장 양호한 2%의 농도를 적용하였다. 100 L의 공기시료 중 VFAs 농도로 환산했을 경우, 최적조건에서의 직선성은 8.3~562.1 ppb 범위에서 5종의 휘발성 지방산 모두 결정계수 0.99 이상으로 양호하였다. 분석 재현성은 10% 이내였으며, 최소검출한계는 0.05~0.1 ppb로 나타났다. 이 연구의 결과를 통해 개발한 HS-GC/FID 분석법은 2010년부터 악취물질로 규제될 예정인 VFAs의 보다 효과적인 분석방법으로 사용될 수 있을 것이다..

Quantification of volatile fatty acids from cattle manure <i>via</i> non-catalytic esterification for odour indication

Lee, Sang-Ryong,Lee, Jechan,Cho, Seong-Heon,Kim, Jieun,Oh, Jeong-Ik,Tsang, Daniel C.W.,Jeong, Kwang-Hwa,Kwon, Eilhann E. Elsevier 2018 Science of the Total Environment Vol.610 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>This report proposes a new approach to evaluate the odour nuisance of cattle manure samples from three different cattle breeds (<I>i.e.</I>, native cattle, beef cattle, and milk cow) by means of quantification and speciation of volatile fatty acids (VFAs). To this end, non-catalytic esterification thermally induced in the presence of a porous material (silica) was undertaken, and the optimal operational parameters such as the derivatizing temperature (330°C) for the maximum yield (≥99±0.4%) of volatile fatty acid methyl esters (VFAMEs) were established. Among the VFA species in cattle manure based on quantification of VFAs, the major species were acetic, butyric and valeric acid. Considering the odour threshold of each VFA, our experimental results suggested that the major contributors to odour nuisance were C<SUB>4–5</SUB> VFA species (<I>i.e.</I>, butyric and valeric acid). Hydrothermal treatment was performed at 150°C for 0–40min to correlate the formation of VFAs with different types of cattle feed formulations. Our experimental data demonstrated that the formation of total VFAs is linearly proportional to the hydrothermal treatment duration and the total content of VFAs in native cattle, beef cattle, and milk cow manure samples reached up to ~1000, ~3200, and ~2800ppm, respectively. Thus, this study demonstrated that the degree of VFA formation is highly dependent on cattle feed formulations, which rely significantly on the protein content. Furthermore, the hydrothermal treatment provides a favourable condition for generating more VFAs. In this context, producing cattle manure into refused derived fuel (RDF) <I>via</I> a hydrothermal treatment is not a viable option to control odour.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Volatile fatty acid measurement (VFAs) <I>via</I> the non-catalytic esterification </LI> <LI> Using volatile fatty acid as an odour indicator from cattle manure </LI> <LI> High conversion for volatile fatty acid methyl esters (>99%) from VFAs </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>

Biological nutrient removal with volatile fatty acids from food wastes in sequencing batch reactor

Ho-Nam Chang,Seong-Jin Lim,Eun-Young Kim,Yeong-Hee Ahn 한국화학공학회 2008 Korean Journal of Chemical Engineering Vol.25 No.1

Volatile fatty acids (VFAs) derived from food waste were used as an alternative carbon source in biological nutrient removal. The pH Profiles were monitored during the nutrient removal in an Na-acetate fed sequencing batch reactor (SBR) (C source). Effluent N, P and SCOD concentrations of 0.5 and 0.1 mg/L were achieved with 5.5 hour of HRT (hydraulic retention time) when influent concentrations of NH4+-N, PO43− and SCOD were 42.5, 5.92 and 180 mg/L. Then the SBR was fed with four solutions of VFAs produced under different acidogenesis conditions of food wastes. VFAs-added SBR showed similar specific nitrification rates (3.0 to 3.9 mg-N/g MLSS·h) to that of acetate, but specific denitrification rates (3.2 to 4.2 mg NO3 −-N/g MLSS·h) were slightly lower than with acetate of 4.67 mg NO3 −-N/g MLSS·h. VFAs-introduced SBR efficiently removed phosphorus except when the SBR was fed with a VFAsolution containing high amounts of valerate and caproate.

보조 미생물전기화학적 혐기성소화조가 고부하 운전에 미치는 영향

양현명 ( Hyeon-myeong Yang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

최근 혐기성 소화조에 전극을 결합한 미생물 전기화학적 혐기성 소화조(BEAD)는 start-up 단계에서 소화조의 빠른 안정화와 혐기성 소화조의 주요 저해 인자인 VFAs를 빠르게 처리하여 보다 높은 유기물부하에서도 안정적인 운전이 가능하다고 알려져 있으며 미량의 전압공급이 소화조 내의 전자전달 효율을 향상시켜 미생물 종 변화를 유도할 뿐만 아니라 bulk 및 bio-film의 microorganism활성도를 증가시키는 것이 다양한 연구에서 증명되었다. 그러나 이러한 BEAD의 적용을 위해서는 1)전극의 설치를 위한 기존 AD 반응조의 운전조건 파괴, 2)장기운전을 위한 전극의 내구성 및 유지 관리성 확보의 어려움, 3)경제성과 효율성을 겸비한 재질의 선정 등 경제적인 손실로부터의 극복방안이 필요하다. 다양한 선행연구에서 BEAD반응조에 지속적인 전압공급을 통한 운전보다는 전처리 및 후처리로써의 적용, 비상시 성능회복을 위한 적용, 높은 유기물 부하에서 운전의 안정성 확보를 위한 적용 등 적절한 BEAD반응조 운전을 통한 경제적 이익을 확보하는 것이 효과적이라고 하였다. 따라서 본 연구에서는 auxiliary bio-electrochemical reactor(ABER)의 운전을 통한 유기성 폐기물의 처리에 대한 영향을 평가하였다. 본 연구에서 AD와 BEAD 반응기는 교반기가 장착된 유효용량 20L의 아크릴 반응조를 사용하였으며 ABER의 경우 유효용량 0.8L의 아크릴 반응조를 사용하였다. BEAD와 ABER의 electrodes surface area/working volume은 각 4.2, 13.5m²/m³이며 음식물 탈리액을 기질로 사용하여 OLR을 단계적으로 증가시키며 운전하였다. AD와 ABER는 펌프를 이용하여 순환시켜 주었다. AD와 BEAD운전에서 BEAD의 경우 AD보다 빠른 안정화와 메탄발생이 가능함을 보였다. 그러나 6kg-COD/m³·d의 유기물 부하에서 AD의 경우 VFAs축적으로 인한 Alk. 및 pH저하가 발생하였고 이에 따라 COD제거율 및 CH4발생량 또한 감소하였다. 이때 ABER을 통한 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.가 안정적으로 유지되었으며 COD 제거율과 CH4발생량 또한 회복됨을 확인하였다. 다시 ABER의 운전을 중지하였을 때 유기물 제거효율은 다시 감소하였으며 pH와 Alk.또한 감소하였다. 이후 ABER의 재운전을 통해 소화조의 안정적인 운전이 가능하였으며 이후 10kg-COD/m³·d의 유기물 부하에서도 BEAD와 유사한 COD제거효율을 나타내며 안정적인 운전이 가능하였다. 이는 ABER을 통한 간접적인 전압공급이 VFAs의 빠른 제거를 통해 전체 반응조를 안정적으로 유지함에 기여하였음을 나타낸다. 직접 전압이 공급된 BEAD반응조는 높은 OLR에서도 안정적인 COD제거가 가능하였다. 반면에 AD는 8kg-COD/m³·d에서 VFAs 축적 및 pH, Alk.의 저하로 COD제거율 및 메탄 발생량이 급격히 감소하였다. ABER을 통한 간접적인 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.를 회복함을 확인하였으며 이를 통해 COD제거율 및 메탄발생량이 향상되었다. 따라서 ABER의 적용가능성을 확인하였으며, ABER의 간헐적인 운전을 통해 비상시 소화조의 안정화유지가 가능함을 확인하였다.

Three-phase CFD simulation coupled with population balance equations of anaerobic syntrophic acidogenesis and methanogenesis reactions in a continuous stirred bioreactor

H. Azargoshasb,S.M. Mousavi,T. Amani,A. Jafari,M. Nosrati 한국공업화학회 2015 Journal of Industrial and Engineering Chemistry Vol.27 No.-

Anaerobic digestion is a sequential complex biochemical process that involves a series of reactions thatare mediated by several different groups of anaerobic microorganisms. In many anaerobic digesters,syntrophic reactions are regarded as steps that limit the rate of the process. This research describes asimulation based on three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) coupled with populationbalance equations (PBE) of syntrophic (acetogenesis and methanogenesis) reactions in a continuousstirred reactor. The commercial software FLUENT 6.3 was employed to solve the governing equations. Amodel of Eulerian multiphase and k e turbulence (RNG) was formulated to simulate reaction zonehydrodynamics in the reactor with various influent concentrations of volatile fatty acids (VFAs) andhydraulic retention times (HRT). Concentration profiles of VFAs in the three-phase system displayed aheterogeneous flow pattern. Simulation results indicate that VFAs were degraded efficiently and themodel was found to be in good agreement with results of experiments, especially at low concentrationsof influent VFAs.

보조 미생물전기화학적 혐기성소화조가 고부하 운전에 미치는 영향

양현명 ( Hyeon-myeong Yang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

최근 혐기성 소화조에 전극을 결합한 미생물 전기화학적 혐기성 소화조(BEAD)는 start-up 단계에서 소화조의 빠른 안정화와 혐기성 소화조의 주요 저해 인자인 VFAs를 빠르게 처리하여 보다 높은 유기물부하에서도 안정적인 운전이 가능하다고 알려져 있으며 미량의 전압공급이 소화조 내의 전자전달 효율을 향상시켜 미생물 종 변화를 유도할 뿐만 아니라 bulk 및 bio-film의 microorganism활성도를 증가시키는 것이 다양한 연구에서 증명되었다. 그러나 이러한 BEAD의 적용을 위해서는 1)전극의 설치를 위한 기존 AD 반응조의 운전조건 파괴, 2)장기운전을 위한 전극의 내구성 및 유지 관리성 확보의 어려움, 3)경제성과 효율성을 겸비한 재질의 선정 등 경제적인 손실로부터의 극복방안이 필요하다. 다양한 선행연구에서 BEAD반응조에 지속적인 전압공급을 통한 운전보다는 전처리 및 후처리로써의 적용, 비상시 성능회복을 위한 적용, 높은 유기물 부하에서 운전의 안정성 확보를 위한 적용 등 적절한 BEAD반응조 운전을 통한 경제적 이익을 확보하는 것이 효과적이라고 하였다. 따라서 본 연구에서는 auxiliary bio-electrochemical reactor(ABER)의 운전을 통한 유기성 폐기물의 처리에 대한 영향을 평가하였다. 본 연구에서 AD와 BEAD 반응기는 교반기가 장착된 유효용량 20L의 아크릴 반응조를 사용하였으며 ABER의 경우 유효용량 0.8L의 아크릴 반응조를 사용하였다. BEAD와 ABER의 electrodes surface area/working volume은 각 4.2, 13.5m²/m³이며 음식물 탈리액을 기질로 사용하여 OLR을 단계적으로 증가시키며 운전하였다. AD와 ABER는 펌프를 이용하여 순환시켜 주었다. AD와 BEAD운전에서 BEAD의 경우 AD보다 빠른 안정화와 메탄발생이 가능함을 보였다. 그러나 6kg-COD/m³·d의 유기물 부하에서 AD의 경우 VFAs축적으로 인한 Alk. 및 pH저하가 발생하였고 이에 따라 COD제거율 및 CH4발생량 또한 감소하였다. 이때 ABER을 통한 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.가 안정적으로 유지되었으며 COD 제거율과 CH4발생량 또한 회복됨을 확인하였다. 다시 ABER의 운전을 중지하였을 때 유기물 제거효율은 다시 감소하였으며 pH와 Alk.또한 감소하였다. 이후 ABER의 재운전을 통해 소화조의 안정적인 운전이 가능하였으며 이후 10kg-COD/m³·d의 유기물 부하에서도 BEAD와 유사한 COD제거효율을 나타내며 안정적인 운전이 가능하였다. 이는 ABER을 통한 간접적인 전압공급이 VFAs의 빠른 제거를 통해 전체 반응조를 안정적으로 유지함에 기여하였음을 나타낸다. 직접 전압이 공급된 BEAD반응조는 높은 OLR에서도 안정적인 COD제거가 가능하였다. 반면에 AD는 8kg-COD/m³·d에서 VFAs 축적 및 pH, Alk.의 저하로 COD제거율 및 메탄 발생량이 급격히 감소하였다. ABER을 통한 간접적인 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.를 회복함을 확인하였으며 이를 통해 COD제거율 및 메탄발생량이 향상되었다. 따라서 ABER의 적용가능성을 확인하였으며, ABER의 간헐적인 운전을 통해 비상시 소화조의 안정화유지가 가능함을 확인하였다.

가축분뇨와 음식물류폐기물의 혼합 산발효시 산소의 유무에 따른 VFAs의 거동특성 연구

오세은,박상현,김민호,조시경 한국도시환경학회 2013 한국도시환경학회지 Vol.13 No.3

음식물쓰레기와 전처리한 폐활성슬러지의 혼합비율에 따른 생물학적 수소생산

이준철(Jun Cheol Lee),김재형(Jae Hyung Kim),최광근(Kwang Keun Choi),박대원(Dae Won Pak) 大韓環境工學會 2007 대한환경공학회지 Vol.29 No.9

본 연구는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물쓰레기와 폐활성슬러지를 처리함과 동시에 수소를 생물학적인 방법으로 생성하기 위하여 운전인자인 가용화 방법, pH, VFAs 및 음식물쓰레기와 폐활성슬러지의 최적 혼합비율을 도출하고자 하였다. 폐활성슬러지의 수소 생성량을 높이기 위해 다양한 가용화 방법을 적용하여 그에 따른 수소 수율을 비교한 결과 알칼리와 초음파처리 한 병합처리에서 4.3 mL H₂/g VSconsumed로 가장 높았으며, 음식물쓰레기와 가용화 된 폐활성슬러지를 혼합한 경우에도 병합처리 한 가용화 방법에서 수소 수율이 13.8 mL H₂/g VSconsumed로 가장 높았다. 또한 pH는 5.0∼5.5에서 운전시 가장 높은 수소 생성량을 보였으며, 음식물쓰레기와 가용화 된 폐활성슬러지의 최적 혼합비율은 2 : 1에서 수소 생성량이 5.0 L H₂/L/d로 가장 높았다. 생물학적 수소 생성이 많을수록 VFAs는 프로피온산의 농도가 낮았고, 부티르산이 아세트산보다 높은 비율로 생산되었다. In this study, Bio-hydrogen is produced from organic waste mixtures containing food waste and waste activated sludge(WAS). The effects of different operational factor on hydrogen production, including various solubilization methods for pretreatments of WAS, pH and different ratios of food waste and WAS, were investigated. The highest hydrogen production values are obtained as 4.3 mL H₂/g VSconsumed in the case of applying the mixed pre-treatments of alkali and ultrasonic. The pH value in bio-reactor increased from 4 to 8 after the ultrasonic treatment with alkali and the hydrogen yield touched its highest value in the pH range of 5.0 to 5.5. Similarly, the hydrogen production reached the level of 13.8 mL H₂/g VSconsumed using the same pre-treatment method from the mixture of food waste and WAS. The ratio of 2 : 1 produced a maximum amount of hydrogen of 5.0 L H₂/L/d. The amount of volatile fatty acids(VFAs) including acetate, propionate and butyrate, were also varied considerably. Propionate decreased consistently with rising of hydrogen while butyrate comparing to acetate relatively increased in the effluent.

Mixotrophic growth with acetate or volatile fatty acids maximizes growth and lipid production in Chlamydomonas reinhardtii

Moon, M.,Kim, C.W.,Park, W.K.,Yoo, G.,Choi, Y.E.,Yang, J.W. Elsevier B.V 2013 Algal research Vol.2 No.4

We measured the growth of and lipid production by the model microalga Chlamydomonas reinhardtii under different phototrophic, heterotrophic, and mixotrophic conditions to determine the optimal conditions for growth and biodiesel production. In particular, we examined cell growth and yield of fatty acid methyl esters (FAMEs) when C. reinhardtii was cultured in the presence of different organic carbon sources (acetate, glucose, glycerol, and sucrose). C. reinhardtii grew under various conditions, but mixotrophic cultivation was best. The greatest biomass production (2.15gL<SUP>-1</SUP> in 5days) and FAME yield (16.41% of biomass) were observed under mixotrophic cultivation with acetate (10gL<SUP>-1</SUP>). As an alternative to acetate, we additionally tested the use of volatile fatty acids (VFAs; acetic, propionic, and butyric acids), which can be inexpensively produced through fermentation of food waste. The highest FAME yield (19.02% of biomass) and biomass production (2.05gL<SUP>-1</SUP> in 5days) were obtained with 5gL<SUP>-1</SUP> of VFAs. This result indicates that VFAs can serve as an inexpensive alternative carbon source for maximizing lipid production in mixotrophic cultivation of C. reinhardtii.