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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.31 No.7 pp.609-616
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2022.31.7.609

Improving Anaerobic Digestion of Polyhydroxybutyrate by Thermal-Alkaline Pretreatment

Le Thi Nhu Trang, Joonyeob Lee*
Division of Earth Environmental System Science (Major of Environmental Engineering), Pukyong National University, Busan 48513, Korea
*Corresponding author: Corresponding author: Joonyeob Lee, Division of Earth Environmental System Science (Major of Environmental Engineering), Pukyong National University, Busan 48513, Korea Phone: +82-51-629-6525 E-mail: Leejy@pknu.ac.kr
06/05/2022 23/05/2022 25/05/2022

Abstract


In this study, the effect of different reaction times for thermal-alkaline pretreatment on the solubilization and biogasification of polyhydroxybutyrate (PHB) were evaluated. Thermal-alkaline pretreatment tests were performed at 73 °C and pH 13 at 0-120 h reaction times. The mesophilic anaerobic batch tests were performed with untreated and pretreated PHB samples. The increase in the pretreatment reaction time results in a 52.8-98.8% increase of the abiotic solubilization efficiency of the PHB samples. The reaction time required to achieve solubilization efficiencies of 50%, 90%, and 95% were 10.5, 52.0, and 89.6 h, respectively. The biogasification of the untreated PHB samples achieved a specific methane production rate of 3.6 mL CH4/g VSS/d and require 101.3 d for complete biogasification. The thermal-alkaline pretreatment significantly improved specific methane production rate (10.2-16.0 time increase), lag time (shortened by 76-81%), and time for complete biogasification (shortened by 21-83%) for the biogasification of the PHB samples when compared to those of the untreated PHB samples. The improvement was higher as the reaction time of the thermal-alkaline pretreatment increased. The findings of this study could be used as a valuable reference for the optimization of the biogasification process in the treatment of PHB wastes.



열-알칼리성 전처리에 따른 폴리하이드록시부티레이트의 혐기성 소화 개선 효과 조사

Le Thi Nhu Trang, 이 준엽*
부경대학교 지구환경시스템과학부(환경공학전공)

    1. 서 론

    플라스틱은 다양한 산업분야에 활용되고 있는 고 분자화합물로 전 세계 연간 플라스틱 생산량은 1950 년부터 지속적으로 증가하여 2020년 기준 3억 6,700 만톤으로 추정되고 있다(PlasticsEurope, 2021). 플라 스틱 생산량의 39.5%는 포장재 등 다양한 일회용 물 품에 활용되며 이는 다량의 플라스틱 쓰레기 발생으 로 귀결되고 있으며, 기존 비생분해성 플라스틱 쓰레 기는 단순 매립을 통해서는 분해가 용이하지 않아 처 리에 어려움이 있는 실정이다(Horton et al., 2017). 이에 생분해성 플라스틱은 일회용 물품, 소비재 및 다양한 산업 분야에 걸쳐 기존 플라스틱의 잠재적인 대안으로 각광받고 있다.

    폴리하이드록시부티레이트(polyhydroxybutyrate, PHB)는 생분해성 고분자화합물로 기존의 비생분해성 플라스틱의 대체재로 포장 및 소비재, 화학, 섬유를 비롯한 다양한 응용분야에서 전 세계적으로 널리 사 용되고 있다(European Bioplastics, 2019; Sirohi et al., 2020). 미국 및 일본의 경우 연간 272,000 톤, 50,000 톤의 PHB가 상업적 목적으로 합성되고 있다. COVID-19 팬데믹으로 비대면 소비 및 생활, 의료 용 물품 소비가 급증함에 따라 생분해성 플라스틱 쓰 레기의 발생량 또한 급증하여 이를 효과적으로 처리 하기 위한 기술 연구가 필요한 상황이다.

    혐기성 소화는 유기성 폐기물 처리와 에너지원으 로 활용가능한 바이오가스 생산을 동시에 달성할 수 있는 생물학적 처리 공정으로 생분해성 플라스틱 처 리의 주요 대안 중 하나로 고려된다. 혐기성 소화는 가수분해, 산생성, 초산생성 및 메탄생성의 총 4가지 의 순차적 반응단계를 통해 유기성 고분자 물질을 가 스상 물질인 메탄과 이산화탄소로 전환 가능한 생물 학적 복합 반응이다. 이 중 고분자를 포함한 복잡한 물질이 용존 가능한 형태인 단순한 단량체로 분해되 는 반응인 가수분해는 생분해성 플라스틱의 혐기성 소화를 위한 속도 제한 단계로, 생분해성 플라스틱의 고율 바이오가스화를 위해서는 가수분해 전처리 방법 에 대한 관련 기초 연구가 필요하다(Mu et al., 2021). 고온 또는 염기성 조건에서의 전처리를 통해 중합체인 PHB를 혐기성 소화 분해가 용이한 크로톤 산, 3-하이드록시부티르산 등의 단량체로 변환이 가 능한 것으로 보고되고 있으나, 고온, 알칼리 복합 전 처리를 통한 PHB 가용화 및 바이오가스화에 대한 연구는 제한적으로 보고되고 있다(Yu et al., 2005). 이에 본 연구에서는 열-알칼리성 복합 전처리의 반 응시간에 따른 PHB의 가용화율 및 바이오가스화에 대한 개선 효과를 실험적으로 평가하고자 한다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 재료 및 장치

    본 연구의 PHB는 지름 5 mm의 PHB 그래뉼 (Goodfellow)을 구입하여 사용하였다. 열-알칼리 복합 전처리 실험을 위해 각 1.5 mL e-tube (Axygen)에 0.1 g의 PHB 그래뉼과 목표 pH 조건 을 맞추어 준 탈이온수, 3N NaOH 혼합 용액을 넣어주었다. Heating block이 장착된 dry bath incubator (Labtron)를 사용하여 반응시간을 변수 로 하여 수행하였다. 회분식 혐기성 소화 실험을 위한 미생물 접종원은 실규모 슬러지 혐기성 소화 조 시료를 채취하여 사용하였다. 미량원소 및 비타 민 등을 보충해주기 위해 문헌에 따라 혐기성 배 지를 제조하여 회분식 혐기성 소화 실험에 사용하 였다(Le and Lee, 2021). 혐기성 배지 제조에 사용 된 탈이온수는 Direct-Q 정제수시스템(Millipore) 에서 채수하여 사용하였다. 혐기성 반응기는 80 mL 혐기성 배양 유리병(Lklab)을 사용하였다.

    2.2. 실험방법

    본 연구에서는 열-알칼리성 복합 전처리의 반응시 간에 따른 PHB의 가수분해율을 평가하고, 회분식 혐 기성 소화 반응기 실험을 통해 전처리에 따른 시료의 혐기성 소화 시 메탄생산에 대한 개선 효과를 조사하 고자 하였다. 열-알칼리성 복합 전처리 실험의 경우, 기존 문헌에서 생분해성 플라스틱 중 하나인 polylactic acid (PLA)의 가용화에 효과적인 것으로 보고된 조건과 유사한 73℃와 pH 13 조건을 적용하 였다(Cazaudehore et al., 2022). 열적, 알칼리성 복 합 전처리의 반응시간은 0 h, 12 h, 24 h, 36 h, 48 h, 96 h, 120 h로 설정하여 적용하였다(Table 1). 각 기 전처리된 시료를 대상으로 한 회분식 혐기성 소화 반응기 실험을 수행하였다. 유리 반응기(유효체적: 80 mL)에 각기 전처리된 시료, 혐기성 배지와 접종 원을 투입해주었다. 최종적으로 투입 기질과 접종원의 농도가 1.6 g chemical oxygen demand (COD)/L와 3 g volatile suspended solids (VSS)/L가 되도록 적 정량의 기질 및 접종원을 투입해주었다. 반응기 내 혼 합액의 pH는 3N HCl, 3N NaOH를 투입해주어 pH 7로 조절해주었다. 반응기에 질소, 이산화탄소 혼합가 스(N2:CO2, 8:2)를 주입해주어 잔류 산소를 제거해주 었다. 모든 회분식 반응기 실험은 인큐베이터에서 3 7℃ 조건으로 수행되었다.

    회분식 반응기의 바이오가스 생산량은 10 mL 유리 주사기를 사용하여 정기적으로 측정하였다. 채취된 바 이오가스의 메탄, 이산화탄소, 질소 조성은 가스크로마 토그래피(Agilent)를 사용하여 측정하였다. 대상 시료 의 pH, Total Suspended Solids (TSS) 및 volatile sus pended solids (VSS)는 Standard Methods의 분석법을 참고하여 분석하였다(APHA-AWWA-WEF, 2005).

    전처리에 의한 PHB의 가용화율은 전처리 전, 후 의 시료 내 TSS량 변화를 고려하여 아래 수식을 통 해 계산하였다.

    JESI-31-7-609_EQ1.gif
    (1)

    여기서, TSS1은 전처리 전 PHB 시료의 TSS량, TSS2은 전처리 후 PHB 시료의 TSS량을 의미한다.

    전처리 반응 시간과 가용화율 간의 관계는 3모수 로지스틱 모델을 활용하여 평가하였다.

    JESI-31-7-609_EQ2.gif
    (2)

    여기서, t는 전처리 반응시간, t50는 가용화율 50%일 때 필요한 전처리 반응시간, h는 중간점에서 의 기울기를 의미한다.

    회분식 반응기 실험의 메탄생산속도와 지연시간은 시간에 따른 누적 메탄생산량 결과를 modified Gompertz model에 대입하여 추정하였다(Zwietering et al., 1990).

    JESI-31-7-609_EQ3.gif
    (3)

    여기서, MCH4(t)는 시간에 따른 메탄생산량, PCH4 는 최종 메탄 수율, SMPR은 비메탄생산속도, λ는 지연시간(lag time), t는 회분식 배양시간이다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 열-알칼리성 전처리의 반응 시간에 따른 PHB의 가용화 효율 평가

    본 연구에서는 열-알칼리성 복합 전처리(73℃, pH 13)의 반응시간에 따른 PHB의 가용화 효율을 실험을 통해 평가하였다(Fig. 1). 전처리를 가하지 않 은 대조군 PHB 시료와 비교 시, 모든 실험군 PHB 시료는 유의미한 수준(52.8~98.8%)의 가용화 반응이 관측되었다.

    3모수 로지스틱 모델을 활용한 회귀분석을 통해 대상 열-알칼리성 복합 전처리의 반응시간과 PHB 가용화율 간의 관계를 수식화하였으며, 이는 다음 식 (4)와 같이 표현할 수 있다(r2 = 0.9944; Fig. 1b).

    JESI-31-7-609_EQ4.gif
    (4)

    반응시간이 증가함에 따라 가용화율의 증가 수준 은 점차 완만해지는 것으로 나타났다. 식 (4)를 통해, 가용화율 50%, 90%, 95%를 달성하는데 필요한 반 응시간(t50, t90, t95)은 각각 10.5 h, 52.0 h, 89.6 h인 것으로 계산되었다. 최근 연구결과에 따르면, 대 표적인 생분해성 플라스틱 중 하나인 PLA의 경우 열 -알칼리성 복합 전처리(70℃, pH 13)를 48시간 반 응시켜주었을 때, 56%의 가용화율을 달성한 것으로 보고되었다(Cazaudehore et al., 2022). 이는 PHB의 경우 PLA보다 열-알칼리성 전처리법으로 더 효과적 으로 가용화될 수 있음을 의미한다.

    3.2. 열-알칼리성 전처리의 반응 시간에 따른 PHB의 바이오가스화 영향 평가

    본 연구에서는 열-알칼리성 복합 전처리의 반응시 간에 따른 PHB의 바이오가스화에 대한 영향을 회분 식 혐기성 소화 반응기 실험을 통해 평가하였다(Fig. 2). 메탄수율은 평균적으로 370.6 ± 8.1 mL CH4/g COD인 것으로 확인되었다. 본 실험 결과를 통해 열 -알칼리성 복합 전처리 및 이의 반응시간이 PHB의 혐기성 소화 반응에 따른 메탄수율에는 유의미한 차 이를 유발하지 않는 것을 확인하였다. 또한 실험적 메탄수율값이 이론적 메탄수율값의 약 93% 수준인 것으로 나타나, 일반적인 혐기성 소화 미생물의 수율 이 5~10% 수준임을 감안할 때, 투입된 대부분의 PHB가 성공적으로 혐기성 소화되어 바이오가스로 전 환된 것으로 평가된다(Gavala et al., 2003). 본 연구 에서 대조군 PHB시료의 비메탄생산속도는 3.6 mL CH4/g VSS/d로 문헌상의 전처리를 가해주지 않은 PLA 시료의 비메탄생산속도인 1.5 mL CH4/g VS/d 보다 유의미하게 빠른 것으로 나타난 결과를 볼 때, PHB의 혐기성 소화가 PLA보다 상대적으로 더 용이 한 것으로 평가된다(Cazaudehore et al., 2022).

    한편, 본 연구의 PHB 바이오가스화 중 메탄생성 지연시간, 비메탄생산속도, 총 회분식 바이오가스화 반응시간에 대해서는 열-알칼리성 복합 전처리를 가 해줬을 시, 유의미한 개선 효과가 관측되었다(Fig. 3). 전처리를 가하지 않은 대조군 PHB 시료의 바이오가 스화의 경우 유의미한 수준의 메탄이 생성될 때까지 8.7일의 지연시간이 소요되었으나, 전처리를 가해준 실험군의 경우 12~120 h의 전처리 반응시간 조건 (T12~T120)에서 반응시간과 관계없이 메탄생성 지 연시간이 대조군 대비 76~81% 가량 단축되는 것으 로 관측되었다(Fig. 3a). 이는 다시 말해, 열-알칼리성 복합 전처리를 통해 PHB가 가용화되며 바이오가스화 반응에 용이한 유기물질로 분해되었음을 의미한다. 비메탄생산속도의 경우, 대조군 대비 T12조건에서는 10.2배, T24~T120조건에서는 13.6~16.0배 가량 개 선되는 것으로 관측되었다(Fig. 3b). 이를 통해, 대상 열-알칼리성 복합 전처리로 PHB시료의 최대 비메탄 생산속도를 달성하기 위해서는 24시간 이상의 전처 리 반응시간이 필요한 것으로 확인되었다. 본 연구의 T24~T120조건의 비메탄생산속도는 48.7~57.1 mL CH4/g VSS/d로 본 연구와 동일 소화조의 시료를 접 종원으로 실험한 아세트산이용성 비메탄생산속도 문 헌 결과(49.0 mL CH4/g VSS/d)와 유사한 수준인 것으로 미루어 볼 때, 24시간 이상의 열-알칼리성 전처리를 가해준 시료의 바이오가스화의 경우 가수분 해 반응이 더 이상 율속단계로 작용하지 않는 것으로 평가된다 (Lee et al., 2021). 본 연구의 전처리와 유 사 조건의 열-알칼리성 복합 전처리(70℃, pH 13, 48 h)를 가해준 PLA 시료의 바이오가스화의 비메탄 생산속도 문헌값(49.5 mL CH4/g VS/d) 또한 유사 한 수준인 것은 PHB와 PLA 모두 열-알칼리성 복합 전처리를 통해 가용화 단계가 효과적으로 개선 가능 함을 의미하며, 바이오가스화를 통한 처리가 용이해 짐을 의미한다(Cazaudehore et al., 2022).

    PHB시료의 총 회분식 바이오가스화 반응의 100%, 90%, 50%가 달성되는데 필요한 시간(t100, t90, t50)은 대조군의 경우 각각 101.3일, 89.2일, 39.2일이 소요되는 것으로 확인되었으며, T12조건부 터 T120조건까지 전처리 반응시간이 증가함에 따라 회분식 바이오가스화에 필요한 반응시간이 단축되는 것으로 나타났다(Fig. 3c). T24조건에서는 t100, t90, t50이 71.2일, 12.0일, 3.9일로 대조군 대비 30%, 87%, 90%가 단축되는 것으로 확인되었다. 기존 문 헌에서 55℃, pH 12 조건의 열-알칼리성 복합 전처 리를 24시간 가해준 PHB시료의 경우 바이오가스화 시 t90에 약 40일이 소요된 것으로 보고된 결과와 비교해볼 때, 본 연구의 상대적 높은 온도와 pH 조 건(73℃, pH 13)의 전처리가 PHB의 바이오가스화 반응시간을 획기적으로(~70%) 단축시키는데 기여한 것으로 평가된다(Benn and Zitomer, 2018). 본 연구 의 최장 전처리 반응시간으로 처리된 PHB시료의 바 이오가스화 조건인 T120조건에서 회분식 바이오 가스 화에 필요한 반응시간(t100, t90, t50)이 가장 단축되 는 것으로 관측되었다(각각 17.2일, 7.2일, 3.9일로 대조군 대비 83%, 92%, 90% 단축).

    열-알칼리성 복합 전처리에 의한 가용화율과 회분 식 바이오가스화 반응기 실험의 비메탄생산속도 및 회 분식 바이오가스화 반응시간 간의 상관관계를 도출하 고자 피어슨 상관관계 분석을 수행하였다(Fig. 4). 그 결과, 비메탄생산속도 및 t90 모두 가용화율과 유의미 한 상관관계를 띄는 것으로 판별되었다(p < 0.05).

    전처리에 의한 가용화율과 비메탄생산속도의 양의 상관관계 결과, 그리고 가용화 PHB시료의 바이오가스 화 실험에서 비메탄생산속도가 전처리를 가하지 않은 대조군 대비 13.6~16.0배 가량 개선되는 결과 및 관 련 문헌들을 종합해볼 때, PHB시료의 가용화, 가수분 해 반응이 PHB의 바이오가스화 반응의 율속단계임을 확인할 수 있었으며, 이는 열-알칼리성 복합 전처리 (73℃, pH 13)를 통한 PHB 가용화를 통해 획기적으 로 개선 가능함을 확인하였다. 또한 전처리 반응시간 증가에 따라 가용화율이 증가하며, 이는 PHB의 바이 오가스화의 메탄생산속도 증가 및 반응시간 단축으로 귀결됨을 확인하였다. PHB의 가용화를 더 짧은 전처 리 반응시간 내에 효과적으로 달성하기 위해서는 다음 과 같은 두 가지의 개선 방안이 고려될 수 있다. 첫 번째로, 물리적 전처리를 통해 PHB시료의 평균 입자 크기를 줄여준다면 가용화 반응을 위한 표면적 증가로 열-알칼리성 복합 전처리에 의한 가용화 반응이 개선 될 것으로 예상된다(Garcia-Depraect et al., 2022). 두 번째로, 열-알칼리성 복합 전처리에서 반응 온도를 더 증가시켜 준다면 PHB의 알칼리성 분해반응이 가 속화되어 더 짧은 반응시간 내에 높은 가용화 효과를 달성할 수 있을 것으로 예상된다(Li et al., 2017). 이 와 같은 개선 방안들은 추후 추가적인 실험을 통해 검 증이 필요할 것이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 73℃, pH 13 조건의 열적, 염기성 복합 전처리의 반응시간에 따른 PHB의 가용화율 및 바이오가스화에 대한 효과를 실험적으로 조사하여, PHB의 바이오가스화 개선을 위한 해당 전처리법의 활용 가능성을 평가하고자 하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.

    • 1) 열-알칼리성 복합 전처리를 통해 PHB가 52. 8~98.8% 가용화율이 달성되었으며, 이는 반응시간이 증가함에 따라 증가하는 것으로 관측되었다. 3모수 로지스틱 모델을 활용하여 열-알칼리성 복합 전처리 의 반응시간과 PHB 가용화율 간의 관계를 성공적으 로 수식화하였다. 가용화율 50%, 90%, 95%를 달성 하는데 필요한 전처리 반응시간(t50, t90, t95)은 각 각 10.5h, 52.0h, 89.6h인 것으로 평가되었다.

    • 2) 열-알칼리성 복합 전처리를 통해 PHB의 바이 오가스화 반응이 개선됨을 실험적으로 확인하였다. 대조군 대비 메탄생성 지연시간은 76~81% 가량 단 축되고, 비메탄생산속도는 10.2~16.0배 가량 개선되 는 것으로 관측되었다. 총 회분식 바이오가스화 반응 시간은 83% 가량 단축되었다. 다음과 같은 개선 효 과는 열-알칼리성 전처리의 반응시간이 증가할수록 함께 증가되는 추세가 관측되었다. 결론적으로, 전처 리 반응시간 증가에 따라 가용화율이 증가하며, 이는 PHB의 바이오가스화의 메탄생산속도 증가 및 반응시 간 단축으로 귀결되는 것으로 나타났다.

    본 연구를 통해 일회용 물품, 소비재 및 다양한 분 야의 생활폐기물로 발생되는 대표적인 생분해성 플라 스틱인 PHB의 바이오가스화 개선을 위한 열-알칼리 성 복합 전처리의 효능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구의 결과는 PHB폐기물의 바이오가스화 공정 개발 을 위한 기초자료로 활용 가능할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입 니다(No. 2021R1C1C1009122). 또한 본 연구는 환 경부의 폐자원에너지화 전문인력양성사업으로 지원되 었습니다(YL-WE-21-002).

    Figure

    JESI-31-7-609_F1.gif

    (a) Total suspended solids (TSS) concentrations and (b) solubilization efficiency of PHB samples by different reaction time of the thermal-alkaline pretreatment.

    JESI-31-7-609_F2.gif

    Methane production of anaerobic batch tests fed with the PHB and pretreated PHB samples.

    JESI-31-7-609_F3.gif

    (a) lag time (λ), (b) specific methane production rate (MPR), (c) batch incubation time required to reach 100%, 90%, and 50% of total CH4 production (t100, t90, t50, respectively) in the anaerobic batch tests fed with the PHB and pretreated PHB samples.

    JESI-31-7-609_F4.gif

    Pearson correlations of solubilization efficiency with (a) MPR and (b) t90.

    Table

    Experimental design

    Reference

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