Organic loading optimization is the key to unlocking the VFAs potential of poultry manure during alkaline fermentation

우리가 만들어내는 폐기물이 단순히 매립지에 쌓여 있거나 이웃의 냄새를 유발하는 것이 아니라, 새로운 플라스틱이나 연료의 구성 요소와 같은 유용한 무언가로 변모하는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 **폐기물 가치화(waste valorization)**라고 불리는 과학의 흥 exciting한 영역입니다. 그 핵심에는 **혐기성 발효(anaerobic fermentation)**라는 과정이 있는데, 이는 본질적으로 고도의 기술이 적용된 퇴비화라고 할 수 있습니다. 미생물이 산소가 있는 상태에서 음식물 찌꺼기를 분해하여 흙 더미를 만드는 대신, 우리는 산소가 없는 밀폐된 탱크 안에 이를 가둡니다. 이 어둡고 공기가 없는 파티 속에서, 다양한 종류의 박테리아들이 폐기물을 먹고 화학 물질을 배출합니다. 보통 과학자들은 이 파티를 에너지로 태울 수 있는 메탄(바이오가스)을 생산하는 방향으로 유도하려고 합니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 만약 폐기물에 질소가 너무 많으면(예: 닭똥), 암모니아가 발생하는데, 이는 메탄 생성 박테리아를 질식시키는 독성 안개처럼 작용합니다.

하지만 우리가 메탄을 전혀 원하지 않는다면 어떨까요? 대신 **휘발성 지방산(VFAs)**을 원한다면 어떨까요? VFA를 박테리아가 메탄으로 변하기 전 만드는 "중간 간식"이라고 생각하십시오. 이 산들은 바이오 플라스틱부터 세정제에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 사용되는 가치 있는 화학 물질입니다. 이들은 가스보다 저장과 운송이 더 쉽고, VFA를 만드는 박테리아는 메탄 생성균보다 암모니아 "안개"에 훨씬 더 강합니다. 과학자들의 큰 질문은 다음과 같았습니다. "탱크에 투입되는 폐기물의 '군중'을 어떻게 관리해야 박테리아가 메탄을 만드는 것을 멈추고 최대한 많은 VFA를 뽑아내도록 할 수 있을까?" 여기서 **유기물 부하율(Organic Loading Rate, OLR)**이라는 개념이 등장합니다. OLR을 우리가 매일 반응기에 쏟아붓는 음식의 "속도 제한"이라고 생각할 수 있습니다. 너무 느리면 박테리아가 지루해하고, 너무 빠르면 박테리아가 압도당합니다. 완벽한 속도를 찾는 것이 이 폐기물의 잠재력을 여는 열쇠입니다.

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닭똥 챌린지: 폐기물을 황금으로 바꾸기

이 연구에서 연구진은 매우 냄새나는 문제인 가금류 분뇨(닭똥)를 해결하기로 했습니다. 닭똥은 밭을 비옥하게 하는 데는 훌륭하지만, 양이 너무 많아 폐기물 관리의 악몽이 되기도 합니다. 연구진은 알칼리성 발효(탱크를 산성보다는 약간 비누처럼 염기성 상태로 유지하는 것)라는 방법을 사용하여 이 질소가 풍부한 폐기물을 VFA로 바꿀 수 있는지 확인하고자 했습니다.

그들은 먼저 시험관 속에서 열리는 일회성 파티와 같은 일련의 "배치(batch)" 실험으로 시작했습니다. 그들은 두 가지를 알아내고자 했습니다. 박테리아 스타터와 닭똥을 어떤 비율로 섞어야 하는지(먹이 대 접종원 비율, 또는 F:I), 그리고 높은 pH(알칼리성)를 유지하는 것이 도움이 되는지 말입니다.

결과:
그들은 박테리아의 양이 똥의 양에 비해 많을 때 "파티"가 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 낮은 F:I 비율인 0.3(박테리아 1단위당 똥 0.3단위)이 가장 높은 VFA를 생산했습니다. 더욱이, pH를 9.5(상당히 알칼리성)로 조절했을 때 VFA 수율은 약 520 mg/g VS(휘발성 고형물 1g당 VFA mg)까지 급격히 높아졌습니다. 알칼리 조건은 슈퍼차저처럼 작용하여, 단단한 닭똥을 분해하는 것을 돕고 메탄 생성균이 VFA를 수집하기 전에 먹어치우는 것을 막아주었습니다. 흥 흥미롭게도, 닭똥을 더 많이 넣으면(높은 F:I 비율) 시스템의 효율이 떨어져 오히려 VFA 생산이 줄어든다는 것을 발견했습니다.

장거리 경주: 완벽한 속도 제한 찾기

작은 테스트에 만족한 팀은 더 큰 규모의 반연속 반응기(지속적으로 가동되는 3리터 탱크)로 이동했습니다. 여기서 그들은 매일 시스템에 공급할 닭똥의 양인 완벽한 **유기물 부하율(OLR)**을 찾고자 했습니다. 그들은 173일에 걸쳐 단계적으로 음식의 양을 서서히 늘려가며 시작했습니다.

여정:

• 초기 단계 (OLR 2–6 g VS L⁻¹ d⁻¹): 낮은 속도에서 시스템은 행복했습니다. 적당한 양의 메탄을 생산했으며, 암모니아 수치(독성 안개)도 관리 가능한 수준이었습니다.
• 전환점 (OLR 7–8 g VS L⁻¹ d⁻¹): 속도를 8 g VS L⁻¹ d⁻¹까지 높이자 놀라운 일이 일ox어났습니다. 암모니아 수치가 메탄 생성균에게 너무 높아지면서 메탄 생산량이 거의 제로로 급락했습니다. 하지만 시스템이 실패하는 대신, VFA 생산량은 폭발적으로 증가했습니다! VFA 농도는 약 1,100 mg/L에서 정점일 때 무려 9,726 mg/L까지 치솟았습니다!
• 한계 (OLR 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹): 속도를 아주 조금 더 높여 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹까지 밀어붙이자, 시스템은 다시 힘들어하기 시작했고 VFA 수치도 떨어지기 시작했습니다.

결론:
연구진은 연속 시스템에서 닭똥을 VFA로 바꾸는 "골디락스(딱 적당한)" 속도는 8 g VS L⁻¹ d⁻¹라고 결론지었습니다. 이는 생산을 극대화할 만큼 충분히 빠르면서도 시스템이 붕괴되지 않을 정도의 속도입니다.

미생물 파티의 불청객들

이 현상이 왜 일어났는지 이해하기 위해 과학자들은 탱크 속에 살고 있는 미세한 생물들을 관찰했습니다. 그들은 속도가 증가함에 따라 박테리아 군집이 극적으로 변한다는 것을 발견했습니다.

• 승자들: 높은 속도(OLR 8)에서 데설포스피로시누스(Desulfosporosinus)(황산염 환원 박테리아)라는 강인한 박테리아 그룹이 주도권을 잡았으며, 전체 인구의 거의 **19%**까지 성장했습니다. 이들은 미생물 세계의 거친 형님들과 같습니다. 메탄 생성균이 살아남을 수 없는 고스트레스, 고암모니아 환경에서도 번성합니다. **박테로이데스(Bacteroides)**와 스페로카에타(Sphaerochaeta) 같은 다른 박테리아들도 단단한 닭똥을 더 빨리 분해하는 데 도움을 주었습니다.
• 패자들: 메탄을 만들기 위해 협력하는 일반적인 박테리아들인 **세디멘티박터(Sedimentibacter)**와 **신트로포모나스(Syntrophomonas)**는 사라졌습니다. 그들은 높은 부하율의 스트레스를 견뎌내지 못했습니다.
• 메탄 생존자들: 남아있는 소수의 메탄 생성균은 주로 매우 강인한 것으로 알려진 메타노사르시나(Methanosarcina) 속이었습니다. 실험이 끝날 무렵, 이들은 고균(archaea) 공동체의 97% 이상을 차지했지만, 이들조차 VFA 생산으로의 전환을 막지는 못했습니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 우리가 닭똥의 암모니아와 싸울 필요가 없음을 시사합니다. 오히려 그것을 우리에게 유리하게 이용할 수 있습니다. 특정 높은 속도(8 g VS L⁻¹ d⁻¹)로 발효를 진행하고 알칼리성 환경을 유지함으로써, 메탄 생산을 차단하고 폐기물을 가치 있는 화학 자원으로 바꿀 수 있습니다. 이 연구는 적절한 "속도 제한"과 약간의 알칼리성 조건이 뒷받end된다면, 가금류 분뇨가 단순한 폐기물이 아니라 바이오 기반 화학 물질을 위한 잠재적인 공장이 될 수 있음을 보여줍니다. 다만, 저자들은 속도를 너무 높게 밀어붙이면(예: 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹) 시스템이 불안정해질 수 있으므로, 향후 실제 응용을 위해서는 정밀한 균형을 찾는 것이 매우 중요하다고 언급했습니다.