This study was performed to investigate the application of dark $H_2$ fermentation to two-stage bioprocesses for organic waste treatment and energy production. We reviewed information about the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, microbial fuel cells (MFCs), or microbial electrolysis cells (MECs) by using academic information databases and university libraries. Dark fermentative bacteria use organic waste as the sole source of electrons and energy, converting it into $H_2$. The reactions related to dark $H_2$ fermentation are rapid and do not require sunlight, making them useful for treating organic waste. However, the degradation is not complete and organic acids remain. Thus, dark $H_2$ fermentation should be combined with a post-treatment process, such as $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs. So far, dark $H_2$ fermentation followed by $CH_4$ fermentation is a promising two-stage bioprocess among them. However, if the problems of manufacturing expenses, operational cost, scale-up, and practical applications will be solved, the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs have also infinite potential in organic waste treatment and energy production. This paper demonstrated the feasibility of two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation as a novel system for organic waste treatment and energy production.
Solubilization of domestic household waste through Steam explosion with Subsequent ethanol production by the microbial saccharifitation and fermentation of the exploded product was studied. The effects of steam explosion on the changes of the density, viscosity, pH, and amounts of extractive components in artificial household waste were determined. The composition of artificial waste used was similar to leftover waste discharged from a typical home in Japan. Consecutive microbial saccharification and fermentation, and simultaneous microbial saccharification and fermentation of the Steam-exploded product were attempted using Aspergillus awamori, Trichoderma viride, and Saccharomyces cerevisiae; the ethanol yields of each process were compared. The highest ethanol yield was obtained with simultaneous microbial saccharification and fermentation of exploded product at a steam pressure of 2 MPa and a steaming time of 3 min.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition
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v.26
no.5
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pp.794-799
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1997
The effective fermentation methods of Kimchi juice for utilization of outer layer of Chinese cabbage, an waste of Kimchi industry were studied. The Kimchi juice prepared with brining and grinding the waste of Chinese cabbage and addition of spices was fermented at $25^{\circ}C$. Addition of 5$^{\circ}C$15% fermented Kimchi juice of pH 5.4 at initial stage and pH 4.4 at middle state resulted in a significant increase in fermentation rate and solid content after 12 hours of fermentation. The combined method of enzymatic hydrolysis(0.1% viscozyme) of the brined and ground cabbage and addition of 2.0% NaCl, 1.0% sucrose and 10% fermented juice of pH 5.4 first and 4.4 during fermentation, respectively resulted in more rapid fermentation. The solid concentration was 5 times higher than control at maximum point and acidic and total flavor intensity were also significantly high.
Since 2005, food waste has been separately collected and recycled to animal feed or aerobic compost in South Korea. However, the conventional recycling methods discharge process wastewater, which contain pollutant equivalent to more than 50% of food waste. Therefore, anaerobic digestion is considered as an alternative recycling method of food waste to reduce pollutant and recover renewable energy. Recent studies showed that hydrogen can be produced at acidogenic stage in two-stage anaerobic digestion. In this study, the authors investigated the effects of pretreatment time and pH low set value on continuous mesophilic hydrogen fermentation of food waste. Food waste was successfully converted to $H_2$ when heat-treated at $70^{\circ}C$ for 60 min, which was milder than previous studies using pH 12 for 1 day or $90^{\circ}C$. Organic acid production dropped operational pH below 5.0 and caused a metabolic shift from $H_2/butyrate$ fermentation to lactate fermentation. Therefore, alkaline addition for operational pH at or over 5.0 was necessary. At pH 5.3, the result showed that the maximum hydrogen productivity and yield of 1.32 $m^3/m^3$.d and 0.71 mol/mol $carbohydrate_{added}$. Hydrogen production from food waste would be an effective technology for resource recovery as well as waste treatment.
This study explores the environmentally innovative and low-impact technology, a zero food waste system (ZFWS) that utilizes food waste and converts it into composts or biofuels and curtails carbon emissions. The ZFWS not just achieves food waste reductions but recycles food waste into fertilizer. Based on a fermentation-extinction technique using bio wood chips, the ZFWS was employed in a field experiment of the system installed in a large-scale apartment complex, and the performance of the system was examined. The on-site ZFWS consisted of three primary parts: 1) a food waste slot into which food waste was injected; 2) a fermentation-extinction reactor where food waste was mixed with bio wood chips made up of complex enzyme and aseptic wood chips; and 3) deodorization equipment in which an ultraviolet and ozone photolysis method was employed. The field experiment showed that food waste injected into the ZFWS was reduced by 94%. Overall microbial activity of the food waste in the fermentation-extinction reactor was measured using adenosine tri-phosphate (ATP), and the degradation rate of organic compounds, referred to as volatile solids, increased with ATP concentration. The by-products generated from ZFWS comply with the national standard for organic fertilizer.
The growth and bioconversion potential of selected strains growing on cassava waste substrate during solid state fermentation were assessed. Rhizopus stolonifer showed the highest and the fastest utilization of starch and cellulose in the cassava waste substrate. It showed 70% starch utilization and 81% cellulose utilization within eight days. The release of reducing sugars indicating the substrate saccharification or degradation potential of the organisms reached the highest value of 406.5 mg/g by R. stolonifer on cassava waste during the eighth day of fermentation. The protein content was gradually increased (89.4 mg/g) on the eighth day of fermentation in cassava waste by R. stolonifer. The cellulase and amylase activity is higher in R. stolonifer than A. niger and P. chrysosporium. The molecular mass of purified amylase and cellulase seemed to be 75 KDal, 85 KDal respectively.
This study was conducted to investigate the effect of heat treatment on the start-up performance for anaerobic hydrogen fermentation of food waste. The result showed that hydrogen production was $0.61{\pm}0.31$ mol $H_2$/mol hexose with heat-treatment of food waste at $70^{\circ}C$ for 60 min whereas it was $0.36{\pm}0.31$ mol $H_2$/mol hexose without heat-treatment of one. The heat treatment of food waste enhanced hydrogen yield due probably to the increase of hydrolysis as well as the decrease of non-hydrogen fermentation microorganisms. The removal efficiency of carbohydrate in reactors regardless of heat treatment of food waste maintained over 90%. The hydrogen conversion efficiency from food waste was 1.7-6.3% with heat-treatment whereas it was 0.7-4.5% without heat-treatment. At the time of switchover from batch to continuous operation, lactate concentration was high compared to the n-butyrate concentration in anaerobic hydrogen fermentation reactor without heat-treatment. Anaerobic hydrogen fermentation of food waste with heat treatment was stable in start-up periods because lactate concentration could be maintained at a relatively low compared to n-butyrate concentration due to the decrease of non-hydrogen fermentation microorganisms.
Food waste can be a valuable carbon source in biological nutrient removal (BNR) systems because of high C/N and C/P ratios. However, food waste should be pretreated to promote its hydrolysis rate because hydrolysis reaction would be a rate-limiting step. This study investigates the influence of the enzymatic pretreatment on acid fermentation of food waste. Solubilization of particulate matter in food waste by using commercial enzymes was examined. The acidification efficiency and the volatile fatty acids (VFAs) production potential of enzymatically pretreated food waste were also examined. The highest volatile suspended solids (VSS) reduction was obtained with an enzyme mixture ratio of 1:2:1 of carbohydrase:protease:lipase. An optimum enzyme dosage for solubilization of food waste was $0.1\%$(V/V) with the enzyme mixture ratio of 1:2:1. In the acid fermentation of enzymatically pretreated food waste, $0.1\%$(V/V) enzyme mixture dosage for pretreatment result in the maximum VFAs production and the best VFAs fraction in soluble COD(SCOD). The VFAs production at this addition level was 3.3 times higher than that of no-enzyme added fermenter. The dominant VFAs present was n-butyrate followed by acetate.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.4
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pp.363-368
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2010
The overall indicator of microbial activity in the fermentation-extinction reaction of food waste by using bio wood-chips were investigated by considering adenosine tri-phosphate(ATP). Degradation rate of organic compounds, which was represented by chemical oxygen demand(COD) and total nitrogen(TN), was increased with the concentration of adenosine tri-phosphate during fermentation-extinction reaction of food waste by using bio-wood chips. With this view, the ATP would be one of the overall evaluation indicator of organic degradation in the species of bio-wood chip for the fermentation-extinction of food waste.
The solid waste of sago industry using cassava was fermented by Aspergillus niger, Aspergillus terreus and Rhizopus stolonifer in solid state fermentation. Cassava waste contained 52 per cent starch and 2.9 per cent protein by dry weight. The amylase activity was maintained at a high level and the highest amylase activity was observed on the $8^{th}$ day in R. stolonifer mediated fermentation. R. stolonifer was more efficient than Aspergillus niger and Aspergillus terreus in bioconverting cassava waste into fungal protein (90.24 mg/g) by saccharifying 70% starch and releasing 44.5% reducing sugars in eight days of solid state fermentation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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