Objective: Two follow-up studies (exp. 1 and 2) were conducted to determine the effects of L-glutamine (L-Gln) supplementation on degradation and rumen fermentation characteristics in vitro. Methods: First, rumen liquor from three cannulated cows was used to test L-Gln (50 mM) degradation rate and ammonia-N production at 6, 12, 24, 36, and 48 h after incubation (exp. 1). Second, rumen liquor from two cannulated steers was used to assess the effects of five levels of L-Gln including 0% (control), 0.5%, 1%, 2%, and 3% at 0, 3, 6, 12, 24, 36, and 48 h after incubation on fermentation characteristics, gas production, and degradability of nutrients (exp. 2). Results: In exp. 1, L-Gln degradation rate and ammonia-N concentrations increased over time (p<0.001). In exp. 2, pH was reduced significantly as incubation time elapsed (p<0.001). Total gas production tended to increase in all groups as incubation time increased. Acetate and propionate tended to increase by increasing glutamine (Gln) levels, whereas levels of total volatile fatty acids (VFAs) were the highest in 0.5% and 3% Gln groups (p<0.001). The branched-chain VFA showed both linear and quadratic effects showing the lowest values in the 1% Gln group particularly after 6 h incubation (p<0.001). L-Gln increased crude protein degradability (p<0.001), showing the highest degradability in the 0.5% Gln group regardless of incubation time (p<0.05). Degradability of acid detergent fiber and neutral detergent fiber showed a similar pattern showing the highest values in 0.5% Gln group (p<0.10). Conclusion: Although L-Gln showed no toxicity when it was supplemented at high dosages (2% to 3% of DM), 0.5% L-Gln demonstrated the positive effects on main factors including VFAs production in-vitro. The results of this study need to be verified in further in-vivo study.
Chung, Chong Min;Hong, Seok Won;Park, Chul Hee;Kim, Young O;Lee, Sang Hyup
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.22
no.5
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pp.571-580
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2008
The influence of bacterial stress on anaerobic hydrogen-producing microorganisms was investigated in batch tests using serum bottles. Several physical and chemical stresses (i.e., heating, adding methane producing inhibitor and chemical acidification) were adapted as a pretreament of the seed sludge. In this experiment, the cultivation temperature were set at mesophilic ($35^{\circ}C$) and thermophilic conditions ($55^{\circ}C$) with adjusting pH at 5, 6, and 7 when using the mixture of food waste and activated sludge as a substrate. In conjunction with the pretreatment, hydrogen production was significantly enhanced as compared with that from untreated sludge. However, less biogas (hydrogen and methane) was produced without the pH control, resulted from the decrease of pH to below 4, mainly due to the formation of VFAs. Hydrogen and carbon dioxide gas were analyzed as main components of the biogas while methane not detected. With an application of chemical acidification, the highest hydrogen production value of 248 ml/l/day achieved at pH 7 and $35^{\circ}C$. In addition, more hydrogen gas produced when the ratio of butyric/acetic acid ratio increased. The optimum pH and temperature for hydrogen production were found to be 7 and $35^{\circ}C$, respectively.
Fermentation of legume fodder tree leaves by rumen microorganisms was evaluated. The substrates were sun-dried, ground leaves. Gas and volatile fatty acid (VFAs) production were estimated. Using gas production as an index of fermentation at 12 h, the leaves tested ranked as follows; Chamaecytisus palmensis>Gliricidia sepium>Sebania sesban>Tephrosia bracteolate>Leucaena pallida>Vernonia amygdalina>Acacia sieberiana>Sesbania goetzei>Acacia angustissima. Using VFA production, the ranking was a follows; G. sepium>S. sesban>S. goetzei>L. pallida>C. palmensis/V. amygdalina>T. bracteolate> A. sieberiana>A. angustissima. Absolute gas or VFA production rates, were also used to rank the leaves. Extracts (70% acetone) of A. angustissima inhibited the growth of Ruminococcus albus 8, R. flavefaciens FD-1, Prevotella ruminicola D3ID and Streptococcus bovis JBI while the trowth of Selenomonas ruminantium D was depressed when 0.6 ml exracts were added. C. palmensis water extracts enhanced cellulose hydrolysis by R. flavefaciens FD-1. All extracts reduced celluloysis by R. albus 8. R. flavefaciens FD-1 hydrolyzed more (p<0.001) cellulose than R. albus 8.
The purpose of this study was to investigate the created liquid post-acid fermentation of usability of denitrification as exterior carbon sources by pH control. The time of acid fermentation of food waste, the slower loading capacity of organic matter, the faster decomposition rate, but the density of generation Volatile Fermentation Acids(VFAs), was weak and, $SBOD_{5}$ : ST-N rate and $SBOD_{5}/SCOD_{Cr}$ rate was low. Between TS and VS, VS was decreased to 4.5th day fast, and then was decreased slowly. 1.5 days after stating the experiments, $SCOD_{Cr}$, $SBOD_{5}$, STOC and $VFA_{s}$ was decreased of increased slowly, and then increased fast. And after showing the highest density, it was tended to decreased fast. At the time of $SBOD_{5}$ with the highest density, at $SBOD_{5}$ : ST-N ratio, $R_1$ was 303:1, $R_2$ was 319:1, $R_3$was the highest. After studying $SBOD_{5}$ : ST-N ratio and $SBOD_{5}/SCOD_{Cr}$ ratio, as a carbon source of biological denitrification it was profitable composition ratio.
Choung, Yoon Kyoo;Ko, Kwang Baik;Kim, Sue Jin;Yim, Seong Keun
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.10
no.3
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pp.73-82
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1996
The removal efficiencies of organic substrates, nitrogen and phosphorus in the anaerobic-aerobic biological phosphorus removal process were investigated by addition of acetic acid, propionic acid and butyric acid which are normal volatile fatty acids contained in anaerobic digester supernatants. Substrate utilization coefficients for the phosphorus release and uptake were also estimated. The effect of a VFA, which showed higher phosphorus removal efficiency than the other VFAs did, was also studied in an anaerobic-aerobic-anoxic biological nutrient removal process. For the anaerobic-aerobic process added by VFA, the phosphorus removal efficiencies were up to about 68%, 55% and 61% for the reactors of acetic acid, propionic acid and butyric acid added, respectively, which indicates the efficiencies were increased by about 8-21%, comparing to that of 47% for the reactor with no VFA added. There were no significant difference in removal efficiencies for organic substrate and $NH_3-N$ without regard to addition of VFA. However, the removal efficiency of total nitrogen was increased in the case of VFA added, since $NO_3-N$ was less produced. For the anaerobic-aerobic-anoxic process added VFA, the removal efficiencies for $NH_3-N$ and $PO{_4}^{3-}-P$ were increased by 5% and 13%, respectively, comparing with them in the reactors not added VFA.
Kim, Tae-Hyeong;Kim, Mi-Hyung;Lee, Myoung-Joo;Hwang, Sun-Jin;Eom, Hyoung-Choon
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.24
no.6
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pp.703-712
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2010
This study performed to extract operation factors of major organic wastes, which were food wastes and waste activated sludge generated in industries in order to use them as a substrate for bio-H2 production. According to the results of experimental analysis for hydrogen production capacity by various organic concentrations, the hydrogen production yield was the highest at 80 g/L, and the efficiency was improved by the pretreatment of waste activated sludge (acid treatment, alkali treatment). Hydrogen production efficiency was improved by mixing food wastes and waste activated sludge if waste activated sludge was below than 30%, however, it was decreased when it was more than 50%. The impacts of heavy metals on the hydrogen production shows that the inhibition level depends on the concentration of Cr, Zn, and Cu, Fe was able to enhance the hydrogen production.
Kim, Seon-Ho;Mamuad, Lovelia L.;Kim, Dong-Woon;Kim, Soo-Ki;Lee, Sang-Suk
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.26
no.3
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pp.558-566
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2016
Biotic agents such as fumarate-reducing bacteria can be used for controlling methane (CH4) production in the rumen. Fumarate-reducing bacteria convert fumarate to succinate by fumarate reductase, ultimately leading to the production of propionate. Fumarate-reducing bacteria in the genus Enterococcus were isolated from rumen fluid samples from slaughtered Korean native goats. The enterococci were identified as Enterococcus faecalis SROD5 and E. faecium SROD by phylogenetic analyses of 16S rRNA gene sequences. The fumarate reductase activities of the SROD5 and SROD strains were 42.13 and 37.05 mM NADH oxidized/min/mg of cellular nitrogen (N), respectively. Supplementation of rumen fermentation in vitro with the SROD5 and SROD strains produced significantly higher propionate, butyrate, and total volatile fatty acid (VFA) concentrations than controls at 12 h; VFA concentrations tended to increase after 24 h of incubation. The generated CH4 concentration was significantly lower in the SROD5 and SROD treatment groups after 24 h of incubation. These findings indicate that E. faecium SROD has potential as a direct-fed microbial additive for increasing total VFAs while decreasing CH4 production in rumen fermentation in vitro.
The variations of performance and metabolites at an early stage were investigated for the successful start-up technology in continuous fermentative hydrogen production. Unsuccessful start-up was observed when the operation mode was changed from batch to continuous mode after the yield was reached to 0.5 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ by batch mode. $H_2$ production continued till 12 hours accompanied by butyrate production, but did not last with propionate production increase. It was suspected that the failure was due to the regrowth of propionic acid bacteria during batch mode which were inhibited by heat-shock but not completely killed. Thus, successful start-up was tried by early switchover from batch to continuous operation; continuous operation was started after the $H_2$ yield was reached to 0.2 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ by batch mode. Although $H_2$ production rate decreased at an early stage, stable $H_2$ yield of 0.8 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ was achieved after 10 days by lowering down propionate production. And it was also concluded that the reason for $H_2$ production decrease at an early stage was due to alcohol production by self detoxification mechanism against VFAs accumulation.
This study was conducted to investigate the effect of thermal pre-treatment on bio-hydrogen from food waste. Two continuous reactors operated and VFAs(volatile fatty acids) production and microbial communities were analyzed. The average hydrogen yield was 0.50 and 0.33mol $H_2/mol$$hexose_{added}$ in thermally treated food added reactor(R1) and control(R2), respectively. Butyrate concentration was similarly 7,500mg/L in both reactors, but two times higher lactate concentration was observed in R2(3,800mg/L). The results of FISH(fluorescence in situ hybridization) showed that the relative microorganism to hydrogen producing bacteria was 78 and 27% in R1 and R2, respectively.
Pilot scale study was carried out to produce Volatile Fatty Acids with primary sludge from municipal wastewater treatment plant. An acid fermenter was operated at pH 9, $35^{\circ}C$, SRT of 3.5-4.25d, using a final effluent as elutriating water(Mode-I) and pH 9, SRT 5d, temperature of $35^{\circ}C$(Mode-II), $55^{\circ}C$(Mode-III), using a primarily treated water as elutriating water. Although solubilization rate was enhanced with the increase of temperature, the VFAs production rate was decreased. The VS reduction was shown approximately 56%, and the sludge volume reduction was 93%. The optimal conditions for solubilization was obtained at pH 9, $35^{\circ}C$ and SRT of 5d.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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