지구를지키조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 미세조류를 이용한 바이오디젤의 최적 생산공정 연구
영문 : Research on the optimal production process for biodiesel using microalgae
과제 팀명
지구를지키조
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
화학공학과 2013340032 이** (팀대표) 화학공학과 2013340046 정** 화학공학과 2016340025 윤** 생명과학과 2018560028 정**
서론
개발 과제의 개요
미세조류를 이용한 바이오 연료의 최적 생산공정에 대해 연구하기 위해 미세조류를 탐색하고, 이를 연료로 전환하는 공정과 미세조류를 배양하고 이를 수확하는 공정으로 나누어서 각각의 최적화된 공정에 대한 아이디어를 제시한다.
개발 과제 요약
미세조류를 이용한 바이오디젤의 생산공정을 최적화하기 위해 각 네가지 공정에서 통합 및 효율성 극대화를 할 수 있는 부분을 찾고, 해결방안을 통해 미세조류 바이오디젤의 가격성을 개선하는 하나의 방안을 마련하고자 한다.
개발 과제의 배경
◇ 바이오 에너지란 유기성 폐기물로 얻어지는 에너지를 말하며 유기성 폐기물은 공해가 적고 자원의 고갈에 대한 우려가 적은 편이다. 그 중에서도 바이오 에너지의 일환인 미세조류를 통한 바이오 에너지은 번식과 성장이 빠르기에 더욱 각광받고 있다.
◇ 이번 과제를 통해 미세조류를 통한 바이오에너지의 효율성을 극대화하는 것을 통해서 지속가능하고 경제적인 에너지 공급에 긍정적인 효과를 줄것을 기대할 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 3월 중으로 ‘미세조류를 이용한 바이오에너지 생산’ 관련 분야의 논문을 학습하고, 최신 연구동향을 분석한다. ◇ 미세조류 바이오디젤 생산기술은 크게 1)미세조류 탐색 및 기능강화(균주 개량), 2)고밀도 대량 배양, 3)효율적 수확, 4)바이오연료 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 따라서 각 공정을 한 명씩 담당하여, 해당 공정에서 현재 어떤 기술들이 활용되고 있는지 탐색해보고, 시간 및 비용 측면에서 어떤 기술이 가장 경제성이 높은지 비교해본다. ◇ 각 공정에서의 탐색 및 비교가 완료되면, 종합해 결과를 분석하여 가장 경제적으로 효율적인 생산공정을 도출하는 것을 목표로 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 이전에 연구된 미세조류 종들 중 바이오디젤 생산에 적합하다 생각되는 6종을 선정해 이들에 대해서 FAME(Fatty Acid Methyl Ester) 구성 분석을 통해 각자가 포함하고있는 methyl ester의 종류와 함량을 분석하고, 이로부터 생산된 바이오디젤의 특성(점도, 밀도, 산화안정성 등)을 예측고, 이러한 예측 결과를 MCDA(multi-criteria decision aid) 소프트웨어인 GAIA를 통해서 분석을 진행하고자 한 시도가 있었다.
◇ 미세조류 생산량 및 수확의 효율성 분석에 관하여 최근에는 인공지능 알고리즘을 이용하여 이미지를 학습하고 객체를 분류하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. 딥러닝을 통한 이미지 분류는 높은 정확도를 가지고 많은 양의 이미지를 분석할 수 있다는 장점이 있지만, 이를 위해서는 충분한 학습량이 요구되며, 일반적으로 한가지 객체를 분류하기 위해서는 학습에 최소2000장 이상의 이미지가 필요하다고 알려져 있다. 따라서, 조류 군 각각에 대한 DB를 확보하기 위해서 하천 혹은 상수원에서 채취한 샘플을 이용하여 수천장의 고해상도 미세조류이미지 파일을 종래의 기술보다 빠르게 획득할 수 있는 장치 등에 관한 발명이 요구되는 실정이다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ [미국] METHOD OF FABRICATING MAGNETICALLY ACTUATED ARTIFICIAL CILIA (자기 방식으로 작동되는 인공 섬모를 제조하는 방법)
출원번호/일자 : 14093536 (2013.12.02) 공개번호/일자 : 20150097317 (2015.04.09)
다음 단계를 포함하는 자기성 cilia를 제조하는 방법이 제공된다.
단계 (A) : 몰드가 제공되고 다수의 마이크로채널이 형성되며, 여기에서 마이크로채널의 각각의 구멍이 50 μm과 350 μm 사이에 이고, 마이크로채널의 각각의 깊이가 500 μm과 3,500 μm 사이에 이다.
단계 (B) : 원소재 물질은 몰드위에 스프레딩되고 마이크로채널의 각각 안으로 충전되며, 여기에서 원소재 물질이 폴리머 및 그안에 분산된 자기 입자를 포함한다.
단계 (C) : 열처리는 자기성 cilium 안으로 마이크로채널의 각각에 있는 원소재 물질을 경화처리하기 위해 행한다.
단계 (D) : 이형 공정은 마이크로채널의 각각으로부터 자기성 cilia의 각각을 절연시키기 위해 행한다.
◇ 미세조류 수확을 위한 전자여과막 및 이를 이용한 미세조류 수확 시스템
출원번호/일자 : 10-2014-0128275 (2014.09.25.) 공개번호/일자 : 10-2015-0034117(2015.04.02.) 등록번호/일자 : 10-1682209 (2016.11.28.)
미세조류를 수확하기 위한 전자여과막을 포함한 시스템 및 다른 양상은 상기 시스템을 이용하여 미세조류를 수확하는 방법을 제공한다.
일 양상에 따른 미세조류를 수확하기 위한 시스템은 미세조류 수확 과정에 사용되는 막의 파울링을 억제함으로써 연속적인 미세조류 수확이 가능하다. 또한, 상기 시스템 중 전자여과막에서 발생되는 수소는 에너지자원으로 활용될 수 있으므로 지속적인 운전을 수행할 수 있다. 일 양상에 따른 미세조류를 수확하는 방법은 기존에 사용하는 수확기술보다 에너지, 비용 측면에서 좀 더 효율적이고 안정적으로 미세조류를 빠르게 농축할 수 있다. 기존의 막여과법의 가장 큰 문제점인 물질이 막 위에 쌓여 막의 공극을 막고 투과 효율을 크게 감소시키는 막오염 (Membrane fouling)을 효율적으로 억제하여 향상된미세조류 수확률을 보여준다.
◇ 자성 입자 및 외부자기장을 이용한 대량의 미세조류 (수확)회수 장치
출원번호/일자 : 1020140139184 (2014.10.15) 등록번호/일자 : 1017259740000 (2017.04.05.) 공개번호/일자 : 1020160044317 (2016.04.25.)
자성입자 및 외부자기장을 이용한 대량의 미세조류 (수확)회수 장치를 개시한다. 상기 대량의 미세조류 (수확)회수 장치는 미세조류가 배양된 미세조류 배양액을 수용하는 미세조류 배양액 저장조; 상기 미세조류 배양액 저장조로부터 유출된 미세조류 배양액 내에 자성입자를 공급하는 자성입자 공급부; 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 미세조류가 부착된 자성입자를 자력을 이용하여 회수하고, 상기 미세조류 및 상기 자성입자가 제거된 미세조류 배양액을 상기 미세조류 배양액 저장조로 재 공급하는 제1 회수부; 상기 제1 회수부로부터 제공된 상기 미세조류가 부착된 자성입자를 내부에 수용된 분리용액에 수용시켜, 상기 자성입자와 상기 미세조류를 분리시키는 분리용액 저장조; 상기 분리용액 저장조에서 미세조류와 분리된 자성입자를 회수하는 동시에 미세조류를 회수하는 제2 회수부; 및 상기 자성입자 공급부, 제1 회수부, 제2 회수부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
◇ 미건조 미세조류로부터 바이오디젤의 제조 방법
출원번호/일자 : 1020140086733 (2014.07.10.) 등록번호/일자 : 1015820450000(2015.12.24.)
본 발명은 미건조 미세조류를 이용한 바이오디젤의 제조 방법에 관한 것으로, 젖은 미세조류으로부터 직접 1 단계법을 이용하여 바이오디젤을 제조하되, 건조 미세조류를 이용한 방법에 비해 고체 흡착제를 추가로 투입하고 유기 추출 용매의 양을 증가시켜 지질 추출 효율과 바이오디젤 전환율을 향상시켰다.
따라서, 본 발명의 바이오디젤 제조방법은 건조 미세조류를 이용한 바이오디젤의 제조방법에 비교하여 바이오디젤 생산 시간 및 비용을 현저히 줄일 수 있어 궁극적으로 상업화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
◇ 초임계 알코올 및 용매를 이용한 바이오디젤의 제조방법 출원번호/일자 : 10-2006-0133916 (2006.12.26.) 공개번호/일자 : 10-2007-006829 (2007.06.29.)
본 발명은 초임계 알코올을 이용한 식물성 오일로부터 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 초임계 알코올 및 상기 알코올과 비점이 유사한 초임계 용매 존재하에 식물성 오일을 에스테르화 시키는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬 에스테르(바이오디젤)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 메탄올 함량을 획기적으로 낮출 수 있고, 비교적 낮은 오도 및 압력하에서도 높은 반응 수율을 얻을 수 있으며, 초임계 반응에 사용된 용매를 회수하기 위한 별도의 장비가 필요 없어, 경제적으로 바이오디젤을 제조하는 것이 가능하다.
- 기술 로드맵
◇ 마이크로 파를 이용한 건조 방식의 경우 건조와 동시에 미세조류 세포벽에 데미지를 주어 지질추출 공정시 유리하게 작용할 수 있다. 또한 서로 다른 건조기술을 융합하여 저비용 고효율의 건조 시스템의 발명을 시도해 볼 수 있을 것이다. 또는 건조공정 자체를 생략하는 직접 에스테르화반응을 통하여 바이오디젤의 경제성을 높이는 방안을 연구하여 본다. 이러한 수확 방식에는 지질의 양이 많은 미세조류 종이 유용하다. 앞서 언급한 연구결과에 따라 지질의 양이 많아 바이오디젤 생산 수율이 높고, 생산된 바이오디젤이 좋은 특성(높은 Cetane number, 낮은 viscosity 등)을 가지는 Chlorococcum species를 선택하고자 한다.
◇ 자성을 이용해 미세조류의 성장을 촉진시키기 위하여, 자성 인공섬모(MAC; magnetic artificial cilia)를 활용하고자 한다. MAC는 보통 세포 외부에 존재하는 섬모를 자성을 가지는 기능을 추가하여 인공적으로 제작한 것이다. 이는 밀리미터 규모의 실험에서 미세조류의 성장속도를 10배 증가시키는 것이 확인되었는데 Thijn Verburg, Allison Schaap, Shuaizhong Zhang, Jaap den Toonder and Ye Wang, Enhancement of microalgae growth using magnetic artificial cilia, Biotechnol Bioeng. 2021 Jul; 118(7): 2472–2481.
, 이를 확장시켜 광생물반응기(PBR) 내부에 구현하여 미세조류의 배양 수율을 높이는 것을 목적으로 한다. 또한 후술할 수확시스템과도 자성을 매개로 유기적으로 연결해 효율을 더욱 높일 수 있을 것이다.
◇ ‘미세조류 수확을 위한 전자여과막 및 이를 이용한 미세조류 수확 시스템’의 발명은 미세조류를 포함한 용액의 유입부를 통해 유입되는 미세조류를 포함한 용액 중의 미세조류는 유입부와 연결된 캐소드 전극의 (-)극과의 반발로 인해 막 오염을 방지할 수 있다는 장점이 있으나 추가적인 전기 에너지가 들어가 경제성이 없다는 문제점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해 본 보고서는 ‘미세조류 수확을 위한 전자여과막 및 이를 이용한 미세조류 수확 시스템’ 발명을 개량발전시킨 ‘자성을 이용한 미세조류 수확시스템’에 대해 연구한다.
◇ 상기 ‘자성 입자 및 외부자기장을 이용한 대량의 미세조류 (수확)회수 장치’는 자성을 이용한 미생물 배양장치와 결합하면 장치설비 면에서 더욱 큰 경제성을 띌것으로 예상된다. 따라서 자성을 이용한 미생물 배양장치와 결합하는 발명으로 ‘자성 입자 및 외부 자기장을 이용한 대량의 미세조류 (수확)회수 장치’를 개량하는 방안을 연구한다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
미세조류 바이오디젤 생산가격을 획기적으로 낮추고, 공정을 간략화 및 효율화시킬 수 있으므로 미세조류 바이오디젤의 나아진 가격경쟁력과 환경성을 설득력있게 제시하면 될 것이다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 기존 미세조류의 종 개량과 배양 방법의 효율성 추구를 통해 이너지 생산에 적합한 미세조류 대량 확보 ◇ 여과, 원심분리, 중력에 의한 침전, 미세 공기방울을 이용한 부유 방법(dissolved air flotaꠓtion) 및 화학적인 방법으로는 응집제를 이용한 회수 방법에 대한 고려 통해 가장 효율적인 기술 확보 ◇ 미세조류를 바이오 원료로 전환하는 과정에서의 부산물을 이용할 수 있는 여지 발견 ◇ 기존 한 공정에 대해서만 집중하는 미세조류 연구에 비해 전반적인 공정에 대해서 다룸으로써 각 과정간이 주고받는 상호작용에 대해 이해하고 통합적인 미세조류 바이오연료 공정에 대한 연구가 가능
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 기존 바이오원료에 비해 경제적인 가격에 재생가능 에너지 공급이 가능 ◇ 탄소배출로 인한 환경 오염을 막고, 지속 가능한 에너지원의 발견 가능성을 찾을 수 있음.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
가격적으로 저렴하고, 쉽게 생산이 가능한 미세조류 바이오디젤의 생산공정이 필요하다.
설계 사양
개념설계안
◇ 직접에스테르화 방법 - 젖은 조류를 초임계 메탄올과 함께 250℃ 부근에서 반응시키는 방법이다. 기존 방법과 달리 건조과정을 거치지 않기 때문에 에너지 소비를 아낄 수 있다. 다만 반응기의 온도를 높게 유지시켜야 효율이 잘 나오기 때문에 반응 시 에너지 소비가 크다.
◇ 폐열 컨베이어 벨트 활용법 - 젖은 조류를 컨베이어 벨트를 이용해 120℃ 정도의 온도에서 연속적으로 건조시켜주는 방법이다. 화석연료를 이용해 열을 올려 운영하는 방식도 기존의 스프레이 드라이 방식보다 경제적이다. 사용되는 열을 발전소 등에서 나오는 산업 폐열을 활용해 끌어온다면 더 경제적으로 건조된 조류를 얻을 수 있다. 하지만 수분 70% 정도의 조류를 컨베이어 벨트 방법으로 건조시키면 효율이 떨어진다. 때문에 흡습제 등을 이용한 전처리 공정을 통해 수분을 55% 정도로 낮춘다면 조금 더 효과적인 운용이 가능하다.
2. 미세조류 배양 및 수확 공정
(1) 광생물반응기(PBR) 내부에 자성 인공섬모(MAC) 장착 ◇ 미세조류 배양의 수율을 높이기 위해 PBR 내부에 MAC를 장착하고자 한다. PBR은 위 그림처럼 여러 개의 투명 PVC 관 내에서 미세조류를 배양하는데, 이 관의 내벽에 MAC를 장착할 것이다. 다만 MAC 제작단계를 개략적으로 나타내기 위해 아래에서는 실험실에서의 밀리미터 스케일의 제작 과정을 먼저 살펴본다. ◇ MAC의 제조방법은 자석을 사용해 carbonyl iron powder(CIP)를 포함하는 액체 polydimethylsiloxane (PDMS)의 얇은 층에서 MAC을 끌어내는 ‘자기섬유 드로잉(magnetic fiber drawing)‘ 기술을 기반으로 한다. 이 방법을 사용하면 최소한의 장비만으로 MAC를 빠르고 저렴하게 제작할 수 있다.
◇ 이때 (a)는 i: PDMS-CIP를 일정 두께로 도포하는 단계; ii: 자석을 이용하여 PES 여과지 기판 위에 자성 섬유 드로잉으로 MAC를 제작하는 단계; iii: PDMS에 열을 가해 경화시키는 단계; iv: MAC가 부착된 기판을 배양 접시에 고정하는 단계 등으로 이루어진다.
◇ 한편 (b)는 미세조류 배양의 효율성을 비교하기 위해, MAC를 사용하지 않은 경우, 정적 MAC를 사용한 경우, 운동성 MAC를 사용한 경우로 나누어 배양한다. 운동성 MAC는 배양 접시 아래에 자석을 회전시켜 자성을 띠는 섬모를 원추형으로 회전 운동하도록 만든다. 이러한 회전은 접시 내 유체의 흐름과 혼합을 유도한다.
(2) 자성 인공섬모를 이용한 미세조류 배양
◇ 위 그림은 (a) MAC를 사용하지 않은 경우, 정적 MAC를 사용한 경우, 운동성 MAC를 사용한 경우 등에 대해 각각 시간에 따라 촬영한 이미지. (b-d) 6일차에 (b) MAC 미사용, (c) 정적 MAC, (d) 운동성 MAC이 있는 샘플의 현미경 이미지 등을 나타낸 것이다.
◇ 약 6일차부터 운동성 MAC를 사용한 배양물의 색상이 다른 배양물에 비해 눈에 띄게 녹색으로 변한 것을 볼때, 미세조류 성장 촉진효과가 있음을 알 수 있다. 다른 배양물과 달리 운동성 MAC 주위에는 미세 조류 군집이 형성되었고, 광합성 결과로 생기는 산소 기포의 형성도 뚜렷하게 관찰되었다.
(3) 자성을 이용한 미세조류 수확
◇ 대량의 미세조류 수확방법은 미세조류 배양액 저장소 내에 대량의 (-) 전하를 갖는 미세조류들을 단 시간에 회수하도록 (+) 전하를 갖는 자성입자 간의 극성에 따른 상호결합을 이용하여, 미세조류가 부착퇸 자성입자를 수거한 후, 화학첨가물이 수용된 배양액을 통해 자성입자와 미세조류를 분리시킨 후, 미세조류 배양에 사용되는 Magnetic을 이용하여 자성입자와 미세조류를 분리하여 수확한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
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