지구를지키조
2019 CE
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 00000000..
영문 : 00000000..
과제 팀명
지구를 지키조
지도교수=
유종석 교수님
개발기간
2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2013340032 이** (팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2013340046 정**
서울시립대학교 화학공학과 2016340025 윤**
서울시립대학교 화학공학과 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
최종 목표
◇ 미세조류를 통한 바이오에너지의 공정은 미세조류를 탐색하고 이를 연료로 전환하는 공정과 미세조류를 수확하고 이를 배양하는 공정으로 나뉘고 각 공정의 효율성과 경제성 증대방안을 검토한다. 세부 목표
◇ 바이오디젤 생산을 위한 적절한 미세조류 종을 탐색하기 위해서는 미세조류의 성장속도, 지질 함유량, 탄소 고정능 등 여러가지 요소를 고려해야 한다. 특히나 함유하고 있는 지질의 종류에 따라 생산되는 바이오디젤의 질이 다르기 때문에, 다양한 요소로 평가하여 적절한 최종 미세조류 종을 추려내는 것이 필요하다.
◇ 미세조류를 바이오디젤로 전환하는 공정은 마이크로 에멀젼, 열 분해, 촉매 분해 반응 등 그 종류가 다양하다. 하지만 이러한 공정들을 통해 생산된 바이오 디젤은 비용 대비 품질이 떨어진다는 단점이 있어 가장 좋은 품질의 바이오 디젤을 얻을 수 있는 에스테르화 공정이 가장 많이 사용된다. 또한 미세조류 전환 과정에서 조류를 건조해 원하는 산물을 얻어내는데, 이러한 건조 공정이 에너지 소모량이 많아 미세조류 바이오디젤의 가격을 높아지게 하는 원인이 되므로, 전환 공정에서의 건조공정의 효율성의 극대화 또는 건조공정의 생략이 필요하다.
◇ 미세조류를 배양하는 공정은 개방형 수조시스템(OPS)와 광생물반응기(PBR)이 있는데, 개방형 수소시스템(ORS)는 비용이 저렴하다는 장점이 있으나, 오염의 위험이 있고, 단위면적당 생산량이 낮다는 단점이 있다. 광생물 반응기(PBR)은 비교적 비용이 많이 들지만 밀폐형이어서 외부오염으로부터 안전하고 단위면전당 생산량이 높다는 장점이 있다. 우리나라처럼 기온과 강수량의 연교차가 큰 환경에서는 개방형 수소시스템(ORS)는 부적절하여 광생물 반응기(PBR)을 채택하고 광생물 반응기(PBR)의 개선 방향을 연구하였다. 특정 자성의 세기에 따라 미생물의 생장에 긍정적인 영향을 주는 연구 결과를 발견하여, 광생물 반응기(PBR)에 자성을 띄는 설비의 모델링에 대해 연구하기로 하였다.
◇ 자성을 띄는 설비를 광생물 반응기(PBR)에 모델링하여 미생물 배양의 생산성도 증대시키고, 수확의 효율성도 증대시키는 방안에 대해 연구하기로 하였으며, 본 연구의 핵심은 [표1]에서 보는 것과 같이 모델링 된 미생물 배양 및 수집장치의 자성기구의 자성의 세기가 0.23T/cm부터 0.52T/cm일 것을 요한다는 것이다.
◇ 미세조류를 수확하는 공정은 여과법 원심분리법 침전법 화학적 회수방법이 있다. 여과법은 filter 자체에 fouling이 생기기 때문에 막을 교체해주여야 하고 원심분리법의 경우 들어가는 에너지 양이 많아 유지비가 많이 들며 화학적 회수방법은 화학적 처리제의 비용과 환경적 문제의 발생으로 부적절하다. 따라서 경제성을 구려하여 침전법의 개선방안을 연구하기로 하였다. 침전법의 단점은 수확시간이 오래걸리는 등 효율성이 좋지 않아 효율성 증대 방안으로 종래 전기에너지를 활용한 수확공정이 있으나, 이는 경제성이 좋은 침전법의 고유의 장점을 잃어버리는 점이 있으므로 자성을 활용한 수확증대 공정을 연구하기로 결정하였다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
◇ 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.
◇ 미세조류를 연료로 전환하는 공정 중 건조공정은 전체 공정 에너지 소모의 약 80%를 차지할 정도로 큰 비중을 차지한다.
◇ 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.
개발과제의 기대효과
◇ 에너지 분야에 대한 수요는 우리나라뿐만 아니라 세계적인 추세임을 알 수 있다. 따라서 효율적인 본 보고서를 통한 효율적이고 경제적인 에너지 생산 공정을 제시하는 것은 세계적인 흐름에 부합하는 것이다. 따라서 본 보고서를 통해 보다 효율적이고 경제적인 미세조류에 의한 생산 메커니즘을 제시한다면 국내뿐만아니라 국외에서도 폭발적인 반응이 있을 것으로 기대된다.
◇ 바이오 디젤이 상업적으로 보급되는 데 주요 장애요인은 석유디젤보다 생산원가가 높다는 점이다. 따라서 현재 바이오 디젤은 관련 세금을 면제 등의 혜택을 받아야 경쟁력이 생긴다. 이번 연구를 통해 가격 경쟁력을 확보한다면 세금 혜택과 더불어 더욱 저렴한 유가 공급을 가능케 하고 나아가 바이오 디젤 수출을 통해 국가 경쟁력에도 도움을 줄 수 있다.
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
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개념설계안
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이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
