Renv

프로젝트 개요

기술개발 과제

밀웜을 이용한 폐 플라스틱 분해 공정 시스템 설계

(Design of waste plastic biodegradation process system using mealworm)

과제 팀명

RENV

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 장*태(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890083** 김*훈

서울시립대학교 환경공학부 2014300** 조*연

서울시립대학교 환경공학부 20174300** 이*경

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 최근 늘어만 가는 플라스틱 폐기물의 양과 이를 처리하기 위한 처리 비용이 늘어가고 있는 상황에서 이를 대처하기 위하여 친환경적이고 저렴한 폐플라스틱 처리공정을 개발한다.

◇ 재활용 폐플라스틱의 수출입이 제한되고 코로나로 인한 플라스틱의 사용량이 늘면서 쌓여가는 폐플라스틱 량은 지속적으로 증가하고 있다.

◇ 플라스틱 폐기물을 선별하여 파쇄 건조 등의 일련의 과정을 거친 후 밀웜을 이용하여 처리하는 공 정을 설계한다.

◇ 밀웜 장내 박테리아가 플라스틱을 분해한다는 사실을 기반으로 현재 폐플라스틱 처리 공정을 생물학적 처리로 전환함으로써 친환경적 분해 시스템을 설계하고자 한다.

◇ 처리부산물로는 갈색거저리(성충), 밀웜(유충), 알, 허물과 배설물 등이 있으며 이는 각각 목적에 맞 게 재이용 및 재활용 한다.

◇ 밀웜 생산 공정과 병행하여 요구되는 밀웜의 양을 자체적으로 보충할 수 있는 공정이다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 플라스틱 페기물의 증가

플라스틱의 내구성, 방부성 등의 편리함으로 인해 그 소비량은 급증하고 있으며 그 중 폴리스티렌의 주요 분야인 패키징 및 전자 부분이 성장하면서
PS 플라스틱의 사용량은 급속도로 증가하고 있다.
하지만, 폴리스티렌은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등보다 자연분해가 어려운 소재이며 부피가 커 수송비용이 과다하고, 소각 시 각종 유해가스가 발생하여 처분 방법이 어렵다. 더불어 중국의 폐플라스틱 수입을 중단한 여파로 미국과 일본, 유럽 주요국은 필리핀, 베트남, 인도네시아 등지로 보냈다. 최근 들어서는 상당량의 폐플라스틱을 국내로 수입하고 있어 한국이 폐플라스틱 처리장으로 전락될 우려가 높은 수준이다.

◇ 기존 폴리스티렌 처리 방법

폴리스티렌은 잉고트와 펠렛으로 재활용되는데, 재활용 배출 불가로 분류되며 품질 등급(A,B,C)이 A급이 아닌 유색, 코팅, 오염 스티로폼은 유가성이 떨어져 잘 재활용되지 않는 실정이다. 최근 5년간 폴리스티렌의 재활용률은 80.4%이며, 특히 코로나로 인해 포장재는 2~3배 증가한 데에 비해 유가하락으로 석유 원료 가격 또한 떨어져 플라스틱으로 만드는 신재생 원료가 가격 경쟁력을 잃었고 코로나19로 인해 폐플라스틱 수출이 감소되어 폐플라스틱이 그대로 쌓이게 되었다. 이로 인해 ‘쓰레기 대란’이 우려되고 있는 실정이다. 현재 이를 해결하기 위해 환경부에서 전국 11곳 창고에 공공비축을 진행하고 있다고 보도되었다. 또한 코로나로 인한 플라스틱과 비닐 사용량이 급격히 증가하여 플라스틱 처리 문제는 계속 심각해지고 있다.

◇ 기존 처리방식의 문제점

기존 폐플라스틱의 처리방식을 살펴보면 소각 처리의 경우 자원회수시설에서 열에너지 회수로 쓰이지만 다이옥신 배출 문제로 비록 다이옥신 처리 기술이 발전되었다고 하지만 여전히 자원회수시설은 기피대상 시설로 인식되어있다. 또 열분해 처리는 플라스틱 종류 별로, PET는질소 분위기하에서 약 300℃부근으로부터 분해하기 시작해 원료의 하나인 승화성 물질의 테레프탈산이 생성해, 열분해조나 배관부에 퇴적해 폐색하는 문제가 발생한다. 또, PVC 및 PET로부터 다량의 탄소의 찌꺼기를 생성하는 일도 문제를 가지고 있다.

◇ 대안의 개발

위와 같은 문제를 해결하기 위해 근본적인 처리 방식에 대한 새로운 방법을 제시할 필요가 있다. 밀웜이 플라스틱을 생분해할 수 있다는 사실을 기반으로 생물학적 처리를 시도함으로써 물리화학적 분해로 인한 환경오염 부산물을 제한하고 친환경적 처리를 할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

1. 개발 과제의 목표 ◇ 밀웜을 이용하여 폐플라스틱의 생물학적 분해 제거율을 높이는 것을 목표로 한다. ◇ 최적의 조건으로 플라스틱 분해 속도를 극대화시킨다. ◇ 폴리스티렌의 공급에 대응하여 충분한 제거 속도를 유지할 수 있도록 한다. ◇ 충분한 처리량을 유지할 수 있도록 하며 설비의 규모를 최소화 할 수 있도록 한다. ◇ 기존 처리공정에 비해 더욱 경제적인 공정을 개발한다. ◇ 기존 처리공정에 비해 더욱 친환경적인 공정을 개발한다.

2. 개발 과제의 내용 ◇ 밀웜 장내 박테리아를 추출해내어 밀웜을 제외한 미생물 분해의 가능성을 확인해본다.

  → 코로나로 인해 실험실 이용이 쉽지 않아 많은 시간을 보내야 하는 미생물 실험을 따로 진행하지 
      않았고 밀웜 자체를 이용함으로써 실질적 부가가치를 창출하는 공정을 계획했다.

◇ 밀웜의 환경과 영양 조건에 따라 플라스틱의 분해 속도를 알아본다. (최적의 분해 속도에 대한 조건)

  → 밀웜 관련 논문을 참조하여 최적의 조건에서 실험한 밀웜의 분해능 자료를 이용해 설계를 진행했  
     다. 실제 밀웜으로도 분해능을 직접 알아보기 위해 질량 변화를 실험하여 비교했다.

◇ 플라스틱의 종류에 따른 밀웜의 분해 속도를 알아본다. (최적의 분해 속도에 대한 플라스틱선정)

  → 밀웜이 쉽게 분해할 수 있는 스트리폼을 주 처리 대상으로 설계를 진행했다.

◇ 각 실험한 사실을 바탕으로 효율을 유지하며 공간을 최소화 하여 공정을 설계한다. ◇ 위 생물학적 처리가 실제 공정에서 적용되었을 때 전반적인 설계 시스템을 구축해본다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 재활용을 제외한 가장 경제적이고 친환경적인 폴리스티렌 처리 공정 개발
◇ 높아져만 가는 플라스틱 폐기물의 처리비용을 완화시킬 수 있음
◇ 플라스틱을 처리함으로써 발생하는 2차 오염물질을 최소화시킬 수 있음
◇ 자동화 공정을 적용함으로써 처리에 발생하는 유지비를 감축시킬 수 있음

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 소각이나 고형연료화 등 기존 공정에 비해 확연히 낮은 유지비로 공정 유지 가능
◇ 플라스틱 처리 과정에서 생산되는 밀웜 성충을 통하여 부가가치 창출 가능
◇ 플라스틱 처리 과정에서 발생하는 처리부산물(배설물, 탈피껍질) 등을 이용하여 부가가치 창출 가능
◇ 기존의 처리 시설이 유해하고 더러운 이미지였다면, 친환경적인 새로운 처리시설로서 시민들에게       친숙한 이미지로 다가갈 수 있음
◇ 플라스틱 처리비용에 대한 부담감을 어느 정도 덜어줄 수 있음

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

◇ 전체적인 공정은 크게 (1)유입부, (2)전처리부, (3)분해부, (4)선별부, (5)유출부의 형태로 구성된다. 이 중 (1)유입부와 (2)전처리부, (5)유출부의 경우 기존에 사용되고 있는 기기들을 참고하여 이용할 계획이다. 분해에 이용될 밀웜의 성장 주기를 고려하여 (3)분해부의 레일 시스템과 분변 분리 시스템, 그리고 (4)선별부의 선별 시스템을 구상하였다.

◇ 레일 시스템은 밀웜과 플라스틱을 포함한 사료를 담은 바구니를 기본 단위로 한다. 바구니는 정해진 레일을 이동하고 일정 주기마다 추가 사료나 밀웜의 생장에 필요한 야채 등이 주입된다. 분해 기간이 끝나면 수거되어 후단에 위치한 선별부로 넘어간다. 레일을 포함한 플라스틱 처리 및 분해 공간은 한 개 이상의 조로 나뉘며 각 처리 공간은 밀웜의 생산 조건에 맞추어 온도, 빛, 그리고 습도 조절을 위한 램프 등의 설비를 포함한다. 
◇ 처리 과정 중 밀웜의 밀집에 따라 분변이 분리되기 어려울 수 있으므로 진동을 이용해 분변을 분리하는 시스템을 이용한다. 걸러진 분변을 처리하기 위해 레일 시스템에 유입되는 밀웜 박스의 아랫면 자체를 체거름 할 수 있는 방식으로 제작된다. 체에 걸러져 레일에 떨어지는 밀웜의 분변은 레일에 의해 다른 경로로 빠지게 되고 밀웜 박스는 다시 성충이 되기 전까지 재이용 하는 방식으로 설계한 시스템이다. 이때 진동기는 전체 공정에 설치하는 것이 아닌 분변이 쌓이게 되는 부분만을 고려해 중간에 설치한다. 이는 밀웜의 박스를 사육통과 분변통으로 분리해 포개는 방식보다 경제적일 것으로 예상한다.

◇ (4)선별부에서 번데기, 유충, 먹이, 배설물을 포함하는 혼합물을 선별하기 위해 풍력을 이용하기로 하였지만, 상세설계 중 진공흡입 설비로 대체하였다. 이는 풍력 선별이 갖는 비산 문제와, 낮은 선별 효율 등의 단점을 보완하기 위해서이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 처리량

재작년 (2018) 기준 전국 폴리스티렌 (EPS, PSP 등)의 출고·수입량은 52,453톤이며 그 중 재활용 실적은 41,453톤으로 11,000톤이(21%) 재활용되지 않고 있다. 전국 폐기물 발생 비율을 살펴보면 서울, 경기를 포함하는 수도권 지역이 30% 정도를 차지한다. 수도권 지역의 재활용 되지 않는 폴리스티렌을 유추하면 3000톤 정도이며, 이 중 1000톤의 폴리스티렌을 처리할 계획이다.

◇ 밀웜의 플라스틱 분해능

최적의 조건에서 전 세계 여러 종의 밀웜을 대상으로 폴리스티렌 foam의 분해능을 실험한 결과는 다음과 같다. (A)의 경우 PS+B, (B)의 경우 PS만이 먹이로 공급되었는데. 본 공정에는 PS를 가장 효율적으로 분해 가능한 우수한 종을 선정하여 투입할 예정이므로 상대적으로 낮은 수치를 가지는 4, 6, 9, 12, 16번을 배제한 밀웜 종을 고려할 것이다. 이 때, (A)에 해당하는 밀웜 종의 평균 PS 분해율은 37.37 mg PS 100 worms-1d-1이며, (B)는 17.89 mg PS 100 worms-1d-1이다.

◇ 필요한 밀웜의 양
공정에 투입하는 밀웜은 알에서 부화된 후 50일이 경과하여 5~7령 정도로 성숙한 개체를 투입한다. 밀웜이 투입되는 사육 상자의 크기는 밀웜 사육에 보편적으로 사용되는 800mm×400mm×200mm(총 부피 32L, 유효 부피 30L, 유효높이 100mm) 상자를 사용하며, 상자 당 2kg의 밀웜이 투입된다. 분해 기간은 4주로 정하였으며, 하루 단위로 새로운 사육 상자를 공정에 투입할 예정이다. 투입되는 밀웜의 평균 무게는 75mg 정도이며, 이에 따라 1상자 당 약 26,000마리 정도가 투입될 예정이다. 공정 내 밀웜의 양과 공정에 투입해야 하는 밀웜의 양을 다음과 같이 산정하였다.

PS와 밀기울의 비율(8:1, 4:1, 1:1)에 따라 필요한 밀웜의 양을 위 공식에 따라 계산하였을 때 그 값은 각각 73.3억 마리, 101.6억 마리, 153.4억 마리이다. 하루에 투입되어야 하는 밀웜의 양은 공정 기간인 28일로 나누었을 때 각각 2.69억 마리, 3.62억 마리, 5.49억 마리이다.

◇ 밀웜의 먹이로서 공급되는 PS/B의 비율
표1에서 알 수 있듯이 사육 상자 속 사료의 PS/B 비율을 8~14로 할 경우 가장 높은 효율을 보였으며, 이는 PS만 공급되었을 때의 처리량과 비교하였을 때 약 2배 정도의 높은 효율을 보인다. 이에 따라, 소요되는 밀기울의 양과 그에 따른 비용을 산출하면 다음과 같다. (밀기울의 단가는 kg 당 210원에서 320원으로 책정)
 
 
 PS/B의 비율(8:1, 4:1, 1:1)에 따라 위와 같은 방식으로 계산하였을 때 하루에 필요한 밀기울의 양은 각각 22,000kg, 11,000kg, 2,750kg이며 이에 따라 밀기울 비용을 210원과 320원의 평균값인 265원으로 계산하였을 때 각각 580만원, 290만원, 60만원이다.

◇ 필요한 상자의 수와 소요 면적 (분해실, 사육실)

총 분해 기간을 4주(28일)로 설정하고 하루 단위로 2.69억 마리(8:1), 3.62억 마리(4:1), 그리고 5.49억 마리(1:1)의 밀웜을 투입해야 한다. 1상자 당 26,000마리의 밀웜이 투입되므로 각 비율에 따라 하루에 공정으로 투입되는 상자의 수는 각각 10,000개, 15,500개, 그리고 21,000개이다. 이에 따라 공정 내 존재하는 총 상자의 수를 공정기간(28일)을 곱하면 각각 28만 개, 43.4만 개, 그리고 58.8만 개가 된다.
사육 상자를 몇 층으로 쌓는지에 따라 소요 면적이 다른데, 만약 단층으로 상자를 쌓는다면 상자의 단면적(800mm x 400mm)에 공정 내 상자의 수를 곱하여 각각 9만 m2, 13.9만 m2, 18.8만 m2으로 상자 단면적만의 소요 면적이 나온다. 유효높이를 6m로 설정하여 높이가 200mm인 상자를 30상자 쌓을 수 있는데, 이는 1층에 6박스씩 겹쳐 총 5층으로 구성하기로 한다. 이때의 단면적은 각각 3000m2, 4600m2, 6300m2이다. 분해부를 1:2의 장방형으로 설정하여 계산한 결과 38.7m×77.5m와 48.0m×96.0m, 56.1m×112.2m가 나온다. 해당 수치는 간격 없이 상자를 쌓아 놓았을 때의 단면적이므로 상자 사이의 공간과 레일, 분변 분리 시스템, 온습도 조절장치 등을 고려하여 60×120×10, 72.0×144×10, 90×180×10로 결정하였다.(길이 당 1.5배의 여유율 적용)
사육시설의 경우 위의 계산 방법을 동일 적용하였다. 이는 사육시설의 생산량이 분해부의 생산량과 같아야 하기 때문이다. 하지만 사육공정의 기간은 총 8주이며, 이에 따라 소요 면적을 2배로 계산하였다

◇ 밀웜 생산량 및 매출 
 투입하는 밀웜의 양과 각각의 비율로 먹이를 공급했을 때 생존률을 고려하여 밀웜의 생산량과 밀웜을 판매함으로써 얻는 수익을 책정해보았다. 밀웜의 비용은 밀웜 생산농가에서 판매하는 단가로 계산하였다. (kg당 1.4만원)

◇ 결론

위의 자료들을 살펴보면 생산 효율에 있어선 밀웜의 먹이로써 B/PS가 8인 먹이를 투입하는 것이 가장 효율적이다. 하지만 해당 수치와 비교하여 지속적인 지출인 밀기울의 구매 비용이 10배가량 차이나며, 밀웜의 생산량과 그에 따른 판매 비용이 2배 정도 차이나기 때문에 B/PS가 1인 먹이를 투입하기로 결정하였다.

◇ 밀웜을 활용한 간단한 실험

ps를 급여해서 키운 미국과 중국의 2세대 밀웜들의 수치를 국내 밀웜에 그대로 적용하는 것에 문제가 없는지 확인하기 위한 실험을 실시했다. 실험에 사용된 밀웜은 전라남도 담양의 mg네츄럴 농장에서 길러진 밀웜이다.

실험 조건으로는 변화를 가장 잘 알아낼 수 있도록 PS:밀기울의 비율을 1:2.7로 구성하였고 온도의 경우 20°C, 25°C, 30°C로 설정하였다. 밀웜의 사육 환경의 경우 그림과 같이 구성되었으며, 크기는 9cm×9cm로 구성되었고 각각의 조건은 일정한 온·습도를 유지하도록 설정되었다. 실험기간은 여건상 1일로 구성되었다.

위 실험을 통하여 공정의 온도로 선택된 25°C가 분해에 가장 적합한 온도라는 사실을 알 수 있다.

온도에 따른 변화량이 기존의 연구와 같은 수준인지를 검증하기 위해 R프로그램을 통해 wilcoxon.test를 통한 비모수검정을 진행해 보았다. 이를 통하여 신뢰수준 95%에서 밀웜의 출신에 관계없이 온도에 따라 같은 수준의 변화량을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.

조립도

조립순서

나. 공정순서

◇ 공정의 전반적인 흐름은 유입부, 전처리부, 분해부, 선별부, 유출부 순으로 구성되며, 공정에 투입되는 밀웜을 생산하기 위한 생산부가 존재한다.
◇ 유입부의 경우 PS를 들여오고 보관하는 설비를 포함하며 레일을 통해 일일 처리량을 후단의 전처리부로 이송한다. 
◇ 전처리부는 유입부에서 넘어온 PS를 파쇄, 세척, 건조시킨 후 레일을 통해 분해부로 이송한다.
◇ 분해부는 전처리 한 PS를 사육부에서 적정 크기로 자란 밀웜과 함께 분해 상자에 담아 분해하는 공정이다. 분해 기간 동안 레일 위에 존재하며 분해가 끝난 후 선별부로 넘어간다. 
◇ 선별부는 분해가 끝난 분해 상자 속에 존재하는 밀웜 및 이물질을 선별하는 공정이며, 선별된 밀웜은 유출부로 이송하고 남은 이물질 중 분해가 덜 된 PS는 분해부의 앞단으로 반송시킨다.
◇ 유출부는 선별부에서 선별된 밀웜의 장내에 존재할지 모르는 PS를 제거하기 위해 1주일 정도 정상먹이를 공급한 후 제품으로서 밀웜을 판매한다. 또한, 전체 공정에서 발생하는 성충이나 허물, 배설물 등을 퇴비화시키는 과정을 포함한다.

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용