국제적으로 화석연료와 관련된 환경 문제가 대두되면서 화석연료를 대체할 수 있는 바이오연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 미세조류는 높은 지질 생산성으로 인해 바이오디젤 생산의 잠재적인 공급원으로 부상하였다. 그러나 기술 경제적인 관점에서 볼 때 미세조류를 기반으로 한 바이오디젤의 생산은 지질 추출 과정에서 드는 비용과 추출의 효율성이 낮아 상용화하기 위해서 대안 방안이 필요하다. 또한 바이오디젤 생산 공정 후 발생하는 ...
국제적으로 화석연료와 관련된 환경 문제가 대두되면서 화석연료를 대체할 수 있는 바이오연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 미세조류는 높은 지질 생산성으로 인해 바이오디젤 생산의 잠재적인 공급원으로 부상하였다. 그러나 기술 경제적인 관점에서 볼 때 미세조류를 기반으로 한 바이오디젤의 생산은 지질 추출 과정에서 드는 비용과 추출의 효율성이 낮아 상용화하기 위해서 대안 방안이 필요하다. 또한 바이오디젤 생산 공정 후 발생하는 글리세롤과 미세조류 부산물의 처리에 어려움이 있다. 지질 추출과 에스테르 교환 반응을 포함하는 복잡한 공정을 줄이는 방법에는 화학 촉매를 활용한 직접전이에스테르화 반응이 있다. 본 연구에서는 폐수 처리한 미세조류를 활용하여 직접전이에스테르화 반응으로 바이오디젤을 추출하였다. 또한 글리세롤과 미세조류 부산물에 혐기성 소화를 적용하여 부산물의 처리와 동시 추가적인 에너지를 회수하였다. 인공배지 BG-11에서 배양한 미세조류에서 추출한 바이오디젤은산촉매의 경우에서 건조중량 대비 7.2%의 수율을 얻을 수 있었다. 폐수에서 배양된 미세조류 바이오디젤은 인공배지에서 배양한 미세조류 바이오디젤과 수율 비교하였을 때 회수율이 약 50% 낮아지는 것을 확인하였다. 이러한 저해 요인이 폐수를 처리하는 과정에서 생긴 미세조류의 세포외중합물질(extracellular polymeric substances, EPS) 성분인 것을 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy)을 이용하여 확인하였다. 이 저해 요인을 제거하기 위해 바이오디젤 추출 공정 전에 NaCl을 이용한 바이오매스 세척 전처리 공정을 적용한 결과 세척 후 폐수처리 미세조류의 바이오디젤은 80%까지 회수율이 상승함을 확인하였다. 글리세롤 부산물의 혐기성 소화에 의한 모니터링 된 바이오 가스 회수는 이론적 메탄 발생량인 350 mL/g COD에 근접한 총 약 288.9 mL/g COD으로 최대 83%의 메탄 전환 효율을 확인할 수 있다. 메탄 생성의 차이는 에스테르 교환 공정에서 사용된 촉매에 의한 것으로 밝혀졌다. 특히, 산촉매를 적용한 기질의 경우는 바이오디젤의 반응온도가 높아 혐기성 미생물이 메탄으로 전환할 때 가수분해하는데 용이했다고 판단된다. 메탄의 누적 발생 그래프 회귀분석 결과 기질에 잔류한 메탄올 또는 다른 유기물질과 같은 쉽게 생분해 가능한 물질이 즉시 메탄으로 전환되었다. 이어서, 기질로 주입한 글리세롤이 천천히 가수분해되어 메탄으로 전환시켜 비선형의 회귀분석 결과를 얻었다. 미세조류로부터 생산한 바이오에너지의 에너지 포텐셜의 결과, 바이오디젤에서 계산된 에너지 포텐셜은 18.9 kJ이었고, 바이오가스로부터는 1.9 kJ의 에너지 포텐셜을 추가적으로 회수할 수 있었다. 이번 연구에서 제안된 방법은 억제 유기물 제거를 통해 폐수처리에서 수확된 바이오매스의 바이오디젤 잠재력을 최대화하는데 기여한다, 또한 바이오디젤 생산 공정과 바이오가스화의 융합은 잔류 부산물에 의한 2차 오염을 줄이고 에너지 회수를 증가시키는 실용적인 옵션이 될 수 있다.
국제적으로 화석연료와 관련된 환경 문제가 대두되면서 화석연료를 대체할 수 있는 바이오연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 미세조류는 높은 지질 생산성으로 인해 바이오디젤 생산의 잠재적인 공급원으로 부상하였다. 그러나 기술 경제적인 관점에서 볼 때 미세조류를 기반으로 한 바이오디젤의 생산은 지질 추출 과정에서 드는 비용과 추출의 효율성이 낮아 상용화하기 위해서 대안 방안이 필요하다. 또한 바이오디젤 생산 공정 후 발생하는 글리세롤과 미세조류 부산물의 처리에 어려움이 있다. 지질 추출과 에스테르 교환 반응을 포함하는 복잡한 공정을 줄이는 방법에는 화학 촉매를 활용한 직접전이에스테르화 반응이 있다. 본 연구에서는 폐수 처리한 미세조류를 활용하여 직접전이에스테르화 반응으로 바이오디젤을 추출하였다. 또한 글리세롤과 미세조류 부산물에 혐기성 소화를 적용하여 부산물의 처리와 동시 추가적인 에너지를 회수하였다. 인공배지 BG-11에서 배양한 미세조류에서 추출한 바이오디젤은산촉매의 경우에서 건조중량 대비 7.2%의 수율을 얻을 수 있었다. 폐수에서 배양된 미세조류 바이오디젤은 인공배지에서 배양한 미세조류 바이오디젤과 수율 비교하였을 때 회수율이 약 50% 낮아지는 것을 확인하였다. 이러한 저해 요인이 폐수를 처리하는 과정에서 생긴 미세조류의 세포외중합물질(extracellular polymeric substances, EPS) 성분인 것을 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy)을 이용하여 확인하였다. 이 저해 요인을 제거하기 위해 바이오디젤 추출 공정 전에 NaCl을 이용한 바이오매스 세척 전처리 공정을 적용한 결과 세척 후 폐수처리 미세조류의 바이오디젤은 80%까지 회수율이 상승함을 확인하였다. 글리세롤 부산물의 혐기성 소화에 의한 모니터링 된 바이오 가스 회수는 이론적 메탄 발생량인 350 mL/g COD에 근접한 총 약 288.9 mL/g COD으로 최대 83%의 메탄 전환 효율을 확인할 수 있다. 메탄 생성의 차이는 에스테르 교환 공정에서 사용된 촉매에 의한 것으로 밝혀졌다. 특히, 산촉매를 적용한 기질의 경우는 바이오디젤의 반응온도가 높아 혐기성 미생물이 메탄으로 전환할 때 가수분해하는데 용이했다고 판단된다. 메탄의 누적 발생 그래프 회귀분석 결과 기질에 잔류한 메탄올 또는 다른 유기물질과 같은 쉽게 생분해 가능한 물질이 즉시 메탄으로 전환되었다. 이어서, 기질로 주입한 글리세롤이 천천히 가수분해되어 메탄으로 전환시켜 비선형의 회귀분석 결과를 얻었다. 미세조류로부터 생산한 바이오에너지의 에너지 포텐셜의 결과, 바이오디젤에서 계산된 에너지 포텐셜은 18.9 kJ이었고, 바이오가스로부터는 1.9 kJ의 에너지 포텐셜을 추가적으로 회수할 수 있었다. 이번 연구에서 제안된 방법은 억제 유기물 제거를 통해 폐수처리에서 수확된 바이오매스의 바이오디젤 잠재력을 최대화하는데 기여한다, 또한 바이오디젤 생산 공정과 바이오가스화의 융합은 잔류 부산물에 의한 2차 오염을 줄이고 에너지 회수를 증가시키는 실용적인 옵션이 될 수 있다.
As environmental problems related to fossil fuels have emerged internationally, there has been growing interest in biofuels that can replace them. One promising option is to produce renewable biodiesel from microalgae biomass. The direct-transesterification is a biodiesel production process from mic...
As environmental problems related to fossil fuels have emerged internationally, there has been growing interest in biofuels that can replace them. One promising option is to produce renewable biodiesel from microalgae biomass. The direct-transesterification is a biodiesel production process from microalgae that conducts conversion and extraction simultaneously using either acid or base catalyst. Although glycerol and microalgal residue produced after the process can cause secondary contamination problem, anaerobic digestion can be an eco-friendly process that can effectively convert those wastes into bioenergy. In this study, biodiesel was extracted from wastewater-treated microalgae using direct transesterification and compared with microalgae biodiesel recovered in artificial media. It also investigates how biodiesel production is affected by biomass by-products. Biomass grown in wastewater improves biodiesel production by removing inhibitory organic matters. To recover additional energies, biochemical methane potential (BMP) test was performed to evaluate the methane recovery potential from the glycerol by-products, and the effect of anaerobic digestion on the catalyst was also compared. The biodiesel yield of microalgae cultured by BG-11 artificial medium was 5.8-7.2% and the yield of wastewater treated biomass was 50% lower than that. It was confirmed by using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) that the inhibitory factor was an extracellular polymeric substances (EPS) component of microalgae generated during the treatment of wastewater. Biomass washing pretreatment with NaCl was applied prior to biodiesel extraction to remove the EPS components. As a result, the biodiesel of the wastewater treated microalgae after washing was confirmed to increase to 80%. Monitored biogas recovery by anaerobic digestion of glycerol by-product was about 288.9 mL/g COD in total, close to the theoretical value, but the difference in methane production was found to be due to the catalyst used in the transesterification process. Easily biodegradable materials, such as methanol or other residual organic materials, were immediately converted to methane. Subsequently, slowly hydrolyzed glycerol was converted to methane to obtain nonlinear regression results. The calculated energy potential at the biodiesel from microalgae was 18.9 kJ while additional 1.9 kJ could be recovered from additional biogas production using by-products. The proposed method contributes to maximizing the biodiesel potential of biomass harvested from wastewater treatment by removing inhibitors. The convergence of biodiesel production process and biogasification can be a viable option to reduce secondary contamination by residual by-product and increase energy recovery.
As environmental problems related to fossil fuels have emerged internationally, there has been growing interest in biofuels that can replace them. One promising option is to produce renewable biodiesel from microalgae biomass. The direct-transesterification is a biodiesel production process from microalgae that conducts conversion and extraction simultaneously using either acid or base catalyst. Although glycerol and microalgal residue produced after the process can cause secondary contamination problem, anaerobic digestion can be an eco-friendly process that can effectively convert those wastes into bioenergy. In this study, biodiesel was extracted from wastewater-treated microalgae using direct transesterification and compared with microalgae biodiesel recovered in artificial media. It also investigates how biodiesel production is affected by biomass by-products. Biomass grown in wastewater improves biodiesel production by removing inhibitory organic matters. To recover additional energies, biochemical methane potential (BMP) test was performed to evaluate the methane recovery potential from the glycerol by-products, and the effect of anaerobic digestion on the catalyst was also compared. The biodiesel yield of microalgae cultured by BG-11 artificial medium was 5.8-7.2% and the yield of wastewater treated biomass was 50% lower than that. It was confirmed by using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) that the inhibitory factor was an extracellular polymeric substances (EPS) component of microalgae generated during the treatment of wastewater. Biomass washing pretreatment with NaCl was applied prior to biodiesel extraction to remove the EPS components. As a result, the biodiesel of the wastewater treated microalgae after washing was confirmed to increase to 80%. Monitored biogas recovery by anaerobic digestion of glycerol by-product was about 288.9 mL/g COD in total, close to the theoretical value, but the difference in methane production was found to be due to the catalyst used in the transesterification process. Easily biodegradable materials, such as methanol or other residual organic materials, were immediately converted to methane. Subsequently, slowly hydrolyzed glycerol was converted to methane to obtain nonlinear regression results. The calculated energy potential at the biodiesel from microalgae was 18.9 kJ while additional 1.9 kJ could be recovered from additional biogas production using by-products. The proposed method contributes to maximizing the biodiesel potential of biomass harvested from wastewater treatment by removing inhibitors. The convergence of biodiesel production process and biogasification can be a viable option to reduce secondary contamination by residual by-product and increase energy recovery.
주제어
#microalgae livestock wastewater direct-transesterification BMP test waste-to-energy 미세조류 가축분뇨 직접전이에스테르화 반응 폐자원에너지화
학위논문 정보
저자
양솔
학위수여기관
전북대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
환경공학과
지도교수
김현우
발행연도
2020
총페이지
viii, 70 p.
키워드
microalgae livestock wastewater direct-transesterification BMP test waste-to-energy 미세조류 가축분뇨 직접전이에스테르화 반응 폐자원에너지화
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