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문제 정의
- 본 논문에서는 과일폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산의 최적화와 성분분석을 통한 바이오에탄올의 특성과 직접 에탄올 연료전지를 구동하여 메탄올, 상용 에탄올, 바이오에탄올의 출력을 측정하여 연료전지의 연료로서 바이오에탄올의 사용가능성을 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 가수분해 완료 후 알코올 발효를 위해 중화를 한 후 발효를 하였다. 알코올 발효시 사용한 효모는 Saccharomyces cerevisiae로 온도조건을 25℃, 30℃로 하였으며 발효시간은 48시간으로 그 동안 알코올농도(%)의 변화를 관찰하였다.
- 과일폐기물의 전처리를 위해 황산, 질산, 염산을 사용하여 과일폐기물을 가수분해하였다. 주변온도를 120℃로 설정하였으며, 전처리시간은 90분으로 하였다.
- Cathode에는 대기 중의 공기를 펌프를 이용하여 공급하였다. 단계별 전류변화에 대한 전압값을 측정하였으며(CC), 단계별 전류변하는 10초간 유지하였다. 다른 연료를 사용하기 전, 3차 증류수로 충분히 purge하였다.
- 바이오에탄올을 연료로 연료전지를 4일간격으로 연속작동 시켰다. 회차별로 나타난 성능은 Fig.
- 발효가 끝난 발효액을 단순증류과정인 1차 증류과정과 다단 칼럼 증류장치(54단, Fig. 1)을 사용한 2차 증류과정을 통하여 고순도 알코올로 농축하였다.
- 사용된 과일폐기물의 종류는 배, 사과, 감의 과피로서 50℃에서 20시간 열풍건조시킨 후 과일폐기물 종류별로 특성을 비교하기 위해 식품공전법으로 수분, 열량, 탄수화물, 조단백질, 조지방, 나트륨, 트렌스지방, 당류, 포화지방산, 콜레스테롤의 함량을 분석하였다.
- 주변온도를 120℃로 설정하였으며, 전처리시간은 90분으로 하였다. 산 농도는 건조 중량을 기준으로 종류별로 0.5%, 1.0%, 3.0%, 5.0%로 하였다. 가수분해율은 DNS법을 사용하여 환원당을 통해 확인하였다7).
- 가수분해 완료 후 알코올 발효를 위해 중화를 한 후 발효를 하였다. 알코올 발효시 사용한 효모는 Saccharomyces cerevisiae로 온도조건을 25℃, 30℃로 하였으며 발효시간은 48시간으로 그 동안 알코올농도(%)의 변화를 관찰하였다.
- 알코올 발효시 알코올농도(%)의 변화를 관찰하기 위해서 발효 후 2일간 조사하였다(Fig. 4). 온도 변화에 따른 알코올발효 효율을 실험한 결과 온도가 25℃ 일 때, 발효진행속도가 지연되면서 48시간 경과 후 알코올농도(%)가 30℃로 발효하였을 때에 비해 평균 0.
- 2과 같은 시스템을 설계하였다. 연료전지 출력특성평가 전, 모니터링(활성시간)을 5시간동안 하였다. 외부히터를 사용하여 연료전지 내부의 온도를 60℃로 설정하였다.
- 전극은 촉매층과 지지층으로 구분되며 촉매층 위에 지지체를 접합시켜 전극을 제조하였다. 5cm2의 활성면적을 갖으며 Anode측에 Pt-Ru를 4mg/cm2, Cathode측에는 Pt촉매를 4mg/cm2 사용한 MEA를 사용하였다.
- 제조된 바이오에탄올의 성분을 분석하였다. 분석항목으로는 색상(육안식별), 세척현존검(KS M 2041:2006), 황분(KS M 2027:2005), 방향족(JIS K 2536-2:2003), 올레핀(JIS K 2536-2:2003), 에탄올(JIS K 2536-2:2003), 메탄올(JIS K 2536-2:2003)이다.
대상 데이터
- 전극은 촉매층과 지지층으로 구분되며 촉매층 위에 지지체를 접합시켜 전극을 제조하였다. 5cm2의 활성면적을 갖으며 Anode측에 Pt-Ru를 4mg/cm2, Cathode측에는 Pt촉매를 4mg/cm2 사용한 MEA를 사용하였다.
- 유량 제어와 모니터링 기능을 갖춘 연료전지성능 분석장치(PRO100F, Propower, KOREA)를 사용하여 실험하였다. 단계별 전류 변화에 따른 전압값을 측정하였으며 I - V, I - P Curve graph를 만드는데 데이터로서 사용하였다.
- 외부히터를 사용하여 연료전지 내부의 온도를 60℃로 설정하였다. 사용한 연료는 메탄올 1M, 상용 에탄올 1M, 바이오에탄올 1M을 사용하였다. Cathode에는 대기 중의 공기를 펌프를 이용하여 공급하였다.
- 유량 제어와 모니터링 기능을 갖춘 연료전지성능 분석장치(PRO100F, Propower, KOREA)를 사용하여 실험하였다. 단계별 전류 변화에 따른 전압값을 측정하였으며 I - V, I - P Curve graph를 만드는데 데이터로서 사용하였다.
이론/모형
- 0%로 하였다. 가수분해율은 DNS법을 사용하여 환원당을 통해 확인하였다7).
- 제조된 바이오에탄올의 성분을 분석하였다. 분석항목으로는 색상(육안식별), 세척현존검(KS M 2041:2006), 황분(KS M 2027:2005), 방향족(JIS K 2536-2:2003), 올레핀(JIS K 2536-2:2003), 에탄올(JIS K 2536-2:2003), 메탄올(JIS K 2536-2:2003)이다. 평가기준으로는 브라질, 미국의 연료용 에탄올 규격(ASTM D 4806-07)과 일본(JASO M361)을 기준으로 하여 항목을 설정하였다.
- 분석항목으로는 색상(육안식별), 세척현존검(KS M 2041:2006), 황분(KS M 2027:2005), 방향족(JIS K 2536-2:2003), 올레핀(JIS K 2536-2:2003), 에탄올(JIS K 2536-2:2003), 메탄올(JIS K 2536-2:2003)이다. 평가기준으로는 브라질, 미국의 연료용 에탄올 규격(ASTM D 4806-07)과 일본(JASO M361)을 기준으로 하여 항목을 설정하였다.
성능/효과
- 6에 나타내었다. 0.3V를 기준으로 바이오에탄올을 혼합한 연료로 작동하였을 때의 성능은 공업용 에탄올을 연료로 사용하였을 때보다 약 13%의 성능감소를 보였다.
- 1) 산전처리 과정시 가수분해율은 산의 농도가 높을수록 증가하였으나 5%일때와 3%일때의 가수 분해율이 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 2) 알코올발효시, 온도가 25℃일 때, 발효진행속도는 30℃일 때보다 지연되었으며 48시간이 경과된 후 약 0.5%의 알코올농도(%)의 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 알코올 발효시 온도조건은 30℃에서 발효하는 것이 가장 유효한 것으로 보인다.
- 3) 생산된 바이오에탄올을 현존검, 황분, 색상, 방향족, 올레핀, 에탄올 함량, 메탄올 함량의 성분분석결과, 국외 연료용에탄올의 기준에는 적합한 것으로 나타났다.
- 4) 연료전지에 메탄올과 에탄올을 넣고 출력을 비교하였을 때, 에탄올이 메탄올에 비해 약 1/6정도의 성능을 나타냈다. 이는 에탄올이 메탄올과 비교하여 백금 촉매상에서 활성이 늦으며, C-C 결합, 그리고 아세트알데히드 혹은 아세트산에 대한 부분 산화가 에탄올의 출력을 저해하는 것으로 보인다.
- 5) 바이오에탄올을 연속작동한 결과, 4일간 회차별로 13%정도의 성능감소를 보였다.
- 과일폐기물의 종류에 관계없이 산의 농도가 증가할 수록 가수분해율 또한 증가하였으나 산농도가 5%일 때와 3%와 비교하였을 때 통계적으로 유의한 차이가 없었다(P>0.05).
- 산전처리 결과를 토대로 과일폐기물의 종류에 관계없이 산의 농도가 증가할 수록 가수분해율이 올라가는 것을 확인할 수 있었다. 그 중, 염산의 가수 분해율이 가장 높았으며, 산 농도가 3%일 때와 5%일때의 가수분해율에서 유의한 차이가 없었으므로 3%의 염산일 때 가장 경제적인 전처리 공정이라고할 수 있다.
- 배, 사과, 감의 껍질을 영양분석하였으며, 그 결과는 Table 1에 나타내었다. 배껍질의 열량이 371kcal로 가장 높고 감껍질은 363kcal, 사과껍질은 356kcal로 가장 낮은 열량을 나타내었다.
- 산전처리 결과를 토대로 과일폐기물의 종류에 관계없이 산의 농도가 증가할 수록 가수분해율이 올라가는 것을 확인할 수 있었다. 그 중, 염산의 가수 분해율이 가장 높았으며, 산 농도가 3%일 때와 5%일때의 가수분해율에서 유의한 차이가 없었으므로 3%의 염산일 때 가장 경제적인 전처리 공정이라고할 수 있다.
- 바이오에탄올의 성분조사 결과는 Table 2에 나타내었다. 색상은 무색, 황은 3mg/kg, 세척현존검은 2mg/100mL, 방향족은 0.1vol%미만, 올레핀은 0.2vol%, 메탄올은 0.1wt%, 에탄올은 99.7wt%로 나타났다.
- 4). 온도 변화에 따른 알코올발효 효율을 실험한 결과 온도가 25℃ 일 때, 발효진행속도가 지연되면서 48시간 경과 후 알코올농도(%)가 30℃로 발효하였을 때에 비해 평균 0.5% 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 알코올 발효시에는 30℃에서 발효시키는 것이 가장 유효한 것으로 생각된다.
- 탄수화물의 함량도 배껍질이 89.41g/100g으로 가장 높고 감껍질이 86.5g/100g, 사과껍질이 83.3g/100g으로 가장 낮게 나왔으며 열량의 값과 상관성을 보였다. 조단백질의 함량은 사과껍질(2.
후속연구
- . 중간생성물 종류에 따라 연료전지에 미치는 영향을 밝히는데 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
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