[논문]미래에너지원 확보를 위한 미세조류 대용량 배양시스템 유동해석

서일환

미래에너지원 확보를 위한 미세조류 대용량 배양시스템 유동해석
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문제 정의

이러한 계산 과정은 일자에 따라서 반복 수행이 되며 전날에 계산된 세포의 농도는 다시 다음날의 환경 조건인 광량, 이산화탄소 농도, 온도의 가중치를 계산하는데 사용이 된다. 계산된 성장 모델은 현장실험 결과와 비교하여 정확도를 향상시키고자 하였다.

가설 설정

③ 온도 : 최대 성장을 위하여 적정 온도를 유지하는 것이 중요하다. 온도는 광합성에서 탄소 이용률과 관련이 있으며, 미세조류 배양에 대한 적정 온도는 종에 따라 다르지만 일반적으로 20~ 30°C이다.

제안 방법

시뮬레이션 모델 내부에 다수의 입자들의 이동경로를 추적하여 얻은 좌표 데이터를 바탕으로 광원에서의 거리에 따른 평균적인 광량을 계산하고, 이를 각 입자에 따라 반복한 후 전체 데이터에 대한 통계 분석을 수행함으로써 구조에 따른 혼합효율을 평가하였다. 결과의 정확도를 향상시키기 위하여 미세조류의 일령별 및 깊이별 광투과성에 대한 현장 실험 결과를 바탕으로 광투과지수를 만들어 이를 모델에 적용하였다. 총 5회의 실험 결과 기본 PBR에 비하여 평판 PBR이 약 43%향상되었으며, 개선된 구조에서 생산성이 각각 80%, 88% 향상되는 결과를 보였으며, Turkey 통계 분석 결과 구조별, 배양일별로 개선된 구조에서 생산성의 유의한 향상을 확인할 수 있었다.
이어 3차원 CFD 시뮬레이션모델의 정확도의 향상을 위한 현장검증이 진행되어야 한다. 현재 유동해석 현장실험에서 가장 높은 정확도를 보이는 PIV (Particle image velocimetry) 실험을 통하여 CFD 시뮬레이션 결과유동장과 PIV 장비로 측정한 유동장의 정성적 및 정량적인 검증을 수행하였다.

데이터처리

총 5회의 실험 결과 기본 PBR에 비하여 평판 PBR이 약 43%향상되었으며, 개선된 구조에서 생산성이 각각 80%, 88% 향상되는 결과를 보였으며, Turkey 통계 분석 결과 구조별, 배양일별로 개선된 구조에서 생산성의 유의한 향상을 확인할 수 있었다. 배양실험 결과를 개발한 BPMG 모델로 예측한 결과와 상호 비교를 통하여 모델을 검증하였다. 수행된 연구는 광량만을 고려하여 단순한 구조에 대한 생산성의 비교를 위하여 유동학적 해석 및 생물학적 생장모델을 접목하였다는데 그 의의가 있다.
광생물반응기의 혼합효율 평가를 위하여 내부의 미세조류 이동 경로를 추적하여 광을 받을 수 있는 공간에 효과적으로 머물 수 있는지를 통계적으로 정량화할 수 있다. 시뮬레이션 모델 내부에 다수의 입자들의 이동경로를 추적하여 얻은 좌표 데이터를 바탕으로 광원에서의 거리에 따른 평균적인 광량을 계산하고, 이를 각 입자에 따라 반복한 후 전체 데이터에 대한 통계 분석을 수행함으로써 구조에 따른 혼합효율을 평가하였다. 결과의 정확도를 향상시키기 위하여 미세조류의 일령별 및 깊이별 광투과성에 대한 현장 실험 결과를 바탕으로 광투과지수를 만들어 이를 모델에 적용하였다.

성능/효과

이산화탄소의 효과는 단순히 광합성만이 아니라 미세조류의 생장에도 영향을 미친다는 점이 중요하다. 실험결과에 의하면 이산화탄소의 효과는 미세조류의 생장을 시작하고 2~3일 후부터 뚜렷하게 나타난다.
하지만, 폐수처리과정에서 미세조류 바이오매스를 수확하지 않고, 단순히 폰드에서 배양하는 경우 미세조류가 연못의 바닥으로 침전하게 되며, 효율성은 떨어진다. 외륜(Paddle wheel)으로 순환되는 수로형 HRAPs (High-rate algal ponds)를 사용하는 경우 생산성이 약 3배 이상 향상되어, 동일한 면적에서 더 많은 폐수를 처리할 수 있으며, 배양 후의 미세조류를 수확함으로써 결론적으로 폐수에서의 N, P 등 영양물질을 제거할 수 있다. 전세계적으로 폐수처리를 위하여 HRAPs가 사용되고 있으나, 바이오매스를 수확하지 않기 때문에 필요면적 대비 효과를 고려하였을 때, 산화지나 전기·기계적 폐수처리시설에 비하여 널리 사용되지 않고 있다(Craggs et al.
결과의 정확도를 향상시키기 위하여 미세조류의 일령별 및 깊이별 광투과성에 대한 현장 실험 결과를 바탕으로 광투과지수를 만들어 이를 모델에 적용하였다. 총 5회의 실험 결과 기본 PBR에 비하여 평판 PBR이 약 43%향상되었으며, 개선된 구조에서 생산성이 각각 80%, 88% 향상되는 결과를 보였으며, Turkey 통계 분석 결과 구조별, 배양일별로 개선된 구조에서 생산성의 유의한 향상을 확인할 수 있었다. 배양실험 결과를 개발한 BPMG 모델로 예측한 결과와 상호 비교를 통하여 모델을 검증하였다.

후속연구

기존 미세조류 생장모델은 광량, 이산화탄소 농도, 온도와 같이 단일한 요인을 대상으로 주로 개발 및 적용 되어왔다. 그러나 미세조류 대량생산용 광생물반응기를 실제 현장에 설치할 경우 연중 심하게 변동되는 환경 조건에 따라서 경제성을 고려한 적절한 수준의 생장 환경을 조성하기 위하여 광량, 온도, 이산화탄소 농도의 세가지 주요 요인을 동시에 종합적으로 고려된 연구가 필요하다. 제시되는 생장모델의 경우(Seo et al.
미세조류 생산시스템의 실용화를 위해서는 고품질의 미세조류를 가급적 낮은 비용으로 생산이 가능하여야 한다. 따라서 빠른 생장과 지질 추출이 용이한 적정한 종을 선정하고, 배양시스템의 초기 비용을 최소화하며, 에너지 소비 등 운영비를 최소화하며, 영양분 활용효율을 최대화하여야 한다. 일반적으로 개방형폰드(Open pond)의 경우 초기비용 및 에너지 소비를 최소화할 수 있으며, 비용이 저렴하며, 건설 및 운영이 쉽기 때문에 현재 상업화를 위하여 많이 연구되고 있다.
미래에너지원 확보를 위한 차세대원료인 미세조류를 사용한 바이오매스 생산 시설의 효율성 향상을 위해서는 미세조류의 적정 생육환경 분석과 같은 과학적 및 실험적인 접근과 함께, 환경 조절 및 대용량 광생물반응기의 적정 설계, 생산성 향상 방안에 대한 공학적 및 실용적인 접근이 접목된 융합형 연구가 필요하다. 특히 내부의 유동과 같이 가시화시키기 어려운 세부적인 환경조절을 위해서는 광생물 반응기의 구조적 특성을 평가하는 생산성 예측모델링 기술과 동시에 미세 조류 배양 시 생산성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하기 위한 모델링 기술이 정립되어야 한다.
미세조류를 사용한 에너지생산 시스템의 실용화를 위해서는 현재 기술수준의 한계를 파악하고 문제를 극복할 수 있는 방안을 마련하는 것이 중요하다. 이를 위하여 현장배양 시 고품질의 바이오연료를 생산할 수 있는 적정 미세조류에 대한 종을 선정하고, 추출비용 절감을 위한 미세조류 응집 및 분리기술을 개발하고, 미세조류 세포에서 지질을 분리하기 위하여 미세조류의 세포벽을 파괴하는 기술을 개발하여야 한다. 미세조류를 이용한 바이오매스 생산 산업은 높은 수준의 신뢰성을 기반으로 하는 초대규모의 바이오연료 생산능력에 따라 성사여부가 판가름 날 수 있으므로 각 단계별로 철저한 경제성 평가가 필요하다.
시뮬레이션 결과의 신뢰도 향상을 위해서 격자독립성, 시간간격 독립성, 적정모델 선정과정이 선행되어야 한다. 이어 3차원 CFD 시뮬레이션모델의 정확도의 향상을 위한 현장검증이 진행되어야 한다. 현재 유동해석 현장실험에서 가장 높은 정확도를 보이는 PIV (Particle image velocimetry) 실험을 통하여 CFD 시뮬레이션 결과유동장과 PIV 장비로 측정한 유동장의 정성적 및 정량적인 검증을 수행하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

바이오디젤의 원료로서 미세조류가 각광받는 이유는 무엇인가?

미세조류는 대기 중 이산화탄소와 배양액의 영양물질(N, P)을 소모하여 성장하기 때문에 이산화탄소 고정화, 가축분뇨 처리 및 자원화 등 활용성이 높으며, 수확하여 유용 물질을 추출하거나 축산 사료 등으로 활용이 가능하여 농가소득에 기여할 수 있다. 바이오디젤의 원료로서 미세조류가 각광받는 이유는 생산 효율성이 높아 기존의 1세대 원료들에 비하여 단위면적당 생산력이 월등하며(1세대 원료 중 가장 효율이 높은 오일 팜에 비해서도 최대 16배 이상, Chisti, 2007), 연중 안정적인 수확이 가능하며, 식량자원(곡물)의 가격에 영향을 미치지 않으며, 기존의 농경지로 활용이 어려운 지역을 활용할 수 있으며, 수자원의 이용 및 이산화탄소 감소 측면에서 환경 개선적 측면에서의 효과가 크기 때문이다.

미세조류는 무엇인가?

미세조류(Microalgae)는 수중에서 생장하는 광합성 생물로, 대기 중 산소의 40~50%를 공급하며, 약 30만 종 이상이 존재하는 것으로 알려져 있다. 미세조류는 바이오디젤을 생산하는 콩, 옥수수 등의 식량자원과 대치되지 않는 신에너지원으로, 적절한 배양시스템이 갖추어지는 경우 연중 안정적으로 높은 생산성을 확보할 수 있다.

미세조류의 대량생산 시스템의 한계점은 무엇인가?

이는 연구실에서 수행하는 소규모 배양실험과는 다르게 대용량 배양시설로 대형화(Scale-up)하는 경우, 현실적으로 발생하는 물리적, 생물학적인 문제를 해결하지 못하여 생산성이 현저히 떨어지기 때문이다. 특히 미세조류의 생장을 위하여 광합성에 필요한 광, 이산화탄소 농도, 온도, 영양물질 등의 환경이 적정하게 제공되어야 하지만, 대형화(Scale-up)를 통한 대용량 배양시설을 운영하는 경우 광투과율(Light penetration)이 제한적이며, 미세조류 생장의 균일성, 내부 혼합(Internal mixing)과 같은 생육환경요인의 적정성, 균일성, 안정성의 확보가 매우 어렵다.

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