초록 ▼

세부과제 Ⅰ : 맞춤형 복합응집제 이용 녹조 바이오매스 회수
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 기후변화 및 환경오염으로 인해 전국의 하천 및 호소에 주기적으로 발생하는 녹조현상은 악취유발, 생태계 교란, 식수원의 오염 등 경제적으로 큰 손실 유발
ㅇ 녹조현상은 시급한 국가 환경현안 중의 하나임(박근혜정부의 사회문제 해결형 공공기술)
ㅇ 한편 오염물질로만 생각되었던 미세조류는 재생가능한 바이오매스(단백질, 당류, 지질 등으로 구성)로, 이를 활용하고자 하는 기술개발이 전 세계적으로 활발히

세부과제 Ⅰ : 맞춤형 복합응집제 이용 녹조 바이오매스 회수
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 기후변화 및 환경오염으로 인해 전국의 하천 및 호소에 주기적으로 발생하는 녹조현상은 악취유발, 생태계 교란, 식수원의 오염 등 경제적으로 큰 손실 유발
ㅇ 녹조현상은 시급한 국가 환경현안 중의 하나임(박근혜정부의 사회문제 해결형 공공기술)
ㅇ 한편 오염물질로만 생각되었던 미세조류는 재생가능한 바이오매스(단백질, 당류, 지질 등으로 구성)로, 이를 활용하고자 하는 기술개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있음
ㅇ 생물반응기 이용 미세조류 바이오디젤 생산기술은 옥수수나 콩 등의 곡물계 바이오매스보다 단위면적당 연료 생산성이 50-100배 우수하나, 아직 실용화에 이르지 못함. 본 기술은 크게 미세조류 배양, 회수, 오일추출, 디젤전환 요소기술로 구성되며, 회수기술이 bottleneck임
ㅇ 녹조 제거 또는 미세조류 바이오매스 회수에 적용되고 있는 기존 물리적 방법(원심분리, 여과 등)은 에너지소모와 처리비용의 문제가 있고, 화학적 및 생물학적 방법(화학응집제, 천적생물 등)은 제어효과에 비해 2차 오염 등의 문제가 있음
ㅇ 본 사업을 통해 ‘재생가능한 스마트 응집제’를 이용한 저비용 고효율 녹조 바이오매스 회수원천 기술을 개발하고자 함
ㅇ 본 사업은 2013 KIER-KAIST 전략적 연구주제로 선정되었고, 효율적인 융합연구를 통해 녹조류(미세조류) 분야 세계적 기술 리더십 확보와 KIER의 새로운 기술브랜드 창출 추진 (Nature 자매지급 또는 Advanced Materials / ACS Nano, JCR-top-4% 게재)

세부과제 Ⅱ : 바이오원유의 화학적 업그레이딩에 의한 발전용 디젤엔진 연료 생산기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 제2차 에너지기본계획에 의하면, 우리나라는 2035년까지 신재생에너지 보급률을 1차에너지 공급량의 11%까지 높이고, 바이오에너지 비중을 신재생에너지의 17.9%까지 증가시킬 계획임.
ㅇ 이러한 바이오에너지 보급목표를 달성하기 위해서는 무엇보다도 국⋅내외적으로 가장 자원이 풍부한 목질계 바이오매스의 효율적인 에너지 이용기술을 개발, 상용화해야 함.
ㅇ 현재 목질계 바이오매스의 주요 이용기술은 장작, 우드칩, 펠렛 등 고상 연료로 성형후 연소하여 열에너지를 얻는 기술임.
ㅇ 이와 같은 고상의 바이오연료는 에너지밀도가 낮아 운반, 저장, 이용에 드는 비용이 높을 뿐만 아니라 취급이 불편하여 도시지역이나 산업시설에서 이용하기 불편하고 다양한 에너지 생산시스템에 적용이 어려움.
ㅇ 한편, 미국의 NABC(National Advaced Biofuel Consortium)에 의하면 가장 효과적이고 경제적인 바이오연료는 현재 가장 많이 사용하고 있는 석유계의 운반, 저장, 이용 시설을 그대로 활용할 수 있는 소위 “drop-in” 형태의 연료임.
ㅇ 목질계 바이오매스를 급속 열분해하면 바이오원유(바이오오일)라고 하는 액상의 열분해 물질을 얻는데, 거의 모든 형태의 목질계 바이오매스를 온전히 열분해 원료로 이용할 수 있을 뿐만아니라 연소나 가스화 등 다른 열화학적 공정에 비하여 장치가 단간하고 상압, 저압 운전조건으로 인하여 투자비용이 적게 드는 장점이 있음.
ㅇ 바이오원유는 물에 산화유기물이 고농도로 존재하는 액상 물질인데 에너지밀도가 목질계바이오매스 원료에 비하여 4-7배 높아 운반, 저장 비용을 크게 절감할 수 있음.
ㅇ 그러나 바이오원유는 수분과 산소함량이 높고 원유에 비하여 열량이 낮을 뿐만 아니라 산성도가 높고 상온에서 고분자화 반응이 진행되는 등 화학적 안정성이 떨어져 고품위화 과정, 즉 업그레이딩이 필요함.
ㅇ 따라서 목질계 바이오매스로부터 바이오원유를 생산하고 이를 업그레딩하여 산업용, 수송용 탄화수소계 연료를 생산, 보급한다면 기존의 화석연료 이용시설의 개선없이도 바이오연료를 이용할 수 있으므로 바이오에너지 보급목표를 달성하는데 크게 기여할 것으로 사료됨.
ㅇ 특히 발전용 탄화수소계 바이오연료는 신재생에너지 의무할당제도(RPS) 관련하여 발전회사, 집단에너지 사업자 등을 중심으로 현재 시장수요가 형성되어 있으며 향후 정부의 신재생에너지 보급 확대 정책으로 인하여 시장규모가 더 커질 것으로 예측되어 관련 기술 확보가 시급함.
ㅇ 관련 기술 현황을 살펴보면, 목질계 바이오원유의 생산기술은 캐나다의 Dynamotive사나 미국의 Ensyn사 등과 같은 바이오에너지 전문회사들에 의하여 수백톤/일 규모의 실증연구가 수행되어 상용화 단계에 접어 들어고, 국내의 경우에는 대경에스코, 에기연, 기계연 등에서 파일럿 연구가 수행되고 있음.
ㅇ 한편, 바이오원유의 업그레이딩에 의한 탄화수소계 액상연료 생산기술은 아직 세계적으로 핵심기술 개발단계에 있음. 캐나다의 Dynamotive사, 미국의 Ensyn사, 네널란드의 BTG사, 미국의 PNNL, NREL 등이 바이이원유에서 탄화수소계 연료와 화학물질을 동시에 생산하는 refinery 공정을 선도적으로 개발하고 있음. 국내에서는 체계적인 관련 기술 개발 사례가 거의 없음.
ㅇ 바이오원유의 업그레이딩으로부터 얻은 탄화수소계 연료는 발전용 및 수송용 연료로 이용하는 기술이 개발되고 있음.
ㅇ 본 연구에서는 한국기계연구원 및 한국화학연구원과의 융합연구를 통하여, 지구상에서 가장 풍부한 자원인 바이오매스로부터 바이오원유를 생산하는 기술(기계연)과 이를 화학적 업그레이딩하여 액상의 탄화수소계 그린연료로 전환하는 기술(에기연)과, 그린연료를 디젤엔진에 적용하여 발전하는 기술(기계연) 등을 package로 개발하고자 함. 또한 바이오원유에 포함된 고부가가치 물질을 추출, 이용하는 기술(화학연)도 동시에 개발함으로서 바이오원유 기반 바이오리파이너리 핵심기술을 선점하고자 함.

세부과제 Ⅲ : 폐기물의 지능형 에너지 이용기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
폐기물 0.1톤/일 처리가 가능한 벤치규모 이중유동층 가스화 시스템을 이용하여 얻어진 실험결과를 활용하여 원료 0.5톤/일 처리가 가능한 파일로트 규모 이중유동층 가스화 시스템을 설계 및 제작/보완하고 목분, 음식폐기물, 하수슬러지를 원료로 사용하여 가스화 실험을 수행하였다. 전반적으로 목분 사용시의 합성가스 중 (H₂+CO) 농도가 음식폐기물 사용시 보다 더 높았다. 원료투입량 대비 합성가스 발생량도 목분의 경우 약간 더 높았으며 이러한 현상은 목분은 분말형태를 유지하며 Riser로 주입되어 수증기와의 접촉 및 가스화가 용이하게 일어나지만 음식폐기물은 유분이 많이 포함되어 응집된 형태로 Riser(가스화기)에 주입되어 수증기와의 접촉 및 가스화가 효과적으로 일어나지 못하기 때문으로 추정된다. 하수슬러지가 원료인 경우의 냉가스 효율이 제일 높은 이유는 투입되는 원료의 저위 발열량이 낮은 것이 이유이다.
가스화제로 수증기만을 사용하였을 때(수증기/원료 무게비=0.4∼0.45), 원료가 목분인 경우 H₂농도 29%, CO 농도 35% , 냉가스 효율 71%, 합성가스 저위발열량 3,664 kcal/NM³이 가능하였다. 원료가 음식폐기물인 경우 H₂ 농도 25%, CO 농도 25%, 냉가스 효율 65%, 합성가스 저위발열량 3,877 kcal/NM³이 가능하였다. 원료가 하수슬러지인 경우 H₂ 농도 21%, CO 농도 25%, 냉가스 효율 76%, 합성가스 저위발열량 3,340 kcal/NM³이 가능하였다. 가스화제가 수증기/CO₂ 혼합물이었을 때(수증기/원료 무게비=0.3, 수증기/CO₂ 몰비=7:3), 합성가스의 H₂ 농도는 감소하고 CO 및 CO₂ 농도는 증가하였으며 탄화수소의 농도가 전반적으로 감소하여 합성가스의 발열량도 감소하였다. 습식 CO₂정제장치 가동후 약간의 발열량 증가와 냉가스 효율 증가가 있었으나 증가한 정도가 크지 않았으며 그 이유는 습식정제 장치에서 타르를 제거하기 위하여 경유를 사용하므로 발열량이 큰 탄화수소의 상당부분이 같이 제거되었기 때문으로 보인다. 다마스엔진을 개조하여 합성가스 가스엔진발전장치(7 kW 규모)를 제작하고 발전실험을 수행하였다.
폐기물 가스화시 다량 발생되는 타르의 제거를 위하여 촉매가스화 기술을 개발하였다. 촉매스화의 특성을 알아보기 위해 ER비를 0.2, 온도를 750℃로 정하고 간접촉매법을 이용하여 생성된 증기상 물질을 촉매로 개질하도록 실험하였다. 시료와 촉매의 비를 10:1에서 5:1로 촉매의 양을 2배 늘려서 실험한 결과 C1∼C4 사이의 가스는 미량 감소하고 가스 연료로서 가치가 없는 CO₂ 또한 미량 감소하였다. 이에 반해 H₂와 CO가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
Al-MCM-41, MesoMFI, Si-SBA-15, Al-SBA-15, HBeta 촉매를 이용하여 저온 열분해 가스화 반응을 수행한 결과 촉매의 산점과 생성물의 조성이 밀접한 관계를 가지고 있음을 확인하였다. 생성물 조성은 oxygenates가 감소하고 aromatics나 hydrocarbons로 전환됨에 따라 고품질로 개질됨을 확인하였다. cellulose와 lignin을 모사 타르로 사용하여 타르저감용 Ni/CZO 촉매를 개발하여 그 반응성을 15% Ni/γ-Al₂O₃와 비교하였으며, Ni/CZO 촉매의 Ni 함량이 증가함에 따라 가스수율과 생성가스의 수소 농도가 증가함을 발견하였다. 가스수율과 생성가스의 수소 농도는 Ni/γ-Al₂O₃ 촉매 보다 Ni/CZO 촉매 사용시 더 컸다.
합성가스로부터 합성천연가스를 생산하기 위한 직접메탄화 기술을 개발하기 위하여 Supported Mo 촉매(Mo/AC)와 고압합성된 MoS2 촉매의 반응성 향상기술과 가공기술을 연구하였다. Supported Mo-Co/AC 촉매를 지지체 습식담지 방법으로 합성시 전구체 현탁액 pH, 조촉매 Cobalt의 양, Carburizing시 온도상승 속도를 최적화하여 CO 전환율을 약 20∼30%에서 80∼90%로 크게 향상시켰다. Unsupported MoS2 촉매 합성시 압력, 온도, 반응가스 유량, 반응시간, 현탁액 pH를 최적화하여 촉매 수명을 100% 이상 향상시켰다. 촉매를 대용량 설비에서 사용하기 위한 촉매 가공기술 개발 관련하여 AC 하니콤을 지지체로 사용한 Mo-Co/ACHC 촉매를 개발하여 CO 전환율을 분말상태 대비 60∼85%에서 88∼91%로 크게 향상시켰다. MoS2 분말을  = 3 mm인 실린더형 Pellet으로 성형하는 기술을 개발하여 직접 메탄화 반응실험결과, CO 전환율이 80∼85%에서 안정되었음을 확인하였다.
본 연구과제에서는 개발되는 기술을 활용하면 폐기물가스화 기술 중에서도 중발열량 가스의 생산이 가능한 간접가스화 기술을 Platform 기술로 사용하여 전력 및 합성천연가스와 같은 고급 녹색에너지를 동시생산하는 것이 가능할 것이다.

세부과제 Ⅳ : 음식물쓰레기로부터 생물/촉매 복합기술에 의한 바이오연료 및 화학원료 생산 원천기술개발 (Ⅲ)
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구는 대표적 유기성폐기물의 하나인 음식물쓰레기에 생물/촉매 복합기술을 적용하여 차량용 수송연료로 사용이 가능한 메탄과 유산 및 가솔린 첨가제 등의 화학원료를 얻기 위해 각 단위 공정의 개발, 단위공정의 통합화, 통합공정의 물질수지 및 경제성 분석을 수행하였다.
유산발효의 공정은 최적 발효 조건 pH 4.5, 온도 47℃, 기질농도 60 g Carbo. COD/L 에서 1.6 mol lactate/mol hexoseadded의 유산 전환율과 48 g lactate/L/d의 유산생산속도를 얻었다.
또한, 50 L급의 대용량 반응조를 100일 이상 운전한 실험에서도 비슷한 결과를 얻었으며 반응조내 미생물을 분석한 결과 Lactobacillus 계열의 유산발효균이 우점종임을 확인하였다.
또한, 건식 메탄발효 시 최적조건 도출을 위해 온도, 기질주입 횟수, 수리학적체류시간, Trace metal, 침전 공정 도입 등 여러 조건에서 실험을 실시한 결과 중온 (37℃), HRT 40일 조건에서 바이오가스 생산속도 3.1 m3/m3/d, 메탄가스 농도 50%의 성능을 확인하였다. 50 L급 대용량 반응기를 이용한 연구에서는 유산발효 잔사를 기질로 이용하여 HRT 30일 조건까지 운전이 가능하였으며 이때의 바이오가스 생산속도는 3.2 m3/m3/d를 나타내었다.
핵심단위공정을 통합하여 물질수지를 계산한 결과 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)을 기준으로 음식물쓰레기의 24%는 유산으로 회수되고 건식메탄발효를 통해 52%가 사용되었으며 활용되지 못한 잔사는 24%로 나타났다. 경제성분석을 통해 단일공정과 개발한 통합발효 공정을 비교한 결과, 유산의 높은 부가가치로 인해 약 2배 이상의 경제적 이익이 있을 것으로 판단되었고, 규모를 증대시킬 경우에도 통합발효 공정의 수익성이 높고 투자비 회수기간이 짧은 것으로 나타났다. 환경성 분석의 일환으로 이산화탄소 감축량을 계산한 경우에도, 통합발효 공정이 약 2배의 이산화탄소 감축효과가 있는 것으로 나타났다.
유산발효조와 메탄발효조에서 발생하는 악취물질은 머캡탄과 황화수소였으며, 주로 메탄발효조에서 검출되었다. 흑연에 나노크기의 철산화물을 부착시킨 소재 및 구리가 부착된 실리카 물질을 이용한 악취제거실험 결과, 새롭게 개발된 소재에 의한 컬럼실험 결과, 암모니아성 악취물질이 짧은 시간에 빠르게 제거되었으며, 흡착제 질량 이상의 암모니아를 흡착할 수 있는 것으로 나타났다.
음식물쓰레기 발효액으로부터 유산을 분리하기 위하여 탈염전기투석 공정과 물분해전기투석 공정, 나노여과 공정에 대한 연구를 수행하였다. 탈염전기투석 공정과 나노여과 공정을 비교한 결과, 연속 공정이 가능하여 공정 디자인을 통하여 성능 향상의 가능성이 높은 나노여과 공정이 불순물 제거에 보다 적합하리라 판단되었다. 나노여과와 물분해전기투석으로 구성된 일괄정제공정을 수행한 결과, 최종적으로 순도 93%의 유산을 66%의 수율로 회수할 수 있었다. 불순물의 제거 효율은 90% 이상이었다.
나노여과 공정과 물분해 전기투석 공정을 이용하여 원심분리와 정밀여과 전처리를 거친 유기성폐기물 발효액에 대한 분리 정제 실험을 수행하였다. 실제 발효액에 대한 실험 결과, 다양한 미지의 불순물들로 인하여 flux는 감소한 반면, 배제율 역시 줄어들어 고농도의 유산을 회수할 수 있었다.
본 과제에서는 유기성폐기물 유래 발효유산으로부터 화학원료 및 가솔린 첨가제를 생산하기 위하여 유산의 탈산소 연구를 수행하였다. 본 과제에서 제안한 방법은 1) 칼슘염 추가에 의한 발효 유산의 침전, 2) 칼슘을 촉매로 이용하는 유산의 탈산소 반응, 3) 미반응 칼슘염의 열처리에 의한 칼슘 재생 및 에너지 회수로 구성된다.
유산칼슘은 500℃ 이상의 반응온도에선 85% 이상의 전환율을 기록하였다. 급속 열분해 온도는 전환율 뿐만 아니라 산물 조성에도 영향을 미치는 바, 낮은 온도에서는 furanone이나 pyranone 등의 cyclic ester가 생성되는 반면 높은 온도에서는 케톤류가 주요 산물이었다. 또한, 재생한 칼슘을 이용한 유산의 탈산소 반응 산물은 fresh한 칼슘을 사용하였을 때와 거의 유사하여 본 과제에서 제안한 방법의 타당성을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 유기성폐기물로부터 추가적인 폐기물 발생없이 화학원료나 가솔린 첨가제로 활용 가능한 케톤, 탄화수소를 생산할 수 있었으며, 곡물계 바이오매스 사용에 대한 윤리적인 문제점 해결 및 폐기물의 환경적인 처리가 동시에 가능하리라 기대된다.

세부과제 Ⅴ : 왕겨 가스화 공정을 이용한 에너지 생산 및 이차전지 음극재 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- KIER-KAIST 융합 도출 과제로 왕겨를 가스화 공정의 원료로 본 KIER와 실리콘 이차전지 음극재 원료로 이용한 KAIST간 융합 과제로 기술 융합을 통한 글로벌 경쟁력 확보 (연구원 대표 융합과제)임에도 불구하고 생산된 벼의 20%에 해당하는 왕겨는 저부가가치 물질인 축산시설 깔개, 퇴비, 상토, 보온재 등에 제한적으로 활용되어 왔음. (가격: 50원/kg)
- 왕겨 가스화/환원 공정 개발을 통해 왕겨를 에너지원으로 활용함과 동시에 왕겨 안에 있는 고순도 실리콘을 차세대 이차전지 음극재로 활용할 경우 고용량 및 사이클 안정성을 가지므로 막대한 고부가가치 자원으로 업그레이드 시킬 수 있음. (음극재 생산 시 가격: 100,000원/kg)
- 본 연구에서 제안한 공정 흐름도와 같이 기존의 분리된 왕겨 에너지화 연구와 실리콘 추출연구를 통합하여 고효율 통합 공정을 개발하고 기술 이전 및 사업화를 통한 연계공정 설계/기술 패키지 화를 수행함.

Abstract ▼

Ⅲ : Development of an Intelligent Wastes Energy Utilization Technology
IV. Results and Recommendations
A 0.5 t/d pilot-scale dual fluidized bed gasification system was designed and manufactured based on the experimental results obtained using a 0.1 ton/day bench-scale system. A series of gasif

Ⅲ : Development of an Intelligent Wastes Energy Utilization Technology
IV. Results and Recommendations
A 0.5 t/d pilot-scale dual fluidized bed gasification system was designed and manufactured based on the experimental results obtained using a 0.1 ton/day bench-scale system. A series of gasification experiments were conducted using the pilot-scale system with wood powder, food wastes, sewage sludge as the feed. Overall, the concentration of (H₂+CO) in syngas from wood powder was greater than that from food wastes. Also, the amount of syngas generated was higher for wood powder than for food wastes. This phenomenon might be because wood powder was fed to the gasifier as powder and the contact between wood powder and water vapor was satisfactory but the wood wastes is fed to the gasifier as agglomerated material and the contact between the wood wastes and the water vapor was not satisfactory. The cold gas efficiency was the highest for sewage sludge. This was because the lower calorific value of the sewage sludge was the lowest for sewage sludge. When only steam was used as the gasifying agent(steam/wastes weight ratio=0.4∼0.45), 29% of H₂ concentration, 35% of CO concentration, 71% of cold gas efficiency, 3,664 kcal/NM³ of lower calorific value of syngas were possible with wood powder as the feed. With food wastes as the feed, 25% of H₂ concentration, 25% of CO concentration, 65% of cold gas efficiency, 3,877 kcal/NM³ of lower calorific value of syngas were possible. With sewage sludge as the feed, 21% of H₂ concentration, 25% of CO concentration, 76% of cold gas efficiency, 3,340 kcal/NM³ of lower calorific value of syngas were possible. When a mixture of steam and CO₂ was used as the gasifying agent(steam/wastes weight ratio=0.3, steam/CO₂ mole ratio=7:3), the H₂ concentration decreased and the CO and CO₂ concentrations increased. The calorific value of syngas also decreased due to the decrease of hydrocarbon concentration. With the operation of wet CO₂ removal equipment, the calorific value of syngas and cold gas efficiency increased, but the extent of increase was not significant, This was because significant amount of hydrocarbons was removed in the tar removal equipment where diesel was used as the tar removing agent. A series of experiments was also conducted for electricity generation from syngas using a gas engine.
As one method of the removal of tar which is produced significantly in a dual fluidized bed process, catalytic gasification technology was investigated. The catalytic reactivity of various catalysts including Al-MCM-41, MesoMFI, Si-SBA-15, Al-SBA-15, HBeta Ni/CZO, Ni/γ-Al₂O₃, and Ni/CZO with lignin and cellulose as the simulated tar. It was found that the H₂ concentration and gas yield increased significantly with these catalysts at 750℃.
In order to develop a direct syngas methanation process, the catalytic activity of direct methanation catalysts were improved and processed for the future application in large scale plants. The CO conversion over supported Mo-Co/AC catalyst was improved from 20∼30% in the first year to 80∼90% in the fifth year by optimizing the wet-impregnation condition including suspension pH, ratio of cobalt/molybdenum, and temperature ramping in carburization. The life time of MoS2 catalyst was also improved by 100% by optimizing the preparation condition including pressure, temperature, the flow rate of reactant gas, and reaction time. The unsupported Mo-Co/AC catalyst in powder was processed into Mo-Co/ACHC using an AC honeycomb. The CO conversion over Mo-Co/ACHC was 88∼91% compared to 60∼85% over Mo-Co/AC in powder. MoS2 in powder was manufactured into a cylindrical pellet with  = 3 mm. The CO conversion over this pellet was 80∼85%. This was lower than that over MoS2 in pellet, but stable.
With the application of the technology developed in this research project, it is expected that it is possible to develop an intelligent wastes-to-energy system for simultaneous production of electricity and SNG(synthetic natural gas) in a single plant using an indirect gasification technology producing a medium calorific value syngas as the platform technology.

Ⅳ : Development of biological/catalytic fusion technology converting food waste to biofuels and chemical materials (Ⅲ)
Ⅳ. Result and Recommendations
This research aimed to develop a biological/catalytic technology converting food waste to methane, lactate, and gasoline additives. To achieve this goal, (1) each unit process was invented, (2) combined process was developed, (3) mass-flow was established, and (4) an economic analysis was conducted.
In lactate fermentation of food waste, the highest yield of 1.6 mol lactate/mol hexoseadded and production rate of 48 g lactate/L/d were achieved at pH 4.5, temperature 47oC, and substrate concentration at 60 g Carbo. COD/L. The scaled-up fermenter (50 L) also showed a same performance, and Lactobacillus sp. were found to be dominant species.
In anaerobic dry digestion, the highest biogas production rate of 3.1 m3/m3/d comprised of 50% methane was achieved by supplementing trace metal and providing settling time at 37oC and HRT 40 d. When lactate fermented residue was fed to the scaled-up digester (50 L), a biogas production rate of 3.2 m3/m3/d was achieved at HRT 30 d. Mercaptan and hydrogen sulfide were detected as main odor constituents from lactic acid fermenter and anaerobic digester. Novel materials such as iron-oxide doped expanded graphite and copper fixed silica substrate were tested for the removal of ammonia, and showed very fast removal kinetics with prolonged removal capabilities more than the mass of adsorbent.
For the recovery of lactic acid from food waste fermentation broth, desalting electrodialysis (DSED), water-splitting electrodialysis (WSED) and nanofiltration werecarried out. It was found that nanofiltration was more suitable for removal of impurities in the fermentation broth than desalting electrodialysis in that it could be operated with continuous mode. By using a combined process with nanofiltration and water-splitting electrodialysis, recovery yield of lactic acid was 66% and its purity was 93%. Also, removal efficiency of impurities was more than 90%. In the case for real fermentation broth, rejection as well as flux decreased, but recovery yield of lactate could be increased owing to unknown impurities.
A process based on the precipitation of lactic acid by calcium hydroxide followed by thermal deoxygenation of the carboxylate salts was proposed for producing value added products from the fermentation broth of organic wastes. Decomposition of calcium lactate produced a mixture consisting of ketones, aromatics and linear hydrocarbons, which could be used as gasoline-additives. Solid residues could be recycled by calcination and re-used in the precipitation of lactic acid in fermentation broth. Conversion of lactate was more than 85% at 500 ℃. Deoxygenation temperature affected not only conversion but also the composition of the products. Ketones are abundant in the product at high temperatures while cyclic esters such as furanones and pyranones are major products from the pyrolysis at low temperature. The performance of deoxygenation with used calcium salt in terms of the liquid product yield and chemical components was comparable with that with fresh calcium salts, implying the feasibility of the proposed method.
The mass-flow of the developed process showed that 24% and 52% of COD (Chemical Oxygen Demand) in food waste were converted to lactate and methane, respectively. The economic and environmental analysis showed that the developed process has at least two times higher economic value and CO2 reduction potential compared to the conventional process.
In conclusion, the proposed method could contribute to the recycling of food waste in the move towards a sustainable society, and offers the opportunity of resolving ethical issues involved in chemical production from crop-based biomass.