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Kafe 바로가기주관연구기관 | 명지대학교 산학협력단 MyongJi University |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-11 |
과제시작연도 | 2011 |
주관부처 | 환경부 Ministry of Environment |
등록번호 | TRKO201600009149 |
과제고유번호 | 1485009968 |
사업명 | 차세대에코이노베이션기술개발 |
DB 구축일자 | 2016-10-01 |
키워드 | 미세조류.biomass 회수.농축.지방 추출 분리막.microalgae.biomass harvest.concentration.lipid extraction.membrane. |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201600009149 |
연구개발 결과
- 초음파를 이용한 미세조류 biomass의 농축 기술 개발 결과, 미세조류 농도가 0.65 g/L에서 2.34 g/L로 5배 농축 되어 90%이상의 회수율을 보였다.
- 미세조류 biomass의 분리막 농축은 정밀여과막(Microfiltration membrane, MF)을 사용하였으며, 농축 후 biomass cake의 농도는 0.2 ㎛ 필터 사용 시 175.1 g/L, 0.45 ㎛ 필터 사용 시 177.8 g/L이며 1.0 ㎛사용 시 185.7 g/L이다.
- 미세조류 biomass의 세포 파괴법
연구개발 결과
- 초음파를 이용한 미세조류 biomass의 농축 기술 개발 결과, 미세조류 농도가 0.65 g/L에서 2.34 g/L로 5배 농축 되어 90%이상의 회수율을 보였다.
- 미세조류 biomass의 분리막 농축은 정밀여과막(Microfiltration membrane, MF)을 사용하였으며, 농축 후 biomass cake의 농도는 0.2 ㎛ 필터 사용 시 175.1 g/L, 0.45 ㎛ 필터 사용 시 177.8 g/L이며 1.0 ㎛사용 시 185.7 g/L이다.
- 미세조류 biomass의 세포 파괴법 개발 결과 최적 방법은 ultra-sonication으로 선정하였으며, 세포 파괴 후 SCOD 방출 농도는 약 10.1 g/L이다.
- 중공사막을 이용하여 미세조류 배양액을 190시간 동안 추가농축 시 5.5 g/L의 미세조류가 43 g/L까지 농축되었다.
- 물-lipid emulsion의 상분리 기술 개발 결과 분리막 농축법을 이용하여 물안의 lipid를 분리하였으며 농축액내에 초기 시료의 95% 지질을 회수 하였다.
- Biodiesel 생산을 위한 trans-esterification 기술 개발 결과 Indirect trans-esterification의 경우 FAME 합성수율은 초기 lipid 대비 약 72.3%이었으며, Direct transesterification의 경우 FAME 합성수율은 산촉매 사용시 73.9%, 염기촉매의 사용시 55.3%, 염기와 산촉매를 같이 사용시 73.3%이다.
- 본 연구에서는 미세조류의 배양 및 수확, 농축공정, 농축된 미세조류 biomass의 lipid회수를 위한 추출공정, biodiesel 생성을 위한 FAME 합성 공정이 연속적으로 이루어졌으며, 본 공정 가동 시 최종 회수된 lipid의 회수율은 70.5%로 최종 biodiesel 수율(lipid 대비)은 평균 67.2%이다.
- 실험실 규모로 연구를 진행한 경우 총 1 kg의 미세조류로부터 direct trans-esterification방법으로 FAME을 합성하고, 생성된 biodiesel의 경제성분석 결과 4,321~4,454원의 비용이 소모된다.
- 최종적으로 chlorella vulgaris 배양액 내 biomass (Lab. scale, 명지대학교)로부터 72% 이상의 에너지를 회수하였고, Acutodesmus obliquus의 biomass(pilot plant, 정읍)로 부터 73% 이상의 에너지를 회수하였다.
- Industrial scale 공정에서 biodiesel 1 kg을 생산할 때, 4.3 kWh의 동력이 필요하며, 약 1,887원이 비용이 소요된다.
- Pilot plant의 monitoring결과 미세조류의 성장에서의 문제점이 발견되었고 원인은 영양소 부족, 온도, 빛, 강우 등의 환경적 요인과 성장 저해물질(독성물질)이 있다고 판단하였습니다. 또한 미세조류의 성장 부진에 대한 문제점 해결을 위해 자동 온도 조절기 점검 및 차광막 등을 설치하여 환경적인 요인을 해결하고자 하였으며, 원수 성분 분석을 통하여 독성물질의 존재 여부와 영양소 부족 여부를 주기적으로 확인하였다.
Ⅳ. Results
◦Microalgal culture was 5-fold concentrated by using ultra-sonication concentration, with biomass recovery of more than 90%.
◦Microalgae biomass was membrane filtered, after which the concentration of the biomass cake was 175.1 g/L, 177.8 g/L, and 185.7 g/L when using the 0.2 ㎛, 0.4
Ⅳ. Results
◦Microalgal culture was 5-fold concentrated by using ultra-sonication concentration, with biomass recovery of more than 90%.
◦Microalgae biomass was membrane filtered, after which the concentration of the biomass cake was 175.1 g/L, 177.8 g/L, and 185.7 g/L when using the 0.2 ㎛, 0.45 ㎛ and 1.0 ㎛ filter membranes, respectively.
◦The best method of cell disruption was ultra-sonication. After the cell disruption, SCOD of the culture supernatant was about 10.1 g/L.
◦During 190 hours of a hollow fiber microfiltration, the concentration of microalgae culture increased from 5.5 g/L to 43 g/L.
◦For the phase separation of the emulsion of lipid-in-water, membrane concentration method was used. This method recovered 95% of the initial lipids.
◦The FAME yield of indirect trans-esterification was 72.3%. Whereas, the FAME yield of direct trans-esterification with acid catalysis, base catalysis and base-acid catalysis was 73.9%, 55.3%, and 73.3%, respectively.
◦The final recovery yield of the lipid was 70.5%, and the final yield of biodiesel (lipid ratio) was 67.2% in average.
◦For the economic aspect of biodiesel production from microalgae, economic feasibility was analyzed for direct trans-esterification with a total of 1kg of dried microalgae. The cost of FAME production by using acid catalysis, base catalysis, and base-acid catalysis is \7801, 7934, and 7801, respectively.
◦Finally, energy recovey yield of Chlorella vulgaris and Acutodesmus obliquus was 72% and 73%, respectively.
◦Occasional slow growth of algae was found in the pilot plant. This was thought to be due to lack of nutrients, low temperature, intense light and rainfall and growth inhibitors (toxic substances). Therefore, for troubleshooting of growth of microalgae, the thermostat was checked, and a light shielding cloth was covered on the algae reactor. In addition, the presence of toxic substances and lack of nutrients were confirmed through analysis of the raw feed.
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