Recently, microalgae received great attention as promising bioenergy feedstock and it is particularly so because of its uniquely high lipid productivity and $CO_2$ assimilation ability. Owing to their intrinsic nature of low cultivation concentration, however, harvesting is an absolutely crucial step. Membrane filtration, especially in a cross-flow mode, is one candidate way of increasing the final concentration of biomass. This powerful means, however, suffers from a fatal issue of fouling, which must be solved prior to its wide application.
To overcome such a challenge and thus make the otherwise promising harvesting option more competitive, several anti-fouling means were attempted with Chlorella sp. KR-1 and showed their effectiveness in this study.
In the first part of this study, surfaces of two commercial membranes (polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyethylene terephthalate) were chemically modified using polyvinyl alcohol (PVA) polymer. The PVA coated membrane become more hydrophilic and it was confirmed by decreased contact angles down to 64% compared to the un-modified membranes. In addition, considerably improved membrane performance was obtained in comparison with non-coated commercial membranes: maximum of 77 concentration factor and almost 100% recovery rate were achieved. These results show that the membrane performance can indeed be improved simply by way of surface-active coating and will further be even to the level of economical feasibility.
In the second part of this study, membrane was fabricated via phase inversion technique in a way that make homogeneous and functional surface, thereby resulting in a low-cost membrane with anti-fouling property. As an additional anti-fouling strategy, a simple bubble-generator plate was designed and installed in the membrane system. According to computational fluid dynamics analysis, the plate generated substantial hydrodynamic power in terms of high pressure, velocity, and shear stress. When installed in a membrane filtration system with membranes of different surface and structural characteristics (one prepared by the phase inversion method, and a commercial one), the bubble-generator was indeed very effective in reducing fouling. Without the plate, the much cheaper homemade membrane had the similar performance as the commercial one. The use of the bubble-generator considerably improved the performance of both membranes in terms of flux (133%) and harvesting rate (10 times concentrating in 1.3 hour), and revealed a significant synergy with the asymmetrical structure of the homemade membrane. This result clearly showed that the ever-problematic fouling could be mitigated in a rather easy manner, and in so doing, that membrane technology could become a practical option for algae harvesting.
In the following study, new fouling-resistant PVDF UF membranes with in situ synthesized and PEGylated polyethyleneimine (PEI) particles were prepared and tested for microalgae harvesting. In addition, three different hydrophilic additives were used to optimize membrane performance for microalgae harvesting. The characteristics of membranes showed that high loading rate of PEI particle led to high hydrophilicity, thereby having high flux recovery rate (FRR). The additive-added membranes exhibited higher flux than that of the non-additive control. Among them, the membrane with Pluronic F-127 additive revealed the best performances in terms of high permeate flux $(96 L/m^2h)$ and >100% FRR value. This fouling-resistant membrane had an additional advantage of easy cleaning and rapid performance recovery.
최근 미세조류는 높은 이산화탄소 저감능력과 지질생산성을 가지고 있어 바이오연료의 공급원료로 주목받고 있다. 하지만 배양된 미세조류의 낮은 농도로 인해 농축하는 수확과정이 반드시 필요하며 다양한 기술 중 본 연구에서는 막여과 기술을 선택하였다. 하지만 막여과 기술에서 막의 표면이나 공극에 미세조류 셀이나 조류유래유기물질이 쌓이는 막오염 현상이 가장 큰 문제이며 이를 해결하기 위해 다양한 연구를 진행하였다.
첫번째 연구에선, 2가지의 상업막 위에 polyvinyl alcohol (PVA) 용액을 코팅하여 막오염을 저감하고자 하였다. PVA로 인해 코팅을 실시한 막에서 막표면의 친수성이 증가하였음을 확인하였고 이로 인해 소수성의 막오염물질에 의한 막오염이 저감되는 결과를 보였고 미세조류 (Chlorella sp. KR-1)의 수확 효율이 향상되었음을 확인하였다. 하지만 사람의 손으로 코팅을 하였기 때문에 코팅막의 불균일성의 문제가 있어서 좀 더 균일한 막을 제작하는 연구를 진행하였다.
균일한 막 제작을 위해 막제작 기법인 상분리현상을 이용하였다. 열화학적 안정성이 뛰어난 polyvinylidene fluoride (PVDF)와 친수성의 polyethylene glycol (PEG) 첨가제를 혼합하여 친수성의 좀 더 균일한 막을 제작하였다. 이와 더불어 다른 막오염 저감 기술인 유체의 수리동역학적 흐름 변화를 이용하는 연구를 동시에 진행하였다. Cavitation 효과를 가지는 오리피스를 제작하여 막여과 시스템 내에 설치하고 유체의 흐름을 통해 오리피스에서 기포가 발생되도록 하였다. 이때 발생되는 기포가 난류를 일으키고 막표면에 강력한 전단력을 발생시켜 막표면에 생성된 막오염물질을 저감하는 효과를 보였다. 상분리막과 오리피스의 상승효과로 인해 미세조류 수확효율이 확연하게 증가되었음을 확인하였다. 본 연구를 통해 간단한 기포발생장치의 결합만으로도 추가적인 에너지 소모없이 경제적이고 효율적인 미세조류 수확인 가능한 것으로 여겨진다.
다음 연구에서는 PEGylation 된 polyethyleneimine (PEI) 입자를 이용하여 새로운 막오염 내성 PVDF 한외여과막을 제작하는 연구를 진행하였다. 또한, 3종류의 친수성 첨가제를 이용하여 미세조류 수확에 적합한 최적화된 막을 제작하고자 하였다. 실험결과 PEI의 양이 많아질수록 높은 친수성과 flux 회복률을 보였고 Pluronic F-127를 첨가한 막에서 가장 높은 수확효율을 보였다. 따라서 막오염 내성막을 이용한다면 미세조류 수확에 장시간 운전이 가능할 것으로 기대되고 간단한 세척과정을 통해 막의 기능을 다시 쉽게 회복할 수 있다고 여겨진다.
