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Improvement of microalgae filtration efficiency by adopting turbulent jet = 난류제트를 이용한 미세조류 여과 효율 향상
서명 / 저자 Improvement of microalgae filtration efficiency by adopting turbulent jet = 난류제트를 이용한 미세조류 여과 효율 향상 / Donghyun Kim.
저자명 Kim, Donghyun ; 김동현
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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8033348

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초록정보

A turbulent-jet implemented hollow fiber membrane module was developed to improve the efficiency of filtration applied for harvesting/concentrating processes in a microalgae-based biorefinery. By manipulating the feed flow in the form of a turbulent jet, both the fouling on the membrane surface and the specific energy requirement were reduced significantly, compared to the conventional cross-flow filtration system using a typical hollow fiber membrane module. The highest shear stress was generated at the impinging point formed by the jet collision on the membrane surface in a radial direction, which was higher than the value obtained by maximizing the total feed flowrate and mean crossflow velocity in an axial direction. A wall jet created after the impingement drastically reduced the boundary layer, and this phenomenon contributed to the fouling reduction by increasing the local fluid velocity near the membrane surface. When comparing the contribution of the impinging jet and the wall jet in terms of fouling reduction, the wall jet was shown to have a greater impact. For an in-depth understanding, the jet-scouring phenomenon was modeled. Simple force balance on a sphere was coupled with the velocity profile of the wall jet, and the net angular moment was calculated to determine whether the sphere escapes from the pore or spins on the pore. The fouling removal area estimated from the model and that obtained through the experiment showed high consistency with an error of 1-5%, confirming that the model was precisely established. The removal area was proportional to the initial jet velocity, and the shape of the area became elliptical with a larger eccentricity as the impinging angle became smaller. The correlation between parameters involved in the filtration and the removal area was summarized in the form of an empirical formula, revealing the degree of contribution of each parameter to the fouling reduction phenomenon. By using the formula, the geometry of the perforated cylinder, a key factor for generating the turbulent jets in the hollow fiber membrane module, was designed. The newly designed module was applied to an actual harvesting process to compare the differences in permeate flux and biomass concentration with the conventional system. The mean permeate flux increased roughly three-fold over the entire concentration range, requiring only 35% of the specific energy. The final biomass concentration was 2.4 times higher, reaching 80 g/L. This is far above the minimum concentration (50 g/L) required for downstream hydrothermal liquefaction or hydrothermal pretreatment, which could not be achieved when using the conventional modules. The developed system enables omission of the secondary harvesting process (centrifugation, for example), which requires the highest operational and installation cost in the entire process, and therefore may reduce the capital expenditures as well as the operating expenses. This also can improve the overall economic feasibility of microalgae-based biorefinery.

미세조류 기반 바이오리파이너리의 수확/농축 단계에 응용되는 분리막 여과의 효율을 높이기 위해 난류제트가 도입된 중공사막 모듈을 개발했다. 순환여과방식으로 원수를 공급할 때 난류제트의 형태로 분사함으로써, 일반적인 중공사막 모듈을 이용한 기존의 단순교차흐름에 비해 분리막 표면에 발생하는 파울링을 크게 저감하고 여과시스템의 에너지소비효율을 높였다. 난류제트가 막 표면에 수직 방향으로 충돌하여 형성된 충돌구간에서 가장 높은 전단응력이 생성되었으며, 이는 주어진 모듈 사양에서 축방향으로 전체순환유량과 평균선속도를 최대한 늘려 얻은 값보다 높은 값이다. 충돌 후에 발생하는 벽-제트에 의해 표면 경계층이 급격하게 줄어들었고, 막 표면 근처에서 국부유속을 효과적으로 늘려 파울링 저감에 기여했다. 충돌구간과 벽-제트가 파울링 저감에 기여하는 비중을 비교했을 때, 벽-제트의 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 이 결과에 기반하여 난류제트 기반 파울링 저감 현상을 모델링했다. 구체에 작용하는 힘-평형 모델을 바탕으로 제트유동의 유속 정보를 더하여 모델을 만들고, 막 공극에 부착된 구체가 자리를 이탈하는 데 필요한 최소요구조건을 찾았다. 모델을 통해 예측한 파울링 제거 면적과 실험을 통해 얻은 면적은 1-5%의 오차를 보여, 모델이 정밀하게 세워진 것을 확인했다. 제거면적은 초기 제트유속에 비례했고, 그 영역의 형태는 충돌각이 낮아질수록 이심률이 큰 타원의 형태가 되었다. 여과에 관여하는 더 많은 변수들과 제거면적간의 상관관계를 경험식의 형태로 정리하여, 경향성을 쉽게 관찰할 수 있는 프레임을 제공했다. 이 프레임을 활용하여 중공사막 모듈 내 난류제트 생성의 핵심부품인 다공성 관의 형태를 디자인했고, 실제 수확 공정에 적용하여 여과유속과 농축율 변화를 관찰하였다. 여과유속은 전 구간에서 평균 3배 가까이 증가했고, 여과운전에 필요한 에너지를 35% 수준으로 낮추었다. 최종 바이오매스 농도는 2.4배 높아진 80 g/L에 이르렀는데, 이는 기존 형태의 모듈로는 넘지 못했던 하부 열수액화공정이나 열수전처리에 필요한 최소농도 (50 g/L)를 훨씬 넘긴 수준이다. 따라서 전체 공정에서 가장 많은 에너지와 설치비용을 필요로 하는 2차 수확공정 (예: 원심분리)을 생략할 수 있게 되면서, 운영비용뿐만 아니라 설비투자비용도 줄여 미세조류 기반 바이오리파이너리의 경제성 개선에 기여할 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 19030
형태사항 vi, 90 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김동현
지도교수의 영문표기 : Yong Keun Chang
지도교수의 한글표기 : 장용근
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 80-84
주제 Microalgae
turbulent jet
membrane
hollow fiber membrane
fouling
filtration
modeling
미세조류
난류제트
분리막
중공사막
파울링
여과
모델링
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