In this study, a novel forward osmosis (FO) process coupled with microalgae cultivation process and its model were developed as a means for energy-efficient microalgae harvesting. The use of draw solution that conventionally necessitated the energy-intensive regeneration is no longer required by using microalgal culture medium, leading to direct utilization of diluted nutrients into microalgal cultivation. Its feasibility was proven by the way of glucose as draw solute, a common carbon source for heterotrophic microalgae cultivation, in microalgae harvesting. To mathematically predict the behavior of the newly proposed FO process for microalgae harvesting, a model was constructed. The model was first established in ideal environment, where there are no foulants within feed solution, to predict significant physicochemical phenomena including concentration polarization and solute diffusion. Dynamic model was then used to focus on the process itself, in addition to phenomenal perspective. Lastly, the model was extended to the fouling model that is applicable to microalgae harvesting process. Based on the developed model, Latin-hypercube one-at-a-time (LH-OAT) sensitivity analysis framework was adopted for evaluating the impact of model parameters. Model parameters, namely the physiochemical properties of the FO membrane, glucose solution, and microalgal solution, were estimated on the basis of experimental and theoretical methods. With the estimated model parameter, the proposed model adequately described the significant physicochemical phenomena for harvesting microalgae, including internal concentration polarization (ICP), external concentration polarization (ECP), reverse solute diffusion (RSD), cake layer growth, and the cake-enhanced concentration polarization (CECP). As a result, the simulated data from the model exhibited good agreement with the experimental data in batch FO operation.
본 연구에서는 미세조류 배양 공정과 연계된 새로운 정삼투 공정과 이에 대한 모델을 개발하였다. 미세조류 배양액을 유도용액으로 이용함으로써, 에너지 소모가 큰 유도용액의 재생 공정을 생략할 수 있게 되고, 정삼투 공정 결과로 희석된 유도용액은 바로 미세조류 배양액으로 사용된다. 새롭게 제안된 공정의 실현가능성은 종속배양에 주로 사용되는 탄소원인 포도당을 유도용액으로 이용하여 입증되었다. 이어, 새롭게 제안된 정삼투 공정의 거동을 예측하는 수리적 모델을 수립하였다. 먼저, 오염 물질이 없는 이상적인 조건에서 농도 분극과 확산 현상을 포함하는 주요한 물리화학적 현상을 예측하는 기본적인 모델을 수립하였고, 이를 현상적 측면 뿐만 아니라 프로세스 측면에서도 적용 가능한 모델로 수정되었다. 마지막으로, 앞서 수립된 막 오염이 없는 조건의 모델에 막 오염 현상을 적용하여 미세조류 수확 공정에 적용 가능한 모델로 확장하였다. 모델 파라미터의 영향력을 분석하기 위해, 개발된 모델에 전역 민감도 분석 기법을 도입하였다. 모델의 파라미터- 즉, 정삼투 막, 포도당 용액, 미세조류 용액의 물리화학적 특성- 들은 실험적 방법과 이론적 방법을 이용하여 측정 또는 추정되었다. 이렇게 제안된 모델은 미세조류를 수확하는데 있어서 나타나는 물리화학적 현상들- 농도 분극, 확산 현상, 케익의 성장, 케익에 의해 강화된 농도 분극 등-을 적절하게 모사하였다. 그 결과, 회분식 정삼투 공정에서 시뮬레이션 결과는 실험값과 높은 일치도를 보였다.
