As the demand for biodiesel has expanded due to the environmental issue related to the emission of greenhouse gases and the depletion of fossil fuel reservoirs, the interest in biodiesel valorization has spurred the search for non-debatable biomass, including microbial biomass, and biological refuse. This thesis covers the studies on the valorization of biomass such as microalgae or spent coffee grounds (SCG) in various ways and suggests sustainable routes for alternative fuels. In chapter 2, as a process intensification, a production of biodiesel (Fatty acid alkyl esters, FAAEs) via wet in situ transesterification (ISTE) of microalgae is suggested. Due to the costly process of drying and oil extraction, the concept of direct use of harvested microalgae via wet in situ transesterification has considered simplified yet economically viable process. Continue to chapter 3, wet ISTE process is modified by applying the concept of hydrothermal liquefaction to produce biodiesel without the addition of catalyst, and named this new process as iTHL. By controlling reaction variables such as reaction temperature, and the amount of solvent and water, solvothermal effect of chlorinated solvent, especially dichloroethane offers both biphasic and acidic environment which is favorable for the production of biodiesel. At this point, recent studies biodiesel production from microalgae via in situ transesterification were reviewed. Furthermore, not only microalgae but also SCG was applied in this process, and showed the way to sustainable production of biodiesel. Chapter 4 addresses the production of platform chemical, for example, levulinic acid (LA) and formic acid (FA) from untreated spent coffee ground (SCG) as a precursor of platform chemical. The previously suggested iTHL process was modified to study the mechanism of products and their distribution depending on the reaction variables such as temperature, the amount of solvent and water, and the pretreatment condition. In addition, the formation of humin, which leads to the decrease in the overall yield of LA and FA, depending on the reaction variables was dealt. Based on the experimental results, the optimum condition and mechanism for maximum LA and FA from raw SCG was confirmed.
바이오매스는 고갈되는 석유자원을 대체하기 위한 잠재적인 에너지 자원으로서 다양한 형태로 연구 및 활용되고 있다. 본 학위논문에서는 바이오매스를 보다 효율적으로 활용하기 위하여 바이오매스 내의 셀룰로오스 및 지질을 활용하여 기존의 석유기반 에너지를 대체할 수 있는 다양한 접근법을 제시하였고, 각 장의 내용은 다음과 같다. 제 2장에서는 단위 무게 당 지질 함유량이 높은 미세조류를 이용하여 기존의 다단계로 이루어진 바이오디젤 생산공정을 단순화한 습식인시츄에스터화 공정을 제시하였다. 특히, 많은 에너지가 소비되는 미세조류의 건조공정을 생략하여 생산단계를 효과적으로 줄이면서도 높은 효율을 유지할 수 있어 미세조류 기반 바이오디젤 생산의 경제성 제고 가능성을 보여주었다. 이어서, 제 3장에서는 앞선 습식인시츄에스터화 공정에서 공정변수를 제어함으로서 아임계상태의 물과 공용매인 염소계 유기용매의 용매열효과를 이용하여 별도의 촉매 없이 바이오디젤을 생산할 수 있는 공정을 제시하였다. 그리고 습식 인시츄에스터화를 통한 미세조류로부터 바이오디젤 생산 공정에 대한 기존연구 논문들의 리뷰를 통해서 경제성평가를 진행하였다. 뿐만 아니라, 이를 미세조류 뿐 아니라 대표적인 폐바이오매스인 커피찌꺼기에 적용해 봄으로써 바이오매스를 활용하여 효율적으로 대체 에너지를 생산하는 가능성을 제시하였다. 제 4장은 바이오매스에 포함된 셀룰로오즈를 플랫폼케미컬로 전환하는 연구로서, 앞서 바이오디젤 생산에 적용하였던 아임계상태의 물과 염소계 유기용매의 조건에 따라 달라지는 생성물질의 종류 및 메커니즘을 연구하였다. 셀룰로오즈 함량이 높은 커피찌꺼기를 활용하였으며, 특히 대표적인 플랫폼 케미컬인 레불린산 및 포름산의 생산을 주목적으로 하였다. 반응 온도와 시간, 아임계수 및 염소계 유기용매의 양에 따라 화합물 생산에 미치는 영향뿐 아니라, 대표적인 부반응인 탈수반응에 의한 휴민형성을 확인하였고, 이를 통해 레불린산 및 포름산의 생산이 최적화되는 반응 조건을 확인하였으며 생성되는 메커니즘을 제시하였다는데 연구의 의의가 있다.
