The third generation biomass microalgae has been received huge attention due to its non-competitiveness with food crop as well as overwhelming productivity compared to other first- and second-generation biomass. However, at present, the fuel production from microalgae has not cost competitive since there are a number of technical barriers that need to be overcome for its commercialization. In the current study, process systems engineering approaches including modeling and optimization are implemented in order to enhance the economic feasibility of the microalgal biorefinery. Cultivation process is mainly addressed in this research since it has a large portion of the biofuel production cost from microalgae.
In order to use process systems engineering approaches for enhancing microalgae cultivation process, a mathematical model for microalgal behavior is developed first. The proposed model for autotrophic (Chapter 2) and heterotrophic (Chapter 4) models are developed based on a central metabolic pathway of microalgal growth and macromolecules syntheses. Along with pathway-based model structure, two different cell growth behaviors (hyperplasia and hypertrophy) are considered for establishing the model. Based on the proposed model, a performance comparison of operation strategies after their operating conditions are optimized using the previously developed model for culturing microalgae (Chapter 3). Lipid productivity is optimized, and related capital expenditures are also analyzed. In the last part, possible applications using the proposed works are introduced (Chapter 5) with the preliminary results.
현재 미세조류는 생산성이 높고, 기존의 식량 작물과 경쟁하지 않는다는 장점때문에 크게 각광받고있다. 하지만, 아직까지는 기술적으로 가격 경쟁력이 낮기 때문에 상용화가 이루어 지지 못하고 있다. 본 연구에서는 미세조류 바이오리파이너리의 가격 경쟁력을 높이기 위하여 현재 가장 많은 생산 비용을 차지하는 미세조류 배양 공정을 대상으로 모델링 및 최적화 방법을 적용하였다.
공정 시스템 방법을 적용하여 배양 공정을 개선하기 위하여 우선 미세조류 배양의 수치적인 모델 (독립 영양: 2장, 종속 영양: 4장)을 개발 하였다. 미세조류의 거동을 잘 모사하기 위하여 중심 대사 경로 경로 기반의 모델 구조와, 두 가지 성장 (증식, 비대)를 고려한 모델을 제시하였다. 이를 기반으로 현재 널리 알려진 6가지 배양 방법의 운전 조건 최적화 및 평가를 진행하였다 (3장). 마지막으로 본 학위 연구가 추후 어떤 방향으로 미세조류 바이오리파이너리의 상용화에 기여 할 수 있는지에 대하여 서술하였다.
