Biofuel produced from microalgae is one of the promising renewable energy sources. Although there has always been a controversy about economic feasibilities in biofuel production, overall production cost is expected to be reduced by improving the downstream process. Even though there are many useful methods of harvesting and lipid extraction, the practical application has been limited due to its own issues like energy consumption and scale-up. Since drying process is considered to be a heavy burden to the industrial-scaled production, wet lipid extraction directly from wet microalgal biomass without drying process has been recently researched to improve entire production efficiency. This study developed the wet lipid extraction process combining electro‐coagulation–flotation (ECF) which is classified as a low-energy $1^{st}$ harvesting technology using ferric ions as coagulants, and Fenton process which uses ferric ions for cell disruption, in order to simplify the process by omitting the second harvesting and drying process. Firstly, effects of various experimental factors such as oxidant concentration, reaction time, and temperature were evaluated. The lipid yield reached up to 85.4 % at 90 ℃ with the oxidant concentration of 0.6%, which indicated that high reaction temperature requiring high energy consumption was inevitable to achieve sufficient lipid yield. Thus, in order to overcome the temperature issue, two-step disruption process connecting Fenton reaction and the physical disruption, high shear mixer or microwave, was established, and it enabled to achieve high lipid yield over 90% while reducing energy consumption by 42.6% at the low temperaure of 50 ℃. Finally, the one-step disruption process obtaining high lipid yield with low energy consumption was established to achieve process intensification by combining simultaneous operation of Fenton reaction and the high shear mixer showing the high energy-efficiency in the two-step disruption process. Moreover, in the one-step disruption process, the fractional feeding of the oxidant reduced its total usage by half with obtaining sufficient lipid extraction efficiency. Thus, it is expected that overall production cost of microalgae-based biofuel could be reduced by the integrated process based on Fenton reaction.
미세조류로부터 생산되는 바이오연료는 유망한 신재생 에너지원 중 하나로 각광받고 있다. 전체 생산 공정의 경제적 타당성에 대해서는 논란의 여지가 있지만, 공정 개선을 통해 생산 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 수확과 지질 추출 공정 있어 다양한 방안들이 제시되어 왔으나 그 실질적 적용에 있어서 에너지 소비와 스케일 업과 같은 문제들이 있었다. 건조 공정은 산업적 규모의 바이오연료 생산에 있어서 부담으로 작용하기에, 최근에는 이를 생략하는 비건조 미세조류 바이오매스의 습식 지질 추출을 통하여 전체 공정의 효율을 개선하는 연구가 다양하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 저에너지 1차 수확기술인 전기 응집부상 공정과, 수확응집제의 역할을 하는 철이온이 세포파쇄에도 활용되는 펜톤공정을 통합하였다. 그 결과 2차 수확 및 건조 공정이 생략되어 전체 공정을 단순화 시킬 수 있는 습식 지질 추출 공정이 이루어졌다. 먼저, 산화제 농도, 반응 시간, 반응 온도 등 다양한 실험 인자를 평가하였으며, 그 결과 90 ℃, 0.6%의 산화제 조건 하에서 최대 85.4%의 추출 효율을 달성할 수 있었다. 펜톤반응을 통한 세포파쇄로 높은 추출효율을 달성할 수 있었지만, 이를 위해서는 높은 에너지가 요구되는 고온 조건이 필수적이다. 따라서 고온 조건을 극복하기 위해 펜톤반응과 물리적 세포파쇄법인 고전단믹서 혹은 마이크로파를 연계한 2단계 파쇄 공정을 이용하여, 저온조건인 50 ℃에서도 에너지 소모를 최대 42.6%까지 줄이면서 90% 이상의 높은 추출효율을 달성할 수 있었다. 다음으로, 2단계 파쇄 공정에서 높은 에너지효율을 보였던 고전단믹서와 펜톤반응을 결합하여 동시에 수행하는 1단계 파쇄 공정을 통하여, 높은 추출 효율 및 에너지 효율을 달성하였고 공정 단순화를 이룰 수 있음을 확인하였다. 더 나아가, 고전단믹서와 펜톤반응의 1단계 파쇄 공정에서 산화제의 분할 주입을 이용하여 산화제의 소모를 절반으로 줄이면서도 높은 추출 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 펜톤반응을 이용한 미세조류의 지질 회수 통합공정을 통해, 미세조류 유래 바이오연료의 전체 생산 비용이 절감될 수 있을 것으로 기대된다.
