고출력 초음파를 활용한 바이오에너지 생산 효율 향상

재생에너지 생산에 고강도 초음파(초음파 처리)를 적용하는 것은 공정 효율성 측면에서 상당한 진전을 의미합니다. 초음파 기술은 음향 캐비테이션을 활용하여 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스를 비롯한 다양한 바이오연료 생산 공정 전반에 걸쳐 물질 이동을 촉진하고, 세포 구조를 파괴하며, 화학 반응을 가속화합니다.
재생 가능 연료는 유가가 최고치를 경신함에 따라 수요가 증가하고 있습니다. 바이오 디젤, 바이오 에탄올 및 바이오 가스와 같은 녹색 연료 생산에 초음파 기술을 적용하면 기술 및 상업적 효율성이 향상됩니다.

폐식용유 및 동물성 지방을 이용한 바이오디젤

바이오디젤은 석유로 만든 디젤 연료의 대체재로 디젤 엔진에 사용할 수 있는 재생 가능 연료입니다. 바이오디젤은 식물성 기름, 동물성 지방 또는 그리스와 같은 원료를 사용하여 에스테르 교환 반응을 통해 제조됩니다. 가장 흔한 원료로는 대두유, 유채유 또는 미세조류유 등이 있습니다. 바이오디젤 제조 과정에는 알코올(메탄올 또는 에탄올)을 이용한 촉매 반응이 포함됩니다. 오일, 지방 또는 그리스를 알코올과 초음파로 혼합하면 반응 속도와 수율이 크게 향상됩니다. 이를 통해 투자 비용과 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

• 가속된 에스테르 교환: 초음파 조사 기술은 바이오디젤 생산에 소요되는 반응 시간을 현저히 단축시켜, 종종 몇 시간에서 5분 미만으로 줄여줍니다.
• 향상된 분리 성능: 이 기술은 바이오디젤에서 글리세린을 더 효과적으로 분리하여, 침전 시간을 몇 시간에서 15분 미만으로 단축합니다.
• 더 높은 수익률: 초음파 처리는 반응물들의 철저한 혼합을 보장함으로써 바이오디젤 수율을 99% 이상으로 높일 수 있습니다.

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전분과 설탕에서 추출한 바이오 에탄올

바이오에탄올은 휘발유의 친환경 대체 연료로 사용됩니다. 이는 옥수수, 밀, 감자, 사탕수수, 쌀 및 기타 곡물을 발효시켜 만들어집니다. 효모를 사용하여 이러한 작물에 함유된 전분과 당분을 에탄올로 발효시킵니다. 초음파를 이용해 세포 구조를 분해하고 세포 내 물질을 추출하면 입자 크기가 줄어들고, 액화 과정에서 효소가 작용할 수 있는 표면적이 훨씬 더 넓어집니다. 이를 통해 전분과 당분의 생체 이용률이 향상되고, 더 빠르고 완전한 발효가 이루어져 더 많은 에탄올을 생산할 수 있습니다.
바이오에탄올 생산은 발효 가능한 당을 추출하기 위해 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 효율적으로 분해하는 데 크게 의존합니다. 초음파는 다음과 같은 여러 가지 방식으로 이 과정을 돕습니다:

• 가속화된 가수분해: 초음파 전처리는 식물 입자의 분해를 촉진하고, 건식 분쇄 방식의 에탄올 공장에서 옥수수 슬러리로부터의 포도당 방출을 향상시킵니다.
• 자극 발효: 초음파는 혼합 사무용 폐지 등의 원료를 대상으로 한 동시 당화 및 발효(SSF) 과정에서 에탄올 생산을 촉진하는 것으로 밝혀졌다.
• 추출 효율: 고출력 초음파는 옥수수 속대와 껍질에서 자일란 및 헤테로자일란과 같은 활성 성분을 추출하는 데 효과적일 뿐만 아니라, 대두의 유분 추출 효율을 높이는 데도 효과적이며, 이는 더 광범위한 바이오 기반 생산 체인을 뒷받침합니다.

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폐기물 및 슬러지의 바이오가스

도시 유기 폐기물, 하수 슬러지, 진흙 및 분뇨는 바이오 가스의 공급원으로 사용됩니다. 호기성 또는 혐기성 소화조에서 이러한 물질을 처리하면 유기 물질이 바이오 가스로 변환됩니다. 초음파의 유기 물질의 붕괴 소화 전에 물질 구조를 변화시키고 효소를 방출하고 활성화합니다. 이는 유기 물질의 소화를 개선하여 처리 속도가 빨라지고 가스가 증가하며 잔류 슬러지가 줄어듭니다. 이는 차례로 기존 소화조의 용량을 증가시키고 폐기 비용을 줄입니다.

혐기성 소화 공정에서는 초음파 전처리를 통해 바이오매스(폐활성슬러지 등)를 분해하여 박테리아가 유기물을 더 쉽게 이용할 수 있도록 합니다.

• 바이오가스 생산량 증가: 초음파 처리는 누적 바이오가스 생산량을 늘리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 여러 연구에 따르면, 초음파 처리를 하지 않은 슬러지에 비해 바이오가스 생산량이 26%에서 36%까지 증가한 것으로 보고되었습니다.
• 고형물 저감 효과 향상: 초음파 처리는 휘발성 고형분(VS)의 분해를 촉진합니다. 예를 들어, 유기물 부하량과 에너지 투입량에 따라 VS 분해율이 30%에서 35%로, 심지어 그 이상(최대 39%)까지 증가할 수 있습니다.
• 폐수 통합: 도시 및 산업 폐수 처리장에서 발생하는 바이오고형물과 바이오가스 플랜트 자체에서 발생하는 바이오고형물은 초음파 반응기를 사용하여 효과적으로 처리함으로써 안정화 및 에너지 회수 공정을 최적화할 수 있다.

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혐기성 소화 전에 동물 분뇨를 초음파로 분해하면 바이오가스 생산량이 향상됩니다.

초음파 에너지 균형

앞서 언급한 공정들은 많은 초음파 에너지를 필요로 하지 않습니다. 일반적으로 초음파 처리에 의해 발생하는 잉여 에너지가 초음파를 생성하는 데 사용된 에너지를 상쇄합니다. Hielscher 초음파 장치의 전체 효율은 85% 이상입니다. 이는 전기 에너지의 85% 이상이 기계적 에너지로 변환되어 액체에 전달된다는 것을 의미합니다. 공정의 실제 에너지 요구량은 벤치탑 규모의 1kW 초음파 처리기를 사용하여 소규모로 측정할 수 있습니다. 이러한 벤치탑 시험에서 얻은 모든 결과는 쉽게 규모를 확대할 수 있습니다. Hielscher는 전 세계에 산업용 초음파 처리 장비를 공급합니다. 단일 초음파 처리기당 최대 16kW의 출력을 가진 산업용 초음파 균질기를 통해, 플랜트 규모나 처리 용량에 제한이 없습니다.