Rheological Characteristics of Hydrogen Fermented Food Waste and Review on the Agitation Intensity

The design of proper agitation system is requisite in biological waste treatment and energy generation plant, which is affected by viscosity, impeller types, and power consumption. In the present work, hydrogen fermentation of food waste was conducted at various operational pHs (4.5~6.5) and substrate concentrations (10~50 g Carbo. COD/L), and the viscosity of fermented broth was analyzed. The $H_2$ yield significantly varied from 0.51 to $1.77mol\;H_2/mol\;hexose_{added}$ depending on the pH value, where the highest performance was achieved at pH 5.5. The viscosity gradually dropped with shear rate increase, indicating a shear thinning property. With the disintegration of carbohydrate, the viscosity dropped after fermentation, but it did not change depending on the operational pH. At the same pH level, the $H_2$ yield was not affected much, ranging $1.40{\sim}1.86mol\;H_2/mol\;hexose_{added}$ at 10~50 g Carbo. COD/L. The zero viscosity and infinite viscosity of fermented broth increased with substrate concentrations, from 10.4 to $346.2mPa{\cdot}s$, and from 1.7 to $5.3mPa{\cdot}s$, respectively. There was little difference in the viscosity value of fermented broth at 10 and 20 g Carbo. COD/L. As a result of designing the agitation intensity based on the experimental results, it is expected that the agitation intensity can be reduced during hydrogen fermentation. The initial and final agitation intensity of 30 g Carbo. COD/L in hydrogen fermentation were 26.0 and 10.0 rpm, respectively. As fermentation went on, the viscosity gradually decreased, indicating that the power consumption for agitation of food waste can be reduced.

음식물류폐기물 수소 발효액의 유변학적 특성과 교반강도 고찰

점도, 임펠러 종류, 소비전력 등에 의해 영향을 받는 생물학적 폐기물 처리시설 및 에너지 생산 플랜트에서 적절한 교반 시스템의 설계는 필수적이다. 본 연구에서는 적절한 교반 시스템의 설계를 위해 음식물류폐기물을 이용하여 다양한 조건(운전 pH 및 농도)에서의 수소발효 시 유변학적 특성의 변화를 조사한 후, 이를 기반으로 교반강도를 설계하였다. 운전 pH에 따른 수소발효 실험에서 수소전환율은 $0.51{\sim}1.77mol\;H_2/mol\;hexose_{added}$였고, 가장 높은 수소전환율은 운전 pH 5.5에서 나타났다. 발효액은 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 Shear thinning 거동을 보였다. 탄수화물이 분해되면서 발효 이후 점도는 초기 점도보다 감소하는 경향을 보였으나, 운전 pH의 변화에 따른 발효액의 점도 변화는 크지 않았다. 탄수화물 농도 10~50 g Carbo. COD/L에서 수소전환율은 $1.40{\sim}1.86mol\;H_2/mol\;hexose_{added}$로 운전 pH 조건이 수소전환율에 미친 영향과 비교했을 때 큰 차이는 없었다. 발효액의 Zero viscosity와 Infinite viscosity는 탄수화물 농도에 따라 각각 $10.4{\sim}346.2mPa{\cdot}s$와 $1.7{\sim}5.3mPa{\cdot}s$로 나타났는데, 10 g Carbo. COD/L와 20 g Carbo. COD/L에서 발효액의 점도 값은 거의 차이가 없었다. 실험 결과에 기초하여 교반강도를 설계한 결과, 기질농도 30 g Carbo. COD/L의 수소발효 초기 및 발효 후 교반강도는 각각 26.0, 10.0 rpm으로 약 2.5배 정도의 교반강도를 줄임으로써 에너지를 절약할 수 있을 것으로 사료된다.