국제연합식량농업기구(The Food and Agriculture Organization of the United Nations)는 전세계에서 생산되고 있는 식량의 1/3이 사용되지 않는다고 추정하였다. 이는 1년에 약 13억 톤에 달하는 식량 폐기물이 발생하는 것을 의미하기도 한다. 미국은 총 식량의 40%를 낭비하고 있으며, 이는 1,650억 달러에 달하는 것으로 추정되고 있다. 이러한 식량 폐기물의 처리는 매립지에서 이루어지지만 이들이 부패되면서 메탄(Methane) 가스를 배출한다는 문제가 발생한다. 그리고 이 메탄가스는 이산화탄소보다 더 많은 온실가스 배출에 영향을 준다. 이를 정량적으로 계산하면 식량 폐기물은 연간 33억 톤을 넘는 온실가스를 만들어내며, 미국은 전세계 총 배출의 19%를 차지하여 중국에 이어 두 번째로 많은 배출국인 것으로 나타났다.
이에 신시내티대학(University of Cincinnati)의 응용과학대학(College of Engineering and Applied Science) 연구진은 이러한 유기 폐기물을 매립하지 않고 처리할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 지난 2013년 10월 신시내티대학의 Timothy C. Keener, Drew C. McAvoy 박사 등으로 이루어진 연구진은 식량 폐기물로부터 바이오에너지와 비료를 생산하는 파일럿 연구(A Pilot Study to Produce Bioenergy and Fertilizer from UC`s Food Waste)라는 제목의 스마트 시티 프로젝트를 제안하였다.
제안서 목적은 식량 폐기물을 가스 연료, 고체 연료, 바이오디젤 및 오늘날 승인받은 다른 제품으로 변환하는 것이다. 연구진은 지난 2014년 10월 연구목적으로 신시내티 대학 식당에서 발생하는 660파운드의 음식물 폐기물을 변환하는 파일럿 설비를 운영하기 시작하였다. 그 이후 영양분이 풍부한 유기물질을 바이오가스와 같은 연료나 비료로 전환하기 위해 혐기성 소화(Anaerobic Digestion)를 활용하는 획기적인 기술을 개발하였다. 이들의 기술은 처리과정 중 생산되는 바이오가스의 일부인 이산화탄소를 조류(Algae) 재배에 활용할 수 있다는 장점도 있다. 또한 조류는 내부의 지질(Lipid)을 이용하여 바이오디젤을 생산하는데 활용될 수 있다.
혐기성 소화를 조류 생산과 통합한 이번 새로운 공정은 재생가능한 방법으로 음식물 폐기물에 있는 탄소를 거의 완전하게 활용할 수 있게 해준다. McAvoy 박사는 "조류 생산과 연계된 음식물 폐기물의 혐기성 소화는 온실가스 배출뿐만 아니라 재생가능 에너지 생산을 위한 매력적인 접근방법"이라고 밝혔다. 안정적이면서 효과적인 바이오연료 대량 생산은 지속가능한 액체, 고체, 기체 연료를 통해 화석연료 사용을 최소화하거나 아예 제거할 수 있다. 그리고 화석연료 사용을 최소화하는 일은 온실가스의 대기 중 농도를 줄이는데 기여하는 일이라 할 수 있다. 또한 이러한 공정은 수 십억 톤에 달하는 메탄의 대기 배출을 절감하고 수 백억 톤의 이산화탄소를 바이오연료로 변환할 수 있다.
최근 Keener와 McAvoy 박사는 이들의 연구결과를 Renewable Energy Grant에 선보였다. 이들은 현재 Rumpke와 협력을 맺고 있으며, 중앙 설비에 적용하는 것을 목표로 하는 장기 계획을 신시내티시와 함께 개발하기를 바라고 있다. Keener 박사는 "이러한 바이오연료 자원이 현실화될 수 있다면 미세조류(Microalgae)의 대량 생산을 포함한 공정 운영 방안에 대해 최적화할 필요가 있다"고 말했다. 전세계 온실가스 배출을 적절히 관리할 수 있는 방안 중 하나는 에너지 지속가능성(Energy Sustainability)이라는 것은 분명하다. 따라서 이러한 연구는 환경 및 삶의 질을 개선하는데 기여할 것으로 기대된다.
The Food and Agriculture Organization of the United Nations estimates that "a third of all the food produced in the world is never consumed," totaling about 1.3 billion tons of waste a year. The United States alone wastes 40% of all food, worth an estimated $165 billion.
This
waste decays in landfills and, without oxygen present, emits methane, which is a more potent greenhouse gas than carbon dioxide. Consequently, food waste creates an overwhelming 3.3 billion tons of
greenhouse gases annually and US greenhouse gas emissions account for 19% of the world's total emissions, second only to China.
This alarming figure led UC College of Engineering and Applied Science (CEAS) researchers to investigate alternatives to landfilling organic wastes. In October 2013, environmental engineering colleagues from the CEAS Department of Biomedical, Chemical, and Environmental Engineering, Timothy C. Keener, PhD, and Drew C. McAvoy, PhD—along with fellow faculty members Pablo Campo-Moreno, PhD, San-Mou Jeng, PhD, and George Sorial, PhD—proposed an innovative Smart Cities Project titled "A Pilot Study to Produce Bioenergy and Fertilizer from UC's Food Waste."
The proposal to convert food waste into gaseous fuels, solid fuels, biodiesel and other products was accepted and today, the study flourishes under the direction of Keener and McAvoy. In October 2014, the team launched a pilot plant that has diverted 660 pounds of food waste generated from UC's Center Court Dining Center for research.
The researchers have since developed a breakthrough synergistic technology that uses anaerobic digestion to turn nutrient-rich organic materials into fuel (biogas), fertilizer, or soil conditioner, while using the carbon dioxide fraction of the biogas to grow algae. Simultaneously, lipid oils in the algae are also extracted and converted to biodiesel.
This novel process, which essentially integrates algae production with anaerobic digestion, allows researchers to almost completely utilize the carbon found in food waste in a renewable manner.
McAvoy explains, "The anaerobic digestion of
food waste coupled with algae production seems to be an attractive alternative for not only reducing
greenhouse gas emissions, but also for the production of renewable energy."
The safe, effective production of plentiful biofuels provides a sustainable source of liquid, solid and gaseous fuels which will minimize or, hopefully, eliminate the use of fossil fuels. In turn, this will curtail or reduce the atmospheric concentration of greenhouse gases. The process would also reduce the release the hundreds of millions of tons of methane and convert millions of tons of carbon dioxide gas into biofuel.
Keener and McAvoy recently presented their research results related to their Renewable Energy Grant, and were well-received by colleagues. They are currently forming a partnership with Rumpke, and hope to eventually develop a long range plan with the City of Cincinnati to promote the development of a central facility.
Keener says, "There is a critical need to optimize the unit operations involved in the mass production of microalgae if this potential biofuel source were to become a reality, making a central facility an absolute necessity moving forward."
It is evident that energy sustainability is the key to properly managing the world's
greenhouse gas emissions. With the help of these CEAS researchers, we are one step closer to improving our environment, and therefore, our quality of life.
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