Techno-Economic Comparison of Conventional and Heated Water-Assisted Alginate Extraction from Sargassum crassifolium Using Process Simulation

기술 요약: 전통적 방식과 가열 온수 보조 방식의 알긴산 추출에 대한 기술-경제적 비교

문제 제기
해양 유래 다당류인 알긴산은 식품, 제약 및 바이오메디컬 분야에서 널리 활용되고 있다. 인도네시아 연안에는 Sargassum crassifolium과 같은 갈조류가 풍부하지만, 이 특정 바이오매스로부터 알긴산을 추출하는 것의 산업적 타당성은 여전히 연구 대상이다. 전통적인 추출 공정은 종종 에너지 집약적이고 시간이 많이 소요되어 경제적 생존 가능성을 제한할 수 있다. 본 연구는 공정 강화(process intensification), 구체적으로 가열 온수 보조 추출의 도입이 기존의 기준 모델과 비교하여 S. crassifolium의 알긴산 생산에 대한 기술-경제적 성능을 개선할 수 있는지 평가하는 필요성을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 SuperPro Designer (SPD) 소프트웨어를 사용하여 공정 시뮬레이션 및 기술-경제성 분석을 수행하였다. 연구는 배치당 5.5톤의 원료 S. crassifolium을 처리하며, 연간 운영 시간 7,920시간(330일)을 갖는 배치 운전 플랜트를 모델링하였다.

두 가지 서로 다른 공정 구성을 시뮬레이션하고 비교하였다:

1. 기준 대조 공정 (BCP): 전처리, 산 세척, 탄산나트륨을 이용한 알칼리 추출, 침전 및 건조를 포함하는 전통적인 추출 흐름이다.
2. 수정된 가열 공정 (MHP): 가열 온수 보조 추출을 용이하게 하기 위해 추가적인 펌프 및 히터 유닛을 포함하는 BCP의 변형 모델이다. 이 구성은 반응 속도를 가속화하고 처리량을 개선하는 것을 목표로 한다.

주요 입력값 및 가정:

• 원료: 문헌에 근로한 화학적 조성(알긴산 34.0%, 회분 32.59%, 바이오매스 31.98%, 수분 1.43%)을 가진 인도네시아 웅누 킬룰(Gunung Kidul)산 Sargassum crassifolium 바이오매스.
• 화학적 모델링: 알긴산 및 알긴산 칼슘을 위한 사용자 정의 성분을 정의하였으며, 용매(탄산나트륨, 염산) 및 유틸리티를 위해 표준 데이터베이스 성분을 사용하였다.
• 경제적 파라미터: 유틸리티 비용은 2026년 초 인도네시아 산업 예상 가격(전기: $0.056/kWh; 물: $0.4/MT; 증기: $12/MT)을 기준으로 하였다. 순현재가치(NPV) 분석을 위한 할인율은 인도네시아 국채 수익률, 자기자본 위험 프리미엄 및 해당 틈새 해조류 벤처의 특정 베타 값 1.30을 고려하여 자본자산가격결정모델(CAPM)을 통해 **18.95%**로 계산되었다.
• 수익: 두 시나리오 모두에 대해 최종 제품 톤당 $6,585의 고정 시장 수익을 가정하였다.

주요 결과
시뮬레이션 결과, MHP 구성이 공정 역학 및 경제적 결과를 유의미하게 변화시킨 것으로 나타났다:

• 공정 효율성: 가열 유닛의 추가로 레시피 배치 시간이 **16.33시간(BCP)**에서 **9.17시간(MHP)**으로 단축되었다. 결과적으로 연간 배치 횟수는 2,108회에서 2,877회로 증가하였으며, 이는 생산 주기가 36.5% 증가했음을 의미한다.
• 유틸리티 소비: MHP 플랜트는 더 높은 유틸리티 투입을 요구하였다. 연간 전기 수요는 두 배 이상 증가하였고(약 194만 kWh에서 약 462만 kWh로), 가열 공정의 열 관리 요구 사항으로 인해 냉수 사용량도 크게 증가하였다.
• 경제적 성과: 더 높은 자본 지출(CAPEX) 및 운영 비용(OPEX)에도 불구하고, MHP 공정은 우수한 경제적 지표를 보여주었다:
  • 단위 생산 비용: $6.06/kg(BCP)에서 $5.90/kg(MHP)로 감소하였다.
  • 투자 수익률 (ROI): 23.25%(BCP)에서 26.50%(MHP)로 증가하였다.
  • 회수 기간 (Payback Period): 4.30년(BCP)에서 3.77년(MHP)으로 단축되었다.
  • 순현재가치 (NPV): 18.95%의 할인율에서 BCP는 -$1,282,000의 음의 NPV를 기록하여 이러한 가정하에 파산 상태임을 나타냈다. 반면, MHP는 약 $17,000의 양의 NPV를 기록하며 간신히 손익분기점을 넘겼다.
  • 내부수익률 (IRR): MHP의 IRR(18.98%)은 할인율을 약간 상회한 반면, BCP의 IRR(15.39%)은 그보다 낮았다.

의의 및 주장
저자들은 두 공정 모두 시뮬레이션 프레임워크 내에서 기술적으로는 타당하지만, 가열 온수 보조 구성(MHP)이 경제적으로 더 유리한 옵션이라고 결론짓는다. 본 연구는 가열 및 펌프 유닛을 통한 공정 강화를 통해 배치 효율을 높이고 단위 생산 비용을 낮춤으로써 S. crassifolium의 알긴산 생산에 대한 산업적 생존 가능성을 향상할 수 있다고 주장한다.

그러나 논문은 이러한 결과에 대해 신중한 어조를 유지한다. 저자들은 MHP의 경제적 이점이 상대적으로 좁다는 점을 강조하며, 유틸리티 가격, 바이오매스 조성 및 시장 수익에 관한 가정에 따라 프로젝트의 생존 여부가 매우 민감하게 반응한다는 점을 명시하였다. 양의 NPV는 미미한 수준이며, 이는 프로젝트의 생존 가능성이 절대적이기보다는 조건부임을 시사한다. 또한, 본 연구는 알긴산 품질의 단순화된 표현, 높은 회분 함량에 대한 상세한 폐기물 관리 최적화의 부재, 그리고 시뮬레이션된 수율에 대한 실험적 검증의 부재를 포함한 한계를 인정하였다. 저자들은 M-HP가 본 시뮬레이션에서는 선호되지만, 실제 산업 현장 배치를 위한 견고함을 확인하기 위해서는 추가적인 실험적 작업과 민감도 분석이 필요하다고 주장한다.