연구 초록

본 연구는 음식물쓰레기(FW)를 발생원 근처에서 안정적으로 감량하기 위해, 실험실 규모 미생물 음식물처리기에 디지털 트윈형 교반 제어 구조를 적용하였다. FW는 수분과 유기물 함량이 높아 부패, 악취, 온실가스 배출 문제를 유발할 수 있으며, 미생물 기반 처리에서는 온도, 산소 공급, 수분, 기질 조성, 혼합 상태가 분해 효율에 큰 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 FW 처리를 센서 기반 상태 예측과 제어가 필요한 소형 생물공정 운전 문제로 접근하였다.

예비 분해 실험과 COMSOL 유동 해석을 통해 교반이 FW와 미생물 담체의 접촉, 산소 공급, 내부 혼합 조건을 보완하는 주요 운전 변수임을 확인하였다. 이후 온도, CO₂ ,CH₄ , 전류 센서를 Arduino와 MATLAB에 연동하고, Wang 모델 기반 예측 결과를 교반 필요성 판단 및 모터 제어로 연결한 디지털 트윈 구조를 구축하였다. Wang 모델 기반 교반 조건과 고정주기 교반 조건을 비교한 결과, 초기 100 g의 혼합 FW 시료에서 질량 감소율은 각각 80.3%와 61.6%로 나타났다. Wang 모델 기반 디지털트윈 교반 조건에서 18.7%p 더 높은 감량이 확인되었으며, 시료가 더 작은 조각 형태로 분산되는 양상도 관찰되었다. 이를 통해 디지털 트윈형 교반 제어가 고정주기 교반 방식보다 FW 감량과 내부 혼합 조건 개선에 유리한 운전 전략이 될 수 있음을 제시하였다.

주요어: 음식물쓰레기, 미생물 음식물처리기, 디지털 트윈, Wang 모델, 상태 기반 교반 제어