경제적인 미세조류 바이오매스 및 바이오디젤 생산을 위한 미세조류 배양 공정에서 혼합 하폐수 배지의 적용 Application of Blended Raw Wastewater in Microalgae Cultivation for Cost-effective Biomass and Biodiesel Production원문보기
전 세계적으로 화석연료의 과도한 사용으로 인해 심화된 지구 온난화 문제와 자원 불균형에 기인한 석유가격의 급격한 변동은 지난 수십 년 동안 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발을 유도하였다. 미세조류는 수계에서 광합성을 통한 탄소 동화 및 산소 발생 측면에서 생태계에서 중요한 역할을 하고 있으며, 특히, 스트레스 환경에 처할 때 세포 내에 바이오디젤의 원료인 지질을 축적하는 특성을 가지기 때문에 화석연료의 대체에너지원으로서 주목을 받고 있다. 미세조류는 식용작물에 비해 높은 성장률, 단위면적 당 우수한 생산성, 극한의 환경에서도 성장이 가능하기 때문에 상대적으로 큰 장점을 갖는다. 이에 지난 수십 년 간 미세조류를 이용한 ...
전 세계적으로 화석연료의 과도한 사용으로 인해 심화된 지구 온난화 문제와 자원 불균형에 기인한 석유가격의 급격한 변동은 지난 수십 년 동안 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발을 유도하였다. 미세조류는 수계에서 광합성을 통한 탄소 동화 및 산소 발생 측면에서 생태계에서 중요한 역할을 하고 있으며, 특히, 스트레스 환경에 처할 때 세포 내에 바이오디젤의 원료인 지질을 축적하는 특성을 가지기 때문에 화석연료의 대체에너지원으로서 주목을 받고 있다. 미세조류는 식용작물에 비해 높은 성장률, 단위면적 당 우수한 생산성, 극한의 환경에서도 성장이 가능하기 때문에 상대적으로 큰 장점을 갖는다. 이에 지난 수십 년 간 미세조류를 이용한 바이오연료 특히, 바이오디젤 생산목적의 연구들이 수행되어 왔다. 그러나, 미세조류 기반 바이오디젤 생산 공정의 상업화를 위해서는 미세조류의 생산에서부터 바이오디젤 전환까지 소요되는 전체 바이오디젤 생산 비용 (US $ 2-11 L-1)을 화석연료 기반의 디젤 생산 비용 (US $ 0.35-1.00 L-1) 수준으로 낮추어야 한다. 특히, 전체 바이오디젤 생산 비용의 절반 이상을 차지하는 미세조류 생산공정 비용을 줄이는 것이 매우 중요하다. 미세조류 생산공정 비용을 줄이기 위해서는 고밀도 성장이 가능하고 고지질 함량을 갖는 미세조류 균주를 개발하고, 저가의 배지를 이용하며, 배양 공정을 최적화할 수 있는 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 선행 연구를 통해 분리한 고밀도, 고지질 함량을 갖는 미세조류 Micractinium inermum NLP-F014를 이용하였다. 미세조류 배양을 위한 배지를 제조하는데 필요한 다량의 물과 영양염을 폐수로 대체한다면 미세조류 배양 비용의 10% 이상을 절감할 수 있다. 그러나, 폐수의 유형에 따라 영양염, 유기물 및 무기물의 성상과 농도가 상이하기 때문에 미세조류 성장에 필수적인 성분들의 불균형을 해결하기 위해서는 수원용 폐수와 영양염원용 폐수를 각각 선정하고 미세조류 성장에 적합한 폐수의 혼합비율을 찾는 것이 필요하다. 또한, 혼합 하폐수 배지를 이용하는 미세조류 배양 공정에서는 미세조류의 생산성을 향상시킬 수 있는 운전방법을 선정하는 것이 중요하다. 유가식 배양 방식은 고밀도 미세조류 배양을 위한 운전방법이 될 수 있으며, 성장에 필요한 영양염을 보충하기 위해 영양염원용 폐수의 첨가를 통해서 지속적인 성장을 유도할 수 있다. 마지막으로, 미세조류 배양공정에서 태양에너지의 활용은 경제성 확보를 위한 중요한 요소가 될 수 있다. 그러나, 옥외배양 과정에서는 미세조류 배양기의 단면에서만 태양에너지를 활용하게 되는 단점이 있기 때문에 미세조류의 고밀도 성장을 유도하는 것이 매우 어려우며, 인공광원의 활용은 이러한 생산성 저하 문제를 해결할 수 있는 방안이 될 수 있다. 본 연구에서는 경제성 있는 미세조류 배양공정을 확립하기 위해 저가의 미세조류 배양 배지를 개발하고, 회분식 및 유가식 배양공정의 생산성을 비교하여 최적 배양 공정을 선정하였으며, 옥외배양 공정에서 인공광원의 활용 여부에 따른 미세조류 바이오매스와 지질 생산성을 에너지 소비효율 측면에서 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다. Chapter 3에서 하수처리장 유입수와 양돈폐수의 호기성처리공정 유출수를 각각 수원과 영양염원으로 적용하였을 때 고밀도 미세조류 배양이 가능하였고, 이 때 성장률은 기존의 인공배지 조건의 결과와 유사하였다. 영양염원용 폐수는 탁도 유발물질과 여러 미생물들이 함유되어 있지만 전처리 과정 없이도 미세조류의 성장 저해 없이 고밀도로 미세조류 배양이 가능했으며, 이는 배지의 전처리공정 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 수원과 영양염원의 혼합비는 5-15%일 때 바이오매스 및 바이오매스 생산성이 최대 5.7 g L-1과 1.03 g L-1 d-1을 보였으며, 5% 혼합비일 때 지질함량 및 지질 생산성이 최대 39.1%와 0.19 g L-1 d-1 수준이었다. Chapter 4에서 유가식 배양공정은 미세조류의 최대 바이오매스 및 바이오매스 생산성을 기존 회분배양공정 대비 각각 2배, 1.2배 증가시킬 수 있었다. 그러나, 영양염원 첨가에 따라 지질 축적 시기가 최소 2일 이상 지연되어 최대 지질함량 및 지질생산성은 회분배양공정 대비 각각 1.5배, 1.2배 낮았다. 또한, 영양염원의 첨가로 생물학적으로 분해가 불가능한 유기물, 질소 및 인이 잔류하는 현상이 발생하였고, 특히 총 2회의 영양염원을 추가해준 조건에서 유기물과 질소 농도 모두 수질오염물질 배출허용기준을 상회하였다. 수확한 배양수를 후속 배양공정의 수원으로 재활용하지 않고 수계로 방류한다면 배양수 내 유기물 및 질소 농도가 수질기준을 충족할 수 있도록 후처리공정을 도입하는 것이 필요하다. Chapter 5에서는 인공광원을 조사한 옥외배양 조건이 태양광원만을 이용한 옥외배양 조건 대비 바이오매스 및 지질 생산성은 각각 최대 1.9배와 3.3배 높았다. 실내배양은 일정한 광도로 광원을 광생물반응기에 조사할 수 있기 때문에 옥외배양 조건보다 상대적으로 높은 바이오매스 및 지질 생산성(각각 1.3-2.5배, 1.6-5.2배)을 나타냈다. 그러나, 단위 미세조류 생산량 당 에너지 소비량은 실내배양 공정이 인공광원을 활용한 옥외배양 공정보다 최대 약 1.4배 높았으며, 투입된 빛에너지 당 광합성 효율 측면에서도 최대 38% 이상 낮은 값을 보였다. 본 연구는 전처리 공정 없이 하폐수를 각각 수원과 영양염원으로 미세조류 배양공정에 직접 활용하여 인공 배지 대비 유사한 바이오매스 및 지질 생산성을 달성할 수 있기 때문에 미세조류 배양 비용을 절감할 수 있다는 측면에서 의의가 있다. 유가식 배양공정은 바이오매스 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있지만 상대적으로 낮은 지질생산성과 후처리 공정이 필요하다는 단점 때문에 혼합 하폐수를 이용한 미세조류 배양 공정에서는 회분식 배양이 더 적합한 공정이었다. 옥외배양 공정에서 인공광원을 적절히 활용할 때 태양광만을 이용한 옥외배양 공정보다 에너지 효율적으로 미세조류 바이오매스 및 지질 생산성을 향상시킬 수 있음을 입증하였다. 향후, 혼합 하폐수 배지를 이용하는 미세조류 배양 공정에서 경제성과 생산성 사이의 균형을 맞출 수 있는 배양공정(연속회분식 또는 연속식)의 개발이 필요하며, 옥외배양에 적합한 광생물반응기의 개발, 인공광 조사를 위한 저비용 고효율 조명시스템 개발 등의 후속 연구가 이루어진다면 보다 경제성 있는 혼합 하폐수 배지를 이용한 미세조류 배양공정이 확립될 수 있을 것이다.
전 세계적으로 화석연료의 과도한 사용으로 인해 심화된 지구 온난화 문제와 자원 불균형에 기인한 석유가격의 급격한 변동은 지난 수십 년 동안 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발을 유도하였다. 미세조류는 수계에서 광합성을 통한 탄소 동화 및 산소 발생 측면에서 생태계에서 중요한 역할을 하고 있으며, 특히, 스트레스 환경에 처할 때 세포 내에 바이오디젤의 원료인 지질을 축적하는 특성을 가지기 때문에 화석연료의 대체에너지원으로서 주목을 받고 있다. 미세조류는 식용작물에 비해 높은 성장률, 단위면적 당 우수한 생산성, 극한의 환경에서도 성장이 가능하기 때문에 상대적으로 큰 장점을 갖는다. 이에 지난 수십 년 간 미세조류를 이용한 바이오연료 특히, 바이오디젤 생산목적의 연구들이 수행되어 왔다. 그러나, 미세조류 기반 바이오디젤 생산 공정의 상업화를 위해서는 미세조류의 생산에서부터 바이오디젤 전환까지 소요되는 전체 바이오디젤 생산 비용 (US $ 2-11 L-1)을 화석연료 기반의 디젤 생산 비용 (US $ 0.35-1.00 L-1) 수준으로 낮추어야 한다. 특히, 전체 바이오디젤 생산 비용의 절반 이상을 차지하는 미세조류 생산공정 비용을 줄이는 것이 매우 중요하다. 미세조류 생산공정 비용을 줄이기 위해서는 고밀도 성장이 가능하고 고지질 함량을 갖는 미세조류 균주를 개발하고, 저가의 배지를 이용하며, 배양 공정을 최적화할 수 있는 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 선행 연구를 통해 분리한 고밀도, 고지질 함량을 갖는 미세조류 Micractinium inermum NLP-F014를 이용하였다. 미세조류 배양을 위한 배지를 제조하는데 필요한 다량의 물과 영양염을 폐수로 대체한다면 미세조류 배양 비용의 10% 이상을 절감할 수 있다. 그러나, 폐수의 유형에 따라 영양염, 유기물 및 무기물의 성상과 농도가 상이하기 때문에 미세조류 성장에 필수적인 성분들의 불균형을 해결하기 위해서는 수원용 폐수와 영양염원용 폐수를 각각 선정하고 미세조류 성장에 적합한 폐수의 혼합비율을 찾는 것이 필요하다. 또한, 혼합 하폐수 배지를 이용하는 미세조류 배양 공정에서는 미세조류의 생산성을 향상시킬 수 있는 운전방법을 선정하는 것이 중요하다. 유가식 배양 방식은 고밀도 미세조류 배양을 위한 운전방법이 될 수 있으며, 성장에 필요한 영양염을 보충하기 위해 영양염원용 폐수의 첨가를 통해서 지속적인 성장을 유도할 수 있다. 마지막으로, 미세조류 배양공정에서 태양에너지의 활용은 경제성 확보를 위한 중요한 요소가 될 수 있다. 그러나, 옥외배양 과정에서는 미세조류 배양기의 단면에서만 태양에너지를 활용하게 되는 단점이 있기 때문에 미세조류의 고밀도 성장을 유도하는 것이 매우 어려우며, 인공광원의 활용은 이러한 생산성 저하 문제를 해결할 수 있는 방안이 될 수 있다. 본 연구에서는 경제성 있는 미세조류 배양공정을 확립하기 위해 저가의 미세조류 배양 배지를 개발하고, 회분식 및 유가식 배양공정의 생산성을 비교하여 최적 배양 공정을 선정하였으며, 옥외배양 공정에서 인공광원의 활용 여부에 따른 미세조류 바이오매스와 지질 생산성을 에너지 소비효율 측면에서 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다. Chapter 3에서 하수처리장 유입수와 양돈폐수의 호기성처리공정 유출수를 각각 수원과 영양염원으로 적용하였을 때 고밀도 미세조류 배양이 가능하였고, 이 때 성장률은 기존의 인공배지 조건의 결과와 유사하였다. 영양염원용 폐수는 탁도 유발물질과 여러 미생물들이 함유되어 있지만 전처리 과정 없이도 미세조류의 성장 저해 없이 고밀도로 미세조류 배양이 가능했으며, 이는 배지의 전처리공정 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 수원과 영양염원의 혼합비는 5-15%일 때 바이오매스 및 바이오매스 생산성이 최대 5.7 g L-1과 1.03 g L-1 d-1을 보였으며, 5% 혼합비일 때 지질함량 및 지질 생산성이 최대 39.1%와 0.19 g L-1 d-1 수준이었다. Chapter 4에서 유가식 배양공정은 미세조류의 최대 바이오매스 및 바이오매스 생산성을 기존 회분배양공정 대비 각각 2배, 1.2배 증가시킬 수 있었다. 그러나, 영양염원 첨가에 따라 지질 축적 시기가 최소 2일 이상 지연되어 최대 지질함량 및 지질생산성은 회분배양공정 대비 각각 1.5배, 1.2배 낮았다. 또한, 영양염원의 첨가로 생물학적으로 분해가 불가능한 유기물, 질소 및 인이 잔류하는 현상이 발생하였고, 특히 총 2회의 영양염원을 추가해준 조건에서 유기물과 질소 농도 모두 수질오염물질 배출허용기준을 상회하였다. 수확한 배양수를 후속 배양공정의 수원으로 재활용하지 않고 수계로 방류한다면 배양수 내 유기물 및 질소 농도가 수질기준을 충족할 수 있도록 후처리공정을 도입하는 것이 필요하다. Chapter 5에서는 인공광원을 조사한 옥외배양 조건이 태양광원만을 이용한 옥외배양 조건 대비 바이오매스 및 지질 생산성은 각각 최대 1.9배와 3.3배 높았다. 실내배양은 일정한 광도로 광원을 광생물반응기에 조사할 수 있기 때문에 옥외배양 조건보다 상대적으로 높은 바이오매스 및 지질 생산성(각각 1.3-2.5배, 1.6-5.2배)을 나타냈다. 그러나, 단위 미세조류 생산량 당 에너지 소비량은 실내배양 공정이 인공광원을 활용한 옥외배양 공정보다 최대 약 1.4배 높았으며, 투입된 빛에너지 당 광합성 효율 측면에서도 최대 38% 이상 낮은 값을 보였다. 본 연구는 전처리 공정 없이 하폐수를 각각 수원과 영양염원으로 미세조류 배양공정에 직접 활용하여 인공 배지 대비 유사한 바이오매스 및 지질 생산성을 달성할 수 있기 때문에 미세조류 배양 비용을 절감할 수 있다는 측면에서 의의가 있다. 유가식 배양공정은 바이오매스 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있지만 상대적으로 낮은 지질생산성과 후처리 공정이 필요하다는 단점 때문에 혼합 하폐수를 이용한 미세조류 배양 공정에서는 회분식 배양이 더 적합한 공정이었다. 옥외배양 공정에서 인공광원을 적절히 활용할 때 태양광만을 이용한 옥외배양 공정보다 에너지 효율적으로 미세조류 바이오매스 및 지질 생산성을 향상시킬 수 있음을 입증하였다. 향후, 혼합 하폐수 배지를 이용하는 미세조류 배양 공정에서 경제성과 생산성 사이의 균형을 맞출 수 있는 배양공정(연속회분식 또는 연속식)의 개발이 필요하며, 옥외배양에 적합한 광생물반응기의 개발, 인공광 조사를 위한 저비용 고효율 조명시스템 개발 등의 후속 연구가 이루어진다면 보다 경제성 있는 혼합 하폐수 배지를 이용한 미세조류 배양공정이 확립될 수 있을 것이다.
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