[논문]미세조류 해양 바이오매스를 이용한 바이오디젤 생산기술

조병훈; 차형준

미세조류 해양 바이오매스를 이용한 바이오디젤 생산기술
Biodiesel Production Using Microalgal Marine Biomass 원문보기

KSBB Journal, v.25 no.2, 2010년, pp.109 - 115

조병훈 (포항공과대학교 시스템생명공학부) , 차형준 (포항공과대학교 시스템생명공학부)

초록
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바이오 디젤은 석유 기반의 액체 연료를 대체할 수 있는 재생 가능한 대체 에너지로서, 특히 수송 연료에 있어 경유를 대신하여 일부 사용되어 있고 수요는 계속 증가할 것으로 보인다. 앞서 살펴본 바대로, 미세 조류의 지질을 바이오 디젤의 원료로 사용하는 방안은 기술적으로는 이미 실현 가능하다. 모든 생산 과정을 최적화시키고 biorefinery 개념을 도입하여 경제성을 최대한 끌어 올리며, 광생물반응기를 좀 더 개선시켜 효율을 높임과 동시에 수요 증가에 의해 가격이 낮아지게 되면 미세 조류를 이용한 바이오 디젤 생산의 경제적 문제를 해결할 수 있을 것이다. 특히 미세 조류에서의 유전공학적, 대사공학적인 지질 합성에 관한 연구는 아직도 몇 가지 유전자를 조작해보는 초기단계에 있고 이에 대한 발전 가능성은 긍정적이므로 앞으로 많은 연구자들이 이 분야에 관심을 가진다면 미세 조류 바이오 디젤의 실용화는 한 단계 앞당겨지리라 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The demand of biodiesel that is a renewable, alternative fuel for fossil-based petrodiesel seems to keep increasing. Exploiting lipids of microalgae as a raw material for biodiesel is already technically feasible. To realize economical production of microalgal biodiesel, several factors or strategies should be addressed and improved. Especially, researches on improvement of lipid synthesis by genetic or metabolic engineering are now in early stage, and prospects of this field are bright, requiring concerns and interests of many researchers to put practical use of microalgal biodiesel forward.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 미세조류의 지질의 축적은 질소 등의 필요한 영양분이 고갈되었을 때에 더욱 잘 일어나게 되는데, 이 경우 미세조류의 성장이 더뎌지므로 전체적인 지질의 생산량은 크게 차이나지 않는다. 따라서 균체 성장을 저해하지 않는 동시에 지질을 더욱 축적하도록 하기 위한 유전공학적 방법으로서 ACCase의 활성을 증대시키려는 시도를 하였다.

가설 설정

그러나, raceway pond는 개방되어 있다는 특성에 기인하는 두 가지 단점을 지닌다. a) 물이 증발하여 점차 줄어들게 되고 이산화탄소도 비효율적으로 사용할 수밖에 없다. b) 배양액이 잘 섞이기 어렵기 때문에 바이오매스 농도는 낮게 유지될 수밖에 없으며 다른 종류의 미세조류나 미생물에 의한 오염이 일어날 수 있어 생산성이 낮아질 수 있는 가능성이 항시 존재한다.
b) 바이오디젤은 탄소 함유 연료이지만 연소 시 발생되는 CO₂는 식물 또는 조류의 광합성 작용으로 회수되므로 재생 가능하며 탄소 중립적이다. c) THC, SOx, PM 등의 공해 물질 배출이 적다. d) 현재 사용하는 자동차의 엔진 개조가 거의 불필요하고 기존의 연료 인프라를 활용할 수 있다.

성능/효과

a) 기본적으로 화석 연료가 아니고, 에너지의 근원은 태양 에너지이므로 고갈 문제가 없고, 폐식용유등의 폐자원도 활용이 가능하다 [4]. b) 바이오디젤은 탄소 함유 연료이지만 연소 시 발생되는 CO₂는 식물 또는 조류의 광합성 작용으로 회수되므로 재생 가능하며 탄소 중립적이다. c) THC, SOx, PM 등의 공해 물질 배출이 적다.
a) 물이 증발하여 점차 줄어들게 되고 이산화탄소도 비효율적으로 사용할 수밖에 없다. b) 배양액이 잘 섞이기 어렵기 때문에 바이오매스 농도는 낮게 유지될 수밖에 없으며 다른 종류의 미세조류나 미생물에 의한 오염이 일어날 수 있어 생산성이 낮아질 수 있는 가능성이 항시 존재한다. 지질을 많이 만들어 내는 미세조류는 보통 다른 미세조류에 비해 느린 성장을 하게 된다.
d) 현재 사용하는 자동차의 엔진 개조가 거의 불필요하고 기존의 연료 인프라를 활용할 수 있다. e) 자연 분해도가 높아서 환경에 유출되어도 오염이 적다.

후속연구

대장균에서도 유사한 연구가 이뤄졌는데, 자체 ACCase를 과발현하여 lipid 생성을 살펴본 결과, lipid 합성 속도가 6배 가량 증가했다는 보고가 있다 [24]. 따라서 ACCase는 미세조류에서 여전히 lipid 합성에 있어 중요한 요소의 하나이며, 이것은 lipid 축적을 늘리려는 연구에 있어서 기본적인 대상이 되어야 할 것이다. 이 밖에 Stanford 대학의 Chaitan Khosla 연구실에서는 ACCase 외에도, free fatty acid의 분해에 관여하는 fadD라는 효소의 활성을 막는 시도를 병행하여 lipid 합성을 향상시키는 연구를 시도했으며 [25], 실제적으로 lipid 합성에 있어서 유전 공학적 조절이 가능한 부분은 효소뿐만 아니라 조절 인자들까지 포함하여 더욱 많으므로 [26], 앞으로 이 분야의 성과가 미세조류 바이오 디젤 실용화의 주축으로서 작용할 것으로 주목된다.
하지만 미세 조류 바이오 디젤 연구는 아직 초기 단계이고 특히, 미세 조류 자체의 광 효율을 높이고 지질 함량을 늘리는 유전 공학적 연구에 의한 생산 효율 향상의 가능성은 충분하다. 또한 biorefinery와 같은 다양한 분야를 조합, 접목시키는 방안으로 그 효율은 더욱 향상될 수 있다.
앞서 살펴본 바대로, 미세 조류의 지질을 바이오 디젤의 원료로 사용하는 방안은 기술적으로는 이미 실현 가능하다. 모든 생산 과정을 최적화시키고 biorefinery 개념을 도입하여 경제성을 최대한 끌어 올리며, 광생물반응기를 좀 더 개선시켜 효율을 높임과 동시에 수요 증가에 의해 가격이 낮아지게 되면 미세 조류를 이용한 바이오 디젤 생산의 경제적 문제를 해결할 수 있을 것이다. 특히 미세 조류에서의 유전공학적, 대사공학적인 지질 합성에 관한 연구는 아직도 몇 가지 유전자를 조작해보는 초기단계에 있고 이에 대한 발전 가능성은 긍정적이므로 앞으로 많은 연구자들이 이 분야에 관심을 가진다면 미세 조류 바이오 디젤의 실용화는 한 단계 앞당겨지리라 기대한다.
이러한 유용한 에너지 연료와 고부가 가치 의약품 같은 유용 물질을 동시에 생산하는 데에는 유전 공학적인 맞춤형 균주 개량이 필수적인 선행연구가 될 것이다. 앞으로는 최적화된 균주의 선택과 개량 등을 통해 다양한 조합의 통합적인 biomass의 활용 방안이 각광을 받을 것임에 틀림없다.
최근에는 미래의 청정 에너지로 각광받고 있는 바이오 수소의 생산과 융합하여 biomass의 활용을 극대화하려는 개념이 제안되고 있다 [30]. 이러한 유용한 에너지 연료와 고부가 가치 의약품 같은 유용 물질을 동시에 생산하는 데에는 유전 공학적인 맞춤형 균주 개량이 필수적인 선행연구가 될 것이다. 앞으로는 최적화된 균주의 선택과 개량 등을 통해 다양한 조합의 통합적인 biomass의 활용 방안이 각광을 받을 것임에 틀림없다.
모든 생산 과정을 최적화시키고 biorefinery 개념을 도입하여 경제성을 최대한 끌어 올리며, 광생물반응기를 좀 더 개선시켜 효율을 높임과 동시에 수요 증가에 의해 가격이 낮아지게 되면 미세 조류를 이용한 바이오 디젤 생산의 경제적 문제를 해결할 수 있을 것이다. 특히 미세 조류에서의 유전공학적, 대사공학적인 지질 합성에 관한 연구는 아직도 몇 가지 유전자를 조작해보는 초기단계에 있고 이에 대한 발전 가능성은 긍정적이므로 앞으로 많은 연구자들이 이 분야에 관심을 가진다면 미세 조류 바이오 디젤의 실용화는 한 단계 앞당겨지리라 기대한다.
그러나 일반적으로 유지 식물로부터 생산이 되는 바이오디젤로는 현재 운송 연료의 극히 일부만을 대체하고 있으며, 세계적인 운송 연료의 수요를 충족시키기 위해서 다양한 장점을 가지고 있는 해양바이오매스 (marine biomass)인 미세조류 (microalgae)를 바이오디젤의 원료로서 사용하는 것이 최근에 대안으로 많은 사람들이 관심을 가지고 있다. 하지만, 이를 실용화하기 위해서는 생산성을 높이기 위한 노력이 더욱 필요하며, 아직 더 많은 집중된 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤이란 무엇인가?	바이오디젤은 식물성 유지, 동물성 지방, 폐식용유 또는 미세조류 등을 원료로 하여 산, 염기 촉매 하에서 메탄올과 같은 값 싼 알코올과 반응시켜 생성되는 알킬 에스테르이다 (Fig. 1).
	화석연료 기반의 산업이 현재 큰 위기를 맞고 있는 이유는 무엇에 기인하는가?	화석연료 기반의 산업이 현재 큰 위기를 맞고 있다. 이는 화석연료는 결국 고갈된다는 사실과 이에 따른 공급 불안정 그리고 대기 중 이산화탄소 농도 증가 등의 문제에 기 인한다. 그러므로 탄소 중립적 (carbon neutral)이고, 재생가능한 대체에너지가 필요하며 이는 환경적, 경제적으로 지속 가능한 대안이어야 한다.
	transesterification이라는 바이오디젤 생산방법에서 fatty acid methylester와 glycerol은 어떻게 만들어지는가?	이러한 transesterification이라는 바이오디젤 생산방법에서는 원료 기름인 triglycerides가 methanol 등의 알코올과 반응하여 바이오디젤로 쓰이는 fatty acid methylester와 부산물인 glycerol이 만들어진다. 1몰의 triglyceride를 반응시켜서 1몰의 glycerol와 3몰의 methyl esters를 만들기 위해서는 이론상 3몰의 알코올이 필요하지만, 충분한 양의 알코올이 있어야 반응이 잘 일어날 수 있다.

참고문헌 (32)

Ma, F. and M. A. Hanna (1999) Biodiesel production: a review. Bioresour. Technol. 70: 1-15.

상세보기
Sharma, Y. C., B. Singh, and S. N. Upadhyay (2008) Advancements in development and characterization of biodiesel: a review. Fuel 87: 2355-2373.

상세보기
Sharma, Y. C. and B. Singh (2009) Development of biodiesel: current scenario. Renew. Sustain. Energ. Rev. 13: 1646-1651.

상세보기
Zhang, Y., M. A. Dube, D. D. McLean, and M. Kates (2003) Biodiesel production from waste cooking oil: 1. process design and technological assessment. Bioresour. Technol. 89: 1-16.

상세보기
Ranganathan, S. V., S. L. Narasimhan, and K. Muthukumar (2008) An overview of enzymatic production of biodiesel. Bioresour. Technol. 99: 3975-3981.
Canakci, M. and H. Sanli (2008) Biodiesel production from various feedstocks and their effects on the fuel properties. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 35: 431-441.

상세보기
Durrett, T. P., C. Benning, and J. Ohlrogge (2008) Plant triacylglycerols as feedstocks for the production of biofuels. Plant J. 54: 593-607.

상세보기
Schenk, P. M., S. R. Thomas-Hall, E. Stephens, U. C. Marx, J. H. Mussgnug, C. Posten, O. Kruse, and B. Hankamer (2008) Second generation biofuels: highefficiency microalgae for biodiesel production. Bioenerg. Res. 1: 20-43.

상세보기
Chisti, Y. (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25: 294-306.

상세보기
Spolaore P., C. Joannis-Cassan, E. Duran, and A. Isambert (2006) Commercial applications of microalgae. J. Biosci. Bioeng. 1: 87-96.
Guschina, I. A. and J. L. Harwood (2006) Lipids and lipid metabolism in eukaryotic algae. Prog. Lipid Res. 45: 160-186.

상세보기
Chisti, Y. (2007) Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends Biotechnol. 26: 126-131.
Qiang L., D. Wei, and L. Dehua (2008) Perspectives of microbial oils for biodiesel production. Appl. Microbiol. Biotechnol. 80: 749-756.

상세보기
Badger, M. (2003) The roles of carbonic anhydrases in photosynthetic CO2 concentrating mechanisms. Photosyn. Res. 77: 83-94.
Benemann, J. R. (1993) Utilization of carbon dioxide from fossil fuel-burning power plants with biological systems. Energy Convers. Mgmt. 34: 999-1004.

상세보기
Yun, Y. S., S. B. Lee, J. M. Park, C. I. Lee, and J. W. Yang (1997) Carbon dioxide fixation by algal cultivation using wastewater nutrients. J. Chem. Technol. Biotechnol. 69: 451-455.

상세보기
Vasudevan, P. T. and M. Briggs (2008) Biodiesel production-current state of the art and challenges. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 35: 421-430.

상세보기
Molina, E., E. Fernandez, F. G. Acien, and Y. Chisti (2001) Tubular photobioreactor design for algal cultures. J. Biotechnol. 92: 113-131.

상세보기
Song, D., J. Fu, and D. Shi (2008) Exploitation of oilbearing microalgae for biodiesel. Chin. J. Biotechnol. 24: 341-348.

상세보기
Sheehan, J., T. Dunahay, J. Benemann, and P. Roessler (1998) A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program: biodiesel from algae. Closeout Report, NREL/TP-580-24190.
Roessler, P. G., J. L. Bleibaum, G. A. Thompson, and J. B. Ohlrogge (1994) Characteristics of the gene that encodes acetyl-CoA carboxylase in the diatom Cycbtella cryptica. Ann. N. Y. Acad. Sci. 721: 250-256.

상세보기
Roessler, P. G., L. M. Brown, T. G. Dunahay, D. A. Heacox, E. E. Jarvis, J. C. Schneider, S. G. Talbot, and K. G. Zeiler (1997) Genetic engineering approaches for enhanced production of biodiesel fuel from microalgae. NREL Report.
Hu, Q., M. Sommerfeld, E. Jarvis, M. Ghirardi, M. Posewitz, M. Seibert, and A. Darzins (2008) Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. Plant J. 54: 621-639.

상세보기
Davis, M. S., J. Solbiati, and J. E. Cronan (2000) Overproduction of acetyl-CoA carboxylase activity increases the rate of fatty acid biosynthesis in Escherichia coli. J. Biol. Chem. 275: 28593-28598.

상세보기
Lu, X., H. Vora, and C. Khosla (2008) Overproduction of free fatty acids in E. coli: implications for biodiesel production. Metab. Eng. 10: 333-339.

상세보기
Courchesne, N. M. D., A. Parisien, B. Wang, and C. Q. Lan (2009) Enhancement of lipid production using biochemical, genetic and transcription factor engineering approaches. J. Biotechnol. 141: 31-41.

상세보기
Knothe, G. (2006) Analyzing biodiesel: standards and other methods. J. Am. Oil Chem. Soc. 83: 823-833.

상세보기
Gouveia, L. and A. C. Oliveira (2009) Microalgae as a raw material for biofuels production. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 36: 269-274.

상세보기
Wang, B., Y. Li, N. Wu, and C. Q. Lan (2008) CO2 bio-mitigation using microalgae. Appl. Microbiol. Biotechnol. 79: 707-718.

상세보기
Skjanes, K., P. Lindblad, and J. Muller (2007) Bio $CO_2$ -A multidisciplinary, biological approach using solar energy to capture $CO_2$ while producing $H_2$ and high value products. Biomol. Eng. 24: 405-413.

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Raven, R. P. J. M. and K. H. Gregersen (2007) Biogas plants in Denmark: successes and setbacks. Renew. Sustain. Energ. Rev. 11: 116-132.

상세보기
Meng, X., J. Yang, X. Xu, L. Zhang, Q. Nie, and M. Xian (2009) Biodiesel production from oleaginous microorganisms. Renew. Energy 34: 1-5.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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