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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 소량의 응집제로도 높은 응집 효율을 보이지만 환경에 독성을 갖는 무기 응집제와 친환경적이지만 가격이 비싼 생물학적 고분자응집제를 혼합하여 사용함으로써 각각의 단점을 보완하여 응집 효율을 높이고 각각의 응집제 양을 줄이며 친환경적인 응집 결과물을 얻기 위하여 연구개발을 수행하였다.
- 이전 연구에서 미세조류를 수확하는데 있어서 무기 응집제가 대체적으로 높았으나 미세조류 종별로 응집제 종류에 따른 응집효과가 차이가 있음을 확인할 수 있었다 [13]. 따라서 해양 미세조류인 Chlorella ellipsoidea, Dunaliella bardawil과 Dunaliella tertiolecta를 응집하기 위하여 미세조류 종별로 무기 응집제와 생분해성 고분자 응집제 조합을 선정하기 위하여 아래와 같은 실험을 실시하였다.
제안 방법
- Chlorella ellipsoidea의 경우 무기응집제로 이전 연구결과에서 응집제 1 g 당 응집 효율이 높았던 Ferric chloride 고정하고 여기에 생분해성 고분자 응집제로 Chitosan, Starch, Sodium alginate, Alginic acid를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다. Dunaliella bardawil의 경우는 생분해성 고분자 응집제로 Chlorella ellipsoidea 실험에서 가장 높은 효율을 보였던 Chitosan으로 고정한 후 무기 응집제를 Ferric ion을 포함한 Ferric chloride, Ferric sulfate 그리고 Sodium aluminate를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다.
- Chlorella ellipsoidea의 경우 무기응집제로 이전 연구결과에서 응집제 1 g 당 응집 효율이 높았던 Ferric chloride 고정하고 여기에 생분해성 고분자 응집제로 Chitosan, Starch, Sodium alginate, Alginic acid를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다. Dunaliella bardawil의 경우는 생분해성 고분자 응집제로 Chlorella ellipsoidea 실험에서 가장 높은 효율을 보였던 Chitosan으로 고정한 후 무기 응집제를 Ferric ion을 포함한 Ferric chloride, Ferric sulfate 그리고 Sodium aluminate를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다. Dunaliella tertiolecta의 경우도 마찬가지로 생분해성 고분자 응집제로 Chitosan을 고정한 후 무기 응집제로 Ferric chloride, Ferric sulfate 그리고 Sodium aluminate를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다.
- Dunaliella bardawil의 경우는 생분해성 고분자 응집제로 Chlorella ellipsoidea 실험에서 가장 높은 효율을 보였던 Chitosan으로 고정한 후 무기 응집제를 Ferric ion을 포함한 Ferric chloride, Ferric sulfate 그리고 Sodium aluminate를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다. Dunaliella tertiolecta의 경우도 마찬가지로 생분해성 고분자 응집제로 Chitosan을 고정한 후 무기 응집제로 Ferric chloride, Ferric sulfate 그리고 Sodium aluminate를 혼합하여 응집 효율과 pH를 확인하였다.
- pH측정은 pH meter (Mettler-Toledo InPro 3030, Swiss)를 이용하여 측정하였다.
- 각각의 미세조류는 모든 실험은 상온 (25℃)에서 실시하였으며 반응부피 100 mL인 경우 미세조류 배양액 100 mL를 250 mL Flask에 넣어 반응시켰고 반응부피가 250 mL, 400 mL인 경우 미세조류 배양액 250 mL, 400 mL를 500 mL Flask에 넣어 반응시켰다.
- 응집 전에 미세조류 배양액의 수면으로부터 1 cm아래에서 상등액을 채취하여 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다. 그 뒤 미세조류 배양액에 응집제를 첨가하여 반응시켜 침전 시킨 후 응집제 첨가 전과 마찬가지로 수면으로부터 1 cm 아래 상등액을 채취한 후 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다. 응집 전, 후의 흡광도 (OD)로부터 미세조류 농도를 결정하였다.
- 따라서 본 연구를 수행하는데 선택하였다 [13]. 그리고 생분해성 고분자 응집제로서 Chitosan, Starch, Sodium alginate와 Alginic acid를 가지고서 연구개발을 수행하였다.
- 이 때, 미세조류 종류별로 Chlorella ellipsoidea는 750 nm에서 Dunaliella bardawil과 Dunaliella tertiolecta는 640 nm에서 흡광도 (OD)를 측정하였다. 그리고 흡광도 (OD)와 미세조류 농도간의 선형적인 관계식으로부터 미세조류의 농도로 환산한 후 응집 정도를 응집 효율 (Flocculation efficiency)로 정의 하여 다음과 같은 식으로부터 얻었다.
- 05보다 작을 때 유의 하다고 결론 내렸다. 또한, R2 값을 통하여 실제 실험결과 값이 예상한 모델에 잘 들어 맞는지를 확인하였다.
- RSM은 인자가 둘 이상일 때 인자 간 상호영향을 확인할 수 있고 One factor at a time (OFAT)에 비해 실험 시행 횟수를 최소화하고 통계적으로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 무기응집제의 양, 생분해성 고분자응집제의 양 그리고 반응부피가 응집 효율과 응집제 사용 시 미세조류 배양액 pH에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 통하여 통계적으로 응집제를 이용한 미세조류 수확 시 응집 효율을 증가시키고 친환경성을 증진시키는 최적 혼합 조건을 찾았다.
- 미세조류 Dunaliella bardawil의 경우 무기 응집제로 Ferric chloride, Ferric sulfate, Sodium aluminate를 생분해성 고분자 응집제 Chitosan과 혼합하여 응집 효율과 pH를 측정하는 실험을 실시하였다. Fig.
- 미세조류 Dunaliella tertiolecta에 대하여응집제를 혼합하는 앞선 실험에서 Fig. 1(c)에서 선정한 무기 응집제 Sodium aluminate와 생분해성 고분자 응집제 chitosan을 혼합하여 높은 응집 효율과 해수 (pH 8.2)에 적합한 pH를 갖는 응집제 양과 반응 부피 조건을 찾기 위한 실험을 진행하였다.
- 미세조류 Dunaliella tertiolecta의 경우 Ferric chloride, Ferric sulfate, Sodium aluminate에 생분해성 고분자 응집제인 Chitosan을 혼합하여 응집 시켰을 때 응집 효율과 pH를 확인하였다. Fig.
- 배양한 해양 미세조류인 Chlorella ellipsoidea를 응집할 때 Ferric chloride와 Chitosan의 혼합 최적조건을 찾고자 RSM을 이용하였다. 이 때, 독립 변수로서 Ferric chloride의 양, Chitosan의 양, 반응 부피로 정하였으며 종속 변수로서 응집 효율과 pH를 확인하였다.
- 배양한 해양 미세조류인 Dunaliella bardawil의 경우 무기 응집제로서 Ferric sulfate를 생분해성 고분자 응집제로서 Chitosan을 혼합하였을 때 높은 응집 효율을 보였으므로 이 응집제 들의 양과 반응 부피를 변화시키면서 RSM을 이용하여 응집 효율과 pH에 미치는 영향을 확인하는 실험을 수행하였다. Chlorella ellipsoidea와 마찬가지로 Box-Behnken법으로 계획한 30회 실험을 통하여 다음과 같은 2차식 형태의 모델을 얻을 수 있었다.
- 그 뒤 미세조류 배양액에 응집제를 첨가하여 반응시켜 침전 시킨 후 응집제 첨가 전과 마찬가지로 수면으로부터 1 cm 아래 상등액을 채취한 후 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다. 응집 전, 후의 흡광도 (OD)로부터 미세조류 농도를 결정하였다. 이 때, 미세조류 종류별로 Chlorella ellipsoidea는 750 nm에서 Dunaliella bardawil과 Dunaliella tertiolecta는 640 nm에서 흡광도 (OD)를 측정하였다.
- 미세조류의 농도를 UV/vis spectrophotometer (Shimadzu BioSpec-mini, Japan)를 이용해서 Beer-Lambert 법칙에 의하여 분광학적인 방법으로 측정하였다. 응집 전에 미세조류 배양액의 수면으로부터 1 cm아래에서 상등액을 채취하여 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다. 그 뒤 미세조류 배양액에 응집제를 첨가하여 반응시켜 침전 시킨 후 응집제 첨가 전과 마찬가지로 수면으로부터 1 cm 아래 상등액을 채취한 후 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다.
- 배양한 해양 미세조류인 Chlorella ellipsoidea를 응집할 때 Ferric chloride와 Chitosan의 혼합 최적조건을 찾고자 RSM을 이용하였다. 이 때, 독립 변수로서 Ferric chloride의 양, Chitosan의 양, 반응 부피로 정하였으며 종속 변수로서 응집 효율과 pH를 확인하였다.
- 이를 바탕으로 하여 Response surface methodology를 이용하여 선정한 응집제들로부터 최적의 응집 혼합 조건을 찾기 위한 연구를 추가적으로 수행하였다.
대상 데이터
- 무기 응집제로는 Ferric chloride, Ferric sulfate, Sodium aluminate을 사용하였고 생분해성 고분자 응집제로는 Chitosan, Starch, Sodium alginate, Alginic acid를 사용하였다. 이들을 Sigma-Aldrich Korea (St.
- 실험에 사용한 미세조류는 Chlorella ellipsoidea, Dunaliella bardawil 그리고 Dunaliella tertiolecta를 사용하였다. Chlorella ellipsoidea 경우는 (주)클로랜드로부터 구입하였으며 Dunaliella sp.
- 무기 응집제로는 Ferric chloride, Ferric sulfate, Sodium aluminate을 사용하였고 생분해성 고분자 응집제로는 Chitosan, Starch, Sodium alginate, Alginic acid를 사용하였다. 이들을 Sigma-Aldrich Korea (St. Louis, MO, USA), Kanto Chemical(Tokyo, Japan)로부터 구입하였다.
이론/모형
- 배양한 해양 미세조류인 Dunaliella bardawil의 경우 무기 응집제로서 Ferric sulfate를 생분해성 고분자 응집제로서 Chitosan을 혼합하였을 때 높은 응집 효율을 보였으므로 이 응집제 들의 양과 반응 부피를 변화시키면서 RSM을 이용하여 응집 효율과 pH에 미치는 영향을 확인하는 실험을 수행하였다. Chlorella ellipsoidea와 마찬가지로 Box-Behnken법으로 계획한 30회 실험을 통하여 다음과 같은 2차식 형태의 모델을 얻을 수 있었다.
- Dunaliella tertiolecta도 마찬가지로 Box-Behnken 법으로 계획한 30회 실험을 통하여 다음과 같은 2차식 형태의 모델을 얻을 수 있었다.
- 다른 인자들은 고정시킨 상태에서 하나의 인자의 수준만을 변화시켜 인자의 영향을 확인하는 One factor at a time (OFAT) 방법에서는 인자 간 상호작용을 확인하기 어렵다. 따라서 통계적으로 인자간 상호작용을 고려하면서 응집 효율과 pH에 미치는 영향을 확인하여 최적의 인자 조건을 결정하기 위해 Response surface methodology (RSM)을 실시하였다. 이를 위해 Minitab (Release 14)에서 Box-Behnken 법을 사용하여 실험을 계획하였다.
- 미세조류의 농도를 UV/vis spectrophotometer (Shimadzu BioSpec-mini, Japan)를 이용해서 Beer-Lambert 법칙에 의하여 분광학적인 방법으로 측정하였다. 응집 전에 미세조류 배양액의 수면으로부터 1 cm아래에서 상등액을 채취하여 UV/vis spectrophotometer를 이용해서 흡광도 (OD)를 확인했다.
- 연구를 수행하는데 있어서 Response surface methodology (RSM)를 이용하였다. RSM은 인자가 둘 이상일 때 인자 간 상호영향을 확인할 수 있고 One factor at a time (OFAT)에 비해 실험 시행 횟수를 최소화하고 통계적으로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있기 때문이다.
- 따라서 통계적으로 인자간 상호작용을 고려하면서 응집 효율과 pH에 미치는 영향을 확인하여 최적의 인자 조건을 결정하기 위해 Response surface methodology (RSM)을 실시하였다. 이를 위해 Minitab (Release 14)에서 Box-Behnken 법을 사용하여 실험을 계획하였다. 인자는 무기 응집제 양 (A), 생분해성 고분자 응집제 양 (B), 반응부피 (C)로 정하였고 인자의 수준은 Table 1-3과 같다.
성능/효과
- Dunaliella bardawil의 경우는 무기 응집제로서 Ferric sulfate와 생분해성 고분자 응집제 Chitosan을 혼합하였을 경우 높은 응집 효율이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 해수 pH에 적합한 8.5 부근의 범위를 보이면서 높은 응집 효율을 얻기 위해서는 Ferric sulfate의 첨가량을 0.12 g/L으로, Chitosan의 첨가량을 1.0 g/L으로 하는 것이 최적 조건이라는 결론을 내릴 수 있었다.
- Dunaliella tertiolecta의 경우는 pH가 8.6부근 일 때의 응집 조건이 Sodium aluminate를 1.0 g/L, Chitosan을 0.75 g/L 혼합하여 첨가하는 것이 최적이라는 결론을 내릴 수 있었다.
- 2(f)는 부피가 400 mL로 일정할 때 Ferric chloride와 Chitosan의 첨가량 변화에 따른 pH를 나타낸다. Ferric chloride와 Chitosan의 농도가 최적의 pH를 가지면서 응집 효율이 높은 범위를 찾으면 Ferric chloride가 0.1 g/L이상, Chitosan이 7.5 g/L 이상 첨가했을 때가 최적이라는 결론을 내렸다.
- 여기에 생분해성 고분자 응집제로서 Chitosan, Starch, Sodium alginate, Alginic acid를 혼합시켜 주었다. Fig. 1(a) 에서 볼 수 있듯이 Ferric chloride를 단일로 사용했을 때보다 Chitosan과 Starch를 혼합시켰을 때 응집 효율이 더 높았으며 특히, Chitosan을 혼합하였을 때 가장 높은 응집 효율을 보였다. 그리고 pH값은 Ferric chloride를 단일로 사용하였을 때는 4로서 응집 후 미세조류 배양액이 강한 산성을 나타냈지만 Chitosan을 혼합시켜 주었을 때는 pH 6으로 약한 산성을 나타냈다.
- 5 g/L 첨가했을 때 응집 효율이 20% 미만이었다 [13].따라서 Dunaliella tertiolecta의 경우도 응집제 혼합을 통하여 응집 효율 증가를 확인할 수 있었다.
- 2에 근접해짐을 확인할 수 있었다. 따라서 무기 응집제와 생분해성 고분자 응집제의 혼합을 통하여 각각의 첨가량을 감소시키면서 효율을 높이고 친환경성을 증진시키는 결과를 얻었다.
- 000으로서 반응 부피가 pH에 대하여 중요한 인자라는 통계적 분석 결과를 만족한다. 따라서 응집 효율과 pH 둘 다 고려하였을 때 Chitosan 0.05 g 이하, 반응 부피 150 mL~300 mL으로 응집 시킬 때 최적 조건이라는 결론을 내릴 수 있다.
- 2(b)에서 응집 효율이 높았던 범위에서 pH의 값이 5 이하로 나타나는데 이것은 해수 조건에 적합하지 않은 pH이다. 따라서 해수 조건 (해수 pH = 8.2) 범위에 근접한 pH를 갖는 반응 부피 250 mL 이상, Chitosan 첨가량 2.0 g 이상일 때가 최적이라는 결론을 내렸다.
- 무기 응집제와 생분해성 고분자 응집제를 혼합한 경우 혼합에 사용한 응집제를 하나만 사용했을 때 보다 더 적은 응집제 양으로도 응집 효율이 상승하였다. 응집제를 사용한 배양액의 pH가 해수의 pH인 8.
- 5 g/L의 Ferric sulfate와 Chitosan을 단일로 사용했을 때 각각에 대하여 응집이 일어나지 않았다 [13]. 반면에 혼합하였을 때는 응집이 일어난 것을 통하여 Dunaliella bardawil도 응집제 혼합을 통하여 응집 효율을 증가 시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다. pH의 경우 무기 응집제의 종류에 관계없이 8.
- 03 g일 때 Chitosan과 반응 부피 변화에 따른 응집 효율을 나타낸다. 반응 부피가 150 mL~300 mL 구간에서 70% 이상의 응집 효율을 보이며 Chitosan 첨가량이 감소할수록 응집효율이 증가하는 경향을 보이며 보인다.
- 본 연구를 통해서 독성이 있는 무기 응집제의 양을 줄이면서 동시에 친환경적인 생분해성 고분자 응집제를 같이 사용함으로써 응집 효율을 증가시키고 응집 후 해수에 적합한 pH를 갖는다는 사실과 함께 통계적인 방법을 이용하여 최적 조건을 제시할 수가 있었다. 이러한 최적화한 응집 방식은 미세조류 응집 시 응집제의 양을 줄이면서 응집 효율을 증가시키는 경제적인 장점을 지님과 동시에 응집 후 해수에 적합한 pH를 갖는 환경적인 장점을 지니고 있기 때문에 본 연구결과는 미세조류 기반 바이오 디젤 생산뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 활용되어지는 응집 방식에 적용되어질 수 있으리라 기대한다.
- 03 g일 때 Chitosan 첨가량과 반응 부피 변화에 따른 pH를 나타낸다. 여기에서 Chitosan 양에 상관없이 반응 부피가 커질수록 pH의 값이 높아지는 경향을 확인할 수 있었으며, pH 측정 결과 pH 8 이상의 값을 유지하였다. 이것은 추정한 회귀 계수에 대한 Chitosan의 P값이 0.
- 무기 응집제와 생분해성 고분자 응집제를 혼합한 경우 혼합에 사용한 응집제를 하나만 사용했을 때 보다 더 적은 응집제 양으로도 응집 효율이 상승하였다. 응집제를 사용한 배양액의 pH가 해수의 pH인 8.2에 근접해짐을 확인할 수 있었다. 따라서 무기 응집제와 생분해성 고분자 응집제의 혼합을 통하여 각각의 첨가량을 감소시키면서 효율을 높이고 친환경성을 증진시키는 결과를 얻었다.
- 4(c)는 반응 부피가 400 mL일 때 Sodium aluminate과 Chitosan 첨가량에 따른 응집 효율을 나타낸다. 응집제의 양에 따라서 응집 효율 차이가 적고 86% 이상의 높은 응집 효율을 보인다.
- 그리고 pH값은 Ferric chloride를 단일로 사용하였을 때는 4로서 응집 후 미세조류 배양액이 강한 산성을 나타냈지만 Chitosan을 혼합시켜 주었을 때는 pH 6으로 약한 산성을 나타냈다. 이것은 해양 미세조류 수확 시 해수의 pH (8.2)에 훨씬 근접하기 때문에 Ferric chloride만 사용하는 것보다 Ferric chloride와 Chitosan을 혼합하여 응집제로 사용하는 것이 응집 효율과 친환경성을 높일 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다.
- 무기응집제의 양, 생분해성 고분자응집제의 양 그리고 반응부피가 응집 효율과 응집제 사용 시 미세조류 배양액 pH에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 통하여 통계적으로 응집제를 이용한 미세조류 수확 시 응집 효율을 증가시키고 친환경성을 증진시키는 최적 혼합 조건을 찾았다.
- 해양 미세조류 종 (Species), 속 (Genus)에 따라 적합한 응집제가 있는데 Chlorella ellipsoidea의 경우 무기 응집제로 Ferric chloride와 생분해성 고분자 응집제 Chitosan을 사용하였으며, 응집이 일어나기 위해서 최적의 pH 조건을 가지는 Ferric chloride의 양이 0.1 g/L, Chitosan의 양이 7.5 g/L을 혼합하였을 때가 최적이라는 결론을 내릴 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통해서 독성이 있는 무기 응집제의 양을 줄이면서 동시에 친환경적인 생분해성 고분자 응집제를 같이 사용함으로써 응집 효율을 증가시키고 응집 후 해수에 적합한 pH를 갖는다는 사실과 함께 통계적인 방법을 이용하여 최적 조건을 제시할 수가 있었다. 이러한 최적화한 응집 방식은 미세조류 응집 시 응집제의 양을 줄이면서 응집 효율을 증가시키는 경제적인 장점을 지님과 동시에 응집 후 해수에 적합한 pH를 갖는 환경적인 장점을 지니고 있기 때문에 본 연구결과는 미세조류 기반 바이오 디젤 생산뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 활용되어지는 응집 방식에 적용되어질 수 있으리라 기대한다.
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