[논문]Anti-biofouling 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양 연구

나인욱; 서민호; 안수한; 황경엽

doi:10.7841/ksbbj.2011.26.6.561

Anti-biofouling 광생물반응기를 이용한 미세조류 배양 연구
Culture of Microalgae using Anti-biofouling Photobioreator 원문보기

KSBB Journal, v.26 no.6, 2011년, pp.561 - 564

나인욱 (한국과학기술연구원) , 서민호 (한국과학기술정보연구원) , 안수한 (서울시립대학교 통계학과) , 황경엽 (한국과학기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we carried out the development of high performance photobioreactor, which can be used to develop the biological $CO_2$ fixation technology as well as the renewable biofuels, the microalgae Botryococcus braunii. When B. Braunii was cultured in Anti-biofouling photobioreator, growth rate of it showed about 3 times higher than that of bubble column photobioreactor at the same conditions. In case of photobioreactor without bead, after 3 days culture time, biofouling occur rapidly in wall of the photobioreactor. However, with bead 5% (V/V), biofouling do not occur all experimental days.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 높은 광효율 및 생산성을 갖은 광반응기를 개발하기 위하여 미세조류의 반응기 벽면부착 (Biofouling) 현상을 방지하고 미세조류의 원활한 혼합을 위해 Antibiofouling 광생물반응기를 설계 제작하였다.

제안 방법

한편, 유리는 광투과성이 좋고 벽면부착성이 적은 반면, 실제 scale-up하는 과정에서는 재료비 및 강도, 그리고 가공성 등의 문제로 인해 광생물반응기의 재료로 유리를 재료로 사용하는 것에 많은 제한적 요소가 있는 것으로 판단되었다. Anti-Fouling 형태의 scale-up한 광생물반응기를 개발하였다. Fig.
또한, 구를 사용하지 않은 경우에 대하여도 실험을 수행하였다. Anti-biofouling photobioreactor와 기존의 Bubble column photobioreactor의 미세조류 성장 속도를 비교하기 위하여 20 L 용량의 Bubble column 광생물반응기를 사용하였다. Bubble column 광생물반응기 밑에는 magnetic stirrer를 설치하여 항상 혼합하여 주었으며, 반응기에 조사되는 빛의 세기는 100 μE/(m²·s), 배지, 표면적/체적비, 기체 유량과 CO₂ 농도도 Anti-biofouling photobioreactor와 동일한 조건으로 실험하였다.
Bubble column 광생물반응기 밑에는 magnetic stirrer를 설치하여 항상 혼합하여 주었으며, 반응기에 조사되는 빛의 세기는 100 μE/(m2·s), 배지, 표면적/체적비, 기체 유량과 CO2 농도도 Anti-biofouling photobioreactor와 동일한 조건으로 실험하였다.
광원은 형광등을 사용하였고 반응기에 조사되는 빛의 세기는 100 μE/(m2· s)로 조절하였다.
15 vvm으로 조절하였다. 구의 재질과 형상은 여러 가지 물성을 고려하여 선정하였으며 이의 혼합비와 Biofouling 제거효율과의 관계를 알아보기 위하여 혼합비를 각각 5, 10, 15, 20% (V/V)로 조정하였다. 구의 순환을 위해서 1시간 중 10분간 간헐적으로 순환되도록 펌프에 타이머를 연결하였으며, pH는 기존 문헌의 배양조건에 따라 7.
0이 되도록 조절하였다 [1]. 또한, 구를 사용하지 않은 경우에 대하여도 실험을 수행하였다. Anti-biofouling photobioreactor와 기존의 Bubble column photobioreactor의 미세조류 성장 속도를 비교하기 위하여 20 L 용량의 Bubble column 광생물반응기를 사용하였다.
CO₂가스의 공급은 반응기의 하부에서 직접 반응기 내부로 투입되도록 하였으며 배양액의 순환을 위하여 1/2마력의 원심펌프를 사용하였다. 미세조류의 성장조건을 적절히 유지하기 위하여 pH 및 순환 시간을 측정 제어하였으며 OD (Optical density)의 변화를 추적하였다.
본 연구에서는 Anti-biofouling 광생물반응기를 설계 제작하여 미세 조류 (Botryococcus Braunii)를 배양하여 fouling 제거 효과 및 성장 속도를 Bubble column 광생물반응기와 비교하였다. 구 (bead)가 없는 Anti-biofouling 광생물반응기에서는 미세 조류 배양 후 3일부터 광반응기 벽면에 fouling 이 생성되기 시작하여 5일후에는 광투과가 어려울 정도가 되었다.

대상 데이터

본 실험을 위하여 60 L 용량의 광생물반응기를 제작하였다. 본 반응기의 재질은 아크릴이었으며 폭과 높이가 각각 약 1 m이고 두께는 미세조류가 최대농도로 성장하였을 때까지 빛이 공급되는 크기로 하였다. CO₂가스의 공급은 반응기의 하부에서 직접 반응기 내부로 투입되도록 하였으며 배양액의 순환을 위하여 1/2마력의 원심펌프를 사용하였다.
본 실험을 위하여 60 L 용량의 광생물반응기를 제작하였다. 본 반응기의 재질은 아크릴이었으며 폭과 높이가 각각 약 1 m이고 두께는 미세조류가 최대농도로 성장하였을 때까지 빛이 공급되는 크기로 하였다.

성능/효과

구 (bead)의 양은 5% (V/V)이상 반응기에 주입되었을 때는 반응기 벽면에 전혀 fouling이 생기지 않았다. 동일한 조건에서 Anti-biofouling 광생물반응기와 Bubble column 광생물반응기의 미세 조류 성장 속도계수 비교 결과, Antibiofouling 광생물반응기가 2~3배 높은 속도를 나타내었다.
재질이 아크릴 등 합성고분자일 경우 벽면 부착문제는 선속도만으로는 해결하기 어려운 것으로 확인되었다. 한편, 유리는 광투과성이 좋고 벽면부착성이 적은 반면, 실제 scale-up하는 과정에서는 재료비 및 강도, 그리고 가공성 등의 문제로 인해 광생물반응기의 재료로 유리를 재료로 사용하는 것에 많은 제한적 요소가 있는 것으로 판단되었다. Anti-Fouling 형태의 scale-up한 광생물반응기를 개발하였다.

후속연구

이러한 결과를 통해 향후 고부가가치 미세조류에도 활용하여 CO₂ 저감 및 생물제품화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세조류를 이용한 CO2 고정화 공정이 실제 적용이 불가능한 이유는 무엇인가?	바이오매스 종류에 따라 CO2 고정화속도는 차이가 있으며 미세조류가 가장 높은 CO2 고정화 속도를 갖는다고 알려져 있다 [1]. 그러나, 이러한 미세조류를 이용한 CO2 고정화 공정을 100 MW 화력 발전소에 적용한 경우에 필요한 부지 면적은 약 100 km2으로 우리 나라 발전소에서 배출되는 CO2를 고정화하는 장치를 설치하는데 필요한 면적은 약 13,000 km2으로 우리 나라 전체 면적의 약 1/ 30으로 실제 적용이 불가능하다. 따라서 우리나라와 사정이 비슷한 일본, 이탈리아 등에서는 단위 면적당 CO2 고정화 속도가 월등히 높은 관형, 광섬유 반응기 등의 개발에 대한 연구를 수행중이다.
	생물학적 CO2 고정화기술의 장점은 무엇인가?	현재 전세계적으로 지구온난화의 주원인으로 지적받고 있는 CO2를 처리하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 특히 자연계의 탄소순환 메카니즘을 이용하는 것으로써 가장 환경친화적인 방법으로 평가되는 생물학적 CO2 고정화기술의 경우 낮은 초기투자비, 상온 상압 조업에 따른 저렴한 운전비 등의 경제성 면에서 큰 장점을 지니고 있기 때문에 미세조류와 관련된 폭넓은 연구가 수행되고 있다 [1]. 모든 바이오매스는 태양광을 에너지원으로 CO2를 광합성하여 생체의 활성을 유지하는데 필요한 유기물을 얻는다.
	관형 반응기를 사용하여 CO2를 고정화하는 공정에 대해 많은 연구가 진행되고 있는 이유는 무엇인가?	관형 반응기는 이미 상용화된 기술인 노지형 반응기에 비해 CO2 고정화 속도가 2배 높았으며 광섬유 반응기는 관형 반응기에 비해 2배 높은 CO2 고정화 속도를 나타낸다고 보고되어 있다 [2]. 광섬유 반응기의 경우 초기 투자비용이 높아 산업체 배출 CO2 고정화와 같은 대형 공정에는 적용이 어렵다. 따라서 관형 반응기를 사용하여 CO2를 고정화하는 공정에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (4)

KRIBB Report (1998) Development of hydrocarbon production technology using microalgae.
Ogbonna, J. C., H. Yada, and H. Tanaka (1995) Light supply coefficient: A new engineering parameter for photobioreactor design. J. Fermt. Bioeng. 80: 369-376.

상세보기
Ogbonna J. C. and H. Tanaka (1997) Industrial-size photobioreactors. CHEMTECH. July: 43-49.
McCabe (1992) Unit Operation of Chemical Engineering 4th, 121-123.

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