바이오디젤 생산을 위한 미세조류 옥외배양 시스템의 영양원에 따른 미세조류 성장 특성 비교 The Effect of Microalgal Growth on Nutrient Sources Using Microalgal Small Scale Raceway Pond (SSRP) for Biodiesel Production원문보기
최근 지구온난화문제와 화석연료 자원의 부족문제로 인해 지속적이고 친환경적인 미세조류 기반 바이오디젤이 주목받고 있다. 본 연구에서는 돈분 액체비료와 농업용 복합비료가 바이오 디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 활용될 가능성을 확인해 보았다. 혼합 미세조류 CSS (Chlorella spp., Scenedesmus spp., Stigeoclonium spp.) 배양을 위한 영양원은 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 농업용 복합비료의 혼합, 농업용 복합비료이며, 28일간 Small Scale Raceway Pond (SSRP)에서 옥외배양하였다. 그 결과 혼합 실험구의 바이오매스와 지질 생산성은 각각 0.8g/L, 5.8 mg/L/day로 가장 우수한 바이오매스량과 지질 생산성을 보여주었다. 이 연구를 통해 농업용 복합비료와 돈분 액체비료의 혼합액이 미세조류에 안정적인 영양 공급을 하는 영양원으로 활용될 가능성을 확인하였다. 또한, 미세조류 배양단가와 바이오디젤 생산단가를 낮출 가능성도 탐구하였다.
최근 지구온난화문제와 화석연료 자원의 부족문제로 인해 지속적이고 친환경적인 미세조류 기반 바이오디젤이 주목받고 있다. 본 연구에서는 돈분 액체비료와 농업용 복합비료가 바이오 디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 활용될 가능성을 확인해 보았다. 혼합 미세조류 CSS (Chlorella spp., Scenedesmus spp., Stigeoclonium spp.) 배양을 위한 영양원은 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 농업용 복합비료의 혼합, 농업용 복합비료이며, 28일간 Small Scale Raceway Pond (SSRP)에서 옥외배양하였다. 그 결과 혼합 실험구의 바이오매스와 지질 생산성은 각각 0.8g/L, 5.8 mg/L/day로 가장 우수한 바이오매스량과 지질 생산성을 보여주었다. 이 연구를 통해 농업용 복합비료와 돈분 액체비료의 혼합액이 미세조류에 안정적인 영양 공급을 하는 영양원으로 활용될 가능성을 확인하였다. 또한, 미세조류 배양단가와 바이오디젤 생산단가를 낮출 가능성도 탐구하였다.
The world is in need of sustainable and eco-friendly energy sources such as microalgal biodiesel due to global warming and fossil fuel shortages. In this study, we compared the effectiveness of liquid fertilizer produced from swine manure and agriculture grade solid fertilizers as nutrient sources f...
The world is in need of sustainable and eco-friendly energy sources such as microalgal biodiesel due to global warming and fossil fuel shortages. In this study, we compared the effectiveness of liquid fertilizer produced from swine manure and agriculture grade solid fertilizers as nutrient sources for microalgal biomass production. Mixed culture (Chlorella spp., Scenedesmus spp., Stigeoclonium spp.; CSS) was cultivated for 28 days in Small Scale Raceway Pond (SSRP) using various nutrient sources (swine manure liquid fertilizer, agricultural solid fertilizer, and mixture of these two fertilizers). Biomass and lipid productivity of fertilizer mixture were the highest at 0.8 g/L and 5.8 mg/L/day, respectively. These results indicate that the fertilizer mixture can provide microalgae necessary nutrient sources for stable biodiesel production and biomass growth. In addition, overall cost of microalgal cultivation and subsequently biodiesel production would be significantly reduced.
The world is in need of sustainable and eco-friendly energy sources such as microalgal biodiesel due to global warming and fossil fuel shortages. In this study, we compared the effectiveness of liquid fertilizer produced from swine manure and agriculture grade solid fertilizers as nutrient sources for microalgal biomass production. Mixed culture (Chlorella spp., Scenedesmus spp., Stigeoclonium spp.; CSS) was cultivated for 28 days in Small Scale Raceway Pond (SSRP) using various nutrient sources (swine manure liquid fertilizer, agricultural solid fertilizer, and mixture of these two fertilizers). Biomass and lipid productivity of fertilizer mixture were the highest at 0.8 g/L and 5.8 mg/L/day, respectively. These results indicate that the fertilizer mixture can provide microalgae necessary nutrient sources for stable biodiesel production and biomass growth. In addition, overall cost of microalgal cultivation and subsequently biodiesel production would be significantly reduced.
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문제 정의
그러나 폐수는 날씨와 기후의 영향을 많이 받아 안정적인 영양공급이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하고자 돈분 액체비료와 농업용 복합비료를 사용하였다. 돈분 액체비료와 농업용 복합비료는 질소와 인이 풍부하여 미세조류에게 안정적인 영양원이 될 가능성이 있다.
이 연구를 통해 농업용 복합비료와 돈분 액체비료의 혼합액이 미세조류에 안정적인 영양 공급을 하는 영양원으로 활용될 가능성을 확인하였다. 또한, 미세조류 배양단가와 바이오디젤 생산단가를 낮출 가능성도 탐구하였다.
본 연구에서는 돈분 액체비료나 농업용 복합비료를 이용했을 때의 미세조류 생산성을 비교하여 효율적인 미세조류 기반 바이오디젤 생산 가능성을 탐색하였다. 돈분 액체비료와 복합비료를 혼합하여 사용할 경우 돈분 액체비료와 복합비료를 사용했을 때보다 바이오매스 생산성이 더 우수한 것으로 확인되었다.
최근 지구온난화문제와 화석연료 자원의 부족문제로 인해 지속적이고 친환경적인 미세조류 기반 바이오디젤이 주목받고 있다. 본 연구에서는 돈분 액체비료와 농업용 복합비료가 바이오 디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 활용될 가능성을 확인해 보았다. 혼합 미세조류 CSS (Chlorella spp.
본 연구에서는 미세조류를 대량 배양하기 위한 영양원으로 돈분 액체비료와 농업용 복합비료를 사용하여 바이오디젤 생산을 위한 미세조류의 생장률을 비교하였다. 그리고 미세조류 배양수는 대전하수종말처리장에서 처리되어 방류되는 방류수를 직접 사용하여 옥외배양시스템에서 배양하였다.
돈분 액체비료와 농업용 복합비료는 질소와 인이 풍부하여 미세조류에게 안정적인 영양원이 될 가능성이 있다. 액체비료를 이용한 미세조류 배양과 복합비료를 이용한 미세조류 배양에서 생장률을 비교함으로써, 바이오디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 활용할 가능성을 확인해보았다.
그리고 미세조류 배양수는 대전하수종말처리장에서 처리되어 방류되는 방류수를 직접 사용하여 옥외배양시스템에서 배양하였다. 이를 통해 바이오디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 폐수의 활용 가능성과 미세조류 바이오매스 생산량을 확인해보고자 한다.
바이오디젤의 효율적인 생산을 위해서는 지질함량이 높은 균주를 선별하는 것도 중요하지만, 지질 생산성이 높은 균주를 선발하는 것이 매우 중요하다. 그리고 지질성분 중에서 지방산(Fatty acid)은 바이오디젤로 변환될 수 있는 성분으로 실험 종료 시점의 시료를 채취하여 지방산을 FAME으로 전환하여 지방산 조성을 분석하였다(Kumar Tiwari et al., 2007)(Fig. 5). 미세조류의 지방산 조성을 분석해본 결과, 주로 Palmitate (C16:0), Linoleate (C18:2), 그리고 Linolenate (C18:3)으로 구성된 것을 확인하였다.
복합비료는 질산칼슘 비료(Calcium nitrate, Hydro, Norway)와 수용성 인산비료(Hi foliar plus, Haifa chemicals, Israel)를 혼합 하여 사용하였다. 돈분 액체비료를 이용한 미세조류 배양은 LF 1%로 첨가해주었으며, 농업용 복합비료를 이용한 미세조류 배양은 TN 120 ppm, TP 10 ppm으로 운전하였고, LF와 SF의 혼합은 LF 500 ppm, TN 120 ppm, TP 10 ppm으로 운전하였다.
미세조류는 생장하면서 C, H, O 등의 원소뿐만 아니라 N과 P도 이용하기 때문에 배양액 내 N과 P의 감소량을 확인하여 미세조류의 생장률을 간접적으로 확인해볼 수 있다. 미생물들의 질소와 인 소비량을 실험 시작일부터 종료일까지 이틀 간격으로 측정하였다(Fig. 6). 혼합 실험구의 total nitrogen은 120 ppm 수준에서 22일 만에 10 ppm 수준으로 감소하였고, 복합비료 실험 구도 혼합비료 실험구와 유사한 경향을 나타내었다.
미세조류 배양을 위한 영양염류는 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 복합비료의 혼합액, 복합비료를 이용하였다. 미세조류 생장률을 측정하기 위하여 건조중량(DCW, Dry Cell Weight)과 엽록소-a를 28일간 측정하였다(Figs. 3 and 4). 배양 종료 시점의 건조중량은 액체비료 실험구, 혼합 실험구, 복합 비료 실험구에서 각각 0.
미세조류의 세포 내 지질함량은 Bligh & Dyer의 방법을 변형한방법으로 분석하였다. 미세조류 시료에 Chloroform : methanol (2:1 v/v)를 넣어 교반 후, 증류수를 첨가하여 chloroform : methanol : water 의 비율이 1 : 1 : 0.9가 되게 조절하여 분리된 chloroform 층을 건조시켜 지질함량을 측정하였다(Bligh and Dyer, 1959; Lee et al., 2010).
미세조류의 세포 내 지질함량은 Bligh & Dyer의 방법을 변형한방법으로 분석하였다.
본 실험에서는 돈분 액체비료와 농업용 복합비료를 사용하여 3가지 배양액을 제조하고 각 배양액에서 미세조류의 건조 세포 중량과 엽록소-a, 지질함량 등을 측정하여 비교하였다. 미세조류 건조중량은 SSRP 배양액 10 ml을 0.
광원은 태양광을 이용하였으며 실험기간 동안 평균 일조시간은 7시간 39분이었다. 자연증발로 손실된 물은 방류수로 2일에 한 번씩 보충해주었고, 28일간 회분식으로 운전하였다. 본 SSRP는 대전 하수종말처리장에서 실험하였다.
지방산 메틸 에스터(Fatty acid methyl esters, FAME) 조성 분석을 위해 Gas Chromatograph (Shimadzu GC-2010, Japan)를 통하여 분석하였다. 미세조류 시료 50 mg과 1 ml의 KOH-CH3OH를 test tube에 75℃에서 10분, 5% HCl과 methanol을 넣어 75℃에서 10분간 반응시켰다.
그 뒤, hexane과 (CH3)3COCH3을 넣어 반응시킨 후 증류수를 첨가하여 FAME가 포함된 층을 분리하였다. 지방산은 GC-FID (GC-2010, Shimadzu, Japan)를 통하여 분석하였다. GC detector는 flame ionized detector (FID)를 사용하였으며 Rtx-wax capillary column (30 m ×0.
SSRP의 깊이는 약 30 cm, 용적 70 L이며, paddle wheel을 이용하여 유속 30 cm/sec로 운전하였다. 폭기는 air pump와 diffuser를 이용하였으며(0.1 vvm), 1%의 CO2를 첨가하였다. 실험에 사용한 배양액은 대전 하수종말처리장에서 최종 하수처리를 거친 방류수를 사용하였다.
하수종말처리장의 방류수와 돈분 액체비료(Swine manure liquid fertilizer, LF), 농업용 복합비료(Agricultural solid fertilizer, SF)를 이용해 미세조류 배양을 하기 위해 개방형 옥외 배양시스템의 일종인 SSRP 시스템(Small Scale Raceway Pond, SSRP)을 설치하였다. SSRP의 깊이는 약 30 cm, 용적 70 L이며, paddle wheel을 이용하여 유속 30 cm/sec로 운전하였다.
대상 데이터
GC detector는 flame ionized detector (FID)를 사용하였으며 Rtx-wax capillary column (30 m ×0.25 mm× 0.25 μm) (RESTEK, USA)을 사용하였다.
본 연구에서는 미세조류를 대량 배양하기 위한 영양원으로 돈분 액체비료와 농업용 복합비료를 사용하여 바이오디젤 생산을 위한 미세조류의 생장률을 비교하였다. 그리고 미세조류 배양수는 대전하수종말처리장에서 처리되어 방류되는 방류수를 직접 사용하여 옥외배양시스템에서 배양하였다. 이를 통해 바이오디젤 생산을 위한 미세조류 영양원으로 폐수의 활용 가능성과 미세조류 바이오매스 생산량을 확인해보고자 한다.
본 연구에서는 대전 하수종말처리장 방류수 내에서 검출된 혼합 토착 미세조류 CSS mixed culture를 선택하여 옥외배양에 이용하였으며, 운전기간중 CSS mixed culture의 종조성을 관찰한결과 종의 천이가 일어나지 않고 안정적으로 유지되는 것을 확인 하였다(자료 미제시). 미세조류 배양을 위한 영양염류는 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 복합비료의 혼합액, 복합비료를 이용하였다. 미세조류 생장률을 측정하기 위하여 건조중량(DCW, Dry Cell Weight)과 엽록소-a를 28일간 측정하였다(Figs.
자연증발로 손실된 물은 방류수로 2일에 한 번씩 보충해주었고, 28일간 회분식으로 운전하였다. 본 SSRP는 대전 하수종말처리장에서 실험하였다.
본 실험에서는 대전 하수종말처리장 방류수 내에서 검출된 혼합 토착 미세조류 CSS mixed culture (Chlorella spp., Scenedesmus spp., Stigeoclonium spp. 등 미세조류 3종이 우점하고 있는 군집)를 이용하여 배양하였다(Kang et al., 2012, 2013).
본 연구에 사용한 SSRP는 대전하수종말처리장에서 실험하였으며, 2014년 3월 22일부터 4월 19일까지 진행되었다. 실험기간 동안 대전광역시의 평균기온은 5.
실험에 사용한 돈분 액체 비료는 경상남도 하동군 양보면 우복리에 위치한 하동축협 자연순환농업센터에서 얻은 호기성 소화 돈분을 이용하였다. 경상남도 하동농협 자연순환농업센터에서는 농가에서 고액 분리 후 반입된 돼지분뇨를 화학적 응집처리 없이 원심분리만을 이용하여 고형분과 액체성분을 분리하고, 자체 생성된 미생물을 이용하여 액체 비료 및 퇴비를 생산하고 있으며, 현재 연간 30,000 ton (100 ton/day)의 돼지분뇨를 처리 하여 돈분 액체비료를 생산하고 있다.
1 vvm), 1%의 CO2를 첨가하였다. 실험에 사용한 배양액은 대전 하수종말처리장에서 최종 하수처리를 거친 방류수를 사용하였다. 광원은 태양광을 이용하였으며 실험기간 동안 평균 일조시간은 7시간 39분이었다.
45 μm 여과지에 거른 후 105℃에서 24시간 동안 건조하여 측정하였다. 엽록소-a는 90%아세톤으로 추출하여 750 nm, 664 nm, 647 nm, 630 nm의 파장으로 측정하였다(APHA, 1998).
이론/모형
45 μm 여과지로 여과한 후 잔류 TN, TP를 측정하였다. TN과 TP는 Standard method를 이용하여 분석하였다(APHA, 1998).
성능/효과
1%로 확인되었다. 각 실험구의 지질함량은 거의 비슷한 수준으로 영양원의 차이가 지질함량에 큰영향은 주지 않는 것으로 확인되었다. 일반적으로 미세조류는 질소가 고갈된 상태나 높은 염도의 환경 등의 스트레스 상태에서 세포 내 지질축적을 증가시키는 것으로 알려졌다(Takagi et al.
) 배양을 위한 영양원은 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 농업용 복합비료의 혼합, 농업용 복합비료이며, 28일간 Small Scale Raceway Pond (SSRP)에서 옥외배양하였다. 그 결과 혼합 실험구의 바이오매스와 지질 생산성은 각각 0.8g/L, 5.8 mg/L/day로 가장 우수한 바이오매스량과 지질 생산성을 보여주었다. 이 연구를 통해 농업용 복합비료와 돈분 액체비료의 혼합액이 미세조류에 안정적인 영양 공급을 하는 영양원으로 활용될 가능성을 확인하였다.
미세조류에게 공급하는 영양물질의 차이가 지질 생산과 지방산 생산과정에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 그리고 배양액의 총질소와 총인을 측정하여 미세조류가 배양되는 동안 질소와 인을 소비하는 것을 확인하였다. 돈분 액체비료에는 인 성분이 거의 없는 것으로 나타나서, 질소와 인의 양을 조절할 수 있는 복합비료가 돈분 액체비료보다 미세조류 배양에 더 유리한 것으로 판단된다.
그리고 엽록소-a도 액체비료 실험구, 혼합 실험구, 복합비료 실험구에서 각각 1516 ± 150 μg/L, 6389 ± 200 μg/L, 5497 ± 200 μg/L으로 혼합 실험구에서 가장 높은 결과를 보여주었다.
복합비료 실험구의 total phosphorus도 10 ppm 수준에서 28일 만에 0 ppm 수준으로 감소하였다. 돈분 액체비료 실험구의 total phosphorus는 실험 초기부터 거의 검출되지 않아 액체비료 성분 내 인 성분은 거의 없는 것으로 확인하였다. 이는 미세조류를 배양하는 데 불리한 요소로 작용할 수 있다.
본 연구에서는 돈분 액체비료나 농업용 복합비료를 이용했을 때의 미세조류 생산성을 비교하여 효율적인 미세조류 기반 바이오디젤 생산 가능성을 탐색하였다. 돈분 액체비료와 복합비료를 혼합하여 사용할 경우 돈분 액체비료와 복합비료를 사용했을 때보다 바이오매스 생산성이 더 우수한 것으로 확인되었다. 이는 돈분 액체비료 내의 여러 가지 미량물질이 미세조류가 생장하는데 필요한 trace element로 작용하기 때문으로 판단된다.
그러나각 실험구 별 지질 함량과 지방산 조성에는 큰 차이가 없었다. 미세조류에게 공급하는 영양물질의 차이가 지질 생산과 지방산 생산과정에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 그리고 배양액의 총질소와 총인을 측정하여 미세조류가 배양되는 동안 질소와 인을 소비하는 것을 확인하였다.
5). 미세조류의 지방산 조성을 분석해본 결과, 주로 Palmitate (C16:0), Linoleate (C18:2), 그리고 Linolenate (C18:3)으로 구성된 것을 확인하였다. Palmitate (C16:0), stearate (C18:0), oleate (C18:1), linoleate (C18:2), linolenate (C18:3) 등 지방산은 바이오디젤 변환하는데 핵심적인 지질성분으로, 이러한 지방산이 많이 함유된 지질은 바이오디젤 생산에 유리하다(Canakci and van Gerpen, 2001; He et al.
본 연구에서는 대전 하수종말처리장 방류수 내에서 검출된 혼합 토착 미세조류 CSS mixed culture를 선택하여 옥외배양에 이용하였으며, 운전기간중 CSS mixed culture의 종조성을 관찰한결과 종의 천이가 일어나지 않고 안정적으로 유지되는 것을 확인 하였다(자료 미제시). 미세조류 배양을 위한 영양염류는 돈분 액체비료, 돈분 액체비료와 복합비료의 혼합액, 복합비료를 이용하였다.
실험 종료 시점에 각 시료를 채취하여 미세조류 내의 지질함량을 측정한 결과 돈분 액체비료 실험구 20.1%, 혼합 실험구 20.3%, 복합비료 실험구 21.1%로 확인되었다. 각 실험구의 지질함량은 거의 비슷한 수준으로 영양원의 차이가 지질함량에 큰영향은 주지 않는 것으로 확인되었다.
엽록소-a는 식물과 조류가 광합성을 하는데 필수적인 물질로, 엽록소-a의 양을 측정함으로써 광합성을 활성도와 바이오매스량을 간접적으로 확인하는 데 유용한 척도로써, 엽록소-a의 양이 높을수록 광합성 중인 세포 수가 많다는 것을 의미한다(Gitelson, 1992). 이 결과를 통해 액체비료만으로 미세조류를 배양했을 때보다 복합비료로 미세조류를 배양할 때, 바이오매스 생산성이 더욱 증가한다는 사실을 확인하였다. 복합비료에 액체비료를 소량투입했을 때 액체비료 내의 여러 무기물질 성분이 미세조류 생장에 도움을 주는 것으로 추측된다.
후속연구
바이오디젤을 생산하기 위한 미세조류 배양에 농업용 복합비료를 이용한다면 미세조류에 안정적으로 영양물질을 공급할 수 있고, 공급되는 영양물질의 양을 쉽게 조절할 수 있다. 또한, 복합비료를 이용한 옥외배양시스템은 기존의 폐수이용 미세조류 배양법의 단점을 해결할 수 있어서 더 효율적인 미세조류 대량배양시스템에 응용될 수 있을 것으로 판단된다.
, 2009). 운전비용이 저렴한 미세조류 배양 시스템을 이용한다면 미세조류 배양단가를 더욱 낮출 수 있을 것이다.
8 mg/L/day로 가장 우수한 바이오매스량과 지질 생산성을 보여주었다. 이 연구를 통해 농업용 복합비료와 돈분 액체비료의 혼합액이 미세조류에 안정적인 영양 공급을 하는 영양원으로 활용될 가능성을 확인하였다. 또한, 미세조류 배양단가와 바이오디젤 생산단가를 낮출 가능성도 탐구하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미세조류 옥외배양시스템이, 광생물 배양기에 비해 가지는 장점은?
한편 미세조류를 배양하는 시스템은 옥외배양시스템(Raceway Pond)과 광생물반응기(Photobioreactor, PBR) 등의 방식이 있다. 옥외배양시스템은 광생물배양기에 비해 설치비용과 관리비용이 적게 들고, 대형으로 제작하기 더 용이하기 때문에 미세조류를 대량으로 배양할 때 유리한 점이 있다(Rodolfi et al., 2009; Shen et al.
돈분 액체비료와 복합비료를 혼합하여 사용할 때, 각각 사용한 것보다 바이오 매스 생산성이 좋은 이유는?
돈분 액체비료와 복합비료를 혼합하여 사용할 경우 돈분 액체비료와 복합비료를 사용했을 때보다 바이오매스 생산성이 더 우수한 것으로 확인되었다. 이는 돈분 액체비료 내의 여러 가지 미량물질이 미세조류가 생장하는데 필요한 trace element로 작용하기 때문으로 판단된다. 그러나각 실험구 별 지질 함량과 지방산 조성에는 큰 차이가 없었다.
미세조류를 배양하는 시스템에는 어떤 방식이 있습니까?
한편 미세조류를 배양하는 시스템은 옥외배양시스템(Raceway Pond)과 광생물반응기(Photobioreactor, PBR) 등의 방식이 있다. 옥외배양시스템은 광생물배양기에 비해 설치비용과 관리비용이 적게 들고, 대형으로 제작하기 더 용이하기 때문에 미세조류를 대량으로 배양할 때 유리한 점이 있다(Rodolfi et al.
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