[논문]저비용 응집제를 이용한 미세조류 응집 효율 비교

최희정

doi:10.15681/kswe.2015.31.6.625

저비용 응집제를 이용한 미세조류 응집 효율 비교
A Comparative Study on Microalgae Recovery Rates in Response to Different Low Cost Bio-flocculant Applications 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.31 no.6, 2015년, pp.625 - 631

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, low cost bio-flocculants, chitosan, cationic starch and Mg-sericite, were used as a flocculant to harvest freshwater microalgae, Chlorella vulgaris. Chitosan, cationic starch and Mg-sericite separated successfully >98% of C. vulgaris at following optimal parameters: 90 mg/L chitosan at pH 6-7, 70 mg/L cationic starch at pH 9-10 and 50 mg/L Mg-sericite at pH 4-5. A relatively high correlation coefficient (R2) of 0.9993 for chitosan, 0.9971 for catonic starch and 0.9924 for Mg-sericite was obtained. The investigated flocculants amount increased linearly with increasing the microalgae amount. The biopolymer, Mg-sericite, was more effective than that of other investigated flocculants. These results indicated that a bio-flocculants, chitosan, cationic starch and Mg-sericite, could prove to be an effective flocculant for economical production of microalgae biomass. In addition, Mg-sericite was more effective comparing to the other investigated flocculants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 미세조류를 수확하여 바이오디젤, 어류의 사 료, 의약품 등으로 사용할 경우 응집제로 인한 유해물질의 축적 문제점과 유해물질의 후처리가 필요 없는 무독성 환경친화적인 응집제인 키토산(chitosan), cationic starch 그리고 sericite를 Mg으로 개질한 Mg-sericite를 이용하여 미세조류를 응집 처리하여 수확률과 수확조건을 비교하여 저비용 고효율의 미세조류 응집제를 찾고자 하였다. 키토산, cationic starch 그리고 Mg-sericite는 생명체에 필요한 필수 미네랄을함유하고있어수확한미세조류를식품과의약품 등으로 사용할 경우 필요한 미네랄을 보충할 수 있으며, 바이오디젤로 사용할 경우 바이오 디젤의 기준에 영향을 주지 않는다.

제안 방법

Mg-sericite 제조를 위하여 먼저 Sericite에 함유되어 있는Fe 등의 금 속불순물과Al2O3는NaOH (pH 3.4-3.5)와14N-H2SO4 (pH9.0-9.2)를이용하여각각2시간씩교반하여제거하였다. 금 속불순물과Al2O3가 제거된sericite 분말은 증류수에 수회 세척하여 105°C 에서 2시간 건조시켰으며, 건조된sericite 분말과MgCl2･6H2O을1:4로혼합한뒤10 g을증류수1 L 를 넣어 실온에서 15 시간 교반하였다.
모든실험은5번실시 하여평균데이터를사용하였다. Sericite에함유되어있는무 기성분의질적양적분석은X-ray fluorescence(XRF- 1500, Shimadzu, Japan)을사용하여분석하였고, 표면분석을위한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지는 (SM-300, Topcon, Japan)을사용하였다. Sericite의양은전자저울(XP26, Mettler Toledo, Swiss)로 측정하였으며, pH는 pH meter (SevenGO pro, Mettler Toledo)를이용하여측정하였다.
Sericite에함유되어있는무 기성분의질적양적분석은X-ray fluorescence(XRF- 1500, Shimadzu, Japan)을사용하여분석하였고, 표면분석을위한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지는 (SM-300, Topcon, Japan)을사용하였다. Sericite의양은전자저울(XP26, Mettler Toledo, Swiss)로 측정하였으며, pH는 pH meter (SevenGO pro, Mettler Toledo)를이용하여측정하였다.
교반한 혼합액을 0-600 sec 동안 침전시킨 후샘플표 면에서 중앙의 1 cm 깊이에서 샘플링하여 미세조류의 수 확률을 측정하였다 (Choi, 2015). pH가 응집효율에 미치는 영향을분석하고자NaCl과H2SO4를이용하여1~12까지조 절하여 실험하였다.
광량은 조도계(HOBO-Light Intensity, Onset Computer, USA)를 이용하여 측정하였다. 조도계는LI-193SA 센서와 LI-1400 기록계(Li-COR, Inc.
교반한 혼합액을 0-600 sec 동안 침전시킨 후샘플표 면에서 중앙의 1 cm 깊이에서 샘플링하여 미세조류의 수 확률을 측정하였다 (Choi, 2015). pH가 응집효율에 미치는 영향을분석하고자NaCl과H2SO4를이용하여1~12까지조 절하여 실험하였다.
실험은batch-test의형식으로 실행하였으며, JM 배지에서 증식한미세조류1 L에제조된응집제를실험계획에따라 0~100 mg/L을 투입하여 80 rpm으로1-600 sec 교반하였 다. 교반한 혼합액을 0-600 sec 동안 침전시킨 후샘플표 면에서 중앙의 1 cm 깊이에서 샘플링하여 미세조류의 수 확률을 측정하였다 (Choi, 2015).
(HOBO-Light Intensity, Onset Computer, USA)를 이용하여 측정하였다. 조도계는LI-193SA 센서와 LI-1400 기록계(Li-COR, Inc., Lincoln, Nebraska, USA)를 이용하여 영점정을 하였으며, 측정시센서위의미세조류 를제거하여미세조류로인한수중광량의오류를최소화하 였다. 측정된 광량을 계산하여 광효율을 나타내었다.

대상 데이터

(C. vulgaris; KMMCC-본연구에사용된Chlorella vulgaris 355)는JM Medium을 이용하여25±2°C 온도의항온기에 10일간증식시킨후에원심분리하여JM 배지 1 L에실험 계획에따라다양한농도의미세조류를분양하여사용하였 다. C.
2 g Na2HPO4․12H2O이다. 미세 조류 배양을 위하여 배양기의 광원은 white LED(Light Emitting Diode)를사용하였다. 실험에사용한LED 램프는 빛의집중도를향상시키기위해bar 형식의LED 램프를특 별 제작하였으며, LED에 공급되는 전원은 모델FP-60-12 파워공급기(AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다.
미세 조류 배양을 위하여 배양기의 광원은 white LED(Light Emitting Diode)를사용하였다. 실험에사용한LED 램프는 빛의집중도를향상시키기위해bar 형식의LED 램프를특 별 제작하였으며, LED에 공급되는 전원은 모델FP-60-12 파워공급기(AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다. 모든 광원은 위에서 아래로 공급하였다.

데이터처리

모든실험은5번실시 하여평균데이터를사용하였다. Sericite에함유되어있는무 기성분의질적양적분석은X-ray fluorescence(XRF- 1500, Shimadzu, Japan)을사용하여분석하였고, 표면분석을위한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지는 (SM-300, Topcon, Japan)을사용하였다.
5 에나타내었으며, 이는 응집제를 이용하여 95% 이상의미세 조류수확률을나타냈을때의상관관계이다. 응집제의양과 미세조류양과의상관관계는피어슨상관계수(Pearson correla- tion coefficient)를 사용하였으며R²값은X와Y가 완전히 동일하면 +1, 전혀 다르면 0, 반대 방향으로 완전히 동일하 면-1을 가진다. 따라서R²는X로부터Y를예측할수있는 정도를 의미한다.

이론/모형

Cationic starch는 starch 와 반응성화합물 즉, 양이 온을 띠고 있는 암모니움 염(N-(3-chloro-2-hydroxypropyl) trimethyl ammonium chloride (CHPTAC))와 2, 3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride(EPTAC))의 반응을 통하여 부분적으로 팽윤된 starch 슬러리를 처리하여 제조한다. Hansel et al. (2014)의 제조방법에 따라 제조한cationic starch는24시간70°C건조기에건조하여사용하였다. 키토 산은chitin 을50%의 NaOH에 넣고100°C에서6시간을 가열하여 탈아세틸화하여 제조하였다(Lee et al.
측정된 광량을 계산하여 광효율을 나타내었다. 다양한 응집제를 이용한 미세조류 분리효율은 침전후에상등액의 중간에서 샘플을 채취하여spectrophotometer(Beckman Coulter, model DU 730)를 이용하여 광밀도를 측정하였다(APHA, 2012). 미세조류 분리효율은아래와같이계산하였다.

성능/효과

1)98% 이상의미세조류를수확하기위한최적의pH는Mg- sericite는 4-5, 키토산은 6-7 그리고 cationic starch는 9-10이였다.
2)키토산, starch 그리고 Mg-sericite 모두 2분 cationic mixing time 그리고3분의settling time에서100%의미세 조류수확률을나타내었으며, floc의강도는Mg-sericite가 가장단단했다.
3)98% 이상의 미세조류 수확하기 위하여 키토산은 90 mg/L, cationic starch는70 mg/L 그리고Mg-sericite는 50 mg/L 의 양이 필요했다. Mg-sericite는 적은 양으로 고효율의 응집효과를나타내어미세조류수확률이가장좋았다.
4)응집제의 양과 미세조류의 양과의상관관계는 키토산은 0.9993,starch는 0.9971 그리고 Mg-sericite는 cationic 0.9924의 상관관계를 나타내어 미세조류의 양이 증가함에따라 응집제의 양도증가하였다.
5)Mg-sericite는 저비용으로 미세조류의 응집수확을 효율 적으로할수있어미세조류유래바이오오일의생산단 가를 낮추는데도움을줄수있을것으로기대된다.
4). Mg-sericite 응 집제가 가장 적은 양으로 고효율의 분리효율을 나타내었으며. cationic starch와 키토산 순서로 나타났다.
본 연구에서 실험한 키토산, cationic starch 그리고Mg-seri- cite를 이용한 응집방법은 간단하고 효과적이다. 미세조류 의수확은다양한방법으로할수있는데초음파, 응고, 여 과 및 원심분리와 같은 전통적인 수확방법 또한성공적 으로 다양한 미세조류를 수확할 수 있다.
를 100% 분리하여본연구와비슷한 결과를 보고하였다. 본 연구에서는 50 mg/L의Mg-sericite 를이용하여98%의분리효율을나타내었으며, 이러한연구 결과는organo/inorgano clay를 이용하여 효과적으로 미세 조류를수확할수있음을 알수있다. Sericite, chitin, starch 를 각각 개질하고 변성처리하여 만든 Mg-sericite, 키토산 그리고catinic starch 응집제는 강한 양전하를 띠게 되어 표면이 음전하를 띠고 있는 미세조류와 쉽게 결합하여 빠르게침전한다(Farooq et al.
0 사이 이면, 강한 양적 선형관계를 나타낸다. 실험결과 300 mL 이하의미세조류를 응집처리하기위해서는약100 mg/L의응집제의양이필요 했으며, 1000-1500 mL의 미세조류를 응집수확하기위해서 는키토산 300-450 mg/L, cationic starch 260-380 mg/L 그 리고Mg-sericite 170-280 mg/L의양이필요했다. 일반적으로미세조류의양이증가함에따라응집제의양도함께증 가하는데, 실험 결과 응집제와 미세조류의 양과의 상관관계 (R²)는매우높아키토산은0.
플럭이 클 경우에는 빠르게 침전하지만플럭이 작을 경우 침전속도는 감소한다. 침전시간에 따른 미세조류 분리효율은 키토산, cationic starch 그리고Mg-sericite 모두 3분이상에서100%의분리효율을나타내었고, 육안으로관 찰되는플럭의크기도세개의응집제모두비슷했다. Fig.
9924의 상관관계를 나타내었다. 키 토산이다른응집제와비교하여상대적으로높은상관관계 를나타내었으나, 실험에 사용한 모든 응집제가>0.99 이상 의상관관계를나타내었다.
Table 1 에키토산, cationic starch 그리고 Mg-sericite 응집제를 이용하여 다양한 교반시간과 침전시간에 따른 미세조류 분리효율을 나타내었다. 키토산, catonic starch 그리고Mg-sericite 모두2분의mixing time에서가장좋은미세조류분리효율 을 나타내었다. 일반적으로 응집플럭은 교반시간과 교반강도, pH, 온도등에영향을받는데5분이상교반한결과미 세조류 분리효율은 62-73%로 감소했으며, 특히 10분 정도 교반한결과키토산은 35%, cationic starch는45%로감소하 였다.

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