온실가스 저감기술개발사업;미세조류를 이용한 CO2의 생물 제품화 기술 개발 Advancement of Greenhouse Gas Reductuion Technologies to Mitigate Climate Change;Development of biomaterials production technology from CO2 by algae
보고서 정보
주관연구기관
한국에너지연구원 Korea Institute of Energy Research
발행국가
대한민국
언어
한국어
발행년월
2001-11
주관부처
과학기술부 Ministry of Science and Technology
등록번호
TRKO200200050280
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
I. 제 목 미세조류를 이용한 CO2의 생물제품화 기술개발 II. 연구개발의 목적 및 필요성 최근들어 지구온난화 등 지구환경 문제가 국제적으로 큰 이슈로 등장하고 있으며 세계 전체의 에너지 수요는 날로 증가하는 추세이다. 우리 나라는 에너지 의 95%를 수입에 의존하고 있으며 산업구조 및 에너지사용에 있어 화석연료 의존 비율이 높고, 최근 급속한 경제성장으로 온난화가스 배출량이 빠른 속도로 증가추 세에 있으므로 CO2 저감 등을 포함한 기후변화협약의 향후 진행추이에 대하여 적 극적인 대응이 필요하다. 지금과 같은 에너지 수요 추세
I. 제 목 미세조류를 이용한 CO2의 생물제품화 기술개발 II. 연구개발의 목적 및 필요성 최근들어 지구온난화 등 지구환경 문제가 국제적으로 큰 이슈로 등장하고 있으며 세계 전체의 에너지 수요는 날로 증가하는 추세이다. 우리 나라는 에너지 의 95%를 수입에 의존하고 있으며 산업구조 및 에너지사용에 있어 화석연료 의존 비율이 높고, 최근 급속한 경제성장으로 온난화가스 배출량이 빠른 속도로 증가추 세에 있으므로 CO2 저감 등을 포함한 기후변화협약의 향후 진행추이에 대하여 적 극적인 대응이 필요하다. 지금과 같은 에너지 수요 추세로 간다면 2010년에는 현 재 에너지 수요의 약 1.5배 에 이를 것으로 전망되며 특히 개발도상국에서는 연평 균 10% 정도로 수요가 급증할 것으로 예상된다. 우리 나라의 경우, 급속한 경제 발전과 국민 생활 수준 향상에 힘입어 에너지 소비가 꾸준히 증가하고 있으나 총 에너지 수요의 대부분을 수입에 의존하고 있어 범국가적인 에너지 절약과 대체에 너지 개발이 시급히 요구되고 있다. 선진국에서는 국가 주요 프로젝트의 하나로 온난화 가스를 원료로 하여 유용물질을 만드는 기술을 주목하고 특히 이산화탄소 를 목적으로 한 다양한 방법이 개발되어 폭넓게 연구되고 있다. 특히 생물의 힘을 이용한 이산화탄소 전환이 대표적으로 화력발전소의 배기가스를 조류의 배양액에 통과시켜 식용자원, 유용가스, 생물연료의 생산으로 전환하는 파일럿 플랜트 연구 가 진행 중이다. 바이오매스 에너지로 가장 역점을 두고 있는 과제는 미세 녹조균 주를 이용한 탄화수소의 생산이다. 이것은 녹조균주가 대기권, 공장, 및 화력발전 소 배기의 이산화탄소를 탄소동화작용에 의해 탄화수소 형태로 고정화하여 화석연 료를 생산함과 동시에 생물학적인 수처리를 할 수 있다는 복합적 이익이 기대되기 때문이다. 일반 식물과 마찬가지로 조류는 신진대사를 통하여 공기중의 탄산가스를 탄수 화물이나 단백질 등 다른 물질로 변환시킨다. 조류 중에서도 Botryococcus braunii는 탄화수소의 생산력이 매우 높은 식물이며 그 조성은 Crude Oil과 같아서 Hydroprocessing을 통하여 얻어지는 생산물의 조성은 휘발유(67%), Kerosin(15% ), 디젤(15%)과 잔류유(3%)로 되어 있다. 이 조류(Coccus)를 이용한 공정은 탄산 가스를 제거함과 동시에 탄화수소를 생산하는 미래기술로의 포텐셜이 매우 높아서 기초과학적인 문헌만 소개되고 있을 뿐이며 공정의 개발은 선진국 일부 회사에서 차세대의 기술선점을 위하여 극비리에 추진하고 있는 중이다. Botryococcus braunii의 이와 같은 특성으로 인하여 현재 미국, 독일, 일본 등의 선진국에서는 이 를 이용하여 탄산가스를 제거함과 동시에 신에너지를 생산하기 위한 공정개발을 활발하게 전개시키고 있다. 한편 이 공정에서도 다른 생물공정과 마찬가지로 질소, 인 등의 영양성분이 필 요하므로 이에 대한 공급원으로 축산폐수 및 발효폐액과 같이 영양성분은 다량 함 유되어 있으나 그로 인하여 현재 처리상의 큰 문제가 되고 있는 문제폐수들을 자 원으로 활용할 수 있어, 이 공정은 이산화탄소의 저감효과와 함께 수질오염물질을 자원화하며 동시에 신 에너지원으로서의 포텐셜이 매우 높은 전방향적인 환경기반 기술의 성격을 가지고 있다. Botryococcus braunii를 이용하는 본 공정의 개발에 서 현재 세계적으로 핵심목표가 되고 있는 것은 크게 나누어 두 가지 방향으로서, 조류의 생장속도를 높이기 위한 기술의 개발과 광반응기의 효율을 높이기 위한 반 응기 제작기술이나 이 두 가지 문제점은 어느 정도 상호 교접되는 관계가 있다. 그러므로 문제의 핵심은 고성장 조류의 확보와 고성장을 보장할 수 있는 반응기와 이의 운전기술 개발이며, 생성되는 탄화수소를 세포 외부에 집적시키는 Botryococcus braunii의 특성상 후자의 경우에는 반응기내에서 이들 생성물을 얼마 나 신속히 세포로부터 제거하여 기질과 광을 신속히 공급되게 하는 것과 광반응기 의 일반적인 문제점인 광원 또확보와 동시에 화석연료를 대체할 재생 생물연료(renewable biofuels)의 생산, 조류의 배양과 동시에 생산물을 회수할 수 있는 동시추출공정의 개발, 부수적으로 수질정화에 큰장애물이 되고 있는 질소와 인과 같은 영양염류의 제거와 미래에너지로 인정되고 있는 수소의 생물학적 생산 을 위한 광반응기 기술을 축적하고자 하는데 그 목적이 있다. III. 연구개발의 내용 및 범위 - 단위 핵심공정 개발 - 고효율 광반응기 개발 - 분리용 최적 용매 선정 - 독자적 우수 조류 선별 - 통합 공정의 완성 - 고농도 조류 배양기술 개발 - 탄화수소 연속 생산 시스템 완성 - 탄화수소 연속 생산 공정 최적화 및 상업화 연구 - 연속공정의 최적화 연구 - 질소/인 함유 폐수를 이용한 처리효율 검토 - 파일럿 설계 및 상업화 연구 IV. 연구개발결과 - 독자적 우수 균주 선별 - 탄화수소 생산능을 가지는 조류를 담수로부터 국내 최초로 독자개발 성공 - 이상 동시추출법 - 조류성장 보다 탄화수소 회수율 측면에서 dihexyl ether를 동시분리용 최적용 매로 선정 - 최적조업조건: 지수성장기의 중기에 60 ml dihexyl ether 투여 - 배양액과 유기용매층 사이의 좁은 경계면에서 단지 폭기에 의한 불충분한 교 반으로 인해 18 32%의 낮은 탄화수소 회수율 획득 - 이단 재순환 추출법 - 탄화수소 회수율이 개선된 이단 재순환 추출법에서는 조류성장 측면에서 옥탄 을 최적용매로 선정 - 이단 재순환 추출법을 이용한 동시추출을 통해 이상 동시추출법의 2배 이상의 탄화수소 회수율 (57%) 획득 - 회분배양후 후속분리공정으로 이단 재순환 추출법을 이용시 재순환 유량이 150 ml/min 일때 6시간 추출을 통해 60% 이상의 탄화수소 회수율 획득 - 후속분리 공정후 바이오매스의 재배양을 통해 바이오매스의 재이용 가능성 확 인 - 초기 N/P 농도가 조류성장과 탄화수소 생산에 미치는 영향 - 조류성장과 탄화수소 생산은 질소결핍에 의해 강하게 저해받음 - 인 결핍을 제외하고는 인은 조류성장과 탄화수소 생산에 거의 독립적임 - 충분한 질소원 공급을 통해 고농도배양 (> 7 g dry biomass/L) 가능 - 축산폐수를 이용한 조류배양 - 12일 회분배양결과, 8.5 g /L 바이오매스, 0.95 g/L 탄화수소 생산, 2750 mg/L nitrate 제거 - nitrate의 완전제거를 위한 축산폐수의 최적의 희석비는 33% (축산폐수:지하수 =1:2) - 고효율 광반응기 개발 - 순환유동식 광생물반응기를 설계 제작하여 B. braunii를 배양한 결과 기존 최 적화된 bubble column 광생물반응기에서 보다 성장속도가 약 3배 빠르게 나 타났다. - 미세조류의 성장 속도는 광도를 13 114 E/m2 s까지 변화시켜준 결과 광도 가 높을수록 성장 속도가 빨라졌다. 이로써 미세조류 반응기에서 광투과율을 높여주는 연구가 필요함을 알 수 있다. - 실험 기간내 구(bead)가 없는 경우 Biofouling이 배양 3일째부터 발생하여 급 진전하였으며 구를 충진한 경우 최하 겉보기 충진율 5 까지도 Biofouling이 발생하지 않았다. - 광생물반응기의 배지로 소화탈리액을 이용한 결과 Chu13 배지와 유사하여 새 로운 적용분야가 될 수 있으리라 추정되었다. - 연속 공정을 통한 조류배양 - 400 시간 이상의 연속 배양을 하여 두 가지 경우의 희석속도(D)로 실험한 결 과 탄화수소는 희석속도에 크게 영향을 받지 않았고, 회수율은 23% 정도였 다. V. 연구개발결과의 활용계획 - 기후변화협약 관련 무역규제 대응 기술로 활용 - 선진국 선도기술의 대등연구 개발 - CO2 저감 신기술 개발 - 질소, 인 제거 신기술로 활용 - 환경친화적 대체에너지 신기술 개발 - 미세조류를 이용한 유용자원 미래기술 개발
Abstract▼
I. Title Development of biomaterials production technology from CO2 by algae II. Research Objective and Importance The aim of this research was to develop the biological CO2 fixation technology as well as the renewabl biofuels-producing technology from the microalgae Botryococcus braunii. In this s
I. Title Development of biomaterials production technology from CO2 by algae II. Research Objective and Importance The aim of this research was to develop the biological CO2 fixation technology as well as the renewabl biofuels-producing technology from the microalgae Botryococcus braunii. In this study, we carried out the development of in situ extraction process, removal process of nitrogen/phosphorus in piggery wastewater, and high performance photobioreactor. III. Scope of Research - Development of a high performance photobioreactor - Selection of the optimum solvent for in situ extraction - Isolation of domestic strains of the green microalgae - Development of the high cell- density cultivation technology - Development of the continuous hydrocarbon-producing system - Optimizing the continuous culture - Study on the design and commercialization of pilot process IV. Results - The isolation of domestic strains of the green microalgae - Domestic strains producing hydrocarbon were isolated. New strains was similar to B. braunii in the morphology of cell and charateristics of produced-hydrocarbon.. - Two- phase extraction - Two- phase extraction was performed with dihexyl ether in a viewpoint of recovery rather than algal growth. - Optimum operation conditions were the addition of 60 ml dihexyl ether at mid-growth phase in two phase column - The poor recovery (18 20%) of hydrocarbon from two-phase bubble column seems to be caused by insufficient mixing between two phases. - Two- stage cell- recycle extraction - Because dihexyl ether is expensive ($ 230/500 ml) and required more separation stages due to its higher boiling point (228 ) than octane (120 ), octane was selected as optimum solvent in two- stage cell- recycle extraction culture. - The recovery in two- stage cell-recycle extraction culture was two times higher than that in two-phase extraction culture. - When two- stage cell-recycle extraction was applied to downstream separation after batch culture, the hydrocarbon of over 60 % in the cell suspension was recovered for 6 h at 150 ml/mim of cell- recycle flow rate - Effects of initial N/P concentration on algal growth and hydrocarbon production - The algal growth and hydrocarbon production were intensely inhibited by nitrate-deficiency - Initial concentration of phosphate do not significantly affect the algal growth and production yield of hydrocarbon except P-deficient supply. - High cell density (> 7g dry biomss/L) was obtained by sufficient nitrate supply - Algal culture in piggery wastewater - Concentration of biomass and hydrocarbon reached 8.5 g/L and 0.95 g/L, during 12 d. - 2750 mg/L of nitrate could be removed by algal cultivation for 12 day. - Optimum dilution ratio for the removal of whole nitrate in piggery wastewater was 33 % (piggery wastewater : ground water = 1:2) - Development of a high performance photobioreactor - Anti- biofouling photobioreactor was developed in KIST, when B. Braunii was cultured in that, growth rate of it showed about 3 times higher than that of bubble column photobioreactor. - The more light intensity is to photoreactor in a range of 13 114 E/m2 s, the higher microalgae growth rate is. It showed that to design better photobioreactor, light must be transmitted efficiently to photoreactor. - In case of photobioreactor developed in KIST without bead, after 3 days culture time, biofouling occur rapidly in wall of the photobioreactor. With bead 5 (V/V), biofouling do not do in all experimental days. - In the event of wastewater after dewatering sludge used as a culture fluid, microalgae growth rate showed somewhat similar to Chu 13 used as a culture fluid. It can be new research field as re-usage of wastewater. - Continuous culture - The operation time of 2 L photo-bioreactior was more than 400 hours. - The recovery (about 23%) of hydrocarbon seem to be not influenced by dilution rate.
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