초록 ▼

종속 영양 미생물의 가장 큰 단점인 배양 시 기질의 공급으로 인한 경제성 감소를 극복하기 위해 버려지거나 저렴한 가격으로 공급이 용이한 다양한 저가기질에 대하여 배양을 시도했다. 대부분의 저가기질의 경우, 직접적 활용이 어렵기 때문에 다양한 전처리 기술을 개발,적용함으로써 배양 효율을 극대화 하였다. 먼저, 탄수화물 형태 중 자연계에서 가장 많이 존재하는 목질계 바이오매스를 질산으로 하여 최적화된 전처리 조건을 제시하는 동시에, 바이오에탄올-바이오디젤 동시 생산 방법을 제시하였다. 둘째로, 미세조류 기반 바이오디젤 생산법이 상용화됨

종속 영양 미생물의 가장 큰 단점인 배양 시 기질의 공급으로 인한 경제성 감소를 극복하기 위해 버려지거나 저렴한 가격으로 공급이 용이한 다양한 저가기질에 대하여 배양을 시도했다. 대부분의 저가기질의 경우, 직접적 활용이 어렵기 때문에 다양한 전처리 기술을 개발,적용함으로써 배양 효율을 극대화 하였다. 먼저, 탄수화물 형태 중 자연계에서 가장 많이 존재하는 목질계 바이오매스를 질산으로 하여 최적화된 전처리 조건을 제시하는 동시에, 바이오에탄올-바이오디젤 동시 생산 방법을 제시하였다. 둘째로, 미세조류 기반 바이오디젤 생산법이 상용화됨에 따라 발생하는 미세조류 잔사를 효모 기반 바이오디젤 생산에 재활용하는 연구를 진행하였다. 뿐만 아니라, 비식용 작물인 돼지감자을 미생물의 기질로 활용하는 실험을 수행하였고, 남은 잔여물을 Fenton 반응을 통한 HMF 생산함으로써 기질 활용성을 높였다. 마지막으로, MgO를 활용하여 축산폐수 내 존재하는 인을 회수하고 기질로 재활용하는 기술을 개발하였다.
배양된 미생물에서 바이오디젤을 생산하기 위해서는 수확, 추출 등의 후공정을 거쳐야하는데, 배양단계에서 개발된 다양한 전처리 기술을 후공정 단계에 활용함으로써, 경제성을 극대화하였다. 그 예로 물리적인 방법(Forward osmosis, Hydrodynamic cavitation)과 화학적 방법 ( organic-nanoclay, 질산), 등이 있다. Forward osmosis는 막을 미세조류 수확에 접목하여 별도의 에너지 주입없이 미세조류를 삽투압의 작용으로만 수확하는 기술이다. Organic-nanoclay의 경우 수확과 추출에 동시 활용이 가능하며 양이온의 조성 (Al, Ca, Mg) 에 따라 particle의 크기가 현저히 달라짐을 확인했다. 1단계에서 저가기질의 전처리에 활용되었던 Hydordynamic cavitation 공법은 지질 추출공정에도 효과적으로 쓰임을 확인했는데, 기존의 분리된 공정인 셀분해공정과 지질추출공정의 통합공정을 가능하게 만들었고, 짧은시간 에 고효율의 지질추출율을 보였다. 질산의 경우, 바이오디젤의 품질향상을 위해 클로로필과 불포화지방산을 선택적으로 산화시킬 수 있는 특성이 있었는데, 질산 또한 저가기질의 전처리와 동시에 추출에서 쓰일 수 있기 때문에 높은 활용 가능성을 보였다. 가치가 높은 질산을 경제적으로 얻기 위해 본 연구실에서는 연료전지 시스템을 이용하여 배가스에서 NOx를 포집, 질산을 전환하는 기술 또한 개발하였다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results
○ The optimal cultivation technologies of oleaginous yeast using low-cost substrates
- Bioethanol and biodiesel were both produced by pretreating lignocellulosic biomass with nitric acid. Laboratory’s pure species, Cryptococus sp., was used for biodiesel production with 1.04 g/L/day

Ⅳ. Results
○ The optimal cultivation technologies of oleaginous yeast using low-cost substrates
- Bioethanol and biodiesel were both produced by pretreating lignocellulosic biomass with nitric acid. Laboratory’s pure species, Cryptococus sp., was used for biodiesel production with 1.04 g/L/day of lipid production rate. Saccharomyces cerevisiae was also used for bioethanol production with 20 g/L/day of production rate
- Microalgae residue after lipid extraction was used as a substrate for oleaginous yeast. Extraction method using hydrothermal sulfuric acid has a benefit of relatively low toxicity, so by using the method, Cryptococcus sp. obtained 2.3g/L and 23% of lipid contents.
- Cultivation of Cryptococcus sp. using pretreated jerusalem artichoke with nitric acid showed 6.1 g/L and 28.5% of lipid contents, and this result is the much higher value comparing to using other chemical-based defined medium. Left-over residue was transferred into hydroxymethylfurfural (HMF) through Fenton reaction. The final harvest rate was 46%, which is quite similar to the present process.
- From livestock wastewater, phosphorus was collected by using MgO and used as the substrates for microbes. It showed the suitable lipid component with high lipis contents (35.5%)
○ High-concentration Microalgae Harvest Technology
- Forward osmosis is based on osmotic pressure and showed an effective microalgae harvest result without extra process.
- Organic nanoclay showed different harvest rates depending on the amount. With the case of Al-APTES, it resulted 100% harvest rate when the concentration was over 0.5g/L, which indicates the high potential for the application.
○ Development of Pretreatment Method for Lipid Extraction from Microalgae
- Nitric acid, produced from flue gas with electro-chemical method, is used for the pretreatment of low-cost substrates.
- This nitric acid was also applied effectively in lipid extraction. With the property of collectively oxidizing chlorophyll and unsaturated fatty acid, it showed much higher efficiency.
- Hydrodynamic cavitation was also applied in the pretreatment as a physical method and showed high effectiveness of lipid extraction. This technic includes both dell destruction and lipid extraction at the same time, which implies the high efficiency of lipid extraction in short period of time.
- Organic-nanoclay, used in harvest process, showed nigh efficiency in lipid extraction as well. This technic is proceeded in wet process, so time and the cost can be dramatically reduced.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 10
• 목차 ... 11
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 12
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 12
• 제2절 연구개발의 목표 ... 13
• 제2장 국내외 기술개발 현항 ... 13
• 제1절 국외 ... 13
• 제1절 국내 ... 15
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 17
• 제1절 저가 기질을 활용한 종속영양 고지질 함유 미생물 배양 기술 ... 17
• 1. 목질계 바이오매스를 활용한 바이오에탄올-바이오디젤 동시 생산 기술 ... 17
• 2. 바이오디젤 생산 후 남은 미세조류 잔사를 종속영양 미생물의 기질로 활용하는 기술 ... 19
• 3. 돼지감자를 활용한 바이오디젤 생산 기술과 잔사를 활용한 부가가치 산물 생산 기술 ... 20
• 4. 축산폐수 인 성분 분리 및 종속영양 미생물의 기질로 활용하는 기술 ... 23
• 제2절 미세조류 고농도 수확 기술 ... 26
• 1. Forward osmosis (FO) 공법을 이용한 미세조류 고농도 수확 ... 26
• 2. Organic-nanoclay를 이용한 미세조류 수확 기술 ... 29
• 제3절 미세조류 고농도 수확기술 ... 30
• 1. 전기화학 공법을 이용한 질산 생산 기술 ... 30
• 2. 질산 열수 추출 ... 32
• 3. Hydrodynamic cavitation 공법을 이용한 지질 추출 ... 34
• 4. Organic-nanoclay를 이용한 지질 추출 ... 36
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도(기대성과) ... 40
• 제1절 기술적 측면 ... 40
• 제2절 경제, 산업적 측면 ... 40
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 41
• 제1절 추가 연구의 필요성 ... 41
• 제2절 다른 연구에의 응용 및 기업화 추진방안 ... 41
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 42
• 제1절 고지질 함유 효모의 최적 배양 기술 ... 42
• 제2절 미세조류 기반 후공정 기술 개발 ... 43
• 제7장 연구시설.장비 현황 ... 46
• 참고문헌 ... 47
• 끝페이지 ... 48