KR100977638B1 - 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법 - Google Patents

독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법에 관한 것으로, 배출가스 혼합체의 독성분(황, 일산화탄소 등)에 의해 사멸하지 않고 생존하면서 온실가스(이산화탄소, 메탄가스)를 섭취하는 수생식물을 선정하고, 선정된 수생식물에 배출가스 혼합체를 공급하여 수생식물이 온실가스를 흡수하도록 한 후, 효과적인 포식자를 투입하여 수생식물을 포식하도록 하여 궁극적으로 온실가스를 포식자의 체내에 포함함으로써 제거하고, 이 과정에서 대량으로 증가된 포식자를 바이오에너지로 전환시켜 온실가스를 제거함으로써 지구 온난화를 완화시키는데 기여하고, 탄소배출권의 확보를 위한 경제적 부담을 절감할 수 있고, 친환경 바이오에너지를 생산함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법은, 배출가스 혼합체의 독성분에 의해 사멸하지 않고 생존하면서 온실가스를 흡수하는 수생식물과 이를 잘 포식할 수 있는 포식자를 선정하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 선정된 수생식물을 배양함과 아울러 발전소, 제철소, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장 등을 포함하는 배출가스 혼합체 배출시설에서 폐기되는 배출가스 혼합체를 상기 수생식물에 공급하여 상기 수생식물이 상기 배출가스 혼합체 중 온실가스를 흡수하면서 배양되도록 하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 배양된 수생식물을 상기 제1단계에서 선정된 포식자에게 먹이로 공급하여 제거하게 하고 동시에 상기 포식자를 증가시키는 제3단계와; 그리고, 상기 제3단계에서 증가된 포식자를 수확하는 제4단계와; 포식자를 바이오에너지로 전환시키는 5단계를 포함하여 이루어진다.

Description

독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법{THE METHOD OF PRODUCING BIOENERGY FROM PREDATORS OF AQUATIC ALGAE AND PLANTS TAKING UP GLOBAL WARMING GASES}
본 발명은 수생식물과 포식자를 이용하여 배출가스 혼합체 중의 온실가스 제거와 바이오에너지 생산을 통합적으로 하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전소, 제철소, 공장, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택 등), 소각장 등에서 발생되는 배출가스 혼합체(온실가스(이산화탄소, 메탄가스), 독성분(황, 일산화탄소 등))의 독성분에 의해 사멸하지 않고 잘 생존하면서 배출가스 혼합체 중의 온실가스를 흡수하는 수생식물을 선택하고 이 선택된 수생식물에게 배출가스 혼합체를 공급하여 수생식물이 온실가스를 흡수, 제거하면서 생존하도록 하며, 선택된 수생식물의 포식에 효과적인 포식자를 투입하여 수생식물을 포식하도록 함으로써 궁극적으로 온실가스를 포식자의 체내에 포함하여, 온실가스를 제거함과 아울러 포식자를 통해 바이오에너지를 생산할 수 있도록 함으로써 지구 온난화를 완화시키는데 기여하며, 탄소배출권의 확보를 위한 경제적 부담을 절감할 수 있고, 친환경 바이오에너지를 생산할 수 있는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법에 관한 것이다.
온실가스로 작용하는 여러 가지 물질이 알려져 있으나, 지구 온난화에 따른 기후 변화의 억제를 위한 국제협약인 기후변화협약의 실제적인 이행을 위하여 1997년 일본의 교토에서 개최된 제3차 당사국 총회에서 교토의정서가 채택됨에 따라 우선적으로 감출하여야할 대상으로 이산화탄소를 포함한 여섯 가지 물질(이산화탄소, 메탄, 아산화질소(N2O), 불화탄소(PFC), 수소화불화탄소(HFC) 및 불화유황(SF6))이 정해졌다.
그 중에서도, 온실가스로 분류되고 있는 이산화탄소와 메탄가스는 유기성 폐기물을 매립, 소화하는 과정에서 이산화탄소가 40~50%, 메탄가스가 50~60% 비율로 발생되고 있으며, 에너지로 이용 가능한 메탄가스의 수율이 비교적 낮은 상태이다. 이산화탄소의 발생을 최소화(10~20%)하면서 메탄의 수율을 극대화(80~90%)시킬 경우, 온난화가스 감축에 획기적인 기여와 동시에 에너지원의 회수원이라는 양면의 문제를 해결하는 것이 가능할 것으로 기대되고 있다.
이산화탄소를 포함하고 있는 온실가스의 처리공정은 크게 분리회수와 고정화로 분류되며 고정화에는 화학적 고정화(chemical fixation), 전기화학적 방법 및 생물학적 고정화(biological fixation) 방법 등이 있다.
본 발명은 생물학적 고정화방법에 관한 것이므로 이에 대해서만 구체적으로 설명한다.
생물학적 고정화법은 적합한 수생식물(미세조류, 해조류, 해초 등)을 사용하여 이산화탄소 배출원으로부터 직접 고정화가 가능하여 공정의 단순화를 이룰 수 있다. 또 생성되는 바이오매스를 사료화하거나, 미생물 내의 특정한 화학물질을 추출하는 등에 의해 산업적으로 이용할 수 있다. 현재 생물학적 방법에 의한 이산화탄소 고정화 공정을 실용화하기 위한 연구가 주요 선진국에서 진행되고 있지만, 산업체에서 배출되는 이산화탄소를 고정화할 수 있는 반응기의 설계와 그에 따른 운전조건을 찾기는 대단히 어려우며 세계적으로 산업체에서 배출되는 이산화탄소를 생물학적 방법으로 고정화하는 공정을 실용화한 예는 보고된 바 없다. 다만 일본의 몇몇 전력회사를 중심으로 벤치 규모의 이산화탄소 고정화 공정의 운전이 보고되었을 뿐이다.
종래 이산화탄소를 수생식물에 공급하여 처리하는 기술은, 발전소, 제철소, 공장 등지에서 폐기되는 이산화탄소를 수생식물(식물 플랑크톤, 미세조류, 해조류 등)에 공급하는 것일 뿐이기 때문에 이론적으로는 이산화탄소를 제거할 수 있겠지만, 현실적으로 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 배출가스 혼합체는 온실가스 뿐만 아니라 독성분이 강한 황, 일산화탄소 등이 포함되어 있기 때문에 모든 수생식물이 온실가스를 섭취하고 성장할 수 없다. 왜냐하면 배출가스 혼합체의 독성분(황, 일산화탄소 등)에 의해 수생식물이 사멸하기 때문이다. 따라서, 배출가스 혼합체의 온실가스를 제거하기 위해서는 배출가스의 독성분에 강한 수생식물을 사용하여야 하지만, 현재는 수생식물이 온실가스를 섭취한다는 원론만 알고 있을 뿐 독성분에 강한 수생식물을 알지 못하여 수생식물을 이용하여 온실가스를 제거하는 것이 실현되지 못하고 있다.
(2) 수생식물의 대량 배양시 특히 미세 조류, 식물 플랑크톤의 사체(일명 물때)가 배양용기에 달라붙어 배양생물의 질을 떨어뜨리고, 투명한 배양용기를 불투명하게 만들어 수생식물의 광합성을 방해함으로써 비용을 많이 들게 한다.
(3) 또한, 수생식물의 배양용기나 담수지 등에는 각종 세균이 수생식물과 함께 서식하고 있는데, 이러한 세균의 번식을 막을 방안이 없어 수생식물의 수확율이 떨어지고 수생식물의 질이 낮다.
(4) 이산화탄소를 섭취한 수생식물을 수확해야 이산화탄소가 제거되므로 배양용기에서 수생식물을 수확하여야 하는데, 수생식물 중 미세조류, 식물 플랑크톤은 크기가 약 5-40μm로 매우 작기 때문에 배양용기에서 미세조류, 식물 플랑크톤만을 여과하여 수확하는 것이 어렵다. 그렇다고, 수생식물을 배양용기에서 계속 배양할 수만은 없다. 왜냐하면, 이산화탄소를 흡수한 수생식물은 상태가 나빠지거나 사멸할 경우 이산화탄소가 다시 배양용액 속으로 방출되어 이산화탄소 제거 효과가 없어지기 때문이다.
(5) 배양액의 단가가 높아 수생식물을 배양하는데 비용이 많이 든다.
이러한 문제점들은 지금까지도 해결하기 어려운 난제로 남아 있다.
한편, 최근 급증하는 유가로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히 신재생에너지 중 바이오에너지는 지구 온난화의 주범인 화석연료의 대체에너지로 주목받고 있다. 바이오에너지 중 식물에서 추출하는 바이오에너지 기술은 온실가스를 흡수하여 에너지로 전환시킨다는 관점에서 이산화탄소(CO2)저감과 에너지확보라는 두 가지 문제를 한꺼번에 해결 할 수 있는 효과적인 방안으로 개발되어 왔다.
우리나라와 같은 에너지 의존국은 대체에너지 개발이 시급한 현황에서 바이오에너지의 중요성은 더욱 높아지고 있다.
이와 같이 이산화탄소의 배출로 인한 환경오염, 탄소배출권 비용 등을 해결하기 위하여 이산화탄소를 대기 중에 배출하지 않고 수생식물에 공급하는 기술이 제안되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전소, 제철소, 공장, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장 등에서 발생되는 배출가스 혼합체(온실가스(이산화탄소, 메탄가스), 독성분(황, 일산화탄소 등))의 독성분에 의해 사멸되지 않고 생존하면서 온실가스를 흡수하는 수생식물을 선정하여, 수생식물이 배출가스 혼합체의 온실가스를 흡수토록 함으로써 온실가스의 제거를 현실화하고, 온실가스를 섭취한 수생식물을 포식자의 먹이로 공급하여 포식자로부터 바이오에너지를 획득함으로써 지구 온난화를 완화시키는데 기여하며 탄소배출권의 확보를 위한 경제적 부담을 절감할 수 있고, 친환경 바이오에너지를 생산할 수 있는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 배출가스 혼합체를 공급하여 수생식물을 배양할 때 수생식물의 배양용기가 수생식물의 사체로 인하여 영향을 받지 않도록 하려는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 궁극적으로 온실가스를 섭취하고 성장한 수생생물을 용이하게 수확하도록 하려는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수생식물의 배양시 세균의 번식을 억제하여 수생 식물의 배양에 적합한 환경으로 조성하려는데 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법은, 배출가스 혼합체의 독성분(황, 일산화탄소 등)에 강하여 사멸하지 않고 생존하면서 온실가스(이산화탄소, 메탄가스)를 흡수하는 수생식물과 이를 잘 포식할 수 있는 포식자를 선정하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 선정된 수생식물을 배양함과 아울러 발전소, 제철소, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장을 포함한 배출가스 혼합체 배출시설에서 폐기되는 배출가스 혼합체를 상기 수생식물에 공급하여 상기 수생식물이 온실가스를 흡수하도록 하여 수생식물을 배양하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 배양된 수생식물을 상기 제1단계에서 선정된 포식자에게 먹이로 공급하여 제거하게 하고 동시에 상기 포식자를 증가시키는 제3단계와; 그리고, 상기 제3단계에서 증가된 포식자를 수확하는 제4단계와; 포식자를 바이오에너지로 전환시키는 5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법에 의하면, 배출가스 혼합체의 독성분(황, 일산화탄소 등)에 의해 사멸하지 않고 잘 생존하면서 온실가스를 흡수하는 수생식물을 선정함으로써 배출가스 혼합체의 제거가 현실적으로 가능해짐과 아울러 수생식물의 성장이 활성화되어 온실가스의 흡수율을 높임으로써 이산화탄소 등의 온실가스의 제거 효율을 높일 수 있는 한편 온실가스의 대기 배출량을 줄여 온난화 방지에 큰 도움을 줄 수 있으며, 결과적으로 온실가스의 배출을 위한 탄소배출권 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 독성분이 강한 배출가스 혼합체를 수생식물에 공급하여 온실가스를 제거하는 단순한 기능 이외에 수생식물의 활용방안으로 수생식물을 포식자의 먹이로 공급함으로써 수생식물로 인한 2차 오염 등을 방지할 수 있다.
나아가서는, 수생식물을 섭취한 포식자의 지방성을 이용하여 바이오 에너지를 제조할 수 있는 바이오매스로 제공함으로써 바이오 에너지의 제조원가를 절감할 수 있고, 포식자가 수생식물을 포식하면서 하루에 2-3번씩 분열하여 단기간 내에 대량의 바이오매스를 수확할 수 있으므로 바이오 에너지의 원료 공급이 원활하여 제조단가를 낮출 수 있다.
또한, 고지방성 포식자를 여과하여 수확한 뒤 남은 물은 영양염류가 풍부하므로 수생식물(해초류, 미세조류, 식물 플랑크톤 등)의 배양수로 다시 순환(recycling)시켜 이용함으로써 수생식물의 배양을 위한 비용을 대폭 낮출 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지금까지 해결하지 못한 수생식물을 이용한 이산화탄소의 바이오 에너지화 기술의 치명적인 문제점을 해결하고 대량의 바이오매스를 얻어 에너지화 할 수 있는 새로운 개념의 발명인 것이다.
도 1은 A. carterae (파랑색 원)와 R. salina (빨강색 원) 간의 이산화탄소 흡수속도 비교 그래프.
도 2는 Amphidinium carterae의 이산화탄소 흡수 능력을 보인 그래프.
도 3은 표면적에 따른 Amphidinium carterae의 이산화탄소 흡수속도 변화를 보인 그래프.
도 4는 Amphidinium carterae를 먹이로 공급하여 Oxyrrhis marina를 배양하였을 때 Oxyrrhis marina의 성장률을 보인 그래프.
도 5는 Amphidinium carterae를 먹이로 하였을 때, Oxyrrhis marina의 섭식률을 보인 그래프.
본 발명에 의한 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법은 다음과 같다.
(S10) 수생식물 선정.
발전소, 제철소, 공장, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장 등의 배출가스 혼합체 배출시설에서 발생되는 배기가스 혼합체를 투입했을 경우 배출가스 혼합체 중의 독성분(황, 일산화탄소 등)에 강하여 사멸하지 않고 배출가스 혼합체 중의 온실가스(이산화탄소, 메탄가스)를 잘 흡수하고 성장하는 수생식물을 선정한다.
수생식물로는 와편모류(Amphidinium carterae, Prorocentrum minimum 등), 편모류(Heterosigma akashiwo, Chattonella spp., Rhodomonas salina , Isochrysis spp., cryptophytes 등), 규조류 (Skeletonema costatum , Chaetoceros curvisetus , Chaetoceros debilis , Chaetoceros didymus , Chaetoceros socialis , Ditylum brightwellii, Hemiaulus sinensis , Leptocylindrus danicus , Odontella aurita , Thalassiosira nordenskioeldii Chaetoceros spp. 등), 남조류 (Synechococcus spp., Anabaena spp., Microcystis spp. 등), 대형해조류(미역, 다시마, 김, 파래, 우뭇가사리), 해초가 선정될 수 있다.
배출가스 혼합체 배출시설로는 발전소, 제철소, 공장, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택 등), 소각장 등이 있으며, 각각의 배출원에 따라 배출가스 혼합체의 독성분의 특성이 다르기 때문에 수생식물의 선정이 달라질 수 있다.
본 발명에서는 일 예로서 다양한 배출가스 혼합체 중 엔진에서 배출되는 배기가스 혼합체의 독성분에 강하여 사멸하지 않고 온실가스를 흡수하면서 생존하는 수생식물로, 와편모류(Amphidinium carterae, Prorocentrum minimum ), 규조류(Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus, Chaetoceros debilis, Chaetoceros didymus, Chaetoceros socialis, Ditylum brightwellii, Hemiaulus sinensis, Leptocylindrus danicus, Odontella aurita)를 선정하였다.
(S20) 포식자 선정.
포식자는 수생식물 특히 온실가스를 섭취한 수생식물을 왕성하게 포식하는 종이 선정된다.
또한, 수생식물을 섭취한 포식자의 활용측면에서 볼 때, 포식자의 동물성 지방을 이용하여 바이오 에너지(바이오 디젤, 바이오 에탄올)를 제조할 수 있도록 지방 성분이 많이 함유된 포식자가 선정될 수 있다.
고지방성의 포식자로 원생동물 (섬모충류, 편모류) 및 후생동물 (갑각류, 윤충류, 저서동물 등)의 성체와 알, 유생이 선정될 수 있다.
수생식물이 와편모류와 편모류인 경우에는 포식자로서 원생동물인 Oxyrrhis marina, Gyrodinium spp., Gymnodinium spp., Polykrikos spp., Protoperidinium spp., Pfiesteria spp., Stoeckeria spp., Luciella spp., tintinnids, naked ciliate 등을, 규조류의 경우 포식자로서 원생동물인 Protoperidinium spp., Gyrodinium spp. 등을, 남조류의 경우 포식자로서 원생동물인 Oxyrrhis marina, Gyrodinium spp., rotifer 등을, 대형해조류(미역, 다시마, 김, 파래, 우뭇가사리)와 해초의 경우 포식자로서 Amphipoda 등을 이용한다.
(S30) 수생식물 배양 및 온실가스 흡수.
(S10) 수생식물 선정 단계에서 선정된 수생식물을 배양조에 넣고 배양한다. 상기 배양조는 회처리장, 호수 등의 담수지, 제한된 바다(만, 하구, 연안 등), 수조, 물탱크, 밀폐형 배양용기 등이 사용 가능하다. 수생식물의 배양시 수생식물의 광합성을 활발하게 유도하기 위하여 상기 배양조에 배출가스 혼합체를 공급한다(S31). 상기 배양조에 공급되는 배출가스 혼합체는 발전소, 제철소, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장 등의 배출가스 혼합체 배출시설에서 배출되는 것을 이용한다.
아울러, 수생식물의 성장을 돕기 위하여 영양소를 공급한다(S32). 또한 멸균수를 이용한다.
수생식물은 배출가스 혼합체 중의 온실가스와 물로부터 유기물을 합성하여 배양된다.
온실가스를 섭취한 수생식물은 포식자의 먹이로 공급된다.
수생식물은 배출가스 혼합체의 독성분에 의해 사멸하지 않으면서 온실가스를 흡수하는 것으로 선정되었기 때문에 활발하게 성장 및 배양된다.
(S40) 포식시스템 내에서 포식자의 수생식물 포식 및 포식자 증가.
(S20) 포식자 선정 단계에서 선정된 포식자를 이용하여 수생식물을 포식하게 하며 개체수를 증가하도록 한다.
본 발명은 수생식물을 잘 포식하는 포식자를 수생식물이 들어있는 포식시스템에 넣어주어 수생식물을 제거함으로서 결국 온실가스가 포식자 몸 안에 고정되도록 하는 것이다. 포식자가 수생식물을 포식할 때 온실가스가 다시 나올 수 있으므로 포식시스템에 덮개를 닫아준다.
이 과정을 자세히 설명하자면 상기 (S30) 수생식물 배양 단계를 통해 수생식물을 배양하고, 이 수생식물을 상기 (S10) 포식자 선정 단계에서 선정된 포식자의 먹이로 공급한다.
수생식물을 포식자에게 공급하는 방법으로는 상기 수생식물의 배양조에서 수생식물을 수확하여 포식시스템 내 포식자에 공급하거나 포식자를 상기 수생식물의 배양조에 공급할 수 있다.
포식자는 수생식물을 포식하여 성장한다. 이러는 과정에서 수생식물은 온실가스를 지속적으로 공급받아 배양되어 포식자의 먹이가 부족한 상황은 일어나지 않는다.
포식자는 수생식물을 포식하면서 상기 수생식물의 배양조에 있는 세균도 함께 포식하기 때문에 상기 수생식물의 배양조의 환경을 청정하게 유지할 수 있으므로 수생식물의 배양 환경이 개선되어 양질의 수생식물을 수확할 수 있다.
또한, 포식자는 수생식물을 왕성하게 포식하여 하루에 2 내지 3회로 분열하여 포식자의 양이 많아질 것이고, 따라서, 수생식물의 포식량이 많아질 것이므로 결과적으로 이산화탄소의 제거율이 높아질 것이다.
(S50) 포식자 수확.
상기 (S40) 포식시스템 내에서 수생식물을 포식한 후 증가된 포식자를 수확한다. 포식자는 다공성 여과망을 통해서도 충분히 선별 수확이 가능하다. 왜냐하면, 수생식물 중 미세조류나 식물 플랑크톤은 크기가 매우 작아 여과망을 사용할 경우 선별율이 매우 낮지만 포식자는 크기가 여과망을 통해 선별될 수 있는 크기이기 때문이다.
(S41) 멸균수 공급.
(S50) 포식자 수확 단계는 포식시스템에서 포식자를 선별하는 것이며, 따라서, 포식자가 선별되면 영양염류가 함유된 잔여수가 선별되고, 이 잔여수를 재사용하기 위하여 멸균한다.
멸균수는 (S30) 수생식물 배양 단계에서 배양되는 수생식물의 배양조에 재공급되어 재사용된다.
이상의 공정을 통해 발전소, 제철소, 엔진, 보일러(지역난방, 공동주택), 소각장 등의 배출가스 혼합체 배출시설에서 폐기되며 온실가스와 독성분을 갖는 배출가스 혼합체에서 온실가스를 제거할 수 있다.
한편, 수생식물을 포식한 포식자는 바이오 에너지(바이오 디젤, 바이오 에탄올)의 제조를 위한 바이오매스로 활용될 수 있다. 이를 위해서 상기 (S10) 포식자 선정 단계에서는 바이오 에너지의 제조를 위해 적합한 고지방성의 포식자를 선정하고, 상기 (S20) 수생식물 선정 단계에서는 상기 (S10) 포식자 선정 단계에서 선정된 고지방성의 포식자가 왕성하게 포식하는 수생식물을 선정한다.
이상의 공정을 통해 수확한 포식자 특히 고지방성 포식자를 이용하여 바이오 에너지의 하나인 바이오 디젤을 추출하는 방법은 다음과 같다.
(1) 예를 들어,연속원심분리기를 이용하여 포식자(원생동물)를 수확한다.
(2) 수확한 포식자를 -90 내지 -70℃, 바람직하게 -80℃에서 급냉후 동결건조기를 이용하여 건조한다.
(3) 건조된 포식자 생물에 용매인 메틸 아세테이트(Methyl Acetate)를 이용하여 세포내 성분을 추출한다.
(4) 추출된 성분을 헥산(Hexane)과 85% 메탄올(Methanol)을 1:1로 섞은 혼합액과 섞어서 당류(starch)와 지방류(Fatty acid)를 분리한다.
(5) 위의 용액에서 헥산(Hexane)에 녹아있는 지방류 중 트리글리세라이드(Triglyceride)를 예를 들어, 고성능액체크로마토그래프(HPLC)에 의해 분리한다.
(6) 분리된 트리글리세라이드(Triglyceride)를 에스터교환
(Transesterification) 과정을 통하여 바이오디젤로 변환한다.
<실시예>
1. 수생식물에 의한 온실가스 흡수
1) 최적 수생식물 선정
배출가스 혼합체의 독성분에 강하여 사멸하지 않으면서 이산화탄소 등의 온실가스의 흡수율이 높은 수생식물을 선정하기 위하여 화석연료[석탄, 석유 - 휘발유와 경유, 천연가스(LNG)]를 연소하는 과정에서 발생하는 배출가스 혼합체(연소가스)를 예를 들어 과포화상태로 녹인 배양액에 폭기하는 방식으로 공급하여 수생식물을 배양한 후, 연소가스가 많이 녹아있는 배양액에서도 잘 생존하는 종을 선정하였다.
와편모류(Amphidinium carterae, Prorocentrum minimum , Heterocapsa triquetra), 편모류(Heterosigma akashiwo, Rhodomonas salina), 규조류 (Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus) 등을 연소가스가 녹아있는 배양액에 접종하여 온도가 20℃이고 광:암주기가 14:10이며 광도가 3000Lux인 배양기에서 5일간 배양하면서 생존여부와 성장률 및 세포변이 등을 관찰하였고, 그 결과를 표1에 나타내었다.
<표1> 연소가스가 녹아있는 배양액에서 수생식물의 생존여부 및 반응
○: 생존율 우수, △: 생존율 미흡, X: 사멸
Figure 112010010093132-pat00001

실험을 실시한 수생식물들 중 와편모류인 Amphidinium carterae 등과 규조류인 Skeletonema costatum 등이 일반 배양액에서 키웠을 때의 70%의 성장률을 나타내었다. 그러나 Amphidinium carterae는 7일 이상 지났을 때 일반 배양액과 연소가스가 녹아있는 배양액에서 성장의 차이를 보이지 않은 반면, Skeletonema costatum은 실험 과정에서 세포의 변형이나 손상이 많이 나타나기 때문에 7일 이상 지나게 되면 이를 극복하지 못하고 성장의 차이가 더 많이 나타났다. 따라서 가장 우수한 온실가스 흡수용 수생식물로 Amphidinium carterae를 선정하였다.
2) 수생식물 종간 이산화탄소 흡수율 비교
와편모조류 중 연소가스에 노출되었을 때 평상시의 70% 성장률을 나타낸 Amphidinium carterae와 60%를 나타낸 Rhodomonas salina의 이산화탄소 흡수율을 비교하는 실험을 실시하였다. 20L 용량의 Carboy에 21×05 cells/ml 의 Amphidinium carterae와 Rhodomonas salina 배양액을 각각 7L씩 넣고 휴대용 발전기(휘발유 사용)에서 배출되는 연소가스를 투여하여 Carboy 안의 이산화탄소 농도를 약 4800ppm에 맞추고 밀봉하여 몇시간 만에 이산화탄소가 모두 제거되는지를 관찰하였다.
그 결과 Amphidinium carterae가 Rhodomonas salina보다 2배 이상 빠르게 이산화탄소를 제거하는 것으로 나타났다(도 1).
(3) 선정된 수생식물 Amphidinium carterae의 온실가스 흡수능력
선정된 수생식물인 Amphidinium carterae는 20시간만에 이산화탄소를 모두 흡수한 반면, Rhodomonas salina는 이산화탄소를 모두 제거하는데 50시간 이상이 소요되었다. 이로써 Amphidinium carterae이 실험한 이산화탄소 저감용 수생식물 중 가장 적합한 것으로 나타났다.(도 2)
수생식물을 이용한 이산화탄소 저감용 배양조를 설계 또는 선택할 때 이산화탄소 흡수효율이 가장 높은 배양조를 적용하기 위하여 연소가스 노출면적과 이산화탄소 흡수속도에 관한 실험을 실시하였다. 실험에서 사용된 20L PC Carboy는 세로로 세워놓는 Vertical Type이고 원통형으로, 지름이 약 25cm 이다. 이 용기에 배양액을 채워놓으면 배양액의 표층과 대기가 맞닿는 부분의 면적은 약 530㎠가 된다. 그러나 이 용기를 눕혀 놓을 경우 Carboy의 높이가 약 37cm 이므로 배양액의 표층과 대기가 맞닿는 부분의 면적이 약 925㎠가 된다. 거의 2배의 표면적의 차이가 생기게 된다. 이러한 조건을 이용하여 배기가스가 노출되는 면적과 이산화탄소 흡수율간의 관계를 알아보기 위하여 Amphidinium carterae의 농도가 2×105 cells/ml이 되도록 배양한 후 용량이 20L인 PC Carboy에 7L씩 넣은 후 휴대용 발전기(휴발유 사용)를 가동시 발생되는 연소가스를 이산화탄소의 농도가 4500ppm이 될 때까지 Carboy안에 주입한 후 밀봉하여 하나는 그대로 세워놓아 표면적이 530㎠가 되게 하고, 하나는 세워놓아 표면적이 925㎠가 되게 하였고, TSI 7535 이산화탄소 가스농도 측정장치를 이용하여 이산화탄소의 농도변화를 관찰하였다. Amphidinium carterae가 들어있지 않은 배양액만을 넣은 Carboy는 대조구로 사용하였다.
실험결과 도 3과 같이 눕혀 놓아서 표면적이 더 넓은 실험군에서 이산화탄소가 더 빠르게 제거되는 것으로 나타났다. 눕혀 놓은 Carboy에서 4500ppm의 이산화탄소가 모두 제거되는데 약 24시간이 소요되었고, 세워놓았을 경우 약 45시간이 소요되었다.
4) 수생식물을 이용한 이산화탄소 제거효과
Amphidinium carterae는 세포의 크기가 평균 9.7㎛이고 하루 평균 약 0.005 μmol의 이산화탄소를 고정하는 것으로 알려져 있다. Amphidinium carterae를 2×05 cells/ml 농도가 되도록 배양한 것을 사용하고, Amphidinium carterae은 하루 1-3회 분열하기 때문에 평균 2회 분열하는 것으로 계산하면 하루 동안 세포의 수가 3배 증가하게 될 경우, 아래와 같이 계산할 수 있다. (5톤 규모의 배양조 사용시)
0.005 μmol C/cell/d x (200,000 cells/ml) x (106 ml/t) x 3 (1.5회 분열, 3배
증가) × 44(CO2의 분자량)
= 132 kg CO2/t/d x 5 m3 = 0.66 ton CO2/5m3/d x 356d/yr
= 240.9 ton CO2/5m3/yr
즉, Amphidinium carterae를 5톤 수조에 배양하여 이산화탄소를 제거할 경우, 연간 241톤 가량의 이산화탄소가 제거되고, 이는 탄소배출권이 톤당 20불이라고 가정하였을 경우, 약 4800불에 해당하는 비용을 절감하는 것이다.
이러한 수치는 산림 1ha당 이산화탄소 연간흡수율이 7.3톤이므로 33ha, 즉 약 10평의 산림을 새로 조성하는 것과 같은 효과를 볼 수 있는 것이다. 그리고 기존 휘발유 자동차를 대표적인 저공해 친환경자동차인 전기자동차로 교체하였을 경우 한 대당 연간 이산화탄소 저감량이 3톤임을 감안하면, 80대의 휘발유 자동차를 전기자동차로 교체한 효과와 같은 수치이다. Amphidinium carterae를 5톤 배양하는 연간 비용은 산림을 10만평 조성하는 비용과 휘발유 자동차 80대를 전기자동차로 교체하는 비용에 비하면 매우 미미하므로, 상당한 경제적 효과와 더불어 이산화탄소 저감을 누릴 수 있게 되는 것이다.
2. 포식자 선정 및 포식자 개체수 늘리기
1) 선정된 수생식물의 최적 포식자 선정
선정된 Amphidinium carterae의 포식자를 선정하기 위하여 전국의 23개 연안 정점(인천, 시화, 평택, 서산, 대천, 서천, 군산, 격포, 목포, 고흥, 광양, 여수, 진해, 마산, 통영, 부산, 울산, 포항, 울진, 삼척, 동해, 주문진, 속초) 계절별로 현장시료를 채취하여 현장에서 154㎛의 망목크기를 갖는 Nitex 망으로 걸러준 후 먹이로서 Amphidinium carterae을 8,000 cells/ml의 농도로 공급하여 주고, Rotating Wheel에서 0.9 rpm으로 회전시켜서 배양하였다. 이때 배양온도는 20℃이고, 광도는 1200Lux로 하였다. 2일 후 각 시료를 현미경으로 관찰하여 Amphidinium carterae를 먹고 자란 포식자를 isolation 하였다. 이렇게 하여 얻어진 포식자는 와편모류인 Oblea rotunda, Oxyrrhis marina, Gyrodinium dominans, Gyrodinium guttula, Pfiesteria piscicida, Luciella masanensis, Polykrikos kofoidii였다. 이 중 Amphidinium carterae를 가장 활발하게 섭식하고 빠른 성장률을 나타내는 종은 Oxyrrhis marina로 나타났다.
Oxyrrhis marina의 성장률은 먹이인 Amphidinium carterae의 농도가 1,200 cells/ml 이상에서 최대값을 나타내었다(도 4). 그러나 더 높은 농도에서는 차이를 나타내지 않았다.
Oxyrrhis marina는 Amphidinium carterae의 세포농도가 2,700 cells/ml까지는 섭식률이 빠르게 증가하였고, 그 이상의 농도에서는 속도는 느리지만 증가하는 경향을 보였다.(도 5참고)
Oxyrrhis marina 한 마리는 하루에 최대 30개체의 Amphidinium carterae를 섭식하고, 최대성장율은 1.16/d로 나타났다. 즉, 하루 1.7번 분열하는 것으로 3일 동안 5번 분열하여 3일이 지나면 한 마리가 32마리가 되는 것이다. 또한 Oxyrrhis marina는 수생식물 뿐만 아니라 종속영양성 미세편모류와 세균뿐 아니라 입자성 유기물질을 잘 섭식하기 때문에 거의 오염이 되지 않는 장점이 있고, 배양이 매우 용이하다.
그러므로 단기간에 대량으로 바이오에너지로 전환할 수 있는 바이오매스를 수확할 수 있으므로 바이오 에너지의 원료 공급이 원활하여 제조단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
3. 포식자 수확
본 실험에서는 Oxyrrhis marina의 수확효율을 높이기 위하여 실험실내에서 연속원심분리기를 5000rpm으로 가동하여 수확하였다. 이렇게 수확된 Oxyrrhis marina는 연분홍색을 띄었다. 수확한 바이오매스는 동결건조하여 바이오에너지 제조를 위한 실험에 사용하였다.
본 실시예에서는 수확효율과 기초실험자료를 위하여 연속원심분리기를 이용하였으나, 실제 시스템에서는 저렴한 단가로 수확이 가능한 다공성 여과망을 이용하거나, 유리섬유여과지를 이용하여 수확하는 것도 가능할 것이다.
총 3Ton이 들어가는 수조에 600 cells/ml의 농도로 Oxyrrhis marina를 1Ton 넣어주고, 7,000 cells/ml의 Amphidinium carterae를 먹이로 공급하여 3일 동안 배양하면(하루 330L 씩 3일간 공급시 약 1Ton), Oxyrrhis marina 한 마리가 하루에 20-25마리의 Amphidinium carterae를 섭식하고 3일간 5회 분열하여 3일이 지나면 10,000cells/ml의 Oxyrrhis marina가 2Ton이 만들어 진다. 이를 연속원심분리기를 이용하여 수확하면 습중량으로 약 100g을 수확할 수 있다. 이것을 동결건조기를 이용하여 건조, 수분을 제거하면 건중량이 50-60g 이 된다. 이를 이용하여 바이오디젤을 추출하였다.
4. 바이오에너지 제조
건조된 Oxyrrhis marina에 (건조중량 20g일 경우) 용매인 메틸 아세테이트(Methyl Acetate)(약 200ml)를 이용하여 세포내 성분을 추출하고, 추출하고 남은 덩어리(pellet)를 헥산(Hexane)과 85% 메탄올(Methanol) 혼합액(각각 100ml 혼합) 약 200ml에 섞어 추출하는 방법으로 당류(starch)와 지방류(Fatty acid)를 분리하였다.
상기 혼합액에 녹아있는 지방류 중 트리글리세라이드(Triglyceride)를 고성능액체크로마토그래프(HPLC)에 의해 분리한 후, 분리된 트리글리세라이드(Triglyceride)를 에스터교환(Transesterification) 과정을 통하여 바이오디젤로 전환하였다. 본 실험을 통해 건조된 중량 50g의 Oxyrrhis marina에서 만들어지는 바이오디젤의 양은 약 4-5ml로 Oxyrrhis marina 의 8-10%가 바이오디젤로 전환되는 것을 확인하였다.
5. 실시예를 토대로 계산한 연간 이익
5 Ton 규모의 Tank에 2×105 cells/ml 농도의 Amphidinium carterae를 배양하여 하루동안 0.66Ton의 이산화탄소를 고정하고, 이 중 2.5Ton의 배양액을 600 cells/ml의 Oxyrrhis marina가 들어있는 32.5Ton의 Tank에 먹이로 공급하여 3일간 공급하여 포식자를 배양한 후 수확하면, 35Ton의 배양액에서 건중량으로 약 900g의 바이오메스를 수확할 수 있고, 이를 이용하여 바이오디젤을 추출하면, 약 80ml의 바이오디젤을 얻을 수 있다.
즉 3일 동안, 2Ton의 이산화탄소를 고정하고, 고정된 이산화탄소가 80ml의 바이오디젤로 전환되는 셈이다. 연간으로는 250Ton의 이산화탄소가 고정되고, 29L의 바이오디젤을 얻는 것이다.
본 계산은 실시예의 실험 자료를 바탕으로 계산한 것으로, Oxyrrhis marina가 최대 6×106 cells/ml의 농도까지 성장할 수 있기 때문에, Oxyrrhis marina의 성장밀도를 최대한으로 높힐 경우 연간 17,500L의 바이오디젤 생산이 가능해 진다.
또한 이러한 시스템은 산업화를 통하여 대형화 된다면 큰 수익과 환경적인 이익을 함께 얻을 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 발전소, 제철소, 엔진, 보일러, 그리고 소각장을 포함하는 배출가스 혼합체 배출시설에서 배출되며 독성분과 온실가스가 포함된 배출가스 혼합체의 독성분에 의해 사멸하지 않고 생존하면서 온실가스를 흡수하는 수생식물을 선정하고, 상기 선정된 수생식물을 포식하는 포식자를 선정하는 제1단계와;
    상기 제1단계에서 선정된 수생식물에 배출가스 혼합체를 공급하여 상기 수생식물이 상기 배출가스 혼합체의 온실가스를 섭취토록 함으로써 상기 온실가스를 제거 및 수생식물을 배양하는 제2단계와;
    상기 제2단계에서 배양된 수생식물을 상기 제1단계에서 선정된 포식자에게 먹이로 공급하여 제거하게 하고 동시에 상기 포식자를 증가시키는 제3단계와;
    상기 제3단계에서 증가된 포식자를 수확하는 제4단계와; 그리고,
    상기 제4단계를 통해 수확한 포식자를 바이오 에너지로 전환하는 제5단계를 포함하고,
    상기 제1단계에서, 상기 수생식물은 Amphidinium carterae, Prorocentrum minimum 를 포함하는 와편모류, Heterosigma akashiwo, Chattonella spp., Rhodomonas salina, Isochrysis spp., cryptophytes 를 포함하는 편모류, Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus, Chaetoceros debilis, Chaetoceros didymus, Chaetoceros socialis, Ditylum brightwellii, Hemiaulus sinensis, Leptocylindrus danicus, Odontella aurita, Thalassiosira nordenskioeldii, Chaetoceros spp. 를 포함하는 규조류, 미역, 다시마, 김, 파래, 우뭇가사리를 포함하는 대형해조류, 해초 중 선택된 하나이며,
    상기 포식자는 Oxyrrhis marina, Gyrodinium spp., Gymnodinium spp., Polykrikos spp., Protoperidinium spp., Pfiesteria spp., Stoeckeria spp., Luciella spp., tintinnids, naked ciliate, rotifer 를 포함하는 원생동물 및 갑각류와 윤충류와 저서동물을 포함하는 후생동물의 성체와 알, 유생 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1단계에서는 상기 수생식물로 와편모류 중 Amphidinium carterae, Prorocentrum minimum , 규조류 중 Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus, Chaetoceros debilis, Chaetoceros didymus, Chaetoceros socialis, Ditylum brightwellii, Hemiaulus sinensis, Leptocylindrus danicus, Odontella aurita 를 선정하고,
    상기 제2단계에서는 상기 배출가스 혼합체 중 엔진에서 발생되는 배기가스를 상기 제1단계에서 선정된 수생식물에 공급하는 것을 특징으로 하는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제4단계를 통해 포식자가 선별된 잔여수를 멸균하여 이 멸균수를 상기 제2단계의 수생식물의 배양시 재공급하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제5단계는, 상기 제4단계에서 수확한 포식자를 -90 내지 -70℃로 급냉후 동결건조기를 이용하여 건조하는 제5-1단계, 상기 제5-1단계를 통해 건조된 포식자 생물에 용매인 메틸 아세테이트(Methyl Acetate)를 이용하여 세포내 성분을 추출하는 제5-2단계, 상기 제5-2단계에서 추출된 성분을 헥산(Hexane)과 85% 메탄올(Methanol)을 중량비로 1:1로 섞은 혼합액과 섞어서 당류(starch)와 지방류(Fatty acid)를 분리하는 제5-3단계, 상기 제5-3단계에서 상기 헥산(Hexane)에 녹아있는 지방류 중 트리글리세라이드(Triglyceride)를 고성능액체크로마토그래프(HPLC)에 의해 분리하는 제5-4단계 및 상기 제5-4단계를 통해 분리된 트리글리세라이드(Triglyceride)를 에스터교환(Transesterification) 과정을 통하여 바이오디젤로 전환시키는 제5-5단계로 이루어져, 상기 제4단계를 통해 수확한 포식자를 바이오에너지로 전환시키는 것을 특징으로 하는 독성분이 있는 배출가스 혼합체에 생존하면서 온실가스를 흡수한 수생식물의 포식자를 이용하는 온실가스 제거 및 바이오 에너지 제조 방법.
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WO2012141516A3 (ko) * 2011-04-13 2013-01-10 서울대학교산학협력단 선박의 평형수 탱크 유니트 및 이를 이용한 선박의 온실가스 처리방법

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