KR101320483B1 - 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속 ｎ113 균주 및 이의 용도 - Google Patents

이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속 ｎ113 균주 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113(KCTC 11992BP) 균주와 상기 균주를 이용한 이산화탄소의 고정화방법, 상기 균주를 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법, 상기 방법으로 생산된 지질 및 상기 지질을 이용하여 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속 Ｎ113 균주 및 이의 용도{Chlorella sp. N113 having excellent carbon dioxide fixation ability and uses thereof}
본 발명은 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113(KCTC 11992BP) 균주와 상기 균주를 이용한 이산화탄소의 고정화방법, 상기 균주를 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법, 상기 방법으로 생산된 지질 및 상기 지질을 이용하여 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 경유 대체연료로 바이오디젤이 많은 관심을 받고 있다. 바이오디젤은 식물성 기름 또는 동물성 유지로부터 생산된 지방산의 메틸 또는 에틸 에스테르 화합물로 정의된다. 바이오디젤은 기존 경유에 비해 일산화탄소, 미세먼지, 탄화수소, 독성물질 등 대기 오염물질 배출을 크게 줄일 수 있다는 점에서 친환경 자동차 연료로 적합하다. 또한 바이오디젤의 연소에서 나오는 이산화탄소는 다시 식물의 광합성 기작에 의해 흡수, 고정되므로 이산화탄소의 순 배출이 거의 없어 이산화탄소 중립 연료(CO2-neutral fuel)로 큰 주목을 받고 있다.
그러나 현재 바이오디젤은 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 기름을 이용해 생산하고 있으며(1세대 바이오연료 기술), 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있다. 또한 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 개발되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이 우리나라는 바이오디젤의 원료(대두유) 대부분을 해외에서 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 크다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 기존 식용유 또는 팜유 대신 미세조류(Microalgae)를 바이오디젤의 원료로 활용하는 기술이 ‘차세대 바이오디젤 기술’로 큰 관심을 받고 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 지질(오일) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50~100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류는 CO2 흡수량이 목질계 바이오매스의 7배 이상이고, 또한 화력발전소, 시멘트 공장 등에서 배출되는 연소 배가스를 이용하여 성장할 수 있어 이산화탄소 저감에도 큰 기여를 할 수 있다는 장점이 있다.
미세조류 바이오디젤 생산기술은 이산화탄소 저감, 친환경 연료 개발, 새로운 녹색산업 창출 등 여러 장점을 지니고 있지만 기존 1세대 바이오연료 기술보다 아직 상대적으로 경제성이 떨어진다. 따라서 바이오디젤의 경제성을 확보하기 위해 우수한 미세조류 선별, 고농도 미세조류 배양, 미세조류 수확, 건조, 미세조류 지질 추출, 바이오디젤 전환 등 다양한 기술들이 연구되고 있다. 이들 기술 중 미세조류 바이오매스의 생산성이 전체 미세조류 바이오디젤 공정의 경제성을 결정하는 가장 중요한 인자이다. 미세조류의 바이오매스 생산성은 우수한 미세조류의 확보 및 고농도 이산화탄소를 이용한 고농도 배양기술에 크게 좌우된다.
산업체에서 배출되는 연소가스는 사용 연료에 따라 배출 가스 중에 함유된 이산화탄소 및 기타 성분의 함량이 달라진다. 예를 들면 LNG 연료 연소가스의 경우 10% 정도의 이산화탄소 농도, 유연탄을 연료로 사용하는 시멘트 가공업체의 경우 20% 정도의 이산화탄소 농도, 유연탄 화력발전소의 경우 15% 정도의 이산화탄소가 발생하는 것으로 알려져 있다. 특히 연료로 가장 많이 사용하는 유연탄 및 중유의 연소 배기가스는 미세조류의 생육활성을 저해하는 특정성분, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 등이 포함되어 있어 미세조류를 배양하여 산업체 배출가스로부터 직접 이산화탄소를 고정화하기가 쉽지 않다. 특히 SOx는 미세조류에 대해 치명적인 독성을 가지고 있어, SOx의 농도가 약 50 ppm이면 거의 모든 미세조류가 사멸하는 것으로 보고되고 있다.
한국특허등록 제0265034호에는 이산화탄소에 대한 내성이 우수하다고 알려진 특허균주 클로렐라 속(Chlorella sp.) KR-1(KCTC0426BP)이 개시되어 있으나, 본 발명의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주는 기존의 균주에 비해 이산화탄소 고정능이 우수하여 조류 바이오매스 생산 및 지질 생산에 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 미세조류 바이오디젤 생산공정의 경제성 제고를 위해 탄소원으로 연소 배가스의 활용이 가능하고, 기존의 미세조류에 비해 효과적으로 이산화탄소를 저감하며 지질 생산에도 유용하게 이용할 수 있는 미세조류를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주(기탁번호: KCTC 11992BP)를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 균주 내로 이산화탄소를 고정화하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정화방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 미세조류의 배양 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 균주를 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계; 및 상기 배양된 균주로부터 지질을 회수하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 생산된 지질을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르를 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113(기탁번호: KCTC 11992BP) 균주는 기존의 미세조류에 비해 이산화탄소 고정능이 우수하여, 석탄발전 연소 배가스뿐만 아니라 LNG, 시멘트 가공업체 등 대규모 이산화탄소 배출 산업계의 연소 배가스에 적용할 수 있어, 이산화탄소 저감과 함께 바이오연료(바이오디젤) 원료인 지질 생산에도 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균주 선별 과정의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 플라스크 배양 조건에서 클로렐라 속(Chlorella sp.) KR-1 및 분양 균주 46종의 균체 성장률을 비교한 것이다.
도 3은 석탄 배가스 배양조건에서 KR-1 및 N113 균주 등의 균체 성장률을 비교한 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주(기탁번호: KCTC 11992BP)를 제공한다.
본 발명의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113는 기존에 이산화탄소에 대한 내성이 우수하다고 알려진 특허균주인 클로렐라 속(Chlorella sp.) KR-1(KCTC 0426BP)에 비해 이산화탄소 배양조건에서 균체성장률이 우수하여 산업용 고온 배기가스로부터 이산화탄소 저감과 함께 바이오연료(바이오디젤)의 원료인 지질 생산에도 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은 또한, 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주 내로 석탄발전 배가스 내의 이산화탄소를 고정화하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정화방법을 제공한다. 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 CO2 12~15 중량%, CO 200 ppm, SOX 250 ppm, NOX 250 ppm 및 더스트(dust) 10 mg/m3를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 미세조류의 배양 방법을 제공한다.
본 발명의 미세조류의 배양방법에서, 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 CO2 12~15 중량%, CO 200 ppm, SOX 250 ppm, NOX 250 ppm 및 더스트(dust) 10 mg/m3를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계; 및 상기 배양된 균주로부터 지질을 회수하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명의 지질을 생산하는 방법에서, 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 CO2 12~15 중량%, CO 200 ppm, SOX 250 ppm, NOX 250 ppm 및 더스트(dust) 10 mg/m3를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 지질을 생산하는 방법에서, 상기 균주로부터 지질을 회수하는 방법은 균주에 화학적 또는 기계적인 힘을 가해 세포벽을 파괴하여 회수할 수 있고, 또는 헥산 등과 같은 유기 용매를 사용하여 지질을 회수할 수 있으나, 상기 균주로부터 지질을 회수하는 방법은 당업계에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 생산된 지질을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르를 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법을 제공한다. 여기서, 상기 트랜스에스테르화 과정은 바이오매스에 포함된 지방의 크고 가지를 낸 분자 구조를 정규 디젤 엔진이 요구하는 작고 직선 사슬의 분자로 변형시키는 방법을 말한다. 상기 트랜스에스테르화는 지질 성분에 산 또는 염기촉매를 첨가하여 반응시키는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1. 재료 및 방법
(1) 미세조류 균주 및 배양 배지
본 발명에 사용된 미세조류 균주는 한국생명공학연구원 미생물자원센터(Biological Resource Center)로부터 클로렐라(Chlorella sp.), 세네데스무스(Scenedesmus sp.), 난노클로리스(Nannochloris sp.) 등 46종의 일반 분양 미세조류(Korean Collection for Type Cultures, KCTC)와 특허균주인 클로렐라(Chlorella sp.) KR-1를 분양받아 사용하였다(표 1).
상기 미세조류는 2N NaOH에 의해 pH 6.5±0.1로 조정한 N8 배지에서 무균 조건하에 배양하였고, 상기 배지는 하기 성분들로 이루어진다.
KNO3(0.5055 g/L), KH2PO4(0.7400 g/L), Na2HPO4(0.2598 g/L), MgSO4·7H2O(0.0500 g/L), CaCl2(0.0132 g/L), FeNaEDTA(0.0100 g/L), ZnSO4·7H2O(0.0032 g/L), MnCl2·4H2O(0.0130 g/L), CuSO4(0.0117 g/L), Al2(SO4)3·18H2O(0.0070 g/L)
Figure 112011067468119-pat00001
(2) 석탄발전 연소 배가스 및 미세조류 옥외배양 시설
본 발명에서는 한국에너지기술연구원내 ‘연소배가스 R&D 실증설비’로부터 배출되는 석탄발전 연소배가스를 미세조류 배양에 이용하였다. 본 실증설비는 상용발전소의 1/100 규모로 구축됐으며, 발생하는 과열 수증기를 활용하여 2.1 MW의 전력을 생산할 수 있다. 본 설비는 순환유동층 연소시스템, 증기터빈 발전시스템, 집진 시스템, 탈질 시스템, 탈황 시스템, VOD(휘발성 유기화합물) 제거 시스템 등으로 구성되었다.
연소배가스 R&D 실증설비에 배출되는 석탄발전 배가스는 석탄발전 실증설비 배가스 굴뚝 중간 지점으로부터 oil-free scroll air compressor(SLPS-37B, Anest Iwata, Japan)로 이송하였고, 4 m3 규모 SS400 재질 압축탱크에 저장하여 사용하였다. 배가스 굴뚝 중간 지점에서 분석한 구성성분 및 농도는 CO2 15%, O2 6%, CO 200 ppm, SOX 250　ppm, NOX 250 ppm, Dust 10 mg/m3, N2는 평균 수준이었다. 미세조류 옥외 배양시설(유리온실)은 한국에너지기술연구원 ‘연소배가스 R&D 실증설비’옥상에 4 m×17 m 규모로 구축하였다.
(3) 미세조류 세포 농도 및 세포 건중량의 측정
세포농도는 분광광도계를 이용하여 파장 660 nm에서 흡광도(Absorbance, A660)로 측정하였다. 이때 흡광도와 건조 균체중량(Dry cell weight, DCW)간의 관계를 미리 구하여 검량선을 얻었고, 이 검량선을 이용하여 시료의 흡광도를 DCW로 환산하였다. DCW는 배양액 시료를 2번 증류수로 세척하고, 100℃에서 12시간 이상 건조시켜 측정하였다. 각 균주는 균체성장 및 pH를 주기적으로 측정하였다.
실시예 1: 플라스크 배양
플라스크 배양은 일정한 조도를 공급하는 6개의 형광등이 달린 진탕배양기 (IS-971RF, JEIO TECH, Korea)에서 시행하였다. 플라스크 배양시 다공성 실리콘 스폰지 마개가 달린 250 mL 용량의 삼각플라스크를 사용하였다. 플라스크 배양의 표준배양조건으로는 온도 25℃, 빛 세기 39 μmol photons /m2s이었다. 배양액 부피는 100 mL이었고, 교반속도는 150 rpm으로 조절하였다. 배양은 4일 이상 유지하였다.
상기 방법으로 배양한 미세조류 47종의 균체성장률을 도 2에 나타내었다. 그 결과, N006, N043, N047, N056, N061, N070, N106, M082, M740, N118, N254, N309, N121, N133, N190, N191, M372, N003, M077, N113, M134, M150, M178 및 M189(총 24종)이 0.04 g cell/L/day 이상의 균체성장 속도를 나타내었고, KR-1의 성장속도보다 빠르게 나타났다. pH는 조사한 46종 모두 6.0~7.5 범위를 유지하였다.
실시예 2: 석탄발전 배가스 적용
실시예 1에서 균체성장률이 우수하였던 24종 및 KR-1을 가지고 합성 CO2 10%에서 배양한 결과, 균체성장률이 0.3 g cell/L/day 이상인 균주는 17종(N047, N113, N309, M372, M077, M082, M134, M150, M189, N006, N043, N056, N061, N070, M740, N254, KR-1)이었으며, 이들 균주를 대상으로 유리온실에서 자연광 조건에서 석탄발전 배가스를 공급하여 배양하였다. 광생물반응기로 파이렉스(pyrex) 유리재질의 1 L 기포탑(Bubble-column) 반응기를 사용하였다. 배양액 총 부피는 500 mL이었고, 석탄발전 배가스는 0.3 L/min으로 공급하였다. 날씨변화에 따라 온실온도는 18~44℃ 범위에서 변화하였고 평균온도는 25℃ 수준이었다.
상기 조건으로 석탄발전 배가스를 이용한 균주의 균체성장률은 도 3에 도시하여, 140시간 이상 배양한 KCTC 균주 및 KR-1 균주의 성장속도를 비교하였다. KR-1의 균체성장률은 0.23 g cell/L/day이었고, N113, M372, M077, M082, M134 균주는 각각 0.31, 0.31, 0.26, 0.22, 0.22 g cell/L/day를 나타내었다. 나머지 균주들은 석탄발전 배가스의 저해효과로 인해 0.1 g cell/L/day 이하의 낮은 균체 성장 속도를 나타내거나 성장하지 못하였다. 배지 pH는 균주에 상관없이 6~7의 범위를 유지하였다.
자연 태양광 및 중온 조건(평균 25℃)에서 실제 석탄발전 연소배가스를 사용하였을 때 N113 균주는 KR-1 균주보다 우수한 균체성장률을 나타내었고, 석탄발전 연소 배가스로부터 이산화탄소 고정화 및 지질 생산에 적합함을 알 수 있었다.
한국생명공학연구원 KCTC11992 20110803

Claims (13)

  1. 이산화탄소 고정능이 우수한 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주(기탁번호: KCTC 11992BP).
  2. 제1항의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주 내로 석탄발전 배가스 내의 이산화탄소를 고정화하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정화방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스 내의 이산화탄소 농도는 10~20 중량%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정화방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정화방법.
  5. 제1항의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 미세조류의 배양 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스 내의 이산화탄소 농도는 10~20 중량%인 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류의 배양 방법.
  8. 제1항의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주를 배양하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법.
  9. 제1항의 클로렐라 속(Chlorella sp.) N113 균주에 석탄발전 배가스를 투입하여 배양하는 단계; 및
    상기 배양된 균주로부터 지질을 회수하는 단계를 포함하는 지질을 생산하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스 내의 이산화탄소 농도는 10~20 중량%인 것을 특징으로 하는 지질을 생산하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 석탄발전 배가스는 CO2 10~20 중량%, CO 100~300 ppm, SOX 150~350 ppm, NOX 150~350 ppm 및 더스트(dust) 5~15 mg/m3를 포함하는 것을 특징으로 하는 지질을 생산하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 생산된 지질을 트랜스에스테르화시켜 지방산 에스테르를 생성하는 단계를 포함하는 바이오디젤의 제조 방법.
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