KR101382533B1

KR101382533B1 - 하폐수 및 폐광산 배수를 이용한 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법

Info

Publication number: KR101382533B1
Application number: KR1020120088500A
Authority: KR
Inventors: 전병훈; 지민규; 윤현식
Original assignee: 연세대학교 원주산학협력단
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-04-25
Also published as: KR20140022211A

Abstract

본 발명은 폐광산 배수 및 하폐수 탈리액을 포함하는 배지에서 담수미세조류 균주를 배양하여 지질을 함유하는 담수미세조류를 생산함과 동시에 하폐수 탈리액 내에서 질소, 인, 유기 탄소 및 무기 탄소를 제거하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미세조류 배양방법에 의하면, 하폐수를 고도로 처리함과 동시에 고품질의 고지질을 함유한 미세조류를 배양할 수 있으며, 하폐수 내에서 미세조류를 배양함에 따라 인위적 질소, 인 등의 화학약품 주입비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 폐광산 배수에 포함된 Fe 등의 특정 미량 금속을 이용할 수 있어 미세조류의 고성장 및 고지질 바이오매스 생산으로 배양의 경제성을 크게 향상시킬 수 있고, 폐자원의 고부가가치 활용 차원에서도 우수한 경제성을 갖는다.

Description

하폐수 및 폐광산 배수를 이용한 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법{Culturing method of microalgae for producing biodiesel by using wastewater and abandoned mine drainage}

본 발명은 바이오디젤용 담수미세조류의 배양방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 하폐수 내성 담수미세조류 균주를 미네랄이 함유된 폐광산 배수 및 고농도 영양염류가 존재하는 하폐수 탈리액에서 배양하여 폐수 처리와 동시에 고지질 함량 바이오디젤을 생산하는 담수미세조류의 배양방법에 관한 것이다.

미세조류는 질소, 인을 제거하여 하폐수 수질오염정화에 높은 효율을 가지고 있으며, 이의 활동으로 인해 생산된 미세조류 바이오매스는 각 조류의 g당 탄수화물, 지질(지방산)의 함량에 따라 각각 바이오에탄올, 바이오부탄올 및 바이오디젤을 생산할 수 있는 신재생 에너지의 근원이다 [박재일, 우희철, 이재화, 2008. 해양조류로부터 바이오에너지 생산 : 현황 및 전망. 화학공학회지. 46(5): 833-844].

최근 국내외에서 폐수 내 담수미세조류 적용한 연구들이 이루어지고 있으며[Miller, S., 2010. Minimizing land use and nitrogen intensity of bio-energy. Environ.Sci.&Technol. 44:3932-3939], 담수미세조류의 성장을 위한 유무기 탄소원, 질소와 인의 근원을 축산폐수 및 하폐수에서 얻는 연구들이 진행되고 있으나, 폐수 내 Fe 등의 특정 필수 원소 농도가 극히 낮아 성장이 제한적이다[Yeesang, C., Cheirsilp, B., 2011. Effect of nitrogen, salt, and iron content in the growth medium and light intensity on lipid production by microalgae isolated from freshwater sources in Thailand. Bioresource Technology. 102:3034-3040]. 즉, 담수미세조류의 배양을 위해서는 주요성장 인자인 빛, 이산화탄소, 질소, 인 및 염도 외에도 Fe, S, Mn, Ca, Mg 등의 다양한 미량원소가 필요한 바, 이의 농도에 따른 미세조류의 성장 및 지질생산에 대한 연구들이 이루어지고 있으나, 기술 개발 수준이 미미한 정도이다.

이와 관련하여 종래에 미세조류 배양 배지에 적절한 미량원소들이 포함된 제강슬래그를 첨가하여 고지방산 미세조류를 배양하는 방법 등이 있으나 고형물질을 이용함으로 반응기 운용이나 시설 유지 관리의 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제한적 요소 및 문제점을 해결하기 위하여, 미세조류의 영양원이 풍부한 하폐수 탈리액에 철의 공급원으로 폐광산배수를 혼합하여 조류를 대량 생산함과 동시에 폐수 고도처리 및 바이오디젤 생산이 가능한 담수미세조류의 배양방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

폐광산 배수 및 하폐수 탈리액을 포함하는 배지에서 담수미세조류 균주를 배양하여 지질을 함유하는 담수미세조류를 생산하고,

상기 배지는 폐광산 배수를 3-5 중량%를 포함하여, 상기 배지 내의 철 이온의 농도를 7-12 mg/L로 하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 담수미세조류 균주를 포함하는 배지를 형광교반 배양기에 넣고, 배양온도 25-30 ℃, pH 6-8, 조도 40-60 μmol/㎡-sec 및 교반속도 100-200 rpm 조건에서 배양할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 담수미세조류 균주의 배양시 명:암 주기는 12:12-24:0일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 담수미세조류 균주는 마이크락티니움 리이서리(Micractinium reisseri), 클로렐라 종(Chlorella sp.), 세네데스무스 종(Scenedesmus . sp.), 보트리오코커스 종(Botryococcus sp.) 및 클로렐라 프로토테코이드(Chlorella protothecoides) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 담수미세조류의 배양방법은 지질을 함유하는 담수미세조류를 생산함과 동시에 하폐수 탈리액 내에서 질소, 인, 유기 탄소 및 무기 탄소를 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하폐수는 축산 폐수, 농업폐수, 산업 폐수, 하수 슬러지, 정수 슬러지, 하수처리장 유입수 및 하수처리장 방류수 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 미세조류 배양방법에 의하면, 하폐수를 고도로 처리함과 동시에 고품질의 고지질을 함유한 미세조류를 배양할 수 있으며, 하폐수 내에서 미세조류를 배양함에 따라 인위적 질소, 인 등의 화학약품 주입비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 폐광산 배수에 포함된 Fe 등의 특정 미량 금속을 이용할 수 있어 미세조류의 고성장 및 고지질 바이오매스 생산으로 배양의 경제성을 크게 향상시킬 수 있고, 폐자원의 고부가가치 활용 차원에서도 우수한 경제성을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따라 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수의 혼합비율(농도)에 따른 담수미세조류의 성장율 증가를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따라 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수의 혼합비율(농도)에 따른 하폐수 내의 질소, 인 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수의 혼합비율(농도)에 따른 유, 무기 탄소 제거 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수의 혼합비율(농도)에 따른 지방산 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수의 혼합비율(농도)별 지방산 분포도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 하폐수와 광산배수가 최적 혼합된 배지에서 폐수 내성 담수미세조류를 배양함으로서, 폐수처리를 이행함과 동시에 광산배수를 활용하고 고지방산 바이오매스를 생산하는 방법에 관한 것이다.

미세조류의 성장과 바이오매스 내 생화학적 조성의 주요 인자로는 온도, 이산화탄소, 빛, 질소 인과 염도 등이 있으며, 기타 주요 원소로서는 칼륨, 칼슘, 황, 마그네슘, 철 등이 있다. 종래 양돈 폐수, 하폐수 등의 각 처리공정의 배출 폐수에는 다른 원소는 풍부한 반면 철의 농도가 극히 낮아 미세조류 성장에 제한적이었는 바, 본 발명은 폐광산 배수내에 포함된 철을 이용하여 종래 해결할 수 없었던 미세조류의 대량 배양, 폐수고도처리 및 고품질 바이오디젤 생산을 동시에 해결한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 폐수에 내성을 지닌 담수미세조류 종을 분리, 동정한 후, 폐광산 배수 및 하폐수 탈리액을 포함하는 배지에서 배양하여 고지방산 바이오디젤을 생산하고, 이와 동시에 폐수 내에 포함된 질소, 인, 유기 탄소 및 무기 탄소를 제거하여 폐수를 처리한다.

먼저, 하폐수에 포함된 질소, 인 등을 미세조류 성장에 필요한 주영양분으로 이용하고, 나아가서 미네랄이 풍부한 폐광산 배수를 이용하여 고지방산 바이오디젤을 생산한다.

폐광산 배수 및 하폐수 탈리액을 포함하는 배지에서, 폐광산 배수는 전체 배양액 내에 1-20 중량%로 희석 사용할 수 있으며, 폐수 내 질소, 인의 제거율 및 고지방산의 생산율을 고려시 3-5 중량%로 사용함이 바람직하다. 폐광산 배수를 전체 배양액 내에서 3-5 중량%로 포함할 경우에 배양액 내의 철 이온의 농도가 7-12 mg/L로 조절되고, 이때, 폐수 내 질소, 인의 제거율 및 고지방산의 생산율이 가장 높다.

미세조류는 배지 내에 포함된 철 이온을 광합성, 호흡작용, 질소의 고정, DNA 합성에 주로 이용하며 자체적으로 철의 흡수를 증진시키기 위해 용해도가 낮은 철 이온을 킬레이트 화합물화하여 흡수한다.

하폐수 탈리액 내 폐광산 배수를 3-5 중량%로 혼합한 경우에 하기 도 1에서 보는 바와 같이, 혼합 전 보다 1.4-1.6배 정도로 미세조류 성장율이 증가하였다. 또한, 하기 도 2a 내지 도 2b에서 보는 바와 같이, 질소 제거율은 혼합 전 75%에서 혼합 후 97-98%로 제거율이 증가했고, 인의 경우 혼합 전 65%에서 혼합 후 85-86%로 제거율이 증가했다.

또한, 하기 도 4 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 지방산 농도 역시 폐광산 배수 혼합 전 보다 증가했으며 특히, 지방산 구성성분 중 산화안정성이 높고 연소열이 뛰어난 올레인산(18:1)이 약 2배 정도 증가하였다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 배양온도 25-30 ℃, pH 6-8, 조도 40-60 μmol/㎡-sec 및 교반속도 100-200 rpm 조건에서 배양하고, 명:암 주기는 12:12-24:0로 조절한다.

상기 담수미세조류 균주는 분리동정된 폐수 내성 담수미세조류로서, 마이크락티니움 리이서리(Micractinium reisseri), 클로렐라 종(Chlorella sp.), 세네데스무스 종(Scenedesmus . sp.), 보트리오코커스 종(Botryococcus sp.) 및 클로렐라 프로토테코이드(Chlorella protothecoides) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 마이크락티니움 리이서리일 수 있다.

또한, 상기 하폐수로는 는 축산폐수, 농업폐수, 산업폐수 등의 질소, 인이 포함된 폐수 등이 적용될 수 있으며, 폐광산 배수 대신에 철 이온 농도가 높은 강변 여과수, 즉 일반 강물보다 칼슘, 나트륨, 망간, 중탄산 이온이 높은 농도로 존재하는 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은 고품질의 지방산을 포함하는 미세조류를 대량 배양함과 동시에 폐수 내 물리, 화학, 생물학적 방법으로 제어가 어려운 질소, 인의 제거 효과가 높아 폐수 처리에도 활용이 가능하다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

<실시예>

실시예 1. 하폐수 탈리액 내 광산배수 혼합비율에 따른 담수미세조류의 배양

하기 [표 1]의 물리화학적 조성을 갖는 하폐수 탈리액과 하기 [표 2]의 물리화학적 조성을 갖는 폐광산 배수를 이용하여 미세조류 마이크락티니움 리이서리 리이서리(Micractinium reisseri, RAIW01) 균주를 배양하였다.

배양시 25-30 ℃, pH 7.2-7.6 하에서 250 mL 삼각플라스크에 5 mL의 상기 균주를 넣고 형광교반 배양기에서 약 15일간 배양하였다. 이때, 교반은 150 rpm, 조도는 50 μmol/㎡-sec를 유지하였다.

또한, 철 이온의 농도는 하기 [표 3]에 나타나 있는 바와 같이 0.05-23 mg/L 범위에서 농도를 달리하였으며, 이를 위하여 폐광산 배수의 혼합비율은 1-10% 범위에서 달리하여 혼합하였다.

Parameters (mg/L)	Centrate wastewater
pH	7.3
TN	56
NH₄ ⁺-N	53.6
NO₃ ^--N	-
TP	15.8
PO₄ ³ ^--P	10.3
TC	261.5
TOC	180.6
TIC	80.9
Calcium	65.6
Potassium	45.7
Sodium	39.5
Magnesium	16.5
Sulfur	2.53
Manganese	0.34
Iron	0.05
Al, As, Cd, Cr, Pb	Non-detected

Parameters (mg/L)	Mine wastewater
pH	4.2
TN	0.2
NH₄ ⁺-N	-
TP	0.23
PO₄ ³ ^--P	-
TC	27.3
TOC	24.8
TIC	2.5
Calcium	150.7
Potassium	1.4
Sodium	2.56
Magnesium	58.1
Sulfur	330.2
Manganese	4.74
Iron	224.5
Al	11.3
As, Cd, Cr, Pb	Non-detected

구분	Centrate	Mine 1%	Mine 3%	Mine 5%	Mine 10%
Fe (mg/L)	0.05	2.72	7.20	11.68	22.88

실험예 1. 하폐수 탈리액 내 광산배수 혼합비율에 따른 질소, 인의 제거 확인

상기 실시예 1과 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 혼합비율을 달리하여 15일 동안 배양한 결과 하기 도 1에서 보는 바와 같이, 3-5%의 광산배수 혼합시 미세조류 성장율이 혼합 전보다 1.4-1.6배 증가하였고 다른 1%, 10% 희석조건에서도 혼합전보다 높은 성장율이 관찰되었다. 이때 최대 성장율은 3%의 광산배수 혼합조건에서 0.55 g/L로 측정되었다.

실험예 2. 하폐수 탈리액 내 광산배수 혼합비율에 따른 질소, 인 제거 확인

상기 실시예 1과 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 혼합비율을 달리하여 15일 동안 배양한 결과, 하기 도 2a 내지 도 2b에서 보는 바와 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 3-5%를 혼합 배양시 질소 제거율의 경우 혼합 전 75%에서 혼합 후 97-98%로 제거율이 증가했고, 인의 경우 혼합 전 65%에서 혼합 후 85-86%로 제거율이 증가했다.

실험예 3. 하폐수 탈리액 내 광산배수 혼합비율에 따른 유기 및 무기탄소 제거 확인

상기 실시예 1과 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 혼합비율을 달리하여 15일 동안 배양한 결과, 하기 도 3a 내지 도 3b에서 보는 바와 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 3-5%를 혼합 배양시 유기탄소 제거율의 경우 혼합 전 61%에서 혼합 후 66%로 제거율이 증가했고, 무기탄소의 혼합 전 55%에서 혼합 후 66%로 제거율이 증가했다.

실험예 4. 하폐수 탈리액 내 광산배수 혼합비율에 따른 지방산 함량 및 지방산 조성변화 확인

상기 실시예 1과 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산 배수 혼합비율을 달리하여 15일 동안 배양한 후, 확보된 미세조류 바이오매스를 이용하여 지방산 함량 및 지방산 구성도를 분석하였다.

하기 도 4 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 하폐수 탈리액 내 폐광산폐수 3-5%를 혼합 배양시 지방산 함량은 158 mg/g DCW(drycellweight)에서 혼합 후 최대 197 mg/g DCW(drycellweight)로 함량이 증가했다.

또한, 지방산 구성성분의 경우 광산배수의 혼합비율이 높아질수록 바이오디젤화시 융점이 낮고, 불포화 지방산 중 산화안정성이 높으며 연소열이 뛰어난 올레인산(18:1)이 약 2배 정도 증가함이 관찰되었다.

또한, 올레인산 (18:1)과 더불어 저온 유동성이 높은 리놀레익산(18:2)이 증가하였고, 산화안정성과 연소열이 높은 팔미틱산(16:0)이 증가함에 따라 온대지방에서 바이오디젤로 적합하게 사용될 수 있음을 확인하였다.

따라서, 하폐수 탈리액 내 폐광산폐수 혼합 배양시 생성된 지방산은 바이오디젤의 성분 제공 요소로 효율적인 사용이 가능하다.

Claims

폐광산 배수 및 하폐수 탈리액을 포함하는 배지에서 담수미세조류 균주를 배양하여 지질을 함유하는 담수미세조류를 생산하고,
상기 배지는 폐광산 배수를 3-5 중량%를 포함하여, 상기 배지 내의 철 이온의 농도를 7-12 mg/L로 하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.
제 1 항에 있어서,
상기 담수미세조류 균주를 포함하는 배지를 형광교반 배양기에 넣고, 배양온도 25-30 ℃, pH 6-8, 조도 40-60 μmol/㎡-sec 및 교반속도 100-200 rpm 조건에서 배양하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.
제 2 항에 있어서,
상기 담수미세조류 균주의 배양시 명:암 주기는 12:12-24:0인 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.
제 1 항에 있어서,
상기 담수미세조류 균주는 마이크락티니움 리이서리(Micractinium reisseri), 클로렐라 종(Chlorella sp.), 세네데스무스 종(Scenedesmus . sp.), 보트리오코커스 종(Botryococcus sp.) 및 클로렐라 프로토테코이드(Chlorella protothecoides) 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.
제 1 항에 있어서,
상기 담수미세조류의 배양방법은 지질을 함유하는 담수미세조류를 생산함과 동시에 하폐수 탈리액 내에서 질소, 인, 유기 탄소 및 무기 탄소를 제거하는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하폐수는 축산 폐수, 농업폐수, 산업 폐수, 하수 슬러지, 정수 슬러지, 하수처리장 유입수 및 하수처리장 방류수 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이오디젤 생산용 담수미세조류의 배양방법.