KR101769875B1 - Method of preparing triacylglycerol or biodiesel in microalgae - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세조류에서 바이오디젤을 생산하는 방법에 있어서, 일정기간 미세조류를 증식 배양하는 제1단계; 상기 제1단계와 구별하여, 일정기간 미세조류에 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 제2단계; 및 트리글리세라이드부터 바이오디젤을 전환시키는 제3단계를 포함하는 것이 특징인 바이오디젤 생산방법을 제공한다.
본 발명은 트리글리세라이드 함유 지방방울(lipid droplet; LDs)을 다량 축적할 수 있기 때문에 바이오디젤 제조를 위한 전단계의 오일 추출비용을 크게 낮출 수 있다. 따라서, 저비용 및 산업상 적용가능한 스케일로 미세조류에서 바이오디젤을 생산할 수 있다.
The present invention relates to a method for producing biodiesel from microalgae, comprising: a first step of growing and culturing microalgae for a predetermined period; A second step of applying pressure stress to the microalgae for a certain period of time to convert the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride; And a third step of converting biodiesel from triglyceride to biodiesel.
Since the present invention can accumulate large amounts of triglyceride-containing lipid droplets (LDs), it is possible to greatly reduce the oil extraction cost of the previous step for biodiesel production. Thus, it is possible to produce biodiesel from microalgae at a low cost and industrially applicable scale.

Description

미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 또는 바이오디젤 제조방법{Method of preparing triacylglycerol or biodiesel in microalgae}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for preparing triglyceride (TAG) or biodiesel in microalgae,

본 발명은 미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 태양에너지를 이용하여 CO2를 먹이로 자라는 미세조류의 지질 성분을 바이오디젤로 전환하는 기술에 관한 것으로, CO2 처리 및 친환경 수송용 연료 생산에도 유용하다.The present invention relates to a method for producing triglyceride (TAG) in microalgae. Specifically, the present invention relates to a technique for converting a lipid component of a microalgae fed with CO 2 into sunlight using solar energy into biodiesel, which is also useful for CO 2 treatment and production of fuel for environmentally friendly transportation.

식용 작물로부터의 바이오연료 생산이 점차적으로 증가함에 따라, 식품 및 연료 생산 사이에서 농경지 확보에 대한 경쟁이 치열해지고 있다. 계속하여 증가하고 있는 인구에 식품 공급원을 지속적으로 유지하기 위해서는, 화석연료를 대체할 수 있는 바이오연료용 새로운 공급원료가 절실히 필요하다. As biofuel production from edible crops has increased steadily, competition for farmland has become more intense between food and fuel production. New feedstocks for biofuels that can replace fossil fuels are inevitably needed to sustain the food supply to an ever-growing population.

녹조(green alga)와 같은 미세조류는 태양광 및 이산화탄소를 사용하여 탄수화물 및 지방의 형태로 화학적 에너지를 생산하며 세포 성장에 필요한 단백질을 합성하기 위해 질소를 필요로 하는 광합성 미생물이다. 미세조류의 광합성 능력은 식물보다 우수하다. 또한, 해상, 해안가 또는 황무지 이용이 가능하여 육상토지 이용에서 식용작물과 무경쟁이고, 다양한 물 자원 (하수, 해수, 폐수)을 이용 및 재활용할 수 있다.Microalgae, such as green algae, are photosynthetic microorganisms that require nitrogen to synthesize proteins necessary for cell growth, producing chemical energy in the form of carbohydrates and fats using sunlight and carbon dioxide. Photosynthesis capacity of microalgae is superior to plants. In addition, marine, coastal or wasteland use is possible, so it is not competitive with edible crops in land land use, and various water resources (sewage, seawater, wastewater) can be used and recycled.

또한, 미세조류는 다른 광합성 생물에 비하여 이산화탄소를 포집하는 속도와 세포가 성장하는 속도가 빠르며 인공적인 배양이 손쉽기 때문에 대규모 생물공정을 통하여 대량으로 생산될 수 있다. 미세조류는 1세대 바이오연료 원료(콩, 유채 등)에 비해 단위면적당 바이오매스 생산성이 50-100배 이상 높다.In addition, microalgae can be produced in large quantities through large-scale bioprocesses because the rate of capturing carbon dioxide and the rate of growth of cells are faster than those of other photosynthetic organisms and artificial cultivation is easy. Microalgae is 50-100 times more biomass productivity per unit area than first generation biofuel feedstock (soybean, oilseed rape, etc.).

많은 미세조류는 빠른 속도로 성장하고 다량의 바이오매스(biomass)를 생산하며, 또한 특정 배양 조건에서 용이하게 바이오디젤로 변환가능한 다량의 오일을 축적할 수 있다. 이에 따라, 미세조류는 재생가능한 그린 에너지 생산을 위한 대체원(alternative source)으로 각광받고 있다. Many microalgae can grow at high rates and produce large quantities of biomass and can accumulate large amounts of oil that can be easily converted to biodiesel under certain culture conditions. Accordingly, microalgae are attracting attention as an alternative source for the production of renewable green energy.

스트레스 조건 (특히, 질소 고갈 상태; nitrogen depletion) 하에서, 미세조류는 상당량의 중성 지방(주로 트리글리세롤; TAGs)을 지방방울(lipid droplet; LDs)이라 지칭되는 세포 소기관(cellular organelles)으로 축적하기 시작한다. Under stress conditions (especially nitrogen depletion), microalgae accumulate significant amounts of triglycerides (mainly triglycerol) as cellular organelles called lipid droplets (LDs) do.

TAG 합성에 필요한 지방산은 새로(de novo) 합성되거나 막지질로부터 재순환된 아실기 사슬(recycled acyl chain)으로부터 생성된다. The fatty acids needed for TAG synthesis are either de novo synthesized or produced from recycled acyl chains recycled from membrane lipids.

실험실에서 널리 사용되는 배양 조건하에서, 외부에서 제공되는 아세테이트(acetate)는 새로운 합성 경로(de novo pathway)를 통한 TAG 생산을 촉진시킨다. 특정 조건하에서의 TAG 합성에 관련된 각 경로들의 정확한 기여도는 아직 밝혀지지 않은 상태이다.Under culturing conditions widely used in laboratories, externally provided acetate promotes TAG production through a new de novo pathway. The precise contribution of each pathway involved in TAG synthesis under specific conditions is not yet known.

종래 연구를 통해, 세포의 TAG 함량이 온도, 빛 강도, 질소 결핍, 인 제한(phosphorus limitation), 철 농도 및 염도(salinity)와 같은 적당한 배양 환경 하에서 현저히 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 여러 스트레스 조건들 중에서, 질소 결핍(nitrogen starvation)이 조류(algae)에서 TAG 축적을 유도하는데 있어 가장 효과적인 방법이다. 그러나, (i) 질소 결핍은 광합성 반응을 감소시켜 전반적인 바이오매스 생성을 감소시키고, (ii) 산업적인 측면에서, 질소를 제거하는 공정은 상당량의 에너지, 시간 및 비용이 소모되므로, TAG 축적을 위해 질소 결핍 조건을 이용하는 것은 이상적이지 않다.Conventional studies have shown that the TAG content of cells can be significantly increased under appropriate culture conditions such as temperature, light intensity, nitrogen depletion, phosphorus limitation, iron concentration and salinity. Amongst various stress conditions, nitrogen starvation is the most effective way to induce TAG accumulation in algae. However, (i) nitrogen depletion reduces the photosynthetic reaction to reduce overall biomass production, and (ii) in industrial terms, the nitrogen removal process consumes a significant amount of energy, time, and cost, Using nitrogen deficiency conditions is not ideal.

본 발명은 세포 배양 중 질소 결핍 조건을 포함하지 않고 미세조류의 성장과 다량의 바이오매스의 획득 단계와 별도로, 다양한 미세조류에 적용할 수 있는 세포 내 TAG 축적 유도 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a method for inducing intracellular TAG accumulation that can be applied to various microalgae separately from the step of acquiring a large amount of biomass and the growth of microalgae without including the nitrogen deficiency condition in the cell culture.

본 발명의 제1양태는 미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 제조방법에 있어서, 미세조류의 증식 배양 조건이 아닌 상태에서, 미세조류에 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for producing triglyceride (TAG) in microalgae, comprising the steps of: subjecting microalgae to pressure stress to remove polar lipids bound to the cell membrane, To form a triglyceride. ≪ Desc / Clms Page number 7 >

본 발명의 제2양태는 미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 제조방법에 있어서, 일정기간 미세조류를 증식 배양하는 제1단계; 및 상기 제1단계와 구별하여, 일정기간 미세조류에 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 제2단계를 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법을 제공한다.In a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing triglyceride (TAG) in a microalgae, comprising: a first step of growing and culturing microalgae for a predetermined period; And a second step of converting the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride by applying pressure stress to the microalgae for a certain period of time, distinguishing the first step from the first step.

본 발명의 제3양태는 미세조류에서 바이오디젤을 생산하는 방법에 있어서, 일정기간 미세조류를 증식 배양하는 제1단계; 상기 제1단계와 구별하여, 일정기간 미세조류에 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 제2단계; 및 트리글리세라이드부터 바이오디젤을 전환시키는 제3단계를 포함하는 것이 특징인 바이오디젤 생산방법을 제공한다.In a third aspect of the present invention, there is provided a method of producing biodiesel from microalgae comprising the steps of: a) growing and culturing microalgae for a certain period of time; A second step of applying pressure stress to the microalgae for a certain period of time to convert the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride; And a third step of converting biodiesel from triglyceride to biodiesel.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

미세조류는 태양 에너지를 화학에너지로 전환시킬 수 있으며 이산화탄소를 고정하여 탄수화물, 지질, 단백질 등의 바이오매스로 전환시킬 수 있다.Microalgae can convert solar energy to chemical energy and can convert carbon dioxide to biomass, such as carbohydrates, lipids, and proteins.

미세조류 세포는 특별한 성분으로 구성되어 있지 않으며 식물과 비슷하다. 광합성에 관여하는 색소와 같은 물질 이외에도 소화성이 높은 탄수화물, 식품으로 사용되기에 충분한 함량의 단백질, 함량이 식품(1~35%)이나 바이오연료(20~80%)용으로 적합한 지질 등의 기본 물질로 구성되어 있다(표 1; 미세조류 바이오매스의 화학적 조성(% of dry mass)). 지질 성분은 바이오디젤로 사용될 수 있다(도 1).Microalgae cells are not composed of specific components and are similar to plants. In addition to substances such as pigments that are involved in photosynthesis, there are also substances with high digestible carbohydrates, enough protein to be used as food, and basic substances such as lipids suitable for foods (1 to 35%) or biofuels (20 to 80% (Table 1; chemical composition of microalgae biomass (% of dry mass)). Lipid components can be used as biodiesel (Figure 1).

Figure 112015067548819-pat00001
Figure 112015067548819-pat00001

미세조류 바이오매스의 화학적 조성은 배지성분 뿐만 아니라 환경적 요인, 세포 회수 처리법, 세포 건조법에 의해서도 좌우된다. The chemical composition of the microalgae biomass depends not only on the components of the medium but also on the environmental factors, the cell recovery process, and the cell drying process.

정수압(hydrostatic pressure)은 박테리아 및 다른 미생물 세포에 있어서 치사 또는 거의 치사에 가까운 손상을 입힌다. 종래 연구에 따르면 박테리아 세포에 있어서 침투 벽(penetration barrier)으로서의 기능을 정상적으로 하는데 중요한 것으로 알려진, 단백질과 같은 박테리아 세포 외피(cell envelope)에 존재하는 물질 및 막에 결합된 인지질과 당지질에, 높은 정수압이 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다. 50 atm 정도로 높은 이산화탄소 압력은 미세조류가 가스 흡수를 조절하는 것을 방해하고 이산화탄소가 막을 통과하도록 하여 세포 내에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다. 그러나, 미세조류 세포에 대한 5~15 atm 정도의 약한 압력의 영향에 대해서는 아직 연구가 이루어지지 않았다. Hydrostatic pressure causes mortalities or near-lethal damage to bacteria and other microbial cells. Conventional studies have shown that high hydrostatic pressure on phospholipids and glycolipids attached to membranes and membranes present in bacterial cell envelope, such as proteins, known to be critical for normal functioning of the permeation barrier in bacterial cells Have been reported to have an effect. It is known that carbon dioxide pressure as high as 50 atm hinders microalgae from controlling the gas absorption and causes carbon dioxide to penetrate through the membrane, damaging the inside of the cell. However, the effect of a weak pressure of 5 to 15 atm on microalgae cells has not been studied yet.

미세조류는 스트레스 조건들에서 트리글리세라이드(TAG)의 형태로 에너지를 저장할 수 있고, 압력이 막에 결합된 지질에 영향을 줄 수 있다는 것을 고려하여 실험한 결과, 본 발명자들은 막 결합 지질로부터 안정적인 저장 형태인 TAG(바이오디젤 생산에 보다 적합함)로의 세포내 지질의 위치 변경(translocation)에 있어서 압력 속성을 발견하였다.The microalgae were able to store energy in the form of triglycerides (TAG) under stress conditions and, taking into account that pressure could affect the lipids bound to the membrane, the present inventors have found that stable storage Pressure properties in the translocation of intracellular lipids into TAG (more suitable for biodiesel production) in the form of TAG.

본 발명자들은 짧은 시간(예, 2시간 정도) 동안 온화한 가압 하에 발휘되는 스트레스를 통해 미세조류 내의 TAG 축적(accumulation)을 유도할 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 미세조류에 온화한 압력 스트레스를 가한 결과, 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시킬 수 있다는 것을 발견하였다. The present inventors have found that TAG accumulation in microalgae can be induced through stress exerted under mild pressure for a short time (for example, about 2 hours). In addition, the present inventors have found that, as a result of applying mild pressure stress to microalgae, the polar lipid bound to the cell membrane can be converted into the form of triglyceride.

한편, 미세조류 배양은 비용이 가장 크고 시간(예, 7일~14일)도 오래 걸린다. 따라서, 지질(lipid)을 다량으로 생성하기 위해 미세조류를 빠른 시간에 키우는 것이 중요하다.On the other hand, microalgae culture is the most costly and takes a long time (eg, 7 to 14 days). Therefore, it is important to grow microalgae in a short period of time to produce large amounts of lipids.

본 발명은 이러한 발견들에 기초한 것으로, 일정기간 미세조류의 증식 배양 공정과 구별하여, 증식 배양된 미세조류에 짧은 시간동안 미세조류를 손상시키지 않는 온화한 압력을 가해 트리글리세라이드 축적(accumulation) 유도 공정을 수행하는 것이 특징이다. 즉, 본 발명은 우선 미세조류의 성장과 바이오매스의 획득에 초점을 맞춰서 진행한 후, 온화한 가압을 통해 트리글리세라이드 축적(accumulation) 유도 공정을 별도로 수행하는 이단배양을 포함하는 것이 특징이다.The present invention is based on these discoveries, and distinguishes it from the process of proliferation and cultivation of microalgae for a certain period of time. The present invention provides a process for inducing triglyceride accumulation by applying mild pressure to a microalgae that does not damage microalgae for a short time . That is, the present invention is characterized in that the present invention includes a two-step cultivation which focuses on the growth of microalgae and the acquisition of biomass, and separately performs a triglyceride accumulation induction process through mild pressurization.

온화한 가압(5~15 atm)은 살아있는 미세조류의 세포에 스트레스를 주어 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 중성 지질, 특히 트리글리세라이드(TAG)의 형태로 빠르게 변환되도록 유도한다(도 4). 지질 클래스 조성 연구(lipid class compositional study)를 통해, 가압 스트레스 하에 당지질(막 관련 지질 형태)이 중성 지질(특히, TAG)로 변환함을 확인하였다(도 9). 도 10은 압력 처리 전후의 전자현미경 사진을 나타내며, 압력 처리에 따라 트리글리세라이드(TAG)가 증가한 것을 알 수 있다.Mild pressurization (5 to 15 atm) induces stress on the cells of living microalgae, leading to rapid conversion of polar lipids bound to cell membranes to neutral lipids, particularly triglyceride (TAG) (Figure 4). A lipid class compositional study showed that glycolipids (membrane-associated lipid morphology) converted to neutral lipids (especially TAG) under pressure stress (FIG. 9). FIG. 10 shows an electron microscope photograph before and after the pressure treatment. It can be seen that the triglyceride (TAG) is increased by the pressure treatment.

10 ~ 15 atm의 가압 반응조에서 10-100 g cell/L의 미세조류 세포농도에서도 유사한 수준으로 TAG가 증가하였으며(도 7), 이는 본 발명이 산업상 적용가능한 스케일의 기술로 실현가능하다는 것을 알 수 있다. The TAG was increased to a similar level at a microalgae cell concentration of 10-100 g cell / L in a pressurized reaction tank of 10-15 atm (Fig. 7), indicating that the present invention can be realized by a technique of a scale applicable in industry .

<미세조류의 증식 배양 단계>&Lt; Growth culture step of microalgae >

본 발명에 따른 미세조류의 증식 배양 단계는 세포 증식 뿐만 아니라 세포 성장과 물질 생산을 포함할 수 있다.The step of proliferating microalgae according to the present invention may include cell growth as well as cell growth and material production.

이상적인 미세조류가 갖추어야 할 요건은 여러 가지가 있지만 우선 세포 내 대사산물의 생산성이 높아야 한다. 고 생산성은 흔히 세포 성장과 물질 생산으로 구성되는 이단 공정을 거쳐서 달성될 수 있다. Ideal microalgae have various requirements, but first, the productivity of intracellular metabolites should be high. High productivity can often be achieved through a two-stage process consisting of cell growth and material production.

현재 상업화에 사용되는 균주는 스피룰리나(Spirulina), 클로렐라(Chlorella), 두날리엘라(Dunaliella), 해마토콕수(Haematococcsu), 나노클로로피시스(Nannochloropsis) 등이 있다. 일반적으로 미세조류를 배양하기 위한 배지의 조성은 균종과 배양 조건에 따라 다르다. Currently, the strains used for commercialization include Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Haematococcsu, Nannochloropsis, and the like. In general, the composition of the medium for culturing microalgae differs depending on the species and culturing conditions.

상용화를 위한 대규모 공정은 일반적으로 무균 유지와 공정제어가 어려우므로 극한 pH, 고온, 고염 등의 극한 환경에서도 안정되고 감염에 강한 균주를 선택하는 것이 중요하다.Since large-scale processes for commercialization are generally difficult to maintain sterility and process control, it is important to select a strain that is stable and resistant to infection even in extreme environments such as extreme pH, high temperature, and high salinity.

미세조류 세포의 고속 성장을 위해서는 필수원소들(탄소, 질소, 인, 황)과 미량 원소들(철, 마그네슘 등)이 배양배지에 반드시 포함되어야 한다.Essential elements (carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur) and trace elements (iron, magnesium, etc.) must be included in the culture medium for rapid growth of microalgae cells.

최대 수율의 바이오매스 획득을 위해 미세조류 배양 시스템의 온도, pH, 광량, 영양분(무기염)과 이산화탄소 농도를 엄격하게 조절할 수 있다.The temperature, pH, light intensity, nutrients (inorganic salts) and carbon dioxide concentration of the microalgae culture system can be tightly controlled to obtain maximum yield of biomass.

미세조류는 대기 혹은 연소 배가스의 이산화탄소를 바이오매스로 포집할 수 있다. 특히 연안 클로로코큠(Chlorococcum littorale)는 40% (v/v)까지 고농도의 이산화탄소에 대해 높은 내성과 1 gcell/L/day 이상의 이산화탄소 고정률을 보인다. 또한, 세네데스무스 오블리쿠스(Scenedesmus obliquus)와 스피룰리나(Spirulina)도 온도가 30℃로 조절된 3단 연속식 관형 광생물 반응기(tubular photobioreactor)에서 높은 수준의 이산화탄소 고정률을 나타낸다. Spirulina은 6% 이산화탄소에서 최대 비성장속도 0.44 /day와 6% 이산화탄소에서 최대생산성 0.22 g/L/day를 보인다. 스피룰리나 오블리쿠스(Spirulina obliquus) SJTU-3, 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa) SJTU-2, 보트리오콕커스 브라우니(Botryococcus braunii) SI-30는 높은 농도(30∼50%)의 이산화탄소를 각각 총 지질(total lipid), 폴리불포화지방산(polyunsaturated fatty acid), 탄화수소(hydrocarbon)의 고 축적을 위해 사용된다. 배가스는 이산화탄소 농도가 높아서 광호흡에 의한 광합성 저해가 발생할 우려가 있지만 황이나 질소를 또 다른 영양분으로 내포하고 있어서 바이오매스 생산성을 30% 정도 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.Microalgae can capture carbon dioxide from atmospheric or combustion flue-gases into biomass. In particular, Chlorococcum littorale shows high resistance to high concentrations of carbon dioxide up to 40% (v / v) and a CO2 fixation rate of more than 1 gcell / L / day. In addition, Scenedesmus obliquus and Spirulina show a high level of CO2 fixation in a three-stage tubular photobioreactor with a temperature of 30 ° C. Spirulina has a maximum growth rate of 0.44 / day at 6% carbon dioxide and a maximum productivity of 0.22 g / L / day at 6% carbon dioxide. Spirulina obliquus SJTU-3, Chlorella pyrenoidosa SJTU-2, and Botryococcus braunii SI-30 are high concentrations (30-50%) of carbon dioxide It is used for the accumulation of total lipids, polyunsaturated fatty acids and hydrocarbons. Flue-gas has high carbon dioxide concentration, which may cause inhibition of photosynthesis by photo-respiration, but it contains sulfur or nitrogen as another nutrient, which has the advantage of improving biomass productivity by about 30%.

미세조류는 고농도 염에 대한 내성을 지니므로 담수(fresh water), 기수(brackish water), 염수(highly saline water), 해수(marine water) 등 여러 가지 종류의 물을 이용하여 광배양기(photobioreactor) 에서 액상 배양이 가능하다. Because microalgae are resistant to high concentration salts, they are used in various photobioreactors using fresh water, brackish water, highly saline water, marine water, Liquid culture is possible.

예를 들면, 특정 조건에 의해 세포 내 오일 함량이 높을수록 미세조류에 의하여 생산되는 바이오연료의 열량은 높아진다. 이러한 바이오매스 입자의 크기는 분말형태의 석탄이나 셀룰로오스와 비슷한 정도의 수 μm (Chlorella의 경우 5∼110 μm)부터 수백 μm까지 다양하다. 특히 남세균(cyanobacteria)(‘청조류(blue algae)’)와 같은 일부 미세조류는 탄소나 질소 영양분이 없어도 배양될 수 있으므로 생산비용 측면에서 효율적이다.For example, the higher the intracellular oil content is, the higher the calorie of the biofuel produced by the microalgae becomes. The size of these biomass particles varies from a few μm (5-110 μm for Chlorella) to several hundred μm, similar to that of powdered coal or cellulose. Some microalgae, especially cyanobacteria ('blue algae'), can be cultivated without carbon or nitrogen nutrients and thus are efficient in terms of production costs.

미세조류에 요구되는 광량은 고등 식물에 비하여 작지만 400 mmol/m2·s까지는 광량이 증가함에 따라 대사활성도 증가한다. 예를 들어, 클로렐라(Chlorella)와 세네데스무스(Scenedesmus)의 포화 광세기는 200 mmol/m2·s 정도이다. 호열성 클로글레오시스(Chlorogleopsis) 종은 최적 광도는 36.9 mmol/m2·s 이지만 높은 광도(246.1 mmol/m2·s)와 낮은 광도(36.9 mmol/m2·s)에서도 세포 적응성이 뛰어나 잘 자란다. 그러나 최적 광도에서 광독립영양 성장을 하던 대부분의 미세조류는 낮은 광도의 환경에 놓이게 되면 종속영양 성장으로 바꾸며 일부 균주는 혼합영양 성장을 나타낸다. 그러나, 일정 세기 이상의 광도에서는 오히려 광저해에 의하여 세포 성장이 낮아진다. 이러한 최적 광도의 조절은 실외 배양보다는 실내 배양에서 더 중요하며 세포에 따라 그 최적 값이 다르다. 유전공학적으로 엽록소(chlorophyll) 안테나 크기를 줄임으로써 바꿀 수 있다.The amount of light required for microalgae is smaller than that of higher plants but up to 400 mmol / m 2 · s, metabolic activity increases as the amount of light increases. For example, the saturated light intensity of Chlorella and Scenedesmus is about 200 mmol / m 2 · s. Chlorogleopsis species has an optimal light intensity of 36.9 mmol / m 2 · s but is highly adaptable even at high light intensity (246.1 mmol / m 2 · s) and low light intensity (36.9 mmol / m 2 · s) It grows well. However, most microalgae that have undergone light independent nutrient growth at optimum light intensity are converted to heterotrophic growth when they are placed in low light conditions, and some strains exhibit mixed nutrient growth. However, at light intensity above a certain level, cell growth is lowered by light inhibition. The control of the optimal light intensity is more important in the indoor culture than in the outdoor culture, and the optimal value varies depending on the cell. Genetically, it can be changed by reducing the size of the chlorophyll antenna.

온도는 미세조류 세포의 생리적 형태적 반응을 조절하는 주요 인자이다. 온도가 높을수록 더 높은 세포성장속도가 나타나며 최적의 온도에서 미세조류 효소들은 최대의 활성을 나타낸다. 최적 온도는 미세조류 종에 따라 다르지만 대부분 25∼35 ℃의 범위이며 광조건과 같은 환경에 따라서도 다르다. Temperature is a major factor controlling the physiological morphological response of microalgal cells. The higher the temperature, the higher the rate of cell growth. At optimal temperature, the microalgae enzymes exhibit the highest activity. The optimum temperature varies depending on the species of microalgae, but it is usually in the range of 25 to 35 ° C and varies depending on the environment such as light conditions.

대부분의 미세조류는 중성 pH가 최적이지만 스피룰리나 플란텐시스(Spirulina platensis)와 연안 카나리움(C. littorale)와 같은 일부 미세조류 종은 각각 알카리(pH 9)나 산성(pH 4) 조건이 최적이다. 생물반응기(bioreactor) 내에서 CO2 혹은 CO3 2-의 농도 증가는 pH를 변화시켜 pH 조절에 큰 영향을 미칠 수 있다. 배지 내의 NH3와 NH4 +도 산화반응을 두고 물분자와 경쟁하여 산소를 발생시킬 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는 광생물반응기의 pH 조절이 CO2와 NH4 +농도 조절에 의해 이루어진다.Most microalgae have optimal neutral pH, but some microalgae species, such as Spirulina platensis and C. littorale, are best suited for alkaline (pH 9) or acidic (pH 4) conditions, respectively . Increasing the concentration of CO 2 or CO 3 2- in the bioreactor can have a profound effect on the pH control by changing the pH. NH 3 and NH 4 + in the medium may also be oxidized to compete with water molecules to generate oxygen. Thus, in some cases the pH control of the photobioreactor is controlled by the concentration of CO 2 and NH 4 + .

질소 결핍 조건에서 클로렐라 에메르소니이(Chlorella emersonii)(63%), 클로렐라 미누티시마(Chlorella minutissima) (56%), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris) (57.9%), 클로렐라 루테오비리디스(Chlorella luteoviridis) (28.8%), 클로렐라 캡슐라타(Chlorella capsulata) (11.4%), 클로렐라 피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa) (29.2%), 네오클로리스 오엘오아번다스(Neochloris oleoabundans) (35∼54%)와 같은 미세조류들의 지질 함량은 증가한다. 특히, 네오클로리스(Neochloris)는 지질 중 트리글리세라이드(triglyceride) 가 차지하는 비율이 80%로서 2.2배나 증가한다.Chlorella emersonii (63%), Chlorella minutissima (56%), Chlorella vulgaris (57.9%), Chlorella luteoviridis in the absence of nitrogen, (28.8%), Chlorella capsulata (11.4%), Chlorella pyrenoidosa (29.2%), Neochloris oleoabundans (35-54%), The lipid content of the fish increases. In particular, the proportion of triglyceride in the lipid of Neochloris is 80%, which is 2.2 times higher.

현재 상업적으로 생산되고 있는 미세조류들(Chlorella, Spirulina, Dunaliella)의 대부분은 매우 선택적인 환경에서 자라며, 따라서 개방형 배양에서도 타 생물종(algae, protozoa)에 의해 오염되지 않는다. 즉, 클로렐라(Chlorella)는 영양이 풍부한 배지에서 자라며 스피룰리나(Spirulina)는 pH와 중탄산염(bicarbonate) 농도가 높은 환경에서 자라고 두날리엘라(Dunaliella)는 매우 높은 염도에서 자란다. Most of the currently commercially produced microalgae (Chlorella, Spirulina, Dunaliella) grow in highly selective environments and thus are not contaminated by other species (algae, protozoa) in open cultures. In other words, Chlorella grows in a nutrient-rich medium, Spirulina grows in high pH and bicarbonate concentrations, and Dunaliella grows in very high salinity.

반면에 생육 환경에 대한 선택적 잇점이 없는 대부분의 다른 미세조류 종들은 폐쇄형 배양으로 생산해야 한다. 따라서, 수산 양식 먹이로 이용되는 해양 미세조류(스켈레토네마(Skeletonema), 키토세로스(Chaetoceros), 타라씨오시라(Thalassiosira), 테트라셀미스(Tetraselmis), 이소크리시스(Isochrysis))와 긴-체인 불포화지방산(long-chain polyunsaturated fatty acids)을 생산하는 크립테코디늄 코니(Crypthecodinium cohnii) 등 대부분의 미세조류들에 대한 대량 배양 기술이 개체마다 환경에 맞게 특이적으로 개발되어 있다.On the other hand, most other microalga species that do not have a selective benefit to the growing environment should be produced in a closed culture. Therefore, it has been shown that marine microalgae (Skeletonema, Chaetoceros, Thalassiosira, Tetraselmis, Isochrysis) used for aquacultural food and long - Large-scale cultivation techniques for most microalgae such as Crypthecodinium cohnii, which produces long-chain polyunsaturated fatty acids, have been developed specifically for each individual environment.

미세조류의 광합성에 의해 생산되는 산소가 고농도로 축적되면 미세조류의 생산성을 감소시킬 수도 있지만 미세조류 배양에는 이산화탄소 주입이 더욱 중요하고 필수적이다. 이를 위해 농도가 낮은 대기 가스보다는 농도가 높은 산업 잔류 가스를 기포로 주입하는 것이 더 적합하다. 주입에 드는 에너지 비용을 줄이기 위해서는 가스의 물질 전달 효율을 높일 수 있는 염기조건에서 생육 가능한 균주가 최적이다. The accumulation of oxygen produced by photosynthesis of microalgae may reduce the productivity of microalgae, but carbon dioxide injection is more important and essential for microalgae culture. For this purpose, it is more appropriate to inject the industrial residual gas with a higher concentration than the low-concentration atmospheric gas into the bubbles. In order to reduce the energy cost of the injection, a strain capable of growing under the base condition is most suitable for increasing the mass transfer efficiency of the gas.

미세조류 배양 기술 중 종속영양 배양법은 이산화탄소 포집과 바이오매스 획득의 효율 측면에서 유리하지만 비용이 많이 든다. 반면에 자가영양 배양법은 고농도 및 대량 배양기술의 확립을 통해 배양 효율을 높인다면 대규모 상용 공정으로 이어질 수 있다. 또한, 개방형 배양 장치는 만들어서 조작하기 쉽지만 배양 조건을 유지하기 힘들고 오염되기 쉬우며 세포 수확 비용이 높다는 단점이 있기 때문에 온도, pH 등의 선택적인 배양 환경을 조성하기에 알맞은 폐쇄형 배양기가 바이오매스의 대량 생산에 적합하다. 그러나 폐쇄형 배양 시스템에는 목적에 맞는 특정 광배양기 형태(수직(vertical), 평판(flat plate), 고리모양(annular), 플라스틱 가방(plastic bags), 에어리프트 유리(air lifted glass), 플라스틱 관형반응기(plastic tubular reactor) 등)의 디자인, 에너지 소모적인 펌핑(pumping), 스파징(sparging)과 같은 내부 공정의 최적화, 반응기 재질 비용의 최소화 등이 요구된다. 이때, 클로로코큠(Chlorococum)과 같은 균주에 대해서는 이산화탄소의 포집을 원활하게 하기 위하여 20% (v/v)의 희석률에 의한 반연속식 배양 기술이 추가로 사용될 수 있다. 대체적으로 폐쇄형 광반응기는 고부가 가치 유용물질의 생산을 위해 적합하고, 개방형 배양은 바이오연료 생산을 위한 바이오매스 생산에 적합하다.Among the microalgae culture technologies, the heterotrophic culture method is advantageous in terms of efficiency of capturing carbon dioxide and biomass but is costly. On the other hand, self-nutrient culture can lead to large-scale commercial processes if culture efficiency is increased through establishment of high concentration and mass culture technology. In addition, since the open type culture apparatus is easy to produce and operate, it is difficult to maintain culture conditions, is easily contaminated, and has a high cell harvesting cost. Therefore, a closed type incubator suitable for forming a selective culture environment such as temperature, pH, It is suitable for mass production. However, a closed culture system may include a specific type of optical incubator (vertical, flat plate, annular, plastic bags, air lifted glass, plastic tubular reactor, (eg, a plastic tubular reactor), optimization of internal processes such as energy-consuming pumping and sparging, and minimization of reactor material costs. At this time, for a strain such as Chlorococum, a semi-continuous culture technique with a dilution ratio of 20% (v / v) can be additionally used to smooth the capture of carbon dioxide. In general, closed photoreactors are suitable for the production of high value-added useful materials and open cultivation is suitable for producing biomass for biofuel production.

일반적으로 연속조업의 광배양기 생산성은 정상 상태의 바이오매스 농도에 희석 속도를 곱하여 얻어지는데 반응기 표면(혹은 내부)의 광 조도, 유체역학적 조업 변수 등에 의존한다. 여러가지 반응기 형태들(나선(helical), 수직(vertical), 수평(horizontal) 등) 중에서 관형(tubular type) 반응기가 태양광 흡수와 그림자 효과 제거, 이산화탄소 분산, 온도 조절, 세포 침착 방지 측면에서 가장 낫다. 특히, 열전달이 최적화된 나선 관형 원뿔 광배양기(conical helical tubular photobioreactor)를 이용한다면, 일년 내내 다양한 장소에서 더 적은 조업 에너지를 투입하여 더 많은 바이오매스를 생산하기 위해, 내부로 흘리는 유체의 최적 온도를 계절과 시각에 따라 미리 예측할 수 있다. In general, the productivity of the optical incubator for continuous operation is obtained by multiplying the steady-state biomass concentration by the dilution rate, depending on the light intensity of the reactor surface (or interior), the hydrodynamic operating parameters, and so on. Among the various reactor types (helical, vertical, horizontal, etc.), tubular type reactors are the best in terms of solar absorption and shadow removal, carbon dioxide dispersion, temperature control, . In particular, if a conical helical tubular photobioreactor with optimized heat transfer is used, the optimal temperature of the fluid to be flowed into the interior is increased to produce more biomass by injecting less operating energy at various locations throughout the year It can be predicted according to season and time.

또한, Chlorella, Haematococcus pluvialis 등의 다양한 미세조류에 대해서도 반응기를 이용한 배양이 이루어졌고 평균 이상의 우수한 생산성을 나타내었다. In addition, various microalgae such as Chlorella and Haematococcus pluvialis were cultured using a reactor and showed excellent productivity above the average.

미세조류 바이오매스를 분리하고 농축하는 과정은 경제적이고 효율적인 공정으로 구성되어야 한다. 기존 화학공정에서 발전되어온 고열, 고압과 같은 고에너지를 사용하는 추출 및 분리와 같은 방법들은 화학공정이 아닌 생물 공정에 적용하기에는 효율적이지 못한 측면이 있다. 바이오매스 수확(harvest)은 일반적으로 하나 이상의 고-액 분리 단계를 요구하며, 미세조류 바이오매스 생산에서 중요한 공정 중 하나이다. 이 포집 과정은 응집(flocculation), 여과(filtration), 부유(flotation), 원심 침강(centrifugal sedimentation) 등을 포함하며, 이중 어떤 공정들은 상당히 에너지 소모적이다.The process of isolating and concentrating microalgae biomass should be an economical and efficient process. Methods such as extraction and separation using high energy such as high temperature and high pressure which have been developed in conventional chemical processes have not been effective in applying to biological process rather than chemical process. Biomass harvesting generally requires one or more solid-liquid separation steps and is an important process in the production of microalgae biomass. This collection process includes flocculation, filtration, flotation and centrifugal sedimentation, some of which are considerably energy consuming.

바이오매스 회수공정은 2단계로 구성되는데 먼저 벌크수확(bulk harvesting)은 벌크 서스펜션(bulk suspension)으로부터 바이오매스를 분리하는 공정이다. 이 공정은 일반적으로 100∼800배의 농도인수(concentration factor)를 통하여 최종적으로 2∼7% 총고체물질(total solid matter)을 얻을 수 있다.The biomass recovery process consists of two steps: bulk harvesting is the process of separating biomass from the bulk suspension. This process generally yields a total solid matter of 2-7% through a concentration factor of 100-800 times.

이후에 진행되는 thickening은 더욱 에너지 집약적인 단계로서 원심분리(centrifugation), 여과(filtration), 초음파 응집(ultrasonic aggregation)과 같은 기술을 통하여 슬러리(slurry)를 농축하는 공정이다. Subsequent thickening is a more energy intensive step that concentrates the slurry through techniques such as centrifugation, filtration, and ultrasonic aggregation.

<세포막에 On the cell membrane 결합되어Combined 있는 극성 지질을  The polar lipid 트리글리세라이드의Triglyceride 형태로 전환하는 단계> A step of converting into a form>

본 발명은 미세조류에서 트리글리세라이드(TAG) 제조시, 바이오매스 증가와 관련있는 미세조류의 증식 배양 공정과 별도로(도 2 중 3번 또는 4번 단계에서), 미세조류에 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 단계를 수행하는 것이 특징이다. 또한, 상기 단계를 통해 미세조류 내 트리글리세라이드 축적(accumulation)을 유도할 수 있다(도 3 및 도 4).The present invention relates to a method for producing triglyceride (TAG) in microalgae, which comprises applying pressure stress to a microalgae separately from the process for growing microalgae associated with an increase in biomass (in step 3 or 4 in FIG. 2) Characterized in that the step of converting the polar lipid bound to the form of triglyceride is carried out. In addition, the above step can induce triglyceride accumulation in microalgae (FIGS. 3 and 4).

본 발명은 실험을 통해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 각 미세조류에 적합한 압력 스트레스를 선정할 수 있다는 것이 또다른 특징이다.Another characteristic of the present invention is that the pressure stress suitable for each microalgae converting the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride can be selected through experiments.

세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환하는 단계에서, 압력 스트레스는 5~15 atm인 것이 바람직하고, 압력스트레스는 1 시간 내지 10 시간 동안 가해지는 것이 바람직하다.In the step of converting the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride, the pressure stress is preferably 5 to 15 atm, and the pressure stress is preferably 1 to 10 hours Lt; / RTI &gt;

압력 스트레스는 5~15 atm의 공기를 사용할 수 있다. 공기 외 질소, 헬륨, 수소, 이산화탄소, 메탄 등 다양한 가스를 단독 또는 혼합하여 활용 가능하다. 또한, CO2를 함유한 다양한 산업배가스를 활용할 수 있으나, CO2가 미세조류 배양배지의 pH를 감소시켜 미세조류의 성장 및 대사산물에 영향을 줄 수 있으므로 사용 전에 주의가 필요하다. 가스 가격 및 가스 공급을 위한 가스압축기 또는 송풍기의 내구성/가격측면에서 공기의 사용이 바람직하다.Pressure stress can be from 5 to 15 atm. Various gases such as nitrogen, helium, hydrogen, carbon dioxide, and methane can be used alone or in combination. It is also possible to utilize various industrial flue-gases containing CO 2 , but caution is necessary since CO 2 may reduce the pH of the microalgae culture medium and affect the growth and metabolism of microalgae. The use of air is desirable in terms of durability / price of the gas compressor or blower for gas price and gas supply.

또한, 압력 스트레스와 함께, 기존에 TAG를 증가시키는 것으로 알려진 스트레스를 추가로 가하는 경우 TAG 축적을 더욱 증가시킬 수 있다. 압력 스트레스와 함께, 추가로 가할 수 있는 스트레스의 비제한적인 예로는 펜프로피모르프(fenpropimorph) 화합물 스트레스, 삼투압 스트레스, 광 스트레스 등이 있다.In addition, along with pressure stress, TAG accumulation can be further increased if additional stresses, previously known to increase the TAG, are added. In addition to pressure stress, non-limiting examples of additional stress include fenpropimorph compound stress, osmotic stress, and light stress.

도 8에 도시된 바와 같이, 압력과 더불어, 화합물(살진균제인 fenpropimorph; 50 ppm), 삼투압 스트레스(염화나트륨; 1M) 및 강한 빛(200 μmol/m2·s) 등의 다른 스트레스가 가해짐에 의해, TAG 축적이 더욱 증가되었다. As shown in Figure 8, in addition to the pressure, other stresses such as compounds (fenpropimorph; 50 ppm), osmotic stress (sodium chloride; 1M) and strong light (200 μmol / m 2 · s) , The TAG accumulation was further increased.

본 발명은 1 일 ~ 14 일 동안, 바람직하게는 4 일 ~ 10 일간 제1단계를 수행하고, 1 시간 ~ 10 시간 동안, 바람직하게는 1 시간 ~ 6 시간동안 제2단계를 수행할 수 있다. The present invention is characterized in that the first step is carried out for 1 to 14 days, preferably for 4 to 10 days, for 1 to 10 hours , Preferably from 1 hour to 6 hours.

제1단계 및 제2단계는 각각 분리된 반응기, 즉 광생물반응기 및 압력 반응기(도 5)에서 수행할 수 있다.The first and second steps may be carried out in separate reactors, i.e., photo-bioreactor and pressure reactor, respectively (Figure 5).

<후단 공정>&Lt; Post step &

미세조류 회수는 제1단계 이후 및/또는 제2단계 이후에 수행할 수 있다.The microalgae can be recovered after the first step and / or after the second step.

미세조류는 타 식물종에 비해 비교적 작고 단일 세포이기 때문에 세포를 회수하는데 드는 비용이 높다. 원심분리를 고가의 공정이므로 대신에 여과. 침전, 부유와 같은 방법을 사용할 수 있다. 또는 생육의 특정 단계에서 응집성이 높은 균주를 선택하는 것이 바람직하다. Since microalgae are relatively small and single cells compared to other plant species, the cost of recovering the cells is high. Centrifugation is an expensive process, so filtration instead. Precipitation, floatation, etc. may be used. Or it is preferable to select a strain having high cohesiveness at a certain stage of growth.

바이오매스와 최종 생산물의 높은 농도를 위해 바이오매스의 건조공정을 수행할 수 있다. 일반적으로 건조는 열을 필요로 하기 때문에 메탄 드럼 건조기(methane drum dryer)나 다른 오븐형태 건조기(oven-type dryer)를 사용할 수 있다. The biomass drying process can be performed for high concentrations of biomass and final product. Typically, drying requires heat, so a methane drum dryer or other oven-type dryer can be used.

건조 후에는 생산물을 추출하기 위하여 미세조류를 파쇄하는 과정을 거칠 수 있다. 미세조류의 세포벽과 생산물의 특성에 따라 여러 가지 세포파쇄법이 있다. 저 비용으로 세포파쇄를 하려면 Nannochloropsis와 같이 크기가 작고 세포벽이 두꺼운 균주보다는 크기가 크고 세포벽이 얇은 균주가 적합하다.After drying, the microalgae may be crushed to extract the product. There are various cell crushing methods depending on the cell wall of the microalgae and the characteristics of the product. For low-cost cell disruption, strains smaller in size and larger in size than Nannochloropsis and larger in cell wall size and thinner in cell wall are suitable.

<< 트리글리세라이드로부터From triglyceride 바이오디젤Biodiesel 전환 단계> Transition phase>

석유대체연료 중 바이오디젤은 식물성 기름이나 동물성 지방의 주성분인 트리글리세라이드(triglyceride)로부터 다양한 촉매와 반응조건에서 알코올(주로 메탄올)과 반응하여 얻어지는 지방산 알킬에스테르(alkyl ester) 형태이다.Among the petroleum substitute fuels, biodiesel is a fatty acid alkyl ester obtained from triglyceride, which is the main component of vegetable oil or animal fat, by reaction with alcohol (mainly methanol) under various catalysts and reaction conditions.

바이오디젤은 기존 석유디젤과 물성이 유사하여, 디젤자동차에 직접 또는 일정비율로 혼합하여 사용 가능한 연료이다. 바이오디젤은 석유디젤에 비해 독성이 낮고, 생분해성을 가지며, 바이오디젤을 연료로 사용한 자동차의 배출가스는 입자상 물질(PM)이나 독성가스 물질이 현저히 낮다.Biodiesel is similar to existing petroleum diesel, so it can be used directly or in a certain ratio in diesel cars. Biodiesel is less toxic than petroleum diesel, has biodegradability, and emissions of automobiles using biodiesel as fuel are significantly lower than that of particulate matter (PM) or toxic gas.

이와 같이 환경적으로 유리한 바이오디젤은 하기 반응식 1과 같은 방법으로 합성이 되며, 보다 생산비를 낮추기 위해 다양한 촉매(예, KOH와 같은 염기성 촉매)와 반응조건들이 연구되고 있다.The environmentally advantageous biodiesel is synthesized by the following reaction scheme 1, and various catalysts (for example, a basic catalyst such as KOH) and reaction conditions are studied in order to lower the production cost.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112015067548819-pat00002
Figure 112015067548819-pat00002

한편, 바이오디젤은 파라핀성분 뿐만 아니라 바이오디젤을 구성하고 있는 포화지방산기의 종류 및 지방산 조성이 다양할 수 있다.On the other hand, biodiesel may have various kinds of saturated fatty acid groups and fatty acid compositions which constitute biodiesel as well as paraffin components.

추가로, 컬럼크로마토그래피를 통해 바이오디젤을 정제할 수 있다.In addition, biodiesel can be purified by column chromatography.

본 발명은 트리글리세라이드 함유 지방방울(lipid droplet; LDs)을 다량 축적할 수 있기 때문에 바이오디젤 제조를 위한 전단계의 오일 생산 및 추출비용을 크게 낮출 수 있다. 따라서, 저비용 및 산업상 적용가능한 스케일로 미세조류에서 바이오디젤을 생산할 수 있다.Since the present invention can accumulate large amounts of triglyceride-containing lipid droplets (LDs), it is possible to greatly reduce the oil production and extraction cost of the pre-stage for biodiesel production. Thus, it is possible to produce biodiesel from microalgae at a low cost and industrially applicable scale.

도 1은 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하는 개념도를 도시한 것이다.
도 2는 미세조류를 원료로 한 바이오디젤 생산 공정 및 각 요소 기술에 해당하는 단계를 숫자로 도시한 것이다.
도 3은 일반적인 지질 생합성 공정을 도시한 것이다.
도 4는 미세조류에 온화한 압력 스트레스를 짧은 시간 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 트리글리세라이드의 형태로 전환시켜, 지질 자리이동(translocation)을 유도하는 본 발명의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따라 회수된 미세조류에 압력 스트레스를 가할 수 있는 압력 반응기의 일 구체예이다.
도 6은 압력(1, 10 & 15 atm) 및 압력을 가한 시간에 따른 TAG 양 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 상이한 바이오매스 농도((a) 10 g cell/L 및 (b) 100 g cell/L)에서 TGA 함량에 대한 가압 효과를 도시한 그래프이다.
도 8은 가압과 함께, (a) 50 ppm Fenpropimorph; (b) 1M NaCl; (c) high light를 가했을 때 TGA 함량에 대한 결합된 가압 효과를 도시한 그래프이다.
도 9는 Chlorella sp. KR-1 에 가압한 경우 지질 조성 변화를 도시한 그래프이다. (a) 세포의 총 지질 함량; (b) 상이한 클라스에 상대적인 지질 함량.
도 10은 압력 처리 전후의 전자현미경 사진을 나타낸 도이다. (b) 및 (d)는 각각 (a) 및 (c)를 확대한 사진을 나타낸다. (L) 지방방울(lipid droplet); (S) 전분 (starch); (C) 엽록체(chloroplast); (적색 화살표) 생성된 지방방울(budding lipid droplet); (청색 화살표) 세포막 분해(membrane disintegration).
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram for producing biodiesel from microalgae. FIG.
FIG. 2 is a diagram showing the steps of the biodiesel production process using microalgae as a raw material and the steps corresponding to each element technology.
Figure 3 shows a general lipid biosynthesis process.
FIG. 4 is a conceptual diagram of the present invention in which a polar lipid bound to a cell membrane is converted into a triglyceride form by applying mild pressure stress to microalgae for a short time to induce lipid translocation.
5 is a specific example of a pressure reactor in which pressure stress can be applied to the recovered microalgae according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing changes in TAG amount with pressure (1, 10 and 15 atm) and pressure application time.
Figure 7 is a graph showing the pressurization effect on TGA content at different biomass concentrations ((a) 10 g cell / L and (b) 100 g cell / L).
FIG. 8 shows a graph showing the relationship between (a) 50 ppm Fenpropimorph; (b) 1 M NaCl; (c) the combined pressurization effect on TGA content when high light is applied.
FIG. 9 is a Chlorella sp. 1 is a graph showing changes in lipid composition when KR-1 is pressurized. (a) total lipid content of cells; (b) Lipid content relative to different classes.
10 is a view showing an electron microscope photograph before and after the pressure treatment. (b) and (d) show enlarged photographs of (a) and (c), respectively. (L) lipid droplet; (S) starch; (C) chloroplast; (Red arrow) budding lipid droplet; (Blue arrow) membrane disintegration.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 계통(strain) 및 배양조건 1: strain and culture conditions

자생 담수 미세조류인 Chlorella sp. KR-1을 대한민국 영월군에 있는 강줄기(stream)에서 분리하였다. 미세조류 배양은 7L의 파이렉스 기포탑형 광생물반응기(b-PBR, 길이 1180 mm; 내부직경 85 mm; 작업 부피(working volume) 6L)에서 수행하였다. 이때 10 (v/v)% 이산화탄소를 함유한 공기를 0.75 L/min의 속도로 공급하였으며 28 내지 31로 온도가 조절되는 공간에서 12 형광 램프(빛의 강도: ca. 80 μmol photons/m2·s)의 조명을 조사하여 배양하였다. 배지는 3 mM 질산칼륨이 함유된 개선된 광합성 N8 배지를 사용하였다. 1L의 개선된 N8 배지에 함유된 화합물은 하기와 같다: 505.5 mg KNO3, 740 mg KH2PO4, 259.8 mg Na2HPO4, 50 mg MgSO4·7H2O, 17.5 mg CaCl2·2H2O, 11.5 mg FeNaEDTA·3H2O, 3.2 mg ZnSO4·7H2O, 13 mg MnCl2·4H2O, 18.3 mg CuSO4·5H2O 및 7 mg Al2(SO4)3·18H2O. 배지는 0.2 μm 기공막 필터를 통해 멸균하였으며 pH는 6.5로 조절하였다.The native freshwater microalgae , Chlorella sp. KR-1 was isolated from a stream in Youngwol-gun, Korea. Microalgae cultivation was performed in a 7 L Pyrex bubble column photobioreactor (b-PBR, length 1180 mm; inner diameter 85 mm; working volume 6 L). At this time, air containing 10 (v / v)% carbon dioxide was supplied at a rate of 0.75 L / min and a 12 fluorescent lamp (intensity of light: ca. 80 μmol photons / m 2 · s) were irradiated and cultured. The medium used was an improved photosynthetic N8 medium containing 3 mM potassium nitrate. The compound contained in 1 L of the enhanced N8 medium is as follows: 505.5 mg KNO 3 , 740 mg KH 2 PO 4 , 259.8 mg Na 2 HPO 4 , 50 mg MgSO 4 .7H 2 O, 17.5 mg CaCl 2 .2H 2 O, 11.5 mg FeNaEDTA 3 H 2 O, 3.2 mg ZnSO 4 .7H 2 O, 13 mg MnCl 2 .4H 2 O, 18.3 mg CuSO 4 .5H 2 O and 7 mg Al 2 (SO 4 ) 3 .18H 2 O The medium was sterilized by a 0.2 μm pore filter and the pH was adjusted to 6.5.

b-PBR은 반응기 바닥으로부터 10 (v/v)% 이산화탄소를 함유한 공기가 지속적으로 공급되며 공급된 가스는 0.2 μm PTFE 환기 필터(Minisart 2000, Satorius Stedium Biotech., Germany)를 통과하였다. 또한, b-PBR은 유량(mass-flow) 조절기(MKP, Korea) 및 유량계(flow meter)(Dwyer Instruments., USA)에 의해 조절되었으며, 28 내지 31℃로 온도가 조절되는 공간에서 지속적인 조사(백색 형광 램프, ~170 μmol/m2·s)를 유지하였다. The b-PBR was continuously supplied with air containing 10 (v / v)% carbon dioxide from the bottom of the reactor and the supplied gas passed through a 0.2 μm PTFE ventilation filter (Minisart 2000, Satorius Stedium Biotech., Germany). The b-PBR was controlled by a mass-flow regulator (MKP, Korea) and a flow meter (Dwyer Instruments, USA) White fluorescent lamp, ~ 170 μmol / m 2 · s).

실시예Example 2: 압력 반응기(pressure reactor) 및 압력 실험(pressure experiment) 2: Pressure reactor and pressure experiment

압력 반응기의 도면을 도 5에 나타내었다. 압력 반응기의 주요 구성은 스테인레스 스틸 반응조, 모터가 부착된 교반기, 압력 측정기, 안전 밸브, 워터 재킷(water jacket) 및 바닥에 있는 시료 수집 포트로 이루어져 있다. 스테인레스 스틸 튜빙은 가압 가스를 실린더로부터 니들 밸브(needle valve)를 통해 반응조로 운반시킨다.A diagram of the pressure reactor is shown in FIG. The main components of the pressure reactor consist of a stainless steel reactor, a motorized agitator, a pressure gauge, a safety valve, a water jacket and a sample collection port on the bottom. Stainless steel tubing delivers pressurized gas from the cylinder to the reactor through a needle valve.

실시예 1에 따라 4일 또는 7일 배양 후, 바로 압력 실험을 수행하거나 원심분리(3800xg, 10분)를 통해 세포를 수거하여 압력 실험을 위해 소정의 바이오매스 농도로 준비하였다. Cells were harvested by centrifugation (3800 x g , 10 min.) And prepared at the desired biomass concentration for pressure experiments, after 4 or 7 days of incubation according to Example 1.

기지의 농도 및 부피(ca. 100 mL)를 갖는 조류 현탁액을 압력 실린더에 옮기고 모터가 부착된 교반기를 이용하여 100 rpm으로 교반하였다. 순환 수조가 연결된 워터 재킷을 이용하여 반응조의 온도를 30℃로 유지하였다. 반응기 내부에 5 내지 15 atm의 공기 압력을 가하였으며, 가압 조건하에서 성장한 세포를 대조군으로 대기압 하에서 성장한 세포와 비교분석하였다. The algae suspension having a known concentration and volume (ca. 100 mL) was transferred to a pressure cylinder and stirred at 100 rpm using a motorized stirrer. The temperature of the reactor was maintained at 30 캜 by using a water jacket connected to the circulating water bath. Air pressure of 5 to 15 atm was applied inside the reactor and cells grown under pressurized conditions were compared with cells grown under atmospheric pressure as a control.

실험예Experimental Example 1: 분석 방법 및 고찰 1: Analysis method and consideration

바이오매스 농도는 OD660 값을 인자(factor) 0.2244로 곱하여(multiplying) 계산하였다. 이때, 인자(factor) 0.2244는 OD660 값 대 세포건조무게(dry-cell weight; DCW)의 변이(variation)의 플롯으로부터 계산된 값이다. OD는 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis spectrophotometry, Optizen 2120UV, Mecasys Co., Korea)로 측정하였다. 세포건조무게(DCW)를 측정하기 위하여, 원(fresh) 시료는 무게를 측정해 놓은 GF/C 필터(Whatman, UK)를 이용하여 각각 다른 생장 시간에 여과하였으며, 여과 후 증류수로 두번 세척하고 105℃에서 2시간 동안 건조하여 무게를 측정하였다. 필터무게를 제외하고 세포건조무게(DCW)를 계산하였다.The biomass concentration was calculated multiplying OD 660 by a factor of 0.2244. Here, the factor 0.2244 is a value calculated from a plot of OD 660 value vs. dry-cell weight (DCW) variation. OD was measured with UV-Vis spectrophotometry (Optizen 2120UV, Mecasys Co., Korea). To measure the cell dry weight (DCW), fresh samples were filtered at different growth times using a weighted GF / C filter (Whatman, UK), washed twice with distilled water, Lt; 0 &gt; C for 2 hours to measure the weight. Cell dry weight (DCW) was calculated excluding the filter weight.

실시예 2에 따른 압력실험 이후, 세포를 원심분리(3800xg, 10분)하여 수거하고 동결건조기(FD5512, IlShin BioBase Co., Korea)를 이용하여 4일 이상 동결건조하였다. Example After a pressure test according to the second, the cells collected by centrifugation (3800x g, 10 min.) And by using a freeze-dryer (FD5512, IlShin BioBase Co., Korea) were freeze-dried for more than 4 days.

약 10 mg의 건조 세포로부터 추출한 총 지질을 5 mL 클로로포름/메탄올(2:1 v/v)에 혼합한 후 6시간 동안 격렬하게 교반하였다. 격렬하게 교반하는 상태에서 2 mL 증류수를 5분간 첨가하고 4000xg로 원심분리하였다. 원심분리 후, 아래의 유기층을 분리하고 0.2 μm PTFE 필터가 부착된 플라스틱 실린지(Minisart SRP15, Satorius Stedium, Germany)로 여과한 후, 회전 진공 증발기(EZ2 PLUS, Genevac Ltd., UK)로 건조하였다. Total lipids extracted from about 10 mg of dry cells were mixed in 5 mL of chloroform / methanol (2: 1 v / v) and vigorously stirred for 6 hours. In vigorous stirring, 2 mL of distilled water was added for 5 minutes and centrifuged at 4000 x g . After centrifugation, the following organic layer was separated and filtered through a plastic syringe (Minisart SRP15, Satorius Stedium, Germany) with a 0.2 μm PTFE filter and dried with a rotary vacuum evaporator (EZ2 PLUS, Genevac Ltd., UK) .

TAG를 정량하기 위하여, 지질 추출물을 약 50 μL의 클로로포름에 재용해시킨 후 TLC판(Silica gel Al foils, Fluka, USA)에 로딩하였다. TLC판에서 중성 지방을 분리하기 위하여, 헥산/디에틸 에테르/아세트산 혼합 용매(80/30/1, 부피로)로 전개하였다. 아세톤:증류수(4:1, v/v)에 용해된 0.01%(w/v) 프리뮬린(primuline, Sigma) 용액을 분사하여 UV하에서 지질 스팟(lipid spot)을 확인하였다. TAG 밴드를 TLC판으로부터 수거하고 정량하였다. 정량은, 밀도계측(densitometry) 및 ImageJ 소프트웨어(RSB, USA)를 이용한 이미지 분석, 또는 에스테르교환반응(transesterification) 후의 가스크로마토그래피(GC) 분석을 통해 수행하였다.To quantify the TAG, the lipid extract was redissolved in about 50 μL of chloroform and loaded onto a TLC plate (Silica gel Al foils, Fluka, USA). In order to separate the triglyceride from the TLC plate, it was developed with a hexane / diethyl ether / acetic acid mixed solvent (80/30/1, by volume). Acetone: Lipid spot was confirmed under UV by spraying 0.01% (w / v) primuline (Sigma) solution dissolved in distilled water (4: 1, v / v). The TAG band was collected from the TLC plates and quantitated. Quantitation was performed by densitometry and image analysis using ImageJ software (RSB, USA) or by gas chromatography (GC) analysis after transesterification.

TAG의 지방산 함량은 직접적인 에스테르교환 방법으로 측정하였다. 상기에서 수거된 TAG 밴드를 10분에 걸쳐 2 mL 클로로포름/메탄올(2:1 v/v)에 첨가한 후 격렬하게 교반하였으며, 교반 후, 1 mL 클로로포름, 내부표준물질(500 mg/L)로서의 헵타데칸산(heptadecanoic acid), 1 mL 메탄올 및 300 μL 황산(95%)을 차례대로 첨가하고 5분간 잘 교반한 후 100℃에서 10분간 방치하였다. 추가적으로 1 mL의 증류수를 첨가하고 격렬하게 혼합한 후, 실온으로 냉각하고 4000xg로 원심분리하였다. 원심분리 후, 아래의 유기층을 분리하고 0.2 μm PTFE 필터가 부착된 플라스틱 실린지로 여과하였다. The fatty acid content of TAG was measured by direct transesterification. The TAG band collected above was added to 2 mL of chloroform / methanol (2: 1 v / v) over 10 minutes and vigorously stirred. After stirring, 1 mL of chloroform, Heptadecanoic acid, 1 mL of methanol and 300 μL of sulfuric acid (95%) were added in this order, and the mixture was stirred well for 5 minutes and left at 100 ° C. for 10 minutes. An additional 1 mL of distilled water was added and mixed vigorously, then cooled to room temperature and centrifuged at 4000 x g . After centrifugation, the following organic layer was separated and filtered through a plastic syringe with a 0.2 μm PTFE filter.

FAME는 FID 검출기(frame ionization detector) 및 HP-INNOWax 캐필러리 컬럼(0.32 mm(I.D.) x 30 m, Agilent Technologies, USA)이 부착된 가스크로마토그래피(GC)를 이용하여 분석하였다. 상세한 GC 분석 조건은 선행문헌에 기재된 내용을 참고하였다(Na et al., Biotechnology letters, 2011, 33(5), 957).FAME was analyzed using a gas chromatograph (GC) with a FIM detector (frame ionization detector) and an HP-INNOWax capillary column (0.32 mm ID x 30 m, Agilent Technologies, USA). Detailed GC analysis conditions are described in the prior art (Na et al., Biotechnology Letters , 2011, 33 (5), 957).

도 6은 실시예 2에 따라 상이한 압력을 가한 미세조류 Chlorella sp. KR-1에서 시간 경과에 따른 상대적인 TAG 함량을 표시한 것이다. 이때, 대조군(1기압)의 0시간에서의 TAG 값을 100%로 하여, 상대적인 TAG 함량을 나타낸 것이다. 이 경우, 가압 시간은 2시간 정도가 TAG 함량 증가 측면에서 가장 효율적이었다.Fig. 6 is a graph showing the results of microalgae Chlorella sp. The relative TAG content of KR-1 over time is shown. Here, the TAG value at 0 hour of the control (1 atm) was regarded as 100%, and the relative TAG content was shown. In this case, the pressing time was about 2 hours, which was the most effective in terms of increasing the TAG content.

도 7은 상이한 바이오매스 농도의 미세조류 Chlorella sp. KR-1 에서 TGA의 FAME 함량에 대한 가압 효과(TAG 양 변화)를 도시한 그래프이다. 고농도 100g cell/L로 처리했을 경우에도 TAG양이 증가하였으며, 이는 본 발명이 process 측면에서 큰 이점이 있다는 것을 뒷받침해준다.Figure 7 shows the microalgae Chlorella &lt; RTI ID = 0.0 &gt; sp . (TAG amount change) with respect to the FAME content of TGA in KR-1. The amount of TAG was also increased when treated with a high concentration of 100 g cell / L, which confirms that the present invention has a great advantage in the process aspect.

도 8은 Chlorella sp. KR-1에 가압과 함께, (a) 50 ppm Fenpropimorph; (b) 1M NaCl; (c) high light(200 μmol/m2·s) 를 가했을 때 TGA의 FAME 함량에 대한 결합된 가압 효과를 도시한 그래프이다. 이때, 대조군은 TAG양 증가를 위해 각 그래프 도 8 (a)(b)(c)에서 적용된 압력으로 가압 스트레스만 준 경우이다. 압력만을 스트레스로 줄 경우 보다 기존에 TAG를 증가시키는 것으로 알려진 NaCl, Fen.(화학물질), high light 등의 스트레스 인자를 함께 가했을 경우 TAG가 더 증가하였다. 8 is Chlorella sp. With KR-1 pressure, (a) 50 ppm Fenpropimorph; (b) 1 M NaCl; (c) A graph showing the combined pressurizing effect on the FAME content of TGA when high light (200 μmol / m 2 · s) was applied. In this case, the control group was subjected to pressure stress only at the pressures applied in FIGS. 8 (a), 8 (b) and 8 (c) for increasing the amount of TAG. The TAG was increased when the stress factors such as NaCl, Fen. (Chemical substance) and high light were added together, which is known to increase the TAG rather than the stress only.

도 9는 실시예 2에 따라 Chlorella sp. KR-1 에 가압한 경우 지질 조성 변화((a) 세포의 총 지질 함량; (b) 상이한 클래스들에 상대적인 지질 함량)를 도시한 그래프이다. 총 지질 함량은 압력인자에 따라 변하지 않았다. 변하는 양은 중성 지질(Neutral lipid) (주로 TAG)이므로, 이로부터 당지질(Glycolipids)(MGDG/DGDG - rich in DAG)에서 Neutral lipid (TAG)로 변환이 유도되었다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 세포 및 이의 소기관(Chloroplast/mitochondria/endoplasmic reticulum) 의 세포막으로부터 가압에 의해 지질 자리이동(translocation)이 유도되었다. Fig. 9 is a graph showing the results of the measurement of Chlorella sp. (A) the total lipid content of the cells; and (b) the lipid content relative to the different classes) when subjected to KR-1. Total lipid content did not change with the pressure factors. It can be seen from this that the change from Glycolipids (MGDG / DGDG - rich in DAG) to Neutral lipid (TAG) is induced from this because the variable amount is Neutral lipid (mainly TAG). That is, as shown in FIG. 4, the translocation of lipids was induced by the pressurization from the cell membrane of the cell and its organelle (chloroplast / mitochondria / endoplasmic reticulum).

Claims (11)

미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 제조방법에 있어서,
미세조류에 5 내지 15 atm의 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 미세조류 내 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
In the method for producing triglyceride (TAG) in microalgae,
And applying a pressure stress of 5 to 15 atm to the microalgae to convert the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride in the microalgae.
미세조류에서의 트리글리세라이드(TAG) 제조방법에 있어서,
일정기간 미세조류를 증식 배양하는 제1단계; 및
상기 제1단계와 구별하여, 일정기간 미세조류에 5 내지 15 atm의 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 미세조류 내 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 제2단계
를 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
In the method for producing triglyceride (TAG) in microalgae,
A first step of growing and culturing microalgae for a predetermined period of time; And
A second step of converting the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride in the microalgae by applying a pressure stress of 5 to 15 atm to the microalgae for a certain period of time,
&Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서, 미세조류에 압력 스트레스를 가해 미세조류 내 트리글리세라이드 축적(accumulation)을 유도하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
The method according to claim 1 or 2, wherein pressure stress is applied to the microalgae to induce triglyceride accumulation in the microalgae.
제1항 또는 제2항에 있어서, 압력 스트레스와 함께, 펜프로피모르프(fenpropimorph) 화합물 스트레스, 삼투압 스트레스, 및 광 스트레스로 이루어진 군에서 선택된 일 이상의 스트레스를 추가로 가해 미세조류 내 트리글리세라이드 축적을 더욱 증가시키는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2, further comprising the step of adding one or more stresses selected from the group consisting of fenpropimorph compound stress, osmotic stress, and light stress together with pressure stress to cause accumulation of triglyceride in the microalgae By weight of the triglyceride.
제2항에 있어서, 1 일 내지 14 일 동안 제1단계를 수행하고, 1 시간 내지 10 시간 동안 제2단계를 수행하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method of claim 2, wherein the first step is performed for 1 to 14 days, &Lt; / RTI &gt; wherein the second step is performed during the second step.
[청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][7] has been abandoned due to the registration fee. 제2항에 있어서, 제1단계 및 제2단계는 동일한 반응기 또는 각각 분리된 반응기에서 수행하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method of claim 2, wherein the first step and the second step are performed in the same reactor or in separate reactors, respectively.
제2항에 있어서, 제2단계 이전에 배양배지로부터 미세조류를 회수하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method of claim 2, further comprising the step of recovering the microalgae from the culture medium prior to the second step.
제1항 또는 제2항에 있어서, 10 내지 100 g cell/L의 미세조류 세포농도 및 10 내지 15 atm의 가압 하에 미세조류 내 트리글리세라이드 축적(accumulation)을 유도하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2, wherein triglyceride accumulation in microalgae is induced under microbial cell concentration of 10 to 100 g cell / L and pressure of 10 to 15 atm.
제1항 또는 제2항에 있어서, 압력 스트레스를 가한 미세조류를 분말화 또는 오일 추출하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 트리글리세라이드 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2, further comprising pulverizing or oil-extracting the microalgae subjected to pressure stress.
미세조류에서 바이오디젤을 생산하는 방법에 있어서,
일정기간 미세조류를 증식 배양하는 제1단계;
상기 제1단계와 구별하여, 일정기간 미세조류에 5 내지 15 atm의 압력 스트레스를 가해 세포막에 결합되어 있는 극성 지질을 미세조류 내 트리글리세라이드의 형태로 전환시키는 제2단계; 및
트리글리세라이드부터 바이오디젤을 전환시키는 제3단계
를 포함하는 것이 특징인 바이오디젤 생산방법.
A method for producing biodiesel from microalgae,
A first step of growing and culturing microalgae for a predetermined period of time;
A second step of converting the polar lipid bound to the cell membrane into the form of triglyceride in the microalgae by applying pressure stress of 5 to 15 atm to the microalgae for a predetermined period of time; And
The third step of converting biodiesel from triglyceride
The method comprising the steps of:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102299183B1 (en) * 2017-08-10 2021-09-08 더 유니버시티 오브 브리티쉬 콜롬비아 Method for preparing lipid in microalgae using amino acid supplementation
KR102107539B1 (en) * 2019-12-18 2020-05-07 송성은 Method for Manufacturing Microalgae Micro Powder Containing Astaxanthin and Fatty Acids with Enhanced Penetration Performance and Food Availability

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080188676A1 (en) * 2006-09-14 2008-08-07 Anderson Gregory A Methods of robust and efficient conversion of cellular lipids to biofuels

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080188676A1 (en) * 2006-09-14 2008-08-07 Anderson Gregory A Methods of robust and efficient conversion of cellular lipids to biofuels

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230045219A (en) 2021-09-28 2023-04-04 경북대학교 산학협력단 New green algae originating from Ulleungdo and biodiesel production method using the same

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