KR102171969B1 - 미세조류 대량배양시설 및 운영방법 - Google Patents

미세조류 대량배양시설 및 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한국형 미세조류 대량배양시설 및 운영방법에 관한 것으로, 본 한국형 미세조류 배양 방법은 미세조류 바이오매스의 경제적인 생산과 더불어 이산화탄소 고정을 통한 수질 개선을 할 수 있는 수질정화시설 및 공단 배기가스 포집시설과 연계하여 다양하게 활용할 수 있을 것이다.

Description

미세조류 대량배양시설 및 운영방법{Mass cultivation system for microalgae and its operation techniques}
본 발명은 미세조류 대량배양시설 및 운영방법에 관한 것이다.
미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소(CO2)를 고정하여 다양한 세포 생체분자(예: 바이오 연료, 항산화물질, 건강기능식품, 동물/물고기 사료 및 비료)로 전환 시킬 수 있는 능력을 갖고 있기 때문에 근래에 들어 높은 관심을 받고 있다. 따라서 상술한 유용물질들을 생합성 할 수 있는 적합한 특성을 갖는 미세조류 균주들을 분리 및/또는 개발하기 위한 연구들이 다양하게 시도되어 왔다. 미세조류 바이오매스 대량생산에는 개방형 수로형 연못(open pond raceways, OPRs)과 폐쇄형 광생물반응기(closed photobioreactors, PBRs) 두 가지 주요 시스템이 운영되고 있다. 우수한 확장성과 낮은 초기 투자 및 운영비용으로 인해 현재 대부분의 대량배양 미세조류 바이오매스는 OPR에서 생산된다. 하지만, OPR은 온도, 바람, 강우량, 일조량 등의 지리환경적 영향과 박테리아, 동물플랑크톤, 다른 조류 종 등에서 기인한 생물학적 요인들로 인해 관리가 쉽지 않기 때문에 특정 균주만을 배양하거나 특정물질에 대한 한정적 생산에는 적합하지 않다. 이러한 환경적인 요인들로 인한 낮은 생산성은 OPR을 이용한 산업적 규모의 미세조류 생산에 장벽이 되고 있어 이를 극복하기 위하여 효율적이고 경제적인 배양법의 개발이 요구되어 있다.
대한민국 등록특허 (0001) KR 10-1479029
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바이오매스로 이용할 수 있는 미세조류를 효과적으로 생산하기 위하여 한국의 기후와 지형에 특화된 한국형 미세조류를 대량으로 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene) 커버를 이용하여 구축한 raceway 배양시설에 수차(paddle wheel)를 이용하여 0.1 ∼ 1.0 m/s의 유속을 발생시켜 토착 미세조류를 대량으로 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 배양시설은 75.0m (L) X 9.0m (W) X 0.35m (H)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 배양시설은 계절에 따라 반투명 필름의 개폐를 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 미세조류는 코엘라스트렐라(Coelastrella) 속, 마이크락티니움(Micractinium) 속, 아쿠토데스무스(Acutodesmus) 속 또는 슈도페디아스트럼(Pseudopediastrum) 속인 것인 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 미세조류는 바이오매스로 이용할 수 있는 것 일 수 있다.
도 1은 미세조류 바이오매스 생산을 위한 파일럿 연구 배양시설의 개략도를 나타낸 것이다: OPR : open pond raceway; SCR : small-scale raceway
도 2는 칠곡군 농업기술센터의 내 raceway 배양시설을 나타낸 사진이다: OPR #1, OPR #3, 수확 시스템, CO2 공급 시스템.
도 3은 용존공기부상설비(DAF)를 이용하여 수확한 미세조류 바이오매스 페이스트를 나타낸 사진이다.
도 4는 OPR #1 및 #3에서 우점 미세조류와 포식자 종의 계절적 천이를 나타낸 표이다.
도 5는 OPR #1 및 #3에서 월간 평균 수온과 바이오매스의 생산성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 4계절이 뚜렷한 한국의 기후와 지형에 적합한 저비용 고효율 미세조류 대량배양시설 구축 및 배양방법을 제시한다. 기존의 콘크리트를 활용한 고가의 raceway 배양시설 대신 저렴하며 내구성이 뛰어난 HDPE를 이용하여 배양시설 구축 단가를 절감하였으며 일광시간 중 적절농도의 이산화탄소(CO2) 공급과 배양 대상균주에 특화된 영양염 공급 등을 통하여 한국의 기후에 적합한 고농도 미세조류 배양기술을 개발하였다. 본 배양시설은 한국의 계절에 따라 반투명 필름의 개폐를 조절하여 미세조류를 대량으로 배양할 수 있음을 확인하였다. 용존공기부상설비(Dissolved air flotation, DAF)를 이용하여 대용량 원심분리법 대비 현저하게 낮은 바이오매스 수확비용 절감 가능성 역시 제공하였다. 본 발명은 4년간의 대량배양 노하우를 바탕으로 바이오연료, 항산화물질, 동물사료, 비료 등 다양한 유용물질의 소재로 활용될 수 있는 미세조류 바이오매스의 경제적인 생산과 더불어 이산화탄소 고정을 통한 탄소배출권 확보 및 배양액 내의 전질소 및 전인 등을 제거할 수 있는 수질개선의 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 한국형 미세조류 대량배양시설 및 배양기술은 수질정화 및 공단지역의 배기가스 포집시설과의 연계 가능성을 제시하고 있어 향후 높은 활용 가능성이 예상된다.
< 실시예 1> 실험 방법
<1-1> 담수 미세조류 대량배양을 위한 파일럿 연구 시설 건설
담수 미세조류 대량배양 시설은 대한민국 국토의 중앙부에 위치하며 연평균 2,311 시간의 일조량을 가진 칠곡군농업기술센터(36°02 '18.91 "N, 128°22'57.71"E, 경북 칠곡군 약목면 동안리)에 건설되어 2014년부터 2016년까지 진행되었다. 건설비용을 줄이기 위해, 땅을 파고 흙다짐작업을 한 후 2 mm 두께의 자외선 내성 HPDE를 2개의 동일한 675.0 m2 OPR(#1 및 #3)을 구축하는데 사용하였으며(도 1 및 2), 장마철과 혹한기와 같은 악천후 조건을 피하기 위하여 OPR #1에는 반투명 필름을 이용한 비닐하우스 시설을 구비하였다. 이러한 2개의 시설에서 바이오매스 수율, 우점 미세조류 및 포식자 조성 변화 및 영양염 소모량 등을 비교하였다.
또한, 526.5 m2 OPR(#2)은 미세조류 종균 배양준비 및 바이오매스 수확용 보조시설의 용도로 구축하였다. 반자동 미세조류 수확 시스템인 용존공기부상설비(DAF, (주)동신이엔텍, 양산, 한국)를 설치하였다(도 2).
<1-2> OPR 운영 조건
SCR에서 배양시킨 Coelastrella 배양액을 각 OPR에 10% (v/v) 농도로 접종한 후, 우점 미세조류 변화와 및 동물 플랑크톤 포식자의 출현에 대하여 형태적 및 분자적 분석기법을 통해 정기적으로 모니터링하였다. 미세조류 배양액의 조성은 수용성 복합비료 Eco-Sol (N-P-K: 25-9-18, 동부팜한농, 울산, 한국)과 인산가리 비료(N-P-K: 0-52-34, 상록화학, 대구, 한국)를 각 OPR에 15.0-30.0 mg 총질소(total nitrogen, TN)/L 및 3.0-6.0 mg 총인(total phosphate, TP)/L 농도가 되도록 첨가시켰다. 미세조류와 영양염의 원활한 순환을 위하여 0.25 m/s의 유속을 발생시킬 수 있도록 수차를 회전시켜 배양액을 교반시켰다. 바이오매스 수확 시에 미세조류 배양액의 약 2/3 가량을 용존공기부상설비(도 3)를 이용하여 탈수하여 페이스트 형태로 수확하였고 남은 1/3의 배양액은 접종원으로 재사용하고 수확된 배양액과 동량의 지하수를 OPR에 채운 뒤 상술한 영양염의 농도가 되도록 비료를 공급하였다. 광합성이 일어나는 낮 시간 동안에는 약 10.0 L/min CO2를 벤투리(Venturi) 시스템을 통해 OPR에 폭기시켜(도 2) 추가적인 탄소원을 공급함으로써 미세조류 바이오매스 생산성을 극대화시켰다. 상술한 조건으로 연중 지속적인 미세조류 배양을 실시하였으나 OPR #3은 수차 날개 바퀴의 동결로 인해 가동이 중지되었으며 동절기 3개월은 전체 생산성 평균 계산에서 제외하였다. 2015년 9월부터 2015년 11월까지 배양시설 전체 보수작업으로 인해 가동이 중지되어 역시 전체 생산성 평균 계산에서 이 기간을 제외하였다.
<1-3> OPR 모니터링
미세조류 배양액 시료는 각 OPR에서 3개의 다른 위치에서 매 3일마다 채집하여 광학현미경(Nikon Eclipse E100 Biological Microscope, Tokyo, Japan)을 이용하여 1,000X 배율에서 검경하였다. 미세조류 세포의 밀도는 분광광도계(X-ma 1200 V, Human, 서울, 한국)에 의해 680 nm에서 측정하였고, 건중량(g dry weight/㎡-day)은 각 OPR의 미세조류 성장을 모니터링하기 위해 측정되었다. 우점 포식자 역시 광학 현미경 검경을 통해 관찰하였다. TN과 TP 농도는 배양액 샘플을 HS-TN(CA)-L과 HS-TP-L 수질 테스트 키트(Humas, 대전, 한국)를 사용하여 분석하였다. 또한, 용존산소, pH 및 수온은 매 3시간 마다 WQC-24 수질측정기(DKK-TOA, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하여 OPR 내 수질 조건에 대한 정보를 기록하였다.
<1-4> 우점 미세조류의 순수분리 및 동정
OPR로부터 각 시기 별 대표 우점 미세조류 종을 분리하고 동정하였으며 연구실 자체 균주은행에 추가시켜 보존·관리 중에 있다. OPR로부터 미세조류를 분리하기 위해 약 1.5 mL의 배양액을 3,000 g에서 15분간 원심분리(Centrifuge 5424, Eppendorf, Germany)하여 미세조류와 오염세균 등을 분리하고, 광범위 항생제 메로페넴(20 ㎍/mL)을 함유한 BG-11 한천배지에 획선분획한 후 16:8시간의 명암주기로 25℃에서 배양하였다. 배양한 단일집락(single colony)은 순수 배양체가 분리될 때까지 새로운 BG-11 한천배지로 획선분획하는 과정을 반복한 후 얻어진 순수 배양체균주들을 KNUA036∼040으로 명명하였다. 이어서 NS1/NS8 및 ITS1/ITS4 프라이머 조합을 이용하여 각 분리 균주들의 분자적 동정을 속(屬, genus) 수준까지 수행하였다. 하기 표 1에 각 미세조류의 동정결과를 제시하였으며 염기서열 데이터는 GenBank에 기탁하였다(KT883906∼KT883913, KY654753 및 KY655002).
미세조류
균주		 마커
유전자		 GenBank accession
번호		 크기
(bp)		 유사균주 오버랩
(%)		 유사도
(%)		 동정결과
KNUA036 18S
rRNA		 KT883906 1771 Micractinium sp . KNUA034(KM243325) 100 99 Micractinium sp.
ITS KT883910 721 Micractinium sp . KNUA034(KM243327) 100 99 Micractinium sp.
KNUA037 18S
rRNA		 KT883907 1768 Coelastrella sp . SAG 2471 (KM020087) 99 99 99 99 Coelastrella sp.
ITS KT883911 699 Chlamydomonas moewusii (JX290025)a 99 100 -
KNUA038 18S
rRNA		 KT883908 1767 Acutodesmus obliquus
GS3e (AB917118)		 99 100 Acutodesmus sp.
ITS KT883912 695 Acutodesmus nygaardii
CCAP 276/50 (JQ082320)		 100 99 Acutodesmus sp.
KNUA039 18S
rRNA		 KT883909 1765 Pseudopediastrum integrum Mj2008/86 (HM021309) 98 99 Pseudopediastrum sp .
ITS KT883913 707 Pseudopediastrum integrum Mj2008/86 (HM021309) 97 99 Pseudopediastrum sp .
KNUA040 18S
rRNA		 KY654753 1766 Tetracystis vinatzeri
SAG 22.95 (JN903998)b 		100 99 -
ITS KY655002 662 Chlamydomonadaceae sp . MCWWS36 (KP204578) 100 99 Chlamydomonadaceae sp .
a 두 번째 유사균주 Coelastrella sp. shy-188 (AB762691).
b KNUA040 균주는 eyespot 또는 flagella와 같은 일반적인 Chlamydomonas 속의 형태적 특징을 가짐. 두 번째 유사균주는 Chlamydomonas monadina CCAC 0015 (FR854380).
<1-5> 미세조류 바이오매스 수확
OPR 내 배양액이 대수기 후반 또는 정지기 초반 상태로 진입했을 때, 바이오매스를 17% 폴리염화 알루미늄(금성 E & C, 안산, 한국)으로 탈수시킨 후 응집부양을 실시하였다. 이 과정을 통해 얻어진 미세조류 페이스트를 동결건조시킨 후 -20℃에서 보관하였다.
<1-6> 미세조류 바이오매스의 특성 분석
동결건조된 미세조류를 막자사발로 분쇄하고, ASTM No. 230 mesh (체눈의 크기 = 63 μm)로 체를 쳐 균질화 시켰다. 각 시료의 총 지질 함량은 sulfo-phospho vanillin colorimetric법으로 분석하였다. 탄소(C), 수소(H) 및 질소(N) 함량은 원소분석기(Flash 2000, Thermo Fisher Scientific, Milan, Italy)로 측정하였다. 바이오매스의 총발열량(GCV, gross calorific value, 이하 CV)는 Friedl의 방정식을 사용하여 계산하였다: [CV (MJ / kg) = 3.55C2 - 232C- 2,230H + 51.2C × H + 131N + 20,600].
< 실시예 2> 실험 결과
<2-1> 우점 미세조류와 포식자 종 변화
본 연구에서 칠곡군 농업기술센터 내 미세조류 배양시설에서 자생하는 토착 미세조류의 우점을 유도하는 방법으로 경쟁력을 높여 바이오매스 생산성을 증대시켰다. ORP에 처음 접종한 Coelastrella는 2014년 여름 내내 우점하였고, Micractinium과 Acutodesmus 2014년 겨울과 봄에 가장 많이 서식하는 종이었으며, Pseudopediastrum과 Acutodesmus의 우점은 나머지 배양기간 내내 지속되었다(도 4). 한국의 기후는 사계절의 구별이 뚜렷하여 계절별 일조시간과 기온의 차이는 OPR 내 미세조류 우점종들의 변화에 가장 큰 영향을 미친다. 계절적 변화 외에 OPR에서 우점종의 가장 획기적인 변화를 가져왔던 요인은 2014년 10월부터 바이오매스 생산성의 증가를 위하여 추가적인 CO2 공급을 한 것이다. Coelastrella 속이 낮은 탄소 농도를 선호한다는 문헌은 아직까지 없었지만 Safarov et al. (2015)에 의하면 Pediastrum 속 균주들은 2% CO2 존재 하에서도 생장할 수 있다는 보고가 있어, OPR 내 중탄산염 농도 증가가 Pseudopediastrum 속이 우점하는 결과를 가져왔다고 추정하고 있다. 많은 문헌에서 Chlorella 속과 Scenedesmus 속의 균주들은 높은 농도의 CO2에서 생장할 수 있다고 보고되고 있으며 특히, S. obliquus의 경우 18%의 CO2 농도에서도 생장할 수 있다. OPR에서 미세조류 배양이 시작되어 안정화되고 나면 포식자의 출현과 그 개체수 증가는 불가피한 현상이다. 배양기간 내내 섬모충 원생동물인 Vorticella convallaria가 지속적으로 관찰되었고, 담륜충 Philodina 속이 관찰되기 시작하면 몇 개월 동안 지속되었다. 미세조류는 가시를 만들거나 군집 형성 등의 다양한 방어기작을 가진 것으로 알려져 있다. Scenedesmus 속은 포식자의 수가 늘어나 피섭식의 위협이 높아지면 가시(spine)의 길이를 증가시키고 세포들이 군집을 형성시킨다고 보고되고 있다. OPR 내 우점종 중 하나인 Acutodesmus는 Scenedesmus와 매우 유사한 형태적 특징을 가지고 있어 이러한 형태적 특성에 의한 자연적 선택에 의해 OPR 내에서 유리한 지위를 차지한 것으로 사료된다. 동절기에는 호냉성 Micractinium 속이 우점하였으며 포식자가 출현하면 강모(bristles)를 생산할 수 있어 Scenedesmus 속과 유사한 방어기작을 갖고 있다(도 4). Pseudopediastrum 속은 세포의 크기가 커서 포식자들이 섭식하기에 적합하지 않은 것이 우점할 수 있었던 요인으로 판단된다.
포식자는 대규모 미세조류 바이오매스 생산 산업에 있어 심각한 위협이 되고 있지만, 포식자에 의한 섭식은 효율적인 방어전략을 가진 유리한 종들이 우점할 수 있도록 하는데 도움을 줄 수 있다는 사실도 본 연구를 통해 밝혀졌다. 본 연구에서 바이오매스 생산에 사용된 균주들은 칠곡군 농업기술센터 내 배양시설의 토착균주들로서 대량배양 시에도 경쟁력이 높아 한국형 배양시설에 적합하며 향후 유사한 시설을 구축할 때 적용 가능한 전략이라고 기대된다.
<2-2> 바이오매스의 생산성과 특징
2014년 6월부터 2017년 1월까지 측정된 전체 바이오매스의 평균 생산성은 약 8.9 g 건중량 (DW)/m2-day, 지질함량은 12.8%, CV는 17.7 MJ/kg이었다. 일년 내내 재배하는 것은 OPR #1에서만 가능했는데 OPR #3은 겨울철에는 수차가 얼어서 배양을 진행할 수 없었다(표 4 참조). 그러나 OPR #3은 OPR #1보다 계절적인 바이오 매스 생산율이 더 높았다(도 5). 하기 표 2에 OPR #1의 배양결과를 나타내었으며, 하기 표 3에 OPR #3의 배양결과를 나타내었다. 최대 생산성은 2016년 하절기 OPR #3에서 29.3 g DW/m2-day로 나타났으며 이 기간 동안 바이오매스의 지질함량은 15.0%, CV는 20.1 MJ/kg으로 나타났다. 그러나 같은 기간 비닐하우스 내에 있는 OPR #1의 바이오매스 생산성은 15.0 g DW/m2-day 밖에 되지 않았다. 이는 온실을 덮고 있는 필름의 반투명한 특성 때문에 기인한 것으로 판단된다. 새 필름의 총 투과율은 약 90%에 이르지만 소재의 자연 노화와 먼지, 오염물질 등의 축적으로 인해 시간이 지남에 따라 투과율의 감소는 피할 수 없는 현상이다.
2년 6개월의 사용 후인 2016년∼2017년 동절기 평균 광 투과율은 약 77.9% (OPR #1: 777.0 μmol m-2 s-1, OPR #3: 997.5 μmol m-2 s-1) 수준에 그쳐 OPR #1의 자외선 조사 수준이 낮아진 것이 OPR #3에 포식자의 개체수가 많아진 이유 중 하나라고 추정하고 있다. 이와 더불어 2014년 8월 유례가 없이 길었던 장마로 인해 2014년 여름의 생산성은 현저히 떨어졌다. 이후 OPR #1에서 배양액 폐사가 두 차례 발생하였으며 이로 인해 OPR #1의 평균 생산성은 크게 떨어졌지만 같은 기간 OPR #3에서는 폐사가 일어나지 않았다. 지속가능한 미세조류 대량배양 기술 개발은 상업성을 가지기 위해서는 최소한 20∼30 g DW/m2-day의 연중 지속 바이오매스 수확량이 요구된다. 이러한 목표 생산성은 2016년 6월부터 2016년 9월까지만 달성되었다.
따라서 연중 생산성을 향상시키기 위해서는 기술개발을 위한 상당한 노력이 요구된다. 비용을 고려할 때, 동절기 배양이 가능할지라도, 반투명 필름으로 덮인 OPR은 한국의 환경에서 미세조류 바이오매스 대량생산을 위한 최적의 선택이 아니라고 결론지었다. 효율적인 개폐식 지붕 시스템을 설계한다면 OPR의 일조량을 최대화할 수 있을 것이다.
계절 월 생산성
(g DW/m2/day)		 지질
(%)		 CV (MJ/kg) 평균온도(℃) 영양분
소비량(mg/L)
TN TP
여름
2014		 6 7.1 7.5 13.9 25.5 8.4 4.2
7 5.4 5.4 13.0 28.1 8.6 3.3
8 4.0 6.8 17.1 25.9 6.9 3.2
평균 5.5 6.6 14.7 26.5 8.0 3.6
가을
2014		 9 1.1 6.8 13.6 25.9 9.5 4.5
10 2.6 11.5 13.8 16.4 8.1 1.4
11 3.4 13.9 18.0 13.7 10.7 1.4
평균 2.4 10.7 15.1 18.7 9.4 2.4
겨울
2014-5		 12 3.6 17.0 18.6 7.3 7.8 1.0
1 4.2 16.1 18.7 9.0 7.5 1.0
2 3.8 13.6 19.7 12.2 25.9 2.9
평균 3.9 15.6 19.0 9.5 13.7 1.6
봄
2015		 3 4.3 16.1 17.0 14.7 29.5 4.8
4 9.8 14.5 16.3 19.4 15.2 1.4
5 10.7 13.2 15.3 21.5 11.1 1.5
평균 8.3 14.6 16.2 18.5 18.6 2.6
여름
2015		 6 10.3 16.5 17.0 24.9 13.9 2.3
7 8.8 14.0 16.8 28.6 14.9 2.4
8 7.8 14.7 18.4 27.0 19.1 1.6
평균 9.0 15.1 17.4 26.8 16.0 2.1
겨울
2015-6		 12 1.2 10.9 17.6 10.2 8.5 2.6
1 1.5 11.2 18.5 6.6 5.7 1.5
1 1.7 11.6 18.5 11.0 4.2 1.2
평균 1.5 11.2 18.2 9.3 6.1 1.8
봄
2016		 3 2.0 10.5 16.5 18.5 7.3 2.2
4 4.3 10.7 16.3 21.5 7.1 2.1
5 10.6 15.9 20.2 25.6 10.5 2.9
평균 5.6 12.4 17.7 21.9 8.3 2.4
여름 2016 6 6.0 14.4 19.2 27.3 9.1 1.7
7 15.9 15.0 19.7 30.4 7.2 1.3
8 23.0 15.7 20.1 28.9 10.9 1.6
평균 15.0 15.0 19.7 28.9 9.1 1.5
가을 2016 9 12.1 16.2 20.4 24.1 10.2 1.3
10 6.7 17.8 19.8 18.5 6.9 1.0
11 6.2 14.4 20.2 12.0 7.2 1.1
평균 8.3 16.1 20.1 18.2 8.1 1.1
겨울
2016-7		 12 4.3 15.2 20.4 10.5 7.4 1.0
1 3.7 15.6 20.6 9.8 7.3 1.0
평균 4.0 15.4 20.5 10.2 7.4 1.0
전체 평균 6.4 13.2 17.8 19.1 10.6 2.0
계절 달 생산량
(g DW/m2/day)		 지질
(%)		 CV (MJ/kg) 평균온도(℃) 영양분 소비량 (mg/L)
TN TP
여름
2014		 6 6.0 6.6 14.2 25.1 6.8 4.4
7 8.7 5.8 13.0 28.9 6.2 3.6
8 4.5 6.6 13.7 26.3 9.8 3.2
평균 6.4 6.3 13.6 26.8 7.6 3.7
가을
2014		 9 8.9 6.5 18.2 24.2 8.8 3.6
10 10.0 7.0 15.2 16.9 10.1 2.8
11 4.5 12.2 18.2 7.7 15.4 1.7
평균 7.8 8.6 17.2 16.3 11.4 2.7
봄
2015		 3 7.8 13.0 17.0 13.9 16.0 2.8
4 8.5 13.6 17.4 18.5 14.1 2.6
5 10.3 13.3 16.9 23.5 15.3 2.7
평균 8.9 13.3 17.1 18.6 15.1 2.7
여름
2015		 6 15.1 15.8 17.2 25.7 14.6 2.6
7 10.4 13.9 17.6 27.4 13.8 2.2
8 17.1 14.4 18.7 28.0 17.0 2.0
평균 14.2 14.7 17.9 27.0 15.1 2.3
봄
2016		 4 5.4 10.4 17.1 16.9 14.1 2.4
5 7.6 13.8 18.4 21.8 11.2 3.0
평균 6.5 12.1 17.8 19.4 12.7 2.7
여름
2016		 6 33.7 15.5 20.2 25.4 11.0 2.1
7 23.8 14.0 19.8 29.2 11.6 2.0
8 30.5 15.5 20.4 27.4 13.3 1.0
평균 29.3 15.0 20.1 27.3 12.0 1.7
가을
2016		 9 22.0 17.2 19.9 23.9 9.4 2.0
10 11.8 16.5 20.6 17.8 11.0 1.9
11 8.9 12.9 18.4 11.4 7.9 1.3
평균 14.2 15.5 19.6 17.7 9.4 1.7
겨울
2016		 12 2.7 15.0 19.8 4.8 2.4 0.4
평균 2.7 15.0 19.8 4.8 2.4 0.4
전체 평균 12.3 12.4 17.7 21.2 11.4 2.4
추가적인 CO2 공급 없이 배양된 기간 동안 생산된 미세조류 바이오매스의 평균 CV (14.6 MJ/kg)는 육상식물 기원 바이오매스(17.0-20.0 MJ/kg) 보다 낮았다. 하지만, CO2를 공급한 후의 평균 CV (18.4 MJ/kg)는 육상 에너지 작물들의 CV에 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 원소 조성의 계절적 변화 또한 CO2 첨가 후에 C 및 H 함량이 증가함을 보였다. 따라서 미세조류 바이오매스의 생산성, 지질 함량 및 CV는 배양액 중 탄소원의 농도에 크게 영향을 받는다고 결론이 내려졌다. 화석연료의 연소로 생성된 발전소 배기가스가 아주 염가 또는 무료의 CO2 공급원으로 사용될 수 있기 때문에 추가 CO2는 본 연구에서는 비용으로 간주되지 않았다.
<2-3> TN/TP 소모 및 탄소 고정
하기 표 2에 나타난 바와 같이, 배양액 중 TN과 TP의 소모량은 주로 미세조류 종의 계절적 변화와 배양의 기간에 기인한다. 매 배양 시마다 평균 10.9 mg TN/L과 2.2 mg TP/L를 소모하였으며, 본 결과는 오·폐수가 부영양 배양액으로도 활용될 수 있음을 시사한다. Slade와 Bauen (2014)은 건중량 기준으로 약 1.0 kg의 미세조류를 생산할 때 약 1.83 kg의 CO2 고정의 효과가 있다고 보고하였다. 1개의 675 m2 OPR에서 연평균 약 2,189.3 kg 미세조류 분말이 매년 생산되었으며 이는 약 4,006.4 kg의 CO2가 바이오매스로 전환된 것으로 추산한다. 2015년 1월 12일 부산국제금융센터 한국거래소(KRX)에서 탄소배출권 거래시장이 처음 문을 열었다. 한국 거래소에 따르면 현재 탄소배출권의 가격은 CO2 톤당 25.0 달러이다. 한국 내에서는 현재 탄소배출권의 공급이 산업계의 요구를 충족시킬 수 없기 때문에 2016년 9월 이후 가격이 40%나 상승했다. 이로 인해 한국의 미세조류 기반 바이오매스 생산 산업은 탄소거래를 통해 추가적인 이윤을 얻을 수 있을 것이며 OPR의 쉬운 확장성과 도시 오·폐수 처리 시설에 배양 시스템 연계 가능성을 고려하면 향후 높은 발전 가능성이 생겼다고 판단된다.
계절 월 생산성
(g DW/m2/day)		 Lipid (%) CV (MJ/kg) 평균온도(℃) 영양분 소비량 (mg/L)
TN TP
여름
2014		 6 6.6 7.1 14.0 25.3 7.6 4.3
7 7.1 5.6 13.0 28.5 7.4 3.4
8 4.3 6.7 15.4 26.1 8.3 3.2
평균 6.0 6.5 14.1 26.6 7.8 3.7
가을
2014		 9 5.0 6.7 15.9 25.1 9.1 4.1
10 6.3 9.3 14.5 16.7 9.1 2.1
11 4.0 13.1 18.1 10.7 13.1 1.5
평균 5.1 9.7 16.2 17.5 10.4 2.6
겨울
2014-5		 12 3.6 17.0 18.6 7.3 7.8 1.0
1 4.2 16.1 18.7 9.0 7.5 1.0
2 3.8 13.6 19.7 12.2 25.9 2.9
평균 3.9 15.6 19.0 9.5 13.7 1.6
봄
2015		 3 6.1 14.6 17.0 14.3 22.7 3.8
4 9.2 14.1 16.9 19.0 14.6 2.0
5 10.5 13.3 16.1 22.5 13.2 2.1
평균 8.6 14.0 16.7 18.6 16.9 2.6
여름
2015		 6 12.7 16.2 17.1 25.3 14.3 2.5
7 9.6 14.0 17.2 28.0 14.4 2.3
8 12.5 14.6 18.6 27.5 18.1 1.8
평균 11.6 14.9 17.6 26.9 15.6 2.2
겨울
2015-6		 12 1.2 10.9 17.6 10.2 8.5 2.6
1 1.5 11.2 18.5 6.6 5.7 1.5
2 1.7 11.6 18.5 11.0 4.2 1.2
평균 1.5 11.2 18.2 9.3 6.1 1.8
봄
2016		 3 2.0 10.5 16.5 18.5 7.3 2.2
4 4.9 10.6 16.7 19.2 10.6 2.3
5 9.1 14.9 19.3 23.7 10.9 3.0
평균 5.3 12.0 17.5 20.5 9.6 2.5
여름 2016 6 19.9 15.0 19.7 26.4 10.1 1.9
7 19.9 14.5 19.8 29.8 9.4 1.7
8 26.8 15.6 20.2 28.2 12.1 1.3
평균 22.2 15.0 19.9 28.1 10.5 1.6
가을
2016		 9 17.1 16.7 20.2 24.0 9.8 1.7
10 9.3 17.2 20.2 18.2 9.0 1.5
11 7.6 13.7 19.3 11.7 7.6 1.2
평균 11.3 15.8 19.9 18.0 8.8 1.4
겨울
2016-7		 12 3.5 15.1 20.1 7.7 4.9 0.7
1 3.7 15.6 20.6 9.8 7.3 1.0
평균 3.6 15.3 20.3 8.7 6.1 0.9
전체평균 8.9 12.8 17.7 20.0 10.9 2.2
본 연구를 통해 상업적 규모의 담수 미세조류 연구 배양시설에서 한국에서의 미세조류 대량생산의 가능성을 보여 주었다. 토착 미세조류가 우점하여 자라도록 하여 경쟁력 있는 배양액으로 연중 지속배양에 성공하였다. 바이오매스의 생산성과 특성은 미세조류와 포식자 종의 변화와 배양액 내의 탄소 농도에 의해 크게 영향을 받았다. 수확된 미세조류의 CV는 (17.7 MJ/kg)는 육상식물 기원 바이오매스와 유사하여 생물 연료자원으로서 미세조류 바이오매스의 잠재력을 보여주고 있다. 우리는 현재 SCR에서 포식자의 유무여부에 따른 바이오매스 생산성 비교 실험을 수행하고 있으며 가까운 장래에 최대 675 m2의 OPR로의 확장을 계획하고 있다. 본 연구는 한국형 미세조류 대량배양 시스템에서 바이오매스 생산의 기회와 한계점을 모두 보여 주었고, 이 연구에서 얻어진 결과는 후속 연구를 위한 필요한 기반을 제공할 것으로 기대한다.

Claims (5)

  1. 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene)으로 제조한 배양시설에 수차(paddle wheel)를 이용하여 0.1 m/s ~ 1.0 m/s 유속을 발생시켜 아쿠토데스무스(Acutodesmus) 속 또는 슈도페디아스트럼(Pseudopediastrum) 속 미세조류를 대량으로 생산하는 방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1항에 있어서, 상기 배양시설은 75.0m (L) X 9.0m (W) X 0.35m (H)인 것인 미세조류를 대량으로 생산하는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 미세조류는 바이오매스로 이용할 수 있는 것인 미세조류를 대량으로 생산하는 방법.
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