KR20200092641A

KR20200092641A - 탄소자원화 방법

Info

Publication number: KR20200092641A
Application number: KR1020190009785A
Authority: KR
Inventors: 심상준; 유병선; 홍민의
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-04
Also published as: US11193100B2; US20200239913A1; KR102174090B1; KR102174090B9

Abstract

본 발명은 탄소자원화 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소이온(HCO₃ ^-)을 생성하는 단계(S100), (b) 상기 배지 내에 미세조류(microalgae)를 접종하고, 광배양하는 단계(S200), 및 (c) 상기 미세조류가 광배양되는 상기 배지 내에 칼슘이온(Ca² ⁺)을 공급하여, 탄산칼슘(CaCO₃) 함유 바이오매스를 제조하는 단계(S300);를 포함한다.

Description

탄소자원화 방법{METHOD FOR CARBON RESOURCE UTILIZATION}

본 발명은 탄소자원화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세조류 기반 바이오매스화 및 광물화 공정을 융합한 생물학적 탄소자원화 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

화석 연료의 사용에 따른 대규모 온실가스의 배출로 야기된 지구 온난화 현상은 인류를 비롯한 지구 생명체의 생존을 위협하고 있다. 이에 따라 이산화탄소 감축을 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술 (CCS, Carbon Capture & Sequestration) 개발이 전 세계적으로 활발히 진행중에 있다. CCS 기술은 화력발전소를 비롯한 다양한 탄소 배출원에서 방출되는 다량의 이산화탄소를 고농도로 포집한 후 지중이나 해저에 주입하여 대기로부터 격리시키는 방법이다. 이러한 CCS 기술은 단기간에 대량의 이산화탄소를 저감시키는 효과가 있으나, 안정적인 저장 문제, 위치 선정 및 높은 설치비용 등으로 인해 실질적인 CCS의 현실화가 어렵다. 이에 CCS 기술과 달리 이산화탄소를 저장이 아닌 산업적 용도로 직접 활용하거나 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU (Carbon Capture & Utilization) 기술이 최근 들어 각광받고 있다. 그 중에서도 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 광합성 미생물인 미세조류를 활용한 이산화탄소의 생물학적 전환 공정은 이산화탄소 감축과 동시에 바이오연료, 바이오플라스틱, 의약품 등 다양한 고부가 물질 생산이 가능한 경제적인 이산화탄소 저감 기술로 주목받고 있다. 식물성 플랑크톤이라 불리는 미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로 에너지 및 산업 소재 생산과 동시에 온실가스 저감이 가능한 자원으로 그 잠재력이 매우 큰 바이오매스 자원으로 관심을 받고 있으며 에너지·화학·환경 분야를 중심으로 미래에는 그 이용가치가 확대될 전망이다.

첫째, 에너지 분야에서 미세조류는 모든 바이오디젤 생산 작물 중 오일 생산성이 가장 우수하다. 대두, 유체, 해바라기, 오일팜 등은 재배 주기가 4~8개월인 반면 미세조류는 매일 수 배로 증식하여 1일 단위로 재배가 가능하며 단위 무게 당 지방 함량치도 높아 연간 오일 생산량이 대두의 100배 이상이다. 또한, 식량자원의 에너지화라는 비판에서 자유로운 생명자원으로, 석유계 디젤과 유사한 물성을 가진 바이오 연료를 생산할 수 있다.

둘째, 화학 분야에서 미세조류는 다양한 유용물질을 생산할 수 있는 장점이 있으며, 현재 식품 분야를 중심으로 산업화되어 있지만, 향후 바이오케미컬 및 바이오플라스틱 분야로 산업화가 확대될 전망이다. 단백질 함량이 높은 미세조류인 클로렐라, 스피룰리나, 클라미도모나스 외에도 아스타잔틴이라는 고부가가치 물질을 만들어내는 헤마토코쿠스 등을 활용해 각종 아미노산, 항산화물질, 지방산을 보충하는 건강기능식품이 상용화된 상태이다.

셋째, 환경 분야에서 미세조류는 상기에 기술한 것처럼 이산화탄소 저감이 가능하다는 측면에서 가장 큰 관심을 받고 있으며 세계적으로 관련 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 미세조류는 바이오매스 중량의 2배 정도의 이산화탄소를 흡수할 수 있으며 이는 육상 식물 대비 10 ~ 50배 높은 흡수 효율 수치이다. 또한, 미세조류는 특정한 토양이나 수질을 가리지 않고 배양이 가능하다. 이에 관련 기업들은 이산화탄소 저감 및 공장폐수 정화 사업에 미세조류를 활용하려는 시도를 확대하고 있다.

그럼에도 불구하고, 생물공정의 특성상 단위 면적당 CO₂ 저감 속도가 낮은 한계점을 가지고 있으므로 대량의 이산화탄소를 처리해야만 하는 온실가스 대량배출업체 측면에서 보았을 때 미세조류 기반 바이오매스화 공정은 이산화탄소 저감능력(capacity) 측면에서 향상이 필요하다. 이에 바이오매스화 공정의 단점을 극복하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.

KR

10-1872401

B1

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 미세조류 기반의 바이오매스화 및 광물화 공정을 융합한 확장된 생물학적 탄소자원화 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소이온(HCO₃ ^-)을 생성하는 단계; (b) 상기 배지 내에 미세조류(microalgae)를 접종하고, 광배양하는 단계; 및 (c) 상기 미세조류가 광배양되는 상기 배지 내에 칼슘이온(Ca² ⁺)을 공급하여, 탄산칼슘(CaCO₃) 함유 바이오매스를 제조하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 바이오매스는, 상기 칼슘이온이 상기 미세조류의 세포벽에 결합된 상태로 상기 탄산수소이온과 반응하여 상기 탄산칼슘을 생성하고, 상기 탄산칼슘 간의 비극성공유결합으로 상기 미세조류끼리 서로 연결되어 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 염기성 용액을 상기 배지에 공급하여, 상기 배지의 pH를 7.0 ~ 8.5로 유지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 염기성 용액은, 8 ~ 10 mM의 수산화칼륨(KOH) 수용액일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 상기 칼슘이온을 공급한 후에, 바이오 광물화가 유도되도록 염기성 용액을 1차 공급하여, 상기 배지의 pH를 7.0 ~ 8.5로 유지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 염기성 용액은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 미세조류는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나(Spirurlina) 속, 두나리엘라(Dunaliella) 속, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 네오클로리스(Neochloris) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속, 및 시아노박테리아(Cyanobacteria)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 이산화탄소의 공급을 중단하여 상기 바이오매스를 응집(flocculation)시키고, 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 칼슘이온은, 염화칼슘(CaCl₂) 수용액이 상기 배지에 투입되어 공급될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 염화칼슘 수용액의 농도는 0.03 ~ 0.06 M일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 1차 공급된 상기 염기성 용액은, 20 mM 이하의 수산화칼륨(KOH) 수용액일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 염기성 용액을 1차 공급한 후에, 바이오 광물화 및 화학적광물화가 함께 유도되도록 염기성 용액을 2차 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 2차 공급된 상기 염기성 용액은, 40 mM 이하의 수산화칼륨(KOH) 수용액일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 미세조류가 1.0 g/ℓ 이상 광배양되는 때에 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법에 있어서, 상기 탄산칼슘은, 나노입자(nanoparticle) 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 미세조류 배양 공정에 바이오 및/또는 화학적 광물화 공정을 융합하여 바이오매스를 제조함과 동시에 탄산칼슘을 얻을 수 있어 경제적이면서도 현저하게 이산화탄소를 저감할 수 있다.

또한, 서로 공유결합하는 탄산칼슘에 의해 미세조류의 무게가 증가하게 되므로, 이산화탄소 공급을 중단함으로써, 응집(flocculation)을 발생시켜 추가적인 에너지 소비 없이 바이오매스를 용이하게 회수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바이오매스화 및 바이오 광물화 공정이 융합된 실시예, 및 바이오 광물화가 일어나지 않은 비교예 각각에서 응집된 바이오매스의 사진이다.
도 3a는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3b는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 Energy Dispersive Spectrometer 분석 결과를 나타내는 그래프 및 이미지이다.
도 4는 실시예 및 비교예에서의 바이오매스 농도(biomass concentration)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에서의 클로로필 생산량(total chlorophyll)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예에서의 지방산 메틸에스테르(Fatty Acide Methyl Esters, FAME) 함량(FAME contents, %)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예에서의 탄산칼슘 생산량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 및 비교예에서의 산소 발생량을 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예에서의 염기성 용액의 농도에 따른 바이오매스 생산량을 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예에서의 셀 밀도(cell density), 알칼리도(Alkalinity), 탄산칼슘 농도(CaCO₃ concentration), 및 pH를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법의 공정도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소자원화 방법은 (a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소이온(HCO₃ ^-)을 생성하는 단계(S100), (b) 상기 배지 내에 미세조류(microalgae)를 접종하고, 광배양하는 단계(S200), 및 (c) 상기 미세조류가 광배양되는 상기 배지 내에 칼슘이온(Ca² ⁺)을 공급하여, 탄산칼슘(CaCO₃) 함유 바이오매스를 제조하는 단계(S300);를 포함한다.

본 발명은 대량의 이산화탄소 저감을 위해 미세조류를 활용하여 바이오매스를 얻음과 동시에 지질 고축적 유도 공정(Induction stage) 과정에서 칼슘이온 매개 광물화 유도를 통하여 경질탄산칼슘(calcite)을 추가로 생산함으로써, 이산화탄소 저감량을 획기적으로 증가시키고, 부수적으로 바이오매스 내 지질 함량을 현저히 증가시킬 수 있는 공정 기술에 관한 것이다. 종래 이산화탄소 감축을 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술은 안정적인 저장 문제, 위치 선정 및 높은 설치비용 등으로 현실화가 어려워지면서, 이산화탄소를 저장이 아닌 산업적 용도로 직접 활용하거나 부가가치가 높은 물질로 전환하는 CCU (Carbon Capture & Utilization) 기술이 각광받기 시작했으나, 광합성 미생물인 미세조류를 활용한 이산화탄소의 생물학적 전환 공정은 여전히 이산화탄소 저감 속도가 낮고, 대량의 이산화탄소를 처리하기 위한 이산화탄소 저감능력의 향상이 필요한바, 이에 대한 해결수단으로서 본 발명이 안출되었다.

구체적으로, 본 발명에 따른 탄소자원화 방법은, 이산화탄소 공급 단계(S100), 미세조류 접종 및 광배양 단계(S200), 및 칼슘이온 공급 단계(S300)를 포함한다.

이산화탄소 공급 단계(S100)는 배지에 이산화탄소를 공급하는 공정이다. 여기서, 배지는 반응 용기에 수용될 수 있고, 에어레이션(aeration)를 통해 배지에 이산화탄소를 공급할 수 있다. 배지에 이산화탄소가 공급되면, 이산화탄소와 물이 반응하여 탄산수소이온(HCO₃ ^-) 및 수소이온이 생성된다.

다음, 이산화탄소가 공급된 그 배지 내에 미세조류(microalgae)를 접종하여 광배양한다(S200). 미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로서, 본 발명에서는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나(Spirurlina) 속, 두나리엘라(Dunaliella) 속, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 네오클로리스(Neochloris) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속, 및 시아노박테리아(Cyanobacteria)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 접종된 미세조류는 상기 배지 내에서 광배양된다. 광배양됨에 따라서 미세조류 내에 지질이 고축적되는데, 이하 상기 과정을 지질 고축적 유도 과정(induction stage)이라고 한다. 이러한 미세조류의 배양 공정을 통해 이산화탄소의 저감이 이루어진다.

한편, 미세조류 접종 전에 배지에 염기성 용액을 공급할 수 있다(S150). 염기성 용액은 알칼리도(Alkalinity)를 높이기 위한 것으로, 이를 통해 미세조류의 광배양이 효과적으로 이루어지고, 탄산수소이온이 이온 상태를 유지할 수 있다. 염기성 용액은 배지의 pH가 7.0 ~ 8.5로 유지되도록 공급되는데, pH 7.5 ~ 8.0이 더욱 바람직하다. 알칼리도가 높아질수록 바이오매스에는 큰 영향이 없이 후술할 탄산칼슘의 생산성이 향상되어 이산화탄소 저감률 또한 현저하게 증가한다.

여기서, 염기성 용액은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있다. 일례로, 수산화칼륨(KOH) 수용액을 8 ~ 10 mM 농도로 배지에 공급하여 배지의 pH를 조절할 수 있다. 다만, 염기성 용액의 종류 및 그 농도가 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 미세조류의 종류, 배지의 성분, 이산화탄소 공급량 등을 종합적으로 고려하여 상기와 달리 정할 수도 있다.

미세조류 광배양을 통한 지질 고축적 유도 과정에서, 배지 내에 칼슘이온(Ca²⁺)을 공급한다(S300). 여기서, 칼슘이온과 탄산수소이온이 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)을 생성하는바, 본 과정은 바이오 광물화 공정으로서, 미세조류 광배양과 동시에 진행된다. 구체적으로, (-) 전하를 갖는 미세조류의 세포벽에 칼슘이온이 결합한 후, 녹아있는 탄산수소이온과 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)을 생성하게 되고, 이때 탄산칼슘 간에 비극성공유결합이 일어난다. 따라서, 미세조류끼리 서로 연결된 구조로, 탄산칼슘을 함유하는 바이오매스가 제조된다. 여기서, 탄산칼슘은 나노입자(nanoparticle) 형태로 형성될 수 있다. 바이오 광물화는 미세조류 내 CA(Carbon anhydrase) 효소를 활용하여 고체 무기물 탄산염으로 전환하는 방법으로, 미세조류 내 CA 효소가 이산화탄소와 물이 반응하여 수소 이온과 탄산수소이온이 생성되는 반응의 촉매제로 작용함으로써, 칼슘이온과 탄산수소이온이 반응하여 탄산칼슘이 생성되는 반응을 활성화한다.

이러한 지질 고축적 유도 과정에서의 칼슘이온 매개 바이오 광물화 유도를 통해 셀 밀도(cell density)가 증가하고, 미세조류 증가에 따른 이산화탄소 저감과 더불어 탄산칼슘 생성에 따라 추가적으로 이산화탄소가 저감된다. 부수적으로, 바이오매스 내 지질 함량도 현저히 증가하게 된다. 지질의 일례로는 오메가3를 들 수 있다.

여기서, 상기 칼슘이온은, 일례로 염화칼슘(CaCl₂) 수용액이 상기 배지에 투입되어 공급될 수 있다. 이때, 염화칼슘 수용액의 농도는 0.01 ~ 0.07 M, 바람직하게는 0.03 ~ 0.06 M일 수 있는데, 그 농도 범위에서 전술한 효과가 뚜렷하게 나타난다.

상기 칼슘이온의 공급은 지질 고축적 유도 단계에서 시행되는데, 그 단계는 미세조류가 1.0 g/ℓ 이상 광배양되는 때이다. 일례로, 미세조류가 1.0 ~ 1.5 g/ℓ 정도 배양된 때에 칼슘이온을 공급할 수 있다. 지질 축적 유도 단계 이전의 성장단계(Growth stage)에서 염화칼슘을 넣지 않은 이유는 탄산칼슘이 생성이 생성되면서 미세조류의 성장에 필요한 칼슘이온이 제대로 공급되지 않아 성장에 손실을 줄 수 있으며, 배지의 탁도가 증가하여 광합성 효율을 감소시켜 바이오매스 성장성 또한 감소시킬 수도 있기 때문이다.

한편, 칼슘이온, 탄산수소이온, 수산화이온이 결합하여 탄산칼슘과 물을 생성하므로, pH가 감소하게 된다. 또한, 이산화탄소가 용해되면서 탄산수소이온과 수소이온을 만들어 내므로 pH는 3.0 ~ 4.5로 더욱 감소하게 된다. 바이오 광물화는 pH 7.0 ~ 8.5 범위에서 진행될 수 있으므로, 칼슘이온을 공급한 후에, 염기성 용액을 1차 공급하여 배지의 pH를 7.0 ~ 8.5로 유지할 수 있다. 염기성 용액은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있다. 일례로, 1차 공급된 염기성 용액은 수산화칼륨 수용액으로서, 그 농도는 20 mM 이하일 수 있다.

상기 탄산칼슘은 바이오 광물화에 의해 생성되는데, 바이오 광물화와 함께 화학적 광물화를 유도하기 위해서, 본 발명에서는 염기성 용액을 1차 공급한 다음에, 추가적으로 염기성 용액을 2차 공급할 수 있다. 화학적 광물화는 화학반응을 통해 이산화탄소를 고체 무기물 탄산염으로 전환하는 기술로서, 이산화탄소를 액화시켜 용액 내에 칼슘이온을 공급함으로써 탄산칼슘을 생성할 수 있다. 즉, 본 발명은 바이오 광물화가 일어날 수 있는 수준 이상의 염기성 용액을 추가 공급함으로써, 화학적 광물화를 유도한다. 이때, 염기성 용액은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액일 수 있는데, 일례로 2차 공급된 염기성 용액은 수산화칼륨 수용액으로, 그 농도는 40 mM 이하일 수 있다. 농도가 40 mM를 초과하년 오히려 바이오매스 생산량이 저감되는바, 40 mM 이하가 바람직하다.

이렇게 탄산칼슘 함유 바이오매스가 조제되면, 이를 응집시켜 회수할 수 있다(S400). 본 발명에 따라 제조된 바이오매스는 탄산칼슘을 함유하고, 탄산칼슘 간의 비극성공유결합으로 전체적인 셀(cell)의 무게가 증가한다. 이로 인해 이산화탄소의 공급을 중단하면, 수 분 내로 응집(flocculation)이 일어나, 바이오매스가 배지에서 침강하여 분리된다. 이러한 바이오매스의 침강 분리를 통한 회수 공정에 의해 쉽게 바이오매스를 회수할 수 있으므로, 별도의 에너지가 소모되지 않는다.

이하에서는 구체적인 실시예 및 평가예를 통해 본 발명을 보다 상세하세 설명한다.

실시예 1: 실험장치 제작

일반적인 플라스크를 사용할 경우 이산화탄소가 용해될 수 있는 양이 적어지므로 이를 늘리기 위해 500 ㎖(가로 : 5cm, 높이 : 60cm) 매스실린더 10개를 준비하였다.

준비된 매스실린더의 주입구를 막고 가스 주입과 샘플링이 가능하도록 실리콘 재질의 다용도 입/출구를 사용하였다. 가스 라인과 샘플링 라인을 설치하기 위해 실리콘 재질의 다용도 입/출구에 2 ~ 3 ㎜의 구멍을 내고, 2개의 테플론 튜브를 매스실린더 높이에 맞게 절단하여 그 구멍 안으로 넣어주었다. 가스가 공급되는 테플론 튜브의 하단에는 stone 스파저를 연결하여 이산화탄소가 3% 포함된 air를 공급하였다.

실시예 2: 미세조류 광배양

배지는 TAP-C를 사용하였으며 매스실린더에 450 ㎖ 씩 주입한 후 에어레이션(aeration)을 진행하여 이산화탄소를 배지 내로 주입하였다. 배지 내 알칼리도(alkalinity)를 높이기 위해 9 mM의 KOH 수용액을 주입한 후 pH를 7.5 ~ 8 사이로 유지하였다. 미세조류는 Neochloris oleoabundans , Chlorella sorokiniana를 사용하였으며, 초기 접종량은 바이오매스 기준 0.05 g/ℓ로 하였고, 3일간 300 μE/m²/s 으로 광조사하였다. 최종 배양 부피는 500 ㎖로 하였다.

실시예 3: Induction stage에서의 바이오매스화 및 바이오 광물화 공정의 융합

각 균주 당 5개의 매스실린더를 사용하였으며 매스실린더 내 미세조류의 농도를 모두 동일하게 하기 위해 입구를 밀봉할 수 있는 5ℓ 유리 용기를 사용하여 이들을 섞어 준 후 다시 500 ㎖ 씩 재주입하였다. 지질을 축적하는 유도 단계에서, 즉 미세조류가 1.0 ~ 1.5 g/ℓ 배양되었을 때에 각각의 매스실린더에 CaCl₂수용액을 0.02M, 0.05M, 0.08M 농도로 넣어주었다. 10M KOH 수용액을 추가적으로 1 ㎖ 주입(즉, 20 mM KOH 수용액 1차 공급)하여 pH를 7.5 이상으로 유지하였다. 이로써, 탄산칼슘 함유 바이오매스를 제조하였다.

실시예 4: 바이오 광물화 및 화학적 광물화 동시 유도

실시예 3에서 추가적으로 KOH 수용액을 2차 공급하여 바이오 광물화와 함께 화학적 광물화를 유도하였다.

실시예 5: 바이오매스 회수

도 2는 본 발명의 바이오매스화 및 바이오 광물화 공정이 융합된 실시예, 및 바이오 광물화가 일어나지 않은 비교예 각각에서 응집된 바이오매스의 사진으로, 도 2의 (a)를 참고로, 미세조류의 세포벽에 탄산칼슘이 생성되면 탄산칼슘끼리도 비극성공유결합을 이루어 무게가 무거워지므로, aeration을 중단하자마자, 밀도차에 의해 수 분 내로 배지와 바이오매스가 분리되었다.

비교예 1

상기 실시예 3에서, 하나의 매스실린더에는 CaCl₂를 넣지 않았으며, 다른 하나에는 CaCl₂ 0.02M과 바이오 광물화를 억제하는 Acetazolamide(AZ) 1 mM을 넣어주었다. 그 결과, 탄산칼슘이 함유되지 않은 바이오매스가 제조되었으며, 바이오 광물화가 일어나지 않은 것과 비슷한 바이오매스와 FAME content를 나타냈다.

비교예 2

도 2의 (b)와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 바이오매스는 시간이 지남에 따라 서서히 가라앉아 있는 상태에 불과하고 배지에 교반이 일어나면 분산되므로, 이를 분리하기 위해서는 별도의 물리·화학적 공정이 필요하다.

평가예 1: 탄산칼슘 유무 평가

도 3a는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 3b는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분석 결과를 나타내는 그래프이며, 도 3c는 실시예에 따라 제조된 바이오매스의 Energy Dispersive Spectrometer 분석 결과를 나타내는 그래프 및 이미지이다.

실시예 4에 따라 회수된 바이오매스에 대해 탄산칼슘이 생성되었는지 확인하였다. 도 3a의 SEM 이미지에서 탄산칼슘이 생성된 것을 확인하였고, 도 3b의 FT-IR을 통해 분석한 결과 바이오 광물화를 통해 만들어진 탄산칼슘이 화학적으로 만들어낸 탄산칼슘 나노입자(nanoparticle calcite)와 동일한 것임을 확인하였다. 또한, 도 3c의 분석 결과, 셀 표면에 생성된 입자가 탄산칼슘이며, 셀 표면 외에는 탄산칼슘이 부존재한다는 것을 확인하였는바, 이를 통해 탄산칼슘이 바이오 광물화를 통해서 생성된 것임을 알 수 있다.

평가예 2: 바이오매스 농도 평가

도 4는 실시예 및 비교예에서의 바이오매스 농도(biomass concentration)를 나타내는 그래프이다.

실시예 3 및 비교예 1에 따른 샘플에는 바이오매스와 탄산칼슘이 동시에 존재하기 때문에 10 ㎖를 샘플링(sampling)하고 원심분리기(centrifuge)를 이용해 배지를 제거한 후 pH 8인 증류수로 세척을 3번 진행하고, 원심분리한 후 5 ㎖은 바이오매스와 탄산칼슘이 동시에 존재했을 때의 무게를 측정하였으며, 나머지 5 ㎖은 상층액을 제거한 후 pH 5 이하의 증류수(HCl로 조절) 35 ㎖을 넣은 후 30초에서 60초 동안 휘저어 탄산칼슘이 염산과 반응하여 CaCl₂와 이산화탄소로 돌아가게 하고, 이를 다시 원심분리하여 상층액을 제거한 후 pH 8 증류수로 세척함으로써 탄산칼슘을 제거하는 방법으로 바이오매스와 생성되는 탄산칼슘의 양을 측정하였다. 그 결과 바이오매스는 CaCl₂ 0.05M을 넣어주었을 때가 가장 높았으며 그 다음으로는 0.02M일 때에 높았다. 하지만, 0.08M을 넣어주었을 때는 오히려 넣어주지 않았을 때보다 바이오매스가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Neochloris oleoabundans가 Chlorella sorokiniana에 비해 상대적으로 바이오매스 생산량이 더 높다는 것도 확인할 수 있었다.

평가예 3: 클로로필 생산량 평가

도 5는 실시예에서의 클로로필 생산량(total chlorophyll)을 나타내는 그래프이다.

실시예 3에서의 샘플들에 대한 클로로필 생산량을 측정한 결과, CaCl₂의 농도가 높아질수록 클로로필 생산량이 증가하다가, 0.08M 이상부터 그 생산량이 감소하는 경향을 보였다.

평가예 4: FAME 함량 평가

도 6은 실시예 및 비교예에서의 지방산 메틸에스테르(Fatty Acide Methyl Esters, FAME) 함량(FAME contents, %)을 나타내는 그래프이다.

도 6에서는 실시예 3 및 비교예 1의 샘플들에 대해 Chromatograpy로 FAME 함량을 측정하여 그 결과를 도시하였다. 여기서, UTEX1185는 Neochloris oleoabundans를, UTEX2714는 Chlorella sorokiniana를 각각 나타낸다.

그 결과를 분석해보면, 실시예에 따른 샘플이 비교예에 비해 더 높은 FAME 함량을 나타내고, 실시예 샘플 중에는 CaCl₂0.05M에서 그 함량이 높았다.

또한, FAME productivity(mg/L/day), Lipid contents(%)를 측정한 결과에서도, 0.05M의 CaCl₂를 넣어주었을 때가 가장 높았다.

평가예 5: 탄산칼슘 생산량 평가

도 7은 실시예 및 비교예에서의 탄산칼슘 생산량을 나타내는 그래프이다.

도 7에서 실시예 3 및 비교예 1의 샘플들에 대해 상기 평가예 3과 같이, 탄산칼슘 생산량을 측정하고, 그 결과를 나타냈다. 생성되는 탄산칼슘의 양은 0.05M CaCl₂에서 가장 높았고, Neochloris oleoabundans가 상대적으로 Chlorella sorokiniana보다 더 높다는 것도 확인할 수 있었다.

평가예 6: 이산화탄소 감소량 평가

실시예 2 내지 3 및 비교예 1의 샘플들을 대상으로 이산화탄소 저감량을 측정한 결과, 실시예에서의 Neochloris oleoabundans를 기반으로 한 경우에는 1.3 g/ℓ/day로 비교예에 비해 1.32배 증가했고, 탄산칼슘의 생성으로 인해서 0.17 g/ℓ/day의 추가적인 이산화탄소 감소가 있었다. 또한, Chlorella sorokiniana 기반 실시예에서는 1.13 g/ℓ/day로 비교예에 비해 1.32배 증가한 이산화탄소 저감률을 나타냈고, 탄산칼슘의 생성에 따라 0.16 g/ℓ/day의 추가적인 감소가 있었다. 특히, 0.05M의 CaCl₂를 투입한 경우에 이산화탄소 저감률이 가장 높게 나타났다.

평가예 7: 산소발생량 평가

도 8는 실시예 및 비교예에서의 산소 발생량을 나타내는 그래프이다.

도 8에서는 실시예 2 내지 3 및 비교예 1의 샘플들에 대해 O₂electrode를 사용하여 산소 발생량을 측정하여 광합성 효율을 분석하였다. 그 결과, 탄산칼슘이 생성된 샘플의 광합성 효율이 우수했다.

펑가예 8: 바이오 광물화 및 화학적 광물화 유도 평가

도 9는 실시예에서의 염기성 용액의 농도에 따른 바이오매스 생산량을 나타내는 그래프이고, 도 10은 실시예에서의 셀 밀도(cell density), 알칼리도(Alkalinity), 탄산칼슘 농도(CaCO₃ concentration), 및 pH를 나타내는 그래프이다.

실시예 4에서 KOH 수용액의 농도를 10 mM 씩 증가시키면서 바이오매스 생산량, 셀 밀도, 알칼리도, 탄산칼슘 농도, pH 및 이산화탄소 저감량 등을 측정하여, 그 결과를 도 9 및 도 10에 도시하였다. 여기서, 도 10의 control 1은 바이오 광물화 없이 화학적 광물화를 일으킨 것이고, control 2는 바이오 광물화 억제제 Acetazolamide를 넣은 실험군이다.

도 9를 참고로, KOH 수용액을 2차 공급하기 전(0 mM KOH)과 비교하면, KOH 수용액을 2차로 공급함에 따라 바이오매스 생산량도 증가하였다. 다만, 농도가 40 mM를 초과하면서부터 생산량이 줄어들기 시작했다.

도 10을 참고하면, KOH 수용액의 농도를 20 mM인 경우에는 바이오 광물화만 일어나지만, 그 농도가 40 mM인 경우에는 바이오 광물화뿐만 아니라 화학적 광물화가 일어나고, 그 결과 바이오매스의 손실을 최소화함으로써 더 많은 탄산칼슘을 생산함과 동시에 이산화탄소 저감량을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

(a) 배지에 이산화탄소를 공급하여, 탄산수소이온(HCO₃ ^-)을 생성하는 단계;
(b) 상기 배지 내에 미세조류(microalgae)를 접종하고, 광배양하는 단계; 및
(c) 상기 미세조류가 광배양되는 상기 배지 내에 칼슘이온(Ca² ⁺)을 공급하여, 탄산칼슘(CaCO₃) 함유 바이오매스를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스는, 상기 칼슘이온이 상기 미세조류의 세포벽에 결합된 상태로 상기 탄산수소이온과 반응하여 상기 탄산칼슘을 생성하고, 상기 탄산칼슘 간의 비극성공유결합으로 상기 미세조류끼리 서로 연결되어 이루어진 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 염기성 용액을 상기 배지에 공급하여, 상기 배지의 pH를 7.0 ~ 8.5로 유지하는 단계;를 더 포함하는 탄소자원화 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 염기성 용액은, 8 ~ 10 mM의 수산화칼륨(KOH) 수용액인 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 칼슘이온을 공급한 후에, 바이오 광물화가 유도되도록 염기성 용액을 1차 공급하여, 상기 배지의 pH를 7.0 ~ 8.5로 유지하는 단계;를 더 포함하는 탄소자원화 방법.
청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,
상기 염기성 용액은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 및 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 용해된 용액인 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 미세조류는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클로렐라 소로키니아나(Chlorella sorokiniana), 스피룰리나(Spirurlina) 속, 두나리엘라(Dunaliella) 속, 헤마토코쿠스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis), 스키조키트리움(Schizochytrium) 속, 크립테코디니움(Crypthecodinium) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 네오클로리스(Neochloris) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속, 및 시아노박테리아(Cyanobacteria)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계 이후에, 상기 이산화탄소의 공급을 중단하여 상기 바이오매스를 응집(flocculation)시키고, 회수하는 단계;를 더 포함하는 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 칼슘이온은, 염화칼슘(CaCl₂) 수용액이 상기 배지에 투입되어 공급되는 탄소자원화 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 염화칼슘 수용액의 농도는 0.03 ~ 0.06 M인 탄소자원화 방법.
청구항 5에 있어서,
1차 공급된 상기 염기성 용액은, 20 mM 이하의 수산화칼륨(KOH) 수용액인 탄소자원화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 염기성 용액을 1차 공급한 후에, 바이오 광물화 및 화학적광물화가 함께 유도되도록 염기성 용액을 2차 공급하는 단계;를 더 포함하는 탄소자원화 방법.
청구항 12에 있어서,
2차 공급된 상기 염기성 용액은, 40 mM 이하의 수산화칼륨(KOH) 수용액인 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 미세조류가 1.0 g/ℓ 이상 광배양되는 때에 수행되는 탄소자원화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄산칼슘은, 나노입자(nanoparticle) 형태로 형성되는 탄소자원화 방법.