Due to negative impacts of global warming and potential depletion of petroleum, research for alternative fuels is an emerging issue all over the world. Biodiesel derived from biomass such as animal fat and vegetable oil is a potential substitute for petroleum-based diesel because it has similar combustion properties to petroleum-based diesel with mitigating the carbon dioxide. Especially, microalgae have been paid much attention as biomass feedstock for biodiesel production because they have high growth rate and need low land-use compared with conventional biomass. They can also fix $CO_2$ directly from exhaust gas of industrial facilities.
Several studies have shown that quantity and quality of lipids of microalgae can vary as a result of changes in nutrient media characteristics (concentration of nitrogen, phosphates, and iron). Recently, microalgal cultivation in various temperatures to produce biodiesel has been studied, and it was shown that temperature has an effect on microalgal growth rate and lipid contents. At relatively higher or lower temperature, there is a tendency of lipid content increase and growth rate decrease. Therefore, after microalgal cultivation at optimum temperature until stationary phase for high growth rate, temperature shock in a certain range can increase microalgal lipid content.
In this study, N. oculata was cultivated in batch-type photobioreactor (PBR) to fix $CO_2$ and produce biodiesel. Optimum microalgal culture conditions such as $CO_2$ concentration, flow rate, initial nutrient concentration, and light intensity were investigated for high growth rate. Based on optimum culture conditions, column-type PBR with water jacket which can control temperature was developed, and total lipid content was investigated in PBR under alternating temperatures. And N. oculata was cultured at mixotrophic condition adding yeast extract for high lipid productivity. In addition, oil extracted from microalgae was analyzed to evaluate quality of biodiesel and converted to the biodiesel.
최근 100여년간 인류 문명의 급격한 발전은 화석 연료 사용의 비정상적인 증가를 초래하여 왔으며, 전지구상에 가용한 화석연료 자원은 한정되어 있는 점을 고려할 때, 이러한 화석연료에 대한 폭발적인 수요 증가는 궁극적으로 화석연료의 고갈 시기를 크게 앞당기는 것으로 귀결되어 질 것은 자명한 사실이다. 더욱이, 화석연료 자원의 기하급수적인 사용 증가는 온실가스의 배출과 지구 온난화와 같은 심각한 환경 파괴 문제를 필연적으로 수반하여 왔으며, 이에 대한 전세계적인 경각심이 증대되고 있는 실정이다. 이에 따라, 전세계의 과학자들은 화석 연료를 대체할 수 있는 지속가능하고 환경 친화적인 청정 그린에너지원을 발굴하고 개발 상용화하는데 박차를 가하고 있는 실정이다.
바이오매스, 태양 발전, 풍력, 조력, 지열 등이 화석연료를 대체할 신재생에너지원으로써 제안되어 왔으나, 이 중 바이오매스를 에너지로 활용하는 기술은 광합성을 통하여 이산화탄소를 흡수하면서도 대체 에너지원으로 가용한 바이오매스를 생성할 수 있다는 점에서 탄소 순환형 경제 체계를 확립할 수 있는 유일한 차세대 청정에너지 기술로 각광을 받기 시작하고 있다.
이중에서도 미세조류를 활용한 바이오 에너지 개발 기술은 기존의 식량자원이나 산림자원을 활용한 바이오 에너지 개발이라는 개념을 초월하는 기술이라고 할 수 있다. 이는 기하급수적인 인구 증가에 기인하는 식량자원 부족에 따른 농작물의 바이오 에너지 활용에 대한 우려를 불식 시키면서도, 미세조류가 목재 등의 어느 생명체보다도 빠른 성장을 보인다는 측면에서 여타의 바이오 에너지 생명체들과 뚜렷한 차별성 또는 경쟁성을 보인다고 하겠다. 무엇보다도 미세조류는 물과 기본적인 최소 영양소만 갖추면 대부분의 지구상 생육이 가능하다는 점을 고려할 때, 미세조류 활용 바이오매스 생산은 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 실정에 가장 적합하고 실현가능성이 아주 높다.
Nannochloris oculata는 Nannochloropsis salina라고도 알려져 있으며, 동물성 플랑크톤이나 산호초등을 생산하는 수산업 분야에서 광범위하게 활용되어지고 있는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 황녹색의 해양 미세조류이다. 이러한 해양 미세조류로써의 범용성에 부가하여, N. oculata는 바이오 에너지원으로 가용한 유력 성분인 지방의 함량이나 바이오 매스 생산 속도등을 고려하였을 때, 여타의 미세조류와 비교하여 충분한 가능성을 보이고 있는 것으로 보고되어지고 있다. 이와 같은 N. oculata의 중요성과 잠재성에도 불구하고, 현재까지 이 미세조류를 바이오 에너지 자원으로 활용하려는 시도나 연구는 아쉽게도 크게 미흡한 현실이다.
본 연구에서는 해양 미세조류인 N. oculata를 사용한 바이오 에너지의 활용 가능성을 탐색 또는 연구하여 보고자 하였다. 이를 위하여, 여러 가지 다양한 환경 조건인 이산화탄소 농도, 가스 유량, 질소 농도, 광도 조건의 변화 하에서 바이오매스 성장을 연구하였으며, 또한 다양한 질소 농도, 배지내 yeast extract 의 첨가, 온도 변화 등의 조건 하에서 지질 생산량의 변화를 분석하였다. 이산화탄소 농도가 2%일 때, 바이오매스 성장 속도가 가장 좋았으며, 10% 이상일 때는 공기를 불어 넣어 주는 것과 큰 차이를 보이지 않거나 오히려 성장의 저해 효과가 나타났다. 공기 유량의 변화는 바이오매스 성장 속도의 변화에 상대적으로 큰 영향을 미치지는 못하였으나, 과도한 가스 유량은 shear-ing effect에 의한 성장 저해를 초래 하였다. 미세조류 N. oculata의 성장을 위한 최적의 질소원 농도는 37.5에서 50 ppm 사이로 판명 되어 졌다. 상대적으로 고광도인 250-270 μmol/m2?s에서 바이오매스 성장률이 더 좋았으며, 반면에 생육에 따른 pH의 변화는 크지 않고 균일 하였다. 바이오 에너지원인 지질의 함량은 외부 질소원의 농도에 반비례하였으며, 이는 광도의 변화와 무관하게 일관된 경향을 보여 주었다. 또한 갑작스런 온도의 변화는 스트레스로 작용하여 지질 함량의 증가를 유도하였으며 배지내 yeast extract의 첨가는 미세조류의 성장속도를 급격히 증가시켰다. 이렇게 배양된 미세조류로부터 Soxhlet method를 이용하여 오일을 추출하였으며 황산을 촉매로 사용하여 1g바이오매스당 62.8 mg의 바이오디젤을 생산하였다. 이와 같은 실험 결과들은 향후 해양 미세조류인 N. oculata를 바이오에너지원으로 활용할 때, 중요한 기본적인 성장, 지질 생산 유도 및 바이오 디젤으로의 전환에 대한 정보를 제공하여 줄 것으로 사료되어 진다.
