Increasing demands for renewable energy has led to the production of biodiesel from microalgae. Biodiesel production from microalgae requires several processes such as cultivation, harvest, lipid extraction from the microalgal biomass, and subsequent transesterification of the extracted lipid. Microalgae have been cited as one of the best feedstock for biodiesel due to its high growth rate and lipid content as compared to crops and plants. However, it is still hindered by technical barriers and high costs of process. In this study, glucose, the critical medium component, was optimized by microalga Aurantiochytrium sp. to reduce high costs of growth substrates for heterotrophs. 40 g/L of glucose was determined as optimal concentrations with maximum lipid productivity (0.124 g/L/day/g glucose). Coproduction of value-added chemicals such as DHA by Aurantiochytrium sp. will improve the economic viability of biodiesel production. DHA content of optimal culture conditions of Aurantiohcytrium sp. was 25.08% of total fatty acid.
One of the most commonly used methods for oil extraction is to dissolve lipids of dry biomass using organic solvents, which has environmental dangers and high process costs. In this study, an organic solvent-free lipid extraction was performed by applying alkali and heat treatments to wet biomass. Key parameters of the extraction system were optimized by Aurantiochytrium sp. to increase extraction yields. Optimal biomass to alkaline solution ratio and alkaline solution concentration were 15 mg/mL and 1% w/w, respectively. Both heating temperature and time showed positive effects on lipid recovery. Maximum extraction yield (77.37% of total lipid) was obtained by heating at 150 ℃ for 30 min. Additionally, microwaves were applied to the extraction system and reduced reaction time.
In order to further increase the economic feasibility of biodiesel production from microalgae, the residual biomass after biodiesel production can be utilized as biosorbent for heavy metal removal. In this study, biosorption of chromium by residual Nannochloris oculata after lipid extraction was investigated. Increased surface area of N. oculata was observed after lipid extraction. Cr(III) removal increased as the pH increased from 2 to 6, while Cr(VI) removal was highest at pH 2 and it decreased with the increase in pH. Cr(VI) was reduced to Cr(III) in the presence of biomass under acidic conditions; X-ray photoelectron spectroscopy revealed that the converted Cr(III) was bound to the biomass. Chromium removal was significantly enhanced at high chromium concentrations, which indicates that surface reactions may occur at high chromium/biomass ratios. FTIR study indicated that phosphate and carboxyl functional groups of the biomass were mainly responsible for chromium binding.
화석연료를 대체하기 위한 신재생에너지의 일환으로 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하는 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 미세조류로부터 바이오디젤을 생산하기 위해서는 미세조류 배양, 수확, 바이오매스로부터의 지질 추출, 추출한 지질을 바이오디젤로 전환하는 일련의 과정들이 필요하다. 미세조류는 빠른 성장률과 높은 지질 함량을 가지고 있어 바이오디젤의 비식용 원료로서 최적의 조건을 갖추고 있다. 하지만 기술적인 장벽들과 생산 과정에 필요한 높은 비용들로 인하여 미세조류로부터의 바이오디젤의 상용화가 미뤄지고 있다. 본 연구에서는 중요한 영양원인 탄소원 글루코스의 농도를 최적화시켜 미세조류 Aurantiochytrium sp. 의 배양 비용을 최소화하고자 하였다. 최대 지질 생산성을 보인 40 g/L의 글루코스를 최적 배양 조건으로 선정하였다. 또한, Aurantiochytrium sp. 로부터 DHA와 같은 고부가가치 물질을 공동 생산함으로써 바이오디젤의 경제성을 향상시킬 수 있다. 최적 배양 조건에서의 Aurantiochytrium sp. 은 총 지방산의 25.08%의 DHA 함량을 나타내었다.
가장 많이 쓰이는 지질추출법은 유기용매로 건조 바이오매스의 지질을 녹여내는 유기용매추출법이다. 유기용매는 인간에게 유해할 뿐만 아니라 환경오염을 유발하고 값이 비싸기 때문에 유기용매추출법을 바이오디젤 생산에 적용하는 것은 적합하지 않다. 본 연구에서는 젖은 상태의 바이오매스를 그대로 이용하였고, 유기용매를 사용하는 대신 알칼리와 열처리를 통하여 지질을 추출하였다. 추출 효율을 높이기 위해서 Aurantiochytrium sp. 바이오매스로부터의 지질 추출 반응에 필요한 주요 변수들을 최적화하고자 하였다. 건조 바이오매스/알칼리 용액의 비율은 15 mg/mL, 알칼리 용액의 농도는 1% w/w로 최적화하였다. 열처리의 온도와 시간이 증가할수록 추출 효율이 증가하였다. 추가적으로, 열처리에 마이크로웨이브 파를 적용하였을 때 추출시간이 감소하는 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 배양 조건 최적화와 비용매 지질추출법의 개발을 통하여 바이오디젤 생산의 경제성을 향상시키고자 하였다. 뿐만 아니라, 지질을 추출한 후 남은 찌꺼기 바이오매스를 버리지 않고 흡착제로서 중금속 제거에 활용하여 바이오디젤의 경제성을 높이고자 하였다. 본 연구에서는 지질 추출 후의 미세조류 Nannochloris oculata를 이용하여 중금속 크롬을 흡착 제거하였다. N. oculata는 지질 추출 후에 표면적이 증가하여 흡착제로서 적합한 특성을 나타내었다. pH가 2에서 6까지 증가할수록 Cr(III)의 제거량은 증가하였지만 Cr(VI)의 제거량은 감소하였다. Cr(VI)는 낮은 pH에서 바이오매스에 의해 Cr(III)로 환원되었다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 통하여 환원된 Cr(III)가 바이오매스 표면에 흡착되어 있는 것을 확인하였다. 초기 크롬 농도가 높을수록 크롬 제거량은 증가하였다. 이를 통해, 표면의 흡착 반응이 높은 크롬/바이오매스 비율에서 잘 발생하는 것을 확인하였다. FTIR 분석을 통해 바이오매스의 phosphate와 carboxyl 작용기가 크롬 흡착에 관여하고 있다는 것을 확인하였다.
