The deficiency of petroleum based fuel to fulfill the Earth’s energy demands has driven researches to look for other energy sources. Recently, microalgal biodiesel has been considered as an alternative energy source due to its sustainability and environmentally-friendly nature. Furthermore, microalgae are known for their ability to mitigate the global warming by capturing CO2 in the atmosphere through photosynthesis. Nevertheless, the industrial development of microalgal biodiesel still faces major obstacles such as (1) high cost for water and nutrients supply for microalgal cultivation, (2) low lipid content of microalgal biomass, (3) high cost and energy demands for microalgal harvesting, (4) and high cost for extraction of oil from microalgae. This research aimed at evaluating the performance of microalga Chlorella protothecodies cultivated in anaerobic-treated brewery wastewater (ABWW) for biodiesel production. Simultaneously, C. protothecoides was tested for its ability as a biological wastewater treatment agent that can remove nitrogen and phosphorus in ABWW. In addition, the auto-flocculation of the microalgal strain cultivated in ABWW was investigated in order to develop a harvest process that is suitable for C. protothecoides. Finally, the effect of glucose and glycerol as organic carbon sources to improve the lipid content in microalgal cells was also studied. Based on the author’s knowledge, this was the first study to deliberate these issues concomitantly
Cultivation of C. protothecoides in ABWW produced 1.88±0.09 g/L and 0.23±0.11 g.L-1.day-1 of biomass production and productivity, respectively. Concomitantly, the microalgae could uptake 95.73±0.59 and 89.61±1.8 % of total nitrogen and phosphorus from ABWW. Furthermore, cultivation of C. protothecoides in ABWW produced large and floc of microalgae, that appears to be due to the low N:P ratio predisposed by ABWW and pH fluctuation during cultivation period. C. protothecoides was recovered as much as 80% (based on the initial dry cell weight, DCW, of biomass) within 20 min, by gravity sedimentation which was faster than the settling speed of microalgal cells grown in BG-11 medium. The lipid accumulated in ABWW culture was 35.94±1.54% of its DCW. The addition of 15 g/L glucose and 20 g/L glycerol during lipid induction stages enhanced the lipid production as much as 50% of DCW for each carbon source. In conclusion, the utilization of ABWW for microalgal cultivation is promising for microalgal growth, wastewater treatment function, and promoting flocculation to assist microalgal harvesting. Suitable organic carbon source could be used for enhancing the microalgal lipid content. Study in the near future should be aimed at exploring the feasibility of cheap carbon sources for enhanced microalgal lipid production.
화석연료의 무분별한 사용은 인류에게 경제발전과 생활의 편의성을 제공하였지만, 그 매장량에 한계가 있고 이산화탄소 배출로 인한 범 지구적 환경문제로 인해 지속가능하며 친환경적인 대체 에너지를 찾기 위한 노력이 필요하다. 광합성 미생물의 하나인 미세조류를 이용한 바이오디젤은 수송용 액체 연료를 생산할 수 있고 추가적인 생산 시설이 없이도 기존의 화석연료 기반 시설(Petrorefinery)을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 미세조류는 빠른 생장속도와 높은 지질함량을 가지고 있어 단위 면적당 생산성이 높을 뿐만 아니라 옥수수 및 사탕수수와 같은 식용작물과 달리 윤리적 문제를 야기시키지 않는다. 이처럼 화석연료를 대체할 수 있는 유일한 대안으로 평가되는 미세조류 기반의 바이오디젤 생산에 관한 연구는 이제 단순한 선택이 아닌 필수가 되었다고 할 수 있다. 미세조류 기반 바이오디젤의 상용화를 위해서는 높은 지질함량을 가진 미세조류의 경제적인 대량 배양과 효율적인 수확, 추출 및 전환 기술이 필요하다.
본 연구에서는 배양 공정의 경제성 향상을 위해 혐기처리한 맥주 공장 폐수(Anaerobic-treated Brewery Wastewater, ABWW)를 이용하여 Chlorella protothecoides를 배양하였으며, 배양 후 pH가 변화된 배지에서의 미세조류 응집 효율을 확인함으로써 경제적인 미세조류 수확 기술을 개발하였다. 아울러 미세조류의 지질함량 증대를 위해 유기 탄소원을 이용한 연구도 수행하였다.
ABWW를 이용한 C. protothecoides의 배양 실험 결과, 1.88 ± 0.09 g/L의 바이오매스와 0.23 ± 0.11 g/L/day의 생산성을 확인할 수 있었으며, 배양 시 배지의 pH를 일정하게 조절해 줄 경우 바이오매스는 1.17배 향상되었다. 또한 배양 후 ABWW 내 총질소(T-N, Total Nitrogen)와 총인(T-P, Total Phosphorous)은 각각 95.73 ± 0.59%과 89.61 ± 1.8%의 비율로 제거되었다.
ABWW를 이용하여 미세조류를 배양한 후 수확했을 경우, BG11에서 배양했을 경우와 비교하여 세포의 크기가 향상되었을 뿐만 아니라 배지의 pH 또한 증가하여 미세조류의 응집효율이 향상됨을 확인할 수 있있다. 따라서 자연침전을 이용하여 미세조류를 수확할 경우, 20분 이내에 미세조류 양의 약 80% 정도를 수확할 수 있었다.
ABWW를 이용하여 배양한 미세조류의 지질함량은 35.94 ± 1.54 %였으나, 유기 탄소원을 이용하여 지질함량을 증대시키기 위해 15g/L glucose와 20 g/L glycerol를 넣어 준 결과 모두 지질함량이 약 50 % 수준으로 향상되었다.
결론적으로 ABWW를 배지로 이용하였을 경우, 기존의 물과 영양분의 대체효과로 인해 경제적으로 바이오디젤을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 아울러 미세조류의 성장에 따른 TN 및 TP의 제거 등과 같은 폐수처리 효과도 얻을 수 있다. 또한 미세조류 수확효율을 향상시켜 전체 공정비용을 절감을 도모하여 향후 경제성 있는 바이오디젤 생산공정 확립을 위한 기틀을 마련하였다고 볼 수 있다.
