Biodiesel is a promising renewable energy source and is emerging as an alternative to fossil fuel use in transportation. Biodiesel production supports the goal of carbon neutrality, that is, achieving a net zero carbon emission, because biodiesel balances the carbon release and absorption processes in photosynthesis. Eco-friendly biodiesel may be derived from a variety of biomass sources. Among these, microalgae are considered to be one of the most promising feedstocks for biodiesel due to their rapid growth and high lipid content. Unlike the biomass that originates from conventional forestry, agricultural crops, and other terrestrial plants, microalgal biomass production does not require large land areas for cultivation and does not conflict with food sources.
Microalgal cultivation incurs the highest production costs and poses significant barriers to achieving economic feasibility and commercialization. It is, therefore, necessary to identify cultivation methods that significantly reduce the costs typically incurred during microalgal cultivation. The costs associated with mi-croalgal cultivation can arise from a variety of factors, including the nutrients and environmental conditions that maintain and support growth. The optimization of the bioprocess of microalgal cultivation is essential for the commercialization of biodiesel production from microalgae in terms of light and nutrient conditions.
In chapter 3, microalgal cultivation has been limited by the efficiency and costs associated with providing light energy, the most expensive and essential element needed for microalgal growth, to a culture, particularly to cultures grown in a photobioreactor (PBR). This study examined the economic benefits of us-ing flashing illumination conditions in the context of microalgal cultivation. Chlamydomonas reinhardtii was cultivated under various conditions, including various inoculum sizes, light intensities, and durations of the light and dark periods. Our results showed that the highest microalgal growth efficiencies could be obtained using a large inoculum size under high intensity illumination accompanied by a 1:1 ratio of light and dark periods. The duration of the flashing light period was further optimized, permitting light energy savings of 62.5% of the light energy expended under continuous illumination conditions without reducing the biomass or lipid productivity. This study provides a more economical approach to cultivating C. reinhardtii via optimized flashing illumination without sacrificing microalgal growth or lipid content.
In chapter 4, although nitrogen starvation is frequently used to increase lipid contents in microalgae, it has a negative effect on cellular growth. Since light supply is essential for photosynthetic organisms, we as-sessed the effects of continuous cultivation under white, blue or red light on the growth and lipid contents of the microalga Nannochloropsis gaditana. Continuous cultivation under blue and red light conditions im-proved the productivity and physical properties for biodiesel from this microalga. FAME yield was two-fold higher under red light than under normal white light (21.12% vs 11.35%), with no significant difference in growth rates. Blue and red light also increased photosynthetic oxygen evolution, carbon fixation and nutrient uptake. In total, more significant physiological changes were observed under red than under blue light. These results show that red light illumination may be useful for enhancing lipid production by N. gaditana, with the increased photosynthetic reducing equivalents induced by red light which could be deposited as lipids and carbohydrates.
In chapter 5, this study describes the development of a microfluidic device for the high-throughput screening of culture conditions, such as the optimum sodium acetate concentration for promoting rapid growth and high lipid accumulation of C. reinhardtii. An analysis of the microalgal growth on the microfluidic device revealed an optimum sodium acetate concentration of 5.72 g L-1. The lipid content, determined by the BODIPY staining method, increased with the sodium acetate concentration. The results were found to be statistically reproducible with respect to the cell growth and lipid production. Other nutrient conditions, including the nitrogen and phosphorus concentrations, can also be optimized on the same microfluidic platform. The microfluidic device performance results agreed well with the results obtained from the flask-scale experiments, validating that the culture conditions were scalable. Finally, we, for the first time, established a method for the absolute quantification of the microalgal lipid content in the picoliter culture volumes by comparing the on-chip and off-chip data. In conclusions, we successfully demonstrated the high-throughput screening of sodium acetate concentrations that induced high growth rates and high lipid contents in C. reinhardtii cells on the microfluidic device.
지난 100년간 석유 기반 산업 시스템을 바탕으로 발전해 왔던 전 세계 국가들은 지구온난화로 인한 ‘환경 위기’와 고유가로 인한 ‘에너지 위기’에 직면해 있다. 이러한 위기를 극복하고 지속가능한 성장을 도모하기 위해서는, CO2 발생량을 현저히 줄여야 할 뿐만 아니라 석유 고갈 시대를 대비해 사회 전반에 필요한 에너지 및 소재를 안정적으로 공급할 수 있어야 한다.
바이오매스는 이를 모두 충족시키는 자원으로서, 지속가능한 저탄소 녹색사회 구현을 위한 독보적인 대안이라 할 수 있다. 특히 광합성 미생물인 미세조류는 식물에 비해 성장속도가 빠르고 바이오디젤 생산을 위한 지질함량이 높을 뿐만 아니라 유전자 조작에 의한 성능향상이 비교적 용이하며, 식용작물이 아니라는 점에서 신재생에너지원으로서 장점을 갖고 있다. 또한 바이오리파이너리를 통해 기존의 석유화학 인프라를 이용해 각종 플랫폼 소재를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 의약품, 화장품 원료 등의 고부가 물질을 생산할 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다.
미세조류를 이용한 바이오디젤 생산기술의 핵심은 높은 성장속도 및 지질 함량을 가진 미세조류 균주의 분리 동정 및 개발, 고성능 미세조류의 대량 배양 최적화라 할 수 있다. 이에 따라 아래와 같은 연구를 수행하였다.
먼저 Ch. 3에서는 광합성 미생물인 미세조류의 성장에 가장 중요한 인자인 빛이 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 주기의 섬광을 조사하여 Chlamydomo-nas reinhardtii의 성장 및 지질 함량 변화에 미치는 영향을 알아보는 연구를 수행하였다. 그 결과 1:1 비율의 명암 주기의 섬광을 조사하였을 때 미세조류의 성장효율이 극대화되었다. 이를 이용하여 미세조류의 성장 단계별로 섬광의 명암 주기를 조절한 다단 배양을 수행한 결과 62.5%의 빛 에너지를 절감하여 미세조류의 경제적인 배양 기술을 수립할 수 있엇다.
Ch. 4에서는 미세조류의 성장 및 지질 함량 증진을 위해 탁도 기반 연속 배양 공정을 확립하고, 빛의 파장에 따른 Nannochloropsis gaditana의 건조중량, 광합성 색소의 함량, 광합성 효율, 지질 함량 및 조성 변화에 대한 영향을 알아보는 연구를 수행하였으며, 빛의 파장 변화를 통해 미세조류의 지질 함량을 효율적으로 증가시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 그 결과, white LED 대비 red LED 조건에서 약 1.42배의 바이오매스 및 2배의 FAME yield의 향상을 보였다. 특히 FMAE yield는 빛의 파장을 바꾸어 준지 2일 만에 향상하는 것으로 보아 빛의 파장 변화 조건이 효율적인 지질함량 증진 방법이 될 수 있다는 결과를 나타냈다.
미세조류 배양 및 최적화 조건 스크리닝을 위한 마이크로 디바이스 개발 연구를 통해 모델 균주로 알려진 Chlamydomonas reinhardtii의 성장 및 지질함량 향상에 필요한 최적 영양 성분 조건을 랩온어칩 기술의 장점인 High-throughput으로 스크리닝할 수 있는 시스템을 개발하였다. 그 결과 5.72 g L-1의 sodium acetate 농도에서 가장 높은 성장속도와 지질함량을 나타내는 것을 확인하였고, 이는 flask 수준의 실험 결과와도 일맥상통한다는 것을 확인하였다. 또한 디바이스 상에서 BODIPY로 염색된 중성지방의 형광 세기와 GC를 이용하여 측정한 지질함량의 상관관계를 수립하여 지질함량의 정량분석을 가능하게 하였다.
아울러 미세조류 기반 바이오디젤 생산을 위해서는 바이오매스 피드스톡의 대량 확보가 가장 중요한데, 이를 위해 광생물반응기의 직렬 운전(Series operation)을 통해 미세조류의 고효율 대량 배양과 지질 함량 증진을 동시에 도모할 수 있는 기술을 연구 개발 중에 있다.
