Recently, microalgae have received much attention as an attractive biomass for the commercial production of advanced biofuels, including biodiesel and aviation fuels. Despite the various benefits associated with the production of biofuels using microalgae, the cost of microalgal biofuel production is still significantly higher than that of fossil fuels. Downstream processes for microalgal biodiesel production commonly includes cultivation, harvest, extraction and conversion steps. For the economic feasibility of microalgal biodiesel, each downstream process should be economic and simplified. In this study, the continuous microalgal harvest system (combined algal cultivation and harvest steps) was designed to reduce biodiesel production cost and water footprint. The harvest methods such as continuous centrifuge and cross flow filtration can be applied to this type of continuous system. However, these technologies face high operating expenses which frustrate an economical microalgal harvest for the biodiesel production.
Herein an electrolysis-based harvest technique as a new alternative was applied in the continuous system. Electrolysis-based harvest technique requires lower operation cost compared to continuous centrifuge and cross flow filtration. Also, both polyvalent metal ions and microbubbles generated during electrolysis result in the fast and efficient algal flocculation compared to chemical coagulants. Neutral pH of medium during and after harvest would be another advantage to apply electrolysis-based harvest technique in continuous harvest system.
To achieve the feasibility of an electrolytic harvest method in continuous harvest system, the electrodes were subject to a polarity exchange (PE, changing current direction) in the middle of the operation. PE creates two distinct phases, electro-coagulation (phase 1) and electro-flotation (phase 2) simply by changing the polarity of a pair of metal and inert electrodes. In continuous system, better harvest performances such as recovery efficiency and medium reusability were achieved when applying PE compared to conventional electrolytic methods, electro-coagulation-flotation (ECF) and electro-flotation (EF). For the considerable understanding of continuous harvesting process by PE, also, experimental factors such as inert electrode type, current intensity, initial pH, additional mixing and temperature were investigated. Furthermore, harvest performances were improved by optimizing the timing of PE, adding reducing agent and applying pulse waveform. As optimizing PE timing, metal toxicity was reduced within shorter time, so that circulated microalgal cells remained intact after harvesting. By adding reducing agent into cultivation chamber during continuous operation, also, oxidative stress by reactive chlorine species could be reduced. Lastly, continuous harvest system was improved by applying pulse waveform. Pulse waveform countervailed local potential gradients by high instantaneous currents in electro-flotation, so that the production of fine sized bubbles increased and the development of passive layers on electrodes was reduced. By pulse electrolysis at optimized harvest condition, the reduction of harvest cost ($0.11 /kg) was achieved.
To best my knowledge, this is the first attempt to apply electrochemical harvest methods in continuous harvest system. Continuous operation by an electrolytic technique would make a meaningful contribution to not only achieving economic microalgal harvesting but also reducing water footprint as enabling direct culture medium reuse.
미세조류는 높은 지질 생산성과 이산화탄소 저감효과로 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 바이오디젤 원료로서 각광을 받고 있지만 아직까지 높은 생산비용으로 인해 상업화 하는데 어려움이 있다.
본 연구에서는 경제적인 미세조류 바이오디젤 생산을 위하여 전기분해기술을 이용하여 미세조류 연속수확 시스템 (배양과 수확공정의 단일화)을 구축하였다. 지속적으로 새로운 배지를 공급해주어야 하는 기존의 반연속식, 연속식 배양과 달리 연속수확 시스템은 배양중인 미세조류 배양액으로부터 미세조류 세포만을 분리해 내고 남은 배지를 별도의 처리 없이 바로 재사용이 가능하다. 이러한 방식의 시스템은 연속원심분리 (continuous centrifuge)나 교차환류여과 (tangential flow filtration)를 이용하여 개발되어왔지만 구축, 운전비용의 소모가 크기 때문에 경제적인 미세조류 생산에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위하여 전기분해기술을 미세조류 연속수확 시스템에 처음으로 적용하였다. 전기화학적인 방법은 저렴한 비용으로 기존의 응집제를 이용한 응집에 비해 미세조류 세포를 짧은 시간 안에 분리할 수 있으며 수확 중에 pH의 변화가 없어 별도의 pH 조절 없이 바로 배지를 재이용할 수 있다는 장점이 있다.
기존의 전기화학적인 수확기술 (전해응집, 전해부양)은 연속적으로 순환되는 시스템에 적합하지 않았기 때문에 기존의 전기화학적인 방법들의 문제를 개선하여 금속 전극과 불용성 전극을 한 쌍으로 하여 수확 중에 전류의 방향을 바꿔주는 극성전환 (polarity exchange) 법을 고안, 적용하였다.
극성전환 법은 기존의 전기화학적인 방법들에 비해 미세조류 연속수확 시스템의 적용에 있어서 더 높은 수확효율과 낮은 배지 오염을 보여주었다. 전극교체 법을 이용한 미세조류 연속수확 시스템에 있어서 영향을 줄 수 있는 공정변수 (불용성 전극의 종류, 전류 세기, 초기 pH, 부가적인 교반, 온도)의 영향을 살펴 보았으며, 시스템 효율을 높이기 위하여 전극교체 타이밍 조절, 염소환원제 첨가, 펄스전류를 적용하였다. 이러한 시도들은 극성전환 법을 이용한 미세조류 연속 수확 시스템의 효율을 더욱 높일 수 있었으며 기존의 미세조류 수확법에 비해서 경제적인 수확을 가능케 하리라 생각된다.
