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Methane production from lipid extracted Microalgal biomass: process and microbial community analysis = 폐 미세조류 바이오매스를 이용한 메탄 생성: 공정 및 미생물 군집 분석
서명 / 저자 Methane production from lipid extracted Microalgal biomass: process and microbial community analysis = 폐 미세조류 바이오매스를 이용한 메탄 생성: 공정 및 미생물 군집 분석 / Sungwhan Kim.
저자명 Kim, Sungwhan ; 김성환
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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초록정보

The Anaerobic Digestion Process (ADP) is widely used for process in a variety of organic residues and wastes for its ability of biodegradation of wide range of organic matters into the biogas energy. Lipid extracted microalgal residues resulted from the biodiesel produc-tion process can be an excellent source as substrate for the ADP. Hence, integration of the ADP and the biodiesel production process likely to make ADP economically and environmentally attractive for biofuel generation. A large number of studies have been conducted for further improvement of ADP with lipid extracted microalgal residues. Although microbial community structure and temporal variability are widely known to influence the function of ADP, not much of study on the behavior of microbial community has been conducted, especially with microalgal biomass. Therefore, it was considered in-depth investigation of microbial community is necessary for further improvement of ADP. The aim of this study was to understand the kinetics of using lipid extracted algal biomass (LEA) of Nannochloropsis salina as substrate for anaerobic digestion process to see if coupling biodiesel production process with anaerobic digestion process produces is economically feasible. Response Surface Analysis (RSA) of N. salina was examined with two different parameters, food to microbes (F/M) ratio and temperature. F/M ratio and temperature were ranged from 0.1 to 10 gCOD/gVS and 15°C to 55°C, respectively. Also analysis of microbial community was conducted to understand microbial kinetics during anaerobic digestion of N. salina with various conditions. Analysis of microbial community was conducted both quantitatively and qualitatively by Quantitative Polymerase Chain Reaction and 454 pyrosequencing using Next Generation Sequencer, respectively. Correlation between engineering parameters and microbial transition were studied using redundancy analysis (RDA) as well.

미세조류 바이오디젤 생산 중 지질추출을 하고난 후 생산되는 폐미세조류를 이용해 추가적인 에너지 생산과 폐미세조류처리를 동시에 할 수 있는 혐기소화를 하여 바이오디젤의 단가를 낮출 수 있다. 지질추출한 폐미세조류가 그렇지 않은 미세조류를 혐기소화 했을때보다 더 나은 메탄생산률을 보임을 입증하고 또 추가적인 전처리를 해줬을 때 메탄생산률의 변화를 확인하기 위한 실험을 진행하고자 하였다. 추가적으로 미생물분석을 통해, 각각의 미세조류 상태에 따라 혐기소화에 관여하는 미생물들의 변화를 관측 및 분석하여 더 깊은 이해와 발전가능성을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 민물종 미세조류인 Nannochloropsis salina를 이용하여 각각 다른 세 종류의 바이오매스를 제조하였다. 먼저 아무런 처리를 하지 않은 바이오매스 RA와 지질 추출법을 이용해 지질을 추출한 후 얻어진 바이오매스 LEA와 LEA를 다시한번 추가적으로 알칼리 처리를 해준 PLEA를 준비하였다. 이 세가지 바이오매스와 대조군을 F/M 비율과 온도 각각 0.1, 1, 10과 15, 35, 55°C에서 혐기소화 하였다. 혐기소화중 생산되는 바이오가스양과 메탄함량을 측정하였으며, Gom-pertz model 을 적용하여 메탄생산률을 포함하여 메탄생산속도와 정체기간을 수적으로 계산 한 후 반응표면분석법을 통하여 결과를 3차원그래프로 표현하였다. 또 혐기소화가 끝나고 슬러지의 미생물변화를 측정하기 위해 qPCR과 NGS를 통해 분석하였다. 반응표면분석 결과 지질추출이나 알칼리 처리와 같은 전처리 효과로 인한 가수분해가 가장 큰 요인으로 분석되었으며,그 결과 높은 기질농도, 즉 높은 F/M 비율에서 가수분해가 많이 된 바이오매스 일수록 메탄생성저해요소인 유기산이 초기생산량이 높아 쉽게 저해되는 것을 발견하였다. 또한 가수분해가 덜 된 바이오매스 일수록, 온도의 영향을 많이 받았는데, 그 이유는 온도 자체의 전처리 효과때문으로 사료되었다. 미생물 군집 분석을 통하여 역시 온도 및 F/M 비율과의 상관관계를 살펴보았다. 가장 큰 특징은 초기성상에 영향을 많이 받음을 알 수 있었고, 특히 가수분해가 많이된 바이오매스일수록 탄수화물이나 단백질 파생물을 이용에 관여하는 박테리아들이 발견되었다. 초기슬러지에서 우점하는 종의 성질에 따라 그 종의 유리한 환경일수록 메탄생산률이 높아짐을 확인 할 수 있었으며, 메탄균과의 관계에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. LEA와 PLEA가 RA보다 높은 메탄생산률을 보이면서 지질추출이 전처리효과를 보인다는 것이 입증되었고, 더 나아가 경제적인 전처리법을 통해 추가적인 가수분해가 이루어진다면 LEA의 메탄생산률은 크게 증가할 수 있을것으로 사료된다. 미생물 분석을 통하여, 가수분해가 많이 된 바이오매스일수록 더 적은 종의 박테리아가 관여하고있음을 알았고, 이를 통해 특정 박테리아들을 관찰하여 이들의 우점도를 높여 박테리아활동을 더 극대화 시킬수 있을 것이라고 사료된다. 또한 단백질함량이 높은 미세조류종의 암모니아 생산으로 인한 고세균활동의 억제가 관찰되었고, 전처리를 통해 단백질을 줄이거나 MBT같은 암모니아에 저항성이 강한 종을 이용해 혐기소화 생산률을 극대화시킬 수 있음을 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCBE 15004
형태사항 48 : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김성환
지도교수의 영문표기 : Yeu Chun Kim
지도교수의 한글표기 : 김유천
공동지도교수의 영문표기 : Ji Won Yang
공동지도교수의 한글표기 : 양지원
Including Appendix
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p.
주제 microalgae
anaerobic digestion
RSM
microbial communiy analysis
미세조류
혐기소화
RSM
미생물군집분석
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