In order to solve environmental problems caused by an increased use of fossil fuel, microalgal biodiesel has been considered as an alternative energy source. However, the main challenge for microalgal biodiesel is to improve economic feasibility of the production. Many have studied on the possible solutions, particularly on using a low-cost medium for microalgal cultivation or co-producing various value-added products. In this study, a combination of both solutions was investigated. Lipid extracted algae (LEA) was used as a nutrient source to cultivate Aurantiochytrium sp. KRS101, and this was used to produce biodiesel and docosahexaenoic acid (DHA) which is a value-added product.
LEA were hydrolyzed with various acids (sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid) in different conditions (temperature, time, catalyst concentration) in order to be utilized as a nutrient source. Due to a high content of protein and a low content of carbohydrate in Aurantiochytrium sp. KRS101 LEA, it was appropriate to use it as a nitrogen source rather than a carbon source. LEA hydrolysate also showed a high concentration of phosphate, which was enough to replace a phosphorous source. The highest amino acids yield was 1767 mg/L when treated with 2N hydrochloric acid at $120^\circ C$. Among amino acids, gamma-aminobutyric acid (GABA), which is receiving attention as a material for nylon 4, occupied large portion.
For the cultivation, 20 g/L of LEA treated with 2N hydrochloric acid at $120^\circ C$ by an autoclave was used. Cells cultivated with LEA hydrolysate and supplementary yeast extract showed similar growth (10.0 g/L) with a control (10.6 g/L). It also showed similar fatty acid methyl esters (FAMEs) and DHA contents (46%, 13.3%, dry cell weight basis) with a control (50.2%, 13.3%, dry cell weight basis). These results showed that hydrolysate of Aurantiochytrium sp. KRS101 LEA can be utilized as a low-cost nutrient, replacing the yeast extract and monopotassium phosphate in the cultivation of Aurantiochytrium sp. KRS101 used for production of biodiesel and DHA.
산업혁명 이후 폭발적으로 증가한 화석연료의 사용으로 인하여 기후변화를 비롯한 여러 환경 문제들이 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 여러 대체에너지원에 관한 연구가 진행되었으며, 이 중에서 가장 각광받는 것이 미세조류를 이용하여 바이오 연료를 생산하는 것이다. 미세조류에서 생산된 바이오 연료가 실제로 화석 연료를 대체하여 사용되기 위해서는 경제성 문제가 해결되어야 하는데, 이를 위하여 저가의 기질을 사용하여 미세조류를 배양하거나 연료와 고부가가치 산물을 동시에 생산하는 것에 관련된 많은 연구들이 진행 중이다. 본 연구에서는 이 두 가지 전략을 합하여, 기존에 폐기물로 인식되던 탈 지질 바이오매스를 이용하여 Aurantiochytrium sp. KRS101 종을 배양하고 이로부터 바이오디젤과 고부가가치 산물인 DHA를 얻는 연구를 진행하였다.
우선 탈 지질 Aurantiochytrium sp. KRS101의 경우, 단백질 함량이 높고 탄수화물의 함량이 낮기 때문에 탄소원으로의 사용보다는 질소원으로의 사용이 적합한 것으로 나타났다. 산 처리 과정을 통해 이러한 단백질을 아미노산으로 분해하여 질소원으로 사용할 수 있었는데, 이 과정에서 산 처리 후의 탈 지질 바이오매스가 높은 농도의 인산염도 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 산 처리의 경우, 염산, 황산, 질산이 이용되었으며, 여러 가지 농도, 온도, 시간 조건에서 반응을 진행하였다. 산 처리 결과, 아미노산의 경우 2N 염산으로 120도씨에서 처리하였을 때 1767 mg/L로 가장 높은 생산량을 보였다. 또한 이러한 과정을 통해 생산된 아미노산에는 감마 아미노부티릭산이 다량 포함되어 있었는데, 이는 나일론4를 생산할 수 있는 원료로 최근 각광받고 있는 물질이다. 감마 아미노부티릭산의 경우 절대량은 1N 염산으로 120도씨에서 처리하였을 때 225 mg/L로 가장 높게 나타났고, 비율은 2N 질산으로 120도씨에서 처리하였을 때 전체 아미노산의 87%로 가장 높게 나타났다. 만약 정제 기술이 뒷받침 된다면 이 또한 고부가가치 산물로써 경제성을 확보하는데 도움이 될 것으로 예상된다.
산 처리 후의 탈 지질 바이오매스로 배양을 할 경우에도 기존의 효모 추출물을 이용한 배양과 비슷한 성장을 보였다. 기존에 이용되는 배지인 10 g/L의 효모 추출물과 비슷한 양의 아미노산을 가진 2N 염산으로 120도씨에서 처리된 20 g/L의 탈 지질 바이오매스가 이용되었으며, 탈 지질 바이오매스 단독으로 이용되었을 때 보다 소량의 효모 추출물이 첨가 되었을 때 더 좋은 성장을 보였다. 기존 효모 추출물을 이용한 경우 최종 바이오매스 농도는 10.6 g/L 였으며, 산 처리 후의 탈 지질 바이오매스와 소량의 효모 추출물로 배양할 경우 최종 바이오매스는 10.0 g/L까지 성장하였다. 지방산메틸에스터와 DHA의 함량은 각각 46%와 13.3%로 나타났는데, 이는 기존 효모 추출물을 이용하였을 때의 함량인 50.2%와 13.3%와 매우 유사한 것을 알 수 있다. 이를 통하여 탈 지질 바이오매스가 배양을 위한 저가의 영양원으로 사용될 수 있으며, 이 경우에도 성장이나 지방산메틸에스터와 DHA의 함량을 비슷한 수준으로 유지하는 것이 가능함을 밝혀내었다.
