Biodiesel is considered one of the most promising renewable fuels, which may reduce the climate change caused by high atmospheric $CO_2$ concentrations and depletion of fossil fuels. Among the various alternative fuels, microalgal biodiesel has advantages of high growth rates, high photosynthesis efficiency and the high lipid content of microalgae.
Biodiesel production from microalgae includes four major steps: microalgae cultivation, harvesting, lipid extraction and conversion of extracted lipids. Due to the dilute nature of microalgal cultures, the energy requirement for harvesting is high and harvesting is a major barrier to lipid production from microalgae. Another challenge for biodiesel production from microalgae is disruption of the cell envelope (cell wall and cell membrane), which hampers contact between solvents and microalgal lipids. Various approaches for microalgal harvesting have been developed, including centrifugation, flotation, filtration, and flocculation. The cell envelope can be disrupted by ultrasonic cavitation, microwave heating, osmotic shock and bead milling. However, despite the high performance, scaling up these approaches has limitations, because most are either not cost effective or have an energy requirement. In this study, we designed novel approaches to improve the downstream process of microalgal biodiesel production.
In chapter 2, a novel approach called the cationic surfactant-based harvesting and cell disruption (CSHD) method was studied to determine its effectiveness in simultaneous microalgal biomass harvesting and cell disruption. Using CSHD, the harvesting efficiency reached more than 91% in less than 5 minutes and 97% in 90 minutes. Moreover, CSHD exhibited a powerful ability to disrupt the cells; the lipid recovery was increased 133% compared to not using CSHD. CSHD allowed the extraction of up to 100% of the total lipids from a wet microalgal biomass with 80% water content. All of these results were achieved without using energy-intensive equipment. Altogether, our results suggest that CSHD is an energy-efficient technique for the downstream process of microalgal lipid production.
In chapter 3, a simultaneous cell disruption and lipid extraction was developed for microalgal lipid extraction using triethylamine/methanol co-solvent system. The pure solvents, triethylamine or methanol, by itself did not show any significant enhancement in lipid extraction, but 3:7 v/v triethylamine : methanol showed the highest lipid extraction, corresponding to 242% of the conventional chloroform/methanol (2:1) system. It is almost equivalent to 100% of the total lipid even if it is extracted from the wet microalgal biomass with a water content of 80%. The cell surfaces of microalgae were significantly disrupted without using any additional cell disruption reagent or energy-intensive equipment. The apparent mass transfer coefficient of extraction was ~10 times greater than that of the chloroform/methanol co-solvent system. The reason attributing the high extraction efficiency is not understood, but it is clearly shown that triethylamine and methanol cooperates for the disruption of cell membrane of wet chlorella vulgaris. Such a high extraction efficiency and transfer may be able to produce biodiesel from wet microalgal without pretreatment processes including cell disruption and drying.
In chapter 4, a novel approach for microalgal biodiesel production was developed by using the produced biodiesel as an extractant. First, wet microalgae with 80% water content were incubated with a mixture of biodiesel/methanol and penetration of the mixture through the cell membrane and swelling of the lipid contained in microalgae was confirmed. Significant increases of lipid droplets were observed by confocal microscopy. Second, the swelled lipid droplets in microalgae were squeezed out using mechanical stress across the cell membrane and washed with methanol. The lipid extraction efficiency was ~68%. This process does not require drying of microalgae or solvent recovery, which the most energy-intensive step in solvent-based biodiesel production.
바이오디젤은 지구온난화와 화석연료의 고갈 등 문제를 해결할수 있기 때문에 현시대 가장 유망한 재생연료로 인정받고 있다. 그중에서 미세조류는 생장속도가 빠르고 광합성효율이 높으며 리피드 함량이 높은 등 장점 때문에 가장 각광받는 바이오디젤 피드스탁으로 자리매김 하였다.
미세조류로부터 바이오지젤을 생산하는데는 네가지 절차가 필요한데 각각 미세조류 배양, 수확, 리피드 추출, 리피드 전환 등이다. 미세조류 배양액의 농도가 낮기 때문에 미세조류 수확에 사용되는 에너지는 아주 많다. 그래서 미세조류 수확은 미세조류 바이오디젤 생산에 큰 난점으로 제기되고 있다. 미세조류 바이오디젤을 생산함에 있어서 또 다른 하나의 난점은 미세조류 세포벽과 세포막을 파열하는 것인데 이는 미세조류 세포벽과 세포막이 추출 용제와 세포속에 있는 리피드의 접촉을 막기 때문이다. 현재까지 원심분리, 부유, 여과, 응집 등 여러가지 수확방법들이 개발되였다. 그리고 세포 파괴방법으로 초음파, 초단파 가열, 침투압 충격, 비드밀링 등이 연구되였다. 이러한 방법들은 효율은 높으나 경제적이지 못하고 에너지 소비가 높은 등 단점때문에 미세조류 바이오디젤의 대규모 생산에 사용되기 어렵다. 본 연구에서는 여러가지 새로운 방법들을 개발하여 미세조류 기반 바이오디젤 생산의 후류공정을 개선하였다.
제2장에서는 양이온성 계면활성제를 이용한 미세조류 수확과 세포파열이 동시에 진행되는 방법(CSHD)을 연구하였다. CSHD를 사용하면 5분내에 91%, 90분 동안에 97%의 미세조류가 수확된다. 동시에 CSHD는 강한 세포파열 능력을 나타내는데 CSHD를 사용하지 않은 방법과 비교했을때 리피드 추출효율이 133%가 증가된것을 관찰할수 있었다. 뿐만아니라 CSHD는 80% 수분을 함유한 건조되지 않은 미세조류로부터 100% 리피드를 추출할수 있다. 이런 실험결과는 에너지 소비가 많은 장비를 사용하지 않고 얻은 것이다. 정리해서 설명하면 CSHD는 미세조류 바이오디젤 생산의 후류공정에서 사용될수 있는 에너지 효율이 좋은 기술이다.
제3장에서는 트리에틸아민/메탄올 공용매를 이용하여 세포파열과 리피드 추출을 동시에 진행할수 있는 방법에 대하여 연구하였다. 순수 트리에틸아민 또는 메탄올은 높은 추출효율을 나타내지 못했지만 트리에틸아민과 메탄올을 체적비가 3:7로 혼합 했을때 가장 높은 추출효율을 보였으며 그 효율은 클로로포름/메탄올(2:1) 공용매 추출효율의 242%에 해당한다. 트리에틸아민/메탄올 추출법을 사용하면 80% 수분을 함유한 건조되지 않은 미세조류로부터 100%의 리피드를 추출할수 있다. 미세조류 세포표면은 기타 시약이나 에너지 소비가 많은 장비를 사용하지 않는 전제하에 상당한 정도로 파열되였다. 뿐만아니라 물질이동계수도 클로로포름/메탄올 추출법에 비하여 10배 정도 높다. 트리에틸아민/메탄올 공용매가 추출효율이 높은 원인에 대해서 아직까지 확실히 밝혀진바는 없지만 트리에틸아민과 메탄올의 공동작용으로 세포막을 파열한것이라고 판단된다. 트리에틸아민/메탄올 추출법은 세포파열와 건조 등 전처리과정을 거치지 않고도 미세조류로부터 효과적으로 리피드를 추출할수 있다.
제4장에서는 생산된 바이오디젤을 추출용 용제로 사용하여 미세조류 바이오디젤을 생산하는 방법에 대하여 연구하였다. 첫번째로 수분함량이 80%인 건조되지 않은 미세조류를 바이오디젤/메탄올 혼합물과 한동안 반응시키면 바이오디젤/메탄올 혼합물이 미세조류 세포막을 투과한후 세포내의 리피드와 혼합되는것을 확인하였다. 세포내의 리피드 방울이 상당하게 증가되는것을 공초점 레이저 현미경으로 관찰하였다. 두번째로 부풀어오른 리피드 방울을 물리적 힘으로 짜낸후 메탄올로 씻었다. 리피드 추출효율은 68%에 달하였다. 이 방법을 사용하면 용매추출법으로 바이오디젤을 생산하는 과정중에서 에너지 소비가 가장 많은 건조나 용제 회수과정이 필요없이 미세조류 바이오디젤을 생산할수 있다.
