The rising carbon dioxide and greenhouse gas emissions are already affecting our lives in many ways, causing harmful effects in terms of health, environment, and climate. In response to this phenomena, many researchers around the world are looking for an alternative energy, which will not only bring environmental benefits, but also will ensure energy security, creation of new jobs, and energy for future generations. There are many types of alternative energy sources, such as solar, wind and water, but biodiesel is receiving more and more attention in both academic and industrial fields. Biodiesel is produced by extracting lipids from biomass, and among various types of biomass used to produce biodiesel, this thesis focuses on microbial oil, which is oil produced by oil-accumulating (oleaginous) microorganisms. More specifically, this thesis includes both yeast and microalgae based biodiesel with investigations on (1) obtaining new oleaginous yeast strains, and (2) recycling the culture medium after microalgae harvesting.
Oleaginous yeasts, when grown under appropriate conditions, can be a good source for biodiesel production. In this study, a yeast strain Cyberlindnera saturnus was isolated from fermented seafood. Characterization experiments were carried out with Cyberlindnera saturnus, to find out at what environmental conditions it can accumulate maximum biomass and lipid content. Various culture conditions were tested, including temperature, pH, carbon-source, nitrogen-source, carbon-to-nitrogen ratio, and salt concentrations. The results showed that Cyberlindnera saturnus was able to grow well under a wide pH range of 4 to 9 and was also able to accumulate lipid contents higher than 30% when grown under optimized conditions. Such results indicate that Cyberlindnera saturnus can be called an oleaginous yeast strain, with its strength being the ability to withstand a wide range of pH.
In terms of microalgae, they have advantage over yeasts in that they do not require organic substrates to grow; instead, carbon dioxide and light supply is required. However, they have slower growth rates and lower final density, meaning that large quantities of water and nutrients are used in microalgae cultivation. In this study, the coagulant $Fe(NO_3)_3$ was used as the coagulant not only to harvest the microalgae, but also to simultaneously provide nitrate into the liquid medium to be utilized in the liquid medium recycle. With 0.8 g/L of $Fe(NO_3)_3$, the nitrogen level after 8 days of cultivation could be replenished back to the original level simply by recycling the liquid medium after microalgae harvesting. The rest of the nutrients had to be supplemented, but only half amount of the nutrients supplied in the BG11 medium was enough to support cultivation of Chlorella sorokiniana in the recycled medium, with the biomass productivity of 370.3 mg/L/day as compared to 325.9 mg/L/day in control culture grown in BG11. The final FAME productivity was 88.3 mg/L/day, and when the entire amount of the nutrients in the BG11 was supplied, the FAME productivity was even higher, with 95.5 mg/L/day. From this study, the potential to use $Fe(NO_3)_3$ as both coagulant and nitrate supply to optimize water and nutrient usage was proven. This method will reduce the water and nutrients footprint of microalgae-based biodiesel production, especially when applied in large-scale commercialization.
인류의 활동에 따라 늘어가는 온실가스와 탄소 배출량은 인류의 건강, 자연 환경, 기후 등에 해로운 영향을 끼치고 있다. 이러한 현상에 대한 대안으로 대체 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 중 바이오디젤이 식물이나 미생물과 같은 바이오매스에서 지질을 얻어 만들어지는 대체 연료로서 각광받고 있다. 바이오디젤의 재료인 바이오매스는 유채, 콩, 해바라기와 같은 식물이 많이 쓰였지만, 식용이 가능한 곡물로 에너지를 만든다는 윤리적인 문제와 높은 가격 때문에 최근에는 고지질 함유 미생물이 그 대안으로서 주목 받고 있다. 고지질 함유 미생물이란 세포 질량의 20% 이상을 지질로서 축적할 수 있는 미생물로, 바이오디젤에 대표적으로 사용되는 미생물은 효모와 미세조류가 있고, 본 연구는 그 두 종에 대한 연구를 각각 포함하고 있다.
먼저, 고지질 함유 효모 연구에 대해서는 한국의 특산품인 젓갈에 존재하는 다양한 효모 중, 지질함량이 높은 효모를 분리하여 배양하는 과정에서 성장 조건의 최적화와 지질 함량의 극대화를 이루어 바이오디젤 생산량을 향상시키는 연구를 진행하였다. 최종적으로 선별해 낸 효모는 Cyberlindnera saturnus라는 종이며 온도, pH, 탄소원, 질소원 등 배지 조성과 성장 환경을 달리하여 키우며 최적화 실험을 진행하였고, 질소원으로 특정 아미노산을 넣어주었을 때 지질 함량을 30%까지 높일 수 있었다. 또한, Cyberlindnera saturnus가 축적한 지질이 바이오디젤로서 적합한지에 대한 분석도 진행하였고, EN Standard에 모두 부합함을 확인함으로써, Cyberlindnera saturnus의 지질이 다른 식물기반 지질보다 오히려 더 바이오디젤에 적합한 특성을 지니고 있다는 점을 알아낼 수 있었다.
그리고 미세조류 기반 바이오디젤에 대한 연구는 미세조류를 배양하여 수확하고 남은 Harvest water를 다시 배양수로 재활용 하는 연구로서, 미세조류 배양 과정에서 물과 질소 사용량을 줄이는 것을 목적으로 하였다. 미세조류 바이오디젤을 1 kg 생산하려면 3726 kg의 물이 사용되는데, Harvest water 재활용을 통해 591 kg으로 줄일 수 있고, 영양분 사용량 또한 55% 가량 줄일 수 있다는 점에서 배양수 재활용 실험은 바이오디젤 상용화에 핵심이라고 볼 수 있다. 이에 대해 전세계적으로 다양한 연구가 이루어지고 있는데, 본 연구에서는 특별히 미세조류 바이오매스를 수확하는 단계에서 질산철(Iron nitrate)이라는 응집제를 사용하여 철(Iron)이 미세조류끼리 응집을 시켜주어 가라앉게 만들어줌과 동시에 질산염(Nitrate)이 Harvest water에 녹아 들어 추후 Harvest water를 재활용하는 과정에서 따로 질소원을 추가해주지 않아도 되는 통합 과정을 진행해 보았다. 그 결과, 0.8 g/L의 질산철을 응집제로 사용하였을 때, 95% 의 높은 수확율을 얻을 수 있었고, 수확 이후 남은 Harvest water와 녹아 나온 질소를 이용해 다시 배양하였을 때 질소원을 제외한 영양분을 50%만 첨가해 주어도 기존 biomass productivity보다 높은 370.3 mg/L/day의 biomass productivity를 얻을 수 있었고, FAME productivity는 88.3 mg/L/day로 높은 바이오디젤 생산율을 보였다. 본 연구를 통해 질산철이 응집제와 질소원으로서 동시에 작용하면서 배양수 재활용 공정에 쓰일 수 있음을 확인할 수 있었고, 미세조류 바이오디젤 연구가 상용화 단계로 나아가는 과정에서 물과 영양분 사용을 줄여 경제적이고 효율적인 바이오디젤 생산이 이루어지게 도울 것으로 예상된다.
