The importance of microalgae as the potential source of biofuel and value-added products (omega-3 lipids, pigments) have led to the development of the microalgae-based biorefinery in recent years. For industrialization of microalgae-based biofuel production, development of energy and cost-efficient lipid extraction process is necessary. The conventional wet lipid extraction process composed of cell disruption and lipid recovery step required high energy consumption and solvent usage, and long process time, which reducing the overall economic feasibility.
To overcome these problems, high shear-assisted lipid extraction method was proposed using a high shear mixer (HSM) for industrial microalgal strains, wet Aurantiochytrium and Nannochloropsis sp. These strains can achieve high biomass and lipid productivity with producing high amounts of omega-3 lipids (DHA and EPA). HSM can induce strong turbulence flow and high shear stress that cause strong dispersion and cavitation effects. The concentrated wet biomass was mixed with various organic solvent directly by using a HSM to enhance accessibility of solvent to lipids. The results showed that high shear mixing achieved high lipid extraction yield compared to conventional stirring without severe cell disruption. Furthermore, high shear mixer shows same lipid extraction yield for dry and wet biomass, which indicating that high shear mixing can overcome water barrier preventing mass transfer of solvent. Additional process optimization for Aurantiochytrium sp. was performed in large scale and achieved high lipid extraction yield (90 %) with low energy consumption (4.83 MJ/kg dry cell) and solvent usage (5.9 ml/g dry cell), which is lower more than 10 times than conventional methods developed for Thraustochytrids. In case of Nannochloropsis sp., it contained thick cell wall composed of cellulose and algaenan (hydrocarbon with various functional group) so that it was not enough to extract lipids with only hexane. Thus, we added alcohol and acid to solvent mixture and achieved high lipid extraction yield with short process time. In addition, acid played important role of convert polar lipids to free fatty acid, which increased lipid quality and prevents emulsion formation. Optimization of solvent composition and operating condition was resulted in high lipid extraction yield (83 % of total lipid and 94 % of EPA) with 30 % lower energy consumption (1.38 MJ/kg dry cell) and 7-times shorter process time (5 min), compared to the conventional methods for photoautotrophic microalgae.
In conclusion, high shear-assisted lipid extraction process was successfully demonstrated to increase economic feasibility for the microalgae-based biorefinery. The high shear-assisted lipid extraction process was able to achieve high lipid yield with low energy consumption, solvent usage and short process time compared to conventional methods. For future work, development of a continuous system for microalgae lipid extraction process using in-line HSM and another downstream process that using biphasic system is recommended.
미세조류는 식량 자원과 토지 사용에 영향을 주지 않으면서도 높은 지질 생산성을 나타내어 3세대 바이오연료의 공급원료로서 활발한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 특정 미세조류는 상업적으로 가치가 높은 오메가-3 지방산을 생산할 수 있어 약물, 화장품, 식품 산업 등에도 적용이 가능하다. 미세조류의 산업적 성공을 위해서는 높은 경제성을 가진 지질 추출 공정이 필요하다. 그러나 기존의 추출 공정은 비효율적인 세포 파쇄 공정과 지질 회수 공정으로 인해 높은 처리 시간, 에너지 및 용매 사용량이 요구되어 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위해 대표적인 산업용 미세조류로서 오메가-3 지방산인 DHA와 EPA를 생산할 수 있는 오란티오키트리움 종과 나노클로롭시스 종을 대상으로 고전단 믹서를 이용한 고전단 기반 지질 추출 공정을 개발하였다. 고전단 믹서로 외부 물을 완전히 제거한 고농축 습식 미세조류 (> 300 g/L)와 유기용매를 직접 혼합한 결과, 일반적인 교반보다 높은 지질 추출율과 추출 속도를 보였다. 또한 고전단 믹서는 기존의 추출 방법들과 달리, 세포를 완전히 파쇄시키지 않고서도 강력한 난류 혼합을 통해 지질 추출이 가능함을 확인하였다. 추가적인 공정의 최적화를 진행한 결과 오란티오키트리움 종에 대해서는 헥세인만으로 기존 공정보다 10배 이상 낮은 용매 사용량 (5.9 ml/g dry cell) 과 에너지 사용량 (4.83 MJ/kg dry mass)으로 90 %의 지질 추출율을 달성하였다. 녹조류는 강한 세포벽을 가지고 있어 기존의 헥세인만 이용해서는 지질을 추출하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 알코올과 황산을 고전단 믹서와 조합한 결과 짧은 시간 안에 높은 지질 추출율을 달성할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 황산이 극성 지질들을 자유 지방산으로 분해하여 추출율과 지질의 성상을 크게 향상시키는 것을 확인하였다. 헥세인, 에탄올, 황산 조합을 기반으로 최적화를 진행한 결과, 기존의 방법보다 30 % 낮은 에너지 소모량 (1.38 MJ/kg dry cell)과 7배 낮은 처리 시간 (5분)으로 83%의 지질 추출율, 그리고 94 %의 EPA 추출율을 달성하였다.
본 연구는 2단계의 지질 추출과정을 하나로 통합하여 고전단 믹서를 이용한 고전단 기반의 지질 추출이 가능하다는 것을 규명하였고, 대표적인 미세조류 종들에 대해서 추출 효율을 극대화하는데 성공하였다. 고전단 기반 지질 추출 공정은 기존의 공정과 대비하였을 때 비슷한 추출율을 유지하면서 낮은 에너지와 용매 사용량, 그리고 짧은 처리 시간을 통해 전체 공정의 경제성이 증가하였음을 확인하였다. 추가적으로 고전단 믹서를 이용한 연속 공정의 개발이나 미세조류 바이오연료 생산을 위한 후속 공정에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
