Microalgae feedstocks are leading candidates for large-scale production of sustainable biochemicals and biofuels due to the huge potentials of microalgae including high biomass and lipid productivity, carbon neutrality, wide range of end-products, growth adaptability, and lesser land requirement. However, the overall process, starting from microalgae cultivation and ending in conversion to biofuels, involves complicated pro-cess units and faces technological and economic challenges for commercialization as this time. Recently, the application of multifunctional nanoparticles has been suggested as a powerful tool to open a possibility for commercialization of microalgae-based biofuels.
Chapter 2 is aimed to review extensive research to improve process efficiency of microalgal biorefin-ery in the literature. Attention will be focused mainly on the nanoparticle-aided microalgae harvesting, extrac-tion and conversion. With respect to microalgae harvesting, various functionalized magnetic nanoparticles for enhancing harvesting efficiency will be introduced. Furthermore, nanoparticles with multiple functions or recyclability to reduce process costs are covered. In the literature, aminoclay-conjugated nanoparticles used to increase lipid extraction yield have been reported. The various nanocatalysts for enhancing conversion yield or upgrading biodiesel are presented.
In chapter 3, magnetophoretic harvesting of microalgae is conducted through a three-step process, which includes functionalization of magnetic particles by (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), magnetic separation, and detachment of magnetic particles by increasing pH to higher than the isoelectric point. De-tachment process is specifically focused and found that the use of larger magnetic particles is more efficient for detachment of magnetic particles from algae-particle conglomerates. The detaching efficiency improves from 12.5% to 85% when the particle size is increased from 108 nm to 1.17 $\mu$m.
In chapter 4, efficient microalgal harvesting and integrated technology are suggested as a way to im-prove economic feasibility of microalgae-based biodiesel. Tri-functional (cationic, magnetic, and lipophilic) carbon microparticles filled with magnetite ($Fe_3O_4$) are synthesized through one-step aerosol spray pyrolysis and applied in microalgal harvesting and serial microalgal lipid entrapment. Carbon microparticles are tri-functional in the following respects: (i) the cationic carbon microparticles facilitate flocculation with anionic microalgae due to electrostatic attractions; (ii) the magnetic properties of the carbon microparticles, owing to embedded magnetites, enable the separation of microalgal flocs from very dilute cultures (~2 g $L^{-1}$) with a separation efficiency of 99%; and (iii) the lipophilicity enables the recovery of lipid droplets extracted from oleaginous microalgae. Microalgal lipids are directly separated through adsorption onto magnetic carbon mi-croparticles from concentrated microalgal slurries after harvesting. The tri-functionality may facilitate the integrated use of magnetic carbon microparticles in microalgal biorefineries and the tri-functional microparti-cles could potentially be applied in various areas such as biomedicine, catalysis, magnetism, energy materials, and environmental remediation.
In chapter 5, it is suggested to integrate downstream processes (harvesting and cell disruption) by using cationic surfactant-decorated $Fe_3O_4$ nanoparticles to mitigate complexity and cost in the biorefinery, The quaternary ammonium heads of cationic surfactants play an important role in not only flocculating nega-tively charged microalgae but also weakening thick cell wall. Harvesting efficiency and cell damaging effect are evaluated in accordance with the studied three cationic surfactants, including cetrimonium bromide (CTAB), cetylpyridinium chloride (CPC), and cetylpyridinium bromide (CPB). CTAB decorated $Fe_3O_4$ nano-particles, which are found to be the most effective, achieve microalgae harvesting with 96.6 % efficiency at a dosage of 0.462 g particle/g cell and 99.8% at a 0.92 g particle/g cell. To recycle magnetic nanoparticles and obtain high purity microalgal biomass, the detachment of microalgae from microalgae- $Fe_3O_4$ flocs is con-ducted by adding the anionic surfactant, sodium dodecyl sulfate (SDS). The detached CTAB decorated $Fe_3O_4$ nanoparticles shows a steady reuse efficiency of about 80%. Furthermore, microalgae harvesting by CTAB decorated Fe3O4 nanoparticles contributes to the great improvement in the total extracted lipid content and the greener wet extraction, though energy-intensive cell disruption step is omitted, demonstrating cell disrup-tion ability of CTAB decorated $Fe_3O_4$ nanoparticles.
In conclusion, this dissertation covers the state of art in nanoparticle-based microalgal biorefinery and research progress in the design of functional magnetic particles and provides a guide for future improvements in microalgal biorefinery.
에너지 소비량 증가 및 원유 가격의 변동성으로 인해 새로운 에너지원에 대한 요구가 나날이 증가하고 있다. 미세조류 바이오매스는 지속 가능한 에너지원으로써 바이오케미컬 및 바이오 연료 대량 생산을 가능케 하는 잠재력이 있다. 미세조류는 1~2세대 바이오매스와 달리 성장주기가 짧은 편이며, 클로렐라와 같은 몇 가지 종은 높은 비율의 지질 함량 때문에 바이오 디젤 생산에도 매우 적합하다. 또한 미세조류는 배양하는 동안 이산화탄소를 흡수하여 광합성에 활용하기 때문에 탄소 중립적이고, 최종 생산물의 범위가 다양하며, 담수에서부터 해수, 폐수에까지 배양이 가능한 점 때문에 대체에너지원으로써 우수하다. 하지만 미세조류 배양부터 수확, 지질추출, 디젤로의 전환 각 단계에서 바이오 리파이너리는 생산과정이 다소 복잡할 뿐만 아니라 현재 기술수준에서 미세조류 바이오 연료를 상용화하기에는 경제적인 문제점이 존재한다. 특히, 미세조류는 매우 크기가 작으며, 묽은 농도를 띄고, 배지 내에서 안정적인 분산을 이루기 때문에 수확하기가 어려운 편이다. 미세조류 바이오 리파이너리에서 가장 많은 에너지를 필요로 하는 수확단계는 미세조류 바이오 연료의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
기존에는 미세조류를 수확하기 위해서 원심분리법, 부유법, 침전법, 응집법 등 다양한 방법이 이용되었다. 최근 자성 입자를 활용한 친환경적 수확 방법이 빠른 수확 속도와 광범위한 수확 범위, 높은 수확 효율 등의 장점으로 주목 받고 있다. 또한 자성 입자가 미세조류 응집제로써 각광 받는 이유는 외부 자기장을 활용하여 쉽게 회수할 수 있기 때문이다. 자성 입자의 이러한 특성은 촉매, 의약, 에너지 저장, 정보 기록, 환경 정화, 바이오테크놀로지 등 수많은 분야에서 이용되었다.. 현재 자성 입자의 합성 및 기능화 연구가 광범위하게 진행되어 있지만, 응용 분야에 알맞은 자성 입자의 특성이 각기 상이하기에 미세조류 분리 공정에 최적화된 자성 입자 합성 관련 연구가 필요한 실정이다. 그래서 본 학위논문의 연구는 미세조류 분리 공정에 초점을 맞추어 그에 적합한 기능성 자성 입자를 설계하고 미세조류 바이오 리파이너리에서 효율적으로 자성 입자를 이용하는 방법을 제안하여 전체 리파이너리의 에너지 및 비용을 줄이는 것을 목표로 하였다.
제 2장에서는 나노 입자를 활용하여 미세조류 바이오 리파이너리의 공정 효율성을 높인 연구에 대해 문헌조사를 하였다. 나노 입자는 미세조류 바이오 연료를 상용화 하기 위해 제안된 재료로 미세조류 수확 및 지질 추출과 전환 분야에서 활발히 이용되고 있다. 먼저 미세조류 수확과 관련해서 다양한 기능성 자성 입자와 다기능성 및 재활용성 나노 입자가 각각 수확효율 향상과 공정 비용 감소를 위해 개발되었다. 또한 미세조류 지질 추출 효율을 높이기 위해서 아미노클레이 복합 나노 입자가 사용되었다. 지질을 디젤로 전환할 시 다양한 산, 염기성 이종 나노 촉매가 이용되었으며, 바이오 디젤의 품질을 향상시키기 위한 나노 촉매도 개발되고 있다.
제 3장에서는 아미노 실란 ((3-aminopropyl)triethoxysilane, APTES)으로 자성입자를 개질하는 단계, 자력을 이용하여 미세조류 응집물을 분리하는 단계, 등전점보다 높은 pH로 올려 자성입자를 탈착시키는 단계, 총 3단계로 이루어진 미세조류 자력 수확법을 제안하였다. 연구 결과 자성 입자를 조류와 입자의 응집물로부터 탈착시키는 데 있어 큰 크기의 입자를 이용하는 것이 효율적이었다. 입자 크기가 108 nm에서 1.17 $\mu$m로 증가됨에 따라 탈착 효율이 12.5%에서 85%로 향상됨을 관찰하였다.
제 4장에서는 미세조류 바이오 디젤의 경제성을 높이기 위해 효율적인 수확 방법과 자성 입자의 통합적 이용 기술을 제안하였다. 양전하성, 자성, 친지방성의 마그네타이트 나노 입자를 박은 탄소 마이크로 입자를 단일 단계 분무 열분해 공정으로 합성하였다. 합성된 입자를 미세조류 수확과 세포 파괴 후 추출된 지질을 회수하는 일에 통합적으로 활용하였다. 실험 결과 탄소 마이크로 입자에는 다음과 같은 세 가지 특성이 있다. 첫째, 양전하성 탄소 마이크로 입자는 음전하를 띄는 미세조류를 정전기적 인력으로 빠르게 응집시킨다. 둘째, 탄소 마이크로 입자는 삽입된 마그네타이트로 인해 자성을 지니며 매우 묽은 농도인 (~2 g L$^{-1}$)배양액에서 99%의 수확 효율을 나타내며 미세조류를 빠르게 분리할 수 있었다. 셋째, 친지방성을 띄는 이 입자는 지질함유량이 높은 미세조류로부터 추출된 지질 방울들을 회수할 수 있게 돕는다. 미세조류 지질은 수확 후 농축된 미세조류 슬러리로부터 탄소 마이크로 입자에 흡착되어 바로 분리되었다. 입자의 다기능성은 바이오 리파이너리에서 자성 입자의 통합적 활용을 가능하게 하여 바이오 리파이너리의 단계를 단축할 수 있었다. 또한 이러한 자성 입자의 특성은 의약, 촉매, 자성체, 에너지 재료, 환경 정화 등 다른 분야에서도 이용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
제 5장에서는 바이오 리파이너리의 단계적 복잡성과 고비용을 줄이기 위한 목적으로 양이온성 계면활성제가 코팅된 $Fe_3O_4$ 나노 입자를 수확 단계와 세포파괴의 다운스트림 공정을 통합시키는데 활용하는 방법을 제안하였다. 양이온성 계면활성제의 사차 암모늄 머리 그룹은 음전하를 띄는 미세조류를 응집시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두꺼운 세포 벽을 손상시키는데 중요한 역할을 하였다. 양이온성 계면활성제로 cetrimonium bromide (CTAB), cetylpyridinium chloride (CPC), cetylpyridinium bromide (CPB)을 이용하여 계면활성제 종류에 따른 수확 효율과 세포 손상 효과를 비교 평가하였다. 실험 결과 CTAB이 코팅된 자성 입자가 가장 효과적이었다. CTAB-코팅된 자성 입자를 0.462 g particle/g cell 만큼 첨가하였을 경우에는 96.6%의 수확효율을, 0.92 g particle/g cell 을 이용하였을 경우에는 99.8%의 수확효율을 달성하였다. 또한 음이온성 계면활성제 sodium dodecyl sulfate (SDS)를 첨가하여 미세조류와 입자 응집물에서 자성입자를 분리시킴으로써, 높은 순도의 미세조류 바이오매스를 얻을 수 있었다. 분리된 CTAB-코팅된 자성 입자는 80%의 재사용 효율을 보여주며 세 번의 재사용이 가능하였다. 더 나아가서 CTAB가 코팅된 자성 입자는 에너지 집중적인 세포 파괴 단계를 생략했음에도 추출 가능한 지질의 총량을 증가시켰으며 완전히 건조되지 않은 미세조류로부터 친환경적인 지질 추출을 가능하게 하였다. 이러한 결과는 CTAB-코팅된 자성 나노 입자의 세포 손상 능력을 입증한다.
결론적으로 본 학위논문은 나노 입자 기반의 미세조류 바이오 리파이너리의 현재 기술 수준을 검토하고 기능성 자성입자의 설계에까지 연구결과를 진행하고 있다. 이는 미세조류 바이오 리파이너리의 미래 발전을 위한 좋은 지침서가 될 것이라고 기대한다.
