Recent concerns about ever-increasing CO2 emissions and global warming have attracted interest in microalgae-based CO2 capture and utilization (CCU) technology. Indeed, there have been many studies using microalgae to fix the CO2 in industrial flue gas. Despite the theoretical feasibility of this technology, there exist some critical issues in directly utilizing flue gas: low carbon utilization efficiency, high cost for CO2 transportation, and inhibition of algal growth by toxic compounds. All these difficulties arise because the CO2 being managed is gaseous. In this doctoral study, therefore, I focused on utilization of an ionic form of CO2, specifically bicarbonate (HCO3−), as a carbon source for microalgae cultivation. To make it possible to implement this novel approach, I proposed a novel process combining microalgae cultivation and electrochemical CO2 absorption, which is able to provide sodium bicarbonate (NaHCO3) from flue gas in an eco-friendly manner. With this process, CO2 in the flue gas is captured and subsequently turned into NaHCO3, which is then utilized as a carbon source for the microalgae. This approach, which is innovative in itself, allows avoidance of the high energy demands for gas compression and the low carbon utilization efficiency of conventional CO2-based cultivation. For this approach to bicarbonate-based cultivation to work, it is important to utilize microalgae species that are capable of growing on bicarbonate. To this end, a size-based microalgae separation technique was developed to isolate the microalgal strains that are favorable for bicarbonate-based cultivation. A contraction–expansion array microchannel utilizing inertial microfluidics was employed as a simple and effective method for the separation of two model microalgae, Chlorella vulgaris and Haematococcus pluvialis. Fluorescent microbeads with diameters of 6 and 20 μm were first used as surrogate particles, and they were clearly separated at a total flow rate of 7.4 mL h−1. In this predetermined optimal condition, the two algal species were also successfully separated without affecting cell viability: the separation yielded 97.9% of purity for C. vulgaris and 94.9% for H. pluvialis. This inertia-based separation technology is expected to be able to overcome the labor-intensive and time-consuming disadvantages of conventional microalgae separation technologies. In addition, the ability of ten algal species to utilize bicarbonate as their carbon source was tested, and their optimal culture conditions, such as bicarbonate concentration, culture temperature, and light intensity, were also determined. The specific growth rates of all the algal cells were found to increase with NaHCO3, suggesting that bicarbonate can be utilized as a carbon source. It is worth noting that this study was the first to systematically demonstrate that many eukaryotic microalgae are able to utilize NaHCO3, which has not been widely accepted to date, in contrast to prokaryotic cyanobacteria. Moreover, the optimal culture conditions were found to be different depending on the carbon source used. It is my anticipation and belief that the basic physiological database obtained during this study will be useful when the bicarbonate-based technology becomes widespread. In addition, the potential of the bicarbonate-based cultivation was compared to that of conventional CO2-based cultivation in terms of biomass productivity and carbon utilization efficiency. This bicarbonate-fed cultivation process could yield biomass productivity similar to that of a CO2-based system as long as pH is controlled. Moreover, the theoretical carbon utilization efficiency when using NaHCO3 was calculated to be 86.7–100.5%, much higher than that using CO2 (10–25%). These results were also in agreement with experimentally obtained carbon utilization efficiencies. While CO2 supplied in gaseous form was mostly lost (only 3.6% of it was usable for biomass synthesis), bicarbonate was effectively incorporated into the biomass with carbon utilization efficiency of 91.4%. The environmental benefits of using NaHCO3 were assessed via carbon footprint analysis from the perspective of the entire process, ranging from carbon source preparation to microalgae cultivation. This analysis revealed that conventional CO2-based microalgae cultivation is not as effective as expected because most of the CO2 supplied is outgassed. Additionally, this also showed that the use of bicarbonate can provide other advantages over the other two CO2-based carbon sources (direct flue gas and MEA-extracted pure CO2), with respect to net CO2 emissions and biomass productivity. These benefits were even more pronounced when the transport of carbon sources was considered. The low carbon outgassing rate (maximum 9.6 ppm day−1) and substantially higher carbon utilization efficiency (>86.7%) with bicarbonate were found to be the determining factors. This high carbon utilization efficiency could even outweigh the disadvantage of providing the substantial electrical energy required to produce NaHCO3 from CO2. Finally, a novel water electrolysis-based microalgae cultivation system, which is capable of both pH control and continuous supply of the carbon source, was designed and its performance was confirmed. Daily operation of the water electrolytic cell could effectively lower the pH of an algal culture medium within 6–90 minutes depending on the voltage applied, and at the same time, approximately 100–150 mg L−1 of carbon could be successfully supplemented into the anodic algal culture solution. Interestingly, the final biomass concentrations were the same (1.7 g L−1) regardless of the voltage applied and the concentration of catholyte, and the applied voltage (3–6 V) did not affect the viability and lipid productivity of algal cells. I believe that all these results, which I produced during my doctoral program, strongly support my assertion that bicarbonate-based microalgae cultivation is indeed feasible and practical, in particular when integrated with the electrochemical CO2 mineralization technology. Given that long-distance transport of gaseous CO2 is not economical and that a plant-adjacent co-located algae facility is also hardly available, this bicarbonate-based technology appears even more desirable. It is also more practical because the use of an aqueous or powder form of NaHCO3 product would allow the microalgae cultivation sites to be located well away from the CO2 sources, such as power plants or other CO2 emitters, extending the scope of application of this technology.
계속하여 증가중인 대기 중 이산화탄소의 농도 및 지구온난화에 대한 우려로 인해 미세조류를 기반으로 하는 이산화탄소 포집 및 활용 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 배기가스에 포함되어있는 이산화탄소를 미세조류를 통해 고정시키고자 하는 다양한 연구가 수행된 바 있으나 이 배기가스를 미세조류의 탄소원으로써 직접적으로 활용하는 데에는 낮은 탄소 이용 효율, 높은 이산화탄소 운반 비용, 배기가스 내 독성물질로 인한 미세조류 성장 억제와 같은 여러 한계점들이 존재한다. 이러한 모든 문제는 이산화탄소가 기체상으로 존재하기 때문에 발생하기에 본 연구에서는 미세조류 배양을 위한 탄소원으로써 기체상의 이산화탄소가 아닌 수용액상에 이온 형태로 존재하는 중탄산염을 활용하고자 하였다. 특히나 이 중탄산염 기반의 미세조류 배양을 구현하기 위한 구체적인 방안으로써, 본 연구에서는 배기가스로부터 중탄산나트륨을 친환경적으로 공급할 수 있는 전기화학적 이산화탄소 포집 공정을 미세조류 배양 공정에 접목하고자 하였다. 이 통합 시스템에서 배기가스 내 이산화탄소는 먼저 중탄산나트륨으로 전환되며, 이렇게 생산된 중탄산나트륨은 미세조류의 탄소원으로 활용된다. 이러한 중탄산염 기반 미세조류 배양법은 기존 이산화탄소 기반 배양법의 이산화탄소 가스 압축에 요구되는 고 에너지 및 낮은 탄소 이용 효율 등의 단점들을 피할 수 있게 해준다. 먼저, 이러한 중탄산염 기반 배양 기술이 실현되기 위해서는 무엇보다 중탄산염을 탄소원으로 활용하여 성장할 수 있는 미세조류 종이 확보되어야 한다. 이에 따라 중탄산염으로 배양하기에 유리한 미세조류 균주를 분리하기 위해 미세조류를 그 크기에 따라 분리하는 새로운 미세조류 분리 기술을 우선적으로 개발하였다. 구체적으로, 관성 미세유체역학을 활용하는 수축-확대 배열 마이크로 채널을 사용하여 클로렐라 불가리스와 헤마토코쿠스 플루비알리스 두 종을 서로 분리하고자 하였으며, 이 두 미세조류와 유사한 직경을 갖는 형광 마이크로 비드를 사용하여 실험한 결과, 7.4 mL h-1의 유속에서 비드들이 성공적으로 분리되는 결과를 얻었다. 동일한 조건에서 실제 미세조류 또한 세포 생존 능력에 영향을 받지 않고 성공적으로 분리되었으며, 분리된 클로렐라의 순도는 97.9%, 헤마토코쿠스의 순도는 94.9%로 나타났다. 이 미세유체역학을 활용하는 분리 기술은 기존의 노동집약적이며 시간 소모적인 미세조류 분리 공정을 개선할 수 있을 것이다. 나아가 총 열 종의 미세조류에 대해 탄소원으로써 중탄산염을 활용할 수 있는 지를 시험하였으며, 이와 더불어 중탄산염의 농도, 배양 온도 및 광도와 같은 중탄산염 배양 시의 최적 배양 조건을 조사하였다. 그 결과, 중탄산나트륨을 공급하였을 때 모든 미세조류의 성장속도가 증가하였는데, 이는 중탄산염이 미세조류의 탄소원으로 이용될 수 있음을 시사한다. 특히나 본 결과는 원핵생물인 시아노박테리아와는 달리 중탄산염 활용 여부가 이제까지 잘 알려지지 않아왔던 진핵 미세조류의 중탄산염 활용 가능성을 입증했다는 점에서 주목할 가치가 있다. 또한 사용된 탄소원의 종류에 따라 최적 배양 조건이 상이 하였으며, 본 연구에서 확립된 기본 생리학적 데이터베이스는 추후 중탄산염 기반 미세조류 배양을 위한 초석으로써 유용하게 쓰일 수 있을 것이다. 또한 중탄산염을 탄소원으로 활용하는 것이 기존의 이산화탄소를 활용하는 것과 비교하여 바이오매스 생산성 및 탄소 이용 효율 측면에서 더 유리할 수 있는지를 비교하였다. 그 결과, pH가 제어되는 한 이산화탄소를 공급했을 때와 유사한 바이오매스 생산성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 중탄산염을 사용할 때의 이론적 탄소 이용 효율은 86.7-100.5%로 10-25%의 효율을 갖는 이산화탄소보다 훨씬 높게 계산되었는데, 이는 실험적으로도 증명되었다. 기체상으로 공급해 준 이산화탄소의 대부분은 대기 중으로 손실되어 공급해준 이산화탄소의 약 3.6%만이 미세조류 바이오매스로 전환된 반면, 중탄산염의 바이오매스로의 전환 효율은 약 91.4%에 달했다. 나아가 탄소원을 준비하는 과정에서부터 미세조류 배양에 이르기까지의 전체 공정의 관점에서, 중탄산염을 사용하는 것의 환경적 이점을 탄소 발자국 분석을 통해 평가하였다. 그 결과, 배양 도중 대기 중으로 유실되는 다량의 이산화탄소로 인해 현재의 보편적인 이산화탄소 기반 배양이 실제로는 효과적이지 않다는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 중탄산염을 사용하는 미세조류 배양 공정은, 배기가스 내 포함된 이산화탄소를 직접 사용하는 공정이나 MEA 흡수 공정을 통해 생산된 순수한 이산화탄소를 사용하는 공정, 둘 모두에 비해 총 연간 이산화탄소 배출량 및 바이오매스 생산성 측면에서 더 우수하였다. 이러한 이점은 탄소원의 운송을 고려했을 때 더욱 두드러졌는데, 중탄산염 사용 시의 낮은 탄소 손실률(9.6 ppm day-1) 및 높은 탄소 이용 효율(>86.7%)이 그 결정 요인이었다. 특히나 이 높은 탄소 이용 효율은 이산화탄소로부터 중탄산나트륨을 생산하는데 요구되는 높은 전기 에너지의 단점까지 극복 가능케 하였다. 마지막으로, 앞의 모든 연구를 바탕으로 중탄산염 배양 시에 필수적인 pH 조절과 연속적인 탄소원의 공급이 가능한 새로운 수전해 기반 미세조류 배양 시스템을 설계하였다. 하루에 한 번씩 수전해 셀을 구동함을 통해, 인가한 전압의 크기에 따라 6-90분 내에 미세조류 배양액의 pH를 효과적으로 낮출 수 있었으며, 동시에 매일 약 100-150 mg L-1의 탄소를 미세조류 배양액으로 성공적으로 공급할 수 있었다. 또한, 최종 생산된 미세조류 바이오매스의 농도는 인가한 전압이나 음극 전해질 용액의 농도에 관계없이 동일(1.7 g L-1)했으며, 미세조류에 3-6 V의 전압을 인가하여도 미세조류 세포의 생존력과 지질 생산성에는 영향이 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 종합하자면, 이러한 모든 결과들은 중탄산염 기반 미세조류 배양이 전기화학적 이산화탄소 포집 기술과 결합될 때 비로소 실현 가능할 것이라는 것을 보여준다. 그리고 기체상의 이산화탄소를 장거리 운송하는 것이 비경제적이며, 동시에 발전소 부지에 미세조류 배양장을 건설하는 것 또한 어려운 일이라는 점에서 이 중탄산염을 활용하는 기술은 더욱 더 장점을 갖는다. 수용액 또는 분말 상태로의 운송이 용이한 중탄산염을 활용하는 것은 발전소 또는 여타 이산화탄소 배출원의 위치와 상관없이 미세조류 배양장의 위치를 선정할 수 있게 해 줄 것이며, 이는 추후 기술 적용의 범위를 확장시키는데 기여할 것이다.
