Microalgae are considered one of the most promising alternatives for biodiesel production and $CO_2$ fixation. However, the low biomass and lipid productivities are the major bottleneck for the commercialization of microalgae biotechnology.
The purpose of this study is to optimize the lipid production and $CO_2$ fixation through developing the processes and system for the microalgal production based on the isolated oleaginous microalgae. The microalgae showing high growth rate and lipid productivity under high $CO_2$ concentration was successfully isolated from environments samples. This isolate strain was identified as Ettlia sp. using an 18S rDNA-based phylogenetic analysis and morphological comparison. In the comparison of its biomass and lipid productivities with three microalgae, Scenedesmus sp., Chlorella vulgaris, and Botryococcus braunii, the biomass productivity of Ettlia sp. YC001 was comparable to that of Scendesmus sp. and its lipid productivity was around 4 times higher than those of three microalgae.
The optimal pH of Ettlia sp. for high biomass productivity and an auto-flocculaton activity was at pH 8.5 and 10.5, respectively. These differentiated optimal pH regimes were established using $CO_2$ and light irradiation or only light irradiation, respectively. For the mass cultivation, the high efficient $CO_2$ supplying system was developed with the Venturi tube. This system was confirmed to be effective for pH control and mixing the mass microalgal culture in outdoor raceway-ponds. As results of this study, Ettlia sp. YC001 is appropriate for mitigating $CO_2$, and a suitable candidate for producing biodiesel. The proposed simple strategy and $CO_2$ supplying system were cost-effective and flexible for the design and operation of microalgae cultivation-harvest systems. Consequently, the processes and system developed can improve the lipid productivity and $CO_2$ fixation, and contribute to increase the economic viability of microalgae biotechnolgy.
바이오에너지 생산과 이산화탄소 저감을 위한 대안으로 광합성 미세조류는 많은 관심과 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 높은 생산 단가로 인해 미세조류 유래의 바이오디젤 생산 및 상업화는 초기단계에 머무르고 있다. 이를 해결하기 위해서는 저비용 / 고효율의 바이오매스 및 지질 생산 공정의 개발과 최적화가 시급하다.
본 연구에서는 높은 이산화탄소 농도에서 생장이 우수하고, 지질함량이 높은 미세조류를 환경시료로부터 분리 및 동정하고, 분리된 균주에 최적화된 배양 공정 및 시스템을 개발함으로써 지질생산과 이산화탄소 고정의 최적화를 이루고자 하였다. 다양한 환경시료에서 생장이 우수한 미세조류를 분리하였으며, 형태적 특성과 분자계통학적 분석을 통해 분리된 균주가 Ettlia sp.으로 동정되었다. 고농도 (10%) 이산화탄소에서 Ettlia sp. YC001를 배양하여 대표적인 미세조류 3 종, Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris, Scenedesmus sp.와 바이오매스 및 지질 생산성을 비교하였다. Ettlia sp. YC001의 바이오매스 생산성은 Scenedesmus sp.와 유사하였으며, 높은 지질함량 (> 40%)과 지질생산성 $(> 80 mg L^{-1} d-^1)$을 보였으며, 이는 Scenedesmus sp.에 비해 약 4 배 이상 높았다. 환경으로부터 분리된 Ettlia sp. YC001은 높은 바이오매스 및 지질 생산성으로 CO2 저감 및 바이오디젤 생산에 적합한 균주로 사료된다.
Ettlia sp. YC001의 생장 및 수확의 최적 pH는 각각 8.5와 10.5이였으며, 화학적 처리 없이 이산화탄소와 광 공급으로 pH 조절이 가능하였다. 특히, 수확 반응기에서 광 공급에 의해 pH를 10.5 이상으로 유지할 수 있었다. 또한, Ettlia sp. YC001의 고밀도 옥외 대량배양을 위해 Venturi tube를 이용한 $CO_2$ 공급 장치를 개발하여 배양액의 교반과 효율적인 이산화탄소의 공급 및 pH조절이 부가장치 없이 동시에 원활히 이루어짐을 확인하였으며, Ettlia sp. YC001 배양에 적용하여, 원활한 CO2 공급과 교반으로 인해 안정적인 pH 조절이 가능함을 확인하였다.
본 연구를 통해 개발된 Ettlia sp. YC001 기반의 배양공정 및 배양 시스템을 통해 지질생산과 이산화탄소 저감의 최적화가 가능하며, 이로부터 미세조류 유래의 바이오에너지 생산의 상업화에 의미 있는 발판을 제공할 것으로 기대된다.
