Studies on biomass and oil production from eight microalgae using Light-Emitting Diode (LED)

Abstract

화석연료사용의 증가로부터 대기 중의 CO2 농도가 증가하여 지구온난화 현상이 심각하게 대두되고 있으며, 에너지 원료의 고갈로 인해 대체에너지 자원의 필요가 증가하고 있다. 이 두 문제를 해결할 수 있는 대체에너지 자원 원료로서 미세조류가 각광받고 있다. 미세조류는 빛에너지와 대기 중의 CO2를 이용해 성장하는 광합성독립영양생물이다. 미세조류는 3세대 바이오매스로서 성장이 빠르고, 오일을 체내에 축적가능 하며, 배양을 위한 많은 면적의 땅을 요구하지 않는다. 미세조류의 성장에서 가장 중요한 에너지원은 빛 에너지원으로, 빛 광도, 빛 파장에 영향을 받는다. 본 연구에서 사용한 빛 에너지원은 발광다이오드로서 형광등에 비해 전력량이 낮아 가격이 저렴하고, 미세조류가 원하는 파장 만을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 Isocrhysis galbana, Pheodactylum tricornutum, Nannochloropsis oculata, Nannochloropsis oceanica, Nannochloropsis salina, Dunaliella salina, Dunaliella teriolecta, Nannchloris atomus, 8종의 미세조류의 파장, 광도, 영양분의 최적 농도를 결정했다. 이와 더불어 Two-phase 배양을 통해 체네의 오일함량을 증가 시켰으며, 바이오디젤의 특성으로 적합하다고 알려진 C16 (palmitic acid)와 C18 (stearic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid) 의 함량을 분석하였다. 바이오디젤 생산하기위해 8종 미세조류의 최적조건을 확립하기 위하여 f/2 배지를 1.5L 의 멸균해수에 첨가하고 light and dark cycle (L:D cycle) 은 12:!2, air공급은 2.5L/min 으로 일정하게 공급했으며, 온도는 20℃에서 배양했다. 최적 파장을 설정하기위해 광도 70 μmol/m2/s LED 파장을 660 nm (red), 640 nm (orange), 520 nm (green), 465 nm (blue), 405 nm (violet) 파장에서 배양했다. 그 결과 I. galbana, P. tricornutum, N. oculata, N. oceanica, N. salina, D. salina, D. tertiolecta 7종의 미세조류는 465 nm (blue) 파장에서 최대 바이오메스를 얻었고, N. atomus 는 660 nm (red)파장에서 최대 바이오매스를 얻어 이를 최적 파장으로 설정했다. 이 후 최적 광도를 설정하기위해 각 종의 최적 파장과40, 70, 100, 130 μmol/m2/s 의 광도에서 배양했다. 그 결과 8종 미세조류 모두 100 μmol/m2/s 의 광도에서 최대 바이오매스를 생산했다. 형광등에서 동일한 조건으로 배양한 결과를 비교 했을 때, LED에서 배양한 미세조류의 바이오매스 생산이 형광등에 비해 약 2배이상의 바이오매스 생산을 확인하였으므로, LED가 효과적인 빛에너지 자원임을 확인 하였다. 최적 파장 및 최적 광도를 설정한 후 성장에 있어서 가장 중요한 영양원인 질소원 농도를 8, 16, 24, 32 mg/L 로 설정하여 배양했다. 이 때 I. galbana, P. tricornutum 은 16 mg/L에서 각각 0.93, 1.08 g dcw/L 의 최대 바이오매스를 생산했고, 오일함량은 30, 36% of dry cell weight의 함량을 얻었다. 또한 N. oculata, N. oceanica, N. salina, D. salina, D. tertiolecta, N. atomus 는 24 mg/L 의 질소원 농도에서 1.01, 0.92, 0.88, 0.79, 0.75, 0.84 g dcw/L 의 바이오매스 함량과 28, 23, 22, 25, 26, 25% of dry cell weight 의 오일함량을 각각 생산했다. 최적 파장, 광도, 영양분의 농도를 설정해 최대 바이오매스를 생산한 후 오일함량 및 지방산 함량을 증가시키기 위한 배양으로 파장을 변환시켜 배양하는 two-phase 배양을 실시하였다. 최적조건하에서 배양한 미세조류가 정지기에 도달했을 때 배양하고 있는 모든 미세조류의 빛 파장을 660 nm (red) 혹은 520 nm (green) 혹은 465 nm (blue) 파장으로 변환하여 3일간 배양했다. 그 결과 8종의 미세조류에서 520 nm (green)에서 가장 많은 오일을 축적했다. 이때 오일함량과 C16 (palmitic acid)와 C18 (stearic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid)함량을 분석했을 때 I. galbana, P. tricornutum, N. oculata, N. oceanica, N. salina, D. salina, D. tertiolecta, N. atomus 종은 60, 62, 56, 53, 50, 52, 54, 52% of dry cell weight의 오일함량을 생산했고, 이때의 지방산함량을 분석한 결과 C16 (palmitic acid)는 435.4, 360.0, 382.4, 381.5, 322.8, 326.4, 350.4, 252.4 mg/g oil 의 함량을, C18 (stearic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid)는 443.9, 542.7, 416.0, 374.1, 343.5, 449.1, 435.8, 367.8 mg/g oil 의 함량이 측정되었다. 이 결과로서 미세조류는 성장을 위해 특정파장을 흡수하여 성장하고, 이는 미세조류가 가지고 있는 chlorophyll a, β-carotene 혹은 phycocyanin의 보조색소로 인한 것임을 알 수 있었고, 최적조건에서 배양한 후 two-phase 공정을 실시 했을 때, 전체적인 오일함량 및 지방산 함량을 증가시켰다. 이 결과들은 미세조류를 LED같은 적절한 빛 에너지원을 이용했을 때 낮은 전력량으로 전체적인 바이오매스, 오일, 지방산 함량을 증가시킴으로써 차세대 미세조류 빛 에너지원으로 이용할 수 있음을 확인하였다.