Studies on biomass and oil content of marine microalgae for biodiesel production

Abstract

화석연료로부터의 디젤의 소비와 이로부터 배출되는 NOx, SOx 그리고 CO와 같은 대기 오염물질은 해마다 증가하고 있으므로 해양 미세조류로부터의 바이오디젤을 생산하기 위한 관심이 증가하고 있다. 해양 미세조류는 높은 성장속도와 오일을 체내에 축적할 수 있으며, 배양을 위해 많은 면적의 땅을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 하지만, 바이오매스 함량, oil 함량을 최대로 생산하기 위한 연구는 세계적으로 꾸준히 진행되고 있지만 아직은 미비한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 Tetraselmis suecica, Phaeodactylum tricornutum, Chaetoceros calcitrans, Isochrysis galbana 그리고 Nannochloropsis oculata로 부터 높은 바이오매스 함량과 oil 함량을 나타내는 종을 선정하기 위한 실험이 수행되었다. 이와 더불어 oil내에 바이오디젤의 특성에 적합하다고 알려진 C16 (palmitic acid) 와 C18 (stearic acid, oleic acid, linoleic acid and linolenic acid) 의 지방산 함량을 분석하였다. 바이오디젤 생산을 위한 적합한 후보종을 선정하기 위하여 5종의 해양 미세조류는 배양기 내에 f/2 배지와 15-L 의 멸균해수와 f/2 배지를 첨가하고 12:12의 light and dark cycle (L:D cycle), 36.3 μmol/m2/s의 조도, 2.5 L/min의 일정한 air를 공급해 주는 동일한 배양조건으로 20±1℃의 실내에서 배양되었다. T. suecica가 배양 후 9일째에 정지기에 접어들었으며, 이 때의 바이오매스 함량은 0.58 g/L 였다. I. galbana와 N. oculata도 0.57 g/L 로 높은 바이오매스 함량을 나타내었지만, 접종 후 정지기까지의 배양기간은 각각 24일, 28일이었다. 하지만, P. tricoenutum과 C. calcitrans의 바이오매스 함량은 각각 0.26과 0.47 g/L로 낮았다. Oil 함량은 정지기로부터 9일째로 갈수록 증가하였으며, P. tricornutum과 I. galbana에서 각각 25.31%와 23.15% dry cell weight 로 5종 중에서 높은 함량을 나타내었다. 높은 바이오매스 함량을 나타내었던 T. suecica와 N. oculata는 각각 7.55와 8.23% dry cell weight로 낮은 함량을 정지기로부터 9일째에 나타내었다. 5종의 미세조류는 oil 내의 C16과 C18의 지방산 함량도 oil 함량의 증가와 같은 경향을 나타내었으며 특히, palmitic acid와 oleic acid의 함량이 대부분을 차지하고 있었다. T. suecica가 561.22 mg/g oil으로 5종류의 총 지방산 함량을 나타내었다. I. galbana도 472.66 mg/g oil의 높은 함량을 나타내었다. I. galbana와 C. calcitrans는 5종류의 지방산 중 palmitic acid의 함량이 두드러지게 높았으며, P. tricornutum의 5종류의 지방산 함량이 실험종 중에서 가장 낮은 299.60 mg/g oil을 나타내었다. 따라서, T. suecica와 I. galbana가 바이오디젤을 생산하기 위해서 oil을 형성할 수 있는 적합한 종으로 판단되었다. 본 연구에서는 T. suecica를 이용하여 배양기간을 단축시키면서 바이오매스 확보와 더불어 높은 oil 함량을 나타낼 수 있는 연구를 수행하기 위해 T. suecica의 바이오매스 함량과 배양기간을 단축 시키기 위해 최적의 L:D cycle, light intensity, nitrate concentration 그리고 aeration rate 확립 및 oil 함량을 높이기 위한 2단계 배양을 수행하였다. 다양한 L:D cycles 하에서 T. suecica를 배양한 결과, 다른 L:D cycles에서 보다는 24:0의 L:D cycle 하에서 0.78 g/L 로 바이오매스 함량이 나타났으며 정지기에 도달하는 배양기간이 종 선정 실험에서보다 2일 줄어든 6일로 단축되었다. 이 조건을 이용하여 light intensities 조건실험을 한 결과, 145.2 μmol/m2/s의 light intensity에서 0.89 g/L의 바이오매스 함량과 함께 접종일로부터 5일째에 정지기에 접어든 것을 확인할 수 있었으며, 확립된 L:D cycle과 light intensity를 nitrate concentrations 조건실험에 적용한 결과 18.55 mg/L의 nitrate concentration 하에서 1.07 g/L 의 바이오매스 함량을 확인할 수 있었다. 최적 aeration rate를 확립하고자 다양한 aeration rates 실험을 통해서는 nitrate concentration 실험과 비슷한 1.04 g/L의 바이오매스 함량을 나타내어 2.5 L/min의 air를 공급함이 최적임을 확인할 수 있었다. 각각의 성장 환경 조건하에서의 oil 함량은 light cycle을 줄여줄수록, light intensity를 높여줄수록, nitrate concentration이 낮고, aeration rate가 높아질수록 높은 함량을 나타내었으나, 유의적인 차이를 나타내지는 않았다(P>0.05). 최적의 바이오매스 함량 조건을 토대로 하여 배양된 T. suecica의 oil 함량을 더욱 높이기 위하여 정지기에 도달한 T. suecica를 다양한 농도의 nitrate가 포함된 배지에 재접종을을 하여 2단계 배양을 수행한 결과, oil 함량은 nitrate를 포함하지 않는 조건에서 접종 후 4일째에 17.28% of dry cell weight로 가장 높게 나타났으며, oil 내의 다섯가지 총 지방산 함량도 720.54 mg/g oil로 증가된 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 실험들로부터 해양 미세조류인 5종 T. suecica, I. galbana, N. oculata, P. tricornutum and C. calcitrans를 이용하여 바이오디젤 생산을 위한 바이오매스 및 oil 함량에 대한 기초결과를 도출 할 수 있었고, T. suecica를 이용한 바이오매스 함량과 oil 함량을 증대시킬 수 있는 조건들을 확립하였다. 더불어, 향후 바이오디젤 생산을 위한 여러 미세조류의 탐색이 지속적으로 이루어지고, oil 함량의 극대화를 위한 연구가 지속적으로 이루어져야 한다고 판단된다.