미세조류를이용한바이오디젤 이상필한국과학기술정보연구원 (KISTI) 김희식한국생명공학연구원 (KRIBB) 이상필 -3 교.indd 1 2013-11-28 오후 2:38:26
미세조류를이용한바이오디젤 2013 년 10 월 30 일인쇄 2013 년 11 월 1 일발행 발행인 박영서지은이 이상필, 김희식펴낸곳 한국과학기술정보연구원정보분석연구소주소 ( 분원 ) 서울특별시동대문구회기로 66 주소 ( 본원 ) 대전광역시유성구대학로 245 전화 02-3299-6066 팩스 02-3299-6117 ISBN 978-89-294-0370-6 93570 ㆍ이책은저작권법에따라보호받는저작물이므로무단전재와무단복제를금지하며, 이책내용의전부또는일부를이용하려면반드시저작권자와한국과학기술정보연구원의서면동의를받아야합니다. ㆍ이글의내용은필자의견해이며, 한국과학기술정보연구원의공식적인의견이아님을밝힘니다. 이상필 -3 교.indd 2 2013-11-28 오후 2:38:27
미세조류를이용한바이오디젤 차례 바이오에너지개발동향 05 미세조류연구개발동향 13 계량정보분석 43 결론및시사점 57 참고문헌 61 이상필 -3 교.indd 3 2013-11-28 오후 2:38:27
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2 0 1 3 정보분석보고서 바이오에너지개발동향 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 5 2013-11-28 오후 2:38:27
바이오에너지개발동향 바이오매스와바이오에너지지금인류는에너지고갈과지구온난화라는범지구적문제에직면해있다. 국제유가의지속적인상승으로 2012년 4월기준국내주유소휘발유값은사상최고치를돌파하였으며, 지난 2월기름소비량역시사상최대치를기록하였다. 또한, 지구온난화로인한기상이변은전세계곳곳에서한파, 이상고온, 가뭄, 홍수등으로나타나고있으며, 이로인해인명피해와농작물피해, 기근등이잇따르고있다. 최근화석연료의고갈과지구온난화같은환경문제를극복하고급증하는에너지요구량을만족시키면서환경친화적으로지속가능한성장을도모하기위한대안으로바이오매스에대한관심이높아지고있다. 에너지고갈및환경문제를동시에해결하기위해서는이산화탄소발생량이적은무한한에너지원이필요한데, 이를만족시킬수있는자원으로서바이오매스가독보적인위치를점하고있기때문이다. 바이오매스란광합성에의해빛에너지가화학에너지로축적된식물자원을의미하는데, 크게곡물자원을활용한 1세대바이오매스, 작물의줄기나폐목재등을사용하는 2세대바이오매스, 그리고물속에서성장하는미세조류를활용한 3세대바이오매스로구분한다. 바이오매스는자연계내에서쉽게구할수있는태양에너지와물, 이산화탄 06 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 6 2013-11-28 오후 2:38:27
소등을재료로사용하여광합성을통해지속적인생산이가능한자원이기때문에바이오매스로만드는바이오연료역시지속적인생산이가능하다. 현재전세계바이오매스양은 1차총에너지소비량의 10배에달한다. 그중일부만바이오연료로전환하더라도인류는에너지의고갈염려가없는풍부한에너지원을확보하여, 석유자원을상당부분대체할수있게된다 [1]. 그림 1-1 바이오매스테크놀로지 (Biomass Technology) 의개념도 참고자료 : 2010 년글로벌프론티어개발사업, 탄소순환형차세대바이오매스생산및전환기술 바이오에너지란바이오매스를전환시켜얻을수있는에너지의통칭이다. 보통식물성유기물및동물성유기물등을열분해하거나발효시켜메탄또는에탄올, 수소와같은액체 기체의연료를얻을수있다. 크게바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오메탄, 그리고바이오수소등으로구성된다. 바이오에너지는원료물질인바이오매스의부존량이풍부하고지속적인생산이가능할뿐만아니라온실가스배출문제를해결할수있다는장점이있으며, 타재생가능에너지원과달리생산할수있는최종산물의형태가전력, 연료, 화학소재등으로다양하다. 하지만식량작물을원료로사용할경우에는식량부족문제를심화시키고, 대규모설비투자를필요로하며, 사용량이과다할경우환경파괴유발의위험성이있다. 아직까지는원료자원이산재되어있어수집및수송이불편하고, 다양한바이오매스종으로인해필요한해당기술이너무많아, 실제개발에여러가지어려운문제점을안고있다. 바이오에너지개발동향 07 이상필 -3 교.indd 7 2013-11-28 오후 2:38:27
구분바이오에탄올바이오디젤바이오메탄바이오수소 표 1-1 바이오에너지의종류 설명 화학적으로생산가능하나대부분생물학적방법을통해생산 바이오매스를기질로사용하여효모나박테리아등의미생물발효로에탄올생산 일본에서는사탕수수, 옥수수등을원료로하여생산중 미국의국립에너지재생연구소에서해조류를이용한바이오디젤생산연구시작 경제성문제로 1996 년연구종료 최근유가상승으로연구재개 주로나무와풀, 유기성고형폐수등을이용하여생산하며, 조류를이용하여생산할수있으나비용이높음 가수분해반응을통해 CO2 와수소를메탄으로전환시킴 육상식물, 유기성고형폐수등이주로이용되며, 해조류의경우는생산비용이높음 태양에너지와미생물을이용한물, 유기성폐기물, 바이오매스로부터수소생산 1970 년대석유파동이후화석연료를대체할수있는에너지로서연구가시작되었으며, 최근조류를활용한수소생산연구활발 바이오연료의개발동향현재바이오에탄올생산을위한바이오매스연구개발은전분질계저장뿌리와목질계인포플러및억새에국한되어있으며, 최근한계농지재배용고구마품종개발등이이루어지고있으나, 전반적으로단편적인연구수준에머무르고있다. 전분질계바이오에탄올생산을위한발효에적합한효모균주개발, 연속발효, 초임계, 막분리기술등의연구과제들이수행되고있으며, 생산비용절감의핵심기술인전처리과정과셀룰라아제 (cellulase) 탐색및생산에대한연구개발도진행되고있다. 또한, 농업부산물을활용한바이오에탄올생산을위한미생물유래셀룰라아제복합체인셀룰로좀 (cellulosome) 의오믹스 (omics) 연구가진행중이며, 식물체를이용해서셀룰로오스당화효소의개선및대량생산과바이오매스를이용할수있는최적효모균주의재설계등이연구중이다. KAIST 이상엽교수팀은최근에대장균대사경로재설계를통해서짧은사슬알칸 (short-chain alkane) 형태의바이오가솔린을생산하는데세계최초로성공하였다. 먼저베타산화 (ß-oxidation) 을차단 (block) 하기위해서 fade 유전자를제거하였으며, 3-옥소아실-아실운반단백질합성효소 (3-oxoacyl- 8 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 8 2013-11-28 오후 2:38:27
ACP synthase) 를코딩 (coding) 하는 FabH는 fadr 유전자제거를통해향상시켰다. 또한, fadr 유전자제거는불포화지방산 (unsaturated fatty acids) 생합성을담당하는 faba와 fabb 유전자의과발현 (over-expression) 을저해하였다. 최종적으로 580.8 mg/l의농도로짧은사슬알칸 (short-chain alkane) 를생산할수있었다 [2]. 바이오부탄올은가소제또는산업용매로사용되고있는데, 전세계적으로연간 3억 5천 gal의생산량과약 $84억에달하는시장을형성하고있으며, 수요가계속증가할전망이다. 하지만지금까지생산되고있는부탄올의경우대부분화학합성법에의해생산되고있고, 유가상승및환경문제등을야기하고있어세계각국에서는바이오부탄올연구에대한관심이급속하게증가하고있는상황이다. 그리고부탄올은현재가솔린대체재로서많이연구되고있는바이오에탄올에비해여러가지좋은특성을가지고있어, 향후막대한시장을형성할것으로예측되고있다. 특히, 2005년미국에서는자동차의내연기관에아무런조작을가하지않고 100% 부탄올만으로주행실험에성공하여가솔린을대체할연료로서의역할을증명하였다. 하지만현재바이오부탄올에대한가시적인성과는주로발효공정및분리공정분야를통해서나타나고있으며, 유전자조작을통한균주의개량은유전자조작의어려움때문에연구성과가많지않은실정이다. 미세조류를통한바이오디젤연구도활발히이루어지고있다. 대두유, 유채유, 팜유등식물기반의바이오디젤생산기술에비해미세조류를통한바이오디젤생산기술의경제성은떨어지지만, 식물기반의미세조류는양적인면에서한계성이있고일부동남아지역에서는삼림을훼손한다는지적이있다. 따라서미세조류유래바이오디젤의경제성을높이기위한연구의일환으로형질전환을통한우량균주개발, 극지미세조류의신규종분리및특성연구를통한저온성균주개발, 폐수등저가기질의이용및배양수재활용을통한배양공정단가의절감, 수확및추출공정의효율향상등생산공정의경제성을증진시키기위한연구개발이활발히진행되고있다. 바이오에너지개발동향 9 이상필 -3 교.indd 9 2013-11-28 오후 2:38:27
그림 1-2 바이오매스로부터생산되고있는바이오연료 (1~2 세대 ) 유기성폐기물 ( 음식쓰레기, 가축분뇨등 ) 혐기반응 메탄가스전기수소가스 바이오메탄바이오전기바이오수소 전분작물 ( 옥수수, 사탕수수등 ) 당화 특수당화 당분 ( 포도당등 ) 알콜발효 바이오에탄올 목질계식물체 ( 나무, 볏짚등 ) 직접연소 보일러 / 발전기 열 / 전기 유지작물 ( 유채, 콩등 ) 추출 기름 ( 콩기름등 ) 에스테르화 바이오디젤 출처 : 글로벌프론티어개발사업, 탄소순환형차세대바이오매스생산및전환기술, 2010 지식경제부신재생에너지기술개발사업 ('07-'10) 에서수행된 미세조류에의한바이오디젤원료 (biocrude) 양산기술연구개발 (( 주 ) 바이오트론 ) 은바이오디젤생산에적합한미세조류의탐색, 광생물반응기 (photobioreactor) 의개발, 미세조류의배양조건최적화, 지질함량이높은미세조류의개발등의기초연구를단기간에수행하였다 [3]. 전력산업연구개발사업 ( 07-10) 에서수행하였던 ' 발전소환경개선을위한미세조류탄소고정화 (MBCF) 기술개발 (( 주 ) 이노비드 ) 은광합성효율이높고, 이산화탄소및질소산화물고정효율이좋은미세조류를이용하여발전소에서배출하는이산화탄소를처리하고자하였다 (Chlorella 등활용 )[4]. 농림수산식품부의 미세조류이산화탄소고정기술적용을위한대량배양시스템개발및해양생물산업관련실용화기반구축 ( 부경대등 ) 은해양미세조류의대량배양에의한대기중이산화탄소의고정및수산양식용어류의식물먹이개발에관한기초연구에치중하였다. 교육과학기술부의 21세기프론티어연구개발사업의 이산화탄소저감및처리기술개발사업 ( 02-현재) 에서수행된 생물학적전환에의한이산화탄소고부가생물제품기술개발 ( 한국생명공학연구원, 성균관대 ) 과제에서 600여종에달하는국내토착미세조류균주의분리, 10톤규모의반응조에서미세조류대량배양기술확립, 이산화탄소고정능이우수한균주의개량, 기능성사료첨가제개발등, 미세조류생명공 10 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 10 2013-11-28 오후 2:38:28
학 (algal biotechnology) 의핵심기술을확보하는성과를거두었다 [5]. 3세대바이오매스인조류는다양한활용가치와장점을가지고있어석유를대체할수있는유력한에너지원료로관심을모으고있다. 거대조류인김, 다시마등은셀룰로오스성분을많이함유하고있어바이오에탄올로전환이용이할뿐만아니라 2세대목질계바이오매스와달리리그닌성분이없어전처리공정이필요없다는장점이있다. 미세조류는생장속도가빠르고지질성분을다량함유하고있어바이오디젤을생산할수있는자원으로평가받고있다. 특히, 미세조류는식물보다태양에너지이용효율이약 25배, 이산화탄소고정능력도 15배정도가높다. 식물에비하여 5-10배의바이오매스생산성이높고, 배양조건에따라체내에지질을최대 70% 까지축적할수있어, 단위면적당지질의생산량은식물에비하여 50-100배이상높다. 최근생명공학기술의발달로미세조류를유전공학적으로개량하여생장속도와지질함량을증대시키기위한연구가주목을받고있다. 또한미세조류배양과수확공정을최적화하고바이오디젤생산을위한경제적이고친환경적인추출 전환공정에관한연구개발도활발히진행되고있다. 그러나아직까지미세조류를이용한바이오디젤생산공정의단가가석유기반디젤의생산공정에비해높기때문에경제성확보를통한상용화에어려움이있는실정이다. 본고에서는미세조류의균주개발, 개방형및폐쇄형방식의미세조류배양, 미세조류바이오매스의수확, 오일추출및바이오디젤로의전환을중심으로최근동향을살펴보고미세조류기반의바이오디젤생산에대한가능성을소개하고자한다. 바이오에너지개발동향 11 이상필 -3 교.indd 11 2013-11-28 오후 2:38:28
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미세조류연구개발동향 미세조류의균주개발최근, 미세조류바이오매스를활용한연구및기술개발이활발히이루어지고있다. 미세조류바이오연료의연구동향을보면, 2006년이후부터연구논문및특허가급증하고있으나대부분공정및배양기술에집중되어있으며, 지질대사에관련된연구논문및특허의출현빈도가높아지고있다. 유전자변형기술을이용한지질의생산성증대에관한연구는육상식물을대상으로많은연구가진행되어왔다. 미세조류의경우유전자변형작물분야의거대기업인몬산토사와연계된사파이어사에서수천개의새로운계통의미세조류를개발하고있으며, 최근에는여러기업과연구그룹에서많은연구성과를발표하고있다. 우수미세조류후보미세조류는단세포성 (unicellular), 군집성 (colonial) 또는섬유성 (filamentous) 형태로존재하며광독립영양 (photoautotrophic) 또는종속영양 (heterotrophic) 으로나누고있다. 지금까지수많은미세조류를대상으로지질함량을조사한결과, 미세조류의종 (species) 및세포주에따라서건조중량 (dry weight) 대비지질함량이 1% 에서 85% 까지로다양하며, 지방산의사슬길이 14 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 14 2013-11-28 오후 2:38:28
(chain length) 도 C10에서 C24까지분포되어있는것으로나타났다. 미국국립재생에너지연구소 (NREL) 에서는 8년동안 3,000개이상의세포주를수집하여, 약 300종의지질이많은미세조류를분리하였다 [6]. 바이오디젤생산을위해서미세조류의생장속도, 지질함량, 지질생산성을고려하여야한다. 지질함량은배양환경에따라차이를보이는데, Chlorella protothecoides 의경우독립영양상태로증식할때의지질함량은 14.5% 이지만종속영양상태로증식할때는 55% 로증가한다. 최근최대지질함량이 20% 이상이고, 지질생산성이 40 mg/l/day를상회하는미세조류로 Chlorella protothecoides, Chlorella sorokiniana, Dunaliella salina, Ellipsoidion sp., Nannochloropsis sp., Nannochloropsis oculata, Neochloris oleoabundans, Pavlova salina, Phaeodactylum tricornutum, Scenedesmus sp., Tetraselmis sp., Isochryis sp., Chlamydomonas BAFj5 등이보고되었다 [7]. 미세조류지질대사미세조류로부터바이오디젤생산성을극대화하기위해서미세조류의지질대사기작을이해하는것이중요하다. 미세조류의지질대사특히, 지방산및중성지방 TAG(triacylglycerol) 의생합성경로는고등식물에비해연구가미흡한편이다. 그러나유전체 (genome) 분석데이터에의하면, 육상식물에서지질대사에관련된많은유전자들의유사체 (homolog) 가미세조류에존재하고, 지질대사관련유전자및효소등의특성을살펴보면미세조류지방산및 TAG 합성의기본대사과정은고등식물과동일하지만다양한차이점이존재한다. 고등식물의경우특정세포와조직또는기관 ( 종자, 과일 ) 에서지질의합성및축적이일어나지만, 미세조류의경우이산화탄소고정과정에서 TAG 합성및축적이하나의세포에서일어난다. 또한미세조류는지방산을합성하여육상식물보다훨씬다양한종류의지질을생산한다. 육상식물과유사하게미세조류에서합성되는대표적인지방산은탄소수가 16~18개이며, 주요지방산은팔미트산 (palmitic acid) 이며올레산 (oleic acid) 함량은육상식물보다적다 [7]. 미세조류연구개발동향 15 이상필 -3 교.indd 15 2013-11-28 오후 2:38:28
미세조류에서도 TAG 생합성은케네디경로 (Kennedy pathway) 에의해일어나는데, 고등식물및효모처럼케네디경로이외에다른대사경로에의한 TAG 합성 (acyl-coa-independent synthesis) 경로가존재할것으로추정된다. TAG의양은미세조류종및세포주에따라다르지만생장환경에따라서크게차이가난다. 최적생장조건에서는생산된지방산이주로막지질 (membrane lipid) 합성에사용되며, 이때막지질의양은건조중량의 5~20% 에달한다. 그러나생장환경이좋지않거나스트레스조건에서는합성된지방산이주로 TAG 축적에사용되고, 스트레스조건이계속되면세포내단백질도 TAG 합성에사용된다 [8]. 이때의 TAG 함량은전체지질의 80% 에달하기도한다. 그림 2-1 미세조류지질생합성경로 출처 : Bioin 스페셜웹진, 바이오에너지생산성향상을위한미세조류생명공학연구동향, 2012 지질대사경로개량최근미세조류의지질대사경로의변이체및형질전환방법을이용하여지질생산성을높이는연구가진행되고있으나, 아직까지주요한성과가없다. 그이유는육상식물에서와같은효율적인핵형질전환기술이확립되지않아서많은연구가이루어지지않았다. 미세조류의지질대사관련유전자및효소등의일반적특성및기본경로가다른생물과유사하므로, 다양한생물의 16 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 16 2013-11-28 오후 2:38:28
연구사례를분석하여미세조류에적용하는것이필요할것이다. 세포내지질의양에영향을주는요인으로는전분의합성및축적, 지방산생합성, TAG 축적, 지질의분해과정등이다. C. reinhardtii 전분결핍 (starchless) 변이체인 sta6와 sta7의연구결과 ADG-글루코스피로포스포리라제 (ADG-glucose pyrophosphorylase) 또는이소아밀라제 (isoamylase) 효소유전자의변이에의해전분합성이억제되어 TAG 합성이크게증가하였다. 또한, Chlorella pyrenoidosa 의전분결핍변이체에서는다중불포화지방산 (PUFAs, Polyunsaturated Fatty acids) 양이증가하였다. 세균및효모의연구들에서도지질대사에관련된중요한효소들의발현조절에대한정보를얻을수있었다. 한편, 바이오디젤의연료특성은지방산조성과직접관계가있다. 탄소사슬의길이 (carbon chain length) 나이중결합의수 (number of double bonds) 등의지방산조성을변형시키면바이오디젤을저렴하게생산할수있다. 그러나지질함량을증가시키기위하여지방산생합성에관련된유전자단독의발현양만조절해서는전체적인지질합성을효율이크게증가하지않음을알수있다. 즉, 지방산생합성이증가하여도다음단계 ( 예, TAG 합성경로 ) 의영향으로지질함량이증가하지않는것으로보인다. 따라서여러가지유전자의발현을동시에조절하거나, 전체지방산합성을조절하는주요조절인자를활성화시키는시도가이루어져야하며, 지방산생합성경로를변형시키기보다는 TAG 합성경로를변형시키는것이지질함량의증가에보다효율적인접근법일것으로추측된다. 한국생명공학연구원 (KRIBB) 김희식박사연구팀은지질함량이크게증가하는기작에관하여미세조류의혼합영양 (mixotrophic) 조건하에서관련유전자발현량을분석하였다. 이러한지질함량의변화는질소결핍조건과혼합영양조건 ( 아세테이트공급 ) 에서뚜렷한변화를보였고, 지방산합성관련유전자 (BCX1: Acetyl-CoA carboxylase, MCT1: S-malonyl transferase), TAG 합성관련유전자 (ACS2: Acetyl-CoA synthetase, DGTT4: diacylglycerol O-acyltransferase) 등의발현량변화를 qrt-pcr을통해관찰하였다. 그결과, 질소결핍상태에서 BCX1 과 MCT1의발현량이감소되었으며, 질 미세조류연구개발동향 17 이상필 -3 교.indd 17 2013-11-28 오후 2:38:28
소결핍과혼합영양아래에서 ACS2와 DGAT4의발현량이증가하였다. 아세틸코엔자임 A 카복실라제 (acetyl-coa carboxylase, BCX1) 는식물지방산합성의첫번째단계에서작용하는효소로널리알려져있는데, 아세틸코엔자임 A 카복실라제의베타서브유니트 (ß-subunit) 를암호화 (encoding) 하는유전자는애기장대 (arabidopsis) 의 ACCD 유전자와높은상동성을지니고있다. MCT1은만노닐전이효소 (S-malonyltransferase) 를암호화하는데, 만노닐코엔자임 A(malonyl Co-A) 에아실운반단백질 (ACP, Acyl-carrier Protein) 을전달하여만노닐아실운반단백질 (malonyl-acp) 를생산하고지방산합성효소들이순차적으로작용하여유리지방산 (free fatty acid) 를생산한다. 그림 2-2 미세조류의 mixotrophic 조건에서의지질대사경로 출처 : Ramanan R. (2013) FEBS Lett. 587:370-377 질소결핍조건에서중성지질은증가하지만데노브지방산합성경로 (de novo fatty acid synthesis pathway) 에관여하는 BCX1 과 MCT1 의발현량 18 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 18 2013-11-28 오후 2:38:28
감소는다른경로에서부터지방산이생성됨을나타낸다. 즉, 엽록체에서생성되는지방산합성경로이외에도막에서부터분해되거나세포질에서생성되는지방산이 TAG 합성에관여하여중성지방의양을증가시키는것으로추측되는데, 이것은지방산이중성지방생산에제한요소가아님을나타낸다. 반면에혼합영양조건에서는지질함량이증가하였고 4개유전자의발현도모두증가하였다. 특히, ACS2는모든조건 ( 아세테이트첨가, 질소결핍 / 충분 ) 에서발현량증가, 그리고 DGTT4는아세테이트첨가조건에서발현량이높게증가하는양상을보였는데, 이는첨가한아세테이트가 TAG 합성의제한요소로생각된다. ACS2에의하여세포질에서아세테이트가아세틸코엔자임 A로전환되고, 이어서유리지방산과결합하여사슬이긴아세틸코에이가생성되어케네디경로 (Kennedy pathway) 를통해 TAG가합성되는것으로추정된다 [9]. 미세조류유전적개량기술미세조류중에서 C. reinhardtii 는핵, 엽록체, 미토콘드리아의형질전환기술이잘개발되어있다 [10]. 따라서 C. reinhardtii 의유전적개량기술을이용하여미세조류의기초연구가진행되어왔다. 또한, 이를이용한유용물질과단백질을생산하는세포주들이이미개발되어상용화되고있다. 그예로서미국의 PhycoBiologics 사에서는 gm, IPNC, IHNV 등의어류용경구백신, 기능성펩타이드, 항체등 20여종류의고부가가치유용단백질을생산하는 C. reinhardtii 를개발하였다. 미세조류의지질생산성을높이기위하여우수세포주를개발하는직접적인방법으로유전적개량기술을활용할수있다. 유전자의발현을변형시키는방법으로는유전체정보를기반으로유전자의도입, 제거, 유전자조절기술 (gene knock out, gene knock down) 등이있다. 현재많은연구그룹에서산업적활용을목표로다양한미세조류를대상으로효율적인형질전환기술을개발하고있다. 미세조류연구개발동향 19 이상필 -3 교.indd 19 2013-11-28 오후 2:38:28
미세조류유전체연구미세조류는생태, 분류, 세포, 생리학및육상식물의모델시스템으로서많은관심을가져왔고, 편모성조류는인간질병에관련된섬모세포의모델로서사용되어왔으며, 최근에는대체에너지로서미세조류바이오매스를활용한바이오연료분야에대한관심이집중되고있다. 이러한필요성에미국의에너지부 (DOE) 산하의 JGI(Joint Genome Institutes) 를비롯한유전체연구의선진그룹에서다양한미세조류의유전체분석프로젝트 (genome project) 가진행되고있다 [11]. 2011년기준으로염기서열이밝혀지거나염기서열분석이진행중인미세조류는약 30 여종에달하고, 새로운미세조류들이계속해서발견되고있다 [6]. 또한, 미세조류들의전사체 (transcriptom) 정보들이상당히규명되어, 미세조류는단세포이면서도염색체의수가 2~24개까지존재하다는것을알게되었다. 지금까지알려진미세조류유전체의크기 (genome size) 는 11~138Mb이고, 유전자의수는약 5000~15000개를상회하며, 분석된대부분의미세조류는인트론 (intron) 을가지고있는것으로조사되었다 [12]. 일반적으로유전체내 GC 비율은 47~67% 이고암호영역 (coding region) 의 GC 비율또한다양하다. 애기장대, 담배, 벼, 옥수수, 콩등과같은육상식물의경우는암호영역의 GC 비율이 44~55% 정도인데, 미세조류는대략 53~68% 로상당히높은수준이다. 녹조류인 Chlamydomonas 속을보면, C. reinhardtii 의경우암호영역의 GC 비율이 67% 이고 3번째코돈 (codon) 의경우 86.21% 이지만, Chlamydomonas sp. ICE - L의경우는암호영역의 GC 비율은 56.68% 이고 3번째코돈의 GC 비율은 70.96% 로조사되었다. 이와같이미세조류종사이의차이뿐만아니라육상식물에비해미세조류유전체및암호영역의 GC 비율이높고코돈사용빈도가다른것은, 서로간에유전자발현을조절하는유전자의전사기작 (transcription mechanism) 뿐만아니라번역기작 (translation mechanism) 에서도차이가있음을시사한다 [13]. 20 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 20 2013-11-28 오후 2:38:28
미세조류형질전환미세조류중에서는 C. reinhardtii 의분자유적학적연구가가장많이진행되어, 외래유전자발현과유전자조절기술등이개발되어있다. 최근산업적응용을위하여규조류 (diatom) 및다른미세조류에서도이와같은기술이급속히개발되고있다. 현재까지녹조류 (Chlorophyta), 홍조류 (Rhodophyta), 규조류 (diatoms), 유글레나 (euglenids), 와편모조류 (dinoflagellates) 등에서 30종이상의미세조류세포주에대한형질전환연구가수행되었다. 형질전환이보고된미세조류로는 Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella ellipsoidea, C. sorokiniana, C. vulgaris, Haematococcus pluvialis, Vovox carteri, Dunaliella viridis, D. salina, Nannochloropsis oculata 등이있다 [10]. 미세조류형질전환에관한대부분의연구는핵및엽록체에서외래유전자의안정적인발현 (stable expression) 에대한것이지만, 일시적인발현 (transient expression) 만보고된경우도상당수이다. 미세조류세포내로유전자를도입하는방법에는유리구슬 (glass beads) 과함께교반하는방법, 전기천공법 (electroporation), 유전자총 (gene gun) 방법, Agrobacterium 방법등이개발되어있으나, 유전자총방법이일반적으로사용되고있다 [14]. 그림 2-3 Glass beads 를이용한미세조류형질전환기술 출처 : 2012 Bioin 스페셜웹진, 바이오에너지생산성향상을위한미세조류생명공학연구동향 미세조류연구개발동향 21 이상필 -3 교.indd 21 2013-11-28 오후 2:38:28
한편, 최근육상식물을중심으로비표지유전자 (marker free) 또는선발마커 (selection marker) 의제거기술이개발되었다. 비표지유전자기술의경우는열성인자 (recessive gene) 선발마커시스템이가장효율적이지만, 이경우에는사전에해당변이체가선발되어있어야하거나선발마커없이형질전환후, 대량의고속분석기술을이용하여형질전환체를선발해야한다 [15]. 그러나미세조류의경우형질전환효율이낮으므로효율적으로형질전환체를분리할수있는방법이필요하다. 또한, 미세조류유전체에는 RNAi(RNA Interference) 기작에관련된유전자들 (AGO, DICER, mirna, sirna 등 ) 의유사체 (homologs) 가존재하고있어서, 미세조류의 RNAi 기작은육상동식물의기작과기본적으로동일한것으로생각되고있다 [16-19]. 이와같은유전자침묵 (gene silencing) 기작을활용한 RNAi는유전자의발현량을줄일수있는유용한기술이다. 형질전환기술이가장잘발달된 C. reinhardtii 를중심으로 RNAi 적용기술이개발되었다. C. reinhardtii 에서해당유전자의발현을억제시키는 RNAi 방법으로역반복염기서열 (inverted repeat) 을전사 (transcription) 하는방법과인공마이크로 RNA(artificial mirna) 를이용하는방법등이개발되었다. 다양한변이체의특성을분석함으로써유전자의기능을규명하고우수특성을가지도록개량하기위한유용한정보를얻을수있다. 그러나자연계에존재하는변이체를발굴하고특성을분석하여정보를얻기까지는많은시간과노력이필요하다. 또한, 이러한자연변이체의경우관련특성을가지는유전자를규명하는것이매우어렵기때문에유전자표적 (gene targeted) 기술또는유전자표지 (gene tagging) 기술을이용하여인위적인변이체를생산하는기술을활용할수있다면유용한유전자정보를훨씬용이하게확보할수있을것이다 [17-19]. 22 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 22 2013-11-28 오후 2:38:28
미세조류배양광생물반응기 (PBR, photobioreactor) CO 2 와 O 2 의교환기작으로광합성미생물의중요성이크게인식되어지고있으며, 광생물반응기시스템의제작및개발에관한연구도활발한진행중에있다. 일본에서는 Watanabe 등이코일형태의광생물반응기를제작, 설치하여미세조류의광합성효율을증진시킴으로써단위면적당미세조류의생산성을극대화하였으며, 독일의 B. Braun Inc. 에서는기존의광생물반응기에비해약 3~4배높은생산성 (130 g/m 2 /day) 을가진판형반응기를개발하였다. 또한, 이탈리아의 Tredici는고리모양 (annular type) 의광생물반응기를개발하여미세조류의빛의이용효율을최대화함으로써, 34 g/reactor/d의높은생산성을달성하였다. 그러나국내광생물반응기에관한연구는주로기초실험에머물고있으며, 여러종류의미세조류에대하여광범위하게적용할수있는배양공정, 배양기의개발에관한연구가미흡한실정이다. 이제까지의결과도설계요소및광생물반응인자의부분적관점에대한연구성과가대부분이어서광생물반응기시스템에관한총체적인연구가절실히요구되고있다. 관형광생물반응기 (tubular photobioreactor) 미세조류로부터바이오연료생산을위해적합한방법으로관형광생물반응기를고려할수있다 [20]. 관형광생물반응기는미세조류배양용배지저장기 (medium reservoir) 와광수집기 (solar collector, tubular array) 로구성된다. 비용절감을위해광원은태양광을이용하고대규모스케일업 (scale-up) 배양이가능하도록제작한다. 광수집기는플라스틱또는유리재질의투명관을병렬로연결하여태양광을잘받도록배열한다. 광의투과를높이기위해관의직경은 0.1m 이내로한다. 배지저장기에는신선한배양용배지가일정한속도로계속적으로공급되도록하고, 동량의배양된배양액이회수되도록한다. 야간에는배지의공급 미세조류연구개발동향 23 이상필 -3 교.indd 23 2013-11-28 오후 2:38:28
의중단하지만미세조류의침강을막기위하여계속교반해주어야한다. 통상 적으로주간에생산된미세조류바이오매스의 25% 는야간의세포활동을유지 하는데사용된다. 그림 2-4 관형광생물반응기 Degassing column Exhaust Harvest Fresh medium Cooling water Air Pump Solar array 참고자료 : Chisti, Y. (2007) Biotechnol. Adv. 25, 294-306. 광합성은유기물질의합성과함께산소를생산 방출하게된다. 한낮에광생물반응기내의산소농도는크게증가하여광합성을저해하고, 더욱이강한광선과함께세포에광산화저해 (photooxidative damage) 를일으킨다. 일반적으로용존산소농도는대기중포화농도의 400% 를넘지않도록유지하여야한다. 따라서배지저장기에는산소를제거할수있는탈기컬럼 (degassing column) 이부착되어축적된산소를주기적으로제거하여야한다. 일반적으로, 관형광생물반응기의관의길이는 80m를넘지않도록한다. 대부분의미세조류의배양최적온도는 20~30 이다. 광생물반응기내의미세조류배양액은한낮의태양광아래에서온도가크게증가하게되므로적절한냉각장치가필요하게된다. 이와같은배양액의온도증가는배지저장소에열교환장치 (heat exchanger) 를부착하여해결할수있다. 2000년독일의볼프스부르크 (Wolfsburg) 에서온도조절이가능하고, 총길이 500km, 총부피 700m 3 의규모로, 온실내에유리로제조된산업용관형광생물반응기가대규모로설치되었다. 이시설의연간사료용 Chlorella 생산 24 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 24 2013-11-28 오후 2:38:29
량은 130-150 톤 / 건조중량으로추정되는데, 이와같은시설로바이오디젤을생산하기에는경제성이없는것으로판단된다 [21]. Molina 등 (2001) 은 200-L 규모의공기부양식 (airlift) 순환형의관형광생물반응기를제작하여 Phaeodactylum tricornutum 의옥외배양을실시하였다. 희석률을 0.04/h로하였을때, 바이오매스생산성은 1.90 g/l/d(32 g/ m 2 /d) 이었다. 배양액의유속은 0.50~0.35 m/s 에서바이오매스생산성에차이를보이지않았다. 높은산소농도와마찬가지로강한광선은광산화 (photooxidation) 작용에의해미세조류바이오매스의생산성을감소시켰다. 펀넬 (funnel) 형태의광생물반응기미세조류의고밀도배양을위해필수적인교반및수확의효율성을증진시킬수있는펀넬형태의반응기가고안되었다. 펀넬형태의반응기는상단에서부터하단에이르기까지지름이좁아지는형태인데, 미세조류생장에필수적인탄소원으로서이산화탄소를포함하는공기및배가스를반응기하부로부터공급하여배양액을교반함으로써별도의교반장치를사용하지않았다. 고밀도배양후자동응집 (auto-flocculation) 으로바이오매스를반응기하단에모으고, 배출밸브로부터간단하고편리하게바이오매스를수확할수있는장점을가지고있다. 개발된펀넬형태의광생물반응기의효율을확인하기위해 Scenedesmus sp. 를대상으로펀넬과병형태의광생물반응기에서 12일동안배양하여세포농도를측정하였다. 펀넬형태의광생물반응기에서 Scenedesmus sp. 의건조중량은배양 12일동안 2.4 g/l이었는데, 이는병형태의광생물반응기 1.28 g/l에비해생산량이상당히높았다. 하지만펀넬형태의광생물반응기는아직까지스케일업 (scale-up) 배양에는한계가있다. 미세조류연구개발동향 25 이상필 -3 교.indd 25 2013-11-28 오후 2:38:29
그림 2-5 Funnel 형태의광생물반응기 참고자료 : 2012 21 세기프론티어연구개발사업, 미세조류개량에의한이산화탄소대량고정및바이오디젤생산실증화 컬럼 (column) 형태의광생물반응기펀넬형태의광생물반응기의문제점을보완하기위해컬럼형태의광생물반응기가개발되었다. 설계된 45-L 규모의컬럼반응기는기존의컬럼반응기를기본으로하단에기울임을주어펀넬형태의반응기의장점을접목하였다. 뿐만아니라, 공기스퍼저 (air sparger) 와반응기본체가분리가능하도록설계하여대량배양후, 세척및보관을용이하게하였다. 원통형격막광생물반응기는탄소원이포함된가스원의기포크기를미세하게만들어가스교환율을높이고탄소원의용존율을향상시킴과동시에배양액내에탄소원이고농도로유지될수있도록하였다. 공급되는가스원을교반에이용하여배양액내의미세조류가균일하게분산될수있도록함으로써, 광원의이용률및배양기내부에서의투과거리를높여광합성효율이증대시키고, 이로인해고밀도대량배양이가능하게설계되었다. Scenedesmus sp. 의고밀도순수대량배양을위해폐쇄형 원통형광생물반응기를제작되었다. 내경이 0.2m, 높이 1.5m의크기로작동부피 (working volume) 는 45L이고아크릴소재를사용하여제작하였으며, 6개의반응기및 26 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 26 2013-11-28 오후 2:38:29
순환조 (300L) 가연결된총 600L 규모의광생물반응기 2대를설계 제작 운용하였다. 또한, 각각의반응기내부에공기분산용격막을설치하여배기가스의체류시간을연장시키고, 미세기포및배양액내에와류의형성을유도함으로써 CO 2 의용존율증가와배양액의교반효율을향상시켰다. 격막광생물반응기에공급탱크 (feeding tank) 와수확조를설치하고, ph와수온을자동적으로측정 저장함으로써배양조건을일정하게유지하여미세조류의고밀도배양을가능하게하였다 [22]. 그림 2-6 45 L Column 타입의광생물반응기 참고자료 : 특허출원 PCT/KR2010/008036 Scenedesmus sp. 의배양에서탄소원은 5.5% CO 2 가함유된연소배가스를이용하였으며, 온도는 25 로유지하였다. 폐쇄형광생물반응기에서 Scenedesmus sp. 의최대건조중량은 2.98 g/l 였으며, Scenedesmus sp. 이외의다른미세조류, 곰팡이, 원생동물등은거의관찰되지않았다. 따라서폐쇄형광생물반응기는개방형반응조에비해 Scenedesmus sp. 의고밀도순수배양이가능한것을확인되었다. 또한, 옥외에광생물반응기를설치하여 Scenedesmus sp. 를대상으로 CO 2 의농도, 질소농도, ph 변화에따른생장차이를연구하였다 [13]. Scenedesmus sp. 의바이오매스생산성은공기를주입한조건에서 0.08 g/l/d 이었 미세조류연구개발동향 27 이상필 -3 교.indd 27 2013-11-28 오후 2:38:29
으나, 5% CO 2 에서 0.18 g/l/d 로 2배이상높았다. 따라서, 미세조류의고밀도배양에는다량의 CO 2 가필요함을알수있었다. 질소원으로 NaNO 3 의농도를 17.6, 1.76, 0.176 mm 로 Scenedesmus sp. 를배양하였을때, 생산성은바이오매스 0.18~0.16 g/l/d 로유사하여배양액내의질소원이고갈되지않은것으로판단되었다. Scenedesmus sp. 의바이오매스생산성은 ph 7~10 에서큰차이를보이지않았다. 본연구에서개발된광생물반응기를이용하여미세조류를다양한배양조건에서옥외배양을시도하여 2.98 g/l 의고농도배양에성공하였다. 개방형연못 (open pond) 현재미세조류바이오디젤의상용화에서가장큰걸림돌이낮은경제성이므로, 적은비용으로미세조류를배양하는최선의방식으로개방형연못시스템이가장현실적인대안으로여겨지고있다. 그러나개방형연못시스템은미생물오염에매우취약한방식으로안정적인장기간배양이어렵다는단점이있다. 개방형연못이란폐쇄된반응기가아닌외부로노출된공간에연못형태로만든미세조류배양장치를말한다. 공기중으로노출되어있기때문에다른미생물에의한오염에취약하며, 온도와광도의조절이어렵다는단점이있다. 따라서배양가능한기간이지리적, 기후적조건에크게좌우된다. Dunaliella salina 같은호염성미세조류는높은염도로인해다른미생물이나미세조류의오염이쉽게일어나지않아개방형연못배양에적합한대표적인종이다 [23]. 배양안전성배양의안정성유지측면에서가장우려되는부분은포식자 (predator) 또는병원성균에의한미세조류의급격한감소또는사멸이다 [24-29]. 특히원생생물 (protista) 이나동물성플랑크톤은몇일만에미세조류의 90% 이상을포식할수있으며 [30, 31], 곰팡이도짧은시간에치명적인타격을입힐수있다 28 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 28 2013-11-28 오후 2:38:29
[32]. 문제는이러한포식자, 병원성균에대해확보된정보가매우적어서적절한대응이아직까지는어렵다는점이다. 이외에도미세조류사이에서의경쟁성이약한종을선택적으로단독배양, 유지하는일도쉽지않은일이다. 일반적인조건에서경쟁에불리한종의우점도 (dominance value) 를꾸준히유지시키는방법은수확한미세조류종을선택적으로재순환시키는것이효과적인방법으로알려져있다 [31, 33]. 그리고안정적인배양을위해고려해야할사항은개방형연못에서는증발로잃어버리는물의양이매우크다는점이다. 특히, 사막지역에서이러한개방형연못을운영할경우에는 1 ha 면적에서매일약 13,000 갤런의물이증발한다. 이는단순히물의손실뿐만아니라배양액의염도상승이안정성을해치는위험요인으로작용한다. 또한, 미세조류를수확한이후에물을재사용하게되면염도의상승은더욱가속화될수있다. 배양상태를상시적으로모니터링하기위해서는민감하고도선택적이며저렴한항목을선정하여야하는데, 최근에는 DNA 염기서열의분석 [34-36] 과유세포분석법 (flow cytometry) 을이용한분류학적분석 [37] 등도제시되고있다. 영양분공급미세조류의배양에서는영양분공급이부족한것도문제가될수있지만과잉공급되는것도문제가된다. 일부영양분은고농도에서독성을나타낼수있으며, 흡수되지않은영양분은부영양화의원인으로작용할수도있다. 가장저렴하게구할수있는영양공급원은하 폐수인데, 폐수처리장은대부분대도시인근에있어높은토지가격과제한된토지이용성이어려움으로작용한다 [38]. 또한, 하폐수를사용하여미세조류를배양할경우, 병원성세균과유해화합물, 중금속등이미세조류바이오매스에포함될수있다는점을고려하여야한다 [28, 29]. 미세조류세포내의지질함유량을결정하는데에질소가중요한역할을한다는사실은오래전부터알려져왔다 [39, 40]. 그러나질소제한조건이지질의축적을유도하지만미세조류의생장을감소시키기때문에, 이를동시에만족시키기어렵다는점이앞으로해결해야할중요한과제이다. 이를위해서 미세조류연구개발동향 29 이상필 -3 교.indd 29 2013-11-28 오후 2:38:29
미세조류생장에는영향을미치지않으며, 지질축적을유도시킬수있는방법 의개발을위하여미세조류의스트레스관련오믹스 (omics) 정보분석에많은 노력들을기울이고있다. 폐수처리와의연계상업적으로미세조류바이오매스를얻기위한개방형연못배양과폐수처리공정의일환으로개방형연못배양을통한미세조류확보는여러가지면에서비교된다. 폐수처리공정을통해생산되는미세조류바이오매스는부산물로주어지는것이기때문에운영 관리비용이폐수처리비용안에포함되므로사실상생산비용이들지않는다는점에서매력적이다. 따라서상업적생산시설에비해서생산성이조금낮더라도그자체로는추가비용이들지않으므로, 큰문제가되지않는다 [41]. 폐수에함유된영양분의조성과농도에의해미세조류의생산이결정되므로미세조류배양용개방형연못에유입되는폐수의성분분석을지속적으로모니터링하고여기에맞추어배양조건을조절하는것이최대생산성을유지하는데중요한요인으로작용한다. 표 2-1 바이오연료생산용상업적 HRAP 1) 와폐수처리용 HRAP 의비교 Factors Commercial production HRAP Wastewater treatment HRAP Reference Capital costs ($US million/ha) 0.1 (unlined) 0.25 (lined) Covered by wastewater treatment Benemann (2008) and Tampier (2009) Operation and maintenance costs ($US k/ha) Covered by wastewater treatment van Harmelen and Oonk (2006), Tampier (2009) and Craggs et al. (2011) Land use High Covered by wastewater treatment Commercial availability Already applied for health products and pigment production Well established for wastewater treatment Benemann (2008) 1) HARP(High Rate Algal Pond) 30 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 30 2013-11-28 오후 2:38:29
Factors Most costly parameters Limiting factors for algal growth Commercial production HRAP Water, fertiliser, harvesting, and mixing Light, temperature, nutrients, CO 2 (externally provided) Wastewater treatment HRAP Reference Covered by wastewater treatment Tampier (2009) Light, temperature, nutrients (internally provided by wastewater), CO 2 (partially provided by bacterial oxidation of wastewater organics and on site exhaust gas) Grobbelaar (2009) and Craggs et al. (2011) Algal productivity Could be >30 g/m 2 /d but not reported in literature High productivity may not be the main driver as the algal biomass is a by-product Benemann (2008) Water footprint Significant (freshwater use and Not applicable unless effluent is reused net evaporation loss) Carvalho et al. (2006) Risk of contamination Biomass harvesting Algal species control High (e.g. growth medium re-use increases risk of contamination) Expensive due to small size (<20 μm) Only limited success in high ph and high salinity Contaminants in incoming wastewater (algae, grazers and fungal parasites) Low-cost if gravity settling can be reliably achieved by aggregation of colonial algae with wastewater bacteria May be possible by selective biomass recirculation Schenk et al. (2008) and Tampier (2009) Sheehan et al. (1998) and Benemann (2008a) Schenk et al. (2008) 참고자료 : Park, J. B et al., (2011) Bioresour. Technol. 102, 35-42. 생산성관련환경요인앞서설명한영양분의농도이외에광도와수온이전체적인미세조류생산성을크게결정한다. 개방형연못에서는상층부에서만광합성에필요한태양광을받아들이므로, 대체로수심을 30cm 이상으로는만들지않는다. 이보다깊어지면미세조류농도가증가했을때, 그늘효과 (shading effect) 에의해연못의바닥층에빛이도달하지않기때문이다. 수온의경우에는미세조류종에따라생장에최적인수온은다르다는점뿐만아니라, 수온이 ph, 산소와이산화탄소의용해도에도영향을주기때문에매우복합적인결과를나타낸다. 미세조류연구개발동향 31 이상필 -3 교.indd 31 2013-11-28 오후 2:38:29
미세조류가광합성을수행함에따라 ph가상승하는데, 이를조절하지않고 ph가지나치게상승하게되면, 암모니아가스가휘발되거나, 인산염이철, 칼슘이온등과침전물을이루어영양분의부족현상을초래할수도있다. 대부분담수미세조류의최적 ph는 8 부근이며, 이보다높아지거나낮아지면대체로생산성은감소한다 [42]. 일반적인폐수성상에서는미세조류가충분한광합성을수행하기에는이산화탄소의양이부족하기도하지만 ph를최적의조건으로유지시켜주기위해추가적으로이산화탄소를공급하는것은매우중요하다. 상대적으로관심이적고연구가부족한부분이개방형연못내에서유속의영향이다. Nannochloropsis 속의미세조류를대상으로수로형연못 (raceway pond) 의유속을 50% 증가시켰을때, 바이오매스생산성과지질의생산성이동시에상승한사례가있어이에대한후속연구도필요하다 [43]. 이산화탄소공급미세조류배양액에추가적으로 CO 2 를공급하는것은미세조류생장에필요한탄소의양을늘려준다는점이외에도광합성에의한 ph의과도한상승을억제시켜최적의 ph로조절한다는면에서매우중요하다. 비록높은 ph에서물리화학적반응으로암모니아가휘발되고인산염이침전되어영양분이제거된다는장점이있지만, CO 2 공급으로인해이러한영양분제거기작이작동하지않더라도미세조류의생장에의한영양분의바이오매스전환으로충분히보상된다고볼수있다 [41]. 실제로개방형연못에서 CO 2 를추가공급하여 ph를 8 수준으로유지함으로써미세조류의생산성을 30% 이상증가시킬수있었으며, 암모니아를휘발로잃어버리는대신바이오매스로전환시킬수있었다 [44]. CO 2 공급에따른추가비용을줄이기위해서화석연료를사용하는발전소의배가스를사용하거나하수처리장의혐기소화조에서발생하는메탄가스를연소시켜공급하는것이최선의방법으로제시되었다. 32 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 32 2013-11-28 오후 2:38:29
그림 2-7 CO2 첨가한조류성장촉진용 HRAP 의측면도 참고자료 : Park, J. B et al., (2011) Water Sci. Technol. 62(8), 1758-1764 하 폐수를이용한배양시스템하 폐수처리장에서의미세조류배양은전통적으로 3가지방향에서추진되어왔다. 첫째, 하수처리공정에서영양염류제거에중점을두는 3차처리공정의한대안으로간주하여미세조류를활용하는산화지 (oxidation pond) 방법과둘째, 영양염류제거는물론유기물제거까지도목표로하여하 폐수처리장의 2차처리공정을대신하는 HRAP(High Rate Algal Pond) 방법, 그리고마지막으로독특한광생물반응기를채용하여미세조류를대량으로생산하는방법의 3가지로구분할수있다. 최근하 폐수처리장에서의미세조류생산에관심이모아지면서종래의산화지방법에서는그동안문제가되어왔던미세조류의효율적인회수기술에대한연구가중점적으로이루어지고있으며, HRAP 방법에서는보다효율성있는미세조류생산공정의개발에박차를가하고있다. 이와함께유럽에서는네델란드스키폴공항부지에대규모의미세조류생산용호수를설치하는계획이가시화되고있다. 뉴질랜드에서는전통적으로산화지가많은하수처리장들에서 3차처리시설을대신하였는데, 낮은미세조류농도때문에이를회수하기가어려워서그동안문제가되었으나최근에 AQUAFLOW 사가 Blenheim 하수처리장산화지에서미세조류를효율적으로회수할수있는시설의상업화에성공하여서각광을받고있다. 종래에는미세조류의회수에상당한에너지가소요되어서 미세조류연구개발동향 33 이상필 -3 교.indd 33 2013-11-28 오후 2:38:29
하 폐수처리장에서미세조류가대량으로생산된다고해도이를활용하기가상당히어려웠으나, 새로운미세조류회수기 (harvester) 가상업화되어미세조류로부터바이오연료를생산하는연구가다시각광을받게되었다. 미국메릴랜드주 Patuxent River에서는 Algal Turf Scrubber(ATS) 시설의운영으로 m 2 당하루 250mg 질소와 45mg 인을제거하고있으며, 수확한조류로부터 m 2 당하루 23~54mg 지방산 (fatty acid) 을생산하는성공적인사례가보고되었다. 도시에서발생하는유기성폐수처리를위해미세조류를이용한옥외의소규모수로형연못 (small-scale raceway pond) 를운전하였다. 미세조류로는폐수로부터분리한 C. vulgaris 와 C. sorokiniana 를사용하였다. 유기성폐수의처리를위한미세조류의배양결과, 총질소 (2.36ppm), NH3- N(0.58ppm), 총인 (0.88ppm), COD(27.72ppm) 등의항목에서우수한수질정화능력을보였다. 총질소, NH3-N, 총인, COD의제거효율은 94.69%, 96.74%, 80.44%, 74.27% 로매우좋은결과를얻었다. 옥외소규모수로형연못에서배양한미세조류의바이오매스도 1.26 g/l 로매우높은성장을보였으며, 지질함량은 18.88~21.97% 였다 [45]. 이결과를통하여미세조류의성장을위해사용되는영양성분에투입되는비용을감소시킬수있을것으로기대되며, 옥외소규모수로형연못시스템은유기성폐수의효율적수질정화와신재생에너지분야에기여할것을판단된다. 그림 2-8 하폐수를이용한미세조류배양 ( 소규모수로형연못 ) 34 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 34 2013-11-28 오후 2:38:29
다양한배양조건의비교실험결과, 체류시간을증가시키고 CO 2 를공급하여중탄산염 (bicarbonate) 로처리한것보다인 (phosphate) 농도 0.3ppm으로추가처리한바이오매스및지질의생산성이가장높았다. 질소와인제거율도가장높았는데, 질소와인농도의비율을최적화하는것이생산성에가장큰영향을주었다. 수온이낮은시기에미세조류바이오매스의생산성을높이기위해, 메쉬 (mesh) 형태의매질을이용하여부착성미세조류를배양하였다. 10 이하의조건에서부착성미세조류의바이오매스생산성은부유성미세조류에비해약 7배향상되었으며, 질소와인의제거율또한더높았다. 그리고수확하기간편하다는부수적인장점도있었다. 융합형배양시스템광생물반응기 (PBR, photobioreactor) 는높은효율로미세조류를배양할수있으나제작및운영비용이높다는단점이있고, 반면에개방형연못 (open pond) 는저렴하게미세조류배양이가능하나생산효율이광생물반응기에비해낮다는단점이있다. 따라서두배양시스템의특징을적절히조합하여, 비용은낮추는동시에효율을극대화하는융합형배양시스템 (hybrid cultivation system) 이연구되고있다. 광생물반응기-개방형연못의하이브리드배양시스템은먼저폐쇄형 (closed system) 인광생물반응기를이용하는데, 미세조류세포성장에최적인운전조건을유지하고안정적으로제어하면서바이오매스농도를최대로증가시킨다. 광생물반응기에서생산된바이오매스를세포내오일축적으로유도할수있는대량의개방형연못으로옮겨, 오일생산성 (g/m2/yr) 이최대가되도록개방식배양을수행한다. 이때에발전소배가스와하폐수처리를연계함으로써온실가스저감효과를높이고, 하폐수처리를통해부영양화를억제하는효과를얻을수있다. 최근미국매사추세츠주에소재한 Greenfuel Technologies 사는발전소의배가스를회수 농축한후, 비닐로제작된관상광생물반응기를미세조류배양에사용하여바이오연료생산을추진하고있다. 2007년미국샌디에고소 미세조류연구개발동향 35 이상필 -3 교.indd 35 2013-11-28 오후 2:38:29
재 Green Star Products, Inc.(GSPI) 사는이산화탄소저감을목표로 100 에 이커규모의반개방형인 HAPS(Hybrid Algal Production System) 을설치하 여발전소의배가스를처리하고바이오디젤생산을추진하였다. 그림 2-9 융합형배양시스템 바이오필름형배양시스템최근에부착형미세조류군집을이용한바이오필름 (biofilm) 시스템에대한관심이증가하고있다. 바이오필름시스템은부유미세조류배양법에비해배양관리및수확에필요한경제적비용이낮다는이점을가지고있다. 폐수처리및미세조류배양시스템분야에서도바이오필름시스템은배양과정에투입되는에너지가낮고유지가간편하며수확이매우쉬워경제적인효과를기대할수있다. 바이오필름은양이온, 단백질, 기타다양한유기물질과미생물에의해만들어지는데, 미생물들은 EPS(extracellular polymeric substance) 를분비하여겹겹이바이오필름이형성되고, 미세조류와함께세균이군집을형성한것이다. 형성된바이오필름시스템은배양을위한교반에사용되는에너지가개방형연못이나생물반응기보다적게들고, 유출수의문제가적으며, 미세조류균체의수확에드는비용이현저하게낮다는장점이있다. 회전식바이오필름시스템의경우는명암조건을쉽게조절할수있고작은크기로제작할수있 36 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 36 2013-11-28 오후 2:38:29
어가스교환이용이하다는장점이있다. 그런데도불구하고, 바이오필름배 양시스템은 CO 2 확산의제한과광저해 (photoinhibition) 등의문제로인하여 사용에주의가필요하다. 바이오매스수확미세조류의대량배양을통한유용물질의생산과정에서해결되어야할중요한과제중의하나가경제적인수확방법의개발이다. 대부분의미세조류는배양액에서의농도가낮으며, 크기가 30μm이하이고, 물의밀도보다약간큰정도여서분리하기가쉽지않다. 또한, 적합한수확방법은조류의종및조류로부터얻어질유용물질의용도에따라서도달라진다. 배양된조류의수확은일반적으로여과 (filtration), 침전 (sedimentation), 부유 (flotation), 원심분리 (centrifugation), 응집 (flocculation) 등과같은복잡한과정을통해이루어지며많은비용이투입된다. 미세조류의바이오연료생산시수확에소요되는비용은 20~30% 를차지하는것으로조사되었다. 따라서경제성, 효율성, 환경친화성등의요소를고려하여미세조류의배양규모및배양종에따른최적의수확기술을적용하여야한다. 실제로미세조류의자연적응집을유도하여침강시키는생물응집 (bioflocculation) 은대규모배양시적용될수있는적절한방법으로인식되고있다. 또한근래에는환경저에너지소모형바이오매스수확기술들이계속개발되고있다. 생물응집제를이용한수확기술고효율의저에너지형바이오매스수확을위한생물응집제개발및바이오매스종류에따라특이성을갖출수있는맞춤형바이오매스수확기술을개발하고자고효율의생물응집제의선별및생산, 생물응집제구조분석및물성평가, 바이오매스의종특이적수확을위한생물응집제적용기술, 수확장치설계, 생물응집제를이용한바이오매스수확공정최적화등이주요연구내용이다. 생물응집제의구조, 표면전하의종류, 밀도특성등에따라선별적으로응집시킬수있는특성을규명하며, 대용량의리사이클링이가능한응집수확에이 미세조류연구개발동향 37 이상필 -3 교.indd 37 2013-11-28 오후 2:38:29
용되는장치의공간구조, 크기, 형태등을포함하는최적설계인자를도출하 고, 선택적응집수확을위한운전인자 ( 교반조건, 응집보조제종류및농도, 생 물응집제적용조건등 ) 를최적화한다. EF(Electro-floatation) 를이용한수확기술광생물반응기로부터연속적으로배출되는배양액으로부터세포만지속적으로수확하고, 수확후남은배지는다시반응기로순환시켜재이용하는것이기본원리이다. EF 수확기술은물의전기분해시스템을기반으로하는것으로서, 물을전기분해하여수소거품을만들고이거품이미세조류바이오매스를물위로부양시키는것이다. 배양액표면에부양, 농축된미세조류바이오매스는단순한포집방법으로손쉽게수확될수있으며, 이때사용된수소가스는포집하여연료전지등에이용할수있다. 최적의반응기제작, 전기분해에사용될전극, 전류밀도, 배지유입및유출속도에따른 EF 수확기술의최적조건을도출하고, 미세조류배양과수확을위한통합시스템을구축하는것이주요연구내용이다. 오일추출및바이오디젤생산미세조류와유지식물의차이는지질의추출을위해서로다른처리과정들을이용한다는것이다. 미세조류로부터지질을추출하기위해기계적추출, 전기천공법, 초임계이산화탄소유체추출, 초음파및도데칸 [46] 등을이용한물리적인미세조류짜기 (microalgae milking) 방법들도제안되었지만재활용이가능한화학물질로직접추출하는방법이현재사용되고있다. 건조된미세조류바이오매스의처리과정들은생산과관련된에너지투입으로인해경제성이낮아건조되지않은미세조류현탁액이나농축된미세조류 (microalgal wet paste/cake) 를가지고직접처리하는방법들을선호하기도한다 [47]. 때때로미세조류개체군의변화와배양환경의변동으로발생될수있는중성지질, 인지질및당지질등전체지질함량의변화로생산량산출등복잡한문제들은여전히제기될수있지만, 미세조류지질은일단추출하고정제하면바이오디젤이나그린디젤로분리하는하류처리과정 (downstream 38 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 38 2013-11-28 오후 2:38:29
processing) 에대해서는현재상용화중인처리과정을도입한다면충분히이 해될수있을것으로본다 [48]. 유기용매를사용한오일추출유기용매를통한오일추출방법은 like dissolving like 라는화학의기본개념을적용한다. 소수성의긴사슬을가진지방산들의상호반응때문에, 중성지방은반데르발스힘으로한쪽에서다른쪽으로이끌리게되고세포질에서구상체를형성하게된다. 이메카니즘은 5단계로구성되어있다. 미세조류세포가헥산이나클로로폼과같은무극성의유기용매에노출이되면, 이유기용매가세포막을뚫고세포질로들어가게된다 (1 단계 ). 그후반데르발스힘을이용하여중성지방과결합하게되고 (2 단계 ), 유기용매-지방의복합체를형성하게된다 (3 단계 ). 형성된복합체는농도기울기에의해세포막을통해확산이되고 (4 단계 ), 셀주변을쌓고있는평형유기용매로부터외부유기용매로이동하게된다. 결과적으로중성지방은세포밖으로추출되고, 무극성유기용매에용해된다. 세포주변을둘러싸고있는평형유기용매필름은유기용매와세포벽의상호작용으로인해형성이된다 [49]. 그림 2-10 유기용매추출법기본개념 자료 : Kates M. (1986) Amsterdam: Elsevier Science Publisher 미세조류연구개발동향 39 이상필 -3 교.indd 39 2013-11-28 오후 2:38:29
초임계유체를사용한오일추출바이오매스로부터오일을추출하는방법으로는유기용매를이용한방법이외에도압착법, 효소, 마이크로웨이브, 초음파등의추출방법이사용되고있으나, 이러한방법들은대부분에너지소비형공정으로바이오매스내오일의잔류, 높은추출온도, 긴조업시간, 과량의유기용매사용및유기용매잔류, 다량의폐수발생등의문제점을가지고있다. 바이오매스로오일추출공정의단점을보완 개선하기위해환경친화적인초임계이산화탄소 (supercritical carbon dioxide) 를이용한초임계유체추출 (SFE, supercritical fluid extraction) 기술에대한연구가활발히진행되고있다. 초임계유체추출기술은열및물질의전달속도가빠르고, 낮은점도, 높은확산계수로인한시료내부로의신속한침투성과상압에서의자발적분리성등과같은초임계유체의특성을이용한기술로서추출이외에도화학반응및분해, 증류, 결정화, 세정, 건조등의다양한공정에서이용되고있다. 초임계유체중이산화탄소는임계온도와압력이각각 31 와 7.3MPa로온화한조건에서작업할수있어천연물유효성분의추출에적합하다. 그리고무독성, 불연성, 저렴한가격과구입용이성등의장점을가지고있으며, 온도와압력조건의변화와공용매 (cosolvent) 의사용을통해초임계이산화탄소에다양한용해력과유효성분에대한선택성을부여할수있다는장점을가진다 [50-54]. 미세조류를이용한폐수처리부터바이오매스잔사의다른바이오에너지로의전환 ( 연소, 가스화, 열분해및에탄올발효등 ), 고부가가치동물사료제조및동물용영양 면역보충제, 색소류정제등에이르기까지상당한수준의부산물이익도얻을수있다. 미세조류는기본적으로증류기로건조시킨옥수수바이오에탄올부산물보다더높은영양염을함유하며, 지질을제거한바이오매스잔사의단백질함량이높은미세조류를사용한다면동물사료로서도가치가높으므로시장에서더높은가격을받을수있는조건이된다. 40 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 40 2013-11-28 오후 2:38:29
그림 2-11 미세조류바이오매스의제품군별잠재적시장규모 출처 : 2009 Peter van den Dorpel, Algaelink from IEA 바이오디젤의생산역사적으로미세조류를이용하여바이오연료를생산하는데있어서주요장점으로강조해왔던점은육상작물에비해자체적으로많이함유하고있는탄소수 14 이상 (>C14) 의고에너지구조의지방산들이다. 물론미세조류지질들은유지식물과마찬가지로지방산과트리글리세라이드 (triglyceride) 화합물들을함유하고있어기존의트랜스에테르화 (transesterification) 기술을이용해지방산메틸에스테르 (FAME, fatty acid methyl ester) 형태로전환시킬수있다. 동, 식물성오일과알코올을촉매아래에서반응시키면지방산메틸에스테르와글리세롤이생성되며, 지방산메틸에스테르를정제하면바이오디젤이얻어진다. 부산물로생성된글리세롤은제약, 식품및플라스틱제품에순도에맞게정제되어이용되고있다. 트랜스에스테르화반응의촉매로는염기촉매, 산촉매, 효소촉매가이용되고있는데, 이중에서이중염기촉매와산촉매가가장많이적용되고있다. 미세조류연구개발동향 41 이상필 -3 교.indd 41 2013-11-28 오후 2:38:29
그림 2-12 트리글리세라이드의트랜스에테르화반응 [56] 실제산업현장에서는산촉매반응보다반응온도와압력이낮고반응속도가빠른염기촉매공정이주로적용되고있다. 바이오디젤은반응조건에따라생성물의순도및품질이다양하게나타난다. 반응조건으로는알코올 오일의비율, 알코올의종류, 촉매의종류및양, 반응시간, 반응온도, 교반속도, 수분및유리지방산함량으로대표되는원료의정제등이있다 [55]. 트랜스에테르화반응에대해선잘알려져있으며, 바이오매스의다양한성분들에대한반응과하류처리조건들을최적화할수있는많은접근방법들이있다. 한예로국내의바이오디젤생산은증류과정을포함하고있기때문에세계적으로도그품질을인정받을수있는구조이기도하다. 한편미세조류지질들은촉매수소화과정 (catalytic hydroprocessing) 을통해재생가능또는그린디젤제품을생산하는데이용될수도있다. 식물유지들과폐기용동물지방도한정된정유소들에서재생연료처리과정을거쳐바이오디젤로생산되고있다. 가솔린, 항공기연료, 디젤은그원재료가바이오매스같이생물학적원천에서나온경우에 재생가능 (renewable) 또는 그린 (green) 에너지로기술되며, 근본적으로모두원유에서나온연료들과마찬가지로산소함유량이거의없다는것이다. 전형적인바이오연료들인바이오에탄올과바이오디젤등은원유에서얻어진연료에비해산소함유량이매우높다. 그러므로바이오매스를이용한재생가능한가솔린, 항공기연료및디젤연료제조의주된목표는최종연료에서최종에너지함량은극대화하면서엔진의부식을최소화하기위한전략으로산소함량을최소화시키는방법들이제안되고있다. 42 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 42 2013-11-28 오후 2:38:30
2 0 1 3 정보분석보고서 계량정보분석 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 43 2013-11-28 오후 2:38:30
계량정보분석 정보검색바이오연료 ( 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스등 ) 및 미세조류를이용한바이오디젤 에대한계량정보분석을위하여과학기술분야의대표적인인용색인 (Citation Index) 데이터베이스인 Web of Science (WoS, Thomson Reuters) 의 SCIE(Science Citation Index Expended) 2) 데이터베이스를사용하였다. 바이오연료 ( 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스등 ) 의전체적인추이를파악하기위하여먼저, SCIE 데이터베이스에서논문의제목, 주제어, 초록등을대상으로정보검색을실시하고, 정보분석시스템 3) 을사용하여데이터정제 분석을수행하였다. 미세조류의바이오디젤에관한심층분석에사용한데이터는바이오연료또는바이오디젤을포함하고있는논문정보중에서조류및미세조류에관한데이터만을추출 정제하여미세조류의연구동향을분석하였다 ( 미세조류를이 2) SCIE(Science Citation Index Expanded) 는과학기술분야저널들의학제간연구의지표로사용되고있다. SCIE 데이터베이스는약 7,100 여종의과학기술저널과약 150 여종의과학기술관련저널로구성되어있고, 저널에게재되는모든논문의인용횟수를포함하고있으며, 1899년부터현재까지의논문들이수록되어있음. 3) SCIE(Science Citation Index Expended) 데이터베이스에서추출된바이오연료 ( 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스등 ) 에관한논문정보의데이터를정제하기위하여한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서개발한과학기술정보분석시스템 (KITAS, Knowledge Matrix) 을사용하였음. 44 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 44 2013-11-28 오후 2:38:30
용한바이오디젤의생산을위해서는제 2 장에서서술한것과같이미세조류의 균주개발, 배양, 미세조류의균체수확, 오일추출및바이오디젤의생산등과 같은다양한측면에서의기초 응용 실용화연구개발이수행되고있음 ). 표 3-1 바이오연료및미세조류의정보검색 순번 검색어 1 Topic=(biofuel* OR bio-fuel*) 2 Topic=(biodiesel* OR bio-diesel*) 3 3 4 Topic=(biodiesel* OR bio-diesel* OR alcohol* OR ethanol* OR methanol* OR butanol* OR bioalcohol* OR bioethanol* OR biomethanol* OR biobutanol* OR bio-alcohol* OR bio-ethanol* OR bio-methanol* OR bio-butanol*) OR biogas* OR bio-gas* OR hydrogen* OR methane* OR biohydrogen* OR biomethane* OR bio-hydrogen* OR bio-methane* OR biogasoline* OR bio-gasoline*) #1 AND (#2 Or #3) Databases=SCI-EXPANDED Timespan=2000-2013 Document Type=Article(Journal), language=english #1 OR #2 Databases=SCI-EXPANDED Timespan=2000-2013 Document Type=Article(Journal), language=english 5 Topic=(algae* OR algal* OR microalga* OR micro-alga*) 5 #4 AND #5 Databases=SCI-EXPANDED Timespan=2000-2013 Document Type=Article(Journal), language=english 바이오연료의논문발표동향연도별분석검색연도는최근약 13년을기준 (2000-2012년) 으로설정하고, 검색조건에서제시한질문식으로검색하여정제한결과, 바이오연료관련논문이 18,139 건으로나타났다. 분석대상기간의연평균증가율 4) 은연도별논문수기준으로는약 29%, 누적논문수기준으로는약 46% 로나타났다. 4) 연평균증가율산출식 : r=e (InAn-lnA 1) /(n-1) 계량정보분석 45 이상필 -3 교.indd 45 2013-11-28 오후 2:38:30
특히, 세계각국이기후변화해결을위한저탄소 지속가능한생산체제구축을위한적극적인정책을시행하고, 국제원유가격이급등하기시작한 2007년이후부터, 바이오연료에관한논문수가급격히증가하고있는것으로나타났다. 그림 3-1 바이오연료의연도별논문수현황 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 연도별논문수 193 174 206 265 누적논문수 357 452 193 367 573 838 1195 1647 639 1647 2286 1011 3297 2286 1674 4971 2207 7178 2975 10153 3744 13897 4242 18139 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 국가별분석국가별분포바이오연료관련논문의교신저자국적을분석한결과, 세계적으로 107개국가에서관련연구가수행되는것으로나타났다. 이들국가중미국이 3,692건의논문을게재하여전체 21,668 5) 건의논문중약 17% 를점유하며, 가장많은논문을게재한것으로나타났다. 국토면적이넓고, 바이오연료의원료물질인바이오매스자원이풍부한중국이 2,408건 ( 약 11%) 으로 2위, 이어서인도와브라질, 스페인이 1,371건, 1,228건, 927건의논문을발표하여상위 5위 ( 약 55%) 를기록하였다. 이외에도일본, 한국, 캐나다, 터키, 독일등의순으로바이오연료관련논문을많이발표하여, 상위 10위권 ( 약 60%) 을이루고있는것으로조사되었다. 5) 국가별분포의분석대상기간은 2000~2013 년 (11 월기준 ) 로설정하였음. 46 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 46 2013-11-28 오후 2:38:30
그림 3-2 논문의국가별분포 279, 1% 299, 1% 335, 2% 361, 2% 391, 2% 407, 2% 483, 2% 525, 2% 665, 3% 684, 3% 713, 3% 717, 3% 3873, 18% 718, 3% 743, 3% 3692, 17% 849, 4% 927, 4% 2408, 11% 1228, 6% 1371, 6% USA PEOPLES R CHINA INDIA BRAZIL SPAIN JAPAN SOUTH KOREA CANADA TURKEY GERMANY UK ITALY TAIWAN FRANCE MALAYSIA SWEDEN THAILAND DENMARK NETHERLANDS GREECE Others 연도별논문수 2007년부터 2012년까지, 최근 6년간바이오연료관련논문을가장많이발표한미국의연도별논문발표추이를살펴보면, 2007년부터바이오연료관련논문을 200건이상있으며, 2010년부터는연간약 500건을상회하고있다. 전체논문수에서 2위를차지하고있는중국은미국과마찬가지로최근 2년사이에연간약 500건의바이오연료관련논문을발표하고있으며, 인도와브라질, 스페인도연간약 200건을발표하고있다. 한국는 2007년부터 2009년사이에는약 50~80건의바이오연료관련논문을발표하고있으며, 2010년부터는논문발표수가연간 100건이상인것으로조사되었다. 특히, 2013년도 11월기준으로집계한발표논문수가작년발표논문수를이미상회하고있는것으로나타났다. 그림 3-3 국가별연도별논문수현황 ( 바이오연료 ) 700 600 미국중국인도브라질스페인한국 500 400 300 200 100 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 계량정보분석 47 이상필 -3 교.indd 47 2013-11-28 오후 2:38:31
분야별분석연도별추이 2000년 ~2012년까지, 최근 13년을기준으로검색된바이오연료에관련논문 18,139건에대하여미세조류바이오디젤, 바이오디젤, 바이오알코올, 바이오가스, 바이오연료전체등으로분류하여연도별추이를분석하였다. 바이오연료각분야별로 2007년부터대부분상당한증가추이를보이고있으며, 특히미세조류바이오디젤은 2009년부터다른바이오연료분야에비해논문수가급격히증가하고있다. 그림 3-4 분야별 / 연도별논문수추이 ( 바이오연료 ) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 디젤알코올가스바이오연료미세조류 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 600 500 400 300 200 100 0 * 각분야별논문수에는분야가중복된논문수가포함되어있음. 국가별추이바이오연료에관련논문 6) 에대하여바이오연료분야별 ( 미세조류바이오디젤, 바이오디젤, 바이오알콜, 바이오가스, 바이오연료전체 ) 로분류하여국가별추이를분석하였다. 바이오연료각분야별로미국과중국이 1, 2위를차지하고있으며, 인도와브라질, 브라질, 스페인, 독일, 일본, 영국등이상위 5위권을구성하고있는것으로나타났다. 6) 국가별추이분석의대상기간은 2000~2013 년 (11 월기준 ), 전체논문수는 21,668 건임. 48 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 48 2013-11-28 오후 2:38:31
한국은바이오디젤, 바이오알콜, 바이오연료전체분야에서 7위를기록하였으나, 바이오가스분야에서는 10위권안에포함되지않았다. 특히, 미세조류바이오디젤분야의논문수에서는미국, 중국에이어세계 3위인것으로분석되었다. 표 3-2 분야별 / 국가별논문수발표순위 ( 바이오연료 ) 순위 미세조류바이오디젤 ( 논문수 ) 바이오디젤 ( 논문수 ) 바이오알콜 ( 논문수 ) 바이오가스 ( 논문수 ) 바이오연료 ( 논문수 ) 1 미국 (442) 미국 (1,519) 미국 (1,979) 미국 (1,047) 미국 (3,692) 2 중국 (232) 중국 (1,144) 중국 (1,251) 중국 (937) 중국 (2,408) 3 한국 (96) 브라질 (858) 브라질 (690) 독일 (475) 인도 (1,371) 4 인도 (69) 인도 (808) 일본 (498) 인도 (447) 브라질 (1,228) 5 영국 (61) 터키 (438) 인도 (491) 스페인 (416) 스페인 (927) 6 호주 (58) 스페인 (417) 스페인 (424) 이태리 (382) 일본 (849) 7 스페인 (50) 한국 (318) 한국 (371) 캐나다 (360) 한국 (743) 8 대만 (45) 일본 (304) 캐나다 (307) 영국 (316) 캐나다 (718) 9 캐나다 (44) 말레시아 (297) 영국 (284) 일본 (313) 터키 (717) 10 일본 (37) 영국 (265) 터키 (264) 프랑스 (288) 독일 (713) * 각분야별논문수에는분야가중복된논문수가포함되어있음. 미세조류바이오디젤의논문발표동향연도별분석미세조류바이오디젤관련논문의교신저자국적을분석한결과, 세계적으로 56개국가에서관련연구가수행되는것으로나타났다. 검색연도는최근약 13년을기준 (2000~2012년) 으로설정하고, 검색조건에서제시한질문식으로검색 정제한결과, 미세조류바이오디젤관련논문이 1,086건으로나타났다. 특히, 2008년 6월 ABO(Algal Biomass Organization) 국제기구출범이후인 2009년부터연간 84건, 2010년 135건, 2011년에는전년대비약 2.5배이상의미세조류바이오디젤에관련논문이발표되는등, 최근급격한증가추세를나타내고있다. 계량정보분석 49 이상필 -3 교.indd 49 2013-11-28 오후 2:38:31
그림 3-5 미세조류바이오디젤의연도별논문수현황 1200 492 500 1000 800 600 400 200 0 9 연도별논문수 21 20 41 누적논문수 84 125 135 260 334 594 1086 2007 2008 2009 2010 2011 2012 400 300 200 100 0 국가별분석 국가별분포 미세조류바이오디젤관련논문 7) 의교신저자국적을분석한결과, 세계적으로 56개국가에서관련연구가수행되는것으로나타났다. 이들국가중미국이 442건의논문을게재하여전체 1,551건의논문중약 28% 를점유하며, 가장많은논문을발표한것으로나타났다. 이어서중국이 232건으로 2위, 우리나라가 96건으로 3위, 인도 69건, 영국이 61건의논문을발표하여상위 5위 ( 약 57%) 를기록하였다. 이외에도호주, 스페인, 대만, 캐나다, 일본등의순으로상위 10위권 ( 약 73%) 을이루고있는것으로조사되었다. 그림 3-6 논문수의국가별분포 ( 미세조류바이오디젤 ) USA 22, 1% 16, 1% 15, 1% 162, 10% 23, 1% PEOPLES R CHINA SOUTH KOREA 25, 2% 29, 2% 30, 2% 31, 2% 31, 2% 442, 28% INDIA UK AUSTRALIA SPAIN 33, 2% TAIWAN 37, 2% CANADA 44, 3% 45, 3% 50, 3% 232, 15% JAPAN ITALY FRANCE GERMANY 58, 4% 61, 4% 69, 4% 96, 6% BRAZIL TURKEY NETHERLANDS PORTUGAL NEW ZEALAND SINGAPORE MALAYSIA Others 7) 국가별분포의분석대상기간은 2000~2013 년 (11 월기준 ), 전체논문수는 1,555 건임. 50 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 50 2013-11-28 오후 2:38:31
연도별논문수 2007년부터 2012년까지, 최근 6년간미세조류바이오디젤관련논문을가장많이발표한미국의연도별논문발표추이를살펴보면, 2009년부터연간 20건이상의논문을발표하고있으며, 2011년부터는연간약 100건을상회하고있다. 전체논문수에서 2위를차지하고있는중국은미국과마찬가지로 2011년부터연간약 50건이상의미세조류바이오디젤관련논문을발표하고있으며, 인도와브라질, 스페인도연간약 20건을발표하고있다. 우리나라는 2009년부터미세조류바이오디젤관련논문을발표하기시작하여 2011년부터발표논문수가급증하여세계 3위를차지하고있는것으로조사되었다. 그림 3-7 국가별 / 연도별논문수현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 160 140 미국중국한국인도영국 120 100 80 60 40 20 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 연구기관분석미세조류바이오디젤에관련논문 8) 에대하여연구기관별로발표한추이를분석하였다. 중국의 CHINESE ACAD SCI이 62건, TSINGHUA UNIV가 33건의논문을발표하여세계 1, 2위를, 미국 UNIV MINNESOTA, 대만의 NATL CHENG KUNG UNIV, 미국의 UNIV TEXAS AUSTIN이상위 5위권을형성하고있 8) 연구기관별분석대상기간은 2000~2013 년 (11 월기준 ), 전체논문수는 1,555 건임. 계량정보분석 51 이상필 -3 교.indd 51 2013-11-28 오후 2:38:31
는것으로분석되었다. 우리나라의한국과학기술원 (KAIST), 한국생명공학연구원 (KRIBB), 연세대 학교가각각 8 위, 12 위, 20 위인것으로나타났다. 표 3-3 연구기관별논문수현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 순위 연구기관 논문수 1 CHINESE ACAD SCI 62 2 TSINGHUA UNIV 33 3 UNIV MINNESOTA 24 4 NATL CHENG KUNG UNIV 16 5 UNIV TEXAS AUSTIN 16 6 NEW MEXICO STATE UNIV 15 7 ARIZONA STATE UNIV 14 8 KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 14 9 MONASH UNIV 14 10 SANDIA NATL LABS 14 11 UNIV GEORGIA 14 12 KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 13 13 WAGENINGEN UNIV 12 14 NATL RENEWABLE ENERGY LAB NREL 11 15 UNIV MICHIGAN 11 16 IOWA STATE UNIV 10 17 TEXAS A&M UNIV 10 18 UNIV ALMERIA 10 19 USDA ARS 10 20 YONSEI UNIV 10 주요연구자분석 2000년 ~2013년까지, 최근 14년을기준으로검색된미세조류바이오디젤에관련논문 (1,551건) 에대하여연구기관별로발표한추이를분석하였다. 미국 UNIV MINNESOTA의 RUAN R이 15건의논문을발표하여 1위를차지하였으며, 이어서대만 NATL CHENG KUNG UNIV의 CHANG JS와중 52 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 52 2013-11-28 오후 2:38:31
국 TSINGHUA UNIV의 HU HY가 10건이상의논문을발표하요 2, 3위를기록하였다. 우리나라의한국생명공학연구원 (KRIBB) 의 OH HM과연세대학교의 JEON BH이각각 8건의논문을발표하여 4, 5위인것으로조사되었다. 표 3-4 연구자별논문수현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 순위 연구자 연구기관 논문수 1 RUAN R UNIV MINNESOTA 15 2 CHANG JS NATL CHENG KUNG UNIV 13 3 HU HY TSINGHUA UNIV 10 4 JEON BH YONSEI UNIV 8 5 OH HM KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 8 6 DENG SG NEW MEXICO STATE UNIV 7 7 MOHAN SV INDIAN INST CHEM TECHNOL IICT 7 8 WU QY TSINGHUA UNIV 7 9 BUX F DURBAN UNIV TECHNOL 6 10 CHEN SL WASHINGTON STATE UNIV 6 연구분야분석주요연구분야분석 2000년 ~2013년까지, 최근 14년을기준으로검색된미세조류바이오디젤에관련논문 (1,551건) 에표시된저자키워드 (7,379건) 를대하여미세조류연구에적합성이높은키워드를선별하여키워드출현빈도를조사하였다. 미세조류바이오디젤에관련된연구논문에서는 LIPIDS, CHLORELLA, BIOMASS, FATTY ACIDS, WASTEWATER, PHOTOBIOREACTOR, TRANSESTERIFICATION, HARVESTING 등의키워드가상위권인것으로분석되었다. 계량정보분석 53 이상필 -3 교.indd 53 2013-11-28 오후 2:38:31
표 3-5 주요키워드별출현빈도현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 순위 저자키워드 논문수 1 LIPIDS 169 2 CHLORELLA 97 3 BIOMASS 83 4 FATTY ACIDS 72 5 WASTEWATER 66 6 PHOTOBIOREACTOR 65 7 TRANSESTERIFICATION 44 8 HARVESTING 28 9 NANNOCHLOROPSIS 28 10 CHLAMYDOMONAS REINHARDTII 26 학술지별분석 2000년 ~2013년까지, 최근 14년을기준으로검색된미세조류바이오디젤에관련논문 (1,551건) 에대하여논문이수록된학술지현황을분석하였다. BIORESOURCE TECHNOLOGY에 373건의논문이수록되어미세조류에관한연구분야에서는압도적인영향력을가지고있는것으로확인되었다. APPLIED ENERGY, JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY, BIOMASS & BIOENERGY, BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING 등의학술지가미세조류에관한논문이많이발표되었다. 표 3-6 주요학술지별논문수현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 순위 저널명 논문수 1 BIORESOURCE TECHNOLOGY 373 2 APPLIED ENERGY 65 3 JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY 63 4 BIOMASS & BIOENERGY 45 5 BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING 32 6 ENERGY & FUELS 27 7 APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY 25 8 APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY 24 9 ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 23 10 PLOS ONE 23 54 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 54 2013-11-28 오후 2:38:31
한국의연구동향분석연구기관 2000년 ~2013년까지, 최근 14년을기준으로검색된미세조류바이오디젤관련논문중에서우리나라의가발표한논문 (96건) 에대하여연구기관별로분석한결과, 3건이상의논문을발표한연구기관이 12개기관으로조사되었다. 한국과학기술원 (KAIST) 이 14건으로 1위이고, 이어서한국생명공학연구원 (KRIBB), 연세대학교가각각 13건, 10건으로 2, 3위를차지하고있는것으로분석되었다. 이외에도한국에너지기술연구원 (KIER), 조선대학교, 부경대학교, 인하대학교, 포항산업과학연구원 (RIST), 전남대학교, 강원대학교, 경희대학교, 부산대학교등이연간 3건이상의미세조류바이오디젤에관련논문을발표한것으로나타났다. 표 3-7 한국의연구기관별논문수현황 (( 미세조류바이오디젤 ) 순위 연구기관 논문수 1 KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 14 2 KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 13 3 YONSEI UNIV 10 4 KOREA INST ENERGY RES KIER 6 5 CHOSUN UNIV 5 6 PUKYONG NATL UNIV 5 7 INHA UNIV 4 8 RES INST IND SCI & TECHNOL RIST 4 9 CHONNAM NATL UNIV 3 10 KANGWON NATL UNIV 3 11 KYUNG HEE UNIV 3 12 PUSAN NATL UNIV 3 13 기타 23 계 96 계량정보분석 55 이상필 -3 교.indd 55 2013-11-28 오후 2:38:32
연구자연세대학교 JEON BH, 한국생명공학연구원 (KRIBB) OH HM이각각 6건의논문을발표하여 1, 2위를차지하였다. 한국과학기술원 (KAIST) HAN JI이 4건, 부산대학교 LEE T, 전북대학교 CHOI YE, 서원대학교 LEE HY, 한국에너지기술연구원 (KIER) PARK JY 등이각각 3건의논문을발표하여 3~7위를기록하였다. 이외에도부경대학교 JEONG GT, 조선대학교 JUNG WK, 경희대학교 LEE EY, 한국생명공학연구원 (KRIBB) SEO JW, 인하대학교 TRAN HL, 한국과학기술원 (KAIST) YANG JW, 포항산업과학연구원 (RIST) YI H, 경북대학교 YOON HS 등이각각 2건이상의논문을발표한것으로조사되었다. 표 3-8 한국의연구자별논문수현황 ( 미세조류바이오디젤 ) 순위 저자 소속기관 논문수 1 JEON BH YONSEI UNIV 8 2 OH HM KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 8 3 HAN JI KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 4 4 LEE T PUSAN NATL UNIV 3 5 CHOI YE CHONBUK NATL UNIV 3 6 LEE HY SEOWON UNIV 3 7 PARK JY KOREA INST ENERGY RES KIER 3 8 JEONG GT PUKYONG NATL UNIV 2 9 JUNG WK CHOSUN UNIV 2 10 LEE EY KYUNG HEE UNIV 2 11 SEO JW KOREA RES INST BIOSCI & BIOTECHNOL KRIBB 2 12 TRAN HL INHA UNIV 2 13 YANG JW KOREA ADV INST SCI & TECHNOL KAIST 2 14 YI H RES INST IND SCI & TECHNOL RIST 2 15 YOON HS KYUNGPOOK NATL UNIV 2 56 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 56 2013-11-28 오후 2:38:32
2 0 1 3 정보분석보고서 결론및시사점 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 57 2013-11-28 오후 2:38:32
결론및시사점 미세조류는에너지및산업소재생산, 온실가스저감이가능한자원으로큰잠재력을지니고있다. 이러한큰잠재력은향후에너지분야, 환경분야, 화학분야등, 총 3가지분야를중심으로확대될전망이다. 에너지분야에서특히각광받고있는이유는미세조류가모든바이오디젤생산작물중오일생산성이가장우수하고, 식량자원의에너지화에대한비판으로부터자유로운생물자원이며, 석유계디젤과유사한물성을가진바이오연료를생산할수있기때문이다. 이와연계되어환경분야에서미세조류의역할이크게부각되고있다. 자기무게의 2배정도의이산화탄소를흡수할수있는미세조류는특정토양이나수질을가리지않고배양이가능하여이산화탄소저감및공장폐수의정화사업을이용해바이오연료를생산할수있다. 또한, 미세조류의대량배양을통하여바이오매스로부터의약용물질, 기능성식품, 수산양식용사료, 동물사료등의고부가가치유용물질을생산하여경제적가치를창출할수있다. 우리나라와같이사계절의변화가뚜렷하고토지비용이높은국가에서는개방형연못형태의배양하기에는어려움이있다. 이때문에광섬유, 형광램프, 발광다이오드등의조명을설치함으로써단위부피당빛의조사면적을최대화할수있는구조를가지고있는광생물반응기의개발이진행되고있다. 그러나옥외개방형이나효율이그다지높지않은단순형상의원통형반응기 58 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 58 2013-11-28 오후 2:38:32
에집중되고있으며, 에너지대비효율이높은평판형고효율광생물반응기시스템과관련된기술개발사례가매우적다. 미세조류의대량배양을목적으로하는광생물반응기시스템기술은 2000 년이후에관심을모으기시작하여, 2011년에는여러가지광생물반응기시스템의모델관련특허가출원되었으며, 이를바탕으로많은연구가진행되고있다. 다양한연구기관및관련산업체에서미세조류배양을목적으로광생물배양기시스템의연구개발이진행되고있지만, 아직은선진국대비기술격차가 5년이상인것으로보고되고있다. 생물공학적인기술수준은선진국에근접하고있으나, 부품과장치, 시스템기술은선진국에비해격차가크다. 지금까지우리나라의광생물배양기시스템의연구개발은생명공학분야에서주도하고왔으나, 향후에는원천기술확보를위해선기계-광시스템공학과융합연구가시급한실정이다. 미세조류를이용한바이오디젤생산은미래기술로서단순히대체에너지와고부가가치제품을생산한다는것을포함하여환경문제의해결이라는커다란과제를떠안고있다. 또한, 가까운미래석유자원의고갈이라는잠재적인위협과식량자원의고갈등도미세조류를이용한자원의개발을촉진하고있다. 미세조류를이용한바이오디젤생산기술은공정의경제성을얻기위하여다양한기술들이단일시스템내에서조화롭게운영되어야하며, 하폐수처리장의폐수를이용하여미세조류를배양하는것이경제성제고라는측면에서무시할수없는방식이다. 그러나처리공정의어느단계의폐수를이용하느냐에따라서미세조류의생산성, 운영의편리성등에차이가있으며, 처리장에유입되는폐수의성상 (wastewater characteristics) 이항상변화되기때문에안정적인관리등의어려움이있다. 또한, 폐수의질소및인농도비율에따라우점미세조류가변화하고, 질소와인의제거율에도영향을미치기때문에이들을상시적으로측정하고조절하는것이미세조류생산성을극대화시키기위해서는필수불가결한요소라고볼수있다. 미국에너지부 (DOE) 에서도미세조류유래바이오디젤생산을하수처리와연계하지않고는경제성을맞추기가극히어렵다는것을인정하고있다. 특 결론및시사점 59 이상필 -3 교.indd 59 2013-11-28 오후 2:38:32
히, 하수처리장에는다양한인프라가갖추어져있기때문에다른장소를사용하는것에비해초기투자비용도줄일수있는장점이있다. 하 폐수처리장에서의미세조류대량생산연구는비단미세조류를대량으로생산하는데에그치는것이아니라하수의고도처리라는목적도겸하고있다. 여기에서생산되는미세조류는원칙적으로고가의부산물을확보하기어려운조류-세균복합체 (algae-bacteria complex) 형이기때문에목표지향적연구목표와연구경험이요구될것이다. 아직은석유자원에비해경제성이없고대량생산에대한경험이부족할지라도혁신적인원가절감기술및추가수익확보여부에따라상업화시점이앞당겨질수있는가능성매우높다. 미세조류생명공학은생물산업의활성화와함께이산화탄소저감등환경산업의발전을함께도모할수있는지속가능한미래유망산업으로서성장해나갈것으로기대되고있다. 따라서이와같은선진기술을선점하여국가경쟁력의우위를확보하기위해서는 미세조류를이용한바이오디젤 연구개발및산업화에대하여정부및산업계의지속적인관심과투자가요구된다. 60 @ 미세조류를이용한바이오디젤 이상필 -3 교.indd 60 2013-11-28 오후 2:38:32
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