미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 최승필 심상준 고려대학교화공생명공학과 Microalgal Bioconversion to Organic Resources form CO 2 Seung Phill Choi and Sang Jun Sim Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea Abstract: 최근미세조류를이용하여지속가능하고재생가능한고부가가치의바이오물질들을생산하려는연구가활발하다. 미세조류는다른광합성생물에비하여이산화탄소를포집하는속도와세포가성장하는속도가빠르며인공적인배양이손쉽기때문에대규모생물공정을통하여대량으로생산될수있다. 미세조류는바이오연료의자원뿐만아니라다른유용한물질들을생산할수있는바이오공장으로여겨지기때문에그상용화가능성을탐색할가치가있다. 본논문에서미세조류유래의잠재적유용물질과상업적이용현황을알아보고, 미세조류바이오매스와유용물질의대량생산및상용화를위한핵심기술에관하여살펴봄으로써미세조류생명공학기술이 21 세기핵심산업기술으로발전하기를기대해본다. Keywords: microalgae, photoreactor, CO 2 fixation, biomass 1. 서론 1) 최근까지광합성미생물인미세조류 (microalgae) 로부터바이오연료를생산하는기술은세계적인관심을받아왔다. 그러나지금은미세조류바이오매스로부터연료를생산하는약 50개이상의회사중어느회사도경쟁력있는가격으로상업적인규모의바이오연료를생산하지못하고있는실정이며미세조류에의한바이오연료생산공정은현재로서는비경제적인것으로보인다 [1]. 현재미세조류바이오연료는다른바이오연료와경쟁이되지못하는실정이며경제성을갖추기위해서는생산비용을현저하게감소시킬필요가있다 [2]. European Algae Biomass Association은실험실에서이루어지는관련연구들이산업적규모의미세조류바이오연료생산으로전환되려면 10년에서 15년이더걸릴것으로예상하고있다. 주저자 (E-mail: simsj@korea.ac.kr) 이러한미세조류바이오연료의상업적인개발이비록얼마간의휴지기를거친다하더라도미세조류는식품, 의약, 그외용도를가지는다양한생화학물질들을생산하며아직발견되지못한다른중요한유용물질들을함유하고있다는측면에서중요한잠재성을가지고있다. 인류가미세조류를이용한것은이천년전으로거슬러올라가는데중국에서는심각한기근에살아남기위해 Nostoc을이용했으며그외에 blue green algae종인 Arthrospira (Spirulina) 와 Aphanizomenon도이용되었다. Spirulina는식품원료로서아프리카나멕시코의고대인간에의해이용되었다 [3]. 미세조류가이처럼오래전부터식품으로이용되어왔지만미세조류를배양하는기술은근대생물공학의발전에의해이루어졌다. 단일미세조류의배양은 1890년에 Chlorella vulgaris 에대해처음이루어졌으며 1900년대초반에식물생리학분야의연구에사용되었다. 2004년에는미세조류바이오매스에대한글로벌시장이 KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 11
년간 5,000톤 (dry matter) 로추정되었으며 1,250 백만달러에이르렀다 [4]. 미세조류는바이오매스함량중 50% 가탄소이며대부분의경우에대기중의이산화탄소로부터얻어진다. 따라서, 미세조류는산업적인공정에서배출되는탄소에대한제거수단으로서관심을끌고있다. 실제로이스라엘의 Seambiotic 社에서는발전소의이산화탄소를이용하는 race-way pond 형식의미세조류배양시설을개발하였다. 치료적목적을위해서도미세조류를오랜동안사용해왔지만생물학적활성물질에대한연구중특히항생제활성에대한연구는 1950년대에서야조금씩시작되었다. 반면대부분의연구는 1980년대까지거대조류 (macroalgae) 에초점을두어왔다. 지금까지대략 15,000 개의천연해양산물들이유용한생물학적활성을보이는것으로탐색되어왔으며이중 45개의천연물질들은의약품으로서사용되기위해전임상과임상단계에서시험되고있으며바다생물로부터유래된 2개품목은등록된의약품이지만미세조류로부터유래된품목은아직없다. 단지, blue-green algae인 Lyngbya majuscula로부터유래된 Curacin이라는항암의약물질이전임상시험중인것으로보고되었다. 또한, 조류유래의산물들을 HIV 감염을방지하기위하여사용하려는연구보고가있지만상업화까지는 5년정도걸릴것으로보인다 [5]. 미세조류는지구상의주요광합성생산과정의절반을담당하고있는생물이며태양광을이용하여잠재적인유용물질을다양하게생산하는생물학적공장으로비유된다. 1950년대초반세계인구의급증은새로운대체식량의개발을모색하게하였으며미세조류는시대에알맞은식량후보로여겨졌다. 미세조류가세계적으로여전히어느정도는식품으로사용되고있지만, 식량문제를해결하기위한미세조류대량생산기술은아직구체화되어있지못하다. 미세조류의대규모배양과유용물질을생산하기위한미세조류바이오매스의사용은이차세계대전동안독일에의해처음으로고려되었다. 미세조류의상업적인 대규모배양은 1960년대에일본에서 Chlorella 배양으로부터시작되었으며 1970년대에멕시코에서 Spirulina의배양및회수가시작되었다. 이후, 호주에서 Dunaliella salina로부터 β-carotene 을생산함으로써본격적인상업화가진행되었다. 연이어미국와이스라엘에서도 Dunaliella 등의미세조류생산공장이지어졌으며, 인도에서는식품색소와항산화제로서유용한아스타잔틴 (astaxanthin) 의생산을위한 Haematococcus pluvialis 배양공장이지어졌다 [6]. 현재상업적으로생산되고있는미세조류들 (Chlorella, Spirulina, Dunaliella) 의대부분은매우선택적인환경에서자라며따라서개방형배양에서도타생물종 (algae, protozoa) 에의해오염되지않는다는특징을가지고있다. 즉, Chlorella 는영양이풍부한배지에서자라며 Spirulina는 ph와 bicarbonate 농도가높은환경에서자라고 Dunaliella는매우높은염도에서자란다. 반면에생육환경에대한선택적잇점이없는대부분의다른미세조류종들은폐쇄형배양으로생산해야한다. 따라서수산양식먹이로이용되는해양미세조류 (Skeletonema, Chaetoceros, Thalassiosira, Tetraselmis, Isochrysis) 와 long-chain polyunsaturated fatty acids을생산하는 Crypthecodinium cohnii 등대부분의미세조류들에대한대량배양기술이개체마다환경에맞게특이적으로개발되어야한다 [7]. 지구온난화의주범인이산화탄소는미세조류의광합성작용에의해다양한유용물질로전환될수있다. 본논문에서는미세조류유래의잠재적유용물질과상업적이용현황을알아보고, 미세조류바이오매스와유용물질의대량생산및상용화를위한핵심기술및전망에관하여살펴보기로한다. 2. 미세조류의상업적이용 2.1. 미세조류의특성미세조류바이오매스의이용가능성에기대를거는이유는다른생물자원과구별되는다음의특 12 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 Table 1. 미세조류바이오매스유래의유용물질들 유용물질유용성분응용 바이오매스 바이오매스 식품, 수산양식첨가물, 천연건강식품, 기능성식품 카로틴, 항산화제 Xantophils, vitamin C and E, lutein, β-carotene 식품첨가물, 화장품원료 지방산 효소 Docosahexaenoic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid, superoxide, linolenic acid, ϒ-linolenic acid Phosphoglycerate quinase, L dismutase, lucipherase and lucipherin, restrictive enzymes 식품첨가물 천연식품, 연구용의약원료 폴리머 Starch, polysaccharides, polyhydroxybutyrate (PHB), peptides 천연식품, 화장품의약원료 특이물질 Istotopes, toxins, aminoacids, steroids 연구용의약원료 성을지녔기때문이다. 바로, 유용물질에대한높은생산능력, 세포의빠른성장속도, 풍부하게얻을수있는태양광과이산화탄소에의한배양성이다. 미세조류는고농도염에대한내성을지니므로담수 (fresh water), 기수 (brackish water), 염수 (highly saline water), 해수 (marine water) 등여러가지종류의물을이용하여광배양기 (photobioreactor) 에서액상배양이가능하다. 게다가미세조류생물은다양성이크기때문에세포내생화학적성분의변동성이큰바이오매스자원이다 [8]. 예를들면, 특정조건에의해세포내오일함량이높을수록미세조류에의하여생산되는바이오연료의열량은높아진다. 이러한바이오매스입자의크기는분말형태의석탄이나셀룰로오스와비슷한정도의수 µm (Chlorella의경우 5 110 µm) 부터수백 µm까지다양하다. 특히 cyanobacteria ( blue algae ) 와같은일부미세조류는탄소나질소영양분이없어도배양될수있으므로생산비용측면에서효율적이다. 2.2. 미세조류유래의유용물질미세조류의광합성능력은식물보다우수하여수많은고가의물질들을생산할수있다 (Table 1). 미세조류는수소, 메탄등의바이오가스와바이오에탄올, 바이오메탄올, 바이오디젤등의액상연료 (liquid fuel from Botyrycoccus sp.) 를비롯한여러가지바이오연료의생산에도사용되어왔다. 또한, 미세조류는산업적인배가스 (stack gas, exhaust gas) 에함유된이산화탄소를생물학적으로고정하여제거하거나폐수를처리하는데에도이용되어왔다. 미세조류의광합성산물들 (microalgal biomass) 은식품첨가물이나건강식품으로식용이가능하며가축사료나패류먹이로도이용될수있어서사료작물로서도의미가있다. 젖산이나천연색소성분은식용착색제나화장품원료로사용될수도있다 (Table 2). 아래에서미세조류바이오매스의더욱구체적인생산현황을살펴보기로한다. 2.3. 건강보조식품 Chlorella 바이오매스는전세계 70개이상의제조사에의해건강다이어트식품으로생산되고있는데대만에서는년간 400톤의바이오매스를생산하고있다. Chlorella 바이오매스는위궤양, 상처, 변비치료, 동맥경화증방지, 콜레스테롤저하, 항암효과와같은다양한잠재적치료효과를나타낸다고보고된다. 미세조류유래의 β- 1,3-glucan은비록학문적으로규명되지는않았지만 active immuno-stimulator, free radical scavenger, blood lipids reducer와같은활성을나타낸다. Spirulina (Arthrospira) 는높은단백질함량때문에영양제로서사용되거나인체가만들지못하는 linolenic acid와같은필수지방산의공급원이되므로식품보조제로서의약효식품 (nutraceu- KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 13
Table 2. 미세조류바이오매스의효율적인응용 품목 바이오연료 퇴비 동물사료 건축재료 생분해성플라스틱 생리활성물질 응용방법 Extraction of carbohydrate, Direct liquefaction using coal liquefaction technology Compost Fodder or feed for domestic animals or fish cultivation Plastic filler, Concrete additives for high efficiency concrete Plastic forming processes, biodegradable polymer products including biodegradable composites Reformation of carbohydrates (a) tical) 으로생산되고있다. 일본의 DIC 社는중국의하이난에서년간 300톤의 Spirulina를생산하고있으며미국캘리포니아에서도 444,000 m 2 부지의큰공장에서미세조류 Spirulina의정제와분말을생산하여전세계 20여국에판매하고있다. 미국하와이의 Cyanotech 社는 Spirulina Pacifica라는제품명으로 Spirulina 분말을생산하고있다. 현재건조형태의 Spirulina 시장은 4천만달러이상이다 (Figure 1). 2.4. 카로테노이드 (Carotenoid) 미세조류가생산하는귤색소혹은적색소인 carotenoid는현재 400종이상인것으로알려져있으며이중몇종류만이상업화되어있다. 대표적인 carotenoid로는인체내에서 Vitamin A로전환되는 β-carotene와 astaxanthin이있다. carotenoid는주로식용혹은동물사료용식품보조제와식품착색제로사용된다. 미세조류는 carotenoid를평균적으로 0.1 2% 만함유하고있지만, Dunaliella는고염도와고광도조건에서세포내에 14% 까지 β-carotenoid를축적할수있으므로 carotenoid의상업적생산에가장적합한균주이다. 현재전세계적으로호주, 이스라엘, 미국, 중국등지에 carotenoid 생산공장이세워져있다. 가장큰 β-carotenoid 생산회사는 800 헥타르규모의생산시설을갖춘호주의 (b) Figure 1. (a) Spirulina의 race-way pond 배양시설 (Cyanotech 社, 하와이 ), (b) Dunaliella salina의 open pond 배양시설 (Cognis 社, 호주 Hutt Lagoon). Cognis 社인데 Dunaliella 분말및 β-carotenoid 추출물을식용및사료용으로 kg당 300 3000달러로판매하고있다 (Figure 1). 인공합성을통해생산된 β-carotenoid는 trans형태를지니고있는반면에미세조류유래의천연 β-carotenoid는더비싼가격에도불구하고천연의 isomer형태와조성을나타내므로효능은더뛰어나다. 1994년무렵까지 β-carotenoid는대부분인공합성에의존하여생산되었지만이후 Dunaliella 생산설비의증가로인해천연 β-carotenoid의생산이경제성측면에서더유망한것으로여겨지고있다. Astaxanthin는양어, 식이보조제, 항산화제로사용되는 carotenoid 물질이다. 양식산업에쓰이 14 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 는 astaxanthin의년간세계시장규모는 2004년도에 2억달러정도이었으며평균가격은 2500달러 / kg이었으며아직까지천연 astaxanthin보다는비용이적게드는합성 astaxanthin가시장을지배하고있다. Astaxanthin는담수에서자라는 Haematococcus에의해세포내에평균 3% 까지축적되어생산되는데 Haematococcus의배양은이단배양을거쳐야하므로개방형광배양시스템은적합하지않다. 이단배양은우선미세조류 (green-thin walled flagellated stage) 의성장과바이오매스의획득에초점을맞춰서진행한후강한광조건과영양결핍조건에서세포 (thick walled resting stage) 를유도하여 astaxanthin을생산하는단계로구성된다 [9]. 천연 astaxanthin의생산비용이높음에도불구하고잉어, 도미, 닭양식등일부분야에대해서는엄격한규제사항과색소침착에대한높은요구때문에천연 astaxanthin가사용되고있다. 현재, 제약분야에서상용규모의파쇄된 Haematococcus 바이오매스의생산은하와이, 인도, 이스라엘등지에서 Algatech 社에의하여이루어지고있다. 또한하와이의 Cyanotech 社는미세조류유래의 astaxanthin을생산하여동물용영양사료시장의 95% 이상을장악하다가 2008년이후에는판매를중단한상태이다. 2.5. 피코빌리단백질 (Phycobiliprotein) 미세조류종들중 red microalgae에속하는 Porphyridium와 Rhodophyta와같은미세조류는 chlorophyll과지용성색소이외에 phycocyanin과 Phycoerythrin와같은광합성보조색소 (Phycobiliprotein) 를추가적으로생산한다. Phycobiliprotein은색감 ( 적색혹은청색 ) 이진하며, 수용성의단백질성물질이기때문에식품, 화장품, 의약분야에서천연착색제로사용된다. Dainippon Ink 社는 Spirulina로부터 Lina blue라는제품명의청색착색제를유제품, 껌, 감미료등에첨가하려는용도로생산하고있다 [10]. Phycobiliprotein는민감도가매우높은형광성을지니고있어서임상이나면역연구분야에도사 용될수있는데현재 Spirulina와 red microalgae 인 Porphyridium과 Rhodella로부터상업적으로생산되어 25달러 /mg의가격으로년간 5,000달러이상규모의세계적인시장을형성하고있다. 2.6. 지방산 (Fatty acids) 인간을비롯한동물은 C18 이상의필수지방산인 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) 를합성하는효소를지니고있지않으므로식품으로부터 PUFAs를섭취해야한다. Methyl 혹은 omega말단으로부터세번째위치에탄소이중결합을가지는불포화지방산의총칭으로불리는 omega-3 는현재큰주목을받고있다. 어유는 PUFAs의자원으로잘알려져있지만물고기에축적된독성물질의동시섭취때문에문제가되고있다. 애초에물고기는 diatom과같은해양미세조류로부터 PUFAs를섭취하므로보다근본적으로생각하면 PUFAs의상용가능자원은미세조류인셈이된다. Docosahexaenoic acid (DHA) 는현재 dinoflagellate에속하는 rypthecodinium cohnii라는미세조류를이용하여종속영양법에의하여생산되고있으며미세조류로부터상업적으로생산되는유일한지방산이다. DHA (22:6) 는유아식이나식이보조제로사용되며성인이되기까지뇌기능을원활하게해주고신경계의발달을도와주며심장질병을예방하는역할을한다. 전세계이유식시장은년간 100억달러규모인데모유를대신하려면 DHA 첨가가필수적권고된다. Martek 社는경쟁사인 OmegaTech 社를합병하여유아식을위한 DHA는미세조류 Crypthecodinium cohnii로부터생산하며 ( 년간 240톤이상 ), 성인의식이보조제를위한 DHA (DHA gold) 는미세조류 Schizochytrium로부터생산하고있다. 미세조류 Phaeodactylum tricornutum를이용하여또다른 omega-3 지방산 (20 : 5) 인 Eicosapentaenoic acid (EPA) 를고순도 (96%) 저가 (US$ 4,602/kg) 로생산하는공정이스페인의 Almeria 대학연구팀에의하여개발되었다. 전세계 EPA KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 15
Table 3. 미세조류와상용화제품 조류 년간생산량 생산국가 응용분야 Spirulina 3,000 t dry wt 미국, 인도, 중국, 미안마, 일본 Human & animal nutrition, Phycobiliproteins,cosmetics Schizochytrium 10 t DHA oil 미국 DHA oil Chlorella 2,000 t dry wt 대만, 독일, 일본 Human nutrition, aquaculture, cosmetics Dunaliella 1,200 t dry wt 미국, 호주, 이스라엘, 중국 Human nutrition, cosmetics, β-carotene Aphanizomenon 500 t dry wt 미국 Human nutrition Haematococcus 300 t dry wt 미국, 인도, 이스라엘 Aquaculture, Astaxanthin Crypthecodinium 240 t DHA oil 미국 DHA oil 수요는년간 300톤규모인데이때생산비용의 60% 는회수비용이며 40% 는미세조류바이오매스생산비용이다. 이외에도 Nannochloropsis와 Nitzschia로부터 EPA를생산하는연구와 Arthrospira 와 Porphyridium 등의미세조류로부터 Linolenic acid (18:3) 와 Arachidonic acid (20:4) 와같은 omega-6 PUFAs를생산하려는연구도진행되고있다 [11]. 2.7. 안정성있는동위원소물질 (Isotopic Biochemicals) 미세조류는무기물분자의안정한동위원소를고부가가치의유기화합물에부가할수있는성능때문에동위원소표지화합물의자원으로서활용가치가높다. 이물질의시장규모는년간 1,300만달러이상이며 Cambridge대학의동위원소연구실에서동위원소표지아미노산 (US$ 5,900/g) 과동위원소표지핵산 (US$ 28/mg) 을판매하고있다. 2.8. 동물사료 (Animal Feed) 미세조류는많은동물들의상업적양식을위한중요한사료혹은첨가제이다. 현재전세계적으로생산되는미세조류의 30% 이상 (1,000톤이상 ) 은수생동물사료로팔리고있으며특히 Spirulina 생산의 50% 이상이그러한용도로사용되고있다. 많은연구를통해미세조류바이오매스는대두나어분등기존의단백질자원을대체할수 있는수생동물사료로서적합하다고밝혀졌다. 살아있는미세조류를먹이로사용하는것은생산비용문제때문에어렵지만건조된미세조류바이오매스는생산비용이 US$ 50 800/kg 정도라서건조효모등다른바이오매스와혼용한다면상업화에적합하다. 또한미세조류를물고기먹이로사용될동물성플랑크톤의먹이로사용하는경우도있다. 한가지난점은 Spirulina는예외이지만다른미세조류를수생동물사료로사용할때미세조류의세포벽에고함량으로내재된셀룰로스성분을물고기가소화해낼수없다는점이다. 그러나미세조류가셀룰로스를소화할수있는반추동물의사료로서사용될가능성은상업적이득이낮아서아직은희박하다. 단지미세조류가가금류의먹이에 5 10% 이하로첨가하여사용될경우에는 carotenoid에의한피부나난황의발색향상때문에유용하다 [12]. 2.9. 식품 (Human Food) 미세조류는중국이나아프리카에서식품으로먹기도하지만세계식량부족문제를해결하기위한해결책은되지못하며건강식이나식품첨가물로서만사용되고있는실정이다 (Table 3). 2.10. 건축재료 (Building Material) 더나아가미세조류는부패하거나분해되는성질이있으므로복합재료 (composite material) 로개발되어 polypropylene, PVC, polystyrene, poly- 16 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 고최적화해야한다. Figure 2. Chlorella vulgaris-pvc 복합체. ethylene와같은다양한폴리머에중량의절반까지혼입하여신장성과열가소성을부여하는충진제로활용된다 [13]. 예를들어, 5 110 µm Chlorella vulgaris-pvc composite의경우에는 30 41 MPa의인장강도 (tensile strength) 와 1.86% elongation을나타낸다 (Figure 2). Chlorella vulgaris-pe composite의경우에는 Chlorella grains과 PE matrix 사이에화학결합이형성되어갭이없어져서인장강도가두배증가된다. 3. 미세조류배양조건의최적화미세조류는태양에너지를화학에너지로전환시킬수있으며이산화탄소를고정하여탄수화물, 지질, 단백질등의바이오매스로전환시킬수있다. 미세조류세포에대한기초적인연구의초점은독특한환경으로부터미세조류의동정과특성규명, 고밀도고성장이가능한새로운균주탐색, 광합성효율과바이오매스향상을위한유전공학적기술개발, 광산화에대한민감성감소, 특정유용물질의함량을향상시킬수있는생화학적요인규명등에맞추어진행되어왔다. 미세조류공정의상용화를위해서는특히비용효율이높은대량배양기술의적절한개발이반드시요구된다. 최대수율의바이오매스획득을위해미세조류배양시스템의온도, ph, 광량, 영양분 ( 무기염 ) 과이산화탄소농도를엄격하게조절하 3.1. 미세조류균주의선택미세조류세포는식물과달리분화과정을거치지않기때문에유전자조작이더단순하다. 개방형시스템에서는유전자변형미세조류가환경에대한위협이될수도있지만유전자조작을통하여다양한고부가가치유용물질을저비용으로생산할수있다는점에서미국 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 등에서는다양한미세조류생물자원에대한연구를선두적으로진행하고있다. 현재상업화에사용되는균주는 Spirulina, Chlorella, Dunaliella, Haematococcsu, Nannochloropsis 등소수에불과하다. 따라서보다최적인상용화가능균주에대한스크리닝이나개량이필요하다. 그러나유전공학기술로는식용이나의약용미세조류유래물질을천연활성그이상으로제작할수없는단계이므로현시점에서는미세조류의균종을최적으로선택하여사용하는것이더중요하다. 이상적인미세조류가갖추어야할요건은여러가지가있지만우선세포내대사산물의생산성이높아야한다는점이며고생산성은흔히세포성장과물질생산으로구성되는이단공정을거쳐서달성될수있다. 둘째, 태양광에너지의최대이용효율은이론적으로 9% 이지만실제로는훨씬낮다. 이를해결하기위해높은광도에서도광합성효율을높이기위해광합성에관련된광안테나크기를줄이는방법이관심을끌고있다. 셋째, 상용화를위한대규모공정은일반적으로무균유지와공정제어가어려우므로극한 ph, 고온, 고염등의극한환경에서도안정되고감염에강한균주를선택하는것이중요하다. 넷째, 미세조류의광합성에의해생산되는산소가고농도로축적되면미세조류의생산성을감소시킬수도있지만미세조류배양에는이산화탄소주입이더욱중요하고필수적이다. 이를위해농도가낮은대기가스보다는농도가높은산업잔류가스를기포로주입하는것이더적합하다. 주입에드는에너지비용 KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 17
Table 4. 미세조류바이오매스의화학적조성 (% of dry mass) 용도미세조류탄수화물단백질지질 식품 연료 Anabaena cylindrica 25 30 43 56 4 7 Chalmydomonas rheinhardii 17 48 21 Dunaliella salina 32 57 6 Chlorella vulgaris 12 17 51 58 14 22 Spirulina maxima 13 16 60 71 6 7 Porphyidium Cruentum 40 579 28 3 9 14 Chaetoceros calcitrans 10 58 30 Chlorella sp. 38 40 12 18 28 32 Nannochloropsis sp. not available not detectable 31 68 Schizochytrium sp. not available not detectable 50 77 Quadricauda de Scenedesmus - 47 1.9 Chaetoceros muelleri 11 19 44 65 22 44 Isochrysis galbana 7 25 30 45 23 30 Chlorella protothecoides 11 15 10 53 15 55 Neochloris oleoabundans not available not detectable 35 54 Scenedesmus obliquus 10 17 50 56 12 14 을줄이기위해서는가스의물질전달효율을높일수있는염기조건에서생육가능한균주가최적이다. 다섯째, 미세조류는타식물종에비해비교적작고단일세포이기때문에세포를회수하는데드는비용이높다. 원심분리를고가의공정이므로대신에여과. 침잔, 부유와같은방법의개발이필요하며혹은생육의어떤단계에서응집성이높은균주를선택하는것이낫다. 여섯째, 세포회수후세포를저비용으로파쇄하려면 Nannochloropsis와같이크기가작고세포벽이두꺼운균주보다는크기가크고세포벽이얇은균주가적합하다. 3.2. 미세조류바이오매스의조성미세조류세포는특별한성분으로구성되어있지는않으며식물과비슷한데, 광합성에관여하는색소와같은물질이외에도소화성이높은탄수화물, 식품으로사용되기에충분한함량의단백질, 함량이식품 (1 35%) 이나바이오연료 (20 80%) 용으로적합한지질등의기본물질로구성되어있다 (Table 4). 따라서식물작물을회수하 고처리하는방법이그대로적용될수있다. 미세조류바이오매스의화학적조성은배지성분뿐만아니라환경적요인, 세포회수처리법, 세포건조법에의해서도좌우된다 [62]. 더나아가필수비타민 (A, B1, B2, B6, C, E) 을비롯한유용물질의함량도달라짐으로써미세조류바이오매스의용도는식품, 화장품, 연료등으로다양화된다. 지질성분은바이오디젤, 단백질과일부지방산성분은건강관리제품으로주로사용된다. 3.3. 배양배지의조성미세조류세포의고속성장을위해서는필수원소들 ( 탄소, 질소, 인, 황 ) 과미량원소들 ( 철, 마그네슘등 ) 이배양배지에반드시포함되어야한다 (Table 5). 질소결핍조건에서 Chlorella emersonii (63%), Chlorella minutissima (56%), Chlorella vulgaris (57.9%), Chlorella luteoviridis (28.8%), Chlorella capsulata (11.4%), Chlorella pyrenoidosa (29.2%), Neochloris oleoabundans (35 54%) 와같은미세조류들의지질함량은증가한다 [67]. 특히, Neochloris는지질중 triglyceride 18 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 Table 5. 미세조류배양배지의주요성분 배지영양요소 주요첨가물 기능 최적농도범위 Carbon source CO 2, HCO 3, CO 2 3, etc. Provide C to the hole cell, etc. 1 10 g/l Nitrogen source NO 3, Urea, AA, N2, etc. Provide N to the hole cell, etc. 10 2000 mg/l Phosphorus Hydrophosphate, phosphate, etc. Provide P to every reaction in cells, etc. 10 500 mg/l Sulphur sulphate etc. Provide S to proteins and reactions, etc. 1 200 mg/l Inorganic salts K, Ca, Na, Mg, etc. Maintain cell structure and activity, etc. 0.1 100 mg/l Trace elements Fe, Zn, Mn, Pb, Cd, etc. Be coenzyme factors, etc. 0.01 10 mg/l Vitamin VitB, VitC, VitE, etc. Aid to cell division, etc. 0.01 1000 µg/l 가차지하는비율이 80% 로서 2.2배나증가한다 [14]. 어떤미세조류는오염물농도가높은호수나산업폐수에서도잘자랄수있으며일반적으로미세조류를배양하기위한배지의조성은균종과배양조건에따라다르다. 특히, 해안근처미세조류배양의경우, 값싼해수를미세조류의최적배양에사용하기위해서염분의양 (35 g/l) 은충분하지만질소나인은따로더공급해줄필요가있다. 담수를미세조류배양에이용할경우에는더많은양의물이소용되며이때에도질소나인을따로더공급해줄필요가있다. Figure 3. 태양광의세기가미세조류세포의비성장속도에 미치는영향. 3.4. 광요구성미세조류에요구되는광량은고등식물에비하여작지만 400 mmol/m 2 s까지는광량이증가함에따라대사활성도증가한다. 예를들어, Chlorella 와 Scenedesmus의포화광세기는 200 mmol/m 2 s 정도이다. 호열성 Chlorogleopsis 종은최적광도는 36.9 mmol/m 2 s이지만높은광도 (246.1 mmol/ m 2 s) 와낮은광도 (36.9 mmol/m 2 s) 에서도세포적응성이뛰어나잘자란다. 그러나최적광도에서광독립영양성장을하던대부분의미세조류는낮은광도의환경에놓이게되면종속영양성장으로바꾸며일부균주는혼합영양성장을나타낸다. 그러나, 일정세기이상의광도에서는오히려광저해에의하여세포성장이낮아진다 (Figure 3). 이러한최적광도의조절은실외배양보다는실내배양에서더중요하며세포에따라그최적 값이다른데유전공학적으로 chlorophyll 안테나크기를줄임으로써바꿀수있다. 3.5. 온도와 ph 온도는미세조류세포의생리적형태적반응을조절하는주요인자이다. 온도가높을수록더높은세포성장속도가나타나며최적의온도에서미세조류효소들은최대의활성을나타낸다. 최적온도는미세조류종에따라다르지만대부분 25 35 의범위이며광조건과같은환경에따라서도다르다. 대부분의미세조류는중성 ph가최적이지만 Spirulina platensis와 C. littorale와같은일부미세조류종은각각알카리 (ph 9) 나산성 (ph 4) 조건이최적이다. bioreactor 내에서 CO 2 혹은 CO 2-3 의농도증가는 ph를변화시켜 ph 조절에큰영향을미칠수있다. 배지내의 KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 19
Table 6. 개방형과폐쇄형광배양시스템의공정변수비교 Parameter Open system (raceway pond) Closed system (photobioreactor) Area needed (m -2 ) 7,828 5,681 Annual biomass production (kg) 100,000 100,000 Volumetric Productivity (kg/m 3 day) 0.117 1.535 Oil Yield (m 3 /ha, based on 40% of biomass) 56.8 78.2 Contamination control Difficult Easy Operation regime Batch or semi-continuous Continuous Area/volume ratio Low High Light utilization efficiency Poor Excellent Process control Difficult Easy Scale up Difficult Easy (a) NH 3 와 NH 4 + 도산화반응을두고물분자와경쟁 하여산소를발생시킬수있다. 따라서, 어떤경우에는광생물반응기의 ph 조절이 CO 2 와 NH 4 + 농도조절에의해이루어진다. (b) Figure 4. (a) Raceway pond system 과 (b) tubular photobioreactor. 4. 미세조류배양기술 4.1. 광배양기디자인식용혹은수산양식을위한미세조류배양의전통적인방식은탱크나연못을이용하는것이었다. 이산화탄소농도가낮은이러한 Raceway pond 나 channel 방식의개방형배양시스템에서는운영비용이적은만큼이산화탄소를더많이공급하기위해더넓은면적이필요했기때문에타생물종에의한오염도가더욱높으며광효율은더낮다 (Table 6). 미세조류생산은대부분개방형 pond에서연구가 30년이상진행되어왔지만생육환경이매우선택적인 ( 즉오염도가낮은 ) 3 가지균종 (Spirulina, Dunaliella, Chlorella) 이외에는적용하기어려운것으로알려져있다 [15]. 따라서, 궁극적으로는오염도가낮고공정제어가용이하고광합성효율이높은폐쇄형광반응 기가목적에맞게독립적으로개발되어사용되어야한다 (Figure 4). 광생물반응기의개발은매우주목받고있는연구분야이며다양한형태의반응기가개발되었다. 현재의연구추세는 vinyl을이용한재활용이가능하고제작이용이한 photo-bioreactor의개발이며나선형, 피라미드형, 관형, 튜브형등이개발되었다. 생산성은형태및구조에따라상이한수준이나경제성을가질정도로우수한생산성을가진반응기는아직개발되지않았다. 미국이 NASA의 OMEGA 프로젝트, 엑손모빌의 Exxon Mobil Algae Biofuels Research and Development Program. 등으로전세계의기술은선도하는수준이다. 개방형배양시스템에비하여비용이더드는광반응기는고부가가치유용물질의생산에국한되어사용되지만더높은농도로바이오매스를생산하기때문에배양이후추출공정의비용 20 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 을줄일수있다. 단일미세조류세포를배양하기위한광배양기의디자인과조업에관한연구는효율적인물질전달을바탕으로투입되는에너지비용을줄일수있고태양광과고농도이산화탄소를잘이용할수있도록실내외에서진행되어왔다 [16]. 광배양기의성능은광배양시스템의특성에따라서반응기체적당생산성 (biomass/volume/ time) 또는설비면적당생산성 (biomass/occupied area/time) 혹은조명표면당생산성 (productivity/ illuminated biomass surface/time) 을기준으로평가될수있다. 4.2. 미세조류고농도배양기술미세조류배양기술중종속영양배양법은이산화탄소포집과바이오매스획득의효율측면에서유리하지만비용이많이든다. 반면에자가영양배양법은고농도및대량배양기술의확립을통해배양효율을높인다면대규모상용공정으로이어질수있다. 또한개방형배양장치는만들어서조작하기쉽지만배양조건을유지하기힘들고오염되기쉬우며세포수확비용이높다는단점이있기때문에온도, ph 등의선택적인배양환경을조성하기에알맞은폐쇄형배양기가바이오매스의대량생산에적합하다. 그러나폐쇄형배양시스템에는목적에맞는특정광배양기형태 (vertical, flat plate, annular, plastic bags, air lifted glass, plastic tubular reactor 등 ) 의디자인, 에너지소모적인 pumping, sparging과같은내부공정의최적화, 반응기재질비용의최소화등이요구된다 [17]. 이때, Chlorococum과같은균주에대해서는이산화탄소의포집을원활하게하기위하여 20% (v/v) 의희석률에의한반연속식배양기술이추가로사용될수있다. 대체적으로폐쇄형광반응기는고부가가치유용물질의생산을위해적합하고, 개방형배양은바이오연료생산을위한바이오매스생산에적합하다. 일반적으로연속조업의광배양기생산성은정상상태의바이오매스농도에희석속도를곱하여얻어지는데반응기표면 ( 혹은내부 ) 의광조 도, 유체역학적조업변수등에의존한다. 여러가지반응기형태들 (helical, vertical, horizontal 등등 ) 중에서관형 (tubular type) 반응기가태양광흡수와그림자효과제거, 이산화탄소분산, 온도조절, 세포침착방지측면에서가장낫다. 특히, 열전달이최적화된나선관형원뿔광배양기 (conical helical tubular photobioreactor) 를이용한다면, 일년내내다양한장소에서더적은조업에너지를투입하여더많은바이오매스를생산하기위해, 내부로흘리는유체의최적온도를계절과시각에따라미리예측할수있다. 현재국내에서개발중인 Photo-bioreactor의경우장기옥외배양을통한실증을위한다양한 data를수집하였고 v-neck, sparger, H/D ratio와같은반응기설계에관한요인도지속적으로개선이이루어지고있는상황이다. 또한 Chlorella, Haematococcus pluvialis 등의다양한미세조류에대해서도반응기를이용한배양이이루어졌고평균이상의우수한생산성을나타내었다. 이러한기술을바탕으로미국등선진국과같이실제발전소등의대규모이산화탄소배출원에대한실증연구가이루어진다면한국형생물학적이산화탄소고정반응기를개발하여한국의화력발전소및기타이산화탄소배출원에적용시킬수있을것이다. 5. 유용물질생산기술 5.1. 광합성에의한이산화탄소의고정미세조류의엽록체내부에서 rubisco (Calvin Cycle) 에의해이산화탄소가고정되어 3-phosphoglycerate 두분자가생성되며이 C3 유기산은전분이나지질로합성된다. 그러나, 산소가이산화탄소와경쟁하면 oxygenase에의하여 3-phosphoglycerate와 2-phosphoglycolate가생성되며이 2- Phosphoglycolate는 glycine으로전환되어 serine 을생성시키는데이때이산화탄소가소모됨으로써광합성효율이 20 30% 정도감소하게된다. 이러한광호흡은주로빛이존재할때발생한다. 따라서이를극복하기위하여미세조류는대기와 KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 21
의평행농도이상으로이산화탄소를세포내부에충분히저장하며미세조류종에따라서는 glycolate형성혹은광호흡이결핍된균도있다. 미세조류는대기혹은연소배가스의이산화탄소를 1.5 2:1의비율로바이오매스로포집할수있다. 특히 Chlorococcum littorale는 40% (v/v) 까지고농도의이산화탄소에대해높은내성과 1 g cell/l/day 이상의이산화탄소고정률을보인다. 또한, Scenedesmus obliquus와 Spirulina도온도가 30 로조절된 3단연속식 tubular photobioreactor에서높은수준의이산화탄소고정률을나타낸다. Spirulina은 6% 이산화탄소에서최대비성장속도 0.44 /day와 6% 이산화탄소에서최대생산성 0.22 g/l/day를보인다. Spirulina obliquus SJTU-3, Chlorella pyrenoidosa SJTU-2, Botryococcus braunii SI-30는높은농도 (30 50%) 의이산화탄소를각각 total lipid, polyunsaturated fatty acid, hydrocarbon의고축적을위해사용된다. 배가스는이산화탄소농도가높아서광호흡에의한광합성저해가발생할우려가있지만황이나질소를또다른영양분으로내포하고있어서바이오매스생산성을 30% 정도향상시킬수있는장점을지닌다. 5.2. 유용물질분리를위한다운스트림공정미세조류바이오매스를분리하고농축하는과정은경제적이고효율적인공정으로구성되어야한다. 기존화학공정에서발전되어온고열, 고압과같은고에너지를사용하는추출및분리와같은방법들은화학공정이아닌생물공정에적용하기에는효율적이지못한측면이있다. 바이오매스 harvest는일반적으로하나이상의고-액분리단계를요구하며, 미세조류바이오매스생산에서중요한공정중하나이다. 일반적으로총생산비용의 20 30% 를차지한다. 이포집과정은 flocculation, filtration, flotation, centrifugal sedimentation 등을포함하며, 이중어떤공정들은상당히에너지소모적이다. 다양한회수방법의장, 단점조사및효능, 효율을비교하여배가스이용 광배양공정에적합한공정을선택해야한다. 일반적으로미세조류는광투과의제한과세포의작은크기 (2 40 µm) 때문에세포밀도가제한되며 ( 대개는 0.3 5 g/l) 낮은세포밀도는경제적인미세조류바이오매스의수확을더욱어렵게만든다. 따라서세포회수방법의선택은경제적인미세조류바이오매스생산을위해중요하며미세조류의특성 ( 즉, 세포크기, 세포밀도, target product의가격 ) 에알맞게개발해야한다. 바이오매스회수공정은 2단계로구성되는데먼저 bulk harvesting은 bulk suspension로부터바이오매스를분리하는공정이다. 이공정은일반적으로 100 800배의 concentration factor를통하여최종적으로 2 7% total solid matter를얻을수있다. 이후에진행되는 thickening은 centrifugation, filtration, ultrasonic aggregation와같은기술을통하여 slurry를농축하는공정이므로더욱에너지집약적인단계이다. 바이오매스의건조공정은바이오매스와최종생산물의높은농도를위해요구되는공정이다. 일반적으로건조는열을필요로하기때문에 methane drum dryer나다른 oven-type dryer가사용되고있다. 그러나온도와시간이증대됨에따라건조에사용되는비용이급격히증가한다. Air-drying은건조한기후에서사용이가능하나많은부지와시간이소모된다. 건조후에는생산물을추출하기위하여미세조류를파쇄하는과정을거친다. 이때, 미세조류의세포벽과생산물의특성에따라여러가지세포파쇄법이있다. 상업적으로가치가있는배양규모를가지는생물공정의경우고부가가치유용물질을미세조류에서회수하기위하여다양한단계의분리, 회수, 전환공정을거쳐야한다. 미세조류유래의카르테노이드생산비용의대부분은바이오매스회수및건조, 바이오매스파쇄, 용매추출, 고순도정제등분리정제를위한다운스트림공정에해당한다. 미세조류바이오매스는항상유기용매추출법을통해가공되어야만첨가물로서의제형이나혹은지방산으로부터카로테노이드등의분 22 공업화학전망, 제 15 권제 2 호, 2012
미세조류에의한이산화탄소의생물학적유기자원화 리및최종적인결정화등과연계되는다단계정제에직접이용될수있다. 이외의추출법으로서초임계를이용한방법, lutein을이용한선택적흡착법, 선택적침전법등도있는데아직상용화수준으로사용하기에는경제성등에서많은어려움을가지고있지만시간이걸리고다단계공정을요구하는유기용매추출법에대한대안이될수있다. 5.3. 바이오리파이너리통합공정경제적으로실현가능한미세조류유래바이오연료의생산은 bulk chemicals, food, feed ingredients 등의생산과결합되었을때가능할것이다. 따라서미세조류바이오매스로부터유용물질을분리하기위한여러가지공정개발분야에서바이오리파이너리기술의개발은매우중요하다 [18]. w3-fatty acids, carbohydrates, pigments, vitamins, protein과같은화합물은다단계의다운스트림공정을거치면서그기능을유지해야하며동시에스케일업가능성, 저비용의에너지요구성, 조작의용이성등이고려되어야한다. 지금까지개별적인생산단계들이논의되고연구되었지만어떤단위공정 (upstream) 의불확실성은하부공정 (downstream) 에큰영향을주므로서로다른공정들을하나의완전한하나의공정으로통합하는최적의미세조류바이오매스생산시스템이파일롯또는실증규모로개발되어야한다. 6. 맺음말생물학적이산화탄소고정화연구는선진국과대등한수준의기술을보유함으로써지구환경문제해결과국가위상제고의효과가있다. 또한미세조류의분리, 배양, 유용물질생산등에수반되는미세조류생명공학기술의핵심 요소기술의발전은 21세기핵심산업기술로주목을받을것이다. 이산화탄소의생물학적고정화시스템의수요는 2008년기후변화협약의발효를바탕으로전세계적으로급증할것으로전망된다. 또한미 세조류의 biomass는사료첨가제, 식품착색제, 건강식품, 진단용의약품, 항암 항생물질등의고부가유용물질로전환되어국내에서 500억원 / 년규모의시장형성이예측된다. 또한향후미세조류개량기술, 고밀도대량배양기술, 수확기술, 물질전환기술등핵심기술의발전에따라서미세조류바이오매스의생산가는 2 /kg 이하가될것으로예상되며연료및화학물질의대규모시장을형성하게될것으로보인다. 참고문헌 1. J. J. Milledge, Condensed Matter-Materials Eng. Newsletter, 1, 4 (2010). 2. A. F. Clarens, E. P. Resurreccion, M. A. White, and L. M. Colosi, Environ. Sci. Technol., 44, 1813 (2010). 3. R. A. Kay, Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 30, 555 (1991). 4. P. Spolaore, C. Joannis-Cassan, E. Duran, and A. Isambet, J. Biosci. Bioeng., 101, 87 (2006). 5. S. D. Varfolomeev and L. A. Wasserman, Appl. Biochem. Microbiol., 47, 789 (2011). 6. A. C. Guedes, H. M. Amaro, and F. X. Malcata, Mar. Drugs, 9, 625 (2011). 7. Y. Chisti, Environ. Eng. Manage J., 5, 261 (2006). 8. P. Gabriel and Z. Zisheng, Biotechnol. Adv., 28, 910 (2010). 9. R. Todd Lorenz and G. R. Cysewski, Trends Biotechnol., 18, 160 (2000). 10. R. Raja, S. Hemaiswarya, N. A. Kumar, S. Sridhar, and R. Rengasamy, Crit. Rev. Microbiol., 34, 34 (2008). 11. M. Plaza, M. Herrero, A. Cifuentes and E. Ibanez, J. Agric. Food Chem., 57, 7159 (2009). 12. E. W. Becker, Biotechnol. Adv., 25, 207 (2007). 13. M. Murakami and M. Ikenouchi, Energy KIC News, Volume 15, No. 2, 2012 23
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