녹조저감을통한 바이오연료생산기술동향 한국생명공학연구원 안치용박사 Ⅰ. 개요 91 1. 미세조류와녹조 91 2. 미세조류를이용한바이오디젤생산기술 91 3. 미세조류배양공법기술 92 Ⅱ. 동향분석 93 1. 국내동향 93 2. 해외동향 96 Ⅲ. 향후전망 98 < 참고문헌 > 98 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 _89
Green Technology Trend Report 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 한국생명공학연구원 안치용박사 Ⅰ. 개요 1. 미세조류와녹조조류 (Algae) 는엽록소-a(Chlorophyll-a) 를함유하여식물과동일한형태의광합성작용을하지만, 뿌리, 잎, 줄기등의분화가명확히일어나지않고, 대사물질의이동통로로이용되는물관, 체관등의유관속구조 (Vascular bundle) 를갖지않는생물체를통칭한다. 조류를크기로분류할경우, 단세포로이루어져현미경으로형태를관찰할수있는미세조류 (Microalgae) 와다세포로이루어져육안으로식별이가능한거대조류 (Macroalgae) 로나눌수있으며, 미세조류는식물플랑크톤 (Phytoplankton) 이라고도불린다. 미세조류는다른분류군에속하는생명체에비해형태나분류가매우다양하고복잡하기때문에간단하게일반화하기가쉽지않다. 또한, 계통발생학적기준에따라조류를분류할경우, 핵막이없는원핵생물 (Prokaryote) 에해당하는남조류 (Blue-green algae, cyanobacteria) 와핵막이있는진핵생물 (Eukaryote) 에속하는조류로구분된다. 남조류는부영양화된호수와하천에녹조를발생시켜다양한환경문제를야기하고있다. 남조류가가진독소로인해식수원의안전성이위협받고, 녹조가사멸 ( 死滅 ) 하면서산소를고갈시켜다른수생생물들의폐사를유발하는등다양한문제를일으킨다. 따라서녹조를제어, 제거하는데각국은많은처리와관리비용을지출하고있는상황이다. 2. 미세조류를이용한바이오디젤생산기술미세조류가생산하는지질 (Lipid) 을추출하여바이오디젤로전환하면수송용바이오연료로사용할수있기때문에최근미세조류가바이오매스자원으로각광받고있다. 특히, < 표 1> 을보면미세조류가다른식물체에비해서단위면적당생산성이월등히높은것으로조사되었다. 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 _91
a b c Crop < 표 1> 바이오디젤에대한다양한원료의비교 Oil yield (L/ha) Land area needed (Mha) a Percent of existing US cropping area a Corn 172 1,540 846 Soybean 446 594 326 Canola 1,190 223 122 Jatropha 1,892 140 77 Coconut 2,689 99 54 Oil palm 5,950 45 24 Microalgae b 136,900 2 1.1 Microalgae c 58,700 4.5 2.5 For meeting 50% of all transport fuel needs of the United States. 70% oil (by wt) in biomass. 30% oil (by wt) in biomass. 자료 : Chisti, Y., Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances, Vol.25, pp.294-306, 2007 그러나미세조류를이용한바이오디젤생산비용은석유기반디젤생산비용보다약 5~10배정도더소요되기때문에상용화가늦어지고있는실정이다. 미세조류를이용한바이오디젤의생산비용을줄이기위해서폐수처리공정과연계시키는방법이일반적인해결책으로여겨지고있다. 폐수처리장의처리대상인질소와인을미세조류배양에이용하고부산물로미세조류를얻는방법은배양자체에비용이거의들지않는가장경제적인방법이다. 그러나폐수의성상 ( 性狀 ) 이항상일정하지않고, 옥외배양의특성상안정적인배양을유지하기어렵다. 성상의변화에의해우점종 (Dominant species, 優占種 ) 이변화할수도있고, 동물플랑크톤의섭식작용으로미세조류농도가급격히감소할수도있다. 이러한어려움을극복하기위한연구가세계적으로활발히이루어지고있다. 3. 미세조류배양공법기술미세조류생산효율을높이기위한방법으로부착성미세조류배양방법이있다. 부착성미세조류는특정매질 (Matrix) 에부착해서자라며, 규조류와사상형 (Filamentous, 絲狀形 ) 의녹조류에많이분포한다. 규조류는가을부터봄까지수온이낮은계절에우점 ( 優占 ) 하는특성이있어서다른미세조류에비해 1년내내배양및수확이가능하다. 또한부착성미세조류는부유성미세조류에비해수확이용이하다는점도경제성면에서매우유리하다. 녹조를발생시키는남조류는작은크기와부유성으로인해수확이어렵다. 이에비해부착성미세조류는매질을물에서밖으로꺼내어부착된미세조류만떼어내면되므로수확률이높다. 또한부착성미세조류는비독성이므로부착성미세조류가자란만큼독성남조류가자랄가능성을낮추어녹조발생억제효과도얻을수있다. 또한남조류는지질함량이평균 9.8% 로낮아바이오디젤전환에불리하지만, 규조류중에는지질함량이높은종 ( 種 ) 이많으며, 평균 22.7~37.8% 정도로높은편에속한다 5). 따라서부착성미세조류배양은미세조류바이오매스의회수뿐만아니라활용측면에서도유용하다. 아직까지 92_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
녹조제어와연계하여부착성미세조류를배양, 수확한연구는없었으나, 폐수처리와연계하여부착성미세조류를배양한연구는여러건이있었으며, < 표 2> 와같이기존의부유성미세조류에비해생산성이높게나타났다. < 표 2> 미세조류배양방법에따른특성의비교 Design Culture density (g/l) Gas exchange Scalability Culture control Raceway pond 0.25 ~ 1.00 Low High Low Tubular reactor 1.5 ~ 1.7 Very low Medium High Biofilm system 70 High High Low 자료 : Christenson, L. and R. Sims. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts, Biotechnology Advances, Vol.29, pp.686 702, 2011 Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향 가. 주요미세조류바이오연료생산연구국내바이오연료용미세조류대량생산연구의시발점은 2002년한국생명공학연구원에서 21 세기프런티어연구개발사업의일환으로수행하였던 이산화탄소저감및처리기술개발사업 이다. 이후 < 표 3> 과같이여러부처에서유사한연구사업을시작하였으며, 한국생명공학연구원, 한국해양연구원, 한국에너지기술연구원, 인하대학교등이미세조류배양및바이오디젤전환분야에서선도적위치에있다고할수있다. 국내바이오에너지사용량은국내재생가능에너지사용량의약 3.7% 를차지하였으며, 지속적으로증가할전망이다. 국내에서는바이오연료중바이오디젤이가장주목받아 2002년부터 168개지정주요소에서시범적으로공급하였으며, BD5는 2006년 7월부터일반주유소에보급되었다. 국내바이오디젤생산업체들은주로대두및유채로부터바이오디젤을생산하고있으나대부분의원료를동남아시아등해외에서수입하고있는실정이다. 기존의바이오디젤생산기업은대부분중소기업이었으나, 2007년 SK케미칼, 애경유화등대기업이생산업체허가를획득하였다. 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 _93
< 표 3> 국내의주요미세조류바이오연료생산연구과제 부처명사업명과제명 교육과학기술부 교육과학기술부 교육과학기술부 국토해양부 국토해양부 국토해양부 중소기업청 지식경제부 지식경제부 지식경제부 지식경제부 지식경제부 21 세기프론티어연구개발사업 21 세기프론티어연구개발사업 일반연구자지원 미래해양기술개발사업 미래해양기술개발사업 해양생명공학기술개발 산학연공동기술개발 신재생에너지기술개발 에너지자원인력양성 전력산업원천기술개발 신재생에너지인력양성 한국에너지기술연구원 미세조류개량에의한이산화탄소대량고정및바이오디젤생산실증화 예산 ( 억원 ) 3.45 이산화탄소저감을위한고효율미세조류배양공정 3 조류 (Algae) 배양을통한바이오디젤원료유생산및고속고정화된 Whole cell 과 Lipase 가경사담지된생물반응시스템을이용한바이오디젤연속생산 0.25 해양미세조류의대량배양과바이오디젤생산공정개발 1.55 해산스피룰리나 (Spirulina maxima) 의생산기술개발및고부가가치사업 2.08 해양바이오에너지생산기술개발 16.75 LED 를이용한고효율미세조류용광배양조개발 0.23 미세조류에의한바이오디젤원료양산기술연구개발 5 효율적인생물학적이산화탄소저감공정에필요한미세조류선발및개량 발전소환경개선을위한미세조류탄소고정화 (MBCF) 기술개발 새로운해수미세조류의대량배양공정개발을통한경제적인바이오디젤생산기술개발 0.28 2.4 0.73 조류이용바이오연료생산요소기술개발 15 자료 : 국가과학기술지식정보서비스, http://www.ntis.go.kr, 접속일자 2012. 12. 12. 나. 녹조와미세조류의활용현황 2012년 4대강에서발생한녹조로인해식수의안전성에대한우려가대두됨에따라녹조의심각성을인식하게되었다. 녹조발생을억제하기위해서근본적으로영양염류 (Nutrient, 營養鹽類 ) 의유입을차단하면되지만, 부영양화를억제할수있을정도로하폐수처리시설이충분하지않은실정이다. 또한, 농경지등의비점오염원 (Non-point pollution source, 非點汚染源 ) 을통한영양염류유입은제어가어려워장기적인대책을세우는것에그치고있는상황이다. 단기적으로는부영양상태에서녹조발생을억제하거나녹조를효과적으로제거하는다양한방법들이시도되었으나, 범용의녹조제어기술이개발되지않고있다. 다만수계의특성과예산등에따라적절한방법을혼용하여적용함으로써피해를경감시키는수준에서만족해온것이사실이다. 94_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
그러나녹조를발생시키는미세조류는바이오디젤등의바이오에너지원으로서매우각광받고있는자원이다. 미세조류를이용한바이오디젤의생산단가는석유기반연료의생산단가에비해높기때문에경제성을맞추기위하여폐수를이용한배양이현재까지는최선의대안으로인식되어왔다. 또다른대안은발생한녹조를효과적으로수확하거나녹조발생을억제하면서정해진범위내에서인위적으로미세조류를배양한다면바이오매스를활용함과동시에배양된미세조류만큼녹조의발생을억제시키는일거양득의효과를얻을것으로기대된다. 발생한녹조를제거하기위한수확기술은이미개발되었으나, 조류수확효율이높지않고녹조발생시기에만활용이가능하다는점때문에적용범위가지극히제한적이라는한계가있다. 반면인위적인조류배양을통한정기적수확은적용시기를확대시킬수있으며, 영양염류의제거효과도높일수있다는장점이있다. 그러나녹조바이오매스의활용기술은아직초기단계이며, 생태계에미치는영향에대한우려가제기되어쉽게접근하지못하고있다. 국내의경우, 녹조바이오매스활용기술은녹조문제해결과친환경바이오연료생산이라는두마리토끼를잡을수있는매력적인연구주제이다. 다. 녹조제거 / 회수기술개발현황국내에서는황토등을살포하는방법으로미세조류를침강시켜시야에서사라지게하는단기적제거방법만이주로사용되었다. 그러나해수의적조에비해침강효과가약하다는단점이있다. 2012년 2월 10일환경부주최로조류저감기술을보유한국내기업체들의발표회가있었는데, 초음파, 가압부상기술, 교반, 순환장치등물리적인방법으로제거하는기술이절반정도였으며, 나머지는화학약품처리, 천적생물이용, 미생물제제등이었다. 대부분의국내업체들이보유한기술에는녹조바이오매스를회수하여활용한다는개념이없었으며, 녹조라는현상자체의억제와신속한제거에역점을두었다. 그러나녹조가발생하는수역은매우넓고깊으며유동적이기때문에제거효과가소규모연못실험결과만큼크지않다. 녹조를가장효과적으로억제하는수단은영양염류의유입을원천적으로차단하는것이나, 비점오염원관리가쉽지않기때문에녹조문제를근본적으로해결하기어렵다. 특히주요상수원들이위치한상류지역은농촌지역으로농경지에살포되는비료와축산단지에서배출되는분뇨등이강우에의해유입되어부영양화를촉진하게된다. 녹조바이오매스를회수하여이용하고자하는노력은꾸준히있었으나, 크기가 10μm이하인미세조류를효과적으로회수하기가매우어렵다. 수자원공사에서도조류제거용선박을개발하여대청호에서운영하였으나, 하루처리용량이실제필요로하는용량에비해적어서실용성이낮은것으로판명되었다. 처리용량을증대시키거나조류제거선을늘리는방법이있으나, 일년에약한두달남짓사용하기위해고가시설을증설하는것은무리이다. 또한녹조를발생시키는주요미세조류는남조류인데, 바이오디젤생산에활용하기에는지질함량이다른미세조류에비해낮은편이어서이러한이용도적당치않은것으로알려져있다. 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 _95
2. 해외동향전세계적으로조류를배양하여바이오연료를생산하는연구는크게 (1) 해양에서미세조류또는거대조류 (Macroalgae) 를생산하는연구, (2) 태양빛이풍부하고토지가넓은열대및아열대지방의사막등지에서미세조류를대량생산하는연구, (3) 하 폐수처리장에서미세조류를대량생산하고자하는연구들이진행되고있다. 이중에서전자의두연구는조류성장의필수조건인광활한토지 ( 바다 ) 면적과풍부한일조량을필요로한다는점에서우리나라에서추진하기어려운연구과제로평가된다. 하 폐수처리장에서미세조류대량생산연구역시넓은토지면적과풍부한일조량을필요로한다는점에서어려움이있다. 그러나하 폐수처리장에서미세조류대량생산연구는하 폐수중에포함된영양염류를원료로사용해서미세조류를대량생산하면서처리장방류수의높은질소와인농도를낮출수있기때문에최근여러국가에서추진하고있다. 따라서이방안은국내의제반현실조건을감안할때가장실현성이높은미세조류활용대안이다. < 그림 1> 에따르면미세조류를이용한바이오연료생산연구는 2000년대후반부터급속히증가하였다. 중국칭화대학교의 Wu 교수가 2006년 Bioresource Technology에게재한 Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil 이가장많이인용된것으로나타났다. 이논문에서연구한미세조류배양기술은광합성을이용한일반적인미세조류배양방식이아닌, 고가의유기탄소원을추가로공급한비광합성종속영양 (Heterotrophic, 從屬營養 ) 배양방식이므로향후생산비용절감이어렵다는단점이있다. 자료 : SCOPUS 검색결과 http://www.scopus.com, 검색키워드 {(microalga* or alga*) and (bioenergy or biofuel or biodiesel)} < 그림 1> 미세조류바이오디젤관련논문증가현황 96_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
미국의 Greenfuel Technologies는발전소의배연가스 (Flue gas) 를회수한후농축하여비닐로제작된미세조류배양기에공급함으로써바이오연료생산에이용하고있다. 미국의 Green Star Products(GSPI) 는이산화탄소저감을목표로 100 에이커규모의복합조류생산시스템 (Hybrid Algal Production System, HAPS) 을설치하여발전소의배연가스를처리하고바이오디젤생산을추진하고있다. 2009년 7월엑슨모빌 (Exxon Mobil) 은신테틱제노믹스 (Synthetic Genomics, SGI) 의 Craig Venter 박사와미세조류를이용한바이오연료생산기술을연구하고있으며, 5년간 6억달러를투자할계획이다 4). 뉴질랜드의국립환경연구소 (National Institute of Water & Atmospheric Research, NIWA) 는크라이스트처치에 5 헥타르규모의수로지 (Raceway pond, 水路池 ) 를조성하고하수처리장의배출수를이용하여바이오디젤생산용미세조류를배양하고있다. 이처럼미세조류배양은온실가스저감을목표로폐수처리공정과연계하여경제성을높이기위한노력이계속되고있다. 세계적으로대표적인관련연구기관과업체를 < 표 4> 에정리하였다. < 표 4> 국외주요미세조류바이오연료생산연구기관및기업체 연구수행기관연구개발내용연구개발성과의활용현황 미국 DOE 바이오연료생산용미세조류탐색및유전자조작남세균확보 미세조류 3,000 여종확보및미세조류생리, 대사, 유전자조작기술확보 프랑스 PCC University of California, San Diego 무균남세균 600 여종확보 Molecular genetics of cyanobacteria 무균남세균을전세계의연구자에게공급하고있으며, 남세균연구의기초원료를제공하고있음 바이오에너지생산에적합한형질전환균주개발 Arizona State University Self-destructing biofuel, cyanobacteria 미세조류액상연료전환기술개발미세조류로바이오에너지대량생산 Pilot system 구축 USDA 해수미세조류의동정해수미세조류의지질생산분석 PetroAlgae 미세조류를이용한바이오디젤생산 효율적인바이오디젤플라스틱원료생산 OriginOil Algae 에서 Oil 생산 효율적인 Algae culture 와 Oil extraction 기슬개발 Shell and HRbiopetrolum Algae 에서 Oil 생산 - Exxon Mobil / Synthetic Genomics 인공합성 Algae 에서 Oil 생산 2009년에 5-6년연구과제로시작 자료 : 자체조사자료 녹조저감을통한바이오연료생산기술동향 _97
Ⅲ. 향후전망 녹조발생수역에서부착성미세조류를배양하여녹조발생을억제하고배양된부착성미세조류를수확하여바이오연료로활용함으로써한번에두가지효과를동시에거둘수있을것으로기대된다. 여름철뿐만아니라, 수온이낮은계절에도규조류로대표되는저온성부착조류를연중배양하여부영양화의주요원인인질소와인을지속적으로제거할수있다. 이는여름철에한정된기존의녹조제어대책을극복하는대안이될수있다. 부착성조류의생장에의해부유성의남조류생성이억제되어수자원의독소위험성을낮추고, 투명도를높이는부수적인효과도얻을수있다. 또한부착성미세조류는남조류에비해지질함량이높아바이오디젤로의전환율도높다. 이는결과적으로주요호수에서의녹조발생을효율적으로제어함과동시에바이오연료를생산하는기지로의전환을기대할수있다. < 참고문헌 > 1. 국가과학기술지식정보서비스. http://www.ntis.go.kr, 2012.12.12. 2. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances, Vol.25, pp.294-306, 2007 3. Christenson, L. and R. Sims. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts, Biotechnology Advances, Vol.29, pp.686 702, 2011 4. Forbes, http://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2012/06/24/ milking- oil- fromalgae- craig- venter- makes- progress- in- exxon- backed- venture/ 5. Hu, Q., M. Sommerfeld, E. Jarvis, M. Ghirardi, M. Posewitz, M. Seibert and A. Darzins. Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances, The Plant Journal, Vol.54, pp.621 639, 2008 98_ 녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)